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加州大学圣芭芭拉分校新闻

肠道生态系统

奇怪的是,我们的肠道微生物群,已经和我们一起进化了数百万年,并且在我们的整个生命中仍然是我们生理的一部分,它仍然是一个谜。由数万亿微生物的至少有一千种不同的物种,这个社区的细菌、病毒、原生动物和真菌在胃肠道是独一无二的每个个体,被发现是我们健身的各种基本方面联系密切,从我们的免疫代谢和心理健康。

对于加州大学圣巴巴拉分校的研究人员埃里克·琼斯(Eric Jones)、王子鹏(Zipeng Wang)和约书亚·穆勒(Joshua Mueller)来说,肠道菌群是一台非凡的机器,充满了直接影响我们健康的互动和竞争。他们说,将这台机器朝有利的方向调整,可以提高我们对疾病的抵抗力。

“药物治疗能通过改变微生物组的组成来改善宿主的健康吗?”我们仍然不知道,所以这是一个很大的研究领域。”“这个问题是一个巨大的动力。”

在我们的日常生活中,很多人都希望通过服用益生菌和食用发酵食品来改善肠道微生物群。在临床情况下,粪便移植已被证明能够成功治疗艰难梭菌的复发性感染,而在用于治疗感染的抗生素清除了“有益的”肠道细菌后,艰难梭菌往往会复发。

但是,除了为肠道增加有益菌群的全面而大胆的措施之外,人们对如何巧妙地将肠道系统引向健康方向还知之甚少。

“这不仅仅是放入正确的微生物,”琼斯说。“你需要了解微生物所处的环境,你需要了解是什么促成了稳定的肠道微生物组组成。”

为了解决这个问题,研究人员在加州大学圣巴巴拉分校物理学教授让·卡尔森的指导下,提出了一种技术,通过操纵模型的某些参数,将数学肠道微生物组模型推向目标微生物组的组成。这种方法称为SPARC (ssr引导的参数更改),它在不牺牲系统复杂性的前提下降低了系统的复杂性。而且,根据发表在《物理评论E》杂志上的一项研究,它还“提供了一个系统的理解,即环境因素和物种之间的相互作用是如何被操纵来控制生态结果的。”

老方程,新用途

 

图片来源:迪伦·米勒插画

“所以基本上,我们的目标是找到一个参数的变化,与微生物环境的变化相对应,”主要作者王子鹏说。这有助于将肠道菌群想象成一个停在山顶的球,随时准备向某个方向滚下去。在这种理想化中,肠道环境决定了山的形状。健康的微生物组组合位于山的一侧的底部,而疾病相关的组合位于山的另一侧。研究人员称,粪便移植直接将球推到山的健康一侧,而SPARC则控制着山的形状,有效地将球滚向一侧或另一侧。

为了描述这种肠道生态系统(数据来自纽约斯隆-凯特琳纪念中心的小鼠模型实验),研究人员使用了广义的Lotka-Volterra (gLV)方程。gLV方程也被称为捕食者-被捕食方程,它起源于一个世纪前的传统生态学方法,用来描述地球上物种之间的相互作用,如竞争和捕食,以及间接相互作用的影响。

“但是,困难之一是肠道菌群拥有所有这些不同的细菌种类,”王说,“所以Lotka-Volterra方程变得非常高维,这意味着有很多参数,有很多不同的方式让细菌相互作用。”我们很难找到合适的参数来实现理想的微生物组组成。”

为了避免操作大量不同参数的反复试验,研究小组选择了一种被压缩但可靠的二维生态模型,这种模型是由一种被称为“稳态还原”(SSR)的降维技术生成的。根据研究人员的说法,这使他们能够缩小并确定控制山的形状的关键参数。

琼斯解释说:“我们喜欢我们的模型是因为它给了我们一个系统的策略来识别这些低维度的特征,这些特征是非常敏感的,也是最重要的。”“我真的很惊讶和高兴,例如,我们可以找到一个参数,并改变它的值的10%,这将改变山的形状。”

这个参数是什么?好吧,考虑到肠道微生物群、饮食、共存条件和环境影响的多样性,不一定有一个通用的参数变化——比如,酸度或纤维含量——适合所有的情况。研究人员说,SPARC方法引导人们思考如何根据数据来识别重要的参数。

此外,SPARC目前主要是一个数学练习,尽管研究人员渴望在实验环境中进行尝试。

穆勒说:“有些人在研究他们所谓的芯片上的肠道系统,这个系统有点像微型的培养皿,可以复制人类肠道微生物的某些条件。”“在这些严格控制的实验环境中验证SPARC是非常令人兴奋的。”

在更遥远的将来,琼斯说,这种方法还可以帮助为个性化的微生物铺平道路管理、实时读数的微生物组的国家——比如,从智能马桶,可以告诉我们改变我们的饮食习惯,以避免疾病和提高我们的幸福指数。

“为了达到这一点,我们需要微生物组的机械模型,”他说。“我们需要了解如何控制它。我们需要了解环境反馈如何影响微生物的动态。”

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