专访秦楠:历时三年 解密肝硬化与肠道菌群不可思议之关联

【字体: 时间:2014年10月08日 来源:生物通

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  说到肠道健康对我们生活的影响,可以说是众人皆知,前有被誉为“天使的化身”的奥黛丽-赫本,因盲肠与结肠癌病重不治,后有著名影星钟楚红的丈夫、香港广告业巨子朱家鼎因大肠癌病逝。但是,要说肠道微生物与健康之间的密切关系,还是近几年兴起的说法,而身体其它部位,如肝脏的健康与肠道微生物菌群的关联,则会让人一时无法理解。

  

生物通报道:说到肠道健康对我们生活的影响,可以说是众人皆知,前有被誉为“天使的化身”的奥黛丽-赫本,因盲肠与结肠癌病重不治,后有著名影星钟楚红的丈夫、香港广告业巨子朱家鼎因大肠癌病逝。但是,要说肠道微生物与健康之间的密切关系,还是近几年兴起的说法,而身体其它部位,如肝脏的健康与肠道微生物菌群的关联,则会让人一时无法理解。

   本来这两者确实好像是不搭界,但今年的一项最新成果令持有这种想法的我们大吃一惊:来自浙江大学医学院附属第一医院的一组研究人员通过收集上百份人肠道菌群样本,构建了世界上首个肝病肠道菌群基因集。

   这项研究不仅发现了肠道菌群发生紊乱,如何会与肝硬化发生发展有关的作用机制,而且还首次发现肝硬化患者口腔中的细菌会移位至肠道,这些令人匪夷所思,但又有确凿科学依据的发现也许未来能用于肝硬化诊断,以及肝硬化疗效的评估。

   为了探寻这项有趣又重大成果背后的故事,生物通特联系了文章的第一作者浙江大学传染病诊治国家重点实验室秦楠博士,就读者感兴趣的一些问题请教了他。

肝硬化是什么?

   我国有病毒性肝炎及脂肪性、酒精性、药物性、免疫性肝病等患者逾一亿。部分患者会经历肝炎、肝硬化、肝癌“三部曲”。其中,肝硬化(Liver cirrhosis)是由急慢性肝损伤所致的进行性肝病,包括酗酒、过度肥胖及肝炎病毒感染等都有可能会引发肝硬化。

   这种疾病的特点就是纤维组织增生和肝细胞结节状再生,肝小叶结构和血液循环逐渐破坏,使肝脏变形,变硬,因此触摸的时候会感到肝脏坚硬。

   对于肝硬化如果不及时治疗和预防的话就会引起生活品质下降,而这一过程是不可恢复的,也就是说到最后肝硬化恶化后需要进行肝移植。

肝硬化与肠道菌群

   人体肠道菌群寄居在人体肠道各个部位,是一个复杂、动态、多样的微生物群体,近年来科学家们对于这一群体越来越关注,发现一些慢性疾病如肥胖、炎性肠病(IBD)、糖尿病、代谢综合征、动脉粥样硬化和非酒精性脂肪肝等都显示与肠道菌群相关。

   但是肠道菌群又与肝脏,肝硬化有何关联呢?

   秦博士解释道:“肝脏与肠道的关系越来越受到重视。肝脏与肠道不仅在解剖,在功能上也存在广泛而密切的联系,构成了‘肠肝轴’。肝硬化是我国常见的消化系统疾病,患者死因通常为上消化道出血、继发感染等各种并发症。

   目前许多研究指出肠道菌群失衡参与肝硬化各种并发症的发生发展。肝硬化患者存在门脉压力升高,静脉回流受阻,胃肠道粘膜淤血水肿,导致吸收能力下降,蠕动减慢,进一步引起肠道粘膜通透性增加,pH值改变。肝硬化肝功能受损,胆汁酸分泌减少、对内毒素的清除能力下降等,改变肠道的内环境,进而影响肠道菌群的结构和功能。同时宿主抵抗力降低等多种因素共同作用,导致肠道微环境改变,肠道菌群失调。肠道菌群的失调、细菌移位进一步加重了肝脏的负担,导致肝功能进一步恶化。”

   之前的研究曾表明,肠道微生态失衡尤其是菌群移位及代谢产物通过肠粘膜屏障与肝硬化进展有关联。但是与肝硬化进展相关的肠道微生物的具体菌群结构变化及功能成分的变化还不清楚。

   尽管有些研究表明肠道微生物的改变在终末期肝硬化并发症中起重要作用(如自发细菌腹膜炎及肝性脑病),以及诱导早期肝脏疾病及促进肝损伤作用(如酒精性肝病及非酒精性脂肪肝病),然而,肠道菌群与人肝脏病理之间的明确关联仍未知。

   “我们的这项研究构建了肝硬化肠道菌群基因集,相当于建立了肝硬化这种疾病的肠道细菌基因的字典,通过对大量病人及健康对照的关联分析,可以找出有诊断意义的基因标记物,”秦博士说。

世界上首个肝病肠道菌群基因集

   为了建立肠道菌群与人肝脏病理之间的明确关联,秦博士与他的同事花费了三年的时间,收集了181个来自于中国人肠道菌群的样本,进行肝硬化肠道菌群的深度测序及关联分析研究,其中包括98个中国肝硬化患者的粪便样本及83个健康中国人志愿者的粪便样本。

   这项研究采用的是新一代高通量Illumina Hiseq2500测序技术进行深度测序,产出近860Gb的碱基序列。之后研究人员经过序列组装和基因注释分析,从中获得269万个非冗余的人体肠道微生物菌群的基因集。由此构建出了世界上首个肝病肠道菌群基因集,其中36.1%的基因为首次发现。

   从菌群组成来看,这项研究发现在属的水平上,肝硬化和健康人组中,拟杆菌属均为主导菌属,但是肝硬化组比健康人组含量明显减少。韦荣球菌属、链球菌属、梭状芽孢杆菌属及普氏菌属在肝硬化组中含量增多。在种的水平上,两组中最丰富的细菌均来自于拟杆菌属。肝硬化组含量增加的最多的20种,4个属于链球菌属,6个属于韦荣球菌属。

   其中令我们觉得十分感兴趣的就是,这里有28种细菌与肝硬化密切相关,有38种与健康人密切相关。

   秦博士补充道:“这些与肝硬化密切相关的细菌,有多个细菌是肝硬化患者中首次发现,在肝硬化患者的肠道里富集的这28种细菌也有可能与其他疾病有关。肠道微生态失衡会导致肠道内的细菌移位,内毒素水平升高加重肝病的发展。同样其它疾病的肠道微生态失衡也会影响到疾病的进展。”

   而且从生物标记物来说,这项研究也发现了多个可以作为肝硬化生物标记物的基因簇,以及15个高特异性和灵敏性的微生物基因。

   “这15个基因作为预测肝硬化的模型,很有可能可进行无创的疾病诊断。我们所发现的细菌也有可能用于肝硬化治疗,只不过从科研到应用于临床还有很长的路要走,其中所遇到的主要问题是需要严格标准化后才能被推广,如健康的菌群来源过程中如何严格筛选,对于不同来源的益生菌植入某类人体是否存在免疫反应的风险,也是未知的”,秦博士解释道。

   此外,对于肝硬化这种慢性进行性肝病,它的发展过程经历了多个阶段,那么通过菌群分析是否可以在其发展早期就确定这种疾病,给病人提出警示呢?

   对于这个问题,秦博士回答说,“我们希望肠道菌群的分析能为未来肝病的早期诊断提供更多帮助。但这需要对更多不同时期样本进行分析,来揭示出肝硬化病人肠道菌群随肝病发展的时间序列变化,这样才能得出更确定性的结论。目前我们只是率先开展了这方面的研究,引起大家在新的角度增加对肝病的认识,今后还有大量工作要做。”

中国人特有的病理关联

   这项研究的样品来自中国人群,构建的也是中国人的肝硬化肠道菌群基因集,秦博士等人也通过与欧洲人、美国人及中国糖尿病三个基因集的比较,发现了肝病基因集中有79万个独特基因。

  “不同种的人的生活环境不同,饮食风俗习惯等都有差别,这种差别会直接影响肠道内的菌群分布。由于我们研究的是中国汉族人的健康人和患者之间的差别,黄种人、白种人之间是否存在差别,需要进一步研究加以阐明”,秦博士说。

宏基因组学分析技术难题

   在这项研究中,秦博士等人采用的是用宏基因组学的研究方法。所谓宏基因组学方法,就是利用基因组学的研究策略,研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能,是一个群体基因组研究的概念。

   要进行宏基因组学研究并不容易,秦博士说:“阐释和解析基因组远比获得基因有更大的挑战,高通量测序产生的海量数据以及对这些数据背后隐藏的生物信息的深度挖掘是关键,基因序列的比对出错就很难找到相对应的物种, 细菌基因组数据库及生物计算软件分析工具的不完善性等是都会阻碍基因分析的结果。为此我们参考了国际上最新的一些论著,也和欧盟metaHIT的科学家一起开发了新的计算方法。”

  说到这里,秦博士表示这项研究获得了近860Gb的碱基序列,进行相关数据处理花费了不少心血,“大数据量的信息分析,确实是一项纷繁复杂的工作,团队的协作非常的重要。非常感谢浙一医院计算平台给我们提供了集群服务器分析的平台,感谢我们团队信息分析人员的辛勤工作,同时也感谢法国合作科学家的相关指导和帮助,”秦博士说。


   最后谈到学生物的和计算机科学的研究人员对生命科学大数据处理的贡献孰大孰轻时,秦博士也坦言道,“生命科学和医学目前都进入了大数据的时代,大量的生物信息数据、临床数据为这个大学科的深入发展提供了重要基础。像最近几年比较热的基于高通量测序的无创唐氏儿筛查,就是典型的利用大数据对临床医学的巨大贡献。计算机背景的研究人员进入生命科学和医学领域,为生物学领域的大数据处理带来了跨学科的智慧和经验,让大数据背后的意义更快的显示出来,促进了整个领域的发展,取得成果是应当的。甚至这些不同背景的研究人员,将来很有可能在这些大数据的基础上提出生物学新的理论、定律,从而推进生物学进入新的时代。”

(生物通:王蕾)

原文摘要:

Alterations of the human gut microbiome in liver cirrhosis

Liver cirrhosis occurs as a consequence of many chronic liver diseases that are prevalent worldwide. Here we characterize the gut microbiome in liver cirrhosis by comparing 98 patients and 83 healthy control individuals. We build a reference gene set for the cohort containing 2.69 million genes, 36.1% of which are novel. Quantitative metagenomics reveals 75,245 genes that differ in abundance between the patients and healthy individuals (false discovery rate < 0.0001) and can be grouped into 66 clusters representing cognate bacterial species; 28 are enriched in patients and 38 in control individuals. Most (54%) of the patient-enriched, taxonomically assigned species are of buccal origin, suggesting an invasion of the gut from the mouth in liver cirrhosis. Biomarkers specific to liver cirrhosis at gene and function levels are revealed by a comparison with those for type 2 diabetes and inflammatory bowel disease. On the basis of only 15 biomarkers, a highly accurate patient discrimination index is created and validated on an independent cohort. Thus microbiota-targeted biomarkers may be a powerful tool for diagnosis of different diseases.

作者简介:
秦楠博士
Principal Investigator,浙江大学传染病诊治国家重点实验室、感染性疾病协同创新中心研究员、基因组学平台负责人,国际人类微生物组协会(International Human Microbiome Consortium)秘书长,中国预防医学会微生态分会消化与营养组副组长、浙江省预防医学会微生态分会委员。

研究领域为微生物基因组学及宏基因组学,现在负责浙江大学传染病重点实验室宏基因组项目,研究各种感染性疾病不同时期肠道微生态菌群动力学变化及于宿主的相互关系。负责科技部973《细菌微生态与感染与代谢的关系》子课题。

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