点击蓝字 关注我们脊髓损伤引发急性微生物组休克及多器官转录组重编程iMeta主页http://www.imeta.science研究论文● 期刊:iMeta(IF 33.2,中科院双一区Top)● 英文题目: Spinal cord injury induces acute microbiome shock and system-wide transcriptomic reprogramming● 中文题目:脊髓损伤引发急性微生物组休克及多器官转录组重编程● 原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/imt2.70128● DOI: https://doi.org/10.1002/imt2.70128● 2026年5月3日山东大学冯世庆、周恒星、初波和天津医科大学伊现富等在iMeta在线发表了题为“Spinal cord injury induces acute microbiome shock and system-wide transcriptomic reprogramming”的文章。● 本研究基于小鼠脊髓损伤模型整合回肠、盲肠和结肠的肠道微生物宏基因组数据与全身多器官转录组数据系统解析了损伤后急性期至慢性期的全身病理改变揭示了宿主与肠道微生物之间潜在的互作规律。本研究提示外周器官免疫、代谢异常可能与脊髓损伤后的肠道微生物波动相关为后续从靶向微生物干预与基因调控角度开发脊髓损伤治疗新策略提供了重要的理论依据与数据支撑。● 第一作者张驰、杜雨霏、吴明鑫、李闯● 通讯作者周恒星zhouhengxingsdu.edu.cn、冯世庆shiqingfengsdu.edu.cn、初波chubo123sdu.edu.cn、伊现富yixianfutmu.edu.cn● 合作作者姜睿智、齐恩林、李少龙● 主要单位山东大学齐鲁第二医院、山东大学齐鲁医院、广西医科大学附属第一医院、山东大学基础医学院、天津医科大学基础医学院亮 点● 提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念● 揭示肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性● 开发脊髓损伤后肠道微生物组与多器官基因表达图谱数据库SCIGAMA。摘 要脊髓损伤SCI可引发全身多器官功能紊乱但其肠道微生物动态演变及多器官转录组的时空响应特征尚不明确。为阐明SCI后微生物及器官转录组响应规律本研究对小鼠SCI后0分钟至3个月共15个时间点的回肠、盲肠、结肠进行宏基因组测序同步开展14个器官的转录组动态分析。本研究首次提出了脊髓损伤后“微生物组休克”的概念表现为损伤后12小时肠道微生物多样性骤降、条件致病菌比例增加5天后微生物组成部分恢复多器官转录组变化呈现出显著的器官与时间特异性改变表现为免疫与代谢通路的系统性重塑且肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性。本研究进一步开发了开放共享的脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达图谱数据库SCIGAMA为脊髓损伤领域研究提供高质量、高可信度的数据平台。视频解读Bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1ac596GEtc/Youtubehttps://youtu.be/yAN7UpXOFiA中文翻译、PPT、中/英文视频解读等扩展资料下载请访问期刊官网http://www.imeta.science/全文解读引 言脊髓损伤Spinal cord injury, SCI是一类严重的中枢神经系统创伤性疾病。截至2021年其全球患者总数已超过1540万主要由交通事故、高处坠落等意外事件导致具有高致残率、高死亡率的特点给患者家庭和社会带来沉重负担。目前的相关研究大多聚焦于脊髓局部病灶的病理损伤与修复机制但越来越多的临床证据表明SCI并非仅局限于脊髓局部而会通过神经、内分泌、免疫等途径引起全身多器官功能紊乱破坏机体稳态显著增加患者心血管疾病、膀胱癌、慢性骨髓衰竭等远期并发症的发生风险。因此突破“脊髓中心论”的研究局限系统解析SCI的全身病理效应已成为该领域亟待解决的重要科学问题。肠道微生物组作为人体的“第二基因组”是调控宿主免疫稳态、物质代谢和神经功能的核心枢纽其组成与功能的异常改变与多种疾病的发生发展密切相关。SCI可通过损伤自主神经系统导致神经源性肠功能障碍破坏肠道微生态平衡进而引起肠道微生物失调。这一结果又会反过来加剧全身炎症反应和代谢紊乱形成恶性循环。尽管已有研究证实SCI会引发肠道微生物失调但现有研究多采用单时间或短期内少量时间点对脊髓损伤后的肠道微生物进行观察缺乏对损伤后从急性期到慢性期完整时间进程的动态解析无法明确微生物紊乱的发生规律和关键干预窗口。同时肠道微生物如何通过肠-器官轴影响多器官的功能状态其分子机制尚未系统阐明。转录组学技术是解析疾病分子病理机制的核心研究手段。既往研究借助转录组分析已初步阐明脊髓局部损伤后基因表达的时空演变规律。然而当前脊髓损伤相关转录组研究多局限于损伤脊髓单一组织缺乏全身多器官层面的系统性、时序化转录组解析既无法完整勾勒脊髓损伤诱发的全身性分子应答网络也难以阐释肠道微生物稳态紊乱与多器官转录重编程的内在关联。该研究短板不仅制约了对脊髓损伤全身级联病理效应的整体性认知也阻碍了靶向全身调控的综合干预策略与治疗方案的研发落地。本研究针对小鼠脊髓损伤后0分钟至3个月共15个时间点包括对照组及假手术组的回肠、盲肠和结肠进行宏基因组测序同步开展14个器官的转录组动态分析系统解析了SCI后肠道微生物组和全身转录组的时序演变规律。研究首次提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念揭示了肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性。在此基础上开发了开放共享的脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达数据库Spinal Cord Injury Gut Microbiome and Multi-Organ Gene Expression Atlas, SCIGAMA为脊髓损伤领域研究提供高质量、高可信度的数据平台。结 果脊髓损伤可引发急性“微生物组休克”本研究对小鼠SCI后0分钟至3个月共15个时间点的回肠、盲肠、结肠内容物进行宏基因组测序同步开展14个器官的转录组谱分析图 1A系统解析肠道微生物的时空动态特征。结果显示SCI后肠道微生物α多样性发生显著时间依赖性波动图 1B主坐标分析PCoA和非度量多维尺度分析NMDS证实种水平微生物轨迹存在明显差异其中盲肠微生物在急性期变化相对较小而回肠微生物在损伤后12小时于门水平发生显著重塑图 1C图 S1D-F。门水平上回肠微生物在损伤后12小时发生剧烈重塑常驻共生菌急性耗竭导致变形菌门Pseudomonadota在急性期出现短暂比例增加图 1D表 S1。本研究将这种SCI后出现的肠道微生物多样性迅速失衡、共生菌缺失与条件致病菌快速扩张的现象定义为“微生物组休克microbiome shock”其特征与脊髓休克类似均为损伤后早期的急性紊乱。损伤后5天肠道微生物结构开始重构毛螺菌科、鼠杆菌科等共生菌科逐渐占据优势包括参与代谢和免疫稳态调控的Bacteroides acidifaciens、Mucispirillum schaedleri等物种图 1E。线性判别分析效应量LEfSe结果显示SCI后12小时差异富集38个类群损伤后5天差异富集273个类群图 1F12小时富集类群以Escherichia、Enterococcus等条件致病菌为主5天富集类群以Bacteroides、Duncaniella、Desulfovibrio等共生菌为主图 1G。功能分析显示12小时微生物富集于阳离子抗菌肽耐药、生物膜形成和鞭毛组装等通路提示其免疫逃逸能力与运动能力增强5天微生物功能向生物合成通路偏移提示微生物组休克进入部分恢复阶段图 1H表 S2。长期动态分析显示回肠和盲肠的差异微生物数量在损伤后14天达到峰值部分改变可持续至3个月图 S2A-C其中嗜酸乳杆菌在损伤后12小时即显著减少图 S2D而多形拟杆菌则持续升高至慢性期图 S2E功能注释进一步揭示了不同菌属在SCI后的功能变化图 S2F。对照组、假手术组和SCI 0分钟组的微生物组成无显著差异图 S1G-J。图1. 脊髓损伤后肠道微生物出现“微生物组休克”现象A实验设计与多组学分析流程BShannon Index评估回肠微生物群α多样性随时间变化趋势其他肠段及指标展示结果请参考图 S1A-CCNMDS法显示回肠微生物群β多样性在不同时间点的分布其他肠段及PCoA的时间点分布情况请参考图 S1D-F及表 S1D不同肠道节段中门水平微生物组成E桑基图展示脊髓损伤后12小时与5天微生物群落变化F对照组与SCI后12小时、以及SCI后3天与5天优势微生物数量对比G对照组与SCI 12小时、SCI 3天与5天中的各前10个优势微生物。这些优势微生物的显著性差异通过单因素置换检验9999次重采样校正后p值0.05进一步验证H微生物功能分析对比对照组与SCI 12小时以及SCI后3天与5天详细功能注释情况请参考表 S2。肠道微生物组与多器官转录组整合揭示脊髓损伤后分阶段干预的必要性多器官转录组分析表明SCI可诱导全身广泛的转录重编程其中脂肪组织和骨髓的基因表达扰动最为显著图 2A。GO富集分析显示脂肪组织上调基因主要富集于脂质储存和白细胞黏附通路骨髓上调基因则富集于葡萄糖代谢和白细胞黏附通路图 2B。基因集变异分析GSVA进一步揭示免疫与代谢通路的激活呈现显著的器官与时间特异性急性期结肠和回肠的核黄素代谢与糖酵解通路显著激活而脊髓、脂肪和心脏表现出独特的响应模式图 2C图 S3A炎症通路方面脊髓炎症可持续至慢性期而结肠炎症在损伤后7天即明显消退T细胞迁移通路在脊髓慢性期持续激活但在肝脏和心脏仅呈一过性上调图 S3A。免疫与代谢核心基因分析显示在脊髓中Il6于损伤后6小时达到表达峰值log2FC7.04p.adj0.01而在脂肪组织中呈现波动式变化于损伤后5天降至最低log2FC-4.23p.adj0.05在结肠中Il10表现出独特的三相表达模式损伤后12小时显著下调log2FC-2.57p.adj0.01第14天表达水平有所回升log2FC-1.12p.adj0.05慢性期3个月再次下调。糖酵解关键酶编码基因Hk2和Pfkl在多个器官中上调图 2D图 S3B而肝脏糖异生关键酶编码基因G6pc则先降低后逐渐恢复图 2E提示外周组织糖酵解增强与肝脏糖异生适配形成类似Cori循环的系统性代谢重塑。微生物组与转录组整合分析发现肠道微生物与多器官功能存在动态相关性。回肠中Ligilactobacillus murinus与细胞因子产生、中性粒细胞脱颗粒等免疫通路相关大肠杆菌则与脂肪酸生物合成、辅酶A生物合成等代谢通路相关图 2F结肠中Ligilactobacillus murinus与慢性炎症反应相关Acetatifactor属则与免疫与代谢通路广泛相关图 S3C。进一步分析显示不同微生物在SCI不同阶段特异性富集图 S3D且回肠大肠杆菌与多器官的转录通路广泛相关提示其可能通过肠-器官轴发挥全身性调控作用图 S3E-G。基于上述多器官、多组学数据本研究开发了脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达数据库SCIGAMA图 2G。该数据库整合了2077例样本数据包括270例肠道宏基因组样本、840例多器官转录组样本及967例公共样本图 S4A-F提供微生物宏基因组动态分析、多器官转录谱可视化、微生物-转录组关联分析三大功能模块为脊髓损伤领域研究提供高质量、高可信度的数据平台。图2. 整合宏基因组学与转录组学分析揭示了脊髓损伤后多器官中器官特异性及时间特异性免疫与代谢重编程机制A柱状图左x轴差异表达基因百分比与折线图右x轴差异表达基因总数展示脊髓损伤后不同时间点各器官中差异表达基因B脂肪组织与骨髓中上调基因的GO富集分析C热图呈现免疫与代谢通路的时间及器官特异性改变趋势心脏、肝脏以及肾脏的免疫与代谢通路的时间及器官特异性改变趋势请参见图 S3AD多器官中Il6Il10Hk2以及Pfkl表达水平折线图Ccl2Ccl5IfngIl1aIl1b以及Tnfa的表达折线图参见图 S3BE肝脏中G6pc表达水平柱状图F优势回肠微生物分类群与宿主炎症及代谢通路相关性网络可视化GSCIGAMA结构示意图SCIGAMA的构建框架及详细样本信息参见图S4。讨 论脊髓损伤是一个多维度的动态病理过程包含了从微观分子、细胞水平到宏观全身系统的持续性演变。肠道微生物组与宿主病理生理之间的精密互作是维持机体稳态的关键环节其在脊髓损伤后与脊髓局部病变及全身多器官功能障碍同步发生、密切关联却长期未得到足够重视。本研究提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念其核心特征为有益共生菌快速耗竭、条件致病菌显著扩张且损伤后仅呈现不完全性恢复。对其时空动态规律的明确有助于识别脊髓损伤后分阶段干预的关键时间窗口。尽管具体机制尚未完全阐明微生物组休克的发生很可能源于脊髓损伤所致的肠道动力异常与自主神经功能紊乱同时叠加全身应激反应与免疫调控失衡进一步破坏宿主–微生物稳态并促进条件致病菌的扩张。本研究通过多器官时序转录组分析发现脊髓损伤后不同器官的免疫代谢通路存在组织与时间特异性该结果强调了建立时空精准的靶向治疗体系的必要性。本研究进一步提示非特异性抗炎干预可能存在局限性与潜在不良效应因此临床诊疗需兼顾器官差异与病程时序特征。尤其针对心脏、肺等维持生命活动的关键器官开展定向调控可有效遏制全身级联病理损伤为提升脊髓损伤患者远期生存率、改善长期生活质量提供重要实践方向。目前脊髓损伤的临床转化仍面临诸多瓶颈与挑战但值得注意的是人类脊髓损伤的病理生理阶段与动物模型具有较高一致性这为开展分阶段精准干预提供了可参考的时序理论依据。基于这一病理共性可针对脊髓损伤急性期、亚急性期等关键病程窗口实施靶向干预未来亦可进一步探索多元化调控方案包括重塑肠道菌群稳态以及调控病程特异性基因表达等干预方向为脊髓损伤的精准治疗提供全新思路。本研究仍存在一定局限性。首先本研究采用小鼠模型无法完全模拟人类肠道微生物组的多样性以及多器官对脊髓损伤的真实应答。其次本研究仅纳入雌性小鼠以降低组内差异后续研究需纳入雌雄个体同步验证进一步阐明性别差异对脊髓损伤全身效应的影响。此外本研究观察到的特定微生物类群与宿主转录通路之间的相关性仍需谨慎解读相关关联网络虽可为系统水平机制研究提供假设基础但明确的因果关系仍需依托无菌动物模型、靶向干预实验等功能学研究进一步验证。最后SCIGAMA数据库中的公共数据虽经过统一标准化处理但因来源异质性未纳入核心分析仅作为探索性资源使用。尽管存在上述不足本研究仍构建了首个脊髓损伤相关的多器官、多组学数据平台证实肠道微生物稳态与全身多器官稳态平衡在脊髓损伤病理进程中具有重要意义为后续机制挖掘与转化研究奠定了重要理论基础。结 论本研究提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念揭示肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性并进一步开发脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达图谱数据库SCIGAMA为后续脊髓损伤相关的多器官机制研究提供了数据支撑。方 法实验动物与脊髓损伤模型构建实验选用8–10周龄SPF级雌性C57BL/6小鼠。为优化术后护理管理、提高实验重复性本研究统一采用雌性小鼠开展实验。虽然已有研究提示性别可能影响脊髓损伤后的病理进程与功能恢复但本阶段通过单一性别设计控制激素波动等潜在混杂因素后续研究将进一步纳入雄性小鼠系统评估性别差异的影响。所有动物实验方案均经山东大学齐鲁医院医学伦理委员会审核批准批准号为DWLL-2021-061。脊髓损伤模型参照已报道的方法建立全部手术操作在恒温无菌手术室中完成。小鼠采用异氟烷吸入麻醉于T8椎体水平做背部正中切口仔细分离肌肉组织以充分暴露T7-T9棘突使用固定装置稳定T7和T9棘突后行T8椎板切除术完全暴露脊髓。采用MASCIS Model III撞击器制备中度脊髓挫伤模型撞击参数为5 g配重、12.5 mm撞击高度。假手术组小鼠接受相同的麻醉、切开及T8椎板切除手术操作不进行脊髓打击。造模完成后轻柔缝合肌肉、筋膜与皮肤层。动物饲养与围手术期管理所有小鼠饲养于SPF级环境中控制12小时光照/黑暗循环温度20–25℃湿度40%–60%自由摄食标准饲料与灭菌饮用水。为降低笼养效应对肠道微生物结果的干扰小鼠术前至少合笼饲养1周每笼5只随后随机分配至假手术组或脊髓损伤组。垫料每周更换一次全部使用灭菌材料。围手术期采用丁丙诺啡缓释剂皮下注射进行镇痛处理剂量为0.1 mg/kg。脊髓损伤后前7天每日进行两次人工辅助膀胱排空操作直至小鼠恢复自主排尿功能。脊髓损伤术后全程不使用抗生素及额外镇痛药物避免对天然肠道微生物产生干扰。上述标准化饲养与管理方案用于保证实验一致性最大程度减少非实验因素对肠道微生物与全身多器官转录组分析的影响。样本采集与处理实验设置空白对照组、假手术组以及脊髓损伤后13个连续时间点分别为 0分钟、30分钟、1小时、6小时、12小时、1天、3天、5天、7天、14天、1个月、2个月、3个月该设计覆盖脊髓损伤急性期、亚急性期与慢性期病理阶段与之前研究中常用时间点保持一致。假手术组样本在假手术操作完成后立即采集鉴于不同周龄小鼠肠道微生物的变化并非主要由衰老本身驱动本研究未在各时间点设置独立的假手术组。用于肠道微生物分析的样本每组设置6个生物学重复用于多器官转录组分析的样本每组设置4个生物学重复。小鼠麻醉后经内眦静脉采集血液样本置于-80℃保存。沿胸腹两侧肋弓做切口至剑突位置充分暴露腹腔采集回肠、盲肠、结肠内容物迅速投入液氮速冻随后转移至-80℃冰箱保存备用。使用手术剪摘取脾脏并立即液氮速冻随后进行组织灌注。经心脏灌注冰浴PBS缓冲液直至右心房流出液澄清、肝脏呈均匀苍白色。随后快速分离大脑皮层、肺脏、心脏、肝脏、肾脏、脊髓、脂肪、结肠、小肠、肌肉、骨骼等组织经PBS漂洗后液氮速冻。骨髓样本采集时分离小鼠后肢股骨用纱布剔除附着肌肉剪去股骨两端骨骺用PBS冲洗骨髓腔收集冲洗液并过滤去除杂质离心后获得细胞悬液分装后液氮低温保存。肠道微生物组测序与分析取小鼠肠道内容物100–200 mg采用FastPure Stool DNA Isolation Kit提取基因组DNA以无菌水作为阴性对照。通过1%琼脂糖凝胶电泳评估DNA完整性NanoDrop 2000分光光度计检测DNA浓度与纯度。使用Covaris M220将DNA片段化至平均长度约350 bp采用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq试剂盒构建双端测序文库由上海美吉生物医药科技有限公司在Illumina NovaSeq™ X Plus测序平台完成测序使用NovaSeq X Series 25B测序试剂盒。使用fastp软件对原始测序数据进行处理去除接头序列与低质量序列过滤标准为序列长度小于50 bp或平均质量值低于20。采用BWA软件将过滤后序列比对至小鼠基因组剔除比对上宿主基因组的序列及其配对序列。使用MEGAHIT软件进行序列拼接保留长度不小于300 bp的重叠群。通过CD-HIT软件构建非冗余基因集使用SOAPaligner软件估算基因丰度。物种分类注释与功能注释通过DIAMOND软件比对NCBI NR数据库完成KEGG功能注释基于基因序列与KEGG数据库的比对结果实现。在物种水平、功能水平与基因水平采用Kruskal-Wallis检验进行差异丰度分析差异分析的P值使用Benjamini-Hochberg法进行错误发现率校正校正后P0.05定义为差异具有统计学意义。α多样性分析计算Shannon、Simpson、Chao等指数结果以箱线图展示。β多样性分析采用主坐标分析、非度量多维尺度分析与ANOSIM检验。通过线性判别分析效应量LEfSe筛选组间差异微生物类群设定LDA评分阈值2。针对微生物组数据普遍存在的零膨胀特征为提升统计稳健性物种水平差异分析采用coin R包开展单向置换检验蒙特卡罗近似重抽样次数设置为9999次所有检验P值使用Benjamini-Hochberg法进行错误发现率校正校正后P0.05定义为差异具有统计学意义。多器官转录组测序与分析采用Total RNA Extraction Kit提取组织总RNA按照Ribo-Zero rRNA Removal Kit说明书去除核糖体RNA以去除rRNA后的总RNA为模板使用TruSeq Stranded Total RNA Library Prep试剂盒构建链特异性转录组文库。通过BioAnalyzer 2100系统完成文库质量与浓度检测合格文库稀释至10 pM后变性为单链DNA结合至Illumina测序芯片并原位扩增形成簇在Illumina HiSeq 4000平台执行双端测序读长为2×150 bp。使用FastQC软件评估双端测序数据质量Cutadapt软件切除3 端接头并去除低质量读段。高质量读段使用HISAT2 软件比对至小鼠参考基因组mm10。剔除在所有样本中计数低于百万分之一的基因后进行下游分析采用GENCODE GRCm38.p6基因注释文件估算基因表达水平以每千碱基转录本每百万片段数进行表达定量。采用limma与DESeq2软件包鉴定差异表达基因对每个器官单独分析以特定时间点设计矩阵将各损伤后时间点与对照组比较筛选标准为倍数变化≥1且校正后P≤0.05。使用clusterProfiler R包进行功能富集分析包括Gene Ontology功能富集与KEGG通路富集分析采用超几何检验确定统计学意义P值经Benjamini-Hochberg法校正校正后P≤0.05为显著富集。时间序列基因聚类分析采用Mfuzz R包执行模糊c均值聚类聚类数量设为8模糊系数设为1.5结合富集分析结果完成可视化。基因相关性分析使用cor.test函数计算Pearson相关系数实现特定基因或基因对间相关性的可视化。为进一步解析通路水平变化采用基因集变异分析量化14个器官共15个实验组的通路活性评分该方法为非参数无监督方式基于GO与KEGG数据库的预设基因集评估相对富集程度将基因表达数据转换为通路活性评分直观展示不同组织与时间点的通路动态变化本研究未对通路活性评分开展统计学假设检验。公共数据收集与整合本研究的公共数据收集截至2024年12月从NCBI Gene Expression Omnibus数据库检索脊髓损伤相关芯片与转录组原始数据以“spinal cord injury”为检索词纳入有可用数据集的4个物种分别为“Ambystoma mexicanum”、“Rattus norvegicus”、“Danio rerio”以及“Mus musculus”。检索共得到194套公共数据集剔除基因修饰、单细胞测序、ChIP-Seq、miRNA-Seq、非编码RNA测序、snRNA-seq、ATAC-Seq等类型数据后最终纳入55套数据用于后续分析。上述公共数据来源于多项独立研究在动物品系、性别、年龄、饲养条件、损伤模型、实验流程等方面存在固有异质性。为保证基础处理层面的可比性所有原始数据均采用标准化流程统一处理但受上述混杂因素影响公共数据未与本研究自建数据合并开展联合分析仅作为补充资源整合至SCIGAMA平台。代码和数据可用性SCIGAMA 数据库官方访问地址为http://58.247.16.28:30080/SCIGAMA/index/homePage。本研究团队将对该数据库进行持续维护与定期更新确保平台可长期稳定访问与使用。数据库的详细使用说明、操作指南及补充信息可查阅官方帮助页面http://58.247.16.28:30080/SCIGAMA/help/1/helpPage。此外本研究相关的原始数据、分析流程及图表绘制代码均已上传至GitHub平台存储地址为https://github.com/Magetutor/Microbiome-shock-in-spinal-cord-injury。补充材料文本、图、表、中文翻译版本或视频也可从线上http://www.imeta.science/获取。引文格式Chi Zhang, Yufei Du, Mingxin Wu, Chuang Li, Ruizhi Jiang, Enlin Qi, Shaolong Li, et al. 2026. Spinal cord injury induces acute microbiome shock and system-wide transcriptomic reprogramming.iMeta5: e70128. https://doi.org/10.1002/imt2.70128作者简介张驰第一作者● 山东大学齐鲁第二医院博士后。● 主要研究方向为神经损伤后多器官交互及微生物组变化近3年以第一作者含共同在iMetaAdvanced MaterialsJournal of Orthopaedic TranslationeLifeCell Death Discovery等杂志发表SCI论文8篇。杜雨霏第一作者● 山东大学齐鲁第二医院在读博士研究生。● 研究方向为代谢性疾病相关神经病变的多组学机制解析及治疗靶点筛选。吴明鑫第一作者● 广西医科大学附属第一医院在读博士研究生。● 研究方向为脊髓损伤后细胞命运调控。李闯第一作者● 山东大学齐鲁第二医院在读硕士研究生。● 研究方向为脊髓损伤后微环境变化。冯世庆通讯作者● 山东大学齐鲁第二医院院长、山东大学骨科医学研究中心主任、国家脊髓损伤国际科技合作基地主任博士研究生导师、博士后导师。● 研究方向为急慢性神经损伤创立脊髓损伤微环境失衡理论构建从理论研究到临床转化的创新闭环。主持国家重点研发计划重点专项、国自然重大研究计划重点支持项目、重点项目及国合重点项目等国家级课题多项以通讯作者含共同在Science、NEJM、Nat Chem Biol、Adv Mater、Nat Commun、Bone Res等高水平期刊发表SCI论文150余篇并荣获国家科技进步二等奖、光华工程科技奖、何梁何利科技进步奖、省部级科技进步特等奖等重要科技奖励。周恒星通讯作者● 山东大学齐鲁医院研究员、副主任医师博士研究生导师、博士后合作导师山东省“泰山学者青年专家”。● 长期致力于脊髓损伤病理机制解析及修复策略研发的相关研究。主持国自然面上项目、青年项目、国家重点研发计划项目骨干、山东省重大基础研究计划、山东省重点研发计划等国家级、省市级课题多项。近5年以第一/通讯作者含共同发表SCI论文50余篇其中中科院1区影响因子IF10的论文20余篇、ESI全球高被引论文3篇。初波通讯作者● 山东大学基础医学院教授博士生导师国家高层次青年人才。● 主要聚焦于代谢通过铁死亡调控肿瘤的发生发展的机制研究。主持多项国自然、科技部和省部级项目。在代谢和铁死亡领域以通讯作者含共同发表Nature Cell Biology (20242026), Cell Metabolism (2024), Neuron (2024), Nature Communications (2023,2025a, 2025b accepted), EMBO J (2025), Advanced Science (2023, 2024, 2025), Advanced Material (2024), Cell Death Differentiation (2021)等。伊现富通讯作者● 天津医科大学基础医学院副教授硕士生导师。● 研究方向为复杂疾病的功能基因组学通过整合多组学数据运用生物信息学方法解析遗传变异调控基因表达的分子机制致力于推动复杂疾病的基础研究和临床转化。主持国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金青年项目等国家、省部级项目多项。在Gastroenterology、Nature Communications、Science Advances、Genome Biology、Nucleic Acids Research、eLife等高影响力期刊上发表研究论文多篇。共同主办单位更多推荐▼ 点击跳转高引文章 ▸▸▸▸iMeta | fastp 1.0一款用于FASTQ数据质量控制与预处理的超快速全能工具高引文章 ▸▸▸▸iMeta | 兰州大学/西藏大学张东组-PhyloSuite v2面向系统发育与分子定年的一体化高效可视化分析平台高引文章▸▸▸▸iMeta | 唐海宝/张兴坦-用于比较基因组学分析的多功能分析套件JCVIiMeta往期文章1卷1期1卷2期1卷3期1卷4期2卷1期2卷2期2卷3期2卷4期3卷1期3卷2期3卷3期3卷4期3卷5期3卷6期4卷1期4卷2期4卷3期4卷4期4卷5期4卷6期5卷1期iMetaOmics往期文章1卷1期1卷2期2卷1期2卷2期2卷3期2卷4期3卷1期iMetaMed往期文章1卷1期1卷2期期刊简介“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录2025年6月影响因子33.2中科院分区生物学1区Top位列全球SCI期刊前千分之三(65/22249)微生物学科2/163仅低于Nature Reviews学科研究类期刊全球第一中国大陆5/585“iMetaOmics” 是“iMeta” 子刊主编由中国科学院北京生命科学研究院赵方庆研究员和香港中文大学于君教授担任。iMetaOmics相继被PubMed、ESCI、DOAJ、Crossref和EZB等数据库收录目标是成为影响因子大于10的高水平综合期刊欢迎投稿iMetaMed 是“iMeta” 子刊专注于医学、健康和生物技术领域目标是成为影响因子大于15的医学综合类期刊欢迎投稿iMeta主页http://www.imeta.science姊妹刊iMetaOmics主页http://www.imeta.science/imetaomics/出版社iMeta主页https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2770596x出版社iMetaOmics主页https://onlinelibrary.wiley.com/journal/29969514出版社iMetaMed主页https://onlinelibrary.wiley.com/journal/3066988xiMeta投稿https://wiley.atyponrex.com/journal/IMT2iMetaOmics投稿https://wiley.atyponrex.com/journal/IMO2iMetaMed投稿https://wiley.atyponrex.com/submission/dashboard?siteNameIMM3邮箱officeimeta.science最全1000植物核基因组数据库IMP (点击图片直达)高颜值免费 SCI 在线绘图(点击图片直达)往期精品(点击图片直达文字对应教程)LinuxPythonR绘图NGS基础GEO高级生信自学生信书籍系列教程心得体会转录组经典宏基因组蛋白质组单细胞系列测序发展史免费在线画图色彩搭配图形排版图形解读ChIP-seqTCGAGSEAWGCNA海哥组学傻瓜系列文章写作CytoscapeExcelPPT机器学习公众号投稿联系陈同 chentong_biology163.com
iMeta | 山东大学冯世庆/周恒星组-脊髓损伤引发急性微生物组休克及多器官转录组重编程
发布时间：2026/5/21 21:59:17
点击蓝字 关注我们脊髓损伤引发急性微生物组休克及多器官转录组重编程iMeta主页http://www.imeta.science研究论文● 期刊:iMeta(IF 33.2,中科院双一区Top)● 英文题目: Spinal cord injury induces acute microbiome shock and system-wide transcriptomic reprogramming● 中文题目:脊髓损伤引发急性微生物组休克及多器官转录组重编程● 原文链接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/imt2.70128● DOI: https://doi.org/10.1002/imt2.70128● 2026年5月3日山东大学冯世庆、周恒星、初波和天津医科大学伊现富等在iMeta在线发表了题为“Spinal cord injury induces acute microbiome shock and system-wide transcriptomic reprogramming”的文章。● 本研究基于小鼠脊髓损伤模型整合回肠、盲肠和结肠的肠道微生物宏基因组数据与全身多器官转录组数据系统解析了损伤后急性期至慢性期的全身病理改变揭示了宿主与肠道微生物之间潜在的互作规律。本研究提示外周器官免疫、代谢异常可能与脊髓损伤后的肠道微生物波动相关为后续从靶向微生物干预与基因调控角度开发脊髓损伤治疗新策略提供了重要的理论依据与数据支撑。● 第一作者张驰、杜雨霏、吴明鑫、李闯● 通讯作者周恒星zhouhengxingsdu.edu.cn、冯世庆shiqingfengsdu.edu.cn、初波chubo123sdu.edu.cn、伊现富yixianfutmu.edu.cn● 合作作者姜睿智、齐恩林、李少龙● 主要单位山东大学齐鲁第二医院、山东大学齐鲁医院、广西医科大学附属第一医院、山东大学基础医学院、天津医科大学基础医学院亮 点● 提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念● 揭示肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性● 开发脊髓损伤后肠道微生物组与多器官基因表达图谱数据库SCIGAMA。摘 要脊髓损伤SCI可引发全身多器官功能紊乱但其肠道微生物动态演变及多器官转录组的时空响应特征尚不明确。为阐明SCI后微生物及器官转录组响应规律本研究对小鼠SCI后0分钟至3个月共15个时间点的回肠、盲肠、结肠进行宏基因组测序同步开展14个器官的转录组动态分析。本研究首次提出了脊髓损伤后“微生物组休克”的概念表现为损伤后12小时肠道微生物多样性骤降、条件致病菌比例增加5天后微生物组成部分恢复多器官转录组变化呈现出显著的器官与时间特异性改变表现为免疫与代谢通路的系统性重塑且肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性。本研究进一步开发了开放共享的脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达图谱数据库SCIGAMA为脊髓损伤领域研究提供高质量、高可信度的数据平台。视频解读Bilibilihttps://www.bilibili.com/video/BV1ac596GEtc/Youtubehttps://youtu.be/yAN7UpXOFiA中文翻译、PPT、中/英文视频解读等扩展资料下载请访问期刊官网http://www.imeta.science/全文解读引 言脊髓损伤Spinal cord injury, SCI是一类严重的中枢神经系统创伤性疾病。截至2021年其全球患者总数已超过1540万主要由交通事故、高处坠落等意外事件导致具有高致残率、高死亡率的特点给患者家庭和社会带来沉重负担。目前的相关研究大多聚焦于脊髓局部病灶的病理损伤与修复机制但越来越多的临床证据表明SCI并非仅局限于脊髓局部而会通过神经、内分泌、免疫等途径引起全身多器官功能紊乱破坏机体稳态显著增加患者心血管疾病、膀胱癌、慢性骨髓衰竭等远期并发症的发生风险。因此突破“脊髓中心论”的研究局限系统解析SCI的全身病理效应已成为该领域亟待解决的重要科学问题。肠道微生物组作为人体的“第二基因组”是调控宿主免疫稳态、物质代谢和神经功能的核心枢纽其组成与功能的异常改变与多种疾病的发生发展密切相关。SCI可通过损伤自主神经系统导致神经源性肠功能障碍破坏肠道微生态平衡进而引起肠道微生物失调。这一结果又会反过来加剧全身炎症反应和代谢紊乱形成恶性循环。尽管已有研究证实SCI会引发肠道微生物失调但现有研究多采用单时间或短期内少量时间点对脊髓损伤后的肠道微生物进行观察缺乏对损伤后从急性期到慢性期完整时间进程的动态解析无法明确微生物紊乱的发生规律和关键干预窗口。同时肠道微生物如何通过肠-器官轴影响多器官的功能状态其分子机制尚未系统阐明。转录组学技术是解析疾病分子病理机制的核心研究手段。既往研究借助转录组分析已初步阐明脊髓局部损伤后基因表达的时空演变规律。然而当前脊髓损伤相关转录组研究多局限于损伤脊髓单一组织缺乏全身多器官层面的系统性、时序化转录组解析既无法完整勾勒脊髓损伤诱发的全身性分子应答网络也难以阐释肠道微生物稳态紊乱与多器官转录重编程的内在关联。该研究短板不仅制约了对脊髓损伤全身级联病理效应的整体性认知也阻碍了靶向全身调控的综合干预策略与治疗方案的研发落地。本研究针对小鼠脊髓损伤后0分钟至3个月共15个时间点包括对照组及假手术组的回肠、盲肠和结肠进行宏基因组测序同步开展14个器官的转录组动态分析系统解析了SCI后肠道微生物组和全身转录组的时序演变规律。研究首次提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念揭示了肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性。在此基础上开发了开放共享的脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达数据库Spinal Cord Injury Gut Microbiome and Multi-Organ Gene Expression Atlas, SCIGAMA为脊髓损伤领域研究提供高质量、高可信度的数据平台。结 果脊髓损伤可引发急性“微生物组休克”本研究对小鼠SCI后0分钟至3个月共15个时间点的回肠、盲肠、结肠内容物进行宏基因组测序同步开展14个器官的转录组谱分析图 1A系统解析肠道微生物的时空动态特征。结果显示SCI后肠道微生物α多样性发生显著时间依赖性波动图 1B主坐标分析PCoA和非度量多维尺度分析NMDS证实种水平微生物轨迹存在明显差异其中盲肠微生物在急性期变化相对较小而回肠微生物在损伤后12小时于门水平发生显著重塑图 1C图 S1D-F。门水平上回肠微生物在损伤后12小时发生剧烈重塑常驻共生菌急性耗竭导致变形菌门Pseudomonadota在急性期出现短暂比例增加图 1D表 S1。本研究将这种SCI后出现的肠道微生物多样性迅速失衡、共生菌缺失与条件致病菌快速扩张的现象定义为“微生物组休克microbiome shock”其特征与脊髓休克类似均为损伤后早期的急性紊乱。损伤后5天肠道微生物结构开始重构毛螺菌科、鼠杆菌科等共生菌科逐渐占据优势包括参与代谢和免疫稳态调控的Bacteroides acidifaciens、Mucispirillum schaedleri等物种图 1E。线性判别分析效应量LEfSe结果显示SCI后12小时差异富集38个类群损伤后5天差异富集273个类群图 1F12小时富集类群以Escherichia、Enterococcus等条件致病菌为主5天富集类群以Bacteroides、Duncaniella、Desulfovibrio等共生菌为主图 1G。功能分析显示12小时微生物富集于阳离子抗菌肽耐药、生物膜形成和鞭毛组装等通路提示其免疫逃逸能力与运动能力增强5天微生物功能向生物合成通路偏移提示微生物组休克进入部分恢复阶段图 1H表 S2。长期动态分析显示回肠和盲肠的差异微生物数量在损伤后14天达到峰值部分改变可持续至3个月图 S2A-C其中嗜酸乳杆菌在损伤后12小时即显著减少图 S2D而多形拟杆菌则持续升高至慢性期图 S2E功能注释进一步揭示了不同菌属在SCI后的功能变化图 S2F。对照组、假手术组和SCI 0分钟组的微生物组成无显著差异图 S1G-J。图1. 脊髓损伤后肠道微生物出现“微生物组休克”现象A实验设计与多组学分析流程BShannon Index评估回肠微生物群α多样性随时间变化趋势其他肠段及指标展示结果请参考图 S1A-CCNMDS法显示回肠微生物群β多样性在不同时间点的分布其他肠段及PCoA的时间点分布情况请参考图 S1D-F及表 S1D不同肠道节段中门水平微生物组成E桑基图展示脊髓损伤后12小时与5天微生物群落变化F对照组与SCI后12小时、以及SCI后3天与5天优势微生物数量对比G对照组与SCI 12小时、SCI 3天与5天中的各前10个优势微生物。这些优势微生物的显著性差异通过单因素置换检验9999次重采样校正后p值0.05进一步验证H微生物功能分析对比对照组与SCI 12小时以及SCI后3天与5天详细功能注释情况请参考表 S2。肠道微生物组与多器官转录组整合揭示脊髓损伤后分阶段干预的必要性多器官转录组分析表明SCI可诱导全身广泛的转录重编程其中脂肪组织和骨髓的基因表达扰动最为显著图 2A。GO富集分析显示脂肪组织上调基因主要富集于脂质储存和白细胞黏附通路骨髓上调基因则富集于葡萄糖代谢和白细胞黏附通路图 2B。基因集变异分析GSVA进一步揭示免疫与代谢通路的激活呈现显著的器官与时间特异性急性期结肠和回肠的核黄素代谢与糖酵解通路显著激活而脊髓、脂肪和心脏表现出独特的响应模式图 2C图 S3A炎症通路方面脊髓炎症可持续至慢性期而结肠炎症在损伤后7天即明显消退T细胞迁移通路在脊髓慢性期持续激活但在肝脏和心脏仅呈一过性上调图 S3A。免疫与代谢核心基因分析显示在脊髓中Il6于损伤后6小时达到表达峰值log2FC7.04p.adj0.01而在脂肪组织中呈现波动式变化于损伤后5天降至最低log2FC-4.23p.adj0.05在结肠中Il10表现出独特的三相表达模式损伤后12小时显著下调log2FC-2.57p.adj0.01第14天表达水平有所回升log2FC-1.12p.adj0.05慢性期3个月再次下调。糖酵解关键酶编码基因Hk2和Pfkl在多个器官中上调图 2D图 S3B而肝脏糖异生关键酶编码基因G6pc则先降低后逐渐恢复图 2E提示外周组织糖酵解增强与肝脏糖异生适配形成类似Cori循环的系统性代谢重塑。微生物组与转录组整合分析发现肠道微生物与多器官功能存在动态相关性。回肠中Ligilactobacillus murinus与细胞因子产生、中性粒细胞脱颗粒等免疫通路相关大肠杆菌则与脂肪酸生物合成、辅酶A生物合成等代谢通路相关图 2F结肠中Ligilactobacillus murinus与慢性炎症反应相关Acetatifactor属则与免疫与代谢通路广泛相关图 S3C。进一步分析显示不同微生物在SCI不同阶段特异性富集图 S3D且回肠大肠杆菌与多器官的转录通路广泛相关提示其可能通过肠-器官轴发挥全身性调控作用图 S3E-G。基于上述多器官、多组学数据本研究开发了脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达数据库SCIGAMA图 2G。该数据库整合了2077例样本数据包括270例肠道宏基因组样本、840例多器官转录组样本及967例公共样本图 S4A-F提供微生物宏基因组动态分析、多器官转录谱可视化、微生物-转录组关联分析三大功能模块为脊髓损伤领域研究提供高质量、高可信度的数据平台。图2. 整合宏基因组学与转录组学分析揭示了脊髓损伤后多器官中器官特异性及时间特异性免疫与代谢重编程机制A柱状图左x轴差异表达基因百分比与折线图右x轴差异表达基因总数展示脊髓损伤后不同时间点各器官中差异表达基因B脂肪组织与骨髓中上调基因的GO富集分析C热图呈现免疫与代谢通路的时间及器官特异性改变趋势心脏、肝脏以及肾脏的免疫与代谢通路的时间及器官特异性改变趋势请参见图 S3AD多器官中Il6Il10Hk2以及Pfkl表达水平折线图Ccl2Ccl5IfngIl1aIl1b以及Tnfa的表达折线图参见图 S3BE肝脏中G6pc表达水平柱状图F优势回肠微生物分类群与宿主炎症及代谢通路相关性网络可视化GSCIGAMA结构示意图SCIGAMA的构建框架及详细样本信息参见图S4。讨 论脊髓损伤是一个多维度的动态病理过程包含了从微观分子、细胞水平到宏观全身系统的持续性演变。肠道微生物组与宿主病理生理之间的精密互作是维持机体稳态的关键环节其在脊髓损伤后与脊髓局部病变及全身多器官功能障碍同步发生、密切关联却长期未得到足够重视。本研究提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念其核心特征为有益共生菌快速耗竭、条件致病菌显著扩张且损伤后仅呈现不完全性恢复。对其时空动态规律的明确有助于识别脊髓损伤后分阶段干预的关键时间窗口。尽管具体机制尚未完全阐明微生物组休克的发生很可能源于脊髓损伤所致的肠道动力异常与自主神经功能紊乱同时叠加全身应激反应与免疫调控失衡进一步破坏宿主–微生物稳态并促进条件致病菌的扩张。本研究通过多器官时序转录组分析发现脊髓损伤后不同器官的免疫代谢通路存在组织与时间特异性该结果强调了建立时空精准的靶向治疗体系的必要性。本研究进一步提示非特异性抗炎干预可能存在局限性与潜在不良效应因此临床诊疗需兼顾器官差异与病程时序特征。尤其针对心脏、肺等维持生命活动的关键器官开展定向调控可有效遏制全身级联病理损伤为提升脊髓损伤患者远期生存率、改善长期生活质量提供重要实践方向。目前脊髓损伤的临床转化仍面临诸多瓶颈与挑战但值得注意的是人类脊髓损伤的病理生理阶段与动物模型具有较高一致性这为开展分阶段精准干预提供了可参考的时序理论依据。基于这一病理共性可针对脊髓损伤急性期、亚急性期等关键病程窗口实施靶向干预未来亦可进一步探索多元化调控方案包括重塑肠道菌群稳态以及调控病程特异性基因表达等干预方向为脊髓损伤的精准治疗提供全新思路。本研究仍存在一定局限性。首先本研究采用小鼠模型无法完全模拟人类肠道微生物组的多样性以及多器官对脊髓损伤的真实应答。其次本研究仅纳入雌性小鼠以降低组内差异后续研究需纳入雌雄个体同步验证进一步阐明性别差异对脊髓损伤全身效应的影响。此外本研究观察到的特定微生物类群与宿主转录通路之间的相关性仍需谨慎解读相关关联网络虽可为系统水平机制研究提供假设基础但明确的因果关系仍需依托无菌动物模型、靶向干预实验等功能学研究进一步验证。最后SCIGAMA数据库中的公共数据虽经过统一标准化处理但因来源异质性未纳入核心分析仅作为探索性资源使用。尽管存在上述不足本研究仍构建了首个脊髓损伤相关的多器官、多组学数据平台证实肠道微生物稳态与全身多器官稳态平衡在脊髓损伤病理进程中具有重要意义为后续机制挖掘与转化研究奠定了重要理论基础。结 论本研究提出脊髓损伤后“微生物组休克”的概念揭示肠道微生物与多器官免疫、代谢功能存在动态相关性并进一步开发脊髓损伤肠道微生物组与多器官基因表达图谱数据库SCIGAMA为后续脊髓损伤相关的多器官机制研究提供了数据支撑。方 法实验动物与脊髓损伤模型构建实验选用8–10周龄SPF级雌性C57BL/6小鼠。为优化术后护理管理、提高实验重复性本研究统一采用雌性小鼠开展实验。虽然已有研究提示性别可能影响脊髓损伤后的病理进程与功能恢复但本阶段通过单一性别设计控制激素波动等潜在混杂因素后续研究将进一步纳入雄性小鼠系统评估性别差异的影响。所有动物实验方案均经山东大学齐鲁医院医学伦理委员会审核批准批准号为DWLL-2021-061。脊髓损伤模型参照已报道的方法建立全部手术操作在恒温无菌手术室中完成。小鼠采用异氟烷吸入麻醉于T8椎体水平做背部正中切口仔细分离肌肉组织以充分暴露T7-T9棘突使用固定装置稳定T7和T9棘突后行T8椎板切除术完全暴露脊髓。采用MASCIS Model III撞击器制备中度脊髓挫伤模型撞击参数为5 g配重、12.5 mm撞击高度。假手术组小鼠接受相同的麻醉、切开及T8椎板切除手术操作不进行脊髓打击。造模完成后轻柔缝合肌肉、筋膜与皮肤层。动物饲养与围手术期管理所有小鼠饲养于SPF级环境中控制12小时光照/黑暗循环温度20–25℃湿度40%–60%自由摄食标准饲料与灭菌饮用水。为降低笼养效应对肠道微生物结果的干扰小鼠术前至少合笼饲养1周每笼5只随后随机分配至假手术组或脊髓损伤组。垫料每周更换一次全部使用灭菌材料。围手术期采用丁丙诺啡缓释剂皮下注射进行镇痛处理剂量为0.1 mg/kg。脊髓损伤后前7天每日进行两次人工辅助膀胱排空操作直至小鼠恢复自主排尿功能。脊髓损伤术后全程不使用抗生素及额外镇痛药物避免对天然肠道微生物产生干扰。上述标准化饲养与管理方案用于保证实验一致性最大程度减少非实验因素对肠道微生物与全身多器官转录组分析的影响。样本采集与处理实验设置空白对照组、假手术组以及脊髓损伤后13个连续时间点分别为 0分钟、30分钟、1小时、6小时、12小时、1天、3天、5天、7天、14天、1个月、2个月、3个月该设计覆盖脊髓损伤急性期、亚急性期与慢性期病理阶段与之前研究中常用时间点保持一致。假手术组样本在假手术操作完成后立即采集鉴于不同周龄小鼠肠道微生物的变化并非主要由衰老本身驱动本研究未在各时间点设置独立的假手术组。用于肠道微生物分析的样本每组设置6个生物学重复用于多器官转录组分析的样本每组设置4个生物学重复。小鼠麻醉后经内眦静脉采集血液样本置于-80℃保存。沿胸腹两侧肋弓做切口至剑突位置充分暴露腹腔采集回肠、盲肠、结肠内容物迅速投入液氮速冻随后转移至-80℃冰箱保存备用。使用手术剪摘取脾脏并立即液氮速冻随后进行组织灌注。经心脏灌注冰浴PBS缓冲液直至右心房流出液澄清、肝脏呈均匀苍白色。随后快速分离大脑皮层、肺脏、心脏、肝脏、肾脏、脊髓、脂肪、结肠、小肠、肌肉、骨骼等组织经PBS漂洗后液氮速冻。骨髓样本采集时分离小鼠后肢股骨用纱布剔除附着肌肉剪去股骨两端骨骺用PBS冲洗骨髓腔收集冲洗液并过滤去除杂质离心后获得细胞悬液分装后液氮低温保存。肠道微生物组测序与分析取小鼠肠道内容物100–200 mg采用FastPure Stool DNA Isolation Kit提取基因组DNA以无菌水作为阴性对照。通过1%琼脂糖凝胶电泳评估DNA完整性NanoDrop 2000分光光度计检测DNA浓度与纯度。使用Covaris M220将DNA片段化至平均长度约350 bp采用NEXTFLEX Rapid DNA-Seq试剂盒构建双端测序文库由上海美吉生物医药科技有限公司在Illumina NovaSeq™ X Plus测序平台完成测序使用NovaSeq X Series 25B测序试剂盒。使用fastp软件对原始测序数据进行处理去除接头序列与低质量序列过滤标准为序列长度小于50 bp或平均质量值低于20。采用BWA软件将过滤后序列比对至小鼠基因组剔除比对上宿主基因组的序列及其配对序列。使用MEGAHIT软件进行序列拼接保留长度不小于300 bp的重叠群。通过CD-HIT软件构建非冗余基因集使用SOAPaligner软件估算基因丰度。物种分类注释与功能注释通过DIAMOND软件比对NCBI NR数据库完成KEGG功能注释基于基因序列与KEGG数据库的比对结果实现。在物种水平、功能水平与基因水平采用Kruskal-Wallis检验进行差异丰度分析差异分析的P值使用Benjamini-Hochberg法进行错误发现率校正校正后P0.05定义为差异具有统计学意义。α多样性分析计算Shannon、Simpson、Chao等指数结果以箱线图展示。β多样性分析采用主坐标分析、非度量多维尺度分析与ANOSIM检验。通过线性判别分析效应量LEfSe筛选组间差异微生物类群设定LDA评分阈值2。针对微生物组数据普遍存在的零膨胀特征为提升统计稳健性物种水平差异分析采用coin R包开展单向置换检验蒙特卡罗近似重抽样次数设置为9999次所有检验P值使用Benjamini-Hochberg法进行错误发现率校正校正后P0.05定义为差异具有统计学意义。多器官转录组测序与分析采用Total RNA Extraction Kit提取组织总RNA按照Ribo-Zero rRNA Removal Kit说明书去除核糖体RNA以去除rRNA后的总RNA为模板使用TruSeq Stranded Total RNA Library Prep试剂盒构建链特异性转录组文库。通过BioAnalyzer 2100系统完成文库质量与浓度检测合格文库稀释至10 pM后变性为单链DNA结合至Illumina测序芯片并原位扩增形成簇在Illumina HiSeq 4000平台执行双端测序读长为2×150 bp。使用FastQC软件评估双端测序数据质量Cutadapt软件切除3 端接头并去除低质量读段。高质量读段使用HISAT2 软件比对至小鼠参考基因组mm10。剔除在所有样本中计数低于百万分之一的基因后进行下游分析采用GENCODE GRCm38.p6基因注释文件估算基因表达水平以每千碱基转录本每百万片段数进行表达定量。采用limma与DESeq2软件包鉴定差异表达基因对每个器官单独分析以特定时间点设计矩阵将各损伤后时间点与对照组比较筛选标准为倍数变化≥1且校正后P≤0.05。使用clusterProfiler R包进行功能富集分析包括Gene Ontology功能富集与KEGG通路富集分析采用超几何检验确定统计学意义P值经Benjamini-Hochberg法校正校正后P≤0.05为显著富集。时间序列基因聚类分析采用Mfuzz R包执行模糊c均值聚类聚类数量设为8模糊系数设为1.5结合富集分析结果完成可视化。基因相关性分析使用cor.test函数计算Pearson相关系数实现特定基因或基因对间相关性的可视化。为进一步解析通路水平变化采用基因集变异分析量化14个器官共15个实验组的通路活性评分该方法为非参数无监督方式基于GO与KEGG数据库的预设基因集评估相对富集程度将基因表达数据转换为通路活性评分直观展示不同组织与时间点的通路动态变化本研究未对通路活性评分开展统计学假设检验。公共数据收集与整合本研究的公共数据收集截至2024年12月从NCBI Gene Expression Omnibus数据库检索脊髓损伤相关芯片与转录组原始数据以“spinal cord injury”为检索词纳入有可用数据集的4个物种分别为“Ambystoma mexicanum”、“Rattus norvegicus”、“Danio rerio”以及“Mus musculus”。检索共得到194套公共数据集剔除基因修饰、单细胞测序、ChIP-Seq、miRNA-Seq、非编码RNA测序、snRNA-seq、ATAC-Seq等类型数据后最终纳入55套数据用于后续分析。上述公共数据来源于多项独立研究在动物品系、性别、年龄、饲养条件、损伤模型、实验流程等方面存在固有异质性。为保证基础处理层面的可比性所有原始数据均采用标准化流程统一处理但受上述混杂因素影响公共数据未与本研究自建数据合并开展联合分析仅作为补充资源整合至SCIGAMA平台。代码和数据可用性SCIGAMA 数据库官方访问地址为http://58.247.16.28:30080/SCIGAMA/index/homePage。本研究团队将对该数据库进行持续维护与定期更新确保平台可长期稳定访问与使用。数据库的详细使用说明、操作指南及补充信息可查阅官方帮助页面http://58.247.16.28:30080/SCIGAMA/help/1/helpPage。此外本研究相关的原始数据、分析流程及图表绘制代码均已上传至GitHub平台存储地址为https://github.com/Magetutor/Microbiome-shock-in-spinal-cord-injury。补充材料文本、图、表、中文翻译版本或视频也可从线上http://www.imeta.science/获取。引文格式Chi Zhang, Yufei Du, Mingxin Wu, Chuang Li, Ruizhi Jiang, Enlin Qi, Shaolong Li, et al. 2026. Spinal cord injury induces acute microbiome shock and system-wide transcriptomic reprogramming.iMeta5: e70128. https://doi.org/10.1002/imt2.70128作者简介张驰第一作者● 山东大学齐鲁第二医院博士后。● 主要研究方向为神经损伤后多器官交互及微生物组变化近3年以第一作者含共同在iMetaAdvanced MaterialsJournal of Orthopaedic TranslationeLifeCell Death Discovery等杂志发表SCI论文8篇。杜雨霏第一作者● 山东大学齐鲁第二医院在读博士研究生。● 研究方向为代谢性疾病相关神经病变的多组学机制解析及治疗靶点筛选。吴明鑫第一作者● 广西医科大学附属第一医院在读博士研究生。● 研究方向为脊髓损伤后细胞命运调控。李闯第一作者● 山东大学齐鲁第二医院在读硕士研究生。● 研究方向为脊髓损伤后微环境变化。冯世庆通讯作者● 山东大学齐鲁第二医院院长、山东大学骨科医学研究中心主任、国家脊髓损伤国际科技合作基地主任博士研究生导师、博士后导师。● 研究方向为急慢性神经损伤创立脊髓损伤微环境失衡理论构建从理论研究到临床转化的创新闭环。主持国家重点研发计划重点专项、国自然重大研究计划重点支持项目、重点项目及国合重点项目等国家级课题多项以通讯作者含共同在Science、NEJM、Nat Chem Biol、Adv Mater、Nat Commun、Bone Res等高水平期刊发表SCI论文150余篇并荣获国家科技进步二等奖、光华工程科技奖、何梁何利科技进步奖、省部级科技进步特等奖等重要科技奖励。周恒星通讯作者● 山东大学齐鲁医院研究员、副主任医师博士研究生导师、博士后合作导师山东省“泰山学者青年专家”。● 长期致力于脊髓损伤病理机制解析及修复策略研发的相关研究。主持国自然面上项目、青年项目、国家重点研发计划项目骨干、山东省重大基础研究计划、山东省重点研发计划等国家级、省市级课题多项。近5年以第一/通讯作者含共同发表SCI论文50余篇其中中科院1区影响因子IF10的论文20余篇、ESI全球高被引论文3篇。初波通讯作者● 山东大学基础医学院教授博士生导师国家高层次青年人才。● 主要聚焦于代谢通过铁死亡调控肿瘤的发生发展的机制研究。主持多项国自然、科技部和省部级项目。在代谢和铁死亡领域以通讯作者含共同发表Nature Cell Biology (20242026), Cell Metabolism (2024), Neuron (2024), Nature Communications (2023,2025a, 2025b accepted), EMBO J (2025), Advanced Science (2023, 2024, 2025), Advanced Material (2024), Cell Death Differentiation (2021)等。伊现富通讯作者● 天津医科大学基础医学院副教授硕士生导师。● 研究方向为复杂疾病的功能基因组学通过整合多组学数据运用生物信息学方法解析遗传变异调控基因表达的分子机制致力于推动复杂疾病的基础研究和临床转化。主持国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金青年项目等国家、省部级项目多项。在Gastroenterology、Nature Communications、Science Advances、Genome Biology、Nucleic Acids Research、eLife等高影响力期刊上发表研究论文多篇。共同主办单位更多推荐▼ 点击跳转高引文章 ▸▸▸▸iMeta | fastp 1.0一款用于FASTQ数据质量控制与预处理的超快速全能工具高引文章 ▸▸▸▸iMeta | 兰州大学/西藏大学张东组-PhyloSuite v2面向系统发育与分子定年的一体化高效可视化分析平台高引文章▸▸▸▸iMeta | 唐海宝/张兴坦-用于比较基因组学分析的多功能分析套件JCVIiMeta往期文章1卷1期1卷2期1卷3期1卷4期2卷1期2卷2期2卷3期2卷4期3卷1期3卷2期3卷3期3卷4期3卷5期3卷6期4卷1期4卷2期4卷3期4卷4期4卷5期4卷6期5卷1期iMetaOmics往期文章1卷1期1卷2期2卷1期2卷2期2卷3期2卷4期3卷1期iMetaMed往期文章1卷1期1卷2期期刊简介“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录2025年6月影响因子33.2中科院分区生物学1区Top位列全球SCI期刊前千分之三(65/22249)微生物学科2/163仅低于Nature Reviews学科研究类期刊全球第一中国大陆5/585“iMetaOmics” 是“iMeta” 子刊主编由中国科学院北京生命科学研究院赵方庆研究员和香港中文大学于君教授担任。iMetaOmics相继被PubMed、ESCI、DOAJ、Crossref和EZB等数据库收录目标是成为影响因子大于10的高水平综合期刊欢迎投稿iMetaMed 是“iMeta” 子刊专注于医学、健康和生物技术领域目标是成为影响因子大于15的医学综合类期刊欢迎投稿iMeta主页http://www.imeta.science姊妹刊iMetaOmics主页http://www.imeta.science/imetaomics/出版社iMeta主页https://onlinelibrary.wiley.com/journal/2770596x出版社iMetaOmics主页https://onlinelibrary.wiley.com/journal/29969514出版社iMetaMed主页https://onlinelibrary.wiley.com/journal/3066988xiMeta投稿https://wiley.atyponrex.com/journal/IMT2iMetaOmics投稿https://wiley.atyponrex.com/journal/IMO2iMetaMed投稿https://wiley.atyponrex.com/submission/dashboard?siteNameIMM3邮箱officeimeta.science最全1000植物核基因组数据库IMP (点击图片直达)高颜值免费 SCI 在线绘图(点击图片直达)往期精品(点击图片直达文字对应教程)LinuxPythonR绘图NGS基础GEO高级生信自学生信书籍系列教程心得体会转录组经典宏基因组蛋白质组单细胞系列测序发展史免费在线画图色彩搭配图形排版图形解读ChIP-seqTCGAGSEAWGCNA海哥组学傻瓜系列文章写作CytoscapeExcelPPT机器学习公众号投稿联系陈同 chentong_biology163.com
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