肠道菌群(Gut microbiota)是寄生在人类以及其他动物肠道内的微小生物，包含数目庞大的细菌、真菌、噬菌体、真核病毒和真菌。已有的报道表明人类肠道内寄生的微生物的基因总数是人自身基因数目的150倍，因此肠道菌群又称为人体的第二基因组、第八大器官。大部分的肠道微生物是共生或互生的关系，在提高宿主免疫力、食物消化、肠道内分泌功能、神经信号调节、药物功能和代谢、内毒素清除和影响宿主代谢相关物质的产生等方面扮演重要角色。同时，肠道微生物组成也会受到外源食物、药物的影响，进而间接对机体的健康或者疾病状态产生影响。
自2013 年底，“肠道菌群与人体健康关系的研究”被列入 Science 杂志报道的十大科学进展，对肠道菌群的研究早已成为科学热点之一。近年来肠菌的研究热度居高不下，论文发表量逐年升高，频频登上CNS等顶刊，成为撬开高分杂志大门的关键钥匙。
图1 近10年肠道菌群发文趋势（数据来源：pubmed，2023年数据为上半年发文量）
通过日常饮食摄入人体的碳水化合物、蛋白质和脂肪依靠机体自身能力并不能被完全消化，这些不能被完全消化的三大营养物质则可以作为肠道微生物的底物，产生发酵副产物影响宿主健康。正常生理状态下，碳水化合物是人体主要的供能物质，单糖可以直接被小肠吸收利用，也可以被肠道微生物发酵，多糖则可以依靠肠道菌的发酵作用生成小分子代谢物被机体利用。碳水化合物在肠道菌群的作用下，首先生成丙酮酸，然后丙酮酸可以进一步分解代谢成琥珀酸、乳酸和乙酰辅酶A，在糖类、脂肪和氨基酸代谢联系中起到作用。此外，这些代谢物还可以通过进一步的代谢产生短链脂肪酸为机体供能（图1）。
蛋白质需要更多的转化步骤才能进入到机体的生化途径，所以正常生理状态下肠道菌群通过发酵氨基酸产生能量的现象并不常见[1]。而肠道中未消化的蛋白质和未吸收的氨基酸在肠道菌群作用下可生成多种活性代谢产物，主要包括 NH3、 H2S、短链脂肪酸、多胺化合物、吲哚及酚类化合物。肠道菌群还可以在脂肪酶的作用下，将甘油三酯和磷脂降解为极性头基和游离脂质。
图2 人类肠道微生物组丙酮酸分解代谢的策略
生物体肠道内包括复杂而动态的微生物群，这些微生物是介导外界饮食、环境与机体多种代谢过程的重要的媒介，对生物体的健康和生存至关重要。作为体内平衡的关键调节因子，肠道菌群通过影响，如新陈代谢、维持屏障稳态、炎症和造血等生理功能，引起肠道和肠外效应，进而影响机体的稳态。当肠内微生物群落结构发生改变时不仅会引发肠道疾病，还会通过微生物产生胆汁酸、胆碱、短链脂肪酸、神经递质等代谢产物进一步影响其他器官并导致相关疾病[2-3]。
表1 不同类别的微生物代谢产物与疾病
目前对肠道菌群研究常见的两种组学手段，一是借助测序技术对肠道微生物本身的组成和功能进行研究。通过对肠道或者粪便样本中纯化的微生物DNA进行深度测序、比对、组装及后续的基因聚类分析，达到发现肠道微生物组成、丰度及功能等各方面差异的目的。二是通过代谢组对肠道微生物的代谢产物进行研究。肠道菌群产生的代谢物借助生物体各种循环途径影响终端器官的表型状态，而对这些代谢物进行鉴定和定量分析，可以发现与疾病表型相关的特定代谢产物。
这两种组学手段既可以单独适用，也可以关联起来进行进行深入的探究肠道菌群与疾病之间的潜在因果关系。下面我们一起来看发表在Nature Reviews Microbiology上经典的探究肠道菌群与疾病因果关系研究思路[4]：
1.通过测序（16s、宏基因组等）和非靶向代谢组学技术检测对照组及疾病组样本，发现与差异代谢物高度相关的差异基因簇(biosynthetic gene clusters, BGCs)和菌群，且新化合物可以通过核磁共振谱或将离子碎片和保留时间与标准品比对来进行鉴定（图3 a）；
2.通过靶向代谢组学技术对无菌小鼠和对照小鼠进行检测，验证目标代谢物，以确定筛选到的目标代谢物是否以微生物群依赖的方式产生（图3 b）；
3.测序得到的BGCs、菌群组成、丰度等信息与代谢得到的差异代谢物进行关联分析，发现与差异代谢物高度相关的差异基因和菌群，通过对粪菌移植后的无菌小鼠进行靶向代谢组学分析，找到目标代谢物浓度变化（图3 c）；
4.通过基因敲除、构建转基因小鼠模型，观察由肠道菌群诱导产生的代谢物因下游效应失活而发生变化情况，进而来确定肠道菌群代谢产物参与的具体信号通路信息（图3 d）。
图3 肠道菌群因果关系研究策略
在实际研究中，这些研究思路组合的方式多种多样，我们通过几篇示例一起来看~
文章标题：Cigarette smoke promotes colorectal cancer through modulation of gut microbiota and related metabolites
中文标题：香烟烟雾通过调节肠道微生物群和相关代谢物促进结直肠癌
客户单位：香港中文大学
发表期刊：Gut
影响因子：24.5
研究目的：先前研究表明吸烟与人结直肠癌(colorectal cancer, CRC)发病率和死亡率显著相关，且来自CRC患者的肠道微生物可促进受体小鼠的结肠肿瘤形成。然而，吸烟促进结直肠癌发生和进展的机制尚不清楚，且肠道菌群的改变是否代表吸烟与CRC之间存在联系仍不明确。
研究结果：香烟烟雾诱导肠道微生物菌群失调改变了肠道代谢物（尤其是胆汁酸相关代谢物），并对肠道屏障功能造成损伤，激活结肠上皮中致癌MAPK/ERK信号及促炎性IL- 17和TNF信号通路，促进结直肠癌的发展。
点击查看推文：合作文章：香烟烟雾会导致肠道微生物群失调，引发结直肠癌！
02
文章标题：The probiotic L. casei Zhang slows the progression of acute and chronic kidney disease
中文标题：益生菌L.casei Zhang减缓急性和慢性肾脏疾病的发病进程
客户单位：华中科技大学同济医学院附属同济医院
发表期刊：Cell Metabolism
影响因子：29.0
研究目的：肠道菌群失衡会改变宿主代谢，并对各种肾脏疾病，尤其是慢性肾脏疾病(chronic kidney disease, CKD)产生负面影响。益生菌广泛存在于人体胃肠道中，调节着器官的平衡，对维持健康的微生态环境起着重要作用，然而肠道微生物失调与急性或慢性肾脏疾病之间的关系尚不清楚。
研究结果：小鼠模型和独立的临床研究揭示了益生菌L.Chesi Zhang通过增加短链脂肪酸水平和烟酰胺代谢减缓AKI/CKD小鼠模型和慢性肾脏病患者的肾病进展，这两类物质可共同调节肾脏巨噬细胞和肾小管上皮细胞的炎症反应。这些发现表明L.Chesi Zhang对于控制AKI 和CKD进展极具潜力，为肾脏病的治疗提供新的思路和方向。
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03
文章标题：Mapping the early life gut microbiome in neonates with critical congenital heart disease: multiomics insights and implications for host metabolic and immunological health
中文标题：绘制重症先天性心脏病新生儿肠道微生态全景图谱
客户单位：中国医学科学院阜外医院/上海交通大学附属上海儿童医学中心
发表期刊：Microbiome
影响因子：15.5
研究目的：生命早期定植的肠道微生物群对宿主整个生命过程中的代谢和免疫稳态影响深远。严重先天性心脏病(critical congenital heart disease, CCHD)的新生儿存在营养不良和免疫失衡的重大风险，但CCHD病理生理学与肠道微生物的关联仍不清楚。
研究结果：患病新生儿肠道菌群出现失调，主要表现为双歧杆菌耗竭、肠球菌过度生长，这种遗传变异导致患病新生儿代谢紊乱；而肠球菌的过度生长则可以通过代谢物（短酸、亚油酸衍生物、B族维生素等）介导肠道屏障损伤和炎症反应，进而和全身炎症和手术预后不良相关。
5.1 肠道菌群非靶标代谢组学
通过整合 KEGG、BIOML、CGR、HBC、GMrepo 等数据库并结合文献及宏基因组深度测序数据，Biotree 自主构建了肠道菌群代谢组数据库，覆盖2200+菌种，3700+肠道菌群相关代谢物，不仅可有效对代谢物进行溯源分类，而且代谢物可精细溯源到具体菌株（部分为种属），将大大助力肠道菌群与健康作用机制研究。
图4 肠菌非靶物质类别
5.2 肠菌高通量靶标代谢组
Biotree 肠道菌群代谢组可以帮助我们筛选出肠道菌群相关代谢物，Biotree高通量靶标代谢组助力我们验证这些代谢物，深入探究这些代谢物对健康的影响。目前Biotree能够提供胆汁酸、短链脂肪酸、甲胺类（如 TMAO）、多酚类、多胺类、吲哚类、维生素类、氨基酸等多种类型与肠道菌代谢和宿主健康密切相关代谢物的靶向验证检测。除此之外，Biotree于2022年重磅推出绝对定性定量的靶标产品--600MRM高通量靶标代谢组中包含300+与肠菌代谢相关的代谢物，助力更精准肠菌研究！！！
图5 Biotree肠道菌群高通量靶标代谢组
参考文献：
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