Nature/Nat Metab姊妹篇：穿越人类肠道的多组学之旅

• 一种基于PH值变化的非侵入取样设备可摄取胃肠道不同区域的管腔成分。
• 肠道中的细菌、噬菌体、宿主蛋白和代谢产物与粪便中存在显著差异。
• 宿主蛋白质组和胆汁酸谱会随肠道位置的改变发生变化。
• 微生物结合胆汁酸浓度表现出氨基酸依赖性趋势，而这在粪便中并不明显。

研究背景

上消化道微生物学和生理学的变化在历史上一直未被充分重视。绝大多数人类微生物组研究都集中在分析粪便样本上，其代表着消化旅程的最后一站。粪便样本容易获得，而从其他区域取样通常需要外科手术。因此，目前对人类胃肠道微生物组和代谢组组成的变化知之甚少。

研究人员使用了一种新的采样方法来捕捉消化过程中不同位置的管腔成分，取样胶囊可以通过其单向阀的作用收集少量管腔内容物，单向阀只有在胶囊涂层溶解时才会打开（取决于pH值）。尽管它可能因个体而异，但人类肠道的pH在十二指肠较低，向回肠增加，然后在过渡到结肠时再次下降。利用这种pH值的转变，研究人员让15名健康志愿者每人摄入四个单独的胶囊，分别对小肠中的三个位置和升结肠中的一个位置进行采样。然后对这四种装置中包含的管腔内容物以及粪便样本进行多组学的广泛分析，最终在整个胃肠道中检测到了数千种生物分子（其中许多仍然未知）。

取样方法

在整个肠道旅程中，研究人员发现微生物群落沿途有空间上的差异。当穿过肠道的时候，会遇到Bilophila wadsworth 菌，一种在人类消化系统中起重要作用的耐胆汁细菌，以及其他变形杆菌，它们在这里比在粪便中更为丰富。肠道16S rRNA 扩增子测序发现23% 的细菌未在粪便中发现。这揭示了一个之前缺失的微生物群，因为在人类粪便微生物群的研究中，并没有考虑到生活在上消化道的细菌。这种胶囊可能能够捕获这些缺失的微生物活体，因为研究人员能够在收集后从设备中培养出不同的细菌分离物。相比之下，从胶囊内容物的宏基因组测序中鉴定出的噬菌体在上消化道和粪便之间有更多的重叠。然而，仅对原噬菌体的分析表明，与粪便相比，肠道中有更多的原噬菌体诱导。

前噬菌体诱导在肠道中比在粪便中更常见

通过胃肠道的分子之旅则更为复杂，因为它包括数千种蛋白质（蛋白质组）和代谢产物（代谢组），这些蛋白质的来源可以是人类，也可以是微生物。通过结合不同的组学方法，研究人员描述了从肠道近端到远端的蛋白质组和代谢组的变化，这在个体之间具有很大的可变性。当通过上消化道时，可以观察到高浓度的肽，当进入结肠时，会遇到更丰富的短链脂肪酸、次级胆汁酸和磷脂。在遇到的最丰富的分子中，有54%在上消化道中比在下消化道中更丰富。这些代谢物的相对比例因参与者而有所不同，这是由于饮食差异导致的。

近端和远端上肠代谢物水平的比较揭示了多种化合物的显著差异

研究人员将大部分分析都集中在胆汁酸上，胆汁酸是一种由肝脏产生的高度丰富的类固醇“清洁剂”，有助于消化脂肪。初级胆汁酸来源于宿主，包括和氨基酸甘氨酸或牛磺酸结合的胆汁酸。这些分子从近端到远端肠道减少，可能是由于微生物酶——胆盐水解酶（水解氨基酸）的作用。微生物产生的次级胆汁酸在粪便中含量最高。沿途观察到的大多数胆汁酸转变都是符合预期的，因为初级和次级胆汁酸的生理学已被很好地阐明了。然而，令人惊讶的是，研究人员发现微生物结合胆汁酸（MCBA）在肠道中的含量比在粪便中的含量更高，而且每种物质的含量在胃肠道中都会随着结合的氨基酸而变化。MCBA是新发现的胆汁酸，通过肠道细菌与不同的氨基酸独特结合，人们对它们知之甚少。研究人员发现，与半胱氨酸、丝氨酸和丙氨酸缀合的MCBA与肝脏缀合物相关，而其他氨基酸则与去缀合分子相关。这些独特的微生物分子是如何影响宿主和胃肠道上的其他微生物的，目前还不清楚，但无论它们发挥何种作用，其所处的位置都很重要。

与粪便相比，设备沿肠道捕获不同的胆汁酸谱

该研究团队开发的无创采样方法极大地提高了我们对许多人类志愿者不同肠道区域内容物进行采样的能力，尽管个体之间的饮食差异会对结果产生重大影响。这为未来对胃肠道疾病患者的研究奠定了平台。例如，炎症性肠病的研究是一个令人兴奋的潜在应用，因为该疾病的亚型是特定位置的。未来对这些取样胶囊的研究可能会针对不同的胃肠道位置产生更好的治疗方法。