微生物组在人类疾病和健康中的作用（第四部分）

本文由Vincent B Young原创，江舜尧编译，并根据中国的语言习惯等稍作调整。由于全文太长，将分四次编译。本文是第四部分。原文题目：The role of the microbiome in human health and disease: an introduction for clinicians期刊：The BMJIF：20.785发表时间：2017年摘 要 对微生物组(microbiome)（包括微生物群及其栖息的宿主环境）的研究改变了临床医生对微生物在人类健康和疾病中的看法。也许最根本的改变是我们认识到，我们体内的大多数微生物都提供了至关重要的生态系统贡献，这有益于整个宿主-微生物系统。这些贡献包括重要资源的生产、营养的生物转化和对病原微生物的抵御。因此，疾病产生的原因可能是有益功能的丢失，或者入侵微生物导致的异常功能的引入。本综述将阐述，对原籍微生物群（indigenous microbiota）的动力学和功能的了解如何改变了我们对微生物维持体内平衡并引起疾病的看法。将讨论微生物群的有益功能的破坏如何导致疾病。研究微生物群的方法将作为概念框架的一部分在此介绍，利用这些方法来描述健康状态下微生物的新作用。笔者将讨论微生物组和疾病的特异性变化之间的关键联系。这将引出一种阐释，即如何调节微生物群才能预防或治疗多种疾病，调节方法包括恢复缺失的功能和消除有害的功能。随着微生物组与健康和疾病的关系方面的研究的激增，本综述的目的是为临床医生提供一个基础，使大家能够跟踪这个发展中的生物医学研究领域。1 简介2 资源和选择标准3 关于微生物在健康和疾病中的作用的不断演化的概念4 什么是微生物组（microbiome）？5 原籍微生物群的功能是什么？1-5部分见：谨以此文献给中国医生：微生物组在人类疾病和健康中的作用（第一部分）6 微生物组研究进展7 微生物组研究的概念框架6-7部分见：谨以此文献给中国医生：微生物组在人类疾病和健康中的作用（第二部分）8 与微生物组相关的疾病8部分见：微生物组在人类疾病和健康中的作用（第三部分）9 新疗法：微生物组作为治疗靶点微生物组可能在多种疾病的发病中发挥作用，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动的存在。因此，人们认为，恢复有益的微生物群结构或功能可能成为某种疾病的新疗法。为了实现这一疗法，人们已经提出了几种可能的策略。虽然迄今为止，成功只局限于一些条件和治疗方法，但这种关于对疾病治疗和预防的新方法的希望，值得我们对其未来进行讨论。表2 疗法方法依据案例抗生素抑制微生物群中靶向的特定的某个或某些成员，并允许影响有限的其他物种小肠细菌过度生长；肝性脑病噬菌体利用天然存在的噬菌体来杀灭微生物群中有破坏作用的靶标菌为了修复受损的微生物群而进行的病原菌靶向治疗益生菌（单一物种）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）预防抗生素相关腹泻（说明；原文使用Sacchromyces  boulardii一词，编译者认为有错， Saccharomyces  boulardii才是正确的）多物种/预设的微生物群好比单一物种益生菌，利用一群微生物来代替假定的缺失的微生物及其功能来源于粪便的菌群，多物种益生元提供一种复杂的不被宿主消化的食物（通常是碳水化合物）来刺激微生物群中特定成员的生长。益生元被微生物群代谢成对宿主有用的化合物菊粉，抗性淀粉合生元提供一种由某种微生物（或多种微生物）及益生元组成的混合物，以替代微生物组中缺失的功能，而且益生元能被其中的微生物所利用营养疗法完全是重新设计的饮食，目的是促进有益微生物群的生长及其有益功能的富集IBS患者低FODMAP饮食，IBD患者专用小肠营养疗法菌群替代,“微生物群重塑”通过向患者移植来自正常人的微生物群而恢复患者缺失的微生物群粪便移植FODMAP=可发酵的寡糖，双糖，单糖，多元醇；IBS=肠易激综合征；IBD=炎症性肠病9.1 抗生素尽管用于治疗的抗生素对原籍肠道微生物群造成的间接伤害在艰难梭菌感染发病机制中起着关键作用，但抗生素介导的微生物群的改变可能还会改变一种疾病相关的微生物群落，以恢复到健康的状态。这一策略早在人们对微生物组产生兴趣之前就已经被使用了。例如，抗生素治疗试验被用于某些情况下，如肝性脑病、肠易激综合症和术后结肠袋炎的患者。在这些早期的治疗试验中，人们认为一种神秘的典型的细菌病原体并不存在。如果出现细菌过度生长或微生物失衡等情况，人们希望抗生素能改变这种不正常的状态。这种方法的一个明显的缺点是，它通常是经验性的。到目前为止，我们还不能准确预测一种特定的抗生素将如何影响一个特定的微生物群落。此外，我们对微生物菌群结构与功能之间的关系的理解有限，这降低了这种方法的精确性。人们根据以上这种方法提出了一种预防复发性艰难梭菌感染的方法。一些最近开发用于治疗艰难梭菌感染的抗生素，被设计成更窄谱地局限于病原体，希望能限制对原籍微生物群造成的间接破坏，这种破坏与复发性疾病有关。跟其他抗生素相比，非达霉素（fidaxomicin）减少了对微生物群潜在的破坏，其使用，在保持了对病原体的良好疗效的同时，降低了复发性疾病的发生率。这一策略仅限于治疗艰难梭菌感染，但在治疗已知的细菌病原体造成的感染时应限制使用广谱抗生素，以免破坏微生物群的其他成员。因此，适当的抗生素管理有助于限制耐药微生物的发展，并能防止对原籍微生物群的过度破坏。噬菌体疗法被认为是另一种对微生物群影响最小的治疗感染的方法。噬菌体是一种细菌型的病毒，其宿主范围通常有限。噬菌体疗法是针对特定的细菌病原体而开发的，而且由于其本身的性质，它们不太可能对微生物群的其他成员产生脱靶效果。虽然噬菌体可以选择具有耐药性的细菌变种，但这些耐药细菌经常改变其表面结构，从而导致噬菌体对其宿主（即细菌）的毒性减弱。在将噬菌体开发成治疗药物之前，还需要做更多的工作。但对于探索旨在减少微生物群落干扰的新疗法，人们有很大的兴趣。9.2 益生菌和其他微生物生物疗法由于许多微生物群相关疾病被认为是由有益微生物不足而引起的，因此，替换“缺失”的微生物群是一种治疗策略，而这一策略也在最近引起了人们对微生物组的关注。益生菌被世界卫生组织定义为“活的微生物，在适当的剂量下，会给宿主带来健康益处。”尽管有这样的定义，许多假定的益生菌还是没有按该定义开发或验证。即使进行旨在显示潜在健康益处的研究，通常也不会对其机制进行探索。这引起了一些人的指责，认为益生菌领域存在“非科学”的方面。此外，美国食品和药物管理局（FDA）等监管机构已允许许多益生菌遵循膳食补充剂规则进行审批，前提是它们不能“用于诊断、治疗、减轻或预防人类疾病”。这促使人们提出了活体生物疗法的新条款，即益生菌被用作药物。然而，如果按照WHO对益生菌的正式定义，就需要正式测试和批准（这也是新药开发所需要的），这样就不需要新的定义了。尽管如此，在几种情况下，许多研究还是在治疗试验中使用益生菌。在许多情况下，在这些试验中使用的益生菌已经被研究了很长时间，远远早于目前人们对微生物组感兴趣的时间。事实上，因研究吞噬作用而于1908年获得诺贝尔奖的Élie Metchniko提出，微生物组可能对其宿主即有益又有害。他认为，食用发酵的牛奶产品可能会对健康产生有益的影响，这就促进了人们将乳杆菌和双歧杆菌开发成为潜在的益生菌。这些微生物通常以治疗性食品的形式进行管理，通常是发酵的牛奶产品，如酸奶（yogurt）和卡菲尔（kefir）。研究表明，这些治疗性食品可以帮助预防和治疗儿童急性肠胃炎。其作用包括限制抗生素相关腹泻的发展和预防艰难梭菌的感染。以前使用典型的益生菌制剂进行的小型试验的结果好坏参半，这导致大多数发表的建议指南反对它们的使用。最近，一项大型的随机、双盲、安慰剂控制的多中心试验在老年人中没有显示出乳杆菌和双歧杆菌的益生菌混合物在预防与抗生素相关腹泻或艰难梭菌感染中所产生的效果。这为不推荐使用益生菌来预防这些疾病提供了进一步的支持。如上所述，许多被推荐为益生菌的传统微生物都是从发酵食品中分离出来的。因此，它们被选择的原因并非其被理论或试验证明了的行动机制。最近对微生物组的研究，特别是包括微生物功能检测在内的研究，已经促进了可用于治疗特定适应症的微生物的开发和临床前测试。回到艰难梭菌感染，对胆汁酸代谢在疾病发病机理中的重要性的认识，促使了胆酸、胆酸类似物以及可能改变胃肠道内胆酸代谢的有机体的临床试验。尽管这种治疗仍处于发展阶段，但基于合理选择行动机制的开发活体生物疗法的范例有望成为未来开发益生菌的重要策略。9.3 益生元和饮疗另一种改良原籍微生物群的策略是改变微生物组的环境条件，以提供有利于微生物生长和优势及其功能的营养物质。这一策略在很大程度上被应用于调节饮食以改变胃肠道微生物群。在最基本的层面上，这种方法需要提供一种单一的食物来源，以培养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体消化的碳水化合物，这意味着它们将被特定的微生物所代谢以促进这些微生物的生长。考虑到丁酸等微生物发酵产品的有益作用，许多策略旨在提高这种代谢产物和其他短链脂肪酸的产量。因为这样的治疗假定合适的微生物存在，有一种变化就是对“合生元”的管理。合生元既含有相关的益生菌又含有作为益生元的碳水化合物。虽然专注于单一的营养物质是有用的，但更广泛的饮食变化也是需要的，这至少在一定程度上改变了原籍微生物群。患有IBD的儿童，尤其是Crohn病，已经成功地接受过专门的肠道营养(EEN)治疗。这是一种精确定义的液体饮食，含有各种营养物质。在这些儿童中缓解疾病的成功率是显著的，但很难长期坚持这种饮食习惯。最近关于EEN对肠道菌群作用的研究表明，它对细菌群落的结构和功能有显著的影响。这些变化与微生物组的功能改变有关，这与之前的数据所显示的结果是相反的。这表明我们对微生物群的治疗操作知之甚少。9.4 微生物修复一个功能失调的微生物群落的更替或修复是益生菌策略的合理延伸。然而，也有一些差异。特别是，人们对一种通常被称为微生物群移植的方法很感兴趣，即将一个健康人的完整的微生物群落移植给另一个患某种与微生物群相关疾病的人。这种治疗方法可以追溯到古代，尤其是对完整的粪便或从粪便中提取的物质进行移植。最近，人们对旨在治疗复发性艰难梭菌感染的粪菌移植(FMT)感兴趣，这促进了对这种特殊微生物组治疗的几项研究的兴起。第一份关于粪菌移植治疗抗生素相关的伪膜性结肠炎（可能是艰难梭菌感染引起的）的报告发表于1958年。最近，关于应用粪菌移植治疗复发性艰难梭菌感染的临床试验使用了不同的粪便制剂，并比较了不同的给药方式。在一项安慰剂对照试验中，患者自己的粪便被移植给安慰剂组的受试者。一般来说，各种形式的粪菌移植对治疗复发性艰难梭菌感染的显著成功率是令人兴奋的。微生物组替代疗法可能可以用于其他疾病。然而，到目前为止，这种成功还没有在肥胖和IBD等其他疾病中得到复制。在小规模的(有时不受控制的)试验中发现了矛盾的结果。有人建议说，这种治疗方法可能不能直接用于其他条件下。粪菌移植对复发性艰难梭菌感染的治疗作用似乎跟肠道微生物群孢子的形成有关。在其他条件下，使用粪菌移植治疗复发性艰难梭菌感染的这种模式，不一定会成功。9.5 治疗的未来：精确的微生物治疗?精准医疗主要集中在能够影响健康和对治疗起反应的宿主可变因素上，例如宿主遗传背景。但是由于原籍微生物群可以在宿主健康和对治疗起反应方面发挥关键作用，所以，精准医疗需要考虑这些微生物的可变因素。这种方法将建立在更好地理解在特定疾病中微生物群的精确致病作用的基础上，以及对这种因果关系的精确的认识上。在此基础上，可以进行诊断和预后分析，以描述缺乏特定有益的微生物或存在有害微生物，并与患者变量的评估相结合(图 5)。当能对一个特定的患者这样做时，可能包括在此讨论的几种潜在治疗模式的定制化精准医疗策略会被提出来。尽管这将是未来的理想情况，但要实现这一目标，在这里讨论的所有领域都需要大量的工作，以了解基本的机制，并开发可预测的调节微生物组的策略。设想针对微生物组的各种疾病的新疗法是令人兴奋的。

图5 将微生物群纳入到发展中的精准医疗模式中。随着目前的发展，精准医疗提出根据人类基因组学、新陈代谢和免疫功能的评估来确定对治疗的反应。根据这些数据，可以预测对疾病的易感性，对治疗的反应，以及潜在的不良反应，而且可以设计一套定制的治疗方案。因为微生物群也能影响同样的敏感性和对治疗的反应，所以，我们建议对微生物群的评估也被纳入到一种完全精确的医学方法中10 总结核酸测序、数据分析和基于培养的微生物学方面的技术进步使我们能够了解微生物在健康和疾病中的新作用。我们现在知道，与其说微生物作为个体病原体存在，倒不如说是复杂的联合体的一部分，与它们的哺乳动物宿主有着无数的互作。通过对我们原籍微生物群的研究，我们可以更好地了解微生物可以维持健康并引发疾病的机制。有了更多的理解，我们希望能够找到新的方法来预防和治疗多种疾病，并通过我们的共生微生物来促进健康。未来的研究问题对于那些已经证实与微生物群变化相关的健康状况，就是微生物群的结构还是其功能的变化导致的呢？如何使我们的研究从对菌群结构变化的检测进入到对菌群功能变化的阐明？控制微生物群形成的原则是什么?是否有可能改变菌群的形成？如果有可能，那是在婴幼儿形成微生物群的最初阶段还是菌群形成之后呢？到目前为止，大部分的注意力都集中在微生物组的细菌上。病毒、真菌和其他真核微生物(如肠内寄生虫)在人类健康和疾病中扮演什么样的角色？需要开发什么新技术来实现这一目标？微生物群的评估和改变是否能被纳入到发展的精确医疗模式中?