微生物组及它与我们人体健康甚至行为的关系的研究吸引了公众的注意力，并且推动了益生菌及相关疗法的商业化。然而，这一领域发展的如此之快，以至于有可能已经超出了目前所存在的证据——越来越多的人开始怀疑肠道菌群研究的真实性。面对质疑，微生物组的研究究竟应该如何发展？未来，我们应该怎样更深入地研究微生物组与宿主之间的相互关系？今天，我们特别编译了近期发表在 Current Biology 杂志上题为“Gut Check”的文章。希望微生物组领域的相关研究人员和产业人士能够停下脚步，共同思考未来的微生物组研究应该如何发展。21 世纪伊始，医学界出现了一系列引人注目的进步，包括能够操纵基因组的 CRISPR 技术，以及利用免疫系统寻找和消灭癌症的技术。当然，在医学热门趋势的候选名单中，人们越来越意识到，我们的身体正与数十亿种微生物亲密接触，而这些微生物是我们健康和幸福所依赖的。如果我们相信其中一些说法，那么就表示你相信这些微生物不仅为我们提供了食物，而且可能是其它许多身体功能所必需的，甚至令人震惊的是——它们可能为了自身的利益而操纵我们的行为。大多数研究的注意力都集中在肠道内的微生物群落——所谓的“肠道菌群”。但机体中还存在其它菌群，包括皮肤菌群、阴道菌群等等。就肠道菌群而言，我们现在所谈论的并非那小部分“偷渡客”。一些研究估计肠道微生物的数量等于或超过人体细胞的数量。这也许解释了该领域的吸引力——微生物组可以被视为我们身体的一个重要组成部分，我们以前对此视而不见，就好像我们一辈子都感受不到自己有肝脏一样。事实上，肠道菌群也被比作某种器官。观察肠道菌群的另一种角度是将其视为一个复杂的生态系统，例如热带雨林，其中许多组分相互依赖，最微小的干扰就会破坏微妙的平衡，从而可能导致疾病。这是一个贯穿于围绕肠道菌群的讨论的主题，不仅被研究人员所关注，而且也被那些希望利用肠道菌群获得经济利益的人所关注。例如，有人告诉我们，我们的抑郁和焦虑可以用“紊乱”的菌群来解释，或者用一种奇特的医学术语来说，我们正在经历“菌群失调”。在益生菌行业，或许会有人承诺说，可以用一片药片来恢复我们的肠道健康，并将以某种方式来使我们回归正轨。与很多新研究领域一样，最初的兴奋已经超越了已有的证据，肠道微生物领域也经历了起伏。人们对操纵肠道微生物来治疗疾病的前景产生了强烈的兴趣，但由于早期尤其是在益生菌方面的医学主张未能成功，人们对此深表怀疑。不仅如此，基础研究方面也未能幸免于怀疑，尤其是关于肠道微生物可能操纵大脑和我们的行为以获取自身利益的说法。此外，该领域还被指责坚持认为微生物组本身是疾病的潜在病因，而不是采用还原论的方法来识别可能引起疾病或避免疾病的特定微生物或微生物群。尽管初期步履蹒跚，但该领域似乎已经接受了这些批评，并且正在以富有成效的方式向前发展。（编者注：还原论是一种哲学思想，认为复杂的系统、事务、现象可以通过将其化解、拆解各部分的方法来加以理解和描述，例如解剖学。）虽然像益生菌等治疗方法最初的期望在很大程度上并未实现，但新的研究表明这种方法仍具有优点。这些最新的发展也带来了各种各样的问题，包括肠道微生物组到底是什么，它存在的理由是什么，以及我们如何利用这些信息来改善我们的生活。我们的小肠和大肠中都有成千上万种细菌、真菌、古菌和病毒。尽管这其中的大多数微生物的活性尚不清楚，但很明显，存在于我们肠道中的某些细菌会消化食物中我们原本无法使用的多糖，从而释放出一部分我们可以受益的能量。例如，在大肠中，厌氧细菌将膳食纤维发酵成短链脂肪酸（如丁酸），进而滋养结肠上皮细胞的主要成分——结肠细胞。因为它们的努力，其他细菌也得到了舒适、气候受控的家，并有稳定的营养供应。在此情况下，两方通过互相帮助，而获得更大的优势，这在生物学上被称为互惠主义，最典型的例子就是花朵与传粉者之间的关系。跳出人类往外看，我们可以观察到更极端的肠道共生，例如，在像牛这样的反刍动物中，它们进化出了特殊的胃，其中容纳的细菌可降解草中坚韧的纤维素。也许更明显的例子是白蚁，白蚁中的很多种群都以木材作为唯一的食物来源，并且被认为是消化木材的冠军。这些昆虫是热带生态系统的关键，因为它们是发挥降解作用的肉眼可见的小动物的主要成员。这反映在非洲大草原等地方的大量白蚁上，据估计，它们的生物量超过了所有放牧哺乳动物的生物量。与牛一样，白蚁肠道是微生物的家园，可以处理顽固的聚合物，例如木材中的木质纤维素，并且其肠道已经进化出专门负责消化各阶段的独立隔室，这在本质上类似于一个造纸厂。有趣的是，随着时间的推移，白蚁与其肠道微生物之间的关系并非一成不变的，这可以通过比较不同的白蚁物种并追踪它们之间的进化关系来说明。据推测，当今白蚁的共同祖先依靠鞭毛原生生物（一种真核生物）来消化木质纤维。后来，或许是当某些白蚁遇到了新的环境并进化为消耗木材以外的其他植物来源时，某些世系失去了它们的原生帮助者，并用功能相似但不同的细菌和真菌代替了它们。在某些情况下，微生物已完全从其白蚁宿主中清除。在这些情况下，白蚁将细菌培养在“菌圃（combs）”上，这些菌圃是由粪便或部分被消化的植物碎屑形成的海绵状结构。尽管这种策略的优势尚不清楚，但从某种意义上说，它们在自己的身体之外仍保持着功能性的“内脏”。肠道微生物在消化中的功能就是宿主-肠道-微生物组共生的经典案例。我们也意识到我们的微观租户还可以带来其他好处，比如肠道微生物可以帮助宿主战胜病原体，因此它成为机体与外界环境间重要的防火墙。但从 21 世纪初开始，一波研究浪潮开始兴起，表明肠道微生物和宿主生物功能以及疾病状态之间有更多的联系。这种兴趣复苏的关键因素之一是使用去除了微生物的小鼠。这种动物被称为“无菌”小鼠，通过剖腹产出生，以阻止微生物从母鼠转移到幼崽，这是肠道定殖的主要途径。然后，它们与环境隔离，以防止暴露于微生物。使用这些“无菌”小鼠，研究人员可以更容易地操纵肠道微生物来探索其功能。考虑到微生物组在营养中的已知作用，对于无菌小鼠需要摄入更多以维持与常规饲养小鼠相同的体重也就不觉得奇怪了。但它们还表现出其它一系列的表型，包括升高的应激反应，而这种表型可以通过给动物提供一种名为婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）的肠道菌株被抑制（Sudo et al. (2004) J. Physiol. 558, 263–275）。这些结果表明，肠道微生物的影响可能超出其肠道内局部环境的范围，甚至可能影响中枢神经系统。在另一个例子中，研究表明无菌小鼠无法充分发挥其免疫系统的作用，而另一种细菌，脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）可以恢复该功能，但其机制尚不清楚（Mazmanian et al.（2005）Cell 122，107-118）。也许最广泛采用的实验范式是将无菌小鼠作为一张白纸或者一个空的容器，将您选择的微生物强加于其，以测试不同微生物对宿主的影响。人们可以从患病和健康的个体身上提取微生物群落（通常是以粪便样本的形式），并使这些微生物群落定殖到无菌小鼠肠道中（老鼠很容易吃放在笼子里的粪便）。这产生了一些非常有趣的结果。这项实验的首批例子之一是发现肥胖小鼠来源的微生物菌群可诱导无菌动物的体重增加和脂肪沉积 （Turnbaugh et al. (2008) Cell Host Microbe 3, 213–223）。并且微生物组甚至不需要来源相同。随后研究表明，使用肥胖人群的粪便样本也能产生同样的效果 （Ridaura et al. (2013) Science 341, 1241214）。很难知道应该如何去解释这样的实验，但有一个诱人的解释是我们的疾病状态在某种程度上反映在了我们的肠道菌群中，反过来，菌群也可以将这些疾病状态强加给我们，这有点像鸡和鸡蛋的问题了。这些影响不仅限于代谢状况如体重增加（体重增加可能与这些微生物的所在地胃肠道有关），令人惊讶的是，研究已经证明微生物甚至可以影响我们的神经系统和行为。一项特别引人注目的研究表明，将自闭症患者的微生物群移植到无菌小鼠内，会导致动物表现出“孤独症行为的特征” （Sharon et al. (2019) Cell 177, 1600–1618）。这些在动物实验中的启发性的结果对科学界、医学界、保健品行业以及普通大众产生了许多重要影响。这种通过将健康的微生物组移植到接受者体内似乎可以调节疾病状态的能力，证明了在人类中使用粪便移植物来治疗多种疾病（包括各种肠道疾病）的可信度。益生菌的制造商通过声称制作出了一些可使肠道微生物组恢复平衡的药丸来吸引人们的眼球，这种混合物药丸包含一种或多种活细菌。医疗保健提供者将益生菌作为治疗包括情绪障碍在内的一系列疾病的常规处方的做法，进一步证明了这种说法的可信度。甚至婴儿配方奶粉行业也开始采取行动，许多配方奶粉中都添加了活菌，这种做法的灵感来源是活菌有助于健康微生物组的建立。也许最具争议的观点来自于一些早期使用无菌小鼠的研究，比如提到的自闭症研究，认为肠道微生物可能操纵我们的神经系统，并最终影响我们的行为。许多其它的证据进一步推动了这一想法，比如肠道微生物产生神经递质的报道，还有肠道严格受神经调控的事实。确实存在微生物寄生虫主动操纵宿主行为以促进自身繁殖的先例，狂犬病病毒就是其中之一，它可以促进宿主的侵略行为，特别是咬伤，从而增加宿主的侵略行为。同样，亲社会行为有可能使宿主彼此之间更加亲近，从而使微生物更有可能被交换。据报道，生活在同一屋檐下的人们（如配偶）的肠道菌群彼此之间更为相似。而以社交缺陷为特征的疾病如自闭症等也与菌群失调有关。综上所述，有人甚至提出亲社会行为可能是人类或我们祖先选择让微生物定殖的结果。考虑到肠道微生物组带来的无限可能，一些关于它的期望需要使用确凿的证据加以约束也就不足为奇了。特别具有争议的是益生菌治疗人类疾病的有效性，其结果好坏参半，大多没有定论。近来 Zmora 等人发表在 Cell 上的研究为益生菌干预的失败提供了潜在的解释，该文质疑了使用益生菌操纵微生物组的能力，更不用说使用它们来获得任何临床益处了（Zmora et al. (2018) Cell 174, 1388–1405）。研究人员给小鼠调制了一种由 11 种通常在益生菌补品中发现的菌株组成的混合物，然后对它们的胃肠道各个部位进行采样，以查看细菌是否定殖在体内。令他们惊讶的是，他们几乎没有发现益生菌任何存在的证据。相反，微生物似乎直接穿过肠道，从另一端出来。但是，当在无菌小鼠中进行相同的实验时，结果却有所不同。这个证据表明如果不与其它微生物竞争，益生菌菌株可以在宿主中站稳脚跟。Zmora 等人接下来将目标转向人类并重复了这一实验。就像小鼠实验一样，很多服用益生菌药丸的人类参与者表现出不可检测或者低丰度的细菌菌株定殖水平。而且，与此一致的是他们原有的肠道菌群大多未受影响。但是，有些人类个体表现出了明显的摄取。综上所述，这些结果表明，益生菌改变肠道微生物群的潜力充其量是可变的。因此，医生和普通大众应该对这些补充剂的功效存有质疑。不幸的是，我们已经看到其他基于人体微生物组的治疗方法也遇到了类似的命运，特别是粪菌移植。在这里，人们希望这种疗法是一种灵丹妙药，但迄今为止，粪菌移植的成功率有限，尤其是在治疗艰难梭菌引起的腹泻方面。也有人对肠道微生物学研究的设计以及解释提出了严厉的批评（Hooks et al. (2018) Behav. Brain Sci. 12, 1–40）。例如，该领域的早期研究大多局限于报告肠道微生物群落组成与疾病状态之间的相关性，而没有提供因果关系的证据。虽然使用无菌小鼠，原则上可以直接操纵肠道菌群，在一定程度上解决了因果关系的问题，但这些实验也存在着自己的问题。尤其是，将组成不明确的整个微生物群落放入幼稚的肠道中，很难理解观察到的任何效果的基础。根据微生物群落的概念，宿主的健康应该依赖于一个复杂的微生物共生生态系统。但是，事实上，目前还不清楚在这些实验中观察到的任何影响是一种微生物还是多种微生物的结果。为了解决这些问题，有人认为，该领域需要从自上而下的角度进行改变，取而代之的是采用还原论的方法，来试图详细了解我们的肠道微生物是如何发生相互作用并影响我们的健康的。关于肠道微生物可能操纵我们行为的可能性，一些进化生物学家对这些说法也提出了严重质疑。如，牛津大学研究微生物间社会互作的 Kevin Foster 认为操纵宿主不利于进化（Johnson and Foster (2018) Nat. Rev. Microbiol. 16, 647–655）。许多微生物很可能是直接相互竞争的。因此，单一菌株对宿主所造成的进化也可以被其他菌株所享受。更重要的是，这种“搭便车”行为不会为操纵宿主而产生代价，所以它们将拥有适应性优势，并很快地超越原来的菌株。反之，Foster 提出了关于微生物影响宿主行为的现象的另一种解释。例如，一种可能性是微生物作为免疫系统发育的信号，当微生物消失时，会产生包括对神经系统在内的广泛影响。就像在操纵宿主的情况下所证明的那样，采用进化论的角度去观察往往是有用的。它有时可以迫使我们从一个新的角度看待生物之间的相互作用。即使是被广泛接受的教条，比如肠道微生物和人类之间的假定互惠关系，也可以被重新解释。例如，两个相互作用的伙伴（或同向作用）之间交换的基本功能可以用进化生物学家所称的“进化依赖”来解释。Kwang Jeon 在 19 世纪 60 年代所做的变形虫实验就说明了这一点（Jeon (1972) Science 176, 1122–1123）。Jeon 观察到他的一种变形虫培养物因感染了寄生细菌，从而生长变缓。但几年之后，变形虫不仅进化能容忍这些细菌，甚至还对它们产生了依赖性。我们也知道类似的例子，比如沃尔巴克氏体，其宿主已经进化成依赖寄生体进行繁殖。一种用来理解这种依赖关系的方法是将其想象为一个房屋，它的地基被树的根部所破坏。随着时间的流逝，树根开始撬起房屋的一角，房屋的主人可以通过从地基处取出砖块来进行平衡。最终，房屋的一角就完全由树根来支撑了。是的，如果树根被拔除，房屋可能会倒塌，但是如果树根本来就不存在的话，房屋的结构本来也会完好无损。这就是微生物（反之亦然）提供给我们的基本“功能”的挑战的解释。很可能的是，我们所理解的为我们提供的好处实际上可能反映了随着时间的推移而演变的依赖关系。
鉴于该领域早期研究所受到的批评，现在的关键问题是，肠道微生物组的研究是否会随着时间的推移变得更加严谨？ Kevin Foster 看到了一个复杂的局面。“虽然情况总体上有所好转，但对人体微生物组而言，似乎能起到任何作用的益生菌/生物疗法仍然屈指可数。并且在过去十年内这个行业还投入了大量的产业投资，”Foster 说道，“我认为这突显了我们还有很远的路要走，因为迄今为止，在这一领域进行的大量和大肆宣传的研究还未能转化为有意义的治疗。在这里，我认为微生物群落的生态和进化复杂性是一个经常被忽视的问题。”Foster 和他的合作伙伴试图解开一些其中的复杂性。在最近的一项研究中，通过培养单个微生物菌株、适应性测定和无菌鼠的体内研究，他们展示了两种肠道细菌之间的协同作用（Rakoff-Nahoum et al. (2016) Nature 533, 255–259）。一种菌株——Bacteroides ovatus 可以提供消化过的糖分给另一种菌株——Bacteroides vulgatus。而反过来，该菌株又可以为 B. ovatus 回报一种尚未鉴定出来的好处。这样的合作实例对于进化生物学家来说是很有趣的，因为在宿主帮助的情况下，欺骗者（cheaters）有可能会从中获利，并破坏这种关系。目前尚不清楚这两种拟杆菌属的菌株如何避免这种命运，但在其他微生物中的研究中表明空间结构可能是其关键所在。例如，如果互惠互利的两个伙伴在物理上非常接近，则欺骗者可能很难渗透。换句话说，它们可能存在允许私密通信和交换的机制。拟杆菌合作的例子中，单个微生物间的相互作用性质是在培养基中确认的，随后，该团队在体内进行了验证。这是一种典型的自下而上方法的特征，如果我们想要详细了解微生物群落，这种方法就是必不可少的。另外一个成功的例子是最近的另一项研究。研究者鉴定出四个已知微生物可以联合定殖在小鼠胃肠道，并且阻止万古霉素抗性肠球菌（Enterococcus）的定殖，而该菌是院内感染的常见原因之一（Kim et al. (2019) Nature 572, 665–669）。研究者发现该集合中的一种细菌可以分泌一种叫羊毛硫细菌素（lantibiotic）的抗菌物质，以抑制肠球菌的生长。而集合中的其他细菌则帮助产羊毛硫细菌素细菌定殖在肠道内。有趣的是，他们发现病人粪便样本中羊毛硫细菌素基因的数量预测了病人发展出肠球菌感染的机率。事实上，将含有大量羊毛硫细菌素基因的病人粪便样本移植到小鼠肠道内，可以使小鼠防止肠球菌感染。总之，更严谨的研究方法可以让粪菌移植和益生菌治疗恢复活力，成为有效的治疗方法。肠道微生物组领域的发展轨迹与“组学”时代中诞生的其他类似领域相似，比如说高通量 DNA 测序技术的发展为研究人员提供了大量的数据。但是很明显，仅凭这些数据并不能使我们了解生态网络中微生物和生物体之间夸张的复杂相互作用。有一个教训是，如果我们想要了解这些系统，我们需要首先分解它们的组成部分，然后单独进行研究。毫无疑问，这将涉及到很多艰辛的工作，但也是带着希望的、启迪性的工作。可以预见的是，前进的路是漫长的，但一定会有回报的。原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982220313348?via%3Dihub
作者｜Cyrus Martin
编译｜Johnson
审校｜617
编辑｜笑咲