腸道噬菌體組與人體健康

王悅，陳倩

上海交通大學醫學院免疫學與微生物學系， 上海 200025

人體腸道是目前已知微生物群密度最大的微生態環境，該環境中人體細胞、細菌、古細菌、原生動物、真菌及不具有細胞結構的病毒(如噬菌體)以動態平衡狀態共存，它們彼此之間的相互作用對人體健康有著十分重要的影響，其中細菌及噬菌體是人體微生態中最為豐富的組分[1]。目前腸道微生物群的穩態失衡已被證明與多種疾病有關，相關研究主要著力于探究穩態失衡發生過程及如何恢復其平衡狀態[2]。

大量的宏基因組數據表明，噬菌體是人體微生態系統中最多樣化卻仍未被準確識別的成分[3]。了解腸道微生物群中噬菌體群落的結構與功能對于我們更系統地了解人體微生物組，并應用于人體健康相關的研究或產業均至關重要。近年來，人體噬菌體組尤其是腸道噬菌體組正在成為微生態學研究中新的熱點。

人體噬菌體組是指不同生態位噬菌體群的基因組及整合在宿主菌基因中噬菌體遺傳元件(原噬菌體)的總和。目前，噬菌體組的相關研究除涉及其與人體健康或疾病狀態關系外，還包括不同人群體內腸道噬菌體組成結構和豐度的差異、噬菌體在微生物群落演化過程中發揮的作用和相關機制等。

1 人體腸道噬菌體組的組成特征及其對人體健康的影響

研究人員通過觀察和分析發現人體糞便樣品中分離的病毒顆粒主要以噬菌體為主[2]。目前已知的腸道噬菌體組主要由DNA噬菌體組成，其中大多數屬于有尾噬菌體目(Caudovirales)和微小噬菌體科(Microviridae)[4-5]。此外，家庭成員等共享生活空間的個體傾向于有更為相似的腸道噬菌體群[6-7]。Norman等在來自不同地域的健康個體中鑒定出23個“核心噬菌體”(>50%的個體共有)和155個“常見噬菌體”(20%～50%的個體共有)，并由此提出健康腸道噬菌體(healthy gut phageome, HGP)的概念[8]。當前研究發現的在全球分布最廣泛的腸道噬菌體是一種可感染擬桿菌目細菌的新型噬菌體，稱為crAss樣噬菌體(crAss-like bacteriophages)[9]。健康個體中存在的這些共有噬菌體引發人們對其在維持人體健康方面所起作用的思考。同時，腸道噬菌體組也存在一定程度的個體特異性，研究發現幾乎每個個體的腸道噬菌體組中有超過50%的噬菌體成員是相對獨特的，并且噬菌體類型多樣性和出現頻率呈現高度的個體差異[3, 10]。

腸道中的常駐噬菌體組對人體健康有著諸多積極影響，甚至可以幫助人體抵御病原體的侵襲。前噬菌體是噬菌體在健康人腸道中存在的主要形式，為其宿主提供生存優勢且改變噬菌體-細菌動力學[11-14]，通過自身在宿主之間的水平轉移進行有益基因的傳播，賦予人體抵抗外來病原體的能力[15-16]。Barr等提出了一種與腸道裂解性噬菌體相關的防御致病菌模型：噬菌體顆粒黏附于黏膜并減少自身擴散運動，以賦予人類上皮組織防御病原體感染的能力[17]。研究還發現噬菌體直接導致其宿主菌豐度變化，通過細菌間相互作用引起級聯效應，進而使其他腸道細菌豐度隨之發生改變；并且能通過引起微生物群變化而間接地對腸道代謝產生影響[18]。另外，有研究發現烈性的大腸埃希菌T4噬菌體還可以發揮免疫抑制作用，參與腸道免疫細胞的下調和炎癥反應的控制[19]。對于健康或疾病等不同機體狀態下的腸道噬菌體組進行分析，有助于加深我們對健康狀態下腸道噬菌體組的認識，并為從疾病狀態中恢復人體微生物群平衡提供思路。

2 人體腸道噬菌體組年齡依賴性的演替

已有研究表明在生命最初的2～3年內，健康的新生兒體內從近乎無菌的狀態發展為具有成熟穩定的多樣性微生物群的狀態；并且人體微生物群可隨著機體年齡增長所產生的一系列內環境變化而逐漸形成老年期的結構特征[20-21]。Breitbart等對1周～3個月內嬰兒的腸道噬菌體進行了研究，結果顯示新生兒的腸道噬菌體多樣性極低卻有著較高的活性[22]。另外兩項研究分別檢測了人類個體生命最初2年和2.5年內的微生物群的動態變化，結果表明嬰兒出生后(1～4 d)腸道迅速被噬菌體定植，且相比于成年個體，嬰兒間的腸道噬菌體組更為相似[23-24]。Lim等發現人體腸道噬菌體的豐度在生命最初1～4 d最高，而后可能是這種噬菌體群的高度多樣性不受環境內低豐度微生物等的支持，導致噬菌體捕食壓力的產生和多樣性的下降，這也表明微生物群成員豐度的增加和微生物群組成的變化推動了噬菌體群的轉變[23]。在人體發育過程中，腸道內有尾噬菌體目(Caudovirales)成員多樣性的減少，并伴隨著微小噬菌體科(Microviridae)噬菌體多樣性和豐度的增加，以及整體微生物群組成的變化[2]。嬰兒腸道微生物群的成熟以病毒組分豐度和多樣性的降低以及細菌組分豐度和多樣性的增加為特征[25]。但對于生命初期腸道噬菌體的高豐度和低多樣性的特征仍沒有研究可給出合理解釋[3]。

腸道噬菌體組的結構隨著年齡而呈現不同的群落特征[26]。但我們對于噬菌體組在微生物群從成熟期到老年期演化過程中的作用和變化情況知之甚少[3]。

3 人體腸道內噬菌體組與某些疾病存在關聯

在健康人體腸道內，正常情況下應只有一小部分前噬菌體被誘導激活，成為獨立的胞外噬菌體，已有科學家提出腸道中前噬菌體誘導活化的比率增加或者裂解性噬菌體的占比增加將導致噬菌體群失調，且這種失調與許多疾病相關[2-3](見圖1)。有研究人員提出以群落改組模型來解釋前噬菌體誘導活化率增加導致人體轉向疾病狀態的過程，即假定前噬菌體的誘導活化比例增加后降低共生菌與致病菌的比例，從而引起腸道微生物群組成的變化[27]。

The light blue part represents the prophage reservoir of the human intestinal tract, and the dark blue part represents the extracellular phage particles. A: Lytic phage. B: Extracellular phage produced by prophage-induced activation in a healthy state. C: Increased extracellular phage produced by prophage-induced activation under disease conditions.

圖1 健康或疾病狀態下的人體腸道噬菌體組

Fig.1 Human intestinal phageome in healthy or disease states

研究表明，腸道內前噬菌體的激活誘導與周圍環境壓力有關，比如飲食、抗生素、疾病相關炎癥等[2, 28]。此外，疾病狀態也會影響腸道噬菌體組。比如克羅恩病(Crohn’s disease，CD)、潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis, UC)等腸道疾病患者體內腸道噬菌體組與健康人之間存在明顯差別[8, 29-32]。另外，研究人員發現白血病、糖尿病及一些涉及呼吸和循環系統的非腸道疾病患者體內也存在腸道噬菌體群的改變[8, 29, 33-36]，見表1。近年來，許多研究結果突出了腸道噬菌體組作為健康或疾病狀態的生物標志物的潛力[37]。然而，目前相關研究僅停留在基于種群豐度的關系和變化趨勢上，驅動變化產生的機制仍然未知。

表1 疾病相關的腸道噬菌體組變化

Tab.1 Diseases-related phageome alterations in patients

DiseaseIntestinalphageomealterationsCrohn’sdiseaseThenumberofextracellularphagesincreasesandtheirdiversityislow,andthedifferencesbetweendifferentindividualsarelarge[8,29-31,33].UlcerativecolitisAmplificationofCaudoviralesphages,butmucosalCaudoviralesdiversity,en-richmentanduniformitydecrease.EscherichiaphageandEnterobacteriaphagearemoreabundantinthemucosa.Avarietyofviruses,suchasphagesassociat-edwithhostbacterialadaptabilityandpathogenicity,aresignificantlyenrichedinthemucosa[32].Someinternal(respiratoryandcirculatorydiseases)diseasesandleukemiaSomepatients’fecescontainasignificanthighnumberoftoxicphagesbelong-ingtomultipleserotypes.Samplescollectedfrompatientsoftencontainmorecoliphages[35].TypeIdiabetesPhageomediversityandrichnessarelow;Therewasnodifferenceintherelativeabundanceofthephageome,butthenumberofphagesvariedgreatly.Thedifferencebetweencasesandcontrolsincreasedwithage[34].TypeIIdiabetesIntestinalMyoviridae,Podoviridae,Siphoviridaeincreasedsignificantly,inclu-ding7corepOTUs,thehostbacteriaarepresumedtobeEnterobacter,Esche-richia,Lactobacillus,PseudomonasandStaphylococcus[36].

4 人體腸道內噬菌體組與疾病治療

健康人體內的微生物群具備受干擾后建立新型穩態的能力，研究表明腸道噬菌體組可能在此過程中起到促進作用[37]。糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation，FMT)是一種靶向人體內微生物群的治療方法，有研究人員跟蹤研究了在FMT治療期間噬菌體組在穩態恢復過程中的作用，發現有一些噬菌體成功地從供體轉移到患者體內并發揮積極作用[38]。Ott等的研究表明，僅腸道噬菌體組本身可能足以治愈艱難梭菌感染(clostridium difficile infection，CDI)并促進健康微生物組結構的恢復[39]。以上研究均證明了腸道噬菌體組具有恢復健康微生物組和重建愈后腸道平衡的重要作用。

綜上所述，目前的研究結果支持健康人和患者之間腸道噬菌體組的豐度和多樣性存在顯著差異的觀點，腸道噬菌體組為揭示不同疾病的機制、開發健康和疾病標記物以及開展更有效的診斷和治療方法提供了新思路[3]。但仍無法判斷腸道中噬菌體群體的改變是疾病產生的結果還是疾病的誘因。腸道噬菌體組與健康和疾病之間的復雜關系仍需我們進一步探索。

5 結語

目前的研究充分體現了腸道噬菌體組與人體健康或疾病狀態的密切關系及在維持或恢復腸道健康穩態過程中的重要作用。健康人腸道中的噬菌體主要以前噬菌體形式存在，且影響人體健康。但是，腸道噬菌體組相關領域中還有許多問題仍未解決。比如：腸道不同部位噬菌體群的差異和差異產生的原因，以及它們的細菌宿主譜；健康人體內裂解性噬菌體的來源；腸道內噬菌體以前噬菌體為主要形式的成因。

健康人體腸道內噬菌體群由核心噬菌體、常見噬菌體和獨特性噬菌體三類組成，科學家以此為基礎提出HGP概念。目前，有研究證明腸道噬菌體組本身便足以治愈疾病并促進健康微生物組的穩態恢復，但是，仍未有研究結果表明不同人種，不同地區人群的噬菌體組是否存在差異及差異程度。此外，對于腸道噬菌體組在微生物群從成熟期到老年期演化過程中的變化和發揮的作用還未研究清楚。

相關研究技術的發展決定著腸道噬菌體組的研究進展，現已經有一系列較為成熟的研究手段。但是目前在腸道噬菌體分類方面的技術還有待改進[40]。此外，宏基因組學對于噬菌體組研究有著革命性的推動作用，相信隨著宏基因組技術的不斷完善，對噬菌體組的認識也會逐漸深入。

關于腸道噬菌體與宿主菌的互作動力學研究，未來應著眼于相關數學模型的開發以及特定細菌定植的無菌小鼠模型或離體腸道模型的應用[41]。此外，也可以利用腸道噬菌體組對微生物組的影響來開發新型研究手段。如基于噬菌體與其宿主菌的互作關系，我們可利用噬菌體特異性去除研究對象體內的某些細菌并觀察其表型，為更好地研究人體微生物群中特定細菌或幾種細菌組合對人體健康的影響提供合適的模型。

目前，腸道噬菌體組的研究還處于初步階段。相信隨著分析技術的不斷進步，對腸道噬菌體組與人體健康的關系將有更深的了解，并會以此為基礎開發出更有效、更精準的治療方法。