肠道-菌群-代谢物-靶器官 全方位解决方案



肠道菌群研究的重要性


肠道菌群是人体最为主要、复杂的微生物系统,其基因数目约330万个,是人类基因数量的150倍,因此被誉为“第二大脑”或“第二基因组”。肠道菌群在肠上皮组织乃至整个机体的物质代谢、免疫调节以及中枢神经系统的调节中发挥着重要的作用,与肥胖、糖尿病、肺部疾病等均密切相关。


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肠道菌群研究工具

通过16S/宏基因组、蛋白组和代谢组等技术,研究粪便/肠道内容物中的菌群多样性和功能代谢,以及宿主靶器官的响应机制,有助于揭示肠道-菌群-代谢物-靶器官之间的作用关系。

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肠道菌群研究方案

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代谢组:连接菌群和宿主间的重要介质

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代谢物是连接肠道菌群和宿主间最主要的介质之一,代谢组学能够客观地检测肠道菌群的代谢组分及丰度,展示肠道菌群的代谢状态,从而发现肠道菌群是如何影响宿主的代谢状态。

向代谢组

非靶向代谢组学可对代谢物进行大规模、无偏检测,包括亲水性小分子及脂质分子,重点寻找关键的差异代谢物,进而解释所发现的代谢物及其代谢通路与生命过程或生命状态之间的关联。

向代谢组

肠道菌群的代谢产物,如短链脂肪酸、胆汁酸、脂质、TMA/TMAO、神经递质及氨基酸等物质在影响宿主的健康方面发挥着重要的作用,靶向代谢组可对这些特定物质实现特异、灵敏、准确的分析。

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案例:地中海饮食干预改善肠道菌群,促进代谢健康

GUT,2020, Mediterranean diet intervention in overweight and obese subjects lowers plasma cholesterol and causes changes in the gut microbiome and metabolome independently of energy intake

方法:宏基因组、非靶向代谢组学、靶向代谢组学(短链脂肪酸、胆汁酸、氧化三甲胺(TMAO)及前体物质)

样本:受试者血浆、尿液、粪便

研究内容:该研究利用宏基因组学、非靶代谢组学以及靶向代谢组学方法,深度探讨地中海饮食(MD)干预对具有代谢疾病受试者的代谢健康、肠道微生物群和全身代谢组的影响。结果显示,受试者血液胆固醇和血浆及尿液中肉碱水平的降低与MD的依从性成正比;同时MD导致了微生物组和代谢组的多种变化,如增加了降解膳食纤维的普氏粪杆菌等。这些研究结果有助于在未来制定改善代谢健康的饮食策略。

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doi: 10.1136/gutjnl-2019-320438.




医学全靶代谢组(MT1000)

医学全靶代谢组(MT1000)可提供最全的疾病分子数据库,一次检测可对氨基酸、花生四烯酸、酰基肉碱、脂质、神经递质等1000+种医学专属性功能代谢物进行准确定性定量分析,兼具非靶的高通量与靶向定量的精确性,实现生物标志物筛选与验证一次解决。

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空间代谢组

空间代谢组融合了质谱成像和代谢组技术,不仅可以检测样品中有什么物质、表达多少,还可以明确这些物质分布在哪,一次性可对成百上千种代谢物进行原位定性、定量、定位分析。




案例:菌群-代谢物-宿主信号轴:空间代谢组发现“脑肠轴”直接信号介质

Science Advances ,2020,Microbiome-derived carnitine mimics as previously unknown mediators of gut-brain axis communication

背景:肠道菌群的改变与各种神经系统疾病相关,但菌群衍生的代谢物介导“肠脑轴”相互作用的因果关系和证据仍然难以找到。

方法:非靶向和靶向空间代谢组

样本:SPF小鼠和GF小鼠的肠道组织和脑组织

研究内容:该研究利用空间代谢组鉴定到了在无特殊病原体(SPF)C57BL/6小鼠中存在但在无菌(GF)小鼠中不存在的两种新型肠道微生物源肉碱类似物,并发现其与肉碱在小鼠脑中的共定位,通过体外实验评价其对原代中枢神经细胞脂肪酸氧化的抑制,最终阐释肠道菌群与大脑之间的直接联系。

创新点:首次描述肠道菌群与哺乳动物脑细胞之间的直接分子跨界交换,导致脑细胞功能的抑制。

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doi: 10.1126/sciadv.aax6328.



代谢组+16S/宏基因组:疾病-菌群-代谢物的因果关系

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代谢组+16S/宏基因组

仅依靠测序研究并不足以充分说明肠道菌群是通过何种方式影响宿主的,将16S/宏基因组测序得到差异菌群和差异功能,与代谢组检测得到差异代谢物进行联合分析,能够挖掘关键菌群、代谢物及两者之间的关系,从而帮助建立菌群-代谢物-表型之间的逻辑关系。

从认识菌群-疾病的关联发展到研究特定疾病中菌群的功能(代谢)

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doi: 10.1038/s41579-020-0433-9. Epub 2020 Sep 4.




案例:粪便中关键菌的代谢产物可防护放疗辐射

Science, 2020,Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites

方法:16S rRNA测序、非靶代谢组、靶向代谢组(短链脂肪酸)

样本:高剂量全身辐射小鼠粪便、白血病患者放疗前粪便

研究内容:通过微生物16S rRNA测序分析,找到精英幸存者小鼠特有肠道菌群,使用特有的“脏笼实验”,并结合临床病例,揭示了不同菌群和短链脂肪酸代谢相关的保护机制,并使用非靶向代谢组学手段找到了具有放射防护功能的色氨酸代谢物。

创新点:首次揭示了肠道菌群和放疗辐射之间潜在的相关性,并找到了一些关键代谢产物。

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doi: 10.1126/science.aay9097.



菌群-代谢物-宿主:多组学方案——代谢组+16S/宏基因+靶器官功能验证

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当初步的研究发现,肠道菌群组成及代谢产物会对表型产生影响时,接下来人们就会提出一个新的疑问:“肠道菌群究竟是如何对宿主产生影响的?”要回答这个问题,仅靠粪便样本的检测能得到信息非常有限。这时就需要把眼光放到整个宿主上,比如粪便中有哪些微生物产生的代谢物被吸收进了血液? 宿主整体代谢发生了什么变化? 又是如何影响靶器官的?为了形成一个比较完整的逻辑链,通常需要对多种样本使用多种组学技术进行检测。


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基本实验设计:对照组vs疾病/实验组;16S/宏基因组(粪便)+蛋白质组/代谢组(体液)

进阶实验设计:16S/宏基因(粪便)+代谢组(体液)+靶器官(修饰)蛋白/转录组(组织等)




案例:饮食-菌群相互作用介导宿主的表观遗传变化

Molecular Cell, Diet-Microbiota Interactions Mediate Global Epigenetic Programming in Multiple Host Tissues

方法:16s rDNA测序(粪便、盲肠内容物)短链脂肪酸(盲肠内容物)、修饰蛋白质组(脂肪、肝脏、近侧结肠)、转录组(肝脏组织)

研究内容:该研究发现西方饮食改变了宿主肠道菌群依赖的表观遗传

研究人员发现西式饮食和正常饮食导致小鼠的肠道菌群及短链脂肪酸水平发生了变化,并且改变了小鼠多个组织中的组蛋白乙酰化和甲基化以及肝脏基因的表达,给无菌小鼠补充短链脂肪酸能够恢复表观遗传学特征和肝脏基因表达状态。该研究对理解饮食-肠道菌-代谢物-宿主靶器官-组蛋白表观遗传修饰-宿主健康之间复杂的调控作用具有深远意义。

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doi: 10.1016/j.molcel.2016.10.025.




项目文章:16S+代谢+转录组揭示蒲参胶囊治疗脑卒中的作用机制

Phytomedicine,2023,Pushen capsule treatment promotes functional recovery after ischemic stroke

方法16s rDNA测序(粪便)、非靶向代谢组(血清)、转录组(脑组织)

研究内容:该研究首先通过小鼠模型评价蒲参胶囊对脑卒中的治疗作用。其次通过网络药理和代谢组学分析,鉴定了蒲参胶囊中抗缺血性卒中的关键活性成分。通过转录组学、代谢组学和16S rDNA测序联合分析研究蒲参胶囊对脑卒中后功能恢复药理作用的分子机制,发现蒲参胶囊改善了肠道菌群失调,降低了粪便和血清中的肌苷水平,从而减少了大脑中的Adora2a表达。

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doi: 10.1016/j.phymed.2023.154664.




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