“人類微生物組整合計(jì)劃”發(fā)布最新研究成果

編譯 蔡立英

人類微生物組整合計(jì)劃將人體中發(fā)現(xiàn)的與健康相關(guān)的微生物置于中心舞臺(tái)上。

日前，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）人類微生物組整合計(jì)劃（iHMP）發(fā)布的研究成果，提供了兩種疾病及妊娠過程中的微生物和人類數(shù)據(jù)資源。這將有助于理解人類宿主與相關(guān)微生物的相互作用，對(duì)未來的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究具有重大價(jià)值。

這一工作包括三項(xiàng)代表性研究：兩篇發(fā)表在《自然》雜志上，一篇發(fā)表在《自然·醫(yī)學(xué)》雜志上。

多年來，慢性病研究專注于人類細(xì)胞和細(xì)胞相互作用的過程。差不多十年前，歐盟的人體腸道元基因組計(jì)劃（MetaHIT）和美國的人類微生物組計(jì)劃（HMP）等發(fā)布了業(yè)內(nèi)有影響力的報(bào)告，對(duì)人類體表和體內(nèi)的微生物群及基因組進(jìn)行了分析，之后，研究人員的注意力才開始逐漸轉(zhuǎn)移到微生物群與人類疾病可能的關(guān)聯(lián)研究上來。

隨著iHMP新成果的發(fā)布，我們可以管窺微生物和人體之間復(fù)雜的相互作用及其在健康和疾病狀態(tài)下的變化，以及微生物的變化和已知的各種常見慢性病之間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)該能使我們從僅僅掌握疾病關(guān)聯(lián)因素轉(zhuǎn)變?yōu)槔斫怅P(guān)鍵致病機(jī)制。

iHMP研究的創(chuàng)新性

然而，之前對(duì)微生物模式的理解與我們應(yīng)用這些認(rèn)識(shí)研發(fā)療法的能力之間仍然存在很大差距。這種認(rèn)識(shí)的不足體現(xiàn)在三個(gè)方面。

首先，大多數(shù)研究的重點(diǎn)是確定人體微生物群的組成種類，以及確定由微生物組編碼的“潛在功能”，卻很少致力于研究微生物群的實(shí)際活性，比如在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生或降解的特定分子。其次，大多數(shù)此類研究是橫向的——也就是說，樣本往往只來自一個(gè)人。即使有少數(shù)研究會(huì)考慮微生物群種類隨時(shí)間的變化，他們的研究往往也只涉及少量個(gè)體。第三，這些研究的重點(diǎn)往往只是人類微生物群，而聯(lián)合分析人類宿主與微生物群的研究則很少見。

盡管有一些研究克服了這些局限中的一個(gè)或兩個(gè)方面，但同時(shí)解決這三個(gè)問題的研究鮮見。這正是iHMP數(shù)據(jù)與眾不同之處。

iHMP研究的三個(gè)領(lǐng)域

2012年，HMP完成預(yù)定目標(biāo)，公布研究成果。兩年后，NIH設(shè)立了iHMP，使這方面的研究進(jìn)展到第二階段。

從繪制健康人體的微生物群，到關(guān)注疾?。▓D1），參與iHMP的研究人員在解決上述認(rèn)知不足的同時(shí)，研究了2型糖尿病的發(fā)病、炎癥性腸病，并尋找早產(chǎn)標(biāo)志物。

這些研究項(xiàng)目共計(jì)跟蹤研究了463人，時(shí)間跨度從幾個(gè)月至4年。研究人員對(duì)糞便、鼻腔或陰道樣本進(jìn)行了多層次分析——捕獲樣本中存在的微生物種類，并根據(jù)研究需要，評(píng)估所剖析的微生物組的潛在功能及其基因、蛋白質(zhì)和代謝物的表達(dá)模式。

同時(shí)，還對(duì)人類宿主進(jìn)行了分析，包括對(duì)其基因組的蛋白質(zhì)編碼區(qū)進(jìn)行測(cè)序，分析基因表達(dá)，鑒定細(xì)胞因子的免疫系統(tǒng)信號(hào)分子的存在，以及測(cè)量臨床相關(guān)因子，如膽固醇的水平。

盡管并非對(duì)所有時(shí)間點(diǎn)的所有受試者都進(jìn)行了全方位的測(cè)量，但無可否認(rèn)，這些研究提供了迄今為止對(duì)人類宿主健康狀況及其微生物群特征的最全面的動(dòng)態(tài)追蹤。這一豐富的研究資源本身就是一項(xiàng)里程碑式的成果。

研究人員觀察到存在于身體不同部位的微生物群隨時(shí)間變化的許多有趣模式。例如，陰道微生物群的組成和功能的變化主要發(fā)生在妊娠前三個(gè)月，并導(dǎo)致乳桿菌屬的健康相關(guān)細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，特別是在有非洲或西班牙血統(tǒng)的女性中。有趣的是，陰道內(nèi)某些種類的乳桿菌低于常規(guī)水平的女性更有可能早產(chǎn)。盡管在所有被研究的個(gè)體中，微生物衍生的分子如蛋白質(zhì)和代謝物的水平高度可變，但炎癥性腸病患者相比沒有炎癥性腸病的人，其腸道微生物群隨著時(shí)間具有更高水平的變異性。

圖1 人類微生物組整合計(jì)劃（iHMP）

雖然這些例子中的微生物群隨時(shí)間變化的原因尚不清楚，但一些證據(jù)表明病毒感染可能是這種現(xiàn)象的觸發(fā)因素。在炎癥性腸病中，有時(shí)在腸道微生物群發(fā)生異常之前，會(huì)觀察到病毒水平的升高，這在某些情況下與疾病復(fù)發(fā)事件有關(guān)。糖尿病發(fā)病的研究中，在受試者患有呼吸系統(tǒng)的病毒感染時(shí)進(jìn)行集中取樣，結(jié)果揭示了宿主免疫系統(tǒng)以及沒有糖尿病的受試者的腸和鼻腔微生物群的協(xié)同變化模式。未來的研究將專門評(píng)估病毒感染的微生物群隨著時(shí)間進(jìn)展發(fā)生了哪些變化，并確定病毒感染是否會(huì)增加某些疾病出現(xiàn)或復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

iHMP論文揭示了微生物群組成部分之間以及微生物群與宿主之間先前未知的廣泛相關(guān)性，并且繪制了龐大的隨時(shí)間變化關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖。這些研究注意到的一些最有趣的關(guān)聯(lián)是，特定微生物與促炎性細(xì)胞因子或抗炎性細(xì)胞因子之間存在聯(lián)系，這為我們梳理人體免疫系統(tǒng)與微生物群及其活動(dòng)之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系提供了指導(dǎo)。要測(cè)試iHMP揭示的關(guān)聯(lián)是否受這些因素的影響。此外，由于采樣時(shí)間尺度和實(shí)際限制，微生物群的變異性通常通過定期采樣來研究，但采樣事件之間的間隔時(shí)間很長。然而，為了在臨床中使用此類信息來開發(fā)治療或診斷工具，還需要了解微生物群每天的變異情況。

另一個(gè)問題是所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是以相對(duì)單位提供的，細(xì)菌豐度表示為占微生物群體總量的比例，而不是細(xì)胞數(shù)量。為了把微生物群活動(dòng)與宿主疾病過程準(zhǔn)確地聯(lián)系起來，需要一個(gè)定量分析框架來實(shí)驗(yàn)確定微生物群樣本中存在的微生物類型的絕對(duì)豐度。

最后一個(gè)問題是，重復(fù)iHMP工作的研究極少。

越來越多的證據(jù)表明，進(jìn)行跨地理區(qū)域的廣泛抽樣，有助于保證這些研究結(jié)果穩(wěn)定和得到更廣泛的應(yīng)用。

盡管存在上述局限性，iHMP提供的大量數(shù)據(jù)無疑是其成果中最寶貴的財(cái)富之一，這些數(shù)據(jù)大部分是可以免費(fèi)獲取的，將成為未來研究的有用資源。

iHMP研究的局限性

過去幾年來，研究人員已經(jīng)確定了影響微生物群組成的關(guān)鍵因素，盡管在分析中考慮了年齡等一些因素，但還有其他若干可能的關(guān)鍵因素，如飲食或服藥沒有考慮進(jìn)去。未來研究需