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谷禾健康
看过往期文章的小伙伴都知道，人体微生物群维持体内的共生关系，促进新陈代谢功能，抵御病原体，训练和发展免疫系统，直接或间接影响我们的大部分生理功能。
每个人都拥有属于自己的独特的微生物组，人与人之间这种显著的个体差异性是疾病易感性差异的潜在来源。
基因是从出生开始确定了，很大程度上伴随着人的一生，微生物组是否也是遗传决定的呢？
2018年的研究显示，家庭中的遗传血统或单个多态性变体在肠道微生物组组成中的作用很小（<2％），而微生物组多样性中超过20％的变异可以从共享的环境因素中推断出来，例如与饮食和生活方式。可见环境是影响微生物组的重要因素。
那么：
影响微生物组环境因素包括哪些？
环境如何对人类微生物组产生影响？
环境如何通过微生物组影响人的健康？
环境对人类微生物组的影响研究会有哪些挑战？
这对理解非传染性疾病的微生物基础带来哪些启示？
本文我们来详细阐述以上问题。
<从广义上考虑环境，涉及宏观环境和微环境，并考虑个人行为，包括吸烟，饮酒和饮食摄入等>
口腔消化道癌症
微生物诱发了至少60%的人类口腔消化道癌症，这表明控制微生物相关过程在预防和治疗口腔消化道癌症方面具有巨大的潜力。
流行病学研究一致报告口腔疾病与口腔消化道癌症(包括头颈部、食道癌、胃癌和胰腺癌)风险之间的联系。由于口腔疾病具有重要的微生物基础，这些观察导致了口腔微生物组与口消化癌的发生有关的假设。
基于大量人群的队列研究中的病例对照研究发现，用漱口水样本评估的诊断前口腔微生物组与随后发生的头颈部、食道和胰腺消化道癌症的相关。一些研究也明确指出了肠道微生物组梭菌属Fusobacterium和其他菌群与结肠癌之间的联系，以及肠道微生物组与炎症性肠病和结直肠腺瘤之间的联系。
微生物来源的信号通过不同的机制调节癌症的许多特征。一般来说，细菌不能直接诱发癌症；这一过程通常伴随着慢性炎症，并需要致癌信号通路的独立突变。
进一步的研究表明，微生物组与宿主之间的交互作用通过调节肿瘤微环境中的先天和适应性免疫功能，对口腔消化道肿瘤发生至关重要。
细菌-癌症模型提出，革兰氏阴性细菌促进致癌作用，因为脂多糖细菌外膜通过Toll样模式识别受体为先天免疫系统反应提供免疫原性刺激，导致由核转录因子NF-κB原瘤细胞因子释放、免疫细胞募集和活性氧释放引起的基因突变。
因此，微生物在形成肿瘤免疫微环境中的作用在癌症的发病机制中具有重要的潜在意义，特别是在口腔消化道。
神经系统疾病
肠道和中枢神经系统通过肠-脑轴相互作用，调节中枢神经系统功能，包括情感行为、认知表现、疲劳和睡眠。
研究表明，肠道微生物组通过影响肠-脑轴，可能在某些神经精神和神经发育障碍中发挥作用，改变行为，并可能影响神经系统障碍的发作和/或严重程度。
无菌小鼠和用抗生素治疗的小鼠表现出大量的神经免疫功能障碍和行为缺陷。主要在临床前模型中，肠道微生物组与大脑障碍有关，包括焦虑、抑郁、癫痫以及自闭症谱系障碍。
在人类中，胃肠道病理和神经精神疾病之间相互作用的证据已经在焦虑、抑郁和自闭症等情况中报告；然而，因果关系仍未得到证实。
揭示微生物组介导肠-脑连接的机制可能为靶向治疗肠道提供新的机会，以预防和治疗神经疾病。
糖尿病
大量的文献已经为肠道菌群在糖尿病前期和2型糖尿病病因学中的作用提供了证据。一份2020年的综述总结了40多项已发表的人类研究。
例如，在糖尿病前期研究中发现，基于肠道微生物群、炎症和免疫标志物的分子特征预测了2型糖尿病的发病。
两项开创性研究发现，2型糖尿病患者和非糖尿病对照组的肠道微生物组不同。
随后一项研究表明，2型糖尿病患者的肠道微生物群介导了用于控制糖尿病的二甲双胍的治疗效果。
还有研究人员开发了个性化饮食以优化2型糖尿病患者的血糖水平，同时考虑了个性化饮食习惯、体育活动和肠道微生物群。研究人员随后在一项盲法随机对照饮食干预试验中表明，应用这种算法可以改善餐后血糖反应。
目前面临的挑战是搞清楚，具体精确到哪些肠道微生物组组成部分，能驱动异质性、多因素、多器官疾病。
肥 胖
肥胖在全球范围内日益流行，导致过早死亡和许多慢性非传染性疾病。虽然肥胖的根本原因是能量摄入和输出之间的不平衡，但肠道微生物组成是导致体重增加的公认因素，当然还有其他机制，如遗传变异和表观遗传调节。
从野生型小鼠、肥胖小鼠或肥胖人类转移到无菌小鼠的肠道菌群实验表明，在该试验系统中，肠道菌群在体重增加和肥胖中起着关键作用，与肥胖表型的建立有关。这些实验结果引出了这样一个问题：
肠道的微生物组成是否会影响人类体重增加（无论是基因决定的还是饮食诱导的）？
一份早期的小规模人类样本报告与小鼠的研究结果一致，即肥胖状态与厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度增加和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度减少有关。
然而，对人类的研究并没有证实这一特定模式：一些研究发现拟杆菌门(Bacteroidetes)的减少(但没有发现厚壁菌门(Firmicutes)的增加)与肥胖有关，而另一些研究则发现相反或未发现这两种门水平与体重指数(BMI)有关。
此外，研究已经确定了与BMI或肥胖相关的不同属和种水平的分类群。
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未来在动物模型和人类中的下游实验可以确定这些候选菌群是否在肥胖的病因学中起作用，如果是，建议干预肥胖的预防和治疗。
目前也有通过各种治疗方法(如益生菌、益生元、抗生素)改变菌群的潜力，微生物组是预防和治疗肥胖的一个不错的方式。
宏观环境
——毒理和化学环境
在人体中，消化道和呼吸系统是环境毒物进入和加工的主要途径。在这些器官系统中，人类微生物组丰富的代谢系统具有强大的转化外来生物化学物质的能力，有时与宿主的生物转化模式相反。
宿主代谢酶的典型特征是氧化和结合排泄，而微生物的酶反应主要是还原、水解和去甲基化，生成碳源进一步生长和分裂。
环境砷形态与心血管疾病和其他健康影响有关；证据表明，口腔消化道微生物组的甲基化能力可能会影响这些毒性。
肠道乳酸菌Lactobacillus对金属(如镉和铅)的固定化可能会影响金属毒性，降低重金属积累。
Yu.Let al., chemosphere2020
某些肠道细菌表达偶氮还原酶来代谢潜在致突变的偶氮化合物。个人护理产品中对环境具有持久性的化学物质，如三氯卡班(TCC)和三氯生(TCS)普遍存在，并与啮齿类动物微生物群的潜在变化有关。
肠道微生物群对化学物质(包括内分泌干扰物)的代谢会伴随微生物的失调：改变微生物群落结构，诱导特定细菌基因，改变微生物分子转化。此外，内分泌干扰物可以被吸收并运输到肝脏，然后被结合并通过胆汁分泌排泄回肠道，进一步进行微生物代谢。
酶如偶氮还原酶、酯酶、甲基酶、硫代还原酶、脂肪酶、硝基还原酶、β-葡萄糖醛酸苷酶、硫酸盐酶和β-裂解酶也参与环境化学物质的微生物代谢。
——建筑环境与新兴假说
建筑环境包括人类建造的所有建筑，包括家、工作场所、学校、车辆等。研究人员认识到许多微生物病原体可能存在于建筑环境中。
例如，细菌病原体，如结核分枝杆菌；真菌病原体，如烟曲霉菌Aspergillus fumigatus；致病性病毒，如鼻病毒和流感病毒，以及SARS-CoV-2冠状病毒等，均可通过在建筑环境中直接吸入传播。其他病原体，如艰难梭菌和粪肠球菌，以及诺如病毒和流感病毒，可通过皮肤或黏液接触传播给人，原因是病菌从表面传播。
除了直接的微生物传播，建筑环境中的微生物代谢产物也可能涉及人类健康，包括细菌和真菌毒素、细胞壁的致敏成分和微生物衍生的挥发性有机化合物。
室内空气和表面与灰尘和微生物化学产物有关。环境中相对湿度的增加导致灰尘和表面微生物代谢物的增加。室内潮湿和发霉条件(例如，可见的霉菌和霉菌气味)与许多不同的疾病状态有关，但建筑环境中微生物及其代谢产物的组成和浓度与疾病之间的联系仍然难以捉摸。
通过靶向细菌16S rRNA测序和宏基因组测序的应用，研究人员对建筑环境微生物生态的复杂性有了更全面的认识，包括可培养和非培养因子的多样性。认识到环境样品中微生物DNA序列的组成可能是由大量的不可活残留物组成的，环境微生物相关DNA表现出丰富的复杂性，反映了人类微生物来源，室内建造环境和人类来源的微生物来源之间的关系特别强。
卫生假说认为，卫生条件的改善可能与自身免疫性疾病的增多有关，这一概念也适用于有益菌暴露的概念。
研究人员研究了人类微生物组和建筑环境微生物组之间的相关关系，重点关注家庭环境，并绘制居住者和他们的家庭之间的细菌共享。这项调查表明，与表面有关的大多数细菌有很大的可能来自该住宅的居住者。暴露于室内灰尘中的复杂微生物群与患哮喘的可能性呈负相关。在另一项研究中，与没有接触到农业环境的儿童相比，接触到农场附近家庭灰尘并在农场积极参与工作的儿童患哮喘的风险有统计学上显著降低。
总之，越来越多的证据表明，建筑环境、微生物群和健康之间存在相互关系，但要了解建筑环境中微生物的生态和进化与人类健康之间的关系，还需要做大量的工作。
其他与建筑环境有关的著名假说也出现了。其中一个在文献中越来越流行的假说是野化假说，该假说认为，改变城市绿地使其恢复到更自然的状态，有可能改变环境中的微生物群，进而改变人类微生物群。对人和动物的研究表明，野化可能会影响微生物组和宿主的免疫反应。
除其他环境因素外，2018年的研究表明，吸入颗粒物空气污染会改变肠道微生物组的组成。
此外，日光暴露可以调节家庭灰尘细菌群落，这也可能表明阳光和紫外线辐射影响人体微生物群落组成，例如皮肤上的细菌群落。
微生物在皮肤老化中的作用模式
Li Zichao,et al., Front Microbiol, 2020
气候变化和极端高温也可能引发生理变化，可能有利于周围环境、食物或体内的某些微生物群。
此外，在应对将大量微生物菌群与无数已建立和新出现的暴露物结合起来的挑战时，将细菌宏基因组与环境暴露物结合起来的无针对性评估和发现可能是前瞻性研究议程的一部分。
——社会经济环境
较低的社会经济地位与多种与健康有关的行为有关，如获得医疗和牙科护理的机会减少，增加参与不健康行为(如吸烟和酒精依赖)，减少对积极健康行为(如健康饮食和锻炼)的参与。低社会经济地位与较高的发病率和死亡率以及其他一些健康状况如肥胖、糖尿病和癌症的高发病率相关。
微生物群在调节社会经济地位和健康之间关系中的作用正在研究中。许多与低社会经济地位社区和生活方式相关的特征(例如，加工食品、久坐的生活方式、社会心理压力、暴露于污染物和内分泌干扰物)也与肠道微生物多样性减少有关。
研究已经检验了高社会经济地位和低社会经济地位群体之间微生物组成的差异。在美国，较高的社会经济地位与肠道微生物群中特定微生物的α多样性和种群丰度相关。
更好地理解微生物组在社会经济地位相关疾病易感性中的中介关系需要综合研究，包括调查社区和个人水平的暴露。建筑环境是考虑的一个部分。
微环境
——吸烟
香烟烟雾是大量有毒物质的来源，直接接触口腔和上呼吸道的细菌；这些毒物可以通过抗生素作用、缺氧或其他潜在机制扰乱微生物生态。由于吸烟而失去有益的口腔菌群可导致病原体定植并最终导致疾病；吸烟在微生物依赖性牙周炎的发病和发展过程中所起的既定作用有力地支持了这一论点。
实验室调查发现，与从不吸烟的人(变形菌门11.7%)相比，吸烟人群口腔微生物组的总体多样性降低，变形菌门的相对丰度降低(4.6%) (FDR q = 5.2×10−7)。
当前吸烟者体内三羧酸(TCA)循环和氧化磷酸化等微生物有氧代谢途径相关基因的丰度降低，糖酵解等非氧碳水化合物代谢途径的丰度增加。
当前吸烟者所消耗的其他途径包括与甲苯、一硝基甲苯、苯乙烯、氯环己烷和氯苯降解有关的某些外来生物降解途径以及细胞色素P450的外来生物代谢。相反，多环芳烃(PAH)和二甲苯降解在当前吸烟者中富集。这些化学物质是香烟烟雾的组成部分，因此口腔菌群降解这些物质的能力的改变可能会对宿主产生毒性后果。
除了创造一个厌氧、酸性和/或选择性有毒的环境，吸烟还被认为对人体免疫有显著的影响，这反过来可以影响宿主阻止病原体殖民的能力。
总之，越来越多的证据表明：
吸烟影响口腔微生物群的整体组成和许多种群丰度；吸烟可促进厌氧口腔环境和具有减少的异种生物降解能力的菌群。
观察性和介入性研究也提示吸烟者肠道微生物组的多样性降低，总的来说，变形菌门、拟杆菌门和梭菌属、拟杆菌属、普雷沃氏菌属呈上升趋势，放线菌门、厚壁菌门和双歧杆菌属、乳球菌属呈下降趋势。
可能解释吸烟对肠道微生物组影响的机制包括氧化应激增强、肠道紧密连接和肠道粘蛋白组成的改变以及酸碱平衡的改变。一些吸烟引起的肠道微生物组改变类似于炎症性肠病和肥胖等情况下的改变。应该进行进一步的研究来研究这种联系。吸烟会影响肠道微生物群，建议改变其组成。吸烟和肠道微生物组之间的相互作用可能有助于肠道和全身疾病的发展。
——酒精
酒精摄入可能通过几种方式影响人体口腔微生物群：
首先，口腔细菌和真菌将酒精和膳食糖代谢成致癌的乙醛，与香烟烟雾冷凝液相互作用，产生致癌的亚硝胺，并在实验上促进口腔癌变。无论是在体内还是体外，在吸烟者中，口腔微生物群有更强大的能力从乙醇中产生乙醛。
体外和动物实验也指出了口腔微生物群参与口腔癌变的可能机制，包括抑制细胞凋亡，激活细胞增殖，促进细胞侵袭，诱导慢性炎症，以及口腔多菌群中细菌和真菌的合作。
第二，酒精可能对细菌产生直接的细胞毒性作用。动物研究表明，摄入20%的酒精会增加变形链球菌Streptococcus mutans的定植，并显著减少大鼠口腔生物膜中可检测到的细菌种类。
在人类研究，饮用红酒与物种丰度降低以及龈下和龈上菌斑中某些厌氧菌的减少有关，而过量同时使用烟草和酒精与物种丰富度降低以及口腔粘膜生物膜中奈瑟菌Neisseria、Aggregatibacter和梭杆菌Fusobacteria丰度降低有关。
酒精除了直接作用外，还可能通过干扰宿主防御系统间接影响口腔微生物群，从而导致宿主介导的牙周炎。
大量以人群为基础的研究表明，每天至少喝一杯标准饮料会增加牙周炎15-27%的风险，并与糟糕的口腔健康有关。有证据表明，口腔微生物群与口腔健康状况密切相关。
酒精和肠道微生物组的研究主要是在大量饮酒的背景下进行的，酒精可能改变肠道屏障功能，导致肠道渗漏，产生促炎病原微生物产物，并扰乱肝脏代谢途径。
大量饮酒和肝硬化患者的研究表明，拟杆菌门细菌的相对丰度随着变形菌门的增加而降低，肝硬化患者中梭杆菌门的独特增加。
大量饮酒与肠道失调有关，而红酒作为膳食多酚的丰富来源，如果适量饮用，可能有利于改变胃肠道微生物群的组成。红酒多酚能显著增加变形菌门(Proteobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度，而杜松子酒则能显著减少这些细菌门。
——饮食
西方饮食的特点是高脂肪，高糖，大量食用红肉和加工肉类，大量食用精制谷物，而纤维摄入量较低。
许多研究表明，西方饮食与炎症、糖尿病、心血管疾病、肥胖、代谢综合征和癌症有关。而西方饮食有着广泛的生理影响，影响许多不同的细胞类型，如脂肪细胞，免疫细胞和内分泌细胞。
这个饮食习惯也与肠道菌群的变化密切相关，其特征是微生物多样性和物种丰富度降低，厚壁菌门增加，拟杆菌门减少。在属水平上，西方饮食显示双歧杆菌和乳酸菌减少，而肠杆菌增加。
纤维摄入量，是一个诱人的可改变的饮食因素，因为其假定有益的生物效应。一些研究表明，纤维可以预防2型糖尿病、心血管疾病、结肠癌和肥胖等疾病。纤维加速结肠运输，并可能减少结肠上皮细胞暴露于摄入的致癌物质。
此外，纤维经过微生物群发酵，产生短链脂肪酸如丁酸，对结肠能量代谢和上皮细胞增殖至关重要，在小鼠模型中，通过抑制组蛋白去乙酰化酶，显示出肿瘤抑制活性。因此，人们越来越关注膳食纤维对肠道微生物组成的影响，这可能最终影响一个人患癌症和其他疾病的风险。
高纤维饮食与更高的胃肠道微生物丰富度和多样性有关，特别是与普氏菌Prevotella和密螺旋体Treponema的丰富度有关，还与炎症信号的减少有关，对肥胖的保护，以及可能减少结肠直肠癌的存在。尽管短期饮食干预试验已经证明，不同数量的纤维摄入量可以在几周内显著改变肠道微生物群的组成，但很少有研究在人类中评估长期摄入纤维的饮食习惯对肠道微生物群的影响。
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人类微生物组、健康、环境科学的这三个要素每一个都是复杂的，整合具有挑战。环境因素往往是复杂的；要考虑的环境因素众多，更不用说对微生物组的不断深入了解，难以全面把握外部环境如何在疾病发生率和死亡率中起因果作用。在现实生活中，这些因素通常相互影响，随着时间的推移是动态变化的。
化学毒物经常在混合物中出现，例如，与化妆品和内分泌干扰物的混合物。此外，在整个生命过程中暴露的风险可能随年龄而变化，即易感性窗口。由于这种复杂性，确定直接或间接影响人类健康和疾病的微生物特征仍然具有极大的挑战性。
需要新的方法来充分评价可能影响微生物组和人类健康的现有和尚未确定的因素。前瞻性队列研究是环境和人类健康研究的支柱，特别是因为这项研究设计在建立因果关系的自然时间序列方面很重要，而这在横断面或回顾性研究中往往很难理清。
对粪便样本和人体其他部位样本进行前瞻性收集，以及连续的纵向样本收集也只是在最近才达到一定规模。需要以大量人群为基础的队列，包括不同社会经济地位和地理群体等。
此外，环境和微生物组对健康状况的多维影响，加强了整合其他组学的需要，包括代谢组学、转录组学、基因组学和免疫组学。需要开发相关的数据集成工具和流程。
结语
以上强调了环境中通过影响人类微生物群与非传染性疾病相关的许多因素。必须考虑复杂的相互作用、上游因果因素和多种因果路径。以大数据驱动的技术正为微生物组研究和临床运用带来许多便捷。
随着深入研究，不久的将来我们会对环境，微生物组，健康三者之间的关系有进一步认识，结合公共政策领域，有效地从多方面去实现健康的改善。
相关阅读：
主要参考文献：
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谷禾健康
识别和纠正疾病患者微生物组的重要第一步，就是要了解健康微生物组的特性，及没有明显疾病情况下的许多不同的微生物生态。
我们知道体内DNA的细微差异引起巨大的表型多样性，也就是说大家都能区分彼此。相比之下，人体微生物的宏基因组（微生物在我们体内的总DNA含量）变化更大，只有三分之一的组成基因存在于大多数健康个体中。所以要理解健康微生物组这些差异是重大的挑战。
本文，我们将对以下方面展开讨论分析：
人类对健康人微生物组的理解史；
健康人肠道微生物群的组成和功能；
健康人微生物多样性的范围；
可能的驱动因素，如地理，饮食和生活方式等；
健康微生物群的核心标志；
微生物群的抵抗力，弹性和稳定性；
有助于人类健康和疾病预防的微生物代谢途径和种类；
现代农业与人类健康肠道微生物。
“健康” 是指没有任何明显的疾病。
“微生物组” 指人体的整个微生物组，但目前大部分可获得的数据描述的都是肠道微生物组，因此这里讨论的许多发现都来自肠道微生物组。
关于健康微生物组，有两种假设：
第一种假设
试图确定在健康个体中普遍存在一组“核心”微生物群，其假设是不存在此类微生物就表明失调。但健康个体之间的生态多样性研究表明，健康人的微生物组本来就有足够的差异，无法支持这样的假设。
第二种假设
健康的“功能核心”：一种代谢和其他分子功能的补充，由特定栖息地内的微生物群执行，但不一定由不同人体内相同的生物体提供。
这样的核心：
可能要作为遗传潜能存在，就像人类基因组一样必须严格，不能编码出严重的有害突变才能健康；
或者可能要在个体内部有良好的表达和调控，以保持健康（也就是说，它必须由RNA转录组编码或以蛋白质或小分子产物的形式存在）；
当然也可能是这两者组合。
当然，功能核心：
必须至少包括个体微生物生命所必需的内部管理功能，这些功能必须通过基因组正确表达；
还可能包括特定于人类生态系统中微生物生态位的功能；
可能包括人类细胞无法完成的过程，因此代表了共生宿主与微生物关系的潜在基础。
核心功能的适应性
健康的微生物组可能会进一步通过其随时间变化表现出来。直白地说，一个健康相关的微生物群必须对外界或内部变化有一定程度的适应性。外界例如饮食或药物等干扰，内部变化例如年龄的改变。
即使某个特定的群落结构提供了所有必要的核心功能，但如果没有这种适应性，就不能长期保证核心功能。
因此，微生物组对压力和干扰的抵抗力及其之后恢复健康功能的能力是表征健康微生物组的潜在特性之一。
早期的研究试图通过培养和表征菌的生理特性来确定正常的微生物群，主要在肠道中。这类研究最能突出在实验室环境中生长良好的生物，例如大肠杆菌。这种偏见导致人们认为大肠杆菌是人类肠道微生物组中丰富而普遍的成员。
在1970年代引入了严格的厌氧技术，仅肠道就可以回收300多种细菌。此外，对选择性培养基中标准系列稀释液中活细胞的计数可以对这些物种进行定量。
对该时代的四项大型研究的总结，研究了141名美国人在不同饮食下的粪便样本，发现拟杆菌（Bacteroides）和厌氧球菌（anaerobic cocci）属细菌普遍存在且数量丰富，而梭菌属细菌则普遍存在，但丰度较低，尽管没有在所有受试者中均观察到单一物种。其他普遍但含量较低的细菌包括双歧杆菌属（Bifidobacterium），真细菌属（Eubacterium），乳杆菌属（Lactobacillus）和链球菌属（Streptococcus），以及兼性厌氧菌如大肠埃希氏菌（Escherichia）。
当时已经有人怀疑，还有大量与人类有关的微生物种类没有被发现，一项研究估计在一个健康的结肠中同时存在大约400种微生物。然而，发现它们也有很多障碍，比如某些微生物的培养要求严格，以及培养所需的劳动密集型性质等。
此外，并不是所有的微生物都可以通过在选择性培养基上单独培养而被很好地区分为物种或菌株。例如，不同种类的高产拟杆菌属特别难以解开。另外，这种关于群落组成的研究甚至更难扩展到非细菌性微生物，例如病毒和真菌，对于微生物含量低于肠道的人体栖息地的研究更加不切实际。需要新方法来研究健康微生物组的这些方面。
DNA测序和荧光原位杂交（FISH）等与传统培养无关的技术现已广泛使用，它们的民主化使微生物样品的DNA含量得以直接研究。使用针对16S核糖体RNA基因的FISH进行的早期研究表明，在西欧队列中，至少三分之二的肠道细菌可归因于大约六个物种/属水平的一组六组细菌：两个拟杆菌，两个梭菌，链球菌 /乳球菌和直肠细菌。从那以后，这被证明是乐观的，甚至在当时，这些样本之间的丰度也观察到了很大的差异（标准偏差为均值的〜60–80％）。
某些直接从样品中直接测序16S rRNA基因的早期努力表明，对应于已知物种的85％至95％的细菌丰度可归因于与拟杆菌，梭状芽孢杆菌XIVa和梭状芽孢杆菌第四类有关的三个细菌群。16S研究还显示，健康人之间以及一个人内紧密联系的生物地理位点（例如粘膜和粪便样本）之间的生物分类组成存在很大差异。然而，在所有这些研究中，当时的大多数（75–80％）序列簇与任何文献记载的物种都不匹配，这解释了以前工作中对多样性的低估很多。
随着数据库的完善和技术的进步，目前16s尤其是在肠道菌群方面分辨率也已经达到很高了，种方面能达到70%以上，40%左右能分到菌株。而且肠道菌群检测远不是检出了每种菌的含量，还需要大规模人群队列和疾病样本的训练以及模型构建，因此16s有其标准化和相对适合的成本，在肠道菌群中还是首选的方案。
此外，大规模并行shotgun测序（高通量测序技术）的出现已基本解决了这种微生物“暗物质”的分类学组成，虽然功能多样性的显著百分比（高达50%）和非参考群体的组成仍有待确定。
最初的发现印证了人与人之间的巨大差异（甚至在双胞胎之间），但也暗示了存在着所有个体共有的一组微生物基因。 这有助于建立这样一种模式：就好比在每个生物体中保存的管家基因一样，“核心微生物群”可以在功能层面而不是在分类学层面上被定义。
人类和人类文明有上千年的变化，人类肠道微生物群也随着饮食的变化而变化。例如，狩猎-采集社会的肠道微生物群落在一年中显示出剧烈的变化，反映了食物供应的变化。此外，在这些社会中，女性和男性成员的微生物群也存在重大差异，女性的微生物群更像食草动物，而男性成员的微生物群更像食肉动物。
从早期文明到现代文明，肠道微生物群的变化也反映了卫生的变化，这在城市和农村社区之间仍然存在。
在过去的几十年里，随着卫生条件的改善、加工食品和药物（尤其是抗生素）的广泛使用，现代生活方式似乎对人类肠道微生物群落的多样性产生了重大影响，总体上减少了其多样性。
人们吃的东西对肠道微生物组成的影响要比基因强得多。设想这样两种情况：
没有血缘关系却生活在一起的人（有相似的饮食习惯和生活方式）；
生活在不同地方的有血缘关系的人；
后者的微生物组表现出更大的差异。
此后，在测序和其他分子测定法的通量和成本效益仍在不断提高的基础上，开展了大规模项目，以表征微生物成分的多样性及其功能潜力。
2010年，人体肠道基因组（MetaHIT）研究报告了来自124个欧洲成年人（主要是“健康”人群）粪便样本的肠道基因组，当时该序列超过了以往所有微生物组研究的测序量近200倍。
2012年，人类微生物组计划（HMP）报告了对242位来自美国的健康成年人进行16S谱分析的结果，并对139个人的亚组进行了宏基因组测序，结果代表了分布在五个主要身体区域之间的18个身体栖息地。一项针对2型糖尿病的大型中国研究很快贡献了145个肠道宏基因组，其中大约一半来自非糖尿病对照组。此后，MetaHIT协会继续发布来自欧洲成年人的新的肠道宏基因组。
人类微生物组群项目（HMP）和人类肠道宏基因组学（MetaHIT）倡议是第一个定义健康人体微生物组组成和功能的大型微生物组项目。这些努力为了解宿主相关微生物群落的生理和功能特性提供了基础。
随着新一代测序、全基因组鸟枪测序、全球代谢组学、先进的计算策略以及人性化动物模型和基于培养的人类类器官系统等新技术的出现，对微生物组的理解正在迅速进步。
健康的肠道菌群因为个体差异较大，很难有一个精确的定义，但通过大量人群样本数据的了解我们可以明确什么样的肠道菌群是不健康的。
# 多样性
首先从多样性的角度，一般除了2岁以下婴幼儿，大部分的健康人的肠道菌群构成大概有200~2000种菌，如果数量过低或过高都不算健康。过低表明饮食结构过于单一或经历了抗生素等处理。过高表明可能出现了很多不属于肠道环境的菌。
# 核心肠道菌群的占比
另外主要从核心肠道菌群的占比来评估。健康的肠道菌群虽然构成多样，但是存在一部分核心的肠道菌群，它们是肠道菌群的基石，如果这些菌的占比不足30%表示肠道菌群环境已不由这些健康菌占主导，很可能为病原菌提供生存环境。
这些核心的肠道菌群包括：
拟杆菌属(Bacteroides)，
柔嫩梭菌属 (Faecalibacterium)，
普雷沃氏菌属 (Prevotella)，
瘤胃球菌属 (Ruminococcus);
此外, 粪球菌属(Coprococcus),Blautia,
Dorea，毛螺菌属(Lachnospira)，
罗氏菌属(Roseburia)也属于常见菌属，但占比通常不会很高。
在婴幼儿的肠道菌群中核心菌包括：
双歧杆菌属(Bifidobacterium)，韦荣氏球菌属(Veillonella)，通常2岁以下婴幼儿的肠道菌群这两种菌一般至少占比30%以上。
如果你的肠道菌群构成中基本见不到这些核心菌或占比很小，那么肠道菌群很可能已经出现问题。
古细菌，病毒，真菌和其他真核生物
古细菌
人类微生物组除了我们关注最多的细菌外，还包括古细菌，病毒和真核生物。在健康的人类微生物组（主要是肠道）中，已鉴定出少量古细菌属。其中产甲烷菌属在肠道中最多，特别是史密斯甲烷短杆菌（Methanobrevibacter smithii）非常适合人类肠道，可优化其他微生物对膳食多糖的消化，并在常见肠道细菌（如多形拟杆菌，Bacteroides thetaiotaomicron）存在的情况下适应其基因表达。
病毒
人类的病毒特别广泛是健康人类生态系统不可或缺的一部分。病毒有高变特性，因此每个人都有一个独特的病毒，主要由噬菌体组成（估计有5%的肠道细菌基因编码原噬菌体蛋白）。噬菌体还提供了另一种途径，在其他亲缘较远的细菌之间进行水平基因转移。由于古细菌，病毒和真核生物的分子谱分析技术仍不及细菌，这些生物的分子功能信息仍然有限。
真核微生物
在人体中发现的最著名的真核微生物（主要是真菌和原生生物）虽然通常是致病菌，但此类真核生物在健康人群中也普遍存在，特别是念珠菌(Candida)，马拉色菌(Malassezia) 和Saccharomyces。
不同部位的相互作用至少负责健康微生物组的部分生态和免疫平衡。例如，在皮肤生化环境中细菌和真菌之间存在明显的竞争，或是乳酸菌控制肠道和阴道真菌。
人类与真菌之间存在直接的相互关系：其中最典型的特征是益生菌(Saccharomyces boulardii)，最初是为了对抗霍乱而分离的。一些原生动物甚至是健康微生物群落的常见物种，变异比细菌更大。此外，某些原生动物的存在，例如常见的芽囊原虫属Blastocystis，与降低胃肠道疾病的风险有关。
健康微生物组的地理变异
对比来自不同国家的肠道微生物组的研究，已经确定了微生物组成的系统差异。比较欧洲的MetaHIT，美国的HMP和中国的糖尿病队列这三大块，发现国家间的生物分类组成差异大大超过了个体间的差异，这不止是由于技术差异或者实验方法造成的，地理学因素也是微生物组大规模变化的原因之一，包括北美和南美，欧洲和非洲，韩国和日本以及俄罗斯和中国的农村和城市人口之间的差异。
在这种变化的可能驱动因素中，主要因素是饮食，以及其他因素，包括地理，早期生命暴露和遗传等。还没有一项研究表明健康微生物群大量种群间差异的原因是这些因素其中的任何一个。
有意思的是菌株水平上也存在地理差异，特别是当菌株特征比微生物丰度曲线表现出更大的时间稳定性。该领域的研究是初步的，但表明国家或大洲之间的菌株差异不是特别明显。诸如拟杆菌属（Bacteroides coprocola）和普雷沃氏菌（Privotella copri）之类的物种在跨越人群的抗生素抗性基因中表现出最大的差异和菌株水平变异。
虽然在所有地点的微生物组的分类组成中有巨大的个体间差异，但在一个特定地点，个体间代谢途径的丰富程度相当一致。
此外，微生物组的组成在生命的最初几年发生了巨大的变化，但这种功能性特征在生命早期就已经建立，并在此后保持稳定，至少在肠道。这表明，“核心”健康微生物群的一个定义是，它们的组合、代谢模块和调节途径共同促进了与宿主相关的稳定生态。
这个核心包括至少三类功能
第一，也是最简单的，所有微生物生命所必需的管家功能，例如转录和翻译、能量生产和结构成分。
第二，这一核心包括人体相关的微生物群在身体部位的特定过程，如与宿主细胞表面的黏附，以及与宿主与微生物相互作用有关的化合物的产生(包括必需的维生素，如维生素K和免疫刺激化合物)。
第三，不同的身体栖息地各有其特殊的核心功能。例如，在肠道中，核心功能包括糖胺聚糖的生物降解、几种短链脂肪酸的产生、特定脂多糖的富集以及维生素和必需氨基酸的产生。在一个特定的人群中，哪种功能趋于丰富，会受到长期的选择压力（如饮食）的影响。
健康微生物群的另一个标志是生态系统的恢复力。
从微生物生态学角度来看，健康的其他标志是抵抗干扰（可能是由于病原体进入，饮食或药物治疗而引起）以及随后恢复健康状态的能力。这些特性分别被称为阻力和回弹力。
系统在冲击（阻力）期间持续存在的能力以及在干扰影响（恢复）后恢复到基线的能力决定了整体的弹性。从概念上讲，下图对此进行了说明。
S. K. Dogra et al., Front. Microbiol.2020
例如，经过抗生素治疗后，健康的肠道菌群通常会在几周到几个月后恢复到以前的状态。因此，微生物健康的最新定义明确地不包括单一静态，而是动态平衡。
原生状态、扰动、回到原始状态或过渡到新状态概念图解
S. K. Dogra et al., Front. Microbiol.2020
一个有弹性的微生物群在受到扰动后将恢复到原来的平衡状态，而非弹性微生物群将转向一个改变后的新状态。
在这种观点下，健康的微生物组相当于潜在动力系统的吸引子。吸引子同时捕获抵抗力和弹性，因为系统将抵抗吸引者的偏离，并且除非波动（可能是由于外部扰动或内部随机性引起的）足够大，否则它将倾向于返回到稳态区域。
Lloyd-Price et al. Genome Medicine (2016)
人类微生物组中最明显的例子可能是健康阴道中的群落状态类型之间的转换。不是所有菌群类型都具有相同的稳定性。肠道微生物组也在不断变化，随着时间的流逝而增加和减少物种，不同的分类单元具有不同的稳定性，并且某些微生物在肠道中持续存在多年。
特定分类群持续存在的机制还不明确，但是有趣的是推测这种机制是否可能与微生物组组装背后的驱动原理有关。如果特定的群落确实主要是为了组装来填补一组适合栖息地的功能生态位，那么在特定的组装中提供关键的代谢，信号传导，免疫调节或其他作用的物种可能比功能外围的物种在时间上更稳定。
因此，动力学与微生物组的分类学多样性和巨大的分子功能潜力之间的耦合，提醒了人类微生物组的复杂性，因此也难以定义简单的微生物健康概念。
植物和人类微生物群是相互关联的。
健康土壤，健康植物与健康肠道微生物
人类的肠道微生物群和植物的土壤和根茎微生物群在相似的环境条件下存在
Heribert Hirt, EMBO Reports (2020)
最近的研究表明，根部和肠道微生物群落的存在条件相似。
两者都是开放系统，其特征在于氧气，水和pH的梯度会产生多种不同的生态位。
两种系统都从环境中继承其微生物物种：分别是人类的食物和植物的土壤。植物和肠道系统由大量相似的细菌门组成（Firmicutes，Bacteroidetes，Proteobacteria，Actinobacteria）
与人类粪便转移类似，从抑制疾病的土壤中移植有益微生物可以保护植物免受各种疾病的侵害。
对不同的哺乳动物食草动物和食肉动物的研究表明，肠道微生物组从食用原始植物材料中吸收纳入了一些成员。
根与肠微生物合成必需的氨基酸，维生素和许多其他调节其宿主免疫系统的次生代谢产物。
因此，植物和肠微生物群可以被视为对宿主健康至关重要的代谢器官。
植物微生物群对人体肠道微生物群的直接和间接影响
Heribert Hirt, EMBO Reports (2020)
饮食与微生物组
西方饮食中肉类消费量增加，蛋白质的高输入也极大地影响了肠道微生物组，某些微生物会抑制有益菌并改变我们的饮食习惯，以偏爱更不健康的食物。
人类少数必需化合物是由微生物产生的，微生物本身是必需氨基酸和维生素的重要生产者。例如，钴胺素（维生素B12）不能由植物或动物产生；它是由植物微生物群或反刍动物肠道中的微生物合成的。
土壤、气候对菌群的影响
土壤侵蚀和气候变化也影响微生物多样性，并导致大面积耕地及其微生物群的损失。因此，今天的作物缺乏许多重要的共生菌来生产或增加维生素、矿物质、抗氧化剂和其他对植物和人类健康有益的代谢物。
农药对菌群的影响
大量研究表明许多常用农药对人体健康的负面影响。例如，大多数铜基杀真菌剂对固氮细菌具有有害作用。
许多新鲜水果，蔬菜长期保存和运输用到农药，这些化学物质不仅会通过食物进入人体肠道，还会杀死植物微生物。
除草剂——草甘膦杀灭杂草，确保作物高产。然而草甘膦对人类的急性毒性较低，但草甘膦对于人类而言是潜在的致癌物质。草甘膦对土壤、植物和肠道有益微生物的抑制浓度远低于致病微生物。就人体肠道微生物组而言，对有益菌双歧杆菌（Bifidobacterium sp.）以及肠球菌属的抑制作用比致病菌梭状芽孢杆菌和沙门氏菌的抑制作用大。
农业抗生素影响微生物组
农业使用的抗生素大约是人类医学的四倍。
在农场中滥用抗生素来促进牲畜的生长，这极大地促进了耐药细菌的出现；
动物排出的抗生素会改变微生物的功能和土壤，水道及其他生物群落的组成；
食用抗生素处理过的动物的肥料施肥的田地上的新鲜农产品的消费可以将抗性基因传播到人类肠道微生物组，并进一步出现具有多重耐药性的人类病原体。
人体胃肠道微生物组对于维持人体健康至关重要。鉴于健康个体中微生物群落结构的复杂性和多样性，目前可能难以界定基线“健康”微生物群的特征属性。随着人类微生物组研究取得了技术进步，需要利用大样本人群来确定这个边界以及哪些关键因素会影响和塑造肠道微生物。重要的是更好地了解数万种不同微生物物种在与宿主之间的复杂相互作用网络中的功能和作用。
此外，减少肥料，杀虫剂和除草剂的使用量提供健康的绿色食品有助于人类建立和维持健康的肠道微生物组。因此，有关微生物群落对宿主代谢和健康的整体作用的研究不应仅仅停留在人体肠道微生物组上，而应扩展到植物的微生物群及其在植物生长发育中的功能。
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