【案例解析】芬苯达唑和伊维菌素片对东北虎肠道微生物群落和粪便代谢表型的影响 | 用户文章

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话不多说，进入今天的专题：代谢组学研究案例解析——芬苯达唑和伊维菌素片对东北虎肠道微生物群落和粪便代谢表型的影响。

文章信息

芬苯达唑和伊维菌素片对东北虎肠道微生物群落和粪便代谢表型的影响

Variations in gut microbiota and fecal metabolic phenotype associated with Fenbendazole and Ivermectin Tablets by 16S rRNA gene sequencing and LC/MS-based metabolomics in Amur tiger

发表单位：东北林业大学

发表期刊：BBRC

技术手段：16S rRNA测序，LC/MS代谢组分析（联川提供）

发表时间：2018.3.15

研究背景

东北虎是现存最大的豹属老虎亚种，已被列入濒危物种，在中国有近20只野生幸存者。目前东北虎已经在中国成功繁育，数量已经从27只增加到1000只左右。然而，随着东北虎种群数量的增加，肠道寄生虫感染已成为危及东北虎种群数量和质量的重要因素。为了解决这个问题，在黑龙江西伯利亚老虎园的东北虎中，使用芬苯达唑和伊维菌素片驱虫药治疗胃肠道寄生虫。

人类和动物的胃肠道含有大量复杂的微生物群落。近期有研究表明，抗生素和其他药物会影响宿主微生物的组成和丰度，研究工作已开始转向抗生素对粪便微生物群的整体分类组成的影响。关于肠道微生物群与宿主代谢表型的关系以及微生物群落如何影响代谢功能的问题可以通过非靶向代谢组学来探索。非靶向粪便代谢组研究已被用于揭示与肠道微生物群扰动相关的代谢表型变异。

为了维护东北虎的生存状况，研究驱虫药对东北虎的肠道微生物群和粪便代谢表型的影响至关重要。

研究方法

本研究从黑龙江西伯利亚老虎园采集随机选择的6只健康东北虎在使用芬苯达唑和伊维菌素片（芬苯达唑2500mg+伊维菌素100mg）治疗前后的新鲜粪便样品。利用16S rRNA测序和LC-MS代谢组学技术分析芬苯达唑和伊维菌素片对东北虎肠道细菌群落的组成和丰度以及粪便代谢表型的影响。

研究结果

1. 东北虎肠道微生物群落变化

图1 A：对照和实验组肠道微生物门水平的丰度；B：对照和实验组肠道微生物属水平的丰度。

在东北虎粪便中鉴定到的微生物属于9个门（图1A）。厚壁菌门，放线菌门，梭状杆菌门，拟杆菌门和变形菌门是东北虎粪便微生物的主要组分，在使用芬苯达唑和伊维菌素片处理后微生物组成出现差异，厚壁菌门和变形菌门的含量增加，放线菌门的含量降低。

在属水平上，东北虎粪便中鉴定到的微生物主要属于柯林斯氏菌，梭菌属，拟杆菌属，埃希氏菌属，Clostridium XI和巨单胞菌属（图1B）。芬苯达唑和伊维菌素片治疗后，东北虎粪便的微生物组成变化如下：柯林斯氏菌，Clostridium XI和巨单胞菌属含量降低，埃希氏菌和梭菌属含量显著增加。Clostridium XI在实验和对照组之间统计学差异显著。

2. 东北虎粪便代谢谱

图2 A：对照和实验组粪便样品OPLS-DA得分图；B：LC/MS数据中显著变化代谢物倍数变化热图

利用LC-MS获得了实验组和对照组东北虎粪便的代谢谱。在OPLS-DA模型中显示出对照和实验组之间的代谢谱差异，表明芬苯哒唑和伊维菌素片的添加导致了显著的生物化学变化（图2A）。

利用MS/MS及在线数据库比对鉴定代谢物。在对照组与实验组之间鉴定了15种不同的代谢物；这些代谢产物为5,6-二氢尿嘧啶（F1），腺嘌呤盐酸盐水合物（F2），半乳糖醇（F3），6-磷酸-D-葡萄糖酸盐（F4），腺苷（F5），黑色素（F6），胆酸（F7），丙烯酸（F8），乙酰乙酸（F9），儿茶酚（F10），1-甲基烟酰胺（F11），3-羟基-3-甲基戊二酸（F12），香兰基扁桃酸（F13），3-甲基组胺（F14）和龙舌蓝皂苷配基（F15）。

这些代谢物的变化趋势如图2B中的热图所示。5种代谢产物（F8〜F10，F12和F14）显著增加，10种代谢物（F1〜F7，F11，F13和F15）在实验组中显著低于对照组。

3. 东北虎肠道微生物与粪便代谢表型相关性研究

图3 A：实验和对照组之间显著改变的粪便代谢物相关性热图；B：实验和对照组之间pathway的影响

为了探索不同代谢物之间的相关性，本研究建立了基于Pearson相关性系数的相关热图（图3A）。图中显示了一些代谢物之间存在明显的相关性。例如，1-甲基烟酰胺（F11）与半乳糖醇（F3）和乙酰乙酸（F9）呈正相关，与儿茶酚（F10）和3-羟基-3-甲基戊二酸（F12）呈负相关。

此外，本研究利用MetPA数据库来分析实验组和对照组之间代谢产物不同的pathway（图3B）。实验组中β-丙氨酸代谢的作用大于对照组，其次是戊糖磷酸途径，泛酸和CoA生物合成以及嘧啶代谢途径。

图4 对照组和实验组之间显著改变的代谢物和差异丰度OTUs之间的关系

本研究对显著变化的代谢物和丰度差异显著的OTUs（微生物）进行了Spearman相关性分析，以获得代谢物和微生物之间的关系（图4）。在整个网络图中，厚壁菌门和放线菌门中的细菌与代谢物关系最密切。总之，芬苯达唑和伊维菌素片改变了东北虎肠道微生物群的结构/组成，并大大改变了粪便代谢表型。

研究结论

这项研究将16S rRNA测序和基于LC-MS的代谢组学分析进行了结合以评估芬苯达唑和伊维菌素片对东北虎肠道微生物菌群和粪便代谢表型的影响。结果显示芬苯哒唑和伊维菌素片不仅显著改变了肠道微生物菌群的组成，也改变了粪便代谢表型。此外，相关性分析发现，一些丰度差异显著的肠道微生物与粪便代谢物的变化密切相关。综上所述，这些研究结果首次表明芬苯达唑和伊维菌素片不仅在丰度水平上扰乱肠道微生物群，而且还改变了东北虎的代谢稳态。

参考文献

He F, Zhai J, Zhang L, et al. Variations in gut microbiota and fecal metabolic phenotype associated with Fenbendazole and Ivermectin Tablets by 16S rRNA gene sequencing and LC/MS-based metabolomics in Amur tiger[J]. Biochemical & Biophysical Research Communications, 2018.

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