Study on the Changes of Intestinal Flora and Its Metabolite Phenylacetylglutamine in Patients with Chronic Heart Failure

doi:10.12114/j.issn.1007-9572.2023.0166

Abstract

Abstract:

Background

The intestinal flora and its metabolites play an important role in the pathology of chronic heart failure (CHF), which is a severe manifestation or terminal stage of various cardiovascular diseases. Increasing evidence has shown that dysbiosis of the intestinal flora and its metabolites can lead to bacterial translocation, release of mediators, inflammatory response and consequently aggravation of CHF.

Objective

To analyze the changes of intestinal flora and its metabolite phenylacetylglutamine (PAGln) in patients with CHF and explore the role played by gut microbiota in heart failure.

Methods

A total of 58 patients with heart failure admitted to the Department of Cardiology of the South Branch of the Sixth People's Hospital of Shanghai Jiaotong University were selected as the CHF group, and 46 patients with the same CHF risk factors but without clinical symptoms and past medical history of CHF were selected as the control group from June 2021 to June 2022. Plotting ROC curves of brain natriuretic peptide (BNP) and PAGln for the diagnosis of CHF. The abundance and diversity of intestinal flora in the two groups were analyzed using 16S rRNA sequencing. Liquid chromatography with tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) was used to detect PAGln concentrations in the plasma of samples from both two groups.

Results

The left ventricular end-systolic diameter (LVESD), left ventricular end-diastolic diameter (LVEDD), BNP, and PAGln in the CHF group were higher than the control group, and the left ventricular ejection fraction (LVEF) was lower than the control group (P<0.05). The area under curve (AUC) of BNP and PAGln levels for the diagnosisof CHF patients was 0.995 and 0.913, respectively. Venn diagram showed that the number of OTUs specific to the CHF group was less than the control group. Alpha diversity analysis showed that the Chao1 index was lower in the CHF group than the control group (P<0.05). β diversity analysis showed that the overall structure of the intestinal flora differed between the two groups. At the genus level, the relative abundances of Escherichia-Shigella, Megamonas, Klebsiella, Bifidobacterium, Parabacteroides, and Romboutsia were higher in the CHF group than the control group (P<0.05), and the relative abundances of Solimonas and Dorea were lower than the control group (P<0.05). The results of LEfSe analysis showed that Lachnospiraceae, Solimonadaceae, Solimonas, Dorea, and Burkholderiaceae were elevated in the control group (P<0.05), and Enterobacteriaceae, Escherichia, Bifidobacterium, Bifidobacteriaceae, Klebsiella, Lactobacillaceae, Lactobacillus, Megamonas, Rikenellaceae, Alistipes, Parabacteroides, and Tannerellaceae were elevated in the CHF group (P<0.05). Typical correlation analysis (CCA) showed that BNP, PAGln, LVEDD, and LVESD were significantly correlated with the CHF group, with BNP having the greatest effect on community changes. Correlation analysis showed that Escherichia-Shigella was positively correlated with BNP and PAGln (P<0.05) ; Bacteroides was negatively correlated with BNP; Romboutsia, Fusobacterium, and Phascolarctobacterium were negatively correlated with BNP and PAGln (P<0.05) .

Conclusion

The structural composition of the intestinal flora in patients with CHF was significantly different from the patients with the same co-morbidities but without clinical manifestations and previous medical history of CHF, with a decrease in flora diversity and a significant increase in the abundance of pathogenic intestinal bacteria, which may lead to an increase in the level of PAGln in CHF patients and participate in the development of CHF.

Key words: Heart failure, Phenylacetylglutamine, Gastrointestinal microbiome, Metabolites, Biodiversity

摘要：

背景

慢性心力衰竭（CHF）是各种心血管疾病的严重表现或末期阶段，肠道菌群及其代谢产物在心力衰竭的病理过程中起重要作用。越来越多证据表明，肠道菌群失调及其代谢产物紊乱可导致细菌移位、释放介质、炎性反应等，进而加重CHF病情。

目的

分析肠道菌群及其代谢产物苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）在CHF患者中的变化，探讨肠道微生物在心力衰竭中所发挥的作用。

方法

选取2021年6月—2022年6月上海交通大学附属第六人民医院南院心内科收治的CHF患者58例为CHF组，另选取具有相同CHF危险因素但没有CHF临床症状表现及既往病史的患者46例为Control组。绘制脑钠肽（BNP）和PAGln诊断CHF的受试者工作特征（ROC）曲线。利用16S rRNA测序技术对两组患者的肠道菌群多样性和丰度进行分析。采用液相色谱串联质谱法（LC-MS/MS）检测两组标本血浆中的PAGln水平。

结果

CHF组左心室收缩末期内径（LVESD）、左心室舒张末期内径（LVEDD）、BNP、PAGln均高于Control组，左心室射血分数（LVEF）低于Control组（P<0.05）。BNP和PAGln水平诊断CHF患者的曲线下面积（AUC）分别为0.995、0.913。Venn图表明，CHF组特有OTUs数目少于Control组。α多样性分析表明，CHF组Chao1指数低于Control组（P<0.05）；β多样性分析表明，两组的肠道菌群总体结构存在差异。属水平上，CHF组埃希-志贺菌属（Escherichia-Shigella）、巨单胞菌属（Megamonas）、克雷伯菌属（Klebsiella）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、副拟杆菌（Parabacteroides）、罗姆布茨菌（Romboutsia）相对丰度高于Control组（P<0.05），单胞菌属（Solimonas）和多尔菌属（Dorea）相对丰度低于Control组（P<0.05）。LEfSe分析结果显示毛螺菌科（Lachnospiraceae）、华杆菌科（Solimonadaceae）、Solimonas、Dorea、伯克菌科（Burkholderiaceae）在Control组中升高（P<0.05），肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、埃希菌属（Escherichia）、Bifidobacterium、双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）、Klebsiella、乳杆菌科（Lactobacillaceae）、乳杆菌属（Lactobacillus）、巨单胞菌属（Megamonas）、理研菌科（Rikenellaceae）、另枝菌属（Alistipes）、Parabacteroides、盲肠坦纳菌科（Tannerellaceae）在CHF组升高（P<0.05）。典型相关分析（CCA）表明，BNP、PAGln、LVEDD、LVESD与CHF组菌群显著相关，其中BNP对群落变化影响最大。相关性分析表明，Escherichia-Shigella与BNP和PAGln呈正相关（P<0.05）；拟杆菌属（Bacteroides）与BNP呈负相关（P<0.05）；Romboutsia、梭杆菌属（Fusobacterium）、内考拉杆菌属（Phascolarctobacterium）与BNP和PAGln呈负相关（P<0.05）。

结论

CHF患者肠道菌群结构组成与具有相同合并疾病但没有CHF临床症状表现及既往病史的患者明显不同，肠道菌群多样性下降，肠道致病菌丰度明显升高，这可能导致CHF患者体内PAGln水平上升，参与CHF的发生发展。

关键词: 心力衰竭, 苯乙酰谷氨酰胺, 胃肠道微生物组, 代谢产物, 生物多样性

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Figures/Tables 10

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组别	例数	年龄〔M（P₂₅，P₇₅），岁〕	性别（男/女）	冠心病〔例（%）〕	高血压〔例（%）〕	心房颤动〔例（%）〕	吸烟史〔例（%）〕	收缩压〔M（P₂₅，P₇₅），mmHg〕
Control组	46	78.0（74.8，81.3）	25/21	46（100.0）	26（56.5）	5（10.8）	10（21.7）	135（124，146）
CHF组	58	77.5（73.0，84.0）	26/32	55 （94.8）	36（62.0）	35（60.3）	14（24.1）	131（122，141）
检验统计量值		-0.518^b	0.930^a	－	0.328^a	26.531^a	0.083^a	-0.874^b
P值		0.605	0.335	0.253	0.567	<0.001	0.773	0.382
组别	心率〔M（P₂₅，P₇₅），次/min〕	WBC〔M（P₂₅，P₇₅），×10⁹/L〕	hs-CRP〔M（P₂₅，P₇₅），mg/L〕	HDL〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕	LDL〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕	TG〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕
Control组	77（72，83）	6.2（5.4，7.4）	1.6（0.8，3.8）	1.1（0.9，1.3）	2.6（2.1，3.0）	1.0（0.8，1.4）
CHF组	85（76，97）	5.7（4.6，8.6）	5.4（2.3，11.5）	1.1（0.9，1.3）	2.2（1.8，2.8）	0.8（0.6，1.1）
检验统计量值	-2.981^b	-0.471^b	-4.049^b	-0.386^b	-1.636^b	-3.345^b
P值	0.003	0.637	<0.001	0.699	0.102	0.001
组别	血肌酐〔M（P₂₅，P₇₅），μmol/L〕	尿素氮〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕	尿酸〔M（P₂₅，P₇₅），μmol/L〕	ACEI/ARB 〔例（%）〕	β受体阻滞剂〔例（%）〕	利尿剂〔例（%）〕
Control组	69.5（57.3，80.8）	5.8（4.7，6.8）	299.5（265.5，390.5）	17（36.9）	20（43.4）	5 （10.8）
CHF组	88.0（71.0，115.3）	7.8（6.4，10.3）	465.5（382.3，604.3）	22（37.9）	30（51.7）	58（100.0）
检验统计量值	-4.285^b	-4.864^b	-5.429^b	0.010^a	0.699^a	－
P值	<0.001	<0.001	<0.001	0.919	0.403	<0.001

组别	例数	年龄〔M（P₂₅，P₇₅），岁〕	性别（男/女）	冠心病〔例（%）〕	高血压〔例（%）〕	心房颤动〔例（%）〕	吸烟史〔例（%）〕	收缩压〔M（P₂₅，P₇₅），mmHg〕
Control组	46	78.0（74.8，81.3）	25/21	46（100.0）	26（56.5）	5（10.8）	10（21.7）	135（124，146）
CHF组	58	77.5（73.0，84.0）	26/32	55 （94.8）	36（62.0）	35（60.3）	14（24.1）	131（122，141）
检验统计量值		-0.518^b	0.930^a	－	0.328^a	26.531^a	0.083^a	-0.874^b
P值		0.605	0.335	0.253	0.567	<0.001	0.773	0.382
组别	心率〔M（P₂₅，P₇₅），次/min〕	WBC〔M（P₂₅，P₇₅），×10⁹/L〕	hs-CRP〔M（P₂₅，P₇₅），mg/L〕	HDL〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕	LDL〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕	TG〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕
Control组	77（72，83）	6.2（5.4，7.4）	1.6（0.8，3.8）	1.1（0.9，1.3）	2.6（2.1，3.0）	1.0（0.8，1.4）
CHF组	85（76，97）	5.7（4.6，8.6）	5.4（2.3，11.5）	1.1（0.9，1.3）	2.2（1.8，2.8）	0.8（0.6，1.1）
检验统计量值	-2.981^b	-0.471^b	-4.049^b	-0.386^b	-1.636^b	-3.345^b
P值	0.003	0.637	<0.001	0.699	0.102	0.001
组别	血肌酐〔M（P₂₅，P₇₅），μmol/L〕	尿素氮〔M（P₂₅，P₇₅），mmol/L〕	尿酸〔M（P₂₅，P₇₅），μmol/L〕	ACEI/ARB 〔例（%）〕	β受体阻滞剂〔例（%）〕	利尿剂〔例（%）〕
Control组	69.5（57.3，80.8）	5.8（4.7，6.8）	299.5（265.5，390.5）	17（36.9）	20（43.4）	5 （10.8）
CHF组	88.0（71.0，115.3）	7.8（6.4，10.3）	465.5（382.3，604.3）	22（37.9）	30（51.7）	58（100.0）
检验统计量值	-4.285^b	-4.864^b	-5.429^b	0.010^a	0.699^a	－
P值	<0.001	<0.001	<0.001	0.919	0.403	<0.001

组别	例数	LVEF（%）	LVESD（mm）	LVEDD（mm）	BNP（ng/L）	PAGln（μg/L）
Control组	46	67.5（62.0，71.0）	29.5（27.0，31.0）	48.0（45.0，50.0）	50.3（18.5，110.7）	37.8（14.0，50.5）
CHF组	58	49.5（40.0，64.0）	38.0（30.8，50.0）	52.0（46.8，60.3）	1 763.0（1 011.5，2 796.9）	128.2（101.6，188.8）
Z值		-6.102	-4.862	-3.344	-8.646	-7.216
P值		<0.001	<0.001	0.001	<0.001	<0.001

组别	例数	LVEF（%）	LVESD（mm）	LVEDD（mm）	BNP（ng/L）	PAGln（μg/L）
Control组	46	67.5（62.0，71.0）	29.5（27.0，31.0）	48.0（45.0，50.0）	50.3（18.5，110.7）	37.8（14.0，50.5）
CHF组	58	49.5（40.0，64.0）	38.0（30.8，50.0）	52.0（46.8，60.3）	1 763.0（1 011.5，2 796.9）	128.2（101.6，188.8）
Z值		-6.102	-4.862	-3.344	-8.646	-7.216
P值		<0.001	<0.001	0.001	<0.001	<0.001

组别	例数	Chao1指数	Simpson指数
Control组	46	1 023.35（879.50，1 289.55）	0.083 9（0.060 4，0.130 0）
CHF组	58	936.90（780.85，1 120.85）	0.080 9（0.049 8，0.109 0）
P值		<0.05	>0.05