编者按：

随着微生物组研究的不断涌现，我们一点点揭开了这些共生微生物的神秘面纱。虽然我们对微生物与宿主、外界环境之间的互作，还有微生物自身之间的互作的了解还很有限，但是许多研究人员已经开始将微生物科学应用于临床。

今天，我们特别编译了发表在 Genetic Engineering & Biotechnology News 杂志上关于微生物组科研成果转化的文章，希望该文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

微生物组

一旦生态系统被破坏，想再恢复它是十分困难的。如果这个被破坏的生态系统是人体的微生物群落的话，那么想要变回一个健康的微生物组就更加困难了。生态系统中任何一个元素过分地增加或减少，都可能会导致多个元素共同陷入混乱，造成无法轻易补救的生态失调。

人体的微生物组是由多个相互作用的元素组成的（甚至会涉及微生物组以外的元素），这些元素是不能单独分离观察的。更何况，它们是系统整体的部分。因此触摸其中任何一个都可能以不可预测的方式导致“牵一发而动全身”的结果。除非，我们明确知道这些元素之间的关系及其相互作用机制。

幸运的是，研究人员们对微生物组的认识越来越深入且全面。更振奋人心的是，这些知识正逐渐开始被应用于临床。如本文所示，各种类型的公司（如生物技术公司、研究机构和个人护理公司）都在积极开发基于微生物组的产品。

Scaled Microbiomics 公司正在开发微生物组疗法，可以靶向与疾病级联有关的特定致病性共生菌。例如，该公司正在开发针对大肠杆菌和脆弱拟杆菌菌株的抗体，这两种菌株共同作用可能会导致结肠癌。

抗体，而非抗生素

Scale Microbiomics 公司创始人， Julius Goepp 博士说：“我们被庞大的微生物生态系统覆盖、保护并与之相互作用。”身体中每一个与外界环境接触的部位都会发现一个蓬勃发展的微生物群落。这包括“外部”的部位（如皮肤和毛发，包括腋下和鼻孔的皮肤和毛发）和被认为是“内部”的部位（如胃肠道）。

Goepp 指出：“我们肠道表面是与外界相连的。我们肠道的神奇之处就在于，它可以运输两磅重的令人恶心的物质，同时用一层隔离细胞让我们维持宝贵且无菌的内部组织。”

但是这一层细胞的保护是不稳定的，尤其是当微生物生态系统失去平衡的时候。

Goepp 认为，肠道的微生物生态系统就像亚马逊雨林的生态系统一样，虽然具有一定的恢复力，但是这种恢复能力是有限的。

当受到刺激时（如长时间接触抗生素、饮食中缺乏膳食纤维并含有大量添加剂及环境污染），微生物生态系统平衡可能会被彻底打破并形成一种新的常态，即生态失调。研究发现，生态失调与一些非传染性疾病（如糖尿病、神经退行性疾病和癌症）之间存在紧密联系。

例如，遗传性结直肠癌可能与两种有害细菌的过度繁殖有关。第一种是脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis），它可以攻击将微生物组和结肠细胞分开的保护层。第二种是大肠杆菌（Escherichia coli），它能产生一种损伤 DNA 的代谢物大肠杆菌素（colibactin）。当脆弱拟杆菌破坏了保护层后，大肠杆菌可以进入肠上皮细胞，而其产生的大肠杆菌素可能会破坏 DNA。

在一项对结直肠癌患者的回顾性纵向研究中，在 20%患者的肿瘤中发现了大肠杆菌素诱导的突变特征。研究结果表明，大部分的损伤是在儿童时期造成的。Goepp 认为：“如果有一种干预手段来阻止基因组损伤的发生，这些人可能不会得癌症。”

而这就是 Scaled Microbiomics 公司诞生的原因。该公司已经研制出一系列针对具有破坏性的 E. coli 和 B. fragilis 菌株的禽类抗体。

Goepp 强调说：“我们已经证实我们生产的抗体可以阻止大肠杆菌粘附到结肠细胞上。”

为了对这种产品进行体内测试，Scaled Microbiomics 公司正在与 Cynthia Sears 教授进行合作。Cynthia Sears 教授是 Johns Hopkins 大学医学院癌症免疫治疗研究所 Bloomberg-Kimmel 微生物组研究项目的负责人。Sears 建立了一个能够良好表征微生物驱动结直肠癌的啮齿动物模型。

Goepp 对抗体方法寄予厚望。他说:“我们正在将一种古老、成熟的技术应用到一个新的器官、一系列新的细胞类型和一系列新的信号分子上。我们相信利用这种方法可以帮助我们了解疾病级联是如何运行和被破坏的。”

粪菌移植

总部位于美国马里兰州萨默维尔的微生物组药物研发企业 Finch Therapeutics 公司研究副总裁，Sonia Timberlake 博士说：“微生物组是我们在 12 到 15 年前发现的一种新器官，其中有很多复杂和未知的生物谜团。”

为了解决这一复杂的生物学问题，Finch 公司采用“以人为本”的方法，对多年粪便移植（FMT）的数据加以利用。

该公司与全美第一家公共粪菌库库 OpenBiome 的建立了长期合作关系，旨在超越粪便移植，研究全谱系微生物胶囊的生产。OpenBiome 的两位创始人 Mark Smith 博士和 Zain Kassam 医学博士也是 Finch 公司的创始人，现在分别担任 Finch 的首席执行官和首席医疗官。

创立 OpenBiome 公司的初衷是为了拓展粪便移植的途径，用于治疗导致胃肠道炎症的艰难梭菌（Clostridioides difficile）的过度生长。

艰难梭菌是微生物组中天然存在的成员，在抗生素治疗后，它比其他物种恢复得更快，因此会导致生态失调。而且，艰难梭菌一旦复发就很难根除，即使使用大剂量的抗生素也无济于事。而粪便移植试图通过重新引入多种天然存在于肠道的细菌，帮助这些细菌正常生长，从而抑制艰难梭菌。

除了生产全谱系微生物产品，Finch 公司还在开发“合理筛选的微生物”的产品，该公司希望这一策略能使其扩大这项技术的规模。

Timberlake 解释说：“因为每个健康的捐赠者菌群略有不同，并且每个患者在治疗前后的菌群也略有不同，你可能会疑问哪些微生物菌株是活性成分。”

一个完整的菌群移植大约包含 500 种不同的微生物菌株，但只有其中的 50 到 100 种可能在接受者体内存在。通过使用高通量 DNA 测序和代谢组学，Finch 公司的科学家可以确定哪些菌株与患者的病情好转相关。

确定对修复肠道的重要菌种是扩大产量的关键一步：不再是费力地从每个病人的捐赠者身上提取完整的微生物组，而是通过研究人员培育出合理筛选过的菌株，使之成为更精简、现成的产品。

Timberlake 指出：“你的产品会简单得多，并且你可以在基因分析的层面上真正了解其安全可靠性。但是，很少有现成的工业化操作流程能很好地培养人体肠道细菌，而且，实现大规模培养仍然是一个重大的技术难题。”

基于利用微生物组移植治疗艰难梭菌的成功经验，Finch 公司还希望开发出治疗炎症性肠病（IBD）的方法。炎症性肠病是一种引起胃肠道炎症的自身免疫性疾病。

IBD（包括克罗恩病和溃疡性结肠炎）虽然可以在一定程度上通过药物或手术进行治疗，但是这些治疗手段都涉及到强大的免疫抑制剂，它们通常昂贵而且具有明显的副作用，且只对一小部分病人有效。

Timberlake 强调说：“该策略有希望治疗这些不断增加的疾病。我真的认为我们的治疗方法会非常安全并具备很大的开发潜力。”

欧莱雅皮肤微生物组的研究人员发现，在过敏性皮炎爆发阶段，皮肤微生物群落会有金黄色葡萄球菌过度生长的现象。研究人员还证实，如果在复发前使用含有益生菌提取物的润肤剂，可以延缓炎症的再次爆发。研究人员认为，益生菌提取物可以通过刺激皮肤中的免疫细胞产生细胞因子来抑制金黄色葡萄球菌。

皮肤表面的微生物

和肠道一样，皮肤上有大量的微生物，但对皮肤微生物组的研究起步较晚。皮肤生态失调或许与一些皮肤疾病有关（如过敏性皮炎 AD 和头皮屑）。现在，研究人员正致力于弄清楚哪些微生物菌株参与其中，以及针对这些微生物的治疗是否能减轻症状。

AD 是一种常见的、与过敏相关的皮肤炎症，通常发作于儿童时期。欧莱雅研究与创新部皮肤微生物组项目负责人 Cecile Clavaud 博士解释说，剖腹产的婴儿皮肤上的微生物组与阴道顺产的婴儿相比，差异很大，而剖腹产婴儿患 AD 的风险更高。

典型的 AD 治疗方法包括使用皮质类固醇来减少皮肤瘙痒和泛红。Clavaud  说：“这只是短期效果。泛红会减轻，但几周后又会复发。”她注意到随着时间的推移，微生物组的变化揭示了导致 AD 爆发原因是由于金黄色葡萄球菌 （Staphylococcus aureus）的过度生长。

Clavaud 进一步解释说：“在危机期间，皮肤菌群多样性要低得多。金黄色葡萄球菌增加，而其它细菌减少。一种细菌不断侵占着整个空间、食物和所有的一切。”

欧莱雅的研究人员证明，使用含益生菌提取物的润滑剂可以延缓 AD 的爆发。Clavaud 强调说：“这种提取物将刺激先天免疫并帮助微生物组恢复健康状态下的多样性”。

益生菌制剂可以刺激皮肤免疫细胞产生特定的细胞因子。它们不仅有助于控制金黄色葡萄球菌，还具有抗炎活性，能够减少 AD 泛红和瘙痒的症状。

在对头皮的研究中，欧莱雅的科学家们发现，头皮屑过多的人，其头皮上的细菌存在异常。健康的头皮上有较多的痤疮丙酸杆菌（Propionibacterium acnes）和较少的表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis），而头皮屑患者的这两种菌种的比例相反。

头皮屑通常与马拉色菌属（Malassezia）中酵母类真菌的过量增殖有关，而治疗头皮屑的非处方洗发水通常含有抗真菌剂。欧莱雅正在研究一种专门针对表皮葡萄球菌的配方。Clavaud 说：“通过靶向坏细菌，限制它的生长，对症状有了额外的改善。”

我们对皮肤微生物群落的了解才刚刚开始。Clavaud 和她的同事最近公布了限制性马拉色菌（Malassezia restricta）的基因组序列，以便更好地了解它在头皮菌群群落中所扮演的角色以及它是如何导致头皮屑的。

他们还致力于探究环境污染和衰老与微生物组的关系。Clavaud 表示：“故事还在继续。”

超高分辨率基因组分析

Clinical Microbiomics 公司成立于 2015 年，开始时，该公司为微生物组样本提供 16S 基因测序。然而，没过多久，该公司的客户就开始要求进行更精确的基因组分析。

Clinical Microbiomics 公司首席科学官 H.Bjørn Nielsen 博士说：“我们的大多数客户并不是生物信息学分析的专业人员。”为了更好地服务客户，Clinical Microbiomics 公司开始在研究项目的不同阶段提供各种个性化服务。

Nielse 指出：“我们已经建立了不同生物信息学工具的流程。该流程使公司能够为研究项目提供强大的分析。我们提供的是一种非常个性化的量身定制的数据分析服务。”

例如，一些客户甚至在研究开始前就要求指导，如何确定适当的样本数量，以得到最好的实验效果。而在完成样本的收集后，Clinical Microbiomics 公司会对 DNA 进行提取测序，并利用生物信息学工具对数据进行分析。

2014 年，Nielsen 和他在丹麦技术大学的同事们开发了一项名为鸟枪法宏基因组学（Shotgun metagenomics）的技术。基于共同丰富基因的鉴定，该方法允许在不使用参考序列的情况下鉴定新的微生物菌株。于是，Clinical Microbiomics 公司开始利用鸟枪法宏基因组学，提供超高分辨率的微生物组分析，准确检测同一物种的差异。

超高分辨率分析显示，每个人的微生物组在基因上都是独一无二的。即使两个人拥有相同的细菌种类，但每个人的菌群在基因上也存在明显差异。

Nielsen 解释说：“然后你就了解了 n 个 1。那么，你应该如何利用这些数据进行统计分析呢？”

Clinical Microbiomics 公司利用数据分析方法构建这些遗传上不同的细菌种群的系统发育树。通过这种方法，可以将树的一个分支与特定的宿主特征关联起来。Nielsen 指出：“我们已经发现了许多这样的病例，其中有许多分支与人类的表型有关。”

另一种方法是关注功能差异，而不是分类学差异。通过识别编码特定生化途径的物种，Clinical Microbiomics 公司可以发现驱动特定表型的可能机制的线索。

Nielsen 说：“我们开始提供的新服务之一，绝对丰度分析。对于某些类型的分析来说，这是一个游戏规则改变者。相对丰度可能会产生误导，因为一个菌种看起来丰度增加了，但实际上它本身可能是保持不变的，只不过由于其他菌种正在减少，因此它看起来丰度是增加的。而绝对丰度可以为理解微生物组代谢物在特定条件下的作用提供关键信息。”

Clinical Microbiomics 公司旨在帮助科研或制药研究人员在临床应用的背景下分析他们的数据。

Nielsen 说：“有很多非常好的公司都以临床为重点，他们想了解微生物组是如何工作的，却没有专门的生物信息学分析团队。我们可以在这方面提供帮助，这样他们就可以更专注于临床医疗方面。”

原文链接：https://www.genengnews.com/magazine/empowering-labs-with-multiplatform-testing-options/

作者｜Caroline Seydel

编译｜张砚宁

审校｜617