消失的微生物 第十三章而且……更胖 第二节
发布人：奥姆龙 时间：2021-01-28 阅读：1736
劳瑞进行了下一步的实验，专门研究小鼠在什么时候开始变胖。我们知道小鼠出生之后就开始迅速生长。它们是从幼年起就开始不断增重呢，还是要过一段时间？实验结果表明，在雄性小鼠里，实验组与对照组的差别从第16周开始明显，而在雌性小鼠里，要等到第20周（对小鼠来说，这已是中年）。但是无论对于雄性还是雌性，一旦体重增加，多出来的脂肪就会保持一辈子。
随后，劳瑞研究了在这些年幼的小鼠体内哪些细菌更为普遍。在第4周，对照组的小鼠体内主要是乳酸杆菌，这是从母亲的阴道里接种来的。这并不奇怪，因为在这个阶段，它们刚刚断奶，无论对于小鼠还是人，在这个时期乳酸杆菌都占了大多数。
但是在亚临床剂量抗生素处理组里，大多数乳酸杆菌都不见了，取而代之的是其他类型的细菌。既然身体组成的变化在16周之后才出现，而寄生的微生物从第4周就已经出现差异，我们做出了一个重要的观察：微生物群系的变化早于身体组成的变化。
我长期的同事与朋友杰夫•戈登（Jeff Gordon）在华盛顿大学圣路易斯分校做了许多出色的工作，这些工作也为我们的发现提供了新的洞见。杰夫是微生物群系研究领域的泰斗，多年来集中研究肠道的发育与功能。杰夫的研究团队利用的是一种缺失了瘦蛋白基因的小鼠（被称为ob/ob小鼠）。这些小鼠无法合成瘦蛋白激素（瘦蛋白激素在正常小鼠体内的功能是调控食欲与饮食，并帮助大脑决定该储存还是使用能量），所以都变得特别肥胖。杰夫和他的研究团队求证的第一个问题是，ob/ob小鼠与它们正常的兄弟姐妹相比，体内的微生物组成是否不同。回答是肯定的，每种类型的小鼠有着独特的肠道微生物群系。
他们求证的第二个问题是，这些微生物是否执行了不同的代谢功能。他将肥胖的ob/ob小鼠和正常小鼠体内的肠道微生物分别接种到了无菌小鼠里。在接种前，这些无菌小鼠的肠壁更细，细胞更少，而且体重增长也较慢。但是当无菌小鼠重新获得了肠道微生物之后，它们的长势如何呢？杰夫的发现引起了全世界的关注：接种了肥胖小鼠的肠道微生物之后，无菌小鼠的体重开始增加，而且比对照组小鼠体重增加的速度更快。
不过，仍有一些事需要考虑：杰夫的实验中使用的小鼠本来就具有遗传缺陷，它们从一开始就容易肥胖。这是肥胖的首要原因，微生物群系的变化只是次要原因。虽然杰夫的研究团队优美地刻画了肥胖对微生物群系及其功能的影响，但我认为，他们并没有触及肥胖的根本原因。此外，无菌小鼠固然为检测关于免疫与代谢的特定假说提供了良好的系统平台,但是它们是完全人为制造的。不过，虽然没有天然的无菌小鼠，我们依然学到了微生物与宿主之间相互作用的许多基本原理。
在我看来，抗生素对早期微生物群系的干扰可能是正常个体中宿主代谢发生改变的主要原因（两年之后，我们才有了更确切的证据）。
接下来，我们要考察的问题是，如果将亚临床剂量抗生素处理小鼠与高脂肪的饮食结合起来，将会发生什么。众所周知，孩子们的饮食在过去几十年里变得越来越丰富——无论是含糖饮料，还是高脂肪食物，所含能量越来越高。今天的儿童比一两代人以前的儿童平均摄入的能量要高得多。我们知道，小鼠摄入高能量饮食时会变得更胖，那么，亚临床剂量抗生素处理对于高脂肪的饮食有什么影响，是增加、减缓抑或没有作用呢？
劳瑞将这组实验命名为“高脂食物+亚临床剂量抗生素处理”（FaiSTAT）,实验结果再次让我们为之一振。如我们所预期的那样，高脂食物喂养的小鼠比普通食物喂养的要更胖，但是添加了抗生素依然引起了显著的改变。我们成功地模仿了现代农场里喂养动物的做法。当抗生素与高热量食物组合起来，雄性的体重较仅食用高脂食物的小鼠增加了10%,肌肉与脂肪的含量都有增加。但是最令人震惊的区别在于脂肪含量——雄性当中增加了 25%,雌性当中增加了100%。仅摄入了高脂食物的雌性增加了大约5克的脂肪，而接受了双重处理（高脂食物及抗生素）的雌性增加了 10 克的脂肪，多了一倍。这个量不容小觑，尤其是考虑到小鼠的体重只有20〜30克。
因此，抗生素起了作用，高脂食物也起了作用，但是当 二者加起来，作用却不只是叠加，而是协同作用(synergis¬tic), 即1 + 1>2。对雌性小鼠，接触抗生素开启了一个开关，将食物中多余的能量转换成脂肪；而在雄性里，则同时转换成了脂肪与肌肉。我们还不知道造成性别差异的原因。尽管如此，这些观察与下述理论吻合：现代的高热量食物本身并不足以解释蔓延的肥胖症，抗生素的使用也起了推波助澜的作用。
接下来我们探究的是一个简单的问题，这要归功于劳瑞的论文委员会的建议。截至目前，实验动物的一生都维持着亚临床剂量的抗生素处理。那么，只持续几周的抗生素处理是否仍然足以带来长期性的体重增加？对于我们孩子的未来，这是一个极为重要的问题。如果只有终生接受抗生素治疗才能引起体重的增加，这可能与我们的孩子没太大关系，一辈子都服用抗生素的人毕竟极少。但是如果短期接触抗生素就足以引发肥胖，那么这与我们的现实生活就更相关，也就可能解释当前蔓延的肥胖症。大多数儿童在耳部或者呼吸道感染的时候，都曾短暂接触过抗生素。2011年3月，劳瑞开始了“亚临床剂量抗生素处理的持久性”(DuraSTAT)实验。之所以如此命名是因为我们检测的是短时间的抗生素接触是否会引起增重的效果、效果有多持久。她将小鼠分为4组：没有抗生素处理的，作为对照组；亚临床剂量抗生素处理4周，然后停止；亚临床剂量抗生素处理8周，然后停止；最后一组是亚临床剂量抗生素处理持续整个实验周期。所有的小鼠都在第6周进食高脂食物，以观察区别。鉴于我们之前“高脂食物+亚临床剂量抗生素处理”的实验结果，劳瑞将研究集中于雌性小鼠。
不出所料，在整个实验周期一直接触抗生素的小鼠比起对照组的体重有所增加。但是接触了4周或8周的抗生素与接触了 28周的抗生素引起的效果一样。与对照组相比，摄入了青霉素的小鼠体重增加了10%〜15%,脂肪含量增加了 30%〜60%。换句话说，生命早期接触亚临床剂量抗生素处理足以带来终生的影响，小鼠的发育过程改变了。亚临床剂量抗生素处理持久性实验的结果并不完全等同于高脂食物+亚临床剂量抗生素处理的结果，它们的实验条件也不一致。因此无法直接比较两者——有效的比较只能在各个实验之内进行。在科学探索中，这是一个重要的问题。有些同行陷入了 “不当比较”的误区——如果某些没有考虑到的条件改变了，这样的比较就是没有意义的。但是对我们来说，两组试验得出了完全一样的趋势：早期接受了亚临床剂量抗生素处理的小鼠的发育过程被永久性地改变了。
接下来我们决定研究微生物群系本身。劳瑞无比认真地收集了细小的粪样——每只小鼠，一天一次。她已经收集了几千支玻璃试管，按每盒100只装进白色盒子里。每支试管都是一次样品，需要大约2万支试管才够0.5千克。由于它们携带的信息里隐藏的秘密，这比同等质量的黄金还要珍贵。
劳瑞对数百个样品进行了测序分析，推断其中的DNA 组成，并了解微生物群系的组成结构（再次借用警察与教师的比例这个比方，不过这一次我们研究得更为细致），比如税务律师、出租车司机、动物标本制备师等所占的比例。
她首先关注的是刚刚断奶的3周大的小鼠，对接受了青霉素的处理组与没有接受抗生素的对照组进行了比较。虽然两组的微生物群系在结构上有部分重合，但它们是截然可分的。这正是我们所预期的：抗生素改变了肠道内的微生物群系结构。
然后她研究的是从8周大的小鼠身上取得的粪样。现在我们有了三组不同的小鼠：对照组（未经抗生素处理）小鼠、在第4周就停止了摄入抗生素的小鼠、连续8周一直在摄入抗生素的小鼠。如我们预期的那样，接受了8周抗生素的小鼠与对照组相比，体内的微生物群系结构差异比它们3 周时的更大。抗生素确实是有效的。但是在第4周就停用了抗生素的小鼠与对照组相比，几乎没有什么区别——它们几乎完全重合。这意味着4周的抗生素使用对微生物群系结构的影响是暂时性的。结果非常清楚。但是，别忘了，这些小鼠增加的脂肪与连续8周摄入抗生素的小鼠增加的脂肪一样多。这暗示着，生命早期短暂接触过抗生素可以干扰体内微生物的组成，而且，即使这种干扰本身是暂时的，它们的后果却是终生性的。
这是一项重大发现。我相信，我们孩子身上发生的正是这种情况。在小鼠身上，在关键的早期阶段对微生物的干扰足以改变宿主的发育过程。正是这个实验说服了我抗生素有可能改变了发育过程。当然，发育是一个多维度的事件：它既有代谢的一面，如我们的小鼠实验所揭示的这样，也有免疫、认知能力的方面。随着婴儿的成长，即使是在他们睡眠过程中，他们体内的微生物群系也在塑造着他们后期发育的基础。在发育的关键阶段，即使是暂时的感染也会带来巨大的改变。
但是作为科学家，我们需要不断拓展理论，了解更多细节，发现运行的机理。我们需要回答这个看似简单的问题：它是怎么工作的？为什么早期接触了抗生素如此重要？这是由于它对微生物的作用，还是因为青霉素有其他方面的效果，比如直接与小鼠的身体组织作用，与微生物却毫无关系？如同许多之前所做的实验，包括杰夫-戈登课题组的工作，我们将要尝试着在小鼠之间移植微生物来回答这些问题。
回忆一下我们之前的问题：体重的增加是由于抗生素的直接作用呢，还是由于抗生素影响了体内寄居的微生物？我们假定这是由于微生物，但是假定不等于证明。为了回答该问题，我们需要做的是将亚临床剂量抗生素处理过的小鼠或者对照组小鼠体内的微生物转移到中性条件下，然后观察受体小鼠的反应是否有区别。如同杰夫，我们选择以无菌小鼠作为这个中性条件来进行研究。
我们购买了 15只无菌雌性小鼠，2011年8月下旬它们抵达了我们的实验室，装在三个大塑料囊里，各有5只。它们3周大，刚刚断奶。提供小鼠的公司告诉我们，这些小鼠可以在这种大塑料囊里维持无菌状态达72个小时，这足够我们开始实验了。我们称之为“移植亚临床剂量抗生素处理实验”(TransSTAT),这是因为我们将把亚临床剂量抗生素处理过的小鼠体内的微生物群系转移到受体小鼠里。
劳瑞从她的亚临床剂量抗生素处理持久性的实验里选择了 6只18周大的小鼠：3只作为对照组，另外3只持续摄入抗生素。她从每只小鼠身上都采集了盲肠样品，分成两组: 一个是对照组，另外一个是亚临床剂量抗生素处理组。这些盲肠样品里有些微生物对氧气敏感，哪怕一丁点的接触都会让它们丧命。多亏了劳瑞扎实的细菌学训练，这些微生物才得以存活，然后将样品移植到每一只无菌小鼠的胃里。7只无菌小鼠接受了对照组里的粪样，另外8只接受了亚临床剂量抗生素处理过小鼠的粪样。对你我而言，将粪样引入胃里听起来格外恶心，但是小鼠们却有食粪癖(coprophagic) 它们经常吃自己或其他小鼠的粪便。
现在，这些小鼠不再是无菌的了。它们被“重新接种上 了微生物”，开启了新生活。我们继续追踪了 5周，定期获取粪样，并进行必要的测量，包括对每一只小鼠进行4次 DEXA扫描。我们没有再对它们喂食更多的抗生素。所有的小鼠都在同等条件下喂养，它们的区别仅仅在于最初接种的微生物不同。
不出所料，在它们的生长阶段，所有小鼠的体重都在增加。不过，接受了亚临床剂量抗生素处理组微生物移植的小鼠增重更多，比对照组小鼠的脂肪含量也更高。而且这种差异相当可观：与对照组小鼠相比，实验组小鼠平均增重多出了10%,脂肪含量多出了40%。
这些实验表明，亚临床剂量抗生素处理改变了微生物群系，进而诱导了发育的变化——而且，仅仅是移植变化之后的微生物群系本身，便可以改变受体宿主的发育过程。
网络转载《消失的微生物》作者马丁•布莱泽。