米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）健康医疗工程研究部纳米生物器件研究组富田俊介研究组成员、小岛奈绪高级研究员、石原佐哉香技术人员、栗田良二研究组组长、生物过程研究部生物资源信息基础设施研究组草田博之研究员、玉木英行研究组组长、生物技术部Reki宫崎副所长将选择与细菌接触时发出蓝色荧光的聚合物以及荧光强度图案的特征机器学习,肠道菌群的细菌组成特征。
这项技术是化学鼻的生物分析方法，开发的化学鼻子由12种聚合物组成，这些聚合物具有聚集时发光的结构。通过将这些聚合物与肠道细菌混合，研究人员可以检测到各种荧光信号，这些信号可用于表征细菌。通过使用开发的化学鼻对从小鼠身上采集的肠道菌群样本进行比较分析，我们成功地高精度地确定了小鼠的健康状况。该技术是分析肠道菌群的标准方法扩增子序列这使得可以从与分析不同的角度来表征肠道菌群的状态。它还具有比扩增子序列分析更快、更容易、更便宜的优点。未来，预计该技术将作为以人体肠道菌群样本为标本的健康管理诊断技术得到应用。该技术的详细内容将于2022年4月26日（英国时间）发表在英国学术期刊《化学科学
使用开发的化学鼻传感器进行小鼠肠道菌群分析
人体肠道内生活着1000多种不同类型的细菌。这些细菌的集合被称为“肠道菌群”，它们与人类宿主相互作用，并深入参与维持健康和疾病的发生。如今，在患有睡眠障碍、肥胖症、自闭症谱系障碍、癌症和其他疾病的患者中发现了肠道菌群异常。从预防医学的角度来看，了解和控制肠道菌群的细菌组成特征现在被认为很重要，因为它不仅与疾病的诊断和治疗有关，而且与日常健康管理有关。
扩增子测序分析是分析肠道菌群的标准方法，通过读取 PCR 扩增的标记基因（16S rRNA 基因），可以检测构成肠道菌群的大量细菌。然而，这种分析方法不仅需要昂贵的下一代测序仪，而且需要专门的知识和大量的努力来获取和分析数据。因此，它不能满足工业和医疗环境希望在设备有限的情况下快速了解肠道菌群状态的需求。
AIST 排列了一组荧光聚合物数组例如，使用依赖抗体和酶的传统技术很难区分正常细胞和癌细胞、评估蛋白质药物的质量以及监测细胞药物反应。然而，通过使用化学鼻子，我们已经能够实现这些高度准确的评估。 AIST还拥有难以培养的厌氧肠道细菌的基因组分析以及小鼠睡眠障碍与肠道细菌之间关系的分析方面的知识。在这项研究中，我们旨在通过将化学鼻应用于细菌分析并识别肠道菌群的复杂组成来建立睡眠障碍的诊断技术。
这项研究得到了日本学术振兴会科学研究补助金（JP17H04884、JP19H05679、JP19H05683、JP20H02774）和日本科学技术振兴机构 (JST) 的部分支持。这项工作得到了 ERATO“野村人口微生物控制项目”(JPMJER1502) 和日本医学研究与发展机构 (AMED) 的创新高级研究与开发支持项目 (PRIME) (JP18gm6010019) 的支持。
(1) 化学鼻材料设计
为了开发一种能够捕获由多种细菌组成的肠道菌群特征的化学鼻子，我们使用由聚乙二醇和聚赖氨酸组成的聚合物骨架合成了 12 种水溶性聚合物。它们有两个功能单元（图 1）。一种是识别单元，根据肠道细菌表面的特性，允许以各种强度结合，由脂多糖、脂质、肽聚糖、蛋白质等组成；另一种是输出单元，将聚合物和细菌之间的结合信息转换成荧光信号。识别单元中引入了具有不同带电性和疏水性的各种结构的官能团。输出单元与细菌结合时发出荧光聚集诱导发光引入了荧光染料。
图 1 设计用于肠道菌群分析的聚合物。
在识别单元的图中，蓝色部分表示正电荷，红色部分表示负电荷。
(2)利用化学鼻鉴定肠道细菌
为了研究所制备的聚合物阵列的基本特征，我们首先尝试区分16种分离的肠道细菌菌株。据说这些细菌菌株占肠道细菌的 97%。放线菌门，拟杆菌门门，厚壁菌门门，并且变形菌门）（图2A）。使用称为线性判别分析的机器学习技术对通过化学鼻获得的细菌菌株的荧光模式（图 2B）进行分析。因此，在二维空间中可视化荧光图案的判别评分图中，与每种细菌菌株的图案相对应的点簇分布无重叠（图 2C）。事实上，交叉验证方法调查识别准确性时，我们发现可以以几乎100%的准确度识别细菌菌株的“物种”。此外，化学鼻还能够识别更高系统发育门水平的特征（图2D）。这一结果表明化学鼻可以检测细菌种类和门的共同特征。尽管需要研究更多的细菌物种来阐明该技术是否可以应用于一般细菌，但由于获得了与细菌谱系相关的信息，因此该技术预计将具有高水平的多功能性。
图 2 使用化学鼻鉴定肠道细菌菌株。
图 2C 和 2D 称为判别得分图，其中横轴上的判别得分 (1) 是最能区分每种细菌的数据集合（簇）的轴，而纵轴上的判别得分 (2) 是接下来可以划分的轴。
(3)肠道菌群分析检测小鼠健康状况
肠道菌群样本是非侵入性处采集，因此有望用于健康状况的日常监测。因此，我们使用化学鼻分析了小鼠粪便中的肠道菌群，看看是否可以确定小鼠的健康状况。将八周龄的小鼠在正常条件下单独饲养10天，然后分为两组。一组继续饲养在相同的环境中，而另一组则被转移到笼子中以创建模型小鼠以评估活动节律紊乱的影响，并再保留 28 天（图 3A）。在正常笼子中，小鼠在夜间活跃，但转移到模型笼中的小鼠在白天和晚上立即活跃，导致睡眠碎片化（图3B）。 28天后从这些正常小鼠和睡眠障碍模型小鼠中收集粪便样本，并使用化学鼻进行分析。结果，观察到正常小鼠和睡眠障碍模型小鼠的反应模式存在差异，交叉验证表明可以高精度诊断小鼠的健康状况（图3C）。
图 3 使用化学鼻基于肠道菌群分析检测小鼠睡眠障碍。
在图3B中，旋转笼的旋转频率以黑色显示。 10天后将睡眠障碍模型小鼠转移至特制笼中。图 3C 的下半部分以直方图的形式显示了通过线性判别分析获得的判别得分。
我们将改进聚合物和分析方法，使其更适合肠道菌群分析，并研究应用于除睡眠障碍和人类粪便样本之外的小鼠健康异常的可能性。我们的目标是将这项技术应用于食品开发的筛选技术，旨在监测个人健康状况和改善肠道菌群。此外，我们还将考虑应用于其他身体部位和环境中的细菌，以及用于物质生产的各种类型的细菌。我们还旨在通过与企业的联合研究将这一成果应用于社会。
已出版的杂志：化学科学
论文标题：用于肠道微生物群光学模式识别的聚合物化学鼻系统
作者：富田俊介、草田博之、小岛奈绪、石原纱绫香、宫崎丽树、玉木秀行、栗田亮二