中國生物技術網 2019-06-25
北京時間6月25日，發表在《Nature Medicine》上的一篇新研究，為增強體力和運動表現的功能型益生菌開發，打開了大門。
人類微生物組，就像是一個正在被髮掘的大寶藏。已知它對我們的整體心理與生理健康至關重要。科學家們已經認識到，沒有兩個人擁有相同的微生物組，微生物組的組成可以隨著飲食、生活方式、抗生素和其他藥物治療等因素而改變。
但是，儘管已經發現個體微生物組與肥胖、炎症性腸病、關節炎、癌症和自閉症等多種疾病之間的聯繫，但尚不清楚相反的情況是否也會如此。比如，在某些情況下，微生物組是否可以提高健康和運動表現。
該研究聯合第一作者、美國哈佛醫學院（HMS）前博士後研究員、哈佛大學Wyss研究所Jonathan Scheiman說：“在這個項目開始時，我們假設優秀運動員的微生物組必須具有高度調整菌種的共同之處，這可能有助於他們的表現和恢復，並且一旦確定，這些微生物可能成為開發功能型益生菌的基礎。”Scheiman當初與遺傳學泰斗、哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所的核心教員和HMS教授George Church一起發起了這個項目。Scheiman與Church教授也是FitBiomics公司的聯合創始人。FitBiomics是一家針對運動員微生物組的生物技術公司。他本人也是前職業籃球運動員。
Jonathan Scheiman
George Church
現在，由Scheiman和Church以及波士頓Joslin糖尿病中心的Aleksandar Kostic領導的高度協作研究團隊已經在一個由87名精英運動員和奧運會運動員組成的獨立團隊比賽結束後確定了一組特定的細菌——Veillonella。他們確定了Veillonella屬與運動表現之間的聯繫。他們觀察到，在馬拉松運動員賽後Veillonella的相對丰度增加。從馬拉松運動員中分離出的Veillonella細菌給予小鼠，與對照組相比，動物在實驗室跑步機測試中的表現提高了13%。
圖片來源：《Nature Medicine》
該研究聯合通訊作者、Joslin糖尿病中心微生物學和免疫生物學系助理教授Aleksandar Kostic說：“我們能夠證明，Veillonella驅動的表現提升是由於細菌分解乳酸的能力，乳酸是已知劇烈運動隨時間而積累的代謝物，併產生丙酸鹽，這是一種短鏈脂肪酸(SCFA)。這反過來又增強了身體對運動壓力的抵抗能力。”Kostic致力於研究計算和實驗方法，旨在更好地理解人類微生物組與代謝疾病(如糖尿病)之間的關係。
在最初的分析中，研究人員通過確定從糞便樣本中獲得細菌的DNA序列，分析了2015年波士頓馬拉松運動員的微生物組成。Scheiman說：“在跑步前一週和後一週內每天收集樣本，並在AlekSandar的生物信息學幫助下對它們進行分析，使我們能確定整個微生物組內有意義的波動，其中Veillonella屬的增加是最突出的。”
Veillonella能消耗乳酸作為能量來源是眾所周知的，但該團隊又向前邁進了關鍵一步。他們證明，從運動員微生物組中分離出的Veillonella，V.atypica，並添加到小鼠的腸道微生物組中，本身就可以提高動物在跑步機測試中的表現。
但這是如何實現的呢？由於乳酸在工作肌肉中產生，在血管系統中循環，並被肝臟清除，細菌駐留在腸腔內，兩者之間似乎沒有明顯的聯繫。事實上，該研究團隊提供了第一個證據，證明乳酸實際上可以從循環通過腸上皮壁進入腸腔。在那裡，它可以被Veillonella或其他細菌所利用。有趣的是，這種細菌並沒有起到“乳酸沉澱”導致身體循環乳酸的水平大幅下降的作用。相反，它使細菌乳酸發酵的產物，即短鏈脂肪酸丙酸鹽，從腸腔迴流到循環中以提高運動表現。
圖片來源：《Nature Medicine》
合作者表明，丙酸鹽在注入小鼠的腸腔後，可以再現許多Veillonella的作用，如增加動物在跑步機上的跑步時間、減緩疲勞，以及降低在小鼠極限運動期間腸道中常見的炎症標誌物水平。Kostic推測：“我們認為丙酸鹽可以通過抵抗炎症、作為身體的能量來源以及其他迄今未知的作用來展示其益處。值得注意的是，較高的運動能力與糖尿病患者更緩和的進展以及更長的壽命密切相關，這使益生菌Veillonella成為一種治療方法成為可能。”
Church教授說：“這項研究很好地驗證了我們最初的假設，並提供了人類宿主和微生物組之間最具說服力的'代謝共生'的例子，它可以被廣泛用作益生菌策略，不僅適用於運動員，還可以改善患者的健康狀況。現在，我們已經建立了一個識別與極端表現相關的微生物平臺，我們可以探索其他類型的極端運動員或個人的微生物組，這些人高度適應環境挑戰，以發現其他有益的功能聯繫，並致力於將它們轉化為益生菌治療方法。”
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