接受访问的专家学者
>>Susan V. Lynch 加利福尼亚大学医学部消化科
>> Siew C.Ng 香港中文大学医学院内科及治疗学系肠道微生物群研究中心
>> Fegus Shanhan爱尔兰微生物协会和爱尔兰科克大学学院，爱尔兰国立大学
>>Herbert Tilg奥地利因斯布鲁克医科大学内科学一系，胃肠病学、肝病学、内分泌学和新陈代谢
过去二十年来，对肠道菌群及其在健康和疾病中的作用的研究发展迅速。然而，早期的研究重点主要集中在微生物的分类、微生物种类与疾病之间的相关性以及利用临床前动物模型来了解表型。目前正在努力为肠道菌群及其作用机制提供功能上的见解，提高对肠道外菌群作用的认识，并推动基于微生物的治疗学的发展，以便在临床中利用微生物群。在这篇观点文章中，我们询问了一些在肠道微生物组领域工作的科学家和临床医生，询问他们对将肠道微生物组研究转化为临床的主要进展、挑战和解决方案的看法，以及他们对未来进展的预期。
Q：在过去的15年里，肠道微生物研究最重要的进展是什么？
在过去的15年里，肠道微生物研究领域见证了技术、实践和概念上的发展，这些变化迅速推动了该领域的进步，重塑了我们对人类生物学的看法。应用宏基因组学，在种水平上重建微生物基因组并评估微生物基因含量，揭示了肠道微生物群落的多样性和巨大的功能。同样，质谱技术的进步也揭示了肠道微生物产生的生物活性化合物的惊人多样性，这些活性化合物对局部和全身都有影响。肠道菌群转移可将供体的表型传递给受体，这一发现增强了对已有治疗方法的新型治疗策略或佐剂的潜力。最后，越来越多的人认识到，肠道微生物群遵循生态理论的中心原则，早期生命微生物群可能对健康产生持久的影响，这为肠道微生物组建模、肠道微生物组工程和疾病预防提供了可能性。
研究微生物组的新方法，包括微生物组分析的技术进步，如DNA提取和高通量测序技术的进步，使我们能够更深入地了解肠道微生物基因组蓝图及其功能潜力。大量研究表明，微生物群系“失调”与肠道疾病如炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征、肝硬化、非酒精性脂肪肝病(NAFLD)和胃肠道恶性肿瘤之间存在重要联系。重要的是，特定微生物已被确认为疾病发病机制以及对治疗的抗性和/或反应中的致病生物，包括结肠直肠肿瘤发生和抗性中的核梭杆菌、IBD的低丰度粪肠杆菌prausnitzii(短链脂肪酸生产者)、控制糖尿病和肥胖症中的粘蛋白酵母以及动物和人类研究中克罗恩病发病机制中潜在的主要参与者奇异变形杆菌。然而，在构成微生物群的微生物方面仍有很多未知，包括肠道微生物群的“暗物质”，如真菌、病毒和古生菌，这些在过去的研究中被忽视，但它们可能与细菌一样重要。这些微生物为宿主-微生物相互作用的研究提供了一个额外的维度。例如，在溃疡性结肠炎中，我们和其他人发现肠道和粘膜的病毒感染发生了显著改变，可能在疾病的发病机制中起作用。
操纵微生物群落的方法已经进化。最大的进步之一是了解饮食对肠道微生物群的深刻影响，如高脂肪饮食、食品添加剂消费和城市化，这可能导致肠道微生物群不可逆转的改变。例如，低膳食纤维饮食可以导致几代小鼠的菌群多样性逐渐丧失，在重新引入膳食纤维后，这种情况就无法恢复。从非西方国家迁移到西方国家，与肠道微生物多样性和功能的立即丧失以及人类下一代肥胖的增加相关。此外，饮食中的乳化剂诱导慢性肠道炎症，通过肠道微生物群的调节，促进易感小鼠的慢性结肠炎和野生型小鼠的代谢综合征的发展。这些数据突出了饮食干预改变我们的微生物群落以预防和治疗人类疾病的潜力。
说到微生物治疗学，一种方法并不适合所有人。对粪便微生物群移植(FMT)的兴趣已经爆发，FMT的200多项临床试验在ClinicalTrials.gov注册。FMT在治疗复发性艰难梭菌感染方面非常成功，治愈率为90%，但各种研究表明，IBD和肠易激综合征等不同疾病的治疗结果存在异质性。这些数据表明，基于供体微生物群组成和/或受体微生物群组成的个性化干预可能与其他慢性疾病相关，但并非所有微生物群疗法都有效！最近两项精心设计的安慰剂对照试验未能证明益生菌对肠胃炎儿童的疗效。
最重要的进展是临床。技术、计算和生物信息学方面的贡献提高了我们对肠道微生物群的认识，但是对于转化为临床来说，很少有进展能与FMT对复发性艰难梭菌相关疾病的治疗效果相媲美。当然，FMT不是一个新颖的想法，它的使用早在艰难梭菌被发现之前就已经被记录了几千年，但是它确实显示了当科学和监管机构赶上来的时候，临床观察仍然可以领先。值得注意的是，在一代人之前，两位临床医生取得了或许是微生物医学最大的进步——将幽门螺杆菌确定为消化性溃疡的病因。微生物爱好者最好重温一下这一发现的教训。
简单地认识到，当我们吃东西时，我们不仅在养活自己，而且在养活我们的肠道微生物群，这可以说是另一个具有巨大临床意义的进步。这种联系对未来也有影响，因为如果没有饮食改变的支持来保留补充的微生物，替换缺失微生物的策略很可能会随着时间的推移而失败。
虽然肠道微生物群组成与疾病的许多相关性可能反映了继发的或共有的非特异性微生物对疾病的反应，但微生物群组成与黑色素瘤和其他癌症中抗程序性细胞死亡蛋白1(抗PD1)治疗的疗效之间的联系确实是异常的，因为它开辟了肠道微生物群操纵的现实前景，为宿主T细胞反应编程确定了伙伴。
在肝病学领域中，肠道微生物水平的治疗干预已经成为常见的临床实践。一个值得注意的例子是肝性脑病，通过乳果糖或利福昔明对肠道微生物群的控制可获得临床上有意义的益处。然而，在过去的几年里，我们观察到微生物和肝病领域令人兴奋的进展。
早期动物实验表明，肠道微生物群对脂肪组织的发育和肝脏脂肪变性至关重要。人类非酒精性脂肪肝现已显示出肠道微生物群特征。在这项研究中，晚期纤维化与蛋白细菌和大肠杆菌丰度的增加和厚壁菌丰度的减少有关，这使得微生物组能够预测非酒精性脂肪肝更显著的纤维化。肠道微生物群对肝病中的循环代谢物有很大贡献。一项大型研究调查了代谢组、粪便代谢组和肝转录组之间的相互关系。研究人员能够定义一种粪便代谢物，主要是细菌来源的代谢物苯乙酸，它不仅与女性非酒精性脂肪性肝病患者的脂肪变性有关，而且在给予野生型小鼠2周时还能增加肝脏脂质积累。
宿主有益的细菌菌株如粘蛋白杆菌在小鼠和人类中被酒精消耗殆尽，并且在乙醇诱导的实验性肝损伤中补充这种细菌改善了小鼠的肠屏障功能并缓解了肝脏疾病。一项涉及重度酒精性肝炎患者的研究发现，这些患者表现出肠道微生物群特征，类杆菌丰度降低，梭杆菌富集。重要的是，每纳克脱氧核糖核酸中16S核糖体核糖核酸拷贝数也有显著增加，特别是在重度酒精性肝炎患者的循环中。大量饮酒似乎是循环微生物群变化的主要驱动力。此外，乙醇相关的生物失调降低了吲哚-3-乙酸的水平和芳香烃受体的激活，从而降低了小鼠肠内白细胞介素-22的表达，导致抗微生物C型凝集素再生胰岛衍生蛋白3γ (REG3G)的表达降低。这种变化导致细菌向肝脏转移和脂肪性肝炎。经工程改造产生白细胞介素-22的细菌诱导REG3G的表达并减少实验性乙醇诱导的脂肪性肝炎。
现已对原发性硬化性胆管炎(PSC)进行了几项微生物学研究。与作为对照的健康个体相比，独立于IBD存在的PSC患者显示出细菌多样性减少，并且一些研究发现维隆菌属显示出丰度增加。此外，从PSC患者获得并移植到小鼠体内的肺炎克雷伯菌的特定菌株破坏了它们的肠屏障完整性，并导致其他致病生物的细菌移位到它们的肠系膜淋巴结中，并在它们的肝脏中引发产生白介素-17的辅助性T细胞免疫应答。此外，曼弗雷多·维埃拉(Manfredo Vieira)等人证明，某种肠道共生细菌(鸡肠球菌)向肝脏的转移引发了类似系统性红斑狼疮的自身免疫。与鸡肠球菌共培养的肝细胞产生大量的I型干扰素和狼疮自身抗原。重要的是，在系统性红斑狼疮和自身免疫性肝炎患者的肝脏活检样本中可以检测到传染性法氏囊炎。这项研究强调，在小鼠和人类肝脏中可以检测到细菌的脱氧核糖核酸，并可能引发免疫介导的疾病。
最后，肝硬化与严重的生物失调有关，超过50%的分类指定物种来自口腔，这表明口腔微生物群存在于下胃肠道时可能导致疾病进程或严重程度。一项初步研究显示，FMT可能成为肝硬化并发肝性脑病的治疗策略。肝脏中组织微生物群潜在作用的概念也得到了一项新研究的支持，该研究表明在结直肠癌患者的肝转移中可以检测到梭杆菌。所有这些例子都反映了我们在微生物和肝脏医学领域面临的快速进步。
新出现的证据表明，对肠道微生物干预的反应取决于微生物沿胃肠道长度的系统发育和功能基因含量，这些特征在早期随着年龄的增长和健康梯度而发生显著变化。因此，需要在大型、标准化、纵向人类微生物研究中得到这种信息，包括具有临床定义健康结果的代际调查和出生队列，以及在临床试验中。肠道微生物菌株含量和编码基因功能也受到饮食和环境暴露(如抗菌药物施用)的强烈影响。这种暴露必须在人类微生物研究中仔细评估，以了解它们如何与不同生命阶段和不同健康梯度的微生物基因组含量和功能相互关联。这一进展将有助于制定减轻或增强暴露的策略，从而可预测地促进微生物功能的特定特征。这些努力将提高我们对不同生命阶段、健康状况和不同人群中人类微生物功能变化的理解，这对于模拟人类微生物群落和开发对微生物不同人群有效的目标干预措施都是必要的。描述性微生物研究必须与机理研究相联系，以提高我们对肠道微生物及其生物活性分子(单独和整体)如何局部、系统和纵向影响人体生理学各个方面的理解。这些集体努力将增强微生物建模，并最终促进精确的微生物干预。
大多数当前的微生物研究揭示了与健康或疾病的联系，但很难建立因果关系。当在给定微生物和疾病或健康状况之间发现相关性时，很难显示候选微生物对于疾病发作或相反其有益效果的确切含义。大多数肠道微生物数量很少，难以培养，这阻碍了它们的鉴定和功能检查以及它们与人类健康的关系。此外，不同人群之间以及各大洲、地区和种族之间的微生物群落结构和组成有所不同，这阻碍了对肠道微生物群落及其在微生物群落筛选、疾病诊断和疾病预防中下游应用的深入理解。特定区域的微生物群(即受人类宿主驻留)可能在影响肠道微生物群组成的其他因素中占主导地位，这影响了微生物标志物在全球疾病诊断中的应用。例如，个体的种族起源可能是未来微生物研究中需要考虑的一个重要因素。重要的是，动物和人类微生物组配置的主要差异已经影响了动物微生物组发现向人类的转化，并且在某些情况下，动物数据不能在人类中复制。微生物群落的改变是多因素的，非常复杂。很难知道原因和后果。
知识差距、不可复制性、夸大和避免显而易见的现象应该成为微生物学面临的任何挑战。我们对肠道微生物群仍然知之甚少；宿主-微生物相互作用和微生物群(包括病毒群)中残留的“暗物质”存在着巨大的知识缺陷。这些“已知的未知数”很复杂，但会随着时间和努力而让步；可能需要意外发现和准备的是“未知的未知数”。例如，我们应该尝试控制肠道微生物群从母亲到婴儿的垂直传播吗？我们应该尝试控制新生儿早期定植的组成，还是干预微生物的横向传播或共享？在现代世界中，重建肠道(修复丢失或缺失的微生物)有哪些限制和危险？
微生物学研究向公众传播也面临许多挑战，包括语言贫乏、夸大其词和“再现性问题”，这些问题普遍存在于科学的所有领域，但微生物学可能特别容易受到影响。科学期刊对此负有一定的责任，在不懈地追求引用和影响的过程中，一些科学期刊倾向于正面结果而不是负面结果，以及耸人听闻的结果而不是增量发现。人类容易轻信个人微生物“测试”的承诺和无根据的微生物群操纵健康声明，这加大了传播微生物科学的精确性需求。这方面反映出批判性思维能力差，特别是消费者的风险和利益评估。
从肠道微生物群测序中获得的知识目前正在爆炸，并表明肠道微生物群的复杂性可能比以前认为的更加明显。尽管如此，肠道微生物的个体分析虽然在技术上是可行的，但尚未达到临床日常实践。几个具有挑战性的问题仍然悬而未决，应该成为未来几年临床研究的重点:需要确定最佳的临床队列，同时考虑混杂因素，以了解正常和疾病特异性微生物群模式；应建立健康和疾病的纵向队列，以了解肠道微生物如何导致某些疾病；某些细菌的生物学功能应在相关的临床前模型中确定；我们需要理解为什么肯定在特定环境下，细菌会改变它们的行为，并向疾病特异性行为发展(即充当致病生物)；应使用新的益生元、益生菌、抗生素和/或FMT对最有希望的疾病进行随机对照试验。
Q：这些挑战的解决方案是什么？临床转化应该在哪里投入精力和金钱
肠道微生物研究挑战的解决方案需要在广泛的优先领域进行投资。这些解决方案包括支持以人为本的微生物学综合研究，涉及微生物学家、计算生物学家、免疫学家、人类遗传学家、流行病学家以及询问、解释和翻译肠道微生物学发现所需的临床专业知识。同样重要的是投资开发样本收集、处理、数据生成和质量控制的标准化协议，这将提高数据协调和交叉研究比较的能力。
此外，投资建立一个强大的数据共享空间(集中管理数据的中心)，其中包含符合FAIR(可查找、可访问、可操作和可再现)原则的有质量保证的数据，这将允许对更大的、串联的以人为中心的数据集进行查询，并使数据可用性和培训机会民主化。明确确定微生物对健康和疾病的贡献还需要投资于新的工具开发，包括体外或模型系统，这些系统忠实地概括了在人体原位进行的观察，以及有助于平行评估微生物群和宿主在人体样本中转录和翻译的工具。最后，为了促进规模微生物培养和小分子生产力，建立一个基因组和表型人类微生物分离物的精选文库，将提高质量控制微生物治疗开发的能力。
需要通过使用分离的细菌或鉴定的代谢物从相关性转变为概念证明。当发现给定微生物与疾病或健康状态之间的相关性时，很难显示候选人对疾病发作或相反其有益效果的确切含义。当一个假定的候选物被分离和培养后，有必要以与长期体内试验相适应的量培养它。我们需要在肠道微生物富集、分离和培养方面取得进展，高通量筛选选择工作应该是优先事项。分离出的微生物菌株应存放在一个公开的储存库中。
应对全球人群进行全面和基础广泛的采样，以建立全面的微生物图谱(细菌、病毒和真菌)并记录稀有微生物，包括特定于某些全球区域或族裔的微生物。应考虑精密微生物药物，因为个体之间的微生物差异可能影响治疗效果。因此，应制定研究参与者分层和/或准备措施。此外，当纳入临床研究时，确定使用哪个微生物群亚群来适当地对患者群进行分层也很重要——粪便微生物群、腔内微生物群、粘膜相关微生物群或内部粘液相关微生物群。
为了更好地将动物微生物学研究的发现转化为人类，我们应关注临床相关问题，并使用临床相关样本(例如，人类粪便样本、人类细菌菌株、疾病状态与正常状态的研究)，随后确认相关和独立动物模型中的发现。一种可能的方法是开始人体肠道微生物群的研究，例如横断面研究，但更重要的是纵向队列研究，以确定健康和特定疾病中的微生物群特征。然后应该使用人性化的老鼠模型来验证这些发现。
回归基础微生物学和基础研究值得投资，以解决知识缺口，包括宿主-微生物相互作用的分子基础，这与临床转化密不可分。然而，这个世界并不需要从啮齿动物的研究中获得更多的现象学。当然，动物模型确实有价值，特别是当用于探索基于人类观察的机制时，但相反，通过人为的尝试将啮齿动物的观察与人类疾病联系起来就没有价值了。
在西方世界，微生物学很可能会继续追求个性化医学和针对多种慢性疾病的个体特异性微生物疗法的崇高理想。这种方法需要严格区分疾病特异性或致病微生物群和更常见的非特异性微生物对疾病的反应。在某些情况下，肠道微生物群的变化可能代表对疾病的适当反应，因此是危险的或不适合治疗操作。基于微生物的干预将需要严格的循证医学和强有力的临床试验。此外，随着时间的推移，纵向收集的关于更少个体的数据，以解决微生物群落的动态性质，比大型横断面调查更可取。
与此同时，在我看来，对投资的更大需求不在于西方世界，而在于发展中世界，在那里，随着对肠道微生物如何随着现代化而变化的理解的加深，预防西方疾病的出现仍然是可能的。这项研究可能不需要昂贵的跨大陆比较研究；对发达国家少数民族的研究可以为现代世界的祖先肠道微生物提供一个窗口。
未来的微生物群研究将由临床转化研究主导。为了推进这一领域，我们需要正确的“药物”(细菌或细菌衍生的代谢物)和在明确定义的临床环境中的相应随机对照试验。这种方法需要大量的智力和经济投资。挑战将是选择正确的“药物和/或细菌”，这只有通过严格和简明的临床前研究才有可能。这种方法的类型可能大不相同，从益生元的使用到益生菌或抗生素的使用到FMT。细菌世界中的大量基因也将允许在未来识别新的治疗靶点。
在饮食和环境暴露的背景下，通过整合人类表观遗传学、免疫和微生物学的研究，未来几十年可能会提供更多关于肠道微生物如何整合这些暴露以影响人类健康状况的机制见解。越来越多的人认识到，早期生命是人类微生物(和免疫)发展的拐点，这可能会刺激早期生命干预，以预防疾病，并为促进幼儿健康的微生物发展轨迹绘制蓝图。随着标准化投资的增加，预计将开发基于大型全球代表性数据集的人类微生物功能精确预测模型。与此相关的是推动微生物基因和产品群的鉴定，以预测疾病发展、对治疗的反应或对药物施用的需求。随着该领域的发展，人们越来越认识到饮食对微生物群和宿主健康的影响。对促进微生物功能特定理想特征的食品的分子基础的理解应该用于促进食品生产实践中基于事实的改变，以促进食品供应中的这些特征。此类信息可用于宣传和推动提高人口健康的政策。最后，开发和测试合理设计的微生物干预措施，在早期预防疾病或在后期诊断后控制或预防疾病进展，可能会提高我们识别特定干预措施对其有效的能力，并迈向精确微生物医学时代。
大量未充分研究和以前未发现的肠道微生物物种，特别是在菌株水平，将被鉴定，包括那些以低丰度存在但在疾病发病机制中具有重要作用的物种，包括细菌、病毒和真菌。我设想进行更多的研究，调查这些微生物的功能，以及改变后的肠道微生物是否以及如何在使用无菌动物驱动疾病表达方面发挥作用，而不仅仅是证明肝病和胃肠癌之间的联系。
微生物群将被视为下一代药物，未来的治疗或饮食干预可能基于个体肠道微生物群的组成。微生物分析将被添加到有关饮食、生物药物或癌症药物研究的临床试验中，因为这些信息对于评估临床结果至关重要，有可能为正确的药物选择正确的患者。将来，在患者开始癌症免疫治疗或免疫介导疾病的生物治疗之前，他们可能首先要对肠道菌群组成进行分析，以确定什么是最佳治疗方法，他们是否能从FMT获益，以及他们是否会有反应。这种方法的例子可以是预测转移性黑色素瘤中抗PD1治疗的成功和对免疫检查点抑制剂的反应，免疫检查点抑制剂受肠道微生物的影响，或者监测白色念珠菌或供体尾状病毒的丰富度来预测在复发性艰难梭菌感染中对FMT的反应，因为白色念珠菌的存在或低水平的供体来源的尾状病毒已被证明与FMT的疗效降低相关。越来越多的研究旨在强调基于微生物群的精确药物治疗的未来。
微生物疗法(微生物本身和/或其代谢物)将得到开发，并可进入由制药和商业实体驱动的临床试验。用于递送微生物治疗剂活性成分的新技术的开发正在进行中，包括在储存期间稳定活性成分，以及利用微生物群落的共生性质来增加稳定性和效力的新方法。更多从临床前到疾病状态的纵向研究正在进行中，这些研究通过连续的微生物取样和综合分析来确定微生物失调的核心微生物、环境和宿主因素。此外，将会有更多的投资来研究早期微生物群，因为这是人类微生物群最容易被调节的黄金时期。例如，香港中文大学医学院目前正在中国大湾地区(包括香港、深圳、广州和佛山)招募100，000对母婴进行7年以上的随访，以确定早期促进肠道微生物健康和疾病的定义，以及如何预测疾病的发展，包括IBD病、肥胖症和其他免疫介导的疾病。
可以预见的是，大数据的部署将成为许多科学家的愿望清单中的一个特色，同时也是利用肠道微生物群作为个性化营养管理的前景。这个愿望与其说是承诺，不如说是白日梦。复杂的读数，如宏基因组学和代谢组学的读数，不可能单独改变人类行为。人们不太可能回到祖先的高纤维饮食，因为科学家说它们对他们的肠道微生物群有益！需要教育、改善公共卫生信息和知情的粮食政策。此外，健康的社会决定因素将继续胜过个性化预测因素。基于微生物的个性化营养前景的空洞性被一个事实所强调，即正常的微生物群落还没有被定义。
尽管偶然发现可能是非凡进步的基础，但科学也可以通过解决显而易见的问题而不是发现新的东西来前进。最明显的是，随着社会经济的发展，西方世界代谢和免疫介导的慢性病的出现是可以预见的。现代化伴随着祖先微生物的丧失和工业化微生物群落的获得。微生物学应该追求疾病预防的更高理想，研究集中在保留祖先微生物的机制和重建肠道的策略上。另一个明显的全球性挑战是即将到来的耐药性瘟疫。动员和挖掘肠道微生物群，寻找新的抗生素替代品(包括确定的微生物群、噬菌体和细菌素)，以对抗机会性病原体，这将是解决方案的一部分。
在接下来的一二十年里，随着我们将体验到这个细菌世界如何影响和驱动各种各样的肝病，微生物学领域的进步将改写肝脏学领域。炎症和病毒驱动肝癌，我们将了解肝细胞癌是否以及如何受到肠道微生物群的影响。另一个引人入胜的领域是微生物群落可能存在于包括肝脏在内的各种组织中，并导致局部疾病。总的来说，肠道微生物研究领域充满了希望和兴奋，这是一个年轻而有才华的科学家向往的世界。
