基于質(zhì)譜技術的嬰幼兒腸道菌群多樣性鑒別方法研究

高麗娟， 高建萍， 馬 凱， 李賽娜， 張貴鋒

(1. 北京市理化分析測試中心 北京市食品安全分析測試工程技術研究中心， 北京 100089； 2. 中國科學院過程工程研究所， 北京 100190)

微生物檢測在應用領域十分廣泛，傳統(tǒng)技術對于微生物的檢測和鑒定技術多基于微生物的形態(tài)學、細胞生理生化、脂肪酸組成以及核酸檢測等方法，這些方法往往耗時長且靈敏度低，特異性差。近年來發(fā)展起來的基于質(zhì)譜的檢測方法具有快速和靈敏度高等優(yōu)點，采用質(zhì)譜檢測進行鑒定微生物主要基于質(zhì)譜圖中是否存在特異性的生物標記物的分子離子，不同微生物具有不同的質(zhì)譜圖，即微生物指紋圖譜[1-3]。微生物的質(zhì)譜鑒定實驗流程包括樣本的采集和制備，整個過程在數(shù)分鐘內(nèi)完成，并可以實現(xiàn)高通量分析。質(zhì)譜分析作為一種通用技術，可以檢測到所有類型的病原體，包括植物細菌、真菌及其孢子和寄生原生動物等[4-6]。

腸道微生物對人體的健康至關重要，如對人體免疫力、新陳代謝、炎癥性疾病甚至心情等都有不同程度的影響。腸道微生物的豐度、多樣性以及構成變化對人體健康狀況的影響近年來引起廣泛關注[7-8]。嬰幼兒發(fā)育的過程中，腸道微生物菌群也是在逐漸成熟的，受母體、分娩、喂養(yǎng)、醫(yī)療、環(huán)境等因素影響，研究腸道菌群的動態(tài)變化是近年來腸道微生物研究領域的熱點。因此，對于成長過程中嬰幼兒腸道內(nèi)動態(tài)變化的微生物菌落，則采用單一模式的質(zhì)譜分析技術進行微生物菌落分析存在一定的局限性[9-12]。

本研究擬采用基質(zhì)輔助激光解析電離飛行時間質(zhì)譜(MALDI-TOF)和液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(HPLC-MS)對不同年齡的嬰幼兒腸道微生物組成進行分析。實驗首先收集了100個不同年齡的嬰幼兒糞便進行檢測，按照年齡分成了0～1歲、1～2歲和2～3歲3個年齡段，比較了基于MALDI-TOF MS和HPLC-MS分析結果的差異，為進一步研究嬰幼兒發(fā)育過程中腸道菌群的動態(tài)變化提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乙腈購自ThermoFisher公司，α-氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)購自Bruker公司，其他試劑為市售分析純。實驗樣本為70個0～1歲、1～2歲和2～3歲3個年齡段嬰幼兒的糞便，樣本來自于北京兒童醫(yī)院。

1.2 分析儀器

高效液相色譜儀為美國Agilent 公司的HPLC1100，PDA 檢測器為美國熱電公司的UV6000 檢測器，離子阱質(zhì)譜為美國熱電公司的LCQ DecaXP質(zhì)譜，MALDI-TOF MS 為德國布魯克公司的AutoFlex III質(zhì)譜。

1.3 樣本處理方法

1)取嬰幼兒糞便1 g，加入5 mL生理鹽水，混合均勻后實驗80目濾網(wǎng)進行過濾，收集透過液，取1 mL，在12 000 r/min條件下離心10 min，棄去上清液，沉淀物進行質(zhì)譜分析。

2)MALDI-TOF MS分析樣本點靶之前進行渦旋混合，取1 μL樣本點靶，自然風干后取2 μL CHCA基質(zhì)溶液點靶，自然風干，質(zhì)譜分析前儀器的質(zhì)量數(shù)利用外標法，使用標準蛋白混合物進行校正。

3)HPLC-MS分析中，將糞便樣本細胞破碎，靜置自然沉降，取100 μL上清液調(diào)pH至8.0，與50 μL胰蛋白酶溶液(1 μg/μL，0.05 mol/L NH4HCO3，pH 8.0)，混合均勻后在37℃酶解處理24 h，加5 μL 4 mol/L DTT還原二硫鍵，離心(10 000 r/min，10 min)，酶解產(chǎn)物采用HPLC-MS分析。

1.4 分析方法

1)MALDI-TOF質(zhì)譜分析方法。脈沖激光(337 nm)離子解析電離源；離子加速電壓20 kV；平均每次測定的激光脈沖次數(shù)為100次/s；質(zhì)譜信號為多次累加掃描；質(zhì)譜掃描范圍m/z1600～24 000；采用正離子線性模式。選擇α-氰基-4-羥基肉桂酸(CHCA)作為基質(zhì)，用V(0.1% TFA的超純水)∶V(CH3CN)=1∶1的溶液將CHCA配成濃度為5 g/L的基質(zhì)溶液，基質(zhì)溶液現(xiàn)用現(xiàn)配。

2)HPLC-MS分析方法。色譜條件，C18柱 (75 μm ID×15 cm, 5 μm, 120 ?)；流動相A為水(含0.1% 甲酸)，流動相B為乙腈(含0.1%甲酸)；梯度：0～3 min：3%～6%B，3～50 min：6%～25%B，50～58 min：25%～35%B，58～63 min：35%～80%B，63～73 min：80%B；流速300 nL/min；波長280 nm。進樣量50 μL。質(zhì)譜條件：ESI電噴霧離子源，噴霧電壓3.5 kV，離子導入電壓(Skimmer 電壓) 20 V，殼氣流速10 arb，輔助氣流速2 arb，離子傳輸毛細管溫度300℃。離子監(jiān)測模式參數(shù)中共設立2個掃描段，第一段監(jiān)測為一級質(zhì)譜全掃描，掃描范圍為m/z=350～1550，采用正離子監(jiān)測模式，分辨率設為12 000；第二段監(jiān)測采用數(shù)據(jù)依賴型二級質(zhì)譜的掃描(Data dependent MS/MS)，用于掃描在第一段中已確定質(zhì)量數(shù)離子的二級質(zhì)譜，離子帶電荷數(shù)默認值為2個，二級質(zhì)譜碰撞誘導裂分中的能量值均設置為35%。質(zhì)譜數(shù)據(jù)用Mascot 軟件進行檢索，數(shù)據(jù)庫為從Swiss-Prot中下載的包括糞便中已發(fā)現(xiàn)的全部蛋白質(zhì)的氨基酸序列。

2 結果與討論

2.1 MALDI-TOF MS質(zhì)譜分析

為了完整測定糞便樣本的分子量信息，實驗將糞便樣本渦旋混合之后直接點靶，進行MALDI-TOF分析。取1 μL渦旋混合之后的樣本點靶，自然風干后取2 μL CHCA基質(zhì)溶液點靶，自然風干，進行MALDI-TOF分析。圖1～3分別為0～1歲、1～2歲、2～3歲部分樣本分子量分布圖。

實驗對不同年齡段的樣本的分子質(zhì)量分布及檢測出峰的個數(shù)進行了匯總，結果表明0～1歲嬰幼兒糞便中檢出峰的個數(shù)主要分布在4～7個，其中兩個樣本出峰最多是11個，平均每個樣本出峰5.5個；樣本的分子質(zhì)量分布主要為3000～14 000 u，分子質(zhì)量最低為2378 u，最高為23 541 u。1～2歲嬰幼兒糞便中檢出峰的個數(shù)主要分布在6～8個，樣本出峰最多達13個，平均每個樣本出峰6.1個；樣本的分子質(zhì)量分布主要為3000～14 000 u，分子質(zhì)量最低為1897 u的峰，最高為15 073 u。2～3歲嬰幼兒糞便中檢出峰的個數(shù)主要分布在6～10個，樣本出峰最多是15個，平均每個樣本出峰6.5個；樣本的分子質(zhì)量分布主要為3000～14 000 u，分子質(zhì)量最低1182 u的峰，最高為15 022 u。綜上所述，2～3歲年齡段的嬰幼兒檢出峰個數(shù)最多，0～1歲年齡段的嬰幼兒檢測出的分子質(zhì)量分布范圍最廣。

圖1 0～1歲嬰幼兒糞便樣本MALDI-TOFMS分析圖譜

圖2 1～2歲嬰幼兒糞便樣本MALDI-TOFMS分析圖譜

圖3 2～3歲歲嬰幼兒糞便樣本MALDI-TOFMS分析圖譜

實驗對質(zhì)譜數(shù)據(jù)進行PCA聚類分析，圖4為3組不同年齡段的嬰幼兒糞便TOF數(shù)據(jù)PCA分析圖。結果表明，0～1歲嬰幼兒糞便樣本分布相對集中，1～2歲嬰幼兒糞便樣本分布比0～1歲的分布范圍寬，2～3歲嬰幼兒糞便樣本的分布最廣。

文獻報道MALDI-TOF MS技術對菌落進行菌種鑒定過程中，對常見細菌和酵母菌等高豐度微生物的鑒定率較高。由于嬰幼兒糞便中不同的微生物豐度存在一定差異，直接進行不同樣本分析質(zhì)譜圖中特征離子種類波動范圍較大。0～1歲嬰幼兒糞便樣本中可以確定的微生物主要包括大腸桿菌、酵母菌、白色念珠菌等；1～2歲嬰幼兒糞便中主要有紅色毛麟菌、大腸桿菌、白色念珠菌、酵母菌等；2～3歲嬰幼兒糞便中主要有雙歧桿菌、白色念珠菌和大腸桿菌等。

圖4 3組不同年齡段的嬰幼兒糞便TOF數(shù)據(jù)PCA分析圖

圖5 3個不同年齡階段樣本的總離子流圖

A: 0～1歲; B:1～2歲; C: 2～3歲

圖6 B61樣本中m/z 872.41的二級質(zhì)譜圖

2.2 液質(zhì)聯(lián)用法識別嬰幼兒糞便中微生物

實驗首先將嬰幼兒糞便樣本進行細胞破碎，靜置0.5 h，使糞便中的固體顆粒物質(zhì)自然沉降，取上清液調(diào)節(jié)pH 值，酶解，HPLC-MS分析。圖5為酶解樣本的HPLC-MS分析的總離子流圖。樣本總離子流圖中檢測出離子m/z872.41的提取離子流圖(圖6)，表明B61樣本中存在m/z872.41的離子，其經(jīng)色譜柱分離后保留時間為11.02 min。

利用Mascot軟件搜索離子m/z872.41的pep_expect的值<0.01，表明數(shù)據(jù)可靠。m/z872.41的二級質(zhì)譜圖與多肽QDAGDAAPK理論二級質(zhì)譜碎片離子匹配，該多肽序列與土霉菌中的局部序列一致，表明樣本中存在土霉菌；實驗使用相同的方法對不同樣本進行分析，并確定了3個樣本中的主要微生物組分，識別結果見表1。

2.3 分析方法比較

鑒于MALDI-TOF MS技術對菌落分析中存在的波動范圍大和結果不穩(wěn)定等問題，試驗對樣本中的微生物進行了培養(yǎng)，并進一步采用MALDI-TOF MS進行了分析。結果表明菌落種類沒有明顯的改變，但信號強度會大幅度提升，結果穩(wěn)定性和重復性也會隨著培養(yǎng)時間延長而增加，因此，MALDI-TOF MS對于高豐度的微生物鑒定具有可操作性，但可檢測出的微生物數(shù)量較為有限。

表1 0～1歲、1～2歲、2～3歲3個年齡段糞便樣本中微生物構成

—a，暫無正式中文對照名

HPLC-MS是基于微生物中不同蛋白質(zhì)的含量變化進行檢測的一種方法，其關鍵因素為不同微生物中以及同一微生物中不同蛋白質(zhì)的含量。結果(表1)表明，基于HPLC-MS檢測出的微生物種類遠高于MALDI-TOF MS，其主要因素是基于液質(zhì)的檢測方法具有較高的靈敏度。盡管微生物的酶解產(chǎn)物中不同種類的蛋白質(zhì)含量存在較大差異，但HPLC-MS是在色譜分離基礎上進行的多肽檢測，因此可以大幅度減少離子化過程中的質(zhì)量歧視效應，并增加方法的靈敏度。對于多元混合的微生物檢測，HPLC-MS明顯可提升可檢測的微生物數(shù)量，且方法具有較高的穩(wěn)定性和重復性，因此該方法也適用于未經(jīng)培養(yǎng)的微生物菌落。

[1]RANDAZZO A, SIMON M, Goffinet P, et al. Optimal turnaround time for direct identification of microorganisms by mass spectrometry in blood culture[J]. Journal of Microbiological Methods, 2016, 130: 1-5.

[3]GONZALEZ M D, WEBER C J, BURNHAMC D. Rapid identification of microorganisms from positive blood cultures by testing early growth on solid media using matrix-assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry[J]. Diagnostic Microbiology and Infectious Disease, 2016, 85(2): 133-135.

[4]STOPKA S A, MANSOUR T R, SHRESTHA B, et al. Turnover rates in microorganisms by laser ablation electrospray ionization mass spectrometry and pulse-chase analysis[J]. Analytica Chimica Acta, 2016, 902: 1-7.

[6]RIEGEL P, MOUSSAOUI W, SANGLIER S F, et al. Mass spectrometry and microorganism identification[J]. Médecine et Maladies Infectieuses, 2007, 37(S1):S11-S13.

[7]SALADINO F, POSARELLI E, LUZ C, et al. Influence of probiotic microorganisms on aflatoxins B1 and B2 bioaccessibility evaluated with an simulated gastrointestinal digestion[J]. Journal of Food Composition and Analysis, 2017.

[8]TAKI Y, KENZAKA T, OHATA K, et al. Cause and responsible microorganisms of bacteremia after gastrointestinal surgery[J]. Journal of the American College of Surgeons, 2016, 223(4): e92.

[9]HAYASHI A, AOYAGI H, YOSHIMURA T, et al. Development of novel method for screening microorganisms using symbiotic association between insect and intestinal microorganisms[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2007, 103(4): 358-367.

[10]KARIM IKHLAS A E, LINDEN G J, ORR F T, et al. Antimicrobial activity of neuropeptides against a range of micro-organisms from skin, oral, respiratory and gastrointestinal tract sites[J]. Journal of Neuroimmunology, 2008, 200(1-2): 11-16.

[11]MORITA H, TOH H, OSHIMA K, et al. Complete genome sequence of Bifidobacterium breve JCM 1192Tisolated from infant feces[J]. Journal of Biotechnology, 2015, 210: 81-82.

[12]KONGNUM K, HONGPATTARAKERE T. Cholesterol-lowering mechanism of lactic acid bacteria andBifidobacteriumsp. isolated from breast milk and infant feces[J]. Journal of Biotechnology, 2014, 185(1):S78.

[13]MORITA H, TOH H, OSHIMA K, et al. Complete genome sequence ofBifidobacteriumpseudocatenulatumJCM 1200(T) isolated from infant feces[J]. Journal of Biotechnology, 2015, 210: 68-69.

[14]MORITA H, TOH H, OSHIMA K, et al. Complete genome sequence ofbifidobacteriumbifidumJCM 1255(T) isolated from feces of a breast-fed infant[J]. Journal of Biotechnology, 2015, 210: 66-67.

[15]DAVOODABADI A, SOLTAN DALLAL M M, FOROUSHANI A R, et al. Antibacterial activity ofLactobacillusspp. isolated from the feces of healthy infants against enteropathogenic bacteria[J]. Anaerobe, 2015, 34: 53-58.

[16]ALP G, ASLIM B. Relationship between the resistance to bile salts and low pH with exopolysaccharide (EPS) production ofBifidobacteriumspp. isolated from infants feces and breast milk[J]. Anaerobe, 2010, 16(2): 101-105.