腸道菌群代謝與血脂水平改變對不同時期精神分裂癥患者的影響研究

姚理慧，孟小靖，王中嫻，陳苑苑，程鵬，石麗，李經緯，蘇虹，張許來，3*

精神分裂癥（schizophrenia）是一種慢性重性精神疾病，約累及全球1%的人口［1］，具有高致殘率、高負擔性、高自殺傾向［2］，涉及幻覺、妄想、言語和行為異常。研究顯示，心血管疾病是精神分裂癥死亡的首要原因［3］，代謝綜合征是心血管疾病的主要預測因子［3-4］，在精神分裂癥患者中的發病率是普通人群的2～3倍［5］，血脂異常一直被認為是引起代謝綜合征的重要因素。近期有研究發現，首發精神分裂癥患者中存在血脂代謝紊亂［6］，進一步檢測提示，其腦脊液及外周體液中存在膜脂及磷脂水平的異常［7］，說明脂質生物學異常可能與精神分裂癥的病理生理相關。也有研究表明，腸道菌群可影響宿主脂質代謝［8］，可能在精神分裂癥的發病中起到重要作用。因此，代謝組學為神經精神疾病的病因學研究提供一條新的途徑［9］，借助糞便代謝體可以進一步研究腸道菌群代謝與宿主的交互作用機制［10］。然而目前國內此類臨床研究較少，因此，本研究以精神分裂癥不同臨床時期患者為研究對象并與健康對照相比較，探討不同時期精神分裂癥患者血脂水平和腸道菌群代謝的差異，分析其對疾病的影響，為精神分裂癥的治療提供幫助，進而改善預后。

1 對象與方法

1.1 研究對象 納入2018年11月—2019年7月安徽省精神衛生中心住院的精神分裂癥患者（病例組）急性期42例（急性期組）和緩解期41例（緩解期組），同時志愿招募匹配（性別、年齡、身高、體質量與病例組相當）的健康人40例（健康對照組）為研究對象。納入標準為：（1）患者及家屬知情同意；（2）符合《精神障礙診斷和統計手冊》第五修訂版（DSM-5）［11］中關于“精神分裂癥”急性期、緩解期的相關診斷標準；（3）入院后采用陽性和陰性綜合征量表［12］（Positive and Negative Syndrome Scale，PANSS）評估，急性期：PANSS評分≥60分；緩解期：PANSS評分＜60分；（4）應用對代謝影響較小的氨磺必利、阿立哌唑、舒必利等藥物治療［13］。排除標準：（1）存在腦及軀體器質性疾病病史或合并其他符合DSM-5診斷的精神障礙者；（2）存在酒精及其他精神活性物質依賴史；（3）妊娠、哺乳期或月經期女性；（4）專科醫生診斷存在消化道疾病或近3個月內發生過腸道感染；（5）入組前接受過無抽搐電休克治療；（6）近半年飲食結構明顯改變；（7）近3個月服用過抗生素、糖皮質激素、益生菌制劑及其他影響腸道菌群制劑。健康對照組納入標準：通過自愿招募原則匹配合適的健康人群（既往及目前不存在軀體疾病或其他神經精神疾病病史），排除標準與病例組一致。本研究經安徽醫科大學附屬心理醫院醫學倫理委員會批準（批準號：HSY-IRB-PJ-JZB-001），參與者均知情同意，并簽署知情同意書。

本研究創新點與局限性：

創新點：（1）有研究已發現腸道菌群與精神分裂癥病理生理存在關聯，腸道內微生物及其代謝產物可影響宿主的神經發育、免疫及代謝等多方面功能。其中脂質代謝異常一直是影響精神分裂癥的一個重要因素，有研究發現其與腸道菌群改變有關。但目前國內針對精神分裂癥患者腸道菌群代謝與脂質代謝水平的相關研究仍較少。（2）本研究發現精神分裂癥發展的不同階段均存在血脂水平異常，并發現這種異常不僅與患者疾病本身存在關聯，還可能增加其罹患代謝綜合征的風險，是精神分裂癥的高風險因素。（3）本研究同時以腸道菌群代謝為切入點，還發現精神分裂癥患者存在腸道菌群脂質代謝的異常。與既往基因組學（16s測序、宏基因組學）從基因結構角度出發不同，本研究以糞便代謝體為研究對象，更直觀地了解了不同階段精神分裂癥患者腸道菌群脂質代謝的差異及其對宿主代謝可能的影響。這些結果提示無論在下一步的研究還是疾病診療過程中，均要關注血脂水平及腸道菌群代謝對精神分裂癥的影響。

局限性：（1）本研究為單中心臨床研究，樣本量及樣本代表性可能不足。（2）本研究為糞便代謝體的非靶向代謝組學研究，缺乏定向性。（3）本研究為橫斷面研究，混雜因素較多。在后續的研究中，會進行多中心、大樣本的數據收集，對部分患者進行干預，采取多組學技術聯合應用的方法進一步分析腸道菌群及脂質代謝對精神分裂癥的影響。

1.2 研究方法

1.2.1 一般資料收集和量表評定 收集受試者一般資料，包括性別、年齡、身高、體質量、體質指數（BMI）、病程。PANSS由經過一致性培訓的精神科臨床醫師評定，采用PANSS的5-因子模型進行分析，包括認知因子（P2、N5、N7、G10、G11）、興奮因子（P4、P7、G4、G8、G14）、抑郁因子（G2、G3、G6）、陽性因子（P1～P7）、陰性因子（N1-N7），評分越高，癥狀越嚴重。

1.2.2 血液標本 入組第2天收集血液標本并送至本單位檢驗科實驗室檢測總膽固醇（total cholesterol，TC）、 高 密 度 脂 蛋 白（high density lipoprotein，HDL）、三酰甘油（triglycerides，TG）、載脂蛋白A1（apolipoprotein A1，APOA1）、載脂蛋白B1（apolipoprotein B1，APOB1），采用深圳邁瑞生物醫療電子股份有限公司的全自動生化分析儀BS-2000M進行分析。

1.2.3 糞便標本采集 受試者在入組1周內采集糞便標本10 g左右，置于無菌糞便干燥盒內密封，并在1 h內運輸至-80 ℃冰箱保存，直至送檢。

1.2.4 代謝物提取 4 ℃條件下將糞便樣本緩慢解凍，稱取25 mg置于EP管中，加入800 μl提取液和內標后研磨（50 Hz，5 min），水浴超聲（4 ℃，10 min）靜置（-20 ℃冰箱，1 h）。4 ℃下低溫高速離心（Centrifuge 5430，Eppendorf， 離 心 半 徑 7.68 cm，25 000 rpm，15 min）后取600 μl離心后上清液，冷凍真空濃縮儀抽干后，加入復溶液復溶，渦旋震蕩（1 min）水浴超聲后再次離心，取上清液行液相色譜-質譜分析（liquid chromatography-mass spectrometry，LC-MS）。質控樣本由每個樣本上清液各取50 μl混合成。

1.2.5 LC-MS 采用 Waters 2D UPLC（waters，USA）串聯 Q Exactive高分辨質譜儀（Thermo Fisher Scientific，USA）進行檢測。儀器檢測時，樣本隨機排序，穿插QC樣本減少系統誤差。

1.2.6 數據分析 將質譜原始數據導入Compound Discoverer 3.1（Thermo Fisher Scientific，USA） 進 行 數據處理，包括峰提取、組內及組間的保留時間校正、加合離子合并、缺失值填充、背景峰標記以及代謝物鑒定，樣本質控。結合KEGG、mzCloud、Chemspider、HMDB、Lipidmaps、BGI Library數據庫進行代謝物鑒定，單變量分析（差異變化倍數和 t 檢驗）與多元統計分析結合篩選組間差異代謝物。

1.3 統計學方法 采用SPSS 25.0軟件進行數據分析。計量數據符合正態分布以（±s）表示，兩組間比較采用兩獨立樣本t檢驗；偏態分布以M（P25，P75）表示，兩組比較采用Mean-whitney U 檢驗；3組間比較滿足正態分布和方差齊性運用單因素方差分析，不滿足運用非參數檢驗；計數資料用相對數表示，組間比較采用χ2檢驗；相關分析采用Pearson相關。采用多元統計分析對代謝物進行分類及功能預測，結合單變量分析和T檢驗篩選差異代謝物及通路。以P＜0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 3組一般人口學資料比較 3組性別、年齡、BMI比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。急性期組與緩解期組病程比較，差異無統計學意義（P＞0.05），見表1。

2.2 急性期組與緩解期組PANSS評分比較 急性期組的認知因子、興奮因子、抑郁因子、陽性因子、陰性因子評分及PANSS總分高于緩解期組，差異均有統計學意義（P＜0.05），見表2。

表2 急性期組與緩解期組的PANSS評分比較（±s，分）Table 2 Comparison of PANSS scale scores between schizophrenic patients at acute and remission stages

注：PANSS=陽性和陰性綜合征量表

組別 例數 認知因子 興奮因子 抑郁因子 陽性因子 陰性因子 PANSS總分緩解期組 41 6.73±0.27 5.71±0.16 3.17±0.07 9.49±0.35 13.24±0.68 44.98±1.06急性期組 42 10.79±0.45 10.69±0.48 4.71±0.42 15.57±0.72 19.83±0.96 72.21±1.77 t值 6.22 7.42 4.52 6.15 5.58 7.81 P 值 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01

2.3 3組血清脂代謝指標比較 3組TC、APOB1比較，差異均無統計學意義（P＞0.05）。3組患者HDL、TG、APOA1水平比較，差異均有統計學意義（P＜0.05）；其中緩解期組、急性期組的HDL、APOA1水平低于健康對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05）；緩解期組TG水平高于急性期組、健康對照組，差異均有統計學意義（P＜0.05），見表3。

表3 急性期組、緩解期組及健康對照組的血清脂代謝指標比較（±s）Table 3 Comparison of serum lipid levels in schizophrenic patients at acute and remission stages and healthy controls

表3 急性期組、緩解期組及健康對照組的血清脂代謝指標比較（±s）Table 3 Comparison of serum lipid levels in schizophrenic patients at acute and remission stages and healthy controls

注：TC=總膽固醇，HDL=高密度脂蛋白，TG=三酰甘油，APOA1=載脂蛋白A1，APOB1=載脂蛋白B1；與健康對照組比較，aP＜0.05；與緩解期組比較，bP＜0.05

組別 例數 TC（mmol/L） HDL（mmol/L） TG（mmol/L） APOA1（g/L） APOB1（g/L）健康對照組 40 4.18±0.14 1.44±0.06 1.14±0.12 1.49±0.04 0.82±0.12緩解期組 41 4.29±0.15 1.23±0.65a 2.00±0.18a 1.23±0.06a 0.78±0.04急性期組 42 4.08±0.13 1.22±0.45a 1.36±0.15b 1.14±0.04a 0.74±0.03 F值 1.25 10.5 23.26 35.59 1.86 P 值 0.54 ＜0.01 ＜0.01 ＜0.01 0.39

2.4 急性期及緩解期精神分裂癥患者血清脂代謝指標與PANSS評分的相關性分析 急性期精神分裂癥患者TC水平與認知因子、興奮因子、陽性因子、陰性因子無線性相關關系（P＞0.05），與抑郁因子評分呈負相關（P＜0.05）；急性期精神分裂癥患者HDL、TG、APOA1、APOB1水平與認知因子、興奮因子、抑郁因子、陽性因子、陰性因子評分均無線性相關關系（P＞0.05）。緩解期精神分裂癥患者TC、TG、APOB1水平與認知因子、興奮因子、抑郁因子、陽性因子、陰性因子評分均無線性相關關系（P＞0.05）；緩解期精神分裂癥患者HDL水平與認知因子、興奮因子、抑郁因子、陽性因子評分均無線性相關關系（P＞0.05），與陰性因子評分呈負相關（P＜0.05）；緩解期精神分裂癥患者APOA1水平與認知因子、興奮因子、抑郁因子評分均無線性相關關系（P＞0.05），與陽性因子評分呈正相關（P＜0.05），與陰性因子評分呈負相關（P＜0.05），見表4。

表4 急性期及緩解期精神分裂癥患者血清脂代謝指標與PANSS評分的相關性分析（r值）Table 4 Correlation analysis of serum lipid levels and PANSS scale scores in schizophrenic patients at acute and remission stages

2.5 3組代謝組學分析結果

2.5.1 代謝物分布特征 LC-MS非靶向糞便樣本代謝組學分析共測得化合物數量 24 536；PCA（Principle Component Analysis，主成分分析）顯示，ABC 3組在主成分PC1和主成分PC2的組成上存在一定差異，可較好的在PCA得分圖上進行分離，表明3組的腸道菌群代謝存在一定差異，提示急性期和緩解期精神分裂癥患者的腸道菌群代謝與健康對照相比較發生了改變，見圖1。

圖1 主成分分析得分圖Figure 1 Principal component analysis scores plot of the metabolic features in schizophrenic patients at acute and remission stages and healthy controls

2.5.2 代謝物組成和功能分析 將所得數據與KEGG、mzCloud、Chemspider、HMDB、Lipidmaps、BGI Library數據庫進行匹配后共檢測到標志性代謝物10 507種。菌群代謝物主要由具有生物作用的化合物（2 766種）、脂類（1 062種）、植物化學化合物（876種）及其他（794種）組成。與脂類代謝有關的包括脂肪酰基（454種）、聚酮化合物（189種）、甘油磷脂（157種）、甘油酯類（59種）、烯醇脂（27種）、鞘脂（27種）、甾醇脂類（14種）、糖脂代謝（2種），具體情況詳見圖2。

圖2 代謝物分類條形圖Figure 2 Bar chart of metabolite classification

2.5.3 差異代謝物分析 精神分裂癥患者急性期（35條）、緩解期（52條）與健康對照組比較存在差異代謝通路。對與脂質代謝相關的通路進一步分析發現：精神分裂癥患者與對照組相比在代謝途徑、類固醇激素的合成、鞘脂代謝、皮質醇的合成與分泌、卵巢類固醇生成以及調節脂肪細胞中的脂肪代謝等脂質相關代謝通路存在差異（P＜0.05）；急性期精神分裂癥患者腸道菌群代謝存在不飽和脂肪酸的生物合成（P＜0.01）、亞油酸（P＜0.01）和花生四烯酸（P＜0.01）代謝通路異常，屬于多不飽和脂肪酸（polyunsaturated fatty acid，PUFA）代謝異常，見圖3。

圖3 代謝通路富集分析氣泡圖Figure 3 Bubble chart of enrichment analysis of metabolic pathway

3 討論

精神分裂癥沉重的疾病負擔讓無數患者和家庭不堪重負，積極尋求有效的治療手段和改善患者預后顯得尤為迫切。大量研究表明［14-15］，脂質代謝異常是精神分裂癥的一個重要特征，其不僅與疾病病理過程有關，也可能增加患者相關軀體疾病的發病風險。腸道菌群是宿主新陳代謝的中心調節因子，與多種神經精神疾病有關，可參與宿主的脂質代謝水平調節，有研究認為微生物對宿主脂質代謝的影響可能是通過腸道菌群的代謝產物所介導的［16］。本研究結果顯示，健康人群HDL及APOA1水平高于精神分裂癥急性期和緩解期患者，而緩解期患者TG水平高于急性期患者及健康人群。相關分析結果顯示，急性期患者TC水平與PANSS的抑郁因子評分存在負相關，緩解期患者HDL及APOA1水平與PANSS的陰性癥狀評分存在負相關，且APOA1與緩解期PANSS的陽性癥狀評分存在正相關。進一步腸道菌群代謝組學分析結果提示，精神分裂癥急性期及緩解期患者與健康人群相比，存在腸道菌群脂質代謝通路的改變，且急性期患者存在PUFA代謝途徑的異常，該研究結果證實了精神分裂癥患者不僅血清脂代謝水平存在異常，腸道菌群脂質代謝也存在異常。

既往研究發現，在精神分裂癥患者中約有56.6%存在血脂水平異常［17］，精神分裂癥患者較正常人群TG水平升高，HDL和APOA1水平下降，TC水平則無顯著變化［18-20］，本研究結果與之相一致。國內學者李志君等［21］的研究發現，血清高TC水平可降低抑郁患者的抑郁情緒及其自殺風險，FANG等［22］的研究提示血清高TC水平和精神分裂癥患者的抑郁癥狀存在相關性，本研究發現在精神分裂癥急性期患者TC水平與PANSS的抑郁因子評分呈負相關。吳小立等［19］的研究發現早期精神分裂癥患者就存在HDL和APOA1的代謝異常，VENKATASUBRAMANIAN等［23］的研究提示HDL和APOA1的代謝異常與精神分裂癥的陰性因子評分呈負相關，本研究發現在精神分裂癥緩解期患者中，HDL及APOA1水平與PANSS的陰性因子評分存在負相關的結果類似。進一步分析還發現APOA1與緩解期PANSS的陽性因子評分存在正相關。BOIKO等［24］的研究還發現精神分裂癥患者載脂蛋白水平的異常與其代謝綜合征發病機制密切相關。這些研究結果均高度提示血脂水平異常是精神分裂癥患者的高危風險因素，在臨床工作中要密切關注血脂水平的動態變化，及早進行干預。

大量的研究發現腸道菌群可借助微生物-宿主免疫軸的機制影響宿主脂質代謝水平［8，25-26］，WANG等［26］的薈萃分析發現，有34種細菌與BMI及血脂水平顯著相關，16S高通量測序檢測中發現高TG和低HDL水平受試者的腸道菌群多樣性降低，宏基因測序顯示TG與66個基因簇相關，HDL與2個基因簇相關，其中梭狀芽孢桿菌基因簇分別與血清HDL水平呈正相關、與TG水平呈負相關。本研究以腸道菌群代謝為切入點，不僅在PCA中顯示精神分裂癥急性期患者腸道菌群代謝物組分和其他兩組存在差異，還發現急性期、緩解期患者與健康人群在類固醇激素的合成、鞘脂代謝、皮質醇的合成與分泌、卵巢類固醇生成以及調節脂肪細胞中的脂肪代謝等脂質代謝通路存在差異。近期的基礎研究發現早期神經發育階段PUFA缺乏會導致小鼠出現精神分裂癥樣表型［27］，臨床研究結果顯示早期精神分裂癥患者就存在脂質代謝紊亂，PUFA水平存在異常，并隨著疾病病程波動［7，28-30］，這些均提示PUFA與精神分裂癥發病機制密切相關。同樣本研究也發現在急性期不飽和脂肪酸生物合成、亞油酸和花生四烯酸代謝等PUFA代謝途徑的異常。既往的大量研究均說明，PUFA不僅受飲食調控，還與炎性反應密切相關，可通過炎性機制調節脂肪因子從而介導血液中的TG、TC水平，在心血管疾病和代謝綜合征等疾病的發病機制中具有重要作用［31］。因此，這些結果均為腸道菌群代謝和血脂代謝之間的聯系提供了證據，也提示在今后的研究中要進一步關注兩者間的交互作用。

綜上所述，本研究發現不同時期精神分裂癥患者存在部分血脂異常及腸道菌群脂質代謝異常，其中血脂水平的異常和疾病存在一定關聯性。與正常對照組相比，急性期精神分裂癥患者腸道菌群的PUFA代謝途徑發生異常，這些結果提示血脂和腸道菌群代謝的異常可引起精神分裂癥患者脂質代謝的紊亂，增加其代謝綜合征的風險。因此，密切關注精神分裂癥患者血脂水平及腸道菌群代謝狀態對于精神分裂癥患者的治療和預后具有重要意義。

作者貢獻：王中嫻、蘇虹、張許來進行文章的構思與設計；姚理慧、王中嫻、張許來進行研究的實施與可行性分析；姚理慧、孟小靖、陳苑苑、程鵬、石麗、李經緯進行數據收集、整理；姚理慧進行統計學處理，結果的分析與解釋，撰寫論文，進行論文的修訂；姚理慧、張許來負責文章的質量控制及審校；張許來對文章整體負責，監督管理。

本文無利益沖突。