氢气和肠道微生物群作为实验性结肠炎发展的潜在生物标志物
炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease, IBD）是一种慢性炎症性疾病，主要包括溃疡性结肠炎（Ulcerative Colitis, UC）和克罗恩病（Crohn’s Disease, CD）。IBD的发病率在全球范围内逐年上升，给患者和社会带来了巨大的健康和经济负担。目前，IBD的诊断主要依赖于内镜检查，但这种方法昂贵、侵入性强且不便于连续使用。因此，开发一种更便捷、非侵入性的诊断方法成为迫切需求。
近年来，肠道菌群（gut microbiota）与IBD的发病机制之间的关系引起了广泛关注。肠道菌群的代谢产物，如氢气（H₂）、氨气（NH₃）和硫化氢（H₂S）等，可能通过血液-肺屏障进入呼吸系统，最终通过呼气排出体外。这些气体成分可能成为IBD的生物标志物。然而，目前的研究大多集中在高分子量的挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds, VOCs）上，而低分子量的气体成分，如氢气，尚未得到充分研究。
论文来源
该研究由来自Keio University和The University of Tokyo的研究团队共同完成，主要作者包括Yuta Fujiki、Takahisa Tanaka、Kyosuke Yakabe等。论文于2023年10月20日被接受，并发表在《Gut Microbiome》期刊上，DOI为10.1017/gmb.2023.17。
研究流程
1. 实验设计与动物模型
研究使用Dextran Sulphate Sodium（DSS）诱导的结肠炎小鼠模型，模拟IBD的炎症过程。实验分为两组：一组小鼠接受DSS处理，另一组小鼠接受Dextran（DSS的类似物）作为阴性对照。实验持续15天，期间每天监测小鼠的体重变化和粪便中的Lipocalin-2（LCN2）水平，LCN2是肠道炎症的生物标志物。
2. 生物气体测量
研究团队设计了一套气体采样系统，用于连续测量小鼠笼中的五种生物气体：氢气（H₂）、氨气（NH₃）、硫化氢（H₂S）、甲硫醇（CH₃SH）和乙硫醇（C₂H₅SH）。该系统通过传感器气相色谱仪（sensor gas chromatographs）进行气体浓度的实时监测，采样频率为每小时10次。气体浓度反映了小鼠的呼吸、皮肤气体以及粪便中的气体成分。
3. 肠道菌群分析
在实验的不同时间点（第0、1、3、5、7、9、12和15天），研究人员采集小鼠的粪便样本，进行16S rRNA基因测序，分析肠道菌群的组成和多样性。通过Qiime2软件对测序数据进行处理，构建Amplicon Sequence Variants（ASVs），并使用Silva数据库进行物种分类。
4. 数据分析
研究使用Pearson相关性分析，评估生物气体浓度与结肠炎表型（体重变化和LCN2水平）之间的相关性。此外，还使用受试者工作特征曲线（Receiver Operating Characteristic, ROC）评估各气体在诊断结肠炎发展中的能力。
主要结果
1. 生物气体与结肠炎表型的相关性
在DSS处理的小鼠中，氢气（H₂）水平与LCN2水平呈负相关，与体重变化呈正相关。这表明H₂水平随着结肠炎的发展而下降，可能成为肠道炎症的潜在生物标志物。此外，硫化氢（H₂S）的ROC曲线下面积（AUC）最高，表明H₂S在预测结肠炎发展方面具有较高的诊断价值。
2. 肠道菌群的变化
在DSS处理的小鼠中，肠道菌群的多样性和丰富度逐渐下降。Akkermansiaceae和Rikenellaceae的相对丰度与LCN2水平呈正相关，与体重变化呈负相关，而Tannerellaceae的相对丰度与LCN2水平呈负相关，与H₂水平呈正相关。这表明Tannerellaceae可能在缓解结肠炎症状中发挥积极作用。
3. 生物气体与肠道菌群的相关性
Tannerellaceae的相对丰度与H₂水平呈正相关，而Akkermansiaceae和Rikenellaceae的相对丰度与H₂水平呈负相关。这一结果进一步支持了H₂作为肠道炎症生物标志物的潜力。
结论与意义
该研究表明，氢气（H₂）水平与实验性结肠炎的发展密切相关，可能成为IBD的非侵入性生物标志物。此外，特定的肠道菌群（如Tannerellaceae）与H₂水平的变化相关，可能在IBD的发病机制中发挥重要作用。这一发现为IBD的诊断和治疗提供了新的思路。
研究亮点
- 新颖的研究方法：研究团队开发了一套连续测量生物气体的系统，能够实时监测小鼠笼中的气体成分，为类似研究提供了技术参考。
- 低分子量气体的研究：与以往研究不同，该研究聚焦于低分子量的气体成分（如H₂），填补了这一领域的研究空白。
- 肠道菌群与气体代谢的关联：研究首次揭示了特定肠道菌群与生物气体水平之间的相关性，为理解IBD的发病机制提供了新的视角。
其他有价值的信息
研究还发现，硫化氢（H₂S）在预测结肠炎发展方面具有较高的诊断价值，这为未来的研究提供了新的方向。此外，研究团队计划在未来建立仅测量呼气成分的实验模型，以进一步提高诊断的准确性。
该研究不仅为IBD的诊断提供了新的生物标志物，还为理解肠道菌群与气体代谢之间的复杂关系提供了重要线索，具有重要的科学和应用价值。