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肠道中的数十亿细菌可能有助于调节从消化食物的能力到免疫系统功能的各个方面。但科学家很少知道这个被称为微生物组的系统如何随着时间而变化,甚至是“正常”系统的变化。现在,研究全球数千人的肠道细菌的研究人员得出了一个结论:微生物组是一个难以置信的精确生物钟,能够预测大多数人的年龄,误差只有几年。

为了发现微生物组随着时间的推移如何变化,位于马里兰州罗克维尔人工智能创业公司InSilico Medicine的长寿研究员Alex Zhavoronkov及其同事检查了全球1165名健康人的3600多个肠道细菌样本。在样本中,约三分之一来自20至39岁的人,另外三分之一来自40至59岁的人,最后的三分之一来自60至90岁的人。

然后科学家们使用机器学习来分析数据。首先,他们训练了计算机程序 - 一个深度学习算法,松散地模拟神经元如何在大脑中工作 – 基于90%样本的95种不同种类细菌,这些细菌来自不同年龄层。然后,他们要求算法预测剩余10%的人的年龄。他们发表在预印本服务器bioRxiv上的研究表示,这个程序能够准确预测某人的年龄,相差只有4年。在95种细菌中,39种被发现在预测年龄方面最重要。

Zhavoronkov和他的同事们发现,随着人们年龄的增长,一些微生物变得更加丰富,如Eubacterium hallii,被认为对肠道新陈代谢很重要。其他微生物则少了,如普通菌(Bacteroides vulgatus),它与溃疡性结肠炎有关,溃疡性结肠炎是消化道中的一种炎症。研究老龄化的哈佛大学生物学家Vadim Gladyshev说,饮食、睡眠习惯和身体活动的变化可能会导致细菌种类的这些变化。

Zhavoronkov说,这种“微生物衰老时钟”可用作测试人体肠道衰老速度或快慢的基线,以及酒精、抗生素、益生菌或饮食等因素对寿命的影响。它还可以用来比较健康人和患有某些疾病的人,比如老年痴呆症,看看他们的微生物组是否偏离常规。

如果这个想法被证实,它将与其他生物标记一起被科学家用来预测生物年龄,包括端粒的长度——与年龄有关的染色体尖端——以及一个人一生中DNA表达的变化。将新的衰老时钟与其他时钟相结合,可以更准确地描绘出一个人真正的生物年龄和健康状况。它还可以帮助研究人员更好地测试某些干预措施(包括药物和其他治疗方法)是否对衰老过程产生任何影响。 “你不需要等到人死了才行长寿实验。”Zhavoronkov说。

美国肠道计算机科学家、微生物组研究人员、加州大学圣地亚哥分校微生物组创新中心主任Robin Knight表示,通过肠道微生物组来预测一个人的年龄的想法“非常合理”,而且研究衰老的科学家对此非常感兴趣。他的团队正在分析来自美国肠道项目(American Gut Project)的1.5万个样本,该项目是他创立的一项全球微生物学研究,目的是开发类似的年龄预测因子。

但他补充说,开发这种时钟的挑战之一是,世界各地人们的肠道中存在的细菌有着巨大差异。奈特说:“在明显不同的人群中重复这类研究非常重要”,以确定不同人群中是否存在明显的衰老迹象。

他说,人们还不知道微生物组的变化是否会导致人们衰老得更快,或者这些变化是否只是衰老的副作用。 InSilico Medicine正在建立几个基于机器学习的衰老时钟,可以与微生物组相结合。“年龄是各种疾病的重要参数。”Zhavoronkov说,“每一秒我们都在变老。”

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