什么是微生物组？为什么重要？
人体是包括真核生物、古菌、细菌和病毒在内的多种微生物的栖息地。这些微生物群落及其基因统称为微生物组。人体大约由10万亿个人体细胞组成，却容纳着10-100万亿个微生物组细胞。从基因层面来看，人类微生物组中的基因数量大约是人类基因组的15倍。毫无疑问，这些微生物对人类健康具有强大影响力。
微生物几乎存在于人体的每个部位，生活在皮肤表面、肠道中以及鼻腔和口腔内。其中大多数不仅有益健康，而且对维持生理平衡至关重要。它们支持和调节代谢、先天免疫、感染防御和心理健康等基本生物过程。另一方面，这些微生物又受到宿主和环境因素（如饮食、抗生素、压力）的影响。总体而言，人类微生物组是一个具有高度个体差异的复杂动态系统。
随着先进测序技术的发展以及人类微生物组计划（HMP）² 和人体肠道宏基因组（MetaHIT）³ 等大规模微生物组项目的启动，我们对人类微生物组的认知迅速增长。研究发现微生物群落失衡（失调）与从代谢性、炎症性、心血管疾病到癌症甚至神经退行性疾病（如帕金森病）的多种疾病相关。
该领域的新兴研究揭示了基于微生物组的疗法的巨大潜力。例如旨在重建肠道菌群平衡的粪便微生物移植（FMT） 疗法已证实对艰难梭菌感染（CDI） 具有显著疗效⁴。其他如益生菌、益生元、合生制剂、后生制剂和噬菌体疗法 也正在研究中。尽管目前尚无微生物组疗法获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于临床。
新兴微生物组产业
随着该领域取得令人振奋的研究进展，近年来涌现出大量微生物组初创企业。部分企业专注于基因测序，为微生物组研究提供技术支撑；其余企业则聚焦治疗开发和/或诊断技术。少数企业（如Pendulum公司、Evolve BioSystems公司）专注于皮肤微生物组，而多数企业则专注肠道微生物组——其研发和监管路径远比消费品市场（如营养补充剂/益生菌）更为严格。
肠道微生物组：精准医学的新篇章
肠道微生物组始终是人类微生物组研究的核心领域。它是人体微生物组中最大且最多样化的群落，被称为"第二大脑"或"第二基因组"。肠道微生物组通过肠-脑轴参与调节代谢、免疫，甚至中枢神经系统的功能。
值得注意的是，肠道微生物组被视为癌症免疫治疗的"指挥官"，因其能影响患者对检查点抑制剂免疫疗法的响应效果。例如，拥有有利肠道菌群的患者对抗PD1治疗的反应更佳⁵。
微生物组研究正成为数据科学新前沿
凭借先进的下一代测序和多组学技术，微生物组领域已积累大量参考数据集。这些海量数据既带来挑战也蕴含机遇。关键挑战之一是微生物组基因组本身价值有限，需要与患者人口统计信息、临床数据和表观基因组数据等结合分析。另一挑战在于应用机器学习和云计算等先进技术处理复杂庞大的微生物组数据集。
近期，Eagle Genomics公司宣布与嘉吉公司合作，利用人工智能技术推进微生物组研究，并与微软合作扩展其AI平台，这标志着人工智能在该领域应用的突破性进展。
未来发展方向
尽管微生物组研究已取得积极成果，这一新兴领域仍面临诸多开发和商业化挑战，包括临床试验设计规范、监管框架不明确、生产和技术考量等。
未来值得关注的几个方向包括：
- 探索多样化的微生物组治疗策略及其组合：如FMT、小分子疗法、基因改造菌株、定义菌群和噬菌体鸡尾酒疗法
- 将微生物组整合入精准医学体系：例如利用患者肠道菌群特征预测治疗反应
- 应用先进生物计算方法：通过机器学习和系统级建模分析多维度组学数据
参考文献
- Turnbaugh, P.J. 等，《人类微生物组计划》，《自然》449卷，804-810页（2007）。
- 人类微生物组计划联盟，《健康人体微生物组的结构、功能与多样性》，《自然》486卷，207-214页（2012）。
- 秦军等，《通过宏基因组测序建立人类肠道微生物基因目录》，《自然》464卷，59-65页（2010）。
- Kelly, C.R. 等，《2015年粪便移植进展：适应症、方法、机制与前景》，《胃肠病学》149卷，223-237页（2015）。
- Routy, B. 等，《肠道微生物组影响PD-1免疫治疗上皮肿瘤的疗效》，《科学》359卷，91-97页（2018）。
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