Nature发文揭示血清代谢物和肠道菌群的关系

以色列Weizmann科学院Eran Segal团队的研究人员在Nature杂志在线发表了题为A reference map of potential determinants for the human serum metabolome的研究论文,首次系统揭示了血清代谢物和肠道菌群的关系。研究人员使用机器学习模型——梯度提升决策树算法 (GBDT),在非靶向代谢组学检测的1251种血清代谢物中,发现有182个代谢物的丰度变化可被肠道菌相关特征解释,且检测血清中的代谢物可更发映机体的饮食对菌群的影响。更有意义的是血检菌群状态和疾病显著相关。例如英国Twins UK Registry1004名健康志愿者队列的样品数据和北欧IMI DIRECT cohort的245名2型糖尿病患者队列显示 (图1),血清代谢物可准确反映肠道菌的状态。

图1. 在两个独立的队列中验证基于微生物组的代谢物预测

菌群功能血检向临床检测转化指日可待

更加有意义的是最近由伦敦国王学院和哈佛大学学和健康科学初创公司ZOE的研究人员共同完成发表在《nature medicine》基于1098例个体队列粪便样本宏基因组学和血清代谢组学的多中心国际研究显示,相比粪便样本,血液代谢组学研究可以更好的检出可以进入循环系统并影响了宿主的健康和代谢水平的菌群相关代谢物;通过血清代谢物检测可直接确定15种与多种常见疾病风险相关的肠道微生物在人体内的状态。最重要的是通过前瞻性研究证实该血检对因饮食控制引起的菌群变化均可准确反映,揭示了人体血液代谢组和肠道微生物多样性之间的密切关系。这个研究在前期《Nature Biotechnology》杂志上发表的“Blood metabolome predicts gut microbiome α-diversity in humans”基础上,对菌群功能血检向临床检测转化更近了一步。

肠道菌群在结直肠癌等疾病发生发展中的作用越来越受重视

肠道菌群的紊乱与一系列疾病密切相关,包括IBD,结直肠癌等。近期发表在nature上的一篇报道“Host variables confound gut microbiota studies of human disease.”表明,即使将诸如饮酒及排便质量等影响肠道菌群异质性的环境因素排除后,肿瘤与肠道菌群的改变仍具有紧密的相关性。而一系列的动物模型机制性研究及基于患病人群的组学研究发现,在结直肠癌的发生和发展过程中,伴随显著的肠道菌群的改变,其中包括一系列促癌菌的富集,如具核梭杆菌,psk+ 大肠杆菌,及产肠毒素的脆弱拟杆菌等;以及抑癌菌如长双歧杆菌丰度的降低。此外,基于特征肠道菌种特征构建模型也展示出对结直肠癌患者的判读。因此,监测肠道菌群状态的改变对于结直肠癌发生的早期预警以及其他相关疾病的状态具有重要意义。

图2. 结直肠癌阶段性发展过程中伴随的菌群及代谢特征改变

国内血液代谢物预测肠道菌群技术探索

根据2020年10月,美国医疗保险和医疗补助服务中心(CMS)发布的备忘录草案,描述了对于当前和未来基于血液的大肠癌筛查检测产品的覆盖标准:产品性能要同时满足敏感性不低于74%,特异性不低于90%。目前国外许多公司如Freenome, Exact Sciences和Guardant Health投入了大量的资源开发液体活检早筛产品,CMS对未来能够获得FDA批准的基于血液的生物标志物检测产品保持开放态。如果这些液体活检早筛产品能够被FDA批准并获得CMS报销,那么将可能会抢占Exact Sciences现有的基于粪便的大肠癌筛查产品Cologuard的市场份额。

在对血清代谢物预测肠道菌群状态来诊断早期风险的技术方向扫描后,发现除了中国药科大学、中国科学院、山东省肿瘤医院等科研或医院研究外,国内已经有创业公司提前布局。北京中精普康医药科技有限公司基于自主知识产权研发的早长静TM,通过对血清代谢物的质谱血检,预测肠道菌群的健康状态,进而对相应疾病风险进行早期预警。其中,通过检测肠道“促瘤菌群”和“抑瘤菌群”相关的特征性代谢产物在血清中的丰度变化,发现早期肠道肿瘤的特异性达到92%以上,使其有机会成为首个达到美国CMS结直肠肿瘤筛查标准的血检产品。

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