微生物多样性测序分析目前在医学研究中的应用不断拓展，为理解人类健康与疾病提供了全新的视角，并推动了精准医疗和个性化健康管理的发展。
微生物多样性测序是指利用合适的通用引物扩增样品中微生物的16S rDNA/18S rDNA/ITS高变区，通过高通量测序技术检测PCR产物的序列变异和丰度信息。
微生物多样性测序技术，特别是在医学领域的应用，是一个快速发展且高度活跃的研究领域。在医学上，主要关注的是与人体健康和疾病相关的微生物群落，包括肠道、皮肤、呼吸道等部位的微生物，研究与人类、动物健康相关的微生物群落的多样性和分布规律，以揭示样品中众多的微生物种类及它们之间的相对丰度和进化关系。
针对医学样品，美格基因推出微生物多样性（医学）测序分析服务产品。通过对医学样品的微生物群落结构的解析，研究和理解微生物在人类健康与疾病中的作用。
文章一
英文标题：Colitis reduces active social engagement in mice and is ameliorated by supplementation with human microbiota members
中文标题：结肠炎降低了小鼠积极的社会参与，并通过补充人类微生物群成员得到改善
期刊：Nature Communications
发表时间：2024-3-30
样品类型：粪便、大肠腔内容物
组学策略：16S
链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46733-7
摘要：多种神经系统疾病与胃肠道（GI）症状相关，包括自闭症谱系障碍（ASD）。然而，目前尚不清楚GI困扰本身是否可以改变行为的某些方面。作者研究表明，即使结肠炎的迹象不再存在，通过与外国老鼠的互动来衡量，经历反复结肠炎的老鼠也会损害积极的社交参与。然后，作者通过对雄性无菌动物进行微生物群移植研究，然后诱导结肠炎，验证了ASD个体拥有可能对胃肠道健康产生不同影响的微生物群的假设。携带ASD个体微生物群的动物与来自家族性神经型（NT）对照的微生物群定殖的动物相比，肠道表型恶化。作者在所有家族性NT对照中发现了Blautia物种的富集，并观察到均匀拟杆菌丰度的升高与肠道损伤的减少之间的关联。用这些微生物进行口服治疗可以减少小鼠的结肠损伤。最后，提供来自NT对照的Blautia分离物可改善小鼠肠道损伤相关的积极社交参与。总的来说，研究数据表明，过去的肠道不适与小鼠活跃社交行为的变化有关，而这种变化可以通过补充人类微生物群成员来改善。
图1. 影响肠道损伤严重程度的微生物鉴定
文章二
英文标题：The airway microbiome mediates the interaction between environmental exposure and respiratory health in humans
中文标题：呼吸道微生物组介导环境暴露与人类呼吸健康之间的相互作用
期刊：Nature Medicine
发表时间：2023-6-22
样品类型：痰液
组学策略：16S、ITS、宏基因组
链接：https://doi.org/10.1038/s41591-023-02424-2
摘要：接触暴露于污染环境会影响呼吸系统健康。呼吸道微生物生态系统在暴露与呼吸健康相互作用中的作用尚不清楚。本研究通过一项全省范围的慢性阻塞性肺疾病（COPD）监测计划，对中国广东省1,651名家庭成员的诱导痰进行了基于人群的细菌（n=1,651）和真菌（n=719）分类群和宏基因组（n=1,128）调查。研究发现，吸烟和较高的PM2.5浓度分别通过细菌和真菌群落的中介与肺功能损害相关，并且暴露与慢性阻塞性肺病相似的领域间微生物相互作用增强有关。Neisseria的富集与高呼吸症状负担风险增加2.25倍相关，同时与职业污染相关的Aspergillus升高相关。本研究开发了一个个性化的基于微生物组的健康指数，该指数与暴露、呼吸道症状和疾病相结合，具有全球数据集的潜在普遍性。研究结果可能为环境风险预防提供信息，并指导利用呼吸道微生物组的干预措施。
图2. 健康、COPD前期和COPD个体之间的微生物相互作用组
文章三
英文标题：Mucosal host-microbe interactions associate with clinical phenotypes in inflammatory bowel disease
中文标题：粘膜宿主-微生物相互作用与炎症性肠病的临床表型相关
期刊：Nature Communications
发表时间：2024-2-17
样品类型：肠道组织
组学策略：16S、转录组
链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-45855-2
摘要：粘膜水平上被破坏的宿主-微生物相互作用是IBD病理生理学的关键。本研究旨在全面探究IBD患者粘膜基因表达与微生物群之间的串扰。为了研究组织特异性相互作用，作者对697份肠道活检组织（645份来自335名IBD患者，52份来自16名非IBD对照组）进行了转录组学（RNAseq）和微生物（16S-rRNA-seq）分析。IBD的黏膜基因表达模式主要由组织位置和炎症决定，而粘膜微生物群组成具有高度的个体特异性。转录-细菌相互作用的分析确定了与肠道微生物群相关的六组不同的炎症相关途径。双歧杆菌丰度的增加与脂肪酸代谢相关基因的高表达有关，而拟杆菌与金属硫蛋白信号传导的增加有关。在纤维狭窄症患者中，一个以免疫调节基因为主的转录网络在非狭窄组织中与Lachnoclostridium细菌相关，而在没有纤维狭窄症的CD中则不存在。在使用TNF-α-拮抗剂的患者中，一个以脂肪酸代谢基因为主的转录网络与瘤胃球菌科有关。粘膜微生物群组成与肠上皮细胞、巨噬细胞和NK细胞的富集相关。总的来说，这些数据表明IBD中存在上下文特异性粘膜宿主-微生物相互作用，揭示了炎症相关基因分类模块的显著改变，特别是在纤维狭窄症CD患者和使用TNF-α-拮抗剂的患者中。这项研究为宿主-微生物相互作用提供了令人信服的见解，这些相互作用可能指导微生物群定向的精准医学，并为微生物群靶向疗法作为改变IBD病程的策略提供理由。
图3. IBD患者和对照组粘膜附着微生物群的总体特征
文章四
英文标题：Combined analysis of 16S rDNA sequencing and metabolomics to find biomarkers of drug‑induced liver injury
中文标题：16S rDNA测序与代谢组学联合分析寻找药物性肝损伤的生物标志物
期刊：Scientific Reports
发表时间：2023-9-13
样品类型：粪便
组学策略：16S、代谢组
链接：https://doi.org/10.1038/s41598-023-42312-w
摘要：药物性肝损伤（DILI）是一种由药物引起的肝功能障碍，肠道菌群可影响肝损伤。然而，DILI患者肠道菌群与其代谢物之间的关系尚不清楚。提取28例DILI患者和28例健康对照者（HC）的肠道菌群DNA，扩增16S rDNA基因。接下来，筛选差异代谢物。最后，研究了诊断菌株与差异代谢物的相关性。结果表明，DILI患者肠道细菌群落的丰富度和均匀性下降，肠道菌群结构发生明显变化。属于Firmicutes的Enterococcus和Veillonella在DILI中增加，属于Firmicutes的Blautia和Ralstonia、属于Proteobacteria的Dialister在HC中增加。此外，DILI的诊断性OTU与DILI损伤机制有关。另一方面，DILI和HC样品之间存在66种差异代谢物，这些代谢物主要富集于嘧啶代谢和类固醇激素生物合成途径中。构建关键菌群-代谢产物共线性网络图谱，结果表明，Cortodoxone、Prostaglandin I1、Biocycloprostaglandin E2和Anaccardiacid与Blautia和Ralstonia呈正相关，与Veillonella呈负相关。本研究从肠道微生物群和代谢物的角度分析了DILI的变化。筛选DILI的关键菌株和差异代谢产物，并研究它们之间的相关性。本研究进一步阐明了DILI的发病机制。
图4.物种组成多样性分析
文章五
英文标题：Comparative characterization of the infant gut microbiome and their maternal lineage by a multi-omics approach
中文标题：通过多组学方法比较婴儿肠道微生物组及其母系的特征
期刊：Nature Communications
发表时间：2024-4-8
样品类型：粪便
组学策略：16S、代谢组、宏基因组
链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47182-y
摘要：人类肠道微生物组在婴儿期建立和成熟，这一阶段的失调可能导致生命后期的病理。作者进行了一项包括三代家庭成员的多组学研究，以调查肠道微生物群的早期发育。来自200个个体的粪便样品，包括婴儿（0-12个月大；55%的女性，45%的男性）和各自的母亲和祖母，使用两个独立的代谢组学平台和宏基因组学进行分析。代谢组学采用气相色谱法和毛细管电泳联用质谱法。对于宏基因组学，同时进行了16S rRNA基因测序和鸟枪法测序。研究结果显示，婴儿在粪便微生物群数量、功能和代谢组方面与老年人有很大差异。婴儿的微生物群的多样性低于成人，并且在几种代谢物类别上存在差异，例如短链脂肪酸和支链脂肪酸，这与细菌种群的变化有关。这些发现为同一世代内肠道微生物组的形成提供了创新的生化见解，可能有助于改善儿童健康结果。
图5. 使用mixOmics和DIABLO集成三个组学
参考文献：
[1] Brown, D.G., Murphy, M., Cadeddu, R. et al. Colitis reduces active social engagement in mice and is ameliorated by supplementation with human microbiota members. Nat Commun 15, 2769 (2024).
[2] Lin, L., Yi, X., Liu, H. et al. The airway microbiome mediates the interaction between environmental exposure and respiratory health in humans. Nat Med 29, 1750–1759 (2023).
[3] Hu, S., Bourgonje, A.R., Gacesa, R. et al. Mucosal host-microbe interactions associate with clinical phenotypes in inflammatory bowel disease. Nat Commun 15, 1470 (2024).
[4] He, K., Liu, M., Wang, Q. et al. Combined analysis of 16S rDNA sequencing and metabolomics to find biomarkers of drug-induced liver injury. Sci Rep 13, 15138 (2023).
[5] Barker-Tejeda, T.C., Zubeldia-Varela, E., Macías-Camero, A. et al. Comparative characterization of the infant gut microbiome and their maternal lineage by a multi-omics approach. Nat Commun 15, 3004 (2024).
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