一个新的肠道细菌相互作用的数学模型可以帮助设计新的益生菌和特别定制的饮食来预防疾病。这项来自瑞典查尔默斯理工大学的研究最近发表在《pNAS》杂志上。“肠道细菌在健康和疾病发展中发挥着重要作用，我们的新数学模型在这些领域可能非常有用，”Jens Nielsen说，领导这项研究的查尔默斯大学系统生物学教授。

这篇新论文描述了在对两项早期临床研究（一项涉及瑞典婴儿，另一项涉及芬兰肥胖成年人）进行预测时，数学模型的表现。

这项研究涉及定期测量健康指标，这两项研究研究人员将他们的数学模型的预测结果进行了比较——事实证明，该模型在预测多个变量时非常准确，包括瑞典婴儿从液体食物到固体食物的转变如何影响他们的肠道细菌组成。

他们还测量了肥胖成年人在转向更严格的饮食后肠道细菌的变化。同样，模型的预测被证明是可靠准确的。

“这些是非常令人鼓舞的结果，可以使基于计算机的设计成为一个非常复杂的系统。因此，我们的模型可用于创建个性化的健康饮食，并有可能预测添加特定细菌作为新型益生菌如何影响患者的健康，”Jens Nielsen说。

许多因素在起作用

有许多不同的因素会影响不同细菌在体内的生长和功能肠道系统。例如，其他哪些细菌已经存在，它们如何相互作用，以及它们如何与宿主相互作用——也就是说，我们。细菌还进一步受到环境因素的影响，例如我们所吃的食物。

所有这些变量都可以预测添加细菌或改变饮食的效果。人们必须首先了解这些细菌进入肠道时可能的行为，或者饮食的改变将如何影响肠道成分。它们能不能在那里生长？它们将如何与肠道中已经存在的细菌相互作用并可能影响这些细菌？不同的饮食对肠道菌群有何影响？

“我们开发的模型是独一无二的，因为它考虑了所有这些变量。它结合了单个细菌以及它们如何相互作用的数据。它还包括食物如何通过胃肠道并在计算过程中影响细菌的数据。后者可以通过检查血液样本和观察代谢物来测量，代谢物是细菌分解不同类型食物时形成的最终产物，”Jens Nielsen说。

建立模型的数据是从多年的已有临床研究中收集的。随着未来获得更多数据，该模型可以更新为新的特征，例如对饮食摄入的激素反应的描述。

这是未来医疗保健的潜在巨大资产

关于饮食和人体微生物组群或肠道细菌组成的研究，是一个引起研究人员和公众极大兴趣的研究领域。Jens Nielsen解释了原因：

“细菌成分的变化可能与许多疾病有关，或意味着许多疾病，如肥胖症、糖尿病或心血管疾病。它也会影响身体对某些癌症治疗或特别开发的饮食的反应。”

因此，处理细菌成分有可能影响疾病进程和整体健康。这可以通过益生菌治疗来实现，益生菌是经过精心挑选的细菌，被认为有助于改善健康。

在未来的工作中，Jens Nielsen和他的研究小组将直接在临床研究中使用这种模式。他们已经与瑞典萨尔格伦斯卡大学医院共同参与了一项研究，在那里，老年妇女正在用乳酸杆菌治疗骨质疏松症。人们已经看到，一些患者对治疗的反应比其他患者更好，新模型可以作为分析的一部分来理解为什么会这样。

用抗体治疗癌症是模型可以用来分析微生物组的另一个领域，有助于理解它在为什么有些患者对免疫治疗反应良好，而有些患者对免疫治疗反应不太好中的作用。

“如果我们的模型能够开始识别能够改善癌症患者治疗的细菌，这将是一笔难以置信的财富。我们相信，这真的可以带来很大的变化。”

Journal Reference:

Jun Geng, Boyang Ji, Gang Li, Felipe López-Isunza, Jens Nielsen. CODY enables quantitatively spatiotemporal predictions on in vivo gut microbial variability induced by diet intervention. proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; 118 (13): e2019336118 DOI: 10.1073/pnas.2019336118