Cell重磅:基於微生物的 IBD 臨床療法新機會

導讀

2019年8月22日，來自哈佛、MIT和麻薩諸塞州總醫院等一眾知名機構的研究者，在《細胞》雜誌發表名為《IBD療法新機遇：基於宿主與微生物群的互動關係》的論文。

他們回顧了學界對炎症性腸病（IBD）發病機制在宿主遺傳學、宿主免疫、微生物群和環境暴露之間相互作用的理解，並總結了目前幾種利用微生物群提高IBD治療效果的方法，比如：

減少有害物種的定植

飲食幹預

控制群體感應途徑

恢復微生物群體內平衡的生態工程

研究名稱：Therapeutic Opportunities in Inflammatory Bowel Disease: Mechanistic Dissection of Host-Microbiome Relationships

期刊：Cell

發表時間：2019年8月22日

IF：36.216

DOI:10.1016/j.cell.2019.07.045

近日，《Cell》刊發一篇關於IBD （炎症性腸病）新療法的綜述，再次聚焦知幾未來研究院已多次討論過的這位「老朋友」：

我們已經知道，根據臨床和內鏡特徵，IBD 可被分為2種主要類型：潰瘍性結腸炎（UC）和克羅恩病（CD）。

目前，在臨床上使用氨基水楊酸鹽、皮質類固醇、免疫調節劑等傳統、單一方法治療IBD，效果都不盡如人意。

上世紀90年代，「生物療法」出現了。它包括針對腫瘤壞死因子-a（TNF-a）的單克隆抗體、白細胞介素（IL-12/23）或針對炎症/運輸通路的整合素。生物療法大大提高了患者的生活質量，降低了手術和住院的併發症風險。

然而，據2016年Roda等人的統計——即便是「生物療法」，也有多達40%的患者對初始治療沒有應答。在最初存在應答的患者中，13%-46%的患者在隨後的一年中失去應答。在部分造瘻CD病例中，治療後瘻管復發率高達64%。

這促使科學家們不斷摸索IBD的新機制、治療的新方向。

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微生物群在IBD中扮演的多種角色

關於人類腸道微生物在IBD中扮演的角色，已有大量相對早期和細緻的研究。

Nature Reviews將其定義為一種多菌性疾病（polymicrobial disease），認為它是宿主和微生物之間相互作用的結果——包括腸道微生物因子、異常的免疫反應以及被削弱的腸道黏膜屏障在內的多種因素共同影響了IBD的發生和發展。

有關IBD遺傳學的研究，也已經確定了200多個基因座。這些基因座解釋了8%-13%的疾病易感性風險方差，它們強調了在遺傳易感宿主中，驅動病理學的非遺傳修飾物（如腸道微生物）的重要性。

人類微生物組計劃已對疾病活躍期的IBD患者，腸道微生物群明顯較少、代謝物池的多樣性降低等明顯菌群失調的特徵進行了細緻描述。

IBD患者腸道菌群失衡的特點主要是：兼性厭氧菌數量增加。這些菌群中許多都是口腔所固有的，且具有促炎特性。從微生物群層面來說，這些厭氧菌與細菌代謝產物的減少有關，包括短鏈脂肪酸（SCFAs）或二級膽汁酸。綜合代謝物和宏基因組分析顯示，使用代謝物分類可區分IBD患者與健康對照組。

除此之外，在IBD病理學背景下，不良微生物群還可能擁有更多與宿主、腸道屏障、免疫系統的作用途徑。比如：

非細菌微生物組分在宿主免疫中的作用（IBD 風險基因Atg16l1與cGAS-STING介導的病毒感應途徑相互作用，以IL-22依賴性方式調節腸道炎症）；

微生物群和宿主適應性免疫的持續、動態相互作用（微生物相關輔助信號塑造了腸道細胞因子環境，使T細胞極化，從而分化為Treg、Th17或其他可適應環境的表型）；

微生物代謝物藥理學（糞便代謝物可能是直接與宿主受體/目標結合的化學實體）；

微生物所發出的信號，可影響免疫細胞群（與健康受試者相比，IBD發病期患者的炎性IL-17+免疫細胞浸潤黏膜的數量增加，IL-17的血清水平升高，抗炎性Treg的數量減少）。

……

對此，作者歸納了一些主要的混淆因素，包括：可變發病率、遺傳和臨床異質性以及藥代動力學等等：

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利用微生物群改善治療效果，有幾種不同的形式

考慮到微生物群的巨大潛力，人們對挖掘微生物群中的生物活性化合物、從細菌中獲得藥物越來越感興趣。

吸引學界巨大興趣的一個主題是：是否可以使用活的微生物作為藥物/藥物的載體；或者直接改變微生物群功能或組成，讓細菌變成藥物？

下面，我們將重點介紹基於微生物療法的關鍵例子，並討論這些方法的潛在應用。

這些方法涉及到：減少有害物種的定植、通過飲食幹預或控制群體感應途徑、恢復微觀生物群落的體內平衡的生態工程。

來自細菌的藥物

過往研究報告，微生物群與宿主的互惠作用，或能促進調節宿主生理學的生物活性的進化。

比如，膳食纖維的消化會產生SCFAs，它能夠滋養結腸上皮細胞，並具有廣泛免疫調節功能（如丁酸鹽介導的Treg擴增）。並且，與對照組相比，IBD患者體內丁酸鹽（微生物代謝物）的水平較低。

對人類的幹預性研究表明，丁酸鹽的給藥可能是有效的。但試驗的樣本量，還未到可以給出結論的程度。

另外，儘管丁酸鹽的給藥顯示對宿主有益，但在臨床的治療性轉化，還需要特別注意：

mM範圍（mM range）影響下的成功運輸（給藥）

針對宿主多重靶點的不確定性

不良的藥代動力學特性

利用共生體工程生產治療分子，可能是另一種策略。例如，利用乳酸桿菌Lactobacillus菌株運輸IL-10或抗TNF抗體，能夠有效控制UC小鼠的炎症（Steidler等人，2000年；Vandenbroucke等人，2010年）。

不過，這類方法存在給藥挑戰，使用時需要特別注意ADME（Absorption, Distribution, Metabolism, and Excretion，吸收、分布、代謝和排洩，藥代動力學和藥理學的常用縮寫），因為腸腔內的有效載荷輸送，可能不會到達炎症部位或治療靶點。

另外，微生物代謝物作為一種生物活性探針，也許是一類識別可用於藥物開發的宿主靶點的強大工具。

比如，類似CRISPR技術的方法也可用於生物活性微生物代謝產物的靶點鑑定，識別藥物化學可優化的化合物，以提高效力、選擇性，提供更有利的藥代動力學特性。

針對細菌的藥物

以往的研究表明，IBD患者糞便中微生物密度的降低，主要影響的是：厚壁菌Firmicutes、擬桿菌Bacteroidetes和放線菌Actinobacteria的總數；

而變形菌門Proteobacteria（包括腸桿菌科Enterobacteriaceae的物種，它們很適合在氧化環境中生長）保持穩定的絕對數量。

變形菌門 Proteobacteria

IBD患者腸道內常常出現氧化環境升高，這可由抗生素治療引起的菌群失調、腸道出血引起的氧張力增加、或厭氧電子受體（如硝酸鹽/NO3，nitrate/NO3）的存在引起，其中一些可能是抗菌免疫功能的副產物，它們會產生ROI和一氧化氮（Reese等人，2018年；Winter等人，2013年）。

例如，大腸桿菌Escherichia coli 和鼠傷寒沙門氏菌Salmonella typhimurium可分別利用硝酸鹽和四硫酸鹽（S4O62）進行呼吸，且在存在結腸炎相關炎症時上升。這可能解釋了為什麼IBD患者中的變形桿菌Proteobacteria的絕對豐度沒有減少。

2018年Zhu等人發現，來自腸桿菌科Enterobacteriaceae的兼性厭氧菌的過度生長，可在厭氧條件下，通過削弱其對ROI副產物的呼吸作用，以及使用鎢酸鹽抑制硝酸鹽還原酶來控制。這也許能夠成為一個新的治療靶點。

去除已定植物種

微生物組治療的新策略，已經開始探索選擇性去除特定微生物。

在這些方法中，噬菌體療法具有特殊前景。因為它允許精確靶向用於噬菌體對接的保守性物種特異性膜蛋白，以及運輸可消除目標生物體改變其基因組或調節其功能的「貨物」。

後者可以通過使用基於CRISPR的核酸酶活性，在基因組中引入雙鏈斷裂，使用特定指南RNA庫。因為粘附性侵襲性大腸桿菌（adherent-invasive E. coli ，AIEC）與IBD有關，這可能是此類方法的一個可行靶點。

此外，2007年Barnich等人發現，FimH基因產物通過宿主CEACAM6受體促進AIEC與小腸上皮結合，使AIEC抵抗免疫系統清除。因此，開發利用FimH結合的噬菌體，用於CRISPR貨物的對接和運輸，從而專門針對AIEC基因組，也可能是可行的。

生態工程

（1）要素膳食

影響我們腸道菌群最基本、臨床最可行的就是飲食（調節微生物的營養池）。

對於IBD，一種被稱為「要素膳食」（elemental diet）的飲食治療已顯示出與皮質類固醇治療相當的療效。

要素膳食，主要由胺基酸、必需脂肪酸、單糖、維生素和礦物質組成。它在兒童IBD中特別有效，80%的患者病情可得到緩解。

雖然科學家們還不清楚要素膳食對IBD的影響，但各種研究都指出，通過排除典型飲食中存在的刺激上皮的物質（例如乳化劑、角叉菜膠或羧甲基纖維素）或排除典型飲食中存在的抗原，可增強黏膜屏障功能。

另一個需要考慮的方面是，飲食可以通過調節微生物編碼抗原的表達而間接起作用。一些研究已經開始界定飲食對微生物群落、宿主生理學和免疫功能的影響。這些報告包括特定的飲食方法（例如，全穀物、無麩質飲食），或者益生元的針對性補充。

（2）物種嫁接

對於腸道菌群的重建，可能需要限制某些物種的定植，同時促進其他物種的定植。

促進理想物種的嫁接已經被證明可行。例如，最近所報告的卵形擬桿菌Bacteroides ovatus 和擬桿菌Plebeius菌株含有一個罕見的基因簇，能夠代謝海洋藻類中的卟啉，從而使這些物種得以繁衍，並嫁接在另一種抗定植的內源性微生物群中（Kearney等人，2018；Shepherd等人，2018）。

同樣的，微生物群內的代謝活動可以調節營養池，從而影響腸道微生物的生長和植入。例如，拮抗共生物種對梭菌C. diff 的定植限制，說明了微生物源性代謝活動影響生長和移植物的能力。

（3）群體感應

一種更為精細的治療方向是，識別能夠改變社區行為方向的分子，進而促進理想的表型。

群體感應是細菌對外部刺激（例如種群密度或其他微生物的變化）作出反應的一種機制，協調基因表達或調節生長、代謝或炎症的代謝程序。這些機制與細菌生物膜的形成和毒力因子表達的調節有關（Rutherford和Bassler，2012年）。

在過往的研究中，科學家們已經鑑定出幾種群體感應分子，包括N-醯基高絲氨酸內酯（AHL）分子（autoinducer-1，AI-1）、改性寡肽（autoinducer peptides，AIP）和呋喃硼衍生信號分子（auto- inducer-2，AI-2）。

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結語

總的來說，研究人員認為，目前對於IBD的治療進展，主要存在2個挑戰：

第一，需要進一步加強對疾病驅動因素的機械理解，包括異質性、宿主遺傳學和微生物群的特徵；

第二，更新基於臨床、分子、臨床和臨床的分類系統，使用AI技術幫助臨床醫生識別治療無應答者，並提供主動治療的算法指導。

我們已經揭開了IBD的多個方面的機械聯繫。儘管如此，仍有許多懸而未決的問題。比如：

跨不同分子途徑的多重遺傳敏感性，如何以及在多大程度上誘導微生物組分的病理變化？

不穩定的微生物群是否以漸進的方式使宿主生理失調，最終超過某一誘發病理性炎症的閾值？

與健康或疾病相關的飲食因素和微生物代謝產物是什麼？它們作用於怎樣的分子受體和途徑？

宿主遺傳因子、微生物和微生物代謝產物之間複雜的相互作用，共同控制著腸道內環境的平衡，對於相關途徑的分類和機械解剖，仍然需要大量的努力。

尋求這些問題的解決方案，將有助於破譯宿主微生物群的相互作用，並指導同時恢復腸道屏障、免疫系統、微生物群健康和體內平衡的組合療法的發展。