你的微生物——你的身份

微生物是没有显微镜就看不见的微小生物。数以万亿计的微生物生活在我们的体内和体表，尤其是在我们的肠道里。的肠道微生物群是我们用来描述生活在我们肠道里的整个庞大而多样的细菌和其他生物的术语。不幸的是，我们通常把细菌和疾病联系在一起。然而，我们体内的大多数细菌都对人体健康有益。它们帮助我们分解和消化我们所吃的食物，产生必需的维生素，并抵抗有害细菌。作为回报，我们为它们提供生存的地方和茁壮成长所需的营养。有益细菌对建立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的侵害。当有害细菌的数量保持在最低限度时，它们通常不会引起问题。但在某些条件下，有害细菌会大量繁殖并赶走有益细菌，从而导致多种疾病[1］．

每个人的肠道菌群都一样吗?是也不是!虽然三分之一的肠道菌群在个体之间是共同的，但每个人三分之二的微生物群是独一无二的，就像他们的指纹一样个人化!虽然每个人的肠道菌群都有相似的功能，但这些功能不一定是由每个人体内的同一种细菌执行的。2］．你可以把肠道想象成微生物的城市。每个城市都有自己的消防员、警察、公交司机和垃圾收集员。不同的人在每个城市扮演这些角色，在每个城市里，这些人会随着时间的推移而改变。在细菌世界中，数百种微生物可以发挥重要作用，如产生维生素或分解我们所吃食物中的碳水化合物[3.］．这意味着，即使我们的细菌群落看起来不同，它们也在做同样的重要工作。在一个城市里，如果有许多富有生产力的居民居住在那里，如果他们能从事多种重要的工作，城市就会繁荣起来。同样，如果我们的肠道是大量有益细菌的家园，这些细菌可以执行各种功能，我们就会更健康。图1)．

肠道细菌和克罗恩病之间的联系

科学家们一直在研究肠道细菌的变化是否与我们所吃的食物、服用的药物或我们的健康或疾病有关。我们特别感兴趣的是了解长期患有肠道炎症(也称为克罗恩病)的人体内的细菌是否具有独特的有害特征。克罗恩病是以1932年首次描述这种疾病的医生的名字命名的，它影响着全球数百万人。克罗恩病影响青少年和年轻人，但主要是20-40岁的人。在克罗恩病中，部分肠道会变红和肿胀。病人有时会病得很重(我们称之为重病)冲突)和其他感觉完全正常的时期(我们称之为缓解)．克罗恩病的患者会出现血性腹泻、腹痛、体重减轻、发烧和食欲不振。

正常情况下，免疫系统会注意危险。然而，在克罗恩病中，免疫系统会混淆，同时攻击有益细菌和有害细菌。破坏这种细菌平衡会增加有害细菌产生的毒素，并导致肠道组织的破坏。药物可以帮助减少免疫系统的攻击，但随着时间的推移，肠道组织的损伤会越来越严重。研究表明，克罗恩病患者的细菌群落与健康人的细菌群落看起来有很大不同。这些细菌群落大多由在某些条件下可能变得有害的细菌主导。

那是谁?他们在做什么?

为了弄清楚是哪些细菌导致了克罗恩病，我们要求患者在缓解期和发作期收集粪便样本。我们进行了实验室实验来测量粪便样本中存在的分子和化合物。我们还打开细菌细胞，释放DNA，这样我们就可以分析细菌基因，并确定存在哪些细菌。最后，我们使用计算机和统计数据来了解细菌及其产物与患者健康状况之间的关系。所有这些信息给了我们特定的模式，称为细菌的签名［4，5]，以治疗病情缓解及突然发作(图2)．

我们发现，在缓解期和发作期，患者肠道内的微生物数量存在很大差异。在缓解期出现了更多的细菌，它们也更加多样化，这意味着存在更多类型的细菌。此外，我们还发现这两组之间特定类型微生物的数量发生了巨大变化。例如，两组有更多的细菌大肠杆菌而且脱磷孤菌属在冲突。为了更多地了解这些细菌，我们测量了它们的浓度代谢物他们生产。代谢物是参与或由新陈代谢的化学反应产生的小分子。粪便、尿液或血液中某些代谢物的浓度与患某些疾病的风险有关。当我们比较缓解期和发作期的患者样本时，我们发现某些代谢物的含量不同。

教计算机预测未来

接下来，我们想知道是否可以根据克罗恩病患者的细菌特征来预测他们的病情是否会持续缓解或突然发作。为了做到这一点，我们使用机器学习在美国，计算机被训练来执行复杂的任务。为了让计算机识别即将发作的病人的细菌特征，计算机需要从病人发作期间获得许多细菌特征的例子，这样计算机就可以了解发作时细菌特征的模式。这个阶段叫做学习。然后，我们用细菌特征的例子对计算机进行测试，计算机需要判断每个特征是来自健康的受试者还是突然发作的患者。这个阶段被称为测试。如果模型通过了我们的测试，我们就可以依靠它来判断病人是健康的，还是很快就会从细菌特征中发作。这个阶段被称为预测。令我们兴奋的是，我们的计算机对突发事件的预测准确率高达96% (图3）！

肠道疾病的微生物治疗

我们的研究可能对治疗克罗恩病等肠道疾病患者有用。如果我们可以使用机器学习来分析患者粪便中的细菌特征，这可以帮助我们判断患者是否健康，或者未来可能会患上肠道疾病。如果我们能确定病人发作时减少的细菌的确切类型，我们也许能收集这些细菌，让它们在实验室里生长繁殖，并将它们制成药丸，我们可以给病人帮助他们改善。这样的有益细菌被称为益生菌．我们的肠道中都有一些益生菌，但它们也存在于酸奶、奶酪、面包或酪乳等食物中。

如果健康的人有足够的有益微生物，他们可以捐献粪便样本，然后我们可以将这些样本转移到细菌特征较差的患者的结肠中。这叫做粪便菌群移植．将健康的微生物移植到患者体内可以启动细菌群落，恢复肠道微生物的平衡。在我们能够利用我们研究中的信息有效地治疗患者之前，还有一些工作要做。我们到目前为止所做的工作已经很重要，因为我们对肠道细菌及其功能了解得越多，我们就越有可能为全球数百万患有克罗恩病等肠道疾病的患者找到新的、有效的治疗方案。

术语表

肠道微生物群：↑肠道微生物:生活在人体肠道中的一组微生物大多数微生物都是有益的，发挥着保持我们健康的功能。

冲突：↑患有长期疾病的患者表现出更多症状并感觉更糟的时间段。

缓解：↑久治不愈的病人没有表现出症状并感觉好转的一段时间。

细菌的签名：↑细菌群落组成和功能的独特模式，可区分生理和病理状况，并可用于预测疾病发展或进展的风险。

代谢物：↑代谢产物参与或由有机体代谢产生的小化合物在这项研究中，我们研究了细菌产生的代谢物。

机器学习：↑一个科学分支，它允许计算机执行任务，而不需要我们告诉计算机如何去做。计算机通过观察大量的例子来学习执行一项任务，并试图找出如何做出最佳判断。

益生菌：↑一组有益的细菌，人们可以食用来恢复肠道细菌的平衡。

粪便菌群移植：↑将健康供体的粪便移植到病人结肠中的一种手术。有益细菌取代有害细菌，恢复了健康的平衡。

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

致谢

这项工作得到了利昂娜和哈里·赫尔姆斯利慈善信托基金(IBDOT财团)的支持。作者要感谢整个研究团队，他们加入了这一探索微生物的惊人发现之旅。特别感谢Eva Rath博士对本文的校对。最后，Amira要感谢她的女儿Laila对这些数字的帮助，以及她在讨论和审阅这篇文章时的好奇心。

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原文

↑梅特瓦利，A.，邓克尔，A.，瓦尔德施米特，N.，拉杰，a.c.d .， Lagkouvardos, I.， Corraliza, a.m .等。2020。整合的微生物群和代谢物图谱将克罗恩病与硫代谢联系起来。Nat。Commun．11:4322。doi: 10.1038 / s41467 - 020 - 17956 - 1

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参考文献

[1]↑Buttó， L. F.和Haller, D. 2016。肠道炎症的生态失调:原因或后果。Int。微生物学．306:302-9。doi: 10.1016 / j.ijmm.2016.02.010

[２]↑财团，H. 2013。健康人体微生物群的结构、功能和多样性。自然．486:207-14。doi: 10.1038 / nature11234

[3]↑2012年，洛祖彭，C. A.，斯托姆博，J. I.，戈登，J. I.，杨松，J. K.和奈特，R.。人类肠道菌群的多样性、稳定性和弹性。自然．489:220-30。doi: 10.1038 / nature11550

[4]↑Metwaly, A.， Reitmeier, S.和Haller, D. 2022。微生物组风险概况作为炎症和代谢紊乱的生物标志物。胃肠醇。乙醇．19:383 - 97。doi: 10.1038 / s41575 - 022 - 00581 - 2

［5］↑Waldschmitt, N.， Metwaly, A.， Fischer, S.， and Haller, D. 2018。微生物特征作为ibd的预测工具——珍珠和陷阱。Inflamm。肠说．24:1123-32。doi: 10.1093 / ibd / izy059