年終盤點：2018腸道微生物重要研究盤點

　　在人體腸道內的微生物中，超過99%都是細菌。人體正常的腸道細菌種類有500～1000 種。人腸道中的細菌細胞數達100萬億個，占人體總微生物量的 78 %，然而人體細胞總數也不過10萬億個，這意味著胃腸道內的細菌總數比人體細胞總數還多10倍。

　　腸道細菌不僅數量龐大，種類也繁多。占主要地位的是厚壁菌門（Firmicutes,大約占60%～65%）和擬桿菌門（Bacteroidetes, 大約占20%～25%），另外變形菌門（Proteobacteria, 大約占5%～10%）和放線菌（Actinobacteria, 大約占3%）也占了一部分，還有古菌門（Archaea）、脫鐵桿菌門（Deferribacteres）、梭菌門（Fusobacteria）、螺旋體門（Spirochaetes）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、Melainabacteria等占比極小（<1%）。

圖1. 腸道微生物組

　　腸道菌群與人體相互依存，構成腸道的微生態系統，該微生態系統當處于平衡狀態時，會促進食物消化，產生多種維生素等營養物質，從而起到抵御外來致病菌的侵入以及刺激免疫系統等重要作用。腸道微生態的失衡可以引起消化道相關疾病，如消化不良、腹瀉、壞死性結腸炎（NE）、腸易激綜合征（IBS）、炎癥性腸病（IBD）；代謝性疾病（肥胖癥、糖尿病、脂肪肝和肝硬化等）；艱難梭菌感染；急性胰腺炎；過敏性哮喘；心血管疾病（如高血壓、動脈粥樣硬化、心肌梗塞和心力衰竭）、孤獨癥和腫瘤（如結直腸癌）等。

　　在2018年，科學家們在腸道微生物領域取得重大的進展，讓我們一起看看這個領域在這一年里取得的重大發現。

　　2018年12月，Alison L. Gould等人開發出了一種方法來繪制果蠅腸道中5種細菌之間所發生的可能的相互作用圖譜，并發現針對果蠅壽命所發生的23%的變化而言，單一的微生物群落或許能夠解釋四分之一的影響，而微生物群落之間的相互作用或許能解釋其余的影響[1]。這些相互作用或許能夠影響某些因子，從而決定果蠅將其遺傳物質遺傳給后代的方式。

圖2. 圖片來自PNAS, doi:10.1073/pnas.1809349115.

　　2018年11月，Pajau Vangay等人研究了從東南亞移民到美國的人群，并且提供新的證據表明在到達美國之后，這些移民的腸道菌群快速地西方化，從而導致他們的整體腸道微生物組多樣性減少，也因此更容易讓他們變肥胖[2]。

　　2018年11月，Monica Bodogai等人發現相比于年輕小鼠的腸道，年老小鼠的腸道具有明顯較少的Akkermansia muciniphila（A. muciniphila）群體，而且隨著A. muciniphila變得更加稀少，作為腸道關鍵保護分子之一的丁酸鹽也是如此[3]。這兩者的缺乏導致年老小鼠腸道的粘膜變薄并發生滲漏。這個破壞性過程引發了一系列觸發炎癥的事件，促進免疫反應產生，最后一步就是這增加了胰島素抵抗性。最后一步的關鍵在于一種特定類型的稱為4BL細胞的免疫細胞在腸道中堆積。他們還發現相對于定植到腸道中的其他微生物而言，A. muciniphila發揮著促進健康的腸道細菌多樣性的作用。當給年老小鼠喂食丁酸鹽時，它們具有更高的A. muciniphila水平，此外這種A. muciniphila水平和它們的胰島素抵抗性水平接近于在年輕小鼠中觀察到的水平。當給年老小鼠和恒河猴提供抗生素恩諾沙星（一種用于獸醫的廣譜抗生素）時，也會獲得相同的結果。在這兩種動物中，恩諾沙星（enrofloxacin）---不被認為可安全用于人類---通常會清除被認為在這一系列導致胰島素抵抗性的事件中起關鍵作用的4BL細胞。隨著4BL細胞被清除，A. muciniphila水平上升了，胰島素抵抗性基本消失了，這就證實它們起著關鍵作用。

圖3.圖片來自Science Translational Medicine, doi:10.1126/scitranslmed.aat4271。

　　2018年11月，David Schnadower等人發現在患有急性胃腸炎的學齡前兒童中，相比接受安慰劑的患兒而言，接受5天療程鼠李糖乳桿菌GG（LGG）益生菌療法并不會給患兒帶來更好的療效[4]。與此同時，Stephen B. Freedman等人發現在因胃腸炎前往兒科急診科的患兒中，每天兩次鼠李糖乳桿菌R0011和瑞士乳桿菌R0052益生菌聯合治療并不能有效預防患兒中重度胃腸炎的發生[5]。這些結果表明在作為急性胃腸炎患兒的輔助治療上，益生菌療法或許完全無法改善患兒的疾病癥狀，這無疑給益生菌療法畫上了一個大大的問號。

　　2018年10月，Aimee M. Baumann-Dudenhoeffer等人發現所有嬰兒配方奶粉的作用就是模擬母乳，但實際上其達不到這一點，就腸道細菌的種類而言，兩種方式喂養的嬰兒腸道中看似有著相同種類的腸道菌群，但其遺傳潛能或許并不相同：很多嬰兒配方奶粉含有能夠模擬母乳中糖分的糖分子，這會促進一種更像母乳喂養的微生物菌群在嬰兒腸道中建立，尤其是這些糖分子能夠促進雙歧桿菌的生長，而雙歧桿菌是嬰兒和兒童腸道中關鍵的微生物組組分；不同的是，大豆嬰兒配方奶粉喂養的嬰兒的腸道微生物組中含有少量的雙歧桿菌，但卻含有大量生產斷鏈脂肪酸的菌群[6]。這似乎是一種不健康的腸道菌群的標志。

　　2018年10月，Joseph Petrosino團隊通過使用最先進的RNA和DNA測序技術來揭示腸道微生物組中的所有微生物的完整遺傳組成，確定嬰兒腸道腸道微生物組的建立經歷了三個不同的微生物組進展階段：發展階段（兒童的年齡為3～14個月大）、過渡階段（兒童的年齡為15～30個月大）和穩定階段（兒童的年齡為31～46個月大）[7]。此外，嬰兒分娩方式和喂養方式不僅會影響這三個進展階段，而且還會影響每個階段的腸道細菌組成。

圖4. 圖片來自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0617-x。

　　2018年10月，Andrew H. Moeller等人利用在兩個地方捕獲的17只小鼠產生了產生了11代小鼠，結果發現小鼠的腸道生物群落保持非常穩定---第11代小鼠的腸道生物群落幾乎與第一代小鼠是一樣的[8]。他們提出這是腸道生物群落細菌進行代代相傳的證據，這是垂直傳播（vertical transmission）的一個例子。

　　2018年10月，Fredrik B?ckhed及其團隊發現初治（treatment-na?ve）的2型糖尿病患者的腸道菌群與組氨酸的不同代謝有關，其中組氨酸主要來源于飲食[9]。這接著導致咪唑丙酸（imidazole propionate）形成。咪唑丙酸破壞細胞對胰島素作出反應的能力，從而能夠導致2型糖尿病。因此，降低細菌產生的咪唑丙酸數量可能成為一種治療2型糖尿病患者的新方法。

圖5. 圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.09.055。

　　2018年9月，兩個獨立的研究團隊都發現，傳說中的益生菌或許并沒有我們想象中那么有效：很多健康的志愿者實際上會對這些益生菌出現耐受性，即這些益生菌無法在其體內定植并發揮應用的作用；此外，在與抗生素一起使用時，益生菌可能會帶來潛在的副作用，而且會對人體的健康產生長期不良后果[10][11]。

　　2018年8月，Marcus Fulde等人發現腸道受體蛋白TLR5在生命早期的腸道上皮細胞中的表達是發育過程中的一個檢查點，這個發育過程與微生物定植相協調，從而實現宿主與它的菌群之間的健康共生[12]。TLR5能夠結合到一種被稱作鞭毛蛋白的細菌蛋白上，而且這些研究人員發現這會促進抗菌蛋白Reg3γ分泌。TLR5和Reg3γ都有助于限制表達鞭毛蛋白的細菌的早期定植。在野生型小鼠中，缺乏鞭毛蛋白的沙門氏菌菌株的腸道定植效果始終高于含有鞭毛蛋白的沙門氏菌菌株的腸道定植。這種差別在缺乏TLR5的小鼠中并沒有觀察到。

圖6. 一種宿主蛋白影響腸道微生物的組成，圖片來自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0395-5。

　　2018年8月，Vanessa C. Harri等人究發現利用抗生素來操縱腸道微生物組或能影響人體對口服輪狀病毒疫苗作出的反應：相比疫苗接種前未進行抗生素療法的個體而言，接受抗生素治療的個體體內表現更高水平的病毒脫落現象，這表明改變腸道微生物組或能影響人體對病毒疫苗的免疫原性[13]。

　　2018年6月，Carolina Tropini等人發現將便秘緩解劑Miralax添加到已接受人類腸道微生物定植的無菌小鼠和攜帶著正常小鼠腸道微生物的小鼠喝的水中，這會導致這些小鼠腹瀉。這些研究人員發現在接受這種處理之前、期間和之后，這些小鼠的腸道微生物群落組成差異很大[14]。比如，當這兩組小鼠攝入這種瀉藥僅三天后，作為一種高度豐富的微生物家族，S24-7似乎就已滅絕了，而且在這種處理結束后并沒有得到恢復。

圖7. 圖片來自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.05.008。

　　2018年6月，Ning Mao等人發現給小鼠注射通常在奶酪中發現的乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）會以益生菌形式讓它們免受霍亂傷害[15]。

　　2018年5月，Chi Ma等人通過使用三種小鼠肝癌模型，發現當利用抗生素混合物消滅腸道細菌時，接受抗生素治療的小鼠形成更少更小的肝臟腫瘤并且降低腫瘤轉移到肝臟中[16]。抗生素治療增加了這些小鼠肝臟中的一類被稱作稱為自然殺傷T細胞（NKT細胞）的免疫細胞的數量，因而導致肝臟腫瘤生長下降。這些NKT細胞在肝臟中的積累是由于位于肝臟毛細血管內部的肝竇內皮細胞表面上的CXCL16蛋白表達增加所導致的。他們最終發現，一種被稱作Clostridium scindens的梭菌物種控制小鼠腸道中的膽酸代謝，并最終控制肝臟中的CXCL16表達、NKT細胞積累和腫瘤生長。

　　2018年5月，Christine A. Olson等人鑒定出在高脂肪低碳水化合物生酮飲食的抗癲癇作用中起著重要作用的兩種特定腸道細菌：Akkermansia muciniphila和Parabacteroides[17]。這種生酮飲食會增加這兩種腸道細菌的水平，從而增加大腦中的γ-氨基丁酸（GABA）的水平。

圖8. 圖片來自Cell,doi:10.1016/j.cell.2018.04.027。

　　2018年5月，Veit Rothhammer等人著重關注腸道細菌對兩種在中樞神經系統中起主要作用的細胞---小膠質細胞和星形膠質細胞---的影響。當腸道細菌降解膳食中的色氨酸時，這些腸道細菌產生的副產物能夠穿過血腦屏障，激活一個限制神經變性的抗炎通路[18]。當分析來自人多發性硬化癥患者的大腦組織樣本時，他們發現了也存在相同的抗炎通路和參與者的證據。

　　2018年5月，Marlies Meisel等人發現缺乏TET2表達導致小鼠腸道屏障缺陷，從而允許存在于腸道中的細菌擴散到血液和外周器官中[19]。這種細菌擴散導致血液中的炎性分子釋放，這接著促進缺乏TET2的造血干細胞增殖。這就為白血病前期骨髓增生產生奠定基礎。

　　2018年3月，Liping Zhao等人發現在2型糖尿病患者中，利用富含多種纖維的膳食促進特定的一組腸道細菌生長會導致更好的血糖控制、更大的體重減輕和更好的脂質水平[20]。高纖維膳食促進產生短鏈脂肪酸的腸道細菌生長。在利用下一代測序鑒定出的141種產生短鏈脂肪酸的腸道細菌菌株中，攝入更多的纖維僅促進15種腸道細菌菌株的生長，因而可能是改善健康狀況的關鍵驅動因素。在高纖維膳食的促進下，它們提高短鏈脂肪酸丁酸和乙酸的水平，從而成為腸道中的優勢菌株。這些短鏈脂肪酸創造一個溫和的酸性腸道環境，這會降低有害細菌群體的數量，并導致胰島素產量增加和更好的血糖控制。

圖9. 體外培養的腸道細菌，圖片來自Tao Liu和Xiaoyan Pang/上海交通大學。

　　2018年2月，Daphna Rothschild等人通過研究由大約1000名以色列人組成的一個獨特的數據庫，令人吃驚地發現宿主的遺傳因素在決定微生物組的組成方面起著微小的作用---僅導致人與人之間的微生物組差異的2％，實際上98%的人體腸道微生物組差異是由飲食和生活方式決定的[21]。

　　2018年2月，Christine M. Dejea等人報道了腸道菌群如何參與結腸癌的發生與發展：研究發現脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）和一種大腸桿菌（psk+ Escherichia coli）兩種腸道菌群會聯手形成生物膜，損壞結腸粘膜，引發結腸癌[22]。

　　2018年1月，Wenhan Zhu等人發現鑒于在炎癥性腸病（IBD）患者和小鼠結腸炎模型中，腸道微生物群中屬于腸桿菌科的細菌成員不受控制地生長，Wenhan Zhu等人發現在小鼠模型中，口服飲用水中的鎢酸鹽（一種可溶性的鎢鹽）會選擇性地阻止了腸道中的腸桿菌科細菌成員大量繁殖，但附近的有益菌不受影響，因此接受鎢酸鹽治療會讓小鼠結腸炎模型體內的腸道微生物菌群轉向更加正常的狀態，并且也會降低腸道炎癥[23]。鎢酸鹽治療并不能治愈這種疾病，但它改善了這些小鼠的整體健康狀況。

圖10. 圖片來自Nature, doi:10.1038/nature25172.

　　2018年1月，美國芝加哥大學的Vyara Matson等人著重關注42名接受抗PD-1抗體藥物或抗CTLA4抗體藥物治療的轉移性黑色素瘤患者。他們通過分析在治療前收集的每名患者的糞便樣品，發現相比于26名對這種免疫治療不作出反應的患者，包括長雙歧桿菌（Bifidobacterium longum）、產氣柯林斯菌（Collinsella aerofaciens）和屎腸球菌（Enterococcus faecium）在內的幾種特定腸道細菌物種在16名（38％）對這種免疫療法作出反應的患者中更加豐富[24]。與此同時，法國古斯塔夫-魯西癌癥學院的Bertrand Routy團隊發現有益細菌Akkermansia muciniphila的相對豐度與癌癥患者對抗PD-1抗體藥物作出的臨床反應相關聯[25]。美國德州大學MD安德森癌癥中心的V. Gopalakrishnan等人發現對抗PD1免疫治療作出反應的癌癥患者腸道微生物組富含瘤胃球菌（Ruminococcaceae），未作出反應的癌癥患者腸道微生物組富含擬桿菌（Bacteroidales）；相比于腸道中具有更低糞桿菌（Faecalibacterium，屬于梭菌目瘤胃球菌科）水平的癌癥患者，腸道中具有更高糞桿菌水平的癌癥患者具有顯著延長的無進展生存期[26]。這些發現表明特定細菌在腸道中的存在似乎促進T細胞浸潤到腫瘤微環境中，并提高T細胞對癌細胞的殺傷作用，從而增加產生強效且持久的免疫反應的可能性。

　　其實，科學家們針對腸道微生物組領域的研究不勝枚舉，以上羅列的僅是其中的一小部分。當然，其中的一些涉及腸道微生物組的研究僅局限在細胞模型和動物模型上，或者雖然已開展人體臨床試驗，但是仍然停留在I期或II期臨床試驗階段，參與臨床試驗的患者人數仍然偏少，仍需通過招募更多的患者人數來開展III期臨床試驗。不過，在未來，隨著科學家們在腸道微生物組方面不斷取得新的突破，諸如CAR  -T細胞療法之類的細胞療法有望為更多患者帶來福音。不過，在未來，科學家們將從病理學、分子生物學、基因、蛋白和組學等不同角度深入探究腸道微生物組在正常的生理過程和疾病發生的重要作用，人們最終有朝一日能夠通過操縱腸道微生物組來治療肥胖、糖尿病、血液系統疾病、神經系統疾病和遺傳疾病等一系列疾病。

參考資料：

　　1. Alison L. Gould et al. Microbiome interactions shape host fitness, PNAS, 2018, doi:10.1073/pnas.1809349115.

　　2. Pajau Vangay et al. Immigration to the US changes a person's microbiome. Cell, 01 November 2018, 175(4):962-972, doi:10.1016/j.cell.2018.10.029.

　　3.Monica Bodogai et al. Commensal bacteria contribute to insulin resistance in aging by activating innate B1a cells. Science Translational Medicine, 14 November 2018, 10(467):eaat4271, doi:10.1126/scitranslmed.aat4271.

　　4.David Schnadower et al. Lactobacillus rhamnosus GG versus Placebo for Acute Gastroenteritis in Children. N Engl J Med , 2018, 379:2002-2014, doi:10.1056/NEJMoa1802598.

　　5.Stephen B. Freedman et al. Multicenter Trial of a Combination Probiotic for Children with Gastroenteritis. N Engl J Med, 2018, 379:2015-2026, doi:10.1056/NEJMoa1802597.

　　6. Aimee M. Baumann-Dudenhoeffer et al. Infant diet and maternal gestational weight gain predict early metabolic maturation of gut microbiomes. Nature Medicine (2018) doi:10.1038/s41591-018-0216-2.

　　7. Christopher J. Stewart et al. Temporal development of the gut microbiome in early childhood from the TEDDY study. Nature, Published Online: 24 October 2018, doi:10.1038/s41586-018-0617-x.

　　8. Andrew H. Moeller et al. Transmission modes of the mammalian gut microbiota. Science, 26 October 2018, 362(6413):453-457, doi:10.1126/science.aat7164.

　　9.Ara Koh et al. Microbially Produced Imidazole Propionate Impairs Insulin Signaling through mTORC1. Cell, Published Online: 25 October 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.09.055.

　　10.Niv Zmora et al. Personalized Gut Mucosal Colonization Resistance to Empiric Probiotics Is Associated with Unique Host and Microbiome Features. Cell, 2018； 174 (6): 1388 DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.041.

　　11.Jotham Suez et al. Post-Antibiotic Gut Mucosal Microbiome Reconstitution Is Impaired by Probiotics and Improved by Autologous FMT. Cell, 2018； 174 (6): 1406 DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.047.

　　12.Marcus Fulde et al. Neonatal selection by Toll-like receptor 5 influences long-term gut microbiota composition. Nature, Published online: 08 August 2018, doi:10.1038/s41586-018-0395-5.

　　13. Vanessa C. Harri et al. Effect of Antibiotic-Mediated Microbiome Modulation on Rotavirus Vaccine Immunogenicity: A Human, Randomized-Control Proof-of-Concept Trial. Cell Host & Microbe (2018), doi:10.1016/j.chom.2018.07.005.

　　14. Carolina Tropini et al. Transient Osmotic Perturbation Causes Long-Term Alteration to the Gut Microbiota. Cell, 14 June 2018, 173(7):1742–1754, doi:10.1016/j.cell.2018.05.008.

　　15.Ning Mao et al. Probiotic strains detect and suppress cholera in mice. Science Translational Medicine, 13 Jun 2018, 10(445):eaao2586, doi:10.1126/scitranslmed.aao2586.

　　16. Chi Ma et al. Gut microbiome–mediated bile acid metabolism regulates liver cancer via NKT cells. Science, 25 May 2018, 360(6391):eaan5931, doi:10.1126/science.aan5931.

　　17.Christine A. Olson et al. The Gut Microbiota Mediates the Anti-Seizure Effects of the Ketogenic Diet. Cell, Published online:May 24, 2018, doi:10.1016/j.cell.2018.04.027.

　　18.Veit Rothhammer et al. Microglial control of astrocytes in response to microbial metabolites. Nature, Published online:16 May 2018, doi:10.1038/s41586-018-0119-x.

　　19.Marlies Meisel et al. Microbial signals drive pre-leukaemic myeloproliferation in a Tet2-deficient host. Nature, Published online:16 May 2018, doi:10.1038/s41586-018-0125-z.

　　20. Liping Zhao et al. Gut bacteria selectively promoted by dietary fibers alleviate type 2 diabetes. Science, 09 Mar 2018, 359(6380):1151-1156, doi:10.1126/science.aao5774.

　　21.Daphna Rothschild et al. Environment dominates over host genetics in shaping human gut microbiota. Nature, Published online: 28 February 2018, doi:10.1038/nature25973.

　　22.Christine M. Dejea et al. Patients with familial adenomatous polyposis harbor colonic biofilms containing tumorigenic bacteria. Science, 02 Feb 2018, 359(6375): 592-597, doi:10.1126/science.aah3648.

　　23. Wenhan Zhu et al. Precision editing of the gut microbiota ameliorates colitis. Nature, Published online: 03 January 2018, doi:10.1038/nature25172.

　　24. Vyara Matson et al. The commensal microbiome is associated with anti–PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients. Science, 05 Jan 2018, 359(6371):104-108, doi:10.1126/science.aao3290.

　　25. Bertrand Routy, Emmanuelle Le Chatelier, Lisa Derosa et al. Gut microbiome influences efficacy of PD-1–based immunotherapy against epithelial tumors. Science, Published online: 02 Nov 2017, doi:10.1126/science.aan3706.

　　26. V. Gopalakrishnan, C. N. Spencer, L. Nezi et al. Gut microbiome modulates response to anti–PD-1 immunotherapy in melanoma patients. Science, Published online: 02 Nov 2017, doi:10.1126/science.aan4236.