肠道微生物中的“双面特工”？Cell：利用人工智能确定对人体健康至关重要的一组肠道微生物

在一项新的研究中，来自中国上海交通大学、启东市人民医院、香港大学、江南大学附属医院、罗格斯大学新布朗斯维克分校、新泽西州立大学和塔夫斯大学的研究人员推出了一种新方法，用于鉴定人类常见的、对健康至关重要的一组肠道微生物。这一发现为精准营养和旨在控制与肠道微生物组失衡有关的慢性疾病（包括糖尿病、炎症性肠病和癌症）的个性化疗法提供了新机会。

相关研究结果于2024年10月7日在线发表在Cell期刊上，论文标题为“A core microbiome signature as an indicator of health”。

核心微生物组的重要性

核心微生物组（core microbiome）是指消化道中的一组在维持消化、免疫防御和心理健康等功能方面发挥着关键作用的微生物。当核心微生物组减少或丧失时，这会导致一种称为菌群失调（dysbiosis）的疾病，即肠道中有益微生物和有害微生物之间的失衡。菌群失调与许多慢性疾病有关，包括炎症性肠病、代谢紊乱、神经系统疾病、慢性肾病和某些癌症。

许多研究已表明，将有益的粪便微生物群从健康的结肠转移到患病的结肠可以缓解这些疾病，这有力地表明核心微生物组对维持人体的健康至关重要。核心微生物组的基本结构——两个不同的细菌群体，分别称为基础菌群（foundation guild）和病原菌群（pathobiont guild），它们进行着动态和稳定的相互作用，对维持人类健康至关重要。

人工智能模型的利用

利用人工智能模型，这种“两个相互竞争的细菌群体”方法将不同人群中的病例与对照组进行了分类，不受种族、地理或疾病类型的影响，并预测了四种不同疾病对免疫疗法的个性化反应。这个领域尚未就核心微生物组的确切构成要素或如何准确识别这些关键微生物参与者达成共识。

传统的微生物组分析方法通常使用人类群体中常见的分类单位（如种或属）来定义核心微生物组。然而，这些分类单元的分辨率有限。例如，在一个物种中，可能既有有益的菌株，也有有害的菌株。众所周知的肠道细菌物种——大肠杆菌——中大部分是良性菌株，但大肠杆菌 O157菌株可导致严重的食源性疾病。

这项新研究利用宏基因组测序数据集直接组装的高质量基因组克服了这些局限性。每个基因组都标有通用的唯一标识符，用于追踪其生态行为。这种基因组特异性方法不仅为分析提供了高分辨率，避免了信号与噪声的混合，而且还包括了新的、无法分类的细菌基因组，不受不完整数据库的限制。

图片来自Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.019

罗格斯大学新布朗斯维克分校环境与生物科学学院生物化学与微生物学系教授Liping Zhao说：“我们的研究确定了肠道中保持联系的细菌，无论身体面临什么挑战，如饮食变化或疾病。通过重点研究这些生命力顽强、相互关联的细菌，我们开发出了一种新方法，可以精确确定对维持我们的健康最为关键的微生物。”

两类核心肠道细菌

通过这种方法，作者发现了两类截然不同、相互对立的核心肠道细菌：一类是有益的基础菌群，另一类是必要但可能有害的病原菌群。基础菌群对于构建和稳定整个肠道微生物组至关重要。这些细菌降解膳食纤维并产生短链脂肪酸（SCFA），如丁酸，其中SCFA通过支持肠道屏障、减少炎症并作为结肠细胞的能量来源在肠道健康中起着至关重要的作用。SCFA对抑制有害细菌也至关重要。与此相反，病原菌群虽然对少量的免疫训练和警戒是必要的，但当它成为生态主导时，就会推动疾病的发展。

跷跷板式的平衡

这两个细菌群体之间的跷跷板式平衡至关重要。当基础菌群占主导地位时，肠道健康就能得到维持。然而，当平衡倾向于病原菌群时，就会出现菌群失调，可能导致炎症，从而加重各种慢性疾病。

Zhao说：“我们的模型不仅帮助我们确定了这些核心细菌群体，还展示了如何培育它们以保持其主导地位。这为恢复肠道微生物组平衡的个性化营养和靶向疗法开辟了新的可能性。”针对基础菌群的纤维降解基因，可以提出个性化的饮食建议，以支持这些关键微生物的生态优势。

新标准和未来展望

这种两个相互竞争的细菌群体模型为确定核心微生物组的成员提供了一种新方法和新标准。通过要求核心微生物组的成员不仅是内部共同拥有的，也是外部共同拥有的。这种两个相互竞争的细菌群体模型为确定核心微生物组的成员提供了一种新方法和新标准。Zhao说，该模型要求核心微生物组的成员不仅是群体内的共有成员，而且在环境发生巨大变化时仍能保持稳定的联系，从而为微生物组研究树立了新的基准。

Zhao和他的团队计划开展一系列试验，进一步完善个性化疗法，旨在恢复和维持基础菌群在严重菌群失调患者中的生态主导地位。通过在临床环境中应用这种两个相互竞争的细菌群体模型，他们的目标是将他们的研究成果转化为实用的治疗方法，从而显著改善针对以前被认为不可逆转的疾病的治疗效果。（生物谷Bioon.com）

参考资料：

Guojun Wu et al. A core microbiome signature as an indicator of health. Cell, 2024, doi:10.1016/j.cell.2024.09.019.