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        主頁 &amp;gt; 技術服務 &amp;gt; 非靶向代謝組

        非靶向代謝組

        非靶向代謝組

        服務介紹:

        代謝組是指某一生物或細胞在一特定生理時期內所有的低分子量代謝產物總和,代謝組學則是對某一生物或細胞在一特定生理時期內所有低分子量代謝產物同時進行定性定量分析,代謝組學則可以告訴我們實際發生的事件,因此代謝組學更能反映個體的病理生理狀態。代謝組包括非靶向代謝組和靶向代謝組,非靶向代謝組可以無偏向性地對樣本中所有代謝物進行檢測。檢測平臺主要包括液相色譜質譜聯用(LC-MS)、氣相色譜質譜聯用(GC-MS)。非靶向代謝組研究需要采用高分辨率質譜,這樣才可以檢測到盡可能多的代謝物。


        技術參數及分析內容


        技術優勢


        • 高通量檢測,覆蓋度高,可以發現新的標志物
        • 不需要構建標準曲線,實驗操作簡單


        靶向代謝物檢測范圍


        1、 短鏈脂肪酸類
        2、 中長鏈脂肪酸類
        3、 TMAO類
        4、 氨基酸類
        5、 神經遞質類

        實驗分析流程


        經典案例解讀

        英文題目: Alterations in Gut Glutamate Metabolism Associated with Changes in Gut Microbiota Composition in Children with Autism Spectrum Disorder

        中文題目:自閉癥兒童腸道谷氨酸代謝的變化與腸道微生物組成變化相關

        期刊名:mSystems

        影響因子: 5.750

        背景:

          自閉癥譜系障礙(ASD)影響美國2.24%的3-17歲兒童,目前尚無可行的實驗室診斷或有效的治療方法。多種證據表明,腸道微生物群可能通過“腸-腦”軸在ASD發病機制中發揮重要作用,在ASD患者中,通過糞便微生物群移植(FMT)啟動的腸道環境變化可改善ASD的核心癥狀。事實上,在臨床試驗中,18例ASD患者進行開放式糞便移植后,18例患者中有16例(88.8%)的胃腸道問題有顯著改善,ASD的核心綜合征也顯著改善。在腸道代謝產物異常的ASD小鼠模型中,糞便移植可以糾正代謝產物異常并改善這些小鼠的行為異常。越來越多的研究表明,腸道代謝物在ASD中也起著重要作用。例如,ASD小鼠模型顯示代謝物4-乙基苯酚硫酸鹽水平顯著增加,可通過Bacteroides fragilis降低代謝物4-乙基苯酚硫酸鹽水平,而其它腸道代謝物,如源自微生物群的短鏈脂肪酸,可調節血-腦屏障通透性并影響動物行為。這些研究表明,ASD患者腸道微環境的變化可能在疾病的發病機制中發揮重要作用。然而,目前的研究大多集中在了解這些患者腸道微生物群的分類組成,很少同時探討腸道代謝產物的組成。因此,同時研究自閉癥患者腸道微生物群和代謝產物的組成對我們了解自閉癥的病因至關重要。



        結果:

        ASD的腸道宏基因組組成

          比較ASD組和TD組兒童腸道微生物alpha多樣性,結果發現,與TD兒童相比,自閉癥兒童的腸道微生物物種豐富度顯著降低(圖1a)。為了確定各組的腸道微生物群是否能有效區分,進行了主成分分析(PCA)。PC1和PC2分別解釋了6.5%和5.43%的變化,此外,PC2可以有效地區分患有ASD和TD的兒童(圖1b)。接下來研究了腸道微生物群在分類和功能水平上的差異,發現ASD組兒童的Actinobacteria水平明顯高于TD組兒童(圖1c)。Actinobacteria中的Eggerthella lenta豐度與PC2呈顯著負相關(圖1d)。


        圖1 ASD患兒腸道微生物組成改變


          為了解ASD組和TD組兒童腸道微生物群結構和功能組成的差異,進行了MWAS分析,發現19個顯著不同的分類群:與TD組相比,ASD組兒童的11個分類群明顯更高,包括3個 Clostridium類群,2個 Eggerthella 類群, 2個 Klebsiella類群,ASD組兒童的8個分類群顯著低于TD組。在14個顯著不同的功能途徑中,ASD組的11個明顯高于TD組,包括與苯甲酸鹽降解和酪氨酸代謝相關途徑。ASD組的3個途徑明顯較低,包括與D-谷氨酰胺和D-谷氨酸鹽代謝和神經遞質代謝相關的途徑。

          為了進一步了解這些腸道微生物群組成差異的生物學意義,進行了相關和回歸分析。正如預期的那樣,腸道微生物群分類和途徑的差異是相關的,值得注意的是,ASD患兒潛在有害的高豐度Clostridium botulinum和Eggerthella lenta以及低豐度Bacteroides vulgatus與D-谷氨酰胺和D-谷氨酸鹽代謝(圖S3a)、芳香族氨基酸代謝途徑:苯甲酸鹽降解(圖S3b)、萘降解(圖S3c)和酪氨酸代謝途徑(圖S3d)相關:D-谷氨酰胺和D-谷氨酸鹽代謝與Bacteroides vulgatus, Eggerthella lenta DSM 2243呈正相關,與Clostridium botulinum Ba4 strain 657呈負相關;苯甲酸鹽降解(b)、萘降解(c)和酪氨酸代謝途徑(d)與Bacteroides vulgatus呈負相關,與Eggerthella lenta DSM 2243, Clostridium botulinum Ba4呈正相關。


        圖S3自閉癥兒童腸道微生物群分類與功能的相關性


        ASD的腸道代謝組分

          為進一步了解自閉癥患兒腸道微環境的組成,采用LC-MS/MS進行了糞便代謝組分分析,共檢測到297種代謝產物,其中陽性(ESI)和陰性(ESI)分別檢測到123種和174種。PCA分析表明,PC1和PC2能夠分別解釋9.87%和6.78%的變異,ASD和TD組的兒童可以根據代謝物(圖2a)進行區分。通過對腸道代謝組數據集進行MWAS分析,結果發現ASD組和TD組共有31種顯著差異代謝物,其中14種在ASD組兒童中明顯較高,包括兩種膽汁酸衍生物?;悄懰岷?-硫酸鵝去氧膽酸,剩余17種代謝物在ASD組顯著較低。為了解釋這些差異的生物學意義,進行了代謝路徑豐富度差異分析,結果發現,ASD患兒中明顯較低的代謝物(包括三種代謝物:2-酮-戊二酸、L-天冬氨酸和富馬酸)與丙氨酸(Alanine)、天冬氨酸(Aspartate)和谷氨酸(Alutamate)代謝途徑有關(圖2b)。因此,腸道微環境中代謝物的減少主要影響丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸的代謝,并意味著神經遞質代謝的改變。


        圖2自閉癥患兒腸道代謝組分的變化與腸道微生物群的變化顯著相關


        腸道宏基因組-代謝組學關聯

          為了了解腸道代謝物中的重要變化是否與自閉癥兒童腸道微生物群組成有關,首先對31種不同代謝物和宏基因組成分(PC1/2)進行回歸分析,發現大約一半(16/31)的代謝物與PC1/2顯著相關,這可能意味著腸道代謝物的變化與腸道微生物群組成的變化有關。此外,還將不同的代謝產物與不同的宏基因組成分聯系起來,結果表明,大多數代謝產物不僅在分類水平上與腸道微生物群組成相關(圖S4),而且在功能水平上也與腸道微生物群組成相關(圖2c)。有趣的是,腸道微生物谷氨酸Glutamate代謝的減少與腸道激素11-deoxy PGF2的改變有關,而腸道激素皮質醇Cortisol的改變與潛在有害細菌Eggerthella lenta DSM 2243增加有關。此外,還發現自閉癥兒童腸胃中的芳香族Aromatic代謝發生了改變,芳香族Aromatic代謝的改變與腸激素皮質醇Cortisol有關,與Bacteroides vulgatus和Bacilli數量的變化有關。


        圖S4 ASD和TD兒童的差異腸道代謝產物和差異微生物具有相關性



        圖2c 不同代謝產物與腸道微生物功能途徑有關


          ASD和TD兒童的飲食模式無顯著差異。評估了重要臨床表型(如胃腸道問題GI problems和性別gender)對核心物種分類群和代謝物的影響,發現胃腸道問題與Bacteroides vulgatus, Eggerthella lenta, Clostridium botulinum, 2-keto-glutaramic acid, cortisol的存在沒有關聯。同樣,性別對核心分類群和代謝物的存在也有有限的影響。

          最后,為了進一步驗證不同的腸道代謝產物是否是自閉癥的潛在生物標志物,從49名自閉癥兒童和11名TD兒童中收集糞便樣本,并使用LC-MS/MS和系統代謝組學分析進行差異檢測,結果發現,與發現階段一樣,參與谷氨酸代謝的代謝物(如2-keto-glutaramic acid,2-酮基-戊二酸)在自閉癥兒童腸中明顯較低(圖3c和d)。


        圖3腸道2-酮基-戊二酸是ASD的潛在標志物。(a)較高水平的腸道2-酮-戊二酸與較低含量的腸道微生物群有關,這些微生物群與D-谷氨酰胺和D-谷氨酸鹽代謝途徑有關。(b)較低含量的Bacteroides vulgatus與較低水平的D-谷氨酰胺和D-谷氨酸鹽代謝途徑顯著相關。(c和d)在發現和驗證階段,腸道2-酮-戊二酸的水平分別顯著降低。


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