随着微生物组的研究不断深入，人们发现微生物可以通过产生各种代谢产物来影响人体健康与疾病。当前有许多研究者正在积极探索对人体健康有益的代谢产物（也被称为后生元）。
我们并非孑然一身。包括细菌、真菌在内的多种微生物定植在人体内外，这些微生物的集合构成了庞大的人类微生物组。近年来，人类微生物组研究呈爆炸式增长，揭示了微生物组在人类健康与疾病中的关键作用。随着对人类微生物组的理解逐渐加深，科学家们开始研究如何改善微生物组以促进人类健康。
一种名为10-羟基-顺式-12-十八碳烯酸（10-hydroxy-cis-12-octadecenoic acid，hya）的微生物代谢物引领了研究前沿。2021年，日本noster公司以cumec品牌的形式推出了一款名为“hya-50”的产品，用于改善血糖调节能力、减少肥胖。noster及其控股公司日本日东制药的首席执行官kohey kitao表示：“2021年cumec品牌的推出代表着从京都大学的jun ogawa发现hya以来20年探索之旅的顶点。实际上，近年来，我们对肠道微生物组代谢物的研究在很大程度上是基于以前日东制药对微生物的深入探索。从这个角度来说，这是一个近70年的征程。”
日东制药的创始人最初把目光放在享誉国际的京都饮食文化上，研究食用味噌、泡菜和shojin ryori（一种佛教素斋）如何影响肠道细菌。这些研究推动了一系列益生菌产品的开发，其中许多产品至今仍在市场上销售。后来，日东制药利用海量的肠道细菌库挖掘更多有关肠道细菌脂质代谢的信息。自此，noster公司应运而生，并成为“后生元（postbiotics）”这一新兴概念的先驱。
“后生元”的诞生
虽说noster公司在微生物方面有多年的经验，但kitao初次接触肠道细菌代谢物是在2010年的横滨biojapan大会上——参与了京都大学jun ogawa教授的演讲。“ogawa教授讲述了微生物代谢的功能。” kitao回忆道。
后来，kitao决定与ogawa共同合作研究微生物对人类健康的益处，肠道细菌代谢物是他们研究的课题之一。kitao说：“我当时对一种名为hya的特殊脂肪酸很感兴趣，这种脂肪酸是在研究肠道细菌的亚油酸-油酸代谢途径时发现的。”
早在1998年美国石油化学家协会会议上，ogawa就接触到了肠道微生物代谢物。ogawa说：“会上有人讲到了一种名为共轭亚油酸（cla）的功能性脂肪酸。演讲者说，食物中丰富的亚油酸可转换为cla，这种物质可能对人类健康有益。”肠道微生物在亚油酸转化为cla的过程中发挥了关键作用，这使得ogawa开始在实验室探索用微生物生产cla的方法。“这项工作为如今的后生元奠定了基础。” ogawa说。在接下来的几年里，ogawa为脂质类后生元研究做出了一系列贡献。
ogawa最初研究的课题是“乳酸菌如何将亚油酸代谢为cla”。为了找到答案，他请实验室里的一名学生进行实验。这名学生此前致力于用发酵法生产花生四烯酸（一种具有生物活性的多不饱和脂肪酸）。
首先，ogawa让该学生利用类似的方法生产亚油酸衍生的脂质代谢物。学生成功地观察到乳酸菌可以生产cla，但故事还没结束。当他们用与分析花生四烯酸相同的方法分析亚油酸衍生物时，得到了一个令人出乎意料的结果。
“这个方法非常耗时，”ogawa说，“通常我们会在观察到cla信号峰之后的5分钟左右停止分析。不过，我的学生很有耐心，他以前需要花很长时间等待花生四烯酸的产生。因此，他习惯性地多等了30分钟，就像在分析花生四烯酸一样，然后他惊讶地观察到了新的峰值。”
后续研究表明，这个新峰值指示了一种新的代谢物——hya。ogawa发表了研究结果1-4，并重新调整了研究目标，将重点放在hya及其在肠道微生物亚油酸代谢中的作用，后续还探索了hya对生理功能的影响5-7。
“为了阐明hya及相关代谢物的代谢途径，我们需要与营养、制药和医学方面的专家合作，” ogawa说，“这项研究的幕后驱动者是kohei kitao，他注意到了hya在医疗保健方面的潜力，并着手建立研究网络，以促进hya的跨学科研究。日本理化研究所（riken）、庆应义塾大学（keio university）的makoto arita也参与了这项研究，他在质谱方面的专业知识对解析代谢物至关重要。”
研究团队从多个方面揭示了hya对健康的潜在益处，包括保护肠道屏障5、预防肥胖和糖尿病6、改善炎症以及调节免疫系统7。这些发现巩固了hya作为“后生元”的地位，但关于其作用机制还存在一些问题。
ogawa正在研究能否利用hya等后生元实现一箭双雕，即在控制疾病的同时改变肠道菌群的组成。这一想法基于ogawa的法国同事maarten van de guchte提出的一个观点：改变微生物-宿主平衡有望将二者的关系推向有助于健康的“另一种平衡”8。也就是说，后生元也许可以通过“驯化”肠道微生物进一步维持宿主健康。
“在对肠道微生物组中的特定代谢物进行研究时，或许可以顺藤摸瓜，寻找新的治疗靶点。对这些靶点进行干预或可帮助我们促进肠道健康、预防慢性疾病，” ogawa说，“这是一个令人着迷的研究领域，可以扩展我们对hya及其他肠道微生物代谢物的理解。”
探索庞大的脂质代谢物世界并非易事。庆应义塾大学人类生物学微生物组量子研究中心（human biology microbiome quantum research center）核心主任、医药学教授、理研综合医学中心（riken center for integrative medical sciences）组长makoto arita正在开发先进的脂质组学分析方法。他已经与kitao和ogawa合作多年，帮助他们分析肠道微生物产生的hya和其他代谢物。
“我的目标是阐明与炎症和组织稳态相关的脂质结构与功能，” arita说，“我们正在使用液相色谱质谱（lc-ms）分析肠道微生物产生的功能性代谢物。”
随着研究人员对后生元的不断挖掘，创建统一的实验标准有助于推动领域发展，使全球科学家有机会共同探索这些新的分子。利用ogawa和noster公司提供的样品，arita及其同事对45种高纯度“标准”脂肪酸进行了分析，这些脂肪酸是肠道微生物在代谢食物脂肪酸的过程中产生的。这些标准品对于鉴定未知样品中的代谢物非常重要9-11。将noster公司的高纯度标准品与arita的lc-ms/ms分析结合，有助于对具有相似结构的分子进行注释。借助合作的优势，kitao在2022年启动了noster公司的代谢组和肠道微生物组分析服务。
过去三年，arita及其同事在脂质组技术方面取得了巨大的进步9-11。他们将非靶向质谱与基于特征的分子光谱网络相结合，对肠道微生物组的脂质代谢物进行结构分析，以预测哪些细菌最有可能产生特定的脂质。
此外，arita还强调了代谢组学软件的重要性。他在riken的团队开发了ms-dial软件12。“对于需要可靠且高效的软件来处理和分析代谢组数据的研究人员来说，ms-dial是一款宝贵的工具。” arita说。
最新的ms-dial工具包兼容maldi（基质辅助激光解吸/电离）和im-ms（离子迁移谱-质谱），能够以高灵敏度和高分辨率分析复杂的生物样本。“我们可以提取生物样本中特定分子的空间位置数据，” arita说，“这为制作多维脂质组图谱提供了大量信息。”
空间图谱是利用maldi成像实现的。在maldi成像过程中，激光束会扫描样本表面，产生的离子会由质谱仪分析，并生成样本内分子分布图谱。研究人员可以借助该图谱圈定感兴趣的样本区域，研究不同分子之间的空间关系。
技术革新只是一个开始，arita希望能够继续与noster公司和ogawa的合作，探索后生元结构和功能的奥秘。“未来还有更多值得期待的研究。”
走向临床
kitao计划从三个方向继续探索肠道微生物组对健康的益处。第一个方向是扩展noster公司独有的肠道细菌与发酵微生物文库，目前该文库囊括了2000种微生物。kitao准备以每年500个菌株的速度将文库中记录的微生物增加到10000个左右。这将为改善人类微生物组、理解其对健康影响提供更多候选的研究对象，帮助人们找到更多对健康有益的微生物。
第二个方向是建立长期且强有力的全球凯发k8官网下载客户端中心的合作伙伴关系，建立针对肠道微生物组的新型医疗平台。“我们已经成功与日本研究人员建立了稳固的伙伴关系，”kitao说，“下一步是面向全球，与海外专家结成国际联盟。noster公司还与science出版集团共同设立了noster & science微生物组奖，并与获奖者建立了合作。”
第三个方向是利用细菌的功能特性生产具有生物活性的医疗产品以及类似hya的后生元产品。kitao目前开展的一个项目是利用从人类肠道中分离出来的、难以培养的厌氧杆菌开发能够治疗动脉粥样硬化和冠状动脉疾病的新药。
与不患冠状动脉疾病的人相比，患者肠道中的厌氧杆菌较少。研究发现，把厌氧杆菌喂给患有心脏病的小鼠可以缓解它们的动脉粥样硬化。kitao说：“这些发现有助于我们开发治疗这类疾病的药物。”
面向临床应用，未来还有很多路要走。noster公司正在与神户大学（kobe university）进行合作，开展hya临床试验，初步结果预计将于2023年的夏天产出。如果获得批准，hya将是首个被纳入药物监管的微生物代谢物。