编译：yl，编辑：小菌菌、江舜尧。

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1 功能性胃肠道疾病以及患者肠道菌群

目前功能性胃肠道疾病（FGIDs）的确切原因仍然是未知、多因素的，并且在患者之间有所不同。最常见的FGID，肠易激综合症（IBS）影响着12%的人口，并且估计每年给美国造成300亿美元的损失。FGIDs是根据患者症状定义的，涵盖了胃肠道（GI）的所有区域。FGIDs的病理生理学很复杂，但是近年来越来越多的证据表明，微生物组可能在这些症状的发生、持续和调节中发挥重要作用。确定肠道微生物组在FGIDs中发挥作用并不新颖，因为大约10%的IBS患者，症状可追溯到感染性肠胃炎发作导致微生物群结构的持续改变。几项研究检查了与健康对照组相比FGID患者肠道菌群组成和功能的变化，但是研究之间的发现并不一致。微生物组发挥作用的最有说服力的证据可能来自对以便秘为主的IBS（IBS-C）或腹泻为主的IBS（IBS-D）患者移植无菌（GF）小鼠粪便后胃肠道转运、内脏超敏反应和肠道通透性变化的观察。

我们认识到，FGIDs的起源是多因素的，最好是从患者遗传学、表观遗传学、大脑网络、肠神经系统、环境和生活方式因素及其与肠道微生物组的相互作用等多方面进行研究。这篇综述重点讲述微生物组的潜在贡献。

2 我们目前对肠道微生物组作为IBS潜在因素的理解

2.1 与IBS相关的肠道菌群组成的变化

我们回顾了侧重于应用下一代微生物组测序技术的IBS相关文献，发现结肠粘膜或腔内微生物群的成分差异缺乏一致，无法可靠地将IBS患者与健康对照区分开。我们发现，与健康对照组相比，IBS患者粪便中的Streptococcus水平较高，而在粘膜中Proteobacteria的水平较高。IBS症状越严重，菌群alpha多样性越低。最近一项针对大量瑞典IBS患者的结肠镜检查的研究发现，与健康对照相比，IBS患者的腔或粘膜相关微生物组没有任何显着差异。通过汇编了2018年之前完成的24项研究的数据，发现虽然存在一些重叠，但没有研究报告肠道菌群具有相同的差异。他们发现，IBS患者与对照组相比，总体多样性降低或没有改变，Enterobacteriaceae、Lactobacillaceae以及Bacteroides的相对丰度增加，而未培养的Clostridiales、Faecalibacterium以及Bifidobacterium减少。鉴于几个共同存在的问题研究之间存在显着的异质性，包括缺乏用于处理和分析微生物组样品的一致方法，缺乏严格的统计检验，缺乏多中心数据以及缺乏饮食和其他相关协变量的信息。

目前绝大多数研究都集中在以粪便样品为代表的结肠微生物组上，而小肠细菌与功能性胃肠道症状有关却在很大程度上被忽略了。一项包括十二指肠和乙状结肠活检的研究发现，与健康对照组相比，IBS-D患者的两个部位的活检样本的微生物组成更相似，这可能归因于IBS-D患者的胃肠道转运更快。在多项研究中，IBS患者中升高的streptococci和Proteobacteria菌群均为兼性厌氧菌，与上消化道有关，而不与结肠有关。近期对有腹泻，腹痛或腹胀症状的患者进行食管胃十二指肠镜检查以怀疑小肠细菌过度生长的研究发现，小肠微生物成分的变化可能是导致胃肠道功能性症状的原因，饮食可以影响小肠微生物多样性、肠道渗透性以及胃肠道症状的出现。然而，在这项研究中，有一部分患者进行了器质性诊断和/或有胃肠道手术史，而另一项研究发现小肠微生物组没有差异，特别是在IBS患者中。因此小肠微生物组作为IBS和其他FGIDs生理变化和症状的驱动因素的作用有待进一步探讨。

人们越来越认识到，其他微生物成员（例如真菌）也可能在IBS发病机理中起作用。一项针对健康受试者和IBS患者的近期研究显示，有8位患者的Saccharomyces cerevisiae和Candida albicans在IBS患者中的含量有所增加。这项研究还使用IBS动物模型探索了潜在的与真菌相关的机制，并发现Dectin-1/Syk途径在驱动内脏过敏反应以及肥大细胞被真菌刺激后的组胺释放增加中发挥了作用。在动物模型中，用抗真菌剂（氟康唑和制霉菌素）或薄荷油和香菜油的组合治疗，可逆转内脏过敏反应。这些研究突出了考虑包括细菌、真菌、噬菌体和寄生虫在内的复合微生物组及其相互作用的重要性。

2.2 与IBS相关的肠道微生物群相关代谢产物的变化

人们对微生物之间存在的功能冗余的认识日益提高，这使人们对单独研究微生物成分的作用提出了质疑。IBS可能在分类学上是多样化的，但在功能上却是一致的。意味着重要的微生物在其中执行的生物学功能是什么。这种认识促使人们更加关注IBS背后的微生物功能变化，而这种变化通常使用非靶向代谢组学。

最近的综述总结了所有使用代谢组学方法鉴定健康受试者与IBS患者之间肠道菌群功能差异的观察性研究和干预性研究的结果。该综述发现，与成分差异类似，尽管每项研究都鉴定出代谢物差异，并且其中一些在研究之间重叠，但IBS患者无法鉴定出共同的代谢组学特征。这种异质性的原因与微生物成分变化的研究相同，表明临床研究设计存在固有局限性。另外最近的一项meta分析评估了15项研究中IBS患者之间短链脂肪酸（SCFAs）的差异，发现IBS-C患者与健康对照相比的丙酸和丁酸含量降低，而IBS-D患者的丁酸含量与健康对照相比升高。

SCFAs，特别是乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐，是多功能的信号分子，细菌可以通过它们对胃肠道功能发挥作用。SCFAs对胃肠道生理的各个方面都有影响，例如收缩性、内脏疼痛和屏障功能，因此必须根据微生物活性考虑其水平的动态变化。例如，在在动物模型和类结肠中，乙酸盐、丁酸盐和丙酸盐对肠道收缩力和血清素能系统具有明显且浓度依赖性的影响。

除SCFAs外，细菌还产生蛋白酶和神经递质，例如γ-氨基丁酸（GABA），多巴胺和去甲肾上腺素，它们可能通过直接刺激肠道内的宿主受体而引起内脏疼痛。在IBS-D患者亚组中，胆汁酸腹泻的发病机理还涉及微生物将初级胆汁酸转化为次级胆酸的能力的改变。尽管已知细菌代谢产物对症状所涉及的生理过程有影响，但IBS亚型缺乏一致的特异性代谢组学特征，可能反映出一种现象，即基于症状的相同亚型的患者具有不同的病因。另一种可能有助于预测治疗反应的替代方法是使用与IBS症状相关的特定途径的靶向代谢组学对患者进行分层。

2.3 IBS肠道菌群相关机制

大多数机理研究已在无菌以及啮齿动物型中进行，涉及对肠道微生物和微生物产品的操作，重点是与IBS有关的特定生理过程。包括肠道分泌和吸收、肠道通透性和屏障功能、运动性、内脏感觉、免疫激活和中枢神经系统反应。微生物过程如SCFAs的产生和胆汁酸的清除对宿主生理的影响取决于所涉及的细胞类型(如上皮细胞、免疫细胞、神经元细胞)和肠道的特定区域。在人体研究中也已报道了与肠道菌群有关的生理变化或针对肠道菌群的干预措施。

2.4 当前IBS中以微生物为指导的治疗干预

为了更好地理解肠道菌群调节胃肠道生理的机制，人们针对肠道菌群进行了大量治疗性干预。目前大多数以微生物菌群为导向的治疗策略（包括益生菌和合生元，益生元和饮食干预措施，抗生素以及最近的粪便微生物菌群移植（FMT））均未显示出一致的结果。利福昔明等抗生素已显示出非便秘IBS患者的整体IBS症状有所改善，但这些抗生素所针对的机制和特定微生物种群仍不清楚。

益生菌被定义为活体生物体，如果适当地给予其可以给宿主带来健康益处。美国胃肠病协会（AGA）委托进行了一项针对益生菌在胃肠道疾病中功效的最新技术审查，回顾了从成立到2018年12月的文献，筛选了1617篇标题和摘要并评估了216篇全文文章，确定了55项符合高质量安慰剂对照的干预性研究IBS的成年人和儿童中的益生菌的随机对照试验。其中包括5301名受试者和44种不同的益生菌配方。尽管单个制剂在单个临床试验中显示出症状改善，但使用益生菌治疗IBS的证据总体确定性较低。这些指南表明益生菌可能对IBS有益，但仅建议在临床试验中使用益生菌。

美国胃肠病学学院（ACG）发表了支持饮食干预、益生元和合生元治疗IBS的证据。根据现有文献的回顾，不建议低FODMAP（可发酵的低聚二糖和多元醇）饮食，反对无麸质或排他饮食。鉴于每项试验中患者的数量相对较少、异质性、致盲性问题和偏倚风险高，这两项建议均基于证据质量很低的基础。在审查中，低FODMAP饮食（这是最普遍的饮食干预措施）引起的一个重要关注是其对肠道微生物组的潜在有害作用，这引起了人们对其可能造成的长期危害的猜测。

他们还评估了益生元和合生元。但研究数量有限，证据质量很低，因此建议不要使用这些产品。有趣的是，发酵不良的车前草纤维而不是麦麸被发现是有效的，并被强烈推荐用于改善肠易激综合征的症状。因为最近的研究表明，纤维，特别是车前草，对肠道屏障功能有好处。

3 我们如何推动该领域的发展，从而朝着基于机制的疗法取得有意义的进步？

3.1 超越因果:强化作为一种延续疾病表现型的方式

理解肠道微生物组在慢性疾病中的作用的挑战之一是假设疾病和健康个体之间肠道微生物组的差异代表原因或结果，而不是环境、宿主和微生物组之间一系列复杂的相互促进的作用。IBS的无数风险因素，例如宿主遗传学、性别、生命早期创伤、饮食和压力，都可能影响宿主功能以及微生物组，但要区分这些作用是否相互独立还是很难。因此，最好将某些交互作用看作是一个连续体，在这些连续体中，变化相互促进以驱动表型。

图1 超越因果关系：宿主功能和肠道菌群变化的相互加强可能是FGID症状的基础。

饮食是说明这种现象的一个很好的例子。饮食不耐症在IBS中很常见，患者经常报告某些食物或稍微进食会加剧或引发包括腹胀，疼痛和肠蠕动改变的症状。尽管有证据表明一部分IBS患者可能由食物过敏导致症状，但非过敏性食物不耐受和超敏反应的可能性更高。饮食通过确定食物的可用性来影响肠道微生物组，而肠道微生物组可以通过影响饱腹感的信号传导机制或避免食用会导致疼痛，腹泻或肠胃胀气的食物来影响饮食摄入和偏爱。消除导致症状的特定食物，可能会反过来影响依赖这些食物的微生物种群，并加剧厌恶反应。这一概念在一项最新的动物模型中研究中得到了支持，该模型中，小鼠的药理性便秘（PIC）改变了微生物的代谢特征，降低了粪便丁酸的产生，这在IBS-C患者中也可以看到。与对照小鼠相比，定植有来自PIC小鼠或IBS-C患者的微生物群的无菌小鼠表现出更长的胃肠道转运时间和更低的丁酸盐水平。因此，人们可以将其视为一种自我增强的便秘正反馈回路，从而导致较低的SCFA产生进而导致胃肠动力降低和液体分泌减少。可以想象，与便秘有关的甲烷产量增加是由于类似的相互加强作用所致。饮食还可以加速胃肠道的迁移，进而通过促进快速生长的微生物改变肠道微生物组这与应对环境干扰的r / K选择的生态学原理一致。

3.2 基于从当前策略中学到的经验教训改进路线图

如上所述，由于IBS和微生物组都随时间变化，因此FGID研究中的数据解释变得复杂。因此，有必要改进研究设计和数据集成，下面我们提出一些策略。

为了精准确定新型微生物群驱动的机制和治疗靶标，我们需要将个体研究所采用的策略结合起来，作为更全面的研究的一部分。首先需要将数据集成到每个层中，然后跨不同的层。为了在此基础上进一步发展，宏基因组学和代谢组学可以与宿主基因表达、遗传学和表观遗传学变化合理结合。这种有针对性的集成方法可补充非目标发现策略，从而使用从同一研究队列收集的数据集来识别和验证新途径。不同类型的组学数据的整合非常复杂，但为确定生物学上可行的机制提供了更大的可能性。为了验证来自综合组学数据层的发现，我们需要根据组学数据测量预计会受到影响的宿主生理参数。然后，我们需要确定这些生理变化是否又是患者症状的主要驱动因素。所有这些数据层一起代表了患者疾病状态的横截面，适用于急性和稳定疾病状态。但是，在症状逐渐恶化的慢性疾病中，我们需要对这些数据层进行纵向测量，以评估随时间变化的动态变化。

在最近的一项研究中，我们通过整合纵向收集的多组学测量值，结合宿主生理学和包括饮食和症状在内的广泛临床元数据，使用了这种方法。IBS亚型和症状的严重程度与肠道微生物组和代谢组的特定变化有关。我们最初使用一种有针对性的方法来确定影响宿主生理的先前已知细菌代谢产物的相关性。先前显示可改变宿主血清素能途径的SCFA s在IBS-C受试者中显着降低，而在IBS-C受试者的结肠活检中对血清素的分泌反应相应降低，并且这些变化与纤维摄入无关。

在IBS-D患者中，结肠活检组织的基础分泌增加，而促泌剂，鹅去氧胆酸和细菌代谢物色胺相应增加。最后，通过整合多个宿主和微生物组数据层，我们还确定了一种涉及嘌呤代谢的新途径，这可能对IBS的病理生理很重要。在两种IBS亚型中，粪便次黄嘌呤水平随着时间的推移持续降低，微生物组和结肠上皮分解次黄嘌呤能力增强，结肠上皮中的嘌呤清除途径上调。

图2 从基于症状的方法到用于FGID分类的系统方法。

3.3 走向基于个体化机制的治疗策略

根据基于症状的标准诊断FGIDs，可能导致异质性疾病人群具有相似的症状但病因不同。这种异质性可能有助于以缓解症状为重点的临床研究中的患者，但在测试针对特定机制的疗法时可能具有挑战性。例如，有一部分IBS患者在微生物多样性/丰度方面表现出差异，但是在选择要恢复微生物多样性的疗法（例如FMT）的临床试验患者时，并未考虑到这一点。目前，IBS中针对微生物群的治疗并不总是通过实验研究得出，即使它们旨在恢复特定机制，也要根据症状而不是机制来选择测试人群。这种考虑以及对哪个患者可能会从治疗中受益的认识不足，可以解释为什么微生物组疗法的临床试验未能显示出疗效。迄今为止完成的大量临床研究可作为丰富的数据来源，使我们能够确定挑战和局限性。在此现有知识的基础上，我们概述了上述系统方法，以改进对疾病的新型微生物驱动程序的发现，可以在动物或体外模型系统中进行实验验证，然后在人体中进行测试；这是一个迭代过程，将允许开发更强大的治疗方法。随着该领域朝着精心设计的大型纵向人体研究的方向发展，基于AI的方法可将组学数据与生理学和症状相结合，以识别个体疗法的反应者和非反应者的独特特征。治疗方法更好地分层，从而有针对性地恢复特定患者群体中所受干扰。

如前所述，微生物代谢产物可能是IBS病理生理的主要驱动力。这些代谢物的产生和消耗过程涉及新的治疗方法。在纠正微生物组变化时，挑战在于以特定且量身定制的方式调节类群或代谢物的水平。微生物组治疗的主要方法包括引入优化的群落、引入单一菌株以及去除或抑制特定的微生物或微生物过程。方法的选择将取决于对特定疾病机制的了解。

图3 改进的迭代循环发展下一代的个体化机制为基础的微生物组疗法。

在过去十年中，我们在识别与IBS相关的肠道微生物组变化，研究与IBS相关的微生物群驱动机制以及评估介入试验中的微生物组疗法方面取得了重大进展。尽管这提供了丰富的数据框架，但它也使我们能够退后一步，看一下未来研究中需要解决的缺点。这篇综述试图总结当前的理解，并概述可以帮助将来进行研究的步骤。我们需要考虑更稳健的人类研究设计，其中包括广泛的元数据收集和相关对照，规范微生物样本的采集和处理，完善数据和元数据共享实践。纵向收集的多个数据层的集成可以提供更强大的发现渠道，并为基于机制的微生物组疗法的治疗试验提供更有意义的患者分层。

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