編者按：

微生物組及它與我們人體健康甚至行爲的關係的研究吸引了公衆的注意力，並且推動了益生菌及相關療法的商業化。然而，這一領域發展的如此之快，以至於有可能已經超出了目前所存在的證據——越來越多的人開始懷疑腸道菌羣研究的真實性。

面對質疑，微生物組的研究究竟應該如何發展？未來，我們應該怎樣更深入地研究微生物組與宿主之間的相互關係？

今天，我們特別編譯了近期發表在 Current Biology 雜誌上題爲“Gut Check”的文章。希望微生物組領域的相關研究人員和產業人士能夠停下腳步，共同思考未來的微生物組研究應該如何發展。① 質疑聲不斷

21 世紀伊始，醫學界出現了一系列引人注目的進步，包括能夠操縱基因組的 CRISPR 技術，以及利用免疫系統尋找和消滅癌症的技術。

當然，在醫學熱門趨勢的候選名單中，人們越來越意識到，我們的身體正與數十億種微生物親密接觸，而這些微生物是我們健康和幸福所依賴的。如果我們相信其中一些說法，那麼就表示你相信這些微生物不僅爲我們提供了食物，而且可能是其它許多身體功能所必需的，甚至令人震驚的是——它們可能爲了自身的利益而操縱我們的行爲。

大多數研究的注意力都集中在腸道內的微生物羣落——所謂的“腸道菌羣”。但機體中還存在其它菌羣，包括皮膚菌羣、陰道菌羣等等。

就腸道菌羣而言，我們現在所談論的並非那小部分“偷渡客”。一些研究估計腸道微生物的數量等於或超過人體細胞的數量。這也許解釋了該領域的吸引力——微生物組可以被視爲我們身體的一個重要組成部分，我們以前對此視而不見，就好像我們一輩子都感受不到自己有肝臟一樣。事實上，腸道菌羣也被比作某種器官。

觀察腸道菌羣的另一種角度是將其視爲一個複雜的生態系統，例如熱帶雨林，其中許多組分相互依賴，最微小的干擾就會破壞微妙的平衡，從而可能導致疾病。

這是一個貫穿於圍繞腸道菌羣的討論的主題，不僅被研究人員所關注，而且也被那些希望利用腸道菌羣獲得經濟利益的人所關注。

例如，有人告訴我們，我們的抑鬱和焦慮可以用“紊亂”的菌羣來解釋，或者用一種奇特的醫學術語來說，我們正在經歷“菌羣失調”。在益生菌行業，或許會有人承諾說，可以用一片藥片來恢復我們的腸道健康，並將以某種方式來使我們迴歸正軌。

與很多新研究領域一樣，最初的興奮已經超越了已有的證據，腸道微生物領域也經歷了起伏。人們對操縱腸道微生物來治療疾病的前景產生了強烈的興趣，但由於早期尤其是在益生菌方面的醫學主張未能成功，人們對此深表懷疑。不僅如此，基礎研究方面也未能倖免於懷疑，尤其是關於腸道微生物可能操縱大腦和我們的行爲以獲取自身利益的說法。

此外，該領域還被指責堅持認爲微生物組本身是疾病的潛在病因，而不是採用還原論的方法來識別可能引起疾病或避免疾病的特定微生物或微生物羣。儘管初期步履蹣跚，但該領域似乎已經接受了這些批評，並且正在以富有成效的方式向前發展。

（編者注：還原論是一種哲學思想，認爲複雜的系統、事務、現象可以通過將其化解、拆解各部分的方法來加以理解和描述，例如解剖學。）

雖然像益生菌等治療方法最初的期望在很大程度上並未實現，但新的研究表明這種方法仍具有優點。這些最新的發展也帶來了各種各樣的問題，包括腸道微生物組到底是什麼，它存在的理由是什麼，以及我們如何利用這些信息來改善我們的生活。② 腸道菌羣作爲生物反應器

我們的小腸和大腸中都有成千上萬種細菌、真菌、古菌和病毒。 儘管這其中的大多數微生物的活性尚不清楚，但很明顯，存在於我們腸道中的某些細菌會消化食物中我們原本無法使用的多糖，從而釋放出一部分我們可以受益的能量。

例如，在大腸中，厭氧細菌將膳食纖維發酵成短鏈脂肪酸（如丁酸），進而滋養結腸上皮細胞的主要成分——結腸細胞。

因爲它們的努力，其他細菌也得到了舒適、氣候受控的家，並有穩定的營養供應。在此情況下，兩方通過互相幫助，而獲得更大的優勢，這在生物學上被稱爲互惠主義，最典型的例子就是花朵與傳粉者之間的關係。

跳出人類往外看，我們可以觀察到更極端的腸道共生，例如，在像牛這樣的反芻動物中，它們進化出了特殊的胃，其中容納的細菌可降解草中堅韌的纖維素。

也許更明顯的例子是白蟻，白蟻中的很多種羣都以木材作爲唯一的食物來源，並且被認爲是消化木材的冠軍。這些昆蟲是熱帶生態系統的關鍵，因爲它們是發揮降解作用的肉眼可見的小動物的主要成員。這反映在非洲大草原等地方的大量白蟻上，據估計，它們的生物量超過了所有放牧哺乳動物的生物量。

與牛一樣，白蟻腸道是微生物的家園，可以處理頑固的聚合物，例如木材中的木質纖維素，並且其腸道已經進化出專門負責消化各階段的獨立隔室，這在本質上類似於一個造紙廠。

有趣的是，隨着時間的推移，白蟻與其腸道微生物之間的關係並非一成不變的，這可以通過比較不同的白蟻物種並追蹤它們之間的進化關係來說明。

據推測，當今白蟻的共同祖先依靠鞭毛原生生物（一種真核生物）來消化木質纖維。 後來，或許是當某些白蟻遇到了新的環境並進化爲消耗木材以外的其他植物來源時，某些世系失去了它們的原生幫助者，並用功能相似但不同的細菌和真菌代替了它們。

在某些情況下，微生物已完全從其白蟻宿主中清除。在這些情況下，白蟻將細菌培養在“菌圃（combs）”上，這些菌圃是由糞便或部分被消化的植物碎屑形成的海綿狀結構。儘管這種策略的優勢尚不清楚，但從某種意義上說，它們在自己的身體之外仍保持着功能性的“內臟”。

③ 腸道菌羣功能“強大”

腸道微生物在消化中的功能就是宿主-腸道-微生物組共生的經典案例。我們也意識到我們的微觀租戶還可以帶來其他好處，比如腸道微生物可以幫助宿主戰勝病原體，因此它成爲機體與外界環境間重要的防火牆。

但從 21 世紀初開始，一波研究浪潮開始興起，表明腸道微生物和宿主生物功能以及疾病狀態之間有更多的聯繫。這種興趣復甦的關鍵因素之一是使用去除了微生物的小鼠。這種動物被稱爲“無菌”小鼠，通過剖腹產出生，以阻止微生物從母鼠轉移到幼崽，這是腸道定殖的主要途徑。然後，它們與環境隔離，以防止暴露於微生物。使用這些“無菌”小鼠，研究人員可以更容易地操縱腸道微生物來探索其功能。

考慮到微生物組在營養中的已知作用，對於無菌小鼠需要攝入更多以維持與常規飼養小鼠相同的體重也就不覺得奇怪了。但它們還表現出其它一系列的表型，包括升高的應激反應，而這種表型可以通過給動物提供一種名爲嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）的腸道菌株被抑制（Sudo et al. (2004) J. Physiol. 558, 263–275）。

這些結果表明，腸道微生物的影響可能超出其腸道內局部環境的範圍，甚至可能影響中樞神經系統。

在另一個例子中，研究表明無菌小鼠無法充分發揮其免疫系統的作用，而另一種細菌，脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）可以恢復該功能，但其機制尚不清楚（Mazmanian et al.（2005）Cell 122，107-118）。

也許最廣泛採用的實驗範式是將無菌小鼠作爲一張白紙或者一個空的容器，將您選擇的微生物強加於其，以測試不同微生物對宿主的影響。

人們可以從患病和健康的個體身上提取微生物羣落（通常是以糞便樣本的形式），並使這些微生物羣落定殖到無菌小鼠腸道中（老鼠很容易喫放在籠子裏的糞便）。這產生了一些非常有趣的結果。

這項實驗的首批例子之一是發現肥胖小鼠來源的微生物菌羣可誘導無菌動物的體重增加和脂肪沉積 （Turnbaugh et al. (2008) Cell Host Microbe 3, 213–223）。並且微生物組甚至不需要來源相同。隨後研究表明，使用肥胖人羣的糞便樣本也能產生同樣的效果 （Ridaura et al. (2013) Science 341, 1241214）。

很難知道應該如何去解釋這樣的實驗，但有一個誘人的解釋是我們的疾病狀態在某種程度上反映在了我們的腸道菌羣中，反過來，菌羣也可以將這些疾病狀態強加給我們，這有點像雞和雞蛋的問題了。

這些影響不僅限於代謝狀況如體重增加（體重增加可能與這些微生物的所在地胃腸道有關），令人驚訝的是，研究已經證明微生物甚至可以影響我們的神經系統和行爲。一項特別引人注目的研究表明，將自閉症患者的微生物羣移植到無菌小鼠內，會導致動物表現出“孤獨症行爲的特徵” （Sharon et al. (2019) Cell 177, 1600–1618）。

這些在動物實驗中的啓發性的結果對科學界、醫學界、保健品行業以及普通大衆產生了許多重要影響。這種通過將健康的微生物組移植到接受者體內似乎可以調節疾病狀態的能力，證明了在人類中使用糞便移植物來治療多種疾病（包括各種腸道疾病）的可信度。

益生菌的製造商通過聲稱制作出了一些可使腸道微生物組恢復平衡的藥丸來吸引人們的眼球，這種混合物藥丸包含一種或多種活細菌。醫療保健提供者將益生菌作爲治療包括情緒障礙在內的一系列疾病的常規處方的做法，進一步證明了這種說法的可信度。甚至嬰兒配方奶粉行業也開始採取行動，許多配方奶粉中都添加了活菌，這種做法的靈感來源是活菌有助於健康微生物組的建立。

也許最具爭議的觀點來自於一些早期使用無菌小鼠的研究，比如提到的自閉症研究，認爲腸道微生物可能操縱我們的神經系統，並最終影響我們的行爲。許多其它的證據進一步推動了這一想法，比如腸道微生物產生神經遞質的報道，還有腸道嚴格受神經調控的事實。

確實存在微生物寄生蟲主動操縱宿主行爲以促進自身繁殖的先例，狂犬病病毒就是其中之一，它可以促進宿主的侵略行爲，特別是咬傷，從而增加宿主的侵略行爲。

同樣，親社會行爲有可能使宿主彼此之間更加親近，從而使微生物更有可能被交換。據報道，生活在同一屋檐下的人們（如配偶）的腸道菌羣彼此之間更爲相似。而以社交缺陷爲特徵的疾病如自閉症等也與菌羣失調有關。綜上所述，有人甚至提出親社會行爲可能是人類或我們祖先選擇讓微生物定殖的結果。

④ 微生物組的負面意見

考慮到腸道微生物組帶來的無限可能，一些關於它的期望需要使用確鑿的證據加以約束也就不足爲奇了。特別具有爭議的是益生菌治療人類疾病的有效性，其結果好壞參半，大多沒有定論。

近來 Zmora 等人發表在 Cell 上的研究爲益生菌干預的失敗提供了潛在的解釋，該文質疑了使用益生菌操縱微生物組的能力，更不用說使用它們來獲得任何臨牀益處了（Zmora et al. (2018) Cell 174, 1388–1405）。

研究人員給小鼠調製了一種由 11 種通常在益生菌補品中發現的菌株組成的混合物，然後對它們的胃腸道各個部位進行採樣，以查看細菌是否定殖在體內。令他們驚訝的是，他們幾乎沒有發現益生菌任何存在的證據。

相反，微生物似乎直接穿過腸道，從另一端出來。但是，當在無菌小鼠中進行相同的實驗時，結果卻有所不同。這個證據表明如果不與其它微生物競爭，益生菌菌株可以在宿主中站穩腳跟。

Zmora 等人接下來將目標轉向人類並重復了這一實驗。就像小鼠實驗一樣，很多服用益生菌藥丸的人類參與者表現出不可檢測或者低丰度的細菌菌株定殖水平。而且，與此一致的是他們原有的腸道菌羣大多未受影響。但是，有些人類個體表現出了明顯的攝取。

綜上所述，這些結果表明，益生菌改變腸道微生物羣的潛力充其量是可變的。因此，醫生和普通大衆應該對這些補充劑的功效存有質疑。

不幸的是，我們已經看到其他基於人體微生物組的治療方法也遇到了類似的命運，特別是糞菌移植。在這裏，人們希望這種療法是一種靈丹妙藥，但迄今爲止，糞菌移植的成功率有限，尤其是在治療艱難梭菌引起的腹瀉方面。

也有人對腸道微生物學研究的設計以及解釋提出了嚴厲的批評（Hooks et al. (2018) Behav. Brain Sci. 12, 1–40）。例如，該領域的早期研究大多侷限於報告腸道微生物羣落組成與疾病狀態之間的相關性，而沒有提供因果關係的證據。

雖然使用無菌小鼠，原則上可以直接操縱腸道菌羣，在一定程度上解決了因果關係的問題，但這些實驗也存在着自己的問題。尤其是，將組成不明確的整個微生物羣落放入幼稚的腸道中，很難理解觀察到的任何效果的基礎。

根據微生物羣落的概念，宿主的健康應該依賴於一個複雜的微生物共生生態系統。 但是，事實上，目前還不清楚在這些實驗中觀察到的任何影響是一種微生物還是多種微生物的結果。

爲了解決這些問題，有人認爲，該領域需要從自上而下的角度進行改變，取而代之的是採用還原論的方法，來試圖詳細瞭解我們的腸道微生物是如何發生相互作用並影響我們的健康的。

⑤ 採用進化論觀點

關於腸道微生物可能操縱我們行爲的可能性，一些進化生物學家對這些說法也提出了嚴重質疑。

如，牛津大學研究微生物間社會互作的 Kevin Foster 認爲操縱宿主不利於進化（Johnson and Foster (2018) Nat. Rev. Microbiol. 16, 647–655）。許多微生物很可能是直接相互競爭的。因此，單一菌株對宿主所造成的進化也可以被其他菌株所享受。更重要的是，這種“搭便車”行爲不會爲操縱宿主而產生代價，所以它們將擁有適應性優勢，並很快地超越原來的菌株。

反之，Foster 提出了關於微生物影響宿主行爲的現象的另一種解釋。例如，一種可能性是微生物作爲免疫系統發育的信號，當微生物消失時，會產生包括對神經系統在內的廣泛影響。

就像在操縱宿主的情況下所證明的那樣，採用進化論的角度去觀察往往是有用的。它有時可以迫使我們從一個新的角度看待生物之間的相互作用。即使是被廣泛接受的教條，比如腸道微生物和人類之間的假定互惠關係，也可以被重新解釋。

例如，兩個相互作用的夥伴（或同向作用）之間交換的基本功能可以用進化生物學家所稱的“進化依賴”來解釋。

Kwang Jeon 在 19 世紀 60 年代所做的變形蟲實驗就說明了這一點（Jeon (1972) Science 176, 1122–1123）。Jeon 觀察到他的一種變形蟲培養物因感染了寄生細菌，從而生長變緩。但幾年之後，變形蟲不僅進化能容忍這些細菌，甚至還對它們產生了依賴性。我們也知道類似的例子，比如沃爾巴克氏體，其宿主已經進化成依賴寄生體進行繁殖。

一種用來理解這種依賴關係的方法是將其想象爲一個房屋，它的地基被樹的根部所破壞。隨着時間的流逝，樹根開始撬起房屋的一角，房屋的主人可以通過從地基處取出磚塊來進行平衡。最終，房屋的一角就完全由樹根來支撐了。

是的，如果樹根被拔除，房屋可能會倒塌，但是如果樹根本來就不存在的話，房屋的結構本來也會完好無損。這就是微生物（反之亦然）提供給我們的基本“功能”的挑戰的解釋。很可能的是，我們所理解的爲我們提供的好處實際上可能反映了隨着時間的推移而演變的依賴關係。

⑥ 恢復嚴謹和機制

鑑於該領域早期研究所受到的批評，現在的關鍵問題是，腸道微生物組的研究是否會隨着時間的推移變得更加嚴謹？ Kevin Foster 看到了一個複雜的局面。

“雖然情況總體上有所好轉，但對人體微生物組而言，似乎能起到任何作用的益生菌/生物療法仍然屈指可數。並且在過去十年內這個行業還投入了大量的產業投資，”Foster 說道，“我認爲這突顯了我們還有很遠的路要走，因爲迄今爲止，在這一領域進行的大量和大肆宣傳的研究還未能轉化爲有意義的治療。在這裏，我認爲微生物羣落的生態和進化複雜性是一個經常被忽視的問題。”

Foster 和他的合作伙伴試圖解開一些其中的複雜性。在最近的一項研究中，通過培養單個微生物菌株、適應性測定和無菌鼠的體內研究，他們展示了兩種腸道細菌之間的協同作用（Rakoff-Nahoum et al. (2016) Nature 533, 255–259）。

一種菌株——Bacteroides ovatus 可以提供消化過的糖分給另一種菌株——Bacteroides vulgatus。而反過來，該菌株又可以爲 B. ovatus 回報一種尚未鑑定出來的好處。

這樣的合作實例對於進化生物學家來說是很有趣的，因爲在宿主幫助的情況下，欺騙者（cheaters）有可能會從中獲利，並破壞這種關係。目前尚不清楚這兩種擬桿菌屬的菌株如何避免這種命運，但在其他微生物中的研究中表明空間結構可能是其關鍵所在。

例如，如果互惠互利的兩個夥伴在物理上非常接近，則欺騙者可能很難滲透。 換句話說，它們可能存在允許私密通信和交換的機制。

擬桿菌合作的例子中，單個微生物間的相互作用性質是在培養基中確認的，隨後，該團隊在體內進行了驗證。這是一種典型的自下而上方法的特徵，如果我們想要詳細瞭解微生物羣落，這種方法就是必不可少的。

另外一個成功的例子是最近的另一項研究。研究者鑑定出四個已知微生物可以聯合定殖在小鼠胃腸道，並且阻止萬古黴素抗性腸球菌（Enterococcus）的定殖，而該菌是院內感染的常見原因之一（Kim et al. (2019) Nature 572, 665–669）。

研究者發現該集合中的一種細菌可以分泌一種叫羊毛硫細菌素（lantibiotic）的抗菌物質，以抑制腸球菌的生長。而集合中的其他細菌則幫助產羊毛硫細菌素細菌定殖在腸道內。

有趣的是，他們發現病人糞便樣本中羊毛硫細菌素基因的數量預測了病人發展出腸球菌感染的機率。事實上，將含有大量羊毛硫細菌素基因的病人糞便樣本移植到小鼠腸道內，可以使小鼠防止腸球菌感染。

總之，更嚴謹的研究方法可以讓糞菌移植和益生菌治療恢復活力，成爲有效的治療方法。⑦ 擁抱還原論

腸道微生物組領域的發展軌跡與“組學”時代中誕生的其他類似領域相似，比如說高通量 DNA 測序技術的發展爲研究人員提供了大量的數據。但是很明顯，僅憑這些數據並不能使我們瞭解生態網絡中微生物和生物體之間誇張的複雜相互作用。

有一個教訓是，如果我們想要了解這些系統，我們需要首先分解它們的組成部分，然後單獨進行研究。毫無疑問，這將涉及到很多艱辛的工作，但也是帶着希望的、啓迪性的工作。可以預見的是，前進的路是漫長的，但一定會有回報的。

作者｜Cyrus Martin

編譯｜Johnson

審校｜617

編輯｜笑咲

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