Science專刊：決定你健康狀況的"第二基因組"

編者按：

腸道菌群被譽為人類的"第二基因組"。4月29日，《科學》（Science）雜誌第二次以專刊的形式系列發表腸道菌群方面的研究，有關腸道微生物如何影響我們的健康，以及我們如何塑造腸道中這一龐大的群體。該系列研究不僅再次論證了腸道微生物與個人健康、飲食等因素之間的相關性，還發現一種可成為腸道健康生物標記物的關鍵蛋白。事實上，我們對腸道微生物的了解才剛剛開始，未來腸道菌群研究仍將是熱門領域，而且會誕生更多有意義的發現。

撰文 | 段雲峰（中科院心理所行為生物學實驗室博士後）

責編 | 葉水送

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腸道菌群與人體健康密切相關，二者之間的關係是目前研究的熱點。隨著研究者的不斷深入，我們發現，對人體微生物的了解還遠遠不夠，它們能幫助我們做什麼，以及我們如何改變它們？

4月29日，美國《科學》雜誌以「Microbiota at work」為主題發了一期專刊，從不同的方面介紹了人體微生物與健康的關係，並且分析了飲食、藥物、抗生素，益生菌和糞菌移植對腸道微生物的不同影響。這些文章進一步讓我們不僅能夠了解微生物與人體的相互影響，還能知道人類是如何改變人體微生物的以及這些改變所帶來的深遠影響。

腸道中必不可少的共生微生物

人類其實並不孤單，包括人類在內的所有生物，都生活在微生物的海洋中，例如人與龐大微生物群形成寄生和共生關係。少數種類的微生物（主要是各種病原菌）對人類危害很大，但絕大多數微生物對人類健康來說是有益的，有些甚至必不可少。事實上，植物和動物的正常發育都離不開微生物的定殖，並且這種共生關係可能在生命起源的那一刻起就建立了。

人類自身的基因可選擇性地讓共生微生物參與免疫調節，幫助人體建立防禦屏障。這些分布於粘膜組織的微生物，在宿主出生後的免疫系統發育過程中起到了舉足輕重的作用。因此，生命早期微生物的定殖對人類健康可能有長期的影響，特別是對過敏和自身免疫等炎症性疾病的敏感性，具有重要而深遠的影響。

然而，要想保持人體微生物的健康可不是一件容易的事。飲食、藥物和嚴重的疾病等都可以破壞微生物。目前，我們對人體微生物的認識還非常有限，對它的影響因素和影響機制知之甚少。

雖然如此，隨著越來越多的研究出現，對人類有保護作用的共生微生物的菌株在不斷增加，這其中蘊藏著巨大的商業價值和開發前景。不可否認的是，益生菌已經在重建和恢復一些人的健康腸道微生物方面，顯示出了巨大的潛力。然而，益生菌產業也面臨著巨大的挑戰，一些企業肆無忌憚地誇大益生菌的健康作用，在現有的監管框架下，制定嚴格的測試標準仍存在困難。

宿主基因可調控特定種類的腸道菌群

為什麼不同人的腸道微生物有差異？除了飲食習慣和生活環境外，不同人的基因構成也會影響腸道微生物組成。Julia Goodrich和其同事的綜述文章，給我們介紹了宿主基因和腸道微生物之間的關係，以往的研究表明，腸道中某些類型的微生物受到人類基因的影響，如在雙生子研究中，同卵雙胞胎腸道微生物的相似性要比異卵雙胞胎的相似性更高。研究者還發現厚壁菌門的Christensenellaceae科細菌和一些產甲烷的史氏甲烷短桿菌（Methanobrevibacter smithii）有很強的遺傳性，與同卵雙胞胎相比，異卵雙胞胎有更多的史氏甲烷短桿菌。

在為數不多的全基因組關聯分析（GWAS）結合腸道微生物研究中，特定種類的腸道微生物丰度受宿主基因型調控，且絕大多數可遺傳的腸道微生物屬厚壁菌門，而擬桿菌門大多是不可遺傳的。相比人類，小鼠的腸道微生物的遺傳能力要高於其它物種，這可能與環境有關，小鼠飼養的環境通常是可控的，因此小鼠是研究微生物與基因互作非常好的模型。

環境因素影響腸道菌群以及小鼠模型，圖片來自Science, (Goodrich et al., 2016)

此外，全基因組分析和腸道微生物的研究發現，雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）的相對含量與乳糖分解酶基因（LCT）的基因位點相關。具有乳糖分解酶的個體喝下牛奶後，其產生的酶會分解牛奶中的乳糖，而沒有乳糖分解酶的個體喝下牛奶後，腸道中的雙歧桿菌會幫助分解乳糖，並可導致其體內雙歧桿菌的數量相對增多。然而，在不喝牛奶的人體中，無論是否攜帶有乳糖分解酶基因，他們之間的雙歧桿菌相對數量差別不大。

乳糖耐受與雙歧桿菌，圖片來自Science（Goodrich et al., 2016）

另外，通過對歐洲哈特派信徒（Hutterites）研究發現，雙歧桿菌屬的富集與嗅覺受體相關的基因關係密切，而梭菌科的細菌富集與免疫過程相關的基因關係密切。這說明腸道微生物的丰度確實受宿主的基因調控，且這種類似的現象，在果蠅和植物中也被發現。

儘管已知腸道微生物與宿主的食物分解、代謝和免疫相關的基因存在密切聯繫，然而我們仍不清楚宿主和微生物之間的共進化關係。未來將會有越來越多的全基因組研究出現，更大規模的樣本量和對微生物表型定量描述的方法越多，將有助於我們揭開微生物和宿主之間的關係。

重塑腸道微生物可對抗病原菌感染

腸道微生物在對抗病原菌感染方面發揮了重要作用。抗生素在發揮抗感染作用的同時，也在破壞腸道微生物的屏障作用。Eric Pamer等人的文章，不僅分析了腸道微生物抗感染的作用，還討論了抗生素治療引起的不良後果以及如何採用益生菌來修復腸道微生物。

豐富的腸道共生微生物能協助宿主抵抗多種病原菌的侵襲。這些共生微生物通過產生防禦素、短鏈脂肪酸和膽汁酸鹽等物質刺激免疫激活，產生的代謝物質間接幫助宿主抵禦腸球菌、李斯特菌、艱難梭菌和大腸桿菌的感染。它們還能通過自身產生的營養物質和細菌素等防禦物質直接作用於病原菌，幫助宿主抵禦沙門氏菌和擬桿菌的感染。

當人們受到病原菌感染時，通常會用抗生素來治療。事實上，抗生素並不能「精準」地殺死病原菌，抗生素在抑制病原菌的同時，不僅會殺死某些腸道共生微生物，同時也會促進一些對抗生素有抵抗力的腸道微生物（耐葯菌）的生長。合理地使用抗生素，能減少超廣譜β-內醯胺酶產生型腸桿菌、碳青黴烯抗性腸桿菌、萬古黴素抗性腸球菌和艱難梭菌等耐葯菌的產生。從某些方面來說，抗生素的使用反而會使人更易感染病原菌。重新建立「好的」微生物可幫助修復這一問題。這些「好的」微生物通常指益生菌，它們可以幫助宿主重塑腸道微生物。

自從1908年的諾貝爾獎得主伊利亞·梅奇尼可夫（Ilya Metchnikov）發現乳酸菌對人健康長壽的重要作用以來，越來越多的益生菌用於重塑人體健康的腸道微生物。最新研究表明，雙歧桿菌有助於促進腫瘤免疫療法的效果。目前，益生菌已在全球範圍內成為一項每年銷售額達三千億美元的大生意。然而，由於缺乏深入的臨床研究，市場上大量的益生菌並不具有特定的療效。儘管越來越多的研究表明，益生菌在幫助重建和增強腸道菌群抵抗力方面發揮重要作用。益生菌在減少醫療過程中引起的感染方面具有重要價值。在益生菌製劑研發過程中，需要加強益生菌製劑的生產、包裝、運輸、劑型、安全性、有效性和臨床效果方面的研究。益生菌製劑的商業開發、專利保護和臨床應用以及最終獲得FDA的批准，仍有很長的路要走。

幼年：人體微生物的關鍵「窗口期」

人體微生物對健康至關重要，而幼年期微生物的定殖更為關鍵。這一時期微生物在粘膜組織的定殖可對免疫系統進行培育，這對人體健康和疾病方面具有關鍵作用，這一時期就是微生物定殖的「窗口期」。Thomas Gensollen及其同事的綜述表明，嬰兒期微生物的定殖會影響哺乳動物免疫系統的發育，並且這種影響一直持續到成年。對完全清除微生物的無菌小鼠研究發現，其肺部和結腸部位往往有較高水平的自然殺傷（NK）T細胞，這會增加其對結腸炎的易感性。

類似的情況也發生在免疫系統和皮膚髮育上。無菌小鼠的血清中免疫球蛋白E（IgE）過量會出現過敏反應，如果在無菌小鼠生命的前4周內，人為地定殖某些微生物，可保持IgE的正常分泌，但是4周之後再定植這些微生物基本沒有作用的，研究還發現定殖時，微生物的丰度不夠也達不到目的。

此外，在出生之後，兩周內暴露於特定的共生微生物抗原，能夠激活免疫細胞Treg細胞活性，使其在成年後識別特定的共生微生物抗原，從而不產生免疫排斥反應；如果兩周之後暴露於特定的共生微生物抗原，就沒有上述作用。

剛出生小鼠皮膚上T細胞的定殖，圖片來自Science（Gensollen et al., 2016）

粘膜系統是人體與微生物交流最密切的部位，幼年時期微生物在粘膜系統的正常定殖對人體的健康與疾病均具重要作用。破壞人和共生微生物間的和諧關係，會對免疫系統產生不可逆的影響。微生物的「窗口期」對人的健康具有長期影響，能夠影響成年後過敏、哮喘和對周圍環境的耐受。

讓人又愛又恨的抗生素是把雙刃劍

隨著人體微生物研究的發展，越來越多的研究表明，抗生素對人體微生物，特別是對腸道微生物影響深遠。抗生素是一類特殊的藥物，能夠抑制和殺死多種致病菌。早期抗生素挽救了無數人的生命，不僅治療了個體的感染，還阻止了疾病在人群中傳播，讓更多的人活了下來。這就是抗生素的兩個優點：對抗細菌的感染及防止病原菌在人群和環境中擴散。然而正如青黴素的發明者亞歷山大·弗萊明（Alexander Fleming）在1945年獲得諾貝爾獎時所說的那樣，抗生素在臨床應用過程中會產生耐藥性。經過幾十年的應用，我們已經為此付出了慘重的代價，雖然公眾和醫生已經意識到抗生素的副作用，但對患者來說，他們更關注療效，抗生素可能造成的危害以及耐藥性問題卻被忽視了。

日常生活中，抗生素濫用的現象比比皆是。父母在為生病的孩子求醫時，一般只會考慮考慮藥物的安全性和有效性，而不會顧及藥物使用對人類健康的整體影響。此外，更嚴重的是，農民們在動物養殖中大量使用抗生素，減少家畜疾病發生，也增加了產量，他們從中獲得經濟收益，但他們濫用抗生素，根本不會考慮抗生素對環境人類的長遠影響。

抗生素對兒童的影響深遠。通過對兒童臨床和流行病學研究和觀察，越來越多的證據表明，抗生素暴露會使他們患上包括肥胖、I型和II型糖尿病、炎症性腸道疾病、腹腔疾病、過敏和哮喘等疾病的風險增加。動物模型研究表明，抗生素對這些疾病的影響不是簡單的相關性，而是因果關係。在對小鼠的研究時發現，抗生素會破壞微生物的發育，導致菌群多樣性喪失，最終可致肥胖和代謝紊亂，影響骨骼生長和正常的免疫發育。

直到近些年，人們才意識到，抗生素的使用對人體內正常腸道微生物會有負面影響，進而威脅人體健康。這就是抗生素的兩個缺點：引起細菌耐藥性和影響正常的人體微生物。直到近幾年，抗生素對人體微生物的影響才受關注。特刊中Martin Blaser撰寫的這篇文章，分析了不同國家人口微生物多樣性的變化，發現美國人腸道微生物的減少與早期衛生設施的引進，包括過濾和氯化飲用水以及早期使用抗生素存在密切聯繫。隨著飲食的現代化，發展中國家人們的微生物多樣性正在急速減少，並且呈現出微生物多樣性減少的間隔時間縮短，變化不規則等特點。

不同社會群體腸道微生物多樣性隨時間梯度的改變，圖片來自Science（Blaser, 2016）

文章還討論了抗生素使用對人體微生物產生的後果，並提出了未來抗生素使用和研究的方向，開發針對特定病原體更具針對性的窄譜抗生素，從而最大限度地減少對人體共生微生物的傷害，保護健康人體微生物的結構和功能。

解讀健康人的腸道微生物信息

Falony等人發表在《科學》的這項研究，是迄今為止最大規模的健康人腸道微生物的解讀文章。文章整理了1106個比利時人，1135個荷蘭人以及其它資料庫，共計3948個健康人的腸道微生物、生理以及其他基本信息。分析結果表明，在這些健康人中共發現了664個屬的微生物，其中14個屬的微生物可作為核心腸道微生物，它們存在於95%的人腸道中，主要發生變化的菌是Ruminococcaceae 、Bacteroides和Prevotella，而這些細菌正是組成腸型的三種菌。

腸道菌群中物種的差異，圖片來自Science（Falony et al., 2016）

在503個不同的臨床和問卷調研項目中，有69項與腸道微生物關係密切，特別是與微生物多樣性密切相關。其中大便形狀（依據布里斯托糞便量表，Bristol stool score）與微生物組成相關度最強。其它因素還包括紅細胞數量，尿酸含量以及年齡等，都與微生物組成密切相關。

研究還發現，藥物是解釋微生物組成變化的最主要因素，其次是血液參數、排便習慣、健康狀況、人體測量指標和生活方式，它們可解釋16.4%的腸道微生物組成變化。為了找到非冗餘的，能夠解釋腸道微生物組成變化的變數，研究者找到了18個變數，解釋了7.63%的變化。糞便性狀仍然是最主要的因素。

影響腸道菌群多樣性的不同變數，圖片來自Science（Falony et al., 2016）

研究者進一步分析大便形狀和腸道微生物組成的關係，發現大便形狀與腸道微生物的丰度、普氏菌型腸型以及Akkermansia 和Methanobrevibacter菌的丰度密切相關。進一步發現可知，Akkermansia菌的丰度與先前的恢復情況呈正相關，但它與胰島素抵抗，如體重指數和血液中的甘油三酯濃度呈負相關。而Faecalibacterium菌的數量依賴紅細胞的數量，潰瘍性結腸炎患者Faecalibacterium菌的丰度降低。梭形桿菌屬（Fusobacterium）沒有與本研究中的任何非冗餘變數相關，這可能表明這種菌與結直腸癌存在特異相關性。

在本研究中，對微生物變化影響最顯著的因子是藥物使用，研究發現了13種主要藥物，包括抗生素、滲透性瀉藥、炎性腸病用藥、雌性激素、抗抑鬱葯和抗組胺葯等。其中唯一與屬水平的腸道微生物呈顯著相關的藥物是內醯胺類抗生素（β-lactam antibiotics）。腸道微生物與藥物的交互分析表明，63%的腸道微生物的交互由藥物驅動的，這顯示藥物對腸道微生物的巨大作用。令人意外的是，一些被認為會影響成年人微生物組成的生命早期事件，如出生方式（剖腹產或順產）及嬰兒營養（母乳餵養）等因素，與微生物組成變異間沒發現有相關性。

腸道微生物的生物標誌物

在一項針對荷蘭人的研究中，Alexandra Zhernakova等人發現了一種關鍵蛋白，可作為腸道健康的生物標誌物。通過對1135名荷蘭人的菌群數據、飲食以及健康狀況數據進行分析，研究者發現了126個能夠影響腸道微生物組成的因素，其中包括31項內在因素、12種疾病、19種藥物、4種與吸煙相關因素以及60個與飲食相關的因素。

在內在因素中，研究者發現一種關鍵蛋白——嗜鉻粒蛋白A（Chromogranin A，CgA），它具有成為腸道健康生物標記的潛力，與飲食相關的總碳水化合物數量、植物性蛋白的量以及腸道微生物組成密切相關。CgA是一種在壓力下或腸道相關疾病如腸應激綜合征、炎症腸道疾病等發病時，由神經、內分泌和免疫細胞分泌的多肽類物質。CgA在不同人的腸道微生物組成不同，其與61種腸道微生物相關。腸道微生物多樣性越高，CgA濃度越低。

此外，他們分析了多種飲食與腸道微生物的相關性，發現脫脂乳與較高的微生物多樣性相關，而全脂乳與較低的微生物多樣性相關；總碳水化合物攝入量與雙歧桿菌含量呈正相關，但與乳酸菌、鏈球菌和Roseburia菌呈負相關。而典型的西式飲食——如攝入較高的總能量、吃零食、喝高脂奶以及進食較高含量的碳水化合物等與低丰度的微生物群落相關。研究還發現，喝加糖蘇打飲料會降低微生物多樣性，而喝咖啡、茶和紅酒則會增加微生物多樣性。

研究證實，使用抗生素可能會造成雙歧桿菌的減少。藥物的使用，如質子泵抑製劑（PPIs）、二甲雙胍、他汀類藥物及瀉藥等都會對腸道微生物產生重大影響。這項研究同時也調查了吸煙狀況：吸煙史、父母吸煙與懷孕期間吸煙等因素，與腸道微生物組成之間的關係，但相關性並不強。Eggerthella 和Coprobacillus屬細菌分別與藥物和食物過敏相關。值得注意的是，即使是心臟病發作也可能改變腸道微生物組成，心肌梗塞患者的腸道中，挑剔真桿菌（Eubacterium eligens）丰度顯著降低。

糞菌移植後的腸道微生物變化

糞菌移植能夠治療多種疾病，然而人們對移植後，供體菌群和受體菌群的相對變化知之甚少。Simone Li等人的研究，採用宏基因組學方法跟蹤了移植前後腸道菌群的動態變化。研究發現，相比對照組，進行糞菌移植的個體腸道微生物組成變化明顯，多樣性有所增加，大部分腸道微生物是供體和受體共有的細菌，在移植前後約有20%的菌在種水平會發生變化。在供者特異性微生物種中，有相當部分在移植後長達3個月中仍然存在。

具體到哪些菌在移植前後發生了變化以及供體和受體菌如何相互影響。研究發現，約有39 ± 23%的菌表現出對引入菌株的抗性，供體和受體共存的菌的比例約為44 ± 14%。供體菌株在受體中的持久性差異很大，有些能夠持續存在並替換受體菌株，而有些則很快被消滅。

糞菌移植在消化道疾病中有顯著療效，對糞便移植後發生的微生物動態變化進行跟蹤有助於進一步應用糞菌移植。可喜的是，移植後供體的菌群與受體能友好共生，特別是當供體-受體菌株為同種菌時。但值得注意的是，不同人之間其供體-受體菌株的共生程度存在較大差異，因此，需要詳細評估不同的人在接受糞菌移植後菌株水平的變化。

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