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代谢组+肠道微生物组联合分析

人体肠道内寄生着10万亿个细菌,它们的基因总数约为人自身基因数目的150倍。肠道微生物与宿主之间进行密切的信息交流,在代谢、免疫、神经系统调控中起到了重要作用,能影响体重和消化能力、抵御感染和自体免疫疾病的患病风险,还能控制人体对癌症治疗药物的反应。这些肠道微生物主要通过小分子的代谢物与宿主进行密切的相互作用。采用16S/宏基因组手段对微生物进行研究,并结合代谢组检测,可以对肠道微生物作用和功能进行系统的研究。
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  产品介绍:

  人体肠道内寄生着10万亿个细菌,它们的基因总数约为人自身基因数目的150倍。肠道微生物与宿主之间进行密切的信息交流,在代谢、免疫、神经系统调控中起到了重要作用,能影响体重和消化能力、抵御感染和自体免疫疾病的患病风险,还能控制人体对癌症治疗药物的反应。这些肠道微生物主要通过小分子的代谢物与宿主进行密切的相互作用。微生物的代谢组学可发现肠道微生物随宿主病理生理变化的关键代谢物,为微生物组-宿主互作机制研究提供线索。肠道微生物组学(16S/宏基因组)与代谢组学联合分析在宿主生理、疾病病理、药物药理等方面取得众多进展,具有良好的应用前景。

 

  应用领域:

 

 

  研究思路:

 

 

  相关产品:

  胆汁酸、短链脂肪酸:利用靶向代谢组检测技术,针对性的对胆汁酸和短链脂肪酸进行研究。

  宿主-菌群共代谢物质检测:利用广泛靶向代谢组技术,对1200+代谢物进行进行广泛筛选,其中包含455+共代谢物质,可真实反映肠道微生物的代谢状态,发现微生物研究的新方向。数据库如下:

 

物质类别

数量

代表性物质

氨基酸及其衍生物

80+

甘氨酸、丝氨酸、色氨酸、天冬氨酸

脂质及其衍生物

35+

花生酸、葵酸、皮质醇、棕榈油酸

苯及其衍生物

40+

苯甲酸、二苯醚

核苷酸及其衍生物

60+

腺嘌呤、胞嘧啶、黄嘌呤、次黄嘌呤

有机酸及其衍生物

85+

2-羟基丁酸、肉桂酸、犬尿酸、γ-氨基丁酸

氧化脂质

25+

花生四烯酸、前列腺素D2、血栓素B2、白三烯D4

碳水化合物及其代谢物

35+

D-葡萄糖、乳糖、甘油酸、肌醇

辅酶和维生素

25+

维生素A、维生素E、抗坏血酸、泛酸

其他

70+

牛磺胆酸、甘氨胆酸、五羟色胺、甜菜碱

 

   TM广泛靶向代谢组:利用TM广泛靶向代谢组,对微生物和宿主所有代谢物进行检测,全面探索微生物与宿主代谢谱。

  16S rDNA/宏基因组微生物检测:通过测序手段对微生物样品的DNA进行检测,可对样本物种分类及丰度、种群结构、系统进化进行分析,是微生物研究的主要手段。

 

  样本要求:

  ① 共代谢物质检测样本要求

  血清、血浆:200ul/sample;液氮速冻-80℃保存,干冰寄送;若发生溶血,建议重新采样。

  尿液:500 ul /sample;液氮速冻后-80℃保存,干冰寄送。

  组织:200mg/sample;液氮速冻后-80℃保存,干冰寄送。

  细胞:≥1×107/sample;液氮速冻后-80℃保存,干冰寄送。

  脑脊液:200 ul /sample;液氮速冻后-80℃保存,干冰寄送。

  粪便及肠道内容物:500mg/sample;液氮速冻后-80℃保存,干冰寄送。

  其他样本类型请咨询相关工作人员。

  注:避免反复冻融,胆汁酸和短链脂肪酸样本要求详见各个产品。

  ② 微生物组样本要求

  粪便、肠道内容物、组织:≥1g/sample;液氮速冻后-80℃保存,干冰寄送。

  瘤胃液、发酵液、组织液(离心有明显沉淀):≥3 mL(沉淀1 g),—80℃保存,干冰寄送。

  其他样本类型请咨询相关工作人员。

  注:避免反复冻融

 

  5.文章案例

  Metagenomic and metabolomic analyses reveal distinct stage-specific phenotypes of the gut microbiota in colorectal cancer

  期刊:Nature Medicine

  影响因子:30.641

  发表时间:2019.07

 

  研究背景

  全球范围内每年超过25万人患直肠癌(CRC),绝大多数直肠癌呈散发性,散发性直肠癌主要通过腺瘤性息肉病恶化发展而成。肠道微生态系统的改变与人类健康密切相关,肠道微生态随 CRC 不同发展阶段而变化。粪便宏基因组是定量肠道菌群和诊断疾病强有力的工具,特别是具核梭杆菌(F. nucleatum) 与 CRC 的相关性机制已经阐明,肠道代谢物(氨基酸、胆汁酸、短链脂肪酸)与肠道癌变相关。因此,通过宏基因组和代谢组联合分析,试图找到一种通过肠道代谢物与菌群结构的变化规律,对 CRC 不同发展阶段进行诊断的方法。

 

  方法流程:

 

  研究结果:

  1.粪便样本中宏基因组和代谢组学特征

  为研究 CRC 中宏基因组和代谢组的特征,根据结肠镜和组织学检查结果分为9组,图1分别对616例宏基因组数据和406例代谢数据进行分析,结果发现富含芽孢杆菌属的受试者具有低丰度的普氏菌,与健康对照组相比 Megamonas 菌属(巨单胞菌属)在118例患者中为高丰度,在 CRC 发展的各个阶段显著升高。主成分分析(图 1 b)确定了拟杆菌属和普氏菌为人类肠道肠型的主要贡献者,在 PCA 中二氢尿嘧啶和尿素差异明显,但 PCA 分析未呈现出阶段的特异性。

 

  2.癌症不同阶段特异性分类和代谢组学特征

  为研究癌症不同阶段特异性分类和代谢组学特征,通过 CRC 不同阶段与健康对照组相比,在 MP 和 S0组微生物转移差别较大,Fusobacteria(梭杆菌门)、Firmicutes(拟杆菌门)、Bacteroidetes(硬壁菌门)随着肿瘤恶性程度增加而增加,其中 Fusobacteria 在两个阶段均升高,Firmicutes 和 Bacteroidetes 具有阶段特异性(图 2a)。与健康对照组相比,共有65种代谢物在至少一个阶段为显著差异。胆汁酸,短链脂肪酸,氨基酸和中心碳代谢物质与肠道微生物群密切相关(图2c)。与健康对照组相比在 MP 中脱氧胆酸(DCA)浓度增加,在 S0中甘氨酸盐、牛磺酸盐和支链氨基酸(异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸等)浓度增加。B. wadsworthia是 MP 中唯一与 DCA 相关的物种(图 2d)。A. parvulum 在 MP 和 S0组中丰度显著增加,且与A. parvulum 相关的细菌显著增加(图 2e,f)。

 

  3.KEGG 和 GO 分析微生物基因与 CRC 相关的变化

  为找到微生物基因与 CRC 的关系,通过对微生物基因组进行 KEGG 和 GO 分析,发现与健康对照组相比,1,243个 KEGG 和 KO 基因显著上调,96个下调(图 3a)。通过修改 KEGG 途径模块,限制细菌生成和降解的途径,重新呈现基因丰度(图 3b)。芳香族氨基酸代谢和硫化物生产途径与 CRCs 相关,参与苯丙氨酸和酪氨酸生物合成的基因显著升高,其中 PHC 为鉴别 S0患者与健康对照组的首选指标(图 3b)。参与苯丙氨酸降解的基因主要在 MP 中增加,参与产生遗传毒性硫化氢的 DSRA(异化硫酸盐还原酶亚基A)在 SIII/IV 中显著升高(图 3b)。

 

  4.CRC 进展期的微生物动力学及其诊断

  为研究肠道宏基因组和代谢组学数据可以作为诊断标志物,作者构建了随机森林和 LASSO 逻辑回归分类来区分健康对照与 S0、SIII/IV 病例。分别基于物种、 KO基因、代谢物或三者的组合构建了四种模型。在 S0、SIII/IV 分类中组合型模型的分类潜力优于单个模型(图4b,c),随机森林分类区别CRC患者 S0和 SIII/IV 期的 ROC 曲线下面积分别为0.78和0.85。

 

  研究结论:

  本研究对616名接受结肠镜检查的人进行了粪便宏基因组和代谢组学研究,发现除了晚期病变外,在 MP 和 S0病例中生微生物组和代谢组变化明显。核梭杆菌属相对丰度在 S0至 SIV 期持续升高,Atopobium parvulum 和 Actinomyces odontolyticus 在 MP 和 S0中显著增加。代谢物分析表明 S0支链氨基酸和苯丙氨酸含量显著增加,胆汁酸(包括脱氧胆酸)在 MP 和 S0中显著增加。微生物群和代谢物的变化发生在结直肠癌发展的早期阶段,这具有重要的病因和诊断意义。

 

 

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