你的Microbes-Your身份

微生物是微小的生物,不可能看到没有一个显微镜。数以万亿计的微生物生活在我们的身体,尤其是我们的肠子。的肠道微生物群我们用这个词来描述整个庞大且多样的细菌和其他生物生活在我们的肠道。不幸的是,我们主要把细菌和疾病联系在一起。然而,大多数的细菌对人类健康我们的身体是有益的。他们帮助我们分解和消化我们吃的食物,产生基本的维生素,抵抗有害细菌。作为回报,我们为他们提供一个住的地方和他们所需要的营养,茁壮成长。有益的细菌来创建一个强大的免疫系统也很重要。免疫系统保护我们的身体免受疾病。当有害细菌的数量保持在最低限度的,他们一般不会造成问题。但在一定条件下,有害细菌可以繁殖并踢出有益的细菌,它可以导致多种疾病(1]。

每个人的肠道微生物群一样吗?是的,没有!尽管三分之一的肠道微生物群是常见的个体之间,每个人三分之二的微生物群是他们和个人特有的指纹!虽然每个人的肠道微生物群执行类似的功能,但这些功能并不一定由相同的细菌在每个人的身体2]。你能想到的肠道微生物的城市。每个城市都有自己的消防员、警察、公共汽车司机和垃圾收集器。不同的人执行这些角色在每个城市,在每个城市,这些人可以随着时间而改变。在细菌的世界里,数以百计的微生物可以执行必要的角色,如生产维生素或分解碳水化合物在我们吃的食物3]。这意味着,即使我们的细菌社区看起来不同,他们所做的相同的一组重要的工作。在一个城市,如果生产许多居民住在那里,如果他们可以执行多个重要工作,城市必兴盛。同样,我们如果我们的肠道更健康是大量的有益的细菌,可以执行各种功能(图1)。

肠道细菌和克罗恩病之间的关系

科学家们一直在研究改变我们的肠道细菌是否与我们吃的食物,我们需要的药物,或者我们是否健康或生病。我们特别感兴趣的理解是否细菌生活在长期的肠道炎症的人(也称为克罗恩氏病)有独特的和有害的特征。克罗恩病是命名的医生,他在1932年第一次描述了,它在全世界影响数以百万计的人。克罗恩病影响青少年和年轻的成年人,但主要是20 - 40岁的人。在小肠克罗恩病、地区变得又红又肿。病人的时候,他们可以很恶心(我们称之为冲突)和其他时间当他们感觉完全好(我们称之为缓解)。克罗恩病的患者患有腹泻带血、腹痛、体重减轻、发烧、食欲不振。

正常情况下,免疫系统危险的手表。然而,在克罗恩氏病,免疫系统会困惑和攻击两个好的和坏的细菌。令人不安的这种细菌平衡增加有害细菌产生的毒素,引起肠道组织的破坏。药物可以帮助降低免疫系统的攻击,但肠组织损伤随着时间的推移变得更糟。研究表明,克罗恩病细菌社区看起来完全不同于那些在健康个体中找到。这些细菌社区大多是由细菌在一定条件下可能成为有害的。

谁有?他们在做什么?

找出哪些细菌是引起克罗恩氏病,我们问病人收集粪便样本(粪便)在缓解和冲突。我们进行了实验测量分子和化合物存在于粪便样本。我们还开放了细菌细胞释放我们可以分析细菌基因和DNA识别哪些有细菌存在。最后,我们使用计算机和统计数据了解细菌之间的关系,他们的产品,和病人的健康状况。所有这些信息给我们具体的模式,调用细菌的签名(4,5),为缓解和冲突(图2)。

我们发现一个很大的不同,微生物数量的病人的肠道时期缓解与冲突。更多的细菌在缓解在场,他们也更加多样化,这意味着有更多类型的细菌。此外,我们看到大的特定类型的微生物数量的变化这两组之间。例如,有更多的细菌群体大肠杆菌和脱磷孤菌属在冲突。要了解更多关于这些细菌,我们测量的浓度代谢物他们生产。代谢物是参加的小分子,或者是由代谢的化学反应。某些代谢物的浓度在粪便、尿液和血液与患某种疾病的风险。当我们缓解的病人样本与冲突相比,我们发现不同的某些代谢产物量。

教学电脑告诉未来

接下来,我们想知道如果我们能预测克罗恩病的患者是否会停留在缓解期或有冲突,根据细菌签名。为此,我们使用机器学习,电脑被训练来执行复杂的任务。计算机识别病人的细菌签名很快就会死灰复燃,电脑给出很多细菌签名从病人的例子在冲突期间,所以电脑学习的模式冲突细菌签名是什么样子。这一阶段被称为学习。然后,我们测试计算机学会通过挑战性的例子细菌签名的电脑需要决定是否每个签名来自健康的主题或病人有冲突。这一阶段被称为测试。如果模型通过了我们的测试,我们可以依靠它来判断病人健康或将很快从细菌签名有冲突。这一阶段被称为预测。我们兴奋,我们的电脑是正确的冲突的预测96%的时间(图3)!

微生物治疗肠道疾病

我们的研究可能是有用的治疗患者肠道疾病如克罗恩氏病。如果我们可以使用机器学习来分析细菌签名在病人的粪便,这可以帮助我们判断病人健康或将来可能患肠道疾病。如果我们能确定准确的类型的细菌减少当病人有冲突,我们可以收集这些细菌,在实验室里让它们生长和繁殖,使他们成为一个药丸,我们可以给病人,帮助他们提高。这些有益的细菌益生菌。我们都有一些在我们的肠道益生菌,但他们也发现食品中包括酸奶、奶酪、面包,或者脱脂乳。

如果健康的人有足够的有益微生物,它们可以捐赠粪便样本,我们可以转移到冒号的贫困患者细菌签名。这就是所谓的粪便微生物群移植。健康的微生物移植到患者可以启动细菌社区和恢复肠道微生物平衡。还有一些工作要做才能有效地治疗病人使用信息从我们的研究。工作到目前为止我们所做的已经是很重要的,因为我们知道肠道细菌和他们的功能,我们将越有可能发现新的、有效的治疗方法为全球数百万病人患有肠道疾病如克罗恩氏病。

术语表

肠道微生物群:↑生活在人类肠道微生物的群体。大多数的生物和执行功能,保持我们的健康有益。

冲突:↑时间当一个病人长期疾病显示更多的症状和感觉更糟。

缓解:↑时间当一个持久的疾病的病人没有症状和感觉更好。

细菌的签名:↑独特的细菌群落组成和功能模式可以区分生理和病理条件下,可以用来预测疾病发展或恶化的风险。

代谢物:↑小化合物参与或由生物体的新陈代谢。在这个研究中,我们观察细菌产生的代谢物。

机器学习:↑计算机科学的一个分支,允许执行任务不用我们告诉计算机如何去做。计算机学会执行任务通过观察大量的例子,试图找出如何做出最好的判断。

益生菌:↑一群有益的细菌,人们可以使用恢复平衡的肠道细菌。

粪便微生物群移植:↑从健康捐献者的一种程序粪便在结肠移植的病人。好的细菌取代坏的,恢复一个健康的平衡。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

确认

这项工作是支持的利昂娜和哈利赫尔姆斯利慈善基金(IBDOT财团)。作者要感谢整个研究团队加入这个惊人的发现旅程探索微生物。特别感谢伊娃Rath博士为本文校对工作。最后,阿米拉要感谢她的女儿莱拉对她帮助的人物和她的好奇心,同时本文讨论和审查。

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原始的文章

↑Metwaly,。,Dunkel, A., Waldschmitt, N., Raj, A. C. D., Lagkouvardos, I., Corraliza, A. M., et al. 2020. Integrated microbiota and metabolite profiles link Crohn’s disease to sulfur metabolism.Nat。Commun。11:4322。doi: 10.1038 / s41467 - 020 - 17956 - 1

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引用

[1]↑而是,l F。,和Haller, D. 2016. Dysbiosis in intestinal inflammation: cause or consequence.Int。j . Microbiol地中海。306:302-9。doi: 10.1016 / j.ijmm.2016.02.010

[2]↑财团,h . 2013。结构、功能和人类健康的微生物多样性。自然。486:207-14。doi: 10.1038 / nature11234

[3]↑Lozupone, c。,Stombaugh, J. I., Gordon, J. I., Jansson, J. K., and Knight, R. 2012. Diversity, stability and resilience of the human gut microbiota.自然。489:220-30。doi: 10.1038 / nature11550

[4]↑Metwaly,。,Reitmeier, S., and Haller, D. 2022. Microbiome risk profiles as biomarkers for inflammatory and metabolic disorders.Nat,启杂志。乙醇。19:383 - 97。doi: 10.1038 / s41575 - 022 - 00581 - 2

[5]↑Waldschmitt, N。Metwaly,。费舍尔,S。,和Haller, D. 2018. Microbial signatures as a predictive tool in IBD—pearls and pitfalls.Inflamm。肠说。24:1123-32。doi: 10.1093 / ibd / izy059