体外构建猪肠道微生物生态系统的结构与功能特征及其与体内系统的比较研究

这篇研究通过模拟猪肠道微生物生态系统(SPIME)，比较了体外培养与体内肠道微生物在组成和功能上的差异。研究发现尽管仅有12.1%的物种和15%的宏基因组组装基因组(MAGs)相同，但功能特征(如KEGG通路、CAZymes和代谢物)高度保守。环境选择和细菌功能冗余是微生物组成变化与功能维持的关键因素，为肠道微生物研究提供了重要体外模型。

　　

Structural and functional characterization of a porcine intestinal microbial ecosystem developed in vitro

摘要
哺乳动物消化道蕴藏着庞大的微生物群落，这些微生物具有调节多种健康相关过程的潜力。多室动态肠道模型已被开发用于在受控环境中研究微生物群落。为了验证机械装置中体外实验产生的结果与体内研究获得的结果高度相似的假设，本研究将四头猪的粪便样本接种到猪肠道微生物生态系统模拟器(SPIME)中，培养至稳态。将所得微生物群落的组成和结构以及产生的代谢物与从同一猪的肠道中采集的样本进行比较。基于浅层鸟枪法宏基因组测序的分类学丰度鉴定显示，仅有12.1%的物种或15%的宏基因组组装基因组(MAGs)在源猪的结肠区室和SPIME之间共享。尽管存在这些巨大的组成变化，但通过功能丰富度、MAG水平特征、CAZymes和非靶向代谢组学测量表明更高的功能保守性。环境选择和细菌功能冗余被认为是微生物组成变化和功能保存的两个关键因素。

引言
哺乳动物胃肠道(GIT)中栖息着约10^13-14个细菌细胞，它们调节许多消化和健康相关过程。研究肠道微生物群对健康和疾病的贡献以及应用这些知识进行治疗益处越来越受到科学和工业界的关注。目前有几种方法用于研究肠道微生物群，使用粪便样本仍然是最流行的，因为它简单、快速且成本低。缺点是它提供的信息有限，不能代表任何不同结肠区域的独特组成。肠道微生物群、食物和非食物成分之间的相互作用也可以通过分析粪便、尿液、血液或其他器官的代谢物来评估。这种方法随着新的分析技术和仪器的发展而增长，但它只提供间接信息，结果可能受到样品制备的时间和方法的极大影响。

使用动物模型是研究饮食、药物和化学物质对肠道微生物群影响的另一种有力方式。特别是猪，由于其在生理学、遗传学和肠道微生物生态学方面的相似性，是人类的优秀模型。然而，动物模型的使用受到伦理问题、肠道微生物生态系统的复杂性以及与体内采样位点相关的多重挑战的限制。这些因素共同促使了体外方法的发展，用于肠道微生物组和代谢组研究。

材料与方法
本研究根据欧洲指令2010/63/EU和比利时皇家法令KB29.05.13的伦理标准和实验室动物护理建议进行。使用四头九周大的TopigsNorsvin × German Piétrain仔猪(ILVO, Melle, Belgium)进行实验。动物适应3周后，在第21天收集每头猪的粪便样本，并在AnaeroGen袋中保存以去除所有氧气，并按照Rotsaert等人的描述进行冷冻保存。

用于体外实验的培养基是标准的猪饲料，该饲料也用于在3周内从饲养到终止期间喂养动物。预消化的猪饲料，食糜，在小肠末端收获，按照先前出版物和ProDigest操作手册中的描述制备。

结果
微生物组成在体内和SPIME群落之间存在显著差异
浅层鸟枪测序用于详细描述从四头猪的结肠、粪便和相应的SPIME中开发的微生物群落的组成和结构。使用得到的分类学谱，计算了α和β多样性。第一个α多样性指标是分类学丰富度(TR_α)。结果显示，在体内和体外群落之间观察到的TR_α存在统计学显著差异。培养后，TR_α在近端(PC)和远端结肠(DC)区域的管腔和黏膜群落中显著下降，随后随时间变化不显著。

SPIME微生物群落保留体内代谢谱
图5和补充表4显示了在猪结肠不同区域和SPIME内鉴定的667种注释代谢物。热图显示，体内和体外群落之间的代谢物差异是定量的，而不是存在或 absence的差异。总体而言，95.6%从体内群落鉴定的代谢物也在至少一个SPIME群落中鉴定到，有一些例外。

讨论
将猪粪便样本接种到SPIME中导致了在体外模型的PC和DC区域内以及这些区域的管腔和黏膜生态位内发展出独特的、稳定的亚群落，这些亚群落在系统发育上与起始粪便材料相似。考虑到在粪便样本和体内群落之间未检测到TR_α和香农多样性指数的显著差异，PCoA视觉距离显示，从体内群落到粪便样本的加权和非加权UniFrac距离比从SPIME群落短。

尽管SPIME的物种丰富度低于体内群落，但从体内鉴定的96%的命名代谢物也在SPIME群落的至少一个样本中测量到，因此代谢物差异是定量的而不是 absence。基于性状的基因组解析功能谱分析和CAZyme测定也显示，分类群的丢失仅对SPIME群落的整体功能潜力产生相对较小的影响。