Nature:菌群大招有哪些?如何出招?
Nature 团队 2020-02-08
聚焦新一期 Nature Outlook,关注如何利用肠道微生物治疗疾病。

图片来源:ANTOINE DORÉ

之前,我们已经编译并发布了新一期 Nature Outlook  中以下 2 期内容:

(1)“人肠道微生物组研究概况”、“肠道微生物组的重点研究”、“寻找健康微生物组”:Nature:肠道菌群研究六大热点?健康微生物组如何定义?

(2)“微生物抗癌”、“细菌药片能治疗自身免疫性疾病吗?”、“肠道菌群与自闭症相关吗?”:Nature:肠道菌群与疾病的因果纠缠,有何解?

今天,我们关注如何利用肠道微生物治疗疾病,主要包括微生物如何影响药效和如何利用微生物进行治疗两方面,具体为以下 5 部分的内容:

“药物与微生物的复杂关系”、“Michael Fischbach:追踪微生物中的小分子”、“丰富的数据集可能会终结昂贵的药物研发”、“利用微生物对付疾病”、“饮食应该是工具而非治疗手段”。

药物与微生物的复杂关系

某些人肠道里的微生物会阻碍降胆固醇的药物发挥作用,Sony Tuteja 希望能够研究清这背后的机制并找到解决办法。

他汀类药物有时可以有效降低血液里的低密度脂蛋白(LDL)含量,LDL 是一种“有害的”胆固醇,会增加心脏病和中风的风险。但他汀类药物降 LDL 的效果因人而异,在很多人身上效果不大,在有些人身上甚至根本没有效果。

在 2016 年的一项研究中,接受瑞舒伐他汀治疗的患者中,46%患者的 LDL 水平下降了超过 50%,43%的患者下降了不到 50%,11%的患者没有下降,其中甚至还有 LDL 水平上升的1

这种用药效果差异的原因尚不明了,但费城宾夕法尼亚大学的药物遗传学家Tuteja 认为,这种差异可能与肠道中数百种微生物有关。可能是由于药物造成肠道菌群失去平衡,从而改变了胆固醇代谢,或者是某些微生物使药效变差。

或者,Tuteja 说:“这可能是双向的——微生物组影响药物,而药物也影响微生物组”。

她在一项临床试验中提出的假设是,他汀类药物可以促进产胆汁酸盐水解酶的肠道微生物生长,从而降低血液中的 LDL。肝脏从胆固醇中提取胆汁酸盐,因此当胆汁酸被微生物分解时,肝脏需要从血液中获取更多的胆固醇,从而降低了血液中 LDL 水平。

每个人肠道菌群结构都不相同,如果某些人肠道内产胆汁酸盐水解酶的微生物数量不像其他人那么多,那就可以解释为什么他汀类药物在某些人身上并没有那么有效。

另一个假设是,当他汀类药物降低 LDL 水平时,肠道内的环境对某些微生物更为有利,而对其他微生物则不那么有利。

在 Tuteja 的试验中,大约 50 名志愿者将服用瑞舒伐他汀 8 周。然后,她会比较服药的人和服用安慰剂的人肠道中微生物的种类与数量,看看药物是否改变了肠道微生物组的组成。

Tuteja 和她的研究团队还要比较微生物的分布、血液和粪便中胆汁酸的含量以及血液中 LDL 水平,以判断开始治疗时患者的微生物组的组成是否能预测他汀类药物的疗效。

现在越来越多的研究人员都专注于肠道微生物在药物代谢中的作用,以及探究微生物组是否能够解释人们对药物反应的差异,Tuteja 正是他们中的一员。各种各样的药物都可能会改变微生物种类之间的平衡,扰乱消化系统,或引起其他问题。

肠道微生物产生一系列酶和代谢产物,这些酶和代谢产物可能通过化学方法改变众多的药物,如精神药物和癌症治疗药物,使它们变得不那么有效或导致更多的副作用。

了解微生物和药物之间的相互作用可能会产生新的治疗方法,或改变现有药物的处方。例如,医生可能可以根据肠道菌群预测一个人对某种药物的反应,并相应地改变此人的处方。改变饮食或使用抗生素也可能被用来改变肠道菌群结构,使人们更容易接受药物,发挥药效。

爱尔兰科克大学 APC 微生物组研究所的精神病医生 Ted Dinan 认为,肠道微生物组本身应该被视为一个独立的虚拟器官。

他说,这对药物代谢至关重要,“几年后,美国食品和药物管理局、欧洲药品管理局都不会轻易批准任何药物,除非这种药物对虚拟器官(肠道微生物组)的影响已经被研究过了”。

爱尔兰微生物组研究所的另一位研究员 Niall Hyland 获得了 10 万欧元(11万美元)的全球肠道健康基金,该基金由 Nature Research(Nature 出版社旗下的 Springer Nature)和位于东京的益生菌公司 Yakult 提供。

息息相关

药物和微生物之间有着不可否认的相互作用。2018 年,研究人员对 1000 多种药物进行了筛选,针对不同的条件,这些药物会对人类肠道中的 40 种微生物不利。他们发现,这些药物中有近四分之一具有抗生素作用,尽管没有一种是作为抗生素出售的2

而在 2019 年,另一个研究团队发现,在 271 种与肠道微生物共同培养的药物中,176 种被微生物代谢后,药物水平下降超过 20%3

Dinan 和他的同事们正在研究微生物组在心理健康中扮演什么角色,包括它是否与精神药物存在相互作用。有证据表明,肠道微生物多样性低与精神分裂症等精神健康状况有关。

爱尔兰微生物组研究所的研究人员表明,用抗生素清除大鼠肠道内的微生物,然后给大鼠移植抑郁症患者的肠道微生物,实际上是有可能把情绪障碍移植到大鼠身上的4

Dinan 说:“当它们接受抑郁症患者的肠道微生物移植手术时,它们的行为发生了显著的改变。这有力地表明了微生物组可以影响心理健康。”

这一发现可能对粪菌移植的实践有所启示,粪菌移植是一种新兴的胃肠道疾病治疗方法,比如可以用于肠易激综合征的治疗。目前,供体的粪便要检测是否有传染感染疾病的风险,比如丙型肝炎。

“因为我们的研究,” Dinan 说,“我相信他们也应该检测供体的精神状况。”

研究人员还发现,一些微生物可以合成神经递质,如多巴胺或乙酰胆碱,以及前体化学物质如色氨酸,色氨酸可以参与合成情绪调节化学物质 5-羟色胺。

“我们现在知道某些好的微生物,比如双歧杆菌能够合成色氨酸。” Dinan 说。但色氨酸也存在于火鸡等食物中,目前还不知道进入大脑的色氨酸有多少来自饮食,有多少是由微生物产生的。

灵心慧性

随着医生了解得越来越多,他们在开精神药物的处方时可能会考虑到患者特殊的微生物菌群结构。两种肠道微生物,粪肠球菌(Enterococcus faecalis)和蛋清肠球菌(Eggerthelalenta),能代谢用于治疗帕金森病的药物左旋多巴5

科学家们早就知道体内有一种酶可以分解药物,并会减少药物进入大脑的剂量。通常,医生会在开左旋多巴的同时,再开一种药来部分抵消药物的分解,但目前还没有考虑到微生物对药物的分解。

然而,研究人员已经发现了一种分子,可以抑制粪肠球菌的活性。加州大学旧金山分校的微生物学家 Peter Turnbaugh 参与了这项研究,他说:“如果有公司或有人对这项研究感兴趣,就有可能可以转化这些数据,进入临床应用。”。

Turnbaugh 说,微生物代谢会影响药物作用的观点并不新鲜。2013 年,他和他的同事在蛋清肠球菌中发现了一对基因,使其能够消化分解心脏病药物地高辛6

但是,当他们用精氨酸饲喂小鼠时,地高辛的水平仍然很高。研究人员不知道为什么会这样,但这意味着给予精氨酸可以保护地高辛不被分解。

有迹象表明,微生物可能是导致人们对类风湿关节炎药物甲氨蝶呤反应差异的原因。“近一个世纪以来,我们都知道微生物组对药物有很重要的作用,但人们却忽略了它。” Turnbaugh 说,“大多数药物的开发,以及它们在临床上的应用,都是不考虑微生物组的。”

详细了解哪些微生物群与药物相互作用,以及这些相互作用背后的机制,就可以提出抑制或增强药物与微生物组相互作用的方法。一些机制是已知的。

例如,结肠癌药物喜树碱-11 由肝脏代谢为无活性的分子。然而,肠道微生物产生的酶可将其重新激活为毒性形式,导致严重腹泻。

位于教堂山的北卡罗莱纳大学的研究人员发现了一种化合物,可以在不破坏微生物组的情况下靶向这种酶,这是一种潜在的治疗腹泻的方法。他们的子公司 Symberix,正在开发新型治疗方法,以减少肠道微生物引起的副作用。

生活在胃肠道的双歧杆菌的扫描电子显微照片。

图片来源:Juergen Berger/SPL

任重道远

但是搞清楚药物和微生物组之间的复杂关系并不是一件容易的事情。首先,人类肠道菌群的基因总数是人类基因组的 150 倍。肠道微生物菌群的组成因人而异。

加州大学圣地亚哥分校的微生物学家 Anukriti Sharma 说:“我的微生物组和你的真的不一样,这意味着我们参与代谢的基因很可能也真的不一样。”

事实上,微生物组学研究主要在美国、欧洲和中国进行,但众所周知,不同地区的微生物组学差异很大,这是微生物组学研究的局限之一。Turnbaugh 说:“这会对医学产生影响。比如你在美国测试一种药物,它在非洲或南美的效果可能完全不同。”

另一个问题是,微生物和药物之间的相互影响似乎没有一个共同的机制。伦敦帝国理工学院的生物化学家 Filipe Cabreiro 说:“每种药物似乎都以自己特有的方式与微生物组相互作用。这使得我们很难得出药物与微生物组相互作用的一般性结论。

尽管如此,Cabreiro 说,一些种类的药物与微生物组的相互作用有着广泛的相似之处。精神疾病药物通常会改变肠道菌群的平衡。一些抗癌药物被肠道内的化学反应降解或修饰,从而增强或降低其作用。

二甲双胍是一种常见的糖尿病药物,Cabreiro 正在研究它的抗衰老潜力,二甲双胍似乎可以触发微生物的某些信号通路,改变微生物的代谢产物,然后对人体产生影响。

Sharma 说:“我们一次只能研究一种药物,一种微生物和一种疾病。”

如果可以解决这种复杂性,那么下一步将要研究如何改变微生物组,以提高药物的有效性或减少它们的副作用。像心脏病药物地高辛一样,这意味着将另一种化合物和药物一起使用,可能可以影响药物和微生物相互作用的机制。

这也意味着我们可能可以改变微生物组的组成,比如通过策略性使用抗生素、改变饮食以促进或抑制特定微生物,甚至是通过粪菌移植用“好的”肠道微生物取代“坏的”肠道微生物。

而且它可以使精准医疗更加精确,医生不仅可以对患者的基因进行测序,还可以对他们的微生物进行测序,以预测患者对治疗的反应。“对于个性化医疗的未来,” Cabreiro 说,“你不仅要考虑到宿主,还要考虑到微生物组。”

本部分参考文献:

(滑动下方文字查看)

1. Ridker, P. M. et al. Eur. Heart J. 37, 1373–1379(2016).

2. Maier, L. et al. Nature 555, 623–628 (2018).

3. Zimmermann, M. et al. Nature 570, 462–467 (2019).

4. Kelly, J. R. et al. J. Psych. Res. 82, 109–118 (2016).

5. Rekdal, V. M. et al. Science 364, eaau6323 (2019).

6. Haiser, H. J. et al. Science 341, 295–298 (2013).

Michael Fischbach 在研究肠道微生物产生的分子的影响。

图片来源:Linda A.Cicero/Stanford News Service

Michael Fishbach 追踪微生物中的小分子

Michael Fischbach,一位来自加州斯坦福大学的生物工程师,将肠道微生物产生的小分子描述为一个令人不可思议的未知领域。为了研究它,他的团队开发了一种“触发”这类分子开关,以此来阐明它们在体内的确切功能。以下是对他的采访:

你的研究工作是怎样帮助你研究肠道微生物产生的分子的?

它为我们研究这些肠道微生物产生的分子所带来影响提供了一种方法,可以一次研究一种分子。我们开发了一种遗传系统来研究产生大量分子的梭菌属共生菌,这种细菌能够产生大量分子。这些分子的数量巨大,并且会出现在宿主的血液中,但是没有什么好办法来研究它们的作用。

我们的遗传系统可以阻断特定分子的产生:当我们把一个突变菌株移植到小鼠体内,这些小鼠体内就会缺失那些特定的分子。之后,我们将它们与移植了能够正常产生分子的野生菌株的小鼠进行比较,进而寻找它们之间的差异。

你在研究什么类型的分子?

我们专注于短链支链脂肪酸。这些脂肪酸化学性质类似于醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐——是共生菌中被研究的比较多的短链脂肪酸。但是,我们正在研究的另一种分子产生于一种不同的代谢路径—它们来自支链氨基酸,我们对它们还知之甚少。

你为什么关注这些脂肪酸?

我们正在努力研究体内产量巨大的分子。它们在体内的自然含量与那些治疗药物的含量接近。因此,我们不会质疑这些分子最后是否会渗透到宿主体内,毫无疑问它们会渗透。

其中有几十个这样的分子,我们认为有必要投入时间,像对待一个经典药理学问题一样去研究这些分子:如果你有一个分子,你肯定想知道它在体内所做的一切。

因此,我们尝试阐明它作用于哪些组织,它与什么受体发生相互作用,以及它是怎样影响宿主。这些是很基础的研究,我想总会有一天这些研究成果将被写入教科书。

你们发现这些分子有什么作用?

我们在寻找存在或缺失某类微生物产生的分子所导致的一系列免疫学差异。例如,短链支链脂肪酸似乎能够调节产生免疫球蛋白 A 的细胞的活性,而这类蛋白参与了黏膜的屏障保护。

虽然我们还没有一个完整的故事,但是我们已经开始研究产生该影响的机理。我猜想,除了调节免疫系统外,这些分子还可能参与到其它生物过程。只是我们还没有时间去研究它。

能否从微生物小分子中开发出可以替代微生物益生菌的药物?

两个选择摆在我们面前,如果我们能确定微生物分子结合的受体,我们或许有可能设计出能作用于这些受体的药物。我们可以模仿微生物分子作用于受体的过程,或者我们可以去阻断这个过程。

同样的,我们也可以利用这些微生物本身。利用整个微生物意味着可同时呈现出多个分子的效用,并可保证更加持久的效果。

使用微生物作为药物,尚无先例,因此,这么做将面对巨大的监管压力。但是我们或许应该双管齐下,同时推动两种途径向前发展,并且我们认为这两种方法都将效果卓著。

你认为这类工作将走向哪里?

利用细菌遗传学方法,我们已构建了一个干净的系统,用于比较两组仅存在某个微生物组产生的分子的有无差异的小鼠。但是我们是在一个非自然情景下进行的这项实验:每一只小鼠肠道内仅含有一种细菌。

现在,我们最大的需求是构建一个这样的实验模式系统:细菌群落是完全确定的,但是其复杂度与自然情况下细菌群落类似。使用这种复杂的细菌群落,我们可以开展去除某一种细菌,甚至去除某一种细菌中的某一个基因的实验。那些实验将更能经得起时间的考验。

丰富的数据集可能会终结昂贵的药物研发

本部分的作者是以色列魏茨曼科学研究院的计算生物学家 Eran Segal

去年,诺华制药公司开始对脊髓性肌肉萎缩的治疗收费,每个患者收费 210 万美元,突破了世界上最贵药物的记录。由于众多化合物难以进入临床阶段,将一个分子转化为一种临床治疗方法的成本高达数 10 亿美金,难怪这些药物如此昂贵。但是我们可以做得更好。

降低成本的其中一种方法是使用遗传数据来指导药物设计。遗传信息可以帮助研发人员从一开始就确保药物靶点与疾病之间的相关性,并且使用遗传信息的药物的批准率是不使用的 2 倍1

然而,我们可以进一步优化药物的研发。如果我们使用一种更深层次的分子数据,包括微生物组、基因组、代谢组和蛋白组,再结合生理测量,在某些情况下,我们可能跳过动物实验直接进行人体实验。

使用这些深层数据来研发药物可能会对寻找微生物相关的疗法起巨大作用。在动物模型中起作用的微生物靶向疗法到了人体中可能只起到很小的作用,或者在人体中会通过不同的机制发挥作用。

所以,不如直接从与人体疾病相关的微生物开始研发。改变细菌的干预疗法也可以直接从人体出发。

从众多个体中收集饮食和微生物组信息的方法可以得到饮食如何影响微生物组组成的模型,接着这个模型会通过控制饮食干预进行验证。包含着超过 500万细菌基因的微生物组数据是一个具有潜在治疗租用的可改变靶点的丰富宝库。

肠道微生物组与自炎性疾病、自闭症、心血管疾病和癌症等具有一定的相关性。越来越多的动物和人体实验也发现了肠道微生物与疾病之间的因果关系,它可以调控宿主基因表达或者产生血液循环中的代谢产物。并且肠道微生物形成的主导因素是多变的环境因素(如饮食等)而非遗传因素。这一点是干预的契机。

举例来说,饮食干预的目标是合成代谢产物三甲胺 N-氧化物(trimethylamine N-oxide,TMAO)的肠道微生物。在血浆中 TMAO 含量的升高可以引起心血管疾病,因此,降低 TMAO 的产生可以对降低疾病风险有帮助。

此外,在神经疾病中,微生物组衍生的代谢产物到达肠神经元后,可以考虑提供一种途径,让代谢产物通过血脑屏障。

微生物组也可以影响医疗用药的治疗效果。比如,微生物来源的酶,可以代谢帕金森疾病的药物左旋多巴,并且肠道微生物也可以影响病人对癌症免疫疗法的反应。

以干扰药物代谢的细菌为靶标的饮食变化可能可以作为现有的治疗方案的有效补充。获得这种微生物组-营养干预方法的监管批准比传统医药产品要容易得多。

开发微生物组相关疗法面临多种挑战,包括需要建立因果机制。然而,即使这一因果机制是未知的,我们仍然可能可以使用人类微生物组数据来设计治疗方案。

例如,我们团队以餐后血糖水平为靶标,餐后血糖水平在肥胖和糖尿病中是一个很重要的参数。我们记录了在 900 个人体的血糖水平,并且收集了他们的微生物组、遗传、代谢组、饮食和生活习惯数据2。

我们发现,人们对相同的食物反应并不相同。我们还设计出了一个机器学习算法,可以基于这些临床的和微生物组数据准确预测出这些个性化反应。

在短期和长达 12 个月的随机对照实验中,我们发现基于这个算法得到的个性化饮食干预成功地平衡了血糖水平高于正常人的人的血糖水平,这个结果要优于标准护理饮食。

我们需要新的药物研发的方法。由许多志愿者提供的大量的分子和生理学的资料库可以帮助优先发展与人类相关的靶标。这个资料库在建立的时候需要很小心,所收集数据的种类和深度需要与所研究疾病具有紧密的相关性。

针对同一个人拥有多种类型的数据对于确定更加精确的靶标并研究创新的疾病生物标志和药物靶标是很有帮助的。

更加深入的数据还可以将疾病的状态或者是治疗的反应建立成为一个连续体式的模型,从而免去确定一个将人归为反应或非反应者的任意阈值。这可能会对疾病风险有更好的预估,并且可以更好地优先考虑治疗和随机对照试验。

对同一个人的纵向测量也同样至关重要。这些研究绕过了人际变异的混杂因素,因为志愿者可以作为他们自己的对照。

最后,由于资源总是有限的,数据库的大小是一个重要的需要考虑的因素。一项由数千或数万名参与者的研究可以允许纵向的、深入的分子分析,但其成本也是个很现实的问题。

现在,是时候结束耗费人力的、高成本的、高风险的和耗费时间的药物研发时代了,因为我们负担不起更加昂贵的治疗费用了。

本部分参考文献:

1.M. R. Nelson et al. Nature Genetics 47,856–860; 2015

2.D. Zeevi et al. Cell 163, 1079–1094; 2015

在进行粪菌移植前,研究人员对供体的粪便进行检测

图片来源:Lewis Houghton/SPL

利用微生物对付疾病

虽然这是发生在十年前,但是 Willem de Vos 仍然清晰地记得他的同事们被要求停止他们正在开展的临床试验。De Vos 是第一个开展粪菌移植(FMT)随机对照试验的团队中的一员。在该试验中,健康供体的粪便被作为治疗艰难梭菌感染并诱发破坏性复发肠道感染的最后方案。

大约一年后, 负责监督该试验的数据和安全监测委员会认为已经得到足够的数据: 试验需要结束。但这并不是因为没有疗效。事实恰恰相反,由于 FMT 被证实具有非常好的效果,所以对对照组继续进行传统的抗生素处理就显得不符合伦理了。

“试验结果告诉了我们,它确实起作用和为什么能起作用,” De Vos,这位来自荷兰瓦格宁根大学和芬兰赫尔辛基大学的微生物学家这样说。曾接受过抗生素治疗的复发患者们接受了移植手术, 最终被治愈。

艰难梭菌的故事是越来越多的肠道微生物组如何塑造了我们的生物学的例子之一。生活在我们肠道中的微生物组和我们生理活动的多个方面都息息相关—从肥胖到免疫系统如何工作,甚至再到心理健康。

运用 FMT 治疗艰难梭菌的成功案例表明,理论上,是可以通过调节肠道生态系统达到治疗疾病的目的的。目前,科学家们正在尝试着对肠道微生物进行改造,以实现上述目的。

合成生物学家们正在致力于在物种层面上对细菌进行改造,包括设计细菌以传递治疗有效载荷,还有实现对体内各种疾病的监控和应对。

与此同时,合成生态学家还把肠道看作是一个生态系统,将微生物聚集在一起,它们通过相互作用可产生具有医疗作用的物质或行为。

这两种方法目前都还处于起始状态,要想将它们应用到临床上还会面临一些挑战。但是,这些技术已经被证实是非常强大的工具,对科学家们探索我们内部生态系统中微生物间复杂的相互作用是非常有帮助的。

定制细菌

对单个微生物进行改造,具有非常可观的潜在应用价值。肠道细菌已被成功改造产生治疗分子以用于治疗代谢性疾病、杀灭病原体和引发应对癌症的免疫反应。

一株大肠杆菌被改造后可产生具有纠正罕见代谢缺陷能力的蛋白质药物, 目前该成果正在进行临床试验中。

在 2018 年, 新加坡的一个研究小组发现,改造后的肠道细菌可粘附在结肠癌细胞, 并能分泌一种神奇的酶,该酶可将一种在蔬菜如西兰花中广泛存在的物质转化为抑制肿瘤生长的分子。当将该菌喂食给患有结肠癌的小鼠时, 可以缩小肿瘤并降低复发概率1

细菌甚至可以被改造并赋予感知疾病迹象的能力, 还可产生具有治疗效果的分子药物。

例如, 在 2017 年,研究人员们对一种通常被用作益生菌的肠道细菌进行了改造, 使其具备了识别致病菌释放的通讯信号的能力。识别信号后, 该益生菌则会释放出一种抗菌分子作为回应。研究人员们证实这种因改造而获得的能力,有助于清除蠕虫和小鼠体内的感染2

上述这些研究展示了这种治疗方法的潜能,但是,迄今为止,工程菌还只是相对简单的系统——它们只能以恒定的速度产生治疗分子,或者只能响应一种环境信号。

现在,研究人员们正在致力于拓展工程菌的范围, 利用包含更多复杂元素的 DNA 对细菌进行改造,这些元素的工作原理像电子环路一样。这属于合成生物学的范畴,该学科旨在将工程学原理,比如标准化、模块化,应用到生物学系统中去。

这些复杂的工程学操作使得细菌可以做一些简单的计算任务, 比如在很久后仍能记得曾经接收过的某个“一次性刺激”。

例如,位于美国马萨诸塞州波士顿的哈佛大学怀斯生物启发工程研究所(WyssInstitute for Biologically Inspired Engineering)的 Pamela Silver 领导的一个合成生物学研究团队, 对一种细菌进行了改造并成功使其具备了识别炎症性肠细胞所产生的一种化学物质的能力。

作为响应, 细菌会分泌出一种分子信号, 并且会持续保持分泌状态,即使肠道炎症已经消失。由于在粪便样本中这些信号能被检测到, 所以该类细菌具有被应用于活体检测炎症性肠道疾病的潜力。而该类疾病症状的显现通常很短暂, 因此在临床上很难被检测到。

该类细菌在 6 个月大的小鼠的肠道内可形成稳定的菌落, 并会对实验诱导的肠道炎症作出响应3。重要的是, 能记住其他类型环境信号的工程菌有助于研究人员们探索肠道不同区域的情况。而这个问题,如果利用常规的粪便样本进行研究, 很难得到解决。

“我们真正想要的结果是:细菌就像一个个侦探一样,告诉我们当它们穿越肠道时,究竟发生了什么。” Silver 说。

合成生物学家们已经设计出一种能够记住化学物质的细菌,它能分泌出一种分子信号以使其被识别。

图片来源:Wyss Institute at Harvard University

在实验室中,成功实现一个遗传回路的运转就已经很困难。而要将这个遗传回路成功转化到混乱的、充满竞争的肠道微生物的外部环境中,更是一个挑战。

任何会带来额外负担的改造(比如,产生额外的蛋白质),都会使接受该改造的细菌处于竞争劣势,进而导致该细菌要么在竞争中被淘汰,要么主动丢弃那些经改造所获得的功能,以获得存活的可能。

这在一定程度上促使研究人员们努力实现工程菌从“试管”向“动物模型”的跨越。科学家目前正在研究解决该问题的方法:例如,Sliver 正在使用自然状况下对细胞带来负担最小的遗传因子对细菌进行修饰。

最后的难关将是如何让工程菌变得更有效率、更安全。与常规药物不同的是, 工程菌可能会被散播在环境中, 并和其他细菌发生 DNA 的交流。

虽然这些工程菌在野生状态下的存活几率被认为很低,但不可预见的后果(更不用说需要获得公众的认可和监管部门的批准)发生的可能迫使研究人员们去寻找一些控制工程菌的方法。

比如设置“死亡开关”:当被改造过的遗传回路出现故障或者当这些细菌离开人体时, 该工程菌将主动产生毒素来杀死自己。

构建微生物群落

虽然一些科学家在对单个的细菌进行改造,但是另外一些科学家则正将注意力转向微生物群体。正如一座城市的正常运转需要大量的负责各种工作的人员的参与,肠道功能的实现也需要大量的执行不同功能的微生物之间的配合。

其中一些相互作用是新陈代谢层面的,比如说,某个细菌制造的某些物质可以被另一个细菌“吃掉”。

另一些相互作用是生态层面的,比如一个细菌可能会抑制另一个细菌的生长。当共同生存时,微生物群落会产生出一些微生物单独存在时不会产生的分子或者行为。

这些新被发现的微生物组属性,为我们的身体带来了巨大的影响,比如通过制造的维生素和分子来调节我们身体的免疫应答。为了能够理解这些微生物间的相互作用和开发出新的治疗方法,研究者们正在尝试建立不同微生物的混合体, 称之为合成生态系统。

虽然有些科学家正在使用遗传工程改造过的微生物做试验,但是在大多数情况下,这些生态系统仍是由自然状态下形成的细菌菌株组成。

从治疗的角度看,合成生态系系统具有许多潜在的优势。目前,FMT 的开展主要依赖于捐赠者提供的粪便。粪便样本中包含高度复杂的微生物混合体,并且其复杂程度因人而异,每个捐赠者都不相同, 所以每个样本都要进行病原微生物的筛查。

如果 FMT 能够被精简到仅移植那些治疗所必需的关键物种,那么,这些简化的无病原体的微生物就可以在实验室进行培养了。人工合成的微生物群落将提供一套组成成分已知的标准治疗方案, 并可消除对合适供体的依赖。

研究(包括一些以人为对象的研究)表明这个方法是可行的。从粪便中分离得到的人为选定的微生物混合物已经在对感染艰难梭菌的患者的治疗方面表现出潜力。并且,不但可以治疗感染,而且还可以应对炎性肠病。

2013 年,一个由日本科学家领导的团队鉴定出了一个人类微生物群落, 该群落可以促进调节性 T 细胞(一类可抑制炎症反应的免疫细胞)的活性,并且可以缓解小鼠炎性肠病的症状4

除了开发新的治疗方法外,对常规的 FMT 进行精简还可使科学家们知道粪便移植中究竟是哪一类细菌在发挥治疗效果——这也正是 De Vos 和他的同事们在治疗炎症性肠炎和代谢综合征时想要知道的问题。

这种 FMT 的精简方法的一个弊端是,它合成群落的应用范围局限在了已知的功能上。可能在某些情况下,你想创建一个具有新的功能的微生物群落,比如能够生产维生素或者降解毒素。

创建微生物群落的新的功能需要进行自下而上的设计,对不同的微生物组合进行测试,包括那些自然状态下不可能共生的微生物,直到某一种微生物组合能够产生出我们想要的结果。

通过实验室中的反复试验来研究该问题,显得十分笨拙,所以研究人员们开始求助于计算机模型的构建。

构建计算机模型的目的是基于微生物之间已知的相互作用来预测微生物群落的新的属性。以色列特拉维夫大学的一个由 Elhanan Borenstein 领导的团队创建出一个可模拟微生物个体内代谢反应的计算机模型, 对“在有其他微生物的代谢存在时微生物个体将做出什么代谢反应”做出了模拟5

通过模拟“微生物对”之间的相互作用,他们明晰了微生物单独存在时不可能产生的新的代谢产物的产生过程。这些模型也可以模拟生态学层面的相互作用,比如一种微生物的丰度是如何影响其他微生物的丰度的。

这对科学家们设计稳固持久的微生物群落有很大的帮助。

微生物生态

计算机建模和实验室培养的微生物集群使得研究者们能够更加深入地理解在自然状态下肠道微生物如何发生相互作用,以及它们与宿主人类之间的相互作用。

De Vos 的团队培养了 4 种通常共同定植在肠道黏液层的细菌6。其中一种细菌, 叫 Akk 菌可将肠道中的黏液分解成可被其他细菌“吃掉”的小分子。

研究团队发现,这些细菌并不仅仅将这些分解而来的分子“吃掉”,同时它们还会合成一些其他的分子“反哺” Akk 菌和宿主,比如产生丁酸盐:一种被肠壁细胞所需要的脂肪酸。

研究人员们正在通过构建“最小化微生物组”(构建一个稳定生态系系统所需要的最小数量的物种的微生物群落)来获得有关微生物之间和微生物与宿主之间的相互关系的新的见解。

2016 年的一项研究阐述了如何将“最小化微生物组”和比较基因组学相结合,进而设计出具有所需求属性的微生物群落。

德国的路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学的 Bärbel Stecher 和她的团队开发出“Oligo-MM12 最小化微生物组”——仅有 12 种肠道微生物,它可以帮助缺乏自身所有细菌的小鼠阻止肠道沙门氏菌(Salmonella enterica)在肠道中的感染7

这 12 种细菌几乎可以阻断所有种类的沙门氏菌的感染, 但是不能完全排除常规的微生物组中引发感染的细菌。

通过将 “最小化微生物组”和复杂的微生物组进行比较基因组学分析, 研究人员们找出了该微生物群落所缺少的生态功能, 通过增加 3 个或者更多的微生物物种填补该功能缺口, 进而形成一个在阻断沙门氏菌侵染方面和阻断常规微生物感染方面效果一致的微生物群落。

研究人员们的最终的希望是这一类研究能够设计出一种可以具备医疗属性(比如可以生产丁酸盐和维生素)的“最小化微生物组”。

或许, 微生物组工程学的最终应用将是把合成生物学和合成生态学结合起来。科学家将创造出包含基因工程微生物的微生物群落, 而这些微生物的群体行为将产生出相应的治疗效果。

这种方法的其中一个优势是,工程师们能够将不同的代谢任务分配给不同的细菌。这意味着, 所有的制造药物或者维生素的生理压力将不会只由一种细菌来完成。

一些研究组已经在该领域取得进展, 这包括开发了一个通过某种细菌感应其他细菌的检测系统。

研究人员们正在利用细菌的这种特征,被称之为细菌的群体感应(quorum sensing)。研究人员利用这种特征去控制由混合菌群的行为,比如使原本相互竞争的细菌们能够共处并形成一个稳定的群体。

对肠道微生物组进行改造的潜在回报是非常巨大的,但是实现目标过程中所面临的挑战也同样是巨大的。

在所有已开展研究的人类微生物组中,肠道微生物组是迄今为止已知最大和最复杂的。还有太多研究工作需要去做, 这包括微生物的种类、基因的表达以及相互之间的作用。

而且,这些是在你开始研究人类宿主之前,必须要做的工作。的确,个体之间的差异太大了,以致于迄今我们仍不清楚所谓的“人类健康微生物组”是什么样子。

即便这样,微生物组研究的潜在回报仍然在激励科学家们奋勇向前。Borenstein 希望有朝一日能够获取并利用个体的肠道微生物、生理状况、饮食习惯和基因组方面的信息,构建出该个体的肠道微生物的计算机模型,这将使治疗或预防疾病的个性化干预方案的成功设计成为可能。

Borenstein 承认道:“这不是在一年、两年或者五年后就能实现的,但是,我们一直在努力,与此同时,我们也学到了很多有趣的生物学知识。”

本部分参考文献:

(滑动下方文字查看)

1. Ho, C. L. et al. NatureBiomed. Eng. 2, 27–37 (2018).

2. Hwang, I. Y. et al.Nature Commun. 8, 15028 (2017).

3. Riglar, D. T. et al.Nature Biotech. 35, 653–658 (2017).

4. Atarashi, K. et al.Nature 500, 232–236 (2013).

5. Chiu, H.-C., Levy, R.& Borenstein, E. PLoS Comput. Biol.10, e1003695 (2014).

6. Belzer, C. et al.mBio 8, e00770-17 (2017)

7. Brugiroux, S. et al. Nature Microbiol. 2, 16215(2016).

饮食应该是工具而非治疗手段

本部分的作者是位于加利福尼亚大学旧金山分校的贝尼奥夫微生物组医学中心的微生物学家 Peter J. Turnbaugh。

近期,一项关于食用红肉和加工肉制品所带来健康效果的研究1再度引发了有关“在告知大众他们应该避免吃什么食物之前,需要哪些证据”这一长期争论的话题。

对于我来说,这项研究正好与我的研究方向贴近——我的实验室的研究结果显示,摄入肉类食品改变了人类和老鼠的肠道微生物,并且我经常被人们问到“肉类是否是一种对肠道微生物不利的食品”。

我们的结果表明,摄入肉类会促进细菌的生长,加剧老鼠的炎症性肠炎(IBD),降低代谢纤维的微生物数量2

但是我们在人类和小鼠里所进行的实验都很短,而且对肉类摄取是控制的和极端的。这种实验产生的结果是否能够真正代表人类在更典型的饮食中所发生的变化呢?

基于微生物组研究的饮食建议也做出设想:通过不同的微生物组预测对健康的影响——这个目标目前还没有实现。即使是研究较为透彻的机制在人体健康中也存在未知的影响。

举个例子,就拿细菌消化纤维所产生的短链脂肪酸(SCFAs)来说。短链脂肪酸作用于多种组织,并且对细菌和宿主细胞均有作用。此外,不是所有短链脂肪酸都相同。

因为还没有考虑到碳水化合物和氨基酸发酵所产生的产物,更不用说由其他微生物所产生的代谢产物,这些产物可能会增强也可能会抵消特定成分所产生的效果。

因此,尽管增强短链脂肪酸产生进而预防代谢疾病和其他疾病作用的饮食推荐具有一定的吸引力,但是微生物组产生的广泛效果和它们同宿主间复杂的相互作用是很难预测的。

另一个巨大的知识缺陷是,除了常见营养素(脂肪、蛋白质和碳水化合物)以外,微生物组受到饮食影响和调节的程度。

我们实验室的结果表明,未烹饪的土豆同烹饪的土豆对于肠道微生物组的影响是大不相同的3,尽管烹饪导致碳水化合物的变化可以解释这个现象。我们的数据还证明了植物中更加广泛的化学成分多样性也同样需要考虑。

其它研究强调了肠道微生物可以使烹饪过程中产生的潜在有害物质失去作用4。这些研究结果表明了,研究者们不仅需要考虑食物的成分,还需要考虑这些食物的制作方式。

有关饮食和肠道微生物组的研究目前产生了大量的问题。因此,更加重要的是我们需要找到可靠的方法分析数据,去解决我们在探究微生物组如何起作用时产生的疑问。

可以从传统药物开发中借鉴的两种明确策略利用微生物组数据:生物标记物的开发和以靶标为驱使的筛选。

将肠道微生物组作为一种生物标记是由魏茨曼科学研究院的 Eran Segal 率先提出的。Eran Segal 的研究团队,使用微生物组数据同其他数据一同预测餐后的血糖水平。尽管将微生物组数据添加到特定的应用中,这一举措的价值仍然需要讨论。

但这些方法的普遍限制在于所涉及机制的信息提供得较少。这导致我们很难推测因果关系,对机制进行猜想,也难以将这些推测因素扩展到未来的关于宿主和微生物组的研究中。

另一种方法:通过饮食选择特定的细菌靶标。这种方法已经应用在了治疗营养不良儿童的饮食设计中5。原型饮食的设计目标是促进严重急性营养不良儿童中典型缺乏的细菌生长。

在对小鼠和猪的这些微生物进行广泛的临床前试验之后,研究者们进行了随机双盲对照喂养实验,为对人体效果研究提供了初步的支持。

这些靶标驱使的方法比生物标记的方法要更加有优势:很容易就可以观察到未来发现的微生物组机理同疾病之间是如何联系的,并将此应用到饮食治疗的开发中。

随着对于饮食和肠道微生物相互作用研究数量的增多,我们有必要考虑饮食建议是否是利用我们对微生物组在营养方面日益增长的知识的最佳方式。调整食物的类型和数量是一种有吸引力的干预方式,因为它很简单,但是限制性的饮食要维持很长一段时间是很困难的——尤其是对患有严重疾病的人。

在未来,研究者可能会将饮食作为一个人类或者动物模型的发现平台,来挖掘特定的物种、基因或者酶,以成为传统的小分子药物、生物制品或细胞疗法的靶标。

像“人们应该吃什么?”这样的问题可能会变成“未来我们如何设计出基于微生物的药物”。

本部分参考文献:

(滑动下方文字查看)

1. Johnston, B. C. et al. Ann. Intern. Med. 171, 756–764(2019).

2. David, L. A. et al. Nature 505, 559–563 (2014).

3. Carmody, R. N. et al. Nature Microbiol. 4, 2052–2063(2019).

4. Wolf, A. R. et al. Cell Host Microbe 26, 463–477(2019).

5. Gehrig, J. L. et al. Science 365, eaau4732 (2019).

第一部分:药物与微生物的复杂关系

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-00196-0

作者|Neil Savage

编译|赵婧

第二部分:Michael Fischbach:追踪微生物中的小分子

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-00195-1

作者|Andrew Scott

编译|朱国利

第三部分:丰富的数据集可能会终结昂贵的药物研发

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-00200-7

作者|Eran Segal

编译|gemiu

第四部分:利用微生物对付疾病

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-00201-6

作者|Claire Ainsworth

编译|朱国利

第五部分:饮食应该是工具而非治疗手段

原文链接:https://www.nature.com/articles/d41586-020-00202-5

作者|Peter J. Turnbaugh

编译|gemiu

相关推荐
评论