现在是微生物组研究的时候了

介绍

Joseph Petrosino博士自1993年进入贝勒医学院以来，不仅一次，而且三次发现自己在正确的时间出现在正确的地方。每次都朝着成为微生物组研究从学术界到商业领域的启动和后来扩展的一个组成部分迈出了一步。

首先，当共同基金人类微生物组项目（HMP）宣布时，他正在贝勒的人类基因组测序中心。由于这是国家人类基因组研究所（NHGRI）的一项倡议，基因组中心正在率先进入起步阶段。人类基因组测序中心主任Richard Gibbs要求Petrosino博士帮助该中心在贝勒建立这一倡议。凭借其在细菌基因组学方面的背景，Petrosino博士“对利用下一代基因组学平台提供任何类型样本中微生物的普查和功能能力非常感兴趣，而无需培养它们。”

当HMP的努力在2010年结束时，Petrosino博士向该学院提出了建立一个转化微生物组研究中心的想法。目标是超越基因组学和基于发现的管道，深入剖析宿主与微生物的关系，特别是将微生物群落的功能与疾病联系起来。宏基因组学和微生物组研究中心（CMMR）于一年后成立，由Petrosino博士担任主任。

很快，CMMR收到了制药公司协助微生物组项目的请求。为了应对商业项目所需的更严格的截止日期，贝勒于2015年创建了一家名为Diversigen的微生物组服务公司。Petrosino博士是该公司的首席科学官，他大约10%的时间是Diversigen项目的资源，另外90%的时间是领导CMMR的资源。

Petrosino博士表示，CMMR“受益于Diversigen的活动”。“作为一家商业实体，Diversigen使CMMR团队能够将其知识与处于开发新疗法和诊断前线的人联系起来。因此，它加速了CMMR学术发现转化为有益的商业产品。”最近，Diversigen-Orasure Technologies收购了Diversigen，因为他们在微生物组分析方面提供了端到端的服务。

iCommunity与Petrosino博士讨论了微生物组研究的价值，研究设计策略和NGS的使用在过去十年中是如何发展的，以及未来会怎样。

Joseph Petrosino博士是CMMR的主任和Diversigen的首席科学官。

Q： 人类微生物组项目的最初愿景是什么？

约瑟夫·彼得罗西诺（JP）：世界各地有许多研究人员正在研究共生生物，并开始实施下一代测序（NGS）技术用于微生物组研究。美国国立卫生研究院认识到，微生物组可能会影响许多疾病领域，这将影响许多美国国立卫生院研究所。他们还意识到，有必要制定方法、战略和最佳实践，以确定哪些工具最适合微生物组研究以及用于什么目的。HMP的工作在收集数据、了解最佳实践和方法以及开发参考数据集和协议方面与人类基因组计划密切相关，研究人员可以使用这些数据集和方案来建立自己的研究计划。

Q： 您在设置HMP协议时学到了什么？

JP： 我们的HMP工作重点是从贝勒医学院和圣路易斯华盛顿大学这两个核心临床中心建立一个由300名受试者组成的队列。在制定招募方案的临床方面花费了大量时间。300名受试者将在多达18个身体部位取样，在12个月内最多取样三次。

从方法论的角度来看，我们确定了可以处理所收集的许多不同样本类型的最佳提取方法。了解如何对这些方案进行基准测试和验证，比我们最初想象的要更加精细和严格。我们对这300名受试者的第一个观察是，尽管生物多样性因人而异，但每个身体部位的功能成分都是保守的。

Q： Diversigen为什么成立？

JP：宏基因组学和微生物组研究中心的成立是为了在医疗中心环境中进行转化学术研究。然而，我们有几个制药商业团队带着微生物组项目来找我们。虽然他们支持学术研究，但他们对一个一年级研究生为他们做项目感到不舒服。他们希望项目能在更短的时间内完成，并由一位经验丰富的人来解决和分析数据集。Diversigen于2015年推出，旨在满足商业实体对微生物组研究的需求。

当我成立该中心时，我指出了建立一家微生物组服务公司的潜力，为我们提供了一个了解制药公司如何看待微生物组的窗口。作为学者，我们喜欢认为我们最了解自己的领域，以及该领域应该在哪里发展以最好地服务于公共卫生。然而，制药公司可能从他们的角度有着截然不同的观点。Diversigen为我们提供了一个进入该领域的视角，并改变了我们对微生物组的看法。从一开始，这就是一项利润丰厚的业务。

“在NovaSeq 6000系统上进行多路复用的能力对我们帮助很大。我们将继续在更多应用中使用NovaSeq。”

Q： Diversigen有什么独特之处？

JP： Diversigen为自己是商业客户，特别是制药和生物技术公司的劳斯莱斯微生物组服务提供商而感到自豪。学术实验室几乎可以看作是Diversigen研发部门的一部分，使公司能够提供最先进的一线应用程序和成熟的策略，以提供与我们学术成果相媲美的数据。此后，Diversigen建立了一个庞大的内部分析团队，该团队开发了自己的最佳实践，非常适合商业研究。

Diversigen团队从概念阶段到结果及其他阶段与客户互动。我们在研究设计方面进行合作，就如何收集、储存和运输样本提供建议，并推荐哪种测序方法最能提供他们所需的答案。

微生物组公司有了显著的增长，许多公司是由直接来自学术界的微生物组专家创立的。其中许多公司，特别是制药领域的公司，手头没有微生物组分析专家。我们与世界各地的200多名合作者一起参与了400多个学术项目，对各种疾病以及微生物组在其中的潜在作用有着深刻的见解。这些公司依靠Diversigen团队就下一步和潜在的下游应用向他们提供反馈、建议和咨询。

Q： Diversigen项目的平均样本数是多少？

JP：我们过去用5-20个样本进行研究。目前，我们的大多数项目都有数百个样本，有些甚至有数千个。我们已经建立了如何管理纵向抽样的大型队列项目的最佳实践。这包括如何收集、存储和批量处理这些样本，以实现最大效率，同时减少数据中的混杂噪声。

Q： 您是否正在与制药客户进行临床试验？

JP： 当我们第一次开始与制药公司合作时，我们开始开发临床实验室改进修正案（CLIA）和美国病理学家学会（CAP）认证的管道。我们希望我们的制药客户能够放心，我们生成的数据质量高、可重复、经过验证，是监管提交的理想选择。

我们的几家制药公司合作伙伴正在进入临床试验阶段，我们正在对其中一些试验进行测序和分析。这些通常是多年的项目，其中采用了额外的最佳实践，以便从结果数据中提取尽可能多的信息。

Q： 您通常收到的样本类型和大小是什么？

JP：微生物组领域最喜欢的样本类型仍然是粪便。稳定试剂的出现意味着不再需要在冰上运送样品来保持样品的稳定性，这使事情变得更容易。

当然，我们有很多项目，在这些项目中，我们收到了低生物量的子协议样本。由于我们在构建HMP协议方面的专业知识，我们拥有一个成熟的团队，可以为这些困难的样本类型开发和验证协议。我们的目标是从我们收到的任何类型的样本中获得有意义的数据，无论样本有多小。

“我们的周转时间是几天，而不是几周。足球外围投注APP-买球网站推荐 NGS系统使我们能够提前安排项目，以便测序仪持续运行”

Q： 您在Diversigen项目中使用哪些类型的测序？

JP： 我们根据所分析的群落，对16S基因内的多个可变区进行16S测序。某些可变区域为特定类型的社区提供了更好的分辨率，例如口腔、皮肤和粪便。

我们在真菌和真核生物群落中进行内部转录间隔区2（ITS2）测序，并对微真核生物进行18S测序。我们使用全基因组霰弹枪测序进行宏基因组分析、微生物群落菌株以及物种和功能水平测定。我们还执行长读测序。根据问题和应用，我们有时会同时使用长读和短读测序，为单菌株测序提供更好的序列质量，就像过去一样，但现在它更快、更便宜。

我们有一个转录组学或元转录组学管道，我们正在从方法论和分析的角度继续完善。病毒宏基因组学也是我们工作的重要组成部分。我们花了大量时间从临床角度提高分析病毒宏基因组样本的能力。其中一些样本非常小，在沉降梯度中旋转病毒并纯化它们，就像我们在传统病毒学实验室中那样，是不可能或不可扩展的。在样本处理方面，我们采取“少即是多”的方法，使用分析从这些困难的样本中提取尽可能多的病毒信息。

Q： 在过去的五年里，研究设计策略和NGS的使用是如何发展的？

JP：在早期的微生物组研究中，例如在HMP期间，人们经常利用为其他目的收集的样本对特定队列进行横断面分析，而不是纵向分析。样本可能没有被正确收集或储存用于微生物组分析，正如我们从那以后所了解到的，单时间点分析并不总是能提供给定微生物群落中发生的事情的全貌。现在，越来越多的项目涉及特定疾病的匹配病例和对照，并使用临床前模型来剖析微生物与健康和疾病关联的功能机制。

此外，随着公司意识到16S测序的局限性，并增加了基于微生物组研究的预算，我们看到了向全基因组霰弹枪测序的转变，以获得功能基因途径和基于菌株的信息，从而更好地研究存在的微生物群落。同样，我们也看到转录组学的增加，这使得我们能够评估在收集样本的特定时间哪些基因被激活。

“考虑到一个典型的微生物组项目的规模，NovaSeq 6000系统的容量将使我们在很长一段时间内保持业务。”

Q： 宏基因组和转录组数据能告诉你关于疾病的什么？

JP： 宏基因组学和元转录组学使我们能够确定健康个体中存在哪些微生物和功能或与特定疾病相关，以及它们与该疾病的关系。通过纵向样本，数据可以与疾病的发作或恶化相关联。具体来说，通过转录组学，可以评估基因表达是否与特定疾病或恶化状态有关。

Q： 宏基因组学和转录组学研究的数据是否为治疗或诊断开发提供了靶点？

JP：是的，值得注意的是，基于组学的方法能够实现目标发现。我们意识到，我们需要回去进行机制和功能研究，并创建或利用临床前模型来了解为什么存在基于组学的差异以及它们如何影响疾病本身。这些研究的数据为进一步开发潜在的治疗或诊断候选药物提供了信息，并提供了候选药物是否影响微生物组的信息。

Q： 自2015年以来，您的客户群增长了多少？

JP：我们的客户群呈指数级增长，没有放缓的迹象。创造和推进基于微生物组的治疗方法的公司数量激增。制药公司也在接受药物微生物组学或药物如何被微生物组代谢。因此，即使是化学药物的开发人员也对它们是否被微生物组修饰感兴趣。

Q： 您使用的是什么足球外围投注APP-买球网站推荐 NGS系统？

JP：我们有一个iSeq™100系统、几个MiSeq™系统、NextSeq™500系统、HiSeq™3000系统和NovaSeq™6000系统。从我们实验室的角度来看，我们喜欢它们，它们为我们提供了很大的灵活性。

项目的读取长度、数据和多路复用要求决定了我们使用哪种管道。我们使用iSeq 100系统对新协议进行质量控制和验证。它还为我们提供了一种经济高效的工具，可以快速完成噬菌体或小型基因组测序项目。我们使用MiSeq系统进行基于扩增子的测序。NextSeq 500、HiSeq 3000和NovaSeq 6000系统用于进行RNA-Seq和宏基因组测序。我们还验证了各种机器人处理程序和Echo仪器，以帮助我们构建测序库。

Q： NovaSeq 6000系统在您的研究中表现如何？

JP：NovaSeq 6000系统是最近添加的，其不同的流动池使我们能够灵活地使用我们用于项目的测序类型。它运行良好，在我们说话的时候添加了新的条形码。在NovaSeq 6000系统上进行多路复用的能力对我们帮助很大。我们将继续在更多应用中使用NovaSeq。将其添加到我们的测序仪机队中令人兴奋。

“我们使用iSeq 100系统进行质量控制和新方案的验证。它还为我们提供了一种经济高效的工具，可以快速完成噬菌体或小型基因组测序项目。”

Q： 测序效率重要吗？

JP：效率对Diversigen的成功至关重要。我们有一个由12-17人组成的经验丰富的小团队，从样本采集一直到初步分析。我们的周转时间是几天，而不是几周。足球外围投注APP-买球网站推荐 NGS系统使我们能够提前安排项目，以便测序仪持续运行。

Q： 您在CMMR和Diversigen未来五年的目标是什么？

JP：我们希望继续发展，并有兴趣为我们的一些CMMR项目开发知识产权（IP）。在CMMR，我们参与了癌症免疫疗法和社交焦虑项目等，并进行了几项临床研究。我们想确定将这些初步观察结果应用于构建队列的方法，这些队列可以帮助我们通过Baylor/Diversigen合作伙伴关系揭示更多候选人，以参与诊断和治疗开发。Diversigen还希望通过其开发的技术和分析变得更加知识产权驱动。

Q： 您如何看待NGS和足球外围投注APP-买球网站推荐测序系统对Diversigen微生物组研究未来的影响？

JP：在短期内，扩增子测序是分析群落的好方法。随着测序成本的降低，从16S测序到全基因组霰弹枪测序的转变将继续下去，我们将更好地进行多路复用和构建分析，并发现生物标志物来有效地分析微生物群落。

考虑到一个典型的微生物组项目的规模，NovaSeq 6000系统的容量将使我们长期保持业务。随着商业业务的增长，我们可能需要第二个，以使我们能够以支持最佳周转时间的速度保持多路复用项目。

了解有关本文中提到的产品和系统的更多信息：

NovaSeq 6000系统， www.illumina.com/systems/sequencing-platforms/novaseq.html

Seq 100系统， www.illumina.com/systems/sequencing-platforms/iseq.html

NextSeq 500系统* www.illumina.com/systems/sequencing-platforms/nextseq.html

MiSeq系统， www.illumina.com/systems/sequencing-platforms/miseq.html

*NextSeq 500系统已更新为NextSeq 550系统。