Feature|微生物组学研究的机遇与挑战

微生物组学研究的机遇与挑战

导读

在过去的几年中，微生物组的研究大大地改变了我们对人类生物学的理解。人体内存在着数以万亿计的微生物，远高于人体细胞的数目，这些微生物对人体健康不可或缺。随着微生物组学研究的深入，人们逐渐了解微生物如何介导消化和疾病过程到发现与癌症，帕金森氏症，自闭症和抑郁症相关的新观点。微生物组学研究的兴起，似乎为人类对疾病的认知打开了另一扇大门。虽然微生物组学研究火热，为什么商业化产品的推出却少之又少且疗效参差不齐呢？微生物组学商业化究竟遇到了什么样的挑战？

文献信息

英文标题: Translating microbiome futures
中文标题：微生物组学转化研究的未来
作者: Gaspar Taroncher-Oldenburg, Susan Jones, Martin Blaser, Richard Bonneau, Peter Christey, José C Clemente, Eran Elinav, Elodie Ghedin, Curtis Huttenhower, Denise Kelly, David Kyle, Dan Littman, Arpita Maiti, Alexander Maue, Bernat Olle, Leopoldo Segal, Johan E T van Hylckama Vlieg & Jun Wang
期刊: Nature Biotechnology; 影响因子:【35.724】
Doi号: https://doi.org/10.1038/nbt.4287

背景

人类微生物组研究开发治疗性或营养性产品所提供的机遇与解密其背后的科学机理的艰巨任务相当。研究人员目前正在深入研究微生物组与人类健康问题之间的关联(Fig.1)。微生物组学与人类健康问题的之间的联系也引起了食品，生物技术，制药和投资者群体的广泛兴趣。然而，迄今为止，还没有美国食品药物管理局批准可用于人类的微生物组疗法的产品诞生。会议组织者Global和自然生物技术（Box1）最近召开了圆桌会议，讨论人类微生物组研究的现状及其在医疗中的转化问题。下面将介绍圆桌会议期间讨论的一些亮点问题。

议题

1.您认为微生物组转化面临最重要的挑战是什么？

Martin Blaser：我们需要了解人类与微生物组之间的相互作用，以确定人类健康问题的生物学基础，并了解微生物组的变化与疾病之间的关联。只有这样，我们才能知道是否能通过微生物组以及如何使用微生物组进行相应的干预。

Denise Kelly：对于投资者而言，微生物组的挑战实际上是如何切入这个科学问题。我们使用来自体外和体内的实验数据来证实产品疗效，这些证据不仅仅只是来自于一个临床模型，而且来自多个互补模型。这对于降低投资风险至关重要，因为这些决策忽略了现有临床前模型（特别是小鼠模型）的缺陷。大多数动物疾病模型没有整合微生物组学，因此，目前还没有非常好的转化模型来模拟复杂的人类微生物组，这也导致在涉及与疾病相关的微生物组动物学研究时通常缺乏足够的信息。

Elodie Ghedin：第一阶段微生物组学研究以阐明微生物组的组成为主;第二阶段关注特定身体部位的微生物组以及宿主-微生物之间的相互作用。而微生物组研究的第三阶段，需要深入不同部位之间微生物组的关联，这有助于我们真正了解不同的人携带的微生物组及其微生物驱动者是如何相互作用的。

Curtis Huttenhower：诸如普遍存在的微生物，功能网络和代谢途径等特征已被用于描述健康和患病个体中的微生物组。但是，有必要增加群体规模的流行病学和深入的临床研究来改善以微生物为中心的疾病模型。这种高度整合的模型更有可能解释疾病的潜在因果分子机制。为了最大限度地提高微生物组对人类健康的效益，必须合理地确定目标。

2.鉴于目前临床前模型的局限性，您预计需要哪些进步才能促进微生物组产品的开发？

JoséC.Clemente：通过使用动物模型取得进一步进展的关键不是抵制它们，而是要更准确地理解它们的局限性以及如何使这些科研发现转化为被人类所用。当我们无法重复之前的实验结果时，很难确定这是由于技术的不稳定还是因为动物模型中的发现的现象不具备生物学上的稳健性。如果这种方法的结果是完全可重复的，那么我们至少可以从这个复杂方程中删除一个变量，并提高单个研究中结果的可重复性及转化效率。

Alexander Maue：解决目前局限性的一种方法是使用具有人源化免疫系统的动物。另一种策略是对移植的亲代动物的后代进行实验，这些动物将与移植的微生物组一起共同调节免疫系统，因为这些移植的微生物的多样性已被证明在F1代中是保守的。

Dan Littman：用人造血细胞培养人源化小鼠的想法非常好，然而，这是一个三维问题，也是一个架构问题。例如，在结肠中Treg调节性T细胞的诱导实验中，需要展开多个步骤以确定引流淋巴结中细胞是否正确定位。我们仍然不知道人类骨髓细胞是否能进入到小鼠固有层中正确的位置或排出到淋巴结。

Johan E. T.van Hylckama Vlieg：微生物组的标准化仍处于起步阶段。以微生物组为基础的产品需通过严谨转化过程，包括微生物学，生态学，流行病学，统计学和生物信息学在内的许多领域的专家需要共同努力，以确定潜在的变异来源并制定最佳实验方案。在人类研究中使用的这些最佳方案将加快我们对生物学的理解和开发基于微生物组的干预措施来应对疾病

3.微生物组研究在多大程度上从相关性转向因果关系？

Eran Elinav：我们在最初的十年中发现了许多临床标记与微生物相关，但现在我们发现其中许多并不是由微生物组引起的表型。现在，科研工作者正在进行大量工作以期将相关性向因果性迈进，但这要求对微生物组介导的表型，微生物之间，微生物与宿主相互作用以及这些组合的多维分子机制的深入理解

David Kyle：当我们考虑因果性和相关性时，我认为因果关系是一个被过分强调的概念，因为监管过程，如要获得药物批准，你必须在疾病终点或直接因果关系上建立临床疗效，将流程转变为二元决策。相关性不是二元的

Bernat Olle：我也认为这是被低估的。相关和因果关系领域的对话确实低估了用不同证据进行三角测量的重要性。如果你有来自人体研究的有趣联想，细菌发挥药理学作用的证据，以及动物中因果关系的一些证据，那么我对于推进一项这样计划的感觉要比仅依靠来自动物模型的因果证据，或仅来自人类研究的相关证据要好很多。

Richard Bonneau：当我们在微生物领域谈论因果关系时，有时会混淆概念。当我想到因果关系时，无论是从先前的知识还是通过推理，我想到的是建立模型来捕捉系统的生物学基础。因此，揭示因果关系依赖于实验准确性和可重复性以及适当的生物学机理。

4.如何更广泛地看待细菌以外的微生物组成？

E.G.：由于微生物生态学领域受16S数据分析的约束，微生物组研究的起源其实是细菌性的。随着宏基因组测序方法的发展，微生物组研究现在已经开始包含其他微生物群。需要注意的是，微生物组组成（例如viromeome或mycobiome）相关的工作仍然是处于其组成的识别方面。例如，病毒体是微生物组的重要组成部分，但是由于没有能像在真菌或细菌中看到的标记基因，因此制备高通量的病毒多样性非常困难。因此，您必须使用宏基因组方法来捕获病毒颗粒多样性，然而，这是一件非常困难的事情。如发现crAssphage就是一个很好的例子，识别它并产生完整的序列需要结合来自许多人和肠道微生物组的数据集。

B.O.：是否有可能从一个捐赠者的微生物组传播有害病毒，寄生虫或细菌到受体中？随着粪便移植，一种成份不确定的程序，我们虽然有几千名患者的FMT经验，我们也相信这是一个安全的手术程序。但是，一旦我们将其应用于成千上万的人，我们将开始学到更多的东西。如果有一个潜在的安全问题让我夜不能寐，那么一定是会让人想起20世纪90年代的HIV血库事故的公共医疗保健方案。

5.为什么有这么多的工作集中在肠道，以及该领域应该考虑哪些其他部位的微生物组？

Leopoldo Segal：肠道的微生物研究面临两个障碍：可达性和密度。肠道微生物组可以相对容易地进行测量，直接或通过粪便物质分析，并且可用的生物材料的量为数十至数百克和数十亿至数万亿的细胞。一旦离开肠道，可及性或生物量会以指数方式减少。

A. Maue：人们谈到微生物组时存在一种内在的偏见，这种偏见会使讨论自然转向以肠道为中心的模型。这本身可能不会是一个挑战，但它会导致缺乏不同身体部位（例如，肺，肠，皮肤）的微生物组模型。

E.G.：除了肠道以外，皮肤微生物组已有很多研究，呼吸道等也开始变得非常重要，已经有一些口腔微生物组项目表明微生物与心血管疾病之间存在关联。例如，曾经被认为是无菌环境的肺部现在已被证明含有多样化且低密度微生物组，而这些微生物组又与局部和系统性T辅助细胞17（TH17）驱动的急性和慢性肺病炎症反应有关。我们还比较了皮肤微生物组和肺部微生物组真菌和细菌数据，我们发现真菌对群落稳定性的效应在皮肤和肺部完全不同，但我们也不知道真菌在肠道中的重要性。

LS：微生物组在调节肺部药物活性中的具有非常复杂的作用，特别是肺气肿患者使用的大环内酯类，以及调节炎症反应的药物，是微生物组与其特定宿主生态位之间相互作用复杂性和相关性的例子，并且可以发生在微生物组内的不同生物群之间。

6.微生物组数据与其他数据的整合会带来哪些挑战？

D.L.：我认为我们需要开发更复杂的算法和系统，以便能够理解微生物组复杂的动态性质和交互作用。我经常依赖经验数据，但我认为必须以更加综合的方式来研究它们，才能获得一些可以在临床上应用的有用信息。

Jun Wang：现在是时候开展真正的合作了，以深入研究微生物组的生物学,它的功能模块及其与人类基因组的相互作用。垂直水平上，多组学关联分析是解开这种更深层次并开发基于微生物组的益生菌和抗生素的关键。

R.B.：从染色体结构到RNA，我们拥有极其高效和多样的分析方法。但是，一旦我们偏离核苷酸，就实验规模，成本和设计能力而言，我们还处于一个黑匣子中。主要的挑战来自于在信息水平上，我们没有一种精准的方式将测量到的数据与上面的信息相匹配。当我们面对不同组学数据时，从核苷酸到蛋白质，蛋白质到酶活性，酶活性到代谢物，每个组学都变得更加复杂。应对这一挑战的唯一方法就是将生物学模型系统运用到微生物组研究中，确定系统的关键组件并设计非常详细的实验。

Peter Christey：微生物组学研究真正的进步将会是关注点从鉴别和描述存在的生物转向深入分析个体微生物的功能，微生物群落及其与宿主间的相互作用。目前，该领域缺乏了解微生物群落是如何发挥功能的工具，这种缺陷已经成为微生物组学的障碍。应优先考虑开发微生物培养和筛选工具，以模拟整个微生物组的功能。

RB：分析这些种类型数据的关键是要让分析人员，建模人员，生物技术人员从研究开始就参与进来，以确定这些数据可以做些什么，能否把这些结合起来？在我看来，我们应该尝试做的事情之一就是思考。分析技术在十年内将会便宜一千倍，而且它们对临床的渗透以及它们获得统一性的数据的能力将会大大提高。当你将我们在统计学和机器学习中所取得的进步相结合时，我认为我们能够从模型中获得更多信息，并且我们将能够更广泛地对数据进行建模。但要实现这一目标，我们实际上需要拥有可靠的模型，而且我认为这会比想象中要来得更快一些。

7.与其他干预措施相比，当微生物组疗法进入临床时，研究人员需要考虑什么？

Arpita Maiti：目前制药公司不投资活体生物治疗药物的原因是缺乏药物代谢动力学和药效学方面的研究，这两项对理解试验失败的原因至关重要。微生物药物动力学可以通过类似于传统的小分子药物动力学在个体中随着时间变化来定义。同样地，微生物组的药效学可定义为随着时间的推移在个体微生物中观察到的变化，包括微生物代谢物和宿主生物标志物的变化。我认为，安慰剂在早期阶段阶段效应非常大，这是一个未被充分认识的事实，特别是微生物组相关的疾病中。即使是非常好的设计，也通常会因此而失败。

BO：我们应该先询问我们是否真的了解药物代谢动力学，而不是仅将细菌制剂放入人体并急于确定其疗效，希望能够首先报道它。基于第1阶段的药物代谢动力学和药效学数据，我们希望能够优化2期试验的剂量来提高成功的几率。相反，如果第1阶段数据表明是不确定或为负面时，我们希望能够进行适当的分析并找出其中的原因。

A. Maiti：传统意义上，药物是否提供治疗益处的概念定义了临床结果。然而，在微生物组的背景下，可能必须重新定义临床结果，其临床效果不是治疗病症而是预防病症。

D. Kyle：从婴儿微生物组研究中，我们看到，在抗生素抗性基因和毒力因子影响下，母乳喂养和阴道分娩的婴儿的微生物丰度显著降低。以双歧杆菌为优势菌的微生物组重建显著降低了整体病原体负荷，恢复了粪便pH并增加了微生物组的稳定性。这不是治疗，治愈，减轻或预防某种疾病，但它对于当今美国大多数肠道紊乱的婴儿而言，这显然是更好的选择。

B.O.：我也希望看到该领域达成了某些一致，如我们认为恢复微生物群落的适当替代终点的固定生物标志物。与此相关的是，确定微生物组对扰动的弹性的测试将提供额外的帮助。

A. Maiti：我想要涉及的地方是大多数制药公司都会感到非常紧张的临床数据有关领域，我们能否设计出微生物信号标记，表明有的人会对治疗有应答，有的人无应答？我们是否可以建立一个用于识别缺乏特定药物和干预信息的临床数据，但能够捕获整体反应来揭示潜在微生物组动态？我还没有解决方案，但我认为这是一个可以克服的障碍，并且需要进行大量的思考和合作，才能认识到它会为我们工作所带来价值。

思考

越来越多的研究表明，微生物组与人体健康关系密切，包括来自皮肤，口腔，呼吸道，消化道和生殖道的微生物组等，微生物组是人体不可分割的一部分。微生物作为地球上分布最为广泛、生物量最大、生物多样性最为丰富的生命形式，蕴藏着极为丰富的物种资源和基因资源，影响整个地球生态系统。全面系统地解析微生物组的结构和功能，搞清相关的调控机制，将为解决人类社会面临的健康、食品和环境等重大系统问题带来革命性的新思路，提供不同寻常的解决方案。

链接

[1]原文链接：https://www.nature.com/articles/nbt.4287
[2]Microbiology: past, present and future
[3]点击查看上一篇文献

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