使用冷凍分裝技術提高糞便微生物菌群研究的效率和質量：突破處理糞便樣本難題
作者：Graham S. Long, Joseph M. Fraone, and Larry Chin
摘要
目前，腸道微生物菌群研究已經成為科學研究領域越來越重要的一個方向，腸道微生物菌群研究在藥物研發、營養學研究、疾病預防和診斷等領域有著廣泛的應用價值，潛力巨大。然而，糞便樣本除了物流運輸這一關鍵步驟以外，還面臨著健康和安全性的系列挑戰，同時直接接觸這些樣本往往也是不受歡迎的操作處理方式。
因為糞便樣本一般呈半固體狀態，難以使用傳統的人工或者自動化液體工作站進行操作，由于高通量操作能力的限制，所以很難將小型實驗性研究升級成大型項目型研究。
針對以上描述的各項困難與挑戰， 種新型、高效的冷凍樣本分裝技術為其提供了相應的解決方案。通過將糞便樣本保持在冷凍狀態下（溫度控制在-80C或以更低水平），消除凍融循環，可以很好地保存微生物菌群的活體特征。此外，冷凍樣本分裝提供一種安全且一致性的樣本操作方法。由于抑制了令人不悅的氣味產生，幫助實驗人員輕松的處理更多的糞便樣本，改善了實驗環境。
目前市面上僅有兩款儀器可以用于實驗室的冷凍樣本分裝操作。一款是桌面型半自動化儀器，可容納并處理市面上大部分的樣品管規格，適合于較小規模的試驗性研究面上大部分的樣品管規格，適合于較小規模的試驗性研究和方法開發工作。另一款是落地式全自動化操作平臺，適合標準化流程作業和以及大群組樣品類型的項目型研究工作。兩種儀器都可以處理冷凍的原始糞便樣本，或冷凍的懸浮處理糞樣本，目前正廣泛應用于各個知名的腸道微生物組研究實驗室。
引言
在當前的研究中，收集和處理人類糞便樣本用于分析腸道微生物菌群面臨諸多挑戰，不僅在收集流程以及物流運輸的安全性上，還有維持樣本呈現在體內狀態時的分子譜的完整性上，存在著許多難以解決的問題。由于每個排泄物樣本的固化程度、水合作用程度以及組成物質有很大的不同，這就給通過物理手段上處理并通過標準化取定量的樣品進行分析造成了很大的困難。又因為固體顆粒物會堵塞槍頭，即使研究人員采用糞便懸液樣本，也難以實施標準液體自動化處理。盡管在轉移和處理樣本的準確度和可重復性上存在一定的困難，但另一個更重要的核心問題就是如何保持微生物分子生物方面的完整，因為糞便樣本中充滿了大量核酸酶和RNA酶，他們的存在使得RNA和元基因組的分析變得更為困難。
通過消除反復凍融的操作，保持活體微生物遺傳圖譜特性。
冷凍取樣技術可整合到基因組研究的工作流程中，提高研究效率，最大限度地提高樣本存儲率。
可對原始樣本進行重復取樣，無需進行反復凍融即可滿足對樣品進行冷凍分裝的需求。
為了使糞便樣本中的核酸含量保持穩定，科學家們已經嘗試了多種不同的方法，包括加入復合種類的酶抑制劑、在緩沖液中添加lOOmM的EDTA、還原劑以及乙醇混合物，低溫凍存樣本甚至對樣品進行凍干處理。
針對以上困難，我們提出了一種全新的樣本處理方法，可以在盡量保證樣本遺傳信息完整性和降低分子譜變化的潛在風險。通過冷凍樣本取樣，在分析之前，我們可以讓樣本在處理、轉移和存儲的整個過程中保持冷凍狀態，從而保持糞便樣本的分子譜完整性。此外，通過冷凍取樣技術，我們可真正實現半自動化／全自動化技術來處理更多的糞便樣本，最大限度地避免操作人員暴露于潛在的有害物質中，進一步規范作業流程。例如像瑞士洛桑聯邦理工大學(EPFL)的雀巢健康科學院和盧森堡聯合生物樣本庫(IBBL)等實驗室已經成功地將半自動桌面型冷凍取樣技術應用于他們的腸道微生物組的研究工作中。法國國家農業研究院(INRA)則在其大型研究項目工作中采用了全自動化的技術方案（CXT750冷凍樣品取樣儀），實現了樣本處理和存儲工作流程的標準化和規范化。
圖1：冷凍樣品取樣儀與法國農業科學研究院(INRA)糞便微生物菌群研究流程進行整合
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圖2：冷凍樣品取樣和人工取樣的冷凍糞便樣本的宏基岡組比較
在宏基因組分析處理之前，按照以下三個條件，對II名志愿者的糞便樣本進行處理。條件1：人工分裝的冷凍糞便樣本，和來自經過固定、均相并在室溫下放置了一周后的進行冷凍分裝樣本進行比較：條件2：將手動取樣的冷凍糞便樣本與穩定的、均勻的、在環境溫度下貯存l周的經冷凍取樣的糞便樣本進行對比：條件3：人工分裝的冷凍糞便樣本，和來自經過固定、均相并在-80℃存放一周后的進行冷凍分裝樣本進行比較。對每個條件下的樣本進行測序，并使用Spea rman軟件進行宏基因組的數據比較分析，以比較并確定每種取樣技術的差異。所有條件都顯示出高分值的相關性(>0 8)。其中，條件3相關性最佳，條件1相關性最差。 |