人类肠道微生物代谢图谱：区分饮食与微生物来源代谢物的突破性研究

《Microbiome》：Distinguishing diet- and microbe-derived metabolites in the human gut

本研究通过对照喂养实验，首次构建了人类肠道中饮食与微生物来源代谢物的综合图谱。研究人员利用抗生素和聚乙二醇干预手段，系统鉴定了2856种微生物产物和1057种微生物底物，并揭示了98%的肠道代谢物在抗生素干预后7天内可恢复至基线水平。该研究为阐释肠道微生物代谢网络及其与炎症性肠病等疾病的关联提供了重要资源，对理解微生物-宿主互作机制具有里程碑意义。

　　

在我们每个人的肠道中，都存在着一个由数万亿微生物组成的复杂生态系统——肠道微生物组。这些微小的生命体不仅帮助我们消化食物，还通过代谢活动产生大量小分子物质，深刻影响着人体健康。然而，长期以来，科学家们面临着一个关键挑战：如何准确区分哪些代谢物真正来自微生物的代谢活动，哪些又直接来源于我们摄入的食物？这个问题的答案对于理解肠道微生物如何影响人类健康至关重要。

以往的研究虽然取得了一定进展，但都存在局限性。例如，微生物代谢质谱数据库（MicrobeMASST）只能提供单一微生物的代谢特征，无法反映复杂微生物群落的真实互作情况；而观察性研究虽然发现了微生物与代谢物的相关性，却难以完全排除饮食因素的干扰。正是这些未解之谜，促使Tanes等研究人员在《Microbiome》期刊上发表了他们的最新研究成果。

为了突破这些限制，研究人员设计了一项精心控制的喂养实验。他们招募了20名习惯于杂食饮食的成年人，将其随机分为两组：一组继续接受定义的杂食饮食，另一组则改为完全肠内营养（EEN）饮食。在实验的第6-8天，所有参与者都接受了万古霉素和新霉素这两种不被吸收的口服抗生素，以及聚乙二醇（PEG）的肠道清洁处理，从而将肠道微生物生物量降低了约5个数量级。

这项研究的关键创新在于其独特的多层次比较策略。通过分析抗生素干预前后代谢物浓度的变化，研究人员能够准确识别微生物来源的代谢物——那些在微生物被清除后浓度下降的属于微生物产物，而浓度上升的则代表微生物底物。同时，通过比较不同饮食组在微生物耗尽状态下的代谢谱，他们又能有效区分饮食来源的代谢物。

主要技术方法包括：采用15天住院对照喂养实验设计，结合非吸收性抗生素（万古霉素和新霉素）与聚乙二醇的肠道微生物清除方案；运用四种不同的液相色谱-串联质谱（LC-tandem MS）方法对粪便和血浆样本进行非靶向代谢组学分析；通过线性模型和错误发现率（FDR）校正进行统计学分析；整合人类微生物组计划（HMP）数据库进行炎症性肠病（IBD）相关代谢物验证。

Distinguishing diet- and microbiome-derived metabolites in the human gut

研究结果显示，在杂食饮食组中，研究人员鉴定出1057种微生物底物和2856种微生物产物。令人惊讶的是，98%的肠道代谢物在抗生素干预后7天内就恢复到了干预前水平，这表明尽管微生物组成可能尚未完全恢复，但其代谢功能已经快速重建。

Diet-and microbiome-derived fecal metabolites with known metabolic pathways

对已知代谢通路的深入分析揭示了微生物代谢的复杂网络。次级胆汁酸如石胆酸（lithocholic acid）和短链脂肪酸如丁酸（butyric acid）是受影响最显著的微生物产物。相反，马尿酸（hippuric acid）则显示出最大的变化幅度，被确定为重要的微生物底物。

0.1), and black closed circles represent those that are different between EEN and omnivore groups post-abx(q<0.1).G Microbiome- and diet-derived carnitines of various length acyl chains.The x-axis shows the effect size of comparing intact and depleted microbiomes in the context of an omnivore diet, which identifies microbial metabolites. Horizontal error bars represent the standard error of the estimate.The y-axis represents the effect size of comparing EEN and omnivore diets in the depleted microbiome, which identifies diet-derived metabolites.The vertical error bars represent the standard error of the estimate.The standard errors are shown only for the metabolites with FDR<0.1 in at least one comparison'>

胆汁酸代谢分析显示，在微生物耗尽后，所有主要初级结合胆汁酸以及结合型脱氧胆酸（conjugated deoxycholic acid）水平均上升，而两种主要去结合胆汁酸——石胆酸和脱氧胆酸水平下降。这反映了胆汁盐水解酶（BSH）和胆汁酸诱导（bai）操纵子转化的受阻。

在血红素代谢方面，尽管宿主产生的非结合型代谢物胆绿素（biliverdin）和胆红素（bilirubin）水平不变，但它们的微生物下游产物中胆素原（mesobilirubinogen）和L-尿胆素（L-urobilin）在完整微生物组中含量更高，这表明了微生物在胆红素转化为尿胆素过程中的关键作用。

芳香族氨基酸代谢研究发现了重要的微生物转化途径。必需芳香族氨基酸苯丙氨酸（phenylalanine）和色氨酸（tryptophan）被鉴定为微生物底物，而它们的还原衍生物苯乳酸（phenyllactic acid）、吲哚乙酸（indoleacetic acid）和吲哚-3-丙酸（indole-3-proprionic acid）则是细菌产物。特别值得注意的是，苯丙氨酸衍生物肉桂酰甘氨酸（cinnamoylglycine）在微生物耗尽后血浆中水平下降，而在粪便中水平上升，显示了复杂的宿主-微生物互作。

Reversibility of gut microbial metabolite levels after microbiome depletion

微生物代谢物水平的可逆性分析揭示了有趣的恢复模式。在杂食饮食组中，91%的微生物产物和82%的微生物底物在抗生素干预后4天就恢复到了干预前水平。

B族维生素的变化模式各不相同：除硫胺素（B₁）外，所有B族维生素在干预后4天均基本恢复，而生物素（biotin）显示出延迟下降趋势，叶酸（folic acid）则是唯一呈现上升趋势的B族维生素。

胆汁酸恢复分析显示，大多数初级和次级结合胆汁酸在干预后4天恢复，但脱氧胆酸恢复较晚，石胆酸在研究结束时仍未恢复到干预前水平。新发现的胆酸交替结合物——酪氨胆酸（tyrosocholic acid）和白氨胆酸（leucocholic acid）被鉴定为微生物产物，其水平在干预后4天快速恢复。

酰基肉碱（acylcarnitines）的恢复最为缓慢。在34种被鉴定为微生物底物的肉碱中，30种在干预后4天未恢复，14种在干预后7天仍未恢复。唯一被鉴定为微生物产物的二十碳四烯酰肉碱（CAR C20:4）在干预后4天保持升高，但在干预后7天降至干预前水平。

Microbiome-derived metabolites in plasma after gut microbiome depletion

血浆中微生物来源代谢物的分析显示，系统性循环中受微生物影响的代谢物数量远少于肠道。研究人员仅鉴定出93种微生物来源代谢物，这一发现强调了肠道屏障和肝脏循环对微生物代谢物的严格调控。

在系统循环中，3-吲哚丙酸（3-indolepropionic acid）显示出最大的下降幅度，同时几种胆汁酸——鹅去氧胆酸（chenodeoxycholic acid）、脱氧胆酸和甘氨石胆酸（glycolithocholic acid）也显著下降。值得注意的是，血浆中鉴定出的微生物底物通常比微生物产物具有更小的变化幅度，其中四种命名底物为中链脂肪酸或甘油三酯。

饮食来源的血浆代谢物分析发现，完全肠内营养（EEN）组富含各种甘油三酯（triacylglycerols）或甘油磷脂（glycerophospholipids），而肉碱（carnitines）则是杂食饮食的标志物。辛酸（caprylic acid）、癸二酸（sebacic acid）和十六烷二酸（hexadecanedioic acid）仅在微生物耗尽状态下与EEN饮食相关，而癸酸（capric acid）和植烷酸（phytanic acid）则在微生物耗尽前后均与EEN饮食相关。

Application of gut microbial metabolite atlas to inflammatory bowel disease

研究人员还将构建的代谢图谱应用于炎症性肠病（IBD）研究，通过整合人类微生物组计划（HMP）数据，揭示了肠道菌群失调（dysbiosis）中微生物代谢的变化特征。

分析结果显示，在菌群失调的IBD患者中，28种微生物底物增加，10种微生物产物减少，这表明失调的微生物群落消耗和产生代谢物的能力均有所下降。具体而言，结合型初级胆汁酸和各种肉碱随着菌群失调而增加，而次级胆汁酸石胆酸和CAR C20:4等微生物产物则减少。只有四种微生物来源代谢物在菌群失调中增加：7-酮基脱氧胆酸（7-ketodeoxycholic acid）、苯乳酸、对羟基苯乙酸（p-hydroxyphenylacetic acid）和2-氨基丁酸（2-aminobutyric acid）。

这项研究的意义不仅在于构建了迄今为止最全面的人类肠道微生物代谢图谱，更重要的是提供了区分饮食与微生物来源代谢物的方法论框架。研究结果表明，尽管抗生素干预后微生物组成需要较长时间恢复，但其代谢功能可在较短时间内重建，这为理解微生物群落稳定性提供了新视角。

该代谢图谱的应用潜力广泛，不仅可用于阐释IBD等肠道疾病的发病机制，还能为未来研究提供重要资源。随着对微生物代谢物认识的不断深入，这一图谱将有助于发现新的微生物-宿主互作机制，为开发针对肠道微生物组的治疗策略奠定基础。值得注意的是，研究中发现的大多数代谢物仍未被命名，这揭示了肠道微生物代谢网络的巨大未知领域，为未来研究指明了方向。

通过这项研究，我们更加清晰地认识到，肠道微生物组不仅是一个复杂的生态系统，更是一个活跃的化工厂，其代谢活动与人类健康密切相关。这一研究成果为精准理解微生物组功能、开发微生物靶向疗法提供了重要科学依据，标志着肠道微生物研究进入了新的阶段。