微生物群靶向疗法：生态学视角
摘要
疾病与宿主及其微生物群之间稳态相互作用的破坏之间的联系现已得到充分证实。药物开发者和临床医生开始更多地依赖直接靶向微生物群的疗法，以及利用微生物群的生态学原理来理解这些治疗的结果。那些改变群落组成的微生物群靶向疗法的效果范围从消除单一物种的个别菌株（例如，通过抗菌结合疫苗）到用新的完整微生物群替换整个群落（例如，通过粪便移植）。与抗生素使用相关的继发感染提供了一个警示故事，说明扰动微生物物种网络可能带来的意外后果，并突显了开发具有快速伴随诊断的新窄谱抗生素的必要性。对微生物生态学的深入了解也将有益于益生菌的开发，其治疗前景将取决于严格的临床测试。未来的益生菌可能以长期群落居民的组合形式出现："胶囊中的粪便移植"。微生物群靶向疗法的有效性需要使用新的诊断工具来评估，这些工具测量群落功能而非组成，包括微生物群落对明确定义的扰动（如抗生素或益生菌）的时间响应。
人体微生物群由栖息在不同身体部位的数百种微生物物种组成，可被视为生态系统（参见Costello等人，2012年的综述）。健康的人体状态是微生物群与宿主之间的稳态。克罗恩病、慢性牙周炎和细菌性阴道病等疾病的特点是这种稳态的破坏，即所谓的"失调"（Tamboli等人，2004）。我们设想未来将有新的治疗和诊断手段，使我们能够管理微生物群来治疗和预防疾病（Kolter，2009）。
微生物群靶向疗法的开发面临两大挑战。首先，必须证明微生物群组成或功能的变化会导致疾病或促成其病理过程。相关性研究是一个良好的开端，但如果没有因果关系的证据，就几乎没有理由期望微生物群靶向疗法能够治愈疾病或缓解症状。其次，对于微生物群靶向疗法，我们可能需要接受对其作用机制的理解不如目前药物开发所要求的那么详细。迄今为止，开发新药的一个门槛要求是了解其分子机制，达到蛋白质-配体相互作用的水平。这一要求是否应适用于微生物群靶向疗法？生态学的一个核心教训是，扰动常常会在生态系统中产生涟漪效应，导致意想不到的结果（Costello等人，2012）。同样，期望的效果可能不是在抑制特定酶的水平上发生，而是以特定方式重构微生物群落。为了推进微生物群导向的治疗，我们需要定义新的终点（例如，微生物群落组成或功能），开发实现这些目标的疗法，并设计诊断工具来评估我们的努力。
治疗性扰动微生物群落的目标是什么？
明确的治疗目标是设计药物的先决条件；实际上，这一目标将决定用于判断治疗在临床前研究和临床试验中成功的诊断方法。治疗的目标通常采取临床终点或替代终点的形式，这一区别对微生物群靶向疗法尤为重要。临床终点是治疗的长期目标，例如预防心脏病死亡或消除克罗恩病的体征和症状（Lesko和Atkinson，2001）。如果微生物群靶向疗法的目标是临床终点（例如，清除艰难梭菌相关性腹泻），那么实现它就等同于临床成功。
然而，由于使用动物模型而非人类受试者，临床终点通常在临床前研究中无法测量。此外，某些临床终点在临床试验中可能难以测量（例如，预防心脏病死亡）。在这种情况下，使用替代终点——其水平可预测治疗对临床终点的影响的标记物（Lesko和Atkinson，2001）。例如，血清胆固醇降低已被用作预防心脏病死亡的替代终点。许多微生物群靶向疗法的目标将是替代终点，例如将肠道群落从克罗恩病相关状态转变为"健康"状态。如果这些疗法要取得成功，其替代终点必须能够预测临床终点；两者之间的相关性是不够的。
什么是健康的微生物组？
许多微生物群靶向治疗的目标将是恢复宿主-微生物群的健康稳态。评估微生物群状态的指标可分为两类：全局测量和特定标记。然而，正如后文所述，群落的健康可能与其抵抗病原体入侵的能力（一种功能特性）关系更大，而非其静态组成（一种结构特性）。
两种常用的全局指标源自生态学：α多样性（群落内多样性）和β多样性（群落间多样性）。α多样性与健康的关系因身体部位而异；例如，肠道中增加的α多样性与早产儿坏死性小肠结肠炎风险降低相关（Mshvildadze等人，2010；Neu和Walker，2011；Wang等人，2009），而阴道群落中降低的α多样性则与细菌性阴道病风险降低相关（Ravel等人，2011）。尽管β多样性与健康的关系尚未得到充分探索，但囊性纤维化的例子具有启发性：在口腔微生物群被铜绿假单胞菌侵入并接受更多抗生素暴露后，晚期疾病中观察到β多样性增加（Klepac-Ceraj等人，2010）。目前尚不清楚囊性纤维化中增加的β多样性是抗生素暴露和病原体入侵的原因还是结果。
除了与健康和疾病相关的多样性测量外，特定分类群正成为疾病状态的指标。在许多与微生物群相关的疾病中，疾病状态的特点是正常群落成员水平的变化，而非外来病原体的存在。例如，常见肠道居民普氏粪杆菌（Faecalibacterium prausnitzii）的减少与回肠克罗恩病相关（Sokol等人，2008；Willing等人，2009），而牙龈炎和牙周炎的疑似致病因子是健康牙周群落的正常成员（Hayashi等人，2006；Li等人，2004；Tanner等人，2002；Wilson等人，1993）。微生物群标记面临的两个关键挑战是定义标记物种/基因与疾病病理生理学之间的关系（尤其是如果是直接关系），并确定这些关系在人类群体中的适用范围。
适当的扰动尺度是什么？
将与人体相关的微生物群落视为相互作用物种的网络，扰动的尺度可能从"外科手术式"切除单个节点到消除整个网络并用新网络替换（图A10-1A）。这一光谱两端都有先例。抗菌结合疫苗代表最简单的扰动；这些制剂刺激免疫系统从群落中清除特定物种的特定菌株。位于光谱另一端的粪便移植包括结肠灌洗以移除居民群落，随后在内窥镜或结肠镜检查期间输注供体群落（20至30克供体粪便悬浮在100毫升水中）。粪便移植似乎能有效清除对抗生素治疗无效的复发性艰难梭菌感染（Gough等人，2011），但目前尚不清楚如此极端的扰动是否是将艰难梭菌的顽固菌株从肠道群落中置换所必需的。
正如我们在以下示例中强调的，生态扰动倾向于在群落中产生涟漪效应，这使得即使是最简单扰动的效果也难以预测。未来的主要挑战将是创建微生物群落生态学的预测模型，这些模型能够预见并最终规避这些涟漪效应（Costello等人，2012；Robinson等人，2010）。
上呼吸道微生物群中特定菌株的靶向清除
几种广泛使用的疫苗靶向偶尔致病的细菌共生体或共栖体（称为"病原共生体"）。对于病原共生体，定植是感染的第一步；这些菌株定植许多人并在部分人中引起致命感染。此类疫苗的两个例子是针对流感嗜血杆菌b型（Hib）和肺炎链球菌的结合疫苗，它们可预防感染并清除或防止定植（图A10-1A）。在20世纪90年代初引入疫苗之前，Hib定植了3%至5%的健康儿童；在免疫人群中，该疫苗几乎从咽部微生物群中根除了Hib。它似乎被致病性较低的流感嗜血杆菌菌株所取代（Mohle-Boetani等人，1993；Takala等人，1991）。
同样，2000年引入的七价肺炎链球菌结合疫苗使严重侵入性疾病下降了77%（CDC，2008；Whitney等人，2003）。接种后，非疫苗型肺炎链球菌（其中大多数比疫苗型致病性低）在咽部群落中变得更加普遍，而肺炎链球菌的整体定植率并未显著下降。因此，对Hib和肺炎链球菌的免疫接种导致它们被同物种中致病性较低的成员所取代，并且似乎对生态系统几乎没有其他影响。这种现象可能成为靶向清除病原共生体的常见结果，因为许多病原共生体有密切相关的非致病亲属，可以占据相同的生态位（Dethlefsen等人，2007）。一个重要的注意事项是，关于肺炎链球菌疫苗使用后金黄色葡萄球菌携带量可能增加的初步担忧可能最终被证明是有效的（Regev-Yochay等人，2008）。
针对病原共生体的疫苗的成功突显了更深入了解宿主-微生物群相互作用的免疫学方面以及开发新的微生物群靶向疫苗的潜力的必要性（参见Blumberg和Powrie，2012以及Hooper等人，2012的综述）。它还说明了群落组成中的菌株水平变化可能对临床产生重要影响。由于这些变化通常无法通过16S rRNA（核糖体RNA）序列分析检测到，因此迫切需要无需培养的诊断方法，使微生物群的物种和菌株水平鉴定成为可能。最后，我们从群落中精确移除单一分类单元的能力已远远超前于我们理解群落对这种扰动的响应方式的能力，包括微生物-微生物相互作用在决定哪些物种填补由扰动打开的生态位中的作用（图A10-2A）。
抗生素对微生物群的附带损害
抗生素挽救了无数生命，是临床实践不可或缺的，但它们会深刻扰动与人体相关的微生物群落（Blaser，2011；Costello等人，2012；Dethlefsen和Relman，2011）。抗生素治疗通常在免疫系统的帮助下实现根除感染的目标。然而，它可能产生生态上不希望的副作用，即杀死共生的（即有益的）细菌共生体，为顽强的病原体——其生长通常被这些共生体抑制——创造罕见机会，使其成为群落中的主导物种（例如，图A10-3中的替代状态2）（Costello等人，2012）。此类"继发感染"的两个例子是艰难梭菌相关性腹泻和酵母感染（念珠菌病），两者都与抗生素使用相关（Kelly和LaMont，2008；Spinillo等人，1999）。在这种情况下，微生物群靶向疗法的目标将是充分扰动新的"不健康"替代稳定状态，以将其转变为"更健康"的替代稳定状态（图A10-3）。
开具抗生素的临床医生和开发抗生素的研究人员面临四个挑战，我们在此和下一部分重点关注：（i）能否开发出临床上有用的辅助疗法来预防继发感染？（ii）能否鼓励医生使用更窄活性谱的抗生素，以尽量减少对细菌共生体的附带损害？（iii）是否应设计诊断方法以识别感染的致病因子，然后主动监测微生物群以发现继发感染的迹象？临床医生通常监测患者对抗生素对肾脏和肝脏的不良影响，但除了建议患者警惕艰难梭菌相关性腹泻和念珠菌病的症状外，他们没有好的方法来监测微生物群的状态。（iv）能否开发出对健康微生物群造成最小扰动的靶向抗生素？
图A10-1 微生物群落作为网络。（A）显示了对各种身体部位微生物群落中发现的微生物物种网络的三种扰动类型。微生物群可通过疫苗或物种特异性抗生素切除单个物种（节点）、通过抗生素消除多个节点或子网络，或通过微生物群移植替换整个网络。（B）将微生物群落建模为网络的两种方式。（左）节点作为物种，边作为物种间的相互作用。物种网络可直接从宏基因组序列数据构建，但缺乏功能信息。（右）节点作为功能，边作为功能间的相互作用。功能网络可生成关于微生物群-宿主相互作用机制的假设，但需要将基因映射到功能或进行直接功能测量的面板。
图A10-2 治疗和诊断的新机遇。（A）抗生素挽救了无数生命，但当它们杀死通常抑制病原体生长的共生（即有益的）微生物群时，可能会导致继发感染。用益生菌重新定植经抗生素治疗的患者是预防继发感染的一种有前景的策略。（B）鉴于人类微生物群有许多正常的分类学组成，开发功能属性（如抵抗力和恢复力）方面的正常或健康群落标记物可能更容易。单时间点的分类群和基因丰度测量（左）在提供功能信息方面有限。基于代谢物直接测量（右，上）和对抗生素或益生菌挑战的稳健性时间测量（右，下）的诊断将能够直接评估群落功能。
被动恢复与主动重新定植
从某种意义上说，目前的抗生素治疗方法相当于用除草剂处理杂草丛生的花园，然后任其荒芜，希望所需的作物能生根。这是次级演替生态现象的一个例子，次级演替描述了群落物种在干扰后的变化。影响次级演替过程的一种方法是用一种或多种先锋物种为新清理的生态系统播种（图A10-2A）（Costello等人，2012）。
微生物组背景下生态系统重新定植成功的一个有趣例子是使用粪便移植治疗难治性复发性艰难梭菌相关性腹泻。艰难梭菌感染的发病率正在迅速上升；在1996年至2005年间，美国报告的年度病例数量增加了两倍，英格兰的死亡人数增加了近七倍，达到3,393人（Kelly和LaMont，2008）。几乎所有艰难梭菌感染都与医疗保健相关，发生在住院患者或近期出院患者中（CDC，2012）。最近的一项研究报告称，在多次复发的患者中，粪便移植解决了34名感染常规艰难梭菌菌株的患者中的34名症状，以及36名感染一种特别毒力的艰难梭菌菌株（称为核糖体型027）的患者中的32名（Mattila等人，2012）。目前，粪便移植仅用于对二次抗生素治疗反复失败的患者；然而，将其作为抗艰难梭菌抗生素初始疗程的辅助或后续治疗的潜在用途可能会显著降低目前为20%至30%的复发率。更远的未来，人们可能会设想使用患者储存的抗生素前粪便微生物群进行自体粪便移植，以预防或治疗艰难梭菌相关性腹泻（图A10-2A）。
除这一例子外，文献表明，临床实践从抗生素治疗期间和之后的被动恢复向微生物群的主动重新定植的转变将需要有效性证明和制药级产品（Thomas和Greer，2010）。最近对儿童抗生素相关性腹泻预防的辅助益生菌治疗的随机对照试验的荟萃分析表明高剂量益生菌可能有益（Johnston等人，2011）。相比之下，目前尚无足够数据支持在成人中同时使用益生菌治疗以预防艰难梭菌相关性腹泻（Cohen等人，2010）。在这两种情况下，迫切需要具有疾病状态和临床终点的共识定义以及标准化益生菌成分和剂量的大规模随机对照试验。
同样，病原共生体感染的未来抗生素治疗是否会随后使用共生微生物群进行治疗性重新定植？例如，在治疗金黄色葡萄球菌感染后，微生物群被动恢复，但金黄色葡萄球菌不一定被根除，可能使患者面临比未定植者更高的新金黄色葡萄球菌感染风险。在某些高风险人群中，已通过使用局部抗生素（莫匹罗星）治疗前鼻孔和氯己定全身清洗来努力根除金黄色葡萄球菌携带，特别是耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（Chow和Yu，1989；Fritz等人，2012）。然而，目前的去定植方法并未尝试影响次级演替。未来的挑战将是确定金黄色葡萄球菌等病原共生体在健康微生物群中的作用，以及是否可以使用无病原共生体的群落来替换原始群落。
图A10-3 微生物群靶向疗法可将群落转变为更健康的稳定状态。微生物群对微生物群靶向疗法的响应可用稳定性景观图说明（1）。包含网络的球代表微生物群落，其在景观内水平位置的移动表示在替代稳定状态之间的移动。盆地的深度表示群落在响应扰动时停留在该特定状态的可能性，因此反映了将群落转移到替代稳定状态（例如，从状态1到状态2）所需的扰动程度。在此图中，从群落网络中移除某些节点（黄色和绿色）的治疗扰动足以将群落转移到替代的、在这种情况下更健康的稳定状态（状态1）。
窄谱抗生素：政策、诊断和新制剂
许多循证临床实践指南和抗生素管理计划促进使用窄谱抗生素。例如，堪萨斯州的一家儿童医院引入了针对无并发症社区获得性肺炎的经验性治疗（即在确定感染致病因子之前）的临床实践指南，倾向于使用相对窄谱的氨苄西林，而不是具有更广活性谱的头孢曲松。结果是经验性使用头孢曲松的比例从72%下降到经验性使用氨苄西林的比例为63%，初始抗生素失败率没有显著变化（Newman等人，2012）。同样，2011年国家临床实践指南推荐对住院的无并发症社区获得性肺炎儿童使用氨苄西林（Bradley等人，2012）。
对于患有严重急性感染的患者，经验性使用广谱抗生素仍然是救命措施。在这些情况下，转向同样有效的窄谱制剂受到当前诊断需要24至72小时才能培养、识别和确定引起感染的细菌的抗生素敏感性的限制。窄谱抗生素的增加使用将需要不仅更快、更敏感而且与当前基于培养的方法一样特异的伴随诊断。针对病原体特异性基因的核酸测试似乎满足这些标准，但其极高的敏感性提出了一个既是生态学又是实践性质的问题：如果此类测试呈阳性，临床医生如何确定病原体是否仍然存活，如果是，它是否是感染的致病因子，而不是（对于无菌部位/隔室样本）污染物或（对于非无菌部位样本）旁观者？
除了提供对易感细菌病原体同样有效的治疗外，窄谱抗生素还最小化了对微生物群落结构的附带损害，减少了微生物群内抗生素耐药基因传播的选择压力，并降低了获得耐药菌株的可能性。生态学研究表明，扰动会使群落更容易受到入侵，其中大部分是可预测的（Costello等人，2012）。需要进一步研究抗生素对微生物群的影响，以确定抗生素敏感物种的损失如何导致物种网络的意外变化（Little等人，2008）；即使是窄谱抗生素也可能从网络中移除连接良好的节点，这可能对群落结构产生意外大的影响。
未来抗生素应如何设计
生态学的两个关键见解可能会改变未来抗生素的设计和开发方式。首先，长期以来的观点是，对于活性谱，"越广越好"。广谱抗生素的意外后果为在医生工具箱中补充靶向制剂提供了动力。最近的两项努力已证明抗生素可以设计成具有最窄的谱：两者都抑制金黄色葡萄球菌但不抑制密切相关的细菌。一种分子，脱氢角鲨烯合酶抑制剂，阻断金黄色葡萄球菌黄色色素毒力因子葡萄球菌黄素的产生，该物种名称即由此而来。这种抗生素——最初开发作为用于人类的候选胆固醇生物合成抑制剂——不杀死金黄色葡萄球菌，但在感染动物模型中使细菌对先天免疫清除更敏感（Liu等人，2008）。另一种分子，FtsZ抑制剂，已被提议结合FtsZ中在厚壁菌门中多态的区域；结果是一种对各种金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌物种具有活性的抗生素，但对肺炎链球菌和粪肠球菌没有活性（Haydon等人，2008）。要作为感染早期的单药治疗使用，这些药物将需要上述快速伴随诊断。
其次，尽管抗生素通常在液体培养中设计和测试，但病原体通常生活在称为生物膜的结构化、表面相关群落中（López等人，2010）。许多感染由生活在生物膜中的细菌引起：这些包括龋齿、牙周感染、中耳炎、心内膜炎、骨髓炎、人工关节感染、囊性纤维化中的肺部感染以及与医疗器械相关的感染（Darouiche，2004；Furukawa等人，2006）。鉴于现有抗生素很少能清除受影响部位的生物膜，患者通常需要数周至数月的治疗和手术/机械干预。为了更有效地治疗生物膜相关感染，需要促进生物膜分散或完全阻止其形成的制剂。最近的一项有希望的发现来自观察，通常研究的土壤细菌枯草芽孢杆菌产生一种促进其自身生物膜解体的可扩散因子，即D-氨基酸混合物（Kolodkin-Gal等人，2010）。这一结果的普遍性通过显示D-氨基酸可以防止革兰氏阳性病原体金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性病原体铜绿假单胞菌形成生物膜得到证明。研究D-氨基酸作用机制的可能为打开一类逆转或防止生物膜形成的新制剂的大门。这将使其构成的病原体更容易用传统抗生素治疗，其中许多对自由生活的细菌比对生物膜中的细菌更有效（Stewart和Costerton，2001）。
益生菌疗法的前进道路是什么
益生菌是另一类与生态学原理密切相关属性的微生物群靶向疗法。未来益生菌设计的一个关键问题是它们应该是群落的短期还是长期居民。目前大多数益生菌（例如，乳酸杆菌和双歧杆菌物种）是肠道群落的短暂成员，仅存在几天（Denou等人，2008）。短期定植的优点包括意外后果风险较低，以及通过反复试验和观察确定哪种益生菌最有效的能力。然而，长期居民（例如，拟杆菌和梭菌物种）将能够以短期居民无法做到的方式调节群落结构和功能，包括通过可能已进化以监测常见长期居民化学线索的肠道上皮细胞表达的受体向宿主发出信号（参见Holmes等人，2012和Nicholson等人，2012的综述）。如果未来供应长期居民的益生菌疗法被广泛使用，一个重要的挑战——因农业生态学研究而闻名——将是确保不在过于广泛的人群中使用单一菌株；益生菌菌株选择有限可能会无意中在人群层面造成对疾病的易感性（Hughes等人，2008）。
除了居留时间外，益生菌疗法的另一个关键属性是其包含的细菌物种数量。大多数现有益生菌由一种或几种菌株组成，那些是简单群落的成分似乎基于"越多越好"的格言选择，而非基于科学原因。在复杂性光谱的另一端，粪便移植由数百种物种组成的完整、高度复杂的群落组成。新的益生菌会占据这一光谱的中间位置吗？两种可能性是包含约20种物种的合成群落，选择代表常见肠道细菌的主要分类群（Faith等人，2011），以及更雄心勃勃的、选择模仿常见"肠型"健康状态的50多种物种的定义混合物（Arumugam等人，2011）——"胶囊中的简化粪便移植"。
目前，大多数益生菌针对肠道，但设计和测试肠道益生菌的原则也可能适用于皮肤、口腔、阴道和上呼吸道群落。例如，对于特应性皮炎，含有阻断金黄色葡萄球菌定植的益生菌棒状杆菌物种的外用软膏可能与抗生素或免疫抑制剂一样有效（Kong等人，2012）。同样，益生菌牙膏和漱口水可能在逆转或预防龋齿和牙周疾病方面非常有效（Zahradnik等人，2009）。
益生菌的广泛临床使用将需要大规模随机对照试验的有效性和安全性证明，具有疾病状态的共识定义、制药级产品和标准化剂量（Cohen等人，2010；Johnston等人，2011；Thomas和Greer，2010）。一些著名研究已引领展示益生菌对疾病结果的积极影响（Shanahan，2010）。在预防早产儿坏死性小肠结肠炎（Dshpande等人，2010）和儿童急性腹泻（Sur等人，2011）方面已看到明确的成功，在预防成人抗生素相关性腹泻和艰难梭菌相关性腹泻方面存在有希望的数据（Gao等人，2010；Hempel等人，2012）。益生菌对溃疡性结肠炎和储袋炎有益，尽管克罗恩病的数据看起来不太乐观，但研究设计的差异（使用不同细菌菌株和功效不足的研究）使结果难以解释和比较（Isaacs和Herfarth，2008）。肠易激综合征已显示出有益的迹象，但最近的荟萃分析强调，迄今为止大多数研究设计不佳（Brenner等人，2009），强调了未来需要更好的研究设计。值得注意的是，个别试验中的低成功率不应成为放弃努力的理由；只要有一部分患者是明确的应答者，就可以从追求其应答的生物学基础中学到很多，就像在肿瘤学试验中，一部分应答者揭示了对靶向激酶抑制剂应答的分子基础（Jänne等人，2009）。
对于具有已证明安全性和有效性的益生菌，阐明它们发挥效果的分子机制对于说服学术界和临床界其重要性也很重要。值得注意的是，益生菌不需要引起群落组成的改变就能发挥作用，因为群落功能（或宿主功能）可能在不改变群落成员的情况下被改变。事实上，最近的一份报告显示，益生菌混合物不会改变肠道微生物群的组成，但会改变其代谢功能（McNulty等人，2011）。
微生物群诊断会领先还是跟随治疗？
微生物群有两个特点使其成为诊断的极佳来源（图A10-2B）。首先，信息丰富：细菌细胞对其环境极为敏感，通常会因细胞外线索而改变数量或激活转录电路。群落名单（宏基因组）和状态（宏转录组、宏蛋白组和宏代谢组）因此将是对炎症和代谢等的敏感读出（Blumberg和Powrie，2012；Holmes等人，2012；Hooper和Littman，2012；Nicholson等人，2012）。其次，易于收集和分析：粪便样本、唾液和鼻拭子比血液更容易提供。对于有患克罗恩病风险的患者，从家中每月邮寄粪便样本将比每年进行结肠镜检查更简单、更具成本效益。用于癌症基因分型的工具可被改编用于微生物群分析，因此主要挑战将不那么技术性而更科学：应该向样本提出什么问题？
用于微生物群的一些诊断应以葡萄糖耐量测试中使用的简单扰动和测量组合为目标（图A10-2B）。例如，施用益生菌或抗生素，然后在几个纵向时间点测量群落组成，将确定群落对扰动的抵抗力及其恢复力（恢复到原始状态的能力）。虽然单时间点的群落组成测量是有信息的，但基于扰动的诊断对微生物群尤其重要，因为微生物群有许多"正常"的分类学组成。通过功能属性（如抵抗力和恢复力）而非组成单次测量来定义正常或健康可能更容易。
将生态学与微生物群最新研究联系起来的一个新兴主题是需要将群落组成映射到其功能（图A10-1B）。
这种映射很少是明显的，因为密切相关的分类群可能具有不同的功能，而无关的物种可能具有惊人相似的功能。尽管如此，了解组成如何决定功能的机制理解对于开发有用的诊断和治疗至关重要。宿主可能对存在哪些物种不感兴趣，但群落从饮食中释放营养物质和抵抗病原体入侵的能力至关重要。
因此出现两个问题：首先，在什么粒度级别应询问功能？知道某种肠道物种产生短链脂肪酸是否足够，还是区分丙酸盐和丁酸盐很重要？其次，基于功能的诊断会是什么样子？一种可能性是利用从微生物组宏基因组样本分析中获得的丰富专业知识，开发从群落中存在物种和基因预测功能的方法。另一种可能性是开发简单的测试，类似于用于肾功能的血清肌酐测试，可以从容易获得的样本中快速评估群落功能的重要代谢指标（Holmes等人，2012；Nicholson等人，2012）。无论诊断是领先还是跟随治疗，强调测量功能而非分类群将有助于构建生态学和治疗之间日益重要的桥梁。
使微生物生态学更容易建模和更具可预测性的努力将获得回报，增强我们理解和操纵人类微生物群的能力。毫不奇怪，工业和学术药物发现团队很少有生态学家在职员中。这可能需要改变；严格的生态分析将成为设计微生物群靶向疗法、测量其有效性以及评估其对群落的意外影响的必要组成部分。
致谢
感谢L. Costello、B. Bohannon、J. Gordon、V. Klepac-Ceraj、Forsyth宿主-微生物群焦点小组成员以及三位审稿人的有益评论。资金：作者实验室的研究由W. M. Keck基金会医学研究奖（M.A.F.）、David和Lucile Packard基金会科学与工程奖学金（M.A.F.）、NIH DP2 OD007290（M.A.F.）、NIH DE020751（K.P.L.）、Children's Hospital Boston办公室教师发展奖学金（K.P.L.）、Doris Duke慈善信托杰出临床科学家奖（D.A.R.）、NIH先锋奖DP1OD000964（D.A.R.）以及斯坦福大学Thomas C.和Joan M. Merigan捐赠基金（D.A.R.）支持。
【全文结束】
