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    肠道菌群代谢组学

    肠道菌群-宿主共代谢研究介绍


            从宿主出生开始,肠道菌群与宿主间就存在着复杂的相互作用。肠道菌群的组成和活动取决于宿主的基因组、营养和生活方式而变化,与宿主共同进化发展。肠道菌群参与调控宿主的多种代谢途径,与肠、肝、肌肉和脑多个器官共同作用,在宿主的代谢、信号传导、免疫方面起着非常重要的作用。


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            肠道菌群-宿主代谢轴,被定义为能够将一些特定的宿主细胞通路和一系列肠道菌群种类、亚生态系统及菌群代谢活动联系在一起的、多向的、互作的化学信号高速联通途径。肠道菌群-宿主代谢轴在生命的不同阶段为治疗干预提供了潜在的靶点,以调节肠道微生物群,作为防治疾病和提高宿主健康水平的手段,是较新的前沿科学研究方向。

    肠道菌群-宿主共代谢物检测平台

           
          华盈生物肠道菌群代谢物全谱分析平台,能够绝对定量检测132种肠道菌群-宿主共代谢物:短链脂肪酸、胆汁酸、胆碱代谢物、酚类、吲哚类、多胺类、脂类、维生素类、激素类等多种类型。利用GC-TOF/MS进行复杂样品中肠道菌群-宿主共代谢物的分离和谱峰面积采集,利用全谱标准品构建标准曲线,靶向测定每种代谢物样品中的绝对浓度。利用NIST血清用于不同批间检测数据的校准,保证多批次检测数据的可比性。

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    技术路线

     

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    样品要求



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    技术设备:GC-TOF/MS

    • 采集速率稿高,数据完整

    • 自动峰识别和自动解卷积算法

    • 动态信号跟踪技术 (DSL),优异的动态线性范围

    • 先进的数据挖掘算法,提高被基质或共流干扰物遮盖化合物的识别效率

    • 全自动检测流程:样品衍生化、进样、检测、数据挖掘、统计

     

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    经典案例分析

    肠道菌群-宿主共代谢物检测与三聚氰胺致毒性研究(PMID: 23408055)


            三聚氰胺(Melamine)事件是近年来引发广泛关注的公共食品安全事件,奶粉中添加三聚氰胺导致肾结石的发生是其广受诟病的毒副作用,然而其致病机理仍然未知。华盈生物合作伙伴贾伟教授课题组以三聚氰胺致病机理为研究主题,利用建立的肠道菌群-宿主共代谢物检测平台展开深入研究,揭开了三聚氰胺致肾结石的毒性机理,相关研究成果发表在国际权威杂志《Science Translational Medicine》上。

            研究人员通过食物添加三聚氰胺喂养Wistar大鼠方式构建疾病模型,共分为3种处理组:健康对照(Control)、三聚氰胺组(Mel)和三聚氰胺加抗生素组(Mel+AB)。通过肾脏组织H&E染色发现,Mel组肾脏组织有明显的肾结石产生,而同时加入抗生素后,在Mel+AB组,肾结石未出现,说明抗生素通过抑制肠道菌群的繁殖可以一定程度抑制肾结石的发生(图1A)。

            进一步,研究人员利用建立的定量代谢组学平台,检测大鼠尿液中肠道菌群-宿主共代谢物谱,发现三聚氰胺可以明显改变大鼠尿液代谢谱,而抗生素可以逆转代谢谱的改变。其中与肠道菌群代谢相关的Phenylpyruvic acid等代谢物受到三聚氰胺及抗生素的调控尤为明显(图1B)。以上结果显示,肠道菌群及其代谢物在三聚氰胺致肾结石的病理发展中起到关键作用。

     

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                                       图1 三聚氰胺可导致大鼠肾结石发生和肠道菌群代谢物紊乱



     研究人员提取大鼠粪便样品分离肠道菌群进行16s DNA宏基因组测序,发现Klebsiella 属的7种细菌在三聚氰胺饲喂的大鼠粪便中迅速繁殖。Klebsiella 属细菌是三聚氰胺向氰尿酸(Cyanuric acid)转化的关键菌属,而氰尿酸正是构成肾结石的主要成分(图2A)。进一步,研究人员分别在含有三聚氰胺的培养基中加入大鼠粪便和Klebsiella 属优势菌K. terrigena进行培养,分时间梯度分别监测三聚氰胺和氰尿酸的浓度,发现K. terrigena能够将三聚氰胺向氰尿酸转化,在10小时时达到峰值(见图2B)。

     

     

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                                              图2 肠道菌群实现三聚氰胺向氰尿酸转化
       

            
            小结:
    代谢组学联合肠道菌群16s DNA测序,发现了肠道菌群Klebsiella 属通过肠道内转化三聚氰胺,致使氰尿酸累积造成肾结石发生,是三聚氰胺肾毒性的主要机理。通过肠道菌群-宿主共代谢物研究,可以拓展我们对于疾病机理认识的新视野,是目前科学研究的热点领域。

    相关文献:

    1. Wan Y et al. Effects of dietary fat on gut microbiota and faecal metabolites, and their relationship with cardiometabolic risk factors: a 6-month randomised controlled-feeding trial. Gut. 2019 Feb 19.

    2. Wei R, et al. Metabotypes Related to Meat and Vegetable Intake Reflect Microbial, Lipid and Amino Acid Metabolism in Healthy People. Mol Nutr Food Res. 2018 Nov;62(21).

    3. Koh A, et al. Microbially Produced Imidazole Propionate Impairs Insulin Signaling through mTORC1. Cell. 2018 Nov 1; 175(4): 947-961.

    4. Ma C, et al. Gut microbiome–mediated bile acid metabolism regulatesliver cancer via NKT cells. Science. 2018 May 25; 360(6391).

    5. Guoxiang Xie, et al. Distinctly altered gut microbiota in the progression of liver disease. Oncotarget. 2016 Apr 12; 7 (15): 19355-66.

    6. Julia L Nugent, et al. Altered Tissue Metabolites Correlate with Microbial Dysbiosis in Colorectal Adenomas. J Proteome Res. 2014 Apr 4; 13(4): 1921-9.

    7. Xiaojiao Zheng, et al. Melamine-Induced Renal Toxicity is Mediated by the Gut Microbiota. Sci Transl Med. 2013 Feb 13; 5(172): 172ra22.

    8. Guoxiang Xie, et al. Chronic Ethanol Consumption Alters Mammalian Gastrointestinal Content Metabolites. J Proteome Res. 2013 Jul 5; 12(7):  3297-306.

    9. Xiaojiao Zheng, et al. The footprints of gut microbial-mammalian co-metabolism. J Proteome Res. 2013 Jul 5; 12(7): 3297-306.