回归模型在不同种族人群的肠道菌群和抑郁症状的研究

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 CDA数据分析师 出品  

编译：布洛克斯加布

导读

肠道微生物组被认为在抑郁症中发挥作用，这使其成为有吸引力的干预目标。不同种族群体的微生物组和抑郁症状水平差异很大。因此，任何针对微生物组的抑郁症干预都需要了解不同种族的微生物组-抑郁症关联。分析来自 HELIUS 队列的数据，我们描述了 6 个种族（荷兰人、南亚苏里南人、非洲苏里南人、加纳人、土耳其人、摩洛哥人；N = 3211), 同住市区。考虑到人口统计学、行为和医学差异，肠道微生物群的多样性，包括个体内部（α-多样性）和个体之间（β-多样性），预测抑郁症状水平。这些协会在种族群体之间没有差异。此外，β-多样性解释了 29%–18% 的抑郁症状种族差异。与抑郁症状相关的细菌属属于多个科，主要包括Christensenellaceae、Lachnospiraceae和Ruminococcaceae科. 总之，结果表明肠道微生物群与抑郁症状水平有关，并且这种关联在不同种族群体中普遍存在。此外，结果表明，肠道微生物群的种族差异可能部分解释了抑郁症的平行差异。

目前，许多支持证据仍然采用非人类研究的外推形式，而人类数据仍然稀少，而且大多局限于小规模研究，结果不一致。虽然令人失望，但鉴于肠道微生物群的细菌在群体和个体之间表现复杂，这种不一致可能是预料之中的，肠道微生物群由数百种细菌组成，这些细菌在群体和个体之间表现出显著多样性，这种复杂性只会增加抑郁症类似的多因素和异质性，因此

文献中明显缺少对特征明确的人群进行的充分有力的研究，这些研究将允许对个体差异进行更严格的分析。

已经发表的两项大规模人口研究似乎适合解决上述问题。LifeLines 研究 ( N  = 1135) 表明，抑郁症（基于自我报告的诊断）与 β 多样性显着相关，表明抑郁症个体的微生物群组成与没有抑郁症的人不同。Flemish Gut Flora Project ( N  = 1068)，其中抑郁症的诊断是从医师记录中获得的，在调整年龄、性别、BMI 和胃肠参数的同时复制这种关联。此外，在将服用抗抑郁药物的参与者和交叉验证排除在一个单独的队列（即上述 LifeLines 研究）之后。

该研究确定了两个属（Dialister和Coprococcus），它们都属于厚壁菌门，在这些属中数量较少郁闷。在为抑郁症和肠道微生物组之间的联系提供可信度的同时，这两项研究都应用了稀疏的混杂因素调整，例如与生活方式和健康相关的因素。因此，微生物组-抑郁症关联的确切解释仍然存在不确定性，这限制了诊断和临床应用的进一步进展。

另一个问题是，先前的流行病学关联是在北欧血统的种族同质人群中建立的。人口统计学因素可能是肠道微生物组个体差异的最大来源。例如，对一项大型流行病学调查（城市环境中的健康生活研究，HELIUS）的分析表明，种族对肠道微生物群差异的解释远远超过收集到的任何其他措施，其中包括其他人口统计因素（例如，年龄、性别）、生活方式因素和医疗信息。目前尚不清楚微生物组-抑郁症关联在何种程度上跨种族群体普遍存在，这也限制了解释，尤其是在考虑抑郁症的平行和实质性种族差异时。

根据前面的讨论，本研究调查了一个大型（ N = 3021）多种族队列（HELIUS 研究）中肠道微生物群与抑郁症状水平之间的关联，该队列由生活在同一城市地理区域的六个种族组成。主要目的是确定肠道微生物群的哪些分类学特征与抑郁症状水平相关，同时调整人口统计学、生活方式和医疗因素可能造成的混淆。对于大多数人来说，抑郁症是短暂的，中位持续时间为三到六个月。因此，辅助分析还考虑了预先存在的抑郁风险标记，因为这些可能提供了一个窗口，用于了解微生物群与当前症状水平之间关联的时间特异性；这些包括先前的抑郁发作、抑郁症的父母病史和人格特质神经质（精神病理学的一般风险标记）。第二个目标是确定微生物群与抑郁症的关联是否普遍存在于种族群体中。这种普遍性将极大地拓宽基于微生物组的诊断和干预措施的潜在适用性。

最后，本研究旨在评估肠道微生物群的种族差异是否可以解释抑郁症的种族差异。一项平行研究一对欧洲血统受试者的粪便微生物群与抑郁症状之间的关系进行了大规模流行病学调查，交叉验证了来自阿姆斯特丹 HELIUS 队列和鹿特丹研究队列的数据。

结果

在应用排除标准（参见“方法”部分中的描述）并考虑偶尔缺失的数据后，共有N  = 3211（回归模型 1）和N  = 3088（回归模型 3）参与者可用于分析。表 1提供了研究样本和主要协变量的汇总数据。

表1:研究样本汇总数据

α-多样性预测抑郁症状

如表2所示，香农指数在线性回归分析中预测了 PHQ-9 抑郁症状评分。纳入人口统计学协变量（模型 1：年龄、性别、种族、教育）显着减弱了香农指数与 PHQ-9 总分之间的关联（标准化β  = –0.0738，p  < 0.001），同时改善了整体模型拟合（ΔR 2= 0.0597，p< 0.001；总R 2 = 0.0736）。到目前为止，种族对该模型拟合的贡献最大：在调整性别和年龄后，种族的贡献为ΔR 2  = 0.0431 ( p < 0.001)，教育的附加影响不大 (ΔR 2= 0.0015,p= 0.024)。在依次添加生活方式因素（模型 2：ΔR 2= 0.0087，p< 0.001）和医学变量（模型 3；ΔR 2  = 0.0267）后，香农指数继续预测抑郁症状评分（标准化β -= –0.0597，p  = 0.001 和 –0.0422，p  = 0.023，分别）。在三个模型中的任何一个（模型 1；p  = 0.232；模型 2；p  = 0.134；模型 3；p = 0.325)，表明 alpha 多样性与抑郁症状之间的关联在不同种族之间没有差异。此外，当按种族对结果进行分层时，I2始终接近于零（参见补充图1）。对辛普森指数重复上述分析产生了可比较的结果（见补充表1）。

表2:以抑郁症状评分为因变量的线性回归模型结果

为了估计上述关联的特异性，在调整父母的抑郁史、既往抑郁发作次数和神经质的同时重复分析。调整神经质后，α-多样性不再显着预测抑郁症状。相反，在所有 3 个回归模型中调整抑郁症状后，α-多样性与神经质显着相关，表明神经质是更强的预测因子。父母病史和既往抑郁发作次数仅轻微减弱了与抑郁症状的关联（模型 3，标准化β > –0.0384，p< 0.033）。

表3还显示了使用 α 多样性（香农）作为结果的线性回归分析的结果，即反转 X 和 Y。完全调整的模型（模型 3）解释了 α 多样性中大约 18% 的方差，这主要是归因于种族（ΔR ² = 0.1143，p< 0.001，包括年龄和性别后），PHQ-9 分数仍然是香农指数的重要预测因子（见表3）。

表3:以香农指数为因变量的线性回归模型结果

β 多样性预测抑郁症状

来自 Bray-Curtis 相异性或加权 UniFrac 距离矩阵的主坐标（主坐标分析，PCoA）被输入为线性回归中的预测变量（PHQ-9 总分作为因变量）。前 20 个坐标的前向选择产生了 6 个坐标，这些坐标编译了预测抑郁症状评分的信息，这些坐标用于随后的回归分析。在这些坐标中，PCoA #2 预测微生物组组成为 6.50%（Bray-Curtis）和 9.73%（加权 UniFrac）。值得注意的是，在此主坐标中编译的多维信息表现出高度相关性（r = 0.83）与香农指数，表明在这种统计方法中（与α-多样性通常概念化的方式相反）α-多样性是 β-多样性的组成部分（另见补充图2C）。

图1A显示 6 个主坐标共同解释了抑郁评分方差的 1.5%（ΔR ²模型 1）和 0.5%（ΔR ²模型 3）。图1B中的结果进一步表明，粪便微生物组成可以解释抑郁症状评分中 28%（模型 1）和 18%（模型 3）的种族差异。在调整了父母的抑郁史、既往抑郁发作或神经质后，β-多样性坐标仍可显着预测抑郁症状（所有分析 (ΔR ²> 0.0036.p < 0.002）。使用加权 UniFrac 距离（而不是 Bray-Curtis 相异性）复制这些分析产生了相同的结果。图 1的源数据可以在补充数据文件1中找到。

图1:：β 多样性与抑郁症状评分的种族差异有关。

预测 PHQ9 抑郁症的Beta 多样性。它展示了线性回归分析的结果，该分析将 β 多样性建模为抑郁症状水平的预测因子。面板 ( A ) 水平条在对混杂因素（模型 1a 至 3）进行渐进调整后呈现ΔR ²，并且每个回归模型中分别不包含和包含种族。B种族预测 PHQ9 抑郁症。它展示了线性回归的结果，其中将 β 多样性建模为种族与抑郁症状水平之间关联的中介（见下图）。条形图显示 Δ R ²渐进调整后按种族对 PHQ9 的预测（模型 1a 至 3）。出现蓝条 Δ R²没有 β 多样性作为模型中的中介，当假定中介时，橙色条呈现 Δ R ^{2 。}表中的 %（右）表示中介对直接影响的衰减。回归模型：我们使用双侧线性回归分析，没有对多重比较进行调整。模型 1a 针对年龄和性别进行了调整；模型 1b 增加了教育；模型2进一步加入了行为因素（酒精、吸烟、运动、BMI）；模型 3 添加了胃肠道疾病、糖尿病、PPI 使用、近期抗生素、腹泻。所有 Δ R ² p  ≤ 0.001，除了包含种族的模型 3 ( p  = 0.023)。

大多数与抑郁症状相关的分类群是厚壁菌门

如图2所示，在 416 个非平凡的 ASV 中，117 个显示出与 PHQ-9 分数显着的未调整相关性（Rho，FDR < 0.05），其中大多数（99 个 ASV）显示出负相关（表明相对耗尽）。表2的源数据在补充文件（补充数据文件3）中提供，它显示了补充数据文件 3 中的数据子集数中。大约 65% 的人确定了厚壁菌门（76 个 ASV）。为了避免过多的多重测试，只有在未调整的分析（FDR 校正）中获得的显着关联在随后的模型 1-3 中得到进一步分析（使用等级转换依赖 Y）。图2显示，在针对年龄、性别和种族进行调整后，70 个分类单元仍与 PHQ-9 评分显着相关。这些中的绝大多数（60 个 ASV）属于厚壁菌门，主要存在于Christensenellaceae属（R7 组）和毛螺菌科内的各个属（例如，Blautia、Lachnospiraceae NK4A136、Marvinbryantia、Roseburia）和瘤胃球菌科（例如，Oscillibacter、Ruminococcus 1、Ruminococcaceae NK4A214 组、Ruminococcaceae UCG -005）。不太突出的门包括拟杆菌门（例如拟杆菌属）和变形杆菌门（脱硫弧菌属和大肠杆菌/志贺氏菌属）。对行为和医学变量（模型 2 和 3）的进一步调整减少了显着关联的数量，分别产生 48 和 23 个类群与抑郁评分保持显着相关（见图2和 V）。

图2:在未经调整的分析（模型 0）和后续调整分析（模型 1-3）的结果中，选择与抑郁症状水平显着相关的 ASV（行）。

条形表示效果大小（标准化回归系数）。绿色条表示正相关，红色条表示负相关（绘制范围 0.10 ≥  β  ≥ –0.10）。复选标记表示p  < 0.05。“核心”列突出显示样本人群中总体流行率 >75% 的 ASV（用绿色复选标记表示）。

补充图2（面板 A 和 B）重点概述了 PHQ-9 分数与单个 ASV 之间的相关性（同时在 y 轴上绘制了与 alpha 多样性的相关性）。从这些补充图以及图2（也参见相应的源数据）中值得注意的是，有时同一属内的 ASV 与抑郁症状评分显示出相反的关联，例如Blautia、Bacteroides和Oscillospira（请注意，Greengenes 数据库分配给单个 Oscillospira 属的 ASV 在 Sylva 数据库中归因于多个属，请参阅讨论）。而对于其他属，观察到更一致的关联模式（例如，Christensenellaceae、Desulvofibrio、Streptococcus）。

补充数据4、5（以及相应的补充数据源数据文件，描述了个体 ASV、抑郁情绪和相关抑郁风险因素和协变量之间的相关性。热图检查显示，与抑郁症状有很强相关性的分类群也往往与选定的协变量以及 alpha 多样性标记物表现出更强的相关性。作为进一步的可视化，补充此类关联的几个示例。

应用 3 个回归模型中的每一个，只有一小部分 ASV（<6%）通过 ASV 交互（未针对多重测试进行调整）表现出显着的种族性，因此接近预期的 1 类错误率。年龄和性别调整关联的种族分层分析表明，大多数标准化回归系数（81%；N  = 337）的I ²低于 30%，只有 15 个相关性（占总数的 3.6%）显示出明显的种族异质性（I ^{2 >} 50 %)

核心微生物群同样与抑郁症状相关

有人提出，“核心分类群”，即几乎无处不在的细菌，可能与健康表现出更强的相关性25。因此，辅助分析将所有 ASV 获得的结果与分类单元核心子集（定义为跨种族流行率≥75% 的 ASV）获得的结果进行了比较。因为这些非常普遍的核心分类群是最低限度的零膨胀，所以这些比较还可以作为零膨胀偏差的敏感性分析。核心和非核心分类群之间的比较显示，在与抑郁症显着相关的比例、效应量的平均值或分布、协变量调整的稳健性或与抑郁症相关的种族异质性 (I2) 方面没有差异。

结论

当前研究的主要目的是确定肠道微生物群的哪些分类学特征与抑郁症状水平有关。这项调查涉及迄今为止检查微生物组-抑郁症关联的最大研究队列，并且是第一个将种族作为该关联的潜在相关因素进行研究的研究。肠道微生物群与抑郁症状水平之间的一致关联在多个分析层面得到证实，范围从微生物群多样性的全球参数（即，α-多样性、β-多样性）到特定分类群的相对丰度。这些关联经受住了广泛的社会人口统计学、行为和医学协变量的调整。分析进一步表明，这些关联在不同种族群体中基本上是不变的，此外，抑郁症状水平的种族差异部分是由受试者之间微生物群组成的差异。

一个值得注意的发现是 Bray-Curtis 和加权 UniFrac 主成分 #2 与 α-多样性 (Shannon) 共享显着方差。这一发现表明，α-多样性（受试者内微生物多样性的衡量标准）也有意义地表征了受试者间多样性（β-多样性）；换句话说，与 α 多样性高度相关的分类群在个体之间分布不均。这是一个中肯的观察结果，因为正是这些分类群也往往与抑郁症状评分以及已确定的抑郁症危险因素（例如 BMI、炎症，后者重复了之前的发现综上所述，这些结果与将 α 多样性作为健康和脆弱性的通用生物标志物（包括抑郁症）的想法以及一组倾向于非特异性的常见细菌的概念是一致的。应对疾病和健康不佳在对人格特质神经质进行调整后，α-多样性与抑郁症的关联消失了，神经质是常见精神障碍（包括抑郁症）的体质和一般风险因素。神经质的这种主要影响可能有助于澄清以下观察结果，即肠道微生物组的破坏与相当广泛的心理障碍有关，而没有伴随的分类学特异性证据（即，特定的分类群借此区分特定的障碍。值得注意的是，β-多样性的其他主要成分似乎不受神经质调节的影响，因此这些可能会识别微生物群组成的更多抑郁症特异性特征。

总之，对大量不同种族人群的分析表明，肠道菌群与抑郁症状之间存在密切关联。这些关联在不同种族群体中基本上是不变的，并且经受住了针对一组独特的大量相关混杂因素的调整，其中包括人口统计、行为和医学因素。研究结果确定了心理干预的潜在目标，

值得进一步调查，并可能在个人或人群层面对抑郁和幸福产生积极影响。