對(duì)于那些伴隨我們進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年，并且在我們的一生中仍然是我們生理學(xué)的一部分的東西，我們的腸道微生物群仍然是一個(gè)奇怪的謎。這個(gè)由我們胃腸道中的細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物和真菌組成的群落，由至少一千種不同種類的萬(wàn)億級(jí)微生物組成，這是每個(gè)人都獨(dú)有的，并且發(fā)現(xiàn)它們與我們健身的每一個(gè)基本方面都息息相關(guān)，對(duì)我們的新陳代謝和心理健康都有免疫力。
對(duì)于加州大學(xué)圣巴巴拉分校的研究人員埃里克瓊斯、王自鵬和約書亞穆勒來(lái)說(shuō)，腸道微生物群是一臺(tái)非凡的機(jī)器，充滿了直接影響我們健康的互動(dòng)和競(jìng)爭(zhēng)。他們說(shuō)把機(jī)器調(diào)整到有利的方向可以提高我們的抗病能力。
瓊斯說(shuō)：“醫(yī)學(xué)療法能通過(guò)改變微生物群的組成來(lái)改善宿主的健康嗎？我們還不知道，所以這是一個(gè)巨大的研究領(lǐng)域?！薄斑@個(gè)問(wèn)題是一個(gè)偉大的動(dòng)機(jī)?！?
在日常生活中，我們很多人都希望通過(guò)服用益生菌和食用發(fā)酵食品來(lái)改善腸道菌群。在臨床實(shí)踐中，糞便移植已被證明能成功治療腸道細(xì)菌艱難梭菌的反復(fù)感染，而艱難梭菌通常在“有益的”腸道細(xì)菌被用于治療感染的抗生素消除后復(fù)發(fā)。
然而，除了采取廣泛而英勇的措施在胃腸道中添加大量有益菌外，沒(méi)有人知道如何巧妙地將系統(tǒng)指向健康的方向。
瓊斯說(shuō)：“這不僅僅是把正確的微生物放入體內(nèi)?！薄澳阈枰私馕⑸锷畹沫h(huán)境，也需要了解促進(jìn)腸道菌群穩(wěn)定組成的因素?！?
為了解決這個(gè)問(wèn)題，在加州大學(xué)圣巴巴拉分校物理學(xué)教授Jean Carlson的指導(dǎo)下，研究人員提出了一種技術(shù)，通過(guò)操縱模型的一些參數(shù)，將數(shù)學(xué)腸道菌群模型推向目標(biāo)菌群組成。這種方法被稱為SPARC(SSR引導(dǎo)的參數(shù)改變)，它在不犧牲系統(tǒng)的情況下降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，根據(jù)《物理評(píng)論E》發(fā)表的一項(xiàng)研究，它“還提供了如何操縱環(huán)境因素和物種間相互作用以控制生態(tài)結(jié)果的系統(tǒng)理解”。
舊方程式，新用途
第一作者王自鵬說(shuō)，“因此，基本上，目標(biāo)是找到與微生物群的環(huán)境變化相對(duì)應(yīng)的參數(shù)變化?！彼兄诎涯c道微生物群想象成一個(gè)球，停在山頂上，準(zhǔn)備向一個(gè)方向或另一個(gè)方向滾動(dòng)。在這種理想化中，腸道環(huán)境決定了山丘的形狀。健康的微生物群位于山的一邊，另一邊是疾病相關(guān)的成分。研究人員表示，盡管糞便移植將球直接推到了山丘健康的一側(cè)，但SPARC可以控制山丘的形狀，并有效地將球從一側(cè)或另一側(cè)滾下來(lái)。
為了描述這種腸道生態(tài)系統(tǒng)(數(shù)據(jù)是從紐約紀(jì)念斯隆-凱特琳中心的小鼠模型實(shí)驗(yàn)中收集的)，研究人員使用了廣義Lotka-Volterra(gLV)方程。GLV方程，又稱捕食-被捕食方程，起源于傳統(tǒng)生態(tài)學(xué)中描述地球上物種間相互作用(如競(jìng)爭(zhēng)和捕食)以及間接相互作用影響的百年方法。
王說(shuō)：“但是，其中一個(gè)難點(diǎn)是腸道菌群有所有這些不同的細(xì)菌種類，所以Lotka-Volterra方程變得非常高維，這意味著有許多參數(shù)，許多細(xì)菌以不同的方式相互作用。我們很難找到合適的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的微生物組成?！?
為了避免重復(fù)操作大量不同參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)選擇檢查降維技術(shù)生成的生態(tài)模型的壓縮但可靠的2D表示(稱為“穩(wěn)態(tài)降維”(SSR))。據(jù)研究人員稱，這使他們能夠縮小范圍，并確定控制山丘形狀的關(guān)鍵參數(shù)。
瓊斯解釋說(shuō)：“我們希望我們的模型能夠?yàn)槲覀兲峁┮粋€(gè)系統(tǒng)的策略，來(lái)識(shí)別那些真正敏感和最重要的低維特征?！薄白屛曳浅ｓ@訝和高興的是，例如，我們可以找到一個(gè)參數(shù)，并將其值更改為其值的10%，這將改變山丘的形狀?！?
那個(gè)參數(shù)是什么？嗯，考慮到腸道菌群的多樣性、飲食、共存條件和環(huán)境影響，不一定有一個(gè)通用的參數(shù)變化(如酸度或纖維含量)可以適應(yīng)所有情況。研究人員表示，SPARC方法引導(dǎo)人們思考如何根據(jù)數(shù)據(jù)識(shí)別重要參數(shù)。
此外，SPARC目前主要是一個(gè)數(shù)學(xué)練習(xí)，盡管研究人員渴望在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中嘗試它。
約書亞穆勒說(shuō)：“有些人正在研究所謂的單芯片腸道系統(tǒng)，就像一個(gè)復(fù)制人類腸道微生物區(qū)系某些條件的微型培養(yǎng)皿?！薄霸谶@些嚴(yán)格控制的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中驗(yàn)證SPARC確實(shí)令人興奮?！?
瓊斯說(shuō)，在更遠(yuǎn)的未來(lái)，這種方法還可以為個(gè)性化的微生物群管理鋪平道路，其中實(shí)時(shí)讀取微生物群狀態(tài)信息(例如，從智能馬桶讀取)可以告訴我們，改變飲食習(xí)慣可以避免疾病，改善我們的整體健康。
他說(shuō)：“為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們需要一個(gè)微生物組的機(jī)械模型?！薄拔覀冃枰廊绾慰刂扑?。我們需要知道環(huán)境反饋如何影響微生物動(dòng)態(tài)?！?
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