DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1699737
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41551645
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: Hongjiao Kan وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبيوم المعوي والصحة
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة تأثير التعرض للارتفاعات العالية على ميكروبيوتا الأمعاء والتمثيل الغذائي في البالغين الشباب ومتوسطي العمر. أجريت الدراسة على مدى ستة أشهر، وشملت 70 مشاركًا صحيًا قدموا عينات براز قبل وبعد الصعود إلى ارتفاع 4,500 متر فوق مستوى سطح البحر. باستخدام تسلسل 16S rRNA وكروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC-MS/MS)، قامت الدراسة بتحليل التغيرات في تركيبة الميكروبات المعوية وملفات المستقلبات. أظهرت النتائج اختلافات كبيرة في وفرة الميكروبات المعوية، مع ملاحظة انخفاض في تنوع ألفا وزيادة نسبية في وفرة Firmicutes وBlautia في مجموعة الارتفاع العالي (HG) مقارنة بمجموعة الارتفاع المنخفض (PG). بالإضافة إلى ذلك، تم تحديد 456 مستقلبًا مرتفعًا و425 مستقلبًا منخفضًا، مع فئات ملحوظة تشمل الدهون.
تؤكد النتائج على التغيرات الديناميكية في الفلورا المعوية والمستقلبات بسبب ظروف الارتفاع العالي، مما يشير إلى أن هذه التغيرات قد تلعب دورًا حاسمًا في تكيف الأفراد في مثل هذه البيئات. توفر الدراسة رؤى قيمة حول الآثار الصحية للارتفاع العالي على صحة الأمعاء، مما يبرز الحاجة إلى استراتيجيات إدارة صحية مستهدفة للسكان المقيمين في المناطق المرتفعة.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للميكروبيوتا البشرية، وخاصة الفلورا المعوية، في وظائف فسيولوجية مختلفة مثل الهضم، وامتصاص المغذيات، وتنظيم المناعة، والحفاظ على سلامة حاجز الأمعاء. يمكن أن يؤدي عدم التوازن في هذه الميكروبيوتا إلى العديد من المشكلات الصحية، بما في ذلك العدوى، والسمنة، والسكري، وأمراض القلب والأوعية الدموية. تشمل العوامل المؤثرة على صحة ميكروبيوتا الأمعاء النظام الغذائي، واستخدام المضادات الحيوية، والعمر، والظروف البيئية، ونمط الحياة، والضغط النفسي. ومن الجدير بالذكر أن البيئات المرتفعة تقدم تحديات فريدة تؤثر بشكل كبير على تركيبة الفلورا المعوية، مما يؤثر على صحة المضيف وتكيفه.
تناقش الورقة كيف يمكن أن يؤدي نقص الأكسجين والضغط في الارتفاعات العالية إلى تعطيل توازن الفلورا المعوية، مما يؤدي إلى اضطرابات التمثيل الغذائي ويؤثر على سلامة حاجز الغشاء المخاطي المعدي. تشير الدراسات إلى أن التعرض القصير الأمد لنقص الأكسجين في الارتفاعات العالية يمكن أن يغير بشكل كبير تركيبة ميكروبيوتا الأمعاء، والتي قد تكون مرتبطة بآليات تكيف المضيف. يبدو أن التعرض طويل الأمد للارتفاعات العالية يحفز تغييرات تكيفية في الفلورا المعوية، مما يعزز المسارات الأيضية ويقلل من الإجهاد التأكسدي، مما يسهل التكيف مع نقص الأكسجين. على الرغم من أهمية فهم هذه الديناميات، فإن الأبحاث الحالية محدودة بحجم عينات صغيرة وفترات زمنية قصيرة. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوات من خلال التحقيق في ميكروبيوتا الأمعاء وأنماطها الأيضية في السكان الشباب ومتوسطي العمر في الارتفاعات العالية، مما يساهم في استراتيجيات الوقاية والعلاج من المشكلات الصحية المرتبطة بالارتفاع.
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام SPSS 25.0 ومنصة تحليل QIIME 2، مع إنشاء تمثيلات رسومية من خلال حزمة R. تم تقييم تنوع ألفا للفلورا المعوية باستخدام مؤشرات مثل Chao1 وAce وShannon وSimpson، حيث تشير قيم Chao1 وAce الأعلى إلى غنى أكبر بالأنواع، بينما تشير قيم Shannon الأعلى وSimpson الأدنى إلى زيادة التنوع. تم تقييم تنوع بيتا باستخدام مسافة Bray-Curtis، وتم تحديد الأهمية الإحصائية عبر اختبارات ويلكوكسون لتنوع ألفا وANOSIM لتنوع بيتا. تم استخدام اختبار كروسكال-واليس لتحليل الاختلافات بين تجمعات البكتيريا، مع تحديد عتبة الأهمية عند p < 0.05. تم إجراء تحديد المستقلبات والتعليق عليها باستخدام قواعد بيانات KEGG وHMDB وLIPIDMaps. شملت التحليلات متعددة المتغيرات تحويل البيانات باستخدام metaX، تليها تحليل المكونات الرئيسية (PCA) وتحليل التمييز بالحد الأدنى من المربعات (PLS-DA) لاشتقاق قيم الأهمية المتغيرة في الإسقاط (VIP) للمستقلبات. استخدمت التحليلات أحادية المتغير اختبارات t لتقييم الأهمية الإحصائية (قيم p) وحساب التغيرات النسبية (FC) بين المجموعات، مع تحديد معايير فحص المستقلبات التفاضلية عند VIP > 1، p < 0.05، وFC ≥ 2 أو FC ≤ 0.5. شملت تقنيات التصوير الرسوم البيانية البركانية وخرائط الحرارة العنقودية، بينما تم إجراء تحليلات الارتباط باستخدام معاملات بيرسون. تم اعتبار المسارات الأيضية غنية بناءً على نسبة الحدوث واعتبرت غنية بشكل كبير عندما كانت p < 0.05.
النتائج
في هذا القسم، تحقق الدراسة من التغيرات الميكروبيولوجية في تركيبة وهيكل الفلورا المعوية بين السكان الشباب ومتوسطي العمر قبل وبعد التعرض للارتفاع العالي، مقارنة بين مجموعات الارتفاع العالي (HG) والارتفاع المنخفض (PG). على مستوى الشعبة، لوحظت اختلافات كبيرة في الوفرة النسبية لعدة شعب بكتيرية: Firmicutes (66.32% في HG مقابل 65.86% في PG)، Verrucomicrobiota (2.15% مقابل 1.36%)، وActinobacteriota (21.51% مقابل 11.6%)، من بين آخرين. ومن الجدير بالذكر أن Bacteroidota كانت أكثر وفرة في PG (13.86%) مقارنة بـ HG (2.84%).
على مستوى الجنس، كشفت التحليلات أن Blautia (23.55% مقابل 6.96%) وBifidobacterium (15.59% مقابل 7.95%) كانت أكثر وفرة بشكل ملحوظ في HG، بينما كان Faecalibacterium أكثر انتشارًا في PG (13.09% مقابل 3.62%). أشارت تحليلات الارتباط إلى أن HG كان له ارتباط سلبي كبير مع Synergistota وCampylobacterota وChloroflexi (r = -0.71، p < 0.001) وارتباط إيجابي مع Cyanobacteria وEuryarchaeota (r = 0.71، p < 0.001). على العكس، أظهرت PG أنماط ارتباط معاكسة. بالإضافة إلى ذلك، على مستوى الجنس، أظهر HG ارتباطًا إيجابيًا مع Christensenellaceae-R-7 (r = 0.71، p = 0.014) وارتباطات سلبية مع عدة أجناس، بما في ذلك Faecalibacterium وKlebsiella، بينما أظهرت PG ارتباطًا سلبيًا مع Christensenellaceae-R-7 (r = -0.71، p = 0.002) وارتباطات إيجابية مع أجناس أخرى. تسلط هذه النتائج الضوء على التغيرات الكبيرة في تركيبة ميكروبيوتا الأمعاء المرتبطة بالتعرض للارتفاع.
المناقشة
فحصت الدراسة تأثير الارتفاع العالي على ميكروبيوتا الأمعاء وملفات التمثيل الغذائي لـ 70 مشاركًا صحيًا من الشباب ومتوسطي العمر الذين انتقلوا من ارتفاع منخفض (1,500 م) إلى ارتفاع عالٍ (4,500 م). لوحظت تغييرات كبيرة في تنوع وتركيبة الميكروبات المعوية، مع انخفاض ملحوظ في مؤشرات تنوع ألفا (Chao1 وShannon وSimpson) بين الأفراد في الارتفاع العالي (HG) مقارنة بنظرائهم في الارتفاع المنخفض (PG). على وجه التحديد، كانت الوفرة النسبية لشعبة Actinobacteriota وجنس Blautia أعلى بشكل ملحوظ في HG، بينما كانت Bacteroidota أقل. تشير هذه النتائج إلى أن البيئة المرتفعة قد تفضل بعض الأنواع الميكروبية التي يمكن أن تعزز الكفاءة الأيضية وتكيف المضيف مع ظروف نقص الأكسجين.
بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات الأيضية التفاضلية عن 456 مستقلبًا مرتفعًا و425 مستقلبًا منخفضًا في HG، مع فئات مهمة تشمل الدهون والأحماض العضوية. أشار تحليل إثراء المسارات إلى أن مسارات التمثيل الغذائي للطاقة وتخليق الأحماض الأمينية كانت مرتفعة بشكل ملحوظ في HG، مما يدعم الفرضية القائلة بأن تكيفات ميكروبيوتا الأمعاء ضرورية للتكيف مع المتطلبات الفسيولوجية للارتفاع العالي. تؤكد الدراسة على التفاعل المعقد بين ميكروبيوتا الأمعاء، وعمليات التمثيل الغذائي للمضيف، والعوامل البيئية، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من الاستكشاف للآليات الجزيئية الكامنة وراء هذه التغيرات وآثارها على الصحة في البيئات القاسية.
القيود
تقدم الدراسة نقاط قوة ملحوظة، بما في ذلك تركيزها على السكان الشباب ومتوسطي العمر وفترة زمنية طويلة نسبيًا، مما يسمح باستكشاف ديناميات الفلورا المعوية والتغيرات الأيضية عند التعرض للارتفاع العالي. ومع ذلك، فإنها محدودة من خلال قيودها الجغرافية على شمال غرب الصين وحجم العينة الصغيرة، مما قد يؤثر على قابلية تعميم النتائج. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدم وجود تقسيم بناءً على الارتفاعات المختلفة وغياب بيانات مقارنة من السكان العائدين إلى ارتفاعات أقل يحد من شمولية التحليل.
يجب أن تتناول الأبحاث المستقبلية هذه القيود من خلال إجراء دراسات طولية تشمل مجموعات عمرية ومناطق جغرافية متنوعة. سيساهم دمج الأيضيات والتجارب الوظيفية في تعزيز فهم ديناميات ميكروبيوتا الأمعاء بمرور الوقت بعد التعرض للارتفاع العالي. علاوة على ذلك، فإن الدراسات متعددة المراكز ذات أحجام عينات أكبر ضرورية للتحقيق في التباينات في الفلورا المعوية بين مختلف السكان في الارتفاعات العالية. يمكن أن يوفر دمج التقنيات النسيجية، مثل النسخ الجيني، رؤى أعمق حول الآليات الكامنة وراء التغيرات في الفلورا المعوية في البيئات المرتفعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2025.1699737
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41551645
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): Hongjiao Kan et al.
Primary Topic: Gut microbiota and health
Overview
This study investigates the impact of high-altitude exposure on gut microbiota and metabolomics in young and middle-aged adults. Conducted over six months, the research involved 70 healthy participants who provided stool samples before and after ascending to 4,500 meters above sea level. Utilizing 16S rRNA sequencing and liquid chromatography-mass spectrometry (LC-MS/MS), the study analyzed changes in gut microbial composition and metabolite profiles. Results indicated significant differences in the abundance of gut microorganisms, particularly noting a decrease in alpha diversity and a higher relative abundance of Firmicutes and Blautia in the high-altitude group (HG) compared to the low-altitude group (PG). Additionally, 456 up-regulated and 425 down-regulated metabolites were identified, with notable classes including lipids.
The findings underscore the dynamic alterations in gut flora and metabolites due to high-altitude conditions, suggesting these changes may play a crucial role in the adaptation of individuals in such environments. The study provides valuable insights into the health implications of high altitude on gut health, emphasizing the need for targeted health management strategies for populations residing in elevated regions.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of the human microbiota, particularly intestinal flora, in various physiological functions such as digestion, nutrient absorption, immune regulation, and maintenance of intestinal barrier integrity. An imbalance in this microbiota can lead to numerous health issues, including infections, obesity, diabetes, and cardiovascular diseases. Factors influencing gut microbiota health include diet, antibiotic use, age, environmental conditions, lifestyle, and psychological stress. Notably, high-altitude environments present unique challenges that significantly alter the composition of intestinal flora, impacting host health and adaptation.
The paper discusses how low oxygen and pressure at high altitudes can disrupt the balance of intestinal flora, leading to metabolic disorders and affecting the integrity of the gastric mucosal barrier. Studies indicate that short-term exposure to high-altitude hypoxia can significantly change gut microbiota composition, which may be linked to the host’s adaptation mechanisms. Long-term exposure to high altitudes appears to induce adaptive changes in gut flora, enhancing metabolic pathways and reducing oxidative stress, thereby facilitating hypoxic adaptation. Despite the importance of understanding these dynamics, current research is limited by small sample sizes and short durations. This study aims to fill these gaps by investigating the gut microbiota and its metabolic patterns in young and middle-aged populations at high altitudes, ultimately contributing to strategies for preventing and treating altitude-related health issues.
Methods
In this study, statistical analyses were conducted using SPSS 25.0 and the QIIME 2 analysis platform, with graphical representations generated through the R package. The α-diversity of intestinal flora was assessed using indices such as Chao1, Ace, Shannon, and Simpson, where higher Chao1 and Ace values indicated greater species richness, while higher Shannon and lower Simpson values suggested increased diversity. Beta diversity was evaluated using the Bray-Curtis distance, with statistical significance determined via Wilcoxon tests for alpha diversity and ANOSIM for beta diversity. The Kruskal-Wallis rank-sum test was employed to analyze differences among bacterial populations, with a significance threshold set at p < 0.05. Metabolite identification and annotation were performed using the KEGG, HMDB, and LIPIDMaps databases. Multivariate analyses involved data transformation with metaX, followed by principal component analysis (PCA) and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) to derive the variable importance in projection (VIP) values for metabolites. Univariate analyses utilized t-tests to assess statistical significance (p-values) and calculated fold changes (FC) between groups, with criteria for differential metabolite screening set at VIP > 1, p < 0.05, and FC ≥ 2 or FC ≤ 0.5. Visualization techniques included volcano plots and clustering heatmaps, while correlation analyses were conducted using Pearson coefficients. Metabolic pathways were considered enriched based on the ratio of occurrences and were deemed significantly enriched when p < 0.05.
Results
In this section, the study investigates the microbiological changes in gut flora composition and structure among young and middle-aged populations before and after high altitude exposure, comparing high altitude (HG) and low altitude (PG) groups. At the phylum level, significant differences were observed in the relative abundances of several bacterial phyla: Firmicutes (66.32% in HG vs. 65.86% in PG), Verrucomicrobiota (2.15% vs. 1.36%), and Actinobacteriota (21.51% vs. 11.6%), among others. Notably, Bacteroidota was more abundant in PG (13.86%) compared to HG (2.84%).
At the genus level, the analysis revealed that Blautia (23.55% vs. 6.96%) and Bifidobacterium (15.59% vs. 7.95%) were significantly more abundant in HG, while Faecalibacterium was more prevalent in PG (13.09% vs. 3.62%). Correlation analyses indicated that HG had a significant negative correlation with Synergistota, Campylobacterota, and Chloroflexi (r = -0.71, p < 0.001) and a positive correlation with Cyanobacteria and Euryarchaeota (r = 0.71, p < 0.001). Conversely, PG exhibited opposite correlation patterns. Additionally, at the genus level, HG showed a positive correlation with Christensenellaceae-R-7 (r = 0.71, p = 0.014) and negative correlations with several genera, including Faecalibacterium and Klebsiella, while PG showed negative correlation with Christensenellaceae-R-7 (r = -0.71, p = 0.002) and positive correlations with other genera. These findings highlight significant alterations in gut microbiota composition associated with altitude exposure.
Discussion
The study examined the impact of high altitude on the gut microbiota and metabolomic profiles of 70 healthy young and middle-aged participants transitioning from low (1,500 m) to high altitude (4,500 m). Significant alterations in gut microbial diversity and composition were observed, with a notable decrease in α-diversity indices (Chao1, Shannon, Simpson) among high-altitude (HG) individuals compared to their low-altitude counterparts (PG). Specifically, the relative abundance of the phylum Actinobacteriota and the genus Blautia was significantly higher in HG, while Bacteroidota was lower. These findings suggest that the high-altitude environment may favor certain microbial taxa that could enhance metabolic efficiency and host adaptation to hypoxic conditions.
Additionally, differential metabolomic analysis revealed 456 up-regulated and 425 down-regulated metabolites in HG, with significant categories including lipids and organic acids. Pathway enrichment analysis indicated that energy metabolism and amino acid biosynthesis pathways were notably up-regulated in HG, supporting the hypothesis that gut microbiota adaptations are crucial for coping with the physiological demands of high altitude. The study underscores the complex interplay between gut microbiota, host metabolism, and environmental factors, highlighting the need for further exploration of the molecular mechanisms underlying these changes and their implications for health in extreme environments.
Limitations
The study presents notable strengths, including its focus on a young and middle-aged population and a relatively long time span, which allows for an exploration of the dynamics of intestinal flora and metabolic changes upon exposure to high altitude. However, it is limited by its geographical restriction to Northwest China and a small sample size, which may affect the generalizability of the findings. Additionally, the lack of stratification based on varying altitudes and the absence of comparative data from populations returning to lower altitudes limit the comprehensiveness of the analysis.
Future research should address these limitations by conducting longitudinal studies that encompass diverse age groups and geographical regions. Incorporating metabolomics and functional experiments will enhance the understanding of gut microbiota dynamics over time following high-altitude exposure. Furthermore, multi-center studies with larger sample sizes are essential to investigate the variations in gut flora among different populations at high altitudes. Integrating histological techniques, such as transcriptomics, could provide deeper insights into the mechanisms underlying changes in intestinal flora in high-altitude environments.