科學人剪影

和腸內細菌一起成長的科學家

尼柯森發現,人體與腸道共生菌所分泌的化學物質能透露健康訊息。 將來,疾病的治療目標便是那些細菌。

撰文/溫納
翻譯/張亦葳

科學人剪影

和腸內細菌一起成長的科學家

尼柯森發現,人體與腸道共生菌所分泌的化學物質能透露健康訊息。 將來,疾病的治療目標便是那些細菌。

撰文/溫納
翻譯/張亦葳

尼柯森(Jeremy Nicholson)當初只是想好好做完實驗而已。1981年,這位年輕的生物化學家以核磁共振光譜法(nuclear magnetic resonance spectroscopy)的技術,利用原子核的磁矩特性來研究化學物質。尼柯森特別想要了解的是,紅血球如何吸收致癌的金屬元素「鎘」。他明白,若要得到最好的實驗結果,必須模擬出細胞的天然環境,所以進行試驗前加了幾滴血到細胞上。


尼柯森回想當時的情形:「突然出現一個我們從未見過的強烈信號,並且產生一連串驚人的光譜。」血液或尿液樣本內含數千種代謝物質,能代表體內在特定時間的所有化學反應。他推想,若能辨識出這些物質及其存在的意義,不僅能根據異常的化學反應來深入了解各種疾病,也可找出早期警示徵兆及阻止發病的可能方式。因此他打定主意,這就是他要研究的科學。


現在,51歲的尼柯森成了全球「代謝組」(metabolome,人類代謝化學產物的集合)的一流專家。基因組(genome)提供了人的遺傳訊息,代謝組則進一步揭露基因與環境的互動關係,提供了身體健康方面的概要圖。目前擔任英國倫敦帝國學院(Imperial College London)生物分子醫學系系主任的尼柯森解釋:「基因組就像少了姓名地址的電話簿,基本上那就只是一堆數字;代謝組則讓基因組有了意義。」


但一開始必須先解碼,這不是個容易的任務,需要分析一大群人的血液、尿液、呼吸和排泄。舉例來說,為了找出高血壓的相關化學物質(生物標記),尼柯森跟同事分析了4630個英國、美國及亞洲人士的尿液,並且將受試者的尿液代謝物及血壓資料一一比對,以找出其相關性。


這種研究方法似乎和一般科學研究背道而馳,不是先提出假說再設計實驗,而是直接進行實驗之後,再試著去分析實驗結果。他必須篩選各種條件,包括受試者的基因產生了哪些物質、吃的食物及藥物、患有的疾病,以及腸道共生的細菌。


尼柯森的研究對象主要是那些細菌。它們會影響人體分解食物及藥物的過程,也或許能解釋為什麼食物對每個人有不同的作用。比方說,有些人無法獲得大豆某一成份的益處,因為腸道內缺乏了分解該成份的細菌。要分析我們腸內微生物直接產生了什麼代謝物或許很困難,但是假如化學物質並非來自細胞或食物消化,就會容易許多。


尼柯森對這類化學物質很重視的原因有二,因為目前對它們的了解很少,而且它們之間具有高度相關性。最近的研究顯示,腸內微生物在人體的健康和疾病上扮演了相當關鍵的角色。它們幫助我們吸收營養,並對抗入侵的病毒及「壞菌」;一旦腸道內的菌叢失去平衡(例如在使用抗生素之後),通常就會造成消化系統的不適。事實上尼柯森表示:「幾乎每一種疾病都和腸內細菌有關。」


最為眾人所知的致病性腸道細菌,或許是能引發消化性潰瘍的幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori)。科學家在過去幾年發現,肥胖與兩種優勢腸內菌種的數量過多有關,而且不正常的腸內細菌會造成非酒精性脂肪肝、腸炎以及某些癌症。尼柯森甚至推測,注意力不足過動症、妥瑞氏症候群、自閉症等神經系統疾病也和這些微生物脫不了關係。尼柯森說:「我們現在有證據顯示,如果你沒有好好善待你腸內的細菌,就會嚴重傷害你腦部的化學物質。」他最近跟微生物學家合作,將代謝物和菌種進行配對。存在我們體內的細菌有上千種,且數量超過10兆。


這樣的鑑定工作一直到最近才較為可行。透過排泄物來取得腸內細菌的做法已行之有年,但體外培養始終無法成功,因為這些細菌只存活於強酸性、無氧的環境。多虧了DNA定序技術的出現,科學家現在很容易辨識腸內細菌,而且越來越多人對此感興趣。美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)自去年12月開始進行人體代謝組計畫(Human Microbiome Project),目標之一就是要完全了解腸內細菌的特性。


尼柯森說,一旦研究者找出代謝物與疾病的關聯性,有朝一日便能研發出類似驗孕棒般的檢驗棒,定期檢測我們的腸內細菌是否健康。某些公司已經在販賣有助於維持腸內正常菌叢的產品,包括益生菌(probiotic,活菌體)、益菌素(prebiotic,促進益生菌生存繁殖的成份),以及兩者混合的製品。很不幸的,這些醫療產品都被列為「機能性食品」,而甚少進行臨床測試。唯一的例外是馬里蘭州蓋瑟士堡VSL醫療公司的VSL #3,這是含有八種不同菌種的混合物,經由雙盲、有安慰劑對照組的臨床測試,證實可以有效治療潰瘍性結腸炎以及腸躁症。…


【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2008年第78期8月號】