这是《肠道产业》第 347 篇文章
编者按：
哺乳动物与微生物间超过十亿年的共同进化造就了彼此之间相互依赖的关系。微生物活动对宿主的影响也逐渐被认为是疾病病理学的关键因素之一。
人们发现，肠道菌群失调与神经系统疾病、代谢性疾病和心血管疾病等多种疾病有关。
与人类相关的微生物组不再被视为是一类“独立”的物种集合。宏基因组技术的进步已经阐明了存在于人体内的微生物组在生物学和功能性上具有高度的多样性。现在，对于微生物介导疾病机制的深入研究有望为一系列慢性疾病带来新的防治策略。
今天，我们特别编译发表在 Genetic Engineering & Biotechnology News 杂志上关于如何利用肠道菌群治疗疾病的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
“帕金森症（PD）、阿尔茨海默病（AD）和肌萎缩性脊髓侧索硬化症（ALS）都属于神经退行性疾病，彼此之间有着非常相似的特性。”路易斯维尔大学梅森学院和玛丽路德学院的神经学教授、医学博士 Rober Friedland 说。他继续道：“这些疾病一般是偶发性的，但是其中有 1~10%的病例有着明确的遗传特性。虽然淀粉样蛋白沉积是一种典型的特征，但可能并不是导致疾病的真正原因。”Friedland 博士用库鲁病（kuru）和克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob）做了类比，这两类疾病通过具有淀粉样蛋白特征的朊病毒感染性蛋白进行传播。（编者注：库鲁病和克雅氏病都是不可治愈的退化性人类传染性海绵状脑病。）他指出，在库鲁病和牛海绵状脑病（BSE，也被称为疯牛病）中，朊病毒主要通过消化系统进行感染。朊病毒所携带的感染性蛋白通过肠道进入淋巴结和身体的其他部位，刺激其他蛋白质形成同样的构象。类似地，PD 和 AD 中的蛋白质也会自我活化并在宿主体内进行传播。“我们现在相信，肠道，包括口、鼻和小肠，都是这些神经退行性疾病的源头，而且微生物可能是触发这些疾病的原因。”Friedland 博士补充说。Friedland 博士的搭档，密西根大学的副教授 Matthew Chapman 博士发现，由各种肠细菌产生的细胞外纤维 Curli 与淀粉样蛋白具有同样的生物物理特性。这些天然存在的淀粉样蛋白聚合物有助于细菌细胞的结合，以形成生物膜。随后的研究进一步证明了这种淀粉样蛋白能够在物种之间进行交叉传播。因此，研究人员认为，微生物的淀粉样蛋白对先天免疫系统的激发是激发免疫系统并影响大脑炎症反应的关键因素。Friedland 博士补充说：“活化的 T 细胞可能会经血液从肠道流向大脑，从而引起神经炎症。” 他补充说，这种机制提供了一种逆转神经变性的方法：改变肠道菌群的组成和活性。对此，研究人员提出了一个新术语，即 mapranosis，用以描述微生物相关的蛋白质构象病（proteopathy）和神经炎症（neuroinflammation），其中蛋白质构象病是指涉及蛋白质结构变化的疾病。鉴于越来越多的证据表明了微生物组和淀粉样蛋白病理学之间的关系。因此，更广泛的内源性微生物源淀粉样蛋白的跨学科元蛋白质组学研究或许可以为未来的干预策略提供可行信息。
图.路易斯维尔大学（University of Louisville）的研究人员已经确定了产生淀粉样蛋白的细菌与肠道间的潜在相互作用。“我们的目标是开发能够全面并可重复地描述代谢变化的技术，”Metabolon 公司运营副总裁 Luke Miller 博士说，“如果代谢变化是由肠道菌群的变动引起的，我们应该有能力检测，而且检测精度应该足以为每个人提供可行的信息。”Metabolon 公司是少数能够进行“Tier1”研究的代谢谱分析公司之一，代谢组学行业将 Tier1 定义为最为严格和精确的化合物鉴定方法。据该公司称，Metabolon 能够通过标准化流程分析近 350 种样品，并采用四种超高效液相色谱和质谱的组合采集数据。通过与生物信息学工具的有效结合，Metabolon 公司的分析流程通常可产生 1,000～2,000 个经验证的代谢产物。Miller 博士解释说：“多个生物标记物可以更精确地找出受影响的通路。Metabolon 技术非常适合分析肠道菌群发生的变化。”在大约 250 种微生物来源的特有代谢物中，有 50～80 种通常会在血浆中出现。“与以色列雷霍沃特的魏茨曼科学研究所的合作项目解决了节食后体重增加的棘手问题，” Miller 博士说，“许多节食的人无法维持长期的体重减轻，而是反复经历了体重反弹-减肥的循环，也就是所谓的‘溜溜球效应’。”这项研究鉴定出了一种代谢标志物，这种代谢标志物来自于肠道菌群，被发现可以促进实验小鼠恢复体重。具体地，是一类黄酮物质，这类物质在减重后仍处于低浓度水平。 “代谢组学是一种实用的工具，可用于理解和影响微生物组与宿主之间的相互作用。” Miller 博士说，“我们的分析表明，类黄酮补充剂可以帮助打破溜溜球效应并抵抗继发性的体重增加。”Metabolon 公司正在积极促进学术界和工业界在营养补充剂上的合作。该公司推动了微生物组失衡代谢标志物的发现，并尝试通过补充摄入来使它们“正常化”。Metabolon 公司与科罗拉多州立大学团队合作发表的另一项研究发现，在营养不良的动物模型中存在内源性代谢标志物，而且补充米糠能够刺激相对丰度降低的微生物增殖，这项研究为米糠抵御多种肠道病原体的能力提供了科学依据。
“哮喘是一种慢性的免疫疾病，影响着全世界超过 30 亿人，”Siolta 医疗公司的合伙人和主管副总裁 Nikole Kimes 博士说，“我们知道婴儿体内最初的肠道菌群对于建立适度的免疫功能至关重要，如果这一群落被破坏会造成早期的免疫失调，继而发展为哮喘。”Siolta 公司是基于旧金山加利福尼亚大学 SusanLynch 博士实验室的开创性研究所创立的，这项研究发现了儿童哮喘与特定的新生儿肠道微生物组（NGM）失调之间的密切关联。尽管尚未确定直接的因果关系，但是新生儿微生物组中的特定成分，可能会在发育阶段的后期，引发特异性反应并造成哮喘，因此，这些成分不容忽视。“这些儿童在肠道菌群组成上的差异会造成代谢的显著改变，”Kimes 博士解释说，“由此引发的脂肪代谢差异已知能够通过调节调节性 T 细胞影响免疫反应。”研究发现，促进哮喘的微生物组中关键细菌种类的相对丰度明显减少，这提示我们重塑“健康”菌群的口服补充剂或可预防甚至逆转哮喘病的炎症级联反应。Siolta 公司正在开发基于精准医学方法的生物治疗产品：首先，通过下一代测序确定新生儿的微生物标志物；然后，基于粪便代谢环境，通过离体免疫刺激实验来验证危险状态；最后根据鉴定结果生产口服补充剂——多菌株混合物。Kimes 博士指出，直到最近，我们对人类微生物学的观点还主要是对单一菌种的研究。“但是，我们现在知道，肠道菌群是以高度复杂并存在相互作用的群体形式存在的。”Siolta 公司的生态系统方法利用了协同群落中的关键物种，从而发挥肠道菌群的重要功能——对肠道的保护作用。这一方法被设计用于研发新的生物疗法，以治疗各种微生物组发生失衡的炎症疾病。“通过重建微生物组，我们重新设计了代谢过程并促进了免疫耐受性，”Kimes 博士说，“这一方法用于疾病预防的潜力非常有前景，也非常让人兴奋。”
利用先进的分子生物学技术对微生物组进行分析已经成为常规方法，比如使用 PCR 技术对细菌的 16S 核糖体 RNA 进行分析。与此同时，微生物组的空间表征方法却还局限于固定分析和光谱成像。活体检测可以提供关于微生物群落时空结构的重要见解，并且可以在野外条件下进行快速鉴定。内华达大学的两位教授 Bahram Parvin 博士和 Qingqing Cheng 博士说：“活体检测的主要障碍是样品的运输。”“我们证明了碳布基球（carbon buckyballs）能够穿过脂质膜和细菌细胞壁。我们的概念验证研究支持以下结论：碳布基球与精心设计的RNA捕获序列和荧光标记结合后能够区分细菌种类。”Parvin 博士和 Cheng 博士说。碳布基球是由 60 个共价连接的碳原子（C60）组成的纳米粒子。它们似乎能通过简单的扩散作用进入细菌，并且对底物不具粘附性。在该团队的研究中，C60 碳布基球通过与能够和三种细菌的 16S rRNA 互补结合的 RNA 检测器（RNA Detector）结合发挥作用。当 RNA 检测器与 C60 碳布基球结合后，再将带有荧光标记分子的 DNA 序列与 RNA 检测器杂交，以淬灭荧光信号。然后，当 RNA 检测器序列与其靶标结合时，荧光探针就会被释放，重新产生可以通过宽视野荧光显微镜检测到的荧光。“我们的第一个应用将是鉴定食源性细菌，” Parvin 博士继续说道，“但是，牙周微生物组和相关疾病，是尚在探索中的领域。我们的技术能够在大约 15 分钟内检测到漱口水中的细菌，无需进行任何样品制备。”碳布基球标记的探针效率为 92%，并且对革兰氏染色无法区分的紧密相关的细菌表现出卓越的区分能力。这项科技特别适用于无法培养的微生物。而且，Parvin 博士的团队还在开发一种可在医院等场所应用的微流控系统。
原型系统包括使用化学引诱剂以对细菌混合物进行分选。未来的改进将包括包含针对特定生物的一系列碳布基球孔洞，以进行高通量实验。
抗生素耐药性（AMR）已经成为全球公共卫生的一大威胁，据 Wellcom Trust 和英国政府发布的一项研究 Antimicrobial Resistance: Tackling a Crisis for the Health andWealth of Nations，AMR 每年会造成 70 万人的死亡。该研究还表示，AMR 主要是由农业和健康医疗行业中抗生素的广泛使用造成的。该研究指出，抗药性病原菌株正在以史无前例的速度诞生着。耐药性病原体的增加意味着对于新的抗生素的迫切需求，但是新型抗生素越来越少。自 2000 年以来，抗生素的发展急速下降：研发时间变长，研发成本增高。因此，对抗耐药性病原体持续增加的工作，已经转变为维持市售抗生素的有效性。在对抗 AMR 的战斗中，一个可行的策略是在不影响感染控制效果的前提下，减少抗生素暴露。其中一种辅助性策略是保护肠道菌群不暴露于抗生素，因为肠道中定居着各种各样的微生物，为耐药性微生物的产生提供了丰富的资源。而且许多抗生素可能在某些人的胃肠道中已经积累到了足以干扰肠道菌群的水平，这为 AMR 的进化、转变和增殖提供了选择压力，并有可能会造成机会性感染，如艰难梭菌感染（CDI）。Synthetic Biologics 公司的研究人员表示，他们正在开发 SYN-004（ribaxamase），一种保护肠道菌群免受抗生素影响的“守卫肠道”的新方法。ribaxamase 是一种口服 β-内酰胺酶，能够在 β-内酰胺类抗生素到达胃肠道并损伤肠道菌群前分解它们。Synthetic Biologics 对 ribaxamase 的评估研究表明，胃肠道上端抗生素的消减能够保护肠道菌群免受抗生素带来的伤害，同时还不会影响抗生素在机体系统内的水平，显著降低了患者 CDI 的出现并减少了 AMR。抗生素失活可能代表了一种潜在可行的治疗范例，这种方式能够缓和 AMR 的出现和传播，并延长现有及未来抗生素的有效周期。https://www.genengnews.com/magazine/311/gut-microbiome-both-a-friend-and-a-foe/