鸡肠道多区室时空代谢建模指导膳食干预设计

《Microbiome》：Multi-compartment spatiotemporal metabolic modeling of the chicken gut guides the design of dietary interventions

　　

摘要

背景

了解饮食与肠道微生物组之间的相互作用对于确定支持肠道健康的饮食干预措施至关重要。这对家禽尤为重要，因为消除抗生素生长促进剂导致肠道感染令人震惊地增加，并产生重大的经济后果。虽然研究已确定了一些有前景的干预措施，包括益生元、益生菌和有机酸，但这些措施在不同农场和生产系统中产生的结果不一致。这种变异性反映了一个基本挑战：干预效果取决于包括饮食组成和微生物群结构在内的基线条件。计算代谢模型为剖析饮食 - 微生物组相互作用提供了强大的工具，但当前的方法仍然有限，很大程度上忽略了塑造微生物代谢和群落动态的关键参数——消化道的生理参数和空间组织。

结果

我们开发了第一个鸡胃肠道多隔室、时空解析代谢模型。我们的六隔室框架集成了鸟类特有的生理特征，包括通过蠕动和逆蠕动产生的双向流动、具有肠道运动昼夜变化的进食 - 禁食周期，以及特定的隔室环境参数，包括 pH 梯度、氧气水平和转运时间。该模型捕捉到了沿肠道的不同代谢特化，上部隔室富含胆盐水解酶、膜脂质合成和脂肪酸生物合成，而盲肠和结肠群落则专门从事短链脂肪酸合成途径和多糖降解。对 34 种膳食补充剂的计算机筛选揭示了依赖环境的代谢反应，并预测纤维素、淀粉和 L-苏氨酸是短链脂肪酸生产的强力增强剂。一项对照喂养试验证实了模型对丁酸产生的方向性预测，纤维素和淀粉补充剂产生了与预测一致的显著增加。在基于试验信息的两隔室模型中，多种代谢物的定量排序一致性显著改善，表明预测准确性主要由模型中微生物群落组成与体内微生物群落组成的匹配程度决定。

结论

我们的研究结果表明，微生物群落组成是代谢结果的主要决定因素，强调了特定情境建模对精准营养策略的重要性。该框架为理性设计调节家禽肠道微生物代谢的饮食干预措施提供了机制平台，并广泛适用于其他牲畜和人类胃肠道系统。

视频摘要

背景

了解饮食与肠道微生物组之间的相互作用对于确定支持肠道健康的饮食干预措施至关重要。这对家禽尤为重要，因为消除抗生素生长促进剂导致肠道感染令人震惊地增加，并产生重大的经济后果。虽然研究已确定了一些有前景的干预措施，包括益生元、益生菌和有机酸，但这些措施在不同农场和生产系统中产生的结果不一致。这种变异性反映了一个基本挑战：干预效果取决于包括饮食组成和微生物群结构在内的基线条件。计算代谢模型为剖析饮食 - 微生物组相互作用提供了强大的工具，但当前的方法仍然有限，很大程度上忽略了塑造微生物代谢和群落动态的关键参数——消化道的生理参数和空间组织。

结果

我们开发了第一个鸡胃肠道多隔室、时空解析代谢模型。我们的六隔室框架集成了鸟类特有的生理特征，包括通过蠕动和逆蠕动产生的双向流动、具有肠道运动昼夜变化的进食 - 禁食周期，以及特定的隔室环境参数，包括 pH 梯度、氧气水平和转运时间。该模型捕捉到了沿肠道的不同代谢特化，上部隔室富含胆盐水解酶、膜脂质合成和脂肪酸生物合成，而盲肠和结肠群落则专门从事短链脂肪酸合成途径和多糖降解。对 34 种膳食补充师的计算机筛选揭示了依赖环境的代谢反应，并预测纤维素、淀粉和 L-苏氨酸是短链脂肪酸生产的强力增强剂。一项对照喂养试验证实了模型对丁酸产生的方向性预测，纤维素和淀粉补充剂产生了与预测一致的显著增加。在基于试验信息的两隔室模型中，多种代谢物的定量排序一致性显著改善，表明预测准确性主要由模型中微生物群落组成与体内微生物群落组成的匹配程度决定。

结论

我们的研究结果表明，微生物群落组成是代谢结果的主要决定因素，强调了特定情境建模对精准营养策略的重要性。该框架为理性设计调节家禽肠道微生物代谢的饮食干预措施提供了机制平台，并广泛适用于其他牲畜和人类胃肠道系统。

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