（完整版）微生物組在人類疾病和健康中的作用

本文由Vincent B Young原創，江舜堯編譯，並根據中國的語言習慣等稍作調整。原文題目：The role of the microbiome in human health and disease: an introduction for clinicians期刊：The BMJIF：20.785發表時間：2017年摘 要對微生物組(microbiome)（包括微生物群及其棲息的宿主環境）的研究改變了臨床醫生對微生物在人類健康和疾病中的看法。也許最根本的改變是我們認識到，我們體內的大多數微生物都提供了至關重要的生態系統貢獻，這有益於整個宿主-微生物系統。這些貢獻包括重要資源的生產、營養的生物轉化和對病原微生物的抵禦。因此，疾病產生的原因可能是有益功能的丟失，或者入侵微生物導致的異常功能的引入。本綜述將闡述，對原籍微生物群（indigenous microbiota）的動力學和功能的了解如何改變了我們對微生物維持體內平衡並引起疾病的看法。將討論微生物群的有益功能的破壞如何導致疾病。研究微生物群的方法將作為概念框架的一部分在此介紹，利用這些方法來描述健康狀態下微生物的新作用。筆者將討論微生物組和疾病的特異性變化之間的關鍵聯繫。這將引出一種闡釋，即如何調節微生物群才能預防或治療多種疾病，調節方法包括恢復缺失的功能和消除有害的功能。隨著微生物組與健康和疾病的關係方面的研究的激增，本綜述的目的是為臨床醫生提供一個基礎，使大家能夠跟蹤這個發展中的生物醫學研究領域。1 簡介2016年公布的美國國家微生物組計劃反映了過去十年微生物組科學的興起。了解複雜微生物群落（microbial communities）如何影響多種疾病的發病機理，對預防、診斷和治療具有一定的指導意義。但是，由於在傳統上，微生物學的這一新領域並不是醫學預科或醫學課程的一部分，因此，執業醫師和正在學習的醫務人員往往很難理解在臨床實踐中對微生物組的日益關注。本綜述旨在幫助醫生了解如何研究微生物組，並概述關於微生物群落的結構和功能的知識如何最終影響到醫學實踐。由於對微生物組的研究跨越了幾個生物醫學學科，因此不可能對許多主題進行詳細的討論。僅為讀者提供高質量的綜述，以便更多地了解感興趣的特定領域。2 資源和選擇標準本綜述中使用的參考文獻檢索自PubMed和Medline，發表於1965年至2016年間，同時，部分來自筆者個人圖書館。鑒於「微生物組（microbiome）」這一術語的使用呈指數增長（圖 1），所以，筆者聚焦在最近十年。檢索的術語包括微生物組（microbiome）、微生物群（microbiota）、益生菌（probiotic）、益生元（prebiotic）、代謝組（metabolome），同時結合特定疾病和健康狀態，包括肥胖、傳染性疾病、炎症性腸病、糖尿病、心血管病和慢性阻塞性肺病。很少有高質量的系統綜述和隨機對照試驗(RCTs)評估微生物組在疾病中的作用，因此很難用正式的質量標準來評估文獻。由於主題的廣泛性，筆者將最近的高質量綜述和RCTs放在了優先順序，其中多個參考文獻是相關的。本綜述所引用的研究文獻（大多數是觀察或使用動物模型）是發表在高影響力雜誌的，而且其研究人員通常受到該領域其他人的尊重。重要的原始文獻被引用，以作為特定疾病的關聯或新方法的一個例子。

圖1 微生物組相關出版物數量的增長。從1980年到2016年，當用術語「microbiome」在PubMed查詢時，在過去的十年中，出版物的數量呈指數增長。3 關於微生物在健康和疾病中的作用的不斷演化的概念在理解微生物群落如何影響人類健康方面，有些困難來自於這麼一個事實，即這一領域的歷史與在醫學培訓期間教授的標準微生物和傳染病的歷史不同。我們最初對微生物在人類健康中的作用的理解依賴於細菌致病論，這是由路易·巴斯德提出並由羅伯特·科赫和其他人發展的。早期的研究主要集中在微生物作為疾病的病原(即病原體)，科赫的假設是將個體微生物作為疾病的致病因子。這導致人們關注微生物破壞宿主體內平衡的這一屬性。對單一生物體(最初是細菌，然後擴展到真菌、病毒和朊病毒)和發病機理的這一關注使人們在醫學上取得了巨大的進步。伴隨對微生物學的理解而來的是控制傳染病的方法的發展，這促進了公共衛生和衛生實踐以及抗生素的發展。與醫學微生物學和傳染病學的發展平行，其他科學家開始研究微生物在自然環境中的作用，如在土壤和海水中發現的微生物。研究人員發現，這些環境中的微生物很少單獨存在，而作為複雜群落的成員是最常見的。這些微生物學家與生態學和進化生物學領域（而不是醫學領域）的研究人員建立了更緊密的學術聯繫。當醫生和醫學研究人員考慮到複雜的微生物群落時，通常是在消化道中，微生物被認為是一種共生生物(表1)，即通過與宿主保持緊密聯繫而獲得益處但對宿主沒有任何積極或有害影響的生物體。然而，最近人們意識到這種關係可能不是單方面的。表1 概念概念含義英文中文Functional metagenomics功能宏基因組學一種在宏基因組中尋找特定生化功能的方法。宏基因組被克隆進載體（如質粒或細菌人工染色體）形成文庫。然後，這個文庫被轉染到一種測試微生物(如Escherichia coli)中，並篩選一些有趣的功能，如抗生素耐藥性或對給定的基質進行代謝的能力Metabolome代謝組在特定環境下，小代謝物(多肽、低聚糖、單糖、脂類等)的總和。就宿主相關的微生物組而言，代謝組通常反映宿主和微生物群的代謝活動Metagenome宏基因組一個給定的微生物群落的集體基因組。它是一種對特定微生物群的功能潛力的測量。宏基因組學是對宏基因組的研究Microbiome微生物組一個典型的微生物群落，它佔據了一個相當明確的棲息地，並且具有獨特的物理化學性質。這一術語不僅指涉及到的微生物，還包括它們的活動。有些人使用微生物組這一術語僅僅指代微生物本身(參見下面的「microbiota」)。此外，一些人還使用這一術語來指代微生物群落的集體基因組(見上面的metagenome)Microbiota微生物群一個微生物群落，它們佔據了一個特定的地點或棲息地Operational taxonomic unit (OTU)操作分類單位(OTU)一個分類單元，基於一種分類標記基因的DNA序列相似性(如16S rRNA編碼基因)。基於16S基因序列的生物分類，普遍使用的閾值是97%，兩條基因序列的相似性等於或大於該閾值則被認為是同一個OUTPhylotype種系型一種分類單元，它基於將待查詢序列與給定資料庫進行比對，並根據與資料庫的相似性，將成員分配給給定的小單元。在計算上，這個方法通常比基於OTU的方法要快但是它非常依賴於資料庫的完整性以及底層分類的準確性Prebiotic益生元一些有利於有益微生物的生長及其遺傳功能的營養素。它們大都是碳水化合物，不能被人類的消化系統所分解，但是可以被微生物群中的特定成員所代謝Probiotic益生菌通常被定義為「活的微生物，在適當的劑量下，有益宿主健康。」在過去，這些往往是在發酵食品中首次被發現的生物體。目前，人們對健康人群中微生物群的潛在益生菌感興趣Proteome蛋白質組在給定的環境中，蛋白質的總和Symbiosis共生字面意思是「生活在一起」。當指宿主-微生物互作時，就叫經典的「互利共棲」，雙方都獲益；當微生物獲益而且以損害宿主為代價時，叫做「寄生」；當微生物受益而且對宿主無害也無益時叫做「偏利共棲」。真正的偏利共棲很可能是少見的，但這是一種互惠互利的形式，對宿主的益處並不是顯而易見的Transcriptome轉錄組在給定條件下，微生物群的轉錄活性基因的集合。對轉錄組的分析通常包括採集和測序微生物群的總RNA醫學研究人員已經認識到，環境微生物學家研究和理解微生物群落的概念適用於人類。諸如美國國立衛生研究院(NIH)的人類微生物組計劃和MetaHIT項目等被啟動，以促進這一研究的發展。伴隨著對人類相關微生物群落的研究開始蓬勃發展，研究人員不得不採用新的方式來思考和討論微生物學的概念。臨床醫生和醫學研究人員在理解文獻時所面臨的困難之一是對術語不熟悉。所以，本文將首先討論一些常見術語（參見表1）。4 什麼是微生物組（microbiome）？微生物組的定義見表1。這一術語現在經常被用來指代定殖在身體某個特定部位的複雜微生物群落，例如，在討論腸道微生物組及其與各種健康和疾病狀態的關係時。在這篇綜述中，筆者將使用微生物群（microbiota）這個術語，它純粹地指代一個特定位點上存在的微生物。微生物組（microbiome）這個詞不僅指微生物，還指它們所棲居的環境。腸道微生物組不僅包括微生物，還包括宿主的一些元素，如宿主的上皮細胞、免疫成分，以及微生物和宿主的產物，包括代謝物。此外，儘管許多關於原籍微生物群的研究都集中在細菌上，但是病毒和真菌也棲息在被微生物佔據的大多數身體部位。對細菌的關注部分源於這樣一個事實：用來研究微生物群落的測序方法主要是用來研究細菌的(見下文)。然而，最近比較多的研究開始關注原籍微生物群中病毒和真菌的作用。5 原籍微生物群的功能是什麼？微生物組和微生物群之間的區別似乎只是語義學上的。然而，當考慮一個特定的微生物群落可能執行的多種功能時，我們是僅僅考慮一個特定環境中的微生物還是微生物及其環境的總和，這點很重要（圖2）。原籍微生物群可以單獨執行對微生物組中的非生物要素進行代謝的功能，也可以通過與其宿主互作來執行該功能。雖然微生物的基因組比宿主的小很多，但是總的來說，微生物群卻有潛在的更大的代謝能力。另外，一些代謝活動是由微生物和宿主共同完成的。同樣地，宿主和原籍微生物群之間的信號傳遞可以改變這一共生夥伴的任何一方的結構和功能。微生物群可以進行多種代謝活動，從複雜分子的分解和生物轉化，到多種化合物的合成，這些化合物對微生物群和宿主都有影響。在某些情況下，微生物菌群可以增強宿主中存在的通路，但在另一些情況下，微生物群編碼的一些通路，是微生物組中的微生物組分（microbial component）獨有（即與宿主無關）。很重要的一點是腸道微生物群的一種發酵能力，即發酵抗性澱粉(不能被宿主消化的多糖)產生多種化合物，最主要的是短鏈脂肪酸，它們對宿主有多種影響。例如，丁酸是結腸細胞的能量來源，對宿主生理有多種影響，從抗炎作用到抗腫瘤活性。關於原籍微生物群的代謝活動如何影響宿主健康的問題，另一個有趣的例子與藥物等小分子的代謝有關。微生物的代謝作用會影響某些口服藥物的生物利用度，如強心苷地高辛。由於該藥物的治療範圍狹窄，其生物利用度的改變對毒性的產生有很大的影響。最近的研究表明，由於強心苷還原酶操縱子的存在，遲緩埃格特菌(Eggerthella lenta)的某些菌株可以降低地高辛的濃度。宿主-微生物協同代謝的一個例子是腸道內膽鹽和膽汁酸的轉化。這些化合物，在宿主的肝臟中合成並分泌為結合膽鹽，可以在腸道內進行微生物介導的轉化，從而釋放出非結合膽汁酸並生成次級膽汁酸。儘管這些化合物的活性與轉化前的不同，但宿主已經進化出了識別和響應這些微生物生成的化合物的能力，這種能力類似於對細菌生成的短鏈脂肪酸的反應。法尼酯X受體(FXRs)是膽汁酸的核激素受體。通過FXRs和其他膽汁酸受體發出的信號會對宿主產生多種影響。由於膽汁酸是膽固醇分解代謝的終產物，對膽酸代謝的改變會對膽固醇和脂質代謝產生影響。腸道微生物群的變化與脂質代謝的改變有關，各種各樣的FXR激動劑正在被開發成各種代謝紊亂的潛在治療手段，包括肥胖、胰島素抵抗、肝纖維化和非酒精性脂肪肝。原籍微生物群可以改變上皮反應和系統應答，例如免疫系統的發育和活性。無菌動物的外周淋巴組織和免疫應答發育不充分，正常微生物群中的特定微生物或複雜微生物群的定殖可以逆轉這一不成熟的狀態。類似地，黏膜上皮細胞也會改變它們對粘液分泌和營養素受體的表達，並對微生物群的存在做出不同的應答。反過來，宿主的上皮細胞和免疫系統也能改變微生物群的結構和功能。另外，有兩篇報道顯示，微生物群可以改變免疫療法的抗腫瘤反應，這些免疫療法通過靶向細胞毒性T淋巴細胞相關蛋白4(CTLA-4)或程序性細胞死亡受體1(PD-1)來影響檢驗點阻滯（checkpoint blockades）。雖然具體的機制還有待確定，但是這些能改變免疫療法的反應與微生物群的特定成員有關。原籍微生物群的最後一項功能是定殖抗性，微生物群的存在避免宿主被潛在的致病微生物所定殖，從而避免疾病。這種現象是由微生物群介導的，而其中的機制仍在被報道，這可能涉及到一系列代謝活動，如短鏈脂肪酸的生產，對營養的直接競爭，以及對宿主的免疫作用。綜上所述，哺乳動物宿主和它們的微生物夥伴之間存在著一種精確而複雜的共生關係，任何對這種共生關係的干擾都可能對雙方均產生不利影響。對於宿主來說，這種共生關係的改變可以導致多種疾病狀態，如下文所述。

圖2:原籍微生物群的潛在功能。微生物群可以通過微生物的合成代謝或分解代謝活動或直接的宿主-微生物相互作用產生影響。分解代謝和對飲食或源於宿主的化合物的生物轉化可以提高宿主對營養物質的可利用度或轉變藥物的生物可利用度。微生物群的一些成員可以合成重要的輔因子或生物活性信號分子，如胺。微生物群和宿主之間的信號傳遞可以引起宿主功能的改變，如改變粘液的分泌或免疫應答6 微生物組研究進展6.1 結構及功能有幾種技術用於研究原籍微生物群(圖3)的各個方面，而且有很多關於這些技術的綜述。這些技術可以分為研究微生物群的結構(類似於解剖學)和功能(類似於生理學)的。「解剖學」提供了關於微生物群的結構的信息，而「生理學」提供的則是功能方面的。雖然功能有時可以通過結構預測，因為「解剖學」可以提供「生理學」的線索，但對「生理學」的真正評估需要對功能進行直接的檢測。

圖3 研究微生物群的結構和功能的方法。在最基本的層面上，這些研究方法可以簡單地描述微生物的群落結構，即微生物的種類及其相對丰度。研究功能潛能的方法通常可以對微生物組或整個群落的個體成員的編碼潛能進行分類 (即宏基因組)。為了直接評估功能，必須獲得關於存在於微生物組環境中的被表達的微生物基因（即宏轉錄組）、翻譯的蛋白質或合成的代謝物的目錄。qPCR=定量聚合酶鏈式反應許多技術都利用了人類基因組計劃帶來的高通量核酸測序技術的進步。因為有由美國國家衛生研究院資助的基因組中心的參與，所以，人類微生物組項目與先前研究和描述人類基因組的努力相呼應，這並非巧合。基於測序的技術(可以避免分離和培養微生物)對於理解原籍微生物在健康和疾病中的作用是非常寶貴的。然而，對微生物功能的全面評估和特定假說的驗證需要其他技術。特別是微生物培養，這仍然是微生物研究手段的重要組成部分。靶向微生物群的未來治療方案(見下文)可能會使用特定的微生物來代替某些缺失的微生物，而這隻能通過微生物的分離培養來完成。因此，為了了解微生物在健康狀態下所起的作用，我們需要知道有哪些微生物存在，以及它們在特定環境中可以進行哪些活動。下一節將討論一些用於研究微生物組的常用技術，以及它們是如何被用於研究我們微生物群的結構和功能的。6.2 微生物結構有幾種技術可以用來描述微生物群落的結構(圖3)，也就是對特定群落中存在的微生物進行分類，並確定每種微生物的相對丰度。研究微生物種類的最常用的技術之一是分析16S rRNA基因(後面簡稱16S基因)序列。這種依賴序列的方法並不依賴於微生物的培養。DNA是從一份人們感興趣的微生物群落樣本中提取出來的，而聚合酶鏈反應(PCR)引物以廣泛保守的16S基因為靶標，用來擴增存在的大部分細菌。這些PCR擴增子（即PCR擴增產物）被進行高通量DNA序列分析。對16S基因數據的分析最終涉及將獲得的序列分到獨立的分類單元中。使用兩種不同的方法來完成這一任務。首先，在一個給定的分析中，所有的DNA序列都進行相互比較，並將其分入操作分類單元(OTUs，見表1)，這通常是根據預先設定好的序列相似性的程度。儘管OTUs本身作為群落中特定微生物的替代品，無論是否可以指定一個正式的名稱，每一個OTU都可以被分類為已知的細菌。另一種常用的方法是將每個16S擴增子序列單獨考慮，並將其與一個設定好了的序列資料庫進行比對，然後將實驗中的每條序列都分類到一個預定的分類單元。這兩種方法都有各自的優缺點，但總的來說，這兩種方法對微生物群落結構的分析結果一致。也許最重要的結論是，人們可以通過16S基因序列分析來研究生物效應，而這些見解並不依賴於所使用的特定數據分析技術。在人類健康方面，研究人員使用16S基因序列分析技術來比較研究有和沒有特定疾病的人。此外，還可進行縱向分析，以監測治療或疾病發展對微生物群結構的影響。然而，儘管這種分析是強有力的，並且對微生物在健康狀態中的潛在作用提供了重要的觀察，但它並沒有直接評估微生物群的功能人們開發出根據某一特定的微生物群落結構推斷其潛在功能的方法，但與所有推論一樣，這獲得的往往是推斷的而不是明確的功能。任何推斷都需要有適當的說明。例如，如果16S基因序列分析表明與大腸桿菌相對應的OTU存在，那麼這個結果需要考慮到，這可能代表了從益生菌，到良性的原籍大腸桿菌，再到致病性大腸桿菌O157:H7。16S基因使我們能夠了解某特定的細菌在一個群落中的系統發育特性，但是它並不能提供基因組的其他基因所編碼的功能的信息。6.3 分析潛在的微生物功能如上所述，獲得一個特定細菌物種的完整基因組序列可以提供一種已知細菌的潛在功能。以類似的方式，宏基因序列分析已經被用於對整個微生物群落的潛在功能進行評估。從微生物群落DNA開始，這點就像16S基因序列分析。然後，對整個微生物群落的總DNA序列進行高通量測序，而不是使用PCR來放大特殊的系統發育標記（如16S基因）。這就提供了微生物群落中所有基因組的目錄。對微生物群落的宏基因組或其中特定成員的基因組的研究都可以深入了解這個群落的潛在功能。微生物群落所展示的特定代謝途徑的相對丰度可以幫助預測該群落的功能。然而，這只是一個潛在的目錄。下一節將討論能直接確定某一微生物組的實際功能的方法。6.4 原位微生物功能測定最後一組用於研究微生物組的分析技術直接檢測了功能。利用基於測序的技術，宏轉錄組學分析展示那部分在特定條件及特定時間點被表達的宏基因組。該技術通過逆轉錄酶介導RNA測序，通過對所有表達基因的序列進行分析，獲得微生物組中存在的RNA轉錄本。當這些數據與相應的宏基因組一起考慮時，宏轉錄組在給定的時間點提供了功能活性基因的快照。另外兩種技術經常被用來直接確定轉錄活動對微生物組代謝環境的影響。最後的兩種技術，即蛋白質組和代謝組分析，利用先進的質譜技術檢測一個給定的微生物組中蛋白質和代謝物(包括縮氨酸、低聚糖和脂質)的相對丰度。這通常包括那些由宿主產生而且被微生物群的一部分微生物共代謝的代謝物，因此這是一種真正的測量給定的微生物組中代謝環境的檢測方法。7 微生物組研究的概念框架人類微生物組項目的最初活動以及十年前開始的其他工作都集中在建立這麼一個標準，即人類體內及體表正常的微生物群落是什麼樣的。人們希望通過定義什麼是正常的微生物群，可以辨別出這種正常與疾病狀態之間的差異。這些初步的研究發現，在沒有明顯臨床疾病的人群中發現的微生物群有很大的變化。這在一定程度上可能是這些最初研究所用的方法的產物。大部分的工作都使用核酸測序，重點是16S基因序列分析，以及有限的宏基因組分析。這些研究中所遇到的變化反映了我們對微生物群落結構與功能之間的關係的理解。很明顯，由16S分析而來的多個微生物群落具有類似的功能。除了定義微生物群的正常狀態外，其他研究也在尋找微生物組的結構及功能與疾病狀態之間的聯繫。持續至今的最初的工作，一直在尋求微生物群與健康及疾病之間的聯繫。大多數關於微生物群落的結構的研究是通過基於16S分析來完成的。重要的是，大部分的工作都是關注關聯性而非因果關係。下面將更詳細地討論腸道菌群在炎症性腸病(IBD)的發病機制中所扮演的角色。早期的研究對患者和正常人進行了橫向比較。IBD患者和正常對照兩組人群的微生物群存在差異，但不清楚這是疾病出現的因還是果。隨後的研究試圖在最初確認疾病時建立聯繫，但這些研究仍不能直接進行調查。最近，有研究表明，在出現明顯的疾病之前，微生物群的特徵是很明顯的。兩項研究招募了患某種特定疾病的高危人群(IBD和I型糖尿病)，並對他們的微生物群進行了縱向跟蹤，並將後來患病與否的志願者的微生物群進行了比較。其他研究也觀察了特定治療對特定疾病的微生物群的影響，再次嘗試研究微生物群在疾病的發病機理中所起作用。最後，對於有足夠的動物模型的疾病，已經嘗試對潛在的因果關係進行研究。在這裡，筆者將簡單介紹一些關於微生物組與健康及疾病之間的聯繫的研究策略的例子。這些例子並不是全面的，而是為讀者提供一個概念性的框架來理解和評估他們在未來所遇到的研究。8 與微生物組相關的疾病8.1 傳染病因為微生物組的研究與微生物學有關，所以從討論傳染性疾病開始是合適的。在艱難梭菌感染中，正常微生物群的破壞在發病機理中起著關鍵的作用。長期以來，抗生素給葯與艱難梭菌感染的發展之間的聯繫一直受到重視，最近的工作已經開始研究這種聯繫的機制。特別是，在原籍微生物群編碼的微生物功能方面人們已經做了很多工作，這些微生物群能抵抗艱難梭菌的定殖。腸道菌群在膽汁鹽和膽酸代謝中扮演的角色。當共軛膽汁鹽被肝臟分泌到胃腸道中，能進行去共軛和轉化(如脫羥基)反應的微生物將這些化合物轉化為非共軛的初級和次級膽汁酸。其中一些分子促進艱難梭菌孢子的萌發，而另一些則抑制其繁殖體的生長。這種對分子機制的理解催生了對新療法的探索。例如，由於艱難梭菌感染的發病機制（特別是複發性感染）與正常的微生物多樣性和功能的喪失有關，所以，包括糞便微生物群移植在內的微生物組替代療法成為一個活躍的領域。腸道菌群還能影響其他幾種感染和炎症的條件。在接受同種異體幹細胞移植的患者中，微生物菌群與發生菌血症的風險有關。敗血症和急性呼吸窘迫綜合症患者的肺都有豐富的胃腸道微生物，這似乎是肺炎症反應的原因。最後，腸道菌群的組成可能在影響手術腸道癒合的過程中起著關鍵作用。這些觀察結果對治療有指導意義，可能對診斷和預後也有潛在的指導意義。8.2 炎症性腸病（IBD）不同於微生物在感染性疾病中的相互作用，微生物群可以干擾一種典型的微生物病原體。在IBD和潰瘍性結腸炎中，沒有任何經典的病原體被明確的識別出來。在這種情況下，腸道菌群本身就被認為是致病的，而且在預先處理的宿主中，促進了失調的炎症反應的發展，這些炎症反應的特徵就是這些疾病。多項研究表明，有和沒有患IBD的人群的腸道微生物群有差異。為了研究疾病和發生了改變的微生物群落之間的關係，人們大規模地利用不依賴於培養的技術來研究腸道微生物群，而對IBD的研究是這些疾病研究的先例之一。早期的研究使用了基於16S基因的測序方法和熒光原位雜交，表明疾病患者的微生物群落結構與對照組的不同。儘管存在很強的關聯性，但因為情況複雜，人們很難確定其中的因果關係。最近的一些研究試圖通過在疾病之初檢查病人來解決因果關係。大量的IBD小鼠模型的可用性已經促進了多項研究的開展，這些研究試圖發現微生物群對IBD的發病的影響的潛在機制。對IBD的遺傳易感性的研究強調了宿主免疫的重要性和該病的發病機理。尤其重要的是，跟微生物相關的宿主遺傳變異與患IBD的風險增加有關。因此，IBD確實是一種與微生物組有關的疾病，因為宿主和微生物，以及通過它們的相互作用而產生的環境，在這種情況下都發生了改變。8.3 肥胖和代謝性疾病腸道內的微生物群和宿主之間的複雜代謝相互作用，促使人們對某些代謝條件下（如肥胖和糖尿病）的微生物組的潛在作用進行研究。大約10年前，具有里程碑意義的研究表明，在人類和老鼠的疾病模型中，肥胖與腸道微生物群之間存在著聯繫。通過在一項研究微生物群和肥胖的作用的工作中使用瘦素缺失的動物，在諸如肥胖等條件下複雜的發病機制中宿主因素和微生物因素之間的密切聯繫變得更加顯著。儘管有這些研究，對這種關係下的確切機制的全面理解仍是很困難的。此外，最近一項對多項研究結果的meta分析表明，微生物群和肥胖之間的直接聯繫可能比之前認為的要弱。暫且不論影響的大小，但很明顯，微生物群可以影響腸道對營養物質的處理。微生物生產的代謝產物（如短鏈脂肪酸和膽汁酸）可以影響重要的代謝調節肽的表達，如胰高血糖素樣肽1和肽YY。最近的研究已經開始揭示出一些微生物群能夠影響宿主能量代謝的機制。其他的研究表明，調節宿主飲食對腸道菌群有影響。建立一個複雜的系統，通過該系統微生物組內的內有和外部的聯繫可以改變宿主的新陳代謝。一項有趣的研究引起了人們的廣泛關注，那就是對微生物的無意改變（如抗生素給葯）如何破壞正常的微生物群平衡並導致代謝綜合症和肥胖症的發展。最近的工作已經研究了微生物的代謝對其他器官系統的影響。一個重要的例子是研究了氧化三甲胺（TMAO）代謝的作用。該物種被用來預測心血管疾病的發病風險。膳食膽鹼被腸道微生物群代謝，從而產生氧化三甲胺並調節微生物群，然後增加脈粥樣硬化的風險。這項工作提供了一種潛在的機制，通過這種機制，可以解釋某些飲食習慣與特定健康狀況（如心血管疾病）之間的聯繫。8.4 肺部疾病最近，對微生物群落的研究促使人們對以前被認為是沒有微生物的地方重新進行檢測，如下呼吸道。儘管以前肺被認為是無菌的，但是使用不依賴於培養的方法的研究表明，肺部有生物量較低而且相對多樣化的微生物定殖。早期的研究對健康肺部中這一小群微生物的重要性提出了質疑，但最近的研究表明，即使在健康人身上，肺微生物群的構成也能決定肺基本的炎癥狀態。此外，很明顯，微生物群落在呼吸道的特定疾病狀態中存在，在生物學上也很重要。人們早就知道，許多囊性纖維化的病人受長期被致病的微生物所感染，但最近，研究人員在這些病人的肺中發現包含一個比以前人們所認識到的更加多樣化的微生物群落。這一發現對於肺病和囊性纖維化的發病機理的重要性仍有待進一步確定，但我們可以合理地假設，在這種環境下微生物相互作用可能與胃腸道內的相互作用同等重要。例如，在這些病人的肺中發現的細菌可能可以對囊性纖維化患者肺內多餘的粘液進行降解，這可能支撐在這種環境中見到的典型病原體的生長。人們正在開展重要的工作以研究微生物群落在肺病的發病機理中的作用，如哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)。許多早期的研究都顯示出關聯性而非因果關係，但最近的工作是研究肺微生物群可能如何驅動炎症反應，這是慢性阻塞性肺病的發病機制的核心。進一步的研究很可能提供一個更清晰的證據，以表明改變了的微生物群落在這些肺部疾病中的因果作用。在上呼吸道，研究人員對急性和慢性鼻竇炎的多種微生物互作進行了研究。與下呼吸道一樣，研究人員研究了病原菌和其他微生物在調節其宿主生理方面的作用。發現了一些特殊的微生物在鼻竇炎患者中富集。在一項研究中，有鼻竇炎的人體內的Corynebacterium tuberculostearicum的丰度增加，而這種菌之前並沒有被認為是一種潛在的病原體。通過將這種微生物接種到鼻竇炎小鼠模型中，證明了它的致病性。對有和沒有鼻竇炎的人的上呼吸道的原籍微生物群進行進一步的檢查，發現，有其他的原籍鼻竇微生物群落的成員通過這種微生物來調節對微生物定殖的抵抗。其他的細菌已經被證明可以改變鼻竇內的局部免疫反應，而這與定殖的微生物群的變化有關。與腸道內病原菌和微生物群之間的相互作用類似，上呼吸道微生物群的狀態可能與病毒及細菌上呼吸道感染的易感性有關。此外，由鼻病毒引起的急性上呼吸道感染可以會改變微生物群，有人認為這可能導致呼吸道其他部位感染的易感性提高，如中耳炎和肺炎。9 新療法：微生物組作為治療靶點微生物組可能在多種疾病的發病中發揮作用，其原因可能是微生物群落有益功能的缺乏或者有害微生物活動的存在。因此，人們認為，恢復有益的微生物群結構或功能可能成為某種疾病的新療法。為了實現這一療法，人們已經提出了幾種可能的策略。雖然迄今為止，成功只局限於一些條件和治療方法，但這種關於對疾病治療和預防的新方法的希望，值得我們對其未來進行討論。表2 療法方法依據案例抗生素抑制微生物群中靶向的特定的某個或某些成員，並允許影響有限的其他物種小腸細菌過度生長；肝性腦病噬菌體利用天然存在的噬菌體來殺滅微生物群中有破壞作用的靶標菌為了修復受損的微生物群而進行的病原菌靶向治療益生菌（單一物種）以微生物的形式代替假定的缺失的微生物及其功能使用布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii）預防抗生素相關腹瀉（說明；原文使用Sacchromyces boulardii一詞，編譯者認為有錯， Saccharomyces boulardii才是正確的）多物種/預設的微生物群好比單一物種益生菌，利用一群微生物來代替假定的缺失的微生物及其功能來源於糞便的菌群，多物種益生元提供一種複雜的不被宿主消化的食物（通常是碳水化合物）來刺激微生物群中特定成員的生長。益生元被微生物群代謝成對宿主有用的化合物菊粉，抗性澱粉合生元提供一種由某種微生物（或多種微生物）及益生元組成的混合物，以替代微生物組中缺失的功能，而且益生元能被其中的微生物所利用營養療法完全是重新設計的飲食，目的是促進有益微生物群的生長及其有益功能的富集IBS患者低FODMAP飲食，IBD患者專用小腸營養療法菌群替代,「微生物群重塑」通過向患者移植來自正常人的微生物群而恢復患者缺失的微生物群糞便移植FODMAP=可發酵的寡糖，雙糖，單糖，多元醇；IBS=腸易激綜合征；IBD=炎症性腸病9.1 抗生素儘管用於治療的抗生素對原籍腸道微生物群造成的間接傷害在艱難梭菌感染髮病機制中起著關鍵作用，但抗生素介導的微生物群的改變可能還會改變一種疾病相關的微生物群落，以恢復到健康的狀態。這一策略早在人們對微生物組產生興趣之前就已經被使用了。例如，抗生素治療試驗被用於某些情況下，如肝性腦病、腸易激綜合症和術後結腸袋炎的患者。在這些早期的治療試驗中，人們認為一種神秘的典型的細菌病原體並不存在。如果出現細菌過度生長或微生物失衡等情況，人們希望抗生素能改變這種不正常的狀態。這種方法的一個明顯的缺點是，它通常是經驗性的。到目前為止，我們還不能準確預測一種特定的抗生素將如何影響一個特定的微生物群落。此外，我們對微生物菌群結構與功能之間的關係的理解有限，這降低了這種方法的精確性。人們根據以上這種方法提出了一種預防複發性艱難梭菌感染的方法。一些最近開發用於治療艱難梭菌感染的抗生素，被設計成更窄譜地局限於病原體，希望能限制對原籍微生物群造成的間接破壞，這種破壞與複發性疾病有關。跟其他抗生素相比，非達黴素（fidaxomicin）減少了對微生物群潛在的破壞，其使用，在保持了對病原體的良好療效的同時，降低了複發性疾病的發生率。這一策略僅限於治療艱難梭菌感染，但在治療已知的細菌病原體造成的感染時應限制使用廣譜抗生素，以免破壞微生物群的其他成員。因此，適當的抗生素管理有助於限制耐葯微生物的發展，並能防止對原籍微生物群的過度破壞。噬菌體療法被認為是另一種對微生物群影響最小的治療感染的方法。噬菌體是一種細菌型的病毒，其宿主範圍通常有限。噬菌體療法是針對特定的細菌病原體而開發的，而且由於其本身的性質，它們不太可能對微生物群的其他成員產生脫靶效果。雖然噬菌體可以選擇具有耐藥性的細菌變種，但這些耐葯細菌經常改變其表面結構，從而導致噬菌體對其宿主（即細菌）的毒性減弱。在將噬菌體開發成治療藥物之前，還需要做更多的工作。但對於探索旨在減少微生物群落干擾的新療法，人們有很大的興趣。9.2 益生菌和其他微生物生物療法由於許多微生物群相關疾病被認為是由有益微生物不足而引起的，因此，替換「缺失」的微生物群是一種治療策略，而這一策略也在最近引起了人們對微生物組的關注。益生菌被世界衛生組織定義為「活的微生物，在適當的劑量下，會給宿主帶來健康益處。」儘管有這樣的定義，許多假定的益生菌還是沒有按該定義開發或驗證。即使進行旨在顯示潛在健康益處的研究，通常也不會對其機制進行探索。這引起了一些人的指責，認為益生菌領域存在「非科學」的方面。此外，美國食品和藥物管理局（FDA）等監管機構已允許許多益生菌遵循膳食補充劑規則進行審批，前提是它們不能「用於診斷、治療、減輕或預防人類疾病」。這促使人們提出了活體生物療法的新條款，即益生菌被用作藥物。然而，如果按照WHO對益生菌的正式定義，就需要正式測試和批准（這也是新葯開發所需要的），這樣就不需要新的定義了。儘管如此，在幾種情況下，許多研究還是在治療試驗中使用益生菌。在許多情況下，在這些試驗中使用的益生菌已經被研究了很長時間，遠遠早於目前人們對微生物組感興趣的時間。事實上，因研究吞噬作用而於1908年獲得諾貝爾獎的élie Metchniko提出，微生物組可能對其宿主即有益又有害。他認為，食用發酵的牛奶產品可能會對健康產生有益的影響，這就促進了人們將乳桿菌和雙歧桿菌開發成為潛在的益生菌。這些微生物通常以治療性食品的形式進行管理，通常是發酵的牛奶產品，如酸奶（yogurt）和卡菲爾（kefir）。研究表明，這些治療性食品可以幫助預防和治療兒童急性腸胃炎。其作用包括限制抗生素相關腹瀉的發展和預防艱難梭菌的感染。以前使用典型的益生菌製劑進行的小型試驗的結果好壞參半，這導致大多數發表的建議指南反對它們的使用。最近，一項大型的隨機、雙盲、安慰劑控制的多中心試驗在老年人中沒有顯示出乳桿菌和雙歧桿菌的益生菌混合物在預防與抗生素相關腹瀉或艱難梭菌感染中所產生的效果。這為不推薦使用益生菌來預防這些疾病提供了進一步的支持。如上所述，許多被推薦為益生菌的傳統微生物都是從發酵食品中分離出來的。因此，它們被選擇的原因並非其被理論或試驗證明了的行動機制。最近對微生物組的研究，特別是包括微生物功能檢測在內的研究，已經促進了可用於治療特定適應症的微生物的開發和臨床前測試。回到艱難梭菌感染，對膽汁酸代謝在疾病發病機理中的重要性的認識，促使了膽酸、膽酸類似物以及可能改變胃腸道內膽酸代謝的有機體的臨床試驗。儘管這種治療仍處於發展階段，但基於合理選擇行動機制的開發活體生物療法的範例有望成為未來開發益生菌的重要策略。9.3 益生元和飲療另一種改良原籍微生物群的策略是改變微生物組的環境條件，以提供有利於微生物生長和優勢及其功能的營養物質。這一策略在很大程度上被應用於調節飲食以改變胃腸道微生物群。在最基本的層面上，這種方法需要提供一種單一的食物來源，以培養有益的微生物或富集有益的微生物功能。益生元通常是不易被人體消化的碳水化合物，這意味著它們將被特定的微生物所代謝以促進這些微生物的生長。考慮到丁酸等微生物發酵產品的有益作用，許多策略旨在提高這種代謝產物和其他短鏈脂肪酸的產量。因為這樣的治療假定合適的微生物存在，有一種變化就是對「合生元」的管理。合生元既含有相關的益生菌又含有作為益生元的碳水化合物。雖然專註於單一的營養物質是有用的，但更廣泛的飲食變化也是需要的，這至少在一定程度上改變了原籍微生物群。患有IBD的兒童，尤其是Crohn病，已經成功地接受過專門的腸道營養(EEN)治療。這是一種精確定義的液體飲食，含有各種營養物質。在這些兒童中緩解疾病的成功率是顯著的，但很難長期堅持這種飲食習慣。最近關於EEN對腸道菌群作用的研究表明，它對細菌群落的結構和功能有顯著的影響。這些變化與微生物組的功能改變有關，這與之前的數據所顯示的結果是相反的。這表明我們對微生物群的治療操作知之甚少。9.4 微生物修復一個功能失調的微生物群落的更替或修復是益生菌策略的合理延伸。然而，也有一些差異。特別是，人們對一種通常被稱為微生物群移植的方法很感興趣，即將一個健康人的完整的微生物群落移植給另一個患某種與微生物群相關疾病的人。這種治療方法可以追溯到古代，尤其是對完整的糞便或從糞便中提取的物質進行移植。最近，人們對旨在治療複發性艱難梭菌感染的糞菌移植(FMT)感興趣，這促進了對這種特殊微生物組治療的幾項研究的興起。第一份關於糞菌移植治療抗生素相關的偽膜性結腸炎（可能是艱難梭菌感染引起的）的報告發表於1958年。最近，關於應用糞菌移植治療複發性艱難梭菌感染的臨床試驗使用了不同的糞便製劑，並比較了不同的給藥方式。在一項安慰劑對照試驗中，患者自己的糞便被移植給安慰劑組的受試者。一般來說，各種形式的糞菌移植對治療複發性艱難梭菌感染的顯著成功率是令人興奮的。微生物組替代療法可能可以用於其他疾病。然而，到目前為止，這種成功還沒有在肥胖和IBD等其他疾病中得到複製。在小規模的(有時不受控制的)試驗中發現了矛盾的結果。有人建議說，這種治療方法可能不能直接用於其他條件下。糞菌移植對複發性艱難梭菌感染的治療作用似乎跟腸道微生物群孢子的形成有關。在其他條件下，使用糞菌移植治療複發性艱難梭菌感染的這種模式，不一定會成功。9.5 治療的未來：精確的微生物治療?精準醫療主要集中在能夠影響健康和對治療起反應的宿主可變因素上，例如宿主遺傳背景。但是由於原籍微生物群可以在宿主健康和對治療起反應方面發揮關鍵作用，所以，精準醫療需要考慮這些微生物的可變因素。這種方法將建立在更好地理解在特定疾病中微生物群的精確致病作用的基礎上，以及對這種因果關係的精確的認識上。在此基礎上，可以進行診斷和預後分析，以描述缺乏特定有益的微生物或存在有害微生物，並與患者變數的評估相結合(圖 5)。當能對一個特定的患者這樣做時，可能包括在此討論的幾種潛在治療模式的定製化精準醫療策略會被提出來。儘管這將是未來的理想情況，但要實現這一目標，在這裡討論的所有領域都需要大量的工作，以了解基本的機制，並開發可預測的調節微生物組的策略。設想針對微生物組的各種疾病的新療法是令人興奮的。

圖5 將微生物群納入到發展中的精準醫療模式中。隨著目前的發展，精準醫療提出根據人類基因組學、新陳代謝和免疫功能的評估來確定對治療的反應。根據這些數據，可以預測對疾病的易感性，對治療的反應，以及潛在的不良反應，而且可以設計一套定製的治療方案。因為微生物群也能影響同樣的敏感性和對治療的反應，所以，我們建議對微生物群的評估也被納入到一種完全精確的醫學方法中10 總結核酸測序、數據分析和基於培養的微生物學方面的技術進步使我們能夠了解微生物在健康和疾病中的新作用。我們現在知道，與其說微生物作為個體病原體存在，倒不如說是複雜的聯合體的一部分，與它們的哺乳動物宿主有著無數的互作。通過對我們原籍微生物群的研究，我們可以更好地了解微生物可以維持健康並引發疾病的機制。有了更多的理解，我們希望能夠找到新的方法來預防和治療多種疾病，並通過我們的共生微生物來促進健康。未來的研究問題對於那些已經證實與微生物群變化相關的健康狀況，就是微生物群的結構還是其功能的變化導致的呢？如何使我們的研究從對菌群結構變化的檢測進入到對菌群功能變化的闡明？控制微生物群形成的原則是什麼?是否有可能改變菌群的形成？如果有可能，那是在嬰幼兒形成微生物群的最初階段還是菌群形成之後呢？到目前為止，大部分的注意力都集中在微生物組的細菌上。病毒、真菌和其他真核微生物(如腸內寄生蟲)在人類健康和疾病中扮演什麼樣的角色？需要開發什麼新技術來實現這一目標？微生物群的評估和改變是否能被納入到發展的精確醫療模式中?想降低科研成本嗎？可以和我們3000群友一起團購。詳情請點擊：（1）菌群結構譜測序分析（16S/18S/ITS）團購邀請（2）宏基因組測序分析團購邀請
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