前言

新近的美国国家微生物组计划的公告折射出了过去10年里微生物组科学研究的发展¹。了解复杂的微生物群落是如何影响多种疾病的发病机制，关乎着疾病的预防、诊断和治疗。但这一微生物领域并非传统医学预科和医学院的课程²，独立行医或仍在受训的医生们常常觉得难以理解临床实践中为何给予微生物组学越来越多的关注。

本综述的目的是协助医生们初步了解如何进行微生物组学研究，概述对微生物群落的结构和功能的认识终将如何影响临床医疗。因为微生物组学横跨多个生物医学学科，很多论题难以详述。但是，读者可以通过我们引用的高质量的综述，发现更多自己感兴趣的领域。

来源和筛选标准

本综述所选文献均来自于PubMed和Medline收录的、发表于1965年至2016年间的文献，以及我的个人拙作。鉴于微生物组这一术语的使用呈指数增长（图1），我重点关注了近10年的文献。检索术语包括"microbiome""microbiota""probiotic""prebiotic""metabolome"，并与特定疾病和健康状态，如"obesity""infectious diseases""inflammatory bowel disease""diabetes""cardiovascular disease""chronic obstructive pulmonary disease"等关联。评价微生物组在疾病中作用的高质量的系统性综述和随机对照试验（RCT）稀有，所以较难用正式的质量标准来评价这些文献。因为研究对象泛泛，我优先选择近期的多参考文献的高质量综述和RCT。该领域威望较高的作者发表在较高影响力杂志上的研究性文献（多数是观察性研究或使用动物模型的研究），也会纳入。作为特定疾病相关性或新方法或新途径的证据时，重要的原始文献也会被引用。

图1 已发表的关于微生物组的文章增加趋势。1980至2016年，在PubMed中检索关键词"microbiome"（微生物组），近10年内文章的发表量呈指数级增长

不断演变的观念：微生物在健康和疾病中的作用

不同于医学培训中一直说的标准微生物学与感染性疾病的关系，真正理解微生物群落是如何影响人类健康的，着实有难度。人们最初认识微生物在人类健康中的作用，源于Louis Pasteur提出、Robert Koch等改良的微生物理论³。该学说早期锁定微生物为致病原（病原体）——Koch假设某种微生物可致病，这导致了人们倾向于微生物可以打破宿主的内稳态。这种对单一微生物（最初是细菌，后来延伸到真菌、病毒和朊病毒）和发病机制的研究极大地推动了医学进步⁴。这一微生物学的认识促进了公共卫生、环境卫生和抗生素的发展，也发展了感染控制的手段。

医学微生物学和感染性疾病发展的同时，其他科学家也开始研究微生物在自然环境中的作用，例如那些存在于土壤和海水中的微生物的作用⁵。研究者们发现这些环境下的微生物很少孤立存在，常是复杂群落的一员。这些微生物学家同生态学和进化生物学家（而非医学家）间建立了更加紧密的学术联系。

当医生以及医学研究者提到复杂微生物群落时，通常是指消化道中的细菌，那里的细菌被认为是共生的(框图)，通过与宿主的紧密联系，它们从宿主那里获得益处，但不对宿主造成有益或有害的影响。但是最近发现这种关系并非是单方面的⁶。

医学研究者发现，环境微生物学家研究和认识微生物群落的概念也适用于人类。美国国立卫生院（NIH）人类微生物组计划和MetaHIT联盟，已经启动大型相关项目研究^7-8。随着人类相关微生物群研究的蓬勃发展，对微生物学的概念，研究者们不得不采取新的思考和讨论方式。临床医生和研究者面对的部分问题是当他们试着去阅读文献时，他们看到了陌生的专业术语。鉴于此，本综述将从讨论一些常见论题、术语和定义开始（见框图）。

什么是微生物组？

该定义见框图，目前常指寄居在身体特定部位的微生物的复杂群落⁹；例如，讨论肠道微生物组和多种健康疾病状态的关系。本综述中，微生物群仅指在特定部位出现的微生物本身。微生物组则不仅包含微生物本身，还包含其生活的环境¹⁰。仍举上述例子，肠道微生物组不仅指肠道内的微生物，还包括宿主的要素，如宿主的上皮组织、免疫组分，以及微生物和宿主共同参与的新陈代谢等。此外，尽管多数固有微生物群研究的是细菌，病毒和真菌也同样共生在有细菌栖息的人体的大部分地方。这种主要关注细菌的原因，部分源于检测微生物群落的测序方法是为研究细菌发展起来的(见下文)。更近期的工作已经开始研究固有微生物群中病毒和真菌的作用了。

固有微生物群的功能是什么？

微生物组和微生物群也许只是简单语义上的区别。然而，当考虑给定微生物群落可能具备的多种功能时，我们研究的仅是特定部位的微生物，还是微生物及其生存环境的总体（图2），这一区分十分重要。

图2  固有微生物群的潜在功能。微生物群可以通过微生物的合成或分解代谢活动，或通过直接的宿主微生物相互作用，而发挥影响。对饮食或宿主来源的化合物的分解代谢和生物转化，更有利于宿主获取营养或改变药物的生物利用度。微生物群中的一些成员可以合成重要的辅因子和生物活性信号分子如胺。微生物群和宿主间的信号传导可以触发宿主功能的改变，如改变了黏液表达或改变免疫应答

固有微生物群可能是通过对微生物组中无机物的代谢或与宿主相互作用而发挥作用¹¹。尽管微生物的基因组比宿主小得多，但整体而言，微生物群却可能具有更大的新陈代谢能力¹²。本质上，有些代谢活动就是宿主和微生物共同作用的结果¹³。同理，共同参与代谢活动的宿主和固有微生物群间的信号，可以改变彼此的结构和功能¹⁴。

微生物群可以进行多种代谢活动，从分解代谢到复杂分子的生物转化以合成多种化合物，对微生物群和宿主都产生影响。在某些情况下，微生物群可以增加宿主的某些通路，但有时微生物群编码的通道却仅对某种微生物开放。微生物群起作用的一个重要场所是肠道，肠道微生物群可以通过发酵抗性淀粉（宿主无法消化的多糖），产生对宿主有多种作用的多种化合物，最著名的就是短链脂肪酸¹⁵。如短链脂肪酸丁酸盐是结肠细胞首选能量来源，对宿主的多种生理功能起作用，如抗炎作用、抗肿瘤活性作用等等¹⁶。

另一个有趣的例子是：固有微生物群的代谢活动是如何通过代谢小分子物质，如药物，从而影响宿主的健康¹⁷。微生物代谢可以影响某些口服药物的生物利用度，如强心苷地高辛¹⁸。由于强心苷地高辛的治疗窗窄，生物利用度的改变明显增加了地高辛中毒的风险。最近发现某些Eggerthella lenta菌株存在强心苷还原酶操控子，可以降低地高辛浓度¹⁸。

宿主-微生物协同代谢的一个例子是肠道内胆盐和胆汁酸的转化¹⁹。这些复合物在宿主的肝脏合成，以结合型胆盐的形式分泌入胆道，可在肠道内经微生物转化，产生非结合胆汁酸和次级胆汁酸¹⁹。这些化合物与其上游化合物有着不同的活性，不过宿主已经进化出了识别并对这些微生物产物进行应答的能力，类似于对细菌产生的短链脂肪酸的应答。法尼酯X受体（FXR）是对胆汁酸应答的细胞核激素受体²⁰。信号穿过FXR和其他胆汁酸受体时，可对宿主产生多种影响。因为胆汁酸是胆固醇代谢的最终产物，改变胆汁酸代谢可以对胆固醇和脂质代谢产生影响²⁰。肠道菌群的改变与脂质代谢改变相关，作为治疗各种代谢性疾病（如肥胖、胰岛素抵抗、肝纤维化和非酒精性脂肪性肝炎）的潜在手段，多种FXR激动剂已被研发^21-22。

固有微生物群可以修饰上皮应答和系统性应答，如免疫系统的发育和激活²³。无菌动物外周淋巴器官和免疫应答发育不完全²⁴，通过定植复杂微生物群或正常微生物群的特定成员，可以逆转这种不成熟状态^25-26。类似的，黏膜上皮细胞通过修饰其分泌的黏液内质、营养受体和分化来应对微生物群^27-29。反过来，宿主的上皮细胞和免疫系统也可以改变微生物群的结构和功能³⁰。此外，两篇报道表明微生物群可以通过改变细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4（CTLA-4）或细胞序贯死亡1（PD-1）为靶点的封闭功能，改变抗肿瘤应答和免疫治疗^31-32。这些免疫治疗应答方式的改变，与微生物群中的特定成员相关，尽管具体机制尚不明确。

固有菌群的最终整体作用是定植抵抗，防止宿主被潜在的致病微生物定植³³。这种现象的机制正在研究中，可能与短链脂肪酸产生等代谢活动、营养素的直接竞争及对宿主的免疫效应相关³⁴。

因此，在哺乳动物宿主及其微生物伙伴间，存在着精妙而错综复杂的共生关系，任何干扰都可能两败俱伤。对宿主而言，改变这种共生关系，可能会导致如下所述的多种疾病。

如何研究微生物组？

结构比功能

很多技术被应用于检测固有微生物群的方方面面（图3），很多综述对这些技术进行了阐述^35-36。这些技术分别应用于微生物群的结构研究（类似于解剖学）和功能研究（类似于生理学）。解剖学能提供有机体的结构或部分结构信息，生理学可以进一步管窥功能。有时可以通过结构预测功能，就像解剖也许可以为生理提供线索，但真正的生理评估需要直接的功能测量。

图3 研究微生物群的结构和功能的方法。根据其研究微生物群的不同方面，识别固有微生物群结构（解剖）和功能（生理）的方法可分为不同几类，并被定位。最基础的研究方法可以简单描述微生物群的结构，即存在哪些分类和相对数量。研究微生物群潜在功能的方法，通常是识别微生物群的单个成员或整个群落（宏基因组学）的编码。如要直接测量功能，则微生物基因（宏转录组学）表达或蛋白质表达或微生物组环境中的代谢产物的情况就必须明确。qPCR=定量多聚酶链反应

很多技术利用了人类基因组计划中使用的高通量核酸测序。但即便由NIH基因中心支持，人类微生物组计划也未必类同于之前的人类基因组计划。在研究健康和疾病状态下固有菌群的作用方面，以测序为基础的技术（避免了必须分离及培育微生物的麻烦）极具价值³⁷。但是全面评估微生物功能和验证特殊假设时，仍需其他技术支持。尤其需要明确的是，微生物的培育依然是研究微生物的重要环节^38-40。未来针对微生物群的治疗（见下文），可以使用特定替补缺失的微生物，而这只有先期进行微生物的分离和增殖才能实现。此外，为了了解微生物在健康中的作用，我们需要知道存在着哪些微生物，以及在特定环境下它们有什么行为。下一节将讨论一些研究微生物组常用的技术，以及其在固有微生物群的结构和功能研究中是如何应用的。

微生物结构

不少技术可用于描述微生物群的结构（图3），也就是说，可以将特定群落中存在哪些微生物及每一型的相关丰度，进行编目。其中最常用的微生物普查技术之一是获得编码小核糖体亚基RNA组分（16S rRNA）的基因序列的数据^41-43。这种依赖测序的方法不依赖于微生物的培养⁴⁴。从感兴趣的微生物群落中提取DNA，并针对大部分微生物16S基因的保守区域用聚合酶链反应（PCR）引物广泛扩增，扩增子用于高通量DNA序列分析。尽管应该更广泛地讨论分析方法，但本综述对此不做赘述(可参考其他精彩综述中的讨论^45-47)。

有2种不同的方法用于分析16S数据，并最终根据获得的测序结果将测量到的微生物分组、分类。一种是事先定义序列相似程度，然后对比所有的DNA序列，相似的则分到同一操作分类单元（OTU，见框图）。根据已知细菌，每个OTU可被分类，无论是否有正式的名称，OTU本身可以作为微生物群落中已知微生物的指代。另一种常用的方法是，默认每个16S扩增子的序列都是独特的，将其与数据库内序列进行比较，进而将每个序列进行归类。两种方法各有优缺⁴⁶，但对微生物群落结构的观察通常是一致的。也许最重要的是，凭借16S的分析，可以无需使用特殊的数据分析技术，就能观察到微生物群落粗略的生物学效应。

在人类健康方面，研究者使用16S分析技术并采取横断面研究的方法，比较分析了患有和未患有某种特定疾病的人群⁴⁴。同时，用纵向分析微生物群结构来监测治疗反应或疾病进展⁴⁸。尽管这种分析非常强大，并且对微生物在健康中的潜在作用提供了重要的观测资料，但却不能直接评价微生物群的功能。

基于特定的微生物群落结构来推测其潜在功能的方法已较为成熟⁴⁹，但也与所有推论一样，这些方法也是倾向于产生更多的假说，而非明确其特定功能。任何推论都需要合理地解读。譬如，如果一项16S分析显示存在一个与大肠杆菌（E Coli）类似的OTU，就该结果而言，需要考虑到所有品种的E Coli，从益生菌E Coli，到良性定植的E Coli，到致病性的E Coli O157:H7，因为可以存在同样的OTU。16S基因能够提供群落中特定细菌的表型相关的信息，但不能提供由基因组编码的功能相关信息。

分析潜在的微生物功能

如前所述，获得特定菌株的全基因组序列可以了解其潜在的功能。类似的，宏基因组序列分析就具有评价整个微生物群落潜在功能的作用^50-51。利用16S分析而非PCR扩增表型标志的手段，从群落DNA入手，直接通过高通量技术进行整个群落DNA的测序⁴⁷。这就提供了微生物群落的全基因组目录。通过分析宏基因组或微生物群落内特定成员的基因组，都可以管窥该群落的潜在功能。通过群落特殊代谢途径的相关丰度，可以协助预测该群落的功能¹²。但这只是一种潜在的可能。下一章节将综述能直接测定指定微生物组实际功能的方法。

原位微生物功能测定

最终群分析技术应用于直接测定微生物功能的研究。基于测序技术，宏转录组学分析测定特定时间特定环境下微生物宏基因组被表达的比例³⁷。对所有通过逆转录酶介导的RNA排序的表达基因进行序列分析，可以测定一个微生物组的RNA转录。当这些数据与相应的宏基因组关联，宏转录组学就可以提供在特定时间点功能活跃基因的概况。另外两种技术也常用于直接确定微生物组代谢环境中转录活性的效果，分别是蛋白质组学分析和代谢组学分析。它们都使用先进的质谱学测量特定微生物组中蛋白质和代谢产物的相对丰度（包括肽、低聚糖和脂类）^12-53。包括来自宿主的可能与部分微生物群共同代谢的产物，是特定微生物组代谢环境的真实写照。

研究微生物组的概念框架

人类微生物组计划和其他工作的研究大概开始于10年前，聚焦于如何界定人体表层和内部的"正常"微生物菌群^8-56。希望通过定义什么是正常微生物群落，找出从正常状态到疾病状态的各种差异，发现其关联。

通过最初的研究，研究者们发现在没有明显临床疾病的人群中，微生物群变化巨大⁵⁷。这部分可能与最初研究时用的方法学相关。大部分工作使用核酸测序，特别是16S基因的序列分析，罕有宏基因组分析。研究中发现的差异反映出了我们已经开始理解微生物群落结构和功能的关系。可以明确的是，通过16S定义的很多群落可以有相似的功能⁵⁸。此外，通过宏基因组测序检测的微生物群功能，即便分类距离很远，功能也可能相似。

定义微生物群正常状态的同时，其他研究也在寻找微生物组结构和功能与疾病之间的关系。自始至今，各类研究都在努力寻找微生物群和健康及疾病之间的关系。再次，大多数研究通过基于16S的分析探索微生物群落的结构。重要的是，大部分工作关注于相互关系而非因果关系。下面将以肠道微生物群在炎症性肠病（IBD）中的致病作用为例，做详细的阐述⁵⁹。早期的横断面研究比较了有或没有罹患IBD的患者⁵⁹。结果发现是否为IBD患者，两者间的微生物群是存在差异的，但不能明确其是因还是果。后续研究试图在疾病初诊时建立二者的相关性联系，但仍无法进行直接研究⁶⁰。

近期，一些研究试图找出发病前患者的微生物群特点^61-62。有2个研究，分别纳入了易罹患IBD和1型糖尿病的人群，纵向随访入组者每个人的微生物群的情况，然后将最终患病和未患疾病者的微生物群进行比较。其他研究还关注了特定疾病的特殊治疗对宿主微生物群的影响，试图明确微生物群在致病中的作用⁶³。

此外，对那些可以建立动物模型的疾病，研究者也进行了潜在因果关系的研究。各种关于微生物组和健康及疾病关系的研究策略，此处仅作简述。这些例子也并未涵括所有，不过是给读者提供一些概念框架，便于他们将来在遇到相关研究时理解和评估。

微生物组相关疾病

感染性疾病

微生物组的研究缘起微生物学，所以最适合从感染性疾病谈起。大约40年前，产毒难辨梭菌被证实符合Koch假设⁶⁴，该文章发表之后，医学院就一直将难辨梭菌感染是导致微生物群失衡的致病关键作为例子教授传染病。抗生素治疗难辨梭菌感染的关系一直被认可⁶⁵，但近来的研究认为还有其他优先发病机制。尤其是对固有微生物群编码的微生物功能做了很多工作，认为其可介导对难辨梭菌的定植抵抗。

一个研究是关于肠道微生物群在胆盐和胆汁酸代谢中扮演的角色^66-67。当结合胆盐从肝脏分泌到消化道，微生物可以起到去结合及转化作用（如脱羟基），将这些化合物转化为非结合的初级和次级胆汁酸¹⁹。有一些分子类别会促进难辨梭菌孢子的出芽繁殖，而另一些则抑制这种无性繁殖方式^67-69。因这些分子机制的认识衍生出探索一些新型治疗的方法。例如，因为难辨梭菌感染（尤其是复发性感染）的病因与正常菌群的多样性和功能缺失相关，所以包括粪菌移植在内的微生物群移植治疗，成为了一个饶有兴趣话题⁷⁰。

肠道微生物群也可以影响其他一些感染和炎症状态。对于进行同种异体干细胞移植的患者，微生物群状态与菌血症的发生风险相关^71-73。脓毒症和急性呼吸窘迫综合征患者的肺部有着丰富的胃肠道微生物，这似乎促进了肺部的炎症反应⁷⁴。最后，肠道菌群构成对影响外科术后肠道吻合口的愈合起重要作用⁷⁵。这些结果将影响治疗，并对诊断和预后有潜在影响。

IBD

与经典的致病微生物通过微生物-微生物相互作用，干扰微生物群，最终导致感染性疾病不同，IBD（克罗恩病和溃疡性结肠炎）中迄今没有发现确定的经典病原体⁷⁶。在此情况下，肠道微生物群本身被认为具致病性，在易感宿主中导致炎症应答失调，是此类疾病的特点。很多研究表明IBD患者的肠道微生物群与非IBD患者的不同^59-78。

关于IBD的研究是最早几个通过广泛应用肠道微生物群，而不是培养技术，显示疾病和微生物群落改变之间的关系进行疾病特征研究中的一个。早期研究同时应用了16S测序和原位荧光杂交（FISH）的方法来显示患者的微生物群落结构与对照组的不同⁷⁹。尽管关联性很强，但实验仅是横断面研究，难以明确因果关系。最近更多的研究尝试通过初发疾病者的检查以阐明因果关系⁶⁰。另外有些研究IBD亚型，如全结肠切除术后回肠憩室肛管吻合的患者发生憩室炎时的微生物群，与疾病明显发生前的微生物群，进行比较^68，80。大量可用的IBD鼠模型，推动了多个尝试阐明微生物群导致IBD的潜在机制的研究^81-83。

对IBD遗传易感性的研究，强调宿主免疫和发病机制的重要性。事实上，宿主的遗传变异与微生物的相互作用，导致IBD的发病风险增加^84-85。因此，IBD其实是微生物组相关性疾病，宿主和微生物的互动创造了环境，而在疾病状态下这三者都发生了改变。

肥胖和代谢性疾病

肠道固有微生物群和宿主之间存在着复杂的代谢互动，从而引发了关于微生物组在如肥胖、糖尿病等代谢疾病中潜在作用的研究。约10年前，里程碑式的研究发现，在人类和疾病鼠模型当中，均发现肥胖和肠道微生物群相关^86-87。在错综复杂的致病机制中，宿主因素和微生物因素联系紧密，如在肥胖情况下，通过使用瘦素缺乏动物模型研究微生物群的作用和肥胖⁸⁸。尽管这些研究对精确的发病机制进行了广泛的研究，但这种关联的本质依然难以捉摸^88-90。此外，最近多个试验的荟萃分析提示，微生物群和肥胖间的直接关联度可能比先前认为的要弱⁹¹。

无论相关效应的大小如何，微生物群可以影响肠道营养素的处理是明确的。微生物生产的物质，如短链脂肪酸和胆汁酸，可以影响重要的代谢调控肽(如胰高血糖素样肽1和肽YY)的表达⁹²。最近的研究开始得出一些发病机制，通过这些机制，微生物群可以影响宿主的能量代谢^93-94。另一些研究显示，控制宿主的饮食可以作用于肠道微生物群，通过微生物组内在和外在的联系，构建一个复杂的系统，可以改变宿主的代谢⁹⁵。一个备受关注的有趣的研究路线是，微生物群的不经意改变,例如通过应用抗生素,可以打破正常平衡，导致发展为代谢综合征和肥胖，这些是怎么做到的^96-97？

最近的研究关注微生物的代谢对其他器官系统的影响。一个重要的例子是三甲胺氧化物（TMAO）代谢的作用，该代谢产物被用于预测心血管疾病发生风险。膳食中的胆碱通过肠道微生物群代谢产生TMAO，通过调整微生物群增加膳食胆碱，可以阻断已进展的动脉粥样硬化⁹⁸。这项研究提供了一种潜在的可能，固有菌群在特定的饮食习惯与某种健康状态，如心血管疾病之间，构建了一种链接。

肺部疾病

最近关于微生物群研究的热情使人们重新检测了之前被认为无微生物的部位，例如上下呼吸道。尽管肺部从前被认为是无菌的，但使用非培养技术表明肺部栖息着低量的相对多样的微生物^99-100。早期研究对健康人肺部少量微生物的重要性提出质疑¹⁰¹。最近的研究则表明，即使在健康人中，肺部微生物群的构成也可以决定基础的炎症状态¹⁰²。

此外，已明确的是，在包括呼吸道在内的特殊病灶中存在着微生物群落，并具有重要的生物学作用。人们早已知道，许多囊性纤维化患者存在致病微生物的慢性定植。近期发现，这些患者的肺部存在着比先前公认的更加多样性的微生物群落¹⁰³。该发现对肺部疾病和囊性纤维化致病机制的重要性仍需进一步研究，但可以类推，该环境下微生物间的相互作用和在胃肠道中的微生物间相互作用，同等重要^104-105。例如，患者肺部发现的细菌可能适用于降解囊性纤维化中多余的黏蛋白，这也可以解释该环境下可以看到特殊病原菌增长的原因¹⁰⁶。

微生物群落在肺部疾病，如哮喘、慢性阻塞性肺疾病（COPD）发病机制中的作用已经进行了重要的研究^107-110。许多早期的研究显示更倾向于相互关联而非因果关系，但近来的研究正在检测肺部微生物群是如何驱动炎症反应的，而后者是COPD发病的核心环节¹¹¹。进一步的研究更加清晰地表明，改变了的微生物群落是这些肺部疾病发生的原因。

在上呼吸道中，已经研究了急性和慢性鼻窦炎中多种微生物的相互作用¹¹²。在下呼吸道中，研究了病原体和其他微生物调整宿主生理功能的作用。特定微生物在鼻窦炎中富集。一项鼻窦炎患者的研究表明结核棒状杆菌的丰度增加，该细菌过去并不认为是潜在的病原体¹¹³。在鼻窦炎鼠模型中引入该细菌，证明了其具有潜在的致病性¹¹³。进一步研究有或没有鼻窦炎患者的上呼吸道固有菌群，提示鼻窦中的其他固有微生物群落成员可以抵抗该微生物的定植¹¹³。

已经发现定制菌群的改变可以改变鼻窦的局部免疫应答¹¹⁴。与肠道中病原体和微生物群之间的相互作用类似，上呼吸道微生物群与上呼吸道病毒及病原微生物感染密切相关¹¹⁵。此外，鼻病毒急性上呼吸道感染会改变微生物群，可以导致其他感染易感性的增加，特别是呼吸道感染，如中耳炎和肺炎¹¹⁶。

新兴疗法：以微生物组为治疗靶点

也许当微生物群落的益生作用缺失或者是有害微生物活动的时候，微生物组就可能致病。因此，在确知与微生物致病相关的疾病上，尝试重建益生微生物结构或功能，不失为一种新疗法。为此已经有了一些也许可行的策略。尽管迄今为止这类疗法仅被有限使用并且有效，所以关于这类新的治疗和预防疾病的方法，我们需要研讨的是将来应该控制什么。

图4列出了治疗性微生物操控的可能策略。并讨论了每种策略的基本原理及其相关的疗效研究。

图4 治疗微生物组异常的可能策略

抗生素

尽管治疗性抗生素对肠道固有微生物群的连带损害在难辨梭菌感染中起着关键的致病作用，但如同双刃剑，抗生素导致的微生物群改变，也可以助力于改变疾病相关的微生物群落，进而康复。早在现代对微生物组感兴趣前很久，这一策略就在使用了。例如，抗生素用于治疗肝性脑病¹¹⁷、肠易激综合征¹¹⁸和溃疡性结肠炎结肠切除术后憩室炎的患者¹¹⁹的试验。在这些早期的治疗试验中，假设并不存在未发现的特定的细菌性病原体，而是存在细菌过度生长或微生物失衡，希望使用抗生素来改变这一异常状态。显而易见，这种方法的最本质的缺点是经验主义。然而迄今，我们仍无法准确预知一种抗生素是如何影响特定微生物群落的。此外，我们对微生物群结构-功能关系的粗浅认识，造成了当下此治疗策略缺乏精度。

该疗法的另一个用途是用于控制复发性难辨梭菌感染。因为考虑到固有微生物群与疾病复发相关，最近一些更加窄谱的抗生素被开发用于治疗难辨梭菌感染，期望尽量减少对固有菌群的间接损伤。非达霉素对微生物群的潜在干扰较小，在抗病原体效果好的同时，疾病复发率低¹²⁰。这种策略仅限于治疗难辨梭菌感染，但是在治疗任何感染性疾病时，当致病菌已知的情况下，都需要限制广谱抗生素的使用，以保护其他非致病微生物群¹²¹。因此，合适的抗生素管理有利于控制耐药菌的发生和选择，可以预防对固有微生物群的过度损伤¹²²。

另一种对微生物群影响较小的治疗感染的方法是使用噬菌体。噬菌体是亲细菌的病毒，通常具宿主专一性。噬菌体治疗是针对特殊致病菌的治疗，依噬菌体的自然本性，其不好攻击非目标微生物¹²³。尽管已知致病菌也可选择变异，通常是表面结构改变，来抵抗噬菌体治疗，但是这一改变在导致噬菌抵抗的同时，也会减轻致病菌在宿主体内的毒性¹²⁴。在噬菌体成为治疗药物前还有很多工作需要完成¹²⁵，但探索新疗法，最大限度减轻对微生物组的破坏十分有趣。

益生菌及其他活体微生物治疗

因为很多微生物群相关病况被认为是与益生微生物缺乏相关，替代微生物群中"缺少"的成分也是一种治疗策略，而且早于目前关注的微生物组研究前就已被运用。益生菌被世界卫生组织（WHO）定义为"活的微生物体，在给予足够量的情况下可以使宿主的健康获益"¹²⁶。除了定义，很多公认的益生菌未被研发或并未按定义经过验证。即便研究证明其具潜在的健康获益性，但常常未对其进行益生机制的基础研究。这使得有些人认为，在益生菌领域存在"不科学"的一面。此外，鉴于益生菌不是"用于诊断、治愈、缓和、治疗或预防人类疾病"，美国食物药物管理局等监管机构将很多益生菌归为膳食补充剂。似乎活体生物治疗应被视为药品，需要提出新术语。但是，如果正式的WHO的定义仍在，是新药就需要经过正式的检测和验证，那新的定义可能就不需要了¹²⁶。

尽管如此，许多研究已经在不同情况的治疗试验中使用了益生菌。很多试验中使用的微生物已经被研究很长时间了，远早于现在的微生物组研究。事实上，1908年以研究吞噬作用获得诺贝尔奖的Élie Metchnikoff曾提出,微生物对宿主的作用可能是把"双刃剑"，有益和有害作用并存¹²⁷。他认为摄入发酵乳产品可能对健康有益,这促进了乳杆菌属和双歧杆菌属菌种作为潜在益生菌的发展¹²⁸。这些微生物通常以治疗性食物的形式使用，一般是发酵乳制品如酸奶和开菲尔（复合型发酵乳）。研究表明,这些制剂可以帮助预防和治疗儿童急性肠胃炎,包括防止发生抗生素相关腹泻和预防难辨梭菌感染^129-130。先前使用特定益生菌制剂进行的小规模研究的结果不一，使得多数已出版的指南不建议使用它们¹³¹。最近，一项大型随机、双盲、安慰剂对照的多中心试验显示,在老年人群中，乳酸杆菌和双歧杆菌的益生菌混合物在预防抗生素相关腹泻或难辨梭菌感染方面，未能显示有效¹³²。这一结果进一步表明,不推荐常规使用益生菌来预防此类疾病。

正如许多被认为是益生菌的传统微生物是从发酵食品中分离而来,其选择并非基于理论或实验证明的机制。近期对微生物组的研究，特别是包括微生物功能检查在内的研究,使可能被用于治疗特定适应证的微生物得以发展,并使临床前微生物检测成为可能。

回到难辨梭菌感染，胆汁酸代谢在疾病发病中十分重要,促使对胆汁酸、胆汁酸类似物和胃肠道内可能潜在地改变胆汁酸代谢的微生物进行研究^66-133。虽然在合理选择基础上开展活体生物治疗的模式仍处于发展中阶段，但有望成为益生菌未来发展的重要战略。

益生菌和食疗

另一种修饰固有微生物群的有效策略是改变微生物组的环境,提供营养素，促进其生长，保持益生菌数量及功能优势^15,134。该策略大量应用饮食调整胃肠道微生物群。在最基本的层面上，这种方法将需要提供一种能培养益生微生物或微生物功能的单一食物。

益生元通常是不可消化的碳水化合物，只被特定微生物代谢并促进其生长¹³⁵。考虑到微生物发酵产物如丁酸盐的益生效果，许多策略都旨在增加该代谢产物和其他短链脂肪酸。这类疗法是假设已经存在合适的微生物,只需改变含有相关益生菌和益生元的"合生元"就可对其进行调控¹³⁶。

鉴于单一营养素治疗有效,至少部分依赖于改变固有微生物群的、较大幅度改变饮食习惯的方法也有使用。IBD儿童，尤其是克罗恩病患者，完全肠内营养（EEN）治疗效果佳¹³⁷。这包括精确保证流食中含有各种营养素。该疗法在儿童患者中取得了显著的成功，但难以长期使用。最近关于EEN对肠道微生物群影响的研究表明，它对细菌群落的结构和功能具有显著的影响^137-138。这些改变与微生物组的功能变化相关，但与之前认为只是益生的数据相佐。这一结果进一步说明我们对微生物群的调控治疗知之甚少。

微生态重建

对功能障碍群落的替代或重建是益生菌策略的进一步延伸，但又有所不同。特别是将健康人的微生物群落完完整整地移植到具有微生物群相关疾病患者中的策略（通常称为微生物群移植），已经引起了广泛关注^139-141。这种治疗方法自古就有，特别是移植原始的粪便或源自粪便的物质¹⁴²。近来饶有兴趣的微生态治疗方式是治疗复发型难辨梭菌感染的粪菌移植（FMT），已有多项研究对这种特殊形式的微生物组疗法进行了探索¹⁴³。最早的FMT疗法发表于1958年,用于治疗难辨梭菌感染引起的抗生素相关性伪膜性结肠炎¹⁴⁴。最近报道的关于FMT治疗复发性难辨梭菌感染的临床试验中，使用了不同的粪便制备方法^145-147，并比较了不同的给药方式¹⁴⁸。在一项安慰剂对照试验中，安慰剂组的患者接受自体粪便治疗¹⁴⁹。

总之，FMT在治疗复发性难辨梭菌感染中取得的卓著成功率，令研究者们兴奋地认为FMT也许可以治疗其他疾病。但是，这种成功却没有复制在其他疾病上，譬如肥胖和IBD中。一些小型（有时无对照）试验的结果自相矛盾^150-151。故推测这种疗法不能直接应运于其他疾病的治疗¹⁵²。看上去，FMT在复发性难辨梭菌治疗上的良好效果可能与后者的孢子形成相关，这种方式在肠道微生物群中并不多见¹⁴⁵。通常利用FMT控制难辨梭菌的孢子形成，可能这种方式对其他疾病未必有效。

治疗前景：精准微生物组治疗？

很可能，未来治疗都是精准医疗¹⁵³。精准医疗更多地关注影响健康和治疗反应的宿主差异，如宿主的遗传学，但由于固有微生物群可能也是疾病发生中的关键角色，精准医疗可能会将微生物变量也纳入其范畴中。可以断言，这一举措可以更好地理解微生物群在特定疾病中的确切致病作用，更好地了解此因果关系下的精确的功能机制。鉴于此，进行诊断和预后分析时，在存在有害微生物时，应该阐明特定的益生微生物功能的缺失，并与患者变量整合到一起（图5）。一旦针对特定患者的分析明确,便可以采用上述多种潜在的疗法，为其制定个性化的精准治疗方案。这是未来的理想状态，但欲实现还需各个领域进行大量的工作，如理解微生物群的根本机制、开发目标可达的微生物组调控策略等。令人兴奋的是,在多种疾病中，会诞生基于针对微生物组的新疗法。

图5 纳入微生物组治疗的发展中的精准医疗模式。正如已发展的那样，精准医疗建议通过评估人类基因组、代谢和免疫功能判断治疗反应。基于这些数据，可以预测疾病的易感性、治疗反应和潜在不良反应，进而定制个体化治疗方案。鉴于微生物组也可以影响疾病易感性和治疗反应，因此，我们建议在完备的精准医疗方案中，也应该纳入并评估微生物组。

结论

随着核酸测序、数据分析、微生物培养等技术的不断发展,人们在认识微生物在人体健康与疾病中的新作用中不断进步。我们现在知道，相比较单一的病原体,细菌只是复杂体系的一部分，与哺乳类宿主间存在着千丝万缕的相互作用。关于固有微生物群的研究引导我们更好地理解微生物维持健康和触发疾病的机制。基于这些重要的理解，我们将研发一系列新的疾病防治方法,通过维护我们的微生物共生体来促进健康。