不用粪检、不用抽血、不用肠镜，吹一口气就能读懂每个人的肠道菌群的健康状态。

这是近期发表在Cell Metabolism上的重磅研究，题为The gut microbiota shapes the human and murine breath volatilome的文章：

该研究通过人体队列加动物模型的体外实验链条，首次系统性证实了肠道菌群直接塑造人和小鼠的呼气挥发性有机物（VOCs）图谱，该图谱可反映人体肠道菌群结构、功能及疾病相关菌株丰度，为开发无创肠道菌群诊断技术提供了科学依据。

文献标题：The gut microbiota shapes the human and murine breath volatilome

发表期刊：Cell Metabolism（IF=30.9,JCR Q1区，中科院1区）

发表时间：2026年1月1日

文章链接：https://www.semanticscholar.org/paper/The-gut-microbiota-shapes-the-human-and-murine-Hernandez-Leyva-Berna/670242a99794dbd2c39ce05fd9df1268dd3de03b

下面小编将带大家了解一下这篇文章的核心思路和亮点。

一、研究背景与科学问题

众所周知，肠道菌群对宿主健康至关重要，但目前缺乏快速、无创的菌群检测手段。而生物体的呼气通常VOCs 被视为潜在疾病标志物，但大量潜在呼气 VOC 标志物的来源与肠道菌群的关联研究尚不明确。

因此，来自美国华盛顿大学的Andrew L. Kau团队和费城儿童医院Audrey R. Odom John团队提出一个科学假说：

呼气中存在菌群来源的 VOCs，可反映肠道菌群组成与代谢，可用于无创菌群诊断。

二、研究设计概览

人群队列：27 名健康儿童 + 14 名哮喘儿童（6–12 岁），配对粪便与呼气样本。

动物模型：无菌小鼠、常规小鼠、人粪定植小鼠、单菌定植悉生小鼠。

检测技术：宏基因组测序、GC-MS/GC×GC-MS 呼气 VOC 检测、体外厌氧菌培养顶空 VOC 分析。

分析方法：Procrustes 分析、随机森林、SHAP 值、PERMANOVA 等。

三、结果解读

1.健康儿童的呼气挥发性组学反映肠道微生物组组成

首先，研究者们对27 名 6–12 岁健康儿童粪便与呼气样本进行采集，随后通过宏基因组测序对人粪便微生物组进行表征，然后使用气相色谱四极杆飞行时间质谱（GCqToFMS）分析测定每位受试者的呼气 VOC 谱。

对两种检测的数据采用Procrustes 旋转分析与 PROTEST 检验，以及随机森林模型和SHAP 值分析进一步鉴定儿童呼气 VOC 谱的个体间差异与肠道微生物组的个体间差异的相关性。

最终发现：健康儿童呼气 VOC 图谱与肠道菌群的物种组成、基因集、功能通路显著相关，特定菌群可解释呼气 VOC 的大量变异，从而建立稳定的 “菌VOC” 配对标志物。

例如：随着样本中罗斯氏菌丰度升高，模型预测异戊二烯水平升高；卵形拟杆菌（已知短链脂肪酸产生菌）与乙酸（短链脂肪酸）相关。                               

Figure 1 儿童肠道菌群影响宿主呼气挥发性组

AC：Procrustes 旋转分析

D：随机森林模型解释方差（R²）

EF：SHAP 值分析（菌群对 VOC 的贡献度）

2. 小鼠呼气 VOC 谱受肠道微生物组组成影响

接下来，研究者们进一步探究肠道微生物组对小鼠呼气的影响。基于不同供应商来源的小鼠具有不同肠道微生物群这一特点。

研究者们从两个不同供应商采购常规小鼠，适应性饲养 1 周后收集每只小鼠的呼气与粪便样本，以表征肠道微生物群。

为检验呼气 VOC 是否可通过肠道微生物群移植传递，他们将常规小鼠盲肠内容物匀浆后，经口腔灌胃定植于性别匹配的无菌小鼠。定植 1 周后，再次收集这些 “常规化”小鼠的呼气与粪便样本。

对呼气进行代谢组学检测，对粪便样本进行宏基因组测序。将每个节点的无菌小鼠呼气作为对照。

结果显示：微生物在小鼠间的移植效率高，定植评分 > 98%。小鼠呼气 VOC 同样受肠道菌群调控，菌群移植可转移呼气特征，关键菌与 VOC 关联在人与小鼠中具有保守性。

Figure 2 肠道菌群影响小鼠呼气挥发性组

AC：Procrustes 分析

D：菌群对 VOC 变异的解释度

EF：关键菌VOC 关联3.人肠道微生物与饮食改变悉生小鼠的呼气 VOC 谱

3.人肠道微生物与饮食改变悉生小鼠的呼气 VOC 谱

为验证人源微生物是否也能塑造呼气 VOC 组成，研究者们将健康人供体（H117）的粪便样本经口腔灌胃定植于无菌小鼠。

这些悉生小鼠与无菌对照分别饲喂两种模拟西方饮食的饲料，两种饲料成分相同但对照饲料脂肪热量占比 14.2%，高脂饲料（HFD）占 40.7%。

定植 2 周后，收集小鼠呼气并使用 GC/GCMS分析，同时通过16S rDNA 测序测定粪便微生物群组成。

结果发现：与小鼠微生物群移植研究相比，人微生物群在小鼠体内定植率较低。悉生小鼠微生物组以厚壁菌门、拟杆菌门、疣微菌门为主。

但是，呼气 VOC 谱与微生物群组成的 Procrustes 分析显示，小鼠间存在显著相关性，这和前面的人体研究结果一致，呼气 VOC 谱的分析也显示，饮食与微生物群均对无菌及定植小鼠的呼气存在影响。同时，性别也对呼气谱存在影响。

4. 人肠道厌氧菌在厌氧条件下产生可鉴定的 VOCs

尽管悉生动物的研究结果支持肠道微生物群影响宿主呼气 VOC 谱的观点，但实验使用的是复杂的肠道菌群，难以评估肠道群落中任一单一成员对呼气 VOC 谱的贡献。

为评估单一肠道菌是否产生可在呼气中检测的 VOCs，研究者们从厌氧条件下培养的肠道菌中收集培养顶空 VOC，并重点关注一种多形拟杆菌产生的一种特征VOC 代谢物——吲哚。通过比较野生型多形拟杆菌与 tnaA 缺陷等同基因突变株厌氧培养顶空中的吲哚水平，发现吲哚仅在野生型细菌顶空中富集，显著高于无菌培养基对照与 tnaA 缺陷株。

随后他们收集从人粪便分离的另外 3 株细菌（嗜黏蛋白阿克曼菌、大肠杆菌、长双歧杆菌）的培养顶空，通过GCMS 分析这些菌株的顶空VOC 谱与无菌培养基对照进行比较。

结果发现:每种细菌产生的顶空 VOC 谱均与培养基及其他菌株存在差异，提示在相同培养基上培养时，部分分类学上不同的细菌可产生独特的 VOC 谱。

Figure 3 人肠道厌氧菌体外产生特征性 VOC

A：实验流程示意图

B：吲哚（indole）验证实验

C：PCoA 分析菌种水平

为验证部分呼气 VOCs 直接来源于肠道细菌代谢的观点，我们将悉生小鼠分别定植 5 种常见肠道共生菌（嗜黏蛋白阿克曼菌、多形拟杆菌、产气柯林斯菌、大肠杆菌、扭链瘤胃球菌），并设置无菌培养基对照。同时收集每种细菌厌氧培养的顶空 VOC。

定植 2 周后，收集每组单菌定植小鼠及无菌对照的呼气，经GC×GCMS 检测后使用特征筛选算法（ChromCompare+），鉴定厌氧培养 / 无菌培养基顶空、单菌定植 / 无菌小鼠呼气中差异丰度的 VOCs。

同样，在定植不同细菌的悉生小鼠呼气中研究者们也发现多种富集的 VOCs，如间/邻二甲苯、甲苯。这些化合物在人体呼气中可被检测到，但通常被认为与污染物暴露及吸烟相关，这直接证明 VOC 可从肠道进入呼气。

Figure 4 单菌定植小鼠呼气出现特异性 VOC

A：体外培养顶空 VOC 差异（log₂FC）

B：单菌定植小鼠呼气 VOC 差异

C. aerofaciens 定植小鼠呼气 toluene、m/oxylene 升高。

最后，他们探究了是否存在某些化合物在培养物气相和单独培养的小鼠呼吸中同时富集。

结果显示：

大肠杆菌相关的苯并噻唑、乙酸乙酯、辛醛在培养顶空与单菌定植小鼠呼气中均富集；

丙酮、甲苯分别在多形拟杆菌、产气柯林斯菌相关的培养顶空与单菌定植小鼠呼气中富集；扭链瘤胃球菌定植小鼠的培养顶空与呼气中戊烷均降低。

以上结果说明，单一肠道菌足以改变宿主呼气 VOC 图谱，VOC 可作为特定菌株的无创生物标志物。

因此，菌群影响呼气的直接通路可能是通过以下机制：

肠道菌代谢产生 VOC→经肠道吸收入血→随血液循环到达肺部→通过呼吸排出。

Figure 5 体外培养与定植小鼠呼气 VOC丰度高度重叠

A：E. coli：benzothiazole、ethyl acetate、octanal 在体外与呼气中均升高

B. thetaiotaomicron：acetone 在体外与呼气中均升高

C. aerofaciens：toluene 在体外与呼气中均升高

5. 呼气 VOC 可预测哮喘儿童受试者中疾病相关微生物类群的丰度

基于以上悉生小鼠模型与体外培养的支持性结果，研究者们进一步评估呼气挥发性组学是否可作为人体肠道微生物群疾病相关改变（即菌群失调）的生物标志物。

既往研究发现儿童哮喘与肠道希拉优杆菌丰度升高相关，因此他们将来自同一临床研究的健康队列的 VOC 与肠道宏基因组数据，与 14 名年龄匹配的哮喘儿童队列进行比较，旨在检验呼气 VOC 谱是否可预测哮喘患者相较于健康对照的肠道菌群失调。

结果发现，与健康队列相比，哮喘队列的物种、UniRef90、功能谱相似。与既往报道一致，这种疾病相关类群（希拉优杆菌）在健康与哮喘队列间存在显著差异。

但是健康与哮喘儿童的呼气代谢谱无显著差异，探究两组中是否存在单个微生物VOC 特征间的显著关联。

通过使用肠道宏基因组物种数据或呼气代谢数据构建随机森林模型，研究者们筛选出各组中显著的微生物VOC 关联，发现二者存在差异性相关度。其中最显著的是，希拉优杆菌在哮喘队列中存在显著的类群代谢物关联，而在健康队列中不存在，提示仅通过呼气 VOC 可无创预测疾病相关肠道菌丰度，具备明确临床转化价值。

Figure 6 Figure 6 呼气 VOC 可预测哮喘相关菌 E. siraeum 丰度

A：E. siraeum 丰度比较

B：丰度预测模型