肠道微生物相互作用的失衡作为健康与疾病的标志

肠道菌群失调（dysbiosis）引发多种疾病，健康状态以竞争性互作为主，失调状态则以合作共生网络主导。通过构建代谢明确的群落互作模型，提出生态网络平衡指数（ENBI），可有效区分健康与疾病菌群状态，并追踪疾病进展。该指标在炎症性肠病、肠易激综合征、艰难梭菌感染及结直肠癌等疾病中均表现一致性，为精准医学提供新工具。

　　

编辑总结

从肥胖到结直肠癌，多种疾病都可能由肠道微生物群的紊乱（即菌群失调）引起。菌群失调被认为是肠道从健康状态转变为另一种稳态的过程，在这种新状态下，不同的微生物类群具有不同的代谢功能。Corral López等人重新分析了实验数据，构建了一个消费者资源模型来描述微生物群中的细菌和营养动态。他们观察到，在菌群失调的情况下，细菌群落会变得简化，并通过更少、更直接的途径高效地代谢能量资源。该模型表明，在健康肠道中竞争性相互作用占主导地位，而在菌群失调的情况下则表现为合作性的互惠共生。这些生态变化的具体触发机制仍有待研究，但微生物群之间合作性的增强可能是疾病进展的迹象。——Caroline Ash

结构化摘要

引言

人类肠道微生物组是一个对宿主健康至关重要的复杂生态系统。菌群失调（即肠道微生物群落的失衡）与多种疾病相关，包括肥胖、糖尿病、炎症性肠病（IBD）、艰难梭菌感染（CDI）、肠易激综合症（IBS）和结直肠癌（CRC）。治疗手段如粪便微生物群移植、饮食干预和益生菌旨在通过重塑微生物群组成来恢复平衡。然而，这些方法的效果并不一致且难以预测，部分原因在于我们对调控微生物组动态的代谢和生态相互作用了解有限。这种认知上的不足也阻碍了开发出能够区分健康与疾病的可靠生物标志物。

研究背景

先前的研究表明健康状态和菌群失调可能代表不同的微生物群落状态，但尚未提供明确的机制解释。大多数定义菌群失调的研究试图识别健康与疾病状态之间不同的细菌类群或功能，或者假设多样性减少是疾病的普遍特征。然而，这些特征在不同条件和人群中存在差异，且未能捕捉到塑造疾病状态的生态原理。为了更深入地理解健康与疾病状态下的肠道微生物动态，我们开发了一个基于代谢过程的模型，在该模型中，细菌间的相互作用源于对共享资源的竞争和互惠共生。

结果

该模型再现了关键的宏观生态模式，并捕捉到了真实肠道微生物组的功能冗余性。此外，我们的模型揭示了两种不同的生态状态（健康状态和菌群失调状态），其α多样性和β多样性、优势度指数以及功能和代谢产物的数量与真实微生物组中的观察结果高度相似。健康状态下以竞争性相互作用为主，而菌群失调状态下则以紧密连接的互惠共生群落为主。我们还开发了生态网络平衡指数（ENBI），该指数可以衡量正向相互作用与负向相互作用的相对贡献，并能可靠地区分健康状态和菌群失调状态。通过对IBD、IBS、CDI和CRC的模型数据及宏基因组数据进行计算，发现所有病例的患病微生物组的ENBI值均较高。这一指标还与疾病阶段相关。这些结果在子样本分析、地理区域、分类水平及分析方法上都具有稳定性。

结论

与基于多样性的指标不同，ENBI能够一致地区分健康状态和疾病状态，甚至可以追踪疾病进展，为开发可靠的、非侵入性的疾病早期预警指标提供了途径。ENBI还提供了机制层面的见解：我们的结果显示，菌群失调伴随着微生物群落交互网络的改变，正向相互作用逐渐占据主导地位。我们的框架具有通用性和可扩展性，可以结合额外的生物学特征来研究特定的肠道现象，也可应用于其他微生物组（如阴道和口腔生态系统、植物和土壤生态系统），或用于预测治疗干预的潜在结果。通过将微生物生态学与临床研究相结合，我们的框架推动了精准医学的发展，有助于制定更个性化的策略来维护或恢复肠道健康。

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肠道绒毛顶部的细菌群落（来自肠黏膜的投影图）。

图中细菌用不同颜色表示，绒毛顶部呈棕色。颜色对比突出了细菌的大小与肠道细胞看似裸露的结构的差异。我们的模型和指标表明，在患病肠道微生物组中正向相互作用占主导，而在健康肠道中则是负向相互作用占主导。我们通过监测这种生态平衡来追踪疾病的出现和进展。[图片来源：X. Zhang；编辑：A. J. Roldán]

摘要

人类肠道微生物组的失衡（即菌群失调）与多种疾病相关，但其背后的生态机制仍不甚明了。现有的菌群失调生物标志物无法捕捉区分健康与疾病微生物组的生态差异。我们开发了一个名为生态网络平衡指数（ENBI）的指标，用于量化正向与负向微生物相互作用之间的平衡。这一指标的灵感来源于我们在本研究中提出的肠道微生物组动态模型，该模型揭示了两种不同的稳定状态：健康状态以负向相互作用为主，而菌群失调状态则以正向相互作用为主。ENBI在模拟数据和真实数据集中都能稳健地区分这两种状态，并且与结直肠癌等疾病的进展相关，这表明其具有作为诊断工具的潜力。