近年來，腸道菌群的相關研究如火如荼，已成為當今臨床醫學和生命科學研究中極其重要的熱點領域。疾病的發生發展原因非常複雜，單一的理論模式很難闡述清晰。因此越來越多的研究不再侷限於單一組學，而是透過多組學聯合分析方法研究複雜的生物過程的機制。微生物組學與代謝組學聯合從物種、基因、代謝通路以及代謝物等層面綜合闡述疾病發生髮展機制以及藥物靶向治療等。

腸道菌群對人類的健康和疾病的影響越來越備受關注，大量研究表明腸道微生物與癌症的發生發展與治療密切相關。證據支援腸道菌群失調可能有助於致癌，對於不同型別癌症發生及腫瘤生長機制多種多樣，全面的機制瞭解缺乏，多組學聯合更有利於瞭解癌症的發病機制。除了癌變中的作用外，腸道菌群也被證明在癌症治療過程中起著關鍵的作用。對於治療有應答的患者存在不同的腸道菌群特徵，而這些特徵與增強系統免疫和瘤內免疫浸潤有關。

近年來研究表明腸道菌群可能有助於人類的代謝健康，如異常可能引起各種常見代謝紊亂疾病的發生，如肥胖、2型糖尿病、非酒精性肝病、心臟代謝疾病及營養不良等。腸道菌群可以產生多種活性代謝物，透過吸收進入宿主血液並進入腸肝迴圈。與疾病表型相關的特定代謝物可以透過糞便、血液、尿液等代謝組學識別，從而進行微生物組、代謝組和宿主表型聯合分析，確定潛在的機制聯絡。

微生物-腸-腦軸的概念是指一種雙向交流系統，其中腸道中的微生物組可以透過其代謝產物和刺激腸神經系統（ENS）的能力以及透過迷走神經直接向大腦發出訊號來調節大腦的功能和活動。越來越多的臨床研究表明微生物可能是神經紊亂的關鍵因素，包括阿爾茲海默症、多發性硬化、抑鬱症、自閉症、帕金森病及中風等多種神經類疾病。

圖3微生物-腸道-腦軸在健康和疾病中的交流［3］

大量研究表明腸道菌群在心血管疾病（CVD）中存在因果作用。腸道微生物產生的代謝物等可以在腸道區域性作用或透過血液迴圈影響宿主生理功能。許多研究學者已經報道了CVD表型和特定微生物類群的相對丰度或腸道細菌豐富度或多樣性的變化之間的聯絡。腸道菌群產生的過程一般與心血管疾病表型相關，包括但不限於動脈粥樣硬化、血小板反應性和血栓形成潛力、血壓、脂質代謝、肥胖、葡萄糖穩態和血管炎症。腸道微生物治療和預防CVD的新療法是一種新的有潛力的治療方

腸道菌群主要位於下消化道結腸及直腸中，因此腸道菌群與消化道的關係最為密切，幾乎所有的消化道疾病均與腸道菌群有著相關的聯絡，其中炎症性腸病（IBD）、腸易激綜合徵（IBS）、功能性消化不良（FD）、結直腸癌、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、肝硬化、胰腺疾病與腸道菌群的關係研究尤為火熱。

圖5腸道菌群失調相關消化系統疾病［5］

當然除了上面提到的幾大類疾病，腸道菌群相關的研究還涉及強直性脊柱炎（RA）、紅斑狼瘡等免疫系統疾病、老年病、呼吸道疾病、藥效評估、靶向用藥等等。16S擴增子與宏基因組都是用來研究微生物的多樣性，主要用來分析微生物種類及丰度、功能及代謝通路等。代謝組學分為靶向和非靶向代謝組學，主要用來研究代謝物的組成及差異，如短鏈脂肪酸、氨基酸和膽汁酸等。代謝組學與16S擴增子或宏基因組學主要是進行物種與代謝產物的關聯分析及代謝通路或基因功能與代謝產物的關聯分析。

目前微生物組與代謝組聯合研究的文章也比較多，思路清晰，跟隨小編了解幾篇經典案例，開拓一下思維吧。

案例一 宏基因組學和代謝組學分析揭示結直腸癌不同階段腸道微生物特異性表型

題目：Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut

microbiota in colorectal cancer

期刊：Nature medicine

IF：36。13

發表時間：2019年6月

研究方向：癌症、胃腸道疾病

主要內容：

本文采用宏基因組學和代謝組學聯合分析的方法，對不同階段結直腸癌患者糞便樣本進行研究。616名受試者糞便樣品宏基因組資料和代謝組資料評估腸道菌群和代謝物的分類及功能特徵。CRC發展過程在腸道微生物組成、基因丰度和代謝物動態變化。為了研究宏基因組和代謝組資料作為診斷CRC標記物潛力，構建了隨機森林和ROC曲線模型，僅基於物種、KO基因和代謝物的模型預測能力明顯低於三者結合的模型。

案例二 宏基因組學和代謝組學分析揭示肥胖和減肥干預後腸道菌群和血清代謝物的變化

題目：Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention

期刊：Nature medicine

IF：36。13

發表時間：2017年7月

研究方向：肥胖、代謝紊亂疾病

主要內容：

本文對257份糞便樣品（第一佇列：72個肥胖和79個瘦人共計151份樣品，第二佇列：23個肥胖個體和26個對照共計49份樣品，23個肥胖個體包括6例袖狀胃減容術患者共計63份樣品）進行了宏基因組測序。並對肥胖和健康對照血清樣品進行了非靶向代謝組學分析。發現與肥胖與腸道微生物的種類及迴圈代謝物的變化有關。肥胖者體內多形擬桿菌的丰度顯著降低，且與血清中谷氨酸鹽濃度呈負相關。

案例三 16S測序和代謝組學分析揭示冠狀動脈嚴重程度腸道菌群和血清代謝物的變化

題目：Alterations in the gut microbiome and metabolism with coronary artery disease severity

期刊：Microbiome

IF：11。607

發表時間：2019年4月

研究方向：冠狀動脈疾病、心血管疾病

主要內容：

本文透過16S rRNA測序和代謝組學對161名冠狀動脈疾病（CAD）和40名健康對照分析發現，隨著CAD嚴重程度的增加，腸道微生物和代謝物發生了顯著變化。鑑定了29個與CAD表型呈正負相關性，CAD不同階段特徵變化菌群CAG為

Roseburia

、

Klebsiella

、

Clostridium IV

和

Ruminococcaceae

。結果表明某些細菌可能透過調節宿主代謝途徑如牛磺酸、鞘磷脂、神經醯胺和苯代謝影響動脈粥樣硬化。建立了一個基於微生物和代謝物差異水平的疾病分類器來區分疾病組和對照組，能夠準確的區分穩定冠狀動脈疾病和急性冠狀動脈綜合徵。

參考文獻：

【1】The microbiome， cancer， and cancer therapy

【2】Gut microbiota in human metabolic health and disease

【3】Microbiota and neurodevelopmental windows： implications for brain disorders

【4】Gut Microbiota and Cardiovascular Disease

【5】Implications of microbiota and bile acid in liver injury and regeneration

【6】Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut

microbiota in colorectal cancer

【7】Gut microbiome and serum metabolome alterations in obesity and after weight-loss intervention

【8】Alterations in the gut microbiome and metabolism with coronary artery disease severity