杜克大学生物医学工程副教授奥菲莉亚·文图雷利已获得两项美国国立卫生研究院资助，以推进微生物组研究。在"最大化研究者科研奖"支持下，文图雷利及其团队将运用计算与实验方法研究肠道微生物与宿主间的相互作用。美国国家过敏与传染病研究所的R01专项基金则资助团队探究膳食纤维与益生菌接种剂在限制人类肠道多重耐药微生物定植中的作用。
人类肠道栖息着数万亿微生物，承担着消化辅助、肠脑通讯调节、免疫系统训练及有害细菌防御等关键任务。尽管其对人体健康与行为的重要性已获公认，科学家仍缺乏对这些微生物如何相互作用及如何调控以改善健康的量化理解。
凭借为期五年、总额逾200万美元的MIRA资助，文图雷利团队拟运用实验室开发的计算与实验工具，深入探究宿主与微生物组之间复杂的双向关系。该研究旨在建立宿主-微生物组互作的预测性计算建模框架。
为实现此目标，团队将基于先前MIRA资助开发的计算模型，识别关键微生物群落。利用这些发现构建体外简化肠道群落，随后在人类肠道类器官和无菌小鼠中进行测试——二者均作为哺乳动物肠道的模型。该模型将助力研究饮食、微生物物种多样性及宿主炎症状态等因素如何影响肠道健康、代谢与免疫反应。
"通常在体外实验中选择培养基时，我们仅关注能否促进细胞生长，却忽视其生理相关性，"文图雷利解释道，"但通过将类器官与小鼠模型整合至实验流程，我们有望利用离体与在体数据指导体外平台构建，提升其生理相关性。"
部分研究将聚焦肠道屏障等宿主表型，该屏障维持着肠道内环境与人体其他内部结构的分界。当此屏障受损时，有毒代谢物可渗入肠壁，引发炎症。这种"肠漏症"还可能导致肠易激综合征甚至结直肠癌。
文图雷利团队还将利用MIRA资金研究T细胞等免疫细胞与肠道微生物群落的互作。此前，实验室曾用数据驱动计算模型预测特定肠道群落对代谢物或病原体的反应。如今，团队将采用高级计算建模工具探索肠道微生物代谢物与宿主反应（包括上皮细胞和免疫细胞关键功能）的映射关系，并运用临床与小鼠在体数据指导合成群落及培养环境设计。
"我们旨在建立高通量体外、离体与在体模型间的闭环，提升预测和设计有效微生物组干预措施的能力，使其适用于哺乳动物肠道等复杂环境，"文图雷利表示，"我们的目标是最终利用这些信息开发饮食干预与益生菌组合方案，在肠道屏障受损时实现修复。"
在另一项为期四年、总额逾300万美元的资助中，团队将研究膳食纤维如何影响人类肠道多重耐药微生物(MDROs)的生长与存续。这类微生物构成重大公共卫生威胁——其引发的潜在致命感染极易在医疗机构传播。
"已知饮食深刻影响肠道微生物组动态，作为肠道细菌主要能量来源的膳食纤维能促进多样化健康菌群，"文图雷利指出，"但我们尚缺乏纤维如何通过微生物组影响MDROs生长与存续的量化理解。"
为精准解析膳食纤维作用，团队将与威斯康星大学麦迪逊分校临床研究员纳西亚·萨夫达尔合作，收集易感MDROs患者队列的粪便样本及饮食数据。同时，与杜克大学微生物组中心副主任、分子遗传学与微生物学副教授劳伦斯·戴维合作，对患者粪便样本进行测序以精确追踪饮食。
文图雷利还将利用这些样本构建合成群落，识别MDROs与群落成员间显著的纤维依赖性互作。通过从底层构建含分离菌株的合成群落，实验室将探索不同膳食纤维如何塑造MDROs与合成微生物组间的互作，并在无菌小鼠中测试纤维组合能否有效清除动物微生物组中的这些微生物。
"终极目标是设计特定膳食纤维与细菌组合，从肠道清除MDROs以阻断传播，"文图雷利表示，"现有证据表明纤维是调控肠道定植的有效工具，但此项研究有望揭示作用机制，明确增强肠道健康的特定纤维与微生物功能。"
凭借这两项NIH资助，文图雷利及其合作者旨在通过整合跨模型系统与临床数据的计算模型，变革微生物组工程。通过构建可指导饮食、微生物及治疗策略的预测框架，其研究致力于解锁保护与修复肠道健康的新路径。
"这项工作远不止构建实验与计算模型——它是将微生物组形成机制及宿主互作的认知，转化为可治疗或预防多种疾病的实用方案，最终提升人类健康，"文图雷利强调。
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