本期介紹江南大學(xué)陸文偉研究員團(tuán)隊(duì)（第一作者：王鴻超）發(fā)表在《中國(guó)食品學(xué)報(bào)》第23卷第8期青年論壇欄目上的文章《靶向腸道菌群的精準(zhǔn)膳食干預(yù)》。

腸道菌群被認(rèn)為是人體的“微生物器官”，其結(jié)構(gòu)與功能與宿主代謝、免疫等方面的生理和病理狀態(tài)有關(guān)，而膳食被認(rèn)為是決定腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因素。通過(guò)膳食調(diào)節(jié)腸道菌群，從而調(diào)節(jié)宿主的生理機(jī)能，是一種公認(rèn)的營(yíng)養(yǎng)干預(yù)策略。近年來(lái)，隨著人工智能及多組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)發(fā)掘腸道菌群的潛在干預(yù)靶點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)腸道菌群靶向性食品（MDF）定向調(diào)控腸道菌群組成，從而改善人體的健康狀態(tài)的技術(shù)逐漸成熟。本文介紹人工智能在腸道菌群干預(yù)靶點(diǎn)發(fā)掘中的應(yīng)用，并總結(jié)腸道菌群靶向性食品的開(kāi)發(fā)流程及其在營(yíng)養(yǎng)不良、血糖管理等多方面的應(yīng)用，以期為后續(xù)腸道菌群的潛在干預(yù)靶點(diǎn)發(fā)掘以及腸道菌群靶向性食品的開(kāi)發(fā)提供新的視角。

1、腸道菌群靶向性食品的定義及開(kāi)發(fā)流程

腸道菌群靶向性食品是指為改變消費(fèi)者腸道菌群特性而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。MDF的開(kāi)發(fā)需微生物學(xué)、食品科學(xué)和營(yíng)養(yǎng)學(xué)等多學(xué)科交叉應(yīng)用（圖1）。首先，通過(guò)移植特定疾病人群腸道菌群的悉生動(dòng)物模型來(lái)識(shí)別影響其腸道菌群的食品成分，使開(kāi)發(fā)者了解在特定的飲食和腸道菌群環(huán)境中，哪些食品成分對(duì)宿主有益。其次，食品科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用可以對(duì)這些食品成分的來(lái)源、成本和加工方式等進(jìn)行精細(xì)的分析，保證加工過(guò)程不會(huì)損失這些食品成分的生物活性和完整性以及所生產(chǎn)的食品具有可接受的感官特性。最后，在獲得成熟的MDF配方后，通過(guò)人群試驗(yàn)評(píng)估動(dòng)物模型中的微生物群研究結(jié)果在人群中的可復(fù)制性，并挖掘其內(nèi)在機(jī)制，形成完整的臨床干預(yù)流程。

（圖1 腸道菌群靶向性食品的開(kāi)發(fā)流程[5]）

2、基于人工智能的腸道菌群干預(yù)靶點(diǎn)發(fā)掘

2.1 腸道微生物組的數(shù)據(jù)特征及處理方法

目前分析腸道微生物組最常用的測(cè)序方法是擴(kuò)增子測(cè)序和宏基因組測(cè)序。在下游分析中，微生物組數(shù)據(jù)類型的多元性和高維稀疏性，使得其在分類學(xué)解析和數(shù)據(jù)分析方面都存在著許多爭(zhēng)議和挑戰(zhàn)，可通過(guò)對(duì)腸道菌群進(jìn)行絕對(duì)定量協(xié)同相對(duì)定量來(lái)解決微生物組數(shù)據(jù)類型多元性的問(wèn)題，通過(guò)使用偽計(jì)數(shù)的方法代替數(shù)據(jù)中的零進(jìn)行計(jì)算和分析來(lái)處理微生物組數(shù)據(jù)的稀疏性問(wèn)題。在克服維度災(zāi)難方面，特征選擇和特征提取是目前主要采用的方法。

2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)在腸道菌群干預(yù)靶點(diǎn)發(fā)掘中的應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）是人工智能方法的一個(gè)子集，它能利用大型數(shù)據(jù)集來(lái)完成識(shí)別、分類和預(yù)測(cè)任務(wù)。在微生物組研究中，ML已被應(yīng)用于處理表型分析（即預(yù)測(cè)宿主健康表型）、微生物特征分布（即確定微生物群的豐度或多樣性）、研究微生物組特征之間復(fù)雜的物理和化學(xué)相互作用以及監(jiān)測(cè)微生物組組成結(jié)構(gòu)變化等。

2.2.1 機(jī)器學(xué)習(xí)經(jīng)典方法

線性回歸、隨機(jī)森林（RF）和支持向量機(jī)（SVM）等經(jīng)典的ML方法在微生物組數(shù)據(jù)處理上應(yīng)用廣泛且表現(xiàn)良好。

2.2.2 機(jī)器學(xué)習(xí)降維技術(shù)

無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以降低維度、簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)可視化，從而協(xié)助腸道菌群健康干預(yù)靶點(diǎn)被更好地挖掘。

2.3 深度學(xué)習(xí)在腸道菌群干預(yù)靶點(diǎn)發(fā)掘中的應(yīng)用

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的子學(xué)科，它是一種通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行表征學(xué)習(xí)的方法。由于能夠考慮數(shù)據(jù)的內(nèi)在因素、微生物-宿主和微生物-微生物相互作用以及挖掘腸道關(guān)鍵菌群微生物和外部因素的潛在聯(lián)系，深度學(xué)習(xí)能夠輔助研究人員更加有效地發(fā)掘出與人體健康和疾病相關(guān)的腸道菌群的干預(yù)靶點(diǎn)。

2.3.1 宏基因組原始數(shù)據(jù)處理

宏基因組數(shù)據(jù)中高維度和稀疏性的表格是一維向量，不是深度學(xué)習(xí)方法最合適的數(shù)據(jù)形式，對(duì)宏基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換是將深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用于腸道微生物等生物標(biāo)志物與疾病關(guān)系研究的基礎(chǔ)。基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法被證明有助于增強(qiáng)對(duì)宏基因組數(shù)據(jù)的表示學(xué)習(xí)和跨隊(duì)列生物標(biāo)志物的預(yù)測(cè)，并表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法和全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的良好性能。

2.3.2 微生物組數(shù)據(jù)壓縮

微生物組數(shù)據(jù)的高維性通常在數(shù)十萬(wàn)的數(shù)量級(jí)，而樣本量很低，這種不平衡導(dǎo)致數(shù)據(jù)高度稀疏，給數(shù)據(jù)的建模分析帶來(lái)了維數(shù)詛咒的問(wèn)題。在深度學(xué)習(xí)算法中，自動(dòng)編碼器能夠通過(guò)編碼-解碼架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮降維并學(xué)習(xí)輸入數(shù)據(jù)的潛在表示，已被用于微生物組關(guān)聯(lián)研究中來(lái)預(yù)測(cè)微生物組與疾病狀態(tài)之間的關(guān)系，并進(jìn)一步挖掘與癌癥等疾病相關(guān)的微生物靶點(diǎn)。

2.3.3 微生物組的時(shí)間序列分析

能夠?qū)?shù)據(jù)信息流以一種循環(huán)的方式進(jìn)行組織傳遞的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)、短期記憶網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)模型常被用于有效預(yù)測(cè)微生物組數(shù)據(jù)的時(shí)間依賴性和動(dòng)態(tài)模式，在基于人類腸道微生物組數(shù)據(jù)進(jìn)行候選抗菌肽預(yù)測(cè)的研究中展現(xiàn)出突出潛力。

3. 腸道菌群靶向食品的應(yīng)用

3.1 營(yíng)養(yǎng)不良

近年來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)腸道微生物群也可能是引發(fā)營(yíng)養(yǎng)不良的重要原因。美國(guó)華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院教授Jeffrey Gordon及其團(tuán)隊(duì)在證實(shí)了腸道菌群作為可能誘導(dǎo)營(yíng)養(yǎng)不良的因素后，發(fā)現(xiàn)差異OTU與營(yíng)養(yǎng)不良密切相關(guān)，并初步鎖定了可對(duì)抗?fàn)I養(yǎng)不良的關(guān)鍵菌群（含共生梭菌、活潑瘤胃球菌等）。

基于上述發(fā)現(xiàn)，Gordon團(tuán)隊(duì)用不同比例的香蕉、花生、鷹嘴豆和其它普通食物設(shè)計(jì)飲食開(kāi)發(fā)MDF，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和臨床試驗(yàn)結(jié)果表明，這些飲食似乎可支持“健康”的菌群，能夠有效緩解兒童中度營(yíng)養(yǎng)不良。

3.2 血糖管理

為驗(yàn)證個(gè)性化餐后飲食能否作為一種有效的預(yù)防糖尿病前期的干預(yù)方法，Segal團(tuán)隊(duì)利用“機(jī)器學(xué)習(xí)”算法實(shí)現(xiàn)個(gè)性化餐后靶向飲食（PPT），并將PPT飲食與現(xiàn)行預(yù)防糖尿病前期有效的地中海（MED）飲食進(jìn)行比較，證明了餐后葡萄糖反應(yīng)（PPGRs）的個(gè)性化飲食可能在改善血糖水平方面具有長(zhǎng)期療效。

3.3 其它

越來(lái)越多的研究證實(shí)宿主健康與腸道菌群密切相關(guān)，許多因素影響著腸道菌群的平衡，其中食物是最重要、最直接的因素。MDF通過(guò)重塑腸道菌群組成，在結(jié)腸炎、克羅恩病、動(dòng)脈粥樣硬化、腸易激綜合征等的研究和疾病改善中得到廣泛的應(yīng)用。腸道菌群靶向性食品不僅有利于調(diào)節(jié)各種疾病狀態(tài)下的腸道菌群，使機(jī)體轉(zhuǎn)向健康狀態(tài)，而且在健康機(jī)體狀態(tài)下同樣也可以促進(jìn)腸道穩(wěn)態(tài)。

4. 腸道菌群靶向性食品的展望

目前有大量研究證明特定膳食因子可以顯著影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能，MDF相關(guān)產(chǎn)品更是體現(xiàn)出巨大的臨床應(yīng)用潛力。市面上的大多數(shù)膳食配方僅考慮了宿主對(duì)于各類營(yíng)養(yǎng)素和膳食因子的需求，而未考慮這些營(yíng)養(yǎng)素和膳食因子對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)與功能的影響，缺乏對(duì)腸道菌群干預(yù)的靶向設(shè)計(jì)。隨著人工智能及多組學(xué)技術(shù)在腸道菌群相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用，以及食品科學(xué)、微生物學(xué)、營(yíng)養(yǎng)學(xué)及臨床醫(yī)學(xué)等多學(xué)科的交叉合作，通過(guò)膳食調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)腸道菌群的靶向調(diào)控，從而調(diào)節(jié)宿主生理狀態(tài)，將成為個(gè)性化、精準(zhǔn)化營(yíng)養(yǎng)調(diào)控的重要趨勢(shì)。未來(lái)，除了思考自己想“吃什么”，更重要的是思考腸道菌群想“吃什么”，通過(guò)膳食調(diào)節(jié)，恢復(fù)腸道菌群的多樣性，增加有益菌的相對(duì)豐度，減少腸道菌群的有害代謝產(chǎn)物，從而改變宿主的生理和病理狀態(tài)，將成為健康食品產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和熱點(diǎn)。

原文鏈接：https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=DwbYnX8C4XOjWSC8Q1VlpmeudZTGqxTAJMdFsRFuVTfXKDoYiRDA2ITxsKiPLlvDVprlqtjhMfPupHJYTh5-mjh-w_ZIYH4RJj5HV_V8CPFdFMx0iAApoQ==&uniplatform=NZKPT

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