Bushra Schuitemaker博士
BIOME9科学与研究主管 | Pooch & Mutt公司微生物学主管 | Humanimal Trust科学委员会成员
从动物学到微生物组：个人进入一体医学的路径
我接受过动物学家的训练。我的本科学位是动物学，源于对动物、进化以及生命如何适应不同环境的深刻好奇心。这种好奇心从未消失，但它确实发生了意想不到的转变。随后，我完成了家禽科学博士学位，专注于粪便样本中的健康和福利生物标志物。简单来说，我花了数年时间研究动物留下的东西，而不是它们摄入的东西。
从那时起，我的职业生涯一直围绕着这样一个理念：通过研究肠道微生物组，我们可以了解大量关于健康、疾病和韧性的信息。我曾在比较肿瘤学、儿科微生物组和代谢研究以及儿童肥胖领域工作。在所有这些项目中，相同的模式不断出现。无论是鸡、狗还是儿童患者，微生物组都以熟悉的方式运作。
如今，我是BIOME9的科学与研究主管，我的工作重点是将微生物组科学应用于兽医和动物健康领域。我的大部分工作生活都围绕着粪便展开，因为粪便包含了我们能够非侵入性获取的最丰富的生物数据集之一。
这种观点自然与一体医学理念相契合。当你花时间比较不同物种的动物、微生物和疾病时，人类医学和兽医学之间的界限开始显得出人意料地模糊。
粪便的力量
粪便不仅仅是废物。它们对生态系统、农业和健康至关重要。动物粪便为农作物施肥并支撑食物链。大象的粪便纤维丰富，可以用来造纸。富含硝酸盐的蝙蝠粪便历史上曾被用来制造炸药。袋熊产生立方体形状的粪便，这一现象一直让生物学家和物理学家着迷和困惑。
这种排泄物的多样性反映了一个更广泛的真相：动物王国极其多样，其微生物组也是如此。当你查看生命树分类时，宿主进化和微生物进化之间的相似之处变得清晰。不同的动物宿主拥有不同的微生物群落，但基本原理是共享的。
什么是微生物组？
微生物组指的是栖息在特定环境（如肠道、皮肤或呼吸道）中的微生物群落。这些群落不是随机的微生物集合。它们是与宿主和彼此相互作用的复杂生态系统。
微生物在动物出现之前很久就已存在。早在二十多亿年前，早期细菌就开始产生氧气，在复杂生命出现之前很久就塑造了地球。随着动物的进化，它们与微生物一起进化。
当我们谈论微生物组时，我们经常关注细菌，但它们只是图景的一部分。真菌、古菌、原生生物和病毒都发挥着重要作用。在许多微生物组中，病毒的数量超过细菌，而噬菌体塑造了微生物种群、功能和稳定性。
作为跨物种共享器官的微生物组
在迄今为止研究的所有物种中，微生物组的行为就像一个功能性器官。它在生命早期的关键窗口期发育，适应环境压力，并以可预测的方式失效。当它失效时，疾病往往随之而来。
这正是使微生物组科学对一体医学具有独特力量的原因。
微生物与动物共同进化，与免疫系统共同发展，共同代谢食物，并共同调节关键生理过程。它们影响免疫、神经和内分泌系统的发育，塑造代谢、炎症和韧性。这些关系不是特定物种的好奇现象。它们是动物生物学中保守的特征。
当生物学是保守的时，医学也可以共享。
理解微生物组多样性
要理解微生物组健康，最好像生态学家一样思考。想象一片森林。只有一种树的森林是脆弱的。拥有多种物种且比例平衡的森林更具韧性。同样的原则也适用于微生物组。
在微生物组科学中，多样性不仅仅是拥有更多的微生物。它关乎丰富性、平衡和稳定性。我们的目标是维持足够多样化的微生物以执行基本功能，而不会让任何单一群体占据主导地位并排挤其他微生物。这些想法直接源自大规模生态学，并几乎不变地应用于微生物生态学。
在医学中，多样性并不意味着越多越好。它是关于在那个时间点对那个个体而言的适当功能。这些原则适用于用两条腿、四条腿行走或有翅膀的患者。
肠道轴：微生物如何与身体交流
肠道微生物组通过被称为"肠道轴"的相互连接的途径影响多个身体系统。交流是双向的，意味着肠道影响其他器官，而这些器官也影响肠道。
存在涉及神经递质前体和迷走神经信号的肠-脑轴。肠-皮肤轴、肠-肺轴和肠-肝轴反映了共享的免疫和代谢途径。微生物组还影响免疫调节、葡萄糖和脂质代谢，并与肌肉、骨骼、肾脏、心血管和生殖系统相连。
这些轴并非人类独有。它们存在于各种动物物种中，强化了微生物组介导的健康是一个共享的生物学框架这一理念。
微生物组的来源
微生物组在生命早期建立。出生、分娩方式和哺乳都会塑造初始的微生物群落。在生命早期，宿主相关因素占主导地位，在此期间的干扰可能会产生长期后果。在人类中，剖腹产、奶瓶喂养和早期使用抗生素与过敏、湿疹和胃肠道疾病的增加风险相关。这在哺乳动物中是保守的。
不同的哺乳动物很好地说明了这一点。尽管不同物种的出生机制差异巨大，但基本原理却惊人地保守：早期微生物转移对健康的免疫系统发育至关重要。
野狗与人类一样，有胎盘并在妊娠后出生，在出生过程中和通过母乳获取微生物。红袋鼠生下极度未发育的幼崽，这些幼崽在育儿袋中继续发育，在哺乳期间育儿袋的微生物组动态变化，塑造了幼崽的微生物暴露。单孔目动物，如鸭嘴兽，产卵并有泄殖腔，微生物在产卵、孵化和巢穴环境中转移。
尽管生殖策略非常不同，但结果是一样的：在关键窗口期的早期微生物定植支持免疫系统发育和长期健康。
伴侣动物作为一体医学伙伴
狗会患上人类医学中常见的许多慢性疾病，包括炎症性肠病、皮炎和癫痫。这些不仅仅是类似的情况。它们共享炎症途径、微生物特征和治疗挑战。
伴侣动物在转化研究中扮演着独特角色。它们与人类生活在相同的环境中，食用加工食品，经历压力并接受医疗护理。由于人与动物之间的纽带，治疗和随访的依从性通常很高。自然发生的动物疾病使我们能够以在人类试验中通常不可能的方式研究疾病进展和治疗。
比较研究表明，人类和狗的肠道微生物组存在显著重叠。共享的功能包括碳水化合物代谢、胆汁酸代谢和脂肪酸生产。尽管存在这种重叠，菌株仍然是宿主特异性的，突显了功能保守性而非直接的微生物共享。
引人注目的是，尽管猪在遗传上更接近人类，而小鼠是最常见的实验室模型，但狗的肠道微生物组与人类的相似性高于与小鼠或猪的相似性。这种相似性可能是由多代以来身体工作方式和生活方式的共同变化所驱动，而不仅仅是共同居住。
在实践中应用微生物组科学
现代肠道微生物组分析通常从粪便样本开始。使用下一代测序技术提取并测序DNA。这使我们能够识别存在的微生物、它们的相对丰度及其功能潜力。我们将这些信息与宿主和环境因素（如年龄、品种和饮食）结合起来。
在我目前的工作中，我们在针对饮食和补充剂的干预措施实施后几个月内，持续观察到狗的关键微生物标志物的改善。这表明微生物组不仅可测量，而且可改变。
关于驯化的研究进一步突显了共享的生物学。家犬和人类都携带多个淀粉消化基因的拷贝，反映了对富含淀粉饮食的适应。狼和野狗携带的拷贝要少得多。了解微生物组如何随着这些基因变化而变化有助于解释两个物种中现代炎症和代谢疾病。
一体医学在行动：当今基于微生物组的方法
基于微生物组的方法已经在各种物种中使用。益生菌被用于治疗炎症性肠病。粪便微生物群移植在人类和动物中都有应用。营养越来越多地个性化以支持代谢健康。包括噬菌体疗法在内的抗生素替代方案正在被探索以应对抗微生物耐药性。
抗微生物耐药性不尊重物种界限。微生物组是我们可以在耐药性出现之前进行干预的少数系统之一，使其成为一体医学的核心。
来自鸟类、昆虫等的启示
家禽微生物组研究数十年来一直应用一体医学原则。竞争性排斥和益生菌被用于在生命早期建立健康的肠道群落，减少病原体定植和疾病。这是预防医学，而不仅仅是农业。
野生鸟类提供了额外的见解。例如，戴胜鸟利用其尾脂腺中的细菌产生抗菌分泌物，保护羽毛和雏鸟。候鸟展示了微生物组如何在极端压力下适应，以及干扰如何增加疾病风险并在种群中传播抗微生物耐药性。
即使是冬眠哺乳动物也教会我们关于微生物组介导的适应。在冬眠期间，肠道微生物帮助回收氮、保存肌肉并支持代谢抑制。这些见解可能为营养不良、衰老甚至长期太空旅行的治疗提供信息。
共享生物学使共享医学成为可能
在不同物种中，微生物组以惊人的一致方式运作。自然发生的动物疾病加速了理解并连接了实验室和现实世界医学。一体医学不是空想；它已经在塑造人类和兽医保健领域的预防和治疗。通过将微生物组视为共享生物学，我们更接近真正协作的医学。
作者简介
Bushra Schuitemaker博士是一名在人类和动物健康领域工作的动物学家和微生物组科学家。她是BIOME9的科学与研究主管以及Pooch & Mutt公司的微生物学主管，研究兴趣涵盖一体医学、微生物组驱动的健康以及转化兽医学。Bushra也是Humanimal Trust科学委员会的成员。
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