撰文|617

腸道菌群作為人體健康的 “隱形調(diào)節(jié)器”，其代謝活動(dòng)與多種疾病密切相關(guān)，但快速、無(wú)創(chuàng)的菌群檢測(cè)技術(shù)一直是臨床應(yīng)用的難點(diǎn)。此前的研究表明，人體釋放的許多揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）來(lái)源于微生物的代謝【1-3】。例如，結(jié)核病患者體內(nèi)的1- 甲基萘，以及瘧疾患者體內(nèi)的萜烯類(lèi)化合物3-蒈烯和α-蒎烯都與微生物緊密相關(guān)【4-8】。

那么腸道菌群對(duì)宿主呼出的VOCs貢獻(xiàn)與影響有多大？是否可以通過(guò)評(píng)估宿主呼出的VOC s ，來(lái)推測(cè)腸道菌群的組成從而識(shí)別健康問(wèn)題？

近日，美國(guó)華盛頓大學(xué)Andrew L. Kau團(tuán)隊(duì)和費(fèi)城兒童醫(yī)院Audrey R. Odom John團(tuán)隊(duì)合作在Cell Metabolism雜志上發(fā)表了題為The gut microbiota shapes the human and murine breath volatilome的文章。該研究通過(guò)人體隊(duì)列與動(dòng)物模型相結(jié)合的方式，首次系統(tǒng)證實(shí)腸道菌群可影響人和小鼠呼出的VOCs，為開(kāi)發(fā)非侵入性腸道菌群診斷技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。

人體隊(duì)列：呼吸VOCs與腸道菌群 高度相關(guān)

作者首先通過(guò)一個(gè)納入27名健康兒童（6-12歲）的隊(duì)列， 來(lái) 確定腸道菌群組成是否與呼吸VOCs之間存在相關(guān)性。

作者使用宏基因組 測(cè)序技術(shù) 對(duì)糞便樣本進(jìn)行了腸道菌群表征，使用氣相色譜-分型時(shí)間質(zhì)譜（ GC-qToFMS）對(duì)VOCs進(jìn)行分析。

結(jié)果顯示，腸道菌群與VOCs顯著相關(guān)：（1）腸道菌群的物種組成、功能基因簇（UniRef90）、代謝通路與VOCs的PROTEST相關(guān)系數(shù)分別達(dá)0 .74、0.79和 0.71 ， 且均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性；（2）在作者篩選出的37種核心呼吸VOCs成分中，35種的含量變異20%以上可由腸道菌群組成解釋?zhuān)糠?萜烯類(lèi)化合物（如蒈烯、β- 蒎烯）的變異解釋度高達(dá) 40%；（3）特定腸菌與VOCs存在明確關(guān)聯(lián)，如 Roseburia sp. CAG471對(duì)異戊二烯存在顯著影響； 而卵形擬桿菌（Bacteroides ovatus）作為短鏈脂肪酸生產(chǎn)者，與短鏈脂肪酸乙酸的呼出水平正相關(guān)。

小鼠模型：菌群是呼吸VOCs的關(guān)鍵塑造者

接著，作 者開(kāi)發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化的小鼠呼出氣體收集方案，利用單向氣流的小鼠呼吸機(jī)收集小鼠的呼出氣體，并用GC-GC-MS進(jìn)行表征。

為進(jìn)一步確認(rèn)腸道菌群對(duì)呼吸VOCs的影響，作者開(kāi)展了 小鼠 菌群移植試驗(yàn)，結(jié)果顯示 :（1） 接受不同供體菌群的小鼠，其呼吸 VOCs譜呈現(xiàn)顯著差異，且與供體菌群組成高度相關(guān)（PROTEST相關(guān)系數(shù)0.75）; （ 2 ） 35種VOCs中有22種在無(wú)菌小鼠（對(duì)照組）和定植小鼠（實(shí)驗(yàn)組）之間存在顯著差異；（3）腸道菌群組成可以解釋34種VOCs的部分變異，其中解釋度最高的前5種VOCs平均變異解釋率超過(guò)40%；（4）與人體研究一致，特定腸菌與VOCs存在明確關(guān)聯(lián)，如約翰遜乳桿菌與丙酮負(fù)相關(guān)，而已有研究表明乳桿菌屬能夠在體外還原丙酮。

為了檢驗(yàn)人源微生物是否能夠影響呼吸VOC，作者通過(guò)灌胃法將健康人供體的糞便樣本接種到無(wú)菌小鼠內(nèi)，并將定植人體菌群的小鼠與對(duì)照組無(wú)菌小鼠分別飼喂兩種模擬西方飲食的飼料。兩種飼料成分相同，脂肪比例不同。

比較定植小鼠和對(duì)照無(wú)菌小鼠 的VOCs譜 發(fā)現(xiàn)，飲食和腸道菌群均對(duì)呼吸VOCs有顯著影響。在定植人腸道 菌群 的小鼠中，作者發(fā)現(xiàn)兩種飲食模式的小鼠腸道菌群無(wú)顯著差異（可能由于兩種飲食的膳食纖維含量相似），但是呼吸VOCs仍存差異， 表明高脂飲食與腸道菌群對(duì)呼吸VOCs影響相互獨(dú)立 。此外， 結(jié)果還表明， 性別可能也會(huì)影響VOCs。

體外+小鼠實(shí)驗(yàn)：人體腸道微生物直接產(chǎn)生可檢測(cè)的VOCs特征

盡管通過(guò)小鼠實(shí)驗(yàn)支持了“腸道菌群影響宿主呼吸VOCs”這一觀點(diǎn)，但是這些實(shí)驗(yàn)使用了復(fù)雜的腸道菌群， 難以評(píng)估 單一成員對(duì)呼吸VOCs譜的貢獻(xiàn)。為評(píng)估單個(gè)腸道微生物是否會(huì)產(chǎn)生可在呼出氣體中檢測(cè)到的VOC s ，作者在體外純培養(yǎng)條件下，表征了單一腸道細(xì)菌的VOC譜。

Bacteroides thetaiotaomicron 的野生型菌株可產(chǎn)生吲哚，而其色氨酸酶缺陷突變株則無(wú)法產(chǎn)生。作者通過(guò)比較野生型和突變型，證實(shí)吲哚僅在野生型的VOC譜中出現(xiàn)。

接著， 作者擴(kuò)大了研究范圍，檢測(cè)了另外三種人體腸道微生物——

嗜黏蛋白阿克曼菌 （ Akkermansia muciniphila） 、 大腸桿菌（Escherichia coli ）和長(zhǎng) 雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）。 結(jié)果表明 ， 微生物的VOC譜具有特異性，不同微生物的VOC譜不同。

接著，作者將5種常見(jiàn)的腸道共生菌定植于無(wú)菌小鼠，分析其呼出VOCs。結(jié)果顯示， 純培養(yǎng)產(chǎn)生的VOCs和定植小鼠的呼出VOCs中能檢測(cè)到一致的特征性VOCs。 如大腸桿菌純培養(yǎng)產(chǎn)生的VOCs和定植該菌的小鼠呼吸VOCs中都檢測(cè)到較高的 苯并噻唑、乙酸乙酯和辛醛。

上述結(jié)果驗(yàn)證了“腸道菌群- >VOCs ”路徑，證明腸道菌群代謝物可跨器官傳遞至呼吸系統(tǒng)。

哮喘隊(duì)列：VOCs或可預(yù)測(cè)哮喘體內(nèi)與疾病相關(guān)的腸道微生物豐度

最后， 作者在兒童哮喘隊(duì)列（哮喘n=14，非哮喘n=27）中 探索 了“腸道菌群- >VOCs ”的臨床應(yīng)用價(jià)值。與之前的研究一致，該研究也發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比， 哮喘組中 Eubacterium siraeum 的豐度 顯著升高。 雖然哮喘者和非哮喘者的呼出VOCs不存在顯著差異，但是僅在哮喘組中發(fā)現(xiàn) E . siraeum 與呼出VOCs相關(guān)。 因此作者嘗試使用VOCs來(lái)預(yù)測(cè)該菌的豐度。

結(jié)果 表明 E. siraeum 的豐度變化，可通過(guò)4種關(guān)鍵VOCs（α- 甲基苯乙烯、薄荷醇、鄰二甲苯、甲苯）進(jìn)行預(yù)測(cè)，模型準(zhǔn)確達(dá) 59%，提示呼吸 VOCs 可作為菌群失衡的生物標(biāo)志物。

綜上，該研究首次建立了腸道菌群與呼吸VOCs之間的因果關(guān)系，打破了 “腸道 - 呼吸” 的器官壁壘認(rèn)知，為無(wú)創(chuàng)菌群檢測(cè)提供了全新思路。但要將該研究成果轉(zhuǎn)化成可靠的呼吸 VOCs 檢測(cè)仍面臨重大挑戰(zhàn)。不過(guò)，該研究的技術(shù)框架可以延伸至其他菌群相關(guān)疾病的研究，從而為更多疾病的無(wú)創(chuàng)診斷提供新可能。

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2025.12.013

制版人： 十一

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