方法速遞--腸道菌群代謝物的檢測及意義

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中心賈偉教授團隊目前在腸道菌群代謝物檢測方面工作取得了新進展，開發(fā)了一種基于氣相色譜-飛行時間質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-TOF/MS）的高通量絕對定量檢測150種重要腸道菌群代謝物的微生物代謝組學(xué)分析方法，能夠在15分鐘內(nèi)實現(xiàn)對血清、尿液、糞便或者細菌（如大腸桿菌）等樣本中的腸道菌群代謝物進行全自動化學(xué)衍生和定量分析。這些代謝物包括氨基酸、脂肪酸、有機酸、酚類、苯基或芐基衍生物、吲哚等，涉及與腸道菌群代謝相關(guān)的多條重要代謝通路。研究團隊還構(gòu)建了上述代謝產(chǎn)物的氯甲酸甲酯和氯甲酸乙酯衍生物數(shù)據(jù)庫，庫中收錄的所有代謝物均具備上述兩種衍生物的質(zhì)譜碎片和保留指數(shù)的完整信息。這兩種衍生產(chǎn)物質(zhì)譜碎裂模式的分析，不僅大大提高了代謝物鑒定的準確性，也為推測未知化合物結(jié)構(gòu)提供了參考。該方法已在線發(fā)表于國際分析化學(xué)類主流期刊Analytical Chemistry。該自動化分析平臺的建立對于人類腸道微生態(tài)與健康和疾病關(guān)系的研究意義重大。

為什么需要簡便、快速、準確的腸道菌群代謝物檢測方法？

人體胃腸道中共生著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量龐大的微生物群，通過長期與人類（宿主）協(xié)同進化，已成為維持人類健康不可忽視的重要“功能器官”。越來越多的研究證據(jù)表明，腸道菌群失調(diào)與肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎癥性腸炎、消化道腫瘤等多種疾病的發(fā)生密切相關(guān)。因此探尋腸道菌群代謝物變化與宿主疾病發(fā)生的關(guān)聯(lián)對疾病的預(yù)防和治療具有重要的意義。

微生物組學(xué)這一新興領(lǐng)域近年來受到越來越多的關(guān)注，但該領(lǐng)域目前對細菌的表征基本上基于測序技術(shù) –如16S rRNA測序或者NextGen宏基因測序。而測序能告訴我們的僅僅是腸道細菌的種類信息，從門到屬到種（有時甚至能到株）的分類和豐度值，但是對于細菌的功能性信息，尤其是細菌群落組成的微生態(tài)總體代謝功能以及如何與我們?nèi)梭w（宿主）的相互代謝作用，我們不得而知。我們無法判斷兩個腸道菌群組成相差很大的健康人，結(jié)構(gòu)上的差異意味著什么，我們也難以預(yù)測這些菌群差異在相同飲食的兩個人代謝和生理上會帶來什么樣的功能性變化。最簡單明了的代謝功能表征方法就是測代謝組，所獲得的數(shù)據(jù)是各種細菌集成的功能以及與宿主共同作用的最終結(jié)果！

微生物代謝組學(xué)借助代謝組學(xué)的分析技術(shù)和數(shù)據(jù)處理方法，致力于通過對微生物代謝物的定性和定量分析，了解微生物的生理狀態(tài)，進而探尋腸道微生物與宿主潛在的相互作用機制及腸道菌群代謝對宿主健康和疾病的作用。

我們的腸道細菌代謝產(chǎn)物，都有哪些呢？

腸道菌群代謝的主要底物是食物中不能被小腸消化吸收的碳水化合物、蛋白質(zhì)和肽類。食物中的膳食纖維可以被細菌發(fā)酵和利用，產(chǎn)生單糖和寡糖分子，或乙醇、乳酸、琥珀酸等有機酸，并進一步形成乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸。這些短鏈脂肪酸不僅是宿主及微生物的能量來源，而且能被多種外周組織代謝利用。食物中的蛋白質(zhì)可被腸道細菌分解產(chǎn)生肽和氨基酸。其中，纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等支鏈氨基酸可被細菌進一步代謝形成支鏈脂肪酸，而苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸的細菌代謝產(chǎn)物是酚類和吲哚類物質(zhì)。此外，人體中多種維生素如維生素K和部分B族維生素等的合成也與腸道菌群代謝相關(guān)。

腸道菌群不僅能夠代謝宿主自身無法代謝的物質(zhì)，而且可以參與宿主的代謝，并與宿主發(fā)生共代謝關(guān)系，形成一系列腸道菌群-宿主共代謝產(chǎn)物，如膽固醇和膽酸代謝、激素代謝等均是腸道菌群和宿主共同協(xié)作完成的。到目前為止，研究證實與腸道菌群代謝及其與宿主共代謝有關(guān)的代謝物主要包括短鏈脂肪酸、膽酸（特別是次級膽酸）、膽堿代謝物（如三甲胺-N-氧化物）、酚類、苯基（或芐基）衍生物、吲哚類、多胺類、脂類（如共軛脂肪酸）、維生素類、激素類等多種類型。

精確、靈敏、快速、高通量的菌群代謝組學(xué)是未來精準醫(yī)學(xué)的一個核心手段！

由于腸道菌群--宿主共代謝產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的復(fù)雜性和多樣性，要想用盡可能少的檢測平臺同時測定眾多的共代謝物在技術(shù)上具有很大的挑戰(zhàn)性。鑒于這類代謝產(chǎn)物大部分極性強、難揮發(fā)的特點，我們開發(fā)這套專屬性的全自動化衍生方法，能夠選擇性對菌群-宿主共代謝物進行高效衍生，有效排除外源性藥物和其他糖類物質(zhì)的干擾，該方法操作簡便，利于大批量樣本的處理。這套基于GC-TOF/MS平臺高通量絕對定量檢測生物樣本中腸道菌群-宿主共代謝物的方法具有實用性強、分析時間短、檢測通量高等特點，可以對微生物-宿主共代謝物進行快速準確定性定量分析。

將代謝組學(xué)與微生物組學(xué)及分子生物學(xué)手段相結(jié)合，尋找代謝表型變化與菌群結(jié)構(gòu)變化的共變異，鑒定和識別對宿主生理代謝影響顯著的功能細菌，在系統(tǒng)生物學(xué)水平上建立宿主代謝與腸道菌群的關(guān)聯(lián)模型，可以客觀地檢測腸道微生物的代謝組分及濃度變化，展示腸道菌的代謝狀態(tài)，從而讓我們更深入地研究腸道菌群和宿主之間關(guān)聯(lián)的復(fù)雜代謝體系，了解腸道微生物群如何通過自身代謝及與宿主共代謝來影響宿主的代謝狀態(tài)。

微生物代謝組學(xué)分析平臺的構(gòu)建，為研究代謝表型動態(tài)變化和微生物組成變化的相關(guān)性提供了分子機制的依據(jù)。通過分析菌群和宿主在代謝水平上的相互作用，觀測關(guān)鍵代謝產(chǎn)物的變化規(guī)律，便于科研工作者更深入地了解腸道菌群復(fù)雜的作用機制，這種系統(tǒng)生物學(xué)的研究模式能夠加速非侵入性疾病診斷工具的開發(fā)，促進個體化醫(yī)療進程，提高個體化食療的效果，加速實現(xiàn)腸道菌群研究到臨床轉(zhuǎn)化的精準醫(yī)學(xué)進程。

相關(guān)文獻：

1. Zhao, L.J., Ni, Y., Su, M.M.,Li, H.S., Dong, F.C., Chen, W.L., Wei, R.M.,, Zhang, L.L., Guiraud, S.P., Martin, F. J., Rajani, C., Xie, G.X., Jia, W.* High throughput and quantitative measurement of microbial metabolome by gas chromatography/mass spectrometry using automated alkyl chloroformate derivatization. Analytical Chemistry. doi: 10.1021/acs.analchem.7b00660.
2. Nicholson, J.K., Holmes, E., Kinross, J., Burcelin, R.,Gibson, G., Jia, W., Pettersson, S.Host-gut microbiota metabolic interactions. Science, 336(6086): 1262-7, 2012.
3. Zheng, X.J., Xie, G.X.,, Zhao, A.H., Zhao, L.J., Yao, C., Chiu, N.H., Zhou, Z.X., Bao, Y.Q., Jia, W.P., Nicholson, J.K., Jia, W*. The footprints of gut microbial-mammalian co-metabolism. Journal of Proteome Research, 10(12):5512-22, 2011.