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系統生物學研究腸道生態系統中的微生物功能

人類不是自主的實體,我們都生活在一個複雜的環境中,而不僅僅是與我們同輩互動,但作為真正的共生功能體;我們也與現存的微生物生態系統有很大的互動。尤其是在我們體內的腸道微生物。微生物群,通過分解複雜的碳水化合物,以滿足使我們的每日能量攝取。糖被發酵成短鏈脂肪酸,隨後被人體細胞吸收,通過抑制或增強惡意和有益微生物的生長來達到影響我們自身免疫系統。

近年來,由於新的技術出現,對微生物群落和生態系統的可行性有了更詳細的了解。新技術包括pcr擴增的系統基因標記基因測序的進展、作為集體的微生物群落和代謝組發展,使我們能夠以越來越高的水平來觀察微生物在微生物群中的作用以及它們的反應。腸道是人體不可缺少的一部分。它甚至對我們的幸福感指數有很大的影響,被媒體稱為「第二大腦」。多年來,這個「超級器官」—不同的微生物群落居住著數以萬億計的微生物,引發了大量的科學研究興趣。在人類腸道的軌跡上,微生物組有不同程度的複雜性(圖1b),一般,微生物密度從十二指腸增加,直到它在結腸和糞便中達到最大值。

同時,這兩部分也是研究最多的部分(圖1c)。沿著人類腸道的軌跡,微生物代謝活動的焦點發生了深刻的變化,小腸具有較高的容量,降解更簡單的碳水化合物;而在結腸中大部分複雜的碳水化合物被降解。大多數人類組學研究都是觀察性的。研究微生物的多樣性和功能以及宿主微生物相互作用,目的在於改善腸道健康(圖1 e)。這些介入研究分為兩類:臨床前和臨床干預。臨床前干預主要集中於改善,通過營養的改變來改善腸道健康。在這個領域,益生菌的概念—細菌可能是最廣為人知的一種。臨床干預是對相關條件的反應,腸內穩態的慢性破壞,例如潰瘍性結腸炎、腸易激綜合症和移植和減肥手術。

圖1 所示如下:

目前有效的研究機構已經證明了把生態系統作為一個整體考慮是很重要的,我們需要了解其對健康的影響。最近,這一趨勢正日益受到重視。

在第一次人類基因組被測序,人們相信它將會改變醫學的運作方式。它被認為所有的治療都是個性化的,儘管個人基因組測序仍在繼續。雖然這一預測結果有的已經取得成功,但並不能說明其結果的完全正確。當然我們還不能完全理解為什麼人類基因組,不是唯一的影響因素,即只受遺傳性狀的影響。完整的生態系統,整個共生功能體,其實都需要考慮進去

例如肥胖,如果有足夠的數據以及對其意義的理解,結合個性化的營養方案,我們將有可能預防肥胖的流行,我們也可以能夠更進一步已達到預防疾病的目的。如果我們不了解我們的微生物群落,如果我們不了解它與宿主的關係這一過程將變得艱難。預防措施通常不屬於常規措施,與主流醫學作為「4P醫學」的預防措施(預測、預防、個性化、參與)不同。

如果我們知道一個人的微生物群落,我們就會知道,能夠預測那些疾病是否更容易發生。對肥胖或其他危險因素(對一些人來說),預測疾病狀態已經成為可能。如果我們理解微生物群落功能,我們將能夠採取相應的對策,如通過飲食干預。

由於每個個體的這些生態系統都是存在差異的,這一次方式將會形成個性化醫療。研究人員在微生物群落中需要意識到這一點。目前微生物組研究的目的是克服這些挑戰。肥胖研究很可能在不遠的將來,通過了解腸道微生物種群的功能以應對流行病,如肥胖。

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