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知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(上)

即时 2019-01-10 15:13:44来源:北国网编辑:刘启明

细胞是构成人体的基本单位。一个成年人的细胞数量大约是10的13次方,而与人体共生的细菌比人体细胞还要多10倍,其中肠道菌群就包含了500-1000种不同的细菌。早在1886年,就有学者发现了大肠杆菌对消化有辅助作用。由此而展开的,对大肠杆菌、双歧杆菌等常见肠道菌的发现和功能探索也开启了早期人类对肠道微生物的研究的序幕。

到20世纪末,随着分子生物学理论逐渐丰富,生物学技术日益成熟,伴随模式动物、基因工程动物的开发与应用,使肠道微生物生理功能研究成为可能。2007年底,美国国立卫生研究院(NIH)正式启动的「人类微生物组计划(Human MicrobiomeProject)」,而中国科学院重点部署项目「人体与环境健康的微生物组共性技术研究」暨「中国科学院微生物组计划」也于2017年正式启动。

人类对微生物的认识态度经历了从第一次世界大战的「恐菌时代」、第二次世界大战的「抗菌时代」,发展到现在,已经进入了保护有益菌、抑制有害菌的「保菌时代」。

加之近年来慢性病高发,已经成为威胁国民健康的「头号杀手」。 目前中国已有慢性病患者已经达到2.6亿,并且还有越来越年轻化的趋势。与之相关的死亡占到了我国总死亡的86.6%,消耗了国家85%医疗资源。在慢性病高发中扮演着重要角色的就是肠道菌群,肠道菌群失调、微生态失衡直接与糖尿病、肥胖、湿疹过敏、类风湿等50余种疾病相关。

这些研究不仅让我们对一些过去无法治愈的重大疾病有了新的认知,也提出了更多潜在治疗方案;大量数据表明,均衡营养、合理膳食、强化肠道菌群稳态能有效控制八成以上慢性病的发病率,保障人体健康;通过建立肠道微生物的长期干预方案,还有可能从根本上治愈疾病。

在辞旧迎新之际,知几未来研究院选取了2018年微生物研究领域比较有代表性的成果分享给大家。这也是知几未来研究院2018年度学术成果年度大赏的第一篇。

本篇分为「微生物与母婴健康」「益生菌与我们的生活」「饮食与肠道健康」,共三部分。

1.微生物与母婴健康

1) 母亲健康会影响新生儿初始菌群 

DOI: 10.1136/gutjnl-2018-315988 

2018年5月,一项包含了486名妊娠糖尿病孕妇和新生儿的研究证实,妊娠糖尿病孕妇肠道微生态的变化趋势与新生儿的相同,且某些菌群的变化与口服葡萄糖耐受试验直接相关;对于新生儿来说,不同部位的菌群特征也有差异,提示其菌群定植发生在出生之前。

具体来说,分娩方式(顺产或剖宫产)、喂养方式(母乳喂养或配方奶粉喂养)、抗生素摄入、饮食和环境暴露都与新生儿菌群异常存在相关性。

新生儿出生时微生物群的菌落分布和体位特异性

研究人员通过对486名孕妇和新生儿包括羊水、口腔、咽喉和肠道在内的多个身体位点超过1000个样本进行了分析,发现宫腔并非过去我们所认为的那样是无菌的,相反的,研究人员在所有新生儿样本中都检测到了门类丰富的细菌,其多样性也超过孕妇的阴道菌群,而有的样本还表现出了和孕妇口腔、肠道菌群的相似。这些证据都意味着,新生儿的菌群定植可能早在宫腔内就已经开始。(编者按:2018年11月科学家们也首次发现了大脑中普遍存在细菌的证据)

而在进一步的研究中,研究人员还发现,如果母亲患有妊娠糖尿病,那么其后代的微生物菌群也会发生相应的改变,并且患病样本间也表现出了趋同发展的特征。关于这种变化,有两种猜测,其一是妊娠糖尿病可能会在孕期改变或塑造孕婴菌群结构,也可能是菌群垂直传递的结果。两种都意味着妊娠期糖尿病可能会导致不良妊娠结局,或给新生儿带来健康风险。

2)肠道细菌垂直传播的直接证据 

DOI: 10.1126/science.aat7164 

2018年10月,《Science》上公布的一项研究揭示了细菌在宿主之间的传播路径。该研究包含了两个野生种群中的17个自交系,其肠道微生物监测跨越了11代,证实了垂直遗传在微生物中占主导地位。

研究中,研究人员捕获了两个地点的17只小鼠,然后在实验室也始终保持他们分开。在三年的交配中,这些小鼠及其后代共产生了11代小鼠。在对这些小鼠肠道样品进行基因检测后,研究人员发现,第11代小鼠的肠道生物群落几乎与第1代小鼠一样,为肠道微生物来自于母体肠道,能够保持垂直传播提供了最直接的证据。

既然肠道菌代代相传,那有害菌又是从哪里来的呢?该研究或许提供了一种思路,即肠道中出现的有害细菌可能来自水平来源(horizontal source),这是因为每当新的细菌通过未知的外部来源引入到小鼠肠道中时,就会导致小鼠疾病。

另一方面,由于哺乳动物及其肠道生物群落能够以一种共生的方式共同进化,因此,研究人员也提出,这一发现可能也适用于人类。

3)母乳喂养与婴幼儿菌群结构相关度最高 

DOI:10.1038/s41586-018-0617-x 

2018年10月,《Nature》封面报道刊登的研究通过RNA和DNA测序技术揭示了肠道微生物组建立的三个阶段,包括:发育阶段(3-14个月)、过渡阶段(15-30个月)和稳定阶段(31-46个月)。

◦ 发育阶段(3-14个月):这一阶段的肠道菌主要以双歧杆菌为主;

◦ 过渡阶段(第15-30个月):这一阶段肠道菌群开始变得更加多样化 ,增至4-8个群落;

◦ 稳定阶段(第31-46个月):这一阶段肠道菌群变化较小。   

婴儿肠道微生物进展的三个阶段

每个阶段的影响因素各不相同,但研究中指出母乳喂养是与菌群结构相关的最重要因素。纯母乳喂养或部分母乳喂养都能为婴儿肠道带去更多的短双歧杆菌(Bifidobacterium breve)和两歧双歧杆菌(Bifidobacterium bifidum),这是两种在生命早期普遍存在的有益菌。一旦停止母乳喂养,婴儿体内的双歧杆菌就会迅速减少;同时,婴儿体内的微生物群落也会发生改变,由典型的成人菌厚壁菌取代大部分双歧杆菌,即标志着肠道菌群从过渡阶段进入稳定阶段。

研究人员推测,除了母乳的减少或停止,婴儿接触的食物增加,也会在一定程度上改变肠道菌群的结构。如果家庭中还存在兄弟姐妹、宠物,那么即使是生活的地理位置相同,也可能引发微生物群结构差异。

4)喂养方式不同,菌群不同、功能也不同 

DOI: 10.1038/s41591-018-0216-2 

2018年12月,《Nature Medicine》上一项研究针对婴儿微生物组发育的产前和产后决定因素的研究,指出了可能对婴儿微生物组塑造产生影响的因素,即喂养方式(婴儿配方奶粉、母乳喂养)会导致婴儿肠道微生物组的差异化;而母婴使用抗生素情况可以预测微生物群的改变、分娩方式则没有持续影响。此外,研究人员也提示,婴幼儿用水也应当被视作微生物组获取关键加以重视。

目前市面售卖的配方奶粉其本质都是为了模仿母乳,但多数对二者差异的研究仅仅集中在营养层面或者是菌群的组成和种类上。但在该研究中,研究人员惊奇的发现,尽管配方奶粉和母乳都能促进肠道中细菌生长,但即使是相同(似)细菌,这些细菌最终发挥的作用和功能也可能差异颇大。

具体来说,这402份粪便标本都指向了同一个结果:如果是母乳喂养的婴儿,只需要通过提高能合成特定氨基酸的细菌水平,就能实现弥补母乳中缺乏的氨基酸的目的,如甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸和精氨酸;但如果是配方奶粉喂养婴儿,其肠道中的菌群则更倾向于制造组氨酸和色氨酸,而不是甲硫氨酸和半胱氨酸,尽管后者在配方奶粉中的添加量已经远高于母乳水平。

换句话说,不同喂养方式除了会导致营养、菌群上的差异,还会影响到菌群的代谢模式和代谢水平。

此外,值得一提的是,这项研究中还有6名婴儿使用了大豆婴儿配方奶粉喂养。结果发现,经大豆婴儿配方奶粉喂养的婴儿的肠道微生物组与其它婴儿存在明显差异,在这些婴儿肠道中,双歧杆菌的含量非常低,而能生产短链脂肪酸的菌群的水平则非常高。这是一种非常典型的肠道菌群不健康的标志。研究人员也指出,有些儿童在选择大豆配方奶粉之前,双歧杆菌水平已经偏低。

2.益生菌与我们的生活

1) 精准健康管理,个性化益生菌治疗少不了 

DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.041 

2018年9月,《Cell》上有两项研究都对益生菌的使用提出了质疑。其一指出,人类具有特定于人、区域和菌株的黏膜定植模式,因此,补充益生菌的效果也可能因人而有所局限。所以,个性化的益生菌方案是非常有意义的。

   

这一重磅研究,知几未来研究院也曾在过去的文章中和大家探讨过:《每天补充三百亿益生菌有用吗?怎么补才科学?》

益生菌的补充不仅仅在于补充,而是在定植成功后才能真正发挥作用。当这些被补充的益生菌黏附在我们的肠道上后,只有「安家落户、繁衍生息」,定植的益生菌越来越多,它们才能够在肠道黏膜外构建出一道屏障,防止有害菌靠近肠道上皮细胞,抑制有害菌的生长。对于还处在婴幼儿时期的孩子来说。健康的肠道菌群定植能够第一时间帮助宝宝建立早期的肠道屏障和免疫,这也是为什么母乳喂养被称作是最好的喂养方式的根本原因。

另一方面,该研究中也指出不仅小鼠对益生菌具有本地菌群驱动的定植抗性,人类对益生菌具有人特异性的肠道黏膜定植抗性。这就意味着,即使是相同的益生菌,在每个人身上的效果也会千差万别。如果能够通过预处理菌群和寄主特征预测,再进行益生菌定植,就会事半功倍。

此外,研究人员也发现小鼠和人类肠道黏膜微生物组与粪便仅部分相关。

2) 益生菌有潜在不良后果 

DOI: 10.1016/j.cell.2018.08.047 

而另一则质疑益生菌使用的研究也发表在2018年9月《Cell》上。根据研究结果,补充益生菌有着明显的个人差异,并不是所有人都能够顺利完成益生菌的定植这一过程;并且当益生菌在定植成功后,还会反过来抑制肠道自身微生物组的恢复,可能对人体产生长期不良后果。这一结果发表在当月的《Cell》上。

这一重磅研究,知几未来研究院也曾做过专题解读:《Cell 重磅:益生菌用不对,也有副作用》。

试验中,21名健康的志愿者在服用广谱抗生素后被分为了三组:

◦ 第一组依靠自身的力量来进行肠道菌群重建;

◦ 第二组服用了四大常见益生菌属内的11种益生菌;

◦ 第三组则进行了自体肠道菌群移植(aFMT)。   

三周后,受试者再次接受结肠镜检查和内镜检查。结果发现,使用抗生素后,益生菌可以轻易地在第二组受试者的肠道内定居。但这些益生菌持续地阻止了原始微生物恢复到原来的状态。事实上,服用益生菌的受试者在长达6个月后肠道菌群才恢复正常,并且,肠道中的基因表达也发生了变化。

这也意味着,如果长期保持这种状态,过敏和炎症发生的可能性也会大大增加。

3)益生菌疗法无法辅助肠胃炎患儿治疗 

DOI:10.1056/NEJMoa1802597 

2018年11月,一项针对学龄前儿童的急性肠胃炎的治疗研究对益生菌是否真的能用于改善儿童急性肠胃炎及预后提出了质疑。

根据研究结果,相较于接受安慰剂的患儿而言,接受5天疗程鼠李糖乳杆菌GG(LGG)益生菌疗法并不会给患儿带来更好的疗效。并且,每天两次鼠李糖乳杆菌R0011和瑞士乳杆菌R0052益生菌联合治疗也不能有效预防患儿中重度胃肠炎的发生。

这项随机、双盲试验,包含了涉及886名3-48个月大的胃肠炎患儿,他们在加拿大接受了6个儿科EDs检查。参与者收到了5天的组合益生菌产品含有乳杆菌R0011和L. helveticus R0052,剂量为每日两次的4.0×109菌落或安慰剂。

结果显示,益生菌组与安慰剂组中腹泻和呕吐持续时间无显著差异。

DOI: 10.1056/NEJMoa1802598 

同月,另一则刊登在《新英格兰医学杂志》上也得到了相似结论。这项研究的对象是971名来自美国10个儿科急诊的3-48个月的急性肠胃炎患儿。

根据结果显示,有943人完成了这项试验。当这些患儿在连续五天(2次/天)摄入10^10 cfu 的鼠李糖乳杆菌GG株(LGG)或安慰剂后,试验组和安慰剂组中腹泻和呕吐中位持续时间、日托缺勤中位天数(均为2天)、家庭传染发生率(10.6% vs 14.1%)均无显著差异;并且五日疗程的LGG也没有为急性胃肠炎治疗带来额外收益。

研究人员由此指出,在患有急性胃肠炎的学龄前儿童中,接受5天疗程的鼠李糖乳杆菌GG治疗的效果并不比接受安慰剂治疗的好。

3.饮食与肠道健康

1) 钨酸盐精准治疗肠道炎症 

DOI:10.1038/nature25172 

肠杆菌科细菌的增多是胃肠道炎症疾病中最常见的微生物群落变化形式。2018年1月,《Nature》上一则研究指出,钨酸盐处理能够有效防止肠道炎症期间肠杆菌科细菌的增多,而有益菌却不受影响。因此,研究人员认为钨酸盐处理能够起到降低肠道炎症严重程度的作用。

钨酸盐是金属钨的一种形式,能溶于水。通常情况下,当高剂量使用时是不安全的(编者按:灯泡中最常见的灯丝材质就是金属钨)。但研究人员发现,某些细菌中存在着相关的代谢通路。当钨被细菌摄取后,会被整合到细菌辅助因子中,使得相关的辅助因子丧失能力,不能正常地发挥功能。

常规培养C57BL/6小鼠,经DSS或DSS加钨酸盐处理4天的样品分析示意图

在本试验中的小鼠模型中,小鼠服用了含有钨酸盐的水源后,小鼠肠道中的肠杆菌科细菌代谢就会受到影响,阻断了其大量繁殖;而临近的有益菌由于并不依赖于钨酸盐代谢,所以不会受到影响。由于这种潜在的策略对肠道菌群处于平衡健康状态的小鼠并没有明显效果,因此,研究人员认为,完全可以通过这一方法实现靶向肠道炎症期间有活性的代谢通路,精准阻止或减少炎症的发生。

并且,研究人员还指出,通过合理设计,完全能够有针对性地抑制引发肠道炎症细菌的大量繁殖,不是完全消除。因为肠杆菌科细菌在某些环境中,具有抵抗病原定植的作用。这样一来,对肠道健康的守护将会更加精准。

2)98%的肠道微生物差异由饮食和生活决定 

DOI:10.1038/nature25973 

2018年3月,《Nature》上一项包含了约1046名健康个体的基因型和微生物组数据指出,宿主遗传学在肠道微生物组组成上作用并不显著,只占种群间变异的2%左右,起到决定作用的是生活方式和饮食差异。一般来说,共同生活在一个家庭的而与基因无关的个体,其微生物群落组成有显著的相似性,超过20%的微生物群落差异都来源于饮食、药物和人体测量方式等因素。

该研究由魏茨曼科学研究所计算机科学与应用数学系Eran Segal教授实验室的研究人员完成。该研究采用了一个独特的数据库,包含了约1000名以色列人。由于以色列人口高度多样化,为研究基因差异的影响提供了一个理想的实验环境。除了遗传数据和微生物组组成,研究人员还为收集了受试者的饮食习惯、生活方式、药物等多种信息。

在观察了受试者微生物组与胆固醇、体重、血糖水平和其他临床参数数据之间的关系后,研究人员发现:在大多数临床分析中,这些指标与细菌基因组的相关性和与人类基因组的相关性一样强,在某些情况下甚至更强。

基于这些发现,研究人员提出微生物组的因素可能是理解和治疗许多常见健康问题的关键。如果能够通过有效方式调节或重塑微生物组,那么在不改变基因的情况下,这可能是健康改善的最有力方式。

3)生酮饮食降低癫痫发作 

DOI:10.1016/j.cell.2018.04.027 

生酮饮食曾被用于治疗难治性癫痫,但其作用机制始终成谜。2018年5月,《Cell》上一项研究从微生物学角度给出了答案:生酮饮食会增加肠道中Akkermansia muciniphila和Parabacteroides这两种肠道细菌的丰度,改变肠道和血液中化学物质水平,从而调节癫痫发作的易感性的作用。

这也是首个证实了癫痫发作易感性与肠道微生物群之间存在因果关系的研究。

这项研究由加州大学洛杉矶分校的研究人员完成。在验证「生酮饮食会改变肠道微生物群,产生抗癫痫效果」这一假设的过程中,生酮饮食进行四天内,小鼠肠道微生物菌群就已经出现了显著改变,两种细菌Akkermansia muciniphila和Parabacteroides水平显著升高,小鼠的癫痫发作则出现了明显减少。

正是这两种细菌水平的升高,改变了肠道和血液中谷氨酸盐水平,进而改变了大脑中的γ-氨基丁酸(GABA)的水平,影响了海马体中的神经递质。而海马体在大脑中传播癫痫发作的过程中起着重要作用。

为了进一步测试这种微生物群对预防癫痫发作是否重要,研究人员还建立了两种小鼠模型:一种是在无菌实验室环境中无菌饲养的小鼠,另一种是用抗生素治疗消耗肠道微生物的小鼠。但在这两种模型下,生酮饮食都没有效果。表明了肠道微生物群在有效减少癫痫发作中的重要性。

4)泻药会永久性改变肠道微生物组成 

DOI:10.1016/j.cell.2018.05.008 

2018年6月,《Cell》上一项针对渗透性腹泻的研究揭示泻药对于肠道微生物可能造成的影响。

渗透性腹泻是由食物不耐受、吸收不良和广泛使用泻药引起的常见疾病,比如在饮用牛奶、果汁之后都可能出现。患者在发病后会产生水样和松散大便,大便频率和稠度都会改变,部分人还会经历腹部痉挛、腹痛、发烧等。对于患这种病的婴幼儿来说,还会造成迅速脱水。

本试验中定量成像显示,在渗透微扰过程中,粘液屏障大量减少,随后恢复。免疫系统表现为细胞因子水平的暂时变化和对共生细菌的持久IgG反应。这意味着,即使是轻微的渗透性腹泻也会对微生物群及其宿主产生持久影响。

而当便秘缓解剂Miralax被添加到已经接受人类肠道微生物定植的无菌小鼠和携带着正常小鼠肠道微生物的小鼠的饮用水中后,小鼠都发生了腹泻。同时,它们的肠道微生物组也发生了改变,其中,S24-7(一种在哺乳动物肠道微生物组中普遍且丰富的细菌成分)甚至完全消失殆尽,在干预措施结束后也未恢复。再次说明,该药物通过影响肠道微生物进而对人体造成了永久性影响。

写在最后 

人体微生态“器官”的确立,翻开了生命起源、进化、发育等科学问题研究的新篇章,颠覆了医学上关于感染、肿瘤、代谢等重大疾病的传统认识,催生了药物研发新靶点、新途径的应用,也激起了科学研究、临床诊断相关新技术、新设备的研发浪潮。

在接下来的知几未来研究院学术成果年度大赏第二篇中,我们将从「慢性病的控制和治疗」「微生态对免疫的影响」「微生物学在癌症治疗中的探索」三个方向上和大家分享2018年微生物研究领域最具代表性的成果。

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