為什么抗生素使得動(dòng)物們更肥更胖？我們打算在實(shí)驗(yàn)室里模擬出農(nóng)場(chǎng)動(dòng)物體重與身高的增加，然后分析這一現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理。要解答這個(gè)問(wèn)題需要一個(gè)相當(dāng)規(guī)模的團(tuán)隊(duì)。幸運(yùn)的是，我遇到了多位科學(xué)家，他們發(fā)揮了關(guān)鍵作用：周義盛 (Ilseung Cho)是一位腸道方面的實(shí)習(xí)醫(yī)生；勞瑞?考克斯 (Laurie Cox)是一位研究生，她的研究課題以小鼠為模式生物，自14歲起，她就在父親的公司里培養(yǎng)細(xì)菌，為醫(yī)院的細(xì)菌實(shí)驗(yàn)室提供樣品；還有一位大學(xué)生耶爾?諾貝爾(Yael Nobel) o沒(méi)有這些人的聰明才智與兢兢業(yè)業(yè)，我的假說(shuō)無(wú)法得到檢驗(yàn)。與此同時(shí)，許多人也加入了探索的行列，包括暑期來(lái)進(jìn)行獨(dú)立研究的高中生和大學(xué)生，還有來(lái)自世界各地的訪問(wèn)學(xué)者。
       2007年，經(jīng)過(guò)了多次嘗試，我們終于建好了模型。于是我們開(kāi)始了第一批完整的實(shí)驗(yàn)：在喂食小鼠的飲用水里添加4種低于臨床治療劑量的抗生素，完全模擬牧場(chǎng)里的做法。我們稱之為亞臨床劑量濃度抗生素處理實(shí)驗(yàn)(subthera- peutic antibiotic treatments, STAT) o 我們的實(shí)驗(yàn)只在雌性小鼠中進(jìn)行，因?yàn)樗鼈儾幌裥坌阅菢觿×曳纯?，使得工作更容易進(jìn)行。最初的結(jié)果并不令人振奮：亞臨床劑量抗生素處理小鼠與對(duì)照組之間并無(wú)體重的差異。
       當(dāng)周義盛的研究課題委員會(huì)得知小鼠的體重并未增加的 時(shí)候，一位專家問(wèn)道：“它們的身體組成有沒(méi)有變化?"他問(wèn)的是脂肪、肌肉及骨骼含量。我們一頭霧水。
       “你們?yōu)槭裁床贿M(jìn)行DEXA分析呢?”他問(wèn)道。
       DEXA是什么？它是雙能量X射線吸收骨質(zhì)密度儀 (Dual-energy X-ray absorptiometry) o DEXA分析是用來(lái)檢測(cè)女性骨質(zhì)并預(yù)防骨質(zhì)疏松癥的一項(xiàng)測(cè)試，但同樣可以檢測(cè)身體內(nèi)脂肪及肌肉含量。
       事后來(lái)看，這個(gè)建議至關(guān)重要。我們發(fā)現(xiàn)，4組亞臨床劑量抗生素處理小鼠比對(duì)照組的脂肪含量高15%,這個(gè)差別不可能是隨機(jī)事件。
       這是我們得到的第一份證據(jù)，它表明抗生素改變了代謝，并影響了身體組成。亞臨床劑量抗生素處理小鼠合成了更多的脂肪，但肌肉含量與對(duì)照組相當(dāng)。我們還獲得了一個(gè)意外發(fā)現(xiàn)：從第7周開(kāi)始，也就是攝入抗生素3周之后，小鼠骨骼的生長(zhǎng)速度明顯加快。更多的骨骼形成暗示著它們將長(zhǎng)得更大、更長(zhǎng)、更高。但是到了第10周，所有小鼠的骨骼質(zhì)量都差不多了。也就是說(shuō)，抗生素對(duì)骨骼的影響僅在早期比較明顯。在本書后面，我將提到后續(xù)實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)了，某些對(duì)骨骼的影響是終身性的。再一次，這種效果并不局限于某一種抗生素——如果它果真如此，那我們也許會(huì)認(rèn)為這是該抗生素的副作用，但是這種效果在所有的抗生素里都有出現(xiàn)。我們的工作支持了下述觀點(diǎn)：除了更好的營(yíng)養(yǎng)與清潔的水源，抗生素的使用可能也促進(jìn)了人類身高的增長(zhǎng)。
       現(xiàn)在，我們有了證據(jù)表明亞臨床劑量抗生素處理改變了早期發(fā)育。不過(guò)，我們依然沒(méi)有理解這些變化發(fā)生的機(jī)制。添加的抗生素如何影響了發(fā)育呢？什么使得動(dòng)物們發(fā)胖?而早期骨骼迅速生長(zhǎng)？我們推測(cè)，藥物可能改變了腸道微生物的組成。因此，我們首先觀察的是小鼠的糞便。糞便代表了腸道活動(dòng)的終產(chǎn)物，而且我們可以每天都對(duì)每只小鼠的糞便進(jìn)行單獨(dú)取樣。這些糞樣方便了我們對(duì)同一批小鼠進(jìn)行追蹤，并對(duì)不同抗生素處理(包括無(wú)抗生素處理)或者不同飲食的小鼠進(jìn)行比較。
我們同樣研究了結(jié)腸上端，也就是盲腸里的微生物。當(dāng)然，這需要犧牲掉小鼠。盲腸的成分對(duì)我們的研究非常重要，因?yàn)樗梢愿嬖V我們哪些微生物在體內(nèi)生活著，而不僅僅是在排出的糞便里。由于必須通過(guò)外科手術(shù)才能進(jìn)行盲腸取樣，每只小鼠只有一次取樣的機(jī)會(huì)，取樣之后，小鼠就犧牲了。在小鼠與人體里，大多數(shù)的腸道物質(zhì)，無(wú)論是在結(jié)腸里還是在糞便里，都是未消化的纖維、水分和細(xì)菌。DNA幾乎都是細(xì)菌的。我們進(jìn)行了16S核糖體RNA (16S rRNA)分 析，以期獲得全部細(xì)菌的組成信息。
所有的細(xì)菌都包含編碼16S rRNA的基因，這樣才能組 裝成完整的核糖體來(lái)合成蛋白質(zhì)。雖然所有的細(xì)菌都具有這些基因，但是不同種類細(xì)菌的基因序列中卻彼此不同。舉例而言，大腸埃希菌的16S rRNA基因與金黃色葡萄球菌的 16S rRNA基因就不同，這反映的是演化歷程中的差異。通過(guò)測(cè)序，我們可以獲得所有細(xì)菌的16S rRNA基因序列，從而知道“誰(shuí)在那里”。這類似于在紐約或者芝加哥進(jìn)行人口普查，我們可以詢問(wèn)有多少教師、律師、警察、學(xué)生等等。 在這里，我們?cè)儐?wèn)的是梭狀芽泡桿菌、類桿菌屬、鏈球菌屬等數(shù)千種細(xì)菌各有多少?；谶@些普查結(jié)果，我們便可以回答一系列重要的問(wèn)題。
       首先，亞臨床劑量抗生素處理改變細(xì)菌的多樣性了嗎？換言之，接受了抗生素處理的小鼠與對(duì)照組小鼠相比，體內(nèi)的微生物多樣性是否一樣？雖然兩份樣品里可能都會(huì)有許多的教師、學(xué)生和警察，因?yàn)檫@些職業(yè)非常普遍——但兩份樣品里是否也具有同樣多的公證人、鋼琴調(diào)音師等稀有職業(yè)？還是說(shuō)，這些稀有職業(yè)已經(jīng)不見(jiàn)了？
我們發(fā)現(xiàn)，亞臨床劑量抗生素處理對(duì)微生物多樣性并沒(méi)有明顯的作用，這可能是由于劑量太低。接著剛才的職業(yè)類比，在亞臨床劑量抗生素處理組與對(duì)照組中有同樣數(shù)目的 “職業(yè)”。
       不過(guò)，微生物群系的組成呢？繼續(xù)借用職業(yè)的類比，教師、警察與不同職業(yè)之間的相對(duì)比例是否有差異呢？我們可以進(jìn)行人口統(tǒng)計(jì)來(lái)回答這個(gè)問(wèn)題。比如說(shuō)，我們可能預(yù)期紐約與芝加哥在職業(yè)分布上更接近，而德黑蘭或者北京的職業(yè)分布差別要大得多。在腸道微生物組里，我們發(fā)現(xiàn)的正是后者。
由此，事情變得有趣起來(lái)。亞臨床劑量抗生素處理改變了腸道微生物群系的組成，糞便樣品及盲腸樣品都支持這一發(fā)現(xiàn)。無(wú)論是正常劑量的抗生素，還是亞臨床劑量的抗生素，它們都改變了微生物群系的組成。
       但是細(xì)菌的功能是否也被抗生素改變了？回答依然是肯定的。你吃進(jìn)去的大多數(shù)食物在小腸里被消化吸收，到達(dá)大腸的殘余食物基本上都難以消化。但是在這里，細(xì)菌可以幫你一把。要知道，大腸里的某些細(xì)菌可以消化這些物質(zhì)，并分泌出短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA),后者可以被結(jié)腸吸收。這些短鏈脂肪酸相當(dāng)于每日膳食里5%? 15%的能量。如果你體內(nèi)的微生物從這些“難以消化”的食物里汲取能量的效率更高，那么，你將會(huì)得到更好的營(yíng)養(yǎng)， 可能也會(huì)更胖。
我們測(cè)量了盲腸里短鏈脂肪酸的濃度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，亞臨 床劑量抗生素處理小鼠中的濃度顯著高于對(duì)照組的濃度。這 意味著亞臨床劑量抗生素處理小鼠在早期組織發(fā)育的時(shí)候， 從它們體內(nèi)的微生物那里獲得了更多的能量。
       下一步我們研究的是肝臟身體里最重要的代謝器官。它將腸道吸收的物質(zhì)，包括短鏈脂肪酸，轉(zhuǎn)化成有用的產(chǎn)物，包括蛋白質(zhì)、用于提供能量的糖類和淀粉類，以及用于儲(chǔ)存能量的脂肪。我們比較了亞臨床劑量抗生素處理小鼠與對(duì)照組小鼠肝臟里的基因表達(dá)水平。事實(shí)如我們所料一亞臨床劑量抗生素處理小鼠的肝臟上調(diào)了一些基因的表達(dá)， 包括脂肪合成基因以及將脂肪轉(zhuǎn)運(yùn)至外周組織所需的基因——肥胖動(dòng)物里肥嘟嘟的贅肉就是儲(chǔ)藏在外周組織的脂肪。我們知道亞臨床劑量抗生素處理小鼠積累了更多的脂肪，而它們不是憑空產(chǎn)生的。肝臟填補(bǔ)了這個(gè)理解上的空 白——它是獲取能量的腸道與儲(chǔ)存脂肪的組織之間的戰(zhàn)略樞紐。

網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載《消失的微生物》作者馬丁?布萊澤。