一种合成微生物组疗法在小鼠实验中被证明可以有效防止一种难以治疗且可能危及生命的肠道感染。宾夕法尼亚州立大学的研究团队开发了这种针对艰难梭菌（Clostridioides difficile，简称C. difficile）的治疗方法。艰难梭菌可导致严重的腹泻、腹痛和结肠炎症。当肠道微生物组（保持人体健康的数万亿生物体）失衡时，艰难梭菌会过度生长。研究团队表示，他们的发现可能会为人类治疗艰难梭菌感染开辟新的益生菌策略，作为抗生素和常规粪便微生物群移植的替代方案。
虽然这种方法借鉴了人类粪便移植的理念——即从健康捐赠者的粪便中转移细菌到患者的胃肠道以恢复微生物组平衡，但新方法不需要任何粪便物质。相反，这种微生物组疗法使用了较少但更精确的细菌株，这些细菌株已被证实能抑制艰难梭菌。在小鼠实验中，该疗法对艰难梭菌感染的疗效与人类粪便移植相当，且安全性更高。
这些发现于今日（3月3日）发表在《细胞宿主与微生物》期刊上。研究人员还提交了临时专利申请，以保护论文中描述的技术。
“我们需要在微生物组干预方面更加精准，”资深作者、生物化学与分子生物学助理教授兼多萝西·福尔·赫克和J.劳埃德·赫克早期职业主席乔丹·比桑兹说。他强调，改善人们生活的应用通常始于基础发现科学。
“这个项目是试图了解复杂的微生物群落如何影响宿主的第一步，然后反过来学习如何开发针对微生物组的治疗方法，”比桑兹说。
通常情况下，微生物组中的各种生物会相互制衡。虽然许多人肠道中携带艰难梭菌，但它通常不会引起问题。然而，抗生素可能会打破这种平衡，通过消灭有益细菌的同时也消灭有害细菌，从而为艰难梭菌的繁殖创造环境。艰难梭菌约占抗生素相关腹泻的15%至25%。感染通常发生在医院或其他医疗环境中。
治疗这些感染具有挑战性。由于艰难梭菌对抗生素具有耐药性，因此抗生素对其无效。此外，抗生素还会进一步破坏肠道微生物组，导致反复感染的正反馈循环。根据美国疾病控制与预防中心的数据，艰难梭菌每年在美国造成50万例感染，并与15亿美元的医疗费用相关。
比桑兹说，一种已经证明有效的疗法是粪便微生物群移植，旨在恢复肠道内细菌的健康平衡。然而，它并非没有风险。
“某种程度上，粪便移植就像去药店一样，他们会把货架上的各种东西都放一点在一个药丸里，假设其中某些东西可能会有帮助。但我们并不完全知道里面有什么。”比桑兹说。
有时，比桑兹说，粪便移植可能会无意中包含致病细菌。
研究人员想知道，与其随机混合细菌，他们能否识别出最能抑制艰难梭菌在肠道定植并引发感染的微生物？他们能否在实验室中重建这种混合物，并设计出一种选择性的粪便移植版本，仅包含这些特定的细菌？
“我们的想法是利用我们对基本微生物组科学的理解，将其转化为类似精准治疗的方法，利用我们从粪便移植中学到的知识，但实际上并不需要进行粪便移植，”比桑兹说。
研究团队着手识别艰难梭菌的“朋友”和“敌人”；换句话说，那些倾向于与艰难梭菌共存或能够减少其生长的微生物。他们收集了12项先前发表的研究数据，包括微生物组测序数据和艰难梭菌定植的临床诊断。然后，他们使用机器学习来确定与艰难梭菌正相关和负相关的微生物的关键特征。
他们发现了37种与艰难梭菌负相关的细菌株。也就是说，当这些微生物存在时，没有艰难梭菌感染。另有25种细菌与艰难梭菌正相关，意味着它们与艰难梭菌感染同时存在。在实验室中，研究人员将这些似乎能抑制艰难梭菌的细菌组合在一起，并开发了一种合成版的粪便移植。
当在体外测试并在小鼠口服给药时，这种合成微生物组疗法显著减少了艰难梭菌的生长，抵抗了感染，并且与传统的人类粪便移植一样有效。在小鼠中，它还被证明可以保护免受严重疾病的侵袭，延缓复发，并减轻由抗生素使用引起的复发感染的严重程度。
通过实验，研究人员确定只有一种细菌株对抑制艰难梭菌至关重要。单独使用时，这种细菌株与人类粪便移植一样有效，可以预防小鼠模型中的感染。
“如果你有这种Peptostreptococcus菌株，你就不会有艰难梭菌。这是一种非常强效的抑制剂，实际上比所有37种菌株结合在一起的效果还要好，”比桑兹解释说，这种细菌特别擅长争夺氨基酸脯氨酸，这是艰难梭菌生长所必需的。先前的研究确定了次级胆汁酸代谢是抵抗艰难梭菌的关键机制。比桑兹解释说，这些新发现强调了脯氨酸竞争可能起更大的作用，这为治疗提供了新的潜在途径。
比桑兹说，该团队的微生物组科学研究方法可以用于理解其他条件下的复杂宿主-微生物相互作用，如炎症性肠病，并有可能开发出新的治疗方法。
“目标是将这些微生物开发成靶向药物和疗法，”他说。
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