该研究数据来自西雅图系统生物学研究所（ISB）的Gibbons实验室，该研究也有助于解释益生菌为何对某些人有效，而对另一些人无效。
发表在《PLOS生物学》上的研究中，ISB副教授Sean Gibbons及其团队利用两项临床试验的数据，测试计算机建模程序是否能预测益生菌是否会在个体肠道中定植并植入。
研究结果表明，这种建模可以预测特定细菌菌株是否会“粘附”，准确率在75%到80%之间，为益生菌的个性化应用开辟了新机遇。
“通过结合纵向数据、机理建模和日益丰富的生物传感工具，我们开始勾勒出真正个性化微生物组医学的蓝图，”Gibbons说。“不是尝试后希望它们能粘附，而是提前知道什么可能会成功。”
预测定植
益生菌以其效果不稳定而闻名，不同个体之间的效果差异很大。研究表明，这种差异通常是由个体肠道微生物组组成和饮食差异造成的，但科学家们长期以来缺乏预测益生菌是否会植入以及是否会对宿主带来益处的工具。
为了弥补这一知识空白，Gibbons实验室利用了微生物群落规模代谢模型（MCMM），这些模型就像个体肠道微生物代谢的数字双胞胎，在特定饮食输入的背景下模拟肠道的代谢功能。
除了预测益生菌是否可能植入（这可能导致肠道微生物群组成和功能发生相应变化）之外，该团队还评估了益生菌和益生元干预后短链脂肪酸（SCFA）的产生情况。
在研究的第一阶段，该团队使用了来自两项干预研究的数据。一项研究对2型糖尿病患者使用了合生元，另一项研究对复发性艰难梭菌感染患者使用了八菌株益生菌混合物。
然后，研究人员评估了MCMM衍生的预测与观察到的微生物组成和临床标志物变化的一致性程度。该模型显示出相当高的准确性，在第一项研究中与经验性植入测量的一致性超过84%，在第二项研究中超过75%。然而，该模型并非总是预测成功。
“预测不佳可能是由于肠道菌株的基因组规模代谢模型整理不完善，或者患者摄入的饮食与其模型应用的饮食不匹配，”Gibbons解释道。“未来的工作将着眼于减少这些误差来源。我们只能观察短期植入，因为我们只有这方面的数据。我们需要新的数据集来研究长期植入预测。”
定植和植入的区别是什么？
定植通常指益生菌在人体肠道内长期建立。定植最终可能导致植入：当微生物建立永久、稳定的存在，与现有微生物群落竞争时。
定植和植入对健康效益是否必要？
考虑到益生菌定植是否对健康效益必要，加利福尼亚大学食品科学与技术系教授Maria Marco表示，益生菌通常不会在消化道中定植，但这并不意味着它们不会带来益处。
Marco教授同时也是国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）董事会主席，并建立了国际公认的益生菌、发酵食品和肠道微生物组膳食调节研究项目。她指出，即使益生菌没有在肠道中永久建立，它们仍然可以通过调节肠道微生物群的活动或刺激肠上皮（肠道屏障）来改变消化道。
“定植并不是益生菌带来健康效益的必要条件，”她说。“然而，在某些情况下，可能需要更长时间的持久性，甚至在某些情况下需要定植。”
事实上，Marco教授补充说，定植可能带来风险和意外后果，以及无法控制对该特定微生物的剂量、频率和暴露持续时间。
“定植并非对所有应用都必要，并且菌株植入可能会产生意想不到的负面后果，”她说。“我们仍在学习肠道微生物组，以及不同个体的健康肠道微生物组是什么样的。此外，使用粪便样本评估肠道微生物组可能会遗漏小肠和消化道更高部位的微生物持久性（定植）水平。”
益生菌的官方定义是什么？
2001年，联合国粮食及农业组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）将益生菌定义为“当摄入足够数量时，对宿主产生健康益处的活微生物”。该定义被政府和组织如国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）以及国际益生菌协会（IPA）使用。
相反，科克大学学院生态学、食品与微生物组教授Jens Walter表示，他不知道有任何实例表明，因益生菌导致的非病原体定植在人类中造成了伤害。
Walter教授发表了140多篇同行评审论文，主要关注塑造宿主-微生物组共生的进化和生态过程。他表示，在文献中和面向消费者时，围绕定植出现了许多混乱的表述。
“过去，现在可能仍然有许多关于益生菌在生态效应方面不切实际的声称（如有益生物体的萌发、定植抵抗、与病原体竞争等），”他解释道。“如果设计得当，益生菌或许可以在特定情况下（如抗生素治疗后、生命早期等）实现这些效果，而要发生这些，定植是绝对必要的。”
在发表在《Current Opinion in Biotechnology》上的一篇论文中，Walter教授及其同事认为，即使是短暂的细菌也可以导致细菌群落组成和/或代谢产物的微小临时改变。然而，要对微生物组产生长期影响，他们指出，微生物必须能够持续生长并与常驻分类群竞争，从而改变群落组成和功能。
“定植并不总是‘必需的’，但如果你想对微生物组产生影响，或者需要益生菌具有代谢活性（例如，产生一种代谢产物），那么定植可能要么是必需的，要么至少是有益的，”他说。“如果机制不需要代谢活性或生态竞争力，比如直接的免疫介导效应，那么定植就不是必需的。”
这场辩论凸显了定义益生菌有效性的复杂性，并提出了关于益处是否可能来自短暂活动以及真正定植的问题。
分析功能影响和障碍
Gibbons及其团队评估了MCMM是否能预测益生菌施用的功能影响。为此，他们分析了丁酸和丙酸——两种已知对代谢健康、炎症和肠道屏障完整性有益的短链脂肪酸（SCFA）——的产生情况。
利用一个横断面健康人群队列，这些受试者被指导改善饮食和生活方式，研究人员使用MCMM模拟从低纤维饮食向高纤维饮食的转变，并比较了预测的丁酸变化与心脏代谢和免疫激活标志物的纵向变化之间的关联。
个体之间的反应各不相同，并非所有受试者都从高纤维饮食中同等受益。虽然转向高纤维饮食通常会增加丁酸，但这种增加的程度差异很大。
Gibbons及其团队随后分析了基于不同类型纤维和添加益生菌混合物的结果，MCMM随后能够识别出最大限度提高丁酸或丙酸产量的最佳益生元-益生菌组合。
因此，该模型似乎能够预测微生物群落如何相互相互作用，以及如何与个人的饮食相互作用，这可能在将来实现个性化干预措施，Marco教授评论道。
“正如本文所证明的，了解肠道微生物组的代谢能力可能导致益生菌、益生元和其他微生物组相关方法个性化方面的阶跃性变化，”她说。“目前，对微生物组靶向干预措施的反应存在显著的个体间差异。尽管还有很多工作要做，但拥有预测益生菌是否植入的能力将导致个性化方法，这些方法更适合使用，无论定植是否是目标。”
然而，Gibbons实验室指出了一些局限性，包括该模型使用了简化的“稳态”假设，未能完全捕捉肠道微生物组在短时间内的变化方式。这些模型目前还按物种对细菌进行分组，这可能会忽略单个菌株之间的重要差异。
“将这些工具更广泛地应用于人类群体的最大障碍是缺乏临床试验数据，以验证MCMM预测的个性化干预措施是否比标准生物干预措施效果更好，”Gibbons说。“我们正在努力资助前瞻性、对照的人体试验，以提供这些验证数据。如果有效，这些干预措施可以商业化，并提供给营养学家、临床医生或个体。”
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