方法速递--肠道菌群代谢物的检测及意义
上海交通大学附属第六人民医院转化医学中心贾伟教授团队目前在肠道菌群代谢物检测方面工作取得了新进展，开发了一种基于气相色谱-飞行时间质谱联用技术（GC-TOF/MS）的高通量绝对定量检测150种重要肠道菌群代谢物的微生物代谢组学分析方法，能够在15分钟内实现对血清、尿液、粪便或者细菌（如大肠杆菌）等样本中的肠道菌群代谢物进行全自动化学衍生和定量分析。这些代谢物包括氨基酸、脂肪酸、有机酸、酚类、苯基或苄基衍生物、吲哚等，涉及与肠道菌群代谢相关的多条重要代谢通路。研究团队还构建了上述代谢产物的氯甲酸甲酯和氯甲酸乙酯衍生物数据库，库中收录的所有代谢物均具备上述两种衍生物的质谱碎片和保留指数的完整信息。这两种衍生产物质谱碎裂模式的分析，不仅大大提高了代谢物鉴定的准确性，也为推测未知化合物结构提供了参考。该方法已在线发表于国际分析化学类主流期刊Analytical Chemistry。该自动化分析平台的建立对于人类肠道微生态与健康和疾病关系的研究意义重大。
为什么需要简便、快速、准确的肠道菌群代谢物检测方法？
人体胃肠道中共生着结构复杂、数量庞大的微生物群，通过长期与人类（宿主）协同进化，已成为维持人类健康不可忽视的重要“功能器官”。越来越多的研究证据表明，肠道菌群失调与肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪肝、炎症性肠炎、消化道肿瘤等多种疾病的发生密切相关。因此探寻肠道菌群代谢物变化与宿主疾病发生的关联对疾病的预防和治疗具有重要的意义。
微生物组学这一新兴领域近年来受到越来越多的关注，但该领域目前对细菌的表征基本上基于测序技术 –如16S rRNA测序或者NextGen宏基因测序。而测序能告诉我们的仅仅是肠道细菌的种类信息，从门到属到种（有时甚至能到株）的分类和丰度值，但是对于细菌的功能性信息，尤其是细菌群落组成的微生态总体代谢功能以及如何与我们人体（宿主）的相互代谢作用，我们不得而知。我们无法判断两个肠道菌群组成相差很大的健康人，结构上的差异意味着什么，我们也难以预测这些菌群差异在相同饮食的两个人代谢和生理上会带来什么样的功能性变化。最简单明了的代谢功能表征方法就是测代谢组，所获得的数据是各种细菌集成的功能以及与宿主共同作用的最终结果！
微生物代谢组学借助代谢组学的分析技术和数据处理方法，致力于通过对微生物代谢物的定性和定量分析，了解微生物的生理状态，进而探寻肠道微生物与宿主潜在的相互作用机制及肠道菌群代谢对宿主健康和疾病的作用。
我们的肠道细菌代谢产物，都有哪些呢？
肠道菌群代谢的主要底物是食物中不能被小肠消化吸收的碳水化合物、蛋白质和肽类。食物中的膳食纤维可以被细菌发酵和利用，产生单糖和寡糖分子，或乙醇、乳酸、琥珀酸等有机酸，并进一步形成乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸。这些短链脂肪酸不仅是宿主及微生物的能量来源，而且能被多种外周组织代谢利用。食物中的蛋白质可被肠道细菌分解产生肽和氨基酸。其中，缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等支链氨基酸可被细菌进一步代谢形成支链脂肪酸，而苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸的细菌代谢产物是酚类和吲哚类物质。此外，人体中多种维生素如维生素K和部分B族维生素等的合成也与肠道菌群代谢相关。
肠道菌群不仅能够代谢宿主自身无法代谢的物质，而且可以参与宿主的代谢，并与宿主发生共代谢关系，形成一系列肠道菌群-宿主共代谢产物，如胆固醇和胆酸代谢、激素代谢等均是肠道菌群和宿主共同协作完成的。到目前为止，研究证实与肠道菌群代谢及其与宿主共代谢有关的代谢物主要包括短链脂肪酸、胆酸（特别是次级胆酸）、胆碱代谢物（如三甲胺-N-氧化物）、酚类、苯基（或苄基）衍生物、吲哚类、多胺类、脂类（如共轭脂肪酸）、维生素类、激素类等多种类型。
精确、灵敏、快速、高通量的菌群代谢组学是未来精准医学的一个核心手段！
由于肠道菌群--宿主共代谢产物结构和性质的复杂性和多样性，要想用尽可能少的检测平台同时测定众多的共代谢物在技术上具有很大的挑战性。鉴于这类代谢产物大部分极性强、难挥发的特点，我们开发这套专属性的全自动化衍生方法，能够选择性对菌群-宿主共代谢物进行高效衍生，有效排除外源性药物和其他糖类物质的干扰，该方法操作简便，利于大批量样本的处理。这套基于GC-TOF/MS平台高通量绝对定量检测生物样本中肠道菌群-宿主共代谢物的方法具有实用性强、分析时间短、检测通量高等特点，可以对微生物-宿主共代谢物进行快速准确定性定量分析。
将代谢组学与微生物组学及分子生物学手段相结合，寻找代谢表型变化与菌群结构变化的共变异，鉴定和识别对宿主生理代谢影响显著的功能细菌，在系统生物学水平上建立宿主代谢与肠道菌群的关联模型，可以客观地检测肠道微生物的代谢组分及浓度变化，展示肠道菌的代谢状态，从而让我们更深入地研究肠道菌群和宿主之间关联的复杂代谢体系，了解肠道微生物群如何通过自身代谢及与宿主共代谢来影响宿主的代谢状态。
微生物代谢组学分析平台的构建，为研究代谢表型动态变化和微生物组成变化的相关性提供了分子机制的依据。通过分析菌群和宿主在代谢水平上的相互作用，观测关键代谢产物的变化规律，便于科研工作者更深入地了解肠道菌群复杂的作用机制，这种系统生物学的研究模式能够加速非侵入性疾病诊断工具的开发，促进个体化医疗进程，提高个体化食疗的效果，加速实现肠道菌群研究到临床转化的精准医学进程。
相关文献：
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标签： 肠道菌群 代谢组
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