美国 - 艾赫巴里通讯社
数字肠道模型有望预测益生菌的有效性
科学家们正在通过开发模拟复杂人体肠道环境的先进计算机模拟，在个性化肠道健康领域取得重大进展。这些被称为“微生物群落规模代谢模型”的复杂工具，在预测特定细菌菌株（通常存在于益生菌补充剂中）能否成功定殖并繁衍于个体的消化系统中方面，展现出令人印象深刻的能力。这项最近发表在《公共科学图书馆·生物学》杂志上的研究，可能代表着一种范式转变，即从通常无效的“一刀切”益生菌方法转向量身定制的干预措施。
益生菌，有药片、酸奶和饮料等多种形式，以改善“肠道健康”的承诺被广泛营销。然而，它们的有效性一直不尽人意，许多消费者并未体验到所宣传的好处。这种变异性很大程度上归因于每个人肠道微生物群的独特组成，它受到遗传学、饮食、生活方式和环境因素复杂相互作用的影响。对一个人来说被认为是“好”的细菌，对另一个人来说可能并非如此。
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新开发的模拟模型基于对肠道细菌如何代谢和利用营养物质的广泛科学知识。通过模拟这些复杂的代谢过程，研究人员可以预测将新的细菌菌株引入肠道生态系统的结果。西雅图系统生物学研究所的微生物组研究员肖恩·吉布斯博士解释说：“我们可以模拟如果一个细菌菌株被插入到个体的肠道中会发生什么，并观察它是否能生长，以及它生长时会做什么。”他补充道：“我们认为这种类型的建模平台有可能使我们能够识别个性化反应，甚至设计个性化干预措施。”
为了验证他们的计算模型，吉布斯博士和他的团队利用了之前两项干预研究的数据。第一项研究调查了II型糖尿病患者中联合疗法——益生菌和益生元纤维的组合——的效果。第二项研究评估了针对复发性艰难梭菌感染患者的药用级活体生物治疗剂。在这两组数据中，引入的细菌菌株为部分参与者带来了积极的健康结果，但并非所有人都如此，这促使研究人员探索他们的模型如何阐明这些差异性反应。
结果非常有希望。根据参与者基线的肠道微生物组特征，模型能够以75%至80%的准确率预测哪些细菌菌株会成功“定植”或在肠道中建立起来。此外，模拟还正确识别了短链脂肪酸（SCFAs）的许多增加，这是一组对维持肠道健康至关重要的分子。
德国基尔大学的系统生物学家克里斯托夫·卡莱塔博士（未参与该研究）对如此复杂的生物系统中定植预测的高准确性表示惊讶。然而，他指出了一个局限性：该研究主要关注短期效应。“虽然益生菌通常会显示所提供菌种的短期存在，但长期定植很少被观察到，”卡莱塔博士评论道。“理想情况下，您希望这些益生菌菌种能长期保持其有益效果。”
吉布斯团队扩大了他们的分析范围，还将特定细菌的生长与健康结果相关联。他们发现，粘液丝菌（Akkermansia muciniphila）细菌的较高生长率与餐后血糖控制的改善有关。为了进一步测试模型的稳健性，研究人员将其应用于那些采纳高纤维饮食的健康个体的数据。即使在这些人身上，该模型也能准确预测他们的肠道反应，证明了其多功能性。
这项研究为未来提供了一个令人信服的概念证明，即医疗保健提供者可以在开处方之前，利用患者肠道的数字模拟虚拟地“试驾”一种益生菌。“如果我们能采用一个人的模型并在几分钟或几小时内模拟成千上万种干预措施，那么我们突然就拥有了一种‘数字孪生’，可以开始近似个体的个性化反应，”吉布斯博士说。他的团队下一步将进行一项前瞻性临床试验，以直接比较个性化干预与通用干预的有效性。
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该研究强调了一个关键点：什么被认为是“好”的细菌取决于具体情况，并且高度个体化。“这些细菌中的许多仅在特定情况下才是有益的，”吉布斯系统生物学研究所的另一位微生物组研究员尼克·奎因-博曼说。“为每个人提供一套通用的益生菌是没有意义的。”奎因-博曼认为，类似的建模方法最终可能通过超越当前非处方产品的局限性，彻底改变定制微生物组疗法的设计。
