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Gut(IF=19.819):時間序列分析研究人在長期密閉環境下的微生態和代謝物變化

分類:公司動態   發布時間 2020-09-22   閱讀: 1146

代謝組學
時間序列分析研究人在長期密閉環境下的微生態和代謝物變化【1】

文章標題:Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-term isolation confinement
發表期刊:GUT
發表時間:2020年9月10日
影響因子:19.819
百趣生物提供服務:代謝組+16s檢測分析
 
此外,百趣健康研究院劉志鵬研究員也參與本篇文章相關研究工作。接下來為您詳細解讀該文章。

長期在密閉環境中生活對人的身體健康(如免疫能力、聽力、腦功能都能)和心理健康具有顯著性影響,且多組學技術的快速發展為綜合性評估和了解人體健康提供了更深入和廣泛的支持。比如Flemer等發現將口腔和腸道微生物結合能夠顯著性提高結直腸癌的檢測【2】,Zhang等發現口腔和腸道中Haemophilus spp.在風濕性關節患者中含量低且與自身抗體負相關,Lactobacillus salivarius則剛好相反且與疾病嚴重程度具有一定相關【3】。據報道,居住地遷徙、細菌感染、無規律飲食、晝夜節律變化等各種外部因素都會影響菌群微生態的變化【4】?谇缓湍c道微生物組兩者都有豐富的菌群結構,但是因為生理結構較遠,兩者間菌群分布和代謝狀態不一,并且兩者間展現出了一定的互作作用【5】。動態性研究人在長時間密閉環境下的菌群和代謝變化在國際上比較稀缺,因此,研究長時間密閉環境下的人體口腔和腸道菌群微生態和代謝的動態變化就顯得特別重要,這將為長時間載人航天飛行保持和改善人體健康提供一定的數據支持。

本研究共募集了4位模擬航天員進行180天的受控生態生命保障系統集成試驗(CELSS),一共獲取了18個時間的樣本,如圖1所示,主要包括進艙前(Before)、在艙中(M1+M2+M3)和出艙后(After),其中獲取的唾液和糞便樣本進行微生物檢測,血漿、尿液和糞便樣本進行代謝組學檢測,通過將人的多個部位樣本的代謝組學和宏基因組學結果進行聯合分析,用于評估人體微生態系統和代謝穩態與密閉環境間的相互作用。


代謝組學

圖1. Overview of the study design and sample collection (saliva (S), faeces (F) and plasma (P)) in the controlled ecological life support system. The experiment was divided into five stages: before going into the space capsule (Before), pre-Mars landing (M1), Mars landing (M2), leaving Mars and returning to Earth (M3) and landing on Earth and exiting the space capsule (After). ‘-’ means that a sample was not obtained from this person at this time point. See online supplementary file for more details. 

如圖2A-B所示,PD whole tree和PCOA分析表明人在‘space travel’(M1+M2+M3) 和 ‘Mars solar day’(M2)期間菌群多樣性在糞便中是非顯著性降低的,而在唾液中是非顯著性增高的。門水平上,從‘Mars solar day’(M2)到出艙期間人的唾液和糞便中Bacteroidetes附隨Firmicutes相互變化(圖2C-D)。Firmicutes/Bacteroidetes比值被報道與肥胖可能有一定的關系【6】,從圖2E-I中可以發現,該比率隨著時間不斷變化。在屬和種水平上,糞便和唾液中的菌群隨著時間變化可分成不同的聚類(P<0.05)。如圖2H所示,在糞便中,與抗炎作用相關的菌群在進艙后到出艙后期間呈現增強趨勢,而與促炎作用相關的菌群在進艙后到出艙后期間呈現降低趨勢。相關性分析表明糞便菌群和血漿中的phosphatidylcholine:phosphatidylethanolamine的互作變化在機體炎癥的調節作用中可能發揮一定的作用(圖2J-K)【7】。在唾液中,與牙周炎發生相關的菌群在進艙后到出艙后期間呈現出增強趨勢(圖2I),且與唾液菌群相關的代謝物具有促進生物膜生成、牙槽骨喪失和系統性疾病發生的作用(圖2L)【8】。此外,還發現糞便和唾液樣本中Streptococcus salivarius subsp. salivariusStreptococcus dentisani 是共同顯著性差異菌群。



圖2. 動態的微生態和代謝變化

總之,本研究發現人在CELSS居住180天,人體多部位的微生態和代謝出現了一定的動態變化。部分變化與疾病的潛在發生具有密切關系,且在整個過程中兩個不同部位菌群的變化具有一定的穩定性,這與Turroni等的發現具有一定的一致性【9】。該研究加強了我們對人在長時間密閉環境下菌群和代謝穩態變化的了解,為未來實現更長時間的CELSS試驗或太空飛行提供一定的支持和幫助。

參考文獻:
1. Feng Q, Lan X, Ji X, et al. Time series analysis of microbiome and metabolome at multiple body sites in steady long-termisolation confinement  Gut. doi:10.1136/ gutjnl-2020-320666.
2. Flemer B, Warren RD, Barrett MP, et al. The oral microbiota in colorectal cancer is distinctive and predictive. Gut 2018;67:1454–63. 
3. Zhang X, Zhang D, Jia H, et al. The oral and gut microbiomes are perturbed in rheumatoid arthritis and partly normalized after treatment. Nat Med. 2015;21(8):895-905. 
4. Fan X, Alekseyenko AV, Wu J, et al. Human oral microbiome and prospective risk for pancreatic cancer: a population-based nested case-control study. Gut 2018;67:120–7. 
5. Kato T, Yamazaki K, Nakajima M, et al. Oral administration of Porphyromonas gingivalis alters the gut microbiome and serum metabolome. mSphere 2018;3:e00460–18. 
6. Turnbaugh PJ, Ley RE, Mahowald MA, et al. An obesity-associated gut microbiome with increased capacity for energy harvest. Nature 2006;444:1027–31. 
7. Glass CK, Olefsky JM. Inflammation and lipid signaling in the etiology of insulin resistance. Cell Metab 2012;15:635–45. 
8. Qiu W, Zheng X, Wei Y, et al. D-Alanine metabolism is essential for growth and biofilm formationof Streptococcus mutans. Mol Oral Microbiol 2016;31:435–44. 
9 Turroni S, Rampelli S, Biagi E, et al. Temporal dynamics of the gut microbiota in people sharing a confined environment, a 520-day ground-based space simulation, MARS500. Microbiome 2017;5:39. 

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