新研究展示了一种轻松区分健康肠道与走向疾病的不健康肠道的方法。
科学家们已经确定了一种新方法，通过测量肠道细菌如何相互作用，来区分健康肠道与患病肠道，并追踪某些疾病的进展。
根据发表在《科学》杂志上的一项研究，由罗格斯大学领导的一个科学家团队发现，健康与患病的消化系统表现为两种截然不同的生态状态，其驱动力并非单个微生物，而是整个细菌群落的竞争与合作方式。
“我们不再问有哪些细菌存在，而是开始问它们与其他细菌的关系如何，”该研究的资深作者之一、罗格斯环境与生物科学学院生态、进化与自然资源系助理教授胡安·博纳切拉说。“这种视角的转变让我们能够将健康和疾病视为肠道微生物组的两种根本不同的状态。”
为了测量细菌群落如何在健康和疾病之间转换，该团队开发了一种名为“生态网络平衡指数”的新指标，该指标反映了微生物群落是由竞争性互动还是合作性互动主导。
应用于粪便样本时，生态网络平衡指数能够一致地将健康个体与多种疾病的患者区分开来。在结直肠癌中，该指数随着疾病进展而升高。
“这项新指标利用粪便样本捕捉到了这种转变，并能区分健康人和病人，”该研究的作者之一、罗格斯环境与生物科学学院生物化学与微生物学系微生物组与健康亨利·鲁特格斯教授玛丽亚·格洛丽亚·多明格斯-贝洛说。
多明格斯-贝洛表示，这些发现显示了当微生物群落重组时，疾病是如何出现的。
“这项工作表明，肠道健康不仅仅关乎存在哪些细菌，还关乎它们如何相互作用，”她说。“在炎症性肠病、艰难梭菌感染、肠易激综合征和结直肠癌等疾病中，细菌会形成更紧密合作、紧密相连的群体，这些群体可以占据主导地位并破坏正常功能。”
该研究的作者之一、罗格斯健康中心高级生物技术及医学中心主任马丁·布拉泽表示，这些发现有助于解释为什么许多与肠道相关的疾病一直难以预测和治疗。
“这给了我们一种新方法来思考微生物组中出了什么问题，”布拉泽说。“它表明，疾病是整个系统发生转变时出现的，而不是仅仅关注单个微生物。这为更早的检测和更有针对性的干预打开了大门。”
该团队首先构建了模拟肠道细菌竞争营养物和交换代谢副产物的计算机模型，从而开始了他们的研究。
“起初我们只是在测试模型是否能再现真实微生物组的基本特征，”该研究的第一作者罗伯托·科拉尔·洛佩斯说，他以富布赖特博士学者的身份在罗格斯大学进行了这项研究，目前是西班牙格拉纳达大学和卡洛斯一世理论与计算物理研究所的博士后研究员。“但在很早的时候，我们就看到它自然产生了两种不同的模式，一种看起来像健康，另一种看起来像疾病。”
这促使研究人员将他们的模拟结果与患者的粪便DNA数据进行比较。
“当我们核对数据时，我们看到了相同的模式，”科拉尔·洛佩斯说。“那时我们意识到我们捕捉到了关于这些群落在疾病中如何重组的一些基本特性。”
肠道微生物组始终稳定在两种配置之一：一种是与健康相关的多样化、竞争性状态，另一种是由与疾病相关的、小而紧密相连的合作细菌群体主导的状态。
博纳切拉表示，这些见解和工具最终可能帮助医生更早地发现问题。
“理论上，应该可以通过粪便样本就能测量出来，这是一种非常非侵入性的监测肠道健康的方法，”他说。
这些发现也可能有助于解释为什么益生菌和粪便微生物群移植等肠道疗法有时成功，有时失败。
“治疗通常基于这样的想法：你需要特定的细菌存在，”博纳切拉说。“但如果问题不在于此，而在于关系，那么引入细菌就没有意义了。”
关于粪便移植，他表示，益处可能并非来自引入单个物种，而是来自恢复整个微生物群落。
“有趣的一点不在于你引入了物种，”博纳切拉说。“而在于你引入了一个完整的群落，因此你保持了使该群落保持健康的相互作用。不仅仅是细菌需要存在，它们还需要与正确的伙伴一起存在。”
科拉尔·洛佩斯表示，这项工作最终可能使基于微生物组的疗法更具可预测性。
“目前，捐赠者的选择主要基于可用性和基本的健康筛查，”科拉尔·洛佩斯在谈到粪便移植前的流程时说。“这开启的可能性是，根据微生物群落的相互作用网络如何匹配来进行匹配，而不仅仅是根据存在哪些物种。这可以帮助我们设计针对每个患者微生物组量身定制的治疗方法，而不是依赖试错。”
博纳切拉表示，该团队希望他们的工作最终能带来更早的检测和更个性化的护理。
“我们正在努力理解这些系统如何运作，以便真正改善人们的生活，”他说。
罗格斯罗伯特·伍德·约翰逊医学院生物化学与分子生物学系的迈克尔·曼哈特为这项研究做出了贡献。其他贡献者包括普林斯顿大学的西蒙·莱文和格拉纳达大学的米格尔·穆尼奥斯。
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