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往期精彩回顧

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2. 【應(yīng)用研究院】玉米研究領(lǐng)域，如何應(yīng)用多組學(xué)技術(shù)發(fā)文？

3. 【應(yīng)用研究院】促進(jìn)中醫(yī)藥傳承創(chuàng)新發(fā)展，組學(xué)研究策略報(bào)告新鮮出爐

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(wú)疑問(wèn)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(jí)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(duì)人體的巨大影響有關(guān)：人體腸道菌群約有1000多種，細(xì)胞數(shù)量達(dá)到1014個(gè)（約人體細(xì)胞的10倍），是人體的一大隱形的“器官”，對(duì)營(yíng)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(duì)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(lèi)微生物組計(jì)劃（Human Microbiome Project, HMP）。該計(jì)劃分為2個(gè)階段。第一階段主要以健康人群為對(duì)象描繪了人體微生物的全景圖。第二階段的人類(lèi)微生物組計(jì)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(guò)12年的努力，2019年5月，《Nature》雜志公布了人類(lèi)微生物組計(jì)劃第二階段-人類(lèi)微生物組整合計(jì)劃（Integrative Human Microbiome Project，iHMP或HMP2）的完成。該計(jì)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?jī)?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(jìn)展

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

人類(lèi)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(shí)代：各研究方向均有新的研究成果報(bào)道。這一切得益于基于測(cè)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(gè)維度對(duì)腸道菌群的組成和功能進(jìn)行研究。因此，腸道菌群也從以前對(duì)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(kuò)展至不同微生物群體、其綜合功能及其對(duì)宿主病理生理的作用機(jī)制。

腸道微生物的研究分為基因、轉(zhuǎn)錄、蛋白、代謝等多個(gè)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(kuò)增子測(cè)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(shí)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(jìn)程。通過(guò)搞清楚這些蛋白的“功能”，能夠更好地理解腸道菌群對(duì)宿主的調(diào)控機(jī)制。

宏基因組學(xué) 代謝組學(xué)以及16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)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(kuò)增子測(cè)序 代謝組學(xué)非常適合前期的探索性實(shí)驗(yàn)。通過(guò)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(duì)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(duì)宿主代謝表型的影響，通過(guò)一些可視化的工具，還能對(duì)一些關(guān)鍵的菌株進(jìn)行篩選，進(jìn)一步挖掘其中的作用機(jī)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(cè)

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(guó)漢族青少年為研究對(duì)象，首次揭示中國(guó)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(jìn)一步通過(guò)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(jìn)一步通過(guò)小鼠灌胃實(shí)驗(yàn)、肥胖患者減重手術(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)多形擬桿菌水平的恢復(fù)可能有助于肥胖患者的減重過(guò)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(shí)驗(yàn)室George Weinstock教授領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)擔(dān)負(fù)iHMP項(xiàng)目中關(guān)于微生物組與前驅(qū)糖尿病的相關(guān)研究。此項(xiàng)研究在4年內(nèi)每3個(gè)月對(duì)106位受試者進(jìn)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(shí)葡萄糖代謝失調(diào)個(gè)體和健康個(gè)體間生物學(xué)通路和生理反應(yīng)的差異性，并為進(jìn)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(gè)開(kāi)源的數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.2 心血管疾病

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

16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序 宏基因組 靶向TMA/TMAO檢測(cè)

美國(guó)克利夫蘭診所研究者從4007例受試者著手，前瞻性的對(duì)其進(jìn)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(xiǎn)顯著正相關(guān)。隨后動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腸道菌群在膽堿-TMAO-血小板凝集-血栓的轉(zhuǎn)化過(guò)程扮演著重要的作用，接著通過(guò)16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)序?qū)何⑸锒鄻有赃M(jìn)行分析，比較與對(duì)照組之間的差異，以明確特定種群在其中的作用，然后進(jìn)一步的通過(guò)宏基因組對(duì)菌群、蛋白和功能進(jìn)行分析。最后通過(guò)糞便移植技術(shù)進(jìn)一步證實(shí)。因此這篇文章揭示了飲食-腸道微生物-血栓風(fēng)險(xiǎn)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(kuò)增子測(cè)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(huì)促進(jìn)了小鼠腫瘤的出現(xiàn)。16S rDNA擴(kuò)增子測(cè)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(lái)說(shuō)明顯下降，產(chǎn)細(xì)菌毒素脆弱擬桿菌的數(shù)量逐漸增加，抗炎類(lèi)普氏糞桿菌等細(xì)菌逐漸減少。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)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(gè)促炎因子和腫瘤形成相關(guān)基因的表達(dá)。這項(xiàng)研究提供了結(jié)直腸癌患者腸道微生物可促進(jìn)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(kuò)增子測(cè)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(xì)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(xì)菌同時(shí)存在時(shí)才能阻止癲癇發(fā)作。進(jìn)一步檢測(cè)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(xì)菌主要是通過(guò)引起血液中谷氨?；被岬臏p少，海馬體GABA/谷氨酸的升高來(lái)促進(jìn)體內(nèi)癲癇發(fā)作的保護(hù)。

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(kuò)增子測(cè)序 靶向膽汁酸檢測(cè)

美國(guó)國(guó)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(guò)四種不同的腫瘤模型來(lái)探究腸道菌群對(duì)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(duì)腫瘤的形成有明顯的抵制作用。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)C. scindens 這種腸道細(xì)菌參與膽汁酸的代謝，在抗生素的處理下，這些細(xì)菌數(shù)量開(kāi)始下降，讓膽汁酸開(kāi)始積累，從而促進(jìn)CXCL16的表達(dá)，提高NKT免疫細(xì)胞的數(shù)目，對(duì)腫瘤產(chǎn)生抑制效果。這項(xiàng)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(jī)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(guò)對(duì)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(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)A. muciniphila 菌能夠增強(qiáng)免疫治療的效果。 通過(guò)糞便移植技術(shù)將對(duì)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(wú)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(lái)自對(duì)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(duì)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(diǎn)研究方向，研究證實(shí)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(kāi)對(duì)其研究。此外，藥物會(huì)影響腸道微生物。腸道微生物的變化會(huì)導(dǎo)致藥物副作用，但也有可能是藥物發(fā)揮效應(yīng)的過(guò)程。未來(lái)針對(duì)腸道微生物做藥物安全性、有效性評(píng)價(jià)或許會(huì)是標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)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(gè)良好的契機(jī)和方向。