（完整版）微生物组在人类疾病和健康中的作用

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。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2016年公布的美国国家微生物组计划反映了过去十年微生物组科学的兴起。了解复杂微生物群落（microbial communities）如何影响多种疾病的发病机理，对预防、诊断和治疗具有一定的指导意义。但是，由于在传统上，微生物学的这一新领域并不是医学预科或医学课程的一部分，因此，执业医师和正在学习的医务人员往往很难理解在临床实践中对微生物组的日益关注。本综述旨在帮助医生了解如何研究微生物组，并概述关于微生物群落的结构和功能的知识如何最终影响到医学实践。由于对微生物组的研究跨越了几个生物医学学科，因此不可能对许多主题进行详细的讨论。仅为读者提供高质量的综述，以便更多地了解感兴趣的特定领域。2 资源和选择标准本综述中使用的参考文献检索自PubMed和Medline，发表于1965年至2016年间，同时，部分来自笔者个人图书馆。鉴于“微生物组（microbiome）”这一术语的使用呈指数增长（图 1），所以，笔者聚焦在最近十年。检索的术语包括微生物组（microbiome）、微生物群（microbiota）、益生菌（probiotic）、益生元（prebiotic）、代谢组（metabolome），同时结合特定疾病和健康状态，包括肥胖、传染性疾病、炎症性肠病、糖尿病、心血管病和慢性阻塞性肺病。很少有高质量的系统综述和随机对照试验(RCTs)评估微生物组在疾病中的作用，因此很难用正式的质量标准来评估文献。由于主题的广泛性，笔者将最近的高质量综述和RCTs放在了优先级，其中多个参考文献是相关的。本综述所引用的研究文献（大多数是观察或使用动物模型）是发表在高影响力杂志的，而且其研究人员通常受到该领域其他人的尊重。重要的原始文献被引用，以作为特定疾病的关联或新方法的一个例子。

图1 微生物组相关出版物数量的增长。从1980年到2016年，当用术语“microbiome”在PubMed查询时，在过去的十年中，出版物的数量呈指数增长。3 关于微生物在健康和疾病中的作用的不断演化的概念在理解微生物群落如何影响人类健康方面，有些困难来自于这么一个事实，即这一领域的历史与在医学培训期间教授的标准微生物和传染病的历史不同。我们最初对微生物在人类健康中的作用的理解依赖于细菌致病论，这是由路易·巴斯德提出并由罗伯特·科赫和其他人发展的。早期的研究主要集中在微生物作为疾病的病原(即病原体)，科赫的假设是将个体微生物作为疾病的致病因子。这导致人们关注微生物破坏宿主体内平衡的这一属性。对单一生物体(最初是细菌，然后扩展到真菌、病毒和朊病毒)和发病机理的这一关注使人们在医学上取得了巨大的进步。伴随对微生物学的理解而来的是控制传染病的方法的发展，这促进了公共卫生和卫生实践以及抗生素的发展。与医学微生物学和传染病学的发展平行，其他科学家开始研究微生物在自然环境中的作用，如在土壤和海水中发现的微生物。研究人员发现，这些环境中的微生物很少单独存在，而作为复杂群落的成员是最常见的。这些微生物学家与生态学和进化生物学领域（而不是医学领域）的研究人员建立了更紧密的学术联系。当医生和医学研究人员考虑到复杂的微生物群落时，通常是在消化道中，微生物被认为是一种共生生物(表1)，即通过与宿主保持紧密联系而获得益处但对宿主没有任何积极或有害影响的生物体。然而，最近人们意识到这种关系可能不是单方面的。表1 概念概念含义英文中文Functional metagenomics功能宏基因组学一种在宏基因组中寻找特定生化功能的方法。宏基因组被克隆进载体（如质粒或细菌人工染色体）形成文库。然后，这个文库被转染到一种测试微生物(如Escherichia coli)中，并筛选一些有趣的功能，如抗生素耐药性或对给定的基质进行代谢的能力Metabolome代谢组在特定环境下，小代谢物(多肽、低聚糖、单糖、脂类等)的总和。就宿主相关的微生物组而言，代谢组通常反映宿主和微生物群的代谢活动Metagenome宏基因组一个给定的微生物群落的集体基因组。它是一种对特定微生物群的功能潜力的测量。宏基因组学是对宏基因组的研究Microbiome微生物组一个典型的微生物群落，它占据了一个相当明确的栖息地，并且具有独特的物理化学性质。这一术语不仅指涉及到的微生物，还包括它们的活动。有些人使用微生物组这一术语仅仅指代微生物本身(参见下面的“microbiota”)。此外，一些人还使用这一术语来指代微生物群落的集体基因组(见上面的metagenome)Microbiota微生物群一个微生物群落，它们占据了一个特定的地点或栖息地Operational taxonomic unit (OTU)操作分类单位(OTU)一个分类单元，基于一种分类标记基因的DNA序列相似性(如16S rRNA编码基因)。基于16S基因序列的生物分类，普遍使用的阈值是97%，两条基因序列的相似性等于或大于该阈值则被认为是同一个OUTPhylotype种系型一种分类单元，它基于将待查询序列与给定数据库进行比对，并根据与数据库的相似性，将成员分配给给定的小单元。在计算上，这个方法通常比基于OTU的方法要快但是它非常依赖于数据库的完整性以及底层分类的准确性Prebiotic益生元一些有利于有益微生物的生长及其遗传功能的营养素。它们大都是碳水化合物，不能被人类的消化系统所分解，但是可以被微生物群中的特定成员所代谢Probiotic益生菌通常被定义为“活的微生物，在适当的剂量下，有益宿主健康。”在过去，这些往往是在发酵食品中首次被发现的生物体。目前，人们对健康人群中微生物群的潜在益生菌感兴趣Proteome蛋白质组在给定的环境中，蛋白质的总和Symbiosis共生字面意思是“生活在一起”。当指宿主-微生物互作时，就叫经典的“互利共栖”，双方都获益；当微生物获益而且以损害宿主为代价时，叫做“寄生”；当微生物受益而且对宿主无害也无益时叫做“偏利共栖”。真正的偏利共栖很可能是少见的，但这是一种互惠互利的形式，对宿主的益处并不是显而易见的Transcriptome转录组在给定条件下，微生物群的转录活性基因的集合。对转录组的分析通常包括采集和测序微生物群的总RNA医学研究人员已经认识到，环境微生物学家研究和理解微生物群落的概念适用于人类。诸如美国国立卫生研究院(NIH)的人类微生物组计划和MetaHIT项目等被启动，以促进这一研究的发展。伴随着对人类相关微生物群落的研究开始蓬勃发展，研究人员不得不采用新的方式来思考和讨论微生物学的概念。临床医生和医学研究人员在理解文献时所面临的困难之一是对术语不熟悉。所以，本文将首先讨论一些常见术语（参见表1）。4 什么是微生物组（microbiome）？微生物组的定义见表1。这一术语现在经常被用来指代定殖在身体某个特定部位的复杂微生物群落，例如，在讨论肠道微生物组及其与各种健康和疾病状态的关系时。在这篇综述中，笔者将使用微生物群（microbiota）这个术语，它纯粹地指代一个特定位点上存在的微生物。微生物组（microbiome）这个词不仅指微生物，还指它们所栖居的环境。肠道微生物组不仅包括微生物，还包括宿主的一些元素，如宿主的上皮细胞、免疫成分，以及微生物和宿主的产物，包括代谢物。此外，尽管许多关于原籍微生物群的研究都集中在细菌上，但是病毒和真菌也栖息在被微生物占据的大多数身体部位。对细菌的关注部分源于这样一个事实：用来研究微生物群落的测序方法主要是用来研究细菌的(见下文)。然而，最近比较多的研究开始关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么？微生物组和微生物群之间的区别似乎只是语义学上的。然而，当考虑一个特定的微生物群落可能执行的多种功能时，我们是仅仅考虑一个特定环境中的微生物还是微生物及其环境的总和，这点很重要（图2）。原籍微生物群可以单独执行对微生物组中的非生物要素进行代谢的功能，也可以通过与其宿主互作来执行该功能。虽然微生物的基因组比宿主的小很多，但是总的来说，微生物群却有潜在的更大的代谢能力。另外，一些代谢活动是由微生物和宿主共同完成的。同样地，宿主和原籍微生物群之间的信号传递可以改变这一共生伙伴的任何一方的结构和功能。微生物群可以进行多种代谢活动，从复杂分子的分解和生物转化，到多种化合物的合成，这些化合物对微生物群和宿主都有影响。在某些情况下，微生物菌群可以增强宿主中存在的通路，但在另一些情况下，微生物群编码的一些通路，是微生物组中的微生物组分（microbial component）独有（即与宿主无关）。很重要的一点是肠道微生物群的一种发酵能力，即发酵抗性淀粉(不能被宿主消化的多糖)产生多种化合物，最主要的是短链脂肪酸，它们对宿主有多种影响。例如，丁酸是结肠细胞的能量来源，对宿主生理有多种影响，从抗炎作用到抗肿瘤活性。关于原籍微生物群的代谢活动如何影响宿主健康的问题，另一个有趣的例子与药物等小分子的代谢有关。微生物的代谢作用会影响某些口服药物的生物利用度，如强心苷地高辛。由于该药物的治疗范围狭窄，其生物利用度的改变对毒性的产生有很大的影响。最近的研究表明，由于强心苷还原酶操纵子的存在，迟缓埃格特菌(Eggerthella lenta)的某些菌株可以降低地高辛的浓度。宿主-微生物协同代谢的一个例子是肠道内胆盐和胆汁酸的转化。这些化合物，在宿主的肝脏中合成并分泌为结合胆盐，可以在肠道内进行微生物介导的转化，从而释放出非结合胆汁酸并生成次级胆汁酸。尽管这些化合物的活性与转化前的不同，但宿主已经进化出了识别和响应这些微生物生成的化合物的能力，这种能力类似于对细菌生成的短链脂肪酸的反应。法尼酯X受体(FXRs)是胆汁酸的核激素受体。通过FXRs和其他胆汁酸受体发出的信号会对宿主产生多种影响。由于胆汁酸是胆固醇分解代谢的终产物，对胆酸代谢的改变会对胆固醇和脂质代谢产生影响。肠道微生物群的变化与脂质代谢的改变有关，各种各样的FXR激动剂正在被开发成各种代谢紊乱的潜在治疗手段，包括肥胖、胰岛素抵抗、肝纤维化和非酒精性脂肪肝。原籍微生物群可以改变上皮反应和系统应答，例如免疫系统的发育和活性。无菌动物的外周淋巴组织和免疫应答发育不充分，正常微生物群中的特定微生物或复杂微生物群的定殖可以逆转这一不成熟的状态。类似地，黏膜上皮细胞也会改变它们对粘液分泌和营养素受体的表达，并对微生物群的存在做出不同的应答。反过来，宿主的上皮细胞和免疫系统也能改变微生物群的结构和功能。另外，有两篇报道显示，微生物群可以改变免疫疗法的抗肿瘤反应，这些免疫疗法通过靶向细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(CTLA-4)或程序性细胞死亡受体1(PD-1)来影响检验点阻滞（checkpoint blockades）。虽然具体的机制还有待确定，但是这些能改变免疫疗法的反应与微生物群的特定成员有关。原籍微生物群的最后一项功能是定殖抗性，微生物群的存在避免宿主被潜在的致病微生物所定殖，从而避免疾病。这种现象是由微生物群介导的，而其中的机制仍在被报道，这可能涉及到一系列代谢活动，如短链脂肪酸的生产，对营养的直接竞争，以及对宿主的免疫作用。综上所述，哺乳动物宿主和它们的微生物伙伴之间存在着一种精确而复杂的共生关系，任何对这种共生关系的干扰都可能对双方均产生不利影响。对于宿主来说，这种共生关系的改变可以导致多种疾病状态，如下文所述。

图2:原籍微生物群的潜在功能 。微生物群可以通过微生物的合成代谢或分解代谢活动或直接的宿主-微生物相互作用产生影响。分解代谢和对饮食或源于宿主的化合物的生物转化可以提高宿主对营养物质的可利用度或转变药物的生物可利用度。微生物群的一些成员可以合成重要的辅因子或生物活性信号分子，如胺。微生物群和宿主之间的信号传递可以引起宿主功能的改变，如改变粘液的分泌或免疫应答6 微生物组研究进展6.1 结构及功能有几种技术用于研究原籍微生物群(图3)的各个方面，而且有很多关于这些技术的综述。这些技术可以分为研究微生物群的结构(类似于解剖学)和功能(类似于生理学)的。“解剖学”提供了关于微生物群的结构的信息，而“生理学”提供的则是功能方面的。虽然功能有时可以通过结构预测，因为“解剖学”可以提供“生理学”的线索，但对“生理学”的真正评估需要对功能进行直接的检测。

图3 研究微生物群的结构和功能的方法。在最基本的层面上，这些研究方法可以简单地描述微生物的群落结构，即微生物的种类及其相对丰度。研究功能潜能的方法通常可以对微生物组或整个群落的个体成员的编码潜能进行分类 (即宏基因组)。为了直接评估功能，必须获得关于存在于微生物组环境中的被表达的微生物基因（即宏转录组）、翻译的蛋白质或合成的代谢物的目录。qPCR=定量聚合酶链式反应许多技术都利用了人类基因组计划带来的高通量核酸测序技术的进步。因为有由美国国家卫生研究院资助的基因组中心的参与，所以，人类微生物组项目与先前研究和描述人类基因组的努力相呼应，这并非巧合。基于测序的技术(可以避免分离和培养微生物)对于理解原籍微生物在健康和疾病中的作用是非常宝贵的。然而，对微生物功能的全面评估和特定假说的验证需要其他技术。特别是微生物培养，这仍然是微生物研究手段的重要组成部分。靶向微生物群的未来治疗方案(见下文)可能会使用特定的微生物来代替某些缺失的微生物，而这只能通过微生物的分离培养来完成。因此，为了了解微生物在健康状态下所起的作用，我们需要知道有哪些微生物存在，以及它们在特定环境中可以进行哪些活动。下一节将讨论一些用于研究微生物组的常用技术，以及它们是如何被用于研究我们微生物群的结构和功能的。6.2 微生物结构有几种技术可以用来描述微生物群落的结构(图3)，也就是对特定群落中存在的微生物进行分类，并确定每种微生物的相对丰度。研究微生物种类的最常用的技术之一是分析16S rRNA基因(后面简称16S基因)序列。这种依赖序列的方法并不依赖于微生物的培养。DNA是从一份人们感兴趣的微生物群落样本中提取出来的，而聚合酶链反应(PCR)引物以广泛保守的16S基因为靶标，用来扩增存在的大部分细菌。这些PCR扩增子（即PCR扩增产物）被进行高通量DNA序列分析。对16S基因数据的分析最终涉及将获得的序列分到独立的分类单元中。使用两种不同的方法来完成这一任务。首先，在一个给定的分析中，所有的DNA序列都进行相互比较，并将其分入操作分类单元(OTUs，见表1)，这通常是根据预先设定好的序列相似性的程度。尽管OTUs本身作为群落中特定微生物的替代品，无论是否可以指定一个正式的名称，每一个OTU都可以被分类为已知的细菌。另一种常用的方法是将每个16S扩增子序列单独考虑，并将其与一个设定好了的序列数据库进行比对，然后将实验中的每条序列都分类到一个预定的分类单元。这两种方法都有各自的优缺点，但总的来说，这两种方法对微生物群落结构的分析结果一致。也许最重要的结论是，人们可以通过16S基因序列分析来研究生物效应，而这些见解并不依赖于所使用的特定数据分析技术。在人类健康方面，研究人员使用16S基因序列分析技术来比较研究有和没有特定疾病的人。此外，还可进行纵向分析，以监测治疗或疾病发展对微生物群结构的影响。然而，尽管这种分析是强有力的，并且对微生物在健康状态中的潜在作用提供了重要的观察，但它并没有直接评估微生物群的功能人们开发出根据某一特定的微生物群落结构推断其潜在功能的方法，但与所有推论一样，这获得的往往是推断的而不是明确的功能。任何推断都需要有适当的说明。例如，如果16S基因序列分析表明与大肠杆菌相对应的OTU存在，那么这个结果需要考虑到，这可能代表了从益生菌，到良性的原籍大肠杆菌，再到致病性大肠杆菌O157:H7。16S基因使我们能够了解某特定的细菌在一个群落中的系统发育特性，但是它并不能提供基因组的其他基因所编码的功能的信息。6.3 分析潜在的微生物功能如上所述，获得一个特定细菌物种的完整基因组序列可以提供一种已知细菌的潜在功能。以类似的方式，宏基因序列分析已经被用于对整个微生物群落的潜在功能进行评估。从微生物群落DNA开始，这点就像16S基因序列分析。然后，对整个微生物群落的总DNA序列进行高通量测序，而不是使用PCR来放大特殊的系统发育标记（如16S基因）。这就提供了微生物群落中所有基因组的目录。对微生物群落的宏基因组或其中特定成员的基因组的研究都可以深入了解这个群落的潜在功能。微生物群落所展示的特定代谢途径的相对丰度可以帮助预测该群落的功能。然而，这只是一个潜在的目录。下一节将讨论能直接确定某一微生物组的实际功能的方法。6.4 原位微生物功能测定最后一组用于研究微生物组的分析技术直接检测了功能。利用基于测序的技术，宏转录组学分析展示那部分在特定条件及特定时间点被表达的宏基因组。该技术通过逆转录酶介导RNA测序，通过对所有表达基因的序列进行分析，获得微生物组中存在的RNA转录本。当这些数据与相应的宏基因组一起考虑时，宏转录组在给定的时间点提供了功能活性基因的快照。另外两种技术经常被用来直接确定转录活动对微生物组代谢环境的影响。最后的两种技术，即蛋白质组和代谢组分析，利用先进的质谱技术检测一个给定的微生物组中蛋白质和代谢物(包括缩氨酸、低聚糖和脂质)的相对丰度。这通常包括那些由宿主产生而且被微生物群的一部分微生物共代谢的代谢物，因此这是一种真正的测量给定的微生物组中代谢环境的检测方法。7 微生物组研究的概念框架人类微生物组项目的最初活动以及十年前开始的其他工作都集中在建立这么一个标准，即人类体内及体表正常的微生物群落是什么样的。人们希望通过定义什么是正常的微生物群，可以辨别出这种正常与疾病状态之间的差异。这些初步的研究发现，在没有明显临床疾病的人群中发现的微生物群有很大的变化。这在一定程度上可能是这些最初研究所用的方法的产物。大部分的工作都使用核酸测序，重点是16S基因序列分析，以及有限的宏基因组分析。这些研究中所遇到的变化反映了我们对微生物群落结构与功能之间的关系的理解。很明显，由16S分析而来的多个微生物群落具有类似的功能。除了定义微生物群的正常状态外，其他研究也在寻找微生物组的结构及功能与疾病状态之间的联系。持续至今的最初的工作，一直在寻求微生物群与健康及疾病之间的联系。大多数关于微生物群落的结构的研究是通过基于16S分析来完成的。重要的是，大部分的工作都是关注关联性而非因果关系。下面将更详细地讨论肠道菌群在炎症性肠病(IBD)的发病机制中所扮演的角色。早期的研究对患者和正常人进行了横向比较。IBD患者和正常对照两组人群的微生物群存在差异，但不清楚这是疾病出现的因还是果。随后的研究试图在最初确认疾病时建立联系，但这些研究仍不能直接进行调查。最近，有研究表明，在出现明显的疾病之前，微生物群的特征是很明显的。两项研究招募了患某种特定疾病的高危人群(IBD和I型糖尿病)，并对他们的微生物群进行了纵向跟踪，并将后来患病与否的志愿者的微生物群进行了比较。其他研究也观察了特定治疗对特定疾病的微生物群的影响，再次尝试研究微生物群在疾病的发病机理中所起作用。最后，对于有足够的动物模型的疾病，已经尝试对潜在的因果关系进行研究。在这里，笔者将简单介绍一些关于微生物组与健康及疾病之间的联系的研究策略的例子。这些例子并不是全面的，而是为读者提供一个概念性的框架来理解和评估他们在未来所遇到的研究。8 与微生物组相关的疾病8.1 传染病因为微生物组的研究与微生物学有关，所以从讨论传染性疾病开始是合适的。在艰难梭菌感染中，正常微生物群的破坏在发病机理中起着关键的作用。长期以来，抗生素给药与艰难梭菌感染的发展之间的联系一直受到重视，最近的工作已经开始研究这种联系的机制。特别是，在原籍微生物群编码的微生物功能方面人们已经做了很多工作，这些微生物群能抵抗艰难梭菌的定殖。肠道菌群在胆汁盐和胆酸代谢中扮演的角色。当共轭胆汁盐被肝脏分泌到胃肠道中，能进行去共轭和转化(如脱羟基)反应的微生物将这些化合物转化为非共轭的初级和次级胆汁酸。其中一些分子促进艰难梭菌孢子的萌发，而另一些则抑制其繁殖体的生长。这种对分子机制的理解催生了对新疗法的探索。例如，由于艰难梭菌感染的发病机制（特别是复发性感染）与正常的微生物多样性和功能的丧失有关，所以，包括粪便微生物群移植在内的微生物组替代疗法成为一个活跃的领域。肠道菌群还能影响其他几种感染和炎症的条件。在接受同种异体干细胞移植的患者中，微生物菌群与发生菌血症的风险有关。败血症和急性呼吸窘迫综合症患者的肺都有丰富的胃肠道微生物，这似乎是肺炎症反应的原因。最后，肠道菌群的组成可能在影响手术肠道愈合的过程中起着关键作用。这些观察结果对治疗有指导意义，可能对诊断和预后也有潜在的指导意义。8.2 炎症性肠病（IBD）不同于微生物在感染性疾病中的相互作用，微生物群可以干扰一种典型的微生物病原体。在IBD和溃疡性结肠炎中，没有任何经典的病原体被明确的识别出来。在这种情况下，肠道菌群本身就被认为是致病的，而且在预先处理的宿主中，促进了失调的炎症反应的发展，这些炎症反应的特征就是这些疾病。多项研究表明，有和没有患IBD的人群的肠道微生物群有差异。为了研究疾病和发生了改变的微生物群落之间的关系，人们大规模地利用不依赖于培养的技术来研究肠道微生物群，而对IBD的研究是这些疾病研究的先例之一。早期的研究使用了基于16S基因的测序方法和荧光原位杂交，表明疾病患者的微生物群落结构与对照组的不同。尽管存在很强的关联性，但因为情况复杂，人们很难确定其中的因果关系。最近的一些研究试图通过在疾病之初检查病人来解决因果关系。大量的IBD小鼠模型的可用性已经促进了多项研究的开展，这些研究试图发现微生物群对IBD的发病的影响的潜在机制。对IBD的遗传易感性的研究强调了宿主免疫的重要性和该病的发病机理。尤其重要的是，跟微生物相关的宿主遗传变异与患IBD的风险增加有关。因此，IBD确实是一种与微生物组有关的疾病，因为宿主和微生物，以及通过它们的相互作用而产生的环境，在这种情况下都发生了改变。8.3 肥胖和代谢性疾病肠道内的微生物群和宿主之间的复杂代谢相互作用，促使人们对某些代谢条件下（如肥胖和糖尿病）的微生物组的潜在作用进行研究。大约10年前，具有里程碑意义的研究表明，在人类和老鼠的疾病模型中，肥胖与肠道微生物群之间存在着联系。通过在一项研究微生物群和肥胖的作用的工作中使用瘦素缺失的动物，在诸如肥胖等条件下复杂的发病机制中宿主因素和微生物因素之间的密切联系变得更加显著。尽管有这些研究，对这种关系下的确切机制的全面理解仍是很困难的。此外，最近一项对多项研究结果的meta分析表明，微生物群和肥胖之间的直接联系可能比之前认为的要弱。暂且不论影响的大小，但很明显，微生物群可以影响肠道对营养物质的处理。微生物生产的代谢产物（如短链脂肪酸和胆汁酸）可以影响重要的代谢调节肽的表达，如胰高血糖素样肽1和肽YY。最近的研究已经开始揭示出一些微生物群能够影响宿主能量代谢的机制。其他的研究表明，调节宿主饮食对肠道菌群有影响。建立一个复杂的系统，通过该系统微生物组内的内有和外部的联系可以改变宿主的新陈代谢。一项有趣的研究引起了人们的广泛关注，那就是对微生物的无意改变（如抗生素给药）如何破坏正常的微生物群平衡并导致代谢综合症和肥胖症的发展。最近的工作已经研究了微生物的代谢对其他器官系统的影响。一个重要的例子是研究了氧化三甲胺（TMAO）代谢的作用。该物种被用来预测心血管疾病的发病风险。膳食胆碱被肠道微生物群代谢，从而产生氧化三甲胺并调节微生物群，然后增加脉粥样硬化的风险。这项工作提供了一种潜在的机制，通过这种机制，可以解释某些饮食习惯与特定健康状况（如心血管疾病）之间的联系。8.4 肺部疾病最近，对微生物群落的研究促使人们对以前被认为是没有微生物的地方重新进行检测，如下呼吸道。尽管以前肺被认为是无菌的，但是使用不依赖于培养的方法的研究表明，肺部有生物量较低而且相对多样化的微生物定殖。早期的研究对健康肺部中这一小群微生物的重要性提出了质疑，但最近的研究表明，即使在健康人身上，肺微生物群的构成也能决定肺基本的炎症状态。此外，很明显，微生物群落在呼吸道的特定疾病状态中存在，在生物学上也很重要。人们早就知道，许多囊性纤维化的病人受长期被致病的微生物所感染，但最近，研究人员在这些病人的肺中发现包含一个比以前人们所认识到的更加多样化的微生物群落。这一发现对于肺病和囊性纤维化的发病机理的重要性仍有待进一步确定，但我们可以合理地假设，在这种环境下微生物相互作用可能与胃肠道内的相互作用同等重要。例如，在这些病人的肺中发现的细菌可能可以对囊性纤维化患者肺内多余的粘液进行降解，这可能支撑在这种环境中见到的典型病原体的生长。人们正在开展重要的工作以研究微生物群落在肺病的发病机理中的作用，如哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)。许多早期的研究都显示出关联性而非因果关系，但最近的工作是研究肺微生物群可能如何驱动炎症反应，这是慢性阻塞性肺病的发病机制的核心。进一步的研究很可能提供一个更清晰的证据，以表明改变了的微生物群落在这些肺部疾病中的因果作用。在上呼吸道，研究人员对急性和慢性鼻窦炎的多种微生物互作进行了研究。与下呼吸道一样，研究人员研究了病原菌和其他微生物在调节其宿主生理方面的作用。发现了一些特殊的微生物在鼻窦炎患者中富集。在一项研究中，有鼻窦炎的人体内的Corynebacterium tuberculostearicum的丰度增加，而这种菌之前并没有被认为是一种潜在的病原体。通过将这种微生物接种到鼻窦炎小鼠模型中，证明了它的致病性。对有和没有鼻窦炎的人的上呼吸道的原籍微生物群进行进一步的检查，发现，有其他的原籍鼻窦微生物群落的成员通过这种微生物来调节对微生物定殖的抵抗。其他的细菌已经被证明可以改变鼻窦内的局部免疫反应，而这与定殖的微生物群的变化有关。与肠道内病原菌和微生物群之间的相互作用类似，上呼吸道微生物群的状态可能与病毒及细菌上呼吸道感染的易感性有关。此外，由鼻病毒引起的急性上呼吸道感染可以会改变微生物群，有人认为这可能导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?