微生物组在个性化医疗中的重要意义 - 硒与微生态

摘要

考虑到微生物组的重要作用，当前许多研究已聚焦于其有益方面。尽管研究探索了微生物组影响的新维度，并检查了患者与健康个体之间的差异以识别生物标志物模式，但相关信息仍然有限，该领域的研究似乎具有重要价值。另一方面，称为个性化医疗的新治疗方法为医学科学打开了新窗口，微生物组与个性化医疗之间的关联似乎是后续研究中最有趣的方面之一，并对癌症等疾病的治疗具有关键视角。因此，鉴于这两个轴线之间关系的新颖性，这方面的研究非常少。特定菌株的存在可能具有调节癌症进展和治疗的能力；这增加了微生物组在治疗和预后方面与精准医疗相关的可能性，因此，微生物组是下一代医学，可能在此领域开发出新的治疗作用。

背景

包括细菌、古菌、真菌等在内的微生物群落被称为微生物群或微生态，它们编码的基因称为微生物组。健康的微生物组具有一系列联合特征，可以与非健康个体区分开来，因此了解微生物组的差异特性可能有助于检测和识别与疾病相关的微生物组。健康人群的微生物组非常多样化，具有大量有益微生物，可以承受每个生理压力期间发生的变化；而与疾病相关的微生物群则多样性较低；有益细菌数量较少，并在炎症存在时导致疾病。然而，研究人员面临的主要问题是了解个体间微生物组多样性的潜在特征。传统方法如培养在这方面提供了很少的信息，但如今，诸如NGS等方法能够引入对这一群体及其组合的可接受理解，并识别出体内的古菌、细菌和病毒。微生物生态的紊乱可能与许多疾病相关，如糖尿病、炎症性肠病等；人类微生物组可用作初步诊断生物标志物，研究人员如今关注其治疗作用。众所周知，人体每个器官的微生物群都是独特的，其对炎症和癌症的影响在每个器官中也各不相同，以及了解人际微生物组的变化和器官不同位置的微生物种群频率，导致可能与癌症等疾病发展相关的信息。这些差异可能是特定器官癌症发生的原因，例如，结直肠癌的易感性是由于与小肠相比存在更高的微生物密度。微生物组负责各种临床结果，个体的药物反应可能是由于这些差异；并非所有患者对抗癌疗法表现出相同的反应。因此，考虑到每个人遗传信息的考虑以及药物反应的改善，个性化治疗可以在医疗保健计划中发挥突出作用，特别是在癌症方面。研究表明，肠道微生物组还可以通过调节宿主炎症反应来有效治疗癌症；微阵列技术在这方面可能有所帮助，因为它们可以同时评估数百个与癌症相关的基因。现代个性化治疗在疾病开始前就与每个个体的遗传结构和疾病史相结合，这与传统个性化治疗不同。每个肿瘤都是一组特定的遗传模式，因此了解癌细胞中的遗传改变和基因表达谱可以导致有效治疗。美国国立卫生研究院(NIH)提供了大量关于癌症基因组在个性化治疗中重要性的信息，不仅基因组学，蛋白质组学在个性化治疗中也发挥着重要作用。炎症、代谢和基因毒性是关键机制，微生物群可以通过这些机制调节致癌作用，因此可用于开发抗癌疗法。如今，称为个性化医疗的新治疗方法为医学科学打开了新窗口，微生物组与个性化医疗之间的联系似乎是未来研究中最有趣的方面之一，并被视为癌症等疾病治疗的重要视角。

正文

微生物组代谢物在疾病发展中的作用（图1）

随着癌症等复杂疾病的到来，环境、微生物组和癌症效应之间的关联可能非常复杂。细胞代谢和炎症的变化是癌症的标志。即使宿主-微生物组对癌症的反应不被视为基本事件，某些癌症（如结直肠癌）中微生物化合物的存在也可能间接重要。体外研究报道了细菌群体感应肽(QSPs)与癌细胞之间的信号传导过程。当细菌处于压力条件下时合成的芽孢杆菌衍生QSPs具有在称为上皮间质样(EMT-Like)的过程中诱导侵袭性肿瘤细胞的能力（涉及结直肠癌转移）。在这些条件下，QSPs参与转移和血管生成行为。在其他类型的癌症中，微生物活性可以降低化疗的有效性或影响肿瘤发展。生活方式和饮食也是在决定微生物组方面发挥重要作用的因素。此外，肠道微生物群产生的各种代谢物在促癌和抗癌诱导中有效；然而，不同的决定因素仍不完全了解。

图1

微生物群产生的代谢物及其对健康的作用

微生物组衍生的代谢物有可能促进癌症发展，这一点已被认可。显然，饮食是这些代谢物的重要来源；例如，高脂肪和高蛋白饮食是现代西方饮食的特征，这是癌症发生的风险因素之一。另一方面，胆汁酸(BA)被用作与代谢稳态相关的信号分子。特定酶将BA转化为次级胆汁酸(SBA)，其可充当致癌物。体外研究表明，暴露于脱氧胆酸(DCA)和石胆酸(LCA)等SBA化合物一小时会导致DNA广泛损伤，具有剂量依赖性行为。研究表明，非裔美国人相对于土著美国人在结直肠癌方面表现出更高的发病率和更高的死亡率。研究了这两组（非裔美国人和土著美国人）的微生物组组合，发现非裔美国人组中拟杆菌属物种丰富，而土著组中普雷沃菌属物种丰富。此外，第一组中SBA和粪便SBA的编码基因水平较高，而短链脂肪酸在土著美国人中较高，因此研究表明，尽管具有相同的遗传历史，特定疾病的表型和发育差异是可能的，这些差异主要归因于各种饮食和微生物组组合。富含纤维的食物消费诱导糖解发酵，由于肠道微生物的不同物种产生短链脂肪酸，特别是乙酸、丙酸和丁酸。例如，拟杆菌门具有高水平的乙酸和丙酸，而厚壁菌门细菌产生大量丁酸。一些抗癌活性与丁酸相关。例如，丁酸可在结直肠腺癌细胞中诱导S期消融，并通过诱导凋亡和P21和细胞周期蛋白B1等细胞调节因子的表达来抑制生长。有趣的是，丁酸效应是细胞依赖性的；丁酸在正常细胞中诱导增殖作为能量来源，而丁酸在细胞系中抑制增殖并触发凋亡。

炎症、癌症和微生物组之间的关系（图2、3）

慢性炎症和炎症因子如活性氧和氮物质、细胞因子和趋化因子可促进生长和转移。与癌症相关的微生物在肿瘤微环境中激活NFκB信号。NFκB在具核梭杆菌(F. nucleatum)高流行率的肿瘤中被激活，这在结直肠癌中发现丰富。NFκB是炎症反应的调节器，也是癌细胞内触发生存的基因以及微环境内诱导炎症的基因的激活器。FadA是具核梭杆菌中的粘附素。体外研究表明，FadA通过结合NK细胞中的TIGIT抑制受体并抑制其细胞毒性活性，有助于肿瘤细胞侵入免疫系统。除了先天免疫系统外，微生物还会影响获得性免疫系统；例如，当特定细菌暴露于CD4 T细胞时，可能产生诱导肿瘤进展的细胞因子。例如，IL-23是这些细胞因子之一，由肿瘤相关髓样细胞产生，作为对鞭毛蛋白等微生物产物的反应，促进肿瘤细胞的生长和发育，并发展肿瘤IL-17反应。

图2

饮食、环境因素和宿主对微生物群的影响以及微生物群对稳态和菌群失调的作用

图3

脆弱拟杆菌和具核梭杆菌对炎症和结直肠癌的影响

产肠毒素的脆弱拟杆菌在人类中导致炎症并诱导结肠炎，并在体内强烈诱导小鼠多发性肠息肉中的结肠肿瘤。这种毒素通过Th17反应诱导STAT3信号传导，导致IL-17和IL-22的产生，以及通过激活STAT3途径与人类结直肠癌相关的其他细胞因子。另一方面，炎症可能与其他恶性肿瘤相关，是癌症发展的风险因素；例如，肥胖可能是过度表达能够产生如SBA等促致癌代谢物的细菌物种的生产者。肥胖受试者中的菌群失调改变了肠上皮，导致对微生物产物的通透性增加，这可以激活固有层中的免疫细胞，在循环后到达肝脏，并导致促炎细胞因子如TNF和IL-6的产生。最后，研究表明，由于微生物产物导致的屏障恶化与结直肠肿瘤发生相关。

微生物组在精准诊断和个性化治疗中的作用

各种证据表明，微生物群-宿主相互作用的失调与不同疾病相关，如炎症性肠病(IBD)、糖尿病、肝硬化和结直肠癌。最近，已进行有关细菌与癌症治疗药物之间反应的研究，研究结果表明，细菌通过免疫系统介导的相互作用对药物疗效是必要的，尽管关于人类微生物组组合和癌症患者治疗结果的影响的信息很少。许多研究表明，根据肠道微生物组组合，患者有可能响应或不响应免疫治疗，这可以在药物相互作用评估中考虑。此外，肠道微生物组作为疾病表型、预后和治疗反应的生物标志物的作用，在各种疾病中微生物种群结构改变的背景下得到了很好的描述。讨论表明，肠道微生物组与CD患者的手术相关，伴随着复发性疾病中粘膜相关普拉梭菌的增加。尽管在IBD方面的微生物组进行了许多研究，但结果之间没有达成一致，这是由于地理差异以及抗生素使用、饮食和其他影响肠道微生物组的有效因素所致。因此，需要对与炎症性疾病如IBD相关的粘膜细菌进行进一步研究。此外，微生物组特征与许多其他相关胃肠道疾病相关。例如，具核梭杆菌通过FadA粘附素用作结直肠癌的诊断标志物，或艰难梭菌(C. difficile)感染与微生物多样性降低和次级胆汁酸产量低相关。此外，最近两项研究确定了艰难梭菌感染中的微生物组特征，可以预测该疾病。一项研究在这方面发现了显著结果，表明在接受来自健康人粪便样本的粪便微生物群移植(FMT)后，这些患者有90%的临床改善。这方面的另一个例子是，在患有乳糜泻疾病并表现出胃肠道症状的患者中观察到变形菌门的扩散，与那些表现出肠外症状的相同疾病患者相比。许多研究对描述类风湿性关节炎等系统性障碍中的肠道微生物群特征感兴趣，并确认普雷沃菌属在这些患者中可见。在另一项研究中，这些个体中柯林斯菌属、艾格索特拉菌属和粪杆菌属丰富。

许多微生物与治疗反应相关。例如，值得注意的是，对anti-PD1治疗有反应的患者具有高发的粪杆菌属，而对治疗无反应的患者表现出高发的拟杆菌目。研究表明，微生物种群是细菌免疫协同作用的来源，以响应anti-PD1治疗。对治疗反应更好的转移性黑色素瘤患者中，长双歧杆菌的流行率较高。在带瘤大鼠肠道中存在这些物种表明对anti-PD-L1的治疗改善。另一方面，瘤胃球菌属和罗氏菌属在对治疗无反应的人中被观察到。Routly观察到，在癌症治疗过程中接触抗生素可能与anti-PD1治疗反应相关，实际上确认了微生物网络的破坏和特定细菌的丧失可能干扰免疫疗效。比较对治疗有反应者的粪便微生物群显示，与无反应者相比，嗜粘蛋白阿克曼菌相对增加，这也表明anti-PD1治疗的最佳结果。对治疗有反应的患者的微生物群含有免疫调节细菌，如嗜粘蛋白阿克曼菌、粪杆菌属和双歧杆菌属，这些对anti-PD1的表现更好。在另一项研究中，观察到接受来自对治疗有反应的患者的FMT的小鼠，比接受来自无治疗反应者的FMT的小鼠，对anti-PD1治疗的恢复反应进一步增强。发现这种改善的反应与大鼠粪便中粪杆菌属的频率相关。在后续的补充研究中，发现接受来自对治疗有反应的受试者FMT的小鼠肿瘤显示出高水平的CD8 T细胞，与另一组相比。另一方面，Routly报告说，在接受来自对治疗无反应的受试者FMT的小鼠中存在A. muciniphila，导致免疫细胞的抗肿瘤活性改善。

其他有趣观察表明，嗜粘蛋白阿克曼菌、粪杆菌属和双歧杆菌属的菌株与抗炎反应相关，这是一种防止过度反应激活的免疫系统臂，有助于形成和维持稳态。例如，肠道中A. muciniphila的相对下降与许多疾病相关，如IBD、II型糖尿病和其他疾病。同样，F. prausnitzii通过产生特定代谢物（如丁酸、水杨酸）下调与肠道和外周血中宿主细胞或细菌相关的肠道炎症。

所有这些研究表明，包括肠道微生物群的精准医学策略可以具有治疗潜力。最后，所有这些结果表明，正在努力创建合成微生物群落以治疗各种疾病，如IBD和CDI。肠道微生物群有能力通过许多免疫和非免疫细胞类型（如RNA、DNA、膜化合物等）通过产生代谢物网络来调节个体健康。有趣的是，除了具有偶发性微生物群外，在对治疗有反应的患者中，可以假设在易位到产生特定抗肿瘤免疫反应的次级淋巴器官时，肠道细菌可能与治疗有更好的协同作用。

讨论

人类微生物组计划由国立卫生研究院于2007年启动，旨在提供必要的资源和专业知识来表征人类微生物组并检查其在健康中的作用。HMP作为发现微生物在人体不同部位的健康、疾病、营养和免疫中所起作用的路线图。它检查了身体五个不同区域的微生物：鼻子、口腔、皮肤、阴道和结肠。应该注意的是，根据研究，大多数微生物群落彼此不同（例如，皮肤上的微生物与口腔、肠道和阴道中的微生物不同）。微生物也不以混合形式出现，所有可能定植人体的主要细菌门类并非存在于每个部位。到目前为止，已使用两种主要策略通过NGS分析微生物群落：鸟枪法宏基因组学和16S rDNA测序。鸟枪法宏基因组学是来自整个微生物群落的细菌DNA测序的综合部分。16SrDNA测序依赖于16S基因特定区域的聚合酶链反应(PCR)扩增。假设16S测序是一种稳健、特征明确的方法，提供关于微生物群落组成的足够信息，从每个样本相对少量的序列（*20万）开始。然而，该方法的主要限制之一是基于细菌基因组单个区域的序列分配分类单元。另一方面，鸟枪法宏基因组学需要更复杂的下游数据分析和更高的覆盖率（1000-3000万次读取）。然而，鸟枪法宏基因组学通过收集广泛基因组区域的序列信息，允许在物种水平上进行更准确的定义，从而产生细菌群落的详细描述。

人类微生物组可用于检测生物标志物，当前研究旨在检查其治疗作用。鉴于微生物组是疾病状态的生物标志物，检查微生物组学和宏基因组学对于了解过程是必要的。当前的生物标志物将是未来的诊疗学，可以概述患者建议的诊断治疗方法，并测试新的可能的药物方法，以根据筛选结果找到最佳治疗。

然而，仍有许多挑战需要解决；例如，我们是否在制造抗菌药物耐药性菌群；微生物组如何修饰药物，副作用是什么以及如何将它们最小化？对于某些疾病或癌症，强有力的研究所建立的肠道微生物组作为靶向非侵入性生物标志物的工具。微生物代谢物（例如支链氨基酸）可作为与代谢紊乱（如前糖尿病和2型糖尿病）相关的微生物生物标志物，以预防或缓解疾病。除了在不同疾病状态下微生物群落结构的任何改变的明确定义关联外，肠道微生物组最近已被用作疾病预后、表型和治疗反应的生物标志物。此外，炎症性肠病是与菌群失调相关的最佳检查条件之一，其中微生物组已作为对治疗反应和疾病表型的重要标志物。据报道，肠道微生物组特征与CD的手术结果之间存在关联，其中回肠粘膜中F. prausnitzii的增加与6个月时疾病复发减少相关。尽管一些研究强调了IBD中微生物组的变化，但在这方面没有共识。因此，为了克服抗生素使用、疾病亚型和其他影响肠道微生物组的因素的影响，需要来自不同地理区域的大队列。一般来说，饮食，特别是膳食纤维的消费，似乎显著影响肠道多样性、生态和功能。研究表明宿主健康与膳食MAC（微生物可及碳水化合物）之间存在联系。肠道微生物群组成受膳食纤维和微生物群组成诱导改变的影响。然而，存在大的个体间差异。根据Kovatcheva-Datchary等人的研究，补充膳食纤维后改善的葡萄糖代谢导致肠道微生物群中普雷沃菌属丰度增加。研究还表明，膳食纤维通过调节肠道微生物群可以防止高脂饮食诱导的肥胖。最近关于蛋白质摄入对肠道微生物群影响的研究表明，高蛋白饮食导致粪便中不利代谢物的增加。还报告说，由于调节肠道微生物群，omega-3脂肪酸的消费可以减少慢性炎症和体重增加。例如，早期生活压力动物的肠道微生物群组成由于EPA/DHA而改变。根据Degnan等人的研究，钴胺素和相关因素塑造了人类肠道微生物群落的组成及其功能。作为饮食化合物的乳化剂改变肠道屏障功能障碍和肠道微生物群，并对代谢产生负面影响。此外，最近的研究确定了两个微生物组特征，可以预测疾病结果并允许治疗分层。与具有乳糜泻疾病肠外表现的患者相比，具有胃肠道症状的乳糜泻疾病患者在菌群失调的微生物群设置中经历了变形菌门的扩张。除了胃肠道内的疾病外，系统性障碍如类风湿性关节炎中也报告了肠道微生物组特征。据报道，在新发类风湿性关节炎(RA)中，肠道普雷沃菌属也发生扩张。在另一项最近的研究中，报告了RA患者中粪杆菌属、艾格索特拉菌属和柯林斯菌属的富集，以及柯林斯菌属与高浓度天冬酰胺和α-氨基己二酸之间的强相关性，以及实验性关节炎和α-氨基己二酸细胞因子IL-17A的产生。

上述例子以及其他例子提供了实验证据，证明微生物组在人类疾病中的作用以及基于微生物组的生物标志物对未来诊断和治疗目的的潜在影响。尽管已经进行了大量研究以识别生物标志物，但需要更多的体外和体内模型组合来在大型多中心队列中验证这些特征并确定其因果作用。

结论

使用生物标志物进行初步诊断的诊断测试的开发是精准医学的关键方面之一。结直肠癌是进行研究的情况之一，研究人员评估了粪便微生物群用于早期检测结直肠癌的潜力，并将其作为各种临床群体中健康人、腺瘤和癌患者的筛查工具。这些有限的研究证实了微生物组在人类疾病中的作用，以及微生物组群体可能在不久的将来用作诊断和治疗生物标志物。尽管这些研究是初步的，并且肯定需要针对每种疾病的更多体外和体内研究以及更多确认性测试，以获得合适的微生物组特征。

需要进一步研究以了解细菌如何影响免疫系统和肿瘤微环境，另一方面，微生物种群与抗肿瘤治疗反应之间的关联很复杂。事实上，通过抗生素或其他压力源暴露等手段选择性减少和细菌分类群可能导致免疫治疗反应降低。此外，其他部位特定微生物的存在可能导致干扰治疗。例如，大肠杆菌通过代谢和使药物的活性形式失活，降低了化疗的效果，这可能与肿瘤反应产生负面相互作用，因此特定菌株的存在可能具有调节癌症进展和治疗的能力。这增加了微生物组在治疗和预后方面与精准医疗相关的可能性，因此，微生物群是下一代医学，可能在此领域开发出新的治疗作用。