生命之友:人类微生物群

生命之友:人类微生物群

摘要

人体内有大量的细菌和其他微生物,它们统称为微生物群或微生物群,它们对我们的健康有重要的功能,包括我们的消化系统和免疫系统。最近的创新带来了更好的测序技术和生物信息学,导致人类微生物组研究尤其是肠道研究的显着增加。本文简要介绍了微生物组研究中使用的技术,并为此提供了新的见解 – 直到最近,这个看不见的世界。另外,将讨论潜在的诊断和治疗应用。

关键词

微生物群,微生物群,肠道细菌,食物

介绍

安东尼范列文虎克(1632-1723)也许是第一个看到细菌的人。他用自己制造的简单但非常有效的显微镜研究了皮屑,头发,昆虫,血液和沼泽水等各种物体。在致伦敦皇家学会的信中,他将他的观察结果描述为井和运河水中的微小“微生物”[1]。1683年,范列文虎克给皇家学会再写了一封信。虽然他总是用盐和一块布清洁他的嘴,但他已经看到他的自制平视
显微镜下他的牙齿和材料之间有什么斑块。在那里,他也看到了数以百计的“小动物”。他的这些口腔细菌的图画和描述可能是与我们身体相关的微生物的发现[1]。

在随后的三个世纪中,微生物学蓬勃发展 – 主要在病原体领域。大多数细菌和病毒被认为是病原体,鉴于霍乱,结核病,天花和百日咳等疾病的高发病率,这是一种合乎逻辑的假设。随着疫苗和抗生素的出现,这些传染性疾病在二十世纪的墨水中减少了,微生物学也可以专注于研究人体内和微生物上的微生物。

我们现在知道,我们的身体适应了生活在我们皮肤上,口腔,胃和肠道中的复杂微生物群落。这些微生物聚生体由细菌,古细菌,原生动物和真菌组成,它们一起被称为人类微生物群(所有微生物)或人类微生物群(所有目前的微生物及其基因组)[2]。一个人容纳几百到几千种不同的微生物物种,主要是细菌,大多数微生物都生活在大肠里。一种广泛使用但现在已经过时的统计数据声称,我们的身体比人体细胞含有十倍多的微生物细胞。在最近的出版物中,这些计算已经重新完成,现在估计人体内和人体内的微生物数量大约等于体细胞的数量,即4×1013 [3]。

人们并不是复杂的微生物群落的唯一栖息地。微生物无处不在。几乎所有生物体 – 植物或动物的生命 – 都与微生物有关。此外,微生物群落在各种环境中都有发现,如土壤,海水,冰川和室内各种表面平原。

技术发展

在过去的二十年中,DNA扩增和测序技术有了惊人的改进。这导致了大量的微生物群落研究[2]。许多这些研究利用了16S rRNA基因的独特性质,它编码的RNA是小核糖体亚基的一部分[4]。核糖体是所有活生物体的一部分,因此是每个细菌基因组中的rRNA基因。16S rRNA基因具有独特的“镶嵌结构”,具有保守区和可变区。保守结构域可用于设计几乎适用于所有细菌基因组的通用引物,而中间可变结构域(V1至V9)对每种细菌物种都是独特的,因此可用于鉴定和表征。

新的分子技术使研究各种样品类型的微生物多样性成为可能,而不必依赖于培养。这导致了许多未知细菌门的发现,现在已经有数百万个细菌和古菌序列被发表。

此外,现在可以对样本中的完整基因组DNA进行测序,以便可以研究复杂群落中的所有基因及其可能的功能(宏基因组学)。最后,科学能够在转录组学,蛋白质组学和代谢组学领域提供各种其他创新 – 在某些条件下对所有这些基因表达的新见解[6]。除DNA提取和测序领域的创新之外,生物信息学在分析这些技术产生的大量数据方面有很大进展。

人类微生物组的组成

新技术使分析人体中复杂的微生物群成为可能。发现人类微生物群落因解剖部位而异,但也受个体和时间的影响[7,8]。2008年开展了两项大规模微生物群研究。欧洲MetaHit-联盟关注粪便的宏基因组分析[9],而美国人类微生物组计划则检查了几个身体部位[10]。最近的两项大荷兰一比利时研究显示,食物和药物对肠道微生物组成的重要影响[11,12]。这些项目极大地扩展了我们对人体微生物居民身份和功能的认识。

起初,殖民化始于出生

我们身体的微生物定植开始于出生时,在生命的第三或第四年左右或多或少完成[13]。这个殖民化过程如何进行,部分取决于交付的类型。在自然分娩期间,婴儿首先接触母亲的阴道和直肠细菌; 而在剖腹产期间,宝宝首先会主要接触皮肤细菌。与此同时,这些新的见解启发了一些父母在母亲的阴道微生物群中涂抹新生儿[14]。此外,婴儿在头几个月的喂养方式决定了他们的肠道微生物群的发展。母乳含有细菌,人造奶不育。通过剖腹产出生的婴儿或用人造奶喂养的婴儿可能会出现一种扰乱的定植模式,哮喘的风险稍高,过敏和晚年肥胖[15]。决定儿童时期微生物群发育的其他因素是兄弟姐妹或宠物的存在以及其他家庭成员的微生物群的组成[16]。与狗或农场长大的儿童发展哮喘的机会较小[17]。这似乎证实了卫生学假说,该假说认为暴露于细菌是儿童早期对免疫系统发育和对环境抗原更高耐受性所必需的。

微生物组的功能

我们体内的微生物,特别是肠道中的微生物,对我们的健康非常重要。我们肠道细菌的共同基因是我们自己的基因组的一个很好的功能延伸。人类肠道微生物群含有比人类基因组多150倍的基因,它编码了许多我们无法自行合成的酶[9]。肠道微生物群的一个重要功能是消化我们不能自行分解的营养物质。大多数植物碳水化合物和纤维不能在小肠中消化,并在未被消化的大肠中被肠道细菌发酵。由此肠道微生物群的存在使得哺乳动物能够从食物中提取更多的能量。在无菌培养箱中出生并繁殖的无菌小鼠,

除了复杂的碳水化合物和纤维的消化和发酵之外,肠道微生物群还涉及短链脂肪酸的生产(例如
丁酸盐),脂肪代谢,大肠解剖结构的正确发展,免疫系统的控制,维生素的合成以及肠道内空洞的填充,使病原体不能定植[8-10,19]。也有越来越多的证据表明肠道菌群与中枢神经系统之间存在相互沟通的途径,称为脑 – 肠轴,甚至有迹象表明肠道细菌对其宿主的行为和情绪有影响[20]。因此,无菌小鼠比殖民小鼠承担更多的风险,但他们也有较少的记忆。目前还不清楚微生物群与大脑之间的这种联系在人类行为中是否也很重要。

因为我们的肠道细菌实际上是带有大量基因的小化工厂,它们也可以分解或修饰各种化学物质。诸如细胞抑制剂和心脏药物的药物可以被肠道微生物群激活或失活。不同的人对相同药物的反应可能不同,需要更高或更低的剂量,这取决于他们携带的肠道细菌[21]。

微生物和营养

人类肠道微生物群通常相当稳定。在一项志愿者长时间收集粪便的研究中,除了在饮食改变,胃肠感染期间或国际旅行期间,肠道微生物群或多或少都保持不变[22,23]。最近对非洲和南美洲传统社区非西方人粪便成分的研究表明,生活方式和饮食对人类肠道微生物群的影响很大。狩猎采集者,传统农民和城市工业人群有着截然不同的微生物群[13,24-26]。狩猎采集者的肠道菌群含有这三组中最高的细菌多样性。这很可能是由这些传统生活小组消耗的大量纤维所引起的 – 比普通美国人和欧洲人多十倍。

抗生素意外的副作用

在严重感染中,抗生素可以挽救生命,但它们也会对我们的微生物群产生意想不到的副作用。大多数抗生素是广谱的,他们不幸地不区分我们身体中的病原体和有益细菌。许多标准的抗生素治疗方案对我们肠道中细菌类型的数量有很大的影响,通常患者并没有注意到它。恢复通常是不完整的,甚至在停止治疗的几个月后[28,29]。口腔微生物群似乎比肠道微生物群对这些紊乱更不敏感[28]。

另外,从动物实验中发现,反复实际的抗生素治疗主要是在年轻动物中,结果可转移到永久性被扰乱的微生物群中[30],并通过移植人类肠道细菌在无菌小鼠中导致肥胖[31]。这导致了这样的假设:儿童时期反复的抗生素治疗可以导致肠道微生物群的细菌种类减少[32]。在生命的头三年,美国儿童平均得到三至六种抗生素,正是在他们的微生物组发育时。虽然这个数字在荷兰较低,但抗生素反复给儿童开处方,导致肠道菌群多样性减少可能与西方世界肥胖和糖尿病患病率增加有关。

艰难梭菌感染和粪便移植

微生物组研究的成功案例之一是应用粪便移植治疗艰难梭菌感染(CDI)患者。艰难梭菌是一种孢子形成和产毒素的细菌,在健康人群中约10%存在于小肠中,但在医院和养老院患者中百分比较高。抗生素治疗可导致肠道微生物群与艰难梭菌的不平衡,艰难梭菌对大多数抗生素具有相对抗性,突然导致它长到大量。可能导致腹泻,腹痛和发烧。在美国,抗生素每年导致近50万例CDI病例和30,000例死亡[33]。直到最近,有限的治疗方案还包括特定的抗生素如万古霉素,在极端情况下,切除一部分结肠。复发性感染很常见。阿姆斯特丹学术医疗中心的研究表明,粪便移植与健康供体的粪便对CDI患者非常成功。第一次移植后,治愈率超过80%,经过第二次尝试后,增加的百分比可能高达94%[34,35]。因此粪便移植已成为CDI治疗以及许多其他肠道疾病的有吸引力的替代方案。虽然粪便移植的并发症发生率很低,但存在致病性病毒或细菌传播或粪便吸入的风险[36]。阿姆斯特丹学术医疗中心的研究表明,粪便移植与健康供体的粪便对CDI患者非常成功。第一次移植后,治愈率超过80%,经过第二次尝试后,增加的百分比可能高达94%[34,35]。因此粪便移植已成为CDI治疗以及许多其他肠道疾病的有吸引力的替代方案。虽然粪便移植的并发症发生率很低,但存在传播致病病毒或细菌或吸入粪便的风险[36]。阿姆斯特丹学术医学中心的研究表明,粪便与健康供体的粪便移植对于CDI患者非常成功。第一次移植后,治愈率超过80%,经过第二次尝试后,增加的百分比可能高达94%[34,35]。因此粪便移植已成为CDI治疗以及许多其他肠道疾病的有吸引力的替代方案。虽然粪便移植的并发症发生率很低,但存在传播致病病毒或细菌或吸入粪便物质的风险[36]。经过第二次尝试后,这个百分比可能高达94%[34,35]。因此粪便移植已成为CDI治疗以及许多其他肠道疾病的有吸引力的替代方案。虽然粪便移植的并发症发生率很低,但存在传播致病病毒或细菌或吸入粪便物质的风险[36]。经过第二次尝试后,这个百分比可能高达94%[34,35]。因此粪便移植已成为CDI治疗以及许多其他肠道疾病的有吸引力的替代方案。虽然粪便移植的并发症发生率很低,但存在传播致病病毒或细菌或吸入粪便物质的风险[36]。

炎症性肠病

炎症性肠病(IBD)如克罗恩病和溃疡性结肠炎是难以治疗的肠炎性病症,其原因不明并且症状不稳定。除了遗传成分之外,还有证据表明肠道微生物群的作用。IBD的肠道微生物群与健康人有所不同,细菌多样性较低,特定细菌群比例改变[37]。然而,这种生态失调是否是临床症状的原因还是长期炎症,药物治疗或饮食改变的结果尚不清楚。尽管有许多出版物和研究,迄今为止还没有发现明显的微生物病原体。除其他外,CDI患者粪便移植的成功取决于肠道内微生物多样性的恢复。

自闭症

自闭症是社会交往领域各种发展制约因素的总称,并且治疗方案很少。与健康儿童相比,自闭症儿童患有肠胃问题,如腹泻或便秘。因此,微生物对这种疾病的可能作用有很大的兴趣[20]。不幸的是,孤独症患者的肠道菌群研究似乎相互矛盾,并且尚未显示与健康人群有明显差异[38]。可能地,自闭症中的一些不同微生物群是由这些患者的某些行为引起的,通常包括强烈的厌恶蔬菜和水果以及偏爱淀粉食物。因此自闭症患者可能会拒绝某些营养素,如纤维。这可能是一些研究中发现的肠道细菌差异的原因。与IBD一样,因此很难区分因果关系。虽然自闭症和肠道细菌之间的关系仍不清楚,但尚未导致临床治疗选择。益生菌,益生菌和最近的粪便移植越来越受到自闭症患者(父母)的’自我药疗’的欢迎[38]。

新见解

除了越来越认识到肠道细菌对我们的健康有益之外,我们开始意识到我们生活得很干净。与当前传统的狩猎采集者相比,他们的生活条件可能与我们的祖先非常相似,我们的西方生活方式使我们与微生物的接触更少。婴儿通常是通过剖宫产或喂食无菌奶而出生的,孩子们的兄弟姐妹越来越少,在沙箱或街上玩的少。我们的食物和饮用水几乎是无菌的,我们几乎不接触土壤,植物或动物,我们经常接受抗生素,许多肥皂和洗发水含有三氯生,抗菌擦拭物或紫外线固定器消毒牙刷或手机正变得越来越流行。所有这些因素,加上小纤维的食物,这可能有助于确保我们来自细菌物种的肠道微生物群远低于传统生物群落。由于我们的微生物组参与了我们身体中的许多过程,包括免疫系统的构建和控制,抗生素的使用增加,纤维摄入量减少,以及在年龄较小时减少接触细菌可能与增加许多代谢,过敏和慢性肠道疾病[32]。显然我们不想回到中世纪,传染病可能会杀死半个大陆的人口。接种疫苗很重要,危及生命的细菌感染应该用抗生素治疗,在我们吃东西或开始治疗病人之前洗手是一件好事。但是,也许我们应该通过食用发酵食品和益生菌让自己稍微暴露于细菌,并且在步行,园艺或玩沙盒等活动中更加活跃。我们还需要通过摄入更多膳食纤维和复合碳水化合物以及更少的单糖来照顾我们的内部微生物。

来自微生物组研究的新见解也与’个性化医疗’的发展非常吻合,患者可根据其基因组的个体布局以及他们的微生物进行量身定制的治疗。确定微生物组概况可能很快成为标准治疗的一部分,某些细菌群的缺失或存在可用于诊断或作为起始点,作为目前难以治疗的疾病的治疗计划。与此相关的令人担忧的发展,商业公司的崛起提供了特殊的益生菌和粪便移植药丸。许多这些补品销售没有科学基础或质量。虽然某些特定情况下的益生菌菌株已被证实有积极影响,这些类型的产品的扩散使得难以将小麦从谷壳中分离出来。然而,微生物组研究领域是非常感激和令人兴奋的职业,我期望我们将发现我们的小朋友对我们未来健康的许多意想不到的特征和影响。

除了越来越认识到肠道细菌对我们的健康有益,我们开始意识到我们生活得太干净。与当前传统的狩猎采集者相比,他们的生活条件可能与我们的祖先非常相似,我们的西方生活方式使我们与微生物的接触少得多。婴儿通常是通过剖宫产或者喂食无菌奶来产生的,孩子们在兄弟姐妹少的情况下长大,在沙箱或者街上玩的少。我们的食物和饮用水几乎无菌; 我们几乎不接触土壤,植物或动物; 我们经常接受抗生素; 许多肥皂和洗发水含有三氯生; 并且抗菌擦拭物或紫外线固定器消毒牙刷或电话正变得越来越流行。所有这些因素,加上我们食物中的纤维太少,可能有助于确保我们的细菌物种的肠道微生物群体比传统生物群落的多样性要少得多。由于我们的微生物组参与了我们身体的许多过程,包括免疫系统的构建和控制,抗生素的使用增加,纤维摄入量减少,以及在早期接触细菌减少可能与增加许多代谢,过敏和慢性肠道疾病[32]。显然,我们不想回到中世纪,因为传染病可能会杀死半个大陆的人口。接种疫苗很重要,危及生命的细菌感染应该用抗生素治疗,在我们吃东西或开始治疗病人之前洗手是一件好事。但是,也许我们应该通过食用发酵食物和益生菌让自己稍微暴露于细菌,并且在步行,园艺或玩沙盒等活动中更加活跃。我们还需要通过摄入更多膳食纤维和复合碳水化合物以及更少的单糖来照顾我们的内部微生物。

来自微生物组调查的新见解也与’个性化医疗’的发展相契合,在这种情况下,患者可以根据其基因组的个体布局以及他们的微生物进行量身定制的治疗。确定微生物组概况可能很快成为标准治疗的一部分,某些细菌群的缺失或存在可用于诊断,或作为可用作目前难以治疗的疾病的治疗计划的起点。与此相关的一个令人担忧的发展是商业公司提供特殊的益生菌和粪便移植药丸的混合物的兴起。许多这些补充剂在没有科学基础或质量控制的情况下销售。虽然某些特定情况下的益生菌菌株已被证实有积极影响,这些类型的产品的扩散使得难以将小麦从谷壳中分离出来。然而,微生物组研究领域是一个非常令人兴奋和令人兴奋的专业,我希望我们将来会发现我们的小朋友对我们健康的许多意想不到的特征和影响。

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