魏茨曼科学研究所的一项新研究表明，通过分析粪便样本中所有的蛋白质——那些来自微生物组、人体和食物的蛋白质——可以揭示肠道的隐藏秘密及其对人类疾病的影响。这项研究发表在今天的《细胞》杂志上，科学家们介绍了一种方法，可以通过测试粪便样本来同时识别所有肠道中的蛋白质，从而以前所未有的精度和分辨率解码这些蛋白质之间的相互作用。
该研究由埃兰·埃利纳夫教授实验室的拉斐尔·瓦尔迪斯-马斯博士、阿夫纳·莱舍姆博士和丹萍·郑博士共同领导，与纳米西和斯蒂芬·格兰德以色列国家个性化医学中心的阿隆·萨维多博士合作。埃利纳夫表示：“我们希望超越通常用于研究微生物组的DNA测序。DNA可以告诉我们肠道中存在的细菌种类及其潜在活动。而细菌蛋白质可以直接揭示这些细菌是否活跃、它们执行哪些活动以及其功能如何影响人体在健康和疾病状态下的表现。”
识别蛋白质具有挑战性，因为它们的数量众多，且不同物种之间的蛋白质存在相似性。例如，人类基因组中的约20,000个蛋白质编码基因会产生数百万种蛋白质变体；使用现有蛋白质数据库进行识别可能非常复杂且耗时。魏茨曼研究所的新方法通过结合DNA测序和质谱分析生成一个更小、针对患者的蛋白质图谱来应对这一挑战。
该方法被称为IPHOMED（宿主、微生物组和饮食的综合蛋白质组学），能够解码整个微生物组的活动，显示粪便样本中的蛋白质来自哪些细菌菌株及其数量。此外，它还能识别肠道对来自微生物组信号的响应所分泌的蛋白质。这些来源的蛋白质共同生成了一个身体与微生物组之间通信的地图，例如，在接触致病菌或抗生素时。
研究人员发现，人类肠道可以分泌数十种此前未知的抗菌肽，这些肽像天然抗生素一样，杀死微生物组中的一些细菌，最终塑造其组成。这一发现可能解释了为什么每个人的微生物组组成独特，导致对疾病的易感性差异。
当研究人员认为他们已经完成了方法开发时，该方法能够识别每个粪便样本中97%的蛋白质，这是一个很高的比率，但未能一致表征剩余3%的情况令人困惑。进一步的研究表明，这些蛋白质既不来自微生物组也不来自组织：它们来自食物。这一发现表明魏茨曼的方法可能满足营养科学长期以来的一个迫切需求，即提供一种无创手段来揭示个人饮食的确切细节。为此，研究团队创建了一个包含数百种食品产品的蛋白质数据库，并确定了每种食品的独特蛋白质。这些发展使得可以从粪便样本中以前所未有的精确度了解人们吃了什么。例如，在应用到两组健康志愿者（一组在德国，另一组在以色列）的样本中，该方法识别出两个群体中相似水平的小麦消费量，但只有德国样本中含有大量猪肉蛋白质；相比之下，以色列样本中的大多数肉类蛋白质来自家禽。
在一个实验中，志愿者被要求在指定的日子里食用一系列食品，包括花生。该方法不仅准确确定了这些食品的食用时间，而且非常敏感，甚至能检测到每天仅食用五颗花生的情况。在另一个实验中，研究人员能够准确追踪胃肠疾病患者饮食的变化。在其中一个案例中，该方法正确识别了一名新诊断为乳糜泻的儿童未能遵循规定的无麸质饮食。
“我们的方法可以用来判断某人是否遵守犹太教规或是否严格遵守素食主义者的声明，”埃利纳夫笑着说。“但在更严肃的层面上，传统的饮食跟踪方法——自我报告——是出了名的不准确。更精确地了解人们吃什么，即使他们的餐食复杂且由多种成分组成，可以帮助确定哪些成分有益于健康，哪些是有问题的。”
为了探索新方法在疾病诊断和治疗中的应用，科学家们将其应用于炎症性肠病患者的粪便样本，这种疾病的特点是严重的肠道炎症，受饮食和微生物组的影响。对以色列、德国和美国研究参与者的样本分析，使研究人员能够在分子水平上详细解码人类肠道与肠道微生物组之间的改变互动，从而揭示这种目前无法治愈的疾病起源。该研究发现了数十种新的蛋白质，可能成为未来治疗该疾病的药物靶点。研究人员还发现了人类和细菌蛋白质，这些蛋白质联合起来可以开发成新的生物标志物，用于诊断疾病类型、评估严重程度和追踪进展。这些新的探针有望优于目前唯一临床批准的炎症性肠病生物标志物——钙卫蛋白。
此外，通过IPHOMED对患者饮食的分析，研究人员能够量化患者对炎症性肠病营养疗法的依从性，并将其依从水平与炎症控制的改善联系起来。更重要的是，他们成功地应用了这种方法来检测小肠疾病，小肠是一个在健康人中吸收大部分食物蛋白质的长而细的管道。由于小肠难以可视化和访问，这种疾病无法通过传统手段检测。
“总而言之，肠道中的蛋白质是‘词汇’，有一天会让我们听到肠道确切在说什么，从而学会给它们提供所需的帮助，”埃利纳夫说。“这种能力将帮助研究人员为各种疾病设计个性化的营养和医疗干预措施，特别是那些受微生物组影响的疾病，包括炎症性疾病、代谢性疾病、恶性肿瘤和神经退行性疾病。”
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