Nature | 神奇胶囊！揭示人体肠道环境纵向多组学差异

2023-11-11 19:58:29, 麦特绘谱麦特绘谱生物科技(上海)有限公司

人类微生物组、蛋白质组和代谢组的时空结构反映并决定了区域肠道生理学，并对疾病产生影响。然而，由于对粪便样本的依赖，以及在空腹或镇静状态下使用内窥镜只能进入肠道的某些区域，人们对微生物在肠道中的分布、环境及其在肠道中的生理生化活动知之甚少，亟需新的取样工具获得不同肠段内样本。来自加州大学戴维斯分校、斯坦福大学和Envivo Bio公司等团队开发了一种特殊的肠道无创采样胶囊（CapScan），可在正常消化过程中收集人体不同肠段样本。揭示肠道中的细菌、噬菌体、宿主蛋白质和代谢物与粪便中的细菌、噬菌体、宿主蛋白质和代谢物存在显著差异，相关研究成果发表于Nature。

人体肠道采样胶囊设计原理

采样囊是一种一次性使用的采样胶囊，包含一个塌陷的收集囊，由一个单向阀封盖，置于一个带有肠道涂层的可溶解胶囊内。为了从肠道的四个不同区域取样，在一个人进餐后，将四个采样胶囊作为一套摄入，其中一套采样胶囊中的不同类型被设计为在不同的、逐渐升高的pH水平下打开。最后随着粪便排出体外，从而回收采样胶囊样本进行分析。该采样胶囊可在正常消化过程中对肠道内的微生物和代谢物进行纵向采集（图 1）。

肠道微生物组在空间分布上存在差异

为了评估肠道微生物的组成和功能差异，对 15 名健康志愿者共收集210 个采样胶囊、29 份唾液样本和 58 份粪便样本进行16S rRNA 基因测序。菌群主坐标轴分析（PCoA）显示，唾液样本与肠道和粪便样本显著分离。与之前的研究一致，在门水平上，肠道中变形菌门的丰度高于粪便；在属水平上，肠道中大肠杆菌、志贺氏菌属、肠球菌属、乳杆菌属和罗姆布茨菌属的丰度高于粪便（图 1）。

图1. 采样胶囊可以对人体肠道进行纵向采样

与粪便或唾液样本相比，在肠道样本中观察到更多个体内微生物群变异，表明采样胶囊收集的样本更加多样化。让一名受试者同时摄入四种相同类型的采样胶囊，结果显示，与不同时间摄入的同类型采样胶囊相比，同一时间摄入的同类型采样胶囊含有更相似的微生物群落。因此，与粪便相比，肠道样本具有较高的变异性，可能是由于肠道微生物群的动态变化及异质性造成的（图2）。

胶囊内的微生物仍具活力

为了确定胶囊收集到的肠道微生物是否存活，1号参与者摄入了从肠道近端收集微生物的采样胶囊。在体外厌氧条件下提取等量样本，并将其放置在含有营养物质的琼脂糖垫上。结果显示，在 4 小时内，20-50% 的细胞恢复生长；在新鲜粪便的厌氧重悬液中也观察到了类似的恢复生长部分，表明采样胶囊保存活细菌的程度与新鲜粪便相同。此外，细胞的生长呈现广泛的形态，提示重新生长并不偏向少数菌群。因此，该采样胶囊可以进行培养组学实验，并为研究肠腔内的宿主细胞提供可能性。

图2. 不同类型采样胶囊的微生物群呈现差异

肠道样本比粪便样本更容易诱导噬菌体

根据宏基因组测序结果进一步研究肠道病毒群组，共发现1607个病毒的操作分类单元（vOTUs），其中83%（1343/1607）在肠道和粪便标本中均可检测到，表明肠道和粪便具有相似的病毒群。根据等位基因的病毒区和细菌区的覆盖率对噬菌体的诱导进行量化，结果显示，肠道样本中诱导的噬菌体数量显著高于粪便样本。总之，同一个体的粪便和肠道之间的病毒组相似，肠道环境有利于噬菌体的诱导，强调了原位采样对捕捉噬菌体动态的重要性（图3）。

图3. 肠道样本比粪便样本更容易诱导噬菌体

宿主蛋白质组的空间差异

之前的研究表明，宿主蛋白质的丰度与肠道内的位置密切相关。本研究使用液相色谱串联质谱法（LC-MS/MS）对肠道和粪便样本进行蛋白质组学检测，在每个样本中检测并分析了2276±269个人类蛋白质，主成分分析（PCA）结果显示，人类蛋白质组的聚类与微生物群相似。此外，宿主蛋白质组的也呈现纵向变化，蛋白质组相关性较高的样本对的微生物群关系更为密切。因此，从粪便中确定的宿主蛋白质组并不能代表肠道中的宿主蛋白质组，宿主蛋白质组与肠道中的微生物群组成相关性更强（图4）。

图4. 人类的蛋白质组在粪便和肠道样本之间呈现差异

肠道胆汁酸分布及梯度修饰

对所有肠道和粪便样本上清液进行LC-MS/MS的靶向胆汁酸检测。结果显示，与1型采样胶囊中样本相比，4型采样胶囊中样本中胆汁酸的总浓度降低约2倍，粪便中的胆汁酸总浓度降低约10倍，这反映了胆汁酸在肠道中的主动重吸收作用。在所有其他参与者中，肠道样本和粪便样本中胆汁酸的相对含量和主要类别存在显著差异。总之，基于粪便样本的检测并不能反映胆汁酸在肠道中的真实组成。

胆汁酸在肠道中会被微生物酶修饰，其中，胆盐水解酶（BSHs）可将甘氨酸和牛磺酸从胆汁酸骨架上水解。宏基因组测序结果显示，从采样胶囊类型 1 到采样胶囊类型 4 的样本中肝脏中结合型胆汁酸的百分比呈显著下降趋势，反映了沿肠道和粪便的去结合趋势；且次级胆汁酸在不同类型的采样胶囊中并无显著改变，但在粪便中却显著增加。总之，在整个肠道中检测到的胆汁酸谱的变化显示了肠道微生物活动和生化环境的区域性，突出了依赖粪便进行微生物组和胆汁酸研究的局限性（图5）。

图5. 采样胶囊沿着肠道捕获的胆汁酸与粪便不同

肠道微生物与胆汁酸去结合的关系

之前的研究表明，饮食会影响小鼠的胆汁酸谱，于是探究摄入的食物是否会影响人体肠道中胆酸CA、甘氨胆酸GCA或牛磺胆酸TCA的浓度。结果显示，这些胆汁酸的浓度并未受到饮食的显著影响，但素食参与者的TCA与GCA的比值较高，食用乳制品的参与者的TCA与GCA的比值较低。从采样胶囊类型 1 到 4，GCA和TCA的浓度均有所下降，且在粪便中的浓度显著较低。其中，GCA浓度与 Anaerostipes hadrus和Faecalibacterium prausnitzii呈负相关，TCA浓度与Alistipes putredinis和 B. wadsworthia呈负相关。在所有参与者中， F. prausnitzii和B. wadsworthia都不含任何BSH基因，这表明这些类群可能使用其他微生物去结合反应产生的甘氨酸和牛磺酸。进一步分析发现，食用乳制品的参与者体内GCA与TCA的比值较高，这可能是由于B. wadsworthia能将TCA去结合以利用牛磺酸促进生长。且在粪便中，B. wadsworthia和A. putredinis的相对丰度与TCA浓度相关性不大，这表明该采样胶囊可以确定胆汁酸与微生物之间的相关性，但这种相关性在粪便中并不显著（图6）。

与胆汁酸特异性结合的氨基酸

最近在小鼠肠道和人类粪便中发现了与甘氨酸和牛磺酸以外的氨基酸共轭的胆汁酸，包括酪氨酸-胆酸（TyroCA）、亮氨酸-胆酸（LeuCA）和苯丙氨酸-胆酸（PhenylCA）。本研究共检测到了22种不同羟基化形式的微生物共轭胆汁酸，涉及13种氨基酸。几种微生物共轭胆汁酸在不同的采样胶囊类型中呈现出梯度，并显示出氨基酸特异性趋势（图6）。

图6. 胆汁酸在肠道与粪便中的关系

小结

本研究开发了一种可吞咽采样胶囊，能在正常消化过程中对肠道进行纵向采样。收集了15个健康人不同肠段240个肠道样本，多组学分析表明，肠道中的细菌、噬菌体、宿主蛋白和代谢物与粪便的有显著差异；相较于粪便，肠道样本中的菌群多样性较低，且原噬菌体诱导更为普遍；宿主蛋白组和胆汁酸谱沿肠道变化，且与粪便呈现差异；特定肠菌通过去结合作用改变胆汁酸池；肠菌介导生成的结合型胆汁酸的浓度变化模式呈现氨基酸特异性。本研究为进一步研究肠道微生物组和代谢组在人类生理和疾病中的作用提供了有力工具。

参考文献

Profiling the human intestinal environment under physiological conditions. Nature. 2023.

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本研究通过对肠道进行纵向采样，揭示肠道的细菌、噬菌体、宿主蛋白和代谢物与粪便均不同。肠道菌群代谢物包括胆汁酸、长中短链脂肪酸、色氨酸等代谢物的绝对定量麦特绘谱均可检测。本公司经典的已获得客户高度肯定的Q300全定量检测技术和升级的新品Q1000技术，均可精确捕捉到论文中提到的代谢途径中所有小分子产物的细微改变，。目前Q300技术已助力客户在Science、Cell Metabolism 、Gut、Advanced Science、Diabetes Care、Nature Communications、PNAS等权威期刊发表近60篇SCI文章，平均IF>10分。

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