如何解析肠道菌群的时空特征？国内团队24页综述详解 | 热心肠日报

今天是第2485期日报。

李景虹院士等Cell子刊：肠道菌群的时空解析工具（综述）

Chem[IF:25.832]

① 肠道菌群空间模式和动态变化无法通过培养、测序和质谱等方法有效解析；② 基因标记、编码FISH、原位RNA测序、扩展显微镜、样品采集及处理有助于肠道菌成像及时空信息的获取；③ 生物发光、近红外荧光、声学和PET成像等体内成像技术可融合体外方法用于肠道菌群研究；④ 时空解析可用于研究饮食、抗生素、肠炎、FMT对菌群的影响并用于菌群时空操纵；⑤ 但空间模式剖析、细菌和分子覆盖率不高、空间数据集高维性、成像标记工具的开发等仍是挑战。

Spatiotemporally resolved tools for analyzing gut microbiota
03-24, doi: 10.1016/j.chempr.2023.02.021

【主编评语】肠道菌群作为人体的外延性器官在人体健康中发挥重要的作用已经被广泛的认可。目前对于肠道菌群的主要研究手段为分离、体外培养、宏基因组测序以及质谱相关的蛋白组代谢组等。然而，从肠道菌群对机体的作用而言，肠道菌的时空分布以及动态变化则更为关键，而上述主要手段在这些问题上不能给予很好的解析。近期清华大学李景虹院士和四川大学邓锐杰团队联合在Cell子刊Chem上发表了一篇综述，就目前已有的研究肠道菌群时空特征的方法和工具进行了综述和讨论，深入探讨了这些方法对饮食和临床肠道菌群管理的积极意义。（@Zhonghua）

刘洋彧团队Nature子刊：用神经常微分方程预测菌群的代谢组学特征

Nature Machine Intelligence[IF:25.898]

① 基于最先进的深度神经网络模型，通过神经常微分方程（mNODE）来预测微生物的代谢组学特征；② 在模拟和真实数据集上，mNODE在预测人类微生物组和几种环境微生物组的代谢组学谱方面优于现有方法（MelonnPan、Sparse NED、MiMeNet及ResNet等）；③ 在人类肠道微生物组的情况下，mNODE可自然地结合饮食信息，进一步增强代谢组学图谱的预测；④ mNODE敏感性分析还可揭示微生物-代谢物的相互作用，是研究微生物组-饮食-代谢组关系的有力工具。

Predicting metabolomic profiles from microbial composition through neural ordinary differential equations
03-13, doi: 10.1038/s42256-023-00627-3

【主编评语】描述微生物群落的代谢特征，对于理解其生物学功能及其对宿主或环境的影响至关重要。从微生物组成预测代谢组学图谱的计算方法，可节省实验代谢组学图谱所需的大量工作。然而，目前仍缺少一种具有高预测能力、普遍适用性和高可解释性的计算方法。近日，美国哈佛医学院刘洋彧及团队在Nature Machine Intelligence发表最新研究，基于最先进的深度神经网络模型，通过神经常微分方程（mNODE）来预测微生物的代谢组学特征，在模拟和真实数据中，性能优良，是研究微生物组-饮食-代谢组关系的有力工具，有助于未来精准营养的研究，值得关注。（@九卿臣）

王关红团队：宿主-菌群互作研究中的无菌和限菌技术（综述）

Trends in Microbiology[IF:18.23]

① 各种无菌和限菌昆虫饲养系统被建立用于揭示共生菌群和宿主互作，无菌饲养有助于揭示微生物群对昆虫多种行为特征的影响；② 从灭菌方式、无菌食物制作及限菌系统改良法等方面批判性地评价了近年来发展的饲养技术；③ 黑腹果蝇是第一个成功无菌繁殖的无脊椎动物，相关方法已扩展到蜜蜂、黄蜂和蚕等其他昆虫；④ 无菌昆虫系统的建立依赖于有效杀菌方法、提供无菌饮食和足够的营养，未来通过优化相关模型，将有助于阐明昆虫代谢机制和营养需求。

Axenic and gnotobiotic insect technologies in research on host–microbiota interactions
03-09, doi: 10.1016/j.tim.2023.02.007

【主编评语】昆虫体内的共生微生物已被证实与其宿主的代谢、免疫和行为等多方面紧密相关，这些共生互作也有助于宿主昆虫更好地适应环境。近日，中国科学院动物研究所王关红及团队在Trends in Microbiology发表最新研究，回顾了无菌和限菌饲养系统的历史发展，并从灭菌方式、无菌食物制作及限菌系统改良方法等方面批判性地评价了近年来发展的饲养技术，论述了使用无菌和限菌方法研究昆虫-微生物互作的最新进展，还阐明了共生菌群如何影响宿主的多种性状，同时也指出了针对无菌和限菌技术的缺陷，值得关注。（@九卿臣）

谢鹏团队：抑郁症中的肠道菌群及其代谢产物——从机制到治疗（综述）

EBioMedicine[IF:11.205]

① 重度抑郁症（MDD）患者肠道菌群多样性和特定细菌丰度发生变化，某些拟杆菌、分节丝状菌、摩根氏菌、新金色分枝杆菌等富集；② 菌群代谢产物，包括胆汁酸、短链脂肪酸、神经递质、TMAO、脂多糖、乳酸盐和维生素B等，通过不同途径影响MDD；③ 抗抑郁药物影响肠道菌群组成和功能，药物和菌群之间相互作用可以改变细菌代谢及药物活性和疗效；④ 菌群靶向治疗，包括饮食干预、粪菌移植、益生菌、益生元、合生制剂和后生元等，可以缓解MDD。

Gut microbiota and its metabolites in depression: from pathogenesis to treatment
03-22, doi: 10.1016/j.ebiom.2023.104527

【主编评语】重度抑郁症是全世界致残能力最强的精神疾病之一，越来越多的临床研究发现，肠道菌群失调通过肠-脑轴影响抑郁症的发生和发展。重庆医科大学附属第一医院谢鹏教授团队EBioMedicine上发表最新综述，描述了菌群失调与抑郁症之间的关系，抗抑郁治疗中的药物-菌群的相互作用以及抑郁症中微生物靶向治疗的潜在益处，为今后抑郁症的研究和临床治疗指明了新的方向。（@RZN）

国内团队：粪菌移植可用于治疗PSP-RS患者

EClinicalMedicine[IF:17.033]

① 随机1:1分配68名未接受任何抗帕金森药物治疗的PSP-RS患者(平均年龄67)，FMT组接受健康供体的粪菌移植，安慰剂组接受假移植，随访24周；② 第16周，ITT和PP分析显示，与安慰剂组比，FMT组的治疗效果（总PSPRS评分）为4.3和3.2；③ 第16周，与安慰剂组比，FMT组的便秘、抑郁和焦虑症状显著改善，大部分改善在第36周得以维持；④ 第16周，FMT组粪菌组成发生显著变化，大肠杆菌-志贺氏菌、拟杆菌和克雷伯菌明显减少，双歧杆菌和肠球菌显著增加。

Efficacy of faecal microbiota transplantation in patients with progressive supranuclear palsy-Richardson's syndrome: a phase 2, single centre, randomised clinical trial
03-17, doi: 10.1016/j.eclinm.2023.101888

【主编评语】胃肠道功能障碍是进行性核上性麻痹理查森综合征（PSP-RS）的常见且偶尔占主导地位的症状。粪菌移植（FMT）已证明在治疗胃肠道（GI）疾病方面具有疗效，如艰难梭菌感染（CDI）和炎症性肠病（IBD）。郑州大学第一附属医院的王雪晶 、Xuebing Ding、滕军放与团队在EClinicalMedicine上发表文章，首次进行随机、安慰剂对照、平行组临床试验，探究FMT对新诊断没有经过药物治疗的PSP-RS患者的疗效和安全性。试验证明3个周期共12周的间歇性FMT治疗在改善PSP-RS患者的运动和非运动症状方面是安全有效的，同时伴随着以减少大肠杆菌志贺菌和增加产生短链脂肪酸（SCFAs）的细菌为特征的微生物群群落的改变，减少了肠道炎症并改善了肠道屏障。（@章台柳）

刘尽尧等Science子刊：用矿化涂层“武装”益生菌，改善结肠炎

Science Advances[IF:14.957]

① 开发了一种细胞相容性的生物界面矿化方法，可在益生菌脆弱拟杆菌BF839表面产生超抗性和可拆卸涂层，有效增加菌株抗氧气，紫外和75%乙醇暴露的能力；② 口服后，涂层能够通过自发且快速的双重分解反应主动中和胃酸并释放包裹的细菌；③ 产生的钙离子还可触发胆汁酸的胶束聚集，使细菌免除胃酸和胆汁酸的双重损伤，以不受损害的细胞活力到达肠道；④ 涂层BF839可缓解结肠炎小鼠的肠道炎症、延长肠道长度、减轻组织学损伤、提高细菌存活率；

Biointerface mineralization generates ultraresistant gut microbes as oral biotherapeutics
03-17, doi: 10.1126/sciadv.ade0997

【主编评语】口腔微生物制剂可有效调节肠道微生物组，但它们在从制造到达肠道的过程中总是遭受多重损伤。近日，上海交通大学刘尽尧、曹浈萍、吴冯及团队在Science Advances发表最新研究，开发了一种细胞相容性的生物界面矿化方法，可在益生菌脆弱拟杆菌BF839表面产生超抗性和可拆卸涂层，性能优良，能有效缓解小鼠结肠炎。总之，该生物界面矿化方法为开发下一代活体口服生物治疗药物提供了一个多功能平台，值得关注。（@九卿臣）

大连理工大学：益生菌口服给药的新型封装策略

ACS Nano[IF:18.027]

① 氨基修饰的聚β-环糊精和单宁酸组成胶体（NTc），带负电的益生菌静电吸引带正电的NTc，诱导其在益生菌周围进行组装；② 紧凑、厚且带正电荷的NTc外壳协同封装的益生菌对模拟胃液具有强大抵抗力（存活率高达19%），是其他肠道材料L100的7500倍；③ NTc壳封装的EcN菌株能够增殖，且与裸EcN相当；④ 在结肠炎小鼠模型中，NTc包埋的益生菌具有持久的肠道粘附、持续的增殖活性、增强的口服生物利用度、良好的口服生物安全性和优异的治疗效果。

Bacteria-Induced Colloidal Encapsulation for Probiotic Oral Delivery
03-22, doi: 10.1021/acsnano.3c00600

【主编评语】大连理工大学的贾凌云和韩璐璐合作在ACS Nano发表文章，开发了一种通过细菌诱导的胶体组装进行益生菌口服递送的封装策略。封装过程简单快速，且封装的益生菌可以增殖，对胃液有强大的抵抗力，对结肠炎有优异的治疗效果。（@章台柳）

上科大：以赤藓糖醇为唯一碳源的工程化大肠杆菌

Advanced Science[IF:17.521]

① 利用Ochrobactrum属赤藓糖醇代谢基因簇工程化的大肠杆菌MG1655，能以赤藓糖醇为唯一碳源生长；② 赤藓糖醇结合转录抑制子eryD可结合ABC转运基因的启动子pEryF-732及其29bp区域调节赤藓糖醇代谢；③ 工程化MG1655中转醛缩酶和转酮醇酶催化赤藓糖醇终产物进入碳水化合物代谢；④ pEryF-732、过表达转醛缩酶和转酮醇酶策略，可进一步改善大肠杆菌生长；⑤ 工程化MG1655可区分含赤藓糖醇的苏打软饮料，Nissle1917可在含赤藓糖醇的模拟肠液中生长。

Engineering Escherichia coli to Utilize Erythritol as Sole Carbon Source
03-20, doi: 10.1002/advs.202207008

【主编评语】赤藓糖醇是天然糖醇之一，被广泛用作代糖甜味剂。肠道微生物缺乏相关的分解代谢途径来代谢赤藓糖醇，因此人类本身不能分解代谢赤藓糖醇。近日，上海科技大学李健团队在Advanced Science上发表文章，成功开发了以赤藓糖醇为唯一碳源的工程化大肠杆菌。这项工作有望激发以响应和利用赤藓糖醇的更多工程在代谢工程、合成生物学和生物医学工程中的广泛应用。（@圆圈儿）

人类肠道合成菌落：设计、组装和应用（综述）

FEMS Microbiology Reviews[IF:15.177]

① 土著菌群具有共代谢、发酵、生态恢复、免疫训练功能，能被分离组成合成菌群（SynComs）；② SynComs基于丰度组装、减少物种数量迭代及宿主适应性选择合成，用于人源化动物模型和活体生物药（自上而下策略）；③ SynComs功能靶向治疗胃肠道疾病，菌群移植是其决定因素（自下而上策略）；④ 无菌动物及计算模型、器官芯片、肠道微生理系统等新兴工具和标准操作，有助于SynComs；⑤ 培养不可培养物种、开发组装方法、临床验证等是新的机遇和挑战。

Synthetic microbial communities (SynComs) of the human gut: design, assembly, and applications
03-17, doi: 10.1093/femsre/fuad012

【主编评语】人类肠道的合成微生物群落（SynComs）是由从人类粘膜或粪便样本中分离出来的微生物组成。作为简化和组成物种明确的微生物群，SynComs为理解微生物-宿主-免疫轴中的多种细菌相互作用提供了一种有希望的简化方法。FEMS Microbiology Reviews发表的综述，系统地回顾了人类肠道的SynComs以及目前构建和测试其功能的策略，同时提出了SynComs目前面临的多种挑战。（@NL）

实验性肾病中的肠道菌群失调特征（荟萃分析）

Journal of the American Society of Nephrology : JASN[IF:14.978]

① 纳入10个实验队列含127只啮齿动物进行荟萃分析，识别超批次差异的肾病影响所致共同菌群特征；② 队列效应占总样本方差的69%，显著大于肾病导致的影响（1.9%的方差）；③ 未发现患肾病小鼠微生物种群动态的普遍趋势，但观察到α多样性增加，毛螺菌科和乳杆菌属的丰度降低，多种梭状芽胞杆菌和机会致病菌丰度增加，可能代表肾病对肠道菌群的影响；④ 小鼠实验无法证明“尿毒症生态失调”，单队列实验不适合在微生物组研究中产生可推广的结果。

Gut Dysbiosis in Experimental Kidney Disease: A Meta-Analysis of Rodent Repository Data
01-21, doi: 10.1681/ASN.0000000000000071

【主编评语】肠道菌群的改变有助于多种疾病的病理生理学，研究发现慢性尿毒症可能会导致肠道生态失调，各种小型单队列啮齿动物研究都支持这一假设。近日，伦敦大学玛丽皇后学院研究人员在Journal of the American Society of Nephrology : JASN发表最新荟萃分析，纳入10个实验队列含127只啮齿动物，发现尽管在大多数实验中观察到的一些趋势可能是由肾脏疾病引起的，但在所有队列中都没有发现患有肾脏疾病动物的可重复性变化。队列变异远远超过实验性肾脏疾病对肠道菌群的任何影响，同时作者提倡相关单队列研究不适合在微生物组研究中产生可推广的结果，值得关注。（@九卿臣）

感谢本期日报的创作者：Jack Chen，拍了花宝贝，DMG-Quasimodo，RZN，DM，Sunflower，阿当

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