代谢组学在肠道菌群疾病研究中应用

前言

人体内肠道微生物数量约有100万亿个，它们所含有的基因总数是人体自身基因数目的150倍，也是人类细胞总量的10倍，称其为人体的“第二基因组”也不过分。肠道菌群常见的三种类别是有益菌，条件致病菌和致病菌，其功能主要包括为：消化食物成分、合成必需维生素，刺激和调节免疫系统、排除病原体、清除毒素和致癌物、支持肠道功能等。肠道菌群在人体中的作用重大，是极其重要的代谢器官，它维持着宿主生理保持稳态，如果肠道菌群出现失调，那会对肥胖、糖尿病、苯丙酮尿症、炎症性肠病、肝脏疾病、心脑血管疾病、肾病、艾滋病、肿瘤等症状的产生有重要影响，它可以为宿主的生化代谢途径提供各种酶，同时也可以执行氨基酸、胆汁酸和碳水化合物等代谢活动，与宿主形成共代谢关系。   

代谢组学（Metabonomics/Metabolomics）是基于高通量分析和生物信息学技术，研究机体内源性整体代谢变化与规律的重要组学技术，被广泛应用到生命科学与医学研究的各个领域。代谢组学技术可以通过对肠道菌相关的菌群代谢物的检测，清晰的反映肠道菌功能在特定条件下的变化，能够直观的研究肠道肠道菌群与疾病产生与发展的关系，为疾病预防和治疗提供一定的研究基础。基于 16S rDNA 测序的肠道菌多样性分析与代谢组学相结合，成为从肠道菌结构与功能两个方面全面探索肠道菌群与疾病发生、药物代谢或药效的关系研究的关键策略。

文献案例

英文标题：The gut microbial metabolite, 3,4-dihydroxyphenylpropionic acid, alleviates hepatic ischemia/reperfusion injury via mitigation of macrophage pro-inflammatory activity in mice.

期刊：Acta Pharmaceutica Sinica B

发表时间：2022年1月

影响因子：11.6

研究背景

肝缺血再灌注损伤(HIRI)是肝损伤的重要病理生理原因。常见于肝移植、部分肝切除等肝脏手术后。HIRI的发病机制通常包括两个阶段：首先，血流限制引起的异常代谢应激导致再灌注时过量活性氧(ROS)的积累，直接损伤肝细胞，引起最初的细胞毒性。其次，受损的肝细胞触发先天免疫激活（如诱导巨噬细胞增殖分化），并通过促炎反应放大器官损伤。同时，许多肝脏生理活动和损伤现象表现出昼夜差异。例如，对乙酰氨基酚引起的肝毒性在晚上比早上明显增加。肝脏胆汁酸代谢表现出节律性振荡。这种变化受到多种因素的调节，其中肠道菌群发挥着关键作用。此前，曾报道过肠道微生物代谢产物1-苯基-1,2-丙二酮通过消耗肝脏谷胱甘肽，参与对乙酰氨基酚诱导的急性肝损伤的日变化调节。然而，HIRI是否存在日变化，是否与肠道微生物群有关，目前尚不清楚。在本研究中，我们发现HIRI表现出昼夜差异，并鉴定出一种新的保护性微生物代谢物。

关键技术和创新

关键技术：

（1）小鼠肝缺血再灌注模型（ HIRI）的构建

（2）粪便微生物群移植

（3）16S rRNA基因测序分析

（4）代谢组学测序分析

（5）转录与蛋白组学测序分析

创新点:

（1）肠道菌群联合代谢组学测序分析肠道菌群对疾病发生的影响；

（2）通过分析肠道菌群及其代谢物差异分析肝缺血再灌注损伤的日变化原因；

（3）通过代谢物与巨噬细胞相关联研究肠道菌群的代谢物对疾病调控的可能机制。