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*仅供医学专业人士阅读参考 现在，“机制不明，肠道菌群”已经不是一句调侃了，肠道菌群真的手很长，影响很广泛，但是肠道那么长，又分为不同的区域，微环境和生理功能无法一概而论，基于粪便样本的肠道菌群分析就显得潜力受限，内窥镜检查能进入的肠道区域也是有限的，在了解肠菌的分布、活性和代谢方面也并不具有优势。 还有什么更好的办法吗？本周的《自然》杂志上，斯坦福大学和加州大学戴维斯分校的研究团队发表最新研究结果[1]，他们设计了一套肠道采样胶囊，吞下之后可以在指定肠道区域采集约400μL液体，随粪便排出体外后回收，并进行分析。 利用采样胶囊，研究团队揭示了实际肠道环境和粪便样本的微生物组成、基因丰度、原噬菌体诱导和宿主蛋白质组的差异，发现了胆汁酸的浓度梯度变化及其与微生物丰度之间的相关性。
研究团队还在同一天更新的《自然·代谢》杂志上发表了另一篇研究[2]，同样利用采样胶囊在不同肠道区域、不同时间，采样了日常消化过程中人体肠道内容物，鉴定出将近2000种代谢物，和粪便样本相比差异很大。他们发现，个体间的代谢差异主要来自于食物和肠菌代谢，确定了一些食物代谢物与饮食生物标志物之间的关系，揭示了饮食、宿主和微生物代谢之间的关联。
研究团队设计的肠道采样胶囊是一种一次性的被动装置，包含一个折叠的有单向阀的收集囊，置于肠溶胶囊内（直径6.5mm，长度23mm），胶囊的肠溶衣根据肠道不同部位的pH值（从十二指肠的4-6上升到回肠的7-8）设计，达到预设pH值时溶解，收集囊膨胀（直径6mm，长度33mm），通过单向阀吸入肠腔内容物，吸满后单向阀可阻止进一步吸入，最后，从粪便中回收收集囊。 完整的一套采样胶囊包括4个，采样区域包含小肠近端、中端和远端，4号胶囊有一个额外的延时涂层，因为它的“工作地点”在升结肠部位，pH值相比回肠末端下降。在肠道粪便中约58小时内，胶囊采集到的微生物组成不会发生显著变化。
1-4号胶囊及收集囊 研究人员招募了15名健康的人类志愿者进行了临床研究，参与者在连续两天的时间里，每天摄入两次一套完整的采样胶囊，分别是午餐后3h和晚餐后3h。所以参与者都正常饮食，所有胶囊都成功排出并回收，没有参与者报告不良事件。 有两名参与者的粪便样本与某些胶囊样本微生物组成有较高的重合，询问结果显示，他们两个人分别在参与研究前1个月和5个月时服用过抗生素。 单独考虑15名参与者中的每一位时，胶囊中约有23%±10%的扩增子序列变异（ASV，代表一个种的细菌）未在粪便和唾液中检测到，这些ASV的中位相对丰度较低（＜0.4%）。胶囊中变形菌门的相对丰度明显高于粪便，例如沃氏嗜胆菌，这是小肠中起到关键作用的一种细菌，还有埃希氏菌属/志贺氏菌属、肠球菌属、拟杆菌属和Romboutsia属丰度也显著更高。 基于肠道菌群在碳水化合物分解中的既定作用及其与健康和疾病的联系，研究人员分析了不同样本中的碳水化合物活性酶（CAZyme）基因丰度。胶囊样本的CAZyme基因丰度与5个ASV有显著关联，其中两个是未命名的拟杆菌，两个是普通拟杆菌菌株，一个是粪副拟杆菌，两个普通拟杆菌菌株关联最强，但粪便样本中没有ASV与CAZyme基因丰度有关，这可能是由于粪便样本中分类单位更均匀。
与CAZyme基因丰度有关的ASV CAZyme基因丰度和功能类别的差异是饮食如何驱动肠道中某些细菌生长，以及宿主可能获得碳水化合物降解的副产物的重要考虑因素。 胶囊样本中诱导的噬菌体数量相比粪便样本也显著增加，粪便样本中大部分（61/71）诱导的噬菌体在胶囊样本中也能检测到，反之，胶囊样本中大部分（161/222）诱导的噬菌体在粪便样本中检测不到。 此前的小鼠研究表明，宿主肠道蛋白质丰度很大程度上取决于肠内位置，研究人员检测并分析了每个样本的2276±269个人类蛋白质，观察到了胶囊和粪便样本中部分蛋白质丰度的显著差异。蛋白质组与微生物组显示出了相似的定性特征，丰度差异显著的蛋白质在粪便和1号胶囊之间数量差异最大，在粪便和4号胶囊之间数量差异最小，这可能反映了宿主蛋白质组的肠内纵向变化。 粪便样本中，宿主蛋白质组的个体间差异比个体内大，但胶囊样本中，二者相似，且比粪便样本差异大，宿主蛋白质组的差异与微生物组成的差异相关，因此，粪便样本中的宿主蛋白质组不能代表真实的宿主肠道蛋白质组。 胆汁酸是肠道中重要的微生物代谢产物，参与多种信号传导和生理过程，与炎症性肠病、代谢紊乱和神经系统疾病都有关联。胶囊样本中的胆汁酸总浓度和相对浓度都有很大差异，但存在明显趋势，相比1号胶囊，4号胶囊样本的总浓度下降约2倍，粪便样本中下降约10倍，这可能反映了胆汁酸沿肠道的主动重吸收。
1-4号胶囊和粪便样本中胆汁酸浓度比较 胶囊和粪便样本中的胆汁酸类别也显著不同，胶囊中以原发性胆汁酸脱氧胆酸（DCA）为主，粪便中则以继发性胆汁酸DCA为主，可能是由于结肠中，胆汁酸持续暴露于生物酶中。这同样也揭示了粪便样本中的胆汁酸组成不能代表真实的宿主肠道胆汁酸组成。 对胶囊样本的分析还发现了胆汁酸浓度梯度与肠菌丰度具有关联，沃氏嗜胆菌等特定肠菌能够通过解离作用改变胆汁酸池，这些关联在粪便样本中不明显。 《自然·代谢》杂志上的研究在同样的参与者中使用同样的采样装置，结合五种代谢组学测定，更加详细地阐述了粪便和肠道代谢组之间的空间和时间差异，包括饮食衍生化合物和微生物代谢物。
15名参与者间差异较大的代谢物 研究人员共鉴定出了1909种代谢物，包括近期发现的，不常见的鞘脂类化合物sulfonolipids和羟基脂肪酸的脂肪酸酯（FAHFA）。胶囊样本和粪便样本的化合物谱差异很大，胶囊中有31种代谢物的丰度平均比粪便中高100倍，包括甘氨酸化的脂质、糖类、植物天然产物、肉碱、微生物结合胆汁酸和S-琥珀酰基半胱氨酸。 不过，也有100多种代谢物在粪便样本中丰度显著更高，主要是极性脂质，例如一些磷脂化合物，粪便中膜磷脂的高丰度可能是因为，与肠腔相比，粪便中含有更多的细菌细胞物质。 不同的食物摄入和代谢物水平变化有关，例如，水果摄入后，酮酸水平变化最为显著，饮酒与硫酸乙酯的水平变化关联最显著。 这些结果都表明，采用胶囊装置进行实时的肠道采样，相比粪便样本，能够更加准确详细地解释人类与肠道微生物之间的“亲密关系”，也将为这一领域的研究带来更大的进步。 参考文献： [1] https://www./articles/s41586-023-05989-7 [2] https://www./articles/s42255-023-00777-z 本文作者丨应雨妍 |
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来自： 菌心说 > 《肠道菌群、微生态》
