“人類微生物組整合計劃”發(fā)布最新研究成果

編譯 蔡立英

人類微生物組整合計劃將人體中發(fā)現(xiàn)的與健康相關(guān)的微生物置于中心舞臺上。

日前，美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）人類微生物組整合計劃（iHMP）發(fā)布的研究成果，提供了兩種疾病及妊娠過程中的微生物和人類數(shù)據(jù)資源。這將有助于理解人類宿主與相關(guān)微生物的相互作用，對未來的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究具有重大價值。

這一工作包括三項代表性研究：兩篇發(fā)表在《自然》雜志上，一篇發(fā)表在《自然·醫(yī)學(xué)》雜志上。

多年來，慢性病研究專注于人類細(xì)胞和細(xì)胞相互作用的過程。差不多十年前，歐盟的人體腸道元基因組計劃（MetaHIT）和美國的人類微生物組計劃（HMP）等發(fā)布了業(yè)內(nèi)有影響力的報告，對人類體表和體內(nèi)的微生物群及基因組進行了分析，之后，研究人員的注意力才開始逐漸轉(zhuǎn)移到微生物群與人類疾病可能的關(guān)聯(lián)研究上來。

隨著iHMP新成果的發(fā)布，我們可以管窺微生物和人體之間復(fù)雜的相互作用及其在健康和疾病狀態(tài)下的變化，以及微生物的變化和已知的各種常見慢性病之間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)該能使我們從僅僅掌握疾病關(guān)聯(lián)因素轉(zhuǎn)變?yōu)槔斫怅P(guān)鍵致病機制。

iHMP研究的創(chuàng)新性

然而，之前對微生物模式的理解與我們應(yīng)用這些認(rèn)識研發(fā)療法的能力之間仍然存在很大差距。這種認(rèn)識的不足體現(xiàn)在三個方面。

首先，大多數(shù)研究的重點是確定人體微生物群的組成種類，以及確定由微生物組編碼的“潛在功能”，卻很少致力于研究微生物群的實際活性，比如在一定時間內(nèi)產(chǎn)生或降解的特定分子。其次，大多數(shù)此類研究是橫向的——也就是說，樣本往往只來自一個人。即使有少數(shù)研究會考慮微生物群種類隨時間的變化，他們的研究往往也只涉及少量個體。第三，這些研究的重點往往只是人類微生物群，而聯(lián)合分析人類宿主與微生物群的研究則很少見。

盡管有一些研究克服了這些局限中的一個或兩個方面，但同時解決這三個問題的研究鮮見。這正是iHMP數(shù)據(jù)與眾不同之處。

iHMP研究的三個領(lǐng)域

2012年，HMP完成預(yù)定目標(biāo)，公布研究成果。兩年后，NIH設(shè)立了iHMP，使這方面的研究進展到第二階段。

從繪制健康人體的微生物群，到關(guān)注疾?。▓D1），參與iHMP的研究人員在解決上述認(rèn)知不足的同時，研究了2型糖尿病的發(fā)病、炎癥性腸病，并尋找早產(chǎn)標(biāo)志物。

這些研究項目共計跟蹤研究了463人，時間跨度從幾個月至4年。研究人員對糞便、鼻腔或陰道樣本進行了多層次分析——捕獲樣本中存在的微生物種類，并根據(jù)研究需要，評估所剖析的微生物組的潛在功能及其基因、蛋白質(zhì)和代謝物的表達(dá)模式。

同時，還對人類宿主進行了分析，包括對其基因組的蛋白質(zhì)編碼區(qū)進行測序，分析基因表達(dá)，鑒定細(xì)胞因子的免疫系統(tǒng)信號分子的存在，以及測量臨床相關(guān)因子，如膽固醇的水平。

盡管并非對所有時間點的所有受試者都進行了全方位的測量，但無可否認(rèn)，這些研究提供了迄今為止對人類宿主健康狀況及其微生物群特征的最全面的動態(tài)追蹤。這一豐富的研究資源本身就是一項里程碑式的成果。

研究人員觀察到存在于身體不同部位的微生物群隨時間變化的許多有趣模式。例如，陰道微生物群的組成和功能的變化主要發(fā)生在妊娠前三個月，并導(dǎo)致乳桿菌屬的健康相關(guān)細(xì)菌占優(yōu)勢，特別是在有非洲或西班牙血統(tǒng)的女性中。有趣的是，陰道內(nèi)某些種類的乳桿菌低于常規(guī)水平的女性更有可能早產(chǎn)。盡管在所有被研究的個體中，微生物衍生的分子如蛋白質(zhì)和代謝物的水平高度可變，但炎癥性腸病患者相比沒有炎癥性腸病的人，其腸道微生物群隨著時間具有更高水平的變異性。

圖1 人類微生物組整合計劃（iHMP）

雖然這些例子中的微生物群隨時間變化的原因尚不清楚，但一些證據(jù)表明病毒感染可能是這種現(xiàn)象的觸發(fā)因素。在炎癥性腸病中，有時在腸道微生物群發(fā)生異常之前，會觀察到病毒水平的升高，這在某些情況下與疾病復(fù)發(fā)事件有關(guān)。糖尿病發(fā)病的研究中，在受試者患有呼吸系統(tǒng)的病毒感染時進行集中取樣，結(jié)果揭示了宿主免疫系統(tǒng)以及沒有糖尿病的受試者的腸和鼻腔微生物群的協(xié)同變化模式。未來的研究將專門評估病毒感染的微生物群隨著時間進展發(fā)生了哪些變化，并確定病毒感染是否會增加某些疾病出現(xiàn)或復(fù)發(fā)的風(fēng)險。

iHMP論文揭示了微生物群組成部分之間以及微生物群與宿主之間先前未知的廣泛相關(guān)性，并且繪制了龐大的隨時間變化關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)圖。這些研究注意到的一些最有趣的關(guān)聯(lián)是，特定微生物與促炎性細(xì)胞因子或抗炎性細(xì)胞因子之間存在聯(lián)系，這為我們梳理人體免疫系統(tǒng)與微生物群及其活動之間錯綜復(fù)雜的關(guān)系提供了指導(dǎo)。要測試iHMP揭示的關(guān)聯(lián)是否受這些因素的影響。此外，由于采樣時間尺度和實際限制，微生物群的變異性通常通過定期采樣來研究，但采樣事件之間的間隔時間很長。然而，為了在臨床中使用此類信息來開發(fā)治療或診斷工具，還需要了解微生物群每天的變異情況。

另一個問題是所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是以相對單位提供的，細(xì)菌豐度表示為占微生物群體總量的比例，而不是細(xì)胞數(shù)量。為了把微生物群活動與宿主疾病過程準(zhǔn)確地聯(lián)系起來，需要一個定量分析框架來實驗確定微生物群樣本中存在的微生物類型的絕對豐度。

最后一個問題是，重復(fù)iHMP工作的研究極少。

越來越多的證據(jù)表明，進行跨地理區(qū)域的廣泛抽樣，有助于保證這些研究結(jié)果穩(wěn)定和得到更廣泛的應(yīng)用。

盡管存在上述局限性，iHMP提供的大量數(shù)據(jù)無疑是其成果中最寶貴的財富之一，這些數(shù)據(jù)大部分是可以免費獲取的，將成為未來研究的有用資源。

iHMP研究的局限性

過去幾年來，研究人員已經(jīng)確定了影響微生物群組成的關(guān)鍵因素，盡管在分析中考慮了年齡等一些因素，但還有其他若干可能的關(guān)鍵因素，如飲食或服藥沒有考慮進去。未來研究需