近日，在《Gut Microbes Reports》发表论文Development of a Specialized Method for Simultaneous Quantification of Functional Intestinal Metabolites by GC/MS-Based Metabolomics，成功开发了一种专门的同时定量SCFAs、BAs、AAs、AA衍生物和糖类的粪便样本方法，该方法结合了基于GC/MS的代谢组学和TMS衍生化预处理过程。
研究背景
肠道微生物能够代谢未被消化的食物成分，并产生多种代谢产物，包括短链脂肪酸（SCFAs）、胆汁酸（BAs）、氨基酸（AAs）和糖类。这些代谢产物对人体健康有着重要影响，并与多种疾病相关，如感染、食物过敏、心血管疾病和肠道炎症。SCFAs，如甲酸、乙酸、丙酸和丁酸，与宿主的免疫系统密切相关。乙酸被认为可以保护宿主上皮细胞，有助于预防体内感染性疾病。丙酸和丁酸则能促进调节性T细胞的表观遗传分化。除了与免疫系统的关联，SCFAs还有助于预防糖尿病和提高耐力运动表现，并且与改善糖耐量相关，强调了肠道中SCFAs与宿主整体健康之间的复杂关系。
BAs是宿主衍生的两性消化化合物，它们在餐后从胆管分泌到十二指肠。尽管95%的BAs在小肠中被重吸收，但仍有一部分留在肠道中，被肠道微生物代谢。这些代谢产物能够诱导芽孢杆菌的萌发，调节病原细菌基因的表达，改善流感病毒和SARS-CoV-2感染，因此在维持肠道稳态中起着重要作用。
近期对肠道代谢组的研究超越了SCFAs和BAs，进一步阐明了它们与宿主健康的关系。例如，来自肠道微生物的氨基酸——脯氨酸，在抑郁症患者中水平升高。从色氨酸（一种必需氨基酸）衍生的代谢物吲哚乙酸，也已被报道影响胰腺癌化疗的效果。这些观察结果表明，肠道衍生的AAs具有系统性影响。同样，与胰岛素抵抗相关的单糖利用细菌存在于肠道中，将某些糖类的存在与否直接与宿主的血糖水平联系起来。这些发现表明SCFAs和BAs，以及AAs和糖类，是肠道中发挥功能作用的代谢物。
尽管研究肠道代谢组的价值是明确的，但目前还没有一种分析方法能够同时定量粪便样本中的SCFAs、BAs、AAs和糖类。
图 1. 本研究中肠道代谢组分析的样品处理方案概述。
研究内容
小鼠样本和动物处理：使用6周龄的雄性C57BL/6J小鼠进行实验，分别给予控制饮食、高脂饮食和高微生物可利用碳水化合物（MAC）饮食，收集粪便样本进行分析。
微生物组分析：从小鼠粪便样本中提取和测量DNA，使用16S rRNA基因扩增和测序进行微生物组分析。生物信息学分析：使用QIIME2进行微生物组分析，计算Alpha和Beta多样性。
统计分析：使用Python脚本进行统计分析，包括UniFrac距离和代谢物Spearman相关距离的PCoA分析。验证了SCFAs在预处理步骤中的挥发性，发现与粪便共处理的SCFAs挥发性显著降低。对SCFAs、BAs、AAs、糖类和其他化合物进行了定量验证，确认了方法的有效性。在小鼠模型中测试了该方法，结果与先前研究一致，证实了该方法在实际粪便样本中的适用性。本研究成功建立了一种同时测定SCFAs、BAs、AAs和糖类的方法，尽管SCFAs具有挥发性，但在粪便中即使在干燥和固化后也不会挥发到无法定量的程度。
该方法可以作为肠道代谢组分析的第一步，因为它能够相对全面地测量肠道中的功能代谢物。尽管存在一些局限性，但预计该方法将推动未来的肠道环境研究。
结论与意义：
通讯作者
Shinji Fukuda专注于肠道微生物群的环境控制。在获得农学博士学位后，他在日本RIKEN研究所完成了基础科学的特别博士后研究员工作。从2012年到2019年，福田博士被特别任命为庆应义塾大学高级生物科学研究所的副教授。
