科研 | 基于尿和粪的代谢组学研究柴胡疏肝散对抗生素诱导肠道菌群失调的保护作用研究
一、导读
肠道微生物群，即胃肠道内微生物的种群，现在被认为可能决定宿主健康以及干预宿主代谢能力。肠道菌群受饮食、年龄、抗生素的使用和其他环境因素影响。肠道菌群失调影响宿主代谢，进而导致许多人类疾病的（如肥胖、2型糖尿病和心血管）发生。
来自中国医学科学院中国协和医科大学药用植物研究所的科学家，结合16S rRNA基因测序和UPLC-Q-TOF/MS代谢组学分析方法，对柴胡舒肝散治疗抗生素引起的肠道菌群失调进行了研究。结果显示，柴胡舒肝散对抗生素诱导的肠道菌群失调具有保护作用。
二、论文ID
原名：Urinary and Fecal Metabonomics Study of the Protective Effect of Chaihu-Shu-Gan-San on Antibiotic-Induced Gut Microbiota Dysbiosis in Rats
译名：基于尿和粪的代谢组学研究柴胡疏肝散对抗生素诱导肠道菌群失调的保护作用研究
期刊：Scientific reports
IF：4.847
发表时间：2017年
通讯作者：邹忠梅
通讯作者单位：中国医学科学院北京协和医院药用植物研究所
三、实验设计
四、实验结果
1．第一证据链
通过16SrRNA基因测序法分析粪便微生物组成谱。检测结果中约99%的总细菌数分为五门，主要包括厚壁菌门和拟杆菌门，抗生素治疗后导致厚壁菌门和拟杆菌门增加的水平显著降低。然而，通过柴胡舒肝散的治疗，可以调节这两种肠道的菌群；在种属水平上，实验组和对照组有16个统计学上的显著差异。治疗后1～3周，抗生素组体重明显下降，与对照组比较差异有显著性。与抗生素组比较，柴胡舒肝散治疗组小鼠体重显著增加。
图1 对照组（C）、抗生素组（A）和柴胡舒肝散+抗生素组（AC）的肠道菌群模式及主坐标分析图
注： A为主成分分析图、B为肠道菌群在门水平分布图、C为肠道菌群在属水平分布图；通过16S rRNA基因测序获得控制组和模型组的肠道菌群组成谱；每种颜色代表一种细菌门或属。
图2大鼠体重随时间增加图
注：C：对照组、A：抗生素组、AC：柴胡舒肝散+抗生素组。
2．第二证据链
在正离子扫描模式下，通过UPLC-Q-TOF/MS检测抗生素诱导组与抗生素诱导+柴胡舒肝散治疗组尿液与粪便样品的代谢谱。PCA和PLS-DA用于评价柴胡舒肝散治疗抗生素诱导的肠道菌群失调后的代谢模式。结果，柴胡舒肝散治疗小鼠后，代谢谱与抗生素组不同，与控制组相似，说明经过柴胡舒肝散治疗后，抗生素诱导引起的偏差情况得到明显改善。
图3 UPLC-Q-TOF/MS检测大鼠尿液的PCA、PLS-DA、OPLS-DA得分图
注：该数据在正离子模式下检测；A为不同处理组的PCA得分图（R2X = 0.902,Q2 (cum) = 0.775）、B为不同处理组的PLS-DA得分图（R2X =0.942, R2Y = 0.797, Q2 (cum) = 0.670）、C与D为不同处理组的OPLS-DA得分图；C:对照组、A：抗生素组、AC：柴胡舒肝散+抗生素组QC：质量控制组。
图4 UPLC-Q-TOF/MS质谱检测所有治疗组尿液中代谢物显著变化热图
注：C:对照组、A：抗生素组、AC：柴胡舒肝散+抗生素组。
表1：尿液中代谢组学生物标志物
图5 UPLC-Q-TOF/MS检测大鼠粪便的PCA、PLS-DA、OPLS-DA得分图
注：该数据在正离子模式下检测；A为不同处理组的PCA得分图（R2X = 0.847,Q2 (cum) = 0.681）、B为不同处理组的PLS-DA得分图（R2X = 0.808, R2Y = 0.670, Q2 (cum) = 0.517）、C与D为不同处理组的OPLS-DA得分图；C:对照组、A：抗生素组、AC：柴胡舒肝散+抗生素组QC：质量控制组。
图6 UPLC-Q-TOF/MS质谱检测所有治疗组粪便中代谢物显著变化热图
注：C:对照组、A：抗生素组、AC：柴胡舒肝散+抗生素组。
表2：粪便中代谢组学生物标志物
图7 关于抗生素组、对照组干扰肠道菌群改变尿液代谢物统计学相关值的热图
注：蓝色方块表示显著正相关（r＞0.5，P＜0.05）、白色方块表示没有显著相关性（P＞0.05）、红色方块表示显著负相关（r＜−0.5，P＜0.05）。
图8 关于抗生素组、对照组干扰肠道菌群改变粪便代谢物统计学相关值的热图
注：蓝色方块表示显著正相关（r＞0.5，P＜0.05）、白色方块表示没有显著相关性（P＞0.05）、红色方块表示显著负相关（r＜−0.5，P＜0.05）。
3．第三证据链
为了进一步验证关键代谢途径的统计学相关性，进行肠道菌群失调最相关的通路确定，使用MetaboAnalyst 3.0绘制完整的代谢网络图。结果，甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、泛酸和辅酶A的生物合成，烟酸和烟酰胺代谢，胆汁酸代谢是参与抗生素引起的肠道菌群失调最相关的途径。
表3：整体代谢通路分析表
图9 代谢途径分析与总结
注：（a）甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢途径；（b）泛酸和辅酶A的生物合成途径；（c）烟酸和烟酰胺代谢途径；（d）胆汁酸的代谢途径。
五、研究结论
结合16S rRNA基因序列和尿液和粪便中的代谢组学方法建立了评价柴胡舒肝散对抗生素诱导的大鼠宿主的肠道菌群失调代谢表型的保护作用。采用多元统计进行分析，抗生素组与对照组组存在显著差异，柴胡舒肝散治疗组与对照组统计学差异不明显。此外，相关分析和Metpa分析确定了三个参与了抗生素诱导肠道菌群失调关键的代谢途径，包括甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢，烟酸和烟酰胺代谢和胆汁酸代谢途径。这些结果表明，中药复方可作为益生元调节肠道菌群结构与宿主的代谢表型，进一步作为具体的治疗肠道菌群失调的新药物。
六、点评
通过16S rDNA测序与UPLC-Q-TOF/MS法检测小鼠粪便与尿液样品，说明柴胡舒肝散对肠道菌群失调大鼠的代谢表型具有保护作用，可能是肠道菌群药物治疗的新靶点。
本文由李红霞创作，江舜尧编辑。可联系江舜尧（微信二维码见文末）获取免费转载权限；没有获得授权不能转载。
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