2018-12-07浏览量:245

助力2019国自然基金申请—微生物组研究方案设计

人体微生物组研究的重要性

人是一个超级生物体,由人体身上共生的微生物菌群和人体共同构成,行驶着各项生理功能。人体微生物菌群是指生活在人体各个部位的所有微生物群体,包括细菌、真菌、古菌和病毒。目前,越来越多的研究证明菌群与人体健康密切相关,肠道菌群与肥胖、Ⅱ型糖尿病、类风湿性关节炎、结直肠癌、冠心病等的发生有着千丝万缕的关系。了解微生物组成及群落结构对人体健康及疾病的影响,有助于我们更好的了解微生物在人类健康和疾病中的作用,同时为其他科学研究提供信息和技术支持。此外,关于一些微生态制剂,包括益生菌、益生元以及粪菌移植等,研究其在疾病治疗过程的作用机制也是常见的一种研究。

方案设计分类

关于菌群与人体健康研究的文章方案设计大致可以分为以下几类:

(1)调查类的菌群研究。

(2)菌群影响因素类的研究,如遗传、饮食、生活方式等。

(3)菌群与疾病类的研究,可根据疾病的严重程度、疾病的发展进程、同一疾病的不同类型等细分。

(4)菌群验证类的文献,主要是单个致病菌导致疾病的过程或单个菌治疗疾病引起菌群变化的验证。

(5)菌群治疗类的研究,依据治疗药物和治疗方式可分为经典的西药干预、中草药干预、服用益生菌和粪菌移植等。

  此外,结合多组学,组学之间关联分析,可以更加透彻剖析菌群引起某种现象的机制。

图1 菌群与人体健康的研究思路
菌群调查类的研究思路

1、明确调查的目的,即该类调查是为了解决什么重要问题,如研究长寿人群肠道菌群特征。

2、确定调查对象和调查内容。严格明确哪些特征人群可作为入组的调查对象,收集那些可以作为该特征人群表征的一些理化因子。

3、调查范围及调查进度安排。依据调查目的、对象和内容的可行性,选择合适的地方开展调查工作并评估完成该项工作的时间,如使用中国长寿之乡广西的长寿人群研究。

4、研究方法,收集研究对象

的粪便样本,基于微生物多样性或者宏基因组高通量测序技术,研究其特征人群的微生物组成,微生物差异或功能分析等,揭示调查对象的菌群特征。

菌群影响因素类的研究思路

1、筛选X1因素、X2因素……Xn因素下的特征人群,收集其粪便进行为微生物多样性测序或宏基因组测序,记录相关的重要的临床指标。

2、分析比较X1因素条件下,XX物种丰度显著上升,YY物种丰度显著下降,找出差异物种与X1因素之间的相关性。

3、结合其余文献中已发表的结论,指出X1因素影响下,XX物种增加可能提高抗炎或促炎作用,增加某种疾病的患病风险,对后续的应用有指导作用。

菌群与疾病类研究的研究思路

1、研究疾病是否与微生物有关联?一般情况下简单设计健康组和疾病组,通过比较健康组和疾病组的微生物组成,找出疾病与健康状态下差异的微生物,结合临床指标,确定与疾病显著相关的微生物。

2、研究疾病与微生物之间的因果关系,是疾病的发生导致菌群失调(可诊断),还是菌群失调促进的疾病的发展(可早筛)。通过比较不同疾病进程目标样本中微生物的组成,研究随着疾病的发展,微生物的变化趋势,找出随疾病进程变化一致的驱动菌,继而确定微生物对疾病是否有促进作用。

3、验证是否是仅改变菌群就可以促进疾病的发生发展。将患者和健康人的粪便菌群移植到小鼠(通常是抗生素处理过的SPF小鼠或无菌小鼠)中,结合临床理化指标,观察患者菌群是否能促进小鼠疾病的发生和发展,研究小鼠菌群的改变以及菌群对其疾病的作用。

4、研究菌群对疾病发生发展的促进作用是多个菌共同作用的结果,还是有关键菌在起主导作用。基于第二步研究的疾病驱动菌,利用细胞实验和小鼠模型进行验证,研究关键菌在疾病发生发展中的作用和机制。

5、研究关键菌在临床应用的意义。通过生物信息和统计方法构建疾病预测模型,研究微生物和传统疾病诊断方法对疾病的诊断效果,筛选出灵敏度和特异度都较好的诊断模型,确定最佳诊断疾病的单菌或混合菌标记物。

该研究思路源于香港中文大学于君教授关于结直肠癌与菌群之间一系列由浅入深、全面详细的研究成果,为深度挖掘菌群与疾病的相关作用及其一些临床应用的科研工作者提供参考。

 菌群验证类的研究思路

1、基于之前已报道或已进行的研究,锁定的一种或几种致病菌/益生菌。基于选定的微生物,构建对应的小鼠模型,如果研究检测X菌(致病菌),灌胃给健康的易感或无菌小鼠X菌;如果研究Y菌(益生菌),灌胃给疾病的模型小鼠Y菌,描述小鼠的临床症状,疾病相关的/临床理化指标,判别X菌或Y菌的效果。

 2、收集X菌/Y菌处理后和对照组小鼠的粪便样本,通过高通量测序手段研究各样本之间的微生物群落结构,分析X菌/Y菌处理后XX菌丰度上升,XX菌丰度下降,从而判断X菌/Y菌是否改变肠道菌群结构,探讨X菌/Y菌如何调控肠道菌群导致疾病或改善疾病。

3、结合小鼠的临床指标,疾病相关的临床理化指标与微生物的结果,探究X菌/Y菌导致疾病或改善疾病的微生物相关的作用机制。

菌群治疗类的研究思路

1、研究X治疗手段(手术、药物/不同药物组分干预、不同剂量药物干预、药物干预不同天数、益生菌干预或粪菌移植等)对某种疾病的治疗效果(临床指标、疾病相关理化指标或基因表达情况等),基于临床指标初步判断X治疗手段对疾病的治疗效果。

2、比较疾病组、X治疗手段干预后(疾病干预组)响应组与非响应组及健康对照微生物组成的差异:XX菌丰度上升,YY菌丰度下降。对差异显著的肠道菌群XX/YY进行功能分析和疾病临床理化指标的相关性分析等,进一步揭示XX/YY菌与疾病临床理化指标之间的关系,探讨X治疗手段干预对肠道菌群的影响,结合临床指标,找到疾病治愈的标志性微生物,进行后续验证。

3、验证是否由于菌群变化引起疾病或治疗疾病。移植疾病组和健康组的菌群给健康小鼠,根据小鼠的临床理化指标判别菌群是否引发疾病;移植X治疗手段干预后响应组和非响应组的粪便给疾病模型的小鼠,临床检查小鼠的症状是否有所缓解,从而判断菌群是否是疾病治疗的关键因素。

菌群与代谢组学关联分析的研究思路

1、微生物组差异分析比较,找出与目标群体差异的微生物,研究差异微生物与相关的临床指标或理化指标的相关性,找到关注的点。

2、选定关注的代谢物(靶向代谢组学和非靶向代谢组学)进行测定,找出与目标群体差异的代谢物,探究引起差异的机制。

3、菌群和代谢物结果结合,直接呈现菌群—宿主代谢的互作关系,进而研究其背后的作用机制和意义。

 各种不同的研究思路可能激发各位科研工作者打开思维,设计有吸引力的实验方案,增加国自然申请的成功率。关于以上小锐整理的几种研究思路,如果各位科研工作者感兴趣,并且打算与小锐合作,做菌群相关的研究,可联系小锐在当地的科服代表的小伙伴们,索取锐翌新出的方案设计册子。

 下面给大家秀一下方案设计册子中的“冰山一角”—菌群治疗类的研究思路,是不是您只要修改一下,把您的分析内容嵌套进去,就是您国自然基金申请的技术路线图了。

图2 菌群治疗类的研究思路
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