科学家们发现了一种通过测量肠道细菌之间的相互作用方式来区分健康肠道与患病肠道、并追踪某些疾病进展的新方法。
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，健康的和患病的消化系统表现得像两种截然不同的生态状态，其驱动力并非单个微生物，而是整个细菌群落如何竞争与合作。
“我们不再问‘哪些细菌存在？’，而是开始问‘它们与其他细菌有何关系？’”罗格斯大学环境与生物科学学院生态、进化与自然资源系助理教授、该研究的资深作者、RCEI附属机构成员Juan Bonachela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与疾病之间的转变，该团队开发了一种名为“生态网络平衡指数”（ENBI）的新指标，该指标可以捕捉微生物群落是由竞争性互动还是合作性互动主导。
将ENBI应用于粪便样本后，该指标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，该指数随着疾病的进展而升高。
“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，”环境与生物科学学院生物化学与微生物学系的Henry Rutgers微生物组与健康教授、该研究的作者之一Maria Gloria Dominguez-Bello说。
Dominguez-Bello表示，这些发现表明，当微生物群落重组时，疾病就会显现。
“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，细菌会形成更具合作性、紧密联系的群体，这些群体可以主导并破坏正常功能。”
该研究的作者、Rutgers Health高级生物技术与医学中心主任Martin Blaser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。
“这为我们思考微生物组中到底出了什么问题提供了新思路，”Blaser说，“它表明，疾病并非源于单个微生物，而是源于整个系统的转变。这为早期检测和更具针对性的干预措施打开了大门。”
该团队的研究始于构建计算机模型，模拟肠道细菌如何竞争营养并交换代谢副产物。
“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，”该研究的主要作者Roberto Corral Lopez说，他作为富布莱特博士学者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，“但很早的时候，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，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。
“当我们检查数据时，也看到了同样的模式，”Corral Lopez说，“那时我们意识到，我们捕捉到了这些群落在疾病中如何重组的一些基本规律。”
肠道微生物组始终稳定地处于两种配置之一：一种是与健康相关的多样化、竞争性状态；另一种则是由与疾病相关的、紧密联系的合作性细菌小群体主导的状态。
Bonachela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，仅通过粪便样本就应该能够测量，这是一种非常无创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，”Bonachela说，“但如果问题不在于此，而在于细菌之间的关系，那么你提供细菌也于事无补。”
对于粪便移植，他表示，其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。
“有趣的一点不在于你引入了物种，”Bonachela说，“而在于你引入了一个完整的群落，因此你保持了允许该群落保持健康的相互作用。问题不在于细菌是否必须存在，而是它们必须与正确的伙伴一起存在。”
Corral Lopez说，这项研究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，”Corral Lopez在谈到粪便移植前的流程时说，“这项研究开辟的可能性是，根据微生物群落的相互作用网络如何匹配来匹配它们，而不仅仅是看存在哪些物种。这可以帮助我们设计针对每个患者微生物组的治疗方案，而不是依赖试错法。”
Bonachela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。
“我们正在努力理解这些系统是如何运作的，以便能在人们的生活中产生真正的改变，”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Michael Manhart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Simon Levin和格拉纳达大学的Miguel Munoz。
这篇文章最初由《罗格斯今日》发表。
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