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Gut(IF=19.819):时间序列分析研究人在长期密闭环境下的微生态和代谢物变化

分类:公司动态   发布时间 2020-09-22   阅读: 59

代谢组学
时间序列分析研究人在长期密闭环境下的微生态和代谢物变化【1】

文章标题:Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-term isolation confinement
发表期刊:GUT
发表时间:2020年9月10日
影响因子:19.819
百趣生物提供服务:代谢组+16s检测分析
 
此外,百趣健康研究院刘志鹏研究员也参与本篇文章相关研究工作。接下来为您详细解读该文章。

长期在密闭环境中生活对人的身体健康(如免疫能力、听力、脑功能都能)和心理健康具有显著性影响,且多组学技术的快速发展为综合性评估和了解人体健康提供了更深入和广泛的支持。比如Flemer等发现将口腔和肠道微生物结合能够显著性提高结直肠癌的检测【2】,Zhang等发现口腔和肠道中Haemophilus spp.在风湿性关节患者中含量低且与自身抗体负相关,Lactobacillus salivarius则刚好相反且与疾病严重程度具有一定相关【3】。据报道,居住地迁徙、细菌感染、无规律饮食、昼夜节律变化等各种外部因素都会影响菌群微生态的变化【4】。口腔和肠道微生物组两者都有丰富的菌群结构,但是因为生理结构较远,两者间菌群分布和代谢状态不一,并且两者间展现出了一定的互作作用【5】。动态性研究人在长时间密闭环境下的菌群和代谢变化在国际上比较稀缺,因此,研究长时间密闭环境下的人体口腔和肠道菌群微生态和代谢的动态变化就显得特别重要,这将为长时间载人航天飞行保持和改善人体健康提供一定的数据支持。

本研究共募集了4位模拟航天员进行180天的受控生态生命保障系统集成试验(CELSS),一共获取了18个时间的样本,如图1所示,主要包括进舱前(Before)、在舱中(M1+M2+M3)和出舱后(After),其中获取的唾液和粪便样本进行微生物检测,血浆、尿液和粪便样本进行代谢组学检测,通过将人的多个部位样本的代谢组学和宏基因组学结果进行联合分析,用于评估人体微生态系统和代谢稳态与密闭环境间的相互作用。


代谢组学

图1. Overview of the study design and sample collection (saliva (S), faeces (F) and plasma (P)) in the controlled ecological life support system. The experiment was divided into five stages: before going into the space capsule (Before), pre-Mars landing (M1), Mars landing (M2), leaving Mars and returning to Earth (M3) and landing on Earth and exiting the space capsule (After). ‘-’ means that a sample was not obtained from this person at this time point. See online supplementary file for more details. 

如图2A-B所示,PD whole tree和PCOA分析表明人在‘space travel’(M1+M2+M3) 和 ‘Mars solar day’(M2)期间菌群多样性在粪便中是非显著性降低的,而在唾液中是非显著性增高的。门水平上,从‘Mars solar day’(M2)到出舱期间人的唾液和粪便中Bacteroidetes附随Firmicutes相互变化(图2C-D)。Firmicutes/Bacteroidetes比值被报道与肥胖可能有一定的关系【6】,从图2E-I中可以发现,该比率随着时间不断变化。在属和种水平上,粪便和唾液中的菌群随着时间变化可分成不同的聚类(P<0.05)。如图2H所示,在粪便中,与抗炎作用相关的菌群在进舱后到出舱后期间呈现增强趋势,而与促炎作用相关的菌群在进舱后到出舱后期间呈现降低趋势。相关性分析表明粪便菌群和血浆中的phosphatidylcholine:phosphatidylethanolamine的互作变化在机体炎症的调节作用中可能发挥一定的作用(图2J-K)【7】。在唾液中,与牙周炎发生相关的菌群在进舱后到出舱后期间呈现出增强趋势(图2I),且与唾液菌群相关的代谢物具有促进生物膜生成、牙槽骨丧失和系统性疾病发生的作用(图2L)【8】。此外,还发现粪便和唾液样本中Streptococcus salivarius subsp. salivariusStreptococcus dentisani 是共同显著性差异菌群。



图2. 动态的微生态和代谢变化

总之,本研究发现人在CELSS居住180天,人体多部位的微生态和代谢出现了一定的动态变化。部分变化与疾病的潜在发生具有密切关系,且在整个过程中两个不同部位菌群的变化具有一定的稳定性,这与Turroni等的发现具有一定的一致性【9】。该研究加强了我们对人在长时间密闭环境下菌群和代谢稳态变化的了解,为未来实现更长时间的CELSS试验或太空飞行提供一定的支持和帮助。

参考文献:
1. Feng Q, Lan X, Ji X, et al. Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-termisolation confinement  Gut. doi:10.1136/ gutjnl-2020-320666.
2. Flemer B, Warren RD, Barrett MP, et al. The oral microbiota in colorectal cancer is distinctive and predictive. Gut 2018;67:1454–63. 
3. Zhang X, Zhang D, Jia H, et al. The oral and gut microbiomes are perturbed in rheumatoid arthritis and partly normalized after treatment. Nat Med. 2015;21(8):895-905. 
4. Fan X, Alekseyenko AV, Wu J, et al. Human oral microbiome and prospective risk for pancreatic cancer: a population-based nested case-control study. Gut 2018;67:120–7. 
5. Kato T, Yamazaki K, Nakajima M, et al. Oral administration of Porphyromonas gingivalis alters the gut microbiome and serum metabolome. mSphere 2018;3:e00460–18. 
6. Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006;444:1027–31. 
7. Glass CK, Olefsky JM. Inflammation and lipid signaling in the etiology of insulin resistance. Cell Metab 2012;15:635–45. 
8. Qiu W, Zheng X, Wei Y, et al. D-Alanine metabolism is essential for growth and biofilm formationof Streptococcus mutans. Mol Oral Microbiol 2016;31:435–44. 
9 Turroni S, Rampelli S, Biagi E, et al. Temporal dynamics of the gut microbiota in people sharing a confined environment, a 520-day ground-based space simulation, MARS500. Microbiome 2017;5:39. 

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