人體微生物組學(xué)與精準(zhǔn)醫(yī)療

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(山東醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，山東 臨沂 276000)

長期以來，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)一直致力于臨床疾病的特異性診斷、預(yù)防和治療方法的研究。由于病人的個體化差異明顯，某些疾病的臨床表現(xiàn)和治療方案存在很大不同，現(xiàn)有診斷和治療方法已不能適用。 近年來，越來越多的科學(xué)家將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了針對特定疾病或特定患者的“精準(zhǔn)醫(yī)療”[1]。精準(zhǔn)醫(yī)療的早期研究多數(shù)是針對腫瘤的診斷，特別是針對由生殖系統(tǒng)基因突變所引起的腫瘤，能夠?qū)Σ∪藢?shí)現(xiàn)早期預(yù)防和治療，如Rebbeck等通過檢測BRCA1/2突變載體用于預(yù)防乳腺腫瘤，Winawer等采用結(jié)腸鏡輔助基因檢測對家族性腺瘤性息肉病(FAP)綜合征定期檢查。此外，通過對散發(fā)性的腫瘤體細(xì)胞的基因組突變的研究，可對癌癥亞型進(jìn)行準(zhǔn)確診斷，如利用克唑替尼治療EML4-ALK型非小細(xì)胞肺癌過程中，采用基因突變研究其療效[2]。目前，大量的研究表明[3]，人體微生物組在人體內(nèi)環(huán)境層面上反映人體健康程度，特別是慢性疾病的狀況。人體內(nèi)微生物的種類和定居部位如果發(fā)生改變，將導(dǎo)致“微生態(tài)失調(diào)”，如葡萄糖耐受不良、肥胖、Ⅱ型糖尿病(T2DM)、老齡化相關(guān)疾病和非酒精性脂肪性肝病等。隨著研究的進(jìn)展，當(dāng)前微生物組的研究已不再局限于傳統(tǒng)意義上微生物結(jié)構(gòu)及疾病相關(guān)性的研究，而是開始對其分子結(jié)構(gòu)和相關(guān)疾病進(jìn)行研究。新一代DNA測序技術(shù)表明，對人類微生物組群的數(shù)量、種類和位置的變化研究都有利于推動精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、個性化診療的發(fā)展。

1 微生物菌群與疾病預(yù)防和風(fēng)險分級

對易感人群疾病風(fēng)險的評估可以有效提高后續(xù)治療的準(zhǔn)確性并能夠降低治療成本，這也是精密醫(yī)學(xué)的標(biāo)志之一。由于腸道微生物的功能、組成和生長情況與機(jī)體的多種生理和病理狀態(tài)有關(guān)，因此，通過患者腸道中微生物種群的分析可以達(dá)到對疾病風(fēng)險評估的目的。非侵入性的取樣方法可極大地降低患者的痛苦，降低成本，使得對疾病的早期診斷和疾病的風(fēng)險評估變得可行。

目前，肥胖已成為全球性的健康問題。肥胖風(fēng)險的個性化診斷也成為迫切需要解決的問題。人類從食物中獲得能量的能力是不同的，肥胖作為一種長期能量失衡的結(jié)果，其產(chǎn)生與人體腸道微生物有關(guān)[3]。有研究[4]將肥胖者腸道微生物菌群轉(zhuǎn)移至小鼠，能夠?qū)е滦∈篌w重增加。但將肥胖組小鼠與正常小鼠共同飼養(yǎng)時，該組小鼠肥胖現(xiàn)象得到緩解。近年來，隨著對人體微生物的深入研究發(fā)現(xiàn)：腸道微生物與人體多種疾病密切相關(guān)，其中包括消化道類疾病、代謝類疾病、免疫性疾病、精神性疾病等，這些疾病都與腸道菌群的關(guān)系密切。研究發(fā)現(xiàn)：T2DM高風(fēng)險的兒童在糖尿病癥狀出現(xiàn)之前就已出現(xiàn)腸道中產(chǎn)乳酸和丁酸微生物種類下降的菌群失調(diào)現(xiàn)象。

研究證實(shí)，當(dāng)嗜血桿菌屬細(xì)菌數(shù)量減少，且唾液乳桿菌屬細(xì)菌比例增加時，患者的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的風(fēng)險增大[5]，在經(jīng)甲氨蝶呤或雷公藤抗風(fēng)濕藥物治療后，患者腸道菌群失衡狀態(tài)部分得到恢復(fù)。除此之外，有報(bào)道顯示[6]，由牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonas gingivalis)感染所致的牙周炎，與抗瓜氨酸類抗體的產(chǎn)生及類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病密切相關(guān)。以上研究均提示，腸道菌群和口腔菌群的失調(diào)與類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)病密切相關(guān)[5]。

綜上所述，研究微生物菌群特征不僅有助于疾病的預(yù)防，而且可進(jìn)行疾病的風(fēng)險分級。對微生物菌群特征的評估有助于許多腫瘤疾病早期發(fā)現(xiàn)和風(fēng)險分級，如研究發(fā)現(xiàn)腸道中梭桿菌屬細(xì)菌(Fusobacterium)數(shù)量過高與直腸癌的發(fā)生密切相關(guān)[7]?？谇晃⑸锞旱姆治鰧⒂兄谝认侔┑脑缙诎l(fā)現(xiàn)[8]。因此，利用微生物菌群特征和已知臨床疾病的關(guān)系，將有利于提高臨床疾病的診斷。

2 微生物菌群與精準(zhǔn)診斷

大數(shù)據(jù)時代的到來，海量的生物信息和臨床數(shù)據(jù)為精準(zhǔn)醫(yī)療的深入發(fā)展提供了重要的基礎(chǔ)。以微生物菌群為靶點(diǎn)研究診斷方案，二代測序技術(shù)在疾病領(lǐng)域研究的發(fā)展，是精準(zhǔn)醫(yī)療的另一個重要體現(xiàn)。

目前，人們普遍認(rèn)為炎癥性腸病(Inflammatory bowel disease，IBD)的發(fā)生與菌群在腸道中的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)[9]。例如，腸道中細(xì)菌定植最多的回腸末端和結(jié)腸部分最常發(fā)生炎癥性腸炎，而在無菌條件下的小鼠不會發(fā)生腸炎；而給予IBD小鼠抗生素治療或者將IBD小鼠置于無菌環(huán)境下飼養(yǎng)，小鼠的病情可以得到緩解；同時IBD小鼠腸道內(nèi)抗菌抗原的特異性IgG水平也會顯著提高。通過IBD小鼠模型及克羅病(Crohn's disease，CD)患者腸道菌群的變化及血液中抗體成分進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)炎癥性腸病的發(fā)生與某些特定菌屬的細(xì)菌密切相關(guān)。不僅如此，最近的研究表明，患者結(jié)腸末端切除后，預(yù)后情況可通過其腸道菌群的特征來檢測，數(shù)據(jù)顯示[10]，與術(shù)后復(fù)發(fā)的患者相比，術(shù)后癥狀得到緩解患者腸道中的菌群顯示了更好的生物多樣性。研究證明，術(shù)后6個月檢測切除腸梗阻黏膜的病人腸道中F.prausnitzii 菌含量的增高與低復(fù)發(fā)率相關(guān)。

在很多情況下微生物菌群都可以用來預(yù)測患者臨床表現(xiàn)、預(yù)后和治療情況。比如，與腸外的腹腔疾病臨床表現(xiàn)不同，腹腔疾病中腸道的臨床表現(xiàn)與變性菌屬(Proteobacteria)[11]增多引起的菌群失調(diào)跟有密切聯(lián)系。而與慢性類風(fēng)濕、牛皮癬及正常人不同的是，類風(fēng)濕患者腸道中普氏菌屬細(xì)菌(Prevotella copri)數(shù)量急劇增加。

綜上所述，這些研究表明微生物菌群表征的分析可以實(shí)現(xiàn)對患者疾病的診斷及評測患者的預(yù)后情況。

3 微生物菌群與精準(zhǔn)治療

人體個性化差異使得對同一治療方案的反應(yīng)往往不同。目前，人們已經(jīng)清楚的知道，腸道菌群會通過生物轉(zhuǎn)化而影響到藥物的吸收，但是其對于口服給藥和系統(tǒng)給藥的藥物動力學(xué)的影響如何尚不清楚。例如，索得夫定1993年退出市場的原因是由于其在腸道微生物的參與下與化療藥物5-FU相互作用，導(dǎo)致肝中二氫嘧啶還原失活，對人體產(chǎn)生了嚴(yán)重的副作用。近年來，科學(xué)家對微生物對藥物代謝的影響進(jìn)行了大量的研究，如強(qiáng)心苷地高辛是治療充血性心衰最常用的藥物，實(shí)驗(yàn)表明，約10%的患者服用地高辛后在腸道厭氧菌代謝下，地高辛被降解成對心臟無活性的地高辛降解產(chǎn)物，而隨尿液排出體外。而最近一篇報(bào)道指出[12]，腸道中厭氧性細(xì)菌遲緩埃格特菌Eggerthella lenta可緩解該種作用。

他汀類藥物，一種用于減少血漿低密度脂蛋白(Low-density lipoprotein，LDL)膽固醇水平的藥物，是微生物菌群影響藥物代謝吸收的另一個例子。有研究[13]分析了腸道微生物菌群和代謝產(chǎn)物學(xué)，研究小組確定了三種膽汁酸，它們是由對辛伐他汀這類常用降膽固醇藥物反應(yīng)良好的人體內(nèi)的腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)生的。這也解釋了為什么有些患者對降低膽固醇的他汀類藥物反應(yīng)不佳的原因。

同樣，人體內(nèi)微生物菌群也會對化療藥物造成影響。Vetizou等[14]研究，微生物與CTLA-4抑制劑共同治療黑色素瘤，經(jīng)抗生素處理過的小鼠和無菌小鼠對CTLA-4的抗體反應(yīng)不靈敏。而黑色素瘤患者經(jīng)CTLA-4抗體治療后，體內(nèi)微生物菌群特別是B.fragilis數(shù)量顯著升高。該研究結(jié)果提示，微生物與抗體的免疫治療相結(jié)合可以用于預(yù)防癌癥的發(fā)生。

綜上所述，現(xiàn)在人們普遍認(rèn)為微生物菌群在藥物代謝中起到了重要的作用。未來醫(yī)藥的發(fā)展應(yīng)該考慮微分微生物菌群在藥物代謝、吸收、療效和毒性等方面的獨(dú)特作用。對患者的用藥實(shí)行精準(zhǔn)治療，以實(shí)現(xiàn)更安全、更有效的治療結(jié)果。

4 微生物菌群與精準(zhǔn)營養(yǎng)

近年來，越來越多的代謝性疾病如肥胖、T2DM、非酒精脂肪肝以及心血管疾病給醫(yī)療和社會帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。因此，越來越多的人意識到需要采取一定的預(yù)防措施來降低這些疾病的發(fā)病率。雖然很早之前人們就意識到飲食攝入在肥胖和T2DM的發(fā)病中發(fā)揮很大的作用，但是近40年來這兩類疾病發(fā)病率仍持續(xù)上升。研究表明[15]，人飯后血糖的變化與消化道中微生物菌群有密切的關(guān)系。紅肉內(nèi)存在的肉毒堿能夠加大動脈粥樣硬化的風(fēng)險值。素食主義者即使攝入大量肉毒堿也不會產(chǎn)生明顯的三甲胺-N-氧化物(Trimethylamine-N-oxide，TMAO)，而雜食主義者卻產(chǎn)生了大量的TMAO，TMAO可以改變?nèi)梭w內(nèi)膽固醇代謝，使得患者心臟病、中風(fēng)和動脈粥樣硬化等心腦血管疾病的發(fā)病率大大增加。這一研究結(jié)果提示，減少紅肉的攝入量降低血管疾病的發(fā)生，可能與人體消化道內(nèi)腸道微生物及人類的飲食結(jié)構(gòu)有關(guān)。同理，研究結(jié)果證實(shí)，不同的人對相似食物的反應(yīng)不同[16]，這也與人胃腸道內(nèi)微生物菌群的不同有關(guān)。因此，可以通過檢測人類腸道中微生物的數(shù)量和種類，利用計(jì)算機(jī)預(yù)測對食物的反應(yīng)，從而根據(jù)不同人體內(nèi)微生物菌群的不同制定適合個人的飲食計(jì)劃。

5 小結(jié)

精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的出現(xiàn)為人們降低疾病風(fēng)險、提高診斷準(zhǔn)確性、加強(qiáng)治療及預(yù)防疾病提供了可能性。隨著精準(zhǔn)醫(yī)療的發(fā)展，精準(zhǔn)醫(yī)療的診療范圍從只局限在對人體基因組上的疾病易感基因進(jìn)行檢測，擴(kuò)大到對當(dāng)前人類健康的相關(guān)基因檢測。近年來，更多的研究發(fā)現(xiàn)，人體微生物組可以從人的內(nèi)環(huán)境層面反應(yīng)出人體的健康情況，特別是一些慢性疾病的狀況。通過糞便檢測，不僅能夠反映人體的健康情況，還可以對飲食、生活習(xí)慣進(jìn)行指導(dǎo)，達(dá)到精準(zhǔn)診斷、精準(zhǔn)治療和精準(zhǔn)營養(yǎng)的目的。因此，破解微生物特征，制備“微生物指紋圖譜”可以促進(jìn)大規(guī)模人群篩查，以早期發(fā)現(xiàn)多種疾病，在醫(yī)療健康、體外診斷、健康管理等行業(yè)發(fā)揮越來越多的作用。