方法速遞--腸道菌群代謝物的檢測及意義
麥特繪譜生物科技(上海)有限公司(Metabo-Profile) 在腸道菌群代謝物檢測方面具有齊全的解決方案，其方法是基於賈偉教授團隊成功開發的基於氣相色譜-飛行時間質譜聯用技術（GC-TOF/MS）的微生物代謝組學分析方法，該方法可以高通量絕對定量檢測150種重要腸道菌群代謝物，能夠在15分鐘內實現對血清、尿液、糞便或者細菌（如大腸桿菌）等樣本中的腸道菌群代謝物進行全自動化學衍生和定量分析。這些代謝物包括氨基酸、脂肪酸、有機酸、酚類、苯基或苄基衍生物、吲哚等，涉及與腸道菌群代謝相關的多條重要代謝通路。研究團隊還構建了上述代謝產物的氯甲酸甲酯和氯甲酸乙酯衍生物資料庫，庫中收錄的所有代謝物均具備上述兩種衍生物的質譜碎片和保留指數的完整信息。這兩種衍生產物質譜碎裂模式的分析，不僅大大提高了代謝物鑒定的準確性，也為推測未知化合物結構提供了參考。該方法已在線發表於國際分析化學類主流期刊Analytical Chemistry。麥特繪譜該檢測平台，可幫助科研工作者對微生物代謝物進行定性和定量分析，了解微生物的生理狀態，進而探尋腸道微生物與宿主潛在的相互作用機制及腸道菌群代謝對宿主健康和疾病的作用。
微生物組學這一新興領域近年來受到越來越多的關注，但該領域目前對細菌的表徵基本上基於測序技術 –如16S rRNA測序或者NextGen宏基因測序。而測序能告訴我們的僅僅是腸道細菌的種類信息，從門到屬到種（有時甚至能到株）的分類和丰度值，但是對於細菌的功能性信息，尤其是細菌群落組成的微生態總體代謝功能以及如何與我們人體（宿主）的相互代謝作用，我們不得而知。我們無法判斷兩個腸道菌群組成相差很大的健康人，結構上的差異意味著什麼，我們也難以預測這些菌群差異在相同飲食的兩個人代謝和生理上會帶來什麼樣的功能性變化。最簡單明了的代謝功能表徵方法就是測代謝組，所獲得的數據是各種細菌集成的功能以及與宿主共同作用的最終結果！
微生物代謝組學藉助代謝組學的分析技術和數據處理方法，致力於通過對微生物代謝物的定性和定量分析，了解微生物的生理狀態，進而探尋腸道微生物與宿主潛在的相互作用機制及腸道菌群代謝對宿主健康和疾病的作用。我們的腸道細菌代謝產物，都有哪些呢？腸道菌群代謝的主要底物是食物中不能被小腸消化吸收的碳水化合物、蛋白質和肽類。食物中的膳食纖維可以被細菌發酵和利用，產生單糖和寡糖分子，或乙醇、乳酸、琥珀酸等有機酸，並進一步形成乙酸、丙酸、丁酸等短鏈脂肪酸。這些短鏈脂肪酸不僅是宿主及微生物的能量來源，而且能被多種外周組織代謝利用。食物中的蛋白質可被腸道細菌分解產生肽和氨基酸。其中，纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸等支鏈氨基酸可被細菌進一步代謝形成支鏈脂肪酸，而苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸等芳香族氨基酸的細菌代謝產物是酚類和吲哚類物質。此外，人體中多種維生素如維生素K和部分B族維生素等的合成也與腸道菌群代謝相關。腸道菌群不僅能夠代謝宿主自身無法代謝的物質，而且可以參與宿主的代謝，並與宿主發生共代謝關係，形成一系列腸道菌群-宿主共代謝產物，如膽固醇和膽酸代謝、激素代謝等均是腸道菌群和宿主共同協作完成的。到目前為止，研究證實與腸道菌群代謝及其與宿主共代謝有關的代謝物主要包括短鏈脂肪酸、膽酸（特別是次級膽酸）、膽鹼代謝物（如三甲胺-N-氧化物）、酚類、苯基（或苄基）衍生物、吲哚類、多胺類、脂類（如共軛脂肪酸）、維生素類、激素類等多種類型。
精確、靈敏、快速、高通量的菌群代謝組學是未來精準醫學的一個核心手段！由於腸道菌群--宿主共代謝產物結構和性質的複雜性和多樣性，要想用儘可能少的檢測平台同時測定眾多的共代謝物在技術上具有很大的挑戰性。鑒於這類代謝產物大部分極性強、難揮發的特點，我們開發這套專屬性的全自動化衍生方法，能夠選擇性對菌群-宿主共代謝物進行高效衍生，有效排除外源性藥物和其他糖類物質的干擾，該方法操作簡便，利於大批量樣本的處理。這套基於GC-TOF/MS平台高通量絕對定量檢測生物樣本中腸道菌群-宿主共代謝物的方法具有實用性強、分析時間短、檢測通量高等特點，可以對微生物-宿主共代謝物進行快速準確定性定量分析。將代謝組學與微生物組學及分子生物學手段相結合，尋找代謝表型變化與菌群結構變化的共變異，鑒定和識別對宿主生理代謝影響顯著的功能細菌，在系統生物學水平上建立宿主代謝與腸道菌群的關聯模型，可以客觀地檢測腸道微生物的代謝組分及濃度變化，展示腸道菌的代謝狀態，從而讓我們更深入地研究腸道菌群和宿主之間關聯的複雜代謝體系，了解腸道微生物群如何通過自身代謝及與宿主共代謝來影響宿主的代謝狀態。微生物代謝組學分析平台的構建，為研究代謝表型動態變化和微生物組成變化的相關性提供了分子機制的依據。通過分析菌群和宿主在代謝水平上的相互作用，觀測關鍵代謝產物的變化規律，便於科研工作者更深入地了解腸道菌群複雜的作用機制，這種系統生物學的研究模式能夠加速非侵入性疾病診斷工具的開發，促進個體化醫療進程，提高個體化食療的效果，加速實現腸道菌群研究到臨床轉化的精準醫學進程。相關文獻：
- Zhao, L.J., Ni, Y., Su, M.M.,Li, H.S., Dong, F.C., Chen, W.L., Wei, R.M.,, Zhang, L.L., Guiraud, S.P., Martin, F. J., Rajani, C., Xie, G.X., Jia, W.* High throughput and quantitative measurement of microbial metabolome by gas chromatography/mass spectrometry using automated alkyl chloroformate derivatization. Analytical Chemistry. doi: 10.1021/acs.analchem.7b00660.
- Nicholson, J.K., Holmes, E., Kinross, J., Burcelin, R.,Gibson, G., Jia, W., Pettersson, S.Host-gut microbiota metabolic interactions. Science, 336(6086): 1262-7, 2012.
- Zheng, X.J., Xie, G.X.,, Zhao, A.H., Zhao, L.J., Yao, C., Chiu, N.H., Zhou, Z.X., Bao, Y.Q., Jia, W.P., Nicholson, J.K., Jia, W*. The footprints of gut microbial-mammalian co-metabolism. Journal of Proteome Research, 10(12):5512-22, 2011.
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