人體的腸道中寄生著(zhù)大量的微生物，這一微生物生態(tài)系統與人體產(chǎn)生緊密的相互作用，影響到人體生理學(xué)的多個(gè)方面。因此腸道菌群失調可能與多種疾病相關(guān)，其中包括炎癥性腸病（IBD），癌癥，自閉癥，以及包括糖尿病，心血管疾病和肥胖癥在內的代謝類(lèi)疾病。

       目前，有多家生物醫藥公司在發(fā)掘人類(lèi)腸道微生物菌群中的信息，力圖設計出基于腸道微生物菌群中特定“好”細菌的創(chuàng )新療法。它們可以用來(lái)治療例如艱難梭菌（Clostridium difficile）感染等可能致命的嚴重感染，也可以用來(lái)調控腸道的免疫反應，治療諸如克羅恩病，潰瘍性結腸炎等IBD。由于腸道微生物的免疫調節功能，研究發(fā)現它可以明顯影響癌癥患者對癌癥免疫療法的反應。而腸道與大腦的聯(lián)系也吸引了科學(xué)家們探索通過(guò)影響腸道微生物來(lái)治療**性疾病的方法。

       近日，《Nature Reviews Immunology》上的一篇深度綜述對如何從微生物菌群中發(fā)掘基于微生物及其代謝物的免疫療法進(jìn)行了詳細探討。今天藥明康德微信團隊將和讀者分享其中的精彩內容。

       從糞便微生物移植中獲得的經(jīng)驗和教訓

       微生物種群失調（dysbiosis）指的是因為疾病或者其它原因導致腸道中微生物的構成發(fā)生變化。最突出的例子是IBD或者重復艱難梭菌感染可以導致腸道微生物的多樣性大幅度減弱。而治療這些疾病的一個(gè)重要手段是糞便微生物移植（fecal microbiota transplantation, FMT）。多項臨床表明，使用FMT治療艱難梭菌感染能夠達到80%的成功率。FMT療法的成功為微生物在疾病病理發(fā)生中的重要作用提供了強有力的證據，同時(shí)顯示出基于微生物的療法的潛力。

       然而，糞便中哪些成分帶來(lái)了FMT療法的成功卻還沒(méi)有得到完全澄清。這導致隨后使用FMT或者糞便提取物來(lái)治療其它疾病時(shí)的效果參差不齊。例如，一款使用人類(lèi)糞便提取物制成的在研療法SER-109在1期臨床試驗中表現出治療艱難梭菌感染的可喜療效，也因此獲得了美國FDA授予的突破性療法認定。然而，在隨后的2期臨床試驗中卻無(wú)法重復這些結果。這可能是因為SER-109是從健康志愿者提供的糞便中提取生成的，不同志愿者體內腸道微生物組成不同，導致不同批次的SER-109中含有的治療艱難梭菌感染的有效成分也不一樣。

       因此，我們需要開(kāi)發(fā)理性設計的微生物療法，找出詳細驗證過(guò)的細菌種類(lèi)，用已經(jīng)闡明的機制來(lái)治療特定疾病。那么，如何才能夠找到這些“好”細菌種類(lèi)，并且發(fā)現治療特定疾病的機制？

       發(fā)掘微生物與宿主健康之間因果關(guān)系的研究手段

       目前發(fā)掘特定微生物種類(lèi)與宿主健康之間因果關(guān)系的手段可以大致被分為兩類(lèi)，這兩類(lèi)研究方法可以起到相輔相成的作用。

       第一類(lèi)研究方法使用稱(chēng)為悉生動(dòng)物（gnotobiotic animals）的動(dòng)物模型來(lái)研究一種或少數幾種細菌對宿主的影響。這些動(dòng)物模型使用腸道中沒(méi)有細菌的無(wú)菌動(dòng)物，然后在它們腸道中引入一種或幾種細菌，并且分析這些細菌帶來(lái)的影響。將這些細菌植入到疾病模型（例如肥胖癥）中可以進(jìn)一步分析它們對治療或者加重特定疾病的影響和作用機制。

       另一種方法是分析在疾病狀態(tài)下發(fā)生變化的微生物分子或代謝物。使用這種策略，研究人員可以通過(guò)分析宏基因組數據（metagenomics data）來(lái)發(fā)現與特定疾病相關(guān)的生物合成信號通路，并且據此發(fā)現多種擁有這一生物合成信號通路的微生物。

發(fā)掘特定微生物種類(lèi)與宿主健康之間因果關(guān)系的手段（圖片來(lái)源：參考資料）

       這兩種策略從不同角度尋找治療性細菌，將兩種策略結合起來(lái)，可能發(fā)現多種使用不同機制治療疾病的微生物，從而構成組合療法，更有效地治療特定疾病。

       微生物介導的免疫調節

       使用悉生動(dòng)物和基于代謝物的研發(fā)手段已經(jīng)發(fā)現了很多具有免疫調節作用的細菌和細菌代謝物。它們對宿主免疫細胞的影響和影響免疫反應的機制對理性構建微生物療法至關(guān)重要。

       產(chǎn)生抗炎癥效果的微生物種類(lèi)及其作用機制

       嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）是一種常見(jiàn)的益生菌，它在母乳喂養的嬰兒體內最多。嬰兒雙歧桿菌能夠通過(guò)刺激樹(shù)突狀細胞中Aldh1a2基因的表達，促進(jìn)維甲酸（RA）的生成，與TGFβ相結合，刺激FOXP3+ 調節性T細胞（Treg）的生成。

       脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）表面的多糖A（PSA）能夠通過(guò)與TLR2受體相互作用，引發(fā)FOXP3+ Treg細胞的增生和IL-10細胞因子的產(chǎn)生，從而起到抗炎癥作用。

       除了這兩種細菌以外，某些梭狀芽胞桿菌（Clostridia）中提取的短鏈脂肪酸，兩歧雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum）表面表達的CSGG多糖，也能夠通過(guò)不同信號通路刺激FOXP3+ Treg細胞的增生。而由FOXP3+ Treg細胞介導的免疫抑制機制可能用于治療炎癥性腸病。

       產(chǎn)生促炎癥效果的微生物種類(lèi)及其作用機制

       分段絲狀細菌（SFB）吸附在腸道上皮細胞上后會(huì )激活Th17輔助型T細胞，并且促進(jìn)IL-17細胞因子的分泌。SFB還能夠促進(jìn)促炎癥的IL-22細胞因子的產(chǎn)生。Th17輔助型T細胞是多種腸道細菌引發(fā)促炎癥作用的節點(diǎn)。它的過(guò)度激活會(huì )導致自身免疫性疾病，例如類(lèi)風(fēng)濕性關(guān)節炎。

       此外，肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和沃氏嗜膽菌（Bilophila wadsworthia）能夠激活Th1輔助型T細胞，并且促進(jìn)干擾素γ（IFNγ）的生成。這會(huì )加重腸炎的癥狀。

       微生物對免疫檢查點(diǎn)抑制劑療法的影響

       基于微生物的療法的一個(gè)研發(fā)重點(diǎn)是，澄清微生物與癌癥療法之間的聯(lián)系。這可能是微生物科學(xué)在今后5年中發(fā)展最快的方向。免疫檢查點(diǎn)抑制劑給癌癥治療帶來(lái)了革命性的改變，然而患者對這一療法的反應并不一致。最近的研究表明，腸道微生物菌群的構成可能是導致這一現象的原因之一。

       三個(gè)不同的研究團隊通過(guò)在無(wú)菌小鼠模型中植入癌癥患者糞便，研究了腸道微生物菌群構成對抗PD-1抗體效果的影響。他們發(fā)現，對抗PD-1療法產(chǎn)生反應的患者的糞便，在小鼠中也能幫助顯著(zhù)減緩腫瘤生長(cháng)。這顯示出腸道微生物與抗PD-1抗體療效之間的因果關(guān)系。

       這些研究分別發(fā)現了與免疫檢查點(diǎn)抑制劑療效相關(guān)的不同菌種，其中包括Akkermansia muciniphila，雙歧桿菌，和Faecalibacterium。

       微生物療法領(lǐng)域的先驅公司Seres Therapeutics已經(jīng)開(kāi)始1b期臨床試驗，檢驗該公司的SER-401能否增強患者對抗PD-1療法的反應。SER-401是從健康志愿者中獲取的口服微生物療法，它的細菌特征與對免疫療法產(chǎn)生反應的患者類(lèi)似。

       理性設計微生物療法

       對微生物和宿主免疫系統相互作用機制的進(jìn)一步理解，將幫助我們發(fā)現治療性微生物。與口服純化的化合物相比，使用微生物療法具有以下幾個(gè)優(yōu)勢：由于微生物生活在身體的特定區域，它們可以向宿主遞送生理濃度的分子，避免使用高劑量的全身性療法，從而避免與之相關(guān)的毒副作用。而且，如果微生物能夠長(cháng)久定植，它們可以提供一種長(cháng)期治療的選擇，可能只需要幾次療法就能夠達到長(cháng)期使用純化分子的效果。再者，活細菌能夠激發(fā)宿主的多種信號通路，可能通過(guò)尚未發(fā)現的機制來(lái)增強治療效果。

       如果不需要激活多種信號通路，那么使用純化的微生物代謝物可能是一個(gè)可行的治療選擇。例如，Symbiotix Therapeutics的主打產(chǎn)品SYMB-104是一款從脆弱擬桿菌中提取的PSA產(chǎn)品，它能夠促進(jìn)調節性T細胞的生成和抗炎癥IL-10的產(chǎn)生。目前在臨床前試驗中用于治療IBD，多發(fā)性硬化癥和其它免疫介導的疾病。

       在設計基于微生物的療法時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是，開(kāi)發(fā)策略讓外來(lái)具有免疫調節功能的療法長(cháng)期定植在已有的復雜微生物菌群中。由于不同人之間的微生物菌群存在異質(zhì)性，預測細菌定植能否成功仍然是一個(gè)挑戰。我們需要綜合實(shí)驗手段和計算機模型來(lái)設計微生物療法，在保證免疫調節效果的同時(shí)維持微生物長(cháng)期定植的能力。

       使用外來(lái)的營(yíng)養成分是一種幫助微生物穩定定植的手段。例如，像菊粉這樣的益生元，可以幫助某些種類(lèi)的共生菌的生長(cháng)。由益生菌和益生元共同構成的合成素組合療法（synbiotic therapy）在新生兒中能夠成功防止敗血癥的發(fā)生。

       合成生物學(xué)的進(jìn)展讓我們能夠根據治療需求來(lái)設計微生物療法。例如，通過(guò)合成生物學(xué)可以對乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）進(jìn)行改造，讓它們生成具備抗炎癥功能的細胞因子IL-10，從而起到治療IBD的作用。對這一菌株的進(jìn)一步改造讓它們需要外源胸苷或胸腺嘧啶才能存活，從而提高了療法的安全性。隨著(zhù)細菌遺傳工程技術(shù)的進(jìn)步，我們可以讓微生物成為在局部遞送高劑量生物活性化合物的載體。

       結語(yǔ)

       微生物的多變性讓它成為吸引人的治療靶標，添加或消除特定微生物種類(lèi)可能引起局部和全身的免疫反應的重大改變。進(jìn)一步理解微生物——代謝物——免疫系統之間的關(guān)聯(lián)，能夠讓我們開(kāi)發(fā)出平臺技術(shù)，選取特定微生物來(lái)構成針對特定適應癥的靶向療法。不管使用人工合成或者天然的微生物，進(jìn)一步理解微生物代謝產(chǎn)物對宿主免疫系統的影響，都將顯著(zhù)提高我們理性設計微生物療法的能力。

       參考資料：

       [1] Microbiome companies look beyond the gut for new therapies. Retrieved April 8, 2019, from https://www.statnews.com/2019/03/29/microbiome-beyond-gut-therapies/

       [2] Skelly et al., (2019). Mining the microbiota for microbial and metabolite-based immunotherapies. Nature Reviews Immunology, https://doi.org/10.1038/s41577-019-0144-5.

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