大连Gut：人体肠道微生物组——希望，威胁和承

在目前的观点评论中，将讨论特定细菌的影响和先天免疫系统参与的近期证据。然而，最重要的是，我们讨论了该领域当前知识的一部分，并提出以下问题：我们应该如何解释众多的希望、承诺和威胁？

在讨论具体的例子之前，我们建议你仔细查看下一段，它向我们介绍了可能对人类健康产生重大影响的无限小世界（图1）。

▲ 图1 | 主要宿主细胞及其组分与细菌和病毒的相对大小

肠道微生物群现在被认为是人类细胞的重要伙伴，几乎与所有人类细胞相互作用。2017年，发表了大约4000篇专注于肠道微生物群的论文，在2013年至2017年期间，有超过12900篇论文致力于研究肠道微生物群。这些显著的数字代表了过去40年（自1977年以来）关于这一主题的所有出版物的80％以上。这个简单的发现突出了这样一个事实，即这个研究领域不仅蓬勃发展，而且强烈暗示了进步的必要性。

虽然没有详细讨论这一观点，但我们应该简单地提到，除了细菌外，其他关键微生物，如古细菌、病毒、噬菌体、酵母和真菌，都存在于肠道中。人们已经详细研究了这些微生物，它们可能控制宿主的活性，最重要的是控制肠道微生物的活性，并且可能与细菌一样重要。因此，古细菌、病毒体、噬菌体和真菌为宿主- 微生物相互作用的研究提供了额外的维度。例如，噬菌体不仅在数量上超过细菌（噬菌体比细菌多10倍），而且它们也在这些复杂相互作用中发挥效应。举一个简单的例子，自Félixd'Herelle正式确定噬菌体（图1）以来已有100多年，然而，最近才出现了使用宏基因组学分析来分析粪便噬菌体的可重复方案。这意味着这一研究领域需要更多的时间才能将重大的基本突破转化为公众的一般应用。然而，今天，由于不同类型的媒体（即通信模式），医学信息可迅速地传播给公众。因此，其中一个主要警告仍然是缺乏社会的看法，也缺乏一些科学家和医疗保健专业人员的观点，他们可能会误解数据或期望将这种复杂的研究直接从实验室转移到诊所。因此，该领域的专家必须谨慎并且没有妄想地提供这些知识。

▌微生物与宿主细胞相互作用：免疫将微生物与代谢联系起来

不同的系统识别并监测体内微生物的存在。例如，在胃肠道（GI）中，上皮细胞作为监护者发挥重要作用，其将关键信息传递给位于固有层中的免疫细胞。事实上，微生物的识别和监测主要是由具有模式识别受体（PRR）的先天免疫系统执行，例如Toll样受体（TLR）和NOD样受体（NLR）。TLR是在细胞表面（即TLR-2、4、5）或胞内溶酶体区室（即TLR-3、7、8、9或13）上表达的跨膜受体，而NOD受体是胞质蛋白。这些受体一起识别来自微生物（例如，脂多糖、肽聚糖、脂磷壁酸、鞭毛蛋白和胞壁酰二肽）的病原体相关分子模式（PAMP）或来自受损组织的危险相关分子模式。因此，胃肠道不仅含有了绝大多数存在于人体内的微生物，而且还可能含有体内存在的较大的免疫细胞库。值得注意的是，免疫系统对微生物群的组成也有显著影响。因此，虽然距离很近，GI细胞不断暴露于大量的微生物抗原和代谢物，但我们仍然与微生物共存（图2）。

▲ 图2 | 微生物与宿主之间的交互作用所涉及的主要机制：代谢的影响

健康和病理情况（例如，代谢紊乱）之间的平衡是至关重要的。这受到包括基因、食物和药物在内的几个因素的重大影响。该图的左侧部分显示，在健康情况下，肠道微生物组的组成与较高的黏液层厚度、抗微生物信号的产生和不同的短链脂肪酸如丁酸盐和丙酸盐相关。丁酸盐和丙酸盐均与肠内分泌L-细胞上表达的G蛋白偶联受体（GPR）-43和GPR-41结合，从而刺激肠肽的分泌，如胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和肽YY（PYY）。这有助于减少食物摄入并改善葡萄糖代谢。丙酸盐还可以与淋巴细胞上表达的GPR-43结合，以维持适当的免疫防御。丁酸盐激活过氧化物酶体增殖物激活受体-γ（PPAR-γ），导致β-氧化和氧气消耗，这种现象有助于维持肠腔内的厌氧条件。如图的右侧部分所示，在代谢紊乱期间，肠道微生物组的变化与较低的黏液厚度、降低的抗微生物防御和丁酸盐和丙酸盐的产生相关联。因此，L细胞分泌较少的肠肽。缺乏PPAR-γ活化导致黏膜附近的微生物群可获得更高的氧气，并增加肠杆菌科的增殖。丙酸盐的减少也导致肠道固有层中特定T细胞（黏膜相关的不变T细胞（MAIT）和Treg的丰度较低。总而言之，微生物环境和代谢物的这种变化会导致病原体相关分子模式（PAMP）的漏出，例如血液中增加的脂多糖（LPS），并引发低度炎症。

除了经典的免疫因素外，肠道微生物与免疫系统之间的相互作用介导了以前未知功能的发现；例如，人们发现特定的微生物成分不仅极大地促进对能量代谢的调节，而且对葡萄糖和脂质的稳态也发挥很大的作用。2007年，我们首次发现了革兰阴性菌的成分，如脂多糖（LPS），是通过肠道微生物与先天免疫系统（即TLR-4，CD14）相互作用机制引发低度炎症和胰岛素抵抗的关键因素。的确，饮食诱导肥胖和糖尿病的遗传模型的特点是循环LPS水平升高，这种情况被称为代谢性内毒素血症，后来在人类中得到证实（图2）。自从最初确定LPS作为发生与超重和肥胖相关的代谢改变（例如，胰岛素抵抗、葡萄糖耐受不良、血脂异常、肝脂肪变性）的主要参与者以来，其他PAMP如肽聚糖或鞭毛蛋白已被证明具有调节相似代谢途径的因果作用。

除了肠道微生物群组成的具体变化之外，现在已经认识到几个关键因素有助于细菌化合物从肠腔转移到身体。如前所述，肠道微生物不断与肠上皮细胞相互作用；然而，在正常情况下，由于复杂的多重机制（即紧密连接蛋白、黏液层的厚度和组成、抗菌因子的存在、上皮内淋巴细胞和其他适应性免疫细胞以及免疫球蛋白A（IgA）的产生，肠道屏障功能是高效的。

众所周知，免疫耐受的丧失与肠道炎症有关。有趣的是，最近的数据也显示了高脂肪饮食的肥胖受试者肠道中T细胞的积累，这一观察结果与发病率相关。相反，肥胖和2型糖尿病患者的其他免疫细胞，如黏膜相关恒定T细胞（MAIT）（即先天性T细胞）（促进Th1和Th17细胞因子的产生）显著减少（图2）。

总之，肠道屏障是通过在肠道微生物和宿主免疫系统之间的微调通讯来控制的。此外，这些相互作用的复杂性引发了关于我们当前理解水平的问题，并且最终有助于解释为什么开发特定治疗靶标是相对困难的。

▌微生物活动、代谢产物和新陈代谢

除了识别微生物细胞膜特定成分的受体与先天免疫系统直接联系外，有证据表明许多不同的微生物代谢物也主要通过与特定宿主膜或核受体结合而影响宿主代谢。在微生物群产生的众多代谢产物中，重要的有叶酸、吲哚、二级胆汁酸、三甲胺-N-氧化物（TMAO）、神经递质（如血清素，γ氨基丁酸）、短链脂肪酸（SCFA）等。其中后者可能是研究最多的。实际上，调查最多的可能是SCFA（即丁酸盐、丙酸盐和乙酸盐）。已经表明SCFAs被G蛋白偶联受体如GPR-41和GPR-43识别。刺激这些受体可引发参与葡萄糖代谢或食物摄入的肠肽的分泌，例如胰高血糖素样肽-1或肽YY（PYY）（图2）。因此，微生物可在不同器官上远距离通过刺激肠内分泌细胞产生关键激素起作用。值得注意的是，丙酸盐还可调节免疫细胞产生抗菌因子，因此可作为免疫调节剂，作用包括减少癌细胞的增殖。后一个例子还强调了一个事实，即不同的微生物代谢物可能在宿主代谢中发挥不同的作用，从调节葡萄糖水平到免疫调节作用。  

实际上，在这些方面，一些SCFA的作用和机制也可能与之前的想法大不相同。例如，丁酸盐几十年来一直被认为是必需的能量来源，允许结肠细胞增殖并有助于维持健康的肠道屏障功能。然而，在最近的一项研究中，Byndloss等人发现，丁酸盐还可能通过与宿主细胞相互作用而对微生物环境和生态产生强烈影响。已经表明丁酸盐指导结肠细胞通过激活β-氧化来“呼吸”氧气，保护宿主以免潜在致病细菌扩散到肠腔（图2）。具体而言，作者利用了最近的信息，表明肠道内含极低量的氧气（即厌氧状态）是防止假定兼性厌氧病原体如沙门氏菌或埃希氏菌属扩散所必需的条件。因此，作者证明，宿主细胞中的线粒体β-氧化丁酸盐来消耗氧气，有助于限制氧气从结肠细胞扩散到肠腔，最终有助于厌氧条件的维持（图2）。

▌重要的是：微生物的质量、数量或活动？

在过去的十年中，开创性的论文表明，一些代谢紊乱，如肥胖和糖尿病，与微生物群在门水平上的变化有关（即在厚壁菌门/拟杆菌门比率）。自从有这一发现以来，并非所有论文都能够复制这一结果，这引发了以下问题：我们是否应该只关注门水平的一般成分，还是应该更深入的研究（即属和种水平）？除了这些考虑因素之外，还有另一个重要问题：与单独的研究微生物组成相比，探索肠道微生物群的代谢能力以及最终的代谢产物（例如丁酸盐、胆汁酸、TMAO）是否更为相关？事实上，正如本文前一章所简要描述的那样，肠道微生物组产生的许多代谢物可以影响我们的新陈代谢。

在我们的认知水平，这些问题没有明确的答案。沿着这些方向，除了这些发现和观察之外，最近一项研究表明，微生物的绝对数量，而不是微生物比例，真正起作用。这项研究结果证实了大多数先前的研究，主要基于微生物相对比例可能无法捕捉到问题的实质。例如，作者观察到健康个体的微生物负荷之间的差异高达1 log。在本文中，作者强调了这样一个事实，即只有当使用经典的相对丰度分析时，拟杆菌的丰度才与克罗恩病相关，而通过使用定量微生物组分析时，发现克罗恩病患者普氏菌属的丰度下降。这一观察结果强调了使用基于相对丰度的分析的实际风险和局限性，因为这种类型的分析可能导致错误的解释（图2）。

同样，已有作者讨论过除分析某些肠道微生物的存在外，分析这些微生物活性的必要性。最近，Schirmer等人对超过100个人的肠道微生物组进行了分析，包括克罗恩病、溃疡性结肠炎和非IBD对照患者，并分析了这些个体的宏基因组和元转录组。他们发现大多数细菌在分析DNA和RNA丰度时有很好的相关性；然而，令人惊讶的是，一些在宏基因组数据方面丰富的生物体在肠道中“无活动或休眠”，很少或没有表达。相反，一些疾病特异性细菌特征仅在转录水平分析时才可检测到。这些发现强调了特定肠道微生物途径的转录可能随时间变化，导致潜在的表型变化的事实，这可能与经典宏基因组丰度相关的变化互补（图2）。

话虽如此，上面强调的具体实例和相关的细菌数量与细菌活性（包括代谢组）强烈证明了多组学方法的重要性，以及各种基因组学和代谢组学方法如何相互补充，来进一步分析微生物、宿主和整体新陈代谢之间的相互作用。

一些有趣的研究也提出微生物组应被视为精准医学方法的一个组成部分，因为它可导致疾病各个方面状况的个体差异，也是未来治疗方法发展的可修改因素。例如，Zeevi等人通过显示肠道微生物组可用于预测个体血糖对特定饮食的反应来简洁地说明了这一概念，这在个体之间存在差异。然而，这需要使用机器学习算法，该算法整合了许多参数，例如在这种情况下，整合了来自800多个人和超过45 000餐的一周葡萄糖水平、饮食习惯、人体测量、体力活动和肠道微生物群。有趣的是，该算法随后在100个人的独立队列中进行了测试。尽管一些研究人员发现这种应用具有很高的前景并且清楚地显示了它的应用，但是其他人已通过结论（例如预测算法是具有复杂统计关联的黑盒子而没有真正的机制来解释存在的这种关联）要求降低其广泛适用的潜力。或其他人提到，结果没有提供足够的证据表明该模型最终优于目前检测高葡萄糖水平的方法，甚至没有证明管理餐后高血糖水平的个人营养建议优于标准建议。    

实际上，目前还没有就什么是最佳选择以及如何设计未来的个性化医疗达成完全的共识，但该领域相对较新，值得进一步开展工作。

然而，通过在预期条件下（与目前存在只研究单个时间点的警告的情况相反）筛选组合物以及代谢物（例如代谢组）来获得更全面的情况分析可能是有用的。值得注意的是，人们也可能会争辩说，大多数研究都检查了粪便（易于获得），而粘膜微生物群仍在研究中（图2）。不言而喻，这些雄心勃勃的研究将需要标准化的采样、存储和分析协议。此外，正如在营养和药物治疗领域多年来所做的那样，我们应该开展大规模的纵向研究。实际上，这些未来的研究应该被设计为允许在非常广泛的受试者群体（即健康的以及疾病受试者）中进行数年的随访，在此期间样本（例如血液、尿液、粪便）和经典的饮食习惯和药物使用等尽可能多的信息应该仔细随访。 

原创：消化客

转自：江苏省人民医院消化科

翻译：张灵