Humans have evolved intimate symbiotic relationships with a consortium of gut microbes (microbiome) and individual variations in the microbiome influence host health, may be implicated in disease etiology, and affect drug metabolism, toxicity, and efficacy. However, the molecular basis of these microbe-host interactions and the roles of individual bacterial species are obscure. We now demonstrate a"transgenomic" approach to link gut microbiome and metabolic phenotype (metabotype) variation. We have used a combination of spectroscopic, microbiomic, and multivariate statistical tools to analyze fecal and urinary samples from seven Chinese individuals (sampled twice) and to model the microbial-host metabolic connectivities. At the species level, we found structural differences in the Chinese family gut microbiomes and those reported for American volunteers, which is consistent with population microbial cometabolic differences reported in epidemiological studies. We also introduce the concept of functional metagenomics, defined as "the characterization of key functional members of the microbiome that most influence host metabolism and hence health." For example, Faecalibacterium prausnitzii population variation is associated with modulation of eight urinary metabolites of diverse structure, indicating that this species is a highly functionally active member of the microbiome, influencing numerous host pathways. Other species were identified showing different and varied metabolic interactions. Our approach for understanding the dynamic basis of host-microbiome symbiosis provides a foundation for the development of functional metagenomics as a probe of systemic effects of drugs and diet that are of relevance to personal and public health care solutions.

A highly efficient process using iron oxide magnetic nanoparticles (IO)-based immunomagnetic separation of tumor cells from fresh whole blood has been developed. The process involved polymer coated 30 nm IO that was modified with antibodies (Ab) against human epithelial growth factor receptor 2 (anti-HER2 or anti-HER2/neu) forming IO-Ab. HER2 is a cell membrane protein that is overexpressed in several types of human cancer cells. Using a HER2/neu overexpressing human breast cancer cell line, SK-BR3, as a model cell, the IO-Ab was used to separate 73.6% (with a maximum capture of 84%) of SK-BR3 cells that were spiked in 1 mL of fresh human whole blood. The IO-Ab preferentially bound to SK-BR3 cells over normal cells found in blood due to the high level of HER2/neu receptor on the cancer cells unlike the normal cell surfaces. The results showed that the nanosized magnetic nanoparticles exhibited an enrichment factor (cancer cells over normal cells) of 1:10,000,000 in a magnetic field (with gradient of 100 T/m) through the binding of IO-Ab on the cell surface that resulted in the preferential capture of the cancer cells. This research holds promise for efficient separation of circulating cancer cells in fresh whole blood.

Nanoparticles (NPs) size, surface functionalization, and concentration were claimed to contribute to distribution and toxicity outcomes of NPs in vivo. However, intrinsic chemical compositions of NPs caused inconsistent biodistribution and toxic profiles which attracted little attention. In this study, silver nanoparticles (AgNPs) and gold nanoparticles (AuNPs) were used to determine the biodistribution, toxickinetic, and genotoxicity variances in murine animals. The results demonstrated AgNPs and AuNPs were primarily deposited in the mononuclear phagocyte system (MPS) such as the liver and spleen. In particular, AuNPs seemed to be prominently stored in the liver, whereas AgNPs preferentially accumulated in more organs such as the heart, lung, kidney, etc. Also, the circulation in the blood and fecal excretions showed higher AgNPs contents in comparison with the AuNPs. Measurements of the mouse body and organ mass, hematology and biochemistry evaluation, and histopathological examinations indicated slight toxic difference between the AgNPs and AuNPs over a period of two months. RT-qPCR data revealed that AgNPs induced greater changes in gene expression with relevance to oxidative stress, apoptosis, and ion transport. Our observations proved that the NPs chemical composition played a critical role in their in vivo biodistribution and toxicity.