如何建立和管理微生物组研究设施

摘要

背景

微生物组领域治疗干预研究数量的增加，激发了临床医生和科学家将微生物组分析纳入其研究的广泛兴趣。然而，微生物组研究设计、数据生成、生物信息学和统计数据分析通常具有复杂性，需要特定的领域专业知识，以避免偏差、虚假发现和其他分析陷阱。因此，学术医院和研究机构越来越认识到需要专门的微生物组研究设施，以高标准支持人类微生物组研究的每一步。

目标

我们旨在提供一种基于经验的方法，介绍我们认为此类微生物组研究设施的基本方面。

来源

见解和建议基于我们在莱顿大学医学中心(LUMC，荷兰莱顿)建立和运营微生物组研究设施的经验，该设施于2017年启动。

内容

本综述以现有的微生物组研究设施为例，提供有关其优势、结构、财务和法律框架的信息。此外，还讨论了此类专家中心的关键服务组合项目。

影响

专门的微生物组研究设施可以支持临床研究中的微生物组研究，并提供集中活动、创新和验证分析及计算方法、促进工业合作的机会，并通过专门的基础设施支持竞争性资金申请。支持临床医生和科学家设计、执行和解释微生物组分析的中央设施，是开展高质量肠道微生物组研究和教育的关键步骤。

关键词

微生物组
临床研究
研究设施
专家中心
如何建立

引言

过去二十年，人类微生物组研究迅速发展，每年发表数千篇研究论文。人类微生物组正被研究作为多种疾病潜在的因果因素，以及新型治疗方法的潜在靶点。在这方面，定义"健康"微生物组的标志物至关重要，尽管在实际临床相关性方面，对"健康"和"患病"微生物组状态的定量界定仍然难以捉摸。大多数使用基于微生物组的治疗方法的临床试验都集中在疾病领域，如艰难梭菌感染(CDI)、癌症、免疫疾病和炎症性肠病，其中粪便微生物移植(FMT)是临床实践中占主导地位的微生物组靶向治疗方法。最近，两种许可的微生物组衍生生物治疗产品已进入市场，用于治疗复发性CDI。

随着微生物组的治疗潜力变得越来越明显，临床医生和科学家对将微生物组分析整合到其临床研究中的兴趣日益增长。同时，由于DNA测序技术和计算工具的进步，人类微生物组研究变得更加容易获得，这些进步降低了成本，并增加了调查复杂微生物群落的能力。

然而，有必要解决不切实际的期望、持续的神话和误解。此外，常见的陷阱可能会无意中在微生物组数据生成和分析的每一步引入偏差。尽管有包含最佳实践和建议的出版物，但设计稳健的微生物组研究并非易事，这需要依赖经过验证的数据生成方法、安全处理大数据集以及有效使用复杂的计算工具。对于首次涉足微生物组研究的临床医生和科学家来说，这一点尤其重要。学术医院可以从专门的微生物组研究设施中受益，该设施支持微生物组研究，以最小化常见陷阱的风险，集中活动，创新和验证分析和计算方法，促进合作，并支持竞争性资金申请。

本叙述性综述旨在根据我们在莱顿大学医学中心(LUMC)微生物组研究设施的经验，提供有关建立和管理微生物组研究设施的见解和建议。

微生物组研究设施的结构和组织

莱顿大学医学中心的核心设施

莱顿大学医学中心的微生物组分析与治疗中心(CMAT)是LUCID部门内嵌的一个核心设施。在整个机构范围内将设施嵌入部门是LUMC的常规做法，但可能与其他机构不同。这种安排的优势在于可以共享与不同微生物（包括寄生虫、真菌和病毒）相关的设备和专业知识。

CMAT专门从事(人类)微生物组研究，重点关注微生物在健康和疾病中的作用，包括CDI、癌症和癌前病变、肠脑轴、多药耐药生物、受控人类感染以及微生物群调节。该设施在组织和财务方面与其他研究设施密切合作。

建立微生物组研究设施

微生物组研究设施的想法始于2014年，继首次关于FMT治疗多次复发CDI患者的随机临床试验之后。随着FMT潜在更广泛应用的证据积累，多位临床专家表示有兴趣在其他条件下探索FMT（以及相应的微生物组反应），包括炎症性肠病、移植物抗宿主病、清除携带多药耐药生物的患者以及帕金森病。自成立以来，CMAT已发展到广泛支持各种临床领域、研究设计和研究问题的人类微生物组研究。

为了系统评估机构对微生物组研究支持的需求，在广泛的临床部门和附属研究小组中分发了一份问卷。回复一致强调了对支持微生物群分析的集中设施的渴望。基于这一有据可查的需求，LUMC为四年提供了初始资金，从而在2017年任命了一名设施协调员、生物信息学家、博士生和技术员。

组织

根据我们的经验，微生物组研究设施特别受益于微生物学、微生物组数据生成、生物信息学、生物统计学以及临床和转化微生物组研究方面的综合专业知识。这允许互补的无培养、生物信息学驱动的微生物组分析以及基于培养的机制细菌学和临床研究。

人员应熟悉与医学科学研究相关的当地和欧洲立法、责任和协议（例如"临床研究人员法规和组织基础课程"(BROK®)培训）。如前所述，我们受益于部门内的专业知识，并与荷兰粪便捐赠银行(NDFB)、国家艰难梭菌感染专家中心（与国家公共卫生和环境研究所合作）、受控人类感染中心、莱顿基因组技术中心(LGTC)和莱顿大学医学中心的蛋白质组学和代谢组学中心(CPM)以及其他莱顿生物科学园设施密切合作。

财务和法律框架

内部和外部合作的相关协议，如内部声明、主服务协议、研究合作协议、咨询协议和数据共享协议，与医院的法律和隐私部门合作准备，以正式确定研究中所有相关方的角色和责任，以及保护可能的知识产权。集中这些工作减少了个别临床医生和科学家确保合规的负担。

CMAT从项目和LUMC对核心设施的支持框架中获得收入。虽然获得部分人员维持的支持，但CMAT目前也通过部门研究预算获得交叉资助。我们必须平衡逐渐过渡到自给自足设施的目标与公平、透明和有竞争力的定价要求。在业务控制员的合作下开发了模块化成本价格计算，基于人员和材料的组合，同时考虑设备折旧。我们还对欧洲测序提供商进行了市场调查，以便能够根据每个项目的宗旨、规模和预算选择合理的价格选项。年度财务报告与LUMC研究设施会议和医院研究委员会进行沟通。此外，作为核心设施，CMAT参与财务规划和控制周期，其中成本价格每年进行调整。

微生物组研究设施的服务组合

微生物组研究设施可以提供模块化服务，范围从小型试点研究到定制数据生成协议和量身定制的分析方法。我们确定了微生物组研究设施的以下关键服务组合项目（图2），允许临床医生和科学家根据其特定需求定制"支持包"：

图2 微生物组研究设施关键服务组合项目的概述

(1) 入驻和咨询

微生物组研究设施在研究设计的早期阶段参与是可取的，以评估将在何种背景下研究微生物组以及这如何有助于生成有意义的数据，包括探索与其他部门和设施在其网络内的潜在合作。咨询通常包括研究规划，特别是新颖性和可行性方面，以及研究设计（科学、实践、流行病学和统计方面）。元数据收集和整理在学术医院环境中尤为重要。传统临床研究设计中的另一个重要方面是样本量和统计功效估计，在微生物组研究中仍然具有挑战性，需要深入的专业知识，并且在实践中通常基于类似研究的知识。此阶段的其他支持领域包括有关样本类型和方法、数据生成方法（用于表征微生物群落及其与宿主相互作用的各个方面）以及数据分析方法和工作流程的建议。CMAT还提供初始成本估算以进行预算规划，并支持资助申请。

(2) 研究物流和生物样本库支持

微生物组研究设施可以通过提供定制的即用型采样套件、管理进入的样本（包括分装和临时样本存储），并在可用时与医院的生物样本库联络进行长期存储，来支持研究物流。即用型采样套件可以满足研究设计和参与者的特定需求（例如在家采样），保证最佳的存储条件和高质量的数据生成。在许多情况下，当选择基于DNA的方法时，建议使用在室温下保存核酸的缓冲液，因为它消除了运输和存储过程中冷藏或冷冻的必要性。在其他情况下，例如为了促进培养或RNA和代谢物分析，可能需要特定的（额外的）缓冲或冷却解决方案。

样本处理和物流基于在版本控制文档中正式化的流程（便于根据需要进行项目特定的适应）。样本存储在机构冷冻室中，并通过样本管理软件进行跟踪，或直接存储在LUMC生物样本库设施中。至关重要的是，应遵循有关收集和存储（知情同意和生物样本库程序）的国家和国际指南，以确保收集的生物材料的伦理使用和访问。

(3) 通过下一代测序进行微生物组数据生成

对于从粪便样本中进行16S rRNA扩增子或鸟枪法宏基因组数据生成，CMAT实验室通常使用专用设备和经过验证的试剂进行DNA提取。微生物组研究设施可以支持非粪便生物样本的可行性研究（例如，对于微生物生物量低的生物材料，如尿液或肿瘤组织，这些材料难以处理）并进行质量评估。重要的是，DNA/RNA提取方法应使用经过充分验证的既定协议，并具有适当的阳性和阴性对照。方法开发、验证和优化因此是我们微生物组研究设施的持续努力。这是数据质量的关键步骤，尤其是在参与多中心研究的情况下。在CMAT，我们经常委托进行组学数据生成，并与商业合作伙伴和内部设施合作。这还促进了在当前微生物组研究项目中采用新技术，如全长16S rRNA基因测序。在后期阶段，微生物组研究设施可以支持根据数据管理计划存储数据，并将测序数据存入在线存储库，从而确保遵守科学数据管理和管理的FAIR（可查找、可访问、可互操作、可重用）原则。

(4) 微生物组数据的质量控制和初步分析

微生物组数据分析需要深入的专业知识，因此是微生物组研究设施服务组合的基本项目。最低限度，中心需要提供分类学和功能分析以及群落α和β多样性分析的支持。这使具有数据分析能力但没有特定微生物组专业知识的用户能够独立进行更高级别的分析，这通常涉及与其他相关临床或患者数据的整合。CMAT的生物信息学服务使用标准化的计算工作流程，以确保研究之间的可比性，并与生物信息学专家密切合作。

(5) 定制服务

微生物组专家中心的进一步科学建议和定制分析包括为缺乏相关专业知识的研究人员设计和执行分析，或更复杂的统计和机器学习分析工作流程，或整合多种高维数据模式（例如宿主组织的各种分子/组学谱或饮食记录）的生物信息学，微生物组研究的荟萃分析，宏基因组组装和分箱，菌株分辨的宏基因组分析，以及细菌次级代谢的功能宏基因组分析（例如毒力因子、抗生素抗性基因、生物合成基因簇、异生物质/药物代谢途径）。如果基础设施允许，如CMAT所见，中心可以提供（严格）厌氧和需氧微生物的培养，以进行基因型和表型表征，无论是直接从微生物组样本中分离生物体，还是从公认的培养收藏中获得。例如，CMAT促进了建立瘤胃球菌属(Gnavus)分离株的收集，以对该研究不足的物种进行大规模比较基因组分析。最后，微生物组研究设施还可以支持其用户准备科学出版物中使用的文本和图形。

微生物组研究设施的优势

像CMAT这样的专门微生物组研究设施为学术医院的临床医生、科学家、学生和管理人员提供了独特的优势（图1）。首先，对进行微生物组研究感兴趣的临床医生和科学家能够及时、经济高效地以高标准获得咨询和服务，因为集中人员消除了按项目聘用和培训人员的需要。这样的微生物组研究设施集中了产品（如采样套件）和服务（如测序、生物信息学工作流程），进一步有助于成本效益和高质量标准。专门的微生物组专家中心有助于确保采用特定于领域的标准，并允许在临床中心内对微生物组研究进行额外的内部标准化和协调。此外，该设施可以简化与内部生物样本库的合作，以最大限度地重复使用材料和数据。微生物组专家中心的另一个优势是，微生物组研究是根据医院关于使用人类材料、生物样本库和数据隐私的研究的伦理和法律框架进行的。与个别研究小组相比，微生物组研究设施可以更快地传播微生物组研究的创新，从而更广泛、更可持续地使临床医生和科学家受益。该机构通过该设施可以塑造路径，并直接从微生物组研究的增值中受益。最后，在学术中心内，研究设施人员可以为生物医学领域的本科生和博士生提供微生物组研究的教学。

图1 学术医院中专门的微生物组研究设施优势总结

展望：微生物组研究设施的未来

临床医生和科学家将微生物组分析纳入其研究的日益增长的兴趣，创造了对专门的微生物组专家中心的需求，以确保临床微生物组研究的高质量标准，这是没有先前微生物组专业知识的研究人员难以轻松实现的。这些知识对教育和专业培训也很重要。它还提供了集中活动、创新和验证分析和计算方法、促进工业合作的机会，并通过专门的基础设施支持竞争性资金申请。

基于吸取的经验教训（方框1）和提供的具体示例（方框2），我们确定了需要持续关注的关键领域：1)可持续性，2)创新和3)整合。微生物组研究设施需要为核心人员建立可持续的资金模式，尽管机构的短期预算周期和基于项目的收入波动，以允许增长和创新，同时保持对（学术）合作具有竞争力的定价，这对用户和资助者来说是透明的。应积极实施新的分析方法（例如宏转录组学和多组学分析）和微生物组研究领域（例如古菌组、肿瘤组织中的低生物量群落），以预测未来需求。最后，设施应努力进一步整合诊断、（前）临床实验模型，包括培养组学、体外微生物组模型（例如细胞和类器官测定）和整个生物体模型（动物或人类），以促进研究结果向临床实践的转化。

方框1：吸取的经验教训

在建立微生物组研究设施时遇到的挑战

微生物组研究设施参与过晚（导致研究设计不佳、样本收集不理想、对微生物组组成的回顾性分析以及由于知情同意和样本所有权而产生的障碍）
关于合作（通过作者身份认可）和付费服务提供的期望管理（包括协商标准生物信息学服务何时结束以及协作性深入数据分析何时开始）
在湿实验室方法和生物信息学工具的多样性很大的情况下提供经过验证和标准化的服务；在扩大服务组合时预测高未来需求的方法

建议

力求在研究设计早期让微生物组研究中心参与；交流最佳实践
花时间和精力通过演讲提高临床医生的可见度
与业务控制员和会计师合作建立成本价格计算框架
与法律和财务顾问保持直接联系，建立标准模板以帮助正式化合作和协议，并促进开票
与主题专家密切合作，包括具有相关临床专业知识和相关核心设施（如代谢组学、蛋白质组学和成像）的专家
为常见分析实施标准操作程序和经过验证的计算管道

方框2：CMAT的工作示例

在本方框中，我们通过一个研究帕金森病(PD)中微生物组的工作示例，展示了初始研究和合作如何通过我们的微生物组研究设施在方法开发和新项目中发挥作用。

CMAT与LUMC神经病学系有着长期的合作关系，我们对帕金森病患者微生物组的共同兴趣导致了多项联合研究。

2017年，神经病学系联系CMAT，寻求对PD患者的全国性多中心生物样本库研究的支持。早期参与使CMAT能够就样本收集和存储提供建议。此外，CMAT促进了参与中心之间样本处理的协调，并与机构生物样本库联络，以提高样本可追溯性和促进样本重复使用。

CMAT在将神经病学系与荷兰粪便捐赠银行(NDFB)联系起来以启动PD患者粪便微生物移植(FMT)干预试验方面发挥了核心作用。一项由荷兰帕金森病患者协会(Parkinson Vereniging)资助的试点研究（粪便微生物移植治疗帕金森病 - FMT4PD）已建立，以评估PD患者中FMT的安全性和可行性，这是一项单中心、前瞻性、自我对照的干预研究。

同样在PD背景下，CMAT获得了欧洲临床微生物学和传染病学会(ESCMID)的研究资助，以与国际专家合作建立这些患者中古菌群落（古菌组）的分析——这可能会在未来将CMAT的服务组合扩展到特定的古菌分析方法。

神经病学系和CMAT共同参与了比利时和荷兰的一项大型多中心随机对照试验，题为"从肠道治愈帕金森病"(CUPIDGUT)，由根特大学的R. Vandenbroucke教授领导，CMAT也将在此试验中提供生物信息学专业知识。该研究旨在通过供体和患者分层提高PD中FMT的治疗效果，并确定决定该患者群体中FMT成功率的生物标志物。