肠道中的隐形守护者：有益细菌如何保护你的健康
在你的微生物群落中，生活着一个由数万亿微生物组成的繁忙社区，它们在你的健康中扮演着至关重要的角色。虽然这些微小的“租户”大多数是有益的，但其中一些如果失控繁殖，可能会引发严重的感染。一项新的大规模研究揭示了“好”微生物群落细菌如何抑制潜在有害细菌的增长。
这项研究由剑桥大学（University of Cambridge）的亚历山大·阿尔梅达博士（Dr. Alexandre Almeida）领导，分析了来自45个国家超过12,000人的微生物群落细菌数据，以更好地了解是什么阻止了这些机会性病原体过度繁殖。该研究发表在《自然微生物学》（Nature Microbiology）上，发现了一些特定的细菌种类，它们似乎天然地抑制了肠杆菌科（Enterobacteriaceae）细菌的增长，还有一些细菌种类则倾向于与它们共存。
肠杆菌科包括像大肠杆菌（E. coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）等臭名昭著的麻烦制造者，后者是导致肺炎的元凶。当这些细菌在微生物群落中过度繁殖时，可能会引发严重感染，并与克罗恩病（Crohn's disease）等炎症疾病相关联。特别令人担忧的是，许多这些细菌正在变得对多种抗生素具有抗药性。事实上，某些特别棘手的菌株已被世界卫生组织（World Health Organization）列为“优先1级病原体”，因为它们对治疗的抵抗力越来越强。
“随着抗生素耐药性的增加，我们可用的治疗选择越来越少。现在最好的方法是预防感染的发生，我们可以通过减少这些致病细菌在微生物群落中茁壮成长的机会来实现这一目标，”剑桥大学兽医学系的亚历山大·阿尔梅达博士在一份声明中说。
阿尔梅达博士，作为这篇新报告的资深作者，看到了利用微生物群落微生物组改善医疗诊断和治疗的巨大潜力。（图片来源：剑桥大学）
研究团队发现，约有66%的人自然地在其微生物群落微生物组中携带一定水平的肠杆菌科细菌。尽管这听起来令人担忧，但当这些细菌被其他微生物保持平衡时，通常不会引起问题，就像一个花园在没有单一植物物种过度生长的情况下保持健康一样。研究确定了172种“共存菌”细菌种类，它们经常与肠杆菌科共同出现，还有135种“排斥菌”细菌种类，它们似乎天然地抑制肠杆菌科的生长。
最有效的排斥菌之一来自粪杆菌属（Faecalibacterium）。这些有益的微生物产生称为短链脂肪酸的化合物，这些化合物本质上是细菌的代谢副产物，有助于维持微生物群落健康。这些酸创造了不利于肠杆菌科生长的环境。
“我们的结果表明，我们吃什么可能在控制感染风险方面非常重要，因为这会改变我们的微生物群落环境，使其对入侵者更加不友好，”阿尔梅达博士说。
特别是肺炎克雷伯菌，它可以引发肺炎、脑膜炎和其他严重感染。全球对抗生素耐药性的上升促使科学家们寻找替代控制方法，使这项研究的发现尤为重要。
与肠杆菌科共存的细菌在处理营养和能量的方式上表现出更大的多样性，科学家称之为代谢能力。想象一下购物中心的不同商家——有些直接竞争，而另一些则通过提供不同的服务互相补充。这些共存关系因地理区域而异，可能反映了饮食、生活方式和医疗保健实践的差异。
细菌社区并不是进行全面战争，而是更像社区，相似的居民倾向于聚集在一起。这种现象被称为“栖息地过滤”。正如你可能在某些城市地区找到艺术家聚集一样，具有相似资源需求和处理能力的细菌也倾向于自然地聚集在一起。
这些发现挑战了一些关于微生物群落细菌相互作用的先前假设。早期使用小鼠模型的研究表明，资源竞争将阻止有害细菌的建立，而这项研究揭示了许多物种实际上可以在需要相似营养物质的情况下与肠杆菌科共存。这对治疗方法有重要影响：仅通过竞争营养物质来对抗有害细菌的益生菌可能不如通过饮食改变微生物群落环境有效。
“通过食用蔬菜、豆类和全谷物等富含纤维的食物，我们可以为微生物群落细菌提供原材料，以产生短链脂肪酸——这些化合物可以保护我们免受这些致病菌的侵害，”阿尔梅达博士解释道。研究表明，针对微生物群落环境的饮食干预措施可能比传统益生菌更有效地预防肠杆菌科感染。
研究总结
方法
研究人员使用先进的计算方法，包括人工智能，分析了来自12,238个粪便样本的公开微生物群落微生物组数据。他们使用机器学习算法识别细菌存在和丰度的模式，同时控制年龄、健康状况和地理位置等因素。研究团队还使用各种生物信息学工具，研究不同细菌物种的基因功能，并模拟其代谢相互作用。这种方法使他们能够开发出一种微生物组“特征”，以预测某个人的微生物群落是否可能被肠杆菌科定植。
结果
研究发现，66%的人携带肠杆菌科细菌在他们的微生物群落微生物组中。他们确定了307种与肠杆菌科存在或不存在显著相关的细菌种类，其中172种被归类为共存菌，135种为排斥菌。排斥菌在铁代谢和短链脂肪酸生产相关基因中富集，而共存菌表现出更大的功能多样性。一个关键发现是，富含纤维的饮食支持有益细菌如粪杆菌属的生长，这些细菌可以帮助抵御致病感染。
局限性
尽管研究较为全面，但它依赖于现有的公共数据，这些数据在不同地区的分布不均匀，大多数样本来自欧洲和北美。分析还仅限于DNA测序数据，无法直接测量细菌活动或相互作用。此外，一些发现与之前的小鼠模型研究相矛盾，突显了基于人类研究的重要性，以了解微生物群落微生物组的动态。研究无法确定因果关系——即排斥菌是否主动抑制肠杆菌科，还是仅仅在自然限制其生长的条件下繁盛。
讨论和结论
研究结果表明，微生物群落细菌群落更多是由共享资源需求而非直接竞争组织起来的，这挑战了关于细菌在微生物群落中相互作用的先前假设。这一见解可以为通过饮食干预而非直接针对病原体或依赖传统益生菌来预防和治疗抗生素耐药性感染的新方法提供信息。研究强调了富含纤维的食物在维持健康微生物群落环境和预防感染中的重要性。
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