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年终盘点:2018肠道微生物重要研究盘点

来源:本站原创 2018-12-25 10:48

2018年12月23日/生物谷BIOON/---在人体肠道内的微生物中,超过99%都是细菌。人体正常的肠道细菌种类有500~1000 种。人肠道中的细菌细胞数达100万亿个,占人体总微生物量的 78 %,然而人体细胞总数也不过10万亿个,这意味着胃肠道内的细菌总数比人体细胞总数还多10倍。

肠道细菌不仅数量庞大,种类也繁多。占主要地位的是厚壁菌门(Firmicutes,大约占60%~65%)和拟杆菌门(Bacteroidetes, 大约占20%~25%),另外变形菌门(Proteobacteria, 大约占5%~10%)和放线菌(Actinobacteria, 大约占3%)也占了一部分,还有古菌门(Archaea)、脱铁杆菌门(Deferribacteres)、梭菌门(Fusobacteria)、螺旋体门(Spirochaetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、Melainabacteria等占比极小(<1%)。

图1. 肠道微生物组

肠道菌群与人体相互依存,构成肠道的微生态系统,该微生态系统当处于平衡状态时,会促进食物消化,产生多种维生素等营养物质,从而起到抵御外来致病菌的侵入以及刺激免疫系统等重要作用。肠道微生态的失衡可以引起消化道相关疾病,如消化不良、腹泻、坏死性结肠炎(NE)、肠易激综合征(IBS)、炎症性肠病(IBD);代谢性疾病(肥胖症、糖尿病、脂肪肝和肝硬化等);艰难梭菌感染;急性胰腺炎;过敏性哮喘;心血管疾病(如高血压、动脉粥样硬化、心肌梗塞和心力衰竭)、孤独症和肿瘤(如结直肠癌)等。

在2018年,科学家们在肠道微生物领域取得重大的进展,让我们一起看看这个领域在这一年里取得的重大发现。

2018年12月,Alison L. Gould等人开发出了一种方法来绘制果蝇肠道中5种细菌之间所发生的可能的相互作用图谱,并发现针对果蝇寿命所发生的23%的变化而言,单一的微生物群落或许能够解释四分之一的影响,而微生物群落之间的相互作用或许能解释其余的影响[1]。这些相互作用或许能够影响某些因子,从而决定果蝇将其遗传物质遗传给后代的方式。

图2. 图片来自PNAS, doi:10.1073/pnas.1809349115.

2018年11月,Pajau Vangay等人研究了从东南亚移民到美国的人群,并且提供新的证据表明在到达美国之后,这些移民的肠道菌群快速地西方化,从而导致他们的整体肠道微生物组多样性减少,也因此更容易让他们变肥胖[2]。

2018年11月,Monica Bodogai等人发现相比于年轻小鼠的肠道,年老小鼠的肠道具有明显较少的Akkermansia muciniphila(A. muciniphila)群体,而且随着A. muciniphila变得更加稀少,作为肠道关键保护分子之一的丁酸盐也是如此[3]。这两者的缺乏导致年老小鼠肠道的粘膜变薄并发生渗漏。这个破坏性过程引发了一系列触发炎症的事件,促进免疫反应产生,最后一步就是这增加了胰岛素抵抗性。最后一步的关键在于一种特定类型的称为4BL细胞的免疫细胞在肠道中堆积。他们还发现相对于定植到肠道中的其他微生物而言,A. muciniphila发挥着促进健康的肠道细菌多样性的作用。当给年老小鼠喂食丁酸盐时,它们具有更高的A. muciniphila水平,此外这种A. muciniphila水平和它们的胰岛素抵抗性水平接近于在年轻小鼠中观察到的水平。当给年老小鼠和恒河猴提供抗生素恩诺沙星(一种用于兽医的广谱抗生素)时,也会获得相同的结果。在这两种动物中,恩诺沙星(enrofloxacin)---不被认为可安全用于人类---通常会清除被认为在这一系列导致胰岛素抵抗性的事件中起关键作用的4BL细胞。随着4BL细胞被清除,A. muciniphila水平上升了,胰岛素抵抗性基本消失了,这就证实它们起着关键作用。

图3.图片来自Science Translational Medicine, doi:10.1126/scitranslmed.aat4271。

2018年11月,David Schnadower等人发现在患有急性胃肠炎的学龄前儿童中,相比接受安慰剂的患儿而言,接受5天疗程鼠李糖乳杆菌GG(LGG)益生菌疗法并不会给患儿带来更好的疗效[4]。与此同时,Stephen B. Freedman等人发现在因胃肠炎前往儿科急诊科的患儿中,每天两次鼠李糖乳杆菌R0011和瑞士乳杆菌R0052益生菌联合治疗并不能有效预防患儿中重度胃肠炎的发生[5]。这些结果表明在作为急性胃肠炎患儿的辅助治疗上,益生菌疗法或许完全无法改善患儿的疾病症状,这无疑给益生菌疗法画上了一个大大的问号。

2018年10月,Aimee M. Baumann-Dudenhoeffer等人发现所有婴儿配方奶粉的作用就是模拟母乳,但实际上其达不到这一点,就肠道细菌的种类而言,两种方式喂养的婴儿肠道中看似有着相同种类的肠道菌群,但其遗传潜能或许并不相同:很多婴儿配方奶粉含有能够模拟母乳中糖分的糖分子,这会促进一种更像母乳喂养的微生物菌群在婴儿肠道中建立,尤其是这些糖分子能够促进双歧杆菌的生长,而双歧杆菌是婴儿和儿童肠道中关键的微生物组组分;不同的是,大豆婴儿配方奶粉喂养的婴儿的肠道微生物组中含有少量的双歧杆菌,但却含有大量生产断链脂肪酸的菌群[6]。这似乎是一种不健康的肠道菌群的标志。

2018年10月,Joseph Petrosino团队通过使用最先进的RNA和DNA测序技术来揭示肠道微生物组中的所有微生物的完整遗传组成,确定婴儿肠道肠道微生物组的建立经历了三个不同的微生物组进展阶段:发展阶段(儿童的年龄为3~14个月大)、过渡阶段(儿童的年龄为15~30个月大)和稳定阶段(儿童的年龄为31~46个月大)[7]。此外,婴儿分娩方式和喂养方式不仅会影响这三个进展阶段,而且还会影响每个阶段的肠道细菌组成。

图4. 图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0617-x。

2018年10月,Andrew H. Moeller等人利用在两个地方捕获的17只小鼠产生了产生了11代小鼠,结果发现小鼠的肠道生物群落保持非常稳定---第11代小鼠的肠道生物群落几乎与第一代小鼠是一样的[8]。他们提出这是肠道生物群落细菌进行代代相传的证据,这是垂直传播(vertical transmission)的一个例子。

2018年10月,Fredrik Bäckhed及其团队发现初治(treatment-naïve)的2型糖尿病患者的肠道菌群与组氨酸的不同代谢有关,其中组氨酸主要来源于饮食[9]。这接着导致咪唑丙酸(imidazole propionate)形成。咪唑丙酸破坏细胞对胰岛素作出反应的能力,从而能够导致2型糖尿病。因此,降低细菌产生的咪唑丙酸数量可能成为一种治疗2型糖尿病患者的新方法。

图5. 图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.09.055。

2018年9月,两个独立的研究团队都发现,传说中的益生菌或许并没有我们想象中那么有效:很多健康的志愿者实际上会对这些益生菌出现耐受性,即这些益生菌无法在其体内定植并发挥应用的作用;此外,在与抗生素一起使用时,益生菌可能会带来潜在的副作用,而且会对人体的健康产生长期不良后果[10][11]。

2018年8月,Marcus Fulde等人发现肠道受体蛋白TLR5在生命早期的肠道上皮细胞中的表达是发育过程中的一个检查点,这个发育过程与微生物定植相协调,从而实现宿主与它的菌群之间的健康共生[12]。TLR5能够结合到一种被称作鞭毛蛋白的细菌蛋白上,而且这些研究人员发现这会促进抗菌蛋白Reg3γ分泌。TLR5和Reg3γ都有助于限制表达鞭毛蛋白的细菌的早期定植。在野生型小鼠中,缺乏鞭毛蛋白的沙门氏菌菌株的肠道定植效果始终高于含有鞭毛蛋白的沙门氏菌菌株的肠道定植。这种差别在缺乏TLR5的小鼠中并没有观察到。

图6. 一种宿主蛋白影响肠道微生物的组成,图片来自Nature, doi:10.1038/s41586-018-0395-5。

2018年8月,Vanessa C. Harri等人究发现利用抗生素来操纵肠道微生物组或能影响人体对口服轮状病毒疫苗作出的反应:相比疫苗接种前未进行抗生素疗法的个体而言,接受抗生素治疗的个体体内表现更高水平的病毒脱落现象,这表明改变肠道微生物组或能影响人体对病毒疫苗的免疫原性[13]。

2018年6月,Carolina Tropini等人发现将便秘缓解剂Miralax添加到已接受人类肠道微生物定植的无菌小鼠和携带着正常小鼠肠道微生物的小鼠喝的水中,这会导致这些小鼠腹泻。这些研究人员发现在接受这种处理之前、期间和之后,这些小鼠的肠道微生物群落组成差异很大[14]。比如,当这两组小鼠摄入这种泻药仅三天后,作为一种高度丰富的微生物家族,S24-7似乎就已灭绝了,而且在这种处理结束后并没有得到恢复。

图7. 图片来自Cell, doi:10.1016/j.cell.2018.05.008。

2018年6月,Ning Mao等人发现给小鼠注射通常在奶酪中发现的乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)会以益生菌形式让它们免受霍乱伤害[15]。

2018年5月,Chi Ma等人通过使用三种小鼠肝癌模型,发现当利用抗生素混合物消灭肠道细菌时,接受抗生素治疗的小鼠形成更少更小的肝脏肿瘤并且降低肿瘤转移到肝脏中[16]。抗生素治疗增加了这些小鼠肝脏中的一类被称作称为自然杀伤T细胞(NKT细胞)的免疫细胞的数量,因而导致肝脏肿瘤生长下降。这些NKT细胞在肝脏中的积累是由于位于肝脏毛细血管内部的肝窦内皮细胞表面上的CXCL16蛋白表达增加所导致的。他们最终发现,一种被称作Clostridium scindens的梭菌物种控制小鼠肠道中的胆酸代谢,并最终控制肝脏中的CXCL16表达、NKT细胞积累和肿瘤生长。

2018年5月,Christine A. Olson等人鉴定出在高脂肪低碳水化合物生酮饮食的抗癫痫作用中起着重要作用的两种特定肠道细菌:Akkermansia muciniphila和Parabacteroides[17]。这种生酮饮食会增加这两种肠道细菌的水平,从而增加大脑中的γ-氨基丁酸(GABA)的水平。

图8. 图片来自Cell,doi:10.1016/j.cell.2018.04.027。

2018年5月,Veit Rothhammer等人着重关注肠道细菌对两种在中枢神经系统中起主要作用的细胞---小胶质细胞和星形胶质细胞---的影响。当肠道细菌降解膳食中的色氨酸时,这些肠道细菌产生的副产物能够穿过血脑屏障,激活一个限制神经变性的抗炎通路[18]。当分析来自人多发性硬化症患者的大脑组织样本时,他们发现了也存在相同的抗炎通路和参与者的证据。

2018年5月,Marlies Meisel等人发现缺乏TET2表达导致小鼠肠道屏障缺陷,从而允许存在于肠道中的细菌扩散到血液和外周器官中[19]。这种细菌扩散导致血液中的炎性分子释放,这接着促进缺乏TET2的造血干细胞增殖。这就为白血病前期骨髓增生产生奠定基础。

2018年3月,Liping Zhao等人发现在2型糖尿病患者中,利用富含多种纤维的膳食促进特定的一组肠道细菌生长会导致更好的血糖控制、更大的体重减轻和更好的脂质水平[20]。高纤维膳食促进产生短链脂肪酸的肠道细菌生长。在利用下一代测序鉴定出的141种产生短链脂肪酸的肠道细菌菌株中,摄入更多的纤维仅促进15种肠道细菌菌株的生长,因而可能是改善健康状况的关键驱动因素。在高纤维膳食的促进下,它们提高短链脂肪酸丁酸和乙酸的水平,从而成为肠道中的优势菌株。这些短链脂肪酸创造一个温和的酸性肠道环境,这会降低有害细菌群体的数量,并导致胰岛素产量增加和更好的血糖控制。

图9. 体外培养的肠道细菌,图片来自Tao Liu和Xiaoyan Pang/上海交通大学。

2018年2月,Daphna Rothschild等人通过研究由大约1000名以色列人组成的一个独特的数据库,令人吃惊地发现宿主的遗传因素在决定微生物组的组成方面起着微小的作用---仅导致人与人之间的微生物组差异的2%,实际上98%的人体肠道微生物组差异是由饮食和生活方式决定的[21]。

2018年2月,Christine M. Dejea等人报道了肠道菌群如何参与结肠癌的发生与发展:研究发现脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和一种大肠杆菌(psk+ Escherichia coli)两种肠道菌群会联手形成生物膜,损坏结肠粘膜,引发结肠癌[22]。

2018年1月,Wenhan Zhu等人发现鉴于在炎症性肠病(IBD)患者和小鼠结肠炎模型中,肠道微生物群中属于肠杆菌科的细菌成员不受控制地生长,Wenhan Zhu等人发现在小鼠模型中,口服饮用水中的钨酸盐(一种可溶性的钨盐)会选择性地阻止了肠道中的肠杆菌科细菌成员大量繁殖,但附近的有益菌不受影响,因此接受钨酸盐治疗会让小鼠结肠炎模型体内的肠道微生物菌群转向更加正常的状态,并且也会降低肠道炎症[23]。钨酸盐治疗并不能治愈这种疾病,但它改善了这些小鼠的整体健康状况。

图10. 图片来自Nature, doi:10.1038/nature25172.

2018年1月,美国芝加哥大学的Vyara Matson等人着重关注42名接受抗PD-1抗体药物或抗CTLA4抗体药物治疗的转移性黑色素瘤患者。他们通过分析在治疗前收集的每名患者的粪便样品,发现相比于26名对这种免疫治疗不作出反应的患者,包括长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)、产气柯林斯菌(Collinsella aerofaciens)和屎肠球菌(Enterococcus faecium)在内的几种特定肠道细菌物种在16名(38%)对这种免疫疗法作出反应的患者中更加丰富[24]。与此同时,法国古斯塔夫-鲁西癌症学院的Bertrand Routy团队发现有益细菌Akkermansia muciniphila的相对丰度与癌症患者对抗PD-1抗体药物作出的临床反应相关联[25]。美国德州大学MD安德森癌症中心的V. Gopalakrishnan等人发现对抗PD1免疫治疗作出反应的癌症患者肠道微生物组富含瘤胃球菌(Ruminococcaceae),未作出反应的癌症患者肠道微生物组富含拟杆菌(Bacteroidales);相比于肠道中具有更低粪杆菌(Faecalibacterium,属于梭菌目瘤胃球菌科)水平的癌症患者,肠道中具有更高粪杆菌水平的癌症患者具有显著延长的无进展生存期[26]。这些发现表明特定细菌在肠道中的存在似乎促进T细胞浸润到肿瘤微环境中,并提高T细胞对癌细胞的杀伤作用,从而增加产生强效且持久的免疫反应的可能性。

其实,科学家们针对肠道微生物组领域的研究不胜枚举,以上罗列的仅是其中的一小部分。当然,其中的一些涉及肠道微生物组的研究仅局限在细胞模型和动物模型上,或者虽然已开展人体临床试验,但是仍然停留在I期或II期临床试验阶段,参与临床试验的患者人数仍然偏少,仍需通过招募更多的患者人数来开展III期临床试验。不过,在未来,随着科学家们在肠道微生物组方面不断取得新的突破,诸如CAR - T细胞疗法之类的细胞疗法有望为更多患者带来福音。不过,在未来,科学家们将从病理学、分子生物学、基因、蛋白和组学等不同角度深入探究肠道微生物组在正常的生理过程和疾病发生的重要作用,人们最终有朝一日能够通过操纵肠道微生物组来治疗肥胖、糖尿病、血液系统疾病、神经系统疾病和遗传疾病等一系列疾病。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:
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.

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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.


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