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Nature子刊：微生物組模型揭示短鏈脂肪酸的代謝差異
摘要：系統(tǒng)生物學(xué)研究所(ISB)的研究人員開發(fā)了一種新的方法來(lái)模擬個(gè)性化的微生物組介導(dǎo)的飲食反應(yīng)。
短鏈脂肪酸（SCFAs）是由我們腸道中的細(xì)菌產(chǎn)生的有益分子，與改善宿主代謝、降低全身炎癥、促進(jìn)心血管健康、降低癌癥風(fēng)險(xiǎn)等密切相關(guān)。然而，即使在飲食完(空)全相同的個(gè)體之間，SCFA的譜系也可能存在顯著差異。目前，我們?nèi)狈︻A(yù)測(cè)這種個(gè)體間差異的工具。
系統(tǒng)生物學(xué)研究所（ISB）的研究人員開發(fā)了一種新的方法，用以模擬個(gè)性化的微生物組介導(dǎo)的飲食反應(yīng)。他們采用了微生物群落規(guī)模代謝模型（MCMM）來(lái)預(yù)測(cè)個(gè)體特異性SCFA產(chǎn)量對(duì)不同飲食、益生元和益生菌輸入的響應(yīng)。
換句話說(shuō)，ISB的科學(xué)家能夠構(gòu)建一個(gè)腸道微生物組代謝的“數(shù)字雙胞胎”，模擬對(duì)飲食的個(gè)性化反應(yīng)。他們使用腸道微生物組測(cè)序數(shù)據(jù)和飲食攝入信息來(lái)定制每個(gè)個(gè)體特定的模型。他們的研究結(jié)果已在《Nature Microbiology》雜志上發(fā)表。
圖1 微生物群落規(guī)模的代謝模型預(yù)測(cè)人類腸道中個(gè)性化的短鏈脂肪酸生產(chǎn)概況
ISB的副教授、共同資深作者Sean Gibbons博士指出：“粗略地說(shuō)，腸道微生物組是一個(gè)生物反應(yīng)器，可以將膳食纖維轉(zhuǎn)化為這些SCFAs。了解腸道生態(tài)和飲食攝入如何定量映射到SCFA輸出，將代表將微生物組科學(xué)轉(zhuǎn)化為臨床的重大進(jìn)步?！?/div>
圖2 使用16S擴(kuò)增子測(cè)序或鳥(空)槍宏基因組測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)SCFA產(chǎn)生的預(yù)測(cè)顯示出一致性
與黑箱機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)方法不同，MCMM是透明和機(jī)械的，它涵蓋了數(shù)十種生物體中的數(shù)萬(wàn)種代謝物和酶，提供了關(guān)于特定微生物、飲食成分和代謝途徑的深入知識(shí)，有助于生成SCFA。盡管具有這種透明性，但這些模型的復(fù)雜性使它們難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
為了克服這一挑戰(zhàn)，作者測(cè)量了體外人類腸道細(xì)菌分離菌隨機(jī)混合物群落和不同人的糞便均質(zhì)物在厭氧室中與各種膳食纖維孵育時(shí)的SCFA產(chǎn)量。通過(guò)從宿主吸收中分離微生物驅(qū)動(dòng)的SCFA生產(chǎn)，ISB科學(xué)家能夠證明MCMM預(yù)測(cè)與測(cè)量的纖維范圍內(nèi)丁酸鹽和丙酸鹽的生產(chǎn)速率顯著相關(guān)，這兩種纖維是最(空)豐富和生理上有效的SCFA。
盡管體內(nèi)測(cè)量丁酸鹽和丙酸鹽的產(chǎn)量是不可行的，但作者能夠使用SCFA產(chǎn)量與基于血液的健康標(biāo)志物之間的間接關(guān)聯(lián)來(lái)驗(yàn)證個(gè)體間產(chǎn)量差異的生理影響。他們發(fā)現(xiàn)，MCMM預(yù)測(cè)可以區(qū)分高纖維喂養(yǎng)研究中表現(xiàn)出不同免疫反應(yīng)的個(gè)體：大多數(shù)個(gè)體表現(xiàn)出全身炎癥標(biāo)志物的減少，但一小部分人在高纖維飲食中表現(xiàn)出炎癥的增加。根據(jù)MCMM的預(yù)測(cè)，高炎癥反應(yīng)組的個(gè)體產(chǎn)生丙酸的能力顯著降低。此外，丁酸鹽預(yù)測(cè)與心臟代謝和免疫健康的血液標(biāo)志物顯著相關(guān)。
圖2 使用16S擴(kuò)增子測(cè)序或鳥(空)槍宏基因組測(cè)序數(shù)據(jù)對(duì)SCFA產(chǎn)生的預(yù)測(cè)顯示出一致性
Nick Quinn-Bohmann博士表示：“MCMM在體外的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，加上SCFA預(yù)測(cè)與人類群體健康指標(biāo)之間的顯著關(guān)聯(lián)，使我們對(duì)這些模型在精確營(yíng)養(yǎng)方面的效用充滿信心?！?/div>
在驗(yàn)證MCMM預(yù)測(cè)后，作者展示了該方法在設(shè)計(jì)個(gè)性化益生元、益生菌和飲食干預(yù)以優(yōu)化SCFA生產(chǎn)概況方面的潛力。他們模擬了兩種不同飲食的丁酸鹽產(chǎn)量，并研究了來(lái)自美國(guó)太平洋西部的2000多人。他們發(fā)現(xiàn)，一小部分個(gè)體在轉(zhuǎn)向高纖維飲食時(shí)，丁酸鹽的產(chǎn)生幾乎沒(méi)有增加（稱為“無(wú)反應(yīng)者”），而另一部分個(gè)體在高纖維飲食時(shí)，丁酸鹽的產(chǎn)生實(shí)際上有小幅下降（稱為“回歸者”）。接下來(lái)，他們?cè)趦煞N背景飲食中模擬了三種簡(jiǎn)單的聯(lián)合干預(yù)措施，試圖增加無(wú)反應(yīng)和回歸者的丁酸鹽產(chǎn)量：添加益生元纖維菊粉，添加益生元纖維果膠，或添加產(chǎn)生丁酸鹽的益生菌（Faecalibacterium）。結(jié)果表明，沒(méi)有單一的組合干預(yù)對(duì)所有個(gè)體都是最佳的：一些人從添加益生元纖維中獲益最多，而另一些人似乎需要在他們的微生物群中添加一種產(chǎn)生丁酸鹽的益生菌。
奧地利格拉茨醫(yī)科大學(xué)的助理教授、資深作者Christian Diener博士說(shuō)：“總之，這些結(jié)果為微生物組介導(dǎo)的精準(zhǔn)營(yíng)養(yǎng)的新途徑提供了重要的概念證明。但是，在進(jìn)入臨床實(shí)踐之前，還有更多的工作要做，以驗(yàn)證這些模型在前瞻性人體試驗(yàn)中的預(yù)測(cè)能力?！?/div>
參考資料
[1] Microbial community-scale metabolic modelling predicts personalized short-chain fatty acid production profiles in the human gut
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