編者按：

哺乳動物與微生物間超過十億年的共同進化造就了彼此之間相互依賴的關係。微生物活動對宿主的影響也逐漸被認爲是疾病病理學的關鍵因素之一。

人們發現，腸道菌羣失調與神經系統疾病、代謝性疾病和心血管疾病等多種疾病有關。

與人類相關的微生物組不再被視爲是一類“獨立”的物種集合。宏基因組技術的進步已經闡明瞭存在於人體內的微生物組在生物學和功能性上具有高度的多樣性。現在，對於微生物介導疾病機制的深入研究有望爲一系列慢性疾病帶來新的防治策略。

今天，我們特別編譯發表在 Genetic Engineering & Biotechnology News 雜誌上關於如何利用腸道菌羣治療疾病的文章。希望本文能夠爲相關的產業人士和諸位讀者帶來一些啓發和幫助。

“帕金森症（PD）、阿爾茨海默病（AD）和肌萎縮性脊髓側索硬化症（ALS）都屬於神經退行性疾病，彼此之間有着非常相似的特性。”路易斯維爾大學梅森學院和瑪麗路德學院的神經學教授、醫學博士 Rober Friedland 說。

他繼續道：“這些疾病一般是偶發性的，但是其中有 1~10%的病例有着明確的遺傳特性。雖然澱粉樣蛋白沉積是一種典型的特徵，但可能並不是導致疾病的真正原因。”

Friedland 博士用庫魯病（kuru）和克雅氏病（Creutzfeldt-Jakob）做了類比，這兩類疾病通過具有澱粉樣蛋白特徵的朊病毒感染性蛋白進行傳播。

（編者注：庫魯病和克雅氏病都是不可治癒的退化性人類傳染性海綿狀腦病。）

他指出，在庫魯病和牛海綿狀腦病（BSE，也被稱爲瘋牛病）中，朊病毒主要通過消化系統進行感染。朊病毒所攜帶的感染性蛋白通過腸道進入淋巴結和身體的其他部位，刺激其他蛋白質形成同樣的構象。

類似地，PD 和 AD 中的蛋白質也會自我活化並在宿主體內進行傳播。“我們現在相信，腸道，包括口、鼻和小腸，都是這些神經退行性疾病的源頭，而且微生物可能是觸發這些疾病的原因。”Friedland 博士補充說。

Friedland 博士的搭檔，密西根大學的副教授 Matthew Chapman 博士發現，由各種腸細菌產生的細胞外纖維 Curli 與澱粉樣蛋白具有同樣的生物物理特性。這些天然存在的澱粉樣蛋白聚合物有助於細菌細胞的結合，以形成生物膜。

隨後的研究進一步證明了這種澱粉樣蛋白能夠在物種之間進行交叉傳播。

因此，研究人員認爲，微生物的澱粉樣蛋白對先天免疫系統的激發是激發免疫系統並影響大腦炎症反應的關鍵因素。

Friedland 博士補充說：“活化的 T 細胞可能會經血液從腸道流向大腦，從而引起神經炎症。” 他補充說，這種機制提供了一種逆轉神經變性的方法：改變腸道菌羣的組成和活性。

對此，研究人員提出了一個新術語，即 mapranosis，用以描述微生物相關的蛋白質構象病（proteopathy）和神經炎症（neuroinflammation），其中蛋白質構象病是指涉及蛋白質結構變化的疾病。

鑑於越來越多的證據表明了微生物組和澱粉樣蛋白病理學之間的關係。因此，更廣泛的內源性微生物源澱粉樣蛋白的跨學科元蛋白質組學研究或許可以爲未來的干預策略提供可行信息。

圖.路易斯維爾大學（University of Louisville）的研究人員已經確定了產生澱粉樣蛋白的細菌與腸道間的

“我們的目標是開發能夠全面並可重複地描述代謝變化的技術，”Metabolon 公司運營副總裁 Luke Miller 博士說，“如果代謝變化是由腸道菌羣的變動引起的，我們應該有能力檢測，而且檢測精度應該足以爲每個人提供可行的信息。”

Metabolon 公司是少數能夠進行“Tier1”研究的代謝譜分析公司之一，代謝組學行業將 Tier1 定義爲最爲嚴格和精確的化合物鑑定方法。據該公司稱，Metabolon 能夠通過標準化流程分析近 350 種樣品，並採用四種超高效液相色譜和質譜的組合採集數據。

通過與生物信息學工具的有效結合，Metabolon 公司的分析流程通常可產生 1,000～2,000 個經驗證的代謝產物。Miller 博士解釋說：“多個生物標記物可以更精確地找出受影響的通路。Metabolon 技術非常適合分析腸道菌羣發生的變化。”

在大約 250 種微生物來源的特有代謝物中，有 50～80 種通常會在血漿中出現。

“與以色列雷霍沃特的魏茨曼科學研究所的合作項目解決了節食後體重增加的棘手問題，” Miller 博士說，“許多節食的人無法維持長期的體重減輕，而是反覆經歷了體重反彈-減肥的循環，也就是所謂的‘溜溜球效應’。”

這項研究鑑定出了一種代謝標誌物，這種代謝標誌物來自於腸道菌羣，被發現可以促進實驗小鼠恢復體重。具體地，是一類黃酮物質，這類物質在減重後仍處於低濃度水平。

“代謝組學是一種實用的工具，可用於理解和影響微生物組與宿主之間的相互作用。” Miller 博士說，“我們的分析表明，類黃酮補充劑可以幫助打破溜溜球效應並抵抗繼發性的體重增加。”

Metabolon 公司正在積極促進學術界和工業界在營養補充劑上的合作。該公司推動了微生物組失衡代謝標誌物的發現，並嘗試通過補充攝入來使它們“正常化”。

Metabolon 公司與科羅拉多州立大學團隊合作發表的另一項研究發現，在營養不良的動物模型中存在內源性代謝標誌物，而且補充米糠能夠刺激相對丰度降低的微生物增殖，這項研究爲米糠抵禦多種腸道病原體的能力提供了科學依據。

圖.科學家正在研究哺乳動物和微生物的關係。

“哮喘是一種慢性的免疫疾病，影響着全世界超過 30 億人，”Siolta 醫療公司的合夥人和主管副總裁 Nikole Kimes 博士說，“我們知道嬰兒體內最初的腸道菌羣對於建立適度的免疫功能至關重要，如果這一羣落被破壞會造成早期的免疫失調，繼而發展爲哮喘。”

Siolta 公司是基於舊金山加利福尼亞大學 SusanLynch 博士實驗室的開創性研究所創立的，這項研究發現了兒童哮喘與特定的新生兒腸道微生物組（NGM）失調之間的密切關聯。儘管尚未確定直接的因果關係，但是新生兒微生物組中的特定成分，可能會在發育階段的後期，引發特異性反應並造成哮喘，因此，這些成分不容忽視。

“這些兒童在腸道菌羣組成上的差異會造成代謝的顯著改變，”Kimes 博士解釋說，“由此引發的脂肪代謝差異已知能夠通過調節調節性 T 細胞影響免疫反應。”

研究發現，促進哮喘的微生物組中關鍵細菌種類的相對丰度明顯減少，這提示我們重塑“健康”菌羣的口服補充劑或可預防甚至逆轉哮喘病的炎症級聯反應。

Siolta 公司正在開發基於精準醫學方法的生物治療產品：首先，通過下一代測序確定新生兒的微生物標誌物；然後，基於糞便代謝環境，通過離體免疫刺激實驗來驗證危險狀態；最後根據鑑定結果生產口服補充劑——多菌株混合物。

Kimes 博士指出，直到最近，我們對人類微生物學的觀點還主要是對單一菌種的研究。“但是，我們現在知道，腸道菌羣是以高度複雜並存在相互作用的羣體形式存在的。”

Siolta 公司的生態系統方法利用了協同羣落中的關鍵物種，從而發揮腸道菌羣的重要功能——對腸道的保護作用。這一方法被設計用於研發新的生物療法，以治療各種微生物組發生失衡的炎症疾病。

“通過重建微生物組，我們重新設計了代謝過程並促進了免疫耐受性，”Kimes 博士說，“這一方法用於疾病預防的潛力非常有前景，也非常讓人興奮。”

利用先進的分子生物學技術對微生物組進行分析已經成爲常規方法，比如使用 PCR 技術對細菌的 16S 核糖體 RNA 進行分析。與此同時，微生物組的空間表徵方法卻還侷限於固定分析和光譜成像。

活體檢測可以提供關於微生物羣落時空結構的重要見解，並且可以在野外條件下進行快速鑑定。內華達大學的兩位教授 Bahram Parvin 博士和 Qingqing Cheng 博士說：“活體檢測的主要障礙是樣品的運輸。”

“我們證明了碳布基球（carbon buckyballs）能夠穿過脂質膜和細菌細胞壁。我們的概念驗證研究支持以下結論：碳布基球與精心設計的RNA捕獲序列和熒光標記結合後能夠區分細菌種類。”Parvin 博士和 Cheng 博士說。

碳布基球是由 60 個共價連接的碳原子（C60）組成的納米粒子。它們似乎能通過簡單的擴散作用進入細菌，並且對底物不具粘附性。

在該團隊的研究中，C60 碳布基球通過與能夠和三種細菌的 16S rRNA 互補結合的 RNA 檢測器（RNA Detector）結合發揮作用。當 RNA 檢測器與 C60 碳布基球結合後，再將帶有熒光標記分子的 DNA 序列與 RNA 檢測器雜交，以淬滅熒光信號。然後，當 RNA 檢測器序列與其靶標結合時，熒光探針就會被釋放，重新產生可以通過寬視野熒光顯微鏡檢測到的熒光。

“我們的第一個應用將是鑑定食源性細菌，” Parvin 博士繼續說道，“但是，牙周微生物組和相關疾病，是尚在探索中的領域。我們的技術能夠在大約 15 分鐘內檢測到漱口水中的細菌，無需進行任何樣品製備。”

碳布基球標記的探針效率爲 92%，並且對革蘭氏染色無法區分的緊密相關的細菌表現出卓越的區分能力。這項科技特別適用於無法培養的微生物。

而且，Parvin 博士的團隊還在開發一種可在醫院等場所應用的微流控系統。

原型系統包括使用化學引誘劑以對細菌混合物進行分選。未來的改進將包括包含針對特定生物的一系列碳布基球孔洞，以進行高通量實驗。

抗生素耐藥性（AMR）已經成爲全球公共衛生的一大威脅，據 Wellcom Trust 和英國政府發佈的一項研究 Antimicrobial Resistance: Tackling a Crisis for the Health andWealth of Nations，AMR 每年會造成 70 萬人的死亡。

該研究還表示，AMR 主要是由農業和健康醫療行業中抗生素的廣泛使用造成的。該研究指出，抗藥性病原菌株正在以史無前例的速度誕生着。

耐藥性病原體的增加意味着對於新的抗生素的迫切需求，但是新型抗生素越來越少。自 2000 年以來，抗生素的發展急速下降：研發時間變長，研發成本增高。因此，對抗耐藥性病原體持續增加的工作，已經轉變爲維持市售抗生素的有效性。

在對抗 AMR 的戰鬥中，一個可行的策略是在不影響感染控制效果的前提下，減少抗生素暴露。其中一種輔助性策略是保護腸道菌羣不暴露於抗生素，因爲腸道中定居着各種各樣的微生物，爲耐藥性微生物的產生提供了豐富的資源。

而且許多抗生素可能在某些人的胃腸道中已經積累到了足以干擾腸道菌羣的水平，這爲 AMR 的進化、轉變和增殖提供了選擇壓力，並有可能會造成機會性感染，如艱難梭菌感染（CDI）。

Synthetic Biologics 公司的研究人員表示，他們正在開發 SYN-004（ribaxamase），一種保護腸道菌羣免受抗生素影響的“守衛腸道”的新方法。ribaxamase 是一種口服 β-內酰胺酶，能夠在 β-內酰胺類抗生素到達胃腸道並損傷腸道菌羣前分解它們。

Synthetic Biologics 對 ribaxamase 的評估研究表明，胃腸道上端抗生素的消減能夠保護腸道菌羣免受抗生素帶來的傷害，同時還不會影響抗生素在機體系統內的水平，顯著降低了患者 CDI 的出現並減少了 AMR。

抗生素失活可能代表了一種潛在可行的治療範例，這種方式能夠緩和 AMR 的出現和傳播，並延長現有及未來抗生素的有效週期。

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