Nature Reviews：2022年三大工具推动微生物组疗法发展

这是《肠道产业》第1218期

编者按

肠道微生物组领域正在从观察性研究转向调控干预手段的研究。当前，基于微生物组的治疗方法有多种形式和规模，从饮食干预到活体生物药。而2022年发表的多项方法学文章有助于帮助我们开发全新的治疗策略。

今天，我们特别编译发表在Nature Reviews Gastroenterology and Hepatology杂志上关于微生物组工具的年度回顾文章。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。

关键要点

1

利用同位素示踪技术，研究肠道菌群对营养的偏好。

2

工程大肠杆菌能够记录其在整个小鼠胃肠道的转录反应。

3

CRISPR改造后的乳酸球菌能够编码β-内酰胺酶，控制氨苄青霉素治疗对菌群的损伤，降低小鼠对艰难梭状芽孢杆菌的敏感性。

微生物组疗法

在过去15年里，人类微生物组研究飞速发展。临床研究和人群研究以前所未有的速度描绘了健康微生物组的多样性及其驱动因素，还有微生物组在疾病中的变化¹。体外和体内模型研究结合培养组学，有力地推动了病理机制和临床靶点的验证和/或确定。一批微生物组衍生公司正在开发创新产品。

微生物组研究的下一个前沿在于成功地调节微生物组：在经过十多年的观察性研究之后，我们是否能够利用已经获得的知识来开发与肠道微生物组相关的多种疾病的治疗方法？

人们对此期望很高，但同时面临的挑战也很大。一个发人深省的观察结果是，将一个人的微生物组从A状态定向重塑为B状态仍然几乎是一件不可能的事情。对于艰难梭菌感染患者而言，粪菌移植（FMT）的结果通常是积极的，但对于其他疾病（如炎症性肠病）来说，FMT的结果则很难预测。

调节微生物组的饮食干预方法在人与人之间表现出巨大的差异，目前大多面向公众的书籍和微生物组“服务”公司给出的饮食建议通常是“多吃纤维”。益生菌干预的结果好坏参半，而下一代活菌产品才刚刚开始人体试验。尽管如此，人们普遍认为，科学界能够在某个时候解决这些问题。

然而，为了开发和优化新型微生物组产品，迫切需要新的工具来调节益生菌的功能，评估干预措施的体内效果，并处理个体间的差异。2022年发布了三款这样的工具，尽管它们目前只在小鼠模型中进行了测试，但它们显示出从根本上改变微生物组疗法发展的巨大潜力（图1）。

图1. a.标记饮食成分和循环代谢物使人们能够跟踪哪些肠道细菌在体内使用这些化合物。b. 在工程微生物中构建CRISPR array作为其体内的记录设备，记录它们在整个胃肠道（GI）、在干预后或与其他生物的互动中的转录情况。c. 产生β-内酰胺酶的工程菌有助于消除抗生素对胃肠道微生物组的不利影响。

肠菌喜欢吃什么

第一种方法对于膳食干预的设计具有重要意义。

了解肠道细菌的营养依赖性对于开发基于营养或益生元的微生物组调节策略至关重要。这些偏好信息可以从全基因组测序和培养实验中获得，也可以通过对肠道细菌进行体外筛选获得²。

从理论上讲，这种营养偏好可以用来限制或刺激特定细菌的生长，并诱导整个生态系统的转变。然而，细菌并不是孤立生存的，它们既会争夺营养物质，也会互相合作以获得营养物质，而且在肠道生态系统中存在着复杂的交叉摄食网络。细菌不仅使用来源于食物的营养物质，还使用宿主，也就是人体所产生的大量蛋白质、碳水化合物和代谢产物。

最后，细菌的代谢取决于环境。局部pH值、氧化还原电位和转运时间都可能会影响细菌活性，并导致不同细菌处理生态系统中养分的方式不同。

所有这些因素表明，在体内环境中，需要在考虑宿主产生的化合物的情况下，了解膳食成分在整个肠道生态系统中的轨迹。

Zeng和他的同事们已经做到了这一点³。通过对膳食成分和循环宿主代谢产物进行同位素标记和追踪，他们绘制了这些化合物在小鼠肠道微生物组中的命运。他们发现，膳食纤维和蛋白质是肠道微生物生态系统的主要营养输入，但来自的宿主的乳酸、3-羟基丁酸酯和尿素也有贡献。

清晰的分类信号出现了：厚壁菌门优先代谢蛋白质，而拟杆菌主要利用纤维，阿克曼菌属则会使用循环乳酸。

当前该方法的分辨率仅限于属水平和选定的化合物——为了获得更精细的图谱，需要达到种和/或菌株水平的分辨率以及使用更广泛的测试分子集。此外，这项研究还需要应用到人类身上⁴。但是，毫无疑问，这篇论文提供了一个漂亮的框架，以打开肠道微生物代谢的“黑匣子”，帮助合理设计膳食干预。

记录细菌基因表达轨迹

第二项研究也聚焦于体内肠道微生物的行为。Schmidt和他的同事们⁵通过使用基于CRISPR array的Record-seq方法，构建工程大肠杆菌，在转录组层面记录细菌信息，从而破解了当前宏转录组学方法的一个重要限制，完成了技术上的重大突破：这一新方法能够记录工程细菌细胞在（小鼠）肠道中的转录组信息，而不是对肠道细菌的最终状态（粪便）的RNA进行测序。

通过这样的方式，研究人员能够以一种非侵入性的方式研究微生物的实际活动。

捕获活动的“历史过程”而不是转录快照的另一个优势是，可以在体内捕捉微生物对后续多次暴露的反应。

此外，研究人员能够利用该方法区分两种不同的、共定殖的菌株的转录活动，并且可以区分发炎（右旋糖酐硫酸酯钠）和非发炎的宿主状态，充分展现出了该工具的诊断潜力。

最后，研究人员还证明了可以利用该工具显示前哨细胞对共定殖多行拟杆菌（Bacteroides thetaiotaomicron）的转录反应，为物种间相互作用的体内转录变化提供了原理证明。

除了展示出一种复杂的细菌诊断设备的前景之外，该工具在微生物组调节或基于微生物组的疗法开发中的重要性也不容低估。当这项技术被用于追踪大肠杆菌以外的其他肠道共生体的活动时，可以就单个菌株对膳食干预在整个肠道中的反应过程进行详细绘制，为优化上述干预措施提供宝贵的信息。

此外，当该系统被构建到益生菌和/或活细菌产品中时，可以评估其对宿主环境以及常驻微生物组的活性和反应，或者，如在合成微生物鸡尾酒的情况下，可以验证这种混合物的预期功能。

显然，仍需要将该方法转化到人类身上进行试验，而且会遇到监管障碍，但通过这项原理循证研究，这种方法证明了它在微生物组学技术领域有改变游戏规则的潜力。

预防抗生素引起的菌群失调

最后，另一种基于CRISPR的方法显示出基于微生物组的新型治疗方法的巨大潜力。Cubillos Ruiz和他的同事⁶改造了乳酸乳球菌使其分泌可以降解氨苄青霉素的β-内酰胺酶。为了降低编码β-内酰胺酶的基因（TEM1）水平转移的风险，他们将其编码为两个片段，只有在分泌后才连接起来。

尽管还有其他研究正在探索使用基于CRISPR的方法处理工程益生菌⁷，但这项研究提供了一个非常强大的应用，解决了一个重要的问题——在利用抗生素根除目标病原体时引发的肠道微生物组失调问题。

这与艰难梭菌感染尤其相关，这种感染通常发生在抗生素治疗后，会扰乱常驻菌群⁸。小鼠模型的结果显示，经过工程改造的乳酸乳杆菌不仅降低了结肠氨苄青霉素水平，保护了微生物组，而且还能维持血清浓度，使接受治疗的小鼠能够保持对艰难梭菌的定植抗性。

尽管进入人体试验还需要进一步的发展，如纳入死亡开关，但这项优雅的研究再次展示了基于CRISPR的基因组编辑在产品开发中的力量，而且鉴于这种工具的多功能性——在复杂的群落中也能编辑基因组^9,10，其可能性基本上是无限的。

上述三项研究是2022年发表的一系列出色的微生物组研究的典范。所讨论的这三个例子有望将过去10-15年的观察性研究转化为实际的治疗手段。希望未来一年有更多这样的创新，继续推动这趟名为“微生物组”的过山车。

参考文献

（滑动下文查看）1.Gilbert, J. A. et al. Microbiome-wide association studies link dynamic microbial consortiato disease. Nature 535, 94-103 (2016).2.Tramontano, M. et al. Nutritional preferences of human gut bacteria reveal their metabolicidiosyncrasies. Nat. Microbiol. 3, 514-522 (2018).3.Zeng, X. et al. Gut bacterial nutrient preferences quantified in vivo. Cell 185, 3441-3456.e19 (2022).4.Vieira-Silva, S. et al. Species-function relationships shape ecological properties of the human gut microbiome. Nat. Microbiol. 1, 16088 (2016).5.Schmidt, F. et al. Noninvasive assessment of gut function using transcriptional recording sentinel cells. Science 376, eabm6038 (2022).6.Cubillos-Ruiz, A. et al. An engineered live biotherapeutic for the prevention of antibiotic-induced dysbiosis. Nat. Biomed. Eng. 6, 910–921 (2022).7.Pan, M. et al. Genomic and epigenetic landscapes drive CRISPR-based genome editing in Bifidobacterium. Proc. Natl Acad. Sci. USA 119, e2205068119 (2022).8.He, M. et al. Emergence and global spread of epidemic healthcare-associated Clostridium difficile. Nat. Genet. 45, 109–113 (2013).9.Rubin, B. E. et al. Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities. Nat. Microbiol. 7, 34–47 (2022).10.Lam, K. N. et al. Phage-delivered CRISPR-Cas9 for strain-specific depletion and genomicdeletions in the gut microbiome. Cell Rep. 37, 109930 (2021).

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41575-022-00735-2

作者｜Jeroen Raes

编译｜ZQ

审校｜617

编辑｜崔心伟

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