人體的腸道中寄生著大量的微生物，這一微生物生態(tài)系統(tǒng)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(diào)可能與多種疾病相關(guān)，其中包括炎癥性腸?。↖BD），癌癥，自閉癥，以及包括糖尿病，心血管疾病和肥胖癥在內(nèi)的代謝類疾病。

       目前，有多家生物醫(yī)藥公司在發(fā)掘人類腸道微生物菌群中的信息，力圖設(shè)計(jì)出基于腸道微生物菌群中特定“好”細(xì)菌的創(chuàng)新療法。它們可以用來治療例如艱難梭菌（Clostridium difficile）感染等可能致命的嚴(yán)重感染，也可以用來調(diào)控腸道的免疫反應(yīng)，治療諸如克羅恩病，潰瘍性結(jié)腸炎等IBD。由于腸道微生物的免疫調(diào)節(jié)功能，研究發(fā)現(xiàn)它可以明顯影響癌癥患者對癌癥免疫療法的反應(yīng)。而腸道與大腦的聯(lián)系也吸引了科學(xué)家們探索通過影響腸道微生物來治療**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(xì)探討。今天藥明康德微信團(tuán)隊(duì)將和讀者分享其中的精彩內(nèi)容。

       從糞便微生物移植中獲得的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)

       微生物種群失調(diào)（dysbiosis）指的是因?yàn)榧膊』蛘咂渌驅(qū)е履c道中微生物的構(gòu)成發(fā)生變化。最突出的例子是IBD或者重復(fù)艱難梭菌感染可以導(dǎo)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(xiàng)臨床表明，使用FMT治療艱難梭菌感染能夠達(dá)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(qiáng)有力的證據(jù)，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了FMT療法的成功卻還沒有得到完全澄清。這導(dǎo)致隨后使用FMT或者糞便提取物來治療其它疾病時(shí)的效果參差不齊。例如，一款使用人類糞便提取物制成的在研療法SER-109在1期臨床試驗(yàn)中表現(xiàn)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(rèn)定。然而，在隨后的2期臨床試驗(yàn)中卻無法重復(fù)這些結(jié)果。這可能是因?yàn)镾ER-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(nèi)腸道微生物組成不同，導(dǎo)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，我們需要開發(fā)理性設(shè)計(jì)的微生物療法，找出詳細(xì)驗(yàn)證過的細(xì)菌種類，用已經(jīng)闡明的機(jī)制來治療特定疾病。那么，如何才能夠找到這些“好”細(xì)菌種類，并且發(fā)現(xiàn)治療特定疾病的機(jī)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)掘特定微生物種類與宿主健康之間因果關(guān)系的手段可以大致被分為兩類，這兩類研究方法可以起到相輔相成的作用。

       第一類研究方法使用稱為悉生動物（gnotobiotic animals）的動物模型來研究一種或少數(shù)幾種細(xì)菌對宿主的影響。這些動物模型使用腸道中沒有細(xì)菌的無菌動物，然后在它們腸道中引入一種或幾種細(xì)菌，并且分析這些細(xì)菌帶來的影響。將這些細(xì)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(jī)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，研究人員可以通過分析宏基因組數(shù)據(jù)（metagenomics data）來發(fā)現(xiàn)與特定疾病相關(guān)的生物合成信號通路，并且據(jù)此發(fā)現(xiàn)多種擁有這一生物合成信號通路的微生物。

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

       這兩種策略從不同角度尋找治療性細(xì)菌，將兩種策略結(jié)合起來，可能發(fā)現(xiàn)多種使用不同機(jī)制治療疾病的微生物，從而構(gòu)成組合療法，更有效地治療特定疾病。

       微生物介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)

       使用悉生動物和基于代謝物的研發(fā)手段已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多具有免疫調(diào)節(jié)作用的細(xì)菌和細(xì)菌代謝物。它們對宿主免疫細(xì)胞的影響和影響免疫反應(yīng)的機(jī)制對理性構(gòu)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及其作用機(jī)制

       嬰兒雙歧桿菌（Bifidobacterium infantis）是一種常見的益生菌，它在母乳喂養(yǎng)的嬰兒體內(nèi)最多。嬰兒雙歧桿菌能夠通過刺激樹突狀細(xì)胞中Aldh1a2基因的表達(dá)，促進(jìn)維甲酸（RA）的生成，與TGFβ相結(jié)合，刺激FOXP3+ 調(diào)節(jié)性T細(xì)胞（Treg）的生成。

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

       除了這兩種細(xì)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(dá)的CSGG多糖，也能夠通過不同信號通路刺激FOXP3+ Treg細(xì)胞的增生。而由FOXP3+ Treg細(xì)胞介導(dǎo)的免疫抑制機(jī)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及其作用機(jī)制

       分段絲狀細(xì)菌（SFB）吸附在腸道上皮細(xì)胞上后會激活Th17輔助型T細(xì)胞，并且促進(jìn)IL-17細(xì)胞因子的分泌。SFB還能夠促進(jìn)促炎癥的IL-22細(xì)胞因子的產(chǎn)生。Th17輔助型T細(xì)胞是多種腸道細(xì)菌引發(fā)促炎癥作用的節(jié)點(diǎn)。它的過度激活會導(dǎo)致自身免疫性疾病，例如類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)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(xì)胞，并且促進(jìn)干擾素γ（IFNγ）的生成。這會加重腸炎的癥狀。

       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了革命性的改變，然而患者對這一療法的反應(yīng)并不一致。最近的研究表明，腸道微生物菌群的構(gòu)成可能是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因之一。

       三個(gè)不同的研究團(tuán)隊(duì)通過在無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(gòu)成對抗PD-1抗體效果的影響。他們發(fā)現(xiàn)，對抗PD-1療法產(chǎn)生反應(yīng)的患者的糞便，在小鼠中也能幫助顯著減緩腫瘤生長。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(xiàn)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(qū)公司Seres Therapeutics已經(jīng)開始1b期臨床試驗(yàn)，檢驗(yàn)該公司的SER-401能否增強(qiáng)患者對抗PD-1療法的反應(yīng)。SER-401是從健康志愿者中獲取的口服微生物療法，它的細(xì)菌特征與對免疫療法產(chǎn)生反應(yīng)的患者類似。

       理性設(shè)計(jì)微生物療法

       對微生物和宿主免疫系統(tǒng)相互作用機(jī)制的進(jìn)一步理解，將幫助我們發(fā)現(xiàn)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(qū)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，如果微生物能夠長久定植，它們可以提供一種長期治療的選擇，可能只需要幾次療法就能夠達(dá)到長期使用純化分子的效果。再者，活細(xì)菌能夠激發(fā)宿主的多種信號通路，可能通過尚未發(fā)現(xiàn)的機(jī)制來增強(qiáng)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(diào)節(jié)性T細(xì)胞的生成和抗炎癥IL-10的產(chǎn)生。目前在臨床前試驗(yàn)中用于治療IBD，多發(fā)性硬化癥和其它免疫介導(dǎo)的疾病。

       在設(shè)計(jì)基于微生物的療法時(shí)，非常重要的一點(diǎn)是，開發(fā)策略讓外來具有免疫調(diào)節(jié)功能的療法長期定植在已有的復(fù)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(yù)測細(xì)菌定植能否成功仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。我們需要綜合實(shí)驗(yàn)手段和計(jì)算機(jī)模型來設(shè)計(jì)微生物療法，在保證免疫調(diào)節(jié)效果的同時(shí)維持微生物長期定植的能力。

       使用外來的營養(yǎng)成分是一種幫助微生物穩(wěn)定定植的手段。例如，像菊粉這樣的益生元，可以幫助某些種類的共生菌的生長。由益生菌和益生元共同構(gòu)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(jù)治療需求來設(shè)計(jì)微生物療法。例如，通過合成生物學(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(xì)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。隨著細(xì)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(jié)語

       微生物的多變性讓它成為吸引人的治療靶標(biāo)，添加或消除特定微生物種類可能引起局部和全身的免疫反應(yīng)的重大改變。進(jìn)一步理解微生物——代謝物——免疫系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)，能夠讓我們開發(fā)出平臺技術(shù)，選取特定微生物來構(gòu)成針對特定適應(yīng)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(tǒng)的影響，都將顯著提高我們理性設(shè)計(jì)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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