近年来，微生物组成为热点研究问题，越来越多的研究将微生物组与人类疾病联系起来。但其中的许多研究实际上无法转化用于临床实践，也难以真正用于疾病的治疗，不能为人类健康做出贡献。那么，我们究竟需要做什么样的研究才有可能实现微生物组转化呢？微生物组转化究竟面临着什么样的挑战？要怎样才能克服呢？今天我们特别关注发布在 Cell 子刊 Trends in Microbiology 上关于微生物组转化的观点文章。希望该文能够为产业人士和各位读者带来一些启示和帮助。微生物组研究在过去十年里取得了重大进展，我们对定植在人体内的微生物进行了描绘，并已开始确定某些微生物影响人类健康的机制1。过去的研究表明，调控微生物组的方法对治疗某些人类疾病具有巨大的潜力。比如，我们已经发现粪菌移植（FMT）的方法能够有效治疗复发性艰难梭菌感染（CDI）。
因此，我们下一步要做的是将更多微生物组学的研究成果进行转化：利用微生物组和人类健康之间的联系，发展诊断学和治疗学。通过确定治疗靶标，以预防和治疗人类重大疾病（如炎症性肠病、结直肠癌和代谢紊乱等）。然而，要真正的把微生物组的研究进行临床转化我们还需要解决很多问题。微生物组研究者需要慎重地考虑他们所使用的科学手段，以真正实现具有广泛影响力的转化进展。微生物组研究旨在发现微生物和疾病状态之间的联系，从而确定潜在的治疗靶标。但是目前许多已报道的微生物组和疾病之间的联系，并不适用于转化研究，因为它们不够具体。为了从微生物组的描述性研究过渡到微生物组治疗，我们要确定靶向哪些生物元素。是一种特定菌株的相对丰度还是绝对丰度导致了疾病？是否存在特定属的微生物？是否缺失了某种微生物的代谢途径？或者是因为某一微生物菌株内存在某种代谢途径？在许多报道的与微生物组有关的疾病环境中，到底是哪些特定的微生物元素与疾病有关仍不清楚。一个确定潜在治疗靶标的优秀手段是进行微生物调查。广义地说，微生物组调查是通过从一组参与者中收集微生物组样本，对健康或患病参与者的某些方面进行测定，同时也测定参与者微生物组样本中微生物丰度（例如，使用扩增子测序方法或鸟枪测序方法）的方法。虽然不同研究的实验设计和测定策略可能有很大的差别，但这些微生物组调查的结果通常是某种相关性的度量标准，能够将不同的微生物特征与健康或疾病的测定结果联系起来。而且，以调查为导向的方法有一个好处，它是从自然人口中生成数据，而不是人造的基于实验室的模型。但不幸的是，这些数据本身是观察性的，我们需要强有力的假设来从调查数据中建立因果关系。评估因果关系的最高标准是随机试验。因此，对于在微生物调查中观察到的具有转化潜力的关联结果，必须进行验证实验。普遍的验证方法包括特定微生物分离物、益生元或小分子的对照给药。目前，已经有这样的研究例子证明了微生物与宿主健康之间的因果关系。比如，2019 年 11 月发表在 Nature 杂志上的一项新研究报道大多数酒精性肝病患者的粪便中携带了更多的粪肠球菌2。在此基础上，该研究在小鼠中首次应用了噬菌体疗法，通过一种专门针对粪肠球菌的噬菌体对小鼠进行治疗，结果发现该疗法能够有效缓解小鼠的酒精性肝病症状。这项成果的意义重大，因为目前酒精性肝病缺少有效的治疗方法，仅有的方法就是早期肝移植。而该研究表明了特定微生物物种与这种疾病之间的因果关系，并通过小鼠实验证明了这种因果关系转化的可能性。Nature：促酒精性肝病关键细菌和毒素被锁定！
① 与健康人或酗酒者相比，酒精性肝炎患者粪便中含有更多的粪肠球菌，约80%的患者携带这种菌；② 30%的酒精性肝炎患者中存在产细胞溶素的粪肠球菌，与疾病严重度和死亡率高度相关；③ 小鼠模型中，酗酒破坏肠道屏障，促进粪肠球菌进入肝脏，产生的细胞溶素可引起肝细胞死亡，加剧酒精诱导的肝脏疾病；④ 从污水中分离出产细胞溶素粪肠球菌菌株特异性的噬菌体，用于治疗定植患者菌群的小鼠，可降低其肝脏细胞溶素水平，显著减轻酒精诱导的肝病。Bacteriophage targeting of gut bacterium attenuates alcoholic liver disease
2019-11-13, doi: 10.1038/s41586-019-1742-x【主编评语】酒精性肝炎是一种可威胁生命的疾病，除了进行早期肝移植，目前尚无有效疗法，约75%的严重患者会在90天内死亡。小鼠研究和临床数据分析均显示，肠道菌群与酒精性肝病相关，但菌群中的“元凶”仍需确认。来自加州大学圣地亚哥分校Bernd Schnabl团队的研究，按照“相关性-因果性-干预治疗”三步走的思路，首先鉴定出粪肠球菌产生的细胞溶素（一种可导致细胞裂解的细菌外毒素），可作为酒精性肝炎不良预后的菌群标志物，之后通过小鼠的细菌定植和人源化菌群移植试验，明确了产细胞溶素的粪肠球菌在酒精性肝炎发生发展中的作用，并进一步表明靶向这种细菌的噬菌体疗法，可明显减轻酒精诱导的小鼠肝病，为治疗酒精性肝病提供了具有可行性的新疗法。（@mildbreeze）
另外，也有研究表明了菌株和基因与宿主健康的因果作用。2019 年的另一项研究报道了 11 株能够诱导 CD8 T 细胞的肠道菌，并且该研究还发现共定植这些菌株能够提高小鼠对李斯特致病菌感染的抗性，并增强抗肿瘤免疫能力3。而该研究的通讯作者 Kenya Honda 恰好是 Vedanta Biosciences 公司的科学共同创始人。目前，Vedanta 公司已经基于这项研究结果在与百时美施贵宝公司共同合作开发 VE800 药物。现在，该药物正处于临床I期阶段，正在全美招募黑色素瘤、结直肠癌和胃癌等患者。而 2017 年的一项研究则表明工程微生物组可能成为克罗恩病的新疗法，该研究发现改变肠道微生物组，去除拥有细菌脲酶的细菌，并且增加不含有该酶的“好”细菌或可有效对抗克罗恩病4。这一研究提示我们细菌脲酶可作为该疾病的潜在治疗靶点，为后续的基因改造提供了证据支持。STM：细菌脲酶引起肠道菌群失调并恶化IBD
Science Translational Medicine——[17.161]① 克罗恩病患儿的疾病严重程度、肠道失调及细菌产生的游离氨基酸之间存在关联；② 利用15N进行氮流研究，发现小鼠体内存在细菌脲酶活性，脲酶可水解宿主尿素，释放出的氨可被肠道菌群用于氨基酸合成；③ 将表达脲酶的共生大肠杆菌定殖于小鼠体内，引起小鼠的肠道菌群失调，表现为变形菌门物种的增加；④ 脲酶导致的肠道菌群变化与免疫介导的结肠炎恶化相关；⑤ 提示细菌脲酶可作为IBD的潜在治疗靶点。A role for bacterial urease in gut dysbiosis and Crohn’s disease
2017-11-15, doi: 10.1126/scitranslmed.aah6888【主编评语】这是Science Translational Medicine[IF：16.796]最新发表的关于表达脲酶的大肠杆菌如何通过引起肠道菌群的有害变化从而恶化小鼠炎症性肠病的研究，值得专业人士好好看看。（@szx）
上述的这些研究提示我们如果微生物组研究者想要证明一项研究的转化潜力，他们应该进行一个随机验证实验，或者清楚地陈述从观察数据中得出因果推断所需的条件5。然而，现阶段微生物组调查中许多类型的观察数据都缺乏转化潜力，因为它们存在之前所提到的问题——不够具体，因此无法在随机实验中验证。例如，与非疾病对照组相比，观察到了疾病受试者的 α 多样性显著降低，但这不太可能推进疾病的治疗，因为有无数种方式可以增加微生物组的多样性。比如，较低的 α 多样性与艰难梭菌定植有关6,7，但有限的横向调查无法证明或者推翻这个假设：α 多样性低导致了相关腹泻病，而不是腹泻的结果。类似地，与疾病组和非疾病组相关的微生物组广泛分类群（如厚壁菌门）相对丰度减少或增加的观察，也不太可能推进治疗，因为在这个分类群中菌株的多样性很高，无法锚定到某些具体的菌株。我们现在看到越来越多的微生物研究文献，但是很多研究报告的微生物元素与人类疾病的关联都是不具体的，包括但不限于高层次的代谢途径、模糊的组织分类、门级或类级的分类、α 或 β 多样性，或未定义的群落级属性（如“失调”）。这种缺乏生物学具体性的研究阻碍了实验验证，减缓了转化工作的进展。为了加快转化微生物组研究的步伐，研究者应该进一步明确他们观察到的与健康或疾病相关的特定菌株、特定代谢途径或特定基因。同时还应该致力于阐明生物元素与健康状况的关联性。例如，存在的某种菌株是否可以有力的预测某种疾病，或者是这种菌株的相对丰度需要高于阈值才能导致疾病？此外，报道微生物组研究结果时研究人员应该仔细考虑，他们研究得出的相关性是否可以在随机实验中得到验证。如果关于微生物菌株的存在或丰度水平（无论是相对的还是绝对的）的假设足够具体，那么可以通过临床前模型、细胞培养和人类临床试验进行检验，从而使它们有可能被证伪。同样，关于特定微生物内存在特定代谢途径的假设，也可以用现有的实验室技术来证明，研究者应该强调和阐明那些足够具体到可进行下一步研究的候选假设。科学的进步基于的是可以通过多种实验技术加以证明的假设。如果有关微生物组的结果不能在随机实验中进行评估，那么它是不可证明的，也不能为微生物治疗提供途径。尽管有关无菌小鼠的研究表明，微生物组的转移会导致某些表型，但是小鼠的肠道菌群和人肠道菌群具有一定的差异性，甚至过去的研究发现猪与人的肠道菌群还更加相似一些8。另外，小鼠这样的动物模型通常不能很好地模仿人类生理学。因此，微生物组领域也应该像其他的医学领域一样，更加重视人体临床试验，以更进一步地明确人微生物组与疾病之间的因果关系。但是，想要进行人体临床试验，就更需要我们报道能够进行转化的研究结论，也就是需要更加具体的关联结论。我们都相信微生物组领域可以产生巨大的转化影响力，但是同样，我们要认识到只有更多地关注生物学上的具体性和实验上可证伪的假设，这一领域的发展才会更快。（滑动下方文字查看）
1.Lynch,S.V. and Pedersen, O. (2016) The human intestinal microbiome in health anddisease. N. Engl. J. Med. 375, 2369–23792.Duan, Y.et al. (2019) Bacteriophage targeting of gut bacterium attenuates alcoholicliver disease. Nature 575, 505–5113.Tanoue,T. et al. (2019) A defined commensal consortium elicits CD8 T cells andanti-cancer immunity. Nature 565, 600–6054.Ni, J.et al. (2017) A role for bacterial urease in gut dysbiosis and Crohn’s disease.Sci. Transl. Med. 9, eaah68885.Pearl,J. (2010) An introduction to causal inference. Int. J. Biostat. 6, 76.Han,S.H. et al. (2019) Composition of gut microbiota in patients with toxigenicClostridioides (Clostridium) difficile: comparison between subgroups accordingto clinical criteria and toxin gene load. PLoS One 14, e02126267.Schubert, A.M. et al. (2014) Microbiome data distinguish patients withClostridium difficile infection and non-C. difficile-associated diarrhea fromhealthy controls. mBio 5, e01021-148.Xiao,Liang, et al. "A reference gene catalogue of the pig gut microbiome."Nature microbiology 1.12 (2016): 1-6.
本文核心编译部分来源：Willis, Amy D., and Samuel S. Minot. "Strategies to FacilitateTranslational Advances from Microbiome Surveys." Trends in Microbiology(2020).作者｜Amy D. Willis，Samuel S. Minot