倾听你的肠道:一个强大的微生物和细胞代谢的新工具

大学公园,爸爸。-现在我们大多数人都知道我们并不孤单。从一个角度来看，事实上，我们的身体只是一个丰富的生物群落的宿主。我们生活的许多方面——不仅是某些疾病的存在或不存在，还包括肥胖、睡眠模式、甚至情绪等状况——可能在令人吃惊的程度上由生活在我们体内的微生物决定。

虽然微生物群落的概念，也就是我们所居住的细菌、病毒和真菌的总和，是最近才被普及的，但“微生物对身体有影响并不是一个新概念，”安德鲁·帕特森说。“但直到现在，科技才让我们看到微生物是如何产生这种影响的，并对其进行测量。”

帕特森是汤姆布罗斯早期职业生涯的教授，也是宾州州立大学的分子毒理学教授，他正在使用这些技术中较新的、更有前途的一种——代谢组学——来研究人类肠道的微生物群落。

代谢组学是对给定生物样本中代谢的所有化学产物的测量，通常是血液、尿液或其他体液。这些“代谢物”，经过仔细的分析和鉴定，提供了一个了解细胞过程的窗口，因此可以成为疾病的重要指标，或者是一个人对药物、环境毒物、甚至是我们饮食中的化合物的反应的重要指标。

“微生物对人体有影响的观点并不新鲜。但直到现在，科技才让我们看到如何做到这一点。”

——安德鲁·帕特森，汤姆布罗斯早期职业教授，宾州州立大学分子毒理学教授

该领域的研究人员谈到了细胞过程留下的“独特的化学指纹”。用另一个比喻来说，代谢组学样本就像一段谈话的文字记录——精确地描述了常驻微生物和宿主细胞之间复杂的分子信号，最后以生理反应结束。

帕特森用更常见的术语来描述这个概念。“今天，你去看医生，献血，他们可能会筛查十几种东西，”他说。“我们只是在一个更大的数量级上这么做，尽可能多地观察。”

技术的诞生

真正的代谢组学起源于20世纪70年代，当时质谱和其他分析技术的进步开始允许对复杂的化学样品进行日益敏感的测量和分离。在接下来的几十年里，强大的生物信息学工具被开发出来，这使得该领域的先驱们能够开始建立代谢物的数据库。2007年，由大约2500种代谢物组成的人类代谢组的初稿在阿尔伯塔大学(University of Alberta)完成，其他植物和动物物种也进行了类似的研究。

到2009年，现为分子毒理学和致癌学特聘教授、宾州州立大学癌症研究所(Penn State Cancer Institute)副主任的杰弗里•彼得斯(Jeffrey Peters)已经认识到，新兴技术为宾州州立大学拓展跨学科研究提供了机会。

“基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学的整合将为疾病预防和治疗提供最全面的方法，这一点变得越来越清楚，”彼得斯在一份初步提案草案中写道。他认为，代谢组学的及时投资可能会使宾州州立大学成为该领域的领导者。 

时任哈克生命科学研究所所长的彼得·哈德森是一位不可或缺的倡导者。

彼得斯回忆说:“彼得得到了各个学院的支持，包括农业科学学院、埃伯利(科学学院)、卫生与人类发展学院、医学院等，他们都支持这个想法。”在哈德逊的设想中，代谢组学核心设施将是宾夕法尼亚州立大学所著名的那种跨学科合作的自然选择;它将配备一流的专家和全套最先进的仪器。

帕特森被认为是领导这项计划的合适人选:他毕业于宾夕法尼亚州立大学，之后被国家癌症研究所(National Cancer Institute)的新陈代谢实验室(Laboratory of Metabolism)聘为博士后，该实验室是美国顶级的新陈代谢实验室之一。

“今天，你去看医生，献血，他们可能会筛十几样东西。我们只是在一个数量级的范围内这么做。”

——安德鲁•帕特森

Patterson在NCI开展的一个项目既展示了代谢组学的前景，也展示了它面临的一些挑战。他、部门主管弗兰克·冈萨雷斯(Frank Gonzalez)、人类致癌实验室主任柯蒂斯·哈里斯(Curtis Harris)和他们团队的其他成员正在寻找一种检测肺癌的非侵入性方法。肺癌是全球男性和女性癌症死亡的主要原因。他们决定分析1000多名患者的尿液样本，这些样本跨越了种族、民族、吸烟状况、癌症分期以及饮食和药物等其他因素的差异。这是一种大海捞针的方法——正是代谢组学所能提供的东西。

帕特森说:“我们盲目地进行研究，看看能否找到所有这些人都具有的一种代谢物。”“你只是生成了大量的数据，然后看看会产生什么影响。“变量的数量呈现出复杂的情况，使得他们很难从周围的噪音中分离出任何可能找到的信号。”

帕特森说:“另一个问题是，现有的数据库仍然相对较小，这是代谢组学普遍存在的问题。”最大的代谢物数据库，人类代谢组学数据库，现在有超过114000种代谢物，但还有无数的代谢物尚未被确认。

尽管有这些障碍，当质谱数据回来时，研究人员能够梳理出一个氨基酸和糖的化合物，似乎在他们所有的样品中共享。他们称之为肌酸核苷。然而，当他们在数据库中寻找匹配项时，却一无所获。他们的是一种全新的代谢物。

生物标志物和胆汁酸

他们花了一年多的时间才证实他们的发现。帕特森那时已搬到宾夕法尼亚州立大学,他和菲利普·史密斯军队质谱专家曾被聘为主任全新的代谢组学核心设施,着手重建化合物在实验室里。他们试着任意数量的路线,混合不同数量的肌酸和核糖在不同的形式,在不同的温度下,然后运行结果通过它们的质量规范和核磁共振机器。“不管怎么说，我们都不是合成化学家，”史密斯苦笑着说。

最后，他们找到了正确的步骤顺序。NCI的一位化学家随后提炼出了他们的结果，并合成了这种分子的纯版本。

“一旦我们有了那个，”帕特森说，“我们就可以回来把它与我们所有的样本进行比较，我们发现我们确实拥有我们认为我们拥有的东西。”

此后，在肿瘤组织和尿液中都发现了肌酸核苷，它还与其他几种癌症有关。帕特森说:“它可能不仅是早期肺癌的良好生物标记，而且是癌症的一般标记。”他正在与彼得斯和宾夕法尼亚州立大学癌症研究所(Penn State Cancer Institute)的其他人合作，准备进行一项临床试验，在好时医疗中心(Hershey Medical Center)筛查肺癌患者体内是否存在这种代谢物。

与此同时，Patterson已经把他的重点从癌症上转移开了。他现在正在利用代谢组学来研究人体消化道中某些类型细菌的存在或缺失是如何影响与药物代谢、肥胖、糖尿病和脂肪肝相关的过程的。 

他说:“我们的广泛假设是，这些细菌会改变我们的宿主细胞，以促进一个对它们自己有益的环境。”一种方法是制造配体，一种与特定细胞受体结合的小信号分子，劫持细胞的活动。这些破坏最受欢迎的目标之一是胆汁酸。

“我们吸引了很多合作，因为我们有一个非常独特的机构。”

——安德鲁•帕特森

帕特森解释说，人体肠道中有超过150种胆汁酸。它们由肝脏释放，在消化过程中发挥重要作用，尤其是在溶解脂肪方面。然而，近来人们发现，某些胆汁酸也起信号分子的作用，或对细菌有毒。反过来，一些细菌也找到了通过改变胆汁酸暴露来保护自己免受伤害的方法。帕特森说，对于人类或动物宿主，“这种修饰会对脂质和葡萄糖代谢产生显著影响。”

在一个例子中，一位研究tempol(一种抗氧化化合物，通常用于减少放疗的副作用)的同事注意到，服用了这种药物的老鼠并不会像其他老鼠一样增重，即使是在吃高脂肪食物的情况下也是如此。在尝试确定原因失败后，他转向了Patterson和他在NCI的同事。

肠道样本显示，给小鼠服用tempol后，乳酸菌数量急剧下降。乳酸菌是一种能够改变胆汁酸的细菌。事实证明，还原乳酸菌可以增加一种特定的胆汁酸——牛头酸。该团队的分析表明，这种增加抑制了法尼赛X受体(FXR)的活性，该受体调节体内胆汁酸、脂肪和葡萄糖的代谢。如果没有FXR，小鼠对脂肪的消化会发生显著改变，肥胖也会减少。

基于这一发现，好时和NCI的Patterson和同事们开发了一种以tauro-beta盐酸为模型的药丸，目的是直接瞄准FXR。在小鼠试验中，该药物已被证明在面对高脂肪饮食时有效地减轻体重增加和胰岛素抵抗。帕特森成立了Heliome生物科技公司，将这一发现商业化。 

一个全新的视角

随着代谢组学核心设施在大学公园的建立，宾州州立大学确实在这个新兴领域开辟了一个利基。

帕特森说:“我们能够从这里和其他地方吸引到很多合作，因为我们有一个非常独特的设置，允许我们做很多不同的事情。”“我们在微生物群落领域有专业知识，目前很少有人有。”

该设施由哈克生命科学研究所和宾夕法尼亚州立大学癌症研究所联合管理，反映出人们对代谢组学作为个性化医疗工具的潜力寄予厚望。因为它提供了细胞过程的直接证据，Patterson说，“它给了我们一个全新的视角来看待健康和疾病。”

然而，这项技术的广泛应用面临着重大挑战。其中之一就是成本。“这是一项极其昂贵的事业，”帕特森承认。“为这些实验室配备设备要花费数百万美元，因为你需要不同的平台来尽可能全面地测量代谢物。”

他补充说，即使一个样本得到了良好的、彻底的分析，单一快照在评估生理过程方面的作用也是有限的。“理解正在发生的事情的关键是能够衡量随时间的变化，”他说。要做到这一点，就需要大量增加常规临床筛查，并提出一致性和可重复性的问题，这些问题还有待解决。

更不用说能力了。帕特森说:“每个样本有数百万个数据点，然后把这些数据与基因组学、转录组学和蛋白质组学的数据结合起来。最大的挑战将是如何以我们人类大脑能够理解的方式整合所有这些。但他补充说，如果能做到这一点，“代谢组学的应用前景将是无限的。”

“现在我们用它来识别生物标记和寻找代谢途径。但它也能帮助我们更好地了解人体对日常药物和环境化学物质的反应。”

Patterson希望有一天，他能够利用代谢组学来预测病人对特定药物的反应，从而根据个人和微生物群来选择治疗方案。

“这可能是最让我兴奋的事情，”他说。“我们发现，那些被认为只能通过宿主细胞起作用的药物和化学物质实际上也对我们携带的微生物产生了深远的影响。

“毒理学不仅取决于我们的基因，还取决于我们体内的微生物，这是一个完全未被开发的领域。”