农学文章发表 Nature Reviews Bioengineering文章探讨如何将菌群分析转化为临床应用，强调微生物绝对定量检测至关重要
专业出黑
利用菌群分析的潜力创造了新的机会，可用于诊断疾病、提高治疗效果、减少治疗并发症和预防疾病复发。然而，菌群分析尚未被纳入临床管理工作流程中。在本文中，作者系统的探讨了菌群分析在临床应用中的关键性问题。
图1、菌群分析的临床转化
菌群分析
人体内约有30万亿种被称为菌群的微生物，它们执行多种功能，影响从消化代谢到免疫反应的一切。它们的诊断和预后价值以及通过益生元、益生菌和粪便移植的治疗潜力，为管理疾病和提高治疗效果提供了希望。然而，菌群分析在临床决策中的应用仍然有限。很少有临床研究监测由医疗干预、微生物-微生物相互作用和宿主-微生物通信引起的微生物群动态变化。有效分析人体内微生物群的能力是利用其在临床管理中潜力的瓶颈。
高通量测序技术是菌群分析的主要使能技术。此外，其他分子方法，如多重PCR、-Cas生物传感器、质谱、流式细胞术和荧光原位杂交（FISH）等也在快速菌群分析中获得了关注。然而，将菌群分析整合到临床决策中面临几个挑战，包括成本和时间效率、绝对定量、低生物量检测、空间和时间分析、活菌和死菌的区分以及功能分析（图1）。在这里，我们讨论了这些将菌群群分析转化的重要考虑因素，并呼吁开发新技术以实现菌群在医学中的潜力。
成本和时间效率
为了将菌群分析整合到临床工作流程中，分析技术必须高度有效，成本、速度和易用性是其成功采用和转化的基本障碍。这类技术的实用性取决于临床场景。例如，在涉及益生菌、益生元、共生菌和转基因生物的治疗中，可能只需要跟踪选定的有益菌群的定殖情况，而不需要对所有微生物物种进行全面分析。在管理复发性疾病或预测感染发生时，重点关注特定病原体和主要细菌门的失衡可能更为相关。在这些情况下，快速检测特定细菌群组的检测方法，能够在多个时间点提供有效测量，可能是有益的方法。相反，在某些情况下，如评估接受粪便微生物群移植的患者的微生物群时，可能需要更深入的微生物群组成和功能分析。重要的是，复杂的微生物群数据本质上难以解释并整合到临床管理中。
绝对定量
定量是菌群研究中日益受到关注的领域。健康个体之间的微生物负荷差异可以达到十倍。由于菌群的丰度与各种疾病和医疗治疗相关，定量可以帮助识别微生物群体的不平衡，并优化菌群调节策略的效率。定量总细菌负荷对于数据解释、样品质量控制和不同方法与研究之间的比较也至关重要。如果样品之间的菌群负荷存在显著差异，使用相对测量方法可能难以建立菌群组成与代谢产物生成或健康结果之间的关联。
低生物量样品
菌群分析中的一个挑战与生理样品中菌浓度的大范围有关。估计人体菌群涉及约10^13个微生物。结肠是密集的区域之一，每克肠腔内容物中有10^11到10^12个细菌。粪便样品中单个物种的浓度可以在每毫升10^4到10^8个细菌之间变化。在初被认为是无菌的呼吸道和泌尿道中，微生物群的密度显著较低，每毫升支气管肺泡灌洗液中有10^2到10^3个细菌，每毫升尿液中有10^2到10^4个细菌。对于低生物量样品，任何外部污染，例如来自宿主、环境和处理过程的污染，都会扭曲分析结果。
空间和时间分析
菌群的空间组织和微生物与宿主之间的动态相互作用对于理解微生物群相关疾病的潜在机制至关重要。虽然传统的分析方法主要关注样品中微生物群的组成，但空间和时间分析可以深入了解不同微生物物种之间及其与宿主环境的相互作用。先进技术如空间转录组学和体内成像使得在自然环境中研究微生物群的分布和动态成为可能，揭示微生物-微生物和宿主-微生物关系。然而，这些技术需要显著的技术专长和资源，限制了其在临床环境中的广泛采用。开发可访问和可扩展的空间和时间微生物群分析方法对于将研究成果转化为临床实践至关重要。
区分活菌和死菌
菌群分析的一个重要方面是能够区分活菌和死菌。死菌的存在可能会混淆微生物群数据的解释，特别是在评估抗菌疗法的影响或益生菌和粪便微生物群移植的效果时。传统的测序方法不区分活菌和死菌，可能导致误导性结论。将PMA处理与定量PCR或测序结合的技术可以通过排除死细胞的DNA选择性定量活菌。此外，活细胞成像和单细胞分析为研究复杂微生物群体中个别细菌的活力和功能提供了有前途的方法。将这些方法纳入临床菌群分析可以提高诊断和治疗干预的准确性和相关性。
功能分析
了解菌群的功能能力对于阐明它们在健康和疾病中的作用至关重要。尽管分类分析提供了微生物群体组成的信息，但它并未揭示微生物的功能活动。宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学分析为微生物群的功能潜力和代谢活动提供了全面的见解。然而，这些组学方法会生成大量数据，需要先进的生物信息学工具和专长进行解释。将多组学数据与临床元数据整合可以发现功能生物标志物和治疗靶点，从而实现个性化的微生物群干预。开发用户友好且临床适用的功能微生物群分析工具对于将这些见解转化为临床实践至关重要。
标准化和临床验证
为了将菌群分析有效地整合到临床实践中，标准化的协议和临床验证至关重要。样品采集、处理和分析方法的差异可能导致结果不一致，阻碍微生物群研究的可重复性和可比性。制定微生物群采样、存储、DNA提取、测序和数据分析的标准化指南对于确保微生物群数据的可靠性和准确性至关重要。此外，通过设计良好的临床试验对基于微生物群的诊断和治疗进行临床验证，对于证明其安全性、有效性和临床实用性是必要的。研究人员、临床医生和监管机构之间的协作努力可以促进菌群分析的标准化协议和经过验证的临床应用的发展和实施。
结论
将菌群分析整合到临床实践中有可能彻底改变疾病诊断、治疗和预防。高通量测序和其他先进的分子技术为全面的菌群分析铺平了道路，但在将这些发现转化为临床应用方面仍存在重大挑战。解决与成本和时间效率、绝对定量、低生物量检测、空间和时间分析、区分活菌和死菌、功能分析以及标准化和临床验证相关的问题对于实现微生物群在医学中的全部潜力至关重要。协作努力和菌群分析技术的不断进步将是克服这些挑战并利用微生物群力量改善患者护理的关键。
属于微生物组“绝对定量”的时代，已经到来！
“定量微生物组学”时代天昊特色解决方案：
◆宏基因组绝对定量测序专利技术服务
◆®细菌扩增子绝对定量测序专利技术服务
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天昊生物全新推出的重磅技术—宏基因组绝对定量测序专利技术。该技术特别适合针对粪便、土壤类微生物相关抗生素抗性基因，以及碳、氮、磷、硫循环相关功能基因进行绝对定量检测。一次检测，就可以同时获得常规宏基因组检测结果和绝对定量检测结果，分析内容更全面，提供的数据更丰富。该专利技术将为定量微生物组学研究提供更加专业、更高质量的数据结果。
®细菌与真菌绝对定量测序专利技术简介：
天昊生物一直秉承“自主研发、创新驱动”的发展理念，在微生物多样性检测领域潜心研发多年，率先于2018年和2021年在国内市场成功推出了®细菌和真菌绝对定量测序技术服务，并在2023年6月30日顺利获得国家发明专利授权。我们的微生物绝对定量技术完美的解决了国内同类相对定量扩增子测序服务“只测比例，不知数量”的技术痛点，一个样本单次检测，即可同时获得样本微生物多样性的“相对比例”和“绝对数量”，既可以得到传统扩增子测序的所有分析结果，还可以获得样本总菌和特定菌种的绝对丰度结果，可谓一检三得。
a、传统的微生物扩增子相对定量测序的“技术痛点”：
1、只能获得相对定量结果，可能推导出错误结论；
2、传统qPCR等方法定量费时费力，无法避免跨平台系统误差；
3、针对特殊样本，无法排除PCR抑制剂干扰。
上图为微生物群“相对丰度( )”和“绝对丰度( )”随时间变化比较示意图。只检测相对定量数据会掩盖了潜在微生物群落的动态变化，使变化过程中的差异更难被发现。（图片来源：，2021）
上图为菌群组装过程主要由微生物之间不对称的相互作用，而基于相对丰度的数据推断出的相互作用会产生误导性的错误结果。a，相对丰度数据无法正确推断互作网络中的不对称相互作用，例如相对丰度无法检测到 对 生长的促进，还错误地推断 对 的促进，并且无法检测到 或 对 的生长抑制。而绝对丰度则准确推断出了上述互作关系，并且利用动物实验得以确认。（图片来源：，2021）
上图为人类肠道菌群变化与微生物定量方法之间存在差异。本研究发现克罗恩氏病患者（CD）和对照人群（）粪便微生物的“相对丰度(RMP)”和“绝对丰度(QMP)”结果，在一些菌属中存在显著性差异。只考虑“相对定量”结果，可能会造成结论的错误或者关键菌属信息的丢失。（图片来源：，2017）
b、天昊扩增子绝对定量测序技术优势：
一次检测，三套数据，结果更丰富；
对样本的需求量要求低，避免因样本无备份等造成的无法检测情况；
检测通量高，检测合格范围内各类菌种均可绝对定量；
相对定量和绝对定量数据相互印证，减少传统相对定量假阳性问题；
避免跨平台qPCR定量的系统误差；
内标法比qPCR在定量上具有更高的特异性、灵敏度和更好的一致性；
避免因样本DNA抽提等原因造成的PCR抑制剂残留对结果准确性的影响；
避免qPCR等定量实验碰到的引物设计和优化难题。
取得成绩
截至目前，天昊客户利用微生物绝对定量测序共发表SCI文章59篇，其中JCR分区在Q1区的高分文章多达29篇，研究领域涉及医学、环境、食品、农学和生态等各个领域，样本类型包括人类及动物粪便、土壤、体外发酵液、水体生物膜、酒类发酵物及口拭子DNA样本等。
天昊客户文章中关于“绝对定量”和“相对定量”异同结果的描述：
关于天昊
上海天昊生物科技有限公司，2008年4月创建于上海浦东张江高科技园区，上海市高新技术企业。天昊生物建立了整套完备的实验室管理体系和标准流程，为国内外基因生物领域科研机构、医学院校以及生物制药企业提供精确、高效的基因检测分析服务。
天昊生物具有极强的技术研发实力，研发了多项具有国际水平的专利技术，包括多种SNP分型和拷贝数检测技术、微生物16S扩增子绝对定量技术。同时利用专利自主研发的®、®、®、iMLDR®、®、®、®、®、®和®等全新技术为客户提供灵活定制科研项目检测服务。在2018年荣获“浦东新区企业研发机构”称号，2023年荣获“上海市专精特新中小企业”称号。
天昊生物遗传分析中心借助多名长期从事基因及遗传分析的领域专家构成的专家咨询团队，专业团队结合准确、高效、经济的科研技术服务体系，致力于长期为分子生物学及医学遗传学领域的研究者提供高质量的科研策略咨询、实验技术服务和遗传数据分析，帮助广大科研人员获得更为优质的科研成果。
