王雙雙,宋鳳,魏曉文,顧浩宇,張珂,周玉翔,江蘭睿,羅海玻
四川大學(xué)華西基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)與法醫(yī)學(xué)院,四川 成都 610044
人體是一個細(xì)胞的集合體,由大量細(xì)胞組成,除人體自身細(xì)胞,許多微生物細(xì)胞也參與人體的組成。人體內(nèi)外總的細(xì)菌細(xì)胞比人自身細(xì)胞多10 倍,人體攜帶的大量微生物群統(tǒng)稱為人類微生物群[1-4]。人體口腔微生物群是人類微生物的重要組成部分,是僅次于腸道的第二大復(fù)雜微生物庫[5],指定植在人體口腔的各種微生物。人體攜帶的微生物細(xì)胞可以脫落、沉積和轉(zhuǎn)移,其過程和方式類似于人類細(xì)胞[1],若這些細(xì)胞遺留在現(xiàn)場,可被法醫(yī)學(xué)者偵查發(fā)現(xiàn)并提供可用信息,如將現(xiàn)場檢材的微生物群落組成與犯罪嫌疑人的進(jìn)行對比,可能會為案件的偵破提供線索和依據(jù)。因此,近年來微生物逐漸成為法醫(yī)學(xué)者密切關(guān)注的研究對象,國外部分研究也對人體口腔微生物應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)個體識別進(jìn)行了有效探索[6-7]。本文就人體口腔微生物的特征及其在法醫(yī)學(xué)個體識別中的應(yīng)用前景進(jìn)行綜述,以期為法醫(yī)微生物學(xué)的相關(guān)研究提供參考。
在人體口腔及其延續(xù)部位(止于食管末端)發(fā)現(xiàn)的微生物稱為人類口腔微生物群,其微生物組成十分復(fù)雜,僅次于結(jié)腸[8]。人體口腔內(nèi)定植了大量微生物,包括病毒、細(xì)菌、古核生物、真菌和原生動物[9]。隨著美國國立衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health,NIH)人體微生物項(xiàng)目的展開,對人體口腔微生物的研究也不斷增多和加深,美國國立牙頜顱研究所(National Institute of Dental and Craniofacial Research,NIDCR)于2008 年啟動了第一個人體口腔微生物組數(shù)據(jù)庫(Human Oral Microbiome Database,HOMD),該數(shù)據(jù)庫詳細(xì)記錄了口腔細(xì)菌的相關(guān)信息[4]。隨后,該數(shù)據(jù)庫將庫內(nèi)涵蓋的口腔微生物棲息地進(jìn)一步擴(kuò)展,形成了目前擴(kuò)展的人類口腔微生物數(shù)據(jù)庫(expanded Human Oral Microbiome Database,eHOMD)。eHOMD 提供了在人類口腔、咽、鼻腔、鼻竇和食道等處定植的細(xì)菌種類的詳細(xì)信息。在eHOMD 中,共記錄了775 種微生物物種,其中57%被正式命名,13%能進(jìn)行培養(yǎng)而未被命名,30%不能進(jìn)行培養(yǎng)[10]。
口腔內(nèi)有很多微生物棲息地,各棲息地上定植的微生物種類存在一定程度的差異。無論是通過培養(yǎng)還是分子技術(shù)方法,都表明舌、牙齒、黏膜、腭和牙齦擁有各自獨(dú)特的微生物群[11]。唾液含有的微生物主要屬于以下幾種微生物門:放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、梭桿菌門(Fusobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和螺旋體門(Spirochaetes)[5,12]。由于附著在口腔黏膜、牙齒等口腔結(jié)構(gòu)和組織表面的微生物會不斷涌入?yún)R集到唾液中,使得唾液微生物群成為棲息在口腔表面的口腔微生物群的“指紋”[13],這一特性使得唾液成為人體口腔微生物常用的研究樣本。牙菌斑是牙齒表面的一層生物膜[14],分為齦上牙菌斑和齦下牙菌斑[15]。牙菌斑微生物組成多樣,列文虎克使用顯微鏡在牙菌斑中觀察到多種細(xì)菌形態(tài),這是人類對口腔微生物群落的最初認(rèn)識[16]。牙菌斑微生物組成可隨著疾病(如齲齒)的發(fā)生發(fā)展而產(chǎn)生變化,是研究口腔疾病與口腔微生物群落變化的常用研究對象。
人類微生物組計(jì)劃(Human Microbiome Project,HMP)的研究[5]表明,個體是影響微生物群落組成的主要因素,每個個體的微生物組都由特定的微生物群落組成。雖然人類之間共享著一些相似的唾液微生物,但唾液微生物組成具有個體差異性,在特定的時間范圍內(nèi),特定個體的唾液微生物組成是穩(wěn)定且特異的[17]。對10 名健康個體口腔內(nèi)細(xì)菌多樣性的研究[18]表明,個體有其獨(dú)特的細(xì)菌群落,但這些細(xì)菌群落在屬級分類時往往相似度高。許多環(huán)境因素可能造成這種口腔微生物的個體差異性,如吸煙、飲酒、口腔衛(wèi)生等[19],甚至地理因素也可能參與微生物個體差異性的形成。一項(xiàng)對來自世界12 個城市120 名個體的研究[20]在確定影響人類唾液微生物組的環(huán)境因素時發(fā)現(xiàn),微生物群落的變化與經(jīng)緯度存在關(guān)聯(lián)。
微生物細(xì)胞相較于人類細(xì)胞有以下優(yōu)點(diǎn):(1)細(xì)菌DNA 的形狀為圓形,且細(xì)胞壁厚,比人類DNA 更穩(wěn)定,不容易降解[6,19]。微生物細(xì)胞能夠以與人類細(xì)胞類似的方式脫落、轉(zhuǎn)移、沉積[1],沉積在物品上的細(xì)菌DNA 比人類DNA 更容易持久地保存。(2)人體微生物細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)多于人類細(xì)胞。根據(jù)推測,一名健康成年人1 mL 的唾液中含有約1 億個微生物細(xì)胞,按照750 mL/d 的正常唾液流量計(jì)算,每日從口腔流出的微生物細(xì)胞約為800 億[21],若唾液遺留在犯罪現(xiàn)場,其含有的人體口腔微生物細(xì)胞要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于口腔黏膜上皮細(xì)胞。當(dāng)人類DNA 的量不足以得到準(zhǔn)確分型時,對人類微生物進(jìn)行分析可能會提供新的偵查方向。有研究[22]表明,人體通過與環(huán)境的接觸可以改變環(huán)境中的細(xì)菌組成,包括空氣中的成分,因此可從封閉環(huán)境的微生物組中刻畫出人體微生物特征,甚至可以從人體與環(huán)境的交互作用中預(yù)測個人信息,如房間主人的性別[22-29]??梢娡ㄟ^微生物分析能為偵查提供一定的信息和線索。針對人體微生物運(yùn)用于法醫(yī)學(xué)個體識別領(lǐng)域,研究通常集中于分析微生物群落多樣性[6],比較微生物群落組成的差異性和相似性。
鑒于微生物細(xì)胞數(shù)量多和DNA 穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),結(jié)合微生物群落在不同個體之間、同一個體不同部位間存在差異性的特點(diǎn),使得微生物有望成為法醫(yī)學(xué)個體識別的生物標(biāo)志。
傳統(tǒng)的微生物多樣性研究方法主要通過對培養(yǎng)后的菌株進(jìn)行形態(tài)、生物化學(xué)、免疫等方面的觀察和檢測從而進(jìn)行鑒定,但該方法實(shí)驗(yàn)耗時長,且大部分微生物不能被培養(yǎng),如口腔微生物中有30%不能被培養(yǎng)[10],得到的微生物群落組成不夠準(zhǔn)確[30]。隨著分子技術(shù)的不斷發(fā)展,對于微生物研究的方法也逐步向不依賴培養(yǎng)分離的方向發(fā)展,由此也發(fā)現(xiàn)了一些分子標(biāo)記可用于微生物檢測分析,如16S rRNA 基因、rpoB基因、內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(internal transcribed spacer,ITS)序列等。
16S rRNA 基因是編碼核糖體亞基的DNA 序列,存在于所有細(xì)菌的基因組中,具有保守性和特異性,其序列包含10 個保守區(qū)和9 個高度可變區(qū);保守區(qū)序列能夠反映物種之間的親緣關(guān)系,而高度可變區(qū)序列在細(xì)菌物種間具有特異性,可據(jù)此對細(xì)菌進(jìn)行分類和鑒定;在大多數(shù)細(xì)菌中,保守區(qū)序列相同,因此可根據(jù)保守區(qū)序列設(shè)計(jì)通用引物,進(jìn)而對可變區(qū)序列進(jìn)行檢測分析[31]。此外,16S rRNA 基因已具有豐富詳盡的參考數(shù)據(jù)庫,如Greengenes 數(shù)據(jù)庫(https://greengenes.secondgenome.com/)、核糖體數(shù)據(jù)庫計(jì)劃(Ribosomal Database Project,RDP;http://rdp.cme.msu.edu/)、SILVA核糖體RNA 數(shù)據(jù)庫(https://www.arb-silva.de/),因此,16S rRNA 基因已成為細(xì)菌研究中最常用的分子標(biāo)記。隨著對16S rRNA 基因測序研究的不斷深入,微生物群落的許多未知信息被不斷揭示。
rpoB 基因是編碼RNA 聚合酶β 亞基的基因,作為一種管家基因,rpoB 基因在細(xì)菌中普遍存在,并且進(jìn)化速度比16S rRNA 基因快,能夠?qū)τH緣關(guān)系近的細(xì)菌進(jìn)行識別和分類[32]。有研究[33-34]結(jié)果表明,rpoB基因在物種水平上比16S rRNA 基因具有更好的分辨率,適用于系統(tǒng)發(fā)育分析。但由于缺乏相關(guān)的序列參考數(shù)據(jù)庫,在實(shí)際研究中rpoB 基因的運(yùn)用相較于16S rRNA 基因少。
ITS 序列是真菌研究中優(yōu)選的生物標(biāo)志。ITS 序列包括進(jìn)化最快的ITS 序列1、高度保守的5.8S rRNA基因和具有中等進(jìn)化速度的ITS 序列2[35]。ITS 序列1和ITS 序列2 在真核微生物的主要群體之間,甚至在同一生物群體的物種內(nèi),都表現(xiàn)出廣泛的序列多樣性,這些序列多樣性可用于物種鑒定和識別[36]。
許多檢測方法可用于分析上述分子標(biāo)記,如變性梯度凝膠電泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)、末端限制性片段長度多態(tài)性(terminalrestriction fragment length polymorphism,T-RFLP)、高分辨率熔解(high resolution melting,HRM)等。TRFLP 可以評估復(fù)雜細(xì)菌群落的多樣性。在臨床醫(yī)學(xué)研究中,有學(xué)者[37]通過T-RFLP檢測方法分析16S rRNA基因來闡明唾液過多與口腔微生物群之間的關(guān)系。在法醫(yī)學(xué)研究中,NISHI 等[38]則利用T-RFLP 檢測16S rRNA 基因V1~V3 可變區(qū),對12 名志愿者手部的細(xì)菌群落組成進(jìn)行了比較,研究結(jié)果表明,運(yùn)用T-RFLP的檢測方法分析16S rRNA 基因可變區(qū)具有區(qū)分不同個體的潛能。DGGE 是一種基于PCR 的微生物群落分析方法,能夠形成微生物群落“指紋”,被廣泛用于分析環(huán)境和人類微生物群落[39]。在臨床研究中,DGGE可被用來分析口腔黏膜慢性炎癥[40]和齲齒[41]等口腔疾病的微生物群落。但DGGE 和T-RFLP 檢測方法實(shí)驗(yàn)耗時長,不利于快速檢測,檢測結(jié)果也難以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,因此在近些年的微生物多樣性研究中較少使用。HRM 能夠在PCR 擴(kuò)增后直接對目標(biāo)擴(kuò)增子進(jìn)行基因分型,與定量PCR 檢測共平臺,操作簡便快捷。但HRM 曲線本身不能提供任何系統(tǒng)發(fā)育信息,因此,HJELMS? 等[42]建議將HRM 作為快速識別樣本中含有不同細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的篩選工具。
隨著測序技術(shù)的發(fā)展,高通量測序技術(shù)逐漸運(yùn)用于微生物分子標(biāo)記的檢測,如擴(kuò)增子測序。擴(kuò)增子測序是一種高靶向性方法,分析特定基因組區(qū)域的基因變異可以反映微生物組成的差異。以16S rRNA 基因?yàn)槔?,可變區(qū)擴(kuò)增子測序所得的序列通過相似程度(通常是97%)將其分為不同的運(yùn)算分類單元(operational taxonomic unit,OTU)[43],將每個OTU 的代表序列與微生物數(shù)據(jù)庫(如Greengenes 數(shù)據(jù)庫、SILVA 數(shù)據(jù)庫等)里的參考序列進(jìn)行比對,得到各個OTU 的物種注釋,最終形成各個樣本的微生物組成信息進(jìn)而比較分析。對16S rRNA 基因分子標(biāo)記進(jìn)行擴(kuò)增子靶向測序分析的方法目前在微生物多樣性研究中運(yùn)用十分廣泛,如口腔微生物與胰腺癌的關(guān)系[44]、兒童不同發(fā)育階段口腔微生物與口腔健康的關(guān)系[45]、區(qū)分齲齒病和健康人群[46]以及居住在不同海拔的人群口腔微生物比較[47]等。盡管擴(kuò)增子測序具有測序片段短、對細(xì)菌的分辨率不能達(dá)到屬級以下的缺點(diǎn),但目前仍然是微生物多樣性研究的主要檢測手段。
口腔微生物作為人類第二大微生物庫,具有個體差異性,在法醫(yī)學(xué)個體識別中具有很大的研究前景。但在運(yùn)用其進(jìn)行個體識別研究之前,需要考慮口腔微生物是否隨著時間發(fā)生變化。現(xiàn)場痕跡檢材的微生物組成與犯罪嫌疑人的口腔微生物組成保持一致才能用于法醫(yī)學(xué)個體識別,若個體和犯罪現(xiàn)場痕跡的微生物群落隨著時間發(fā)生變化,則會導(dǎo)致匹配失敗,將犯罪嫌疑人錯誤排除[7]。有學(xué)者[48]在研究人體唾液和牙菌斑的微生物組成和穩(wěn)定性時,對細(xì)菌16S rRNA基因可變區(qū)進(jìn)行檢測,分析7 年間口腔細(xì)菌群落隨時間的變化,結(jié)果顯示沒有新的細(xì)菌群落出現(xiàn)。因此,該研究推斷,盡管唾液細(xì)菌群落存在短暫的變化,但唾液細(xì)菌的組成整體是相對穩(wěn)定的。此外,不同個體的DGGE 條帶圖譜顯示細(xì)菌群落在個體間存在很大的差異并有新的細(xì)菌群落出現(xiàn)[48]。該研究再一次表明人體口腔微生物具有個體差異性,并且在時間上具有相對穩(wěn)定性。有研究[49]在0、1、90、91 d 4 個時間點(diǎn)分別采集志愿者27 個身體部位(包括口腔)的樣本,分析了人體細(xì)菌群落隨時間變化的穩(wěn)定性,其結(jié)果表明,口腔微生物群落有明顯的時空穩(wěn)定性,相較于皮膚微生物和腸道微生物,個體口腔微生物的群落組成不會隨著時間而發(fā)生很大的變化。以上研究結(jié)果都表明口腔微生物具有時間穩(wěn)定性,為其應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)個體識別提供了科學(xué)依據(jù)。
LEAKE 等[6]對2 名健康志愿者的唾液微生物進(jìn)行了調(diào)查研究,以探討唾液微生物中的細(xì)菌用于區(qū)分不同個體的潛力。16S rRNA 基因的分析結(jié)果顯示,可以在屬水平(有時在物種水平)表征鏈球菌;而通過分析rpoB 基因能獲得更深層次的表征,可以檢測到鏈球菌物種和菌株水平。將16S rRNA 基因和rpoB 基因聯(lián)合使用可以對不同個體進(jìn)行有效區(qū)分。該研究結(jié)果顯示,基于高通量測序分析唾液微生物分子標(biāo)記可以用來區(qū)分不同個體的唾液樣本,具有法醫(yī)學(xué)個體識別的應(yīng)用前景。STAHRINGER 等[50]對不同年齡段(12~13、17~18、22~24 歲)雙胞胎唾液微生物多樣性進(jìn)行了比較。在同一年齡段的雙胞胎中只觀察到一種輕微的趨勢:口腔微生物組成在同居的同卵雙胞胎比異卵雙胞胎更相似,但這種差異不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,說明生活在一起的雙胞胎(不論同卵雙胞胎還是異卵雙胞胎)之間具有相似的口腔微生物組成;在17~22 歲年齡段,84%的雙胞胎不再同居,雙胞胎之間的相似性開始下降。該研究結(jié)果表明,環(huán)境是影響口腔微生物的主要因素,宿主的遺傳因素影響甚小。此外,F(xiàn)REIRE 等[51]對143 對雙胞胎口腔微生物多樣性的研究結(jié)果也表明,宿主復(fù)雜的微生物相互作用和變化受宿主個人習(xí)慣和年齡的影響,而非遺傳因素。由于同卵雙胞胎擁有相同的等位基因,目前基于STR分型技術(shù),無法對同卵雙胞胎進(jìn)行有效區(qū)分??谇晃⑸锝M成受遺傳因素的影響小這一特點(diǎn),提示可基于口腔微生物組成鑒別同卵雙胞胎。
法醫(yī)學(xué)個體識別中最重要的是將現(xiàn)場檢材與犯罪嫌疑人的分析結(jié)果進(jìn)行匹配。有研究[52]招募了16名志愿者,采集其咬痕和牙齒拭子,針對鏈球菌16S rRNA基因可變區(qū)序列、16S-23S rRNA 基因間隔區(qū)(intergenic spacer region,ISR)序列和rpoB 基因序列進(jìn)行二代測序分析,成功將咬痕的口腔鏈球菌序列與對應(yīng)牙齒的鏈球菌序列相匹配。結(jié)果顯示,16S rRNA 基因、ISR 序列、rpoB 基因3 種模型能夠正確匹配咬痕和牙齒樣本的概率分別為0.99、0.92 和1.00。該研究結(jié)果顯示,比較口腔鏈球菌DNA 的高度可區(qū)分區(qū)域能夠?qū)⒁Ш酆蛯?yīng)個體的牙齒進(jìn)行匹配,在無法回收到足量人類DNA 的情況下,對人體口腔微生物進(jìn)行分析可提供有價(jià)值的信息以佐證其他證據(jù)。
口腔疾病會導(dǎo)致口腔微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。變形鏈球菌(Streptococcus mutans)和乳酸桿菌(Lactobacillus)被認(rèn)為是齲齒的特異性病原體[53],而在其他口腔疾病發(fā)生發(fā)展過程中,也有特定的口腔微生物參與[3]。LEE 等[54]的研究結(jié)果表明,口腔微生物群落中的5 個細(xì)菌屬在上皮前體病變個體和癌癥患者之間有著明顯的差異。有學(xué)者[55]研究佩戴假牙后口腔微生物群落的變化,結(jié)果表明,在佩戴假牙后,口腔微生物群落發(fā)生了顯著變化,并在此之后保持相對穩(wěn)定。這些研究表明,口腔疾病以及口腔治療后的口腔微生物群落會發(fā)生變化,可將這一特性用于刻畫犯罪嫌疑人的口腔衛(wèi)生狀態(tài)。通過對遺留在犯罪現(xiàn)場的口腔相關(guān)生物檢材進(jìn)行微生物分析,推斷犯罪嫌疑人口腔狀態(tài),即處于健康或者疾病狀態(tài)。若為疾病狀態(tài),可進(jìn)一步推斷其患有何種口腔疾病或者是否進(jìn)行過口腔治療。這些口腔狀態(tài)的刻畫信息可結(jié)合醫(yī)院的就診治療信息,將偵查范圍縮小,為案件偵破提供幫助。
微生物法醫(yī)學(xué)在近10 年快速發(fā)展,在法醫(yī)學(xué)個體識別運(yùn)用探索中,大部分研究都以皮膚微生物組為研究對象。唾液作為一種可以遺留在犯罪現(xiàn)場的體液,其微生物組也可提供與犯罪嫌疑人相關(guān)的信息。在痕跡DNA 含量低而無法得到可靠DNA 分型結(jié)果時,人體口腔微生物組分型就顯得尤為有用??谇晃⑸锶郝浣M成表現(xiàn)出在不同個體之間較大的差異性和同一個體內(nèi)的時間穩(wěn)定性。有研究根據(jù)口腔微生物分子標(biāo)記的檢測分析,將受試者的牙齒和咬痕成功匹配[52]。遺傳因素對人體口腔微生物組的影響小[50-51]這一特性使其在區(qū)分同卵雙胞胎時較DNA 分型更具優(yōu)勢。人體口腔狀態(tài)與口腔微生物組成密切相關(guān),可據(jù)此刻畫人體口腔狀態(tài)或者個人習(xí)慣(如抽煙)[56]等信息,為偵查提供線索。在分析人體口腔微生物時,需要謹(jǐn)記其組成并非一成不變,如服用抗生素后,口腔微生物群落組成會發(fā)生變化,正常情況下3 周左右可恢復(fù)到之前的狀態(tài)[57]??谇缓腿砑膊∫约跋鄳?yīng)的治療會導(dǎo)致微生物群落組成發(fā)生變化,這一特性既可以提供偵查信息,同時也可能對結(jié)果分析造成干擾,在法醫(yī)微生物研究中需謹(jǐn)慎利用。
近年來,分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展讓人們對微生物有了更深層次的認(rèn)知,對微生物的研究不再局限于分離培養(yǎng),已向核酸水平和群落研究方向發(fā)展,涉及醫(yī)學(xué)、環(huán)境學(xué)、食品學(xué)等多個研究領(lǐng)域。隨著測序技術(shù)和生物信息學(xué)的發(fā)展,也使微生物運(yùn)用于法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域成為可能。在法醫(yī)學(xué)實(shí)際案件中,口腔微生物可能作為一種生物物證遺留在現(xiàn)場,將犯罪嫌疑人和犯罪現(xiàn)場聯(lián)系起來,為刑事偵查提供信息??谇晃⑸镉糜诜ㄡt(yī)學(xué)個體識別還處于探索階段,盡管研究已顯示出口腔微生物具有法醫(yī)學(xué)個體識別的潛力,但尚存在一些問題,比如缺乏標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)、難以對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確解釋以及在靈敏度、特異性、穩(wěn)定性等方面都缺乏研究和驗(yàn)證。另外,如何保證生物檢材的微生物群落在采集、保存、運(yùn)輸和檢驗(yàn)過程中不受環(huán)境微生物的污染,都有待進(jìn)一步探索。若將口腔微生物分析運(yùn)用于實(shí)際檢案中,需建立一種科學(xué)、統(tǒng)一且適用性強(qiáng)的分析方法,這可能是今后該領(lǐng)域中的一個研究重點(diǎn)。