一种合成微生物组疗法在小鼠实验中被证明可以保护机体免受一种难以治疗且可能危及生命的微生物群落感染。根据宾夕法尼亚州立大学的研究团队，这种治疗方法针对的是艰难梭菌（Clostridioides difficile，或C. difficile），这是一种可以引起严重腹泻、腹痛和结肠炎症的细菌。当微生物群落微生物组（保持身体健康的数万亿个生物体）的平衡被破坏时，C. difficile可能会过度生长。研究团队表示，他们的发现可能导致开发新的益生菌策略来治疗C. difficile感染，作为抗生素和常规粪便微生物群移植的替代方案。
虽然这项研究借鉴了人类粪便移植的概念——即从健康捐赠者的粪便中提取细菌并转移到患者的胃微生物群落以恢复微生物组平衡，但这种新的方法不需要任何粪便物质。相反，这种微生物组疗法使用较少但更精确的细菌菌株，这些菌株已被证明可以抑制C. difficile。在小鼠中，这种疗法对C. difficile感染的疗效与人类粪便移植相当，且安全性更高。
研究结果于今天（3月3日）发表在《细胞宿主与微生物》杂志上。研究人员还提交了一份临时专利申请，描述了论文中的技术。
“我们需要在微生物组干预方面更加有针对性，”高级作者、生物化学和分子生物学助理教授、Dorothy Foehr Huck和J. Lloyd Huck早期职业主席Jordan Bisanz说。
他强调，改善人们生活的应用通常始于基础发现科学。
“这个项目是试图理解复杂的微生物群落如何影响宿主功能的第一步，然后反过来学习如何开发针对微生物组的治疗方法，”Bisanz说。
通常情况下，微生物组中的生物体会相互制约。虽然许多人携带C. difficile，但它通常不会引起问题。然而，抗生素可能会打破这种平衡，通过消灭有益细菌和有害细菌为C. difficile的繁殖创造条件。C. difficile导致15%到25%的抗生素相关性腹泻。感染通常在医院或其他医疗机构就诊后发生。
治疗这些感染具有挑战性。抗生素对C. difficile无效，因为这些细菌具有耐药性。抗生素还会进一步破坏微生物群落微生物组，形成一个正反馈循环，导致反复感染。根据疾病控制与预防中心的数据，C. difficile每年在美国造成50万例感染，相关的医疗保健费用高达15亿美元。
Bisanz说，一种有效的治疗方法是粪便微生物群移植，旨在恢复微生物群落中健康的细菌平衡。然而，它并非没有风险。
“某种程度上，粪便移植就像去药房，他们把货架上的东西都拿一点放在一起，假设其中某些东西会有所帮助。但我们并不完全知道里面有什么。”
Jordan Bisanz, 高级作者
有时，粪便移植可能无意中包含致病细菌。
研究人员想知道，与其使用随机混合的细菌，能否识别出最能抑制C. difficile在微生物群落中定植和引起感染的微生物？然后能否在实验室中重建这种混合物，并设计出一种选择性细菌社区的靶向粪便移植？
“我们的想法是利用我们对基本微生物组科学的理解，将其转化为类似精准治疗的方法，借鉴粪便移植的经验，但不需要实际进行粪便移植，”Bisanz说。
研究团队着手识别C. difficile的“朋友”和“敌人”；换句话说，那些倾向于与C. difficile共存或可能减少其生长的微生物。他们收集了来自12项先前发表的研究中关于人类微生物组的信息，包括微生物组测序数据和C. difficile定植的临床诊断。然后，他们使用机器学习来确定与C. difficile正负相关的微生物的关键特征。
发现37种细菌菌株与C. difficile呈负相关。也就是说，当这些微生物存在时，没有C. difficile感染。另外25种细菌与C. difficile呈正相关，意味着它们与C. difficile感染同时存在。在实验室中，研究人员将这些似乎能抑制C. difficile的细菌组合起来，开发了一种合成的粪便移植版本。
当在体外测试并在小鼠口服给药时，这种合成微生物组疗法显著减少了C. difficile的生长，抵抗了感染，并且与传统的人类粪便移植一样有效。在小鼠中，它还显示出保护免受严重疾病、延迟复发和减少由抗生素使用引起的复发感染的严重程度。
通过实验，研究人员确定只有一种细菌菌株对于抑制C. difficile至关重要。单独使用时，这种菌株与人类粪便移植一样有效，可以防止小鼠模型中的感染。
“如果你有这种Peptostreptococcus菌株，就不会有C. difficile。它是一种非常强大的抑制剂，实际上比所有37种菌株加起来还要好，”Bisanz解释说，这种细菌特别擅长摄取C. difficile生长所需的氨基酸脯氨酸。以前的研究认为次级胆汁酸代谢是抵抗C. difficile的关键机制。Bisanz解释说，这些新发现突出了脯氨酸竞争可能发挥更大的作用，这为治疗提供了新的潜在途径。
Bisanz说，研究团队的微生物组科学研究方法可以用于理解其他疾病（如炎症性肠病）中的复杂宿主-微生物相互作用，并有可能开发出新的治疗方法。
“目标是将这些微生物开发成靶向药物和疗法，”他说。
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