肠道-免疫-代谢多组学解决方案

被誉为“人体第二基因组”的肠道菌群是近年来最热门的研究领域之一。各种各样的研究证明，肠道菌群通过直接或间接的方式，在维持人体健康和疾病的发生发展过程中扮演着重要角色。在临床方面，肠道菌群也同样深刻影响着治疗效果。以肿瘤免疫治疗为例，肠道菌群的破坏或缺失会损害基于PD‐1或CTLA‐4等靶点的治疗效果，反过来的联合用药则有可能避免病人产生耐药性等等问题。

总而言之，人体微生态，尤其肠道微生态失衡已被证实与包括肿瘤、免疫系统、代谢系统、神经系统、消化系统等疾病在内的50多种重大和慢性疾病直接或间接相关，近年来，这些领域发表的文章也呈逐年上升趋势（图1）。

图1：NCBI网站以“gut microbiota”和“microbiota”为关键字进行检索的历年文章数量

微生态失调与多种疾病相关。微生物群通过直接或间接的影响免疫系统，进而对发育和功能提供重要的信号。从分子和细胞的水平了解失调的起源、传递链和下游效应，有助于开发各种免疫介导的疾病疗法（图2）。其中的细胞因子和代谢产物是体液免疫非常重要的效应分子，其含量与疾病的机制、预警、诊断、用药密切相关。接下来，就让我们以几篇文章思路为例，介绍一下这方面的研究。

图2：微生物通过免疫系统进而影响中枢神经系统

在之前的推文中我们提到，部分巨噬细胞是由血液循环单核细胞转化而来（点击查看原文）。传统观点认为，PBMC中的Ly6c+单核细胞能够富集到受损的肠粘膜，转化为CX3CR1+巨噬细胞进行损伤修复。但是这一转化过程需要几天的时间，因此推测还存在另一种更加及时的损伤修复机制。腹腔浆膜组织包含腹腔大巨噬细胞和腹腔小巨噬细胞两大类。本文证实了腹腔大巨噬细胞能够穿透间皮屏障，快速响应损伤修复，并揭示了其中的激活机制（图3）。

图3：微生物影响下的巨噬细胞修复机制

实验人员首先构建了无菌小鼠肠系膜损伤模型，显微成像和免疫组化显示，CCR2+单核细胞迅速浸润。此外在使用F4/80抗体对小鼠局部给药后，GATA6+F4/80+的腹腔大巨噬细胞同样聚集。使用Luminex技术对局部细胞因子进行检测，证明CCL2是募集CCR2+单核细胞浸润的关键趋化因子，并且对巨噬细胞的聚集不起作用。此外，16s测序和流式分析结果显示，尽管肠道菌群对于单核细胞募集和分化起着重要的作用，但是对这些腹腔大巨噬细胞的募集没有显著作用。并且其保护作用，在后续的DSS结肠炎动物模型中得到了进一步证实。

PD-1抑制剂用于黑色素瘤患者的奇迹效果想必大家都耳熟能详，但是精准医疗后的耐药性也不容忽视。本研究是去年2月份背靠背发表在同期Science上的其中之一。研究团队对病人使用粪便微生物群移植（FMT）+PD-1抑制剂联合给药，在临床有效性得到证实后，研究团队对这一事实进行了原理的探究。

图4：多组学跨王国网络分析。红线：正相关；蓝线：负相关

通过对两组患者的肠道菌群进行宏基因组测序，发现患者的厚壁菌、拟杆菌、放线菌和变形菌表现出较大差异。研究人员又分别对患者的肿瘤浸润和外周血进行了细胞水平和分子水平的分析。比起对疗法没有反应的患者，反应者血液里的CD56+CD8+ T 细胞和CCR7-CD45RA+ 终末分化效应记忆 T 细胞升高，而没有功能的初始 T 细胞则较低。Luminex检测显示，反应者FMT后多种循环细胞因子和趋化因子下降，包括CCL2 (MCP1)、CXCL8 (IL-8)和IL-18，IL-12p70和IFN-γ，后两种细胞因子通常与抗肿瘤效应T细胞反应有关。最后，研究者还绘制了“跨王国网络图”（图4），将微生物组、代谢组、细胞因子和流式的结果进行了相关性分析。微生物节点与其他组学数据集的联系比任何其他节点都更紧密，这表明它们在治疗后的组间变化中起着核心作用。

这个研究通过给予人群不同的饮食，结合微生物组和宿主的免疫炎症蛋白组学研究，证明高发酵饮食能够增加微生物组学多样性，并且能够有效降低全身性炎症。研究人员对不同时期的粪便样本进行了16S、宏基因组、蛋白质组、短链脂肪酸代谢组检测，血液样本进行了细胞因子、质谱流式和多色荧光流式检测。

图5：随机森林留一法交叉验证多种组学手段的模型准确性

图6：代谢物与细胞因子之间的皮尔森相关系数

研究人员利用细胞因子检测、质谱流式和多色荧光流式（细胞特异性反应JAK/ STAM、MAP等）研究了高纤维饮食对免疫的影响，并计算了免疫与菌群代谢物的相关性（图6）。发酵食品组的血清样本中，包括IL-6、IL-10、IL-12b等在内的19种促炎的细胞因子浓度降低，表明发酵食品可能能够降低全身性炎症。

本文的研究思路和前几篇总体上相似：从肠道菌群丰度和多样性入手，进而在分子和细胞层面分析差异，最终落脚在表型和通路机制上，但是本文所涉及的组学研究非常广泛，多组学之间的关联分析也比较丰富，篇幅有限，这里仅进行了简要概述。

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