Atlantia临床试验：探究微生物学与免疫学的相互关系 - AI与医疗健康

专家观点 Liam O'Mahony, Barry Skillington & John MacSharry 免疫学教授，首席商务官 & 研究合作伙伴 Atlantia 和临床试验

虽然大多数人都知道他们的免疫系统受到微生物的支持，但身体中微生物变化与整体健康的复杂性和相互关系只有该领域的专家才了解。

人体中超过一半的细胞是细菌而不是人类细胞，并且人体中99%以上的基因是由微生物编码的。因此，医学微生物学是未来医疗保健的重要组成部分，而研究的主要领域是肠道和肺部。

Atlantia的临床试验通过研究微生物对未来健康和免疫调节的影响来支持人类免疫系统。由细菌引起的免疫调节对于医疗保健的发展具有重要意义，包括为过敏和哮喘等疾病的治疗和饮食管理提供新的可能性。

三位专家——Liam O'Mahony博士、John MacSharry博士和Barry Skillington博士——在接受Atlantia食品临床试验采访时，讨论了微生物与宿主免疫系统的相互作用，特别是与肠道微生物组、肺部微生物组以及免疫相关临床试验的概述。

请介绍一下自己并概述你们的角色？

BS: 我是Barry Skillington，在Atlantia食品临床试验公司担任首席商务官。

LOM: 我是Liam O'Mahony，在医学和微生物学系担任免疫学教授，同时是APC Ireland的首席研究员。

JM: 大家好，我是John MacSharry，在UCC讲授医学微生物学，也是APC Microbiome Ireland研究团队的成员，同时也是Atlantia食品和临床试验公司的研究合作伙伴。

Atlantia的研究重点是什么，为什么如此重要？

LOM: 正如大家所知，人类体内有很多细菌生活在我们身上和体内。事实上，人体内至少有一半的细胞不是人类细胞而是细菌细胞。从基因含量的角度来看，我们知道人体内的几百万个基因中，只有1%或略少于1%是由人类编码的。

这意味着人体内99%以上的基因是由微生物编码的。这些基因编码了大量的酶机制，生成了各种不同的代谢物。许多这些代谢物可以被免疫系统检测到并与免疫系统以及其他系统相互作用。

为了使免疫系统能够容忍体内存在的大量外来抗原，它必须有非常强大的耐受机制。我们认为，来自常规细菌的许多信号驱动了这些耐受信号。这就是我们的研究重点：试图理解这些来自细菌的耐受信号是什么。此外，在炎症性疾病的情况下，我们需要了解是否缺少一些这些耐受信号——如果确实缺少，如何补充它们。

在耐受反应过程中涉及哪些成分，为什么分析这些成分很重要？

LOM: 耐受反应涉及许多细胞，既有先天免疫系统的细胞，也有适应性免疫系统的细胞。最终，推动和促进大量的B调节细胞和T调节细胞是非常重要的。我们还知道，微生物群衍生的信号可以影响参与这一过程的所有不同类型的细胞：上皮细胞、巨噬细胞、ILCs、树突状细胞等。

我个人最感兴趣的疾病领域是过敏和哮喘：众所周知，在皮肤、肠道和肺部等部位，与特应性皮炎、哮喘或食物过敏相关的微生物群组成非常不同。在某些情况下，这些差异出现在过敏或哮喘诊断之前。因此，可能在这些身体部位缺失的微生物或微生物的变化可能有助于诱导过敏或哮喘。

特别是在生命早期，我们知道许多因素对于婴儿微生物组在头两年内获得和发展完整的成人样群落结构非常重要。许多我们知道对微生物组发展很重要的暴露因素也是过敏和哮喘发展的风险因素。其中一个特别重要的领域是饮食的影响。

为什么饮食如此重要，它对肠道内微生物的组成或代谢活动有什么影响？

LOM: 饮食对肠道内微生物的组成和代谢活动有非常显著的影响。从饮食角度来看，肠道微生物组的一个更显著的变化伴随着不可消化纤维的引入。这些是我们无法消化但肠道中的微生物可以消化的纤维。

这种消化或发酵会产生短链脂肪酸，如丁酸、丙酸和乙酸。在这项研究中，我们查看了PASTURE/Efraim出生队列研究中一岁儿童的粪便样本。发现一岁时丁酸或丙酸水平最高的儿童在六岁时哮喘和其他多种过敏和过敏敏感性的水平最低。

这与生命早期食用酸奶和蔬菜有关。也许，通过喂养婴儿正确的微生物和蔬菜，可以提供纤维进行发酵，从而在以后的生活中产生这些短链脂肪酸。使用机械模型和实验模型，可以显示这种保护效应至少部分是由于通过G蛋白偶联受体诱导这些调节性T细胞。

为什么组织胺是一种重要的代谢物值得研究？

LOM: 微生物组产生许多不同类型的代谢物，其中特别有趣的一种是组织胺。正如其名称所示，组织胺在过敏反应中很重要，但实际上，体内有四种不同的受体可以检测组织胺——每种受体激活时都可以产生非常不同的结果。促过敏受体是组织胺1和4受体，而组织胺2受体则是一种调节受体。

因此，我们一直在研究细菌是否能产生组织胺——如果是的话，它们是否会影响这个系统。

我们发现，人体肠道中有大量细菌可以产生组织胺，并且患者体内有更高水平的分泌组织胺的细菌。

我们发现分泌组织胺最多的细菌菌株之一是摩根氏菌（Morganella morganii）。发现严重哮喘患者（定义为服用高剂量皮质类固醇但仍存在症状的患者）体内这种分泌组织胺的细菌水平最高，因此表明至少在某些哮喘患者中，部分症状可能与肠道内高水平的分泌组织胺的微生物有关。

通过创建许多实验模型来研究机制，今天的共识是，源自肠道微生物的组织胺可以具有保护性或损害性效果，具体取决于宿主体内代谢组织胺的酶的代谢活性以及宿主免疫细胞上表达的不同组织胺受体。因此，不仅组织胺的产生对最终效果很重要，宿主免疫系统如何解释微生物衍生的组织胺也很重要。

还有哪些其他因素改变了这些患者的微生物组？

LOM: 在研究严重哮喘患者的微生物组时，发现一种名为阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）的微生物在肠道微生物组中显著减少。这些患者通常服用高剂量皮质类固醇，但要么没有改善，要么仍然有症状。

同样，通过使用实验模型，我们想调查肠道中的阿克曼氏菌是否会对肺部产生任何影响。我们发现，肠道中的阿克曼氏菌对肺功能有非常显著的影响：随着甲基胆碱剂量的增加，气道高反应性反应减弱。

我们还进行了流式细胞术评估进入肺部的嗜酸性粒细胞类型。Siglec-F（高）嗜酸性粒细胞或IL-5依赖性嗜酸性粒细胞是哮喘患者肺部的“危险”嗜酸性粒细胞。在消耗阿克曼氏菌的实验模型中，这些嗜酸性粒细胞显著减少。因此，作为哮喘研究和可能治疗的新微生物，阿克曼氏菌无疑值得进一步研究。

对于同时患有第二种疾病的患者，是否有任何影响？

LOM: 如果考虑肥胖的影响，因为有些哮喘患者也肥胖，我们知道肥胖可以触发与肥胖相关的炎症反应，从而导致微生物组的变化。此外，肥胖是一种免疫介导的疾病。重要的是要研究既肥胖又患有哮喘的人会发生什么：他们是否有两种疾病的特征，还是这些特征相互抵消？

在这种情况下，肥胖哮喘患者同时具有这两种特征。这意味着他们有肥胖和哮喘的证据。肥胖哮喘患者比非肥胖哮喘患者和非哮喘肥胖患者有更多的微生物组变化。从炎症反应的角度来看，当检查这些个体的外周血RNA测序时，可以看到肥胖哮喘患者的先天性或抗菌炎症反应富集程度明显更高。

关于细菌诱导的免疫调节，未来的重点领域可能是什么？

LOM: 实际上，微生物对于免疫调节非常重要。我们特别关注的是免疫耐受的诱导：我们认为我在讨论的细菌诱导的免疫调节具有不可替代的作用。某些炎症反应或疾病可能与缺乏耐受信号有关，这可能是由于缺少微生物或微生物未能因饮食改变（例如缺乏纤维以驱动短链脂肪酸的产生）而产生正确的代谢物。

我们认为，许多这些信号系统已经发展了数千年并且很好地整合在一起。微生物组在过敏和哮喘中尤为重要。至于未来，有许多选项可以帮助这些疾病的患者——无论是通过单个微生物、它们的成分、代谢物（如短链脂肪酸），还是与这些微生物干预相关的饮食干预。

采集肠道和肺部微生物生物量有何不同？

JM: 肺部与肠道略有不同，因为肺部的微生物生物量较少。采样肺部时，需要进行支气管肺泡灌洗直接采样肺部，这是一种相当侵入性的程序。这意味着在这种程序中很难获得健康对照组。偶尔也可能有唾液微生物吸入肺部的情况；然而，肺部有一种独特的微生物群，我们通过支气管肺泡灌洗进行采样。

我们与科克大学医院的Des Murphy博士合作进行了多次灌洗。通常当我们进行灌洗时，我们会检查免疫细胞，如巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和中性粒细胞，以查看肺部发生了什么。

在一个缺乏信息或肺部的患者中，大多数细胞将是巨噬细胞。然而，当发生炎症时——无论是Th1（中性介导的炎症）还是Th2（嗜酸性粒细胞介导的炎症）——我们在肺灌洗中会发现这些细胞数量增加。这会导致巨噬细胞计数减少，表明肺部尤其是周围肺部的免疫激活。

当BALs被采样并分析免疫细胞时，我们首先开始检查免疫细胞，但就像Van Leeuwenhoek或Elie Metchnikoff一样，我们采用显微镜检查组织的方法。

肺部发现了许多微生物，包括真菌菌丝，包裹在粘液中，以及巨噬细胞内部。因此，有必要持续处理肺部。考虑到肺部是死胡同，有必要有一个黏液纤毛电梯和专门的巨噬细胞不断采样、监测和控制这些微生物。

检查肺部微生物得出了哪些值得注意的结果？

JM: 在一个主要来自爱尔兰南部芒斯特地区的患者群体中，发现许多样本含有高水平的细菌、真菌和病毒。当我们开始检查活检样本时，发现还有大量细菌附着在上皮微生物上。这些细菌显然避开了黏液纤毛电梯并在肺部存活。

引用我们使用的其中一个鸟枪法测序读数——存在许多类型的微生物。使用这种鸟枪法测序——或全基因组测序——来查看哮喘患者群体时，我们发现某些患者中有流感嗜血杆菌的大量繁殖：这是一种通常居住在上呼吸道的病原性革兰氏阴性菌。当它进入下呼吸道时会引起很大的刺激。

在这些哮喘患者中，观察到多个患者中有高水平的流感嗜血杆菌。当对这些患者的某些元数据进行相关性分析时，我们能够看到这种流感嗜血杆菌与高水平的TNF-α、IL-1β、IL-8以及中性粒细胞本身（Th1反应的细胞因子）相关。

还看到了其他微生物：如根瘤菌、乳杆菌以及两种乳杆菌物种的谱型变化。这可能是由于流感嗜血杆菌引起的炎症导致肺部微生物组紊乱所致。此外，在发现流感嗜血杆菌的地方，实验室总是会发现流感嗜血杆菌病毒或流感嗜血杆菌噬菌体HP1的存在。目前，正在研究通过给予抗IL-5和抗IgE单克隆抗体（即过敏或抗体）来调节肺部微生物组的可能性，并查看我们如何通过这种方式改变肺部微生物组。

鸟枪法测序也非常有用，因为它不仅可以检查细菌，还可以检查病毒和真菌——甚至原生动物。当我们查看几个患者样本时，可以发现许多病毒：主要是细菌病毒，如噬菌体，但也有人类病毒，如EB病毒，如淋巴隐病毒，以及许多患者中存在的真菌序列。

需要注意的是，真菌序列数据库对于识别真菌并不实用，你必须上升到物种水平才能实现这一点。

当分析这些哮喘患者肺部的真菌时，可以找到许多与真菌存在相关的细胞因子——特别是与一种特定的病原体曲霉菌烟曲霉菌相关。曲霉菌烟曲霉菌与IL-6和IL-13的增加有关。同样，巨噬细胞水平的下降也与曲霉菌有关，因为中性粒细胞正在入侵以试图对抗曲霉菌。

这种肺部感染真菌与系统性或循环细胞因子的增加有关：IL-4、IL-6、IL-10、IL-13、IL-17和TNF-α。因此，真菌在加重哮喘和肺部微生物组方面发挥着关键作用。

肺部微生物组对于那些患有或分析肺部疾病（如哮喘和COPD）的人来说非常重要。

目前，COVID-19对肺部和长期免疫的影响尚不清楚——但合理地说，很可能会导致微生物组的变化，尤其是在哮喘患者中引起恶化。目前，我们正在进行许多关于肺部微生物组的研究。我们希望这将帮助我们建立和了解这些疾病中发生了什么。建立胃肠道和肺部之间的明确联系也将是有价值的，注意每个器官如何相互影响，既有益又有害。

还需要注意的是，微生物分析表明，微生物的变化可能是菌株依赖性的，而不仅仅是双歧杆菌。某些物种如长双歧杆菌或婴儿双歧杆菌可能需要进行检查。这也是为什么我们有靶向疗法并研究哪些物种发生变化的原因。

APC的许多研究已导致抗炎疗法，但也导致噬菌体疗法。下一步可能是培养我们已经鉴定的所有微生物。其中一些相当罕见，可能不易培养，因此我们可以开发微生物组诊断方法。我们还可能开发设计噬菌体疗法和代谢补充剂以破坏如流感嗜血杆菌等细菌，甚至可能开发针对微生物组的舌下免疫疗法以防止相同的增殖。

为什么研究胃肠道和肺部微生物组如此重要？

JM: 在研究环境中，重要的是要清楚为什么我们要研究这些微生物组。肺部微生物组和胃肠道微生物组对健康和福祉非常重要，因此在可持续生活方式的发展中也非常重要。例如，我们都生活在一个可持续的城市和社区中，因为由于COVID隔离，我们必须适应并改变我们的公共区域：确保我们的空气质量达到一定水平。

有趣的是，经济增长直接受到了这些必要变化的影响，以防止人类吸入这些微生物到我们的肺部。肺部微生物组——尤其是胃肠道微生物组——对于理解我们的免疫系统至关重要，但也是抗击不仅是过敏和哮喘等疾病，而且对于应对像COVID-19这样的传染病也至关重要。

IBD也被研究，因为胃肠道微生物组非常庞大和复杂。此外，哮喘在全球范围内呈上升趋势，因此我们认为分析和理解哮喘中的肺部微生物组变得越来越重要。

你能简要概述一下这个领域和人类健康的一般临床试验过程吗？

BS: 在Atlantia，从概念到完成全程运行试验。这意味着整个过程都在内部进行，从开始到结束。这包括设计、协议、初步研究和文档，以及法规、伦理申请、从我们的数据库招募志愿者、进行研究访问、收集所有生物样本、通过第三方认证实验室分析这些样本、统计分析，最后是报告。报告可以是临床研究报告，或者Atlantia也可以帮助撰写出版所需的文稿。

Atlantia在人类健康的许多不同领域都有丰富的经验，但在免疫方面，Atlantia进行了关于过敏和肺功能的研究，使用了肺功能测定和挑战测试。我们还进行了关于炎症性疾病（如IBD和骨关节炎）的研究，使用了炎症生物标志物，如IL-6、IL-8、TNF-α、高敏CRP、WOMAC问卷和疾病活动指数，如CDAI和CAI。此外，我们还研究了免疫力感染，如URTI，使用了流感滴度、WURSS-24问卷、Jackson评分和CARIFS问卷。最后，我们还研究了幽门螺杆菌，使用UBTs和抗生素相关腹泻——因此团队拥有广泛的项目经验。