Gut:人體腸道微生物組——希望,威脅和承諾

Cani PD. Human gut microbiome: hopes, threats and promises.Gut2018;67:1716–1725.

存在於人體腸道中的微生物是宿主代謝的關鍵因素，並且被認為是潛在的新療法來源。雖然在2018年這句話可能被看作是顯而易見的，但這一概念的普遍性並不明顯。不可否認，正是由於遺傳工具的出現和過去15年的宏基因組學革命，我們現在能夠描述來自身體不同部位的微生物組（框1）的組成和功能，並將它們與潛在的疾病、風險甚至是明確的臨床症狀聯繫起來。近幾十年來，微生物大多被用於開發疾病特異性診斷。目前，通常在分子水平上描述相互作用或防禦潛在病原體的機制。此外，目前的理解是，一些腸道細菌也可以通過與人類細胞通訊並且主要是通過促進免疫相互作用來實現該目標。近期大量的論文和評論涵蓋了微生物組的不同方面及其在人類健康中的潛在作用，包括在童年時，還有特定疾病，如心臟代謝紊亂、炎症性腸病、神經精神疾病和癌症中的作用。

在目前的觀點評論中，將討論特定細菌的影響和先天免疫系統參與的近期證據。然而，最重要的是，我們討論了該領域當前知識的一部分，並提出以下問題：我們應該如何解釋眾多的希望、承諾和威脅？

在討論具體的例子之前，我們建議你仔細查看下一段，它向我們介紹了可能對人類健康產生重大影響的無限小世界（圖1）。

圖1| 主要宿主細胞及其組分與細菌和病毒的相對大小

腸道微生物群現在被認為是人類細胞的重要夥伴，幾乎與所有人類細胞相互作用。2017年，發表了大約4000篇專注於腸道微生物群的論文，在2013年至2017年期間，有超過12900篇論文致力於研究腸道微生物群。這些顯著的數字代表了過去40年（自1977年以來）關於這一主題的所有出版物的80％以上。這個簡單的發現突出了這樣一個事實，即這個研究領域不僅蓬勃發展，而且強烈暗示了進步的必要性。

雖然沒有詳細討論這一觀點，但我們應該簡單地提到，除了細菌外，其他關鍵微生物，如古細菌、病毒、噬菌體、酵母和真菌，都存在於腸道中。人們已經詳細研究了這些微生物，它們可能控制宿主的活性，最重要的是控制腸道微生物的活性，並且可能與細菌一樣重要。因此，古細菌、病毒體、噬菌體和真菌為宿主- 微生物相互作用的研究提供了額外的維度。例如，噬菌體不僅在數量上超過細菌（噬菌體比細菌多10倍），而且它們也在這些複雜相互作用中發揮效應。舉一個簡單的例子，自Félixd'Herelle正式確定噬菌體（圖1）以來已有100多年，然而，最近才出現了使用宏基因組學分析來分析糞便噬菌體的可重複方案。這意味著這一研究領域需要更多的時間才能將重大的基本突破轉化為公眾的一般應用。然而，今天，由於不同類型的媒體（即通信模式），醫學信息可迅速地傳播給公眾。因此，其中一個主要警告仍然是缺乏社會的看法，也缺乏一些科學家和醫療保健專業人員的觀點，他們可能會誤解數據或期望將這種複雜的研究直接從實驗室轉移到診所。因此，該領域的專家必須謹慎並且沒有妄想地提供這些知識。

▌微生物與宿主細胞相互作用：免疫將微生物與代謝聯繫起來

不同的系統識別並監測體內微生物的存在。例如，在胃腸道（GI）中，上皮細胞作為監護者發揮重要作用，其將關鍵信息傳遞給位於固有層中的免疫細胞。事實上，微生物的識別和監測主要是由具有模式識別受體（PRR）的先天免疫系統執行，例如Toll樣受體（TLR）和NOD樣受體（NLR）。TLR是在細胞表面（即TLR-2、4、5）或胞內溶酶體區室（即TLR-3、7、8、9或13）上表達的跨膜受體，而NOD受體是胞質蛋白。這些受體一起識別來自微生物（例如，脂多糖、肽聚糖、脂磷壁酸、鞭毛蛋白和胞壁醯二肽）的病原體相關分子模式（PAMP）或來自受損組織的危險相關分子模式。因此，胃腸道不僅含有了絕大多數存在於人體內的微生物，而且還可能含有體內存在的較大的免疫細胞庫。值得注意的是，免疫系統對微生物群的組成也有顯著影響。因此，雖然距離很近，GI細胞不斷暴露於大量的微生物抗原和代謝物，但我們仍然與微生物共存（圖2）。

圖2| 微生物與宿主之間的交互作用所涉及的主要機制：代謝的影響

健康和病理情況（例如，代謝紊亂）之間的平衡是至關重要的。這受到包括基因、食物和藥物在內的幾個因素的重大影響。該圖的左側部分顯示，在健康情況下，腸道微生物組的組成與較高的黏液層厚度、抗微生物信號的產生和不同的短鏈脂肪酸如丁酸鹽和丙酸鹽相關。丁酸鹽和丙酸鹽均與腸內分泌L-細胞上表達的G蛋白偶聯受體（GPR）-43和GPR-41結合，從而刺激腸肽的分泌，如胰高血糖素樣肽-1（GLP-1）和肽YY（PYY）。這有助於減少食物攝入並改善葡萄糖代謝。丙酸鹽還可以與淋巴細胞上表達的GPR-43結合，以維持適當的免疫防禦。丁酸鹽激活過氧化物酶體增殖物激活受體-γ（PPAR-γ），導致β-氧化和氧氣消耗，這種現象有助於維持腸腔內的厭氧條件。如圖的右側部分所示，在代謝紊亂期間，腸道微生物組的變化與較低的黏液厚度、降低的抗微生物防禦和丁酸鹽和丙酸鹽的產生相關聯。因此，L細胞分泌較少的腸肽。缺乏PPAR-γ活化導致黏膜附近的微生物群可獲得更高的氧氣，並增加腸桿菌科的增殖。丙酸鹽的減少也導致腸道固有層中特定T細胞（黏膜相關的不變T細胞（MAIT）和Treg的豐度較低。總而言之，微生物環境和代謝物的這種變化會導致病原體相關分子模式（PAMP）的漏出，例如血液中增加的脂多糖（LPS），並引發低度炎症。

除了經典的免疫因素外，腸道微生物與免疫系統之間的相互作用介導了以前未知功能的發現；例如，人們發現特定的微生物成分不僅極大地促進對能量代謝的調節，而且對葡萄糖和脂質的穩態也發揮很大的作用。2007年，我們首次發現了革蘭陰性菌的成分，如脂多糖（LPS），是通過腸道微生物與先天免疫系統（即TLR-4，CD14）相互作用機制引發低度炎症和胰島素抵抗的關鍵因素。的確，飲食誘導肥胖和糖尿病的遺傳模型的特點是循環LPS水平升高，這種情況被稱為代謝性內毒素血症，後來在人類中得到證實（圖2）。自從最初確定LPS作為發生與超重和肥胖相關的代謝改變（例如，胰島素抵抗、葡萄糖耐受不良、血脂異常、肝脂肪變性）的主要參與者以來，其他PAMP如肽聚糖或鞭毛蛋白已被證明具有調節相似代謝途徑的因果作用。

除了腸道微生物群組成的具體變化之外，現在已經認識到幾個關鍵因素有助於細菌化合物從腸腔轉移到身體。如前所述，腸道微生物不斷與腸上皮細胞相互作用；然而，在正常情況下，由於複雜的多重機制（即緊密連接蛋白、黏液層的厚度和組成、抗菌因子的存在、上皮內淋巴細胞和其他適應性免疫細胞以及免疫球蛋白A（IgA）的產生，腸道屏障功能是高效的。

眾所周知，免疫耐受的喪失與腸道炎症有關。有趣的是，最近的數據也顯示了高脂肪飲食的肥胖受試者腸道中T細胞的積累，這一觀察結果與發病率相關。相反，肥胖和2型糖尿病患者的其他免疫細胞，如黏膜相關恆定T細胞（MAIT）（即先天性T細胞）（促進Th1和Th17細胞因子的產生）顯著減少（圖2）。

總之，腸道屏障是通過在腸道微生物和宿主免疫系統之間的微調通訊來控制的。此外，這些相互作用的複雜性引發了關於我們當前理解水平的問題，並且最終有助於解釋為什麼開發特定治療靶標是相對困難的。

▌微生物活動、代謝產物和新陳代謝

除了識別微生物細胞膜特定成分的受體與先天免疫系統直接聯繫外，有證據表明許多不同的微生物代謝物也主要通過與特定宿主膜或核受體結合而影響宿主代謝。在微生物群產生的眾多代謝產物中，重要的有葉酸、吲哚、二級膽汁酸、三甲胺-N-氧化物（TMAO）、神經遞質（如血清素，γ氨基丁酸）、短鏈脂肪酸（SCFA）等。其中後者可能是研究最多的。實際上，調查最多的可能是SCFA（即丁酸鹽、丙酸鹽和乙酸鹽）。已經表明SCFAs被G蛋白偶聯受體如GPR-41和GPR-43識別。刺激這些受體可引發參與葡萄糖代謝或食物攝入的腸肽的分泌，例如胰高血糖素樣肽-1或肽YY（PYY）（圖2）。因此，微生物可在不同器官上遠距離通過刺激腸內分泌細胞產生關鍵激素起作用。值得注意的是，丙酸鹽還可調節免疫細胞產生抗菌因子，因此可作為免疫調節劑，作用包括減少癌細胞的增殖。後一個例子還強調了一個事實，即不同的微生物代謝物可能在宿主代謝中發揮不同的作用，從調節葡萄糖水平到免疫調節作用。

實際上，在這些方面，一些SCFA的作用和機制也可能與之前的想法大不相同。例如，丁酸鹽幾十年來一直被認為是必需的能量來源，允許結腸細胞增殖並有助於維持健康的腸道屏障功能。然而，在最近的一項研究中，Byndloss等人發現，丁酸鹽還可能通過與宿主細胞相互作用而對微生物環境和生態產生強烈影響。已經表明丁酸鹽指導結腸細胞通過激活β-氧化來「呼吸」氧氣，保護宿主以免潛在致病細菌擴散到腸腔（圖2）。具體而言，作者利用了最近的信息，表明腸道內含極低量的氧氣（即厭氧狀態）是防止假定兼性厭氧病原體如沙門氏菌或埃希氏菌屬擴散所必需的條件。因此，作者證明，宿主細胞中的線粒體β-氧化丁酸鹽來消耗氧氣，有助於限制氧氣從結腸細胞擴散到腸腔，最終有助於厭氧條件的維持（圖2）。

▌重要的是：微生物的質量、數量或活動？

在過去的十年中，開創性的論文表明，一些代謝紊亂，如肥胖和糖尿病，與微生物群在門水平上的變化有關（即在厚壁菌門/擬桿菌門比率）。自從有這一發現以來，並非所有論文都能夠複製這一結果，這引發了以下問題：我們是否應該只關注門水平的一般成分，還是應該更深入的研究（即屬和種水平）？除了這些考慮因素之外，還有另一個重要問題：與單獨的研究微生物組成相比，探索腸道微生物群的代謝能力以及最終的代謝產物（例如丁酸鹽、膽汁酸、TMAO）是否更為相關？事實上，正如本文前一章所簡要描述的那樣，腸道微生物組產生的許多代謝物可以影響我們的新陳代謝。

在我們的認知水平，這些問題沒有明確的答案。沿著這些方向，除了這些發現和觀察之外，最近一項研究表明，微生物的絕對數量，而不是微生物比例，真正起作用。這項研究結果證實了大多數先前的研究，主要基於微生物相對比例可能無法捕捉到問題的實質。例如，作者觀察到健康個體的微生物負荷之間的差異高達1 log。在本文中，作者強調了這樣一個事實，即只有當使用經典的相對豐度分析時，擬桿菌的豐度才與克羅恩病相關，而通過使用定量微生物組分析時，發現克羅恩病患者普氏菌屬的豐度下降。這一觀察結果強調了使用基於相對豐度的分析的實際風險和局限性，因為這種類型的分析可能導致錯誤的解釋（圖2）。

同樣，已有作者討論過除分析某些腸道微生物的存在外，分析這些微生物活性的必要性。最近，Schirmer等人對超過100個人的腸道微生物組進行了分析，包括克羅恩病、潰瘍性結腸炎和非IBD對照患者，並分析了這些個體的宏基因組和元轉錄組。他們發現大多數細菌在分析DNA和RNA豐度時有很好的相關性；然而，令人驚訝的是，一些在宏基因組數據方面豐富的生物體在腸道中「無活動或休眠」，很少或沒有表達。相反，一些疾病特異性細菌特徵僅在轉錄水平分析時才可檢測到。這些發現強調了特定腸道微生物途徑的轉錄可能隨時間變化，導致潛在的表型變化的事實，這可能與經典宏基因組豐度相關的變化互補（圖2）。

話雖如此，上面強調的具體實例和相關的細菌數量與細菌活性（包括代謝組）強烈證明了多組學方法的重要性，以及各種基因組學和代謝組學方法如何相互補充，來進一步分析微生物、宿主和整體新陳代謝之間的相互作用。

一些有趣的研究也提出微生物組應被視為精準醫學方法的一個組成部分，因為它可導致疾病各個方面狀況的個體差異，也是未來治療方法發展的可修改因素。例如，Zeevi等人通過顯示腸道微生物組可用於預測個體血糖對特定飲食的反應來簡潔地說明了這一概念，這在個體之間存在差異。然而，這需要使用機器學習算法，該算法整合了許多參數，例如在這種情況下，整合了來自800多個人和超過45 000餐的一周葡萄糖水平、飲食習慣、人體測量、體力活動和腸道微生物群。有趣的是，該算法隨後在100個人的獨立隊列中進行了測試。儘管一些研究人員發現這種應用具有很高的前景並且清楚地顯示了它的應用，但是其他人已通過結論（例如預測算法是具有複雜統計關聯的黑盒子而沒有真正的機制來解釋存在的這種關聯）要求降低其廣泛適用的潛力。或其他人提到，結果沒有提供足夠的證據表明該模型最終優於目前檢測高葡萄糖水平的方法，甚至沒有證明管理餐後高血糖水平的個人營養建議優於標準建議。

實際上，目前還沒有就什麼是最佳選擇以及如何設計未來的個性化醫療達成完全的共識，但該領域相對較新，值得進一步開展工作。

然而，通過在預期條件下（與目前存在只研究單個時間點的警告的情況相反）篩選組合物以及代謝物（例如代謝組）來獲得更全面的情況分析可能是有用的。值得注意的是，人們也可能會爭辯說，大多數研究都檢查了糞便（易於獲得），而黏膜微生物群仍在研究中（圖2）。不言而喻，這些雄心勃勃的研究將需要標準化的採樣、存儲和分析協議。此外，正如在營養和藥物治療領域多年來所做的那樣，我們應該開展大規模的縱向研究。實際上，這些未來的研究應該被設計為允許在非常廣泛的受試者群體（即健康的以及疾病受試者）中進行數年的隨訪，在此期間樣本（例如血液、尿液、糞便）和經典的飲食習慣和藥物使用等儘可能多的信息應該仔細隨訪。

總而言之，上面討論的不同觀點強烈的支持功能研究的必要性，但它也突出了目前在最佳進展方式上達成明確共識的困難。因此，為了全面了解微生物組對健康的作用，我們仍然需要結合微生物組的成分分析，並顯示與環境變化（即飲食、藥物）或生物狀態（即個體、生理差異、疾病）的關聯。這將需要後續研究來驗證因果關係。

原創：消化客

轉自：江蘇省人民醫院消化科

翻譯：張靈

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