编者按：

多项研究表明，运动与微生物组的改变具有相关性，运动员与普通人的肠道菌群存在一定的差异。2019 年，发表在 Nature Medicine 杂志上的一项研究更是发现，韦荣球菌属或许与运动表现有关，那么微生物真的可以改变运动表现吗？

今天，我们特别编译发表在 Nature Outlook 杂志上的关于微生物组与运动表现的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些帮助与启发。

2015 年波士顿马拉松比赛的前一周，当时在波士顿哈佛医学院遗传学家 George Church 实验室做博后的 Jonathan Scheiman 雇了一辆车在城市里到处跑——为了收集粪便。他收集了计划参加比赛的跑步选手的粪便样本，也收集了一些非跑步选手（主要是他的同事们）的粪便样本。在比赛之后，他再一次拜访了那些捐赠者，以收集更多样本。

四年后，他的努力得到了回报，他发表了一篇论文，该文首次建立了我们肠道中的共生微生物与运动表现之间的因果关系¹。

尽管肠道微生物组已被证明与健康和疾病的众多方面存在关联，但是与运动能力相关的研究却并不多。但是，得益于过去十年的科技进步，现在研究人员不仅能够揭示肠道中含有哪些微生物，还能揭示它们的作用，因此，对这一领域的关注也日益增加。

过去的研究工作表明，每个人的肠道微生物组都纷杂多样，像指纹一样独一无二，然而这些丰富的微生物可能主要发挥少数的几种功能，这暗示了潜在的作用机制。尽管杰出的运动员和他们的教练可能想率先获益，但是进一步深入了解肠道微生物组与身体健康之间联系，可能会惠及更广泛人群的健康。

在我们体表和体内生活的数百万计的微生物中的大部分存在于肠道。其中一些可能是病原体，但很多微生物是有益的，整个微生物组对人体健康至关重要。微生物组的紊乱不仅与炎症性肠病等胃肠道疾病存在直接关联，而且与糖尿病、癌症、心脏病、肥胖，甚至是精神健康紊乱也有关。

实验室的无菌小鼠是最能说明微生物组重要性的证据，Scheiman 研究中的高级作者、哈佛大学微生物学家 Aleksandar Kostic 说：“它们有着代谢问题、免疫问题和神经问题，一切你想得到的问题。”

他补充说：“给它们移植正常小鼠的微生物组之后，许多表型症状都有所缓解。”

揭秘肠道微生物组的工作是极其复杂的，过去二十年来的技术进步，以及更加廉价的基因测序技术大大助力了这一领域的工作开展。

为了研究某一菌群，研究人员必须从几百万个微生物中提取数百个微生物，并同时对这数百个微生物的遗传物质进行测序。为了鉴定某个样品（在肠道微生物组研究中，常常是粪便样本）中存在的微生物，研究人员需要将遗传物质打成片段，然后进行测序。

这种方式有两大弊端：很贵，而且研究人员很难确定哪些基因属于哪些微生物。这一过程就好比将许多拼图放进一个盒子里，并扔掉原图，然后试着完成拼图。

为了避免这一问题，研究人员使用了一种名为“标记基因测序”的技术。该技术对每个微生物共有的单个基因进行测序。具体地，在细菌中，这一基因是核糖体的 16S rRNA，核糖体是 RNA 转化为蛋白质过程中所必需的。

无论来自哪一种微生物，这一基因的某些部分都是相同的，因此研究人员可以很容易在样品中找到它。但是在不同微生物中，这一基因的其他部分却各有不同，这就是我们可以辨识其中存在哪些微生物的原因。

该技术让研究者们能够以较低的成本快速确定微生物组的组成。但由于这项技术只使用每个微生物的一部分，所以它能提供的信息是有限的。16S rRNA 基因的多样性一般只能对微生物进行属水平的分类，而不能进行种水平的分类。

而现在，很多研究人员正面临着对样本中所有遗传物质进行测序的挑战。过去十年中，测序成本直线下降，微生物数据库不断发展，这使得研究人员能够将基因与微生物进行匹配，并让这种方法更易于操作。

相比于 16S rRNA 基因测序，这种被称之为鸟枪测序的技术能够提供更多更细节的信息，微生物的分辨水平可以达种水平，甚至菌株水平，而研究人员可以更容易地根据已知的基因描述微生物的潜在功能。

随着测序成本的进一步下降，这一技术将会惠及更多研究人员。亚利桑纳州立大学坦佩分校的营养科学家 Alex Mohr 说：“未来几年内，与 16S rRNA 基因测序相比，这项技术的价格将会更有竞争力。”

肠道微生物组的组成受到很多因素影响，包括一个人的出生方式（阴道分娩或剖腹产）、药物使用（特别是抗生素）、吸烟、喝酒、压力、年龄，还有最显著的影响因素——饮食。

但是，对于运动如何影响微生物组，或是反过来，微生物组如何影响运动表现，我们了解的格外少。尽管这一领域尚处于萌芽阶段，但是研究人员已经开始发现其中的联系，以及潜在的作用机制。

一个常见发现是，健康与更高的微生物多样性有关。2016 年的一项利用了 16S rRNA 测序的研究发现²，39 名健康成年人中，心肺健康与微生物多样性有关。在排除饮食因素的影响后，仍然如此。此外，心血管呼吸系统的特异性比性别、年龄、体质指数（BMI）和饮食更能准确预测肠道物种多样性的程度。

尽管该团队并没有找到与健康显著相关的特征微生物，但是他们可以利用一个微生物数据库来推断与心肺健康相关的微生物的潜在功能，其中包括微生物的流动能力和脂肪酸合成能力。

肠道细菌的作用之一就是利用发酵帮助宿主分解复杂的碳水化合物，产生短链脂肪酸（SCFA），如丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐等副产物。短链脂肪酸正逐渐成为微生物组与健康之间联系的重要组成。

Kostic 说，在所有常见的短链脂肪酸中，“丙酸盐和丁酸盐只能由肠道细菌产生。”他补充说，它们也被认为是肌肉中的能量来源。该团队发现，更健康的受试者粪便中含有更高含量的丁酸盐。“丁酸盐很有意思，因为它是肠道屏障细胞的主要能量来源之一，”Mohr 说，“很显然，提高这些细胞的健康水平，对于胃肠道的整体健康很重要。”

后续发表的一项研究³利用更为敏锐的鸟枪测序技术，观察了业余和专业自行车手微生物组的差异。研究人员并未发现业余选手与专业选手之间的系统性差异，但是他们发现了自我报告的运动时间与普氏菌属的水平呈现相关性。普氏菌的水平也与肠道中的某些特定过程相关，包括碳水化合物和支链氨基酸的代谢。

但是，一些研究的相关媒体报道可能存在着问题。鼓吹宣传增加自行车手肠道中某一细菌的水平可能会增强运动表现，或许会导致“粪便兴奋剂”的产生。

然而，这些研究，不仅仅样本量太少，无法得出有力的结论，而且也没有采用随机试验。研究人员往往招募了自己的朋友，而他们在很多方面可能具有共同点，比如地理位置、社交和饮食，这都会造成他们的微生物组存在相似性。

加州大学微生物组专项研究项目主管 Jonathan Eisen 说：“这是一个很大的混杂因素。”他是驳斥媒体报道的诸多研究人员之一。

2014 年的一项针对专业橄榄球运动员的研究指出，排除饮食因素的影响非常难⁴。利用 16S rRNA 基因测序，研究人员发现，相比于相同年龄、性别和体质指数的非运动员，专业运动员的肠道微生物组丰度更高。但是，该团队也指出，两组人群的膳食也存在着极大的差异。在与微生物多样性相关的蛋白质的摄入量上，这种差异尤甚。

爱尔兰库克大学的胃肠病学专家 Fergus Shanahan 是作者之一，他说：“我们很难将运动与相应的饮食变化区分开来，并观察哪一点带来的影响更大。”

2018 年，Shanahan 和他的同事们对同一批样本再次进行测试，这次他们使用了鸟枪测序⁵。在基因功能方面，研究人员发现了运动员与非运动员之间更为清晰的区分，这包括碳水化合物代谢、氨基酸合成和短链脂肪酸产生的差异。该研究阐明了鸟枪测序技术在解密微生物组功能“谜题”的重要作用。

“这是科技进步的产物，”Kostic 说，“即使细菌可能在分类学上多种多样，但往往它们的基本功能十分相似。”

尽管像这样的研究表明了运动健康与肠道微生物组之间的联系，但它们也仅表明了存在联系。“一个重要的问题是，要从观察性的横断面研究中总结出因果关系，”Mohr 说，“我们确实需要一些纵向的试验研究。”

Scheiman 的波士顿马拉松研究从一开始就是一项纵向研究。该研究收集了在马拉松比赛前后的每一天的样本，以此来研究运动对微生物组的精确影响。研究人员使用了 16S rRNA 测序，并特别关注到了其中的一种细菌。

“我们发现，马拉松结束后，韦荣氏球菌的丰度会出现峰值，”Kostics 说，“我们也观察到，相比于久坐的人，韦荣氏球菌在跑步选手中普遍更高。”但是该研究仅纳入了 15 名跑步选手和 10 名对照志愿者，样本量有限，不过该团队在另一个针对专业赛艇运动员和跑步选手的队列研究中重现了这一结论。接下来的任务就是厘清其中的缘由。

乳酸是无氧呼吸的副产物，会导致剧烈运动后出现的肌肉酸痛，而韦荣氏球菌能够代谢乳酸。在分析第二组的样本时，该团队发现，在韦荣氏球菌将乳酸转化为丙酸盐的通路中涉及的蛋白的编码基因表达量会在运动后出现峰值。

Kostic 说：“这是我们其中的一个发现，它为我们提供了一种解释。”乳酸是在马拉松过程中大量产生的一种代谢物，而韦荣氏球菌可以将其作为能量来源利用。韦荣氏球菌产生的丙酸盐提升了肌肉的功能。因此，这些细菌的存在可能形成一种对运动员和细菌都有益的反馈循环。

Kostic 说：“那些经常运动的人为这类利用乳酸的细菌（如韦荣氏球菌）提供了有利的代谢环境。”

许多研究都已经提示了产生短链脂肪酸的微生物的重要性，但仅仅只关注了其中的联系。因此，为了论证这一强有力的理论，该团队进行了一些实验。

首先，从跑步选手中分离出一株韦荣氏球菌，将其移植给小鼠，而后测定移植后的小鼠能在跑步机上跑多远。相比于那些移植了不能代谢乳酸的细菌（保加利亚乳杆菌）的小鼠，补充韦荣氏球菌的小鼠能多跑 13%的路程。

你可能会觉得这也许是因为对照组的细菌具有负面作用，而韦荣氏球菌有积极作用，但是最终的实验表明，与生理盐水对照组相比，直接给小鼠注射丙酸盐对于运动表现有着类似的效果。

Mohr 说：“该研究脱颖而出，为相关关系到因果关系迈出了重要的一步。”

但是，这并不能成为决定性的证据。丙酸盐的作用效果可能是由于为禁食的小鼠提供了能量，而这些实验无法排除这种可能性。另一方面，仍然需要研究来确定这些效应在人体身上是否存在。

“人体肠道与小鼠肠道确实不同，而实验小鼠的肠道更是如此，”Eisen 说，“他们通过实验来测试这个理论很不错，但是他们的研究结果仍然不够具有说服力，甚至无法说明这个理论普遍适用于小鼠，更不用说可以推及到人体。”

Eisen 认为，“肠道微生物影响运动表现”这一理论“看起来完全是合理的”，但是他很担心过早或是简单地下定结论。“在更多种动物中，利用更多天然且繁杂的微生物组进行更多的实验，可能会有所帮助，”他说，“有时候也必须要进行人体试验。”

受到该研究的启发，Scheiman 和他的同事们在 3 年前于纽约创立了一家名为 Fitbiomics 的公司。他们的目标是造福人类健康，而非有改善运动员的表现。Scheiman 是该公司的首席执行官，他说，公司的目标是“解密世界上最健康的人群的生物学信息，了解什么造就了他们的独特性，而后将其转化为惠及大众的营养模式”。

Eisen 支持他们的努力，但是告诫说这未必会是个好主意。他说：“我敢说，这将需要对微生物组进行复杂的操控。”

Scheiman 希望，他们在研究中所提出的机制可以成为将微生物组与运动能力相联系的诸多研究之一。“我们希望能够发现不止一两个，而是数百个针对不同功能应用的细菌，”他说，“韦荣氏球菌只是其中一个个例，我们现在正针对人体进行初步研究，之后将会转向临床试验。”

糖尿病是韦荣氏球菌作用机制的一个潜在应用方向。在糖尿病人群和糖尿病高风险人群中，运动是其中一种疗法，但是 2020 年的一项研究⁶发现，大约三分之一有糖尿病风险的人无法从运动中获得代谢益处——这种现象被称之为“运动阻力”。

研究人员发现，在那些能够从运动中得益的人中，乙酸盐和丙酸盐的水平在运动后迅速提高，表明微生物组可能在其中发挥作用。

“我们再次分析了数据，发现在那些出现运动阻力的人群中，韦荣氏球菌数量明显较少，”Kostic 依据一些尚未发表的研究说，“如果我们能够辨别出会出现运动阻力的人群，那我们或许可以恢复那些可能有益的微生物。”

补充剂是益生菌的常见形式之一，当前对益生菌补充剂的法规相对宽松。Eisen 说：“除了要进行特定健康宣称的益生菌，否则益生菌产品不会像药物一样受到严格的监管，所以尽管有很多种产品是真实有效的，但也有上百种是虚假的。”

生物化学家 Ralf Jaeger 是 Fitbiomics 公司的顾问，他敏锐地意识到了这个问题。他说：“你总是会看到产品中含有未有科学研究支撑的菌株。”只要有 70%的 DNA 相同就可以被视为同一种细菌，所以 Jaeger 强调了详细说明菌株的重要性。“有一些益生菌株属于同一个属的同一种，但是却有着截然不同的作用，”Jaeger 说，“功效具有菌株特异性。”

为了给产业界及消费者提供指导，Jaeger 和他的同事们撰写了一篇论文，总结了国际运动营养学会对益生菌的观点，以及有关益生菌在运动员健康和运动中应用的循证依据。

Mohr 和 Scheiman 是这篇综述的共同作者⁷，该文总结道，特定的菌株已被证明能够改善肠道屏障的完整性，而剧烈、长时间的运动可能会对肠道屏障的完整性造成不良影响；抗炎菌株可能会提高受损肌肉的恢复能力。

文中也提到了其他潜在功能的初步例证，包括恢复荷尔蒙水平、减少乳酸以及上调神经递质，但文章也指出这些现需要更多有力的证据。

这与 Eisen 对于韦荣氏球菌作用理论的看法一致。“他们取得了实验性的成果，这很棒，但是如果我要去参加奥运会的训练，我不会买这些东西，”他说，“毕竟还没到那个份上。”

参考文献：

原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-021-00821-6

作者｜Simon Makin

编译｜C。

审校｜617

编辑｜笑咲