国自然热点「肠道菌群」该如何研究？为你提供简单易上手的研究思路，还不赶紧收藏？

人体胃肠道有超过10万亿细菌，它们被称为“人类的第二大基因组”——肠道菌群。越来越多的研究证实，肠道内的不同菌群共同维持肠道内微生态平衡，与人体的消化、吸收、代谢、免疫调节、能量转化等多项功能密切相关，肠道菌群紊乱与肿瘤、腹泻、肥胖、心脑⾎血管、神经系统等多种疾病密切相关。

肠道菌群在人类健康和疾病中发挥着至关重要的作用，已经成为一系列代谢性疾病防控的新方向。

（1）通过拮抗作用，抑制并排斥过路菌群的入侵和群集，调整人体与微生物之间的平衡状态。

（2）免疫作用：刺激宿主产生免疫及清除功能。

（3）排毒作用：如双岐杆菌能使肠道过多的革兰氏阴性杆菌下降到正常水平，减少内毒素的吸收。

（4）抗肿瘤作用：降解、清除体内的致癌因子，激活体内的抗肿瘤细胞因子。

（5）抗衰老作用、营养作用等。

（6）促进营养吸收：有益菌可以把食物分解成有用的营养物质，促进肠道对营养的吸收，并抑制有害细菌的繁殖，防止有害菌制造出有害物质。

（7）缓解炎症性肠病：肠道菌群内的有益菌发酵时，会产生短链脂肪酸（如丁酸和丙酸），这些发酵产物可以调控肠道内特殊免疫细胞（调节性T细胞，Tregs）的表达，起到抑制肠道内炎症。

（图片来源于互联网）

肠道菌群研究前景广阔

近年来，随着分⼦生物学、基因组学、生物信息分析技术、高通量测序技术的高速发展，肠道菌群研究取得了突飞猛进的发展。“肠道菌群”已成为了一个热门研究方向，相关的研究成果更是频频登上各大顶级期刊【“CNS”级别文章频发】，同时也是国家自然科学基金资助的重点方向之一。

其适用的研究领域也是迅速扩展，从经典的中医、中药领域，到代谢性疾病、神经系统疾病、心脑血管疾病和免疫相关疾病，再到近年新的热点——“肠道菌群与肿瘤”，发展势头强劲。【几乎各临床子学科均可与肠道菌群关联研究】

肠道菌群近年的趋势还是在稳步上升中，因为这类研究最大的优势在于样本相对容易获取，因此研究的门槛稍微低一些。该方向的另一大优点是可以通过高通量测序很快上手，实现“短、平、快”的发表文章，积攒研究基础。

2013-2015年批准的国自然项目中，与肠道菌群有关的项目数稳定在25个左右，2016年后呈现直线暴涨的趋势。近几年来，国自然项目中肠道菌群的中标项目数一直保持稳定，连续3年最终中标的项目数都保持在200个以上，值得诸位研究人员长期关注。

（来源：梅斯医学国家自然科学基金分析 —— medsci.cn）

然而作为一门热门的研究方向，究竟该如何设计与肠道菌群的相关研究？

该如何研究肠道菌群？

一、热门研究方向

目前，对于肠道菌群的研究主要集中在以下几个方面：（1）通过临床队列发现与某一种疾病关联的肠道菌群；（2）肠道菌群与肿瘤免疫治疗的相互作用（肠道菌群与人体免疫系统的平衡，肠道菌群与肿瘤微环境）；（3）菌群-肠道-脑轴调控；（4）肠道菌群与人体代谢的相互影响以及粪菌移植。

（1）肿瘤免疫治疗

近来，许多研究表明一些肠道菌群的存在与免疫检查点抑制剂治疗（ICB）疗效的提高有关。2020年Kathy D. McCoy团队发现假长双歧杆菌可通过代谢物肌苷来增强免疫应答。

（DOI:10.1126/science.abc3421）

（2）菌群-肠-脑轴

美国哥伦比亚大学神经学家迈克·格尔松教授最早提出“肠脑轴”的概念。脑-肠-微生物轴由许多信号分子、胃肠道上皮细胞、迷走神经和血脑屏障等结构组成，它们之间相互作用的改变在许多疾病的发生发展中扮演着重要的角色。在脑-肠-微生物轴之间的双向交流中，肠道微生物通过迷走神经、神经内分泌、大脑发育、代谢产物以及肠神经系统在脑-肠-微生物轴发挥作用。

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（3）粪菌移植

粪菌移植（FMT）可能是菌群研究转化应用进展最快的临床干预方法。多种疾病从FMT治疗中获益，包括艰难梭菌感染、炎症性肠病、糖尿病、癌症、肝硬化和肠脑相关疾病等（尤其是在治疗复发性艰难梭菌感染（CDI）上）。

在国家自然科学基金中，我们可以看到，医学科学部菌群相关学科立项数目最多的依然为中医学，其次为中药学、消化系统、病原微生物与感染、预防医学。在中医药学科中，主要涉及基于中医理论中药药效基础研究（复方、单味药、提取物等），此外，从肠道菌群及其相关代谢物（胆汁酸、短链脂肪酸、TMAO、色氨酸等）角度研究结直肠癌、抑郁症、认知障碍、糖尿病、动脉粥样硬化等疾病机制及药物干预机制。

（来源：梅斯医学国家自然科学基金分析 —— medsci.cn）

二、研究手段

（1）样本的收集和储存

研究肠道菌群可通过粪便、直肠拭子、肠黏膜、肠灌洗液等方式获取样本。

在做肠道菌群研究时，需考虑菌群样本的来源包括宿主种属(人或动物)、样本类型(粪便或肠黏膜)、取材部位(小肠或结直肠)等。保持样本来源的均一性，有助于降低样本间的干扰因素，提高可比性。

获取的样本需在短时间内转运和储存，但转运时间过长易导致粪便菌群发生改变。建议收集新鲜的粪便在-80℃快速冷冻作为最佳的储存条件。如果在条件允许的情况下，可以考虑使用试剂盒对粪便样本进行储存。

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（2）样本检测

• 传统方法采用特定的培养皿来培养微生物群落，但只限于少部分可培养的菌种(20-50%)且分辨率较差。虽然细菌培养方法已有很多进步，但还是难以明确粪便中的哪些菌群可被培养，因为任何培养条件均无法满足细菌种类繁多的菌群样本的培养要求。另外，由于样本易被污染，细菌培养结果容易产生偏差。

• 基于16SrRNA表征的非培养技术，可帮助我们获得微生物的信息，包括不可培养的菌种。几乎所有的细菌均有16SrRNA，它是一个高度保守的基因，常以多基因家族或操纵子的形式存在。但该方法受样品收集和处理存在差异，难以建立通用的扩增引物，分析方法不够全面等因素的限制，无法准确地反映样品中菌群的结构。

• 宏基因组鸟枪法测序技术，可为我们提供微生物群落功能及代谢的信息。

（DOI:10.2337/db13-0844）

在肠道微生物研究领域，微生物多样性、宏基因组是基础研究手段，它可以清楚地展现微生物的组成、丰度及相关功能信息。

然而，单一的组学往往无法全面的解决生物学问题，多组学联合分析就显得尤为重要。近年来，随着微生物组学研究的不断发展和持续火热，越来越多的研究者开始将微生物组学和代谢组学联合起来，对肠道菌群研究的多个方向进行深层次研究，比如病理机制研究、生物标志物研究、药理药效研究、营养、运动与健康等。

三、必不可少的研究工具—无菌鼠

由于小鼠与人的肠道微生物组成存在明显不同，如何将小鼠模型的实验结果推论至人体，仍然是当前肠道菌群与人相关疾病影响关系研究领域需要谨慎考虑的问题。

无菌鼠是指无细菌、病毒、真 菌、原生动物和其他腐生或寄生相关生命形式的鼠（大鼠或小鼠）。由于其自身的特殊性，因此，可用于制造人源化小鼠或被移植特定肠道菌群，在进行特定肠道菌群特性研究、肠道菌群作用机制研究，以及功能性食品、药品开发方面具有独到优势，而普通实验动物不具有这种优势。