編者按：
2017 年 5 月 24 日，芝加哥大學成立了 Duchossois Family 研究所（DFI），該研究所致力於利用微生物組和免疫促進人類健康。Janet、Craig Duchossois以及Duchossois 家族基金會向該研究所捐贈了 1 億美元。目前該研究所已經在 Science、Nature 等雜誌上發表了諸多高水平文章，併成功研發出一種可以改善慢性營養不良的特製食品。
今天，我們共同關注該研究所。希望本文能夠為諸位讀者帶來一些啟發和幫助。
操縱微生物組
在孟加拉國，5 歲以下兒童超過三分之一患有慢性營養不良。這種病症不僅阻礙了生長，還破壞了微生物組。
由於微生物組影響了身體的許多方面——從免疫系統到心理健康——孟加拉國的兒童需要的不僅僅是用食物來治療他們的營養不良，他們還需要用正確的食物來恢復他們的微生物組健康。
幾年前，Arjun Raman 博士所在的團隊正在尋找操縱微生物組所需的正確食物，以便為這些兒童提供更好的療效。但許多人更想知道的是，是否真的有可能為這一複雜的問題提供一個簡單的答案。
Raman 說：“人類微生物組有著成千上萬的物種，它們會隨著時間的推移而變化，具體取決於你攝入的食物、基因組以及生活環境。當前的共識是該系統非常複雜，我們可能找不出操縱它的方法。”
但是 Raman 願意接受這個挑戰。他獲得了醫學博士學位和分子生物物理學博士學位，依靠這些知識，他幫助建立了一個統計工作流程，最終找到了治療營養不良的 15 種目標菌株。有了這些資訊，該團隊成功設計了一種由鷹嘴豆、大豆、花生、香蕉、油和微量營養素製成的特製食品，以改善兒童的微生物組健康。
Raman 說：“我們找到了可以撬動健康的槓桿。生物學並非無限複雜，我們總能找到更好地適應生物系統的規則。”Raman 於 2020 年正式加入芝加哥大學病理學系，成為一名助理教授，其也是 Duchossois Family 研究所（DFI）的成員之一。
這些研究也反映了 Duchossois Family 研究所（DFI）的目標：致力於透過微生物組、免疫系統和遺傳學來實現健康。
圖. Arjun Raman博士
從感染性疾病到微生物組健康
瞭解微生物組並非易事。我們的腸道中不僅有數百種細菌，而且每個人都有自己標誌性的致病性和共生性微生物群網路。這個網路可能會受到飲食、抗生素和疾病的干擾，由此產生的不平衡不僅會影響腸道健康，而且還影響免疫系統、心理健康和慢性疾病，如動脈硬化。
對於科學家和醫生來說，微生物組的重要性已經無需多言。它經常被稱為健康的下一個前沿，甚至是我們身體內的“第二大腦”。
Eric Pamer是DFI的現任所長，然而，此前，也就是在 Pamer 擔任斯隆凱特靈癌症中心傳染病主任期間，他並沒有專注於研究微生物組學，而是對癌症患者治療中常見的耐藥性病原體很感興趣。
當時，他和他的合作者開始對腸道中的細菌進行測序，他們發現正常細菌的缺失增加了接受幹細胞移植的患者發生不良反應的風險。於是，他的興趣開始轉移到我們人體內部這一強大的生態系統，並於2019年成為Duchossois 家族研究所的第一任主任。
他說：“我很高興能夠來到芝加哥大學，並在這裡研究微生物組在更廣泛的病人和疾病中的影響。我想與臨床研究團隊合作，研究微生物組在各種疾病中的作用，從血管疾病到阿爾茨海默症，再到炎症性腸病。”
圖. Eric Pamer博士
瞭解代謝物
DFI 提供了一系列的設施與服務。DFI 宏基因組學中心會提取芝加哥大學醫學院病人的臨床糞便樣本的 DNA並進行預處理，然後利用測序儀對這些 DNA 進行測序，以便告訴研究人員每個樣本中存在哪些細菌。
但是可能更有趣的資料來自於該機構的代謝組學中心。腸道中的細菌會消耗我們攝入的食物，然後產生代謝物，即以化合物、激素以及維生素形式存在的小分子，再被我們的機體吸收。
Pamer 說：“在過去十年中，我們已經瞭解到代謝物會影響身體的許多系統，包括免疫發展、精神狀態和肝臟對酒精的反應。例如，丁酸鹽可以調節的免疫系統功能。”
但要了解哪些代謝物與哪些細菌相關，以及這些細菌如何與臨床事件相關，還有很多工作要做。代謝組學中心使用質譜法測定每個樣本中的 200 種不同的代謝物，這個數字將隨著更多的代謝物被識別而增加。
該中心部門像研究所內的一個小型企業一樣運作，與教授和臨床醫生合作，迅速提供代謝物資料，同時提供資料所代表含義的額外背景知識。
在過去的一年裡，該中心的目標是繼續擴大其對代謝物的瞭解，以及擴大代謝組學可以告訴我們有關我們健康的哪些方面的知識。
圖. DFI的研究平臺
創造一種重建細菌的膠囊
Pamer 與移植手術及重症監護醫療團隊一起開展臨床試驗，對病人的代謝物進行分析，並將這些代謝物與患者的臨床結果相關聯。這項研究的最終目標是利用從這些研究中收集到的資訊，以在抗生素治療後，指導採用某些特殊的細菌來重建病人的微生物組。為此，該研究所還建立了一個細菌菌種庫，他們從健康志願者的糞便中培養了近 2000 個菌株。
Pamer 說：“在未來幾年，我們期望能夠透過快檢的方式來確定病人缺失了哪些細菌或代謝物，然後給他們服用含有正確細菌的膠囊來重新建立正常的菌群結構。”
這種膠囊的批次生產將在專業的細菌製造廠進行，這個工廠所需要的設施正在規劃中，Pamer 希望能在兩年之內開展這項菌群重建工作。
作為微生物組的生態系統
想要達成目標，需要更多跨學科的研究。與 Pamer 一起工作的研究員們，他們各自從獨特的角度來理解微生物組。
Sam Light 博士，正將微生物組作為一個生態系統進行研究。就像一些動物和有機體在潮溼的雨林中茁壯成長，而另一些則在乾旱的沙漠中茁壯成長一樣，腸道中的一些細菌在胃中茁壯成長，而另一些則在腸道深處茁壯成長。不僅如此，這個細菌生態系統還有自己的食物鏈：一些細菌吃我們所攝入的食物，而另一些細菌則吃細菌的代謝物。
微生物學系助理教授 Light 說：“我們的遠大目標是去真正瞭解每種微生物在該生態系統中所處的位置。”
Light 之前發現，居住在腸道中的某些微生物透過向其周圍環境轉移電子進行呼吸，而科學家們已經知道這種情況在自然界中會發生，但不知道在我們的機體內部中也會發生。這使他對了解這個腸道生態系統產生了濃厚興趣。
現在，在 DFI 的幫助下，他的團隊正在使用糞便樣本來觀察哪些微生物在哪些條件下佔優勢。他們也在做更有針對性的研究。例如，他們知道某些微生物可以利用膽固醇進行呼吸作用。現在他們正試圖弄清楚哪些微生物會這樣做，它們是如何做的，以及它們為什麼這樣做。
他說：“開發這一研究框架將有助於我們更清楚地瞭解微生物組內發生的事情，以確定處於患病狀態的微生物組與處於健康狀態的微生物組之間的區別。這也將有助於深入瞭解如何透過補充某些微生物，使疾病狀態恢復到健康狀態。”
圖.Sam Light博士
利用大資料
考慮到微生物組包含大量的微生物，開發這樣一個研究框架似乎是不可能的。但對於 Raman 來說：“你不能假定這項工作是不可能的。如果你這麼想，那你就退出吧。”
Raman 也對推導這個生態系統的研究指導手冊感興趣，這關乎一個系統內的一切如何協同工作的接線圖。正如他對待孟加拉國兒童所做的那樣，他正在透過找到正確的槓桿來推動和拉動這個問題。
為了做到這一點，他和他的團隊正在利用我們這個時代發展出的工具：大資料。他們從研究透徹的大腸桿菌開始，著手尋找他們是否能夠建立其“線路圖”。他們下載了 7000 個公開的細菌基因組，並建立了一個新的數學框架來分析它們。這產出了一種能夠顯示所有蛋白質是如何共同創造細菌表型的統計方法。
他說：“如果兩種蛋白質同時發生變化，這意味著它們可能相互作用。就這麼簡單，但我們需要分析資料來說明這是如何工作的。後基因組時代對我們這樣的研究者來說是一個福音。它提供了以非常簡單的方式來解構複雜系統的能力。”
透過整合在微生物學、化學、病理學和大資料方面的專業知識，DFI 的希望構建一個比它本身更大的整體。
Raman 說：“我們並非孤軍奮戰，我們註定要集體合作。相互協作才可以從 Eric Pamer 嘗試建立的系統中產生一些臨床上可操作的東西。”
將創新轉化臨床
為了支援科學研究和臨床研究，DFI 已經為有興趣從事研究工作的臨床研究員提供了獎學金資助。該研究所也已開始提供多學科資助，以支援研究科學家和臨床調查人員之間的合作，並與該大學的 Polsky 創業和創新中心合作，以確保任何突破都能夠進入市場。
Pamer 說：“我們希望能幫助研究人員建立這些橋樑，以邁出將實驗室發現轉移到臨床的第一步。”
DFI 成立的初衷不僅是為了支援微生物組的研究，還包括遺傳學和免疫學的研究。Pamer 說：“這些是一個連續的過程：這三個領域相互影響。我們還有很多工作要做，這個領域已經爆炸了，給我們留下了這麼多做研究的機會。”
原文連結：
https://www.uchicagomedicine.org/forefront/microbiome-articles/maximizing-health-and-wellness-through-microbiome-research
作者｜Emily Ayshford
編譯｜Johnson
審校｜617
編輯｜三木
