高分综述丨CHEM REV(IF:62): 微生物组与人类健康: 当前的理解、工程和支持技术(上)

编译：微科盟蔚蓝，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读

人体微生物组由栖息在人体不同解剖位置的动态微生物群落组成。微生物组与宿主的共同进化导致这些群落在促进人类健康方面发挥着深远的作用。因此，人体微生物组的紊乱会导致或加剧多种疾病。本篇综述介绍了目前对人类健康与疾病发展之间关系的理解，重点关注消化、呼吸、泌尿、生殖系统以及皮肤中发现的微生物组。本文还进一步讨论了可以调节人体微生物组的组成和功能进而对宿主发挥治疗作用的多种策略。最后，还研究了多组学方法和微生物细胞重编程等技术，这些技术可以使微生物组研究和工程取得重大进展。  

图文摘要

论文ID

原名：Microbiome and Human Health: Current Understanding, Engineering, and Enabling Technologies

译名：微生物组与人类健康：当前的理解、工程和支持技术

期刊：Chemical Reviews

IF：62.1

发表时间：2022.11

通讯作者：Matthew Wook Chang

通讯作者单位：新加坡国立大学

DOI号：10.1021/acs.chemrev.2c00431

综述目录

1 前言

2 人体微生物组

2.1 影响人体微生物组的因素

2.2 人体不同部位的微生物群及其与健康/疾病的关系

3 设计用于治疗应用的微生物组的策略

3.1 改变微生物组的种群动态

3.2 改变微生物组的功能

3.3 天然和合成的微生物菌群

3.4 微生物组工程当前面临的挑战和局限性

4 微生物组研究和工程的支持技术

4.1 功能组学方法

4.2 合成生物学和微生物的细胞重编程

4.3 底盘工程

5 挑战和限制

主要内容

1前言

随着生物全基因组测序技术的进步，我们从微生物中获得了指数级的基因组测序信息。已对超过13万个完整或接近完整的细菌基因组进行了测序。与此同时，有超过2万个宏基因组项目公开可用，并且已产生了许多TB级的测序数据。关于微生物基因组结构信息的这种惊人扩展为我们对微生物系统知识的真正革命性进步奠定了基础。现已能够在系统水平上理解生物分子(包括基因和蛋白质)的相互作用网络，并且基于这种理解，我们可以有效地设计出执行所需功能的复杂生物系统。这种技术进步以及其他关键技术(如基因合成)的发展，促成了新的跨学科研究领域——合成生物学的诞生。 然而，自然界中的微生物很少单独存在，它们总是形成一个微生物群落，每个微生物群落占据一个特定的生态位。此外，它们的栖息地涵盖了广泛的非生物和生物环境。通过与人体的长期进化共存，这个微生物群落(称为微生物组)在其宿主的代谢、免疫发育和行为反应等生理功能中发挥了深远的作用。由于微生物群落与活体宿主之间错综复杂的关系，一个微生物群落的破坏往往会导致另一个群落的破坏。即可以在宿主的一系列疾病状态中(从代谢到免疫和情绪障碍)观察到一种紊乱的微生物组(称为生态失调)。近年来，人类微生物组及其与不同疾病关联的研究显著增加。人类相关微生物群落与疾病发展之间关系的重要性日渐明显，人们对工程微生物组的兴趣也日益浓厚，以重塑和重新编程肠道微生物组的组成和功能，作为一种新的治疗方式。 一般来说，调节微生物组的功能或实施“微生物组工程”可以通过改变肠道微生物组成或其代谢组功能来实现。据报道，这种改变主要是通过提供特定的微生物(或微生物群)、益生元或生物活性代谢物来诱导微生物组组成和功能的变化，以纠正被破坏的代谢功能。此外，工程益生菌或合成菌群可用于提供更合理和精确的治疗干预。自早期将工程益生菌用于此类干预措施以来，已经确定并开发了各种基因工具用于更精确和复杂地执行治疗活动。 本综述旨在全面了解微生物组-宿主关系对人类健康的影响。此外，本综述旨在提供一份非详尽的研究列表，涵盖操纵人类微生物组以预防或治疗人类疾病，特别关注多组学方法和微生物的细胞重编程，以实现深入的微生物组研究和强大的微生物组工程。

2人体微生物组

过去几十年间微生物组研究发展迅速，现已成为科学和公众非常感兴趣的话题。从历史上看，微生物组研究领域源于环境微生物组研究，后来演变为将真核生物视为与微生物群落不可分割的一部分，并与它们共享空间。毕竟，人体是一个生态系统，其中有数以万亿计的微生物与宿主共存。因此科学术语“微生物组”是指居住在几乎所有人体部位的所有微生物的基因集。微生物组被认为是与宿主具有共生关系的第二基因组。这种关系可能是积极或有益的、消极或致病的、或中性的；因此，微生物组相互作用在人类健康中发挥着关键作用。复杂而多样化的微生物组作为宿主基因组的功能扩展而运作，估计有50至100倍以上的基因。这些额外的基因通过产生各种类型的蛋白酶、影响产生的代谢物，从而影响宿主代谢来调控宿主生理学。 多年来，研究者并未研究某一特定微生物与其宿主之间的关系，而是采用了基于共生功能体理论的整体方法。宿主及其微生物组的有益相互作用负责维持宿主的健康，而疾病的发展通常与微生物生态失调或微生物群的变化有关。因此，病原体仅占微生物的一小部分，微生物组的改变促进了病原体的出现和爆发。绝大多数微生物对于生态系统功能以及与其他微生物的有益相互作用至关重要，有助于种群动态和功能活动。因此，机会致病菌表明宿主与微生物的相互作用不仅取决于宿主，还取决于整个微生物组。 微生物群包括组成微生物组的所有活成员，包括细菌、古菌、真菌、藻类和小型原生生物。微生物组的成员还扩展到病毒、噬菌体和移动遗传元件，这是微生物组定义中最具争议的内容之一。然而，微生物组已被进一步定义为不仅涉及微生物群落，还涉及微生物产生的整个分子谱，包括其结构元件、代谢物和共存宿主产生的分子。 一般而言，不同解剖部位的微生物组成不同，并且微生物组的组成也因个体而异，是高度个性化的。健康微生物群的确切定义尚未确定，但研究表明使用益生菌、益生元和合生元是有益的，其可维持健康的人体菌群，或通过改变微生物组使其向健康的微生物生态系统发展。 因此，定义核心微生物群至关重要，因为它有助于区分受特定环境条件影响的间歇性或暂时性微生物组。核心微生物群是与特定宿主基因型或特定环境持续相关的微生物群落，而瞬时微生物群则随时间变化。通过识别这些差异，可以应用适当的实验、方法和统计设计来完善微生物组研究中用于治疗应用的方法。

2.1影响人体微生物组的因素

微生物的生存环境取决于它们的最佳生长条件。可在人体的外部、内部以及入口部位找到这些微生物。容纳微生物的外部部位包括皮肤、眼睛，甚至指甲下的暴露部位。微生物的入口包括呼吸道(口、鼻)、胃肠道(口腔)、泌尿生殖道和皮肤表面的伤口。同时，被微生物占据的身体内部部位包括肺、肠道、膀胱、肾脏和阴道。 微生物倾向于在适宜环境中茁壮成长。因此，预计这些微生物具有适应人类微生物组条件的机制，类似于它们首选的自然环境。温度、pH值、氧浓度、压力、渗透压和营养来源等环境因素有助于身体不同部位微生物的多样性和丰度。例如，人体体温最适合容纳许多不同类型的微生物。其他因素，如皮脂等营养来源的存在会改变皮肤的pH值，也会作为碳源，促进某些微生物群的生长。有趣的是，覆盖肠上皮的致密黏液层不仅可作为微生物的碳源，而且还为细菌粘附提供了附着位点。 人类微生物群的丰度和多样性取决于内在和外在因素。内在因素包括身体环境的性质，如前所述，因为栖息地的生理条件有利于某些微生物的生长。影响微生物组组成的其他内在因素包括遗传、种族、性别和年龄。一旦微生物适应了环境，人体微生物组通常是稳定并具有抵抗力的。除了可能导致微生物组随时间变化的内在因素外，饮食、生活方式、药物、地理位置、气候和季节等外在因素也可能导致微生物群落发生变化。此外，分娩时的分娩方式已被证明会影响微生物组。例如，经阴道分娩与剖腹产分娩的新生儿具有不同的优势肠道微生物组。但在3岁时，肠道微生物组会发生类似于成人肠道微生物组的变化。当年龄大于70岁时，肠道消化食物和吸收营养的能力发生变化，影响肠道微生物组的组成。老年人免疫活性的降低也有助于整体微生物组的变化，因为他们更容易受到病原体的影响，从而影响核心微生物组。由于双歧杆菌(Bifidobacterium)刺激免疫系统和代谢过程，老年人体内双歧杆菌的减少可能导致营养不良和全身低水平炎症状态。总之，人类微生物组在最佳生长条件下增殖，这取决于身体的自然环境。身体的自然环境发生变化会导致微生物组成和多样性发生变化，以适应不断变化的环境，从而可能导致疾病。

2.2人体不同部位的微生物群及其与健康/疾病的关系

2.2.1消化系统

2.2.1.1口腔

人类口腔居住着最多样化的微生物群之一，包括细菌、真菌、病毒和原生动物等。口腔中有两个区域被微生物定植，即假牙或牙齿的坚硬表面以及口腔粘膜的软组织。口腔的主要细菌属包括Streptococcus、Granulicatella、Gemella、Actinomyces、Corynebacterium、Rothia、Veillonella、Fusobacterium、Prevotella、Porphyromonas、Capnocytophaga、Neisseria、Haemophilus、Treponema、Eikenella、Leptotrichia、Lactobacillus、Peptostreptococcus、Staphylococcus、Eubacterium和Propionibacterium。同时，优势真菌属包括Candida、Cladosporium、Saccharomyces、Fusarium、Aspergillus和Cryptococcus。与疾病相关的病毒(如流行性腮腺炎、狂犬病和人乳头瘤病毒)，以及原生动物(如口腔毛滴虫Trichomonas tenax和Entamoeba gingivalis)也存在于口腔中。 口腔是人体的主要入口，居住在该区域的微生物可能会传播到不同的身体部位并引起疾病。因此，口腔微生物组组成在为人类健康提供免疫力方面起着至关重要的作用。例如，微生物组的硝酸盐代谢将硝酸盐还原为亚硝酸盐。然后亚硝酸盐转化为一氧化氮，一氧化氮具有抗菌作用，对血管健康至关重要。一些口腔微生物，如唾液链球菌(Streptococcus salivarius)菌株K12，通过创造不利环境来防止致病菌定植，从而有助于宿主防御。它产生一种细菌素，抑制与牙周炎疾病相关的革兰氏阴性菌的生长。 最普遍的口腔疾病是龋齿，俗称蛀牙。涉及龋齿的细菌有Streptococcus mutans、Streptococcus sobrinus和Lactobacillus acidophilus。其他物种，如Veillonella、Bifidobacterium、Propionibacterium、Actinomyces、Atopobium和Scardovia也被发现与龋齿有关。当定植在口腔中的产酸细菌与食物中的可发酵碳水化合物相互作用时，就会出现龋齿。当龈上生物膜成熟时，它会产生一个低pH值环境，使牙齿脱矿并最终导致蛀牙。如果口腔卫生不足，某些微生物会产生致病特性，引起牙龈炎。当这种情况通过慢性细菌感染持续存在时，龈下菌斑积聚将使微生物群落从健康状态重新排列为患病状态，影响牙龈并损伤支撑结缔组织和将牙齿固定在颌骨上的骨骼。 口腔微生物组被认为是全身健康的重要参与者，口腔微生物组的破坏可能导致多种慢性疾病，如心内膜炎、骨质疏松症和类风湿性关节炎。还发现口腔健康在肥胖、糖尿病、癌症和神经精神疾病(NPDs)等非传染性疾病(NCDs)的发生和发展中发挥作用。因此，有人提出口腔微生物组可用于评估某些疾病的风险。与广泛研究的肠道微生物组类似，口腔微生物组研究正在转向对其功能和与人体相互作用的整体、系统级的理解。未来的研究可能会阐明口腔微生物组如何恢复到健康状态。

2.2.1.2胃

胃以前被认为是无菌器官，因为它对细菌不友好。这些因素包括其酸性环境、胆汁酸反流、粘液层的厚度以及口腔中存在的乳酸杆菌将食物转化为亚硝酸盐，然后转化为具有抗菌活性的一氧化氮。然而，缺乏简单可靠的诊断测试阻碍了对胃微生物组的研究。随着1982年Barry Marshall和Robin Warren发现幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)，这一观点被推翻了。在正常情况下，胃粘膜中最具代表性的门是变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和梭杆菌门。胃液中具有与胃粘膜不同的多种微生物群落。胃液中的优势细菌门是厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门，而变形菌门和厚壁菌门在胃粘膜中占优势。此外，在口腔和十二指肠中发现的细菌，如Veillonella、Lactobacillus和Clostridium可以短暂地在胃中定植。 幽门螺杆菌是幽门螺杆菌感染患者胃中的主要细菌，大多数H. pylori菌株可以调节胃内环境，从而改变常驻微生物的栖息地。此外胃微生物群落的改变会增加胃癌的患病风险。也有报道称，根除H. pylori增加了胃中的微生物多样性。尽管幽门螺杆菌与胃中共生细菌之间的相互作用尚不清楚，但现已发现其对健康胃微生物组的直接影响，这可能会为调节胃微生物组以防止严重疾病的发展提供一些线索。

2.2.1.3肠道

肠道是最密集、最多样化的定植器官，细菌与宿主细胞的比例为1:1。绝大多数共生细菌存在于结肠中，而少量细菌存在于胃和小肠中。肠道中存在的主要细菌门是厚壁菌门和拟杆菌门，占肠道微生物群的90%。其他存在于肠道环境中的菌门是放线菌门、变形菌门、梭杆菌门和疣微菌门。值得注意的是，厚壁菌门有200个不同的属，其中包括芽孢杆菌属(Bacillus)、乳杆菌属、肠球菌属(Enterococcus)、梭菌属(Clostridium)和瘤胃球菌属(Ruminococcus)。虽然乳杆菌对健康有益，但一些厚壁菌门物种在过度生长时对身体有害，如金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)和产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)。同时，拟杆菌门的优势属是拟杆菌属和普雷沃氏菌属。丰度较低的放线菌门主要以双歧杆菌为代表，已知该属对健康有积极影响。变形菌门中一些众所周知的病原体包括Enterobacter、Helicobacter、Shigella、Salmonella和Escherichia coli。

肠道菌群组成在生命的三个阶段发生变化：从出生到断奶；从断奶到获得正常饮食；在老年时期。出生时兼性厌氧菌首先在肠道定植，这些细菌在2周内创造厌氧条件促进专性厌氧菌的生长，从双歧杆菌和拟杆菌属开始。自然分娩的婴儿在出生时接种母亲的阴道和粪便微生物群，而剖腹产出生的婴儿最初暴露于皮肤微生物群以及环境微生物组。出生后第3天，自然分娩的婴儿比剖腹产婴儿具有更高丰度和更多种类的双歧杆菌。此外，观察到断奶前纯母乳喂养的婴儿通常具有更稳定细菌群落，细菌群落的多样性较低，双歧杆菌的比例高于配方奶喂养的婴儿。在引入固体食物后，他们的肠道微生物组变得多样化，厚壁菌门的丰度增加。母乳喂养和配方奶粉喂养的婴儿在大约18个月大时，微生物组难以区分。到3岁时，他们的微生物组类似于成年人的微生物组。据报道，老年人的微生物群多样性下降，双歧杆菌的数量减少且肠杆菌增加。同样，拟杆菌门丰度增加，而厚壁菌门的丰度在老年人(>65岁)中减少。

除年龄外，肠道微生物组组成也受到不同解剖位置环境的影响。大肠蠕动缓慢，pH值范围从弱酸性到中性。迄今为止，它包括了以专性厌氧菌为主的最大微生物群落。大肠包含微生物所定植的多种微环境。在健康状态下，上皮表面和内粘蛋白层的定植菌很少，而弥漫性粘蛋白层具有特异的定植菌，例如Akkermansia muciniphila。肠腔的液相包括多种微生物和特异性的主要定植菌，如瘤胃球菌，具体取决于肠道内发现的膳食纤维。鉴于在消化中小肠的运输时间相当短，仅为3-5小时，具有抗菌活性的高浓度胆汁的存在使微生物在小肠中的定植存在挑战性。分子分析表明，空肠和回肠主要为兼性厌氧菌，包括变形菌门、拟杆菌门以及链球菌、乳杆菌和肠球菌。

肠道细菌对调节胃肠道消化至关重要。共生菌在处理营养物质和代谢物，如短链脂肪酸(SCFA)、胆汁酸、氨基酸等方面起着关键作用。借此，其中一些细菌促进了宿主能量吸收和代谢效率。其中一些成员还通过维持肠上皮的完整性，对致病菌起重要的免疫作用，防止细菌入侵。尽管微生物组的组成在代谢中起着关键作用，但群落的代谢输出也取决于微生物群的底物可用性或当饮食等外在因素影响肠道微生物组时。微生物合成的代谢物可能介导代谢、免疫和神经内分泌系统之间的相互作用，从而控制宿主健康。

除了调节消化外，优势非致病性肠道微生物占据特定的生态位，抑制致病性定植和生长。但当肠道微生物组的平衡受到干扰时，肠道通透性会增加。这种通透性的变化允许条件致病菌入侵并定植于空生态位，从而改变肠道环境。这可能导致产生对宿主有潜在危害的失调代谢物，从而导致一系列疾病。肠道通透性增加还使得微生物衍生产物(如代谢物、毒力因子和其他肠道成分)进入，破坏肠道微生物组的正常功能，并导致异常的免疫炎症反应，如炎症、过敏和由分子模拟和T细胞反应失调介导的自身免疫性疾病。 有时，条件致病菌源于微生物组的常驻部位，当肠道微生物组的健康非疾病状态受到干扰时，就会发生这种情况，导致对致病微生物的定植抗性失效。例如艰难梭菌(Clostridium difficile)，它存在于正常的肠道微生物群中，但当健康非疾病微生物组状态被破坏时，它将产生致病性。艰难梭菌可破坏细胞骨架和结肠上皮屏障完整性，诱导异常炎症反应和细胞死亡。艰难梭菌感染(CDI)的相关症状包括腹泻、假膜性结肠炎、脓毒症和死亡。有研究者提出，健康非疾病状态下的优势肠道微生物群通过防止艰难梭菌的过度生长来保护宿主，因为与其他病原体(如沙门氏菌)相比，它通常与抗生素相关性腹泻有关。 另一种常见的肠道微生物组相关疾病是炎症性肠病(IBD)。它是一组特发性、慢性和复发性胃肠道炎症，有两种常见形式：溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)。在CD中，炎症可发生在整个胃肠道的任何位置。而UC中炎症仅限于大肠。这两种疾病都与反复发烧、腹泻和腹痛相关。这表明肠道菌群失调可能导致IBD发病。其中一个例子是厚壁菌门的丰度降低，例如Faecalibacterium prausnitzii和Roseburia spp.。这些是产生丁酸盐的细菌，而丁酸盐是结肠细胞的主要能量底物。厚壁菌门的减少可能通过减少抗炎细胞因子来增强局部炎症。因此，F. prausnitzii已被开发为一种益生菌用于治疗用途。 除IBD外，其他与肠道菌群失调相关的肠道疾病包括肠易激综合征(IBS)、乳糜泻和结直肠癌(CRC)。一项对IBS患者粪便样本的研究显示，乳杆菌的丰度较健康对照组显著降低。其他研究表明，与健康个体相比，IBS患者的厚壁菌门与拟杆菌门比例增加。部分厚壁菌门细菌(乳杆菌和粪杆菌)以及放线菌门细菌(双歧杆菌和Collinsella)也有所减少。在IBS患者中，一些厚壁菌门菌科(Veillonella、Streptococci和Ruminococcus spp.)和变形菌门(肠杆菌科)的丰度增加。这些发现表明，IBS患者存在与上皮屏障功能相关的微生物缺失。尽管许多疾病被认为与微生物组相关，但部分研究也提出了基于微生物活动的疾病致病因素。有了这些信息，就可以进一步取得治疗学的进展。 其他生活在肠道中的微生物是病毒和噬菌体，它们构成了肠道微生物群的绝大多数病毒成分。在肠道微生物组中也发现了优势古菌物种，如Methanosphaera stadtmanae和Methanobrevibacter smithii。肠道的纵向研究表明，个体微生物群的特定种类非常稳定，可维持一年或更长时间。在整个生命周期中，人类肠道微生物组的特定群落受个体间和个体内变异的影响。影响微生物组变化的因素包括肠道解剖部位、分娩方式、喂奶方式、断奶时间、年龄、饮食和抗生素治疗。不同解剖区域的肠道环境在生理、食糜流速、底物可用性、宿主分泌物、pH 值和氧含量方面存在差异。

2.2.2呼吸系统(鼻腔、气道和肺)

2.2.2.1鼻腔

鼻腔是与外部环境的重要接合区域。在吸入过程中，气道暴露于包括微生物、污染物、空气过敏原等的环境中。鼻腔中存在各种潜在致病和无害细菌，这种多样性可能是由温度和湿度等局部因素造成的。在呼吸道中的位置也可能有助于鼻腔微生物组的多样性。例如，与中鼻道和蝶筛隐窝相比，前鼻道的微生物组生物多样性水平较低。前鼻道被覆角化鳞状上皮和皮脂腺，产生皮脂并可能影响细菌多样性。然而最近的一项研究未发现健康个体的中鼻道、下鼻甲和前鼻道之间的细菌多样性有任何显著差异，因此，可能需要进一步研究以获得可比信息。 健康成人前鼻道的微生物组由三个门主导：放线菌门、厚壁菌门和变形菌门。进一步分为四个不同的菌属：Staphylococcus、Propionibacterium、Corynebacterium或Moraxella。中鼻道含有高丰度的金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)和痤疮丙酸杆菌(Propionibacterium acnes)。处于非健康疾病状态的鼻腔微生物组尚未得到很好的表征，需进一步研究。到目前为止，金黄色葡萄球菌已被确定为一种可能在慢性鼻窦炎(CRS)发展中起作用的细菌物种。金黄色葡萄球菌在鼻腔和鼻窦中的定植可能与CRS中鼻息肉的存在或疾病严重程度有关。与没有鼻息肉的受试者相比，有鼻息肉的CRS受试者中金黄色葡萄球菌丰度增加。有了这些初步信息，鼻腔微生物群与CRS的临床相关性以及金黄色葡萄球菌在CRS发展中的功能作用有待进一步研究。

2.2.2.2咽、喉和气管

长期以来，人们一直认为呼吸道是无菌的，这主要是因为从呼吸道培养细菌很困难。但来自环境的微生物可能首先进入上呼吸道(咽和喉)，然后通过口腔或鼻腔进入下呼吸道(气管)。因此，与下呼吸道相比，上呼吸道的细菌丰度更高。鉴于目前样本采集的便利性，未来的研究可以进一步探索呼吸道微生物组，以在健康个体中获得一致的微生物组。然而，研究表明，与轻度哮喘患者相比，健康个体的变形菌门丰度较低。咽喉部定植肺炎链球菌、流感嗜血杆菌或Moraxella catarrhalis的无症状新生儿在生命早期复发性喘息和哮喘的风险增加。这些细菌与哮喘和慢性阻塞性肺病(COPD)的恶化有关。迄今为止，对呼吸道微生物组的研究仍然有限，还需要进一步研究。

2.2.2.3肺

许多教科书中普遍认为肺部通常是无菌的。然而，在呼吸过程中肺部不断暴露于各种环境微生物。过去不适宜的培养条件导致呼吸道标本中未培养出细菌，这支持了健康肺部没有细菌这一错误观点。获取临床样本所涉及的侵入性操作也导致了系统性肺部微生物组研究的延迟。虽然研究细菌群落最常用的方法是16S rRNA基因扩增子测序，但当生物量低的细菌无法掩盖任何潜在的污染物时，这种方法会带来技术上的挑战。健康的肺部含有高度多样化的界间细菌群落，包括普雷沃氏菌属、韦荣球菌属、链球菌属、嗜血杆菌属、奈瑟菌属和棒状杆菌属。除此之外，许多病毒(如腺病毒、鼻病毒、流感、EB病毒和麻疹等)以及真菌(曲霉属、白色念珠菌、Candida immitis、Candida neoformans等)也与呼吸道有关。 与健康对照组相比，每种肺部疾病中肺部微生物组的组成都发生了变化。目前尚不清楚肺微生物组的改变是否推动了肺部疾病的进展，或其是否是肺部生长环境改变的继发性后果。在某些疾病状态下，气道壁通透性和粘液产生增加给稀疏的肺部环境带来了营养供应。粘液使温度升高和氧张力降低，选择性地有利于疾病相关微生物的生长。在免疫原性增强的情况下，气道和肺泡暴露于病原体相关分子模式和微生物代谢物，从而引发进一步的炎症，这反过来又进一步改变气道状况。肺泡内儿茶酚胺和炎性细胞因子的产生促进特定细菌物种的生长，例如铜绿假单胞菌、肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌和Burkholderia cepacia，而炎症细胞的募集和活化则以不同的、物种特异性的有效性杀死和清除细菌。 有人认为呼吸系统恶化是呼吸系统微生态失调的急性事件，即呼吸生态系统的紊乱和失调伴随宿主免疫反应失调，可对宿主产生负面影响。一项研究发现，病情加重时患者气道中的细菌群落从拟杆菌门(健康受试者中最丰富的门)转变为变形菌门和其他疾病相关细菌。炎症状态会引发一系列炎症反应，从而加剧生态失调-炎症循环，而只有在正反馈回路断开后，体内平衡才能恢复。

2.2.3皮肤

皮肤是人体最大、暴露最多的器官。尽管与环境有很多短暂的相互作用，但皮肤微生物群的组成仍然维持稳定。皮肤微生物组的多样性和相对丰度因个体和皮肤部位的生理状况而异。一般来说，微生物群落分为三大类：油性、湿性和干性。在某些情况下，“脚”独立于三大类，因为它具有独特的微生物特征，且与地面长期接触使其具有不稳定的微生物群落。 这些特征为皮肤容纳许多共生细菌、真菌、病毒、古菌和螨虫创造了许多可能性。它们以不同的组成和密度存在于不同的皮肤部位，这些微生物被定义为皮肤微生物组。

微生物的组成和丰度取决于皮肤部位的生理状况。健康成年人富含皮脂的部位以亲脂性Cutibacterium为主，而葡萄球菌和棒状杆菌等细菌在潮湿的的部位(如腋窝、肘部和脚)大量繁殖。与细菌相反，真菌群落不受皮肤生理状况的影响。因此，身体和手臂部位的主要真菌是Malassezia，而脚部皮肤则由Malassezia spp.、Aspergillus spp.、Cryptococcus spp.、Rhodotorulaspp.、Epicoccum spp.等多种真菌群落定植。在皮肤上细菌比真菌更丰富；但由于真菌参考基因组较细菌少，这可能部分导致丰度的差异。与细菌和真菌不同，真核病毒的定植与解剖部位无关。目前，关于皮肤病毒组与宿主和噬菌体相互作用的研究有限，将受益于未来的研究。例如，一项研究表明真核病毒可能导致一种罕见但侵袭性的皮肤癌。相比之下，在皮脂丰富的部位发现的细菌和真菌群落最为稳定，而足部发现的细菌和真菌群落最不稳定。这种不稳定性可能是由于环境中真菌的短暂存在。另一方面，真核DNA病毒随着时间的推移产生的变化最大。 与营养丰富的肠道环境相比，皮肤的营养物质相对较少，其可用资源包括汗液、皮脂和角质层。这促进了痤疮丙酸杆菌在缺氧皮脂腺中茁壮成长。这种兼性厌氧菌还利用蛋白酶从皮肤蛋白质中获取氨基酸，并利用脂肪酶降解甘油三酯，回收游离脂肪酸，促进细菌粘附。在面部样本中，丙酸杆菌的丰度与脸颊皮脂水平呈正相关。有趣的是，马拉色菌和棒状杆菌等营养缺陷型物种利用皮脂和角质层中的脂质，因为它们无法自己产生脂质进而发挥功能。因此，这可能是马拉色菌在成人皮肤真菌菌群中占优势的原因之一。同样，葡萄球菌也具有在皮肤上生存的策略，包括耐盐性以及利用汗液中的尿素作为氮源。葡萄球菌还产生蛋白酶，从角质层中获取营养物质，并促进皮肤粘附。 与年龄与肠道微生物组的关联类似，皮肤微生物组也受年龄的显著影响。青春期激素水平的增加会刺激皮脂腺产生更多的皮脂，导致青春期后个体的皮肤有利于亲脂性微生物的生长，例如丙酸杆菌、棒状杆菌和真菌马拉色菌。另一方面，青春期前儿童具有更高丰度的厚壁菌门(链球菌科的某些种)、拟杆菌门和变形菌门(β-和γ-变形菌)以及更多样化的真菌群落。这反映了年龄与皮肤微生物组之间的联系，因此，这与不同年龄患某些疾病的倾向有关。例如，青春期前的儿童中，与葡萄球菌相关的特应性皮炎病例有所下降，而与儿童相比，与马拉色菌相关的花斑癣在成人中更为突出。

皮肤上的常驻微生物成员相互作用以防止病原体定植。但在某些情况下，原本有益的细菌可能会表现出与微生物群变化相关的致病性，也称为生态失调。例如P. acnes是健康成年人皮肤中最丰富的微生物，与青少年常见的寻常痤疮有关。尽管P. acnes几乎存在于所有成年人中，但只有少数人有痤疮问题，这表明基因表达谱在功能水平上存在差异，皮肤的生理机能(如皮脂产生水平及其分泌速率)与临床症状的严重程度相关。此外，毛囊中P. acnes的存在及其生物膜的形成与痤疮的发展有关。 金黄色葡萄球菌通常从患有特应性皮炎(AD，也称为湿疹患者)的个体皮肤中培养出来。有部分因素支持皮肤微生物组在疾病发病机制中起重要作用的假设。与健康或AD恢复后相比，AD发病时微生物组多样性下降，金黄色葡萄球菌的丰度急剧增加。此外，葡萄球菌的相对丰度与AD发病的严重程度密切相关。尽管已知在活动性疾病恶化期间金黄色葡萄球菌与AD的相关性，但葡萄球菌在驱动疾病状态中的功能作用仍然知之甚少。目前尚不清楚金黄色葡萄球菌是否导致生态失调进而引起疾病发生，或者微生物群落的变化是否是疾病状态的结果。

2.2.4泌尿系统

传统观念中膀胱被认为是无菌的，因为在膀胱中发现的任何细菌都被认为是致病菌。然而，随着人体内非致病微生物存在的发现，这一观念已被废除。由于采样和DNA测序技术的进步，已在尿道中发现了共生微生物。但对泌尿道微生物组或尿微生物组的研究仍然有限且研究不足。一般而言，尿液中微生物组的丰度和多样性比肠道低约106-107倍。尿微生物组的检测仍然受到所用采样方法的限制。例如，一些膀胱粘膜相关细菌无法在尿液样本中检测到，需要使用侵入性方法。男性和女性的尿微生物组相似，发现的大多数细菌属于厚壁菌门。在尿微生物组中发现的其他细菌门是放线菌门、拟杆菌门和变形菌门。两性的常见细菌属是Escherichia、Enterococcus、Prevotella、Streptococcus和Citrobacter。假单胞菌属仅在男性中检测到，而男性中棒状杆菌属和链球菌属比女性更丰富。另一方面，女性乳杆菌属的丰度高于男性。尽管乳杆菌属通常被称为益生菌，但某些物种与某些疾病有关。例如，Lactobacillus gasseri与急迫性尿失禁(UUI)有关。此外，乳杆菌属丰度的减少促进了引起疾病的尿路病原体的定植。在女性尿微生物组中，Gardnerella的丰度仅次于乳杆菌。最丰富的物种是Gardnerella vaginalis，它有一些致病菌株可导致女性尿路感染(UTIs)，而在男性中相对较少。一般来说，在女性尿微生物组中发现的优势属是Atopobium、Citrobacter、Enterococcus、Escherichia、Gardnerella、Lactobacillus、Prevotella、Shigella、Sneathia和Streptococcus，健康女性特有的优势物种是Lactobacillus crispatus、Gardnerella vaginalis和Atopobium vaginae。然而，与女性相比，关于男性尿微生物组的报道要少得多，并且小样本量可能会阻碍对两种人群尿微生物组差异的识别。在健康男性中Staphylococcus haemolyticus较丰富。   人体部位的解剖接近性和生理学影响微生物群落及其丰度。与男性不同，女性生殖器官开口和尿道之间的距离更近。因此，阴道可能是泌尿道微生物群落的主要来源。在两项研究中报告了阴道和尿液样本中都存在一种常见的泌尿生殖微生物群。但也观察到一些差异，例如尿液微生物组中存在Tepidimonas和Flavobacterium，而这两者在阴道微生物组中不存在。其他泌尿系统微生物组(如泌尿系统真菌群落)尚未得到很好的表征，尽管健康个体中报告了念珠菌的存在。迄今为止，只有一种古菌(Methanobrevibacter smithii)被报道与泌尿系统感染有关。此外还检测到泌尿病毒组，包括溶解性噬菌体。 尿路感染是人类最常见的细菌感染之一，尤其是在女性中。尿路感染通常与大肠杆菌有关，但在肠道微生物群中也发现了其他共生成员，例如肠球菌和葡萄球菌。有趣的是，肠道中这些属的丰度增加似乎与UTI患病率增加存在相关性。大肠杆菌也是共生泌尿微生物组的一部分，已在健康个体中检测到大肠杆菌。然而，在UTI患者与健康个体中发现的分离株的运动基因存在一些差异。此外，大肠杆菌与肠球菌一起分离时具有更强的致病性，而这种合并感染的潜在机制尚不清楚。 阴道微生物群也可能影响宿主对UTI的易感性。例如，如果通过使用益生菌(尤其是Lactobacillus crispatus)改变患复发性UTI的女性的阴道微生物组，就会产生耐药性。此外，由厌氧菌(如Gardnerella vaginalis)过度生长引起的细菌性阴道病的女性比主要由乳杆菌组成的微生物组的女性更易患尿路感染。研究表明，暂时暴露于某些Gardnerella vaginalis菌株会触发膀胱中休眠细胞内储库中大肠杆菌的激活，通过诱导膀胱上皮细胞凋亡和白细胞介素1受体介导的损伤来增加发生复发性UTI的机会。这些结果扩展了UTI发病机制的经典概念，表明该疾病可能是由尿路偶然暴露于传统上认为具有泌尿致病性的肠道或阴道相关细菌引起的。

2.2.5生殖系统

2.2.5.1阴道

人类阴道微生物组与其他身体部位不同，因为它由单一的细菌属乳杆菌属主导。由于乳杆菌降低阴道pH值，可抑制许多病原体的生长，并对宿主上皮产生有益影响，调节免疫系统。据报道，北美约25%的女性阴道微生物组不以乳杆菌属为主。相反，其微生物组由均匀的专性和兼性厌氧菌组成，即Gardnerella、Prevotella、Atopobium、Sneathia、Megasphaera和Peptoniphilus属物种。这种阴道微生物组与被诊断为细菌性阴道病(BV)的更高倾向相关，BV是一种由有益和有害细菌失衡引起的细菌感染。因此，流行病学研究表明非乳杆菌主导的微生物组与性传播感染(STIs)和早产风险的增加有关。这也表明非乳杆菌主导的群落可能对不良健康结果的保护作用较弱。 阴道上皮被覆由激素调节的宫颈粘液层。这种粘液由蛋白质、脂质、水和糖蛋白(也称为粘蛋白)组成。据推测，在阴道上皮中粘蛋白具有保护作用，也可能作为阴道微生物组的营养来源。粘蛋白水平在整个月经周期中发生变化，同样在整个周期中糖原水平也在波动。糖原由阴道上皮细胞产生，与其他上皮组织相比，上皮细胞含有高水平的糖原。与粘蛋白类似，糖原也被认为是阴道微生物组的营养来源。阴道生理特征受激素变化的影响。因此，在更年期宫颈粘液和糖原水平下降，阴道的酸性环境也发生变化，这导致阴道微生物组的微环境改变。 阴道微生物群中乳杆菌丰度较低，兼性和专性厌氧菌(如Gardnerella、Prevotella、Atopobium和Sneathia)比例较高，与STIs和人类免疫缺陷病毒等获得性疾病有关。这种阴道微生物组谱也与人乳头瘤病毒的发病率和流行率有关。尽管不断有研究试图建立阴道微生物群与健康之间的联系，但仍然没有足够的信息将偶然机制和途径联系起来。然而，一项使用阴道微生物群移植(VMTs)的探索性研究表明，患复发性细菌性阴道病的女性可长期缓解，这种方法可能在未来被用于深入了解阴道微生物群的调节治疗目的。

2.3小结

本节描述了居住在人体不同部位的庞大而多样的微生物群(表1)如何与人类健康具有高度共同进化的关系。微生物组研究强调了人类微生物群生态系统在促进健康和各种致病过程中的重要性。这也表明微生物组是疾病管理的潜在目标。在下一节中，我们将介绍各种策略，通过这些策略可以调控微生物组的组成和功能以获得治疗效果。随着更多揭示微生物组与健康相关的机制见解的研究，治疗应用可以进一步改进。

表 1. 存在于不同身体部位的优势微生物组及其与疾病的关系。  

3设计用于治疗应用的微生物组的策略

人体微生物组在维持健康方面起着至关重要的作用，因为它可以影响各种疾病的发展。这一认识导致了新的治疗方法的出现，这些方法通过调节宿主微生物组来针对急性和慢性疾病。稳健、广谱和易于使用的合成生物学工具的可用性迅速增加，进一步有助于释放微生物组工程预防和治疗疾病的潜力。 本节介绍了可合理设计人类微生物组的不同方，还讨论了一些证明微生物组工程是靶向疾病和增强人类健康的可行方法的例子。

3.1改变微生物组的种群动态

每个个体的微生物组的组成都是独一无二的，且由于年龄、饮食、宿主遗传和药物等因素而不断波动。然而，通过比较患者和健康对照之间的差异，不同的微生物组特征与特定疾病有关。这些差异可发生在分类学等级的任何水平上，既往的研究显示了门到种水平的关联。如下文所述，已经应用了几种方法来纠正具有不同特异性和量级的微生物组差异。

3.1.1增加微生物组中特定成员的丰度

人类微生物组的低微生物多样性与几种疾病显著相关。然而，在不同人群中观察到的微生物组组成变化可能不同。例如，荷兰和比利时队列显示出拟杆菌门富集与多样性之间存在负相关关系，而在非洲个体中观察到拟杆菌门富集与多样性之间存在正相关关系，强调对健康个体和患者之间微生物组进行人群特异性比较的必要性。微生物组中两个最主要的门，即厚壁菌门/拟杆菌门的比例是代表微生物组多样性的最重要参数之一，至少在肠道中是这样。既往研究显示，与瘦的成年人相比，肥胖的乌克兰成年人体内厚壁菌门/拟杆菌门的比例较高。在对不同人群的32项研究的系统回顾中，在荷兰和日本人群中也观察到了类似的结果，证实了厚壁菌门/拟杆菌门比例与肥胖的正相关关系。与之相反，在炎症性肠病(IBD)患者中观察到厚壁菌门/拟杆菌门比例降低。Manichanh等人报道称，与健康微生物组相比，克罗恩病(CD)患者微生物组中厚壁菌门的比例显著降低。肠道微生物组的改变也与疾病活动性和严重程度有关，活动性溃疡性结肠炎(UC)患者的厚壁菌门丰度低于非活动性疾病患者，且侵袭性CD患者的厚壁菌门数量低于非侵袭性疾病患者。重度抑郁症、双相情感障碍以及慢性疲劳综合症患者肠道中的厚壁菌门(特别是粪杆菌属)也减少。除了厚壁菌门和拟杆菌门外，肠道中其他丰度较低的细菌门(如放线菌门)也与几种疾病有关。双歧杆菌属是放线菌门中最重要的属之一，在乳糜泻、肠易激综合征和阿尔茨海默病中发现的双歧杆菌数量较少。 微生物群多样性的减少与疾病发展之间的相关性不仅限于肠道，在其他解剖部位也观察到了这一相关性。Kong等人证明特应性皮炎患者的皮肤微生物组多样性降低，葡萄球菌属序列富集而放线菌门减少。在肺中，发现微生物多样性的减少和厚壁菌门的丰度与特发性肺纤维化的进展显著相关。在UUI患者中观察到乳杆菌属(女性健康尿液微生物组的主要成员)的减少。

3.1.1.1益生菌补充剂

前面涉及的研究表明，微生物组中特定菌门或属水平的降低与疾病发展和进展显著相关。因此，改造微生物组以纠正这种失衡对于缓解相关疾病和促进健康至关重要。这可以通过外源性补充有益细菌(如益生菌)来实现，益生菌可以重新平衡微生物群。先前已经对此类策略进行了评估，并发现在某些情况下是成功的。 Joung等人研究了高脂饮食肥胖小鼠口服12周L. plantarum K50或L. rhamnosus GG的效果。在干预结束时，接受治疗的小鼠体重和血清甘油三酯水平降低，高密度脂蛋白胆固醇水平升高。在未经治疗的肥胖小鼠中观察到厚壁菌门/拟杆菌门比例较高，与肥胖个体一样，在使用益生菌菌株治疗后，这一比例显著降低。

在另一项研究中，给高脂肪饮食小鼠施用L. rhamnosus GG导致小鼠对瘦素(一种食欲调节激素)的抵抗力逆转，粪便微生物组多样性增加，变形杆门减少。一项对15项临床试验(共957名参与者)的荟萃分析得出结论，与安慰剂组相比，益生菌干预可显著降低体重、脂肪百分比和身体质量指数，但不能显著降低脂肪质量。尽管大多数临床试验没有进行微生物组分析，但Larsen等人报告了肥胖青少年接受L. salivarius Ls-33给药后粪便微生物组组成的变化，即厚壁菌门/拟杆菌门比例显著降低。然而，该研究没有发现人体测量数据和炎症参数有任何变化，使得人类肠道微生物组变化与肥胖之间的相关性仍不明确。 除了常用的乳杆菌和双歧杆菌菌株外，Akkermansia muciniphila在治疗心脏代谢疾病(包括肥胖和糖尿病)方面也有广泛应用。A. muciniphila是人类肠道微生物组中最丰富的物种之一，据报道，在肥胖和糖尿病小鼠以及患有肥胖、2 型糖尿病、高血压和IBD等疾病的人群中A. muciniphila减少。A. muciniphila与心脏代谢疾病之间存在明显的负相关关系，一项纳入了40名超重或肥胖个体的随机、双盲、安慰剂对照研究中评估了补充A. muciniphila在对抗肥胖和糖尿病方面的安全性和有效性。据观察，与安慰剂相比，活菌和经巴氏杀菌的A. muciniphila (1010 CFU/天)在研究期间(3个月)是安全且耐受的，未见不良事件。3个月后，与安慰剂组相比，接受巴氏杀菌A. muciniphila的处理组表现出胰岛素敏感性改善，胆固醇和体重也有所降低。在巴氏杀菌的A. muciniphila组中也观察到肝功能障碍标志物水平的降低，但在活菌组中则没有。两组的肠道微生物组组成均未见变化。

巴氏杀菌提升了A. muciniphila的有益作用，引发了有关该细菌作用机制的有趣问题。一种叫做Amuc_1100的外膜蛋白可部分重现A. muciniphila的有益作用，但仍有必要进一步阐明这一机制。 对于肥胖，评估了IBD管理中益生菌给药的作用。Wang等人的研究表明，将从酸性豆中分离的L. plantarum ZDY2013和婴儿粪便中分离的B. bifidum WBIN03的混合物给药葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的UC小鼠，可导致促炎细胞因子的下调和抗氧化因子的上调。随后，对小鼠粪便样本的微生物组分析显示，未鉴定的厚壁菌门丰度增加，拟杆菌门丰度减少。从健康个体中分离的L. fermentum菌株也对DSS诱导的结肠炎小鼠的先天免疫系统产生类似的影响。L. fermentum KBL374和KBL375的给药导致炎性细胞因子水平降低，抗炎白细胞介素(IL)-10水平升高。L. fermentum给药还通过增加Lactobacillus和Akkermansia的丰度以及减少拟杆菌的数量来重塑小鼠的肠道微生物组。尽管有这些关于益生菌改善小鼠IBD的报道，但多项临床试验结果都令人沮丧。在一项纳入142名无症状UC或CD患者的随机、双盲、安慰剂对照临床试验中，使用多菌株益生菌鸡尾酒疗法治疗后并未显示患者生活质量和其他实验参数的改善，UC患者的粪便钙卫蛋白水平降低是唯一重要的发现。另一项包括56名UC患者的临床试验显示，B. longum 536 给药8周后疾病活动度评分显著降低，但在治疗结束时与安慰剂组相比没有统计学差异。在直肠出血和内窥镜评分方面，益生菌组有所改善，但安慰剂组没有。此外，对UC和CD患者服用益生菌的临床试验的荟萃分析得出结论，益生菌对UC有一定的益处，尤其是在维持缓解方面，但CD患者并未从中获益。这可能是由于治疗时间不足或干预延误所致。 细菌F. prausnitzii属于厚壁菌门，是肠道微生物组的重要成员，占粪便细菌总数的5%。对16项研究(包含1700名CD或UC患者)的荟萃分析证实了F. prausnitzii丰度与IBD之间存在负相关关系。与健康对照相比，CD和UC患者的F. prausnitzii丰度都较低。此外，与处于缓解期的CD和UC患者相比，活动性CD和UC患者的F. prausnitzii减少。体内研究在结肠炎小鼠模型中给予该细菌后疾病严重程度降低，进一步证实了F. prausnitzii的重要性。令人惊讶的是，尚无涉及向IBD患者补充这种细菌的临床试验，这可能是由于F. prausnitzii的极端氧敏感性，即使在厌氧环境中也很难培养。 很少有研究评估IBD患者真菌多样性和病毒组的变化。Sokol等人发现与健康受试者相比，IBD患者的Saccharomyces cerevisiae水平降低，而白色念珠菌水平增加。

Malassezia restricta是一种常见的皮肤真菌，大量存在于CD患者的肠道中。已知这种真菌会诱导先天免疫细胞释放炎性细胞因子，从而促进IBD的发展。同样，UC和CD患者的肠道微生物组Caudovirales噬菌体显著扩增，这可能导致肠道炎症。先前的临床试验表明，与S. cerevisiae密切相关的S. boulardii可用于诱导缓解或预防缓解期IBD复发的辅助治疗，但尚无临床试验评估S. boulardii作为一种独立的IBD疗法。 特应性皮炎(AD)是一种常见的皮肤过敏性疾病，与具有较高丰度S. aureus的异常皮肤微生物组相关。对来自AD患者和健康个体皮肤的可培养革兰氏阴性细菌的研究表明，来自健康志愿者(而非AD患者)的Roseomonas mucosa与小鼠模型AD的改善有关。在此基础上进行了一项临床试验，该试验纳入7岁以下AD儿童(该疾病的最常见患病群体)，用从健康个体中分离出的R.mucosa治疗受试者。用共生菌治疗可改善皮肤上皮屏障功能，降低S. aureus负荷，增加皮肤的微生物多样性，并减少局部类固醇治疗的需求。这些积极影响与来自健康个体的R.mucosa产生的甘油磷脂激活组织修复途径有关，而来自AD患者的分离株不产生甘油磷脂。 阴道菌群的改变已被证明与复发性UTI相关，由于阴道中产生过氧化氢的乳杆菌的丰度较低，引起尿路感染的大肠杆菌的定植受到抑制。L. crispatus CTV-05是一种阴道分离株，可以产生过氧化氢并粘附在阴道上皮层，这使其成为治疗复发性UTI的理想候选益生菌。在一项纳入100名复发性UTI女性的随机、安慰剂对照的2期试验中，患者接受持续10周的安慰剂或L. crispatus CTV-05治疗。接受益生菌治疗的患者中只有15%发生复发性UTI，而安慰剂组为27%。在两组中均观察到高水平的阴道L. crispatus，表明安慰剂组中内源性L. crispatus种群的扩大。然而，与能够在阴道中与大肠杆菌竞争的L. crispatus CTV-05分离株不同，它与显著的治疗优势无关。

3.1.1.2益生元补充剂

外源性补充益生菌的替代方法是补充益生元，益生元是一种不可消化的底物，可以被宿主微生物组的成员利用进而带来健康益处。益生元通常是一种寡糖，它能刺激微生物群中已有的一种或多种细菌的生长。由于不同的益生元可以选择性地增加可利用它们的微生物的丰度，因此这些底物可用于重塑微生物组，使其从疾病状态转变为相对健康的状态(图1)。一些常见的益生元是来自菊粉的低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)、低聚木糖(XOS)和乳果糖。FOS、GOS和XOS已被证明可以促进人类肠道中双歧杆菌的扩增，虽然由于干预剂量和持续时间的差异，有报道称其对其他细菌属的影响相互矛盾。

图1 通过益生菌和益生元调节微生物组组成。生态失调的微生物组会导致肥胖的发展、炎症和癌症。使用益生菌和益生元可以改变微生物组组成从而改善疾病。

一项针对2岁前欧洲新生儿的前瞻性研究使用粪便样本对患和不患特应性皮炎或其他皮肤过敏的婴儿进行肠道微生物组分析。与健康对照组相比，过敏婴儿出生后第一年的双歧杆菌数量较少。3个月时梭菌数量较高，6个月时金黄色葡萄球菌较高，12个月时拟杆菌数量较低。另一项纳入259名婴儿(接受8 g/L益生元(GOS和FOS的混合物)或安慰剂)的随机、前瞻性、安慰剂对照临床试验的结果也显示，给予益生元预防特应性皮炎后双歧杆菌水平增加。与安慰剂组相比，益生元组在6月龄时特应性皮炎发病率较低。粪便样本中的菌落形成单位显示上述结果伴随着双歧杆菌水平的增加，但乳杆菌水平未增加。粪便样本中的其他微生物未分析。据报道，在2岁之前接受益生元的婴儿中，过敏发生率也有类似的降低，但尚未确定微生物组组成的变化。在成年CD患者中也显示了FOS的双生作用，其中15g FOS治疗3周导致疾病活动度改善，粪便双歧杆菌的增加，粘膜树突状细胞功能改变(如IL-10表达增加)。 益生元对肠道微生物组的调节也应用于癌症治疗中。在Han等人的一项研究中，将结肠保留菊粉凝胶用于结直肠癌小鼠模型提高了免疫检查点阻断剂抗程序性细胞死亡蛋白-1(α-PD-1)的抗肿瘤疗效。先前的研究表明，与无应答患者相比，对免疫检查点阻断剂应答的患者肠道微生物组中有益细菌丰度更高，例如Bifidobacterium、Akkermansia、Ruminococcaceae和Faecalibacterium。Han等人的研究表明，小鼠口服菊粉凝胶可导致Akkermansia、Lactobacillus和Roseburia等有益菌的扩增。这引发了小鼠的T细胞反应，该反应与α-PD-1协同作用以增强抗肿瘤作用。

3.1.2微生物组中特定成员减少

与增加微生物组中特定微生物的丰度相反，选择性减少某些成员是另一种可行的微生物组工程方法，特别是在感染期间。自1928年发现青霉素以来，抗生素一直是抵御病原体的主要方式。但目前使用的大多数抗生素的抗菌活性是非特异性的，导致人类微生物组的多样性和丰富度显著降低。Dethlefsen和Relman表明，在环丙沙星给药后3-4天内，个体肠道微生物组的组成和多样性快速改变。尽管在抗生素治疗结束后肠道微生物组的一些成员恢复，但恢复并不完全，最终的组成与初始状态相比发生了变化。抗生素引起的微生物组组成的改变也与其他病原体易感性增加、免疫失调和抗性基因的增加有关。为了消除抗生素对微生物组的负面影响，需要开发针对病原体的靶向疗法。一些小分子抗生素正处于临床开发阶段，并有望用于对抗特定病原体。例如，ridinilazole是一种DNA结合小分子，对艰难梭菌具有高度靶向作用。在一项II期随机双盲临床试验中，与目前的万古霉素标准治疗相比，ridinilazole可提供较好的临床治愈效果，且无感染复发。在使用ridinilazole时微生物组的破坏程度较低。万古霉素治疗导致厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门显著减少以及变形菌门扩增，而ridinilazole仅导致厚壁菌门的适度减少。同样，针对皮肤病原体S. aureus、引起肺炎的P. aeruginosa和Enterobacteriaceae的靶向抗生素也在开发中。 除了对微生物组的附带损害外，广谱抗生素也可能存在疗效不佳的问题。细菌性阴道病就是其中一个例子，其特征在于有益的乳杆菌属被厌氧细菌(主要是Gardnerella vaginalis)取代，后者可在阴道上皮上形成生物膜。广谱抗菌药物显示出较高的短期治愈率，但无法预防阴道病的复发，部分原因就是生物膜的形成。Landlinger等人通过鉴定并对Gardnerella中存在的14种天然内溶素进行结构域重组，开发了一种窄谱工程内溶素，这是一种肽聚糖降解酶。在各种候选药物中选择了PM-447，因为其对Gardnerella具有高抗菌活性，而对乳杆菌和其他阴道微生物的抗菌活性可忽略不计。有趣的是，PM-447还能靶向13名细菌性阴道病患者阴道样本中的Gardnerella，并在不影响剩余阴道微生物组的情况下分散生物膜。在动物模型中PM-447的应用仍需进一步评估。

疫苗也具有消除人体微生物组中的病原体以预防疾病的潜力。例如，针对肺炎链球菌的肺炎球菌联合疫苗(PCV-7)显著降低了侵袭性肺炎球菌疾病的患病率，尤其是在幼儿中。PCV-7针对肺炎链球菌(上呼吸道的天然定植者)的七种毒力血清型而设计。然而，研究表明接种疫苗后细菌的毒力血清型空出的生态位被非疫苗血清型占据。此外，还观察到肺炎链球菌的生态竞争者金黄色葡萄球菌的丰度增加。使用更广泛的PCV-13疫苗可以增加鼻腔微生物组的多样性和稳定性，可能是由于非肺炎球菌细菌占据了更大的生态位。 作为抗生素和疫苗的替代品，噬菌体也被作为针对致病菌及其相关疾病的天然捕食者。使用噬菌体的主要优点是其宿主范围狭窄，能精确消除病原体。此前已分离出了针对S. aureus、Enterococcus faecium、Vibrio parahaemolyticus、Acinetobacter baumannii、Mycobacterium tuberculosis的特异性噬菌体，并发现其可以有效靶向病原体的抗生素耐药变体，至少在体外和体内模型中可达到此效果。 除感染外，噬菌体也可通过调节微生物组来治疗其他疾病。Duan等人表明，与不饮酒个体或其他酒精使用障碍患者相比，酒精性肝炎患者粪便中E. faecalis数量更多。研究者发现溶血素(肠道中E. faecalis产生的一种外毒素)是导致肝损伤的原因。在接种酒精性肝炎患者细菌的小鼠中给予靶向E. faecalis的噬菌体后，观察到溶血素水平显著降低，伴随着肝损伤的减轻。粪便Enterococcus计数也减少，但微生物组组成没有显著变化，表明E. faecalis已被针对性清除。 在另一项研究中，Zheng等人使用从人类唾液中分离的噬菌体对抗促肿瘤的Fusobacterium nucleatum，以开发一种治疗结直肠癌(CRC)的新疗法。先前的研究表明，F. nucleatum的高增殖会导致CRC的化疗耐药性。与单独的化疗药物或抗生素联合疗法相比，作者在不同的CRC小鼠模型中证明了联合使用靶向F. nucleatum的噬菌体与负载有化疗药物的纳米颗粒的优越功效。小鼠肠道中F. nucleatum显著减少，而抗肿瘤SCFA产生细菌的丰度增加。 噬菌体也被用于治疗寻常痤疮(全球最常见的皮肤病之一)。导致该疾病发展的一个因素是较高丰度的Propionibacterium acnes，尽管确切机制仍有争议。为了减少P. acnes数量，Brown等人配制了一种水性乳膏(其中包含从人体皮肤微生物群落中分离的噬菌体混合物)以对抗P. acnes。在体外该乳膏可有效裂解P. acnes，但尚未在动物模型中进行评估。

工程细菌(包括共生菌和益生菌)正在成为靶向根除病原体的可靠疗法。虽然已知益生菌菌株可以通过竞争性抑制病原体和天然生产的抗菌剂来预防感染，但其临床疗效通常较差。合成生物学的协助可将新的功能整合到所选的细菌中，以实现高效和有选择性的病原体消除。这具有可实现性，因为细菌中整合了生物传感器，这些生物传感器可检测由目标病原体产生的群体信号分子，例如铜绿假单胞菌产生的酰基高丝氨酸内酯(AHL)和金黄色葡萄球菌产生的自诱导肽(AIP)，这反过来又激活抗菌剂的产生和分泌。由于群体信号分子的高物种特异性，治疗分子可实现精确传递，增强了工程细菌作为感染的替代疗法的可行性。既往这种策略已被用于靶向P. aeruginosa、S. aureus、V. cholerae。尽管这些研究证明了在体外或体内模型中工程细菌消除目标病原体的有效性，但尚未评估使用工程细菌干扰微生物组的程度。根据所使用的底盘，工程细菌可能会在微生物组快速迁移或持续很长时间。因为其固有的抗性，前者不太可能显著改变微生物组的组成，后者可能会产生相当大的影响，今后须进一步评估这方面的影响。 除工程细菌外，合成生物学还被用于设计噬菌体，将其改造为抗菌递送载体。各种研究已改造了噬菌体进而将CRISPR-Cas9系统输送到宿主中。CRISPR-Cas9系统的设计使其可识别宿主基因组中的一个基因，然后在基因组中引入双链断裂，导致细胞死亡。与使用野生型噬菌体相比，这种方法更具特异性，因为CRISPR-Cas9在没有靶基因的情况下无法诱导细胞死亡。该方法还能够通过编程CRISPR-Cas9来识别这些靶标，从而选择性地消除携带抗生素抗性基因的细菌。然而，该方法的主要缺陷是目标细菌从CRISPR-Cas9的杀伤活性中逃逸，以前曾报道过染色体缺失或CRISPR阵列丢失导致的逃逸。 为了改善这些缺陷，Ting等人设计了一种通过程序化抑制剂细胞(PICs)靶向消耗细菌的新方法，PICs是携带6型分泌系统(T6SS)的工程细菌，表面表达纳米抗体(图2)。纳米抗体识别革兰氏阴性细菌表面的抗原，例如外膜蛋白BamA和紧密黏附素，使细胞间粘附。T6SS是一种拮抗系统，通过该系统工程细菌可以将抗菌毒素输送到目标细菌细胞中。工程细菌通过表达免疫蛋白来保护自己免受毒素侵害。由于肠道环境的流动性，在输送毒素方面单独的T6SS可能效率低下。因此，作者将纳米抗体加入细菌中以增强抗菌活性。这种清除具有高度特异性，因为表达部分紧密黏附素的大肠杆菌菌株并未改变。对粪便样本中其他细菌的分析显示，微生物组组成仅发生微小变化，表明PICs有可能作为高度特异性的抗菌剂。

图2 清除微生物组成员的策略。非特异性清除可通过广谱抗生素介导。特异性清除可通过靶向抗生素、噬菌体和工程细菌来实现。

3.2改变微生物组的功能

上一节描述了微生物组组成在理解其与疾病发展的关联以及随后如何对其进行调节用于疾病治疗方面的重要性。然而，在认识微生物组对其宿主的影响时，可能比组成更重要的可能是微生物组的功能，即其成员产生的活性基因、蛋白质和代谢物。微生物组功能的重要性源于不同组成的微生物组可能由于功能冗余而仍表现出相似的功能。一项关于肥胖和瘦的女性双胞胎的肠道微生物组的研究中观察到，这些双胞胎共享>93%的功能基因，尽管在门水平的相似性有限。与临床上各种疾病相关的微生物分支的相似相对丰度也表明，微生物组的功能(而不是其组成)对人类健康有更强的影响和关联性。 Morgan等人通过16S rRNA测序和宏基因组学分析了231名IBD患者和健康个体的微生物组样本，证明了研究微生物组功能的重要性。除了微生物组组成的预期变化外，微生物功能也出现了更一致的变化，例如碳水化合物代谢和氨基酸生物合成减少，以及营养物质转运和吸收增加。同样，在接受抗逆转录病毒治疗的HIV感染患者中也观察到了脂多糖生物合成、致病过程和炎症途径的富集以及氨基酸和能量代谢的消耗。为了阐明微生物组功能影响宿主健康的确切机制，需要进行宏基因组学以外的多组学研究，包括转录组学、蛋白质组学和代谢组学，在功能水平表征健康和患病状态下的微生物组。虽然此类研究的例子有限，但之前已经报道了一些设计合理的调控微生物组功能的干预措施，将在下文讨论。

3.2.1DNA接合介导的工程

DNA接合是一种通过供体细菌将导入基因传递给目标微生物的一种微生物组原位工程方法。这些导入基因可以是携带基因的移动遗传元件，以将新功能整合到目标细菌中。这种工程手段是有利的，因为这甚至可以修饰具有复杂表型的不可培养细菌(这些表型可能无法在非天然细菌菌株中充分复制)。在Brophy等人的一项研究中，作者使用B. subtilis菌株将微型整合接合元件(mini-ICEBs1)有效地转移到人体皮肤和肠道微生物组中分离的各种革兰氏阳性细菌中。将接合转移置于诱导启动子的控制之下，为了安全起见，删除了使ICEBs1进一步传播到初始受体之外的基因。由于可以轻易创建携带需转移DNA的新供体菌株，因此该策略将有助于通过合成程序快速设计微生物组并调节其功能。 Ronda等人开发了另一种DNA接合策略，其中设计了大肠杆菌供体菌株，将复制或整合的移动质粒转移到受体革兰氏阳性和革兰氏阴性菌株中。作者证明该方法可以通过使用供体大肠杆菌将绿色荧光蛋白(GFP)输送到小鼠肠道微生物组成员中，进而可应用于设计微生物组。使用移动质粒文库发现在大肠杆菌给药后高达5%的细菌在6小时内接收质粒。接受者属于肠道微生物组的四个主要细菌门，即厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门。有趣的是，接合子仅在大肠杆菌供体给药后持续72小时，表明质粒维持不稳定。 Jin等人开发了一种基因操作工具，通过该工具能够对27种厚壁菌门/梭菌纲的非模态细菌进行基因改造。作者确定了可支持细菌生长的培养条件，随后建立了一个遗传工具库。利用这些工具并进一步优化接合方案，成功开发了用于调节基因表达的基于失活Cpf1的CRISPRi系统。在这项研究中，作者展示了该工具在调节肠道微生物组产生的代谢物中的应用，例如对宿主健康有很多影响的小鼠的胆汁酸池。 前面所述研究表明DNA接合是调控微生物组功能的可行方法，尽管该领域仍处于初步阶段，需要进一步发展，特别是应用于人类的安全性评估。这与用于传递有效载荷的移动遗传元件有关，因为这些元件具有通过水平基因转移进一步传播到微生物组非靶标成员的高倾向。此外，对微生物组非模态成员的有限研究仍然是其基因工程的瓶颈，因为很难可靠地预测引入这些微生物的有效载荷的功能。

3.2.2酶抑制剂的使用

微生物酶的代谢活性是微生物组影响宿主健康的重要过程。除了在微生物自身正常功能中发挥作用外，这些酶还可以代谢宿主使用的药物、前体药物和外源性物质，导致意想不到的潜在不良后果。这可以通过使用作用于特定微生物酶的抑制性化学物质来缓解。例如，SN-38是一种抗癌药物，用于结肠癌和对抗由肝脏中静脉注射前体药物CPT-11形成的肺癌和脑肿瘤。随后，它被肝脏中的UDP-葡萄糖醛酸基转移酶葡萄糖醛酸化成SN-38G，并被排泄到胃肠道中。在胃肠道中它再次被细菌β-葡萄糖醛酸酶转化为SN-38，这可引起腹泻并阻碍化疗药物剂量加量。虽然使用抗生素清除肠道细菌可以潜在地避免SN-38的毒性，但这种方法有几个缺点，如3.1.2节所述。Wallace等人采用高通量筛选来鉴定不靶向同源哺乳动物酶的细菌β-葡糖醛酸酶的有效抑制剂。这些抑制剂既不杀死细菌也不损害哺乳动物细胞。在小鼠模型中，该抑制剂可以保护小鼠免受化疗药物的毒性，尽管药物疗效的改善仍有待研究。 与人类心血管风险有关的肠道微生物组依赖性氧化三甲胺(TMAO)产生的抑制剂也曾被报道过。膳食胆碱、磷脂酰胆碱和肉碱通过微生物胆碱-TMA裂解酶转化为TMA，随后被肝黄素单加氧酶转化为TMAO。Wang等人鉴定了胆碱的类似物3,3-二甲基-1-丁醇(DMB)，发现该类似物可抑制多种微生物TMA裂解酶而不杀死微生物。用DMB治疗喂养高胆碱或左旋肉碱饮食的小鼠可导致其血浆TMAO水平降低，减轻动脉粥样硬化病变，并形成巨噬泡沫细胞。该研究组还开发了另两种TMA裂解酶抑制剂，即氟甲基胆碱和碘甲基胆碱，它们是非致命的且能够在微生物中积累，导致口服单次剂量后小鼠TMAO水平持续降低3天。有趣的是，尽管这些抑制剂是非致命的，但还是引起了肠道微生物组组成的变化，这表明抑制剂对微生物具有额外的选择压力，这可能导致耐药性的发展。 调控微生物组功能的酶抑制剂的开发面临两大挑战。首先，抑制剂应能够作用于所有相关微生物酶。在没有广谱抑制的情况下，非抑制微生物物种可代偿，导致微生物组功能没有显著变化。其次，人体内存在与微生物酶功能相似的酶，需要筛选大量化学物质库以找到对微生物(而非哺乳动物细胞)有抑制作用的靶标，这在某些情况下可能无法实现。

3.2.3工程微生物调控微生物组代谢物

在调控微生物组功能的各种策略中，最先进的是利用共生菌或益生菌的外源性工程细菌。与主要用于改变微生物组组成的野生型细菌相反，工程细菌具有调节微生物组功能的新功能。大量合成生物学工具的使用可以将细菌重新编程用于实现疾病的高精度自主治疗。这种疗法已被开发用于针对代谢性疾病、预防癌症、抑制病原体并治疗其他疾病。迄今为止，此类研究越来越多。但本节仅介绍部分研究，这些研究显示微生物组如何通过其代谢物在疾病发展中发挥重要作用，从而需要调节其功能以进行治疗。 人类微生物组与其宿主之间存在强烈的代谢物相互作用，微生物组代谢途径与34%血液代谢物和95%粪便代谢物显著相关。其中一种代谢物是氨，它主要由肠道微生物代谢食物中的氨基酸产生。人体通过肝脏的尿素循环来调节氨的水平。然而，在肝功能衰竭的情况下，代谢物在血液中积累，在高浓度下可以作为神经毒素。为了开发降低氨水平的疗法，对大肠杆菌Nissle 1917(EcN)进行基因改造，使其能够将肠道氨转化为L-精氨酸，促进尿素循环。代谢途径被置于无氧诱导的fnrS启动子(PfnrS)的控制下，使得代谢转化仅在肠道的低氧环境中启动。研究发现，该菌株可降低摄入高蛋白饮食或硫代乙酰胺(一种肝毒素)的小鼠体内的氨水平。研究还发现，在健康志愿者中，每天三次，每次剂量为5×1011 CFU，持续14天，这种工程细菌也是安全的。但在一项2期临床试验中，与安慰剂相比，工程EcN并未显著降低肝硬化患者的血氨。工程EcN已与免疫检查点抑制剂联合重新用于抗癌治疗，它可将肿瘤中的废氨代谢为L-精氨酸，增加T细胞对癌症的反应(图3)。

肠道微生物组发酵膳食纤维产生的SCFAs具有抗炎活性，在各种宿主过程中发挥重要作用，如改善肠道屏障完整性、降低结肠癌风险。SCFAs，特别是丁酸盐，也能够调节食欲、降低胰岛素抵抗、促进脂肪氧化并刺激促胰岛素激素释放。由于其对宿主代谢活性的影响，丁酸盐可能对肥胖和糖尿病患者有治疗作用。丁酸盐生物利用度差且气味和味道不佳，口服给药具有挑战性。因此，代谢工程化不同的细菌以在肠道中产生丁酸盐，作为肥胖和糖尿病的替代疗法。Bacillus subtilis SCK6自然产生非常低水平的丁酸盐，因此被改造为经存在于肠道的丁酰辅酶A:乙酸CoA转移酶途径产生丁酸盐。进一步删除竞争代谢途径产生了的可以在体外产生1.5 g/L丁酸盐的菌株。当在给予高脂肪饮食的小鼠中进行评估时，工程细菌能够延缓体重增加、减少内脏脂肪堆积并改善葡萄糖耐量。除了厚壁菌门减少和拟杆菌门增加外，对肠道微生物组代谢途径的分析还显示，与碳水化合物、氨基酸、维生素和能量代谢有关的基因显著增强。EcN也被设计为可在体外产生0.5-1 g/L丁酸盐，但尚未在体内模型中进行评估。

细胞外三磷酸腺苷(eATP)是由活化免疫细胞和肠道微生物组产生的IBD相关代谢物。eATP促进促炎细胞因子的产生和神经元凋亡并抑制抗炎反应。一种益生菌酵母S. cerevisiae经过基因改造后可感知肠道中的eATP，并产生ATP降解酶，将eATP转化为AMP。反过来，AMP进一步分解为免疫抑制腺苷。为了使S. cerevisiae对eATP应答，将人P2Y2受体整合到益生菌菌株中，该受体经过进化，对eATP的感知灵敏度提高了1000倍。它与来自马铃薯的一种强效ATP酶相结合，创造了一种IBD疗法。在结肠炎小鼠模型中，工程益生菌改善了炎症，可观察到促炎细胞因子表达降低、结肠缩短减少和组织学评分改善。工程益生菌性能优于组成型表达ATP酶的益生菌，甚至优于IBD标准疗法，表明该疗法对炎症性疾病的疗效。

图3 通过DNA接合、酶抑制剂和工程细菌调节微生物组功能。