上海交大研究團隊合作破解腸道菌群結構密碼，人體菌群“蹺蹺板”模型有望成為健康評估新標準

近日，上海交通大學生命科學技術學院教授趙立平研究團隊聯(lián)合國外合作者在國際頂尖期刊《Cell》上發(fā)表突破性研究成果，首次鑒定出對維持人體健康具有關鍵作用的兩組核心菌群成員“基石功能群”與“病生功能群”。這兩組核心菌群構成一個類似“蹺蹺板”的模式，通過彼此的升降波動影響人體健康。當基石功能群占據(jù)優(yōu)勢時，人體腸道菌群處在健康狀態(tài)。當病生功能群占據(jù)優(yōu)勢且優(yōu)勢越來越大時，則預示人體健康出現(xiàn)問題。這個“蹺蹺板”模型存在于所有人群的腸道中，是維護人體健康必不可少的核心菌群。這一重大發(fā)現(xiàn)有望成為評估人體腸道健康的新標準，并推動個性化菌群檢測技術的發(fā)展，為臨床疾病防治和大眾健康管理提供強有力的工具。

健康還是生病？神奇核心菌群“蹺蹺板”說了算

圖1.左為103個基石功能群基因組，右為181個病生功能群基因組

近年來，大量研究表明，腸道菌群不僅參與消化系統(tǒng)的正常功能，還在維持整體健康中起著關鍵作用，不亞于人體的一個重要器官。然而，科學界對維持人體健康必不可少的“核心菌群”具體成員尚未達成共識。

趙立平研究團隊對110名2型糖尿病患者進行對照試驗，通過創(chuàng)新開發(fā)高分辨率的菌群測序大數(shù)據(jù)分析技術，將腸道細菌按照協(xié)作或競爭行為劃分成不同的“功能群”，篩選出在不同時間點都能穩(wěn)定地保持協(xié)作或競爭關系的141株細菌，最終在其中鎖定了一組相互競爭的類“蹺蹺板”樣式的網(wǎng)絡結構模型，通過“你升我降”影響人體健康。

為了確認“蹺蹺板”模型中的細菌是否存在于更多疾病類型的患者及其對照中，研究團隊分析了來自5個國家、涵蓋7種疾病的11項病例-對照數(shù)據(jù)，這些疾病包括糖尿病、心血管疾病、強直性脊柱炎、結直腸癌、炎癥性腸病、肝硬化和精神分裂癥。分析結果表明，“蹺蹺板”模型廣泛存在于幾乎所有患者和健康人群的腸道樣本中，符合“核心菌群”特征。

研究顯示，核心菌群“蹺蹺板”模型由與疾病緩解相關的有益功能群（命名為“基石功能群”）和與疾病惡化相關的功能群（命名為“病生功能群”）組成。為了更直觀地說明“基石功能群”的重要性，趙立平形象地將它們比喻為“大樹菌”。他指出，只有“大樹菌”占據(jù)主導地位時，腸道的微生態(tài)系統(tǒng)才能像茂密的森林一樣保持穩(wěn)定，抑制病生功能群細菌和其他病菌的過度生長，進而維持整體健康。

或成為跨地域、種族與疾病的健康評估新標準

如果不同地域、種族和疾病種類的人群中都有各自的“蹺蹺板”核心菌群，那么能否構建一個全人類共有的通用“蹺蹺板”模型，作為人類的核心菌群呢？

為驗證這一假設，團隊綜合前期實驗數(shù)據(jù)對“蹺蹺板”模型進行不斷優(yōu)化升級，用以分析了涵蓋三大洲、涉及15種疾病的26項病例-對照研究的“超級數(shù)據(jù)集”，共包含1780名病人和1604名對照人群。該模型能夠準確判斷超級數(shù)據(jù)集里的不同疾病的患者與對照的樣本，不受地域、人種和疾病類型等因素的影響。此外，團隊還利用該模型搭建了一套概率打分系統(tǒng)，用來評估菌群失調(diào)的程度，為定量監(jiān)測腸道健康狀況提供了新方法。

對此，趙立平指出，核心菌群“蹺蹺板”模型為不同實驗室的臨床試驗數(shù)據(jù)的整合提供了理論框架和技術平臺,這無異于菌群研究領域的“車同軌，書同文”。該成果由上海交通大學與美國羅格斯大學“微生物組與人體健康聯(lián)合實驗室”牽頭完成，實驗室負責人、上海交通大學生命科學技術學院教授趙立平、上海交通大學醫(yī)學院附屬第一人民醫(yī)院教授彭永德、上海交通大學生命科學技術學院研究員張晨虹、啟東市人民醫(yī)院主任醫(yī)師施羽擔任共同通訊作者。美國羅格斯大學研究助理教授吳國軍、上海交通大學博士生胥婷、美國塔夫茨大學研究助理教授趙乃思、香港大學助理教授Yan Y. Lam和上海交通大學醫(yī)學院附屬第一人民醫(yī)院主任醫(yī)師丁小穎為共同第一作者。

健康管理更精準，可實現(xiàn)疾病早期干預

研究團隊還發(fā)現(xiàn)，通過精準營養(yǎng)干預，可以改變這兩組功能群在腸道中的比例，使基石功能群即“大樹菌”占據(jù)優(yōu)勢，進而改善患者的健康狀況?！案鼮轶@喜的發(fā)現(xiàn)是，它們的比例失調(diào)比疾病癥狀更早出現(xiàn)，這為疾病的個性化預防、治療與健康管理開辟了新的路徑?！壁w立平表示。

研究團隊將晚期黑色素瘤、B細胞淋巴瘤、炎癥性腸病和類風濕性關節(jié)炎的11項免疫治療臨床試驗的菌群數(shù)據(jù)整合，利用“蹺蹺板”模型可以預測患者對免疫療法的個性化反應，準確率達到臨床應用水平。研究指出，通用模型有望幫助醫(yī)生在治療前預判患者對不同療法的反應，從而優(yōu)化治療方案，提升精準度和療效。

對于該研究成果，中國科學院院士趙國屏評價：“這一研究成功將原本難以量化的微生態(tài)系統(tǒng)轉化為可定量分析的網(wǎng)絡結構，標志著從基于傳統(tǒng)分類學的‘菌株身份’鑒定分析到基于生態(tài)學的‘核心菌群’功能動態(tài)分析，這既是微生態(tài)理論的重大突破，也是微生物組研究方法上的重大創(chuàng)新。”

北京協(xié)和醫(yī)院消化科主任李景南認為，隨著基于核心菌群“蹺蹺板”模型的檢測技術的發(fā)展，未來有望開發(fā)出可精準調(diào)節(jié)腸道菌群的臨床工具，更有效地預防和治療菌群失調(diào)相關疾病，為精準醫(yī)學和健康管理帶來顛覆性變革。

趙立平表示，發(fā)現(xiàn)腸道核心菌群的蹺蹺板特征，尤其是“大樹菌”對健康的重要性，為個性化醫(yī)療和精準營養(yǎng)開辟了新的途徑：“接下來，我們要以大樹菌為靶點，開發(fā)一系列可以在臨床上實際運用的檢測和治療方案，并在不同疾病中證明其效果，真正為患者帶來福音”。

論文鏈接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)01038-9

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