雀巢致力于通过促进健康和福祉的营养产品来提升消费者的生活质量。本着这种理念，公司积极开展人类微生物组（栖息在人体特定部位的微生物集合）的研究，旨在开发提供微生物介导的健康益处的功能性产品（见图 1）。雀巢率先研究有益微生物——即所谓的“益生菌”，亦即“活的微生物，当以足够量施用时，会对宿主产生健康益处”（世界卫生组织专家组，2011 年）——鉴定出主要的乳杆菌属和双歧杆菌属菌株，将其添加到各种食品中，如婴儿配方奶粉。通过开发含有微生物组调节物质（如短链寡糖（即益生元））混合物的营养产品，进一步丰富了这一方法，这些物质旨在通过促进内源性有益细菌来促进健康。
多细胞生物和原核微生物之间的关联并非例外，而是规律。所有生物——从简单的线虫到复杂的人类——都与微生物群共存。这些关联可能是寄生的、共生的或互惠互利的。相互作用的性质可能会随着时间的推移而改变，这取决于宿主或环境因素。宿主-微生物相互作用的动态提出了有趣的问题。这些关联是否赋予了宿主或微生物进化优势？宿主和微生物系统之间现有的相互作用能否以对宿主有益的方式进行调节？影响宿主和微生物组之间平衡的主要因素是什么？在未来几年内，这些问题可能至少部分地无法解答，但根据迄今为止积累的数据，人们普遍接受营养在影响这种动态平衡中起着重要作用。
宿主相关微生物影响的生物活动范围目前是科学界广泛研究的主题。在哺乳动物中，迄今为止积累的数据表明，微生物组影响着广泛的生理过程，包括消化、先天性和适应性免疫反应、胃肠道内分泌系统，甚至中枢神经系统——仅举几例。在人类中，营养在所有这些方面都起着重要作用，近年来，许多研究都 направлены 在这一领域。
关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业： 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
从卡路里到生物活性物质：对营养的期望日益提高
在过去几十年中，公众对营养在维持健康和预防疾病方面重要性的认识显着提高，与此同时，营养科学领域的研究活动也显着扩展。为了响应这些社会发展，有时甚至先于这些发展，食品工业也发生了变化。美味的食物也有益于您的健康这一概念既具有远见卓识又很简单。营养和健康产业不是仅仅用药物治疗疾病，而是提供越来越多的食品类产品，这些产品具有适当的营养成分，有助于降低患病风险或改善疾病康复。随着食品类营养方法的引入，医疗保健部门可以获得更多样化的解决方案，涵盖从预防性到治疗性方法。越来越多的科学共识趋于认为，发达国家当代营养习惯，有时被粗略地定义为“西方饮食”，其特点是过度摄入精制糖、盐和饱和脂肪，以及包括减少体力活动在内的生活方式改变，会导致肥胖症、糖尿病和心血管疾病等主要疾病。公共卫生科学家和健康经济学家也主张将预防作为治疗的补充策略，以降低医疗保健成本。
鉴于人们对微生物组的兴趣不断增加，2014 年 10 月在洛桑举行的第 11 届雀巢国际营养研讨会上，该领域的主要科学家审查并讨论了营养科学和人类肠道微生物组的现状。
有益的肠道微生物
膳食纤维已知对人体健康有益，特别是人类无法消化的植物纤维。科学家们意识到，这种令人费解的观察结果的原因是，我们的一部分食物也是定植在人体肠道中的细菌的食物。生活在我们体内的复杂微生物世界（一些研究人员将 2 公斤的细菌质量称为人体的主要器官）直到最近才得以解释。然而，得益于主要基于核酸序列表征的新分析进展，科学界能够研究肠道微生物的整体，这些生物已成为开发有益膳食干预措施的新目标。
宿主相关微生物在我们健康中起重要作用的最初假设已有 100 多年的历史，可以追溯到 Elie Metchnikoff（1908 年诺贝尔医学奖），他在他的著作《生命的延长：乐观的研究》中描述了这一假设。Metchnikoff 的假设始于他对当时流行病学的观察：保加利亚人比其他欧洲人寿命更长；保加利亚人吃更多的酸奶。因此，人们可能会在酸奶中寻找延长寿命的原则。然而，Metchnikoff 更进一步，提出了一个有远见的 концепция，试图解释营养对健康的影响。他定义了两种主要的肠道细菌，它们以两种根本不同的方式消化结肠中的食物。第一类包括糖酵解细菌，它们可以将植物来源的碳水化合物消化成小的有机酸。其中，乳酸菌在酸奶生产过程中将乳糖发酵成乳酸，对于 Metchnikoff 来说，是造成上述流行病学观察结果的主要细菌。短链脂肪酸，如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐——大多数糖酵解结肠细菌的代谢终产物——是目前许多研究的重点，这些研究将肠道与其他器官联系起来1。在第二类中，他将消化动物蛋白的细菌归类为，这会在他称之为“腐败”的过程中产生有害的代谢废物。在他的假设中，这些产物会加速衰老过程。
2014 年发表在《自然》杂志上的一篇论文分析了人类志愿者粪便中的肠道微生物组，这些志愿者交替喂食富含碳水化合物的植物性饮食或富含蛋白质的动物性饮食，当使用一系列令人印象深刻的现代“组学”分析方法（基于最先进的核酸测序技术2）时，得出了基本相同的结论。
雀巢对益生菌的兴趣
雀巢研究科学家基于 Metchnikoff 的假设有几个原因。雀巢生产大量的乳制品。对于酸奶的生产，我们的科学家和技术人员对乳酸菌的工业牛奶发酵有充分的了解；他们管理着大量的细菌起始菌株库，其中许多菌株与肠道细菌关系密切。雀巢也是婴儿配方奶粉的领先生产商——我们的儿科医生和营养学家努力开发接近人类母乳的配方。五十多年来，人们都知道母乳含有促进双歧杆菌为主的肠道微生物组建立的因子，这通常在母乳喂养的婴儿中观察到。通过关联（“母乳是最好的”），有益的健康影响归因于双歧杆菌。
下一个目标是寻找有希望的益生菌（“促进健康”）细菌的候选者。凭借日本微生物学家 Minoru Shirota 的开创性工作，他认真对待 Metchnikoff 的想法，第一个商业发展发生在 1935 年推向市场的益生菌饮料中，这启动了寻找促进健康细菌的征程。几十年后，雀巢和少数其他对该研究领域感兴趣的公司筛选了细菌菌株，以寻找具有特定特性的候选益生菌菌株，并使用了一系列临床前测试。雀巢科学家首次发表了双歧杆菌属3和第二种乳杆菌属4基因组序列，这使得基于基因组深入了解有益微生物的潜在作用机制成为可能。对同一物种的不同特征的细菌菌株进行基因组比较，在微阵列上进行，使科学家能够做出初步关联，将基因与表型（即细菌特征）联系起来。在与瑞典卡罗林斯卡研究所的合作中，我们将测序的长双歧杆菌菌株 NCC2705 的假定开放阅读框与小鼠模型中对轮状病毒腹泻的保护作用联系起来（未发表的数据）。日本研究人员成功地将同一 NCC2705 菌株的碳水化合物转运蛋白基因与针对产毒素大肠杆菌感染的保护作用联系起来5。对细菌代谢产物的全面分析表明，NCC2705 菌株在肠道中排泄的乙酸抑制了病原性大肠杆菌（志贺毒素）产生的毒素的活性。这验证了 Metchnikoff 提出的概念，即肠道微生物组的代谢终产物可能对哺乳动物宿主有益。
鉴定编码促进健康特性的细菌基因对于更深入地了解益生菌功能背后的机制是必要的。然而，对于食品工业而言，更重要的是探索益生菌可以实现的健康影响范围及其影响的生态系统。
雀巢赞助的 20 年前发表的一项临床试验表明，喂食双歧杆菌和乳酸链球菌的混合物可以保护儿童免受轮状病毒腹泻6。在孟加拉国国际腹泻病研究中心 (ICDDR,B) 进行的一项随机对照试验中，雀巢科学家证明，副干酪乳杆菌菌株 NCC2461（也称为 ST11）对因细菌而非病毒性腹泻住院的儿童具有显着的治疗效果7。值得注意的是，在小型概念验证试验中，同一菌株还减轻了成人过敏性花粉性鼻炎的鼻塞症状。这种效果归因于过敏原特异性抗体8的减少。在不同的临床环境中，乳双歧杆菌 NCC2818（见图 2）也被证明可以减少过敏性鼻炎患者的过敏反应9。此外，副干酪乳杆菌 NCC2461 被证明通过增加皮肤屏障功能来降低皮肤对环境压力的敏感性10。因此，一种益生菌菌株可以对多个器官系统产生影响（在本例中为 NCC2461，对肠道、鼻粘膜和皮肤），而不同的益生菌可以使用不同的效应途径影响同一器官。虽然这些结果进一步证明了所描述的健康益处可能归因于引入给定的益生菌菌株，但关于其作用机制，特别是它们在生物学结果中的直接和/或间接作用，仍有许多问题需要研究。
雀巢了解作用机制的研究：IBS 的案例
由于对肠道相关微生物与我们生理机能之间相互作用机制的理解有限，因此对上述不同影响进行合理化变得复杂。作为填补这一知识空白的努力的一部分，雀巢与加拿大安大略省麦克马斯特大学的科学家合作，表征肠道微生物在肠易激综合征 (IBS) 实验模型中的作用。口服补充益生菌长双歧杆菌菌株 (NCC3001) 可减少焦虑样行为，例如害怕探索环境11。这与参与对环境刺激反应的大脑信号分子的水平正常化有关。这些数据，以及几项独立的报告 IBS 患者的肠道微生物组组成与健康受试者相比发生改变的研究，表明肠道相关微生物在该疾病的病理生理学中发挥作用。
最近获得的结果（未发表）进一步支持了这一假设，该结果表明，用 IBS 患者的粪便微生物组定植后，几种 IBS 相关的肠道和行为特征转移到无菌小鼠身上，而在用健康志愿者的粪便微生物组定植的无菌小鼠中未观察到这种情况。
雀巢关于益生元的研究
作为直接提供有益微生物的益生菌方法的替代方案，可以引入食品化合物，专门支持与肠道健康相关的细菌的生长。这些物质被称为益生元。已经探索了许多植物来源的材料，包括菊粉（存在于许多水果和蔬菜纤维中的果聚糖）、低聚果糖（FOS，来源于菊苣根）和低聚半乳糖（GOS，来源于大豆或从乳糖合成）。雀巢最近对儿童进行的一项临床试验表明，在婴儿配方奶粉中补充 FOS/GOS 益生元会导致粪便双歧杆菌增加，这也与粪便乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐增加以及病原性艰难梭菌12浓度降低有关。
分析糖化学的最新技术发展已经确定了人乳中新的和潜在的生物活性化合物。合成化学的进步使得这些化合物的大规模生产成为可能，为提高婴儿配方奶粉的营养质量开辟了机会。这些创新基于一个非常有趣的 концепция：“母乳中的聚糖密码”。简而言之，这个 концепция 试图解释为什么寡糖——婴儿无法消化——是牛奶中第三大主要成分，结构复杂，并且物种之间存在差异。该假设指出，哺乳期母亲产生母乳糖成分，这有助于新生儿出生后不久在肠道中形成最佳的肠道微生物组。婴儿从母亲和环境中获得肠道微生物，对于婴儿的健康而言，重要的是在早期生活中建立正确的微生物组。雀巢正在进行独特的补充婴儿配方奶粉的受控营养干预试验，以检验该假设。
短链脂肪酸和人类肠道微生物组
人类肠道微生物还能做什么？多项研究表明，可溶性膳食纤维（如低聚果糖 (FOS)）可能对体重和血糖控制产生有益影响。FOS 是一种益生元，肠道酶无法消化，但会被结肠中的细菌代谢，即我们肠道共生菌的食物。这些细菌产生乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐作为代谢终点。丁酸盐滋养结肠并诱导肠道中的葡萄糖合成（肠道糖异生），然后进入循环系统。丙酸盐激活门静脉周围神经上的受体（更准确地说是 FFAR3，游离脂肪酸受体 3），门静脉将肠道吸收的营养物质输送到肝脏13。外周神经与大脑相连，大脑调节肠道中的糖异生，这说明存在一个活跃的双向肠-脑轴，对我们的能量平衡做出积极贡献。值得注意的是，喂食丙酸盐而不是 FOS 会产生类似的效果，这说明了肠道微生物组产生的代谢物的重要性。
然而，我们与肠道细菌的联系比仅仅提供额外的卡路里更为复杂。肠道细菌的代谢物具有其他重要的生理功能，正如洛桑大学、诺华、CHUV、EPFL 和雀巢14之间的一项合作研究揭示的那样。使用过敏性气道炎症的小鼠模型，证明富含植物纤维的饮食可以减少肺部的病理表现，而低纤维含量的饮食喂养小鼠会增加这些表现。同样在这种情况下，摄入丙酸盐再现了高纤维饮食对肺部的保护作用，将富含植物纤维的饮食的有益健康作用与肠道细菌的代谢产物联系起来。上述两个系统中的相似之处甚至更进一步：肠-肺轴中的第一个中继站与肠-脑轴中的第一个中继站相同：丙酸盐激活 FFAR3。然而，接下来，通路发生偏离：FFAR3 激活在一种情况下导致葡萄糖调节，但在第二种情况下降低免疫细胞产生促过敏特性的能力。可以说，高纤维饮食可能对葡萄糖调节和免疫功能产生多种生理益处。
雀巢揭示微生物代谢组的倡议
雀巢研究与伦敦帝国学院合作，启动了一系列全面的代谢物谱分析研究（代谢组学研究），以鉴定肠道微生物组产生的关键功能分子。在其中一项研究中，将无菌小鼠的代谢组与用从人类婴儿粪便中分离出的细菌群落定植的小鼠的代谢组进行了比较。定植的小鼠表现出更高的肠道牛磺胆汁酸浓度和更低的血浆脂蛋白水平15，这表明从饮食中获取能量取决于肠道微生物组的存在和类型。随后研究了在给小鼠喂食益生元、益生菌或合生元后，细菌-宿主相互作用如何受到影响。不同的影响可以归因于肠道微生物代谢的益生元或益生菌调节，一些特征在合生元（益生菌 + 益生元）给药后加剧。例如，益生元低聚半乳糖 (GOS) 降低了脂肪生成和甘油三酯浓度，而益生菌鼠李糖乳杆菌 NCC4007 菌株导致血浆脂蛋白水平降低16。有趣的是，无菌小鼠在喂食高脂肪饮食时对体重增加具有抵抗力。与传统小鼠相比，喂食高脂肪饮食的无菌小鼠消耗更少的热量，排出更多的粪便脂质，体重更轻，表现出增强的胰岛素敏感性和改变的胆固醇代谢17。还在无菌小鼠中建立肠道细菌后不久研究了代谢事件。肠道微生物组的获得导致体重迅速增加；它刺激肝脏中的糖原生成，然后是甘油三酯合成。受到这些代谢组学结果的鼓舞，我们询问在动物实验中获得的知识是否可以应用于人类。在人类受试者中获得的数据表明了有趣的相似之处。雀巢科学家发表的 2014 年一项研究报告称，母乳喂养和配方奶粉喂养的婴儿之间存在不同的尿液和粪便代谢组谱，揭示了肠道细菌对膳食蛋白质的加工与宿主蛋白质代谢18之间的关系。在寿命的另一个极端，百岁老人表现出细菌代谢物尿排泄增加，这表明肠道微生物组组成与长寿19之间存在联系。
发展切实的展望
微生物组研究的未来走向何方？一些微生物学家现在将人类视为多生物体联合体。对于更多持怀疑态度的科学家来说，我们的表型在多大程度上由栖息在我们肠道中的微生物共同决定仍有待证明。怀疑论者已经表达了他们的意见。William P. Hanage 是哈佛大学的流行病学家，他在 2014 年《自然》杂志的评论中呼吁对许多已发表的微生物组研究的结论保持谨慎态度，并强调关联性不是因果关系20。可以肯定地预测，微生物组领域将逐步融入已建立的健康研究和应用中。随着分子机制开始在人类疾病的背景下被鉴定出来，该领域可能会逐渐摆脱自身的身份，并被能够将研究结果与其专业领域联系起来的科学家和临床医生所吸收。
实验性疗法，如粪便移植，在对抗复发性艰难梭菌肠道感染方面已被证明是有效的，这证明了肠道微生物组平衡对人类健康的重要性。微生物移植仍处于实验阶段，临床医生将从更好地理解所涉及的机制中受益，这可能允许未来使用明确的微生物群落或微生物组衍生的化合物进行干预。也许总结微生物组研究未来的最佳方式是，它将逐步融入流行病学和医学研究的主流，同时专注于微生物组功能而不是其组成。挑战将是将新的分析工具应用于将患者群体与治疗或临床决策联系起来。因此，微生物组有可能在个性化医疗的演变中发挥作用。未来，微生物组特征可能用于指示受试者是否可能对医疗或饮食干预产生积极反应，或者哪种治疗可能最适合个人的生理机能。
微生物组目前与一系列疾病有关，包括焦虑症、自闭症、炎症和肥胖症。我们如何干预以改变微生物生态，从而提供治疗益处？如果我们将人类微生物组视为一个生态系统，那么土壤、湖泊、河流和海洋等生态系统中定义的底层原理将作为指导。似乎可以肯定的是，随着我们对人类微生物生态学的理解不断发展，我们将能够确定关联背后的分子机制，确定关键的干预点，并在随机临床试验中证明疗效。
总的来说，微生物组研究领域及其对人类健康的影响对于对营养和健康感兴趣的科学家来说太重要了，不容忽视。在雀巢，我们选择了两种方法。雀巢研究中心在洛桑的科学家正在进行前瞻性营养和健康研究，并频繁采集不同的微生物组样本，同时详细记录健康结果（在 ClinicalTrials.gov 中可以找到选定的研究，注册标识符如下：NCT01276626、NCT01715246、NCT01581957、NCT01983072、NCT02031887、NCT01880970、NCT01971671、NCT02021058、NCT02223585）。雀巢与 Epigen 联盟合作，参与了新加坡一项大型长期出生队列研究，以表征分娩方式和胎龄如何影响婴儿肠道微生物组和健康相关参数（ClinicalTrials.gov 标识符：NCT01174875）。与此同时，我们与 ICDDR,B（孟加拉国的一个机构，该机构在其人群的营养、健康和疾病方面拥有重要的数据库）在孟加拉国组织了一项规模较小的出生队列研究。ICDDR,B 以将研究转化为干预措施而闻名，这些干预措施可以显着改善其人群的健康状况。通过这些前瞻性数据，并利用欧洲及其他地区的现有队列，我们将测试文献中关于微生物组-健康关联的预测。对于我们可以在调查人群中证实的那些关联，我们将设计针对微生物组变化的营养干预试验，并测试预测的健康益处。
在雀巢健康科学研究所洛桑分所（雀巢研究的生物分析部门），我们正在部署最先进的“组学”技术和信息学系统方法进行多数据分析集成，从而研究有希望的微生物组-健康关联的微生物-宿主相互作用作用机制。通过这种双管齐下的方法，我们对通过与宿主相关微生物协同工作，在食品成分和营养干预方面提供促进人类健康的新知识的前景感到兴奋。
参考文献
1. Brussow,H. & Parkinson,S.J. You are what you eat. Nat. Biotechnol. 32, 243–245 (2014).
2. David,L.A. et al. Diet rapidly and reproducibly alters the human gut microbiome. Nature 505, 559–563 (2014).
3. Schell,M.A. et al. The genome sequence of Bifidobacterium longum reflects its adaptation to the human gastrointestinal tract. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 99, 14422–14427 (2002).
4. Pridmore,R.D. et al. The genome sequence of the probiotic intestinal bacterium Lactobacillus johnsonii NCC 533. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 101, 2512–2517 (2004).
5. Fukuda,S. et al. Bifidobacteria can protect from enteropathogenic infection through production of acetate. Nature 469, 543–547 (2011).
6. Saavedra,J.M., Bauman,N.A., Oung,I., Perman,J.A., & Yolken,R.H. Feeding of Bifidobacterium bifidum and Streptococcus thermophilus to infants in hospital for prevention of diarrhoea and shedding of rotavirus. Lancet 344, 1046–1049 (1994).
7. Sarker,S.A. et al. Lactobacillus paracasei strain ST11 has no effect on rotavirus but ameliorates the outcome of nonrotavirus diarrhea in children from Bangladesh. Pediatrics 116, e221–e228 (2005).
8. Wassenberg,J. et al. Effect of Lactobacillus paracasei ST11 on a nasal provocation test with grass pollen in allergic rhinitis. Clin. Exp. Allergy 41, 565–573 (2011).
9. Singh,A. et al. Immune-modulatory effect of probiotic Bifidobacterium lactis NCC2818 in individuals suffering from seasonal allergic rhinitis to grass pollen: an exploratory, randomized, placebo-controlled clinical trial. Eur. J. Clin. Nutr. 67, 161–167 (2013).
10. Gueniche,A. et al. Randomised double-blind placebo-controlled study of the effect of Lactobacillus paracasei NCC 2461 on skin reactivity. Benef. Microbes. 5, 137–145 (2014).
11. Bercik,P. et al. Chronic gastrointestinal inflammation induces anxiety-like behavior and alters central nervous system biochemistry in mice. Gastroenterology. 139, 2102–2112 (2010).
12. Holscher,H.D. et al. Effects of prebiotic-containing infant formula on gastrointestinal tolerance and fecal microbiota in a randomized controlled trial. JPEN J. Parenter. Enteral Nutr. 36, 95S–105S (2012).
13. De Vadder,F. et al. Microbiota-generated metabolites promote metabolic benefits via gut-brain neural circuits. Cell 156, 84–96 (2014).
14. Trompette,A. et al. Gut microbiota metabolism of dietary fiber influences allergic airway disease and hematopoiesis. Nat. Med. 20, 159–166 (2014).
15. Martin,F.P. et al. A top-down systems biology view of microbiome-mammalian metabolic interactions in a mouse model. Mol. Syst. Biol. 3, 112 (2007).
16. Martin,F.P. et al. Panorganismal gut microbiome-host metabolic crosstalk. J. Proteome. Res. 8, 2090–2105 (2009).
17. Rabot,S. et al. Germ-free C57BL/6J mice are resistant to high-fat-diet-induced insulin resistance and have altered cholesterol metabolism. FASEB J. 24, 4948–4959 (2010).
18. Martin,F.P. et al. Impact of breast-feeding and high- and low-protein formula on the metabolism and growth of infants from overweight and obese mothers. Pediatr. Res. 75, 535–543 (2014).
19. Collino,S. et al. Metabolic signatures of extreme longevity in northern Italian centenarians reveal a complex remodeling of lipids, amino acids, and gut microbiota metabolism. PLoS. One. 8, e56564 (2013).
20. Hanage,W.P. Microbiology: Microbiome science needs a healthy dose of scepticism. Nature 512, 247–248 (2014).