文獻(xiàn)概況

期刊信息

期刊名稱：《Nature》

影響因子：50.5

學(xué)科分區(qū)：Q1

發(fā)表時(shí)間：2024-11-27

機(jī)構(gòu)：紐約西奈山伊坎醫(yī)學(xué)院精密免疫學(xué)研究所

文章概況

這篇文章是一項(xiàng)腸菌移植研究文章豌腮，發(fā)表在《Nature》期刊上，標(biāo)題為“Gut microbiota strain richness is species specific and affects engraftment”炮捧。研究的主要內(nèi)容包括：

1.背景：腸菌移植是否能改變受體的菌株水平結(jié)構(gòu)鳄砸，此外如果改變了是持續(xù)多久，此外受體菌群結(jié)構(gòu)是否對(duì)腸菌移植的效果有影響轨赦，都是未知的蜒简；

2.方法：使用了多種工具和技術(shù)休溶，包括Strainer菌株追蹤算法蚤氏、RStudio進(jìn)行數(shù)據(jù)分析甘耿、ComplexHeatmap和circlize包生成熱圖、Kruskal-Wallis檢驗(yàn)竿滨、Spearman秩相關(guān)測(cè)試佳恬、Wilcoxon符號(hào)秩檢驗(yàn)以及vegan包生成稀疏曲線等。

3.結(jié)果：研究顯示于游，不同物種之間的菌株豐富度（SR）存在顯著差異毁葱，受體的SR越大移植傳遞的菌株越多（移植前如果盡可能的調(diào)理腸道內(nèi)環(huán)境提高菌株豐度有助于腸菌移植后的菌株定植）垫言；糞便微生物移植（FMT）可以轉(zhuǎn)移供體的菌株豐富度到受體，表明SR是一個(gè)可以通過FMT傳遞的特性 头谜；FMT可以持久地恢復(fù)受體的健康菌株水平結(jié)構(gòu)骏掀，并持續(xù)5年以上（對(duì)于兒童腸菌移植，特別是如果選擇成人腸菌移植會(huì)帶來持續(xù)5年以上的成人腸菌的影響）柱告；與土壤和湖泊等開放環(huán)境相比，人類腸道中的菌株豐富度顯著較低颖助，這可能是由于腸道作為一個(gè)相對(duì)封閉的生態(tài)系統(tǒng)旋囤，其物理和化學(xué)條件更為穩(wěn)定。

4.結(jié)論：這些發(fā)現(xiàn)揭示了腸道生態(tài)系統(tǒng)如何調(diào)控菌株豐富度戏筹，進(jìn)而影響FMT和其他微生物療法的成功率凯怕。理解這些機(jī)制可以幫助優(yōu)化未來的微生物治療方法，提高其安全性和有效性缓万。

背景介紹

1.菌株變異在腸道微生物功能中的核心作用：

重要性：細(xì)菌菌株變異在腸道微生物群的功能中起著根本性的作用甩楷。不同菌株可能具有不同的代謝、免疫調(diào)節(jié)和其他生理功能蔫狰，因此它們的存在與否可以顯著影響宿主的健康狀態(tài)催锯。

現(xiàn)有工具和技術(shù)：近年來，一系列工具和技術(shù)（如宏基因組測(cè)序芋妻、單細(xì)胞測(cè)序孵熏、Strainer菌株追蹤算法等）使得研究人員能夠初步探索腸道微生物群落的菌株結(jié)構(gòu)、傳播和共享昭礁。

2.菌株豐富度（SR）的基本問題：

未知領(lǐng)域：盡管有這些技術(shù)進(jìn)步捺氢，我們?nèi)匀蝗狈?duì)人類腸道微生物群落中菌株組織的基本理解，特別是每個(gè)物種能夠穩(wěn)定定植的唯一菌株數(shù)量（即菌株豐富度剪撬，SR）摄乒。這是理解腸道微生物群落動(dòng)態(tài)變化和功能多樣性的重要一步。

物種差異：宏基因組分析表明残黑，個(gè)體內(nèi)的同一物種可以表現(xiàn)出不同程度的多態(tài)性馍佑，這意味著不同物種在腸道中可能支持不同數(shù)量的菌株。例如萍摊，某些物種可能只維持單一菌株挤茄，而其他物種則可能支持多種菌株共存。

3.腸道生態(tài)系統(tǒng)的獨(dú)特性：

半封閉生態(tài)系統(tǒng)：與海洋或土壤等開放生態(tài)系統(tǒng)相比冰木，腸道是一個(gè)獨(dú)特的半封閉生態(tài)位穷劈，維持恒定的溫度、多樣化的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和單向流動(dòng)的養(yǎng)分踊沸。這些物理參數(shù)可以影響不同菌株的生態(tài)位可用性歇终。

4.糞便微生物移植（FMT）的應(yīng)用：

FMT的潛力：糞便微生物移植（FMT）作為一種治療手段，已被用于治療復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染（rCDI）等疾病。然而评凝，F(xiàn)MT的成功率和效果可能受到供體和受體之間菌株豐富度差異的影響车匪。

SR的傳遞性：研究表明，F(xiàn)MT可以有效地將供體的菌株豐富度傳遞給受體潦号，說明SR是一個(gè)可以通過FMT傳遞的特性臼裂。

研究結(jié)果

一、人類腸道物種的平均菌株豐富度

在這項(xiàng)研究中慨锅，研究人員通過高通量培養(yǎng)和宏基因組測(cè)序前肥，量化了常見腸道物種的平均菌株豐富度。研究人員使用了超過7,000個(gè)來自90多種常見腸道細(xì)菌的分離株進(jìn)行高通量培養(yǎng)和宏基因組測(cè)序庐钱，以確保對(duì)每個(gè)物種的菌株多樣性進(jìn)行全面評(píng)估淀肿。除了人類腸道外，還對(duì)土壤和湖泊環(huán)境中的微生物進(jìn)行了測(cè)序滴图，以便比較不同生態(tài)系統(tǒng)中的菌株豐富度讯谎。主要的研究發(fā)現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：

①人類腸道中的平均SR：研究表明，人類腸道中不同物種的平均菌株豐富度（SR）存在顯著差異灸室。具體而言乘硬，人類健康腸道微生物群的平均SR范圍在1.00到2.57之間（圖1a）。這意味著某些物種可能只維持單一菌株蝇裤，而其他物種則可能支持多種菌株共存廷支。

②與環(huán)境的比較：與土壤和湖泊等開放生態(tài)系統(tǒng)相比，人類腸道中的菌株豐富度顯著較低栓辜。這表明腸道作為一個(gè)相對(duì)封閉的生態(tài)系統(tǒng)恋拍，其物理和化學(xué)條件限制了菌株的多樣性。

③物種特異性：不同物種的SR表現(xiàn)出明顯的物種特異性藕甩。例如施敢，Bacteroides fragilis幾乎總是維持單一的獨(dú)特菌株，而其他物種如Staphylococcus epidermidis則顯示出較高的菌株豐富度

Fig | 92種人類腸道物種的菌株豐富度（SR）

a.菌株豐富度（SR）在不同物種間的差異狭莱，展示了92種人類腸道物種的菌株豐富度（SR）僵娃，并使用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示不同物種之間的SR存在顯著差異（P < 2.2×10^?16）腋妙。這表明每個(gè)物種在腸道中的菌株數(shù)量具有顯著的物種特異性默怨。

b.比較了本研究中使用的4,773個(gè)分離基因組的SR與從11名人類個(gè)體中獨(dú)立分離的1,947個(gè)細(xì)菌基因組估計(jì)的SR。Spearman秩相關(guān)分析顯示兩者之間高度相關(guān)（Spearman rank correlation）骤素〕锥茫灰色區(qū)域表示95%置信區(qū)間。

c.通過Kruskal-Wallis檢驗(yàn)比較了人類腸道撑枯、湖泊和土壤環(huán)境中物種的SR顺盆，結(jié)果顯示人類腸道物種的SR顯著低于湖泊和土壤中的物種（Kruskal-Wallis test）蛹活，藍(lán)點(diǎn)表示每個(gè)環(huán)境中特定物種的平均SR，黑點(diǎn)表示湖泊或土壤中所有物種的平均SR

二莹遍、影響菌株豐富度（Strain Richness, SR）的因素

這一部分探討了影響腸道物種SR的因素匕磅，主要的研究發(fā)現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：

①物種頻率與SR的關(guān)系：物種的頻率與其平均SR之間存在高度顯著的相關(guān)性。這意味著陶啥，一個(gè)物種在人群中越常見晃逞，它在個(gè)體中的菌株豐富度往往越高。但也有一些例外眉剿，Bacteroides fragilis 通過抗微生物機(jī)制將SR限制在1.0痪猿。

②基因組特征與SR的關(guān)系：從比較基因組學(xué)的角度來看，具有較大附屬基因組和較小核心基因組的物種通常具有更高的遺傳靈活性交掌，可以在同一宿主中找到不與其他同種菌株重疊的生態(tài)位。研究者比較了SR > 1.2和SR < 1.1的物種之間的平均成對(duì)距離兑狱，發(fā)現(xiàn)SR > 1.2的物種具有顯著更大的成對(duì)距離荧孽。這表明，較大的附屬基因組可能使這些物種在個(gè)體微生物群中支持更多的菌株共存衣屏。

③功能基因的富集分析：研究者使用Scoary算法識(shí)別了SR > 1.2和SR < 1.1的物種之間的差異基因躏升，并通過eggNOG進(jìn)行了功能注釋。功能富集分析顯示狼忱，復(fù)制膨疏、重組和修復(fù)相關(guān)的基因普遍較少富集，這可能是由于這些基因在核心基因組中的比例較高钻弄。與代謝相關(guān)的多種功能顯著富集（圖2c）佃却，這進(jìn)一步證明，增加的附屬基因內(nèi)容與代謝多樣性相關(guān)窘俺，可能促進(jìn)了高SR物種中多個(gè)菌株的生態(tài)位分化饲帅。

④宿主健康狀態(tài)對(duì)SR的影響：宿主的健康狀況可能影響菌株豐富度（SR）。例如瘤泪，在炎癥性腸苍畋谩（IBD）、潰瘍性結(jié)腸炎（UC）和克羅恩捕酝尽（CD）患者中赦邻，腸道微生物群的屬和物種多樣性通常低于健康對(duì)照組，這表明宿主健康狀況可能影響某一物種的平均菌株豐富度锉寿。

Fig2 | 影響SR的因素

a.物種頻率與SR之間的Spearman秩相關(guān)性轻樟。灰色區(qū)域表示95%置信區(qū)間芍司。

b.不同SR類別的同種菌株之間的成對(duì)k-mer距離分布馏旅。SR > 1.2的物種具有顯著更大的成對(duì)距離甜序，表明較大的附屬基因組可能促進(jìn)更多菌株共存。

c.在SR > 1.2和SR < 1.1的物種之間构眶，功能類別基因的富集情況驹拢。代謝相關(guān)功能顯著富集，而復(fù)制希金、重組和修復(fù)相關(guān)的基因則較少富集帕吆。

三、傳遞性和穩(wěn)定性

之前的研究表明爵林，大多數(shù)供體微生物群落的菌株在復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染（rCDI）患者中通過FMT后能夠穩(wěn)定定植觅霉，這表明供體的菌株豐富度（SR）可以通過FMT傳遞。為此臣环，研究者們從7名FMT供體和13名rCDI患者中分離并測(cè)序了1,008個(gè)獨(dú)特的菌株绑警，使用Strainer菌株檢測(cè)算法，通過供體菌株基因組和受體宏基因組數(shù)據(jù)量化供體菌株在受體中的存在情況央渣。主要的研究發(fā)現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：

①基于美國(guó)FMT研究中的菌株傳遞性：在這項(xiàng)基于美國(guó)的FMT研究中计盒，每個(gè)受體使用單個(gè)供體的糞便樣本，其中六名供體分別提供糞便給不同的rCDI受體芽丹，而一名供體提供了糞便給七名不同的rCDI受體北启，總共形成了13對(duì)1:1的供體-受體配對(duì)。量化了供體中每種物種的菌株數(shù)量以及移植后8周在受體中檢測(cè)到的供體菌株數(shù)量（圖3b),供體SR與受體在FMT后8周的SR之間存在顯著相關(guān)性(圖3c),受體在FMT后8周的平均SR顯示幾乎沒有供體菌株的丟失拔第，并且與最初在隊(duì)列中測(cè)量的培養(yǎng)SR非常相似咕村。這些結(jié)果共同表明，F(xiàn)MT可以傳遞健康的供體菌株水平群落結(jié)構(gòu)蚊俺。為了驗(yàn)證SR的傳遞性是否在不同隊(duì)列中一致懈涛，研究者在荷蘭萊頓大學(xué)醫(yī)學(xué)中心的兩個(gè)供體的六名額外rCDI受體中追蹤了供體菌株。在這個(gè)驗(yàn)證隊(duì)列中春叫，也發(fā)現(xiàn)供體SR與受體SR之間存在顯著相關(guān)性

②長(zhǎng)期穩(wěn)定性：為了評(píng)估SR的長(zhǎng)期穩(wěn)定性肩钠，研究者從美國(guó)FMT隊(duì)列中選取了一部分供體（n = 3）和受體（n = 3），并在移植后5年收集了樣本暂殖。結(jié)果顯示岂张，供體在時(shí)間點(diǎn)0和5年后之間的SR存在顯著相關(guān)性（圖3d），這表明健康粤沥、未移植個(gè)體的SR在長(zhǎng)達(dá)5年內(nèi)具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性础估。對(duì)于受體，發(fā)現(xiàn)在FMT后8周和5年后之間的SR存在顯著相關(guān)性（圖3e）索射，這表明FMT可以持久地恢復(fù)受體的健康菌株水平結(jié)構(gòu)牙德。然而，這些5年的SR穩(wěn)定性結(jié)果基于有限的樣本量虎铅，需要在更大的隊(duì)列中進(jìn)行驗(yàn)證庭钢。

Fig3 | FMT持久地將健康的供體SR傳遞給rCDI患者

a.FMT實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖（1:1供體-受體配對(duì)）

b.代表性熱圖顯示供體D283向七名不同受體的SR傳遞

c.受體在FMT后8周的SR與供體SR之間的Spearman秩相關(guān)性

d.供體在5年后的SR與移植前（時(shí)間點(diǎn)0）的SR之間的Spearman相關(guān)性

e.受體在FMT后5年與8周的SR之間的Spearman相關(guān)性

四恋鞋、FMT中的超生理菌株豐富度

這一部分探討了在FMT中使用超生理學(xué)數(shù)量的菌株對(duì)受體SR的影響。通過對(duì)未擾動(dòng)腸道微生物群落的研究以及FMT傳遞的分析讽钻，研究者發(fā)現(xiàn)菌株豐富度（SR）通常在每種物種1到3個(gè)菌株之間波動(dòng)赵须，并且可以通過FMT持久地傳遞。盡管最近的研究已經(jīng)探討了FMT中菌株的傳遞扎矾，但尚未有研究量化SR的具體數(shù)值业嗅。因此，仍然不清楚SR的彈性唉侄、SR的上限咒吐，以及生態(tài)和環(huán)境壓力在腸道中對(duì)SR的影響。主要的研究發(fā)現(xiàn)有以下幾點(diǎn)：

①有限的SR增加：即使經(jīng)過密集的FMT治療属划，受體的SR仍然顯著低于供體批次中的理論最大值恬叹。這表明，F(xiàn)MT對(duì)受體最大SR的影響是有限的

②SR的物種特異性：每個(gè)物種的SR容量是有限的同眯，受到腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的限制妄呕。對(duì)于低SR物種，治療性菌株可能會(huì)替代或無法定植嗽测；而對(duì)于高SR物種，治療性菌株可以更容易地定植肿孵。

③臨時(shí)性的SR增加：雖然FMT可以通過維持劑量暫時(shí)增加受體的SR唠粥，但這種增加是暫時(shí)的，最終會(huì)恢復(fù)到基線水平停做。這表明晤愧，SR的長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到宿主腸道生態(tài)系統(tǒng)的影響。

Fig4 |受體中超生理SR的操控最終收斂于未移植人群的基線水平

a.熱圖展示單個(gè)供體蛉腌、供體批次和受體在FMT后不同時(shí)間點(diǎn)的SR

b.代表性物種在供體批次篇瀑、受體FMT后時(shí)間點(diǎn)和圖1a培養(yǎng)隊(duì)列中的SR

c.受體在FMT第8周的SR與供體批次SR之間的Spearman相關(guān)性

d.SR在供體、批次瑟顶、受體時(shí)間點(diǎn)和培養(yǎng)隊(duì)列中的變化

e.低SR和高SR物種中添加看剃、持續(xù)存在和替代事件的比例

討論：

一、超生理學(xué)SR的傳遞與限制：

本研究通過FOCUS臨床試驗(yàn)鹿腕，探討了多供體FMT對(duì)潰瘍性結(jié)腸炎（UC）患者腸道微生物群落的影響秋豌。研究發(fā)現(xiàn)，盡管通過混合供體FMT傳遞了大量的菌株悼锻，受體的菌株豐富度（SR）仍然受到顯著限制劲旗。即使經(jīng)過為期8周、共40次的密集FMT治療透辜，受體的SR顯著低于基于供體批次中檢測(cè)到的菌株數(shù)量的理論最大值常孕。這表明网赤，F(xiàn)MT對(duì)受體最大SR的影響是有限的，可能受到宿主腸道生態(tài)系統(tǒng)和生態(tài)位競(jìng)爭(zhēng)的限制逐会。

二族延、SR的物種特異性容量：

研究表明，每個(gè)物種的SR容量是有限的惜颇，受到腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的限制皆刺。具體來說：

低SR物種：對(duì)于那些在受體中SR較低的物種，治療性菌株要么會(huì)定植并替換受體的原有菌株凌摄，要么無法定植而受體的原有菌株繼續(xù)存在（持續(xù)存在）羡蛾。這表明，低SR物種的定植能力較弱锨亏，容易被其他菌株取代痴怨。

高SR物種：對(duì)于那些具有較高SR容量的物種，治療性菌株可以更容易地定植器予。這表明浪藻，高SR物種的定植能力較強(qiáng)，能夠在受體內(nèi)穩(wěn)定存在乾翔。

三爱葵、臨時(shí)性的SR增加：

盡管FMT可以通過維持劑量暫時(shí)增加受體的SR，但這種增加是暫時(shí)的反浓。研究通過縱向跟蹤受體的SR萌丈，發(fā)現(xiàn)在最后一次FMT劑量后的第8周，受體的SR出現(xiàn)了顯著且逐漸下降的趨勢(shì)峡哥。到最終移植后5年庭走，受體的SR趨近于未接受糞便移植的人群中的普遍SR水平。這一趨勢(shì)在所有物種中都是一致的烙昼，無論物種的普遍性或SR如何荸凸。這表明SR的長(zhǎng)期穩(wěn)定性受到宿主腸道生態(tài)系統(tǒng)的影響，F(xiàn)MT的短期效應(yīng)并不能持久改變受體的微生物群落結(jié)構(gòu)泛红。

四一恃、生態(tài)和環(huán)境壓力的影響：

研究揭示了生態(tài)和環(huán)境壓力在SR中的作用。現(xiàn)代生活方式中的抗生素使用和衛(wèi)生習(xí)慣等因素可能會(huì)人為地將當(dāng)代的SR降低到低于生理或生態(tài)極限的水平麻镶∩粝椋混合供體FMT提供了一個(gè)獨(dú)特的機(jī)會(huì)來測(cè)試SR的生態(tài)極限，并確定是否可以穩(wěn)定地增加SR闲挚。然而阴迹，結(jié)果顯示，即使在超生理?xiàng)l件下年粟，SR的增加也是有限的俭疤，表明宿主腸道生態(tài)系統(tǒng)對(duì)外來菌株的定植具有一定的選擇性和限制性送丰。

五、FMT和活生物治療的意義：

研究發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了理解人類腸道解剖和生理對(duì)SR影響的重要性及其未來轉(zhuǎn)化應(yīng)用的意義弛秋。在FMT和定義明確的活體生物療法產(chǎn)品中器躏，成功依賴于細(xì)菌菌株的成功定植，因此在選擇哪些菌株包括蟹略、每種物種應(yīng)包含多少菌株以及是否需要移除居民菌株時(shí)登失，必須進(jìn)行仔細(xì)考慮。與本研究發(fā)現(xiàn)一致挖炬，最近的一項(xiàng)薈萃分析發(fā)現(xiàn)揽浙，受體的物種在抑制供體菌株定植方面起著重要作用。盡管個(gè)體宿主層面有許多因素可以影響菌株的定植意敛，但似乎某些物種內(nèi)的菌株即使在多菌株池中傳遞時(shí)也更有可能定植馅巷。