2024-02-26
肠道菌群-器官轴介绍
肠道菌群-器官轴是指定植在肠道的微生物菌群与其它部位器官（脑、肾脏、肝脏、皮肤等）进行双向或多向交流的系统（图1）。在这个轴系统中，肠道菌群通过分泌小分子、酶、毒素等代谢物对宿主的代谢和生理过程进行调控，从而影响机体的健康状态和疾病发展。近年来，国家自然科学基金委设立了多项关于人体微生物组研究的重大课题与重点项目，聚焦于人体微生态系统的结构解析、功能挖掘以及与健康和疾病关联性的基础研究。 图1：肠道菌群-器官轴示意图（1）
肠道菌群-器官轴领域国自然基金资助情况 项目数量 经费走势 图2：近十年肠道菌群相关国自然项目统计图（数据来自赛特新思） 以肠道菌群为关键词搜素，获得相关的国自然项目资助情况。从经费走势图和项目数来看肠道菌群相关的国自然项目近十年的平均经费持续增加，项目数也处于较高水平，足见肠道菌群-器官轴研究是国自然基金申请的热点方向。从关键词云图（图2）来看，肠道菌群与糖尿病、抑郁症、肿瘤、肠易激综合征等疾病的关系是主要的研究方向，而宏基因组学、16S多样性测序、代谢组学等多组学研究方法也成为高频关键词。 图3：肠道菌群-器官轴相关国自然项目关键词云图（数据来自赛特新思）
肠道菌群-器官轴研究方向 纵览近十年肠道菌群-器官轴相关国自然中标项目，该领域主要有以下研究方向： （1）肠道菌群组成与环境交互的研究：探究宿主基因型、生活方式、饮食习惯等因素如何塑造肠道菌群组成，并进一步影响人体健康状态。 （2）肠道菌群与药物代谢研究：研究肠道菌群对药物代谢的影响，探讨“药物-微生物组相互作用”在药效学和毒理学上的意义，为药物研发提供新思路。 （3）肠道菌群与疾病关联研究：研究肠道菌群失调与多种疾病（如肥胖症、糖尿病、心血管病、肠炎性疾病、神经退行性疾病以及多种癌症等）的发病机制及其相关性。 （4）肠道菌群-代谢物轴作用机制研究：聚焦肠道菌群产生或介导合成的明星分子如胆汁酸、短链脂肪酸、色氨酸、氧化三甲胺、丁酸钠，探究其在疾病发展中的作用机制。 （5）肠道菌群在疾病诊疗过程的作用与机制探究：以肠道菌群作为靶标探究疾病诊断的生物标志物或治疗的新途径。 表1：肠道菌群-器官轴相关国自然部分中标项目 项目名称 项目类型 年份 膳食纤维调控肠道菌群的生态学机制研究 青年基金 2022 肠道菌群介导呕吐毒素诱发肝脏炎症的作用机制 青年项目 2021 运动调控人体血液与肠道菌群稳态和衰老的机制研究 面上项目 2023 基于肠道菌群重塑探究MBL抗肥胖慢性炎症的作用机制 面上项目 2022 抗菌肽调节肠道菌群和肠道免疫参与系统性红斑狼疮机制研究 面上项目 2021 肠道菌群通过CASP-1/IL-1β调节肠道通透性参与IgA肾病发病机制研究 面上项目 2021 维生素D3缺乏相关肠道菌群紊乱促进肠道淋巴瘤发病机制的研究 面上项目 2023 肠道菌群紊乱促进高血压脑出血血管病变的作用及机制 重点项目 2021 基于肠道菌群-胆汁酸-TGR5通路解析葡甘露聚糖调控肠道稳态的分子机制 青年基金 2022 肠道菌群-胆汁酸-FXR通路调控肠道黏膜屏障通透性在门体分流性脑病中的作用及机制研究 面上项目 2023 肠道菌群-谷氨酸-PPARα介导青光眼RGCs铁死亡的作用和机制研究 面上项目 2022 薯蓣皂苷元通过肠道菌群治疗肥胖的作用和机制研究 青年项目 2022 肠道菌群移植通过“产丁酸菌-色氨酸-TRPA1”通路治疗慢传输型便秘的机制研究 青年项目 2021 肠道菌群代谢物调节肿瘤免疫微环境的靶标发现和化学干预研究 重点项目 2023
派森诺生物在肠道菌群-器官轴研究领域的优势 （1）派森诺生物是国内最早开展微生物多样性测序的高通量测序公司之一，在肠道菌群-器官轴领域积累了丰富的项目经验。 （2）肠道菌群-器官轴的研究离不开宏基因组学、微生物扩增子多样性测序、代谢组学、转录组学等多组学方法，派森诺生物已具备了完善的多组学实验平台、数据分析云平台和多组学联合分析利器。我们提供的多组学联合分析内容包括但不限于关联热图分析、关联网络图分析、Mantel 检验、Procrustes 分析等，为深入挖掘肠道菌群功能机制提供了保障。 （3）派森诺生物可为客户提供样本准备、测序、数据分析、湿实验验证、文章发表的一条龙解决方案。 以下是合作客户在该领发表的部分高分文章。 表2 合作客户在肠道菌群-器官轴领域发表的部分高分文章 期刊 影响因子 题目 Cell Host & Microbe 30.3 Butyrate-producing Eubacterium rectale suppresses lymphomagenesis by alleviating the TNF-induced TLR4/MyD88/NF-kB axis Cell Metabolism 29 Hyodeoxycholic acid alleviates non-alcoholic fatty liver disease through modulating the gut-liver axis Cell Metabolism 29 The microbial metabolite trimethylamine N-oxide promotes antitumor immunity in triple-negative breast cancer Nature Metabolism 20.8 Gut Parabacteroides merdae protects against cardiovascular damage by enhancing branched-chain amino acid catabolism Blood 20.3 The gut microbial metabolite trimethylamine N-oxide aggravates GVHD by inducing M1 macrophage polarization in mice ACS Nano 17.1 Foodborne Carbon Dot Exposure Induces Insulin Resistance through Gut Microbiota Dysbiosis and Damaged Intestinal Mucus Layer Advanced Science 15.1 Bile Acid–Microbiome Interaction Promotes Gastric Carcinogenesis Nature Communications 16.6 Theabrownin from Pu-erh tea attenuates hypercholesterolemia via modulation of gut microbiota and bile acid metabolism Nature Communications 16.6 Gut microbiota-bile acid crosstalk contributes to the rebound weight gain after calorie restriction in mice Microbiome 15.5 Gut microbiota-derived propionate mediates the neuroprotective effect of osteocalcin in a mouse model of Parkinson’s disease Microbiome 15.5 Maternal efects drive intestinal development beginning in the embryonic period on the basis of maternal immune and microbial transfer in chickens
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文章题目：Periodontitis salivary microbiota exacerbates colitis-induced anxiety-like behavior via gut microbiota 期刊：npj Biofilms and Microbiomes 研究背景：肠脑轴是肠道和中枢神经系统之间的双向通讯系统。许多与宿主相关的因素都会影响肠道微生物群，包括口腔细菌，使大脑成为肠脑轴的脆弱目标。唾液中含有大量口腔细菌，牙周炎这种常见的口腔疾病会改变唾液微生物群的组成。然而，牙周炎唾液微生物群（PSM）对肠-脑轴的作用和机制仍不清楚。作者使用右旋糖酐硫酸钠盐（DSS）诱导的焦虑样行为的小鼠研究了这种关系的性质和机制。 研究方法：16S rRNA基因测序，非靶向代谢组测序 图4：技术路线 研究结论：作者对灌胃健康人唾液和牙周炎患者唾液的结肠炎模型小鼠粪便进行了16S rRNA基因测序，16S rRNA基因测序结果表明牙周炎患者唾液微生物群改变结肠炎小鼠肠道微生物群的组成。微生物功能潜能预测的结果显示差异细菌的主要功能途径主要与代谢相关，包括氨基酸代谢、碳水化合物代谢、辅因子和维生素代谢。这项研究结果表明，牙周炎患者唾液微生物可以通过直接影响宿主肠道微生物群来加剧结肠炎引起的焦虑行为。这项研究强调了口腔疾病在肠脑轴中的重要影响。 点击可查看详情
文章题目：Gut microbiota-bile acid crosstalk contributes to the rebound weight gain after calorie restriction in mice. 期刊：Nature Communications 研究背景：节食减肥是常见的减肥手段。然而，节食造成的体重减轻并不能维持很久，大多数个体在恢复正常进食之后就快速反弹了。这种复胖的机制目前还未明确。近年来，关于节食和体重反弹的研究报道越来越多，而胆汁酸在多种代谢性疾病中都发挥着重要的作用，因此，本研究对肠道微生物组—胆汁酸的相互作用及其在体重反弹过程中的作用机制做了解析。 研究方法：16S rRNA基因测序+宏基因组测序+代谢组检测 研究结论：本研究揭示了肠道菌群—胆汁酸在减轻节食减肥后体重反弹中的作用机制。研究证实，节食后有益的肠道细菌Parabacteroides distasonis、非12α-羟基胆汁酸比例以及能量消耗的减少介导了体重反弹增加。补充Parabacteroides distasonis、非12α-羟基胆汁酸UDCA能有效减轻体重的反弹，这也证明了Parabacteroides distasonis细菌具有作为益生菌的潜力，可以通过补充该益生菌减弱节食造成的不良影响并减轻体重的反弹。 图5：本研究图文摘要 点击可查看详情
文章题目：The gut microbial metabolite trimethylamine N-oxide aggravates GVHD by inducing M1 macrophage polarization in mice 期刊：Blood 研究背景：异基因造血干细胞移植是迄今为止侵袭性血液恶性肿瘤的主流治愈方法，是血液肿瘤治疗链中的关键手段，但移植物抗宿主病（GVHD）是导致异基因移植患者死亡的重要原因，也是让许多患者对移植望而却步的主要因素。肠道菌群紊乱与GVHD发展密切相关，尽管肠道菌群的代谢产物（比如短链脂肪酸和吲哚）已被证明可以减轻疾病的严重程度，但人体微生物组的多样性预示着肠道微生物代谢物对GVHD影响的差异性。本研究就以TMAO为切入点，解析了胆碱代谢物TMAO在小鼠GVHD过程中的作用。 研究方法：16S rRNA基因测序、代谢组检测 研究结论：本研究通过多组学整合关联研究的策略，发现高胆碱饮食和TMAO干预会加重GVHD；而利用DMB靶向抑制TMAO的产生，可以阻断高胆碱饮食引起的GVHD。因此，本研究提供了宿主胆碱饮食、肠道菌群代谢物与GVH反应之间的联系，为通过控制胆碱饮食减轻GVHD提供了依据。同时，这一干预方法可直接作用于肠道菌群代谢物导致宿主失衡的信号途径，因而能克服菌群移植的定殖抗性和潜在的病原菌致机体感染的风险，有望成为未来治疗GVHD和其他炎症性疾病的新靶点和重要手段。 图6 本研究图文摘要 参考文献 1.Ahlawat S, Asha, Sharma KK. Gut-organ axis: a microbial outreach and networking. Lett Appl Microbiol. 2021 Jun;72(6):636-668.
