第二章 肠道微生物组研究概览
2.1 历史脉络与里程碑
2019 年，Nature 杂志配合HMP2 阶段性成果的发表，推出了人类微生物组研究里程碑的重磅内容（https:// www.nature.com/immersive/d42859-019-00041-z/index.html），对这一领域的研究历史和重大突破进行了细致地回顾和梳理。我们在参考这些内容的基础上，重点关注肠道微生物组研究的历史脉络与里程碑研究，并基于自身观察对 2019 年以来的重要研究成果进行补充。
起源
对人类微生物的描述起始于 17 世纪的列文虎克。有人认为，莱迪（Joseph Leidy）于 1853 年出版的《A Flora and Fauna within Living Animals》标志着微生物组研究的起源。随后，巴斯德、梅契尼可夫、科赫、埃舍里希等微生物学巨匠提出的假说和早期工作（如科赫法则）为后来的微生物组 - 宿主互作研究奠定了基础。
里程碑 1：培养厌氧菌（1944 年）
1944 年，对牛瘤胃降解纤维素的微生物的一项研究中，Robert. E. Hungate 革命性的滚管方法使厌氧菌的成功培养成为可能[1]。这种沿用至今的培养方法，使人们第一次分离出人类相关的厌氧菌。20 世纪 60 年代发明的 GasPak 和厌氧手套箱方法，也是目前仍在使用的厌氧培养技术。
里程碑 2：粪菌移植治疗艰难梭菌感染（1958 年）
1958 年，Eiseman 报道了用健康人粪便灌肠的粪菌移植（FMT）方法成功治疗伪膜性肠炎[2]。从那时起， FMT 作为艰难梭菌复发性感染的成功救治疗法已被广泛接受。近年来，FMT 的技术方法不断改进、创新，也被用于多种疾病治疗的临床研究，对溃疡性结肠炎等疾病展现出治疗潜力。
里程碑 3：无菌动物肠道菌群移植实验（1965 年）
1965 年，Schaedler 等研究者首次将细菌移植给无菌小鼠，揭示了肠道菌群对于宿主发育及生理功能的重要性[3]。这一创举建立了利用无菌动物研究肠道微生物组对宿主作用的新方法。自此，无菌动物开始被广泛用于研究肠道微生物及肠道微生物组与宿主代谢和免疫系统的互作。
里程碑 4：微生物组可影响药物代谢（1972 年）
Peppercorn 和 Goldman 证实，抗菌药柳氮磺吡啶在常规大鼠体内和用人类肠道细菌培养时可以被降解，在无菌大鼠体内却不能被降解，这表明肠道微生物组在药物转化中发挥作用[4]。后续越来越多的研究证实了肠道微生物组在药物代谢中的作用，并强调了其对药物失活、药效和毒性的影响。
里程碑 5：生命早期的微生物组演替（1981 年）
1900 年，早期的研究就对婴儿体内的细菌演替进行了描述。1981 年的 3 项研究对婴儿初始菌群的建立进行了初步定量分析，并探索了喂养因素对其的塑造作用[5, 6]。后续研究进一步揭示了婴儿早期的肠道微生物组的动态变化及影响因素，早期微生物组的建立和扰动对后续健康的长期影响仍是目前的研究关注点。
里程碑 6：基于测序的人类粪便菌群分析（1996 年）
1996 年，Wilson Blitchington 利用基于 16S rRNA 测序的方法分析了人类粪便样本中可培养和不可培养细菌的多样性[7]。鸟枪法测序和后续的三代长读长测序令微生物组分析得以更加深入。
里程碑 7：肠道微生物组的稳定性与个体差异（1998 年）
1998 年，Willem de Vos 等使用 16S rRNA 基因扩增 + 温度梯度凝胶电泳，发现人粪便菌群具有个体特异性和稳定性[8]。包括长期大队列研究在内的后续一系列研究共同证明，肠道微生物组在个体间存在明显差异，其组成随时间发生改变，但整体相对稳定。
里程碑 8：不止细菌，宏基因组学分析揭开其他肠道微生物的面纱（2003 年）
病毒、真菌和古菌也是人类菌群的重要成员，对人类健康有潜在影响。2001 年 Rowher 团队报道了用鸟枪法测序分析噬菌体基因组 DNA，开启了人类病毒组的研究，2003 年他们首次量化描述了人粪便病毒组[9]。鸟枪法宏基因组学也促进了真菌组和古菌组的研究，鉴定出疾病相关的真菌- 细菌互作和肠内含量最多的产甲烷古菌。
里程碑 9：微生物组对黏膜免疫的调节（2004 年）
1989 年，“卫生假说”被提出[10]。2004 年的两项研究发现，在正常情况下免疫系统通过模式识别受体感知肠道共生菌，在组织修复中发挥重要作用[11, 12]。该发现开辟了一个新视角：对肠菌的免疫反应不是宿主防御，而是一种共生生理过程。越来越多的证据表明，肠道微生物组可通过多种方式调节免疫系统的发育、成熟及功能，提示微生物组 - 免疫系统的互作可能是“卫生假说”背后的机制之一。
里程碑 10：饮食对肠道微生物组的影响（2005 年）
肠道微生物组编码大量参与分解饮食底物以获取能量的基因。2005 年，Jeffrey Gordon 团队对多形拟杆菌的研究显示，饮食变化可改变肠道细菌降解多糖的能力，影响相关基因的表达[13]。此后，很多研究都致力于揭示饮食变化对肠道微生物组组成和功能的影响。当缺乏膳食纤维时，不仅菌群生成的短链脂肪酸会减少，部分肠菌还会被迫改变代谢能力，转而降解宿主肠道黏液层的多糖，从而影响宿主健康。
里程碑 11：通过菌群移植转移宿主表型（2006 年）
2006 年，Jeffrey Gordon 团队发现，人类的胖瘦表型可以通过粪菌移植在小鼠重现[14]。一系列研究表明，通过菌群移植实验，可将小鼠的疾病表型转移给正常小鼠；将患者的肠道微生物组移植给小鼠，也可使后者表现出患者的疾病表型。这不仅表明菌群失调可能与某些疾病存在因果关联，为探索微生物组与宿主表型的因果关系和机制提供了有力工具，也提示通过菌群移植调节肠道微生物组或是治疗相关疾病的新策略。
里程碑 12：饮食- 微生物组互作对人体代谢的影响（2006 年）
2006 年，Jeffrey Gordon 团队证实肥胖小鼠肠道微生物组的组成与功能发生改变，能收集更多能量[15]。后续许多研究都强调了饮食对肠道微生物组和宿主代谢的重要影响，以及由此对人类健康产生的影响。这些发现为开发基于营养的肠道微生物组治疗方法奠定了基础。
里程碑 13：定植抵抗的机制（2007 年）
“共生菌群抵御感染”的概念可能最早源于梅契尼可夫，他在 20 世纪初提出通过喝富含细菌的酸奶来避免感染性疾病。1917 年，德国医生尼索分离出大肠杆菌 Nissle 1917 菌株，明确了定植抵抗的作用。2007 年的 3项关键研究，则对共生菌群、致病菌和宿主免疫的复杂互作机制进行了揭示[16-18]。宿主微生物组可通过生成杀菌因子、争夺生态位和营养等机制抵御致病菌，而致病菌可通过引发肠道炎症来改变宿主微生物组，从而促进自身的侵入和定植。
里程碑 14：使用多组学技术研究人类肠道微生物组功能（2007 年）
Eline Klaassens等人将宏蛋白质组学方法应用于未培养的人类肠道微生物组，并进行了功能性分析[19]。随后，许多研究采用了组学方法，如代谢组学、宏转录组学，并开发了多组学分析流程，这些方法至今仍在揭示微生物群的功能。
里程碑 15：抗生素对肠道微生物组组成和宿主健康的影响（2010 年）
抗生素不仅作用于导致感染的细菌，还会影响常驻微生物群。2008 年，David Relman 团队的研究表明，用环丙沙星治疗健康人会影响粪便样本中约三分之一细菌类群的丰度[20]。此后研究显示，抗生素干预后的肠道微生物组很难完全恢复，个体间恢复的程度也不同，这可能会影响宿主的生理健康、代谢和免疫。幼年动物使用抗生素也会改变调节免疫反应的基因表达和细胞数量，增加多种疾病的易感性。
里程碑 16：生物信息学工具助力微生物组测序数据分析（2010 年）
2010 年，Rob Knight 团队领衔发布了用于微生物组研究的生物信息学工具 QIIME[21, 22]，并在后续推出了更新的 QIIME 2。这些工具在微生物组研究中扮演了非常重要的角色，不仅提供了强大的分析工具，还促进了数据共享和研究合作，推动了微生物组领域的快速发展。
里程碑 17：大规模人群的微生物组分析（2011 年）
21 世纪初，宏基因组、高通量测序技术的发展促进了多个大队列的微生物组研究。大型人群研究极大地推进了对于肠道微生物组多样性的了解，揭示了微生物组与健康和疾病的许多潜在联系，也促进了研究方法的发展和标准化[23]。这些研究不仅表明人群之间没有统一的“健康微生物组”，还确定并量化了影响微生物组的因素，如饮食、药物、宿主基因等。基于人群的多组学整合分析，对于识别特定疾病的微生物组特征和研发干预方法具有重要意义。
里程碑 18：微生物组- 肠- 脑轴（2012 年）
2011 年几项小鼠研究揭示了缺乏常规微生物组如何影响行为、大脑基因表达和神经系统发育[24-27]。后续研究进一步揭示了微生物组与人类神经系统之间的联系，表明微生物组 - 肠 - 脑轴对神经发育障碍、神经退行性疾病、精神障碍等疾病具有潜在重要作用。
里程碑 19：培养组学拓展可培养肠道微生物的边界（2012 年）
2011 年，Andrew Goodman 等人报道了高通量厌氧培养技术在肠道微生物组研究中的应用[28]。2012 年，法国艾克斯 - 马赛大学的 Didier Raoult 团队首次提出并报道了培养组学方法，使用 212 种不同的培养条件对人类粪便样本进行研究，识别出大量未知的微生物种类，为基于宏基因组学的微生物组研究提供了良好的补充[29]。培养组学是肠道微生物组研究领域的一项重要技术进步，扩展了对微生物多样性的认知，并为肠道微生物的功能验证和转化应用提供了重要手段。
里程碑 20：全球人类肠道微生物组（2012 年）
早期人类肠道微生物组研究以分析西方国家的工业化人群为主，这种单一化的人群样本限制了对人类肠道微生物组多样性的认知。2012 年，Yatsunenko 等人对生活在亚马孙河流域、马拉维农村、美国大都市这些不同地区和社会形态的人群进行调查发现，在这些地理位置不同的人群中，肠道微生物组的组成和功能存在明显差异[30]。之后，不同国家的团队都开展了本国的肠道微生物组队列研究，也有多项研究重点探索了非洲狩猎采集者部落的肠道微生物组。这些工作对于理解人类微生物组多样性、微生物组与宿主的共演化等问题，提供了宝贵数据。
里程碑 21：微生物产生的短链脂肪酸能够促进生成调节性 T 细胞（2013 年）
调节性 T 细胞（Tregs）对维持免疫稳态至关重要。2013 年，三项发表在 Science 和 Nature 的研究表明，肠道微生物组生成的代谢产物短链脂肪酸能促进 Tregs 的扩增和分化[31-33]。这些发现揭示了共生微生物组与免疫系统的一种化学介导的交流形式，阐明了微生物组影响免疫的机制。后续大量研究围绕短链脂肪酸在微生物组调节宿主免疫、代谢、神经等生理功能方面的作用而展开，并带动了其他微生物组代谢产物的研究，加深了对微生物组与宿主互作机制的理解。
里程碑 22：人类微生物组产生抗生素（2014 年）
2014 年，Cell 发表的一项研究首次系统性分析了在人类相关细菌基因组广泛分布的小分子生物合成基因簇（BGCs），鉴定并研究了其中的抗生素 BGCs[34]。这些发现为解析微生物 - 微生物、微生物 - 宿主的互作分子机制，以及从微生物组挖掘新型抗生素等潜在药物，提供了新线索。
里程碑 23：非抗生素药物与肠道微生物组相互作用（2015 年）
2015 年多项研究发现，常用的非抗生素药物（如质子泵抑制剂）会影响肠道微生物的丰度和细菌基因的表达，从而可能对人体健康产生积极或消极的影响[35-37]。之后多项研究逐步揭示了非抗生素药物与肠道微生物组的广泛互作，表明药物可以通过调节肠道微生物组的组成和功能来改善疾病，而微生物组在药物转化和代谢方面也可以发挥关键作用，并一定程度上介导了药物疗效和不良反应的个体间差异。这些发现揭示，药物研发时应将肠道微生物组因素纳入考虑。
里程碑 24：肠道微生物组可影响癌症治疗反应（2018 年）
继早先的小鼠模型研究之后，2018 年发表的多项临床研究显示，肠道微生物组的组成与黑色素瘤、晚期肺癌、肾癌患者对免疫检查点疗法的反应以及肿瘤的控制相关[38-40]。后续的小规模临床试验和临床研究则进一步证明，粪菌移植等靶向调控肠道微生物组的干预方法可以改善部分癌症患者对免疫治疗的应答[41, 42]。此外，多项动物研究揭示了肠道微生物组影响肿瘤治疗疗效的分子机制。这些工作为研发通过调控肠道微生物组来增强癌症治疗疗效，尤其免疫治疗的干预方法奠定了基础。
里程碑 25：宏基因组组装基因组极大拓展对人类微生物组的认知（2019 年）
在环境微生物学领域开创的计算方法的进步，使得从宏基因组学数据集重建微生物基因组成为可能。2019年的多项研究中，研究者使用这种宏基因组组装基因组的方法，从全球农村、城市人群的肠道和其他身体部位的微生物组中鉴定出大量未培养的候选微生物新物种，尤其是细菌和病毒 / 噬菌体[43-45]。这些工作极大扩展了已知的肠道微生物的系统发育多样性，并改进了对缺乏研究的非西方人群肠道微生物的表征，为之后的研究提供了丰富的参考资源。
里程碑 26：靶向肠道微生物组的饮食干预改善健康（2019 年）
2019 年和 2021 年，Jeffrey Gordon 团队分别在 Science、NEJM 发表重要研究，表明精细调节肠道微生物组，以能增强特定有益肠道细菌及其功能的微生物组导向性食物作为干预手段，可以改善中度急性营养不良儿童的生长状况[46, 47]。相关研究被 Science 期刊评为 2019 年年度突破之一，相关研究方法对于研发靶向肠道微生物组的饮食干预具有重要参考意义。
里程碑 27：灭活菌与后生元新篇章（2019 年）
嗜黏蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila，Akk 菌）是一种肠道共生菌，也是下一代益生菌中的“潜力股”，在转化应用研究方面走在了前列。Patrice Cani 团队在前期动物研究的基础上，于 2019 年发表了 Akk菌的首个临床试验结果，表明补充灭活的 Akk 菌可显著改善伴超重 / 肥胖伴胰岛素抵抗者的多项代谢指标[48]。该研究与其他研究共同引发了学界对“后生元”概念及其应用潜力的探讨。2021 年，国际益生菌和益生元科学协会（ISAPP）发表了关于后生元定义和范围的共识声明[49]。虽然目前对于后生元的定义仍有争议，但用特定的灭活细菌或其有效成分来改善健康的研究，已然成为了学界关注的研究话题。
里程碑 28：微生物组胆汁酸代谢（2020 年）
胃肠道胆汁酸微生物学，包括胆汁酸的合成与组成、肠道微生物组胆汁酸代谢、胆汁酸差向异构体对宿主免疫细胞和代谢的影响等研究方向，在经历了七八十年代的兴起，近年来随着肠道微生物组研究的异军突起再次迎来了复兴。2020 年前后，Nature 期刊接连发表多项相关研究，微生物组的胆汁酸代谢物也成为继短链脂肪酸之后又一“热点”微生物组代谢产物[50]。
里程碑 29：微生物单细胞测序等新技术助力肠道微生物组研究（2022 年）
随着人类微生物组研究的深入，新的研究方法不断出现并普及。近期发表的多项高通量微生物单细胞测序技术，使得在菌株乃至单个细菌细胞层面解析微生物基因组和基因表达成为可能[51]。此外，肠道芯片技术、基于 CRISPR 的细菌遗传操作，在研究肠道微生物组及其与宿主的相互作用方面都显现广泛前景。
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