国内外临床微生物研究“热点”及进展

发布时间:2018-10-01       作者:苏建荣 高琰       来源:临床实验室        浏览:448       收藏: 0

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苏建荣,教授,医学博士、主任医师、博士研究生导师,现任首都医科大学附属友谊医院临床检验中心主任、输血科主任,首都医科大学临床检验学系副主任。研究方向是微生物感染的病原诊断与防治,细菌耐药机理、实验室检查以及菌群特征研究等。曾为多例临床少见病原微生物感染做出明确诊断并提出合理治疗方案。科研课题先后获得国家自然科学基金、北京市自然科学基金、留学人员择优资助重点项目、青年科技骨干培养基金等资助,与美国NIH研究课题合作并发表学术论文。


摘  要:人类微生物组被称之为人体的第二套基因组,是反映人体健康的晴雨表。临床微生物学是临床与实验室紧密结合的学科,随着研究水平的提高和科研人员的密切关注,近年来,临床微生物学取得了飞速发展,本文将对国内外临床微生物学领域的新型研究平台和研究手段,以及人类微生物组与疾病的相关性研究进行一综述,为相关科研人员和临床工作者了解最新科研动态和明确研究思路,提供一定的指导意见。

关键词:人类微生物组;临床微生物学;研究进展 

[Abstract] The human microbiome is recognized as the second genome of the human being.  It is also the indicator of our health.  The development of clinical microbiology requires the combination of the clinical medicine and the bench work.  This review will highlight the recent advances of techniques and progresses of the relation between of the microbes and the diseases.  We hope that we could provide the recent developments in the field of microbiology and some insights according to our knowledge. 

[Keywords] Human Microbiome; Clinical Microbiology; Progress


前  言

自2005年以来,美国国立卫生研究院已经启动“人类微生物组计划”(Human Microbiome Project,HMP;http://www.hmpdacc.org/);欧盟第七框架计划也已资助“人类肠道宏基因组学项目”(Metagenomics of Human Intestinal Tract,MetaHIT;http://www.metahit.eu/index.php?id=paris-2012)。更令人瞩目的是,2016年5月13日,美国奥巴马政府宣布启动国家微生物组计划(National Microbiome Initiative,NMI)。该研究计划关注的方向主要包括以下几个方面:支持跨学科研究,解决不同生态系统微生物的基本问题;开发平台研究,对不同生态系统中微生物组的认识以及知识积累;通过公民科学,公民参与,扩大微生物的影响力。[1]从人类微生物组计划和人类肠道宏基因组学项目,到国家微生物组计划;继脑计划、精准医学、抗癌“登月”之后,国家微生物组计划的推出。由此可见,微生物学已经成为目前最热门最有潜力的学科和发展领域。近年来,微生物领域相关的研究是顶级学术杂志的常客,本文将对当前国内外临床微生物的研究热点和研究进展作一综述,为相关科研人员和临床工作者了解最新科研动态和明确研究思路,提供一定的指导意见。


细菌这些看似单一低端的微生物,却拥有着类似于电信号传导一样的精密通讯社交方式。像人类大脑中的神经元一样,细菌与细菌之间可能通过离子通道,进行信号交流,比如在菌落表面产生一层保护层,这层生物膜使得细菌对抗生素及其它化学物质产生耐受。但是,细菌利用离子通道的机制还未阐明。[2-3]肠道微生物群落一直是微生物领域的研究热点。目前,将健康供体液化的粪便引入患者的肠道中,从而使健康的细菌菌群在受体肠道中重新定植,即粪便移植,越来越多地用于替代抗生素,治疗严重的危及生命的感染性疾病。[4-5]众所周知,婴幼儿时期的肠道菌群构成更加重要。来自Massachusetts General Hospital胃肠道科主任、Broad研究所的研究团队最新研究发现抗生素确实会影响婴幼儿肠道微生物的多样性。具体来说,接受过抗生素治疗的婴幼儿,肠道微生物种类减少,倾向于某一菌类占据主导地位。而且随着婴幼儿的成长,他们的肠道微生物结构稳定性降低。相比之下,未曾接触过抗生素的婴幼儿,其肠道菌群则较丰富且分布均衡。[6-7]


1
人类微生物组与疾病的关联研究

随着研究的深入,研究人员越来越认识到人类的健康疾病与“人类基因组-人类微生物组”的协调密切相关。肠道微生物组是人体内最大的微生物群组,除了肠道微生物组,还有皮肤微生物组,乳腺组织微生物组,口腔微生物组,呼吸道微生物组,泌尿道微生物组等等,这些部位的微生物组可能对人类健康的维护,疾病的发生发展都发挥着关键的作用。此外,根据人体微生物组的研究结果,设计与疾病相关的生物分子标记物,可以用来进行疾病的早期检测。因此,人体微生物生物分子标志物的检测技术将在临床应用中具有良好的前景。现将临床微生物与疾病相关的主要研究工作汇总如下:


1.1 人类微生物组与恶性肿瘤

人类乳头状病毒(HPV)与宫颈癌,幽门螺旋杆菌与胃癌,是为人们所熟知的由微生物引发的恶性肿瘤。最近,美国梅奥诊所的Tina Hieken研究团队发现,在无菌状态下收集的乳腺组织中有细菌存在。乳腺癌患者乳腺组织中的细菌,不仅与乳腺皮肤表面的微生物组不同,而且与健康女性的乳腺组织中的微生物组也存在显著差异。因此,乳腺组织微生物组的变化可能与乳腺癌的发生及侵袭迁移等恶性行为有关。[8]通过对人类排泄物的DNA测序,来自美国纽约大学的Jiyoung Ahn研究团队,分析比较发现结肠癌患者排泄物中的微生物种类少于正常人。其中梭状芽孢杆菌是减少的微生物种类之一,梭状芽孢杆菌能够将食物纤维降解为丁酸盐,他推测丁酸盐可能参与了结肠癌的发生。[9]此外,肠道菌群多样性高的女性体内雌激素代谢产物水平较高,降低了绝经后女性罹患乳腺癌的风险。[10]然而,对于肠道多样性的影响因素,目前还没有明确的研究结论。


1.2 人类微生物组与代谢性疾病

超重和肥胖女性孕早期的排泄物中微生物组成与体内代谢激素环境有关联。澳大利亚布里斯班昆士兰大学Luisa Gomez-Arango研究团队发现:妊娠16周超重和肥胖的女性体内脂肪因子水平与瘤胃菌科和毛螺菌科密切相关;肠抑胃肽与粪球菌属呈正相关,与瘤胃菌科呈负相关。[11-12]肠道微生物不仅可以调节脂质代谢,也可能影响胰岛素抵抗。感染普氏菌(Prevotella Copri)和普通拟杆菌(Bacteroides Vulgatus)的小鼠会导致其体内支链氨基酸水平增高,葡萄糖耐受不良加剧。微生物的组成失调导致了血清代谢组改变,进而影响了胰岛素的抗性。[13-14]华大基因和深圳二院的研究团队,提取了中国345例2型糖尿病病人肠道微生物的DNA样本进行测序和分析,确定了60,000种与2型糖尿病相关的标志物。他们指出这些肠道微生物标志物可用于2型糖尿病的分型,风险评估及监控等。[15]相比2型糖尿病,1型糖尿病主要在儿童和年轻人中流行,与饮食习惯无明显关联,且发病机制尚未被揭示。美国卡迪夫大学的David Cole团队近期的研究结果表明,细菌可能通过诱发机体免疫系统的杀伤性T细胞,攻击胰腺β细胞导致1型糖尿病的发生。[16-17]由此可推测,肠道微生物组可能在一些自身免疫性疾病的发生发展中也发挥着重要的作用。


1.3 人类微生物组与泌尿系统感染性疾病

泌尿系统感染是影响人类健康和生活质量的疾病之一,其发病率高,反复发作性令临床棘手。大肠杆菌与超过90%以上的泌尿系统感染直接相关,大肠杆菌拥有较长的毛发样的附属物,即菌毛。菌毛是细菌的一种重要表面暴露附属物,细菌可以利用菌毛来识别并且吸附到宿主组织上。美国弗吉尼亚大学的Edward Egelman研究团队揭示了引发泌尿道感染的细菌可以利用一种特殊的弹簧样减震器结构引发感染。首先,细菌通过菌毛锚定在泌尿道中,当菌毛弯曲形成老式电话绳样结构时,细菌就能够抵挡得住尿流强大的驱动力,从而避免被尿流冲走。[18-19]除了对菌毛生物物理学的研究发现,巴塞尔大学的Rudi Glockshuber研究团队通过生物化学研究方法,发现菌毛的尖端携带有FimH蛋白。FimH蛋白会形成挂钩样结构,吸附到泌尿道细胞表面糖结构分子上,强大的吸附力足以保护细菌免于被尿流冲走。[20-21]这些菌毛理化特性的最新研究结果,将有助于研发新型药物,阻断细菌感染。细菌的耐药性导致感染性疾病治疗失败的主要原因,包括泌尿系统感染。来自杜克大学的Richard Brennan研究团队发现一种细菌蛋白HipA及其突变体的高表达,可能对引发泌尿系统感染的多药耐药非常关键。[22-23]这些研究发现将为治疗耐药性细菌感染提供新途径。


1.4 人类微生物组与其他疾病

除了上述恶性肿瘤,代谢性疾病,泌尿系统感染性疾病,人类微生物组在其他疾病领域也取得了一定的进展,一些令人感兴趣的研究发现更加拓宽了我们对人类微生物和人类疾病的认知。心血管疾病被普遍认为是与饮食和生活习惯密切相关的疾病。氧化三甲胺(Trimethylamine N-oxide,TMAO)是一种在动物脂肪消化过程中在肠道中产生的副产物,与心血管疾病的发生直接相关。值得一提的是,克利夫兰诊所的StanleyHazen研究团队首次采用干扰肠道菌代谢活性的药物,提出靶向作用肠道微生物通过调节肠道菌群治疗由动物脂肪而引发的心血管疾病的新策略。[24-25]众多无菌条件下培育动物的数据表明,肠道微生物可以影响动物的行为,并能够改变大脑生理学和神经化学特征。[26]肠道菌群能够分泌神经活性物质,或在较远部位塑造宿主生理学。肠-微生物-脑的相互作用,可能在启动或促进许多精神或神经退行性疾病的病理中发挥作用。因此,微生物学研究吸引了越来越多神经学专家的关注。


2
新型微生物研究平台和研究手段

一直以来,人体内微生物细胞的数量被认为是人体内细胞数量的10倍,然而,近期以色列和加拿大的研究人员计算后认为,人体内微生物和人类细胞之间的比例更可能是1比1。[27]尽管两者比例还是未知,人体微生物组,被称之为人体的第二套基因组,仍蕴含着丰富的信息。传统的微生物学研究手段包括,显微镜观察微生物形态,体外培养持续观察微生物形态,DNA测序对微生物分类等。但是,由于这些传统研究方法的局限性,我们对生活在自己体内的绝大多数微生物还知之甚少。新研究手段的发明和研究平台的开发,将为我们深入了解人类微生物提供广阔的空间。


2.1 微生物生物信息学平台的建立

高通量测序技术(Next Generation Sequencing,NGS)的出现则让大量鉴定微生物成为可能,产生基因组数据越来越简单。但是,许多研究人员无法获得所需资源进行生物信息学分析。近期,英国华威大学等研究机构的研究人员开发了一个目前全世界最大的微生物生物信息学平台(Cloud Infrastructure for Microbial Bioinformatics,CLIMB)。该平台将提供免费的软件和数据共享,通过云计算,存储和分析工具支持微生物生物信息学研究。[28-29]


2.2 微生物培养基数据库的建立

Matthew Oberhardt带领的团队建立了KOMODO数据库。该数据库包括18,049种不同微生物和3,335种培养基配方的信息,此外,他们团队还创建了在线工具GROWREC,能够从KOMODO数据库培养基配方中为新微生物预测设计合适的培养基配方。KOMODO数据库将会成为微生物生物学研究最有效和有潜力的工具之一。[30-31]


2.3 质谱成像技术

质谱成像技术,采用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱仪(Matrix-assisted Laser Desorption/Ionization Time of Flight,MALDI-TOF),利用激光加热并电离分子物质,研究人员用激光束扫描并捕获样品中不同分子精确位置信息的“图像”。加利福尼亚大学圣迭戈分校的Dorrestein教授正是利用质谱成像技术扫描微生物菌落,并鉴定它们的代谢产物。例如,通过探索两种菌落交界处的空间信息,Dorrestein教授研究组鉴定了这两种微生物彼此相互竞争所用的分子物质,这将有可能加速新型抗生素的筛选。目前,由于许多微生物都无法直接培养和研究,原位检测方式的出现对微生物组学蓬勃发展的今天将产生重大影响。[32-33]


3
未来展望和总结

当前,人类微生物宏基因组项目正在如火如荼地开展。同样令人关注的是,美国西奈山伊坎医学院的Patrizia Casaccia研究组计划集中开展微生物代谢组学研究,这将会更好地了解微生物群落产生的代谢物的作用,以评估其作为疾病(如抑郁症)潜在治疗目标的可能性。[34]上海交通大学赵立平教授带领的团队计划在美国罗格斯大学建立一个实验室,联合国内外研究力量,筹集雄厚的研究经费,组建糖尿病微生物组研究中心,攻关糖尿病。[1]SER-109是一种口服型微生物混合药物,它可以将外源性微生物重新引入人体,以期重建人体内微生物的生态平衡。目前,SER-109正被研究用于预防复发性艰难梭菌感染。I期临床数据显示SER-109有高达97%的治愈率,预计今年中期获得II期研究的初步结果。[35-36]相信不远的将来,在国家微生物组计划的大潮之下,微生物代谢组学,以及与疾病密切结合的微生物组学相关的研究将会相继建立起来,更多的微生物药物将进入临床前或/和临床研究。这将为阐明疾病病因,发生及发展提供一种创新性的思维和方法,为有效防治这些疾病带来新的希望,同时引发精准医学怎样的变革,也是值得我们期待。


未来将是充满机遇和挑战的微生物组时代,目前我们的微生物研究技术水平仍然处于初级阶段,对高度复杂的人类微生物了解甚少,还有更广阔的微生物未知世界值得我们去探索发现。


参考文献

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