微生物组+代谢组 | 找准4大方向，肠道菌群医学研究这样做！
肠道菌群是近年来科研界最热门的研究领域之一。研究发现，我们每天与1014个肠道微生物共同生存，作为人类健康密切相关的“功能器官”，它们与肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎症性肠炎、肿瘤等多种疾病的发生与发展都密切相关。
宿主和肠道菌群在参与食物或外源性物质代谢时共代谢产生了大量的小分子代谢物，这些代谢物穿透肠上皮屏障或以其他方式进入体循环，从而激活一系列信号通路影响宿主生理健康[1,2] 。采用微生物组+代谢组联合研究的方式，可以对微生物群落结构差异、微生物代谢变化、宿主代谢变化、以及微生物群落结构差异和代谢变化对宿主代谢活动的影响等多个维度进行研究，全面解析微生物-代谢物-宿主之间的相互作机制，探寻肠道菌群对宿主健康和疾病的作用。
科技君将从生物标志物研究、生理病理机制研究、药理药效研究及营养、运动和健康研究四大方向简述代谢组+微生物组在肠道菌群研究领域的重要地位。
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生物标志物研究
非酒精性脂肪肝病（NAFLD）表现为肝脏代谢紊乱，通常与肥胖相关，但也会发生在非肥胖的个体中。尽管内脏脂肪、饮食成分和遗传因素与非肥胖NAFLD相关，但仍需考虑其他环境因素的重要作用，以便更充分阐明非肥胖NAFLD的发病机制。
应用研究一
非肥胖性非酒精性脂肪肝病患者显著肝纤维化的肠道菌群、代谢物特征[3]
样品设计：选取171名NAFLD亚洲患者和31名健康对照，所有受试者分为肥胖组和非肥胖组，再根据NAFLD组织学或纤维化程度分为3个亚组。
研究方法：16S rRNA测序（粪便样本）、宏基因组测序（粪便样本）、靶向代谢组学（粪便样本的胆汁酸检测和短链脂肪酸检测）。
主要结论：
两种菌群（瘤胃球菌科和韦荣球菌科）与四种粪便代谢物（CA、CDCA、UDCA和丙酸盐）的组合在非肥胖受试者中具有较高的纤维化诊断能力，并利用西方独立队列数据库进行验证。对NAFLD小鼠补充4种代表性菌种，其中R. faecis降低了血清谷丙转氨酶（ALT）和谷草转氨酶（AST）水平，减轻肝损伤程度。
图1 诊断明显纤维化的接受者操作特征曲线（ROC 曲线)
2
生理病理机制研究
肥胖是多种疾病发展的开端，随着肥胖症和相关代谢紊乱患病比例的增加，认知功能下降也逐渐严重起来。有研究报道，肥胖者表现出记忆减退，并且体重指数（BMI）与成人记忆特征呈负相关。越来越多依据表明肥胖与肠道菌群，以及肠道菌群与认知障碍之间存在必然关系。然而，肥胖是如何通过肠道菌群损伤记忆力尚不清楚。
应用研究二
肥胖可通过肠道菌群损伤记忆力[4]
样品设计：116名中年受试者（65名肥胖和51名非肥胖）。
研究方法：蛋宏基因组测序（粪便样本）、非靶向代谢组学（血浆和粪便样本）。
主要结论：
宏基因组结果显示，特定的微生物群组成及功能与短期记忆、工作记忆、海马体和大脑额叶区体积相关。代谢组学结果显示，血浆和粪便中的芳香族氨基酸及其分解代谢物以及植物来源的化合物水平与短期记忆和工作记忆有关。进行小鼠粪菌移植实验，并对小鼠内侧前额叶皮质进行RNA测序，证明肥胖会通过影响肠道菌群的组成和一些芳香族氨基酸的代谢，导致短期记忆和工作记忆能力下降。
图2 肥胖可通过肠道菌群损伤记忆力
3
药理药效研究
在过去的十多年中，研究发现肠道微生物是一个有前景的2型糖尿病（T2D）治疗靶点，小檗碱（BBR，一种抑菌素）也被发现可以治疗包括T2D在内的一些代谢紊乱的疾病。研究拟通过宏基因组、代谢组等多组学技术探究BBR联合使用益生菌对初发T2D患者的治疗作用。
应用研究三：
小檗碱和益生菌对初发2型糖尿病（T2D）肠道菌群的影响（华大合作发表）[5]
样品设计：将409个初发T2D志愿者分为安慰剂组（Plac）、益生菌组（Prob）、小檗碱组（BBR）及益生菌联合小檗碱组（Prob+BBR）进行了为期3个月的临床试验。
研究方法：宏基因组测序（粪便样本）、靶向代谢组学（血浆样本的胆汁酸检测）。
主要结论：
临床生化指标评估显示包括糖化血红蛋白HbA1c在内的多项T2D相关的生化指标在BBR介入后发生明显改善。宏基因组结果显示，与Plac组相比，BBR对T2D患者的肠道微生物有显著调节作用，且这种调节作用与益生菌的使用无关。血浆胆汁酸检测则表明BBR能通过抑制微生物胆汁酸的转化降低肠道法尼醇X受体（FXR）的活性，促进其抗糖尿病作用。最后体外实验证明BBR能通过抑制R.bromii的生长削弱次级胆汁酸的代谢，从而起到调节血糖的作用。
图3 BBR能通过抑制R.bromii削弱DCA的转化
4
营养、运动与健康
地中海饮食（MD）可有效预防心血管疾病（CVD）、Ⅱ型糖尿病、肥胖症、炎症性疾病、退行性疾病和癌症等多种疾病。但目前关于饮食在菌群介导人类健康中的作用，认知主要依赖于观察性研究，干预研究仍然很少，且多数是在动物模型中进行。
应用研究四
地中海饮食干预改善肠道菌群，促进代谢健康[6]
样品设计：保持习惯饮食组（ConD组，39例)和个性化定制的地中海饮食组（MedD组，43例)。
研究方法：宏基因组测序（粪便样本）、非靶向代谢组学（血清、尿液、粪便样本）、靶向代谢组学（粪便样本的短链脂肪酸检测和胆汁酸检测，血浆和尿液样本的氧化三甲胺（TMAO）及前体物质检测）。
主要结论：
与ConD组相比，MedD组的血浆胆固醇和粪便胆汁酸显著降低。宏基因组结果显示，肠道菌群的变化反映了个体MD的依从性和基因丰富度的增加，在干预过程中减少了系统发育。MD干预导致降解纤维素的大便杆菌和与丁酸代谢相关的微生物碳水化合物降解基因水平增加。MedD组的饮食变化导致尿路结石、粪便胆汁酸降解和胰岛素敏感性增加，这与特定的微生物类群有关。在保持能量摄入的同时，将参与者转为MD可降低其血液胆固醇，并导致其微生物组和代谢组的多种变化，这些研究结果将有助于在未来制定改善代谢健康的饮食策略。
图4 地中海饮食干预四周和八周改变肠道和全身代谢物
科技君点睛
在进行微生物组与代谢组的关联研究时，作为最能反映表型的组学，代谢组学可作为连接微生物组和表型的桥梁，将相互独立的微生物组数据与表型数据进行有效结合，从而实现对微生物-代谢物-宿主互作机制的全面解析，探寻肠道菌群影响宿主健康和疾病的内在因果机制。
参考文献：
[1] Nicholson, Jeremy K., et al. "Host-gut microbiota metabolic interactions." Science 336.6086 (2012): 1262-1267.
[2] Garcia-Mazcorro, Jose F., et al. "Characterization, influence and manipulation of the gastrointestinal microbiota in health and disease." Gastroenterología y hepatología 38.7 (2015): 445-466.
[3] Lee, Giljae, et al. "Distinct signatures of gut microbiome and metabolites associated with significant fibrosis in non-obese NAFLD." Nature communications 11.1 (2020): 1-13.
[4] Arnoriaga-Rodríguez, María, et al. "Obesity Impairs Short-Term and Working Memory through Gut Microbial Metabolism of Aromatic Amino Acids." Cell Metabolism 32.4 (2020): 548-560.
[5] Zhang, Yifei, et al. "Gut microbiome-related effects of berberine and probiotics on type 2 diabetes (the PREMOTE study)." Nature communications 11.1 (2020): 1-12.
[6] Meslier, Victoria, et al. "Mediterranean diet intervention in overweight and obese subjects lowers plasma cholesterol and causes changes in the gut microbiome and metabolome independently of energy intake." Gut 69.7 (2020): 1258-1268.
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