原名：The Healthy Microbiome (What Is the Definition of a Healthy Gut Microbiome?)

译名：健康微生物组（健康肠道微生物组的定义是什么？）

期刊： Gastroenterology

IF：17.373

1 一个词有什么意思?

2 微生物分类

3. 功能冗余

4.脱离群体生活

5 面临的压力问题

6 微生物组的变化性质及其临床意义

7 细菌之外的类群

8 未来方向

微生物组（定义为微生物群中所包含的集体遗传信息，包括存在于人体中和人体上的细菌，病毒和真菌）已引起来自不同学科的科学家的关注，所有的微生物都是好的，还是坏的，总是好的还是偶尔坏的，或者对我们既有好处又有坏处?这些问题都很简单，但答案却很复杂。对微生物组科学的临床兴趣集中在改善基于微生物的诊断和精确治疗的前景。微生物群提供疾病风险的生物标记，但对它们的解释有一些警告。微生物群也被用来预测个体对饮食成分的代谢反应。这些关联是否足以指导治疗或改变与疾病相关的行为和生活方式尚不确定。然而，也可以调动微生物群的保护作用来应对疾病风险。此外，特定微生物的产品具有适合用作药物或功能性食品成分的保护或治疗作用。在微生物诊断和治疗被转化为临床医学之前，某些假设必须得到证实。我们需要确定一个健康微生物群落的理想或预期特征。参考标准必须在不同的人群中建立，我们还必须了解饮食、活动、位置、年龄、药物和健康人身上发生的其他变化如何影响微生物群。我们回顾了定义健康微生物组的更多基本挑战，并希望表明为什么这种困境使微生物组如此令人着迷。

1 一个词有什么意思?

健康是一个相对条件，因此，其他研究人员努力定义健康的微生物组不足为奇。关于正态性，也有一些相互竞争的定义。事实上，“常态”令人好奇的矛盾之处在于，它的定义越严格，“常态”就越罕见。健康不需要任何微生物组配置；相反，微生物组的各种不同配置可以与健康保持一致。但是，如果健康被认为是疾病出现后的一种状态，那么健康微生物组的概念应该扩大，包括保护和增加疾病风险的微生物成分(图1)。当然，微生物组驱动疾病的出现取决于临床情况。例如，在足月妊娠后的新生儿中，微生物菌落为宿主成熟提供营养，保护和代谢信号，而在早产儿中，由于未充分发展的粘膜免疫力和屏障功能，同一微生物群可能成为威胁。对健康微生物组的任何定义提出挑战的一大未知问题是，人类微生物组中基于人群的研究确定的大部分变异(~85%)仍未解释清楚。与此同时，无论健康与否，微生物群都不是孤立存在的;这部分是宿主遗传因素反映，但主要是环境和生活方式因素，包括种族、地理位置和饮食。由于在发达国家，大多数50岁以上的人每天服用一种或多种药物，其中许多药物是微生物组组成和功能的调节剂，因此任何有关人体微生物组的参考标准都必须考虑用药史。

微生物组变异的一个原因是微生物在宿主间的传播，即微生物直接或间接地从人类到人类或其他宿主以及从环境中移动。已经证明与病原体有关，但也与微生物组有关。因此，微生物群落不是孤立存在的;在宿主和环境之间交换成分。同居和居住条件促进微生物在个体间的传播。单词定义依然重要。如果“正常”和“健康”很难定义，那么有太多的科学家将“生态失调”一词与疾病联系起来，这意味着对正常或健康微生物群的理解，而实际上，可能只证明微生物群中的一种变化、差异或改变。在许多情况下，这种改变似乎是一种常见的微生物对疾病的反应，全部或部分是对疾病过程本身的继发性反应。在许多情况下，用实验证明因果关系似乎还为时过早。尽管在解释微生物组的评估方面存在一些警告和挑战，但在临床上已经取得有意义的进展(下文将讨论)。

图1 健康的微生物

2 微生物分类

最初核心微生物组的概念被视为宿主维护健康所需的一组常见微生物，但这些定义因环境而异，核心微生物组的定义多种多样，尚未形成共识。类似地，试图在种群中定义不同的组成肠道类型既有见解，也有争议。健康或不健康微生物组的概念主要来源于对欧洲和北美社会经济发达社会的研究。这些不能简单地推断出地理上不同的人口。此外，来自发展中国家、非工业化国家的个体微生物组可以为我们了解健康宿主与微生物的相互作用提供信息。对来自全球不同社会的人类微生物群落的组成和功能，以及它们工业化程度和非传染性慢性疾病(NCCDs)风险的差异进行比较分析，其见解尤其深刻。图2显示curatedMetagenomicData存储库的3000多个来自工业化或非工业化社会的对照个体的肠道微生物组组成，其中包括一些由Ghosh等人确定的主要疾病富集和疾病消灭的变量表示。这些代表中间或过渡国家的极端情况，但表明疾病和健康的主要标志在不同的人口中是不同的，呼吁将基于微生物的疾病关联研究扩展到发展中国家或非工业化国家。还值得注意的是，这些微生物的组成是适应功能需求，这与习惯饮食有关。非工业化和工业化微生物的临床意义在于它们与NCCDs(包括慢性免疫炎症和代谢紊乱)的不同联系。当来自社会经济发展地区的具有非工业化微生物菌群的移民定居在发达的工业化国家中时，这一区别尤其明显（图3）。迁移时的年龄与获得新世界的NCCDs的风险成反比。表明生活方式和环境因素在生命的最初阶段最具影响力，此时免疫和代谢级联在微生物群的影响下日趋成熟。在迁移至新世界后，与发展NCCDs风险的变化同时，微生物组的组成和功能也在逐步改变。包括肠道内抗微生物耐药基因的快速获取。

图2 全球工业化和非工业化社会的肠道微生物群系中主要病理生物和共生类群的差异联系

图3 迁移和疾病风险与年龄和微生物群变化有关。

3. 功能冗余

由于不同的细菌通常具有相似的代谢功能，多功能冗余是肠道微生物群的一个重要特征。因此，尽管肠道微生物组的个体间成分和个体内时间差异极大，但其代谢功能的多样性要小得多，且高度保守。这表明，在区分正常和异常微生物组方面，功能定义(代谢组和转蛋白质组)可能优于分类学。值得注意的是，肠道微生物群的代谢活动是高度相互关联的，应该从代谢网络的角度来看待，而不是一系列离散的线性途径。

4.脱离群体生活

打破常规界限的特殊数据是一个挑战和修正生物学中既定概念的机会。特别是，脱离群体可以细化健康微生物群的组成。虽然认为种族是特定肠道类群的一个强有力的选择，文化或遗传因素的相对贡献还不清楚。然而，爱尔兰旅行者在基因上与定居的爱尔兰人相似，与欧洲其他游牧民族不同。爱尔兰旅行者的微生物群反映一种来自过去时代的生活方式，表现在他们的艺术、语言和文化中，而这种生活方式早已从定居的爱尔兰多数派的生活中消失。在爱尔兰旅行者中，非工业化型微生物群的保留由非饮食因素造成，主要是他们的家庭规模大、生活空间狭小、与动物接近，尤其是在童年时期(图4)。少数民族特有的微生物群落，如爱尔兰旅行者的微生物群落，对微生物群落科学的解释具有重要意义。他们对多元社会中健康微生物群落构成的限制性定义的准确性提出了质疑。他们也可能代表一个模型，研究非饮食决定因素的微生物组的组成。有理由强调，微生物群的母婴垂直传播和习惯饮食是微生物群组成的驱动因素，但水平微生物传播和共享需要进一步审查。爱尔兰旅行者代表了研究微生物垂直和水平传播的模型(图4)。最后，当少数民族被迫改变其生活方式时，微生物组的功能变异已揭示出潜在的健康后果。这不仅对既定的少数民族群体而且对于移民来说都越来越重要。

图4 脱离群体生活-改变微生物组组成和功能的非饮食驱动因素。

5 面临的压力问题

一段时间以来，我们通过应用指纹图谱等相对简单的技术，一些次要的肠道共生菌（如罗伊氏乳杆菌）显示出与主要宿主谱系的菌株特异性关联。这些关联与基因含量的显著差异有关。随着微生物学研究在过去五年中日趋成熟，许多肠道菌种的菌株水平异质性的重要性已变得越来越明显。早期使用更短的16S rRNA基因扩增子测序的研究无法检测到这一点，其中分类分配的效率甚至可能达不到物种水平。随着鸟枪元基因组测序成本的降低和软件的改进，可以在个体中区分同一物种的不同菌株，这可能具有重要的临床意义。总之，许多微生物区系分析的应变级分辨率的例子显示为什么宏基因组测序提供比16S分析更优越的信息，以及为何应询问此类信息以了解编码能力的菌株级差异。

6 微生物组的变化性质及其临床意义

导致大多数NCCDs的因素是基因、环境和时间，而微生物组与这三个元素中的每一个都有关联。从微生物组的角度来看，肥胖是研究最多的NCCDs之一，但还没有发现任何单一的微生物生物标记。这说明关系的复杂性，以及如果分析仅限于组合分析而不是功能分析所涉及的挑战。虽然人类的微生物群已经进化几千年，而且还在继续进化，但它也在一个人的一生中不断变化(图3和图5)。微生物组的组装发生在出生后的前三年，这是微生物信号影响免疫系统的发育和成熟以及内部器官成熟的时期。这有两个直接的临床意义。任何在生命早期破坏宿主微生物信号的东西，都可能会影响到以后生命中免疫介导疾病的风险。因此，预防这些疾病和其他NCCDs的机会时间可能是有限的，仅限于生命的早期。一旦组装好，人体微生物组的组成在健康方面相对稳定，但在代谢活动方面变化很大。在以后的生活中，多种因素可能会共同导致微生物组组成不稳定。部分原因是肠道的生理老化，免疫衰老，疾病和药物治疗（图3和5）。微生物组学的临床挑战是要在中年时期识别出微生物谱，这些微生物谱会在以后的生活中增加疾病的风险。最简单的微生物干预是饮食。我们之前已经表明，老年人饮食多样性的丧失与微生物群落多样性的丧失以及炎症和虚弱风险的增加有关。虽然没有证明因果关系，但变化的方向性使得微生物群的变化紧随其后，并与饮食变化成比例。因此，微生物组是可控制的，并对饮食干预作出反应，改变年龄相关疾病的进程。我们最近分析2500名>受试者的肠道元基因组，发现疾病中一些共享的微生物组改变也与虚弱的身体情况重叠，而且年龄改变2型糖尿病、结肠癌、IBD和肝硬化的微生物相关疾病特征。我们还鉴定几种不同疾病获得或失去的病原生物和共生类群。病源是一种共生微生物，在宿主特定的遗传或环境诱导的改变中可能致病。值得注意的是，如图5a所示，大部分的病理性细菌随着年龄的增长而增加，而共生细菌则呈相反的趋势。分离年龄和疾病相关的微生物特征使我们能够识别单独由于衰老而丢失的类群，其治疗性恢复可能促进更健康的衰老。然而，如图5b所示，与年龄相关的假定保护性类群的减少程度似乎是疾病特异性的。

在昼夜节律性之后，还有一种额外的微生物群变化。宿主体内的大部分(如果不是全部的话)生理过程都经历对环境昼夜信号的节律性适应。这些反应在疾病中变得混乱。同样，微生物组表现出昼夜的组成和功能变化。值得注意的是，宿主和微生物的昼夜节律相互影响。工业化国家的现代生活方式包括使用人工照明、轮班工作和跨时间区域旅行，所有这些都与微生物群紊乱和NCCDs风险增加有关。微生物组昼夜变化的分子机制尚不清楚，但进食时间和胃肠蠕动可能是每日波动的驱动力。微生物群循环的临床意义之一是需要考虑一天的时间进行微生物组的连续比较取样。另一个含义与疾病中微生物昼夜节律性的丧失有关。

图5 肠道微生物群随年龄和患病风险的变化。

7 细菌之外的类群

建立肠道微生物组间个体差异的临床重要性的另一个挑战是，总微生物组的某些部分特征不明显。“暗物质”一词被用来描述人类肠道中的噬菌体和未培养细菌群落，它们的生物学意义在很大程度上尚不为人所知。肠道菌群和宿主之间的相互作用也知之甚少。同样的不确定性也适用于由宏基因组学方法生成的数据集，因为它们可能会遗漏或低估具有临床意义的低丰度分类单元，识别出与数据库条目匹配性差的高丰度微生物，并且它们通常识别出未知途径匹配的基因，因此无法评估其功能重要性。需要进行大规模队列研究，将微生物组，噬菌体和真菌组的测量结果联系起来，并结合粪便和血清的代谢组学分析，确定微生物组这些成分之间的意义和相互作用。噬菌体可能成为细菌微生物组的重要调节器，这一点从一项成功的FMT研究中可以看出，该研究使用来自全粪便的无菌滤液中的噬菌体颗粒。艰难梭菌相关疾病中噬菌体丰度与治疗结果具有相关性，以及噬菌体调节微生物群的能力与儿童营养不良具有相关性。

8 未来方向

在微生物医学和科学的回顾中，通常要求关注的焦点从成分到功能，从相关性到因果关系，从观察到机制，从横向研究到纵向研究。同样不言自明的是，大量研究课题的价值已经出现，它们将有助于从噪音中分离出信号。此外，还需要确定粪便微生物群研究的相对价值的生物标记物，即胃肠道中特定的微生物群。值得注意的是，大多数人类肠道微生物组研究使用粪便而不是粘膜细菌进行分析。对小肠微生物群的研究一直不够重视。此外，由于大约一半的粪便微生物群是不可存活的，但仍包含在测序分析中，样品间时空差异的解释可能会受到干扰。当然，微生物组学的未来应该解决真菌组和病毒学方面的明显知识空白。同样，必须改善微生物组研究与公众之间的所有局限性。语言拙劣、夸大其词以及被称为科学的可再现性问题，并非微生物学所独有。然而，该领域易受无限风险因素学的影响。无限风险因素学是用复杂的统计数字掩盖的耸人听闻的结果报告，将各种环境暴露与疾病联系起来，视其是积极的还是消极的，将其视为风险或保护因素。与此相关的是，科学家未能量化环境暴露对微生物组和/或宿主的影响大小。有太多的健康主张是基于对实验动物的观察，尽管有统计学意义，但它们在生物学上的意义可疑，在人类身上的临床意义不太可能。

微生物组学面临的最大挑战是，即将到来的全球抗微生物耐药性灾难（AMR）正威胁着现代医学。解决方案的一部分将是动员和挖掘微生物群，寻找抗生素的替代品，包括使用特定的微生物群、噬菌体、细菌素和其他抗微生物代谢物对抗条件致病菌。尽管在定义健康微生物组方面存在巨大的知识差距和困难，但仍有可能取得相当大的临床进展。微生物组学领域最重要的进展是基于精明的临床医生的观察，包括幽门螺杆菌与消化性溃疡之间的关系，使用FMT治疗艰难梭菌以及微生物组组成与各种癌症患者对检查点抑制剂治疗反应性的关系。

同样，微生物医学的进步也将改写人类营养领域。从饮食向宿主发出信号;这不仅对营养不良和肥胖有明显的治疗意义，而且出乎意料地对老年人虚弱等其他病症也有治疗意义。饮食是最安全的，也许也是最有效的改变微生物群的策略。例如，通过特殊设计的饮食治疗营养不良的儿童，我们已经瞄准特定的细菌，也通过饮食来维持关键的类群延缓衰弱的发展。单靠饮食是否能拯救在现代化过程中失去保护性类群的微生物是值得怀疑的。因此，建立足够必要的条件安全地恢复肠道中缺失的微生物必须是首要任务。可以预见的是，基于微生物组的个性化营养将得到持续的保证，但是在定义健康的微生物组（包括在健康的个体中广泛的微生物群构型）的困难一直挑战这一概念。此外，人们不太可能仅仅因为科学家声称饮食有利于他们体内的微生物群而改变饮食!临床结果，而不仅仅是微生物测量，将是必需的。对于微生物科学的局限性，我们需要谦虚。根据微生物种类的知识(工业化的或非工业化的类)应该给出的正确饮食建议仍然不确定。行为改变和健康的社会决定因素可能比追求个性化预测因素更为重要。

最后，微生物组医学面临着前所未有的挑战。鉴于微生物组在人类早期生活中对宿主免疫、代谢和神经内分泌成熟的重要性，我们是否应该设法控制新生儿的定植，特别是早产新生儿，与确定的微生物联合作用，选择保护类群。这种尝试已经部分成功地应用于剖腹产婴儿，但是在它被广泛采用之前还需要更多的研究。