这是《肠道产业》第 805 篇文章
编者按
2017 年 5 月 24 日，芝加哥大学成立了 Duchossois Family 研究所（DFI），该研究所致力于利用微生物组和免疫促进人类健康。Janet、Craig Duchossois以及Duchossois 家族基金会向该研究所捐赠了 1 亿美元。目前该研究所已经在 Science 、Nature 等杂志上发表了诸多高水平文章，并成功研发出一种可以改善慢性营养不良的特制食品。
今天，我们共同关注该研究所。希望本文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。
在孟加拉国，5 岁以下儿童超过三分之一患有慢性营养不良。这种病症不仅阻碍了生长，还破坏了微生物组。由于微生物组影响了身体的许多方面——从免疫系统到心理健康——孟加拉国的儿童需要的不仅仅是用食物来治疗他们的营养不良，他们还需要用正确的食物来恢复他们的微生物组健康。几年前，Arjun Raman 博士所在的团队正在寻找操纵微生物组所需的正确食物，以便为这些儿童提供更好的疗效。但许多人更想知道的是，是否真的有可能为这一复杂的问题提供一个简单的答案。Raman 说：“人类微生物组有着成千上万的物种，它们会随着时间的推移而变化，具体取决于你摄入的食物、基因组以及生活环境。当前的共识是该系统非常复杂，我们可能找不出操纵它的方法。”但是 Raman 愿意接受这个挑战。他获得了医学博士学位和分子生物物理学博士学位，依靠这些知识，他帮助创建了一个统计工作流程，最终找到了治疗营养不良的 15 种目标菌株。有了这些信息，该团队成功设计了一种由鹰嘴豆、大豆、花生、香蕉、油和微量营养素制成的特制食品，以改善儿童的微生物组健康。Raman 说：“我们找到了可以撬动健康的杠杆。生物学并非无限复杂，我们总能找到更好地适应生物系统的规则。”Raman 于 2020 年正式加入芝加哥大学病理学系，成为一名助理教授，其也是 Duchossois Family 研究所（DFI）的成员之一。这些研究也反映了 Duchossois Family 研究所（DFI）的目标：致力于通过微生物组、免疫系统和遗传学来实现健康。
了解微生物组并非易事。我们的肠道中不仅有数百种细菌，而且每个人都有自己标志性的致病性和共生性微生物群网络。这个网络可能会受到饮食、抗生素和疾病的干扰，由此产生的不平衡不仅会影响肠道健康，而且还影响免疫系统、心理健康和慢性疾病，如动脉硬化。对于科学家和医生来说，微生物组的重要性已经无需多言。它经常被称为健康的下一个前沿，甚至是我们身体内的“第二大脑”。Eric Pamer是DFI的现任所长，然而，此前，也就是在 Pamer 担任斯隆凯特灵癌症中心传染病主任期间，他并没有专注于研究微生物组学，而是对癌症患者治疗中常见的耐药性病原体很感兴趣。当时，他和他的合作者开始对肠道中的细菌进行测序，他们发现正常细菌的缺失增加了接受干细胞移植的患者发生不良反应的风险。于是，他的兴趣开始转移到我们人体内部这一强大的生态系统，并于2019年成为Duchossois 家族研究所的第一任主任。他说：“我很高兴能够来到芝加哥大学，并在这里研究微生物组在更广泛的病人和疾病中的影响。我想与临床研究团队合作，研究微生物组在各种疾病中的作用，从血管疾病到阿尔茨海默症，再到炎症性肠病。”
DFI 提供了一系列的设施与服务。DFI 宏基因组学中心会提取芝加哥大学医学院病人的临床粪便样本的 DNA并进行预处理，然后利用测序仪对这些 DNA 进行测序，以便告诉研究人员每个样本中存在哪些细菌。但是可能更有趣的数据来自于该机构的代谢组学中心。肠道中的细菌会消耗我们摄入的食物，然后产生代谢物，即以化合物、激素以及维生素形式存在的小分子，再被我们的机体吸收。Pamer 说：“在过去十年中，我们已经了解到代谢物会影响身体的许多系统，包括免疫发展、精神状态和肝脏对酒精的反应。例如，丁酸盐可以调节免疫系统功能。”但要了解哪些代谢物与哪些细菌相关，以及这些细菌如何与临床事件相关，还有很多工作要做。代谢组学中心使用质谱法测定每个样本中的 200 种不同的代谢物，这个数字将随着更多的代谢物被识别而增加。该中心部门像研究所内的一个小型企业一样运作，与教授和临床医生合作，迅速提供代谢物数据，同时提供数据所代表含义的额外背景知识。在过去的一年里，该中心的目标是继续扩大其对代谢物的了解，以及扩大代谢组学可以告诉我们有关我们健康的哪些方面的知识。
Pamer 与移植手术及重症监护医疗团队一起开展临床试验，对病人的代谢物进行分析，并将这些代谢物与患者的临床结果相关联。这项研究的最终目标是利用从这些研究中收集到的信息，以在抗生素治疗后，指导采用某些特殊的细菌来重建病人的微生物组。为此，该研究所还建立了一个细菌菌种库，他们从健康志愿者的粪便中培养了近 2000 个菌株。Pamer 说：“在未来几年，我们期望能够通过快检的方式来确定病人缺失了哪些细菌或代谢物，然后给他们服用含有正确细菌的胶囊来重新建立正常的菌群结构。”这种胶囊的批量生产将在专业的细菌制造厂进行，这个工厂所需要的设施正在规划中，Pamer 希望能在两年之内开展这项菌群重建工作。想要达成目标，需要更多跨学科的研究。与 Pamer 一起工作的研究员们，他们各自从独特的角度来理解微生物组。Sam Light 博士，正将微生物组作为一个生态系统进行研究。就像一些动物和有机体在潮湿的雨林中茁壮成长，而另一些则在干旱的沙漠中茁壮成长一样，肠道中的一些细菌在胃中茁壮成长，而另一些则在肠道深处茁壮成长。不仅如此，这个细菌生态系统还有自己的食物链：一些细菌吃我们所摄入的食物，而另一些细菌则吃细菌的代谢物。微生物学系助理教授 Light 说：“我们的远大目标是去真正了解每种微生物在该生态系统中所处的位置。”Light 之前发现，居住在肠道中的某些微生物通过向其周围环境转移电子进行呼吸，而科学家们已经知道这种情况在自然界中会发生，但不知道在我们的机体内部中也会发生。这使他对了解这个肠道生态系统产生了浓厚兴趣。现在，在 DFI 的帮助下，他的团队正在使用粪便样本来观察哪些微生物在哪些条件下占优势。他们也在做更有针对性的研究。例如，他们知道某些微生物可以利用胆固醇进行呼吸作用。现在他们正试图弄清楚哪些微生物会这样做，它们是如何做的，以及它们为什么这样做。他说：“开发这一研究框架将有助于我们更清楚地了解微生物组内发生的事情，以确定处于患病状态的微生物组与处于健康状态的微生物组之间的区别。这也将有助于深入了解如何通过补充某些微生物，使疾病状态恢复到健康状态。”
考虑到微生物组包含大量的微生物，开发这样一个研究框架似乎是不可能的。但对于 Raman 来说：“你不能假定这项工作是不可能的。如果你这么想，那你就退出吧。”Raman 也对推导这个生态系统的研究指导手册感兴趣，这关乎一个系统内的一切如何协同工作的接线图。正如他对待孟加拉国儿童所做的那样，他正在通过找到正确的杠杆来推动和拉动这个问题。为了做到这一点，他和他的团队正在利用我们这个时代发展出的工具：大数据。他们从研究透彻的大肠杆菌开始，着手寻找他们是否能够创建其“线路图”。他们下载了 7000 个公开的细菌基因组，并创建了一个新的数学框架来分析它们。这产出了一种能够显示所有蛋白质是如何共同创造细菌表型的统计方法。他说：“如果两种蛋白质同时发生变化，这意味着它们可能相互作用。就这么简单，但我们需要分析数据来说明这是如何工作的。后基因组时代对我们这样的研究者来说是一个福音。它提供了以非常简单的方式来解构复杂系统的能力。”通过整合在微生物学、化学、病理学和大数据方面的专业知识，DFI 希望构建一个比它本身更大的整体。Raman 说：“我们并非孤军奋战，我们注定要集体合作。相互协作才可以从 Eric Pamer 尝试建立的系统中产生一些临床上可操作的东西。”
为了支持科学研究和临床研究，DFI 已经为有兴趣从事研究工作的临床研究员提供了奖学金资助。该研究所也已开始提供多学科资助，以支持研究科学家和临床调查人员之间的合作，并与该大学的 Polsky 创业和创新中心合作，以确保任何突破都能够进入市场。Pamer 说：“我们希望能帮助研究人员建立这些桥梁，以迈出将实验室发现转移到临床的第一步。”DFI 成立的初衷不仅是为了支持微生物组的研究，还包括遗传学和免疫学的研究。Pamer 说：“这些是一个连续的过程：这三个领域相互影响。我们还有很多工作要做，这个领域已经爆炸了，给我们留下了这么多做研究的机会。”https://www.uchicagomedicine.org/forefront/microbiome-articles/maximizing-health-and-wellness-through-microbiome-research
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