厂商新闻

Science: 16S+代谢组揭示关键菌的色氨酸代谢物和SCFA可有效防辐射!


蛋白组 代谢组 多组学 中科新生命 色氨酸

3c2336c717e362269c074d7230d70001-sz_276996.png

大剂量电离辐射的毒性与部分或全身辐射后发生的慢性和急性辐射综合症的诱发有关,并进一步表征为造血、胃肠道和脑血管综合症。尽管有零星的描述性研究显示肠道菌群与辐射引起的损害之间存在潜在相关,但这种关系的详细基础仍然不清楚。

2020年10月,美国北卡罗莱纳大学教堂山分校Jenny P. Y. Ting研究团队在《Science》(IF=41.845)杂志上发表了题为“Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites”的研究论文,利用16S rRNA+非靶向代谢组+靶向色氨酸、SCFA的检测技术,发现肠道微生物群代谢网络可以对辐射引起的小鼠损伤提供实质性的保护,揭示了关键菌及其关键代谢物的作用机制。

xmorient

(这些检测技术我司都可以提供哦~)

NO.1 研究材料

SPF C57BL/6小鼠,高剂量的全身辐射(8.0-9.2 Gy)处理,粪便样本;21名白血病患者,放疗前粪便样本

NO.2 技术方法

16S rRNA测序,非靶代谢组,短链脂肪酸

NO.3 实验路线图

xmorient

NO.4 研究结果

1、发现现象:精英幸存者拥有独特的肠道菌群

高剂量全身辐射后,有5-15%的暴露小鼠康复并长期存活(长达600天),存活超过30天的小鼠被称为“精英幸存者”。为了确定肠道微生物群是否对精英幸存者具有特异性,收集辐射后第290天年龄匹配的对照小鼠和精英幸存者小鼠的粪便,进行16S测序分析,结果显示:相对于对照组,精英幸存者具有独特的细菌群落,推测特定的肠道菌群可以防止辐射。

xmorient

精英幸存者拥有独特的肠道菌群

2、微生物群功能研究:微生物群介导辐射防护

(1)脏笼共享调查微生物群对辐射防护的贡献

为了更严格调查微生物群对辐射防护的贡献,研究人员进行了“集聚”分析,通过脏笼共享将粪便微生物群从精英幸存者中被动转移到受体小鼠。脏笼共享8周后,高剂量全身辐射暴露处理,结果发现,由精英幸存者占据过的脏笼饲养的小鼠(ES-Recip)中,有近75%存活,而对照小鼠(Ctrl-Recip)只有20%存活。ES-Recip小鼠的临床评分显著较低,并且骨髓、脾脏、牙髓等组织学检测也显示出相同的结果。这些结果表明来自精英幸存者的微生物群通过促进造血细胞增殖和减少细胞死亡,介导宿主对高剂量辐射的保护。

xmorient

脏笼共享实验

在脏笼共享后,利用16S测序分析来自供体和受体粪便中的细菌组成,与Ctrl-Recip小鼠相比,ES-Recip小鼠的微生物群组成有所不同。此外,受体的微生物群组成与各自的供体相似,表明脏笼共享策略有效地将肠道菌群从供体转移到受体。

xmorient

粪便微生物群分析

(2)粪便移植(FMT)验证微生物群与辐射防护之间的关系

与对照小鼠相比,精英幸存者的FMT导致GF和SPF小鼠的存活率提高、临床得分降低,并且微生物组发生了变化。直接比较GF ES-Recip和Ctrl-Recip小鼠的细菌丰度,线性判别分析(LDA)表明,ES-Recip小鼠的8种分类单元富集,而5种分类单元减少,LDA得分> 0.2;火山图显示,毛螺菌科(Lachnospiraceae)是ES-Recip小鼠中最富集和最具代表性的细菌。

xmorient

粪便移植实验

(3)临床样本证实肠道菌群与患者的辐射防护显著相关

为了证明在小鼠研究中确定为辐射防护的细菌类群是否可能与人类有关,又进行了一项临床研究。在接受全身放疗前,收集了21名白血病患者的粪便样本,16S测序用于鉴定肠道微生物群组成,30天的观察期内,分析了所有患者的毛螺菌科(Lachnospiraceae)和肠球菌科(Enterococcaceae)的丰度,腹泻持续时间较短(<10天)的患者与腹泻持续时间较长(>10天)的患者相比,毛螺菌科(Lachnospiraceae)和肠球菌科(Enterococcaceae)的丰度显著更高,并且毛螺菌科(Lachnospiraceae)的丰度与胃肠道不良反应的发生之间也存在统计学上的显著负相关。

xmorient

肠道菌群与患者的辐射防护显著相关

3、辐射处理对小鼠微生物群的选择作用

为了解决精英幸存者如何携带辐射防护菌群的问题,比较了精英存活者在辐射前和辐射后占主导地位的独特微生物群。总共对57只小鼠进行了高剂量的全身辐射,并收集了辐射前(第-1天)以及辐射后第2、7、21、30天的粪便样本。对来自精英幸存者和辐射处理后死亡(非幸存者)的粪便样本进行16S测序,结果显示,辐射前(第-1天)精英幸存者和非幸存者之间的细菌组成没有差异。然而,到辐射后第7天,精英幸存者的细菌群落与非幸存者的细菌群落截然不同。与死亡的小鼠相比,在辐射后的第7天,毛螺菌科(Lachnospiraceae)和肠球菌科(Enterococcaceae)类群在精英幸存者中表现出更高的丰度。7天后,精英幸存者继续显示出更多的细菌类群,而非幸存者在第21天之前逐渐死亡。这些数据表明,辐射处理在其“幸存者表型”中对毛螺菌科(Lachnospiraceae)和肠球菌科(Enterococcaceae)类群具有选择性。

xmorient

肠道菌群与小鼠的辐射防护显著相关

4、关键菌种的功能研究

为了确定关键菌种的功能,分别将单独的菌株通过饲喂的方式接种至小鼠体内,结果显示,接种毛螺菌科(Lachnospiraceae)的小鼠存活率得到了最大提高,接种粪肠球菌(E. faecalis)和鼠李糖乳杆菌(L. rhamnosus)的小鼠存活率提高了40%到60%。与对照组相比,接种脆弱拟杆菌、金黄色葡萄球菌、腐生链球菌和无乳链球菌的小鼠的预后没有改善。同时,骨髓、脾脏、牙髓、肠道等组织学检测也显示出相同的结果。进一步构建黑色素瘤(B16)或淋巴瘤(EL4)小鼠模型,结果发现,接种毛螺菌科(Lachnospiraceae)均不影响肿瘤生长,且对放射线减少肿瘤生长的功效没有负面影响。

xmorient

接种Lachnospiraceae可改善辐射诱发的综合征

5、辐射防护的桥梁代谢物及其功能研究

(1)靶向代谢组学验证SCFA抑制辐射引起的死亡和伤害

毛螺菌科(Lachnospiraceae)的成员以其通过饮食多糖的发酵合成短链脂肪酸(SCFA)的能力而闻名,SCFA是维持肠道上皮以及调节免疫系统和炎症反应的重要底物。通过靶向代谢组学检测SCFA的水平,在脏笼共享实验中,来自精英幸存者或ES-Recip小鼠的粪便样品中三种SCFA(乙酸、丁酸和丙酸)的浓度均高于对照。外源补充乙酸盐、丁酸盐或丙酸盐可提高全身辐射处理小鼠的生存率,并且SCFA高产菌处理可保护100%的小鼠免受辐射,而SCFA低产菌株仅提供50%的保护。进一步证实,SCFA通过减轻DNA损伤和电离辐射产生的活性氧(ROS)的释放来介导小鼠的辐射防护。

xmorient

SCFA抑制辐射引起的死亡和伤害

(2)非靶向代谢组学揭示色氨酸代谢物作为有效的辐射防护剂

为了确定除SCFA以外的其他代谢物是否具有辐射防护作用,对来自精英幸存者和年龄匹配的对照小鼠的粪便样品进行了非靶代谢组学分析,结果发现精英幸存者和对照之间的代谢产物非常不同。精英幸存者粪便中最丰富的代谢产物聚集在色氨酸代谢途径中,其中吲哚3-羧醛(I3A)含量变化了5倍,而犬尿酸(KYNA)含量变化了8倍。对这些色氨酸代谢物进行体内放射线抑制测试,发现这两种代谢物均能显著提高存活率并降低经辐射处理的SPF小鼠的临床评分,辐射后的保护持续时间超过200天。

xmorient

非靶向代谢组学揭示色氨酸代谢物作为有效的辐射防护剂

NO.5 小编小结

本研究利用16S rRNA测序、非靶和靶向代谢组学技术,发现肠道微生物群代谢网络可以对辐射引起的小鼠损伤提供实质性的保护,强调了肠道菌群作为宿主防御辐射的主要调节者,能够保护造血和胃肠系统。毛螺菌科(Lachnospiraceae)和肠球菌科(Enterococcaceae),及以丙酸和色氨酸途径成员为代表的下游代谢产物,对辐射防护起着重要作用。这项研究阐明了微生物代谢物轴在产生广泛辐射防护中所起的关键作用,并提供了有希望的治疗靶标来治疗辐射暴露的不良副作用。

中科新生命提供一站式的肠道微生物完整解决方案—“肠道菌群-代谢物-靶器官”多组学分析,实现从菌群组成、代谢物到靶器官分子表达分析的完整研究;同时借助于集成机器学习算法,提供更有效的关键菌、关键功能代谢物及标志物的挖掘与筛选。已合作发表多篇高水平项目文章(Circulation Research等领域TOP期刊),欢迎来电咨询。

xmorient

xmorient




使用微信扫描此二维码,在手机上查看和分享