【热点追踪】肠道菌群与疾病研究趋势及研究思路

肠道菌群作为近年来的科研热点,已经被证明与多种疾病相关,并且相关研究常登上CNS正刊,仅8月份就有超过10项相关研究发表在CNS正刊上,说明肠道菌群仍然是未来科研中的一大热点。但随着研究的深入,肠道菌群与疾病的研究要求也越来越高,如果说2年前还能依据不同样本进行高通量测序鉴定菌群差异来发一个不错的文章的话,现在可能只能作为一个简单的相关性检测手段了,并且现在要将疾病与肠道菌群关联可能成本越来越高了。那么,“后肠道菌群时代”该如何进行肠道菌群与疾病相关研究呢?别着急,自然有大牛走在科学的最前沿。8月26日,来自日本理研综合医学科学中心的Hiroshi Ohno团队在Nature发表题为“Gut microorganisms act together to exacerbate inflammation in spinal cords”的研究论文,文章发现,肠道共生菌群可以协同作用恶化自身免疫性脑脊髓炎(EAE),该文章不仅再一次在“肠-脑轴”研究领域取得新突破,还为我们后续研究肠道菌群与疾病提供很大的指导。 

图片来源:Nature
 原文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-2634-9
 
研究背景
大量研究表明,肠道菌群参与自身免疫性疾病(如多发性硬化)的病理过程,小鼠实验也暗示肠道菌群参与EAE(多发性硬化的小鼠模型)的发生,但肠道菌群如何调节肠外组织(如脊髓)的炎症尚不清楚。
 
1.调节肠道菌群抑制EAE发展
为了证明肠道菌群与EAE发展的相关性,作者使用复合抗生素清除肠道菌群后用MOG诱导EAE,发现清除肠道菌群可缓解EAE评分之后使用单一抗生素处理,发现青霉素(Amp)处理可有效缓解EAE发展检测免疫细胞变化后,发现主要差异集中于Amp减少了攻击髓鞘的CD4+T细胞(MOG特异性T细胞)。

图片来源:Nature
 
2. 定植丹毒丝菌科细菌可恶化EAE
作者进一步研究Amp处理引起的细菌结构变化,发现Amp几乎完全消除一株丹毒丝菌科细菌(OTU0002),对无菌小鼠定植OTU0002(丰度最高的乳杆菌作为对照),发现OTU0002可明显恶化EAE评分,增加Th17细胞产生,其潜在的机制为OTU0002增加血清淀粉样蛋白(SAA)和IL-23产生,从而刺激Th17细胞分泌IL-17。 

图片来源:Nature
 
3.罗伊氏乳杆菌与OTU0002协同促进EAE发展
作者进一步发现单独定植OTU0002引起的症状与普通小鼠相比较轻,暗示其他细菌也参与EAE的发展;之后作者从小鼠中鉴定出罗伊氏乳杆菌编码的多肽UvrA,在体外可刺激促炎细胞因子分泌,但是体内引起的EAE症状仍然很轻微,于是作者将罗伊氏乳杆菌与OTU0002共同定植在小鼠肠道,在无菌小鼠或普通小鼠中都能加剧EAE发展,说明EAE的发展需要肠道细菌的协同作用。 

图片来源:Nature
 
实验思路 

 
总结:
本文主要研究肠道菌群与EAE发展的关系,全文可分为三部分:①肠道菌群与疾病的相关性:菌群可调控EAE的发展;②肠道菌群与疾病的因果性(及机制):鉴定出差异细菌,定植后可加剧EAE,潜在机制为通过促进SAA和IL-23释放,增加IL-17产生;③协同作用(创新点):鉴定出肠道中的另外一株细菌,二者可协同发挥作用加剧EAE。
 
研究趋势
传统文章在进行肠道菌群与疾病研究时,一般采用的也是相关性、因果关系、机制探究三步走的方法,不同的是:①传统的相关性主要对不同来源的样品进行测序分析,分析菌群结构、丰度、种属等的变化;②在进行因果性研究时,多采用粪便移植的手段,从宏观的角度研究肠道菌群与疾病的关系;③而机制探究则是依据多组学手段(宏基因组、转录组及代谢组等)鉴定差异代谢物和靶标,进一步进行干预验证。
 
而从本文我们可以发现,作者在进行肠道菌群与疾病相关性时,直接用抗生素清除菌群,之后分析菌群差异,但不同的是,作者并未进行粪便移植,而是鉴定差异菌株,从而单独定植该菌株,验证其因果关系,并进行机制研究,之后创新性地鉴定出肠道菌群之间的协同作用。总的来说,该文章提示我们,肠道菌群与疾病的研究已经开始从传统的多组学层面的宏观研究转为特定菌株层面的精细化研究。不仅是这一篇文章,近期的CNS正刊,已经揭示出这种趋势:
(1)今年6月份cell上线的“The Intermucosal Connection between the Mouth
and Gut in Commensal Pathobiont-Driven Colitis”,研究牙周炎与结肠炎。首先通过构建不同模型检测肠道菌群变化(相关性);其次鉴定出克雷伯氏菌属,定植后恶化结肠炎(因果性);最后证明该菌属激活炎性体。 

图片来源:Cell
原文链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867420306814
(2)2019年11月Nature发表的“Bacteriophage targeting of gut bacterium
attenuates alcoholic liver disease”,研究肠道菌群与酒精性脂肪肝。首先通过分析不同来源样本的菌群差异(相关性);其次鉴定出粪肠球菌属,定植后引起酒精性脂肪肝;最后筛选噬菌体治疗。

图片来源:Nature
原文链接:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1742-x
(3)2018年Science发表的“Translocation of a gut pathobiont drives autoimmunity in mice and humans”,研究肠道菌群与自身免疫疾病。首先通过抗生素处理鉴定出细菌迁移;其次定植该菌引起自身免疫疾病;之后揭示该菌与芳烃受体互作;最后开发靶向疫苗治疗。

图片来源:Science
原文链接:
www.sciencemag.org/content/359/6380/1156/suppl/DC1
 
研究思路
因此,肠道菌群与疾病未来的研究可大致分为以下几个方面:
(1)相关性研究
①通过不同样本鉴定差异细菌,该方法适用于容易获得较好的临床样本;
②抗生素处理检测疾病发展与菌群差异,值得注意的是,该方法可先通过复合抗生素处理检测有无表型差异,之后通过具体抗生素处理检测差异后确定细菌类型;
③直接使用无菌小鼠检测疾病发生情况。
(2)因果性研究
小鼠定植单菌验证因果性:该方法一般采用无菌小鼠或抗生素处理(清除菌群)小鼠定植菌群后,检测疾病原发情况及致病因素诱导后的易感性。
(3)机制研究
基于细菌的不同类型,其机制研究有所不同,但一般的思路可根据前期文献报道,选定潜在通路进行研究,如果前期研究较少,可通过流式检测免疫细胞变化,之后结合RNA测序等手段确定具体信号通路。
(4)干预治疗或创新点发现
针对前期发现的病原菌开发干预治疗手段,常见的有噬菌体、靶向疫苗、特定抗生素处理等。另外可研究肠道细菌之间的互作、细菌迁移或免疫细胞迁移等途径,或结合最新热点,增加文章的创新性。
前三步的研究较为常规,抓住“后肠道菌群时代”转向精细化研究即可,而一篇文章最终能在什么层次,第四步很关键,有足够的创新点或重大意义,发CNS也并非不可能。当然,一篇文章的最终发表在什么刊物,与许多因素相关,发表在什么杂志也并不能完全体现其价值,只要所做的研究是有价值的即可。
以上就是小编给大家介绍的肠道菌群与疾病研究思路,仅供大家参考,希望对大家有所帮助,若有不合理及不正确的地方,也欢迎批评指正和交流。
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