人类基因组大约有23,000个基因，仅比更简单的生命系统多约3,000个基因。细菌和其他驻留微生物带来的大约100万个额外基因大大扩展了人体的功能活动。例如，这些基因使我们能够在食用沙拉和其他植物多糖时不会出现严重的消化不良。
这是鲍勃·赫蒂希在最近一次关于人类肠道微生物组的演讲中提到的一些事实。他是橡树岭国家实验室生物科学部生物分析质谱小组的公司研究员兼组长。他的研究得到了美国国立卫生研究院的支持。
他在对橡树岭国家实验室的朋友的演讲中介绍了他使用生物质谱技术来识别和确定肠道中人类和微生物蛋白质（包括酶）的相对丰度的工作。这些蛋白质是微生物组中数十万基因的产物。
在谈到他用于液相色谱和电喷雾质谱分析大分子（如蛋白质和肽）的样品时，他开玩笑说：“我觉得自己像一个新父亲。我的冰柜里装满了婴儿粪便。”
赫蒂希预测，在未来五年内，由于他和其他人的工作，“你很可能会向你的医生提供一份粪便样本，以便你的微生物组可以被测序并供医生参考。”换句话说，你的医生会告诉你你的肠道中有哪些类型的细菌以及它们的数量。这种关于你微生物组的信息，无论是富含多种有益细菌还是种类较少，都可能是你健康状况或疾病的标志，如癌症、糖尿病或自身免疫性疾病，如克罗恩病或帕金森病。
“健康的人在他们的肠道中，尤其是在结肠中，拥有极其丰富多样的细菌，”他说。“但在患有糖尿病或克罗恩病等疾病的人中，他们的细菌多样性崩溃，曾经丰富的复杂性变得非常贫乏。”此外，他还补充说，在克罗恩病和溃疡性结肠炎等炎症性肠病的情况下，黏膜层变薄，加剧了结肠的炎症。
增加对患者微生物组中细菌组成的了解还可以指导医生决定哪些药物有效，哪些无效，以治疗患者的疾病。
赫蒂希是元蛋白组学的先驱之一，这是一种使用生物质谱技术来识别和量化复杂生物样本（如构成人类肠道微生物组的微生物群落）中所有蛋白质的方法。这些信息用于理解社区中微生物的功能。
他为何热衷于这项研究
他之所以热衷于确定微生物组与炎症性肠病之间的关系，是因为他的两个女儿中的一个在八岁时就开始患上了克罗恩病。
“这有点不寻常，因为大多数人在十几岁到二十出头才会患上这种疾病，”他说。“她不得不接受多次手术和其他治疗。”
赫蒂希说，他的女儿在出生时不知何故感染了一种细菌，导致了危险的血液感染。
“她的情况非常危急，几乎丧命，”他说。医生给她用了一种抗生素没有效果，于是他们又用了更强效的一种，这才稳定了她的病情并挽救了她的生命。但八年后她被诊断出患有克罗恩病。“我认为我们在她发育的关键阶段破坏了她的微生物组。”
赫蒂希与匹兹堡大学的儿科外科医生迈克尔·莫罗维茨合作，研究了婴儿微生物组的演变。他指出，过度使用抗生素（例如频繁的耳部感染）会对婴儿和幼儿的微生物组和健康产生不良影响。
在回答一个问题时，赫蒂希指出，东南地区的居民在过量使用抗生素和摄入过多糖分和脂肪方面在全国排名最差，这些都会减少有助于人们健康的微生物组的丰富复杂性。
“这些对微生物组的有害影响会导致各种不健康状况，包括肥胖，”他说。
赫蒂希谈到了他与莫罗维茨的合作，后者专门研究早产儿及其面临的医疗并发症。令人惊讶的是，大多数婴儿出生时肠道是无菌的，尽管母亲子宫中有大量的细菌。
“从出生到大约一周的时间，婴儿会受到从未见过的各种细菌的侵袭，”赫蒂希说。“这些细菌来自各种环境来源，如护士和母亲的触摸、毯子、安抚奶嘴、喂养源等。”
“婴儿的肠道最初由厌氧菌定植，这些细菌不需要氧气。它们被其他细菌竞争取代，婴儿的肠道微生物组迅速演变成丰富且稳定的群体，可以持续终生。”
赫蒂希指出，剖腹产出生的婴儿与顺产婴儿的微生物组不同。
“如果婴儿是顺产，其微生物组看起来像母亲的粪便物质，”他说。“如果是剖腹产，则其微生物组看起来像母亲的皮肤。母乳喂养还是配方奶喂养也会影响微生物组的组成。”
“令人恐惧的是，一些早产儿可能会患上一种可怕的疾病，称为坏死性小肠结肠炎（NEC）。肠道穿孔，通常会导致婴儿死亡。”
坏死性小肠结肠炎是一种严重的胃肠道疾病，主要影响早产儿或极低出生体重的婴儿，可导致肠组织坏死。
早产儿和抗生素的研究
在最近的一项研究中，赫蒂希和他的博士后研究员萨曼莎·L·彼得斯使用基于质谱的元蛋白组学方法来研究早产儿微生物组的发展及其对抗生素的影响。在这项研究中，收集了16名早产儿的粪便样本，其中一半是男孩，一半是女孩，在出生后的前三个月进行采集。大多数婴儿是通过剖腹产出生的，体型很小，成人一只手就可以轻松握住。
“我们研究了10名健康婴儿和6名患有NEC的婴儿的微生物组，”赫蒂希说。“每个婴儿在出生后不久都接受了抗生素，无疑是为了‘预防措施’。为什么会给正在建立微生物组的健康婴儿使用抗生素？因为这是早产儿的公认医疗协议。”
一名被研究的婴儿两次患上了NEC。这名婴儿在接受抗生素治疗后恢复了，然后再次患病，再次接受抗生素治疗后恢复。赫蒂希的团队通过分析该婴儿的粪便样本追踪了微生物组在这两次发作期间的变化，并观察到了细菌成员及其活动的复杂转变。
在同一医院，同一母亲生下的同卵双胞胎被发现其微生物组中的细菌组成完全不同，揭示了即使在正常情况下，早期微生物定植也是非常复杂的。其中一个双胞胎感染了细菌，接受了抗生素治疗并存活下来；另一个双胞胎在第31天患上了坏死性小肠结肠炎并死亡。
橡树岭国家实验室研究人员的一个问题是：“婴儿肠道中的特定蛋白质是否会影响肠道微生物组的建立动态？”他们的研究表明，在细菌大量进入婴儿肠道的早期阶段，人类的炎症蛋白会升高以应对被视为威胁的细菌蛋白。然而，赫蒂希说，“我们发现最终人类和细菌蛋白会在健康婴儿体内达到共生关系。”
他们的一些发现发表在2022年《微生物学前沿》的一篇文章中。
赫蒂希的团队还发现，人体免疫系统的白细胞（巨噬细胞）可以利用某种类型的铜选择性地杀死某些细菌，从而帮助定制正在发展的微生物组。他们发现，大多数幸存的细菌具有适当的酶来解毒铜，从而得以繁衍和丰富。
“这可能是控制病原菌的一种内部机制，即使是在发育中的早产儿体内也是如此，”赫蒂希说。
在回答有关微生物组和炎症的问题时，赫蒂希表示，大多数人（可能约75%）的肠道中有艰难梭菌，这种微生物可以引起腹泻、结肠炎（结肠内膜炎症）甚至死亡。但幸运的是，他补充说，我们大多数人的肠道中有几种有益的拟杆菌属物种，赫蒂希称其为“占据主导地位并抑制艰难梭菌的500磅大猩猩”。
赫蒂希的听众中有些人可能对他说我们的身体估计有三到十倍的微生物细胞而不是人类细胞感到不安。但到演讲结束时，很明显，我们体内的许多微生物是英勇的居民，它们消化我们的食物，保护我们免受感染，并保持我们的健康。
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