重构肠道健康生态:海藻+肠道菌的“巧妙组合”

我们都知道,肠道细菌以我们吃入的食物为生。反过来,它们也会为我们提供维持健康所必须的营养物质,能够对抗病原体,甚至引导我们的免疫反应。

海带

海藻

有些细菌能够成功地在我们的大肠中定居下来,而其他的细菌则很快消失,理解这些细菌为什么具备这种能力,可以帮助科学家们弄清楚如何通过控制肠道中的微生物组来增强人类健康并预防疾病。但是肠道生态环境的极度复杂性使得这一任务非常艰巨。

近日,美国斯坦福大学医学院的科学家对实验室小鼠的研究发现,控制小鼠饮食的方法可以实现肠道细菌种类的变更,还可以通过调节小鼠饮食或饮水中一种特定碳水化合物的水平来控制一种肠道细菌的生长。

微生物学和免疫学助理教授Justin Sonnenburg博士是该研究的通讯作者。他说:“我们肠道中的微生物群落,在我们出生的前几年中以一种非常混乱的方式聚集着。尽管在我们生命的整个过程中会不断获得新的菌种,但这种过程是很难控制的。这项研究表明,我们其实能够以一种精心设计的方式来重构肠道微生物群落,以增强健康和应对疾病。”这项研究于5月9日发表在《Nature》上。Sonnenburg的研究生Elizabeth Shepherd博士是该研究的第一作者。

发表在《Nature》上

发表在《Nature》上

帮助细菌生长

益生菌这一新兴领域,是公众对肠道细菌重要性认识逐渐增强的一个窗口。益生菌是一类对宿主有益的活性微生物,通常存在于食物中,比如酸奶,也存在于很多非处方口服补充剂中。即使你没有服用益生菌或者喝酸奶,我们也都会在不知情的情况下摄入了少量调节肠道的微生物,但很多益生菌会快速地直接通过我们的消化道,不留下一丝足迹。

Sonnenburg和同事们猜测,饮食促进的方式是否可以使特定的细菌种类在肠道微生物菌落中增加。为了一探究竟,他们来到了圣何塞废水处理厂寻找拟杆菌。拟杆菌是人类肠道微生物中最普遍的菌属。他们专门寻找一种能够消化美式饮食中相对罕见成分的菌株,即海藻。海藻类食物,如紫菜常用于寿司卷或其他日本食物中。他们筛选了主要污水中收集的细菌,以便能够使用紫菜中发现的称为卟啉(porphyran)的碳水化合物。

海藻类食物

海藻类食物

Sonnenburg说:“那些允许细菌能够消化卟啉的基因在不经常吃紫菜的人体内非常罕见。这恰恰可以测试我们是否能回避复杂的肠道生态系统的规则,来创造出一种特别的生态位,实现单一微生物在没有肠道中其他30万亿微生物竞争的情况下得以生存。”

一旦他们发现能够消化紫菜的拟杆菌,研究人员就会将其植入到三组实验室小鼠的体内,其中两组小鼠自己的肠道细菌被移除,分别替换为来自两位健康人类捐献者的肠道细菌。第三组小鼠则拥有正常小鼠所特有的肠道菌群。

直接影响

研究人员发现,对小鼠喂食典型的小鼠食物时,在两组小鼠中消化卟啉的细菌能以不同但有限的程度的存活。其中一组被植入人类肠道细菌的小鼠则完全拒绝了新菌株。然而,当对小鼠喂食富含卟啉的饮食时,结果就明显不同了:这种细菌在所有小鼠体内都以相似的程度稳定存活下来。此外,Shepherd发现,她可以够通过增加或减少食物中的海藻量来精确地调整小鼠肠道中移植细菌的种群大小。

实验

实验

实验

实验图片来源:《Nature》

Sonnenburg说:“这项稀释实验的结果给我们留下深刻印象。饮食对肠道菌群的直接影响非常明显。”

除了证明他们能够促进这种消化海藻的细菌的存活和生长,研究人员们还进一步表明,对于消化卟啉菌必要的基因可以作为一个整体通过基因工程的方法植入到其他拟杆菌中,使这些拟杆菌也具备了相同的生存优势。现在,他们正在努力寻找其他赋予相似饮食能力的基因。

Sonnenburg说:“我们可以利用这些基因模型开发出一种大型工具包,使微生物疗法成为现实。消化卟啉的基因和富含海藻的饮食是第一对组合,但是可能存在成百上千这样的组合。我们想要将这种简单的范式扩展到大量的饮食成分和微生物上。”

研究人员还设想开发出拥有死亡开关或逻辑门的细菌,这样医生们就可以随意地在发生特定事件的时候控制细菌的活动了。

Sonnenburg说:“过去10年来,肠道微生物不仅与我们的生物学的许多方面相关,而且它们也非常具有可塑性,这在过去10年变得非常明显。我们控制微生物的能力也在日益增强,这将改变精准医疗的实施方式。比如,如果癌症患者要开始接受免疫治疗,那么医生就可以选择能够激活免疫系统的细菌种类。相反,如果某位患者患有自体免疫疾病,那么我们就可以利用另外一些抑制免疫反应的细菌对他进行治疗。细菌正是调节我们健康和疾病的非常有力的杠杆。”

本文转自公众号 中国生物技术网 https://mp.weixin.qq.com/s/5Y6Dxofrf9EUYTnE_pXzJw

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