2024-03-19
引言
隨(sui)著多組(zu)學技術的(de)(de)迅猛(meng)發(fa)展，微(wei)生物-腦器官軸在當前前沿的(de)(de)生命科學研究領域(yu)已(yi)成為一個(ge)引人入(ru)勝(sheng)且充(chong)滿無限(xian)可能的(de)(de)研究熱點。在2024年度國家自然科學基(ji)金申請(qing)之際，小派帶您(nin)以獨特的(de)(de)視角(jiao)和嚴謹的(de)(de)科學態度，傾(qing)力揭(jie)示這一神秘而(er)復雜(za)的(de)(de)生物學現象(xiang)！
本文通過對五篇精(jing)心設(she)計并執行的(de)多組(zu)學研究(jiu)案例的(de)剖析，探究(jiu)多組(zu)學在微(wei)(wei)生(sheng)物-腦器(qi)官軸(zhou)中的(de)應用場(chang)景，不僅豐富了微(wei)(wei)生(sheng)物-腦器(qi)官軸(zhou)理論體系，更有可(ke)能(neng)為(wei)神(shen)(shen)經(jing)退(tui)行性疾病、精(jing)神(shen)(shen)類疾病以及(ji)諸多與(yu)微(wei)(wei)生(sheng)物失(shi)調相(xiang)關的(de)疾病的(de)預防和治療提供(gong)嶄新的(de)思路與(yu)策略，從而推動(dong)我國(guo)乃至全球生(sheng)命科學事業的(de)進步(bu)與(yu)發展。
案例(li)一(yi)、腸道神(shen)經系統+腸-腦軸
文章題目(mu)：Strategy for an Association Study of the Intestinal Microbiome and Brain Metabolome Across the Lifespan of Rats 期刊：Analytical Chemistry 研究背景 腸(chang)(chang)道神(shen)經系統可以(yi)通(tong)過迷走(zou)神(shen)經與大(da)腦(nao)進行交流，通(tong)常也被稱為人體(ti)的(de)第二(er)大(da)腦(nao)。雖然很長(chang)一(yi)段時間以(yi)來，我們一(yi)直認為信(xin)號傳遞主要是(shi)從(cong)大(da)腦(nao)到腸(chang)(chang)道，現在(zai)我們已經開始意識(shi)到信(xin)號也可以(yi)從(cong)腸(chang)(chang)道傳遞到大(da)腦(nao)。腸(chang)(chang)—腦(nao)軸參與多(duo)種生(sheng)理過程(cheng)，包括飽腹感(gan)、食物攝入、葡萄糖(tang)和(he)脂肪(fang)代(dai)謝的(de)調節。微(wei)生(sheng)物組(zu)—腸(chang)(chang)—腦(nao)軸在(zai)腸(chang)(chang)和(he)腦(nao)之間整(zheng)合了神(shen)經，激(ji)素和(he)免疫信(xin)號，并且對哺乳動物的(de)生(sheng)長(chang)和(he)健康有著深遠的(de)影(ying)響。目前，微(wei)生(sheng)物組(zu)—腸(chang)(chang)—腦(nao)軸對生(sheng)長(chang)和(he)健康的(de)影(ying)響很大(da)程(cheng)度上仍不清楚。 組學(xue)手段 微生物組(zu)、代謝組(zu) 技術(shu)路線 結(jie)果展示 研究結論(lun) 本(ben)研究的(de)發現為腦(nao)(nao)代謝組和腸道微生物組之間的(de)相互作用提供(gong)(gong)了新的(de)見解，為連接(jie)腸道和大腦(nao)(nao)提供(gong)(gong)了新的(de)潛在途(tu)徑，并且擴展(zhan)了對微生物-腸-腦(nao)(nao)軸的(de)理解。 1.將多種單變(bian)量及(ji)多變(bian)量統(tong)計學方法(fa)及(ji)相關(guan)(guan)性(xing)分析共同應用于關(guan)(guan)鍵關(guan)(guan)聯(lian)信息(xi)的篩選，并高度關(guan)(guan)注對結果有(you)積(ji)極貢獻的關(guan)(guan)聯(lian)信息(xi)； 2.利用(yong)多層次和多種方法結合的(de)(de)策(ce)略降低了數(shu)據的(de)(de)復(fu)雜程度，高度保(bao)證了結果的(de)(de)顯著性及(ji)一致性。
案例二、牙周炎+腸-腦(nao)軸
文章(zhang)題目：Periodontitis salivary microbiota exacerbates colitis-induced anxiety-like behavior via gut microbiota 期刊：npj biofilms and microbiomes 研究背景 腸(chang)-腦軸是腸(chang)道(dao)(dao)與(yu)宿主腦活動之間的雙向影(ying)響(xiang)通(tong)道(dao)(dao)。許多宿主相關因素(su)如口(kou)腔(qiang)細菌(jun)會影(ying)響(xiang)腸(chang)道(dao)(dao)功能及菌(jun)群(qun)(qun)。唾(tuo)(tuo)液中(zhong)含有大量口(kou)腔(qiang)細菌(jun)，牙(ya)周炎唾(tuo)(tuo)液菌(jun)群(qun)(qun)可(ke)以改變腸(chang)道(dao)(dao)菌(jun)群(qun)(qun)。然而，牙(ya)周炎唾(tuo)(tuo)液菌(jun)群(qun)(qun)對腸(chang)-腦軸的影(ying)響(xiang)和機制仍不(bu)清楚。 組(zu)學手段 微(wei)生物組(zu)、代謝(xie)組(zu) 技術路線(xian) 結果展示 研究結論 研究(jiu)將健(jian)康人唾液菌(jun)群(qun)(qun)及(ji)牙(ya)(ya)周(zhou)炎(yan)患者唾液菌(jun)群(qun)(qun)灌胃至DSS誘導的(de)(de)小鼠，發(fa)現牙(ya)(ya)周(zhou)炎(yan)唾液菌(jun)群(qun)(qun)可(ke)以(yi)加劇(ju)小鼠的(de)(de)焦慮樣行為(wei)(wei)。抗生素處理及(ji)糞菌(jun)移植實(shi)驗(yan)(yan)驗(yan)(yan)證了腸道菌(jun)群(qun)(qun)是牙(ya)(ya)周(zhou)炎(yan)唾液菌(jun)群(qun)(qun)促進(jin)焦慮樣行為(wei)(wei)的(de)(de)關鍵(jian)因素。最后(hou)，通過(guo)代謝(xie)組學分析(xi)篩選(xuan)出(chu)關鍵(jian)代謝(xie)物(wu)，并驗(yan)(yan)證其(qi)在牙(ya)(ya)周(zhou)炎(yan)影響大腦(nao)活動中的(de)(de)關鍵(jian)作(zuo)用。該研究(jiu)發(fa)現牙(ya)(ya)周(zhou)炎(yan)唾液菌(jun)群(qun)(qun)可(ke)以(yi)通過(guo)腸道菌(jun)群(qun)(qun)及(ji)其(qi)代謝(xie)物(wu)加劇(ju)結腸炎(yan)小鼠焦慮樣行為(wei)(wei)，表明牙(ya)(ya)周(zhou)疾病(bing)可(ke)通過(guo)腸-腦(nao)軸影響腦(nao)活動，提示防治牙(ya)(ya)周(zhou)疾病(bing)的(de)(de)重要性。
案例三、糖尿(niao)病相關認知功能下降（DACD）+腸-腦(nao)軸(zhou)
文章題目：ZiBuPiYin Recipe Prevented and Treated Cognitive Decline in ZDF Rats With Diabetes-Associated Cognitive Decline via Microbiota-Gut-Brain Axis Dialogue 期刊：Frontiers in Cell and Developmental Biology 研究背景 糖尿病(bing)相關認知(zhi)功能(neng)下降（DACD）是2型(xing)糖尿病(bing)糖尿病(bing)（T2DM）的中樞神經系統(tong)并發癥之一(yi)。滋(zi)補(bu)脾陰方(fang)藥（ZBPYR）是一(yi)種傳統(tong)的中藥配(pei)方(fang)，長期(qi)以(yi)來用于(yu)(yu)治療T2DM和預(yu)防DACD。本研究(jiu)通(tong)過整合微(wei)生物組(zu)學(xue)(xue)和靶(ba)向代謝組(zu)學(xue)(xue)技(ji)術，表(biao)明ZBPYR對DACD的預(yu)防和治療部分依賴于(yu)(yu)腸道(dao)微(wei)生物的作(zuo)(zuo)用，細菌來源的代謝物和微(wei)生物群-腸道(dao)-腦軸(zhou)的調節作(zuo)(zuo)用是ZBPYR的重要(yao)保護機制(zhi)，為(wei)DACD的臨床(chuang)評估(gu)和診斷提供理論依據。 組學手段 微生物組(zu)、靶向代(dai)謝組(zu) 技術(shu)路線 結果展示 研究結論 1.患有 DACD 的(de)(de) T2DM ZDF 大(da)鼠發病(bing)過程(cheng)中的(de)(de)記憶缺陷，與腸道微(wei)生物(wu)群的(de)(de)功(gong)能障礙和海馬體中微(wei)生物(wu)群代謝(xie)物(wu)的(de)(de)改變(bian)相(xiang)關(guan)。ZBPYR調(diao)節DACD相(xiang)關(guan)的(de)(de)腸道菌(jun)群失調(diao)，并(bing)逆轉大(da)腦(nao)中Aβ沉積和胰島素抵(di)抗。這些特征可能與一系列受腸道菌(jun)群影(ying)響(xiang)的(de)(de)代謝(xie)變(bian)化(hua)有關(guan)。 2.本研究首次表(biao)明腸道(dao)菌群及(ji)(ji)其代謝活性，以及(ji)(ji)中藥（如ZBPYR）的療效可能與DACD的進展有關。微生物-腸-腦(nao)軸為探索DACD相關的病(bing)理變化(hua)提(ti)供(gong)新(xin)的視角，并有助于更好地理解基于中藥治(zhi)療方案對預防(fang)DACD發展的作用機(ji)制。
案(an)例四、帕金森(sen)病（PD）+腸-腦軸 文章題目：Gut microbiota-derived propionate mediates the neuroprotective effect of osteocalcin in a mouse model of Parkinson's disease
期刊：Microbiome 研(yan)究背景 帕金森病(bing)（PD）是一(yi)種(zhong)神經(jing)退行性疾病(bing)，不能(neng)完(wan)全治(zhi)愈(yu)。近(jin)年的(de)研究顯示(shi)PD患者與(yu)健康人的(de)腸道(dao)微(wei)生物(wu)群落具有差異。腸道(dao)微(wei)生物(wu)的(de)主要(yao)代謝(xie)產(chan)物(wu)是短鏈(lian)脂肪酸(suan)（SCFAs），能(neng)將(jiang)腸道(dao)菌群的(de)信號傳遞給宿(su)主，且對調節腦功能(neng)和血液組織屏(ping)障的(de)完(wan)整性有積極的(de)作用，但(dan)同(tong)時也是PD模型中，加速神經(jing)炎癥和α-觸核蛋白病(bing)的(de)主要(yao)調節因(yin)子。因(yin)此，深入(ru)研究腸道(dao)微(wei)生物(wu)，對治(zhi)療(liao)或(huo)改善PD具有重要(yao)意(yi)義(yi)。 骨鈣蛋白(bai)（OCN）是一種成(cheng)骨細胞(bao)分泌蛋白(bai)，它對腦功(gong)能有調節作(zuo)用(yong)，可(ke)穿(chuan)透(tou)血腦屏障，與(yu)海(hai)馬CA3區神(shen)(shen)經元直接(jie)結合，恢(hui)復小鼠(shu)認知功(gong)能。已有研究(jiu)表明(ming)，OCN可(ke)能會影響菌群組成(cheng)，因此，本研究(jiu)假設OCN可(ke)以通過調節PD小鼠(shu)的腸道微生物組來預防運(yun)動損傷(shang)和多(duo)巴胺能神(shen)(shen)經元丟失，并針(zhen)對OCN、腸道菌群對PD的治(zhi)療作(zuo)用(yong)與(yu)機理(li)進行了(le)研究(jiu)。 組學手段 微生物組、靶向代謝組 技(ji)術(shu)路線(xian) 結果展示(shi) 研究結(jie)論 1.OCN可顯著改善PD小鼠運(yun)動功能(neng)障礙(ai)和多巴胺能(neng)神(shen)經元(yuan)丟(diu)失； 2.OCN處理可恢復PD小(xiao)鼠(shu)的腸(chang)道(dao)菌群失調，使擬桿菌門豐(feng)度增加(jia)，厚壁菌門豐(feng)度減少，并增加(jia)丙(bing)酸(suan)(suan)鹽產生菌及糞(fen)便丙(bing)酸(suan)(suan)鹽水(shui)平； 3.抗(kang)生素處(chu)理實驗與糞菌移植實驗表明腸道菌群介導了OCN的神(shen)經保護作用； 4.口服丙酸鹽2個月可通過腸神(shen)經元(yuan)依(yi)賴性的方式，恢(hui)復PD小(xiao)鼠的運動功能及多巴胺能神(shen)經元(yuan)； 5.FFAR3（丙酸(suan)鹽(yan)受體）激(ji)動劑(ji)有(you)類似(si)的神經保護作用。
案(an)例五、孤獨癥譜系障礙（ASD）+口腔-腸(chang)-腦軸
文章題目：Oral Microbiota Changes Contribute to Autism Spectrum Disorder in Mice 期(qi)刊：Journal of Dental Research 研究背景 腸道細(xi)菌與(yu)(yu)孤獨(du)癥(zheng)(zheng)譜系(xi)障礙（ASD）之(zhi)(zhi)間的關(guan)聯(lian)已越來越多地被發(fa)現和報導。口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)作為微(wei)生物寄居人體的另一大(da)器官，口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)內的菌群與(yu)(yu)ASD之(zhi)(zhi)間的關(guan)聯(lian)正在引起科學家(jia)們的重視(shi)。ASD兒(er)(er)童(tong)與(yu)(yu)健康對照(zhao)（TD）兒(er)(er)童(tong)的口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)菌群組成結構具(ju)有(you)較大(da)區別，向(xiang)小鼠口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)移植ASD兒(er)(er)童(tong)的口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)菌群會使小鼠出現ASD癥(zheng)(zheng)狀(zhuang)，并分(fen)析出口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)菌群引發(fa)ASD癥(zheng)(zheng)狀(zhuang)的可能途徑，表明ASD兒(er)(er)童(tong)的口(kou)(kou)腔(qiang)(qiang)菌群與(yu)(yu)ASD癥(zheng)(zheng)狀(zhuang)之(zhi)(zhi)間可能具(ju)有(you)密不可分(fen)的聯(lian)系(xi)。 組學手段(duan) 微生(sheng)物組、轉錄(lu)組 技術路線 結果展示 研究結(jie)論 異常的(de)口腔菌群(qun)通過影(ying)響神(shen)經(jing)、免(mian)疫和腸道的(de)功(gong)能進(jin)而引發ASD癥(zheng)狀(zhuang)： 1.影響神經(jing)遞質發揮(hui)功能，如影響酪氨酸代謝、5-羥色胺信號(hao)傳導、短鏈(lian)脂肪酸降解等； 2.提升機體(ti)免(mian)疫(yi)應答，增強炎(yan)癥反應，進而影響免(mian)疫(yi)系統與神經(jing)系統之(zhi)間(jian)的相(xiang)互作用； 3.引發腸(chang)道功能紊亂，如影(ying)響腸(chang)道菌群及腸(chang)道中(zhong)免疫球蛋(dan)白的(de)水平(ping)等。
原文索引(yin)： 1.Chen T, You Y, Xie G, et al. Strategy for an Association Study of the Intestinal Microbiome and Brain Metabolome Across the Lifespan of Rats.[J]. Analytical Chemistry, 2018. //pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.7b02859 2.Qian J, Lu J, Cheng S, Zou X, Tao Q, Wang M, Wang N, Zheng L, Liao W, Li Y, Yan F. Periodontitis salivary microbiota exacerbates colitis-induced anxiety-like behavior via gut microbiota. NPJ Biofilms Microbiomes. 2023 Dec 7;9(1):93. doi: 10.1038/s41522-023-00462-9. PMID: 38062089; PMCID: PMC10703887. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC10703887/ 3.Bi T, Feng R, Zhan L, et al. ZiBuPiYin recipe prevented and treated cognitive decline in ZDF rats with diabetes-associated cognitive decline via microbiota–gut–brain Axis dialogue[J]. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 2021, 9: 651517. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8416319/ 4.Hou YF, Shan C, Zhuang SY, et al. Gut microbiota-derived propionate mediates the neuroprotective effect of osteocalcin in a mouse model of Parkinson's disease. Microbiome. 2021 Jan 31;9(1):34. doi: 10.1186/s40168-020-00988-6. PMID: 33517890; PMCID: PMC7849090. //www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7849090/ 5.Qiao Y, Shi H, Li Y, et al. Oral Microbiota Changes Contribute to Autism Spectrum Disorder in Mice. Journal of Dental Research, February 2022.doi: 10.1177/00220345211070470 //journals.sagepub.com/doi/10.1177/00220345211070470?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori:rid:crossref.org&rfr_dat=cr_pub%20%200pubmed
喜迎開學季，醫口多組學聯合分析免費(fei)送 派森諾(nuo)生(sheng)(sheng)物作為(wei)國內早(zao)期(qi)涉足(zu)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物多(duo)樣性測序的(de)(de)高通量測序公司，在微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物-器(qi)官(guan)軸領(ling)域積累(lei)了豐富的(de)(de)項(xiang)目經驗。通過(guo)整(zheng)合(he)宏基因組(zu)(zu)學(xue)、微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物多(duo)樣性組(zu)(zu)成(cheng)譜測序、代謝組(zu)(zu)學(xue)、轉錄(lu)組(zu)(zu)學(xue)等(deng)多(duo)組(zu)(zu)學(xue)方法(fa)，我們(men)建立(li)了全(quan)面的(de)(de)實驗平(ping)臺(tai)和(he)(he)數據分(fen)析(xi)體(ti)系(xi)，提供(gong)從樣本(ben)準備到文(wen)章發(fa)表的(de)(de)全(quan)方位服務。我們(men)的(de)(de)多(duo)組(zu)(zu)學(xue)聯(lian)合(he)分(fen)析(xi)手段(duan)，如關聯(lian)熱圖(tu)(tu)、網絡圖(tu)(tu)分(fen)析(xi)、Mantel檢(jian)驗和(he)(he)Procrustes分(fen)析(xi)等(deng)，能夠(gou)深入挖掘(jue)微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物與器(qi)官(guan)軸之(zhi)間的(de)(de)功能機(ji)制(zhi)，為(wei)研(yan)究微(wei)(wei)(wei)生(sheng)(sheng)物-器(qi)官(guan)軸研(yan)究提供(gong)堅(jian)實的(de)(de)支持。
