系统性宏蛋白质组学图谱揭示药物对人类肠道微生物群功能生态景观的影响

《Nature Communications》：Systematic metaproteomics mapping reveals functional and ecological landscapes of Ex vivo human gut microbiota responses to therapeutic drugs

本研究针对药物对肠道微生物群功能生态影响机制不清的问题，通过RapidAIM 2.0平台系统分析312种药物对离体人肠道微生物群的宏蛋白质组响应，发现47种药物引起显著功能扰动，其中神经类药物特异性诱导微生物群落功能状态转换，并揭示功能冗余度（FRp）与抗菌耐药蛋白（ARP）表达的负相关关系。该研究为理解药物-微生物互作提供了蛋白质组学层面的生态框架。

　　

当我们吞下一片药时，往往只关注它如何作用于人体靶点，却忽略了这些化合物可能正在悄然改变我们肠道内数以万亿计的微生物生态系统。近年来研究表明，许多非抗生素类药物能够显著影响肠道菌群组成和功能，但药物如何影响微生物群落在蛋白质层面的功能生态景观，尤其是能否诱导群落整体功能状态的转变，仍是未被深入探索的领域。

发表在《Nature Communications》上的这项研究，通过高通量宏蛋白质组学技术，系统绘制了312种常用治疗性化合物对离体人肠道微生物群的功能响应图谱。研究人员利用自主开发的RapidAIM 2.0平台，对来自6名健康个体的肠道微生物群进行药物处理，通过串联质谱标签（TMT）标记和免标记定量（LFQ）技术，获得了超过460万个微生物蛋白质-药物响应数据。

研究团队采用多层次分析策略：在蛋白质层面，发现47种化合物引起显著宏蛋白质组变化，其中神经类药物（如抗抑郁药SSRIs和SNRIs）显著富集；在分类组成层面，观察到微生物群落存在三稳态现象；在系统生态层面，通过新开发的PhyloFunc指标识别出三种不同的群落功能状态类型（CSTs）。尤为重要的是，神经类药物显著降低了微生物群落的蛋白质组水平功能冗余度（nFR_p），同时提高了抗菌耐药蛋白（ARP）水平，推动微生物群向替代功能状态转变。

关键技术方法包括：基于RapidAIM 2.0的离体微生物群培养系统、TMT和LFQ宏蛋白质组学技术、PhyloFunc群落功能多样性分析、功能冗余度计算模型以及广义Lotka-Volterra（gLV）动力学模拟。研究使用了6名健康志愿者的粪便样本建立离体培养体系。

结果部分

人类肠道宏蛋白质组受多种药物改变

通过主成分分析（PCA）发现，药物引起的宏蛋白质组变化呈现明显的聚类模式。距离聚类分析识别出五个药物响应簇，其中三个簇（簇1、4和5）与对照组明显偏离。虽然药物结构聚类与响应聚类无明显相关性，但神经类药物在引起显著宏蛋白质组变化的化合物中显著富集。

宏蛋白质组药物响应谱揭示蛋白质和功能通路改变

研究人员开发了交互式Shiny应用（https://shiny.imetalab.ca/MPR_Viz/）便于数据探索。深入分析发现，神经活性药物显著增加了与外排跨膜转运蛋白活性相关的蛋白质表达，表明这些药物可能通过上调外排转运蛋白来刺激耐药性活动。

药物分类响应展现组成三稳态景观

尽管蛋白质层面分析显示高度多样性，但在属水平的热图中观察到微生物群落响应呈现三个明显簇群的连贯转换。这一现象通过广义Lotka-Volterra（gLV）模型得到验证，模拟显示药物刺激下微生物群落能够在不同稳定状态间切换。

群落状态分析揭示药物特异性微生物生态响应

PhyloFunc分析显示，所有对照样本（DMSO）均聚集于CST-3，而41种化合物使至少80%的测试个体微生物群转向CST-1和CST-2。重要的是，个体间PhyloFunc距离的标准差显著低于平均值，表明药物响应在生态系统水平上具有跨个体一致性。

神经药物亚群对离体人肠道微生物群产生相似功能影响

七种神经类药物（amoxapine、duloxetine、fluoxetine、fluphenazine、fluvoxamine、paroxetine和sertraline）对肠道微生物群产生近乎相同的宏蛋白质组效应。与对照组相比，这些药物导致1447个蛋白质显著减少，357个蛋白质显著增加，表现为共生菌生长抑制和机会致病菌蛋白质富集。

抗菌耐药性与功能冗余度负相关

分析显示，nFR_p变化与ARP比率呈强负相关（Pearson相关系数r = -0.695±0.154），且两者均与分类多样性（TD）响应无关。核密度估计（KDE）显示微生物群存在双峰功能状态：高nFR_p-低ARP状态和低nFR_p-高ARP状态。

增强功能冗余度缓解药物诱导的ARP

通过2×2因子设计实验，发现添加低聚果糖（FOS）能够抵消舍曲林（sertraline）引起的nFR_p下降和ARP升高。与单独使用舍曲林相比，舍曲林+FOS处理显著增加nFR_p并降低ARP，表明提高功能冗余度可能有助于维持微生物群对神经药物诱导的抗菌耐药性的抵抗力。

结论与讨论

本研究通过系统性宏蛋白质组学分析，揭示了药物对人类肠道微生物群功能生态的深远影响。研究发现神经类药物对微生物群落具有特别强烈的影响，通过降低功能冗余度并提高抗菌耐药蛋白水平，推动微生物群向替代功能状态转变。更重要的是，研究提出了基于功能冗余度的生态调控策略，证明通过预生物干预可能帮助维持微生物群在面对药物扰动时的恢复力。

该研究的创新之处在于将系统生态学框架应用于药物-微生物组相互作用研究，提出了功能景观的概念模型，为理解微生物群落对药物扰动的响应提供了新视角。然而，作为离体培养模型，该研究未能重现宿主-微生物组相互作用，且未直接验证药物与微生物蛋白靶点的分子相互作用机制。未来研究需要结合更大规模的人群验证和机制探索，以将这些发现转化为个性化的药物干预策略。