人体肠道微生物组与疾病研究：现状、机遇与挑战

人体肠道微生物组与疾病研究：现状、机遇与挑战 微生物组(Microbiome) 是指特定生境中的全部微生物及其遗传信息[1-2]，微生物组的研究对象是微生物群，研究内容包括通过微生物基因测序和分析进行微生物物种鉴定和功能基因鉴定，确定微生物群体的多样性、种群结构、进化关系及其与环境的相互作用。 当前研究数据显示，人类基因组千分之一的差异可导致人群中2%～5%的个体发生遗传性疾病，而人体微生物组20%～30%的差异可造成人群中30%～50%的个体产生各种各样的健康问题，其中大部分为慢性疾病，少部分可引发癌症[3]。 从遗传角度看，基因组决定了人体健康的基础，而微生物组则决定了人的健康状态。由于基因个体差异和基因突变并不能完全解释疾病的发生和发展过程，因此人体微生物组被视为人体的第二基因组。本文将概述国内外人体肠道微生物组与疾病研究现状，并对我国该领域未来发展所面临的机遇与挑战作一展望。 1国外人体微生物组研究现状 1.1 概念溯源 20世纪90年代末，美国分子微生态学家Jo Handelsman教授提出了元基因组(宏基因组)的概念[4]。 2001年，当人类基因组草图完成后，美国微生物协会会长Julian Davis教授指出，仅仅了解人体自身的基因组对于人类疾病的研究来说远远不够，因为人体肠道内栖息着数以百万亿计的共生微生物，肠道菌群的基因组总和约是人类基因组的300倍，对人体健康的影响甚至大于人体自身基因组。同年，美国遗传学家、诺贝尔奖获得者Joshua Lederberg把人体微生物基因组的总和称为“人体微生物组”。随后，斯坦福大学David Relman教授在人体微生物组基础上提出了“人体第二基因组”的概念，至此开启了人体微生物组研究的新篇章。  1.2 人类微生物组计划及其研究成果 近20年来，人体微生物组相关研究持续升温，逐渐成为生命科学、环境科学和医学等领域的焦点，全球多个国家争相发起了国家级微生物组研究计划。 2001年，美国率先提出人类微生物组计划(HMP)，并于2007年正式启动，重点关注人体微生物组基础数据的收集[5-6]；欧盟紧随其后，于2008年启动了人类肠道元基因组计划(MetaHIT)[7-8]，探究人体疾病、健康状态与微生物组的相关性。 2012—2014年，美国和欧盟相继启动了第二轮微生物组研究计划，即美国的整合人类微生物组计划（iHMP）[6]、微生物组质量控制计划 (MBQC)[9]和欧盟的MetaGenoPolis（MGP）计划，研究重点由人体共生微生物群的组成与疾病健康的相关性向揭示人体微生物组与特定疾病的因果机制转变，应用导向更加明确，研究层次更为深入；同时，MBQC和MGP还关注粪便样本标准化管理，以及元基因组高通量测序、数据挖掘和元基因组功能性研究，为人体微生物组研究的标准化、流程化奠定了基础[9]。 人体微生物组研究的共性和核心科学问题是人体健康状态下微生物组与宿主相互作用的平衡机制，以及识别打破该平衡并引起疾病的核心菌群。鉴于肠道微生物样本具有易获得性、高多样性、高丰富度的特点，目前人体微生物组研究主要集中于肠道微生物。 2005年，David Relman实验室采用第一代测序技术分析了健康受试者的结肠黏膜微生物和粪便微生物，第一次成功描绘了人体肠道微生物的组成和物种分类概况，证实了人体肠道内约有400种不同的共生细菌，其中80%的细菌是尚不能培养的物种[10-11]。随后，Jeffrey Gordon实验室通过动物实验证明了肠道微生物是影响宿主从饮食中获取能量和储存能量的重要环境因素，强调了肥胖症与肠道菌群的关联性[12]。 在这2项重要研究成果的基础上，大规模的队列研究出于建立人体健康基线的目的相继开展。 2012—2014年，美国HMP第一批成果在Nature发表，揭示了不同人群皮肤、鼻腔、口腔、胃肠道和泌尿生殖道的微生物组成[5,13]。 2017年，HMP第二批成果在Nature发表，构建了美国265人778万个基因数据集[14]。 2019年，iHMP发表了妇女微生物组（包括生殖道、口鼻腔、直肠、皮肤、血液、尿液、脐带、胎粪等不同组织）菌群数据和基因数据集，明确了孕妇肠道微生物组与早产风险的相关性[6]。 健康人体微生物组平衡状态下的关键菌群是动态的，受遗传因素、饮食习惯、生活环境和年龄的影响。在遗传背景与肠道微生物组相关性研究方面，欧洲大规模队列研究发现多个与肠道微生物相关的遗传位点，如ABO血型基因[15]、LCT乳糖酶基因[16]。在饮食习惯和生活环境对人体肠道微生物组的影响方面，西班牙等国家对地中海饮食结构与健康的相关性进行了大规模研究，发现地中海地区的饮食习惯可通过影响肠道菌群明显降低心脑血管疾病发病率，提高人均寿命[17-19]。 1.3 多组学大数据研究 微生物组学数据需与基因组学、表型组学等其他数据共同分析方能揭示微生物的作用。但微生物组学数据异质性较高，应用传统的统计学方法分析该类数据常会得到错误、过拟合或误导性结果，故新一代整合多组学分析的生物信息学方法应运而生，包括人工智能算法，以服务于健康基线大数据库的标准化建设等。 例如，魏兹曼科学研究所的个体化营养计划（Personalized Nutrition Project），其利用机器学习方法，通过整合基础身体测量数据，记录饮食、运动、睡眠情况，分析肠道微生物组的构成，收集一段时间内的连续血糖数据构建模型，预测每一个体食用不同食物后的血糖变化情况，在此基础上实现对糖尿病或糖尿病前期患者更好的饮食调节指导[20]。 欧盟资助的 ML4Microbiome 项目则致力于建立标准数据集，并开发针对微生物组数据的新统计方法和机器学习算法[21-22]。最近，荷兰格罗宁根大学开发的微生物组指纹算法可快速建立宿主遗传背景、微生物组和表型组的相互作用关系，标志着新一代微生物组大数据分析方法的开始[23]。 2我国人体微生物组研究现状、机遇与挑战 2.1 研究现状 我国的人体微生物组研究一直紧跟国际前沿。2007年起，我国相继开展了多项小规模健康与疾病人群肠道微生物组研究，并与欧美等国家合作建立了人体微生物组数据库[8]，参与单位包括华大基因研究院、浙江大学医学院、中国科学院微生物研究所、上海交通大学等，初步揭示了我国不同遗传背景、不同生活环境和饮食结构人群的健康与疾病肠道微生物组关键菌群和功能。 2010年，华大基因研究院与欧盟合作发表了世界第一个人体肠道微生物组基因数据集[8]。 2014年，浙江大学发表了第一个肝病肠道微生物组研究[24]。 2015年，北京协和医院发表了肠道微生态与类风湿疾病的关联性研究[25]。 2017年，上海交通大学发表了肠道微生物在结直肠癌治疗中的耐药作用机制研究[26]；同年，香港中文大学发表了结直肠癌与肠道微生物组的致病性研究[27]。 2019年，华大基因研究院在人体肠道微生物培养组学方面发表了突破性研究成果[28]。 中国科学院北京生命科学院在微生物组学分析方法与技术研究方面同样实现了多项研究的重要突破[29-30]，其中包括人体微生物组数据挖掘算法在口腔、母婴及生殖道菌群分析方面的应用，并期待未来在万人级健康人群队列研究中，特别是在人体微生物组菌群与遗传背景、生活环境和饮食习惯等大数据相关性的计算和特征数据提取方面，得到更好的应用和实践。 从涉及的研究领域看，我国人体微生物组研究主要集中于肠道菌群与疾病的关系方面。此外，微生物组的方法学研究亦较为突出，其中包括大规模人群基因数据集的计算方法[31]、人体微生物组基因数据集构建等。 2.2 机遇 从人类微生物组领域发展角度看，我国微生物组研究正迈向一个新的台阶，并将迎来前所未有的发展机遇。 第一，大规模人群研究为解释不同地区、不同人群微生物组的时空多样性提供了前所未有的细节，为建立人体健康肠道微生物组基线提供了可行性。人体健康微生物组基线是研究人体微生物组与疾病等相关领域的基础，涉及范围包括不同年龄段、不同民族（种族）、不同地域、不同生活环境以及不同身体部位的微生物组在健康状态下的菌群结构组成。人体健康微生物组基线将为用于诊断、筛检的生物标志物的发现奠定基础，同时也为身体不同部位微生物组的差异及相互作用机制研究提供标准值。 第二，人们对待微生物组的认知正在从“影响人类健康和疾病”向“视人体微生物组为器官” 转变。例如，肠道微生物组与全身各个系统疾病的发生发展均存在着密切关联，因此“肠-脑轴”[32-33]“肠-肝轴”[34]“肠-肺轴”[35]等概念相继被提出，聚焦于肠道微生物组与脑、肝脏、肺等组织器官之间的信号通路和代谢物传递，并解析其相互作用机制。肠道微生物组与人类健康和疾病的研究亦从“相关性研究”逐渐上升至“因果机制研究”，肠道微生物组小分子代谢物对疾病发生发展的关键调控作用的解析将改写人们对慢性疾病和癌症发生发展的认知，将人体肠道微生物组研究的重要性提升至更高的层次。 第三，人类肠道微生物组与营养和药物互作关系为个体化营养干预和新疗法开发提供了新思路。例如，基于高膳食纤维营养干预肠道微生物组结构以缓解2型糖尿病病情[36]，肠道微生物组特异菌群在调节环磷酰胺药物抗癌反应的关键作用，以及特异肠道微生物菌群影响癌症免疫疗法细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4免疫检查点抑制剂的抗癌作用等[37-38]，证实了癌症PD-1免疫疗法[39-41]、化疗药物的疗效与肠道微生物组结构的相关性[42-43]。此外，中药与肠道微生物组互作关系的揭示也为中药功效机制提供了直接证据[44]，推动中药进一步获得了国际认可。 第四，从产业发展角度来看，人类微生物组的进展为疾病治疗和营养干预策略提供了新视角，并已成为制药、食品和保健品行业的又一个革命性创新点，其巨大潜力必将引发全球激烈竞争。人类微生物组产业已经形成了传统制药、生物技术、食品巨头争相布局，科技初创企业融资不断升级的竞争格局。对人体微生物组进行科学研究和产品研发的公司主要涉及4个细分领域：微生物组检测及健康指导、益生菌与益生元类食品和保健品、粪便微生物移植（因目前研究多集中于肠道菌群，常用“粪菌移植”术语代替）、微生态药物。在微生物组重建技术中，人体肠道粪菌移植技术已从个别医院转向临床推广，且伴随给药方式的不断升级和粪菌移植流程的标准化[45-47]，医疗市场规模将进一步扩大。 2.3 挑战 微生物组学研究引领生物医学，是未来生命健康研究领域的竞争热点，微生物组前沿技术国际竞争不断加剧。美国当前已将微生物组学研究的政策主导防线前移，主动干预相关领域与欧洲、日本、印度等国家的学术交流，强化与英国、加拿大等英语国家及欧盟国家的合作，主导国际微生物组与生物安全研究的多边进程，积极营造对重点国家微生物组学研究的“包围圈”。 我国微生物组资源丰富，是微生物组研究的动力，但同时，我国微生物组学、微生物组资源及生物安全综合研究面临巨大挑战。首先，应进一步推进微生物组与人体健康、微生物组与生物安全研究的国家战略部署，加强相关领域前沿技术研发的统筹管理，加大科技投入，加强国际合作交流，并将防控关口前移；其次，应构筑微生物组与生物安全体系网，进一步完善法律法规，走出微生物组与生物安全中国之治，为大众健康和国家生物安全提供保障。 此外，人体内80%以上的微生物仍然未知，故微生物组研究的关键是精确识别不同生态位的关键微生物，并深入研究这些关键微生物的功能[48]。为此，科研人员需掌握如下2项颠覆性技术： （1）快速和精准识别微生物个体的尖端技术，包括高通量、高速度并适用于微生物组DNA测序的技术，以及大规模海量微生物组基因分析技术； （2）高通量、高效率未知微生物培养与鉴别技术，包括在现阶段微生物培养组学技术基础上发展新一代培养组学技术，以满足大规模微生物组研究，解析未知微生物在人体的生物学功能。 3小结与展望 微生物组学是生命科学领域的支柱性学科，涉及生命科学研究的各个领域，也是驱动未来生命科学领域研究的