Nature子刊！相干拉曼技术：揭秘药物对肠道微生物组影响的新视角

在人体健康的宏大舞台上，肠道微生物组犹如一支隐藏的“交响乐团”，微妙地调节着众多生理过程，而药物与肠道微生物组之间的相互作用则更是一道复杂的“程序”，深刻影响着人体健康。最近，科学家们对两种常用药物恩他卡朋（Entacapone，治疗帕金森病）和琥珀酸洛沙平（Loxapine Succinate，治疗精神分裂症）进行了研究，发现它们在肠道微生物组中引发了一系列值得深入探究的变化。为了揭开这一神秘面纱，科学家们踏上了一场探索之旅，而相干拉曼显微成像技术（SRS）在其中发挥了关键作用。

相干拉曼显微成像技术（SRS）检测微生物的作用

近日，美国波士顿大学Ji-Xin Cheng（程继新）教授团队、奥地利维也纳大学Michael Wagner团队和Fátima C. Pereira团队在Nature Microbiology上发表了题为“The Parkinson’s disease drug entacapone disrupts gut microbiome homoeostasis via iron sequestration”的研究论文。研究发现，两种药物显著改变了微生物群落组成与活性，恩他卡朋影响更明显。其机制为恩他卡朋能通过螯合铁离子形成稳定的复合物，导致培养环境铁耗竭，进而使肠道微生物组的组成和功能发生剧烈变化，并且选择性地促进携带毒力因子和抗菌素耐药基因的大肠杆菌等生长。研究中使用相干拉曼散射成像技术（SRS），检测了微生物活性变化，药物在细胞内的分布并结合荧光技术（FISH）实现多模态的单细胞水平检测。

研究成果

在肠道微生物组研究领域，传统技术在探究单细胞水平微生物活性时面临诸多局限。微生物群落高度复杂，传统方法难以精确解析单细胞层面的细微变化，而这对于深入理解药物对微生物组的影响机制至关重要。在这样的背景下，相干拉曼散射成像技术应运而生，为研究人员提供了一种能够在单细胞水平精确测量微生物活性的强大工具。

研究人员采集了9名健康成人的粪便样本，精心选取其中6名捐赠者的样本进行混合，用于药物孵育实验。实验设置了两种药物浓度，并在严格的厌氧条件下进行孵育，随后在不同时间节点对微生物群落展开细致分析。

图2a展示了用相干拉曼散射成像技术拍摄了用指定药物孵育6小时的6份粪便样本混合物的代表性图像

研究初期，研究人员运用16S rRNA基因扩增子测序和长读长宏基因组测序技术对微生物群落的组成和丰度进行研究。研究发现，恩他卡朋对微生物群落产生了显著影响，高浓度的恩他卡朋（ENT-Hi）显著降低了微生物细胞数量，致使微生物群落结构发生显著改变。例如，与二甲基亚砜（DMSO）对照组相比，部分菌属如拟杆菌属（Bacteroides）和梭菌属（Clostridium sensu stricto 1）的绝对丰度大幅减少，而大肠杆菌-志贺氏菌属（Escherichia - Shigella）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）等则有所增加。

传统测序技术在揭示微生物单细胞水平活动细节方面存在局限性。相比之下，相干拉曼散射成像技术为研究提供了新的途径。研究团队利用相干拉曼散射成像技术，结合重水（D₂O）作为代谢示踪剂，能够在单细胞水平精确测量微生物活性。研究发现，恩他卡朋不仅影响微生物数量，还改变了微生物的代谢活动，在低药物浓度未显著影响微生物总体丰度时，微生物活性已发生明显变化，这表明SRS技术能够检测到传统技术难以察觉的药物对微生物群落的细微影响。

SRS-FISH（相干拉曼-荧光原位杂交）技术的探测效果

为深入探究恩他卡朋影响微生物活性的机制，研究人员进一步采用了SRS-FISH（相干拉曼-荧光原位杂交）技术，通过SRS-FISH技术可关联微生物基因型与表型，凭借其高灵敏度和速度优势，能够探测复杂群落中微生物细胞精细的时间、空间和个体活动模式，探测的细节程度达到了前所未有的水平。

图2c使用了荧光原位杂交（FISH）与相干拉曼散射成像（SRS）相结合的技术拍摄

利用SRS-FISH技术，研究人员发现恩他卡朋在微生物细胞内大量生物积累，并通过螯合铁离子导致微生物铁饥饿。这一发现揭示了恩他卡朋影响微生物群落的关键机制，而相干拉曼散射成像技术在这一过程中实时监测微生物细胞内变化，为研究机制提供了有力证据。

为拯救受药物影响的微生物，研究人员进行了铁补充实验。结果表明，补充铁离子可逆转恩他卡朋对微生物生长的抑制作用，证实铁饥饿（iron-starvational state）是恩他卡朋影响微生物群落的关键因素，相干拉曼散射成像技术在这一过程中实时监测微生物细胞内变化，为研究机制提供了有力证据。

以往研究肠道微生物组与药物相互作用时，传统方法难以同时获取微生物群落多方面信息，而相干拉曼散射成像技术的应用为研究人员提供了全面深入的视角。该技术能够在单细胞水平剖析药物对微生物群落的影响机制，解决了传统技术在研究微生物群落复杂性方面的难题。在本研究中，相干拉曼散射成像技术通过精确测量微生物活性，发现了在低药物浓度下微生物群落的变化，该技术还能够实时监测微生物细胞内的铁离子变化，为揭示恩他卡朋通过铁饥饿影响微生物群落的机制提供了关键证据。

本研究为理解药物-微生物组相互作用提供了新的思路，也为后续相关研究及改善人类健康带来了更多可能。相干拉曼散射成像技术作为一种强大的研究工具，将在未来的肠道微生物组研究中发挥越来越重要的作用。

文献来源：

https://www.nature.com/articles/s41564-024-01853-0