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現(xiàn)在，“機(jī)制不明，腸道菌群”已經(jīng)不是一句調(diào)侃了，腸道菌群真的手很長(zhǎng)，影響很廣泛，但是腸道那么長(zhǎng)，又分為不同的區(qū)域，微環(huán)境和生理功能無(wú)法一概而論，基于糞便樣本的腸道菌群分析就顯得潛力受限，內(nèi)窺鏡檢查能進(jìn)入的腸道區(qū)域也是有限的，在了解腸菌的分布、活性和代謝方面也并不具有優(yōu)勢(shì)。
還有什么更好的辦法嗎？本周的《自然》雜志上，斯坦福大學(xué)和加州大學(xué)戴維斯分校的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表最新研究結(jié)果[1]，他們設(shè)計(jì)了一套腸道采樣膠囊，吞下之后可以在指定腸道區(qū)域采集約400μL液體，隨糞便排出體外后回收，并進(jìn)行分析。
利用采樣膠囊，研究團(tuán)隊(duì)揭示了實(shí)際腸道環(huán)境和糞便樣本的微生物組成、基因豐度、原噬菌體誘導(dǎo)和宿主蛋白質(zhì)組的差異，發(fā)現(xiàn)了膽汁酸的濃度梯度變化及其與微生物豐度之間的相關(guān)性。
研究團(tuán)隊(duì)還在同一天更新的《自然·代謝》雜志上發(fā)表了另一篇研究[2]，同樣利用采樣膠囊在不同腸道區(qū)域、不同時(shí)間，采樣了日常消化過(guò)程中人體腸道內(nèi)容物，鑒定出將近2000種代謝物，和糞便樣本相比差異很大。他們發(fā)現(xiàn)，個(gè)體間的代謝差異主要來(lái)自于食物和腸菌代謝，確定了一些食物代謝物與飲食生物標(biāo)志物之間的關(guān)系，揭示了飲食、宿主和微生物代謝之間的關(guān)聯(lián)。
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的腸道采樣膠囊是一種一次性的被動(dòng)裝置，包含一個(gè)折疊的有單向閥的收集囊，置于腸溶膠囊內(nèi)（直徑6.5mm，長(zhǎng)度23mm），膠囊的腸溶衣根據(jù)腸道不同部位的pH值（從十二指腸的4-6上升到回腸的7-8）設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)設(shè)pH值時(shí)溶解，收集囊膨脹（直徑6mm，長(zhǎng)度33mm），通過(guò)單向閥吸入腸腔內(nèi)容物，吸滿后單向閥可阻止進(jìn)一步吸入，最后，從糞便中回收收集囊。
完整的一套采樣膠囊包括4個(gè)，采樣區(qū)域包含小腸近端、中端和遠(yuǎn)端，4號(hào)膠囊有一個(gè)額外的延時(shí)涂層，因?yàn)樗摹肮ぷ鞯攸c(diǎn)”在升結(jié)腸部位，pH值相比回腸末端下降。在腸道糞便中約58小時(shí)內(nèi)，膠囊采集到的微生物組成不會(huì)發(fā)生顯著變化。
1-4號(hào)膠囊及收集囊
研究人員招募了15名健康的人類志愿者進(jìn)行了臨床研究，參與者在連續(xù)兩天的時(shí)間里，每天攝入兩次一套完整的采樣膠囊，分別是午餐后3h和晚餐后3h。所以參與者都正常飲食，所有膠囊都成功排出并回收，沒有參與者報(bào)告不良事件。
有兩名參與者的糞便樣本與某些膠囊樣本微生物組成有較高的重合，詢問(wèn)結(jié)果顯示，他們兩個(gè)人分別在參與研究前1個(gè)月和5個(gè)月時(shí)服用過(guò)抗生素。
單獨(dú)考慮15名參與者中的每一位時(shí)，膠囊中約有23%±10%的擴(kuò)增子序列變異（ASV，代表一個(gè)種的細(xì)菌）未在糞便和唾液中檢測(cè)到，這些ASV的中位相對(duì)豐度較低（＜0.4%）。膠囊中變形菌門的相對(duì)豐度明顯高于糞便，例如沃氏嗜膽菌，這是小腸中起到關(guān)鍵作用的一種細(xì)菌，還有埃希氏菌屬/志賀氏菌屬、腸球菌屬、擬桿菌屬和Romboutsia屬豐度也顯著更高。
基于腸道菌群在碳水化合物分解中的既定作用及其與健康和疾病的聯(lián)系，研究人員分析了不同樣本中的碳水化合物活性酶（CAZyme）基因豐度。膠囊樣本的CAZyme基因豐度與5個(gè)ASV有顯著關(guān)聯(lián)，其中兩個(gè)是未命名的擬桿菌，兩個(gè)是普通擬桿菌菌株，一個(gè)是糞副擬桿菌，兩個(gè)普通擬桿菌菌株關(guān)聯(lián)最強(qiáng)，但糞便樣本中沒有ASV與CAZyme基因豐度有關(guān)，這可能是由于糞便樣本中分類單位更均勻。
與CAZyme基因豐度有關(guān)的ASV
CAZyme基因豐度和功能類別的差異是飲食如何驅(qū)動(dòng)腸道中某些細(xì)菌生長(zhǎng)，以及宿主可能獲得碳水化合物降解的副產(chǎn)物的重要考慮因素。
膠囊樣本中誘導(dǎo)的噬菌體數(shù)量相比糞便樣本也顯著增加，糞便樣本中大部分（61/71）誘導(dǎo)的噬菌體在膠囊樣本中也能檢測(cè)到，反之，膠囊樣本中大部分（161/222）誘導(dǎo)的噬菌體在糞便樣本中檢測(cè)不到。
此前的小鼠研究表明，宿主腸道蛋白質(zhì)豐度很大程度上取決于腸內(nèi)位置，研究人員檢測(cè)并分析了每個(gè)樣本的2276±269個(gè)人類蛋白質(zhì)，觀察到了膠囊和糞便樣本中部分蛋白質(zhì)豐度的顯著差異。蛋白質(zhì)組與微生物組顯示出了相似的定性特征，豐度差異顯著的蛋白質(zhì)在糞便和1號(hào)膠囊之間數(shù)量差異最大，在糞便和4號(hào)膠囊之間數(shù)量差異最小，這可能反映了宿主蛋白質(zhì)組的腸內(nèi)縱向變化。
糞便樣本中，宿主蛋白質(zhì)組的個(gè)體間差異比個(gè)體內(nèi)大，但膠囊樣本中，二者相似，且比糞便樣本差異大，宿主蛋白質(zhì)組的差異與微生物組成的差異相關(guān)，因此，糞便樣本中的宿主蛋白質(zhì)組不能代表真實(shí)的宿主腸道蛋白質(zhì)組。
膽汁酸是腸道中重要的微生物代謝產(chǎn)物，參與多種信號(hào)傳導(dǎo)和生理過(guò)程，與炎癥性腸病、代謝紊亂和神經(jīng)系統(tǒng)疾病都有關(guān)聯(lián)。膠囊樣本中的膽汁酸總濃度和相對(duì)濃度都有很大差異，但存在明顯趨勢(shì)，相比1號(hào)膠囊，4號(hào)膠囊樣本的總濃度下降約2倍，糞便樣本中下降約10倍，這可能反映了膽汁酸沿腸道的主動(dòng)重吸收。
1-4號(hào)膠囊和糞便樣本中膽汁酸濃度比較
膠囊和糞便樣本中的膽汁酸類別也顯著不同，膠囊中以原發(fā)性膽汁酸脫氧膽酸（DCA）為主，糞便中則以繼發(fā)性膽汁酸DCA為主，可能是由于結(jié)腸中，膽汁酸持續(xù)暴露于生物酶中。這同樣也揭示了糞便樣本中的膽汁酸組成不能代表真實(shí)的宿主腸道膽汁酸組成。
對(duì)膠囊樣本的分析還發(fā)現(xiàn)了膽汁酸濃度梯度與腸菌豐度具有關(guān)聯(lián)，沃氏嗜膽菌等特定腸菌能夠通過(guò)解離作用改變膽汁酸池，這些關(guān)聯(lián)在糞便樣本中不明顯。
《自然·代謝》雜志上的研究在同樣的參與者中使用同樣的采樣裝置，結(jié)合五種代謝組學(xué)測(cè)定，更加詳細(xì)地闡述了糞便和腸道代謝組之間的空間和時(shí)間差異，包括飲食衍生化合物和微生物代謝物。
15名參與者間差異較大的代謝物
研究人員共鑒定出了1909種代謝物，包括近期發(fā)現(xiàn)的，不常見的鞘脂類化合物sulfonolipids和羥基脂肪酸的脂肪酸酯（FAHFA）。膠囊樣本和糞便樣本的化合物譜差異很大，膠囊中有31種代謝物的豐度平均比糞便中高100倍，包括甘氨酸化的脂質(zhì)、糖類、植物天然產(chǎn)物、肉堿、微生物結(jié)合膽汁酸和S-琥珀?；腚装彼?。
不過(guò)，也有100多種代謝物在糞便樣本中豐度顯著更高，主要是極性脂質(zhì)，例如一些磷脂化合物，糞便中膜磷脂的高豐度可能是因?yàn)?，與腸腔相比，糞便中含有更多的細(xì)菌細(xì)胞物質(zhì)。
不同的食物攝入和代謝物水平變化有關(guān)，例如，水果攝入后，酮酸水平變化最為顯著，飲酒與硫酸乙酯的水平變化關(guān)聯(lián)最顯著。
這些結(jié)果都表明，采用膠囊裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)的腸道采樣，相比糞便樣本，能夠更加準(zhǔn)確詳細(xì)地解釋人類與腸道微生物之間的“親密關(guān)系”，也將為這一領(lǐng)域的研究帶來(lái)更大的進(jìn)步。
參考文獻(xiàn)：
[1] https://www.nature.com/articles/s41586-023-05989-7
[2] https://www.nature.com/articles/s42255-023-00777-z
本文作者丨應(yīng)雨妍
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