培养组学（Cultureomics）需要遍地开花吗？

尽管Metchnikoff首次描述了益生菌的有益影响，但人们对与人类有互惠关系的共生微生物的兴趣以及它们在保护我们不受外部病原体侵染或代谢途径中的作用被长期忽视【1】。

培养条件和技术的发展使的体外可培养的物种逐年增加（图1）【2】。2015年有2172种原核生物被至少从人体中分离出一次，到2018年这一数目达到了2776种。 在400种新分离的人病原菌或共生菌中，培养组学贡献了66.2%，，其中288个是新物种。这表明培养组学是必要的，对未经探索的微生物世界-被称为微生物暗物质-将通过多组学方法逐步被揭示出来【3，4】。

                  图1.  人体胃肠道细菌、古细菌和真核生物培养物的累积种类数随时间

                            变化的图示。箭头表示胃肠道微生物群研究的转折点：（1）分离

                            出第一批胃肠道细菌，（2）引入严格厌氧技术，（3）在胃肠道微

                            生物群研究领域引入分子技术.

近年来组学技术的出现及其广泛应用，特别是下一代测序技术（next-generation sequencing，NGS）的出现，使得人们对人类微生物群有了更好的探索和理解，NGS相对快速的分析，已经很快取代了非常讲究的标准培养技术，并由此形成了多组学解决方案（图2）【5】，在这个方案中，多组学技术可以用来鉴定细菌标记物，通过亚基因组学的方法进行DNA测序，不同类型的RNA可以通过转录组学的方法进行量化，以发现它们的作用，利用蛋白质组学方法可以识别预测大蛋白质标记物，利用代谢组学方法可以识别代谢物的代谢变化【6】。

                              图2.组学方案

多组学技术快速提高了我们对肠道菌群生态系统的认识，突出了肠道细菌在几种疾病中的作用。但也突出表明，~80%居住在人类肠道的细菌是未知的，肠道中的大多数细菌被认为是不可培养的【1】。因此，开发新的方法来培养不能用常规技术培养的细菌成为需要解决的问题，培养组学（Cultureomics）正是在培养和鉴定居住在人体肠道中的未知细菌的过程中发展起来的【7】。这种由多种培养条件和快速鉴定细菌组成的培养组学方法使得数百种与人类相关的新微生物得以培养，为研究宿主-细菌关系提供了令人兴奋的新视角【1】。

培养组学是一种利用多种培养条件，即通过高通量培养的方式来进行培养细菌的方法。基质辅助激光解析电解离质谱（MALDI- TOF mass spectrometry，MALDI-TOF）和16S rRNA测序用来鉴定细菌种类。经培养组学鉴定的新细菌物种可能具有健康价值，并可作为益生菌用于细菌治疗。利用MALDI-TOF-MS对培养组学中的细菌进行鉴定，可以快速筛选大量的菌落。培养组学的工作流程见图3【6】。

               图3  培养组学的工作流程。样品在不同的培养条件下培养（A）。培养条件标准化，以最大

                   限度地回收少数细菌和细菌条纹（B）。使用MALDI-TOF MS鉴定细菌（C）。使用物种鉴

                   定数据库分析MALDI-TOF MS数据，如果MALDI-TOF MS未鉴定出细菌，则对样品进行16S 

                   rRNA测序（D）。如果与其最近的相关菌株的相似性<98.65%，则为新物种，然后进行分

                   类组学描述并将新物种添加到数据库（E）。

高通量培养方法：应用高产培养条件，如YCFA（酵母提取物、酪蛋白水解物、脂肪酸），来模拟肠道环境，模拟肠道微生物群的共生，用于研究细菌多样性。以细菌的表型和代谢特征为目标，以促进其分离。新一代测序和流式细胞术等现有技术也被用于开发创新方法，以分离先前未培养的细菌或探索感兴趣样本中细菌【5】。

发现稀有和少数群体的新培养方法促进了与人类相关的细菌库的增加。同时，用于临床微生物学实验室病原体常规鉴定的MALDI-TOF数据库的更新使我们能够从临床标本中发现新的分类群，有助于了解它们在健康和疾病中的作用。将培养组学研究中回收的所有分离物沉积在一个菌株集合中，增加了用于体外和体内实验的菌株的可用性，可能导致它们用作益生菌。培养组学在临床微生物学中应用的历史与前景见图4【1，5】.

                    图4 培养组学在临床微生物学中应用的历史与前景

培养组学的发展，发现了肠道中的未知细菌，增加对细菌种类的了解；提供了可用于体外实验的细菌菌株，并通过模式动物确认特定细菌在疾病发病机制中的作用；一些用培养基鉴定的有益健康的细菌，可作为益生菌，和/或未来细菌疗法的候选菌。随着感兴趣菌株可用性的增加，细菌疗法可以代表FMT的一种可行和广泛的替代方法，因此，成为未来医学的一部分。

主要参考文献：

1.  Nat Rev Microbiol. 2018 May 1;16:540-550

2.  FEMS Microbiol Rev. 2014 Sep;38(5):996-1047

3.  Lancet Infect Dis. 2015;15:1211–1219

4.  Microbiome. 2018 May 24;6(1):94

5.  Clin Microbiol Rev . 2020 Oct 28;34(1):e00129-19

6.  Biomed Pharmacother. 2020 Nov;131:110648

7.   Clin Microbiol Infect 2012，18:1185–1193