由于評(píng)估的主觀性以及缺乏精確的診斷方法和具體指標(biāo)，全球老齡化人口中神經(jīng)認(rèn)知障礙（NCD）的發(fā)病率不斷上升，為此，制定個(gè)性化的診斷策略已經(jīng)成為迫切需求。
2024年1月19日，澳門大學(xué)趙勇華團(tuán)隊(duì)，在Microbiome雜志在線發(fā)表了題為“The fusion of multi-omics profile and multimodal EEG data contributes to the personalized diagnostic strategy for neurocognitive disorders”的文章，作者利用多種組學(xué)方法和腦電圖數(shù)據(jù)，建立了機(jī)器學(xué)習(xí)模型，提供了一個(gè)準(zhǔn)確率為92.69%NCD判斷模型。
糞便、尿液、海馬體
腦電圖、宏基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組
1.腦電圖功率譜和微狀態(tài)分析
對(duì)入組的兩組研究對(duì)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，除年齡和認(rèn)知評(píng)分外，無(wú)顯著差異（表1）。對(duì)腦電圖結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，NCDs組與NA組相比，相對(duì)PSD顯著下降（圖2），并且此趨勢(shì)與年齡相關(guān)。另外，NCDs組與NA組相比，微狀態(tài)特征也有明顯不同（表2），表現(xiàn)出微狀態(tài)A覆蓋率下降，持續(xù)時(shí)間減少，且不同微狀態(tài)之間的過渡也出現(xiàn)明顯差異（圖3）。
表1 研究對(duì)象的人口特征及神經(jīng)認(rèn)知分?jǐn)?shù)
圖2正常衰老（NA）與NCDs的腦電圖功率譜和微狀態(tài)分析
表2 NA和NCDs的微狀態(tài)特性統(tǒng)計(jì)
圖3 NA和NCDs的微狀態(tài)特性統(tǒng)計(jì)
2.差異腸道微生物組成和途徑預(yù)測(cè)
在門分類學(xué)排名中，在兩個(gè)組的腸道微生物群中檢測(cè)到的主要分類群是Bacteroidetes、Firmicutes、Actinobacteria和Proteobacteria，總共占總相對(duì)豐度的98%（圖4A）。前20個(gè)門的熱圖，基于其相對(duì)豐度，顯示與正常衰老隊(duì)列相比，NCDs組中Kiritimatiellaeota和Lentisphaerae顯著下降（圖4B）。分析顯示，NCDs組的門類和物種水平的多樣性指數(shù)顯著下降（圖4C）。與正常衰老組相比，NCDs組的Firmicutes/Bacteroidetes（F/B）比率有所增加，但這一變化沒有達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖4D）。物種成分的主成分分析（PCA）和主坐標(biāo)分析（PCoA）的結(jié)果表明，正常衰老組和NCDs組之間存在可觀察到的聚類和可識(shí)別的趨勢(shì)，這意味著腸道微生物組的生物異常與非傳染性疾病有關(guān)（圖4E）。
對(duì)宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析，結(jié)果顯示，兩組之間特有的OTU（圖5A），以及前10的微生物豐度及系統(tǒng)發(fā)育分布，并定位了NCDs組特有的7個(gè)物種級(jí)細(xì)菌（圖5B、C、D）。通路分析結(jié)果顯示，與正常衰老組相比，NCDs的芳香氨基酸生物合成途徑以及TCA循環(huán)相關(guān)途徑明顯下降（圖5E）。
圖4 NA和NCDs的腸道微生物群分析
圖5 物種層面腸道微生物成分的顯著變化以及相關(guān)的預(yù)測(cè)性細(xì)菌功能概況
3.差異的尿液外泌體蛋白
對(duì)尿液里的外泌體進(jìn)行分離鑒定后，對(duì)外泌體蛋白進(jìn)行檢測(cè)，共定性到3306種，定量2712種（圖6A），并對(duì)其其亞細(xì)胞定位（圖6B）。PLS-DA結(jié)果顯示，兩組之間蛋白質(zhì)分布存在差異（圖6C）。對(duì)差異蛋白進(jìn)行分析，與NA組相比，得到上下調(diào)蛋白分別為57和30種（圖6D）。對(duì)差異蛋白進(jìn)行功能分析，結(jié)果表明，其主要參與氨基酸運(yùn)輸和代謝，與宏基因組結(jié)果一致（圖6E、F），另外一些炎癥、腫瘤、精神類等疾病相關(guān)的通路也在NCDs組富集（圖6G）。
圖6 尿液外泌體的蛋白質(zhì)組學(xué)分析
4.差異的糞便代謝物
對(duì)糞便的代謝物進(jìn)行檢測(cè)，PLS-DA結(jié)果顯示，兩組明顯分離（圖7A、B），對(duì)差異代謝物進(jìn)行篩選和聚類（圖7C、D），利用VIP值進(jìn)行篩選，發(fā)現(xiàn)與NA組相比，NCDs組的一些氨基酸和羥基脂肪酸顯著減少，并對(duì)其進(jìn)行功能分析，結(jié)果顯示煙酸鹽和煙酰胺代謝、L-色氨酸生物合成、泛酸鹽和輔酶A生物合成、葉酸生物合成、不飽和脂肪酸的生物合成、檸檬酸循環(huán)、丙酮酸代謝和硫胺素代謝與非傳染性疾病有關(guān)（圖7F）。
圖7 糞便的代謝組學(xué)分析
5.FMT小鼠驗(yàn)證
為了調(diào)查腸道微生物群改變對(duì)認(rèn)知功能的潛在影響，在偽無(wú)菌小鼠模型中進(jìn)行了FMT實(shí)驗(yàn)。并對(duì)小鼠進(jìn)行行為學(xué)觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NCDs的FMT損害了老年小鼠的空間學(xué)習(xí)和記憶（圖8）。
通過在不同時(shí)間點(diǎn)收集和分析糞便顆粒，評(píng)估了FMT對(duì)腸道微生物群的影響。兩種主要細(xì)菌門Firmicutes和Bacteroidetes的豐度在抗生素治療后2周內(nèi)顯著減少，表明腸道微生物群大量耗盡（圖9A）。PCA分析顯示抗生素干預(yù)前后獲得的樣本之間存在明顯分離（圖9B）。此外物種層面細(xì)菌群落的多樣性分析顯示，NCDs-FMT小鼠的α-多樣性指數(shù)顯著下降（圖9C）。Venn圖顯示，兩組間的OTU（圖9D）。NCDs細(xì)菌生物標(biāo)志物的鑒定表明，Ruminococcus gnavus、Enterocloster bolteae和Lachnoclostridium sp.YL 32是LEfSe分析確定的七個(gè)物種級(jí)細(xì)菌生物標(biāo)志物中的三個(gè)。Ruminococcus gnavus和Lachnoclostridium sp.YL32的相對(duì)豐度在小鼠中顯著增加，與種群樣本一致。最初通過宏基因組測(cè)序預(yù)測(cè)的代謝途徑，包括芳香氨基酸的生物合成和TCA周期，根據(jù)小鼠的血清和海馬代謝組學(xué)結(jié)果得到了驗(yàn)證。檸檬酸、富馬酸、琥珀酸、氧戊二酸、丙酮酸和色氨酸的相對(duì)含量都發(fā)生了顯著變化（圖9F，G）。值得注意的是，血清中檸檬酸的相對(duì)含量顯著增加，但在海馬體中顯著減少。
圖8 FMT小鼠的行為學(xué)分析
圖9 FMT小鼠的糞便宏基因分析與血清海馬體代謝分析
6.機(jī)器學(xué)習(xí)分類
SVM用于構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型，根據(jù)不同數(shù)據(jù)集中獲得特征，對(duì)正常衰老和NCDs組進(jìn)行分類（表3和圖10）。在單一組學(xué)和不同數(shù)據(jù)集之間的組合中，得到不同的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。最終，多組學(xué)方法的準(zhǔn)確率達(dá)到92.69%。隨著組學(xué)來(lái)源的增加，使用相同數(shù)量的特征，模型的性能逐漸提高。
表3 不同組學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)性能
圖10 不同組學(xué)的機(jī)器學(xué)習(xí)性能
這項(xiàng)研究中對(duì)正常老齡化老年人和NCDs患者的腦電圖、微生物、蛋白質(zhì)組和代謝組學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明腦電圖功率譜密度（PSD）下降。其次確定了芳香氨基酸和三羧酸循環(huán)生物合成的干擾。這些干擾與特定微生物水平的增加有關(guān)，包括Ruminococcus gnavus、Enterocloster bolteae和Lachnoclostridium sp。YL 32。此外，還發(fā)現(xiàn)特定代謝物的水平下降，如L-色氨酸、L-谷氨酸、γ-氨基丁酸（GABA）和FAHFA。這些發(fā)現(xiàn)共同為NCDs疾病病理生理學(xué)的潛在特征提供了見解。此外，它表明機(jī)器學(xué)習(xí)模型的應(yīng)用大大提高了參與者中NCDs的區(qū)分程度。因此，多組學(xué)概況和腦電圖數(shù)據(jù)的融合為個(gè)性化診斷帶來(lái)了特別的希望。
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排版：野凌
審核：三黍生物企宣部
