近年來，微生物組成為熱點研究問題，越來越多的研究將微生物組與人類疾病聯繫起來。但其中的許多研究實際上無法轉化用於臨床實踐，也難以真正用於疾病的治療，不能為人類健康做出貢獻。
那麼，我們究竟需要做什麼樣的研究才有可能實現微生物組轉化呢？微生物組轉化究竟面臨著什麼樣的挑戰？要怎樣才能克服呢？
今天我們特別關注發佈在 Cell子刊Trends in Microbiology上關於微生物組轉化的觀點文章。希望該文能夠為產業人士和各位讀者帶來一些啟示和幫助。
微生物組轉化為何難？
微生物組研究在過去十年裡取得了重大進展，我們對定植在人體內的微生物進行了描繪，並已開始確定某些微生物影響人類健康的機制[1]。
過去的研究表明，調控微生物組的方法對治療某些人類疾病具有巨大的潛力。比如，我們已經發現糞菌移植（FMT）的方法能夠有效治療複發性艱難梭菌感染（CDI）。
因此，我們下一步要做的是將更多微生物組學的研究成果進行轉化：利用微生物組和人類健康之間的聯繫，發展診斷學和治療學。通過確定治療靶標，以預防和治療人類重大疾病（如炎症性腸病、結直腸癌和代謝紊亂等）。
然而，要真正的把微生物組的研究進行臨床轉化我們還需要解決很多問題。微生物組研究者需要慎重地考慮他們所使用的科學手段，以真正實現具有廣泛影響力的轉化進展。
微生物組研究旨在發現微生物和疾病狀態之間的聯繫，從而確定潛在的治療靶標。但是目前許多已報道的微生物組和疾病之間的聯繫，並不適用於轉化研究，因為它們不夠具體。
為了從微生物組的描述性研究過渡到微生物組治療，我們要確定靶向哪些生物元素。是一種特定菌株的相對丰度還是絕對丰度導致了疾病？是否存在特定屬的微生物？是否缺失了某種微生物的代謝途徑？或者是因為某一微生物菌株內存在某種代謝途徑？
在許多報道的與微生物組有關的疾病環境中，到底是哪些特定的微生物元素與疾病有關仍不清楚。
建立因果：隨機試驗
一個確定潛在治療靶標的優秀手段是進行微生物調查。廣義地說，微生物組調查是通過從一組參與者中收集微生物組樣本，對健康或患病參與者的某些方面進行測定，同時也測定參與者微生物組樣本中微生物丰度（例如，使用擴增子測序方法或鳥槍測序方法）的方法。
雖然不同研究的實驗設計和測定策略可能有很大的差別，但這些微生物組調查的結果通常是某種相關性的度量標準，能夠將不同的微生物特徵與健康或疾病的測定結果聯繫起來。
而且，以調查為導向的方法有一個好處，它是從自然人口中生成數據，而不是人造的基於實驗室的模型。
但不幸的是，這些數據本身是觀察性的，我們需要強有力的假設來從調查數據中建立因果關係。
評估因果關係的最高標準是隨機試驗。因此，對於在微生物調查中觀察到的具有轉化潛力的關聯結果，必須進行驗證實驗。普遍的驗證方法包括特定微生物分離物、益生元或小分子的對照給藥。
目前，已經有這樣的研究例子證明了微生物與宿主健康之間的因果關係。
比如，2019 年 11 月發表在 Nature雜誌上的一項新研究報道大多數酒精性肝病患者的糞便中攜帶了更多的糞腸球菌[2]。在此基礎上，該研究在小鼠中首次應用了噬菌體療法，通過一種專門針對糞腸球菌的噬菌體對小鼠進行治療，結果發現該療法能夠有效緩解小鼠的酒精性肝病症狀。
這項成果的意義重大，因為目前酒精性肝病缺少有效的治療方法，僅有的方法就是早期肝移植。而該研究表明了特定微生物物種與這種疾病之間的因果關係，並通過小鼠實驗證明了這種因果關係轉化的可能性。
關於該研究《熱心腸日報》也做過報道：
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Nature：促酒精性肝病關鍵細菌和毒素被鎖定！
Nature——[43.07]
① 與健康人或酗酒者相比，酒精性肝炎患者糞便中含有更多的糞腸球菌，約80%的患者攜帶這種菌；② 30%的酒精性肝炎患者中存在產細胞溶素的糞腸球菌，與疾病嚴重度和死亡率高度相關；③ 小鼠模型中，酗酒破壞腸道屏障，促進糞腸球菌進入肝臟，產生的細胞溶素可引起肝細胞死亡，加劇酒精誘導的肝臟疾病；④ 從汙水中分離出產細胞溶素糞腸球菌菌株特異性的噬菌體，用於治療定植患者菌群的小鼠，可降低其肝臟細胞溶素水平，顯著減輕酒精誘導的肝病。
Bacteriophage targeting of gut bacterium attenuates alcoholic liver disease
2019-11-13, doi: 10.1038/s41586-019-1742-x
【主編評語】酒精性肝炎是一種可威脅生命的疾病，除了進行早期肝移植，目前尚無有效療法，約75%的嚴重患者會在90天內死亡。小鼠研究和臨床數據分析均顯示，腸道菌群與酒精性肝病相關，但菌群中的“元兇”仍需確認。來自加州大學聖地亞哥分校Bernd Schnabl團隊的研究，按照“相關性-因果性-干預治療”三步走的思路，首先鑑定出糞腸球菌產生的細胞溶素（一種可導致細胞裂解的細菌外毒素），可作為酒精性肝炎不良預後的菌群標誌物，之後通過小鼠的細菌定植和人源化菌群移植試驗，明確了產細胞溶素的糞腸球菌在酒精性肝炎發生發展中的作用，並進一步表明靶向這種細菌的噬菌體療法，可明顯減輕酒精誘導的小鼠肝病，為治療酒精性肝病提供了具有可行性的新療法。（@mildbreeze）
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另外，也有研究表明了菌株和基因與宿主健康的因果作用。
2019 年的另一項研究報道了 11 株能夠誘導 CD8 T 細胞的腸道菌，並且該研究還發現共定植這些菌株能夠提高小鼠對李斯特致病菌感染的抗性，並增強抗腫瘤免疫能力[3]。
而該研究的通訊作者 Kenya Honda 恰好是 Vedanta Biosciences 公司的科學共同創始人。
目前，Vedanta 公司已經基於這項研究結果在與百時美施貴寶公司共同合作開發 VE800 藥物。現在，該藥物正處於臨床I期階段，正在全美招募黑色素瘤、結直腸癌和胃癌等患者。
（關於 Vedanta Biosciences 公司的更多信息，推薦閱讀：團隊宇宙最強，CNS 頻發，頂尖藥企買單，這家菌群公司牛！）
而 2017 年的一項研究則表明工程微生物組可能成為克羅恩病的新療法，該研究發現改變腸道微生物組，去除擁有細菌脲酶的細菌，並且增加不含有該酶的“好”細菌或可有效對抗克羅恩病[4]。
這一研究提示我們細菌脲酶可作為該疾病的潛在治療靶點，為後續的基因改造提供了證據支持。
關於該研究《熱心腸日報》也做過報道：
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STM：細菌脲酶引起腸道菌群失調並惡化IBD
Science Translational Medicine——[17.161]
① 克羅恩病患兒的疾病嚴重程度、腸道失調及細菌產生的遊離氨基酸之間存在關聯；② 利用15N進行氮流研究，發現小鼠體內存在細菌脲酶活性，脲酶可水解宿主尿素，釋放出的氨可被腸道菌群用於氨基酸合成；③ 將表達脲酶的共生大腸桿菌定殖於小鼠體內，引起小鼠的腸道菌群失調，表現為變形菌門物種的增加；④ 脲酶導致的腸道菌群變化與免疫介導的結腸炎惡化相關；⑤ 提示細菌脲酶可作為IBD的潛在治療靶點。
A role for bacterial urease in gut dysbiosis and Crohn’s disease
2017-11-15, doi: 10.1126/scitranslmed.aah6888
【主編評語】這是Science Translational Medicine[IF：16.796]最新發表的關於表達脲酶的大腸桿菌如何通過引起腸道菌群的有害變化從而惡化小鼠炎症性腸病的研究，值得專業人士好好看看。（@szx）
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上述的這些研究提示我們如果微生物組研究者想要證明一項研究的轉化潛力，他們應該進行一個隨機驗證實驗，或者清楚地陳述從觀察數據中得出因果推斷所需的條件[5]。
缺乏轉化潛力
然而，現階段微生物組調查中許多類型的觀察數據都缺乏轉化潛力，因為它們存在之前所提到的問題——不夠具體，因此無法在隨機實驗中驗證。
例如，與非疾病對照組相比，觀察到了疾病受試者的 α 多樣性顯著降低，但這不太可能推進疾病的治療，因為有無數種方式可以增加微生物組的多樣性。
比如，較低的 α 多樣性與艱難梭菌定植有關[6,7]，但有限的橫向調查無法證明或者推翻這個假設：α 多樣性低導致了相關腹瀉病，而不是腹瀉的結果。
類似地，與疾病組和非疾病組相關的微生物組廣泛分類群（如厚壁菌門）相對丰度減少或增加的觀察，也不太可能推進治療，因為在這個分類群中菌株的多樣性很高，無法錨定到某些具體的菌株。
我們現在看到越來越多的微生物研究文獻，但是很多研究報告的微生物元素與人類疾病的關聯都是不具體的，包括但不限於高層次的代謝途徑、模糊的組織分類、門級或類級的分類、α 或 β 多樣性，或未定義的群落級屬性（如“失調”）。
這種缺乏生物學具體性的研究阻礙了實驗驗證，減緩了轉化工作的進展。
未來的研究如何做？
為了加快轉化微生物組研究的步伐，研究者應該進一步明確他們觀察到的與健康或疾病相關的特定菌株、特定代謝途徑或特定基因。
同時還應該致力於闡明生物元素與健康狀況的關聯性。例如，存在的某種菌株是否可以有力的預測某種疾病，或者是這種菌株的相對丰度需要高於閾值才能導致疾病？
此外，報道微生物組研究結果時研究人員應該仔細考慮，他們研究得出的相關性是否可以在隨機實驗中得到驗證。
如果關於微生物菌株的存在或丰度水平（無論是相對的還是絕對的）的假設足夠具體，那麼可以通過臨床前模型、細胞培養和人類臨床試驗進行檢驗，從而使它們有可能被證偽。
同樣，關於特定微生物內存在特定代謝途徑的假設，也可以用現有的實驗室技術來證明，研究者應該強調和闡明那些足夠具體到可進行下一步研究的候選假設。
科學的進步基於的是可以通過多種實驗技術加以證明的假設。如果有關微生物組的結果不能在隨機實驗中進行評估，那麼它是不可證明的，也不能為微生物治療提供途徑。
另外，我們還要尤其重視臨床試驗的進行。
儘管有關無菌小鼠的研究表明，微生物組的轉移會導致某些表型，但是小鼠的腸道菌群和人腸道菌群具有一定的差異性，甚至過去的研究發現豬與人的腸道菌群還更加相似一些[8]。另外，小鼠這樣的動物模型通常不能很好地模仿人類生理學。
因此，微生物組領域也應該像其他的醫學領域一樣，更加重視人體臨床試驗，以更進一步地明確人微生物組與疾病之間的因果關係。但是，想要進行人體臨床試驗，就更需要我們報道能夠進行轉化的研究結論，也就是需要更加具體的關聯結論。
我們都相信微生物組領域可以產生巨大的轉化影響力，但是同樣，我們要認識到只有更多地關注生物學上的具體性和實驗上可證偽的假設，這一領域的發展才會更快。
參考文獻：
1.Lynch,S.V. and Pedersen, O. (2016) The human intestinal microbiome in health anddisease. N. Engl. J. Med. 375, 2369–2379
2.Duan, Y.et al. (2019) Bacteriophage targeting of gut bacterium attenuates alcoholicliver disease. Nature 575, 505–511
3.Tanoue,T. et al. (2019) A defined commensal consortium elicits CD8 T cells andanti-cancer immunity. Nature 565, 600–605
4.Ni, J.et al. (2017) A role for bacterial urease in gut dysbiosis and Crohn’s disease.Sci. Transl. Med. 9, eaah6888
5.Pearl,J. (2010) An introduction to causal inference. Int. J. Biostat. 6, 7
6.Han,S.H. et al. (2019) Composition of gut microbiota in patients with toxigenicClostridioides (Clostridium) difficile: comparison between subgroups accordingto clinical criteria and toxin gene load. PLoS One 14, e0212626
7.Schubert, A.M. et al. (2014) Microbiome data distinguish patients withClostridium difficile infection and non-C. difficile-associated diarrhea fromhealthy controls. mBio 5, e01021-14
8.Xiao,Liang, et al. "A reference gene catalogue of the pig gut microbiome."Nature microbiology 1.12 (2016): 1-6.
本文核心編譯部分來源：Willis, Amy D., and Samuel S. Minot. "Strategies to FacilitateTranslational Advances from Microbiome Surveys." Trends in Microbiology(2020).
作者｜Amy D. Willis，Samuel S. Minot
編譯｜趙婧
審校｜617
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