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往期精彩回顧

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背景介紹

近兩年生物醫(yī)學(xué)界最火的關(guān)鍵詞是什么？毫無疑問是腸道微生物！腸道微生物文章以平均每周一篇的速度刊登各大頂級期刊，且多次榮登在CNS三大正刊封面。

Nature，2016

腸道菌群為什么這么重要？這與它對人體的巨大影響有關(guān)：人體腸道菌群約有1000多種，細胞數(shù)量達到1014個（約人體細胞的10倍），是人體的一大隱形的“器官”，對營養(yǎng)物質(zhì)代謝、人體自身發(fā)育、免疫及疾病的產(chǎn)生等方面都起到極其重要的作用，與肥胖，糖尿病，嬰幼兒發(fā)育，腸道炎性疾病，心血管疾病，阿爾茲海默癥等多種疾病的研究密切相關(guān)。針對這些系統(tǒng)疾病，研究人員的目光已逐步轉(zhuǎn)移到腸道微生物研究上。

2007年，NIH提出了人類微生物組計劃（Human Microbiome Project, HMP）。該計劃分為2個階段。第一階段主要以健康人群為對象描繪了人體微生物的全景圖。第二階段的人類微生物組計劃作為第一階段的延續(xù)，聯(lián)合多組學(xué)研究策略探究微生物在健康與疾病中扮演了什么角色。

Nature，2019

經(jīng)過12年的努力，2019年5月，《Nature》雜志公布了人類微生物組計劃第二階段-人類微生物組整合計劃（Integrative Human Microbiome Project，iHMP或HMP2）的完成。該計劃包括了微生物組與早產(chǎn)、微生物組與炎癥性腸病、微生物組與前驅(qū)糖尿病三部分研究內(nèi)容，即三種與微生物組關(guān)聯(lián)性最為緊密的生理或病理狀態(tài)。

iHMP研究進展

在我國，腸道微生物研究也炙手可熱：2017年，中國腸道宏基因組計劃正式成立。隨后不久，中科院微生物研究所牽頭的中國科學(xué)院微生物組計劃正式啟動。國自然也將腸道菌群研究作為了資助重點。

人類與微生物的互作研究持續(xù)了幾十年，近幾年才是最繁榮的時代：各研究方向均有新的研究成果報道。這一切得益于基于測序和質(zhì)譜技術(shù)的微生物組學(xué)（宏基因組/宏蛋白組/宏代謝組）的發(fā)展，使得科研工作者可以從各個維度對腸道菌群的組成和功能進行研究。因此，腸道菌群也從以前對不同微生物組構(gòu)成與人體癥狀之間的關(guān)系的研究，迅速擴展至不同微生物群體、其綜合功能及其對宿主病理生理的作用機制。

腸道微生物的研究分為基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白、代謝等多個層次。不同層次的研究側(cè)重均有各自的技術(shù)方法。

腸道微生物系統(tǒng)研究方案

菌群多樣性研究：16S rDNA擴增子測序用于分析微生物群落的構(gòu)成和豐度差異，低成本快速高效，是用于分析微生物群多樣性的不二之選。

菌群功能研究：宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、宏蛋白質(zhì)組學(xué)偏向于菌群功能研究。不同的是宏基因組和宏轉(zhuǎn)錄組反映的是可能發(fā)生和很有可能發(fā)生的事，而宏蛋白能夠真實的反映腸道菌群基因和轉(zhuǎn)錄層面的變化在蛋白層面是否發(fā)生以及發(fā)生的進程。通過搞清楚這些蛋白的“功能”，能夠更好地理解腸道菌群對宿主的調(diào)控機制。

宏基因組學(xué) 代謝組學(xué)以及16S rDNA擴增子測序 代謝組學(xué)是目前廣泛使用的多組學(xué)研究技術(shù)；其中16S rDNA擴增子測序 代謝組學(xué)非常適合前期的探索性實驗。通過16S與代謝的關(guān)聯(lián)分析，可以弄清楚腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變對腸道菌群代謝狀態(tài)以及功能性代謝小分子的影響，或者對宿主代謝表型的影響，通過一些可視化的工具，還能對一些關(guān)鍵的菌株進行篩選，進一步挖掘其中的作用機制，是非常高效的一種研究手段。

3.1 代謝性疾病

肥胖：Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention. Nature Medicine, 2017. 

宏基因組 非靶代謝 靶向氨基酸檢測

上海交通大學(xué)附屬瑞金醫(yī)院洪潔教授、王衛(wèi)慶教授、寧光院士等人以257名中國漢族青少年為研究對象，首次揭示中國肥胖人群的腸道菌群組成，發(fā)現(xiàn)一系列豐度顯著異于正常人群的腸道共生菌，其中多形擬桿菌豐度在肥胖人群明顯下降，進一步通過代謝組學(xué)分析血清代謝物水平，發(fā)現(xiàn)肥胖人群中谷氨酸的含量顯著高于正常體重人群，并且其含量與多形擬桿菌數(shù)量呈反比。進一步通過小鼠灌胃實驗、肥胖患者減重手術(shù)實驗證實多形擬桿菌水平的恢復(fù)可能有助于肥胖患者的減重過程。

糖尿?。?/span>Longitudinal multi-omics of host–microbe dynamics in prediabetes. Natrue, 2019. 

16S多樣性分析、蛋白組、代謝組、轉(zhuǎn)錄組和基因組

斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Michael Snyder教授聯(lián)合Jackson基因組醫(yī)學(xué)實驗室George Weinstock教授領(lǐng)導(dǎo)團隊擔(dān)負iHMP項目中關(guān)于微生物組與前驅(qū)糖尿病的相關(guān)研究。此項研究在4年內(nèi)每3個月對106位受試者進行健康走訪，采集了受試者健康狀態(tài)及生病狀態(tài)下的血液、糞便和鼻拭子樣本，聯(lián)合16S多樣性分析、蛋白組、代謝組、轉(zhuǎn)錄組和基因組等組學(xué)技術(shù)，揭示了在健康狀態(tài)下和疾病發(fā)生時葡萄糖代謝失調(diào)個體和健康個體間生物學(xué)通路和生理反應(yīng)的差異性，并為進一步研究健康狀態(tài)、前驅(qū)糖尿病狀態(tài)和T2D狀態(tài)的區(qū)別與內(nèi)在聯(lián)系提供了一個開源的數(shù)據(jù)庫。

3.2 心血管疾病

TMAO: Gut Microbial Metabolite TMAO Enhances Platelet Hyperreactivity and Thrombosis Risk. Cell, 2016. 

16S rDNA擴增子測序 宏基因組 靶向TMA/TMAO檢測

美國克利夫蘭診所研究者從4007例受試者著手，前瞻性的對其進行為期3年的血栓事件（MI、中風(fēng)）隨訪, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)TMAO以濃度依賴方式與血栓事件風(fēng)險顯著正相關(guān)。隨后動物實驗發(fā)現(xiàn)腸道菌群在膽堿-TMAO-血小板凝集-血栓的轉(zhuǎn)化過程扮演著重要的作用，接著通過16S rDNA擴增子測序?qū)何⑸锒鄻有赃M行分析，比較與對照組之間的差異，以明確特定種群在其中的作用，然后進一步的通過宏基因組對菌群、蛋白和功能進行分析。最后通過糞便移植技術(shù)進一步證實。因此這篇文章揭示了飲食-腸道微生物-血栓風(fēng)險三者之間的關(guān)系。

3.3 腸道疾病

結(jié)直腸癌：Gavage of Fecal Samples From Patients With Colorectal Cancer Promotes Intestinal Carcinogenesis in Germ-Free and Conventional Mice. Gastroenterology, 2017  

16S rDNA擴增子測序 

將結(jié)直腸癌患者的糞便移植給了有癌癥發(fā)生條件的小鼠會促進了小鼠腫瘤的出現(xiàn)。16S rDNA擴增子測序發(fā)現(xiàn)移植了結(jié)直腸癌患者糞便小鼠腸道中的微生物豐度相比移植健康人的來說明顯下降，產(chǎn)細菌毒素脆弱擬桿菌的數(shù)量逐漸增加，抗炎類普氏糞桿菌等細菌逐漸減少。進一步實驗的實驗結(jié)果表明結(jié)直腸癌患者糞便中存在的微生物群可以影響多個促炎因子和腫瘤形成相關(guān)基因的表達。這項研究提供了結(jié)直腸癌患者腸道微生物可促進癌癥發(fā)展的直接證據(jù)。

3.4 神經(jīng)系統(tǒng)

癲癇：The Gut Microbiota Mediates the Anti-Seizure Effects of the Ketogenic Diet. Cell, 2018.

16S rDNA擴增子測序 非靶代謝

生酮飲食能夠大幅改變腸道菌群的結(jié)構(gòu)，增加A. muciniphila 和Parabacteroides spp. 這兩種細菌的豐度，有效減少減少癲癇的發(fā)作，并且只有當(dāng)這兩種細菌同時存在時才能阻止癲癇發(fā)作。進一步檢測腸道內(nèi)容物、血液、海馬體的代謝物，研究人員發(fā)現(xiàn)生酮飲食引起升高的腸道細菌主要是通過引起血液中谷氨?；被岬臏p少，海馬體GABA/谷氨酸的升高來促進體內(nèi)癲癇發(fā)作的保護。

3.5 肝臟疾病

肝癌：Gut microbiome-mediated bile acid metabolism regulates liver cancer via NKT cells. Science, 2018.

16S rDNA擴增子測序 靶向膽汁酸檢測

美國國立衛(wèi)生院研究人員把小鼠分為正常組和抗生素處理組，分別通過四種不同的腫瘤模型來探究腸道菌群對肝癌發(fā)生發(fā)展的影響。研究發(fā)現(xiàn)，與WT組相比，喂食抗生素的小鼠對腫瘤的形成有明顯的抵制作用。進一步研究發(fā)現(xiàn)C. scindens 這種腸道細菌參與膽汁酸的代謝，在抗生素的處理下，這些細菌數(shù)量開始下降，讓膽汁酸開始積累，從而促進CXCL16的表達，提高NKT免疫細胞的數(shù)目，對腫瘤產(chǎn)生抑制效果。這項研究的重要意義在于確定了腸道微生物影響肝臟免疫應(yīng)答的完整機制。

3.6 藥物

免疫治療：Gut microbiome influences efficacy of PD-1–based immunotherapy against epithelial tumors. Science, 2018.  

宏基因組

249名接受抗PD-1免疫治療的肺癌、腎癌、膀胱尿路上皮癌等多名癌癥患者，發(fā)現(xiàn)在免疫治療前接受抗生素治療的患者，治療效果差。通過對抗PD-1免疫療法作出反應(yīng)的癌癥患者和未作出反應(yīng)的癌癥患者的腸道微生物組進行了比較，發(fā)現(xiàn)A. muciniphila 菌能夠增強免疫治療的效果。 通過糞便移植技術(shù)將對免疫療法作出反應(yīng)的癌癥患者和未作出反應(yīng)的癌癥患者的糞便微生物組移植到無菌的或者接受抗生素治療的小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)那些接受來自對這種免疫療法作出反應(yīng)的癌癥患者的糞便微生物組移植的小鼠對這種免疫療法作出的反應(yīng)得到更好的改善。

腸道微生物是當(dāng)前熱點研究方向，研究證實腸道微生物與代謝性疾病、心血管疾病、腸道疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、肝臟疾病等發(fā)生發(fā)展密切有關(guān)，因此精準(zhǔn)醫(yī)療下離不開對其研究。此外，藥物會影響腸道微生物。腸道微生物的變化會導(dǎo)致藥物副作用，但也有可能是藥物發(fā)揮效應(yīng)的過程。未來針對腸道微生物做藥物安全性、有效性評價或許會是標(biāo)準(zhǔn)動作。腸道微生物也為傳統(tǒng)中醫(yī)藥的現(xiàn)代化提供了一個良好的契機和方向。