【备战国自然之肠道菌群研究】没思路来不及写标书？抓住热点肠道菌群
时间：2018-12-14 阅读：3761人体胃肠道有超过100万亿微生物，它们被称为肠道菌群。近年来，随着分子生物学、基因组学、生物信息分析技术、高通量测序技术的发展，肠道菌群研究取得了突飞猛进的发展。
越来越多的研究证实肠道菌群与消化、吸收、代谢、免疫等功能相关，肠道菌群紊乱与肿瘤、腹泻、肥胖、心脑血管、神经系统等多种疾病密切相关。
肠道菌群相关研究也是当前医学和生命科学研究的热点之一，几乎各临床子学科均可与肠道菌群建立关联研究，相关项目获基金资助机会和文章发表都呈现良好态势，各单位 2019 国家自然科学基金标书撰写已陆续展开，此方向的申请值得考虑。
跟生物系统的其他研究领域一样，肠道菌群研究历程也遵循以下几个阶段：
图一. 肠道菌群研究历程
在早期，肠道菌群的组分往往通过分离培养来鉴定，这种方法效率低，进展慢。随着高通量测序、宏基因组学等技术的出现和发展，大规模肠道菌群的研究得以快速发展。
几个大规模微生物组计划应运而生，最有名的是欧洲人类小肠宏基因组计划（MetaHIT）和NIH资助的人微生物组计划（HMP），这些计划产生并积累了大量人类微生物宏基因组信息，为后续研究提供强大数据支持。
图二. 肠道菌群研究历程.
当前，肠道菌群组成和功能谱 (Taxa and function profiling) 已基本建立，宏基因组关联研究(MWAS)也开始建立了一些重要的关联因素。纵向研究和干扰实验将深化我们对肠道菌的认识，为进一步的知识转化奠定基础。Schmidt TSB, etal. Cell. 2018;172(6):1198-1215.
1. 肠道菌群与神经系统性疾病——脑-肠道-菌群轴（Brain-Gut-Microbiome Axis）
从解剖学位置上来说，胃肠道与中枢神经系统相距甚远，但肠道菌群与阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症等神经系统性疾病有着千丝万缕的联系。
脑-肠-菌群轴是研究肠道菌群与神经系统互作的重要模型，肠道菌群分泌的许多物质如5-羟色胺、乙酰胆碱等是重要的神经递质，可以直接影响神经系统功能。反过来，脑-肠轴也可以通过神经内分泌、免疫系统、体液等途径改变肠道菌群的构成。
图三. 脑-肠-菌群轴双向互作模式.
(Martin CR, et al. Cell Mol Gastroenterol Hepatol. 2018;6(2):133-148.)
2. 肠道菌群与肿瘤
肠道菌群、肠道上皮细胞以及人体免疫系统三者息息相关，他们之间的相互作用以及平衡与癌症的发生、发展、治疗密切相关。
肠道菌群失调会增加结肠直肠癌的发病率，同时一些肠道微生物的代谢产物能够直接减缓致癌作用或者抑制肿瘤发生。不仅仅是肠道有关的结肠癌和直肠癌，肠道菌群同样还能影响到乳腺癌、肝癌等。越来越多的证据表明肠道微生物能够影响肿瘤形成、肿瘤发育以及有效配合肿瘤治疗。
如何调控肠道菌群引起的免疫和炎症反应，使得既不会诱发肿瘤又可以增强抗肿瘤药物疗效，目前还在继续探讨研究中，如果能够解决这些问题，对将来肿瘤治疗领域创新和变革有重大意义。
图四. 肠道菌群、机体免疫和肿瘤的相互作用.
肠道菌群（绿）具有多种肠道局部代谢和免疫效应，这些效应在肿瘤发生、发展和机体远端免疫调节中均发挥重要作用。有利的免疫环境（黄）发挥抗肿瘤效应。肿瘤内部菌群（蓝）具有局部抗炎和调节肿瘤代谢活性，进一步影响肿瘤治疗的敏感性。（Andrews MC, et al. Front Immunol. 2018; 9:946.)
3. 肠道菌群与代谢相关性疾病
肠道菌群被认为是人体一个“内分泌器官”，目前很多研究证实，肠道菌群参与宿主生理、代谢、炎症状态的调节。肠道菌通过参与宿主消化道生理和蠕动，以及食物营养代谢直接影响能量供给。
肠道菌可以抑制小肠组织中FIAF和大脑及肌肉组织中的AMPK，引起脂肪堆积导致肥胖。细菌消化多聚糖产生的短链脂肪酸（SCFAs）可以作用于G蛋白偶联受体 (GPCRs), 刺激肠道蠕动和宿主免疫反应。肠道菌群还可通过胆酸受体FXR调节胆酸合成和肝脏甘油三酯堆积。肠道菌将胆碱转化成三甲胺，从而间接影响磷脂酰胆碱的生成和极低密度脂蛋白（VLDLs）介导的肝脏甘油三酯转运。
因此，肠道菌群与肥胖、糖尿病、胰岛素抵抗、心血管疾病、代谢综合症等代谢相关性疾病密切相关，慢性炎症被认为在其中发挥重要作用。
图五.肠道菌群对宿主代谢健康/疾病的影响.
(Boulangé CL, et al. Genome Med. 2016;8(1):42.）
1. 寻找疾病组和健康组间肠道菌群的差异
分别采集健康人群和疾病人群的粪便样本，比较健康组和疾病组之间肠道菌群的差异，寻找与疾病相关的marker，这是目前最典型的研究方法；
2. 研究药物或饮食干预群体的肠道菌群
分别采集药物或饮食干预前、后的群体的粪便样本，比较个体在不同干预阶段的肠道菌群的差异；
3. 同一群体、不同生长发育时期的肠道菌群
常见的是研究婴幼儿的肠道菌群及其对婴幼儿健康的影响，如分别采集婴儿出生后0个月、4个月、12个月等时间的粪便样本，研究肠道菌群在婴幼儿期糖尿病中的作用。
4. 研究某一疾病发生发展进程中的群体的肠道菌群
如分别选择健康人、结直肠腺瘤患者（大部分的结直肠癌由腺瘤演变而来）、结直肠癌患者群体的粪便样本，研究肠道菌群与结直肠癌疾病进程相关的marker；
5. 研究同一群体多个身体部位的微生物
如分别选取同一人群的粪便、唾液、牙菌斑等样本进行关联分析。肠道菌群研究方法一般离不开基于16s RNA测序的肠道菌群宏基因组关联研究，通常包括4个实验步骤：
①粪便样本的收集； ②宏基因组DNA抽提； ③大规模DNA测序； ④生物信息学数据分析。
图六. 宏基因组研究流程.
(Song EJ, et al. J Microbiol. 2018;56(10):693-705.)
每个步骤又有多种不同的处理方法，对数据收集和处理产生一定的偏向性影响，具体可参考: Song EJ, Lee ES, Nam YD. Progress of analytical tools and techniques for human gut microbiome research. J Microbiol. 2018;56(10):693-705.
近年来，包括宏基因组（metagenomics）、宏转录组（metatranscriptomics）、宏蛋白质组（metaproteomics）、代谢组学（metabolomics）在内的多组学（multi-omics）分析；通过加入标准微生物或采用流式细胞术的绝对定量微生物组分析；基于微流体的芯片肠道等新技术也在助推肠道菌群相关研究。
肠道菌群与人体健康、疾病发生发展和治疗均存在紧密关系，那么通过移植某些细菌重建肠道环境是否就可以起到治疗或预防疾病的作用呢？
粪便菌群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）正逐渐被重视并应用于多项临床研究，例如，目前应用较多的移植健康者粪便来治疗艰难梭菌感染导致的腹泻，其成功率可达90%。笔者在ClinicalTrial上搜索到203项FMT相关的临床研究，可见关于肠道菌的转化应用正逐渐被重视。
