呼出的“废气”暗藏玄机，揭秘微生物组奥秘

发布于： 2023-10-27 19:21

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编者按

粪便是微生物组领域最常用的研究样本，然而，我们呼出的气体中其实也包含着许多微生物代谢的信息。那么我们应该如何利用这些气体呢？

今天我们共同关注微生物代谢物与呼吸之间的关系。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

微生物组与疾病健康

几十年来，我们通过研究器官、组织、细胞及其之间的相互联系，建立了对疾病机制的理解。研究这些功能要素是如何工作，以及如何协同作用以维持我们的生命，对于我们了解这些系统如何以及为什么在疾病期间崩溃至关重要。

此外，我们现在意识到，人体被细菌、真菌和古菌等各种微生物（统称为微生物组）定植，它们与我们的身体之间相互作用，它们彼此之间也发生相互作用。因此，我们意识到过去我们对疾病发生发展过程的理解是不完整的。科学家们正在研究微生物组和身体组织之间的相互作用，并且已经获得了关于微生物组对我们健康作用的重要见解。

微生物组的组成在不同部位和不同人之间都是不同的，并且人们认为它会随着我们年龄的增长而发生改变。它在胃肠道中尤其多样化，胃肠道是地球上拥有最丰富的微生物的生态系统之一。

肠道微生物组中有一些物种可以通过厌氧发酵来消化我们饮食中的纤维物质。我们天生缺乏酶来处理这些纤维物质¹。然而，当肠道微生物组变得不平衡时，我们的健康就会受到影响。例如，如果上消化道含有异常的微生物群落（通常包括结肠内的原生细菌），或者如果它含有过多的细菌，就会出现小肠细菌过度生长（SIBO）的情况。SIBO症状包括腹胀、腹泻和营养吸收不良²。

微生物组与多种疾病的病理生理有关。具体的例子包括非酒精性脂肪性肝炎³和心脏代谢疾病⁴。微生物组也被证明可以通过直接（抗原性）和间接（分泌代谢物影响免疫调节）机制促进肿瘤的发生和发展⁵。

药物的药代动力学可受到微生物组，特别是肠道微生物组的影响。例如，迟缓埃格特菌（Eggerthella lenta）的存在可以将心脏药物地高辛代谢为无活性的代谢物——二氢地高辛⁶。这种影响对个性化医疗具有重要意义，因为微生物组的存在从另一层面阐述了为什么个体对药物干预会有不同的反应。肠道微生物组在免疫系统调节中所起的良好作用证明了微生物组与个性化医疗的相关性。据了解，肠道微生物组可以显著影响免疫检查点抑制剂（一类用于抗癌治疗的药物）的疗效⁷。

微生物来源的挥发性有机化合物

微生物组与疾病机制之间存在着密切的联系，破译个体微生物菌落的活动为发现新的生物标志物提供了机会。微生物通过自身独特的代谢途径可以产生挥发性代谢物，这是一种气态碳基分子，也被称为挥发性有机化合物（VOCs）。这些化合物是由体内多种过程产生的，但它们也可以来自体外。微生物源的VOCs通过多种机制产生。例如，在肠道中，微生物代谢发酵食物可以产生VOCs。

大量已发表的研究将微生物代谢物与疾病以及它们在体内的确切生物学起源联系起来，这些代谢物中的许多都具有挥发性⁸。因此，研究微生物组及其与健康和疾病的关联的一种有前景的方法是分析呼出的气体成分，这些气体中包含着微生物活动的信息分子标记。

呼出的气体中含有数千种VOCs。这些VOCs可以在全身产生，通过循环系统，穿过肺泡膜释放到肺部。比如，肠道微生物组会产生氢气和甲烷，目前我们可以通过氢气和甲烷呼吸测试（HMBT）试剂盒对其进行测量，并用于诊断目的。

呼吸中这些气体的特定浓度可用于诊断SIBO和碳水化合物吸收不良（后者的表现类型包括乳糖和果糖不耐症）等疾病。然而，还有许多与微生物组相关的条件可以改变呼出气体中的VOC浓度，而呼吸采样是检测和研究各种微生物生物标志物的重要手段。

呼吸测试的优点

微生物组调节人类健康和疾病的机制围绕着微生物产生的代谢物。当前，通常使用粪便、血液和尿液样本对微生物代谢物进行分析。然而，对呼出气体中微生物代谢物进行分析可以提供一种更优的方法，其提供了一种非传统的、标准化的、用户友好的方法来研究挥发性微生物代谢物。

使用呼气测试有很多好处：它实际上是一种取之不尽的资源；样品可预浓缩；其固有的非侵入性正吸引着患者、临床医生和临床科学家。许多疾病，特别是胃肠道疾病，都是通过侵入性活检进行诊断和监测的，例如通过内窥镜或外科手术进行的活组织检查。这些是难以忍受的，会导致患者不愉快的经历，因此要尽可能避免。

所有形式的侵入性手术都有造成感染或周围组织损伤的风险，而呼吸收集是完全非侵入性的，因此消除了相关的风险。侵入性测试通常更昂贵，而呼吸取样的成本要低得多。

另一个好处是，研究人员可以定期、短时间间隔地采集呼吸样本，而且每次都可以收集大量样本。由于这一手段还具有非侵入性的特征，因此可以方便地纵向监测一系列代谢途径。此外，还无需要求病人到诊所进行呼吸测试。如果测试是便携式的，那么可以在任何地方收集样本。

这些益处与临床试验尤其相关，在临床试验中，呼吸分析可以提供参与者对治疗反应的代谢变化的近乎实时的信息，呼气中的化合物有可能作为药代动力学/药效学、安全性或有效性标记物。接近实时的信息可以帮助临床试验的管理者调整手术方案并降低成本。这种频率的信息很难通过侵入性方法获得，因为它们更昂贵，作为重复采样的手段更困难，并且在寻求伦理批准时更有可能遇到阻碍。

基于呼吸的医学测试的未来

我们才刚刚开始了解微生物组对我们健康的影响程度，但我们已经看到了这一领域正在快速发展。许多呼吸生物标志物候选物正在产生，它们有望揭示健康和疾病背后的过程。预计这些即将获得的见解将使个体患者受益。

目前的呼吸研究正在展示如何将一种测试物质引入人体，以测量已知VOCs的产生，从而深入了解肝功能等代谢活动⁹。类似的原理适用于HMBT试剂盒，其底物可以诱导肠道微生物产生氢气和甲烷。这表明呼吸研究迈出了创新的一步，这种方法可以用于分析更多的微生物代谢途径。

对VOCs和微生物代谢之间关系的理解已经有了明显的进步。通过对粪便、血液和尿液进行代谢组学分析，研究人员完成了许多机制研究与基础研究。由此可见，呼吸研究完全可以帮助这一领域取得进一步的发展，因为代谢活动的潜在变化，包括来自微生物组的变化，可以产生具有特定疾病特征的VOCs模式。

对微生物组的研究从另一个维度增加了我们对身体正常功能和疾病的理解，但仍有很多工作要做。探索呼吸生物标志物与微生物来源的VOCs之间的关联是一个具有挑战性但有前途的领域，近年来取得了显著进展。

该领域的关键目标包括阐明疾病期间微生物组与身体相互作用的精确机制，以及疾病状态与呼吸样本中测量的VOCs水平波动的相关性。当我们一一实现这些目标之后，将有可能开发出个性化的、无创的呼吸测试，以在诊所甚至在家里用作诊断和/或监测工具。

参考文献：

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1.Cronin P, Joyce SA, O’Toole PW, O’Connor EM. Dietary Fibre Modulates the Gut Microbiota. Nutrients 2021; 13(5): 1655.

2.Sachdev AH, Pimentel M. Gastrointestinal bacterial overgrowth: pathogenesis and clinical significance. Ther. Adv. Chronic Dis. 2013; 4(5): 223–231.

3.Bajaj JS, Heuman DM, Hylemon PB, et al. The Cirrhosis Dysbiosis Ratio Defines Changes in the Gut Microbiome Associated with Cirrhosis and Its Complications. J. Hepatol. 2014; 60(5): 940–947.

4.Aron-Wisnewsky J, Clément K. The gut microbiome, diet, and links to cardiometabolic and chronic disorders. Nat. Rev. Nephrol. 2016; 12(3): 169–181.

5.Jain T, Sharma P, Are AC, et al. New Insights into the Cancer–Microbiome–Immune Axis: Decrypting a Decade of Discoveries. Front. Immunol. 2021; 12: 622064.

6.Haiser HJ, Seim KL, Balskus EP, Turnbaugh PJ. Mechanistic insight into digoxin inactivation by Eggerthella lenta augments our understanding of its pharmacokinetics. Gut Microbes 2014; 5(2): 233–238.

7.Li X, Zhang S, Guo G, et al. Gut microbiome in modulating immune checkpoint inhibitors. EBioMedicine 2022; 82: 104163.

8.Broza YY, Mochalski P, Ruzsanyi V, et al. Hybrid Volatolomics and Disease Detection. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2015; 54(38): 11036–11048.

9.Ferrandino G, Orf I, Smith R, et al. Breath Biopsy Assessment of Liver Disease Using an Exogenous Volatile Organic Compound—Toward Improved Detection of Liver Impairment. Clin. Transl. Gastroenterol. 2020; 11(9): e00239.

原文链接：

https://www.genengnews.com/topics/drug-discovery/breath-can-deepen-our-understanding-of-the-microbiome/

关于乐翌生物

Company Introduction

杭州乐翌生物科技有限公司，旗下全资控股乐雅生物、乐为健康两家子公司，专注于呼气诊断领域前沿生物技术的研究与创新，致力于消化等多系统疾病的快速诊断与早期筛查，是集研发、生产、营销与服务为一体的综合型企业。

公司旗下自主研发Bioleya®（乐雅）呼出气体分析仪，是国内首款获批并采用国际金标准“固定式+气相色谱法”的甲烷和氢呼气检测设备。目前已广泛应用于临床，并正在形成中国专家共识，深化学科应用、规范行业标准、助力技术革新。

文章转载自："肠道产业"微信公众号

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