代谢组学

肠道微生物研究,代谢产物分析不容忽视!

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为了更好地了解肠道微生物对人体健康的潜在影响,临床医生需要了解的不仅是粪便样品中存在的细菌,而且还包括那些细菌产生的氨基酸等代谢物,澳大利亚和英国的研究人员指出,这项研究成果本周发表在mSphere杂志上。

微生物学和感染性疾病副教授兼南澳大利亚卫生和医学研究所成员Geraint B. Rogers博士说:“典型的基于DNA的人类微生物组或细菌组成的研究是有限的,因为这些研究不反应微生物菌落的代谢产物。研究微生物组及其代谢物(代谢组)应该是相辅相成的,但是由于许多微生物发挥着相同的作用,一些微生物利用其他微生物的代谢产物,使得预测代谢物是非常具有挑战性的。”

Rogers指出:表征肠道微生物菌群的代谢产物对于了解它们如何影响人体健康至关重要,这些代谢产物可以调节人的免疫系统和中枢神经系统的功能。因此,分析抗生素药物引起的肠道微生物菌群及其相应代谢产物的变化,可以提供对抗生素药物急性和慢性作用的洞察,并且可以更好的了解肠道微生物代谢产物与机体健康状况之间的联系。

Rogers和James Mason,伦敦学院膜生物化学的高级讲师,将新一代测序技术和核磁共振技术(NMR)相组合进行研究工作,用抗生素药物环丙沙星或万古霉素亚胺培南对小鼠的微生物组和代谢产物进行处理。他们在抗生素药物处理前、治疗14天后和停止抗生素药物处理后9天取小鼠的粪便样品。一组小鼠没有给予任何抗生素并作为空白对照。

环丙沙星处理导致微生物类群丰度(样本中不同类型细菌的数量)的显着减少,但对微生物菌群多样性或均匀性没有影响。相比之下,万古霉素亚胺培南处理导致类群丰度,均匀性以及多样性均显着减少。

研究人员指出,在抗生素药物处理的14天内,抗生素药物处理导致微生物菌群组成和结构发生显著变化。环丙沙星导致几种类型的细菌,包括链球菌,乳杆菌和梭菌的数量显著甚至减少,同时拟杆菌和其他物种数量增加。一些菌属甚至被完全耗尽。万古霉素亚胺培南处理后也引起显着变化,包括拟杆菌和厚壁菌门成员的减少和变形杆菌相对丰度的增加。

“然而,许多细菌群体因为抗生素药物处理而发生改变,有助于人体健康。”罗杰斯说。“例如,减少的Ruminococcaceae家族通过发酵人类不能吸收的碳水化合物产生重要的短链脂肪酸。这些脂肪酸在许多方面有助于我们的健康,包括上皮细胞更新、降低结肠癌风险;肠屏障功能、防止细菌进入血流;以及调节免疫和代谢控制。抗生素药物还增加细菌中肠杆菌属的水平,其中多种能够引起疾病。”

该小组还调查了停止抗生素药物处理后9天粪便微生物菌落恢复的程度。在环丙沙星组,微生物类群丰度水平在这个时间内保持不变,但是与处理前和处理结束时测量的水平相比,微生物菌群的均匀性和多样性显着降低。在万古霉素亚胺培南组,与处理结束时测量的水平相比,停止抗生素药物处理后9天,微生物类群丰度、均匀性和多样性的水平均显着增加,但未达到抗生素药物处理开始前所见的水平。与对照组相比,万古霉素亚胺培南组中的微生物菌群组成比环丙沙星组有更大的差异,表明万古霉素亚胺培南处理的微生物菌群的恢复较慢。

研究人员观察到抗生素药物处理前后小鼠肠道微生物代谢产物的显着变化。用环丙沙星处理的小鼠与对照组相比,氨基酸(例如缬氨酸,亮氨酸和苯丙氨酸)水平显著增加,并且糖类的水平降低。这些类型的氨基酸的增加与2型糖尿病的风险增加以及代谢疾病的发展相关。 用万古霉素亚胺培南处理的小鼠具有更大的前后差异,包括较低水平的氨基酸,例如丙氨酸、甲硫氨酸、酪氨酸、有机酸柠檬酸盐以及丙酸盐。研究人员还观察到蔗糖,肌氨酸和其它化合物的水平增加。

在后续研究中,Rogers及其同事评估了在人体内是否可以观察到相似的效应,以及益生元(促进肠道有益微生物生长的膳食补充剂)或粪便微生物移植(人肠道微生物菌群的重新引入)是否可用作治疗以限制这些效应。

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