醫(yī)學(xué)腸道微生物大樣本研究方案

腸道中存在許多的微生物，它們是宿主能量獲取的關(guān)鍵中介，并且能將膳食營養(yǎng)素代謝為許多的生物活性物質(zhì)，從而作為溝通腸道菌群與宿主相互作用的橋梁。腸道菌群由宿主基因、免疫應(yīng)答及飲食因素調(diào)控，而腸道菌群的代謝和免疫潛能決定了其在宿主健康和疾病中的重要意義。研究表明，腸道微生物紊亂與多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)，比如消化系統(tǒng)疾病、內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病、精神系統(tǒng)疾病、自身免疫性疾病以及一些感染性疾病?；谶@些影響，人們越來越關(guān)注通過微生物靶向治療癌癥和其他疾病。
雖然人體腸道菌群結(jié)構(gòu)相似，但是宿主個(gè)體間存在很大差異。其中受區(qū)域、飲食、年齡、生活習(xí)慣等因素影響。一般我們認(rèn)為生物學(xué)重復(fù)達(dá)到?3?例，就可以滿足實(shí)驗(yàn)要求，不過對(duì)于個(gè)體差異較大的腸道菌群研究，顯然是不夠的。Nature、Science、Cell、Microbiome?等期刊文章為了更加真實(shí)的反映微生物-宿主疾病間的相互關(guān)系，多采用大樣本量來消除個(gè)體間的差異情況。接下來我們一起來看看如何通過大樣本量的方式來研究微生物與宿主之間的相互關(guān)系吧！

案例一

中文標(biāo)題：精神分裂癥腸道微生物組特征的全基因組關(guān)聯(lián)分析
英文標(biāo)題：Metagenome-wide association of gut microbiome features for schizophrenia
期刊：Nature Communications
發(fā)表時(shí)間：2020年3月
影響因子：12.12
研究方法：宏基因組
本文中研究者分析了90名無藥物治療精神分裂癥患者和81名健康對(duì)照者的糞便微生物組，確定了一種能夠區(qū)分患者和對(duì)照者的微生物物種分類器。研究者發(fā)現(xiàn)與精神分裂癥相關(guān)的功能性潛能包括短鏈脂肪酸合成、色氨酸代謝以及神經(jīng)遞質(zhì)的合成/降解等方面的差異。Streptococcus vestibularis（精神分裂癥中比較富集的細(xì)菌）的移植會(huì)引起小鼠的社交行為缺陷，并改變小鼠外周組織中神經(jīng)遞質(zhì)的水平。本文為隊(duì)列研究和動(dòng)物模型的進(jìn)一步研究提供了新的線索。

案例二
中文標(biāo)題：胃癌手術(shù)治療對(duì)糞便微生物組和代謝組的影響
英文標(biāo)題：Influence of gastrectomy for gastric cancer treatment on faecal microbiome and metabolome profiles
期刊：Gut
發(fā)表時(shí)間：2020年1月
影響因子：19.81
研究方法：宏基因組+代謝組
最近的證據(jù)表明，腸道微生物組參與了術(shù)后結(jié)果，包括胃切除術(shù)后。該研究對(duì)有胃癌切除史患者（n=50）和健康個(gè)體（n=56）的糞便樣本的宏基因組測序和代謝組學(xué)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，胃切除術(shù)后不僅改變了患者糞便中微生物（如需氧菌和兼性厭氧菌等）群落構(gòu)變化，也改變了微生物功能特征，如營養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)輸和有機(jī)化合物生物合成；胃切除術(shù)后患者體內(nèi)代謝物發(fā)生變化，如兩組間的基因毒性脫氧膽酸和支鏈氨基酸等膽汁酸含量存在差異，此外部分結(jié)直腸癌相關(guān)菌在胃切除術(shù)后患者中表現(xiàn)出相似模式，如具核梭桿菌在全胃切除術(shù)后患者中明顯富集。結(jié)果揭示了胃切除術(shù)后腸道微生物群的改變，提示其與術(shù)后并發(fā)癥相關(guān)。

案例三
中文標(biāo)題：腸道微生物來源的標(biāo)志物預(yù)測肝硬化
英文標(biāo)題：A Universal Gut-Microbiome-Derived Signature Predicts Cirrhosis
期刊：Cell Metabolism
發(fā)表時(shí)間：2020年6月
影響因子：21.56
研究方法：宏基因組+代謝組
研究表明，腸道菌群失調(diào)與非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholicfatty liver disease, NAFLD)進(jìn)展為晚期纖維化和肝硬化密切相關(guān)。為了進(jìn)一步確定上述關(guān)聯(lián)在臨床上的診斷能力，研究比較了163名來自對(duì)照和患病家庭成員的糞便微生物組，包括非NAFLD患者、NAFLD合并肝硬化患者及其一級(jí)親屬。通過對(duì)宏基因組和非靶向代謝組使用隨機(jī)森林機(jī)器學(xué)習(xí)算法和差異豐度分析，確定了用于檢測肝硬化有效的獨(dú)立的宏基因組和代謝組標(biāo)志物,診斷準(zhǔn)確率(AUC) 可達(dá)0.91。結(jié)合年齡和血清蛋白水平的宏基因組特征，可準(zhǔn)確區(qū)分在生理上和遺傳上不同的隊(duì)列中的肝硬化。該研究發(fā)現(xiàn)的這種通用的腸道微生物組衍生的標(biāo)志物，可以準(zhǔn)確地識(shí)別肝硬化，這在醫(yī)療資源有限的情況下對(duì)改善疾病診斷具有巨大的潛力。

總結(jié)
以上三篇案例都基于大樣本量（≥100）的宏基因組結(jié)合多組學(xué)的方法研究腸道菌群與疾病之間復(fù)雜的相互作用，總結(jié)研究流程如下：

大樣本量的醫(yī)學(xué)腸道微生物的研究不僅僅可應(yīng)用于疾病發(fā)生與健康的研究，同時(shí)也可大規(guī)?？v向研究飲食模式、生活習(xí)性等環(huán)境因素對(duì)腸道菌群隨時(shí)間的變化、穩(wěn)定性和個(gè)體特異性，深挖腸道菌群影響健康的機(jī)制。百邁客云支持在云上即時(shí)完成微生物多樣性、宏基因組、代謝組的數(shù)據(jù)挖掘與聯(lián)合分析，省時(shí)、省心、省力，標(biāo)準(zhǔn)流程和個(gè)性化分析均可鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作，內(nèi)容豐富，歡迎各位老師前來咨詢。
參考文獻(xiàn)：
1. Zhu F, Ju Y, Wang W, Wang Q, Guo R, Ma Q, Sun Q, Fan Y, Xie Y, Yang Z, Jie Z, Zhao B, Xiao L, Yang L, Zhang T, Feng J, Guo L, He X, Chen Y, Chen C, Gao C, Xu X, Yang H, Wang J, Dang Y, Madsen L, Brix S, Kristiansen K, Jia H, Ma X. Metagenome-wide association of gut microbiome features for schizophrenia. Nat Commun. 2020 Mar 31;11(1):1612. doi: 10.1038/s41467-020-15457-9. PMID: 32235826; PMCID: PMC7109134.
2.Erawijantari PP, Mizutani S, Shiroma H, Shiba S, Nakajima T, Sakamoto T, Saito Y, Fukuda S, Yachida S, Yamada T. Influence of gastrectomy for gastric cancer treatment on faecal microbiome and metabolome profiles. Gut. 2020 Aug;69(8):1404-1415. doi: 10.1136/gutjnl-2019-319188. Epub 2020 Jan 16. PMID: 31953253; PMCID: PMC7398469.
3. Oh TG, Kim SM, Caussy C, Fu T, Guo J, Bassirian S, Singh S, Madamba EV, Bettencourt R, Richards L, Yu RT, Atkins AR, Huan T, Brenner DA, Sirlin CB, Downes M, Evans RM, Loomba R. A Universal Gut-Microbiome-Derived Signature Predicts Cirrhosis. Cell Metab. 2020 Nov 3;32(5):878-888.e6. doi: 10.1016/j.cmet.2020.06.005. Epub 2020 Jun 30. Erratum in: Cell Metab. 2020 Nov 3;32(5):901. PMID: 32610095; PMCID: PMC7822714.