腸道菌群(Gut microbiota)是寄生在人類以及其他動(dòng)物腸道內(nèi)的微小生物，包含數(shù)目龐大的細(xì)菌、真菌、噬菌體、真核病毒和真菌。已有的報(bào)道表明人類腸道內(nèi)寄生的微生物的基因總數(shù)是人自身基因數(shù)目的150倍，因此腸道菌群又稱為人體的第二基因組、第八大器官。大部分的腸道微生物是共生或互生的關(guān)系，在提高宿主免疫力、食物消化、腸道內(nèi)分泌功能、神經(jīng)信號(hào)調(diào)節(jié)、藥物功能和代謝、內(nèi)毒素清除和影響宿主代謝相關(guān)物質(zhì)的產(chǎn)生等方面扮演重要角色。同時(shí)，腸道微生物組成也會(huì)受到外源食物、藥物的影響，進(jìn)而間接對(duì)機(jī)體的健康或者疾病狀態(tài)產(chǎn)生影響。
自2013 年底，“腸道菌群與人體健康關(guān)系的研究”被列入 Science 雜志報(bào)道的十大科學(xué)進(jìn)展，對(duì)腸道菌群的研究早已成為科學(xué)熱點(diǎn)之一。近年來腸菌的研究熱度居高不下，論文發(fā)表量逐年升高，頻頻登上CNS等頂刊，成為撬開高分雜志大門的關(guān)鍵鑰匙。
圖1 近10年腸道菌群發(fā)文趨勢(shì)（數(shù)據(jù)來源：pubmed，2023年數(shù)據(jù)為上半年發(fā)文量）
通過日常飲食攝入人體的碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪依靠機(jī)體自身能力并不能被完全消化，這些不能被完全消化的三大營養(yǎng)物質(zhì)則可以作為腸道微生物的底物，產(chǎn)生發(fā)酵副產(chǎn)物影響宿主健康。正常生理狀態(tài)下，碳水化合物是人體主要的供能物質(zhì)，單糖可以直接被小腸吸收利用，也可以被腸道微生物發(fā)酵，多糖則可以依靠腸道菌的發(fā)酵作用生成小分子代謝物被機(jī)體利用。碳水化合物在腸道菌群的作用下，首先生成丙酮酸，然后丙酮酸可以進(jìn)一步分解代謝成琥珀酸、乳酸和乙酰輔酶A，在糖類、脂肪和氨基酸代謝聯(lián)系中起到作用。此外，這些代謝物還可以通過進(jìn)一步的代謝產(chǎn)生短鏈脂肪酸為機(jī)體供能（圖1）。
蛋白質(zhì)需要更多的轉(zhuǎn)化步驟才能進(jìn)入到機(jī)體的生化途徑，所以正常生理狀態(tài)下腸道菌群通過發(fā)酵氨基酸產(chǎn)生能量的現(xiàn)象并不常見[1]。而腸道中未消化的蛋白質(zhì)和未吸收的氨基酸在腸道菌群作用下可生成多種活性代謝產(chǎn)物，主要包括 NH3、 H2S、短鏈脂肪酸、多胺化合物、吲哚及酚類化合物。腸道菌群還可以在脂肪酶的作用下，將甘油三酯和磷脂降解為極性頭基和游離脂質(zhì)。
圖2 人類腸道微生物組丙酮酸分解代謝的策略
生物體腸道內(nèi)包括復(fù)雜而動(dòng)態(tài)的微生物群，這些微生物是介導(dǎo)外界飲食、環(huán)境與機(jī)體多種代謝過程的重要的媒介，對(duì)生物體的健康和生存至關(guān)重要。作為體內(nèi)平衡的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，腸道菌群通過影響，如新陳代謝、維持屏障穩(wěn)態(tài)、炎癥和造血等生理功能，引起腸道和腸外效應(yīng)，進(jìn)而影響機(jī)體的穩(wěn)態(tài)。當(dāng)腸內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變時(shí)不僅會(huì)引發(fā)腸道疾病，還會(huì)通過微生物產(chǎn)生膽汁酸、膽堿、短鏈脂肪酸、神經(jīng)遞質(zhì)等代謝產(chǎn)物進(jìn)一步影響其他器官并導(dǎo)致相關(guān)疾病[2-3]。
表1 不同類別的微生物代謝產(chǎn)物與疾病
目前對(duì)腸道菌群研究常見的兩種組學(xué)手段，一是借助測(cè)序技術(shù)對(duì)腸道微生物本身的組成和功能進(jìn)行研究。通過對(duì)腸道或者糞便樣本中純化的微生物DNA進(jìn)行深度測(cè)序、比對(duì)、組裝及后續(xù)的基因聚類分析，達(dá)到發(fā)現(xiàn)腸道微生物組成、豐度及功能等各方面差異的目的。二是通過代謝組對(duì)腸道微生物的代謝產(chǎn)物進(jìn)行研究。腸道菌群產(chǎn)生的代謝物借助生物體各種循環(huán)途徑影響終端器官的表型狀態(tài)，而對(duì)這些代謝物進(jìn)行鑒定和定量分析，可以發(fā)現(xiàn)與疾病表型相關(guān)的特定代謝產(chǎn)物。
這兩種組學(xué)手段既可以單獨(dú)適用，也可以關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行進(jìn)行深入的探究腸道菌群與疾病之間的潛在因果關(guān)系。下面我們一起來看發(fā)表在Nature Reviews Microbiology上經(jīng)典的探究腸道菌群與疾病因果關(guān)系研究思路[4]：
1.通過測(cè)序（16s、宏基因組等）和非靶向代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)對(duì)照組及疾病組樣本，發(fā)現(xiàn)與差異代謝物高度相關(guān)的差異基因簇(biosynthetic gene clusters, BGCs)和菌群，且新化合物可以通過核磁共振譜或?qū)㈦x子碎片和保留時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)品比對(duì)來進(jìn)行鑒定（圖3 a）；
2.通過靶向代謝組學(xué)技術(shù)對(duì)無菌小鼠和對(duì)照小鼠進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證目標(biāo)代謝物，以確定篩選到的目標(biāo)代謝物是否以微生物群依賴的方式產(chǎn)生（圖3 b）；
3.測(cè)序得到的BGCs、菌群組成、豐度等信息與代謝得到的差異代謝物進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)與差異代謝物高度相關(guān)的差異基因和菌群，通過對(duì)糞菌移植后的無菌小鼠進(jìn)行靶向代謝組學(xué)分析，找到目標(biāo)代謝物濃度變化（圖3 c）；
4.通過基因敲除、構(gòu)建轉(zhuǎn)基因小鼠模型，觀察由腸道菌群誘導(dǎo)產(chǎn)生的代謝物因下游效應(yīng)失活而發(fā)生變化情況，進(jìn)而來確定腸道菌群代謝產(chǎn)物參與的具體信號(hào)通路信息（圖3 d）。
圖3 腸道菌群因果關(guān)系研究策略
在實(shí)際研究中，這些研究思路組合的方式多種多樣，我們通過幾篇示例一起來看~
文章標(biāo)題：Cigarette smoke promotes colorectal cancer through modulation of gut microbiota and related metabolites
中文標(biāo)題：香煙煙霧通過調(diào)節(jié)腸道微生物群和相關(guān)代謝物促進(jìn)結(jié)直腸癌
客戶單位：香港中文大學(xué)
發(fā)表期刊：Gut
影響因子：24.5
研究目的：先前研究表明吸煙與人結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)發(fā)病率和死亡率顯著相關(guān)，且來自CRC患者的腸道微生物可促進(jìn)受體小鼠的結(jié)腸腫瘤形成。然而，吸煙促進(jìn)結(jié)直腸癌發(fā)生和進(jìn)展的機(jī)制尚不清楚，且腸道菌群的改變是否代表吸煙與CRC之間存在聯(lián)系仍不明確。
研究結(jié)果：香煙煙霧誘導(dǎo)腸道微生物菌群失調(diào)改變了腸道代謝物（尤其是膽汁酸相關(guān)代謝物），并對(duì)腸道屏障功能造成損傷，激活結(jié)腸上皮中致癌MAPK/ERK信號(hào)及促炎性IL- 17和TNF信號(hào)通路，促進(jìn)結(jié)直腸癌的發(fā)展。
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02
文章標(biāo)題：The probiotic L. casei Zhang slows the progression of acute and chronic kidney disease
中文標(biāo)題：益生菌L.casei Zhang減緩急性和慢性腎臟疾病的發(fā)病進(jìn)程
客戶單位：華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬同濟(jì)醫(yī)院
發(fā)表期刊：Cell Metabolism
影響因子：29.0
研究目的：腸道菌群失衡會(huì)改變宿主代謝，并對(duì)各種腎臟疾病，尤其是慢性腎臟疾病(chronic kidney disease, CKD)產(chǎn)生負(fù)面影響。益生菌廣泛存在于人體胃腸道中，調(diào)節(jié)著器官的平衡，對(duì)維持健康的微生態(tài)環(huán)境起著重要作用，然而腸道微生物失調(diào)與急性或慢性腎臟疾病之間的關(guān)系尚不清楚。
研究結(jié)果：小鼠模型和獨(dú)立的臨床研究揭示了益生菌L.Chesi Zhang通過增加短鏈脂肪酸水平和煙酰胺代謝減緩AKI/CKD小鼠模型和慢性腎臟病患者的腎病進(jìn)展，這兩類物質(zhì)可共同調(diào)節(jié)腎臟巨噬細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)表明L.Chesi Zhang對(duì)于控制AKI 和CKD進(jìn)展極具潛力，為腎臟病的治療提供新的思路和方向。
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03
文章標(biāo)題：Mapping the early life gut microbiome in neonates with critical congenital heart disease: multiomics insights and implications for host metabolic and immunological health
中文標(biāo)題：繪制重癥先天性心臟病新生兒腸道微生態(tài)全景圖譜
客戶單位：中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院阜外醫(yī)院/上海交通大學(xué)附屬上海兒童醫(yī)學(xué)中心
發(fā)表期刊：Microbiome
影響因子：15.5
研究目的：生命早期定植的腸道微生物群對(duì)宿主整個(gè)生命過程中的代謝和免疫穩(wěn)態(tài)影響深遠(yuǎn)。嚴(yán)重先天性心臟病(critical congenital heart disease, CCHD)的新生兒存在營養(yǎng)不良和免疫失衡的重大風(fēng)險(xiǎn)，但CCHD病理生理學(xué)與腸道微生物的關(guān)聯(lián)仍不清楚。
研究結(jié)果：患病新生兒腸道菌群出現(xiàn)失調(diào)，主要表現(xiàn)為雙歧桿菌耗竭、腸球菌過度生長，這種遺傳變異導(dǎo)致患病新生兒代謝紊亂；而腸球菌的過度生長則可以通過代謝物（短酸、亞油酸衍生物、B族維生素等）介導(dǎo)腸道屏障損傷和炎癥反應(yīng)，進(jìn)而和全身炎癥和手術(shù)預(yù)后不良相關(guān)。
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5.1 腸道菌群非靶標(biāo)代謝組學(xué)
通過整合 KEGG、BIOML、CGR、HBC、GMrepo 等數(shù)據(jù)庫并結(jié)合文獻(xiàn)及宏基因組深度測(cè)序數(shù)據(jù)，Biotree 自主構(gòu)建了腸道菌群代謝組數(shù)據(jù)庫，覆蓋2200+菌種，3700+腸道菌群相關(guān)代謝物，不僅可有效對(duì)代謝物進(jìn)行溯源分類，而且代謝物可精細(xì)溯源到具體菌株（部分為種屬），將大大助力腸道菌群與健康作用機(jī)制研究。
圖4 腸菌非靶物質(zhì)類別
5.2 腸菌高通量靶標(biāo)代謝組
Biotree 腸道菌群代謝組可以幫助我們篩選出腸道菌群相關(guān)代謝物，Biotree高通量靶標(biāo)代謝組助力我們驗(yàn)證這些代謝物，深入探究這些代謝物對(duì)健康的影響。目前Biotree能夠提供膽汁酸、短鏈脂肪酸、甲胺類（如 TMAO）、多酚類、多胺類、吲哚類、維生素類、氨基酸等多種類型與腸道菌代謝和宿主健康密切相關(guān)代謝物的靶向驗(yàn)證檢測(cè)。除此之外，Biotree于2022年重磅推出絕對(duì)定性定量的靶標(biāo)產(chǎn)品--600MRM高通量靶標(biāo)代謝組中包含300+與腸菌代謝相關(guān)的代謝物，助力更精準(zhǔn)腸菌研究！！！
圖5 Biotree腸道菌群高通量靶標(biāo)代謝組
參考文獻(xiàn)：
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干貨分享 | 5min帶你認(rèn)識(shí)簡單好用的通路數(shù)據(jù)庫——ReactomeReactome數(shù)據(jù)庫交叉引用了100多個(gè)不同的在線生物信息學(xué)資源，包括NCBI、Ensembl和UniProt數(shù)據(jù)庫、UCSC基因組瀏覽器、ChEBI小分子數(shù)據(jù)庫和PubMed文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫等。2023-08-23 -
科研加速寶典 | 跟著CNS學(xué)習(xí)腸菌研究策略“腸道菌群與人體健康關(guān)系的研究”被列入 Science 雜志報(bào)道的十大科學(xué)進(jìn)展，對(duì)腸道菌群的研究早已成為科學(xué)熱點(diǎn)之一。2023-08-23
