破译肠道微生物群的奥秘，对抗IBD

英国约有50万人患有炎症性肠病（IBD），这是一种终身慢性疾病，其特征是偶尔发作的肠道炎症导致虚弱症状。

　　

健康(a)和UC (b)条件下48种BEV蛋白与单核细胞、巨噬细胞和树突状细胞的相互作用。每个细胞类型的表达基因数量/相互作用蛋白的数量被突出显示。

在英国，大约有50万人患有炎症性肠病(IBD)，这是一种终生的慢性疾病，以零星的肠道炎症为特征，导致衰弱症状。克罗恩病和溃疡性结肠炎是两种最常见的IBD类型。溃疡性结肠炎的发病率约为1 / 400。目前的治疗无效，严重影响患者及其家属的生活质量。

来自Quadram研究所、Earlham研究所和位于诺里奇研究公园的东安格利亚大学的科学家们开发了一种新的计算生物学方法，以更好地了解IBD，以便有针对性的临床治疗。通过分析肠道细胞类型的具体差异，该研究破译了细胞间的交流，以确定有益细菌如何与我们的免疫系统沟通，以治疗IBD和减少肠道炎症。

人类肠道中有一群微生物，统称为微生物群，这对保持健康至关重要。微生物群的破坏会导致肠道相关疾病，包括IBD，一种免疫相关的炎症性疾病，会导致腹痛、腹泻和极度疲劳。

IBD患者的肠道微生物群多样性减少或平衡改变，尤其是拟杆菌门和厚壁菌门。然而，我们仍然不知道这是如何准确地解释IBD的触发和进展的。通过了解这些细菌是如何与肠道内壁和免疫系统相互作用的，以及它们在IBD中的不同之处，我们可以更好地了解致病的原因，并开始开发有针对性的、有效的治疗方法。

但要破译这些跨越生命不同王国的对话，你需要了解细菌是如何交流的，以及人类细胞如何对这些信息做出反应。这项研究将微生物学家和免疫学家Simon Carding教授与来自Earlham和Quadram研究所的Tamás Korcsmáros博士联合起来，后者是来自Earlham和Quadram研究所的专攻细胞信号网络的系统生物学家。

卡丁教授和他的团队一直在研究细菌胞外囊泡(bev)，这是一种由细菌产生的微小包装，它们充满各种分子并从细胞中释放出来。它们可以穿过肠道内壁，到达被受体识别的免疫系统细胞。bev的内容是分子信号，然后触发免疫细胞反应，该信号可能级联成广泛的影响。

在健康的肠道中，bev和它们的货物可以促进免疫系统的抗炎反应，但在炎症性肠病患者的肠道中，这种反应就失去了。因此，bev可以作为一种潜在的新疗法。但目前，我们对它们是如何与复杂的免疫系统相互作用的了解还不够。我们的免疫反应依赖于不同类型的细胞监测大量不同的信号，并相互作用，以对局部和全身系统的感染威胁做出适当的反应。

为了解决这一知识缺口，Tamás Korcsmáros博士和他的团队使用了一个以前发表的数据集，该数据集是关于哪些基因在51种结肠细胞中积极制造蛋白质的，无论是在健康状况下还是在溃疡性结肠炎的影响下。独特的是，该数据集包含来自同一患者的炎症和非炎症数据，允许研究炎症的影响，而不仅仅是复杂的疾病。

该团队还分析和表征了从普通肠道细菌拟杆菌(Bacteroides thetaiotaommicron, Bt)制造的bev中获得的所有货运蛋白。

然后，他们使用一种经过实验验证的计算管道(称为MicrobioLink)来组合这些数据集，该管道可以预测微生物和宿主蛋白质之间的相互作用，以及这些相互作用如何触发复杂的级联信号系统网络。由此，他们可以建立一个全面的图景，了解在不同类型的免疫细胞中，哪些微生物蛋白能够与哪些人类蛋白相互作用，并识别出健康肠道和IBD肠道中这些网络的差异。

这个模型被称为interactome，它提供了肠道细菌和我们自身免疫系统之间不断交流的快照。从这一点上，研究人员可以了解微生物蛋白在健康和炎症UC条件下影响的生物过程。

他们的发现最近发表在Journal of Extracellular Vesicles上，这是涵盖囊泡介导的生物交流的领先期刊之一。这项研究由生物技术和生物科学研究委员会资助，该委员会是英国研究和创新(UKRI)的一部分。

许多相互作用被鉴定为不同细胞类型之间的共同作用，但研究揭示了许多特定于一种免疫细胞类型的生物过程。他们特别关注一个已知在免疫和炎症中重要的途径，也能够识别健康结肠炎和溃疡性结肠炎中相同细胞类型的差异。使用细胞培养物与bev一起生长的实验验证了计算模型的预测。

Lejla Gul说:“发现bev以细胞类型的特定方式影响免疫系统的途径，并且它们在炎症性肠病中发生改变，这是了解这种情况的重要一步，可能有助于开发bev作为一种治疗系统。”这篇论文的第一作者和一名来自Earlham研究所和Quadram研究所的iCASE博士生，由BBSRC诺维奇研究园生物科学博士培训伙伴关系资助。

“在细胞类型的特定分辨率下研究bev的界间连接需要多学科专业知识和各种‘组学数据集’。然后，您需要一个计算管道来分析来自不同患者的数据。Tamás Korcsmáros博士说，除了实际的科学结果，我们在论文中介绍了一个开源管道，其他人可以使用它来分析他们的数据。“我们希望，我们在这项研究中展示的东西将被其他人应用，以理解其他细菌物种如何与我们的细胞沟通的机制，以及它在其他疾病中可能如何改变。”

西蒙·卡丁教授说:“这项研究强调了实验室科学家与生物信息学专家合作的重要性和影响，他们开发了理解肠道微生物和身体细胞之间高度复杂的相互作用的手段和工具，这对维持我们的健康至关重要。”“从这类研究中获得的见解对于开发新的干预措施是非常宝贵的，这些干预措施旨在通过促进与肠道微生物的有益互动来保持健康，并预防可能导致炎症性肠病等疾病的有害微生物。”