科学家们发现了一种区分健康肠道与患病肠道的新方法，并通过测量肠道细菌之间的相互作用来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，其驱动因素并非单个微生物，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'，而是开始问'它们与其他细菌的关系如何'，"罗格斯环境与生物科学学院生态学、进化与自然资源系助理教授、该研究的资深作者胡安·博纳切拉说。"这种视角的转变使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。"
为了测量细菌群落在健康和疾病状态之间的转变，该团队开发了一种名为"生态网络平衡指数"的新指标。该指标能够捕捉微生物群落是被竞争性互动还是合作性互动所主导。
将该指标应用于粪便样本分析，结果显示，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，该指数会随着疾病的进展而升高。
"这项新指标通过粪便样本捕捉到了这种转变，并可以区分健康人和病人，"罗格斯大学环境与生物科学学院生物化学与微生物学系的亨利·罗格斯微生物组与健康教授、该研究的作者之一玛丽亚·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哪些细菌存在，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的群体，这些群体可能占据主导地位并破坏正常功能。"
该研究的另一位作者、罗格斯健康中心高级生物技术与医学中心主任马丁·布莱泽表示，这些发现有助于解释为何许多与肠道相关的疾病一直难以预测和治疗。
"这为我们思考微生物组的问题提供了新思路，"布莱泽说。"它表明，疾病并非由单个微生物引起，而是整个系统发生转变的结果。这为早期检测和更有针对性的干预打开了大门。"
研究团队首先构建了计算机模型来模拟肠道细菌如何竞争营养和交换代谢副产物。
"起初我们只是测试模型是否能重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·洛佩兹说，他在罗格斯大学以富布莱特博士学者身份进行了这项研究，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。"但很早我们就发现，它自然产生了两种截然不同的模式，一种看起来像健康状态，另一种看起来像疾病状态。"
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·洛佩兹说。"那时我们意识到，我们捕捉到了这些群落在疾病状态下如何重组的一些根本性特征。"
肠道微生物组始终稳定在两种构型之一：一种是与健康相关的多样化、竞争性状态，另一种则是由小而紧密合作的细菌群体主导的状态，这与疾病相关。
博纳切拉表示，这些见解和该工具有朝一日可以帮助医生更早地发现问题。
"理论上，仅通过粪便样本就可以测量它，这是一种非常无创的监测肠道健康的方法，"他说。
这些发现可能也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：你需要某种特定的细菌存在，"博纳切拉说。"但如果问题不在这里，如果问题在于关系，那么你引入那种细菌也无济于事。"
对于粪便移植，他说，益处可能不在于引入单个物种，而在于恢复整个微生物群落。
"有趣的一点不是引入物种本身，"博纳切拉说。"而是你引入了一个完整的群落，因此你维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。它们需要与正确的伙伴一起存在。"
科拉尔·洛佩兹表示，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，供体选择主要基于可用性和基本的健康筛查，"科拉尔·洛佩兹说，他指的是粪便移植前的流程。"这里开启的可能性是，可以根据微生物群落的互动网络如何相互配合来进行匹配，而不仅仅是看存在哪些物种。这可以帮助我们设计出针对每位患者微生物组量身定制的治疗方案，而不是依赖试错法。"
博纳切拉说，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。
"我们正试图理解这些系统是如何运作的，以便对人们的生活产生真正的影响，"他说。
罗格斯大学罗伯特·伍德·约翰逊医学院生物化学与分子生物学系的迈克尔·曼哈特也对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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