编辑摘要
从肥胖到结直肠癌等多种疾病都可能由肠道微生物群失调（即菌群失衡）引起。人们认为菌群失调是从健康肠道状态转变为另一种稳定状态，这种状态由具有不同代谢功能的不同分类单元组成。Corral López等人通过重新审视实证数据，构建了一个消费者资源模型来描述微生物群中的细菌和营养动态。作者观察到，在菌群失调状态下，细菌群落趋于简化，这些简化群落通过更少、更直接的途径高效代谢能量最高的资源。该模型显示，健康肠道中以竞争性相互作用为主，而菌群失调状态下则以合作性交叉喂养为主。这些生态转变是如何触发的仍有待理解，但观察到微生物群落中合作性的增加可能是疾病进展的标志。
结构化摘要
引言
人类肠道微生物组是一个复杂的生态系统，对宿主健康至关重要。菌群失调——即肠道微生物群落的失衡——与多种疾病相关，包括肥胖、糖尿病、炎症性肠病(IBD)、艰难梭菌感染(CDI)、肠易激综合征(IBS)和结直肠癌(CRC)。治疗手段如粪便微生物移植、饮食干预和益生菌旨在通过重塑群落组成来恢复平衡。然而，由于我们对调控微生物组动态的代谢和生态相互作用理解有限，这些治疗方法的效果仍不一致且不可预测。后者也阻碍了区分健康与疾病的稳健生物标志物的开发。
原理
先前的研究表明健康和菌群失调可能代表替代的群落状态，但未提供机制性解释。大多数定义菌群失调的努力旨在识别在健康和患病群落之间可能不同的细菌分类单元或功能，或假设多样性降低是疾病的普遍标志。然而，这些特征在不同条件下和不同队列中有所变化，未能捕捉到塑造疾病状态的生态原理。为了更深入地理解健康和疾病中肠道微生物的动态，我们开发了一个明确的代谢模型，其中细菌相互作用自然地源于对共享资源的竞争和交叉喂养。
结果
该模型再现了关键的宏观生态模式，并捕捉到真实肠道微生物组的特征性功能冗余。此外，我们的模型揭示了两种不同的生态状态（健康状态和菌群失调状态）的出现，它们的α和β多样性、优势指数以及功能和排泄代谢物的数量与在真实微生物组中观察到的非常相似。健康状态以竞争性相互作用为主导，而菌群失调状态则由紧密连接的交叉喂养共生体塑造。我们还开发了生态网络平衡指数(ENBI)，这是一种衡量正负相互作用相对贡献的指标，能够可靠地区分健康状态和菌群失调状态。对IBD、IBS、CDI和CRC的模型和宏基因组数据计算ENBI显示，在所有情况下，患病微生物组都表现出更高的ENBI值。我们的指标还与疾病阶段相关。这些结果在重采样、地理、分类水平和分析方法方面都证明是稳健的。
结论
与在不同疾病和队列中变化的基于多样性的指标不同，ENBI始终能够区分健康和患病状态，甚至追踪疾病进展，为开发稳健、非侵入性的疾病早期预警指标提供了一条路径。ENBI还提供了机制性见解：我们的结果表明菌群失调与群落相互作用网络的转变相关，正相互作用逐渐超过负相互作用。我们的框架既通用又可扩展，因此可以适应纳入额外的生物特征以研究特定的肠道现象，并可直接应用于其他微生物组（从阴道和口腔到植物和土壤生态系统），或用于研究和预测治疗干预的潜在结果。通过将微生物生态学与临床研究联系起来，我们的框架推进了精准医学，并支持开发更个性化的策略来维持或恢复肠道健康。
小肠绒毛尖端（来自肠粘膜的突起）上的肠道细菌细胞群落。
肠道细菌细胞以各种颜色显示，绒毛尖端呈棕色。颜色突出了细菌与看似贫瘠的肠细胞悬崖和沟壑之间的尺寸对比。我们的模型和指标表明，在患病的肠道微生物组中，正相互作用占主导地位，而在健康肠道中，负相互作用占主导地位。我们通过监测这种生态平衡来追踪疾病的出现和进展。
摘要
人类肠道微生物组的失衡，即菌群失调，与多种疾病相关但仍未被充分理解。现有的菌群失调生物标志物无法捕捉区分健康与患病微生物组的生态机制。我们开发了一种指标，即生态网络平衡指数(ENBI)，用于量化微生物正负相互作用之间的平衡。该指标受到我们在此工作中介绍的肠道微生物组动态模型中观察到的现象学的启发，该模型揭示了具有不同新兴微生物群落的替代稳定状态：一个由负相互作用主导的健康状态和一个由正相互作用主导的菌群失调状态。ENBI在模拟和经验数据集（涵盖多种疾病）中稳健地区分这些状态，并与结直肠癌等疾病的进展相关，这凸显了其作为诊断工具的潜力。
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