人體腸道微生物組與疾病研究：現(xiàn)狀、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

方 圓，潘元龍，朱寶利

1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院基本外科，北京 100730 2中國(guó)科學(xué)院微生物研究所，北京 100101

微生物組(Microbiome) 是指特定生境中的全部微生物及其遺傳信息[1-2]，微生物組的研究對(duì)象是微生物群，研究?jī)?nèi)容包括通過(guò)微生物基因測(cè)序和分析進(jìn)行微生物物種鑒定和功能基因鑒定，確定微生物群體的多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系及其與環(huán)境的相互作用。

當(dāng)前研究數(shù)據(jù)顯示，人類基因組千分之一的差異可導(dǎo)致人群中2%～5%的個(gè)體發(fā)生遺傳性疾病，而人體微生物組20%～30%的差異可造成人群中30%～50%的個(gè)體產(chǎn)生各種各樣的健康問(wèn)題，其中大部分為慢性疾病，少部分可引發(fā)癌癥[3]。從遺傳角度看，基因組決定了人體健康的基礎(chǔ)，而微生物組則決定了人的健康狀態(tài)。由于基因個(gè)體差異和基因突變并不能完全解釋疾病的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程，因此人體微生物組被視為人體的第二基因組。本文將概述國(guó)內(nèi)外人體腸道微生物組與疾病研究現(xiàn)狀，并對(duì)我國(guó)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)作一展望。

1 國(guó)外人體微生物組研究現(xiàn)狀

1.1 概念溯源

20世紀(jì)90年代末，美國(guó)分子微生態(tài)學(xué)家Jo Handelsman教授提出了元基因組(宏基因組)的概念[4]。2001年，當(dāng)人類基因組草圖完成后，美國(guó)微生物協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)Julian Davis教授指出，僅僅了解人體自身的基因組對(duì)于人類疾病的研究來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)槿梭w腸道內(nèi)棲息著數(shù)以百萬(wàn)億計(jì)的共生微生物，腸道菌群的基因組總和約是人類基因組的300倍，對(duì)人體健康的影響甚至大于人體自身基因組。同年，美國(guó)遺傳學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Joshua Lederberg把人體微生物基因組的總和稱為“人體微生物組”。隨后，斯坦福大學(xué)David Relman教授在人體微生物組基礎(chǔ)上提出了“人體第二基因組”的概念，至此開(kāi)啟了人體微生物組研究的新篇章。

1.2 人類微生物組計(jì)劃及其研究成果

近20年來(lái)，人體微生物組相關(guān)研究持續(xù)升溫，逐漸成為生命科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的焦點(diǎn)，全球多個(gè)國(guó)家爭(zhēng)相發(fā)起了國(guó)家級(jí)微生物組研究計(jì)劃。2001年，美國(guó)率先提出人類微生物組計(jì)劃(Human Microbiome Project，HMP)，并于2007年正式啟動(dòng)，重點(diǎn)關(guān)注人體微生物組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集[5-6]；歐盟緊隨其后，于2008年啟動(dòng)了人類腸道元基因組計(jì)劃(Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT)[7-8]，探究人體疾病、健康狀態(tài)與微生物組的相關(guān)性。2012—2014年，美國(guó)和歐盟相繼啟動(dòng)了第二輪微生物組研究計(jì)劃，即美國(guó)的整合人類微生物組計(jì)劃(Integrated Human Microbiome Project，iHMP)[6]、微生物組質(zhì)量控制計(jì)劃 (The Microbiome Quality Control Project，MBQC)[9]和歐盟的MetaGenoPolis(MGP)計(jì)劃，研究重點(diǎn)由人體共生微生物群的組成與疾病健康的相關(guān)性向揭示人體微生物組與特定疾病的因果機(jī)制轉(zhuǎn)變，應(yīng)用導(dǎo)向更加明確，研究層次更為深入；同時(shí)，MBQC和MGP還關(guān)注糞便樣本標(biāo)準(zhǔn)化管理，以及元基因組高通量測(cè)序、數(shù)據(jù)挖掘和元基因組功能性研究，為人體微生物組研究的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化奠定了基礎(chǔ)[9]。

人體微生物組研究的共性和核心科學(xué)問(wèn)題是人體健康狀態(tài)下微生物組與宿主相互作用的平衡機(jī)制，以及識(shí)別打破該平衡并引起疾病的核心菌群。鑒于腸道微生物樣本具有易獲得性、高多樣性、高豐富度的特點(diǎn)，目前人體微生物組研究主要集中于腸道微生物。2005年，David Relman實(shí)驗(yàn)室采用第一代測(cè)序技術(shù)分析了健康受試者的結(jié)腸黏膜微生物和糞便微生物，第一次成功描繪了人體腸道微生物的組成和物種分類概況，證實(shí)了人體腸道內(nèi)約有400種不同的共生細(xì)菌，其中80%的細(xì)菌是尚不能培養(yǎng)的物種[10-11]。隨后，Jeffrey Gordon實(shí)驗(yàn)室通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了腸道微生物是影響宿主從飲食中獲取能量和儲(chǔ)存能量的重要環(huán)境因素，強(qiáng)調(diào)了肥胖癥與腸道菌群的關(guān)聯(lián)性[12]。

在這2項(xiàng)重要研究成果的基礎(chǔ)上，大規(guī)模的隊(duì)列研究出于建立人體健康基線的目的相繼開(kāi)展。2012—2014年，美國(guó)HMP第一批成果在Nature發(fā)表，揭示了不同人群皮膚、鼻腔、口腔、胃腸道和泌尿生殖道的微生物組成[5,13]。2017年，HMP第二批成果在Nature發(fā)表，構(gòu)建了美國(guó)265人778萬(wàn)個(gè)基因數(shù)據(jù)集[14]。2019年，iHMP發(fā)表了婦女微生物組(包括生殖道、口鼻腔、直腸、皮膚、血液、尿液、臍帶、胎糞等不同組織)菌群數(shù)據(jù)和基因數(shù)據(jù)集，明確了孕婦腸道微生物組與早產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)性[6]。

健康人體微生物組平衡狀態(tài)下的關(guān)鍵菌群是動(dòng)態(tài)的，受遺傳因素、飲食習(xí)慣、生活環(huán)境和年齡的影響。在遺傳背景與腸道微生物組相關(guān)性研究方面，歐洲大規(guī)模隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)與腸道微生物相關(guān)的遺傳位點(diǎn)，如ABO血型基因[15]、LCT乳糖酶基因[16]。在飲食習(xí)慣和生活環(huán)境對(duì)人體腸道微生物組的影響方面，西班牙等國(guó)家對(duì)地中海飲食結(jié)構(gòu)與健康的相關(guān)性進(jìn)行了大規(guī)模研究，發(fā)現(xiàn)地中海地區(qū)的飲食習(xí)慣可通過(guò)影響腸道菌群明顯降低心腦血管疾病發(fā)病率，提高人均壽命[17-19]。

1.3 多組學(xué)大數(shù)據(jù)研究

微生物組學(xué)數(shù)據(jù)需與基因組學(xué)、表型組學(xué)等其他數(shù)據(jù)共同分析方能揭示微生物的作用。但微生物組學(xué)數(shù)據(jù)異質(zhì)性較高，應(yīng)用傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析該類數(shù)據(jù)常會(huì)得到錯(cuò)誤、過(guò)擬合或誤導(dǎo)性結(jié)果，故新一代整合多組學(xué)分析的生物信息學(xué)方法應(yīng)運(yùn)而生，包括人工智能算法，以服務(wù)于健康基線大數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)等。例如，魏茲曼科學(xué)研究所的個(gè)體化營(yíng)養(yǎng)計(jì)劃(Personalized Nutrition Project)，其利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)整合基礎(chǔ)身體測(cè)量數(shù)據(jù)，記錄飲食、運(yùn)動(dòng)、睡眠情況，分析腸道微生物組的構(gòu)成，收集一段時(shí)間內(nèi)的連續(xù)血糖數(shù)據(jù)構(gòu)建模型，預(yù)測(cè)每一個(gè)體食用不同食物后的血糖變化情況，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)糖尿病或糖尿病前期患者更好的飲食調(diào)節(jié)指導(dǎo)[20]。歐盟資助的 ML4Microbiome 項(xiàng)目則致力于建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，并開(kāi)發(fā)針對(duì)微生物組數(shù)據(jù)的新統(tǒng)計(jì)方法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法[21-22]。最近，荷蘭格羅寧根大學(xué)開(kāi)發(fā)的微生物組指紋算法可快速建立宿主遺傳背景、微生物組和表型組的相互作用關(guān)系，標(biāo)志著新一代微生物組大數(shù)據(jù)分析方法的開(kāi)始[23]。

2 我國(guó)人體微生物組研究現(xiàn)狀、機(jī)遇與挑戰(zhàn)

2.1 研究現(xiàn)狀

我國(guó)的人體微生物組研究一直緊跟國(guó)際前沿。2007年起，我國(guó)相繼開(kāi)展了多項(xiàng)小規(guī)模健康與疾病人群腸道微生物組研究，并與歐美等國(guó)家合作建立了人體微生物組數(shù)據(jù)庫(kù)[8]，參與單位包括華大基因研究院、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所、上海交通大學(xué)等，初步揭示了我國(guó)不同遺傳背景、不同生活環(huán)境和飲食結(jié)構(gòu)人群的健康與疾病腸道微生物組關(guān)鍵菌群和功能。

2010年，華大基因研究院與歐盟合作發(fā)表了世界第一個(gè)人體腸道微生物組基因數(shù)據(jù)集[8]。2014年，浙江大學(xué)發(fā)表了第一個(gè)肝病腸道微生物組研究[24]。2015年，北京協(xié)和醫(yī)院發(fā)表了腸道微生態(tài)與類風(fēng)濕疾病的關(guān)聯(lián)性研究[25]。2017年，上海交通大學(xué)發(fā)表了腸道微生物在結(jié)直腸癌治療中的耐藥作用機(jī)制研究[26]；同年，香港中文大學(xué)發(fā)表了結(jié)直腸癌與腸道微生物組的致病性研究[27]。2019年，華大基因研究院在人體腸道微生物培養(yǎng)組學(xué)方面發(fā)表了突破性研究成果[28]。中國(guó)科學(xué)院北京生命科學(xué)院在微生物組學(xué)分析方法與技術(shù)研究方面同樣實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)研究的重要突破[29-30]，其中包括人體微生物組數(shù)據(jù)挖掘算法在口腔、母嬰及生殖道菌群分析方面的應(yīng)用，并期待未來(lái)在萬(wàn)人級(jí)健康人群隊(duì)列研究中，特別是在人體微生物組菌群與遺傳背景、生活環(huán)境和飲食習(xí)慣等大數(shù)據(jù)相關(guān)性的計(jì)算和特征數(shù)據(jù)提取方面，得到更好的應(yīng)用和實(shí)踐。

從涉及的研究領(lǐng)域看，我國(guó)人體微生物組研究主要集中于腸道菌群與疾病的關(guān)系方面。此外，微生物組的方法學(xué)研究亦較為突出，其中包括大規(guī)模人群基因數(shù)據(jù)集的計(jì)算方法[31]、人體微生物組基因數(shù)據(jù)集構(gòu)建等。

2.2 機(jī)遇

從人類微生物組領(lǐng)域發(fā)展角度看，我國(guó)微生物組研究正邁向一個(gè)新的臺(tái)階，并將迎來(lái)前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

第一，大規(guī)模人群研究為解釋不同地區(qū)、不同人群微生物組的時(shí)空多樣性提供了前所未有的細(xì)節(jié)，為建立人體健康腸道微生物組基線提供了可行性。人體健康微生物組基線是研究人體微生物組與疾病等相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)，涉及范圍包括不同年齡段、不同民族(種族)、不同地域、不同生活環(huán)境以及不同身體部位的微生物組在健康狀態(tài)下的菌群結(jié)構(gòu)組成。人體健康微生物組基線將為用于診斷、篩檢的生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，同時(shí)也為身體不同部位微生物組的差異及相互作用機(jī)制研究提供標(biāo)準(zhǔn)值。

第二，人們對(duì)待微生物組的認(rèn)知正在從“影響人類健康和疾病”向“視人體微生物組為器官”轉(zhuǎn)變。例如，腸道微生物組與全身各個(gè)系統(tǒng)疾病的發(fā)生發(fā)展均存在著密切關(guān)聯(lián)，因此“腸-腦軸”[32-33]“腸-肝軸”[34]“腸-肺軸”[35]等概念相繼被提出，聚焦于腸道微生物組與腦、肝臟、肺等組織器官之間的信號(hào)通路和代謝物傳遞，并解析其相互作用機(jī)制。腸道微生物組與人類健康和疾病的研究亦從“相關(guān)性研究”逐漸上升至“因果機(jī)制研究”，腸道微生物組小分子代謝物對(duì)疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵調(diào)控作用的解析將改寫人們對(duì)慢性疾病和癌癥發(fā)生發(fā)展的認(rèn)知，將人體腸道微生物組研究的重要性提升至更高的層次。

第三，人類腸道微生物組與營(yíng)養(yǎng)和藥物互作關(guān)系為個(gè)體化營(yíng)養(yǎng)干預(yù)和新療法開(kāi)發(fā)提供了新思路。例如，基于高膳食纖維營(yíng)養(yǎng)干預(yù)腸道微生物組結(jié)構(gòu)以緩解2型糖尿病病情[36]，腸道微生物組特異菌群在調(diào)節(jié)環(huán)磷酰胺藥物抗癌反應(yīng)的關(guān)鍵作用，以及特異腸道微生物菌群影響癌癥免疫療法細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)蛋白4免疫檢查點(diǎn)抑制劑的抗癌作用等[37-38]，證實(shí)了癌癥PD-1免疫療法[39-41]、化療藥物的療效與腸道微生物組結(jié)構(gòu)的相關(guān)性[42-43]。此外，中藥與腸道微生物組互作關(guān)系的揭示也為中藥功效機(jī)制提供了直接證據(jù)[44]，推動(dòng)中藥進(jìn)一步獲得了國(guó)際認(rèn)可。

第四，從產(chǎn)業(yè)發(fā)展角度來(lái)看，人類微生物組的進(jìn)展為疾病治療和營(yíng)養(yǎng)干預(yù)策略提供了新視角，并已成為制藥、食品和保健品行業(yè)的又一個(gè)革命性創(chuàng)新點(diǎn)，其巨大潛力必將引發(fā)全球激烈競(jìng)爭(zhēng)。人類微生物組產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了傳統(tǒng)制藥、生物技術(shù)、食品巨頭爭(zhēng)相布局，科技初創(chuàng)企業(yè)融資不斷升級(jí)的競(jìng)爭(zhēng)格局。對(duì)人體微生物組進(jìn)行科學(xué)研究和產(chǎn)品研發(fā)的公司主要涉及4個(gè)細(xì)分領(lǐng)域：微生物組檢測(cè)及健康指導(dǎo)、益生菌與益生元類食品和保健品、糞便微生物移植(因目前研究多集中于腸道菌群，常用“糞菌移植”術(shù)語(yǔ)代替)、微生態(tài)藥物。在微生物組重建技術(shù)中，人體腸道糞菌移植技術(shù)已從個(gè)別醫(yī)院轉(zhuǎn)向臨床推廣，且伴隨給藥方式的不斷升級(jí)和糞菌移植流程的標(biāo)準(zhǔn)化[45-47]，醫(yī)療市場(chǎng)規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.3 挑戰(zhàn)

微生物組學(xué)研究引領(lǐng)生物醫(yī)學(xué)，是未來(lái)生命健康研究領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)，微生物組前沿技術(shù)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇。美國(guó)當(dāng)前已將微生物組學(xué)研究的政策主導(dǎo)防線前移，主動(dòng)干預(yù)相關(guān)領(lǐng)域與歐洲、日本、印度等國(guó)家的學(xué)術(shù)交流，強(qiáng)化與英國(guó)、加拿大等英語(yǔ)國(guó)家及歐盟國(guó)家的合作，主導(dǎo)國(guó)際微生物組與生物安全研究的多邊進(jìn)程，積極營(yíng)造對(duì)重點(diǎn)國(guó)家微生物組學(xué)研究的“包圍圈”。我國(guó)微生物組資源豐富，是微生物組研究的動(dòng)力，但同時(shí)，我國(guó)微生物組學(xué)、微生物組資源及生物安全綜合研究面臨巨大挑戰(zhàn)。首先，應(yīng)進(jìn)一步推進(jìn)微生物組與人體健康、微生物組與生物安全研究的國(guó)家戰(zhàn)略部署，加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域前沿技術(shù)研發(fā)的統(tǒng)籌管理，加大科技投入，加強(qiáng)國(guó)際合作交流，并將防控關(guān)口前移；其次，應(yīng)構(gòu)筑微生物組與生物安全體系網(wǎng)，進(jìn)一步完善法律法規(guī)，走出微生物組與生物安全中國(guó)之治，為大眾健康和國(guó)家生物安全提供保障。

此外，人體內(nèi)80%以上的微生物仍然未知，故微生物組研究的關(guān)鍵是精確識(shí)別不同生態(tài)位的關(guān)鍵微生物，并深入研究這些關(guān)鍵微生物的功能[48]。為此，科研人員需掌握如下2項(xiàng)顛覆性技術(shù)：(1)快速和精準(zhǔn)識(shí)別微生物個(gè)體的尖端技術(shù)，包括高通量、高速度并適用于微生物組DNA測(cè)序的技術(shù)，以及大規(guī)模海量微生物組基因分析技術(shù)；(2)高通量、高效率未知微生物培養(yǎng)與鑒別技術(shù)，包括在現(xiàn)階段微生物培養(yǎng)組學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展新一代培養(yǎng)組學(xué)技術(shù)，以滿足大規(guī)模微生物組研究，解析未知微生物在人體的生物學(xué)功能。

3 小結(jié)與展望

微生物組學(xué)是生命科學(xué)領(lǐng)域的支柱性學(xué)科，涉及生命科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域，也是驅(qū)動(dòng)未來(lái)生命科學(xué)領(lǐng)域研究的主導(dǎo)學(xué)科。人體微生物組學(xué)研究的重點(diǎn)在于人體腸道微生物組基礎(chǔ)圖譜的建設(shè)、微生物組核心菌譜研究和微生物組核心前沿技術(shù)的研發(fā)，因此，加強(qiáng)人體腸道微生物組研究，推進(jìn)國(guó)家微生物組計(jì)劃，加速繪制人體微生物組圖譜至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)十余年的關(guān)聯(lián)性研究，未來(lái)人體微生物組研究將會(huì)更偏向機(jī)理，即微生物與宿主的相互作用關(guān)系方面，為微生物組在疾病發(fā)生、發(fā)展和治療中的作用提供理論支撐。

作者貢獻(xiàn)：方圓、潘元龍負(fù)責(zé)文獻(xiàn)查閱、資料收集及論文撰寫；朱寶利負(fù)責(zé)組織選題及論文審校。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突