综述 | NAT MED：人类微生物组研究需将菌群区系纳入蓝图
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人类微生物组研究发现：机体与器官中固有的多样化菌群存在密切的依赖关系，且器官菌群对维持人体健康十分必要。为了明确不同人体以及在器官中不同空间和时间分布的菌群异质性，需要多维数据集及统一的理论和分析工具来研究人类微生物组以全面了解该领域的潜在知识。作者认为需将菌群区系纳入人体微生物组研究的蓝图研究菌群与人类的奥秘。
论文ID
原名：Community ecology as a framework for human microbiome research
译名：人类微生物组研究需将菌群区系纳入蓝图
期刊：Nature Medicine
IF：41.982
发表时间：2019年
通信作者：Susan V. Lynch
通信作者单位：Division of Gastroenterology, Department of Medicine, University of California, San Francisco, San Francisco, CA, USA
综述内容
简介
当前对人类疾病的了解需考虑器官菌群的变化状况。随着对人的不同器官菌群的时空分布的深入了解，将菌群纳入人类微生物组研究尤为迫切。使用当前的区系理论和统计方法研究人体相关的菌群区系，明确宏观器官菌群种类的时空变化。在2001以前，菌群区系伴随着人体微生物组研究。
区系理论和统计学工具为可用于分析多维数据集为解释菌群区系特征提供理论框架。没有框架性的系统了解微生物如何作用、微生物之间的相互作用已经在不同环境下微生物在器官中时空分布，是不可能阐述微生物与疾病的潜在机制。
本文介绍了几种菌群区系名词且讨论核心区系群体理论，因菌群区系对人体健康的重要性，本文主要聚焦菌群区系的聚类性、连续性、分布和修复（Fig.1所示）。
1. 微生物组检测
分析多维数据集合时，尚没有一种检测方法能做的全面性、持续性、代表性综合分析。而科研者面对微生物大数据时，所用的菌群区系检测方法难以捕捉菌群的多角度和综合信息，如ɑ-多样性(Box 1)，一种简单的菌群评价方法，在分析复杂的微生物数据时难以捕获系统信息，尽管当然测序的深度已满足要求，但该方法只能获得群体的单个子信息。为了解决这一难题，在比较微生物多维数据差异前需将数据标准化，以避免解释错误从而减少组分单位的错发率。
无论菌群是在平衡还是失衡时观察的，微生物组多样性检测皆有必要，因菌群平衡和失衡都是以微生物间，及微生物与宿主之间的互作为基础。在临床中，菌群失调或干扰视为宿主和微生物之间潜在分子关系的紊乱。为评价人体微生物组的动态，需检测不同时间段的样品。因此，影响菌群动态变化的周期十分重要。
2. 菌群区系的聚类性、连续性
目前在人体微生物组研究中用于分析菌群区系大数据的方法尚未成熟。菌群区系源于人体相关的微生物，如微生物聚类。菌群形成区系聚类过程中部分受到所盛行的区系条件影响，如宿主胃肠道通过分泌胃酸、胰腺和胆汁分泌物调节菌群在胃肠道的通过时间，和免疫活动影响不同节段的胃肠道菌群聚类特征，如通过产生炎性细胞因子、抗菌肽和IgA，选择性结婚特殊微生物。除了宿主因素外，菌落因素如产生抗菌肽和细菌素和群体感应调节菌群数量表现特征，此外器官环境内可供菌群利用的底物会影响菌群特征。
随着人体微生物组研究发展，菌株及其代谢产物通过微生物与宿主的反馈调节宿主细胞产物影响宿主细胞基因表达，从而选择性调节微生物及其聚类这一复杂的微生物网络逐渐明确。
开发二代测序技术不断挖掘影响微生物聚类的因素和微生物的分子代谢产物，可有效明确宿主微生物组对医疗的作用，开辟微生物医疗的新纪元。
大量研究表明：亚健康和患病儿童的肠道和呼吸道存在反常的微生物群。微生物区系的连续性这一特征可避免微生物紊乱对儿童造成的损害。对于大规模的微生物群，某些优势菌群（Box 1）会影响群体的连续性轨迹，更有甚者，群体中优势菌群发生小小的改变都会对连续性轨迹产生影响，物种竞争在在环境中尤为重要。连续性理论支撑了人类微生物组的发展。在婴幼儿中，肠道内的优势菌群对区系的生存环境起着十分重要的影响，如会影响免疫耐受或验证，因而影响物种聚类及后期的功能特征。
在人体消化道和其他器官生存的微生物同样遵守连续性理论。婴幼儿中早期反常的微生物聚类同样遵守不同的连续性轨迹，如4日龄以配方奶粉为食的剖腹产婴儿（饮食和分泌方式会影响肠道菌群聚类），与阴道分娩以母乳为食的婴儿，或阴道分娩以奶粉为食的婴儿，三者肠道菌群存在差异，且通过样品检测反映差异一直会持续至12月龄。与之类似，哮喘高概率发病儿童与低概率儿童相比，胎粪菌群多样性存在差异，在一岁后高风险儿童菌群多样性轨迹延长。因而，明确初生阶段的菌群种类特征对后期的健康表型以及影响菌群聚类的因素，为改善菌群区系条件，有利于收集外源菌群针对性预防疾病发生，开辟新纪元。
3. 紊乱和动力学
微生物紊乱为疾病的共性。微生物紊乱广受研究，共有四种表型：1. 抵制型（机体菌群区系组分和功能对干扰未发生变化），2. 恢复型（对干扰做出反应后恢复至干扰前的状态），3. 功能冗余（群体物种组分改变但功能未变），4. 物种组分和功能皆改变（菌群状态发生变化）。
微生物对干扰的反应的典型案例为肥胖患者饮食更换后的体重反弹，其中病理菌群始终处于稳定状态。在肥胖小鼠模型试验中，给小鼠饲喂低能饲料后，肠道内致肥胖的病理菌群仍保持续存在，当恢复原先的高能量饮食后小鼠体重开始增加。在生态学上称为肥胖菌群恢复，可使用稳定性更强的菌株调节肠道菌群，朝着稳定非肥胖菌群结构发展。研究表明类黄酮物质可改善致肥胖病理菌群造成的代谢异常。作者认为：致肥胖发生的病理菌群通过宿主-微生物之间互作发生进化，实现区系适应，可预防菌群代谢活动的突变。在人体器官中，菌群同样发生进化型适应，从而保障菌群稳定性，防止菌株种类数量的减少。
为了更好了解宿主-菌群的依赖关系，作者认为很可能是协同进化构建了人体免疫系统和菌群结构，二者相互依赖，协同进化主要发生在肠道营养物质中。但区系进化未被彻底研究透彻，宿主-菌群共生关系被视为在微生物竞争和宿主调控下的互惠关系。微生物及代谢功能试验表明通过微生物通过在宿主内存活，在人体中进行垂直或水平传播，发挥有益作用。如许多种严格厌氧菌发酵纤维合成短链脂肪酸，可被机体细胞利用，调节机体代谢和炎症。的确，发酵微生物在健康人的消化道内是保守菌群，微生物干扰致使此类菌减少，会诱发机体产生慢性炎症性疾病。
研究表明宿主-菌群的互惠关系，使得在人体中存在保守菌群区系，无论在健康或非健康状态下，保守菌群作为核心群体皆具有稳定性、抵制性和恢复性特征，有些数量众多、有些数量稀少，但在区系稳定性特征中扮演重要角色，保证区系状态的保守型。研究表明，在大于1, 000人的样本中，志愿者皆具有丰富的遗传历史，伴有菌群数据的机体遗传数据可显著提高计算机预测宿主的特征功能，如体重指数、高密度脂蛋白胆固醇和空腹血糖水平，优于纯人体基因数据。之后，通过观察个体间微生物的变化得知：捕获纵观微生物的动态变化对了解菌落的各种状态十分必要。胃肠道菌群短期波动可能会引起区菌群发生变化，种类或功能减少，对疾病状况产生较大影响。炎症性肠病患者与健康人相比，造成肠道内临时寄居更多的异常菌群，这一菌群暂时波动是由机体钙结合蛋白（炎症提示因子）水平发生变化及使用药物治疗引发的。
4. 修复
微生态区系修复包括菌群重建，使其达到菌群干扰前的聚类或相似度水平。对于人类疾病来说，菌群修复为合理预防疾病提供新途径。但需要对人体微生态区系的相似度和聚类全面了解，并熟知修复过程的影响因素，才能提供合理的修复方针。
婴儿的组群研究为研究人体早期肠道菌群聚类和连续性提供途径。研究发现早期人体肠道内异常的菌群聚类会提高婴儿的患病风险。改变人体肠道菌群区系的方法将吸纳入合理治疗方案以预防疾病发生。
当前，人体微生物移植研究主要以粪菌移植和饮食添加益生素、益生菌、合生元为主。使用Lactobacillus delbrueckii 可治愈细菌性阴道炎，粪菌移植可治愈艰难梭菌（Clostridium difficile）感染（CDI）。利用元基因组和其他数据分析捕获菌群修复的案例，可助推微生物移植的精准医疗。
服用益生菌是另一条菌群修复途径，通过对印度农村4, 556名婴幼儿研究表明：Lactobacillus plantarum 和果寡糖组成的合生元可有效减少脓毒症的发生率。但其机制尚属未知，合生元可能通过改善菌群活动，抵制致病菌感染。
率先接种的外源菌群至器官，会影响后续外源菌的定植。如婴儿口服益生Bifidobacterium longum， 该菌会在30%的婴儿器官内存留至少6个月。这说明胃肠道及其他器官内的微生物间互作对某株菌的克隆定植至关重要，从而影响该菌在临床治疗上的使用效果和时间。
粪菌移植代表着微生物区系修复，器官菌群受干扰后采用菌株和功能基因替换或重组，以减少疾病症状及抑制病原菌。通过干预作用如饮食使用抗生素、建立CDI模型，筛选具有保护作用的菌株，用于粪菌移植。随着抗生素使用的终止将区系菌群连续性如微生物群落重发育将拉开序幕。修复需要几周的世界，像菌群的主要连续性，其重聚类轨迹受到移植的外源菌菌株和当前的区系大环境这2个因素的影响。在健康人群上研究表明，健康的人使用抗生素治疗后，采取自身的菌群移植处理4周与不采取处理，自身菌群移植处理使菌群恢复更快，而不采取处理组由于抗生素使用的负面效果需要12周时间。
给CDI患者使用粪菌移植修复微生物胆盐代谢，可抵制C. difficile 孢子萌发，抵制其感染。为了检验普通益生菌对胆酸代谢的效果，使用微生物区系模型如将Clostridium scindens，Collinsella aerofaciens 和 Blautia obeum 进行不同搭配组合分别培养在一定的胆酸条件下，接种Lactobacillus acidophilus，或不接种。结果发现了胆酸代谢新途径，包括与益生菌互作途径。这种非计算机模型为解释菌群潜在的代谢途径提供案例。可用于设计新型的联合生物干预方案来治疗某些特殊疾病。
尽管粪菌移植在CDI和儿童自闭症的临床中试上取得成功，但在某些疾病治疗上尚无法取得成功。如慢性炎症性疾病（如肠易激综合征）。由于缺乏对患者肠道菌群区系的全面解析，无法开展有效的粪菌移植。对所用的菌株及菌株间的相互竞争排斥的缺乏理解，会影响外源菌株的能力，从而影响菌群在肠道内定植，及互惠互作的微生物网络的建立，从而有效调节机体免疫和生理特征。
某一疾病的患者，由于患者个体间的异质性使得菌群区系特征存在许多不同，需开发出不同生态工程对策以提高菌群修复效率。如慢性鼻窦炎患者在鼻窦弯曲部的黏膜存在四种不同的菌群结构，每一种菌群失调都会诱导不同炎症反应，这四种菌群聚类不可能对同一种菌群干预治疗都有效果。但也不是每一种病原微生物聚类都需要不同的治疗方案。胃肠道微生物修复途径大致相似。以上益生菌干预修复需针对病人的异质性，采取适当调节设计以便获得更好的微生物疗效。
5. 统计和模型途径
多级别大规模的微生物区系动态计算模型为人体微生物组研究提供便利。第一：这些动态模拟使得干预治疗设计更方便，如药物生物利用度及药物对微生物活力的影响，以至影响人体功能。第二：在人体中微生物代谢的动态计算模型为揭示微生物-宿主互作的机制提供途径，这无疑增强了人们对微生物功能特征的理解，适用于处于任一生长阶段的宿主，以及某些微生物特征减少的健康宿主。
对微生物群落结构的时间波动进行的分析方法已受到质疑，需开发新型、周密的统计工具和模型。许多平台可开展便利的动态微生物纵向建模研究，如泊松自回归综合移动模型，微生物时间变异性线性混合模型，自适应广义主成分分析，微生物动力系统推理时间序列分析2.0，组合数据分析-时间高斯过程模型和多项逻辑正态动态线性模型。这些模型的主要特征是把微生物组分作为外部协变量通过直接或间接的非线性影响起作用。而数据处理和模型外界环境是微生物动态性准确解释的保障，推荐读者深度阅读该方面文献。
不同层次和纵向研究表明使用DNA测序数据阐释微生物动态性很大程度上依赖数据的加工和统计。 在单个组分间使用源于数学关系模型用于描述检测一个整体系统对外界因素的影响仍显稚嫩。开发这些模型用于理解和优化菌群修复治疗方案十分必要。模型之一是通量平衡模型，可用于描述多维大数据预测微生物对外部影响的代谢反应。基于约束的代谢模型包括细胞内的生化反应及如何调节群落中微生物间代谢互作。这些模型需假定代谢互作比细胞增长和外界环境变化更快，且细胞代谢物处于稳定状态，并可用线性模型来预测代谢通量。这些模型可预测某个微生物群体在一定范围内的动态生态变化。通过菌株分离和培养，单个分离物已经可用完全精确建模。通过细胞模型之间的交互共生可将这些模型进一步开发。通过吸纳时间步骤，可建立生态区系动态代谢模型。总之，通过生态理论的应用和系统级别模型的建立，机体与菌群的机制关系将被全面揭示。
6. 未来方向
由微生物综合分析的助推，生态医学迅速的用于临床应用和生物研究。截止2019年3月，将近1, 400种菌株即将用于临床试验。
生态原则的应用为提高对人类微生物组关系的认识提供框架。研发和应用生态统计模型研究微生物与宿主的动态，可阐述之前临床试验中尚未揭示的奥秘。
由于病人体内的微生物结构每天都在发生变化，需采集大量的纵向样品才能预测疾病状态。通过增加采样频率减少干扰、提高统计效率。为鉴别相关的微生物分类、基因或病人及健康人的代谢特征。通过增加监测的时间密度，并使用不断更新的统计方法，深度挖掘数据信息。通过使用生态学理论能更好理解宿主-微生物间互作，将生态修复原理吸纳进入临床应用，开发前所未有的新型治疗方案。仍亟需整合生态学理论和统计法，纳入人体微生物组研究，为持续提高对宿主-微生物互作的认识，针对当前疾病，开发新疗法，预防疾病发生。
评论
本综述从定植在器官中的微生物群落出发，详细解释了微生态在应对外界环境干扰时表现的四种表型，即：1. 抵制型，2. 恢复型，3. 功能冗余，4. 物种组分和功能变化。通过生态学手段和模型建立，改变病理状态下器官内菌群，使其达到修复，揭示宿主-微生物互作的表型和机制，从而推动人类微生物组研究，为菌群的生态医疗提供理论基础。
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