编译：雪花飘飘，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

粪菌移植（fecalmicrobiota transplantation, FMT）是一种以复合菌群干预为基础的治疗手段，通过将健康供体的粪便菌群移植入患病动物或人体肠道内，达到重建受体肠道菌群、治疗和改善疾病状态的目的。FMT以其高的安全性、可靠性和治愈率引起广泛关注，逐渐成为治疗人和动物病原菌感染、坏死性结肠炎、腹泻和繁殖与呼吸综合征等疾病的常规手段。然而，肠道微生物组在结构、功能和代谢方面呈现出明显的区室化特征，源于特定肠道生态位点的微生物可能具有靶向分区定植特性。粪便作为消化道的排泄残渣，其菌群在结构和功能上更接近后肠段，并不能完整代表整个肠道微生物区系。因此，FMT可能仅能有效改善后肠的菌群组成，而忽视小肠微生物重要的生理和营养调节功能。与传统FMT相比，使用基于空肠、回肠、盲肠、结肠等组合而成的全肠道微生物移植（Whole-intestinal microbiota transplantation, WIMT）可通过靶向重塑受体生态位点（尤其是小肠）的菌群定植，进而更好地改善机体健康和营养利用表型。

论文ID

原名：Spatial heterogeneity of bacterial colonization across different gut segments following inter-species microbiota transplantation

译名：菌种间菌群移植后不同肠道段细菌定殖的空间异质性

期刊：Microbiome

IF：11.607

时间：2020.10

通讯作者：王军军，魏泓，赵江潮

通讯作者单位：中国农业大学，华中农业大学，美国阿肯色大学

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主要内容

研究基于无菌鼠平台，首先通过将来源于猪不同肠段（空肠、回肠、盲肠、结肠）的微生物分别移植至无菌小鼠体内（图1），通过系统分析供体与受体特定肠段微生物的组成与功能、肠道发育和基因表达，首次证实了不同肠段微生物组的靶向分区定植特性，即来源于某一特定肠段的菌群及其功能更倾向于定植在其受体的对应肠道位点。

图1处理和样本收集的时间表

1 外源细菌在不同肠道段定植的空间异质性

作者首先研究了微生物移植是否遵循生态位特异性模式，通过接种无菌小鼠，从猪的不同肠道段收集消化物。

2 不同肠道段的生态位特异性定植

在群落水平上，作者计算了接受空肠(JMA)、回肠(IMA)、盲肠(CEMA)、盲肠(CEMA)和结肠(CoMA)微生物移植的无菌小鼠肠道微生物在不同位置的β和α多样性及Shannon指数。主坐标分析(PCoA)图显示，不同受体小鼠组间微生物群落结构差异显著(图2)。基于Bray-Curtis和Jaccard距离的PERM方差分析表明，供体和受体的肠道段对受体肠道外源性微生物的重建有显著影响，约40%的变异归因于供体(F=33.44，P=0.001)。受者的肠道段也解释了约6%的改变受者肠道微生物区系(F=3.38，P=0.001)。

因此，为了进行后续分析，将受者的空肠和回肠样本汇集成小肠样本，而将受者的盲肠、结肠和粪便样本汇集成大肠样本。不同受者之间从受者到供体的距离有显着性差异(图3a，c，P< 0.0001)。在小肠样本中，JMA小鼠从受体到供体空肠的Jaccard和Bray-Curtis距离最小。在大肠样本中，CoMA小鼠与供体结肠的距离最小。与大肠样本相比，JMA小鼠的小肠样本与供体空肠样本的Jaccard和Bray-Curtis距离明显较小(图3b，d，P< 0.0001)。相反，CeMA小鼠的大肠样本与供体的Jaccard距离明显小于小肠样本(图3b，P< 0.001)。与小肠样本相比，CoMA的大肠样本与供体的距离显著小于Jaccard和BrayCurtis(图3b，d，P< 0.001)。这表明，从特定肠道段接受微生物移植的受体的相应肠道区域可能与其供体肠道段具有更相似的微生物结构。关于整个微生物群落的α多样性，也观察到不同受体之间的显著差异(图3e，g，P<0.001)。在IMA小鼠的SI和LI之间没有观察到α多样性的显著变化(图3f，h)。然而，在SI中检测到更大的微生物多样性，包括Shannon指数(P=0.053)和观察到的特征数(Sobs)(P<0.0001)，而在本研究中，JMA小鼠的LI中检测到更大的微生物多样性(图3f，h)。这些发现表明，从一个特定的肠道段移植微生物可以选择性地增加其相应肠道区域的微生物多样性。

图2 受体小鼠、SPF小鼠和供体猪的肠道微生物结构

图3 受体小鼠和SPF小鼠肠道微生物区系β和α多样性的差异

3 生态位相关细菌类群

从不同肠段移植外源微生物群也会显著影响受体小鼠的微生物组成。受体小鼠的重组群落组成也与供体和SPF小鼠显著不同。根据研究发现，与小肠微生物区系相比，供体的大肠肠道菌群可能更喜欢在LI中定居，而不是在接受者的SI。

4 不同肠道段的生态位特异性微生物代谢途径

随后，作者利用PICRUST2推断微生物的功能，以推断居住在受体SI和LI中的外源微生物之间的功能差异。在受体肠道的预测微生物基因通路中，STAMP的结果也显示出类似的特定生态位定植模式。SI微生物区系的代谢潜力与受者的LI微生物区系有显著差异。与受体的小肠群落相比，CeMA小鼠大肠群落与12条功能通路相关的基因显著增加。这些数据表明，供体的LI中的微生物基因通路有更大的倾向被转移到受体LI而不是SI，这也类似于上述关于群落组成的结果。

5 FMT与WIMT重组肠道微生物结构的差异

根据上述结果，来自某一肠道段的细菌群落可能更愿意居住在其相应的肠道区域的接受者。粪便作为排泄残渣，含有大多数微生物种类和功能在LI。因此，作者假设只有部分供体的大肠肠道微生物可以通过FMT转移到受体LI中，使小肠肠道微生物不受影响。

6 FMA和WIMA小鼠肠道微生物的总体组成

PCoA图和Bar图表明，WIMA小鼠的群落结构与FMA小鼠有显着性差异(图4a，b）。在FMA小鼠中观察到较大的大肠肠道微生物多样性(P<0.0001，图5a,c)大肠标本与供体之间的距离较小(P<0.0001，图5e，g)。再次表明与受体SI相比，受体LI与供体粪便之间的群落结构更相似。另一方面，FMA小鼠的LI具有更高的观察特征和Shannon指数，以及较小的Bray-Curtis和Jaccard距离从受体LI到供体的距离(P<0.0001，图5b、d、f、h)。有趣的是，与FMA小鼠相比，WIMA小鼠从受体SI到供体的Jaccard距离较大，Bray-Curtis距离无明显变化(P<0.01，图5f，h)。

图4 FMA小鼠、WIMA小鼠和供体猪的肠道微生物结构

图5 FMA和WIMA小鼠肠道微生物区系的α和β多样性的差异

7 差异丰富的外源微生物成功地移植到FMA和WIMA小鼠体内

在FMA小鼠中，50个粪便来源的特征仅在FMA小鼠的LI中定植，12个粪便来源的特征在LI中比SI中更丰富，其中大多数只属于盲肠和/或结肠群落。这些微生物主要分为反刍动物科、Prevotellaceae和Lachnospiraceae，表明FMT主要将供体猪的一部分大肠肠道微生物嫁接到受体小鼠的LI中，而只有少数小肠肠道微生物被成功地转移。至于WIMA小鼠，更多的猪源性特征仍然被移植到LI而不是SI。接下来，我们检查了特定于生态位的细菌特征，这些特征显示了在某些生态位中的定植偏好。图6显示了在供体SI中比供体LI中更丰富的几个细菌特征。一致地，这些特征要么是缺失的(F40(葡萄球菌，图6a)，F155(链藻菌，图6b）和F402(芽孢杆菌，图6c)。或是在供体粪便中比在供体全肠中少的(F9(乳酸杆菌，图6d)，F14(大肠杆菌，图6e）和F17(梭菌科，图6f))。移植后，这些特征仅定植WIMA小鼠的SI(图6)，因此在WIMT被称为“小肠特异性微生物”。即使存在于供体粪便中，在FMA小鼠的SI中没有观察到它们，这表明这些特征的生态位偏好。

其次，LefSe分析鉴定了FMA和WIMA小鼠小、大肠道微生物群中差异丰富的细菌类群(图7)。在受体SI中，WIMA小鼠共富集37个类群，而FMA小鼠仅富集12个类群(图7a)。放线菌、蛋白质细菌、蓝藻、Fusobacteria细菌的相对丰度在WIMA小鼠的SI中显著升高，而在FMA小鼠的SI中，Firmicutes更为丰富。在属水平上，双歧杆菌、大肠杆菌、拟杆菌、肠球菌、镰刀菌、梭菌和葡萄球菌在WIMA小鼠的SI中富集，而Blautia、Coprococus、Butyricocus和乳酸杆菌在FMA小鼠的SI中含量更丰富。然而，在受体LI中，与WIMA小鼠相比，FMA小鼠的细菌类群显著富集(49对15，图7b)。这些发现再次表明，WIMT可能比传统的FMT增加小肠肠道微生物的定植。

图6 供体中的小肠特异性微生物，成功地定植了WIMA小鼠的SI

图7 FMA和WIMA小鼠之间差异丰富的类群

8 差异丰富的微生物代谢途径FMA和WIMA小鼠

作者使用PICRUST2对微生物进行了功能分析，以确定居住在FMA和WIMA小鼠肠道中的微生物之间差异代表的微生物代谢途径。与FMT相比，WIMT产生的受体的SI和LI中富集了更多的微生物功能通路。

9 小肠上皮生理

为了研究不同微生物移植对受者小肠发育的影响，作者测量了受者空肠和回肠的绒毛高度、隐窝深度、粘蛋白和糖蛋白的数量以及细胞凋亡的程度。在生态位特异性移植的任何受体小鼠的SI中，未观察到绒毛高度、隐窝深度、细胞凋亡、杯状细胞或糖蛋白数量的显著变化。然而，与无菌和FMA小鼠相比，WIMA小鼠回肠绒毛高度显著增加，空肠隐窝深度显著降低(图8a，b，f，P<0.05)。此外，空肠隐窝深度在无菌和FMA小鼠中明显比SPF小鼠更深(图8b，f，P<0.05)。TUNEL染色显示FMA和WIMA小鼠小肠上皮细胞凋亡阳性细胞数目无明显差异(图8c，g，P>0.05)。在WIMA小鼠空肠中，杯状细胞分泌的中性粘蛋白计数明显高于FMA小鼠(图8e，i，即P<0.05)。与SPF小鼠相比，FMA小鼠在空肠中的中性粘蛋白较少(图8e，i，P<0.05）。WIMA与SPF小鼠比较，差异无统计学意义(图8e，i，P>0.05)。

图8 无菌、FMA、WIMA和SPF小鼠小肠上皮形态的发展

10 血浆炎症特征

接下来，作者试图描述不同组小鼠血浆炎症指数的差异。评估了WIMA和FMA小鼠血浆中炎性细胞因子分泌水平的差异。与SPF小鼠相比，无菌、FMA和WIMA小鼠血浆中IFN-γ和IL-1β浓度降低，但KC/GRO水平较高(图9a，b，f，P<0.01)。与无菌和FMA小鼠相比，WIMA小鼠血浆中IL-5和TNF-α的浓度较低(图9c，g，P<0.10)。相反，WIMA小鼠血浆中抗炎细胞因子IL-4的浓度明显高于FMA小鼠(图9i，P<0.05)。

图9 无菌、FMA、WIMA和SPF小鼠血浆炎症特征

结论

综上所述，分段外源微生物移植诱导了细菌沿G I径路定植的空间异质性，即来自一个特定肠道段的微生物有选择地定植其受体的同源肠道区域。外源空肠或回肠微生物的引入导致更多的外源微生物侵入受体SI而不是受体LI，主要含有蛋白质细菌、乳酸杆菌科和蓝藻。相反，来自外源大肠群落的更多糖溶厌氧菌能够降解不可消化的碳水化合物，如细菌、Prevotellaceae、Veillonellaceae、Lachnospiraceae和反刍动物科，更倾向于在LI中重组，而不是接受者的SI。此外，作者还观察到外源微生物基因功能在受体肠中的类似分段定植模式。研究发现，与核苷酸代谢、遗传信息处理、复制和修复以及免疫系统相关的基因主要富集在小肠肠道群落中，而与能量、碳水化合物、氨基酸、辅助因子和维生素等基本营养底物代谢相关的基因主要富集在受者的大肠肠道群落中。作者还证明，FMT主要将部分LI源微生物转移到受体肠道，而SI源微生物只有少数。与传统的FMT相比，WIMT可能对外源小肠微生物的定植和受体肠道微生物功能谱的形成有更大的贡献，也更有利于肠道发育和宿主健康。这项研究有助于更好地理解FMT对外源微生物的重组，并为WIMT作为哺乳动物常规FMT的一种有前途的替代治疗提供了新的见解(总结图10)。

图10 综合图显示了从本工作中获得的主要结果

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