Cell重磅：基于微生物的 IBD 临床疗法新机会
2019年8月22日，来自哈佛、MIT和马萨诸塞州总医院等一众知名机构的研究者，在《细胞》杂志发表名为《IBD疗法新机遇：基于宿主与微生物群的互动关系》的论文。
他们回顾了学界对炎症性肠病（IBD）发病机制在宿主遗传学、宿主免疫、微生物群和环境暴露之间相互作用的理解，并总结了目前几种利用微生物群提高IBD治疗效果的方法，比如：
减少有害物种的定植
饮食干预
控制群体感应途径
恢复微生物群体内平衡的生态工程
研究名称：Therapeutic Opportunities in Inflammatory Bowel Disease: Mechanistic Dissection of Host-Microbiome Relationships
期刊：Cell
发表时间：2019年8月22日
IF：36.216
DOI:10.1016/j.cell.2019.07.045
近日，《Cell》刊发一篇关于IBD （炎症性肠病）新疗法的综述，再次聚焦知几未来研究院已多次讨论过的这位“老朋友”：
我们已经知道，根据临床和内镜特征，IBD 可被分为2种主要类型：溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）。
目前，在临床上使用氨基水杨酸盐、皮质类固醇、免疫调节剂等传统、单一方法治疗IBD，效果都不尽如人意。
上世纪90年代，“生物疗法”出现了。它包括针对肿瘤坏死因子-a（TNF-a）的单克隆抗体、白细胞介素（IL-12/23）或针对炎症/运输通路的整合素。生物疗法大大提高了患者的生活质量，降低了手术和住院的并发症风险。
然而，据2016年Roda等人的统计——即便是“生物疗法”，也有多达40%的患者对初始治疗没有应答。在最初存在应答的患者中，13%-46%的患者在随后的一年中失去应答。在部分造瘘CD病例中，治疗后瘘管复发率高达64%。
这促使科学家们不断摸索IBD的新机制、治疗的新方向。
微生物群在IBD中扮演的多种角色
关于人类肠道微生物在IBD中扮演的角色，已有大量相对早期和细致的研究。
Nature Reviews将其定义为一种多菌性疾病（polymicrobial disease），认为它是宿主和微生物之间相互作用的结果——包括肠道微生物因子、异常的免疫反应以及被削弱的肠道黏膜屏障在内的多种因素共同影响了IBD的发生和发展。
有关IBD遗传学的研究，也已经确定了200多个基因座。这些基因座解释了8%-13%的疾病易感性风险方差，它们强调了在遗传易感宿主中，驱动病理学的非遗传修饰物（如肠道微生物）的重要性。
人类微生物组计划已对疾病活跃期的IBD患者，肠道微生物群明显较少、代谢物池的多样性降低等明显菌群失调的特征进行了细致描述。
IBD患者肠道菌群失衡的特点主要是：兼性厌氧菌数量增加。这些菌群中许多都是口腔所固有的，且具有促炎特性。从微生物群层面来说，这些厌氧菌与细菌代谢产物的减少有关，包括短链脂肪酸（SCFAs）或二级胆汁酸。综合代谢物和宏基因组分析显示，使用代谢物分类可区分IBD患者与健康对照组。
除此之外，在IBD病理学背景下，不良微生物群还可能拥有更多与宿主、肠道屏障、免疫系统的作用途径。比如：
非细菌微生物组分在宿主免疫中的作用（IBD 风险基因Atg16l1与cGAS-STING介导的病毒感应途径相互作用，以IL-22依赖性方式调节肠道炎症）；
微生物群和宿主适应性免疫的持续、动态相互作用（微生物相关辅助信号塑造了肠道细胞因子环境，使T细胞极化，从而分化为Treg、Th17或其他可适应环境的表型）；
微生物代谢物药理学（粪便代谢物可能是直接与宿主受体/目标结合的化学实体）；
微生物所发出的信号，可影响免疫细胞群（与健康受试者相比，IBD发病期患者的炎性IL-17+免疫细胞浸润粘膜的数量增加，IL-17的血清水平升高，抗炎性Treg的数量减少）。
……
对此，作者归纳了一些主要的混淆因素，包括：可变发病率、遗传和临床异质性以及药代动力学等等：
利用微生物群改善治疗效果，有几种不同的形式
考虑到微生物群的巨大潜力，人们对挖掘微生物群中的生物活性化合物、从细菌中获得药物越来越感兴趣。
吸引学界巨大兴趣的一个主题是：是否可以使用活的微生物作为药物/药物的载体；或者直接改变微生物群功能或组成，让细菌变成药物？
下面，我们将重点介绍基于微生物疗法的关键例子，并讨论这些方法的潜在应用。
这些方法涉及到：减少有害物种的定植、通过饮食干预或控制群体感应途径、恢复微观生物群落的体内平衡的生态工程。
来自细菌的药物
过往研究报告，微生物群与宿主的互惠作用，或能促进调节宿主生理学的生物活性的进化。
比如，膳食纤维的消化会产生SCFAs，它能够滋养结肠上皮细胞，并具有广泛免疫调节功能（如丁酸盐介导的Treg扩增）。并且，与对照组相比，IBD患者体内丁酸盐（微生物代谢物）的水平较低。
对人类的干预性研究表明，丁酸盐的给药可能是有效的。但试验的样本量，还未到可以给出结论的程度。
另外，尽管丁酸盐的给药显示对宿主有益，但在临床的治疗性转化，还需要特别注意：
mM范围（mM range）影响下的成功运输（给药）
针对宿主多重靶点的不确定性
不良的药代动力学特性
利用共生体工程生产治疗分子，可能是另一种策略。例如，利用乳酸杆菌Lactobacillus菌株运输IL-10或抗TNF抗体，能够有效控制UC小鼠的炎症（Steidler等人，2000年；Vandenbroucke等人，2010年）。
不过，这类方法存在给药挑战，使用时需要特别注意ADME（Absorption, Distribution, Metabolism, and Excretion，吸收、分布、代谢和排泄，药代动力学和药理学的常用缩写），因为肠腔内的有效载荷输送，可能不会到达炎症部位或治疗靶点。
另外，微生物代谢物作为一种生物活性探针，也许是一类识别可用于药物开发的宿主靶点的强大工具。
比如，类似CRISPR技术的方法也可用于生物活性微生物代谢产物的靶点鉴定，识别药物化学可优化的化合物，以提高效力、选择性，提供更有利的药代动力学特性。
针对细菌的药物
以往的研究表明，IBD患者粪便中微生物密度的降低，主要影响的是：厚壁菌Firmicutes、拟杆菌Bacteroidetes和放线菌Actinobacteria的总数；
而变形菌门Proteobacteria（包括肠杆菌科Enterobacteriaceae的物种，它们很适合在氧化环境中生长）保持稳定的绝对数量。
变形菌门 Proteobacteria
IBD患者肠道内常常出现氧化环境升高，这可由抗生素治疗引起的菌群失调、肠道出血引起的氧张力增加、或厌氧电子受体（如硝酸盐/NO3，nitrate/NO3）的存在引起，其中一些可能是抗菌免疫功能的副产物，它们会产生ROI和一氧化氮（Reese等人，2018年；Winter等人，2013年）。
例如，大肠杆菌Escherichia coli 和鼠伤寒沙门氏菌Salmonella typhimurium可分别利用硝酸盐和四硫酸盐（S4O62）进行呼吸，且在存在结肠炎相关炎症时上升。这可能解释了为什么IBD患者中的变形杆菌Proteobacteria的绝对丰度没有减少。
2018年Zhu等人发现，来自肠杆菌科Enterobacteriaceae的兼性厌氧菌的过度生长，可在厌氧条件下，通过削弱其对ROI副产物的呼吸作用，以及使用钨酸盐抑制硝酸盐还原酶来控制。这也许能够成为一个新的治疗靶点。
去除已定植物种
微生物组治疗的新策略，已经开始探索选择性去除特定微生物。
在这些方法中，噬菌体疗法具有特殊前景。因为它允许精确靶向用于噬菌体对接的保守性物种特异性膜蛋白，以及运输可消除目标生物体改变其基因组或调节其功能的“货物”。
后者可以通过使用基于CRISPR的核酸酶活性，在基因组中引入双链断裂，使用特定指南RNA库。因为粘附性侵袭性大肠杆菌（adherent-invasive E. coli ，AIEC）与IBD有关，这可能是此类方法的一个可行靶点。
此外，2007年Barnich等人发现，FimH基因产物通过宿主CEACAM6受体促进AIEC与小肠上皮结合，使AIEC抵抗免疫系统清除。因此，开发利用FimH结合的噬菌体，用于CRISPR货物的对接和运输，也可能是可行的。
生态工程
（1）要素膳食
影响我们肠道菌群最基本、临床最可行的就是饮食（调节微生物的营养池）。
对于IBD，一种被称为“要素膳食”（elemental diet）的饮食治疗已显示出与皮质类固醇治疗相当的疗效。
要素膳食，主要由氨基酸、必需脂肪酸、单糖、维生素和矿物质组成。它在儿童IBD中特别有效，80%的患者病情可得到缓解。
虽然科学家们还不清楚要素膳食对IBD的影响，但各种研究都指出，通过排除典型饮食中存在的刺激上皮的物质（例如乳化剂、角叉菜胶或羧甲基纤维素）或排除典型饮食中存在的抗原，可增强粘膜屏障功能。
另一个需要考虑的方面是，饮食可以通过调节微生物编码抗原的表达而间接起作用。一些研究已经开始界定饮食对微生物群落、宿主生理学和免疫功能的影响。这些报告包括特定的饮食方法（例如，全谷物、无麸质饮食），或者益生元的针对性补充。
（2）物种嫁接
对于肠道菌群的重建，可能需要限制某些物种的定植，同时促进其他物种的定植。
促进理想物种的嫁接已经被证明可行。例如，最近所报告的卵形拟杆菌Bacteroides ovatus 和拟杆菌Plebeius菌株含有一个罕见的基因簇，能够代谢海洋藻类中的卟啉，从而使这些物种得以繁衍，并嫁接在另一种抗定植的内源性微生物群中（Kearney等人，2018；Shepherd等人，2018）。
同样的，微生物群内的代谢活动可以调节营养池，从而影响肠道微生物的生长和植入。例如，拮抗共生物种对梭菌C. diff 的定植限制，说明了微生物源性代谢活动影响生长和移植物的能力。
（3）群体感应
一种更为精细的治疗方向是，识别能够改变社区行为方向的分子，进而促进理想的表型。
群体感应是细菌对外部刺激（例如种群密度或其他微生物的变化）作出反应的一种机制，协调基因表达或调节生长、代谢或炎症的代谢程序。这些机制与细菌生物膜的形成和毒力因子表达的调节有关（Rutherford和Bassler，2012年）。
在过往的研究中，科学家们已经鉴定出几种群体感应分子，包括N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）分子（autoinducer-1，AI-1）、改性寡肽（autoinducer peptides，AIP）和呋喃硼衍生信号分子（auto- inducer-2，AI-2）。
结语
总的来说，研究人员认为，目前对于IBD的治疗进展，主要存在2个挑战：
第一，需要进一步加强对疾病驱动因素的机械理解，包括异质性、宿主遗传学和微生物群的特征；
第二，更新基于临床、分子、临床和临床的分类系统，使用AI技术帮助临床医生识别治疗无应答者，并提供主动治疗的算法指导。
我们已经揭开了IBD的多个方面的机械联系。尽管如此，仍有许多悬而未决的问题。比如：
跨不同分子途径的多重遗传敏感性，如何以及在多大程度上诱导微生物组分的病理变化？
不稳定的微生物群是否以渐进的方式使宿主生理失调，最终超过某一诱发病理性炎症的阈值？
与健康或疾病相关的饮食因素和微生物代谢产物是什么？它们作用于怎样的分子受体和途径？
宿主遗传因子、微生物和微生物代谢产物之间复杂的相互作用，共同控制着肠道内环境的平衡，对于相关途径的分类和机械解剖，仍然需要大量的努力。
寻求这些问题的解决方案，将有助于破译宿主微生物群的相互作用，并指导同时恢复肠道屏障、免疫系统、微生物群健康和体内平衡的组合疗法的发展。