Cell文獻分享：從16S微生物菌相到功能性代謝分析 @ 豐技生技's Blog

今天來和各位分享一篇臨床醫學領域中，微生物分析的經典研究案例，內容是關於克隆氏症的”creeping fat”現象，研究團隊根據不同的炎症及腸道部位，進行了非常清楚的控制組、實驗組和對照組的樣本蒐集，並進行16S metagenomics菌相分析、Biolog微生物代謝功能性分析、動物模型的建構以及免疫學功能分析。最後綜合這些實驗結果，詳細的驗證了整個疾病的發炎及微生物功能相關的訊息傳遞機制。

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讓我們一起跟隨研究團隊清晰的邏輯，了解整個研究是如何設計，慢慢抽絲剝繭，重新建構人體中，疾病與微生物的相互作用機制吧!

克隆氏症獨有的脂肪爬行現象!

克隆氏症(Crohn’s disease)是一種不明原因導致的慢性腸道炎和潰瘍，在台灣每10 萬人中約有3-4名克隆氏症患者，且以男性居多，發病高峰期是20 至30 歲的壯年一族，長期發炎可能會增加癌症的風險!

這些克隆氏症病患，有一個獨特的現象，就是在小腸壁外層容易看到”脂肪爬行” (creeping fat, CrF) 組織，他們會從腸系膜區域擴張，並包覆在發炎或纖維化的小腸區域。因此，研究團隊就想探討：克隆氏症患者的CrF組織的產生是否由腸道菌的轉移所引起的。

抽絲剝繭、精細的實驗樣本蒐集與對照!

為了瞭解克隆氏症獨有的”爬行脂肪” (creeping fat)現象，研究團隊比較了健康腸道、克隆氏症導致的發炎腸道、結腸炎腸道以及各自的脂肪組織，並分析這些組織的16S metagenomics菌相，結果發現這些脂肪上的優勢菌種與健康的脂肪組織、潰瘍性結腸炎都不相同。

◆文獻中利用不同腸道組織、發炎種類進行實驗對照，規劃一系列的菌種鑑定及功能性分析
(圖片源自: Cell 183, 666–683, October 29, 2020)

接著，團隊進行了菌相序列功能性的預測，並搭配Biolog的MicroPlate，進行不同組織的微生物代謝功能分析。最後，再利用動物實驗模型、免疫實驗，完整描繪出克隆氏症患者的發炎腸道中，到底發生了哪些免疫系統及微生物生長的攻防反應!

◆上圖為文中作者利用Biolog MicroPlate進行不同組織部位的微生物代謝檢測
(圖片源自: Cell 183, 666–683, October 29, 2020)

腸道菌的差異和身體產生的CrF組織及免疫反應息息相關!

經過這一連串的實驗，團隊發現克隆氏症患者的腸道菌群繁殖以及一系列的發炎反應，會促使人體內會產生“爬行脂肪”(creeping fat)的現象，這是腸系膜的保護作用，可以藉由脂肪組織遷移到腸道屏障 (gut barrier)功能異常的部位，來避免有害的細菌抗原穿透脆弱的發炎腸道，而傳播到體內。但研究也發現一種名為”無感染梭狀芽胞桿菌” (C. innocuum) 的細菌特別偏愛富含脂肪的環境，會藉由從腸道組織轉移到脂肪組織上，且在迴腸外科手術切除後，這株細菌始終保持活性的狀態。離體組織試驗也顯示C. innocuum會藉由吸引M2巨噬細胞產生免疫反應，使組織重塑，並形成一個脂肪組織屏障，防止全身性的細菌感染。

小知識補充: 什麼是腸道屏障 (gut barrier)?

腸道上皮細胞由緊密連結蛋白(tight junctional proteins) 相互連接，並構成身體內在環境與腸道物質間的物理性屏障。如果腸道屏障發生異常，則稱之為腸漏 (Leaky gut) ，科學用語稱之為「腸道通透性增加」，這和腸道微生物的相互作用息息相關，已知腸炎、代謝疾病、心血管疾病、精神疾病與自體免疫疾病都和腸道微生物以及腸道通透性存在因果關係。而量測腸道上皮細胞通透性 (intestinal epithelial permeability ) 是評估腸道物理性屏障功能的重要指標。