本文转载自“药明康德”。
人体的肠道中寄生着大量的微生物，这一微生物生态系统与人体产生紧密的相互作用，影响到人体生理学的多个方面。因此肠道菌群失调可能与多种疾病相关，其中包括炎症性肠病（IBD），癌症，自闭症，以及包括糖尿病，心血管疾病和肥胖症在内的代谢类疾病。
目前，有多家生物医药公司在发掘人类肠道微生物菌群中的信息，力图设计出基于肠道微生物菌群中特定“好”细菌的创新疗法。它们可以用来治疗例如艰难梭菌（Clostridium difficile）感染等可能致命的严重感染，也可以用来调控肠道的免疫反应，治疗诸如克罗恩病，溃疡性结肠炎等IBD。由于肠道微生物的免疫调节功能，研究发现它可以明显影响癌症患者对癌症免疫疗法的反应。而肠道与大脑的联系也吸引了科学家们探索通过影响肠道微生物来治疗精神性疾病的方法。
近日，《Nature Reviews Immunology》上的一篇深度综述对如何从微生物菌群中发掘基于微生物及其代谢物的免疫疗法进行了详细探讨。今天药明康德微信团队将和读者分享其中的精彩内容。
从粪便微生物移植中获得的经验和教训
微生物种群失调（dysbiosis）指的是因为疾病或者其它原因导致肠道中微生物的构成发生变化。最突出的例子是IBD或者重复艰难梭菌感染可以导致肠道微生物的多样性大幅度减弱。而治疗这些疾病的一个重要手段是粪便微生物移植（fecal microbiota transplantation, FMT）。多项临床表明，使用FMT治疗艰难梭菌感染能够达到80%的成功率。FMT疗法的成功为微生物在疾病病理发生中的重要作用提供了强有力的证据，同时显示出基于微生物的疗法的潜力。
然而，粪便中哪些成分带来了FMT疗法的成功却还没有得到完全澄清。这导致随后使用FMT或者粪便提取物来治疗其它疾病时的效果参差不齐。例如，一款使用人类粪便提取物制成的在研疗法SER-109在1期临床试验中表现出治疗艰难梭菌感染的可喜疗效，也因此获得了美国FDA授予的突破性疗法认定。然而，在随后的2期临床试验中却无法重复这些结果。这可能是因为SER-109是从健康志愿者提供的粪便中提取生成的，不同志愿者体内肠道微生物组成不同，导致不同批次的SER-109中含有的治疗艰难梭菌感染的有效成分也不一样。
因此，我们需要开发理性设计的微生物疗法，找出详细验证过的细菌种类，用已经阐明的机制来治疗特定疾病。那么，如何才能够找到这些“好”细菌种类，并且发现治疗特定疾病的机制？
发掘微生物与宿主健康之间因果关系
目前发掘特定微生物种类与宿主健康之间因果关系的手段可以大致被分为两类，这两类研究方法可以起到相辅相成的作用。
第一类研究方法使用称为悉生动物（gnotobiotic animals）的动物模型来研究一种或少数几种细菌对宿主的影响。这些动物模型使用肠道中没有细菌的无菌动物，然后在它们肠道中引入一种或几种细菌，并且分析这些细菌带来的影响。将这些细菌植入到疾病模型（例如肥胖症）中可以进一步分析它们对治疗或者加重特定疾病的影响和作用机制。
另一种方法是分析在疾病状态下发生变化的微生物分子或代谢物。使用这种策略，研究人员可以通过分析宏基因组数据（metagenomics data）来发现与特定疾病相关的生物合成信号通路，并且据此发现多种拥有这一生物合成信号通路的微生物。
▲发掘特定微生物种类与宿主健康之间因果关系的手段（图片来源：参考资料[2]）
这两种策略从不同角度寻找治疗性细菌，将两种策略结合起来，可能发现多种使用不同机制治疗疾病的微生物，从而构成组合疗法，更有效地治疗特定疾病。
微生物介导的免疫调节
使用悉生动物和基于代谢物的研发手段已经发现了很多具有免疫调节作用的细菌和细菌代谢物。它们对宿主免疫细胞的影响和影响免疫反应的机制对理性构建微生物疗法至关重要。
产生抗炎症效果的微生物种类及其作用机制
婴儿双歧杆菌（Bifidobacterium infantis）是一种常见的益生菌，它在母乳喂养的婴儿体内最多。婴儿双歧杆菌能够通过刺激树突状细胞中Aldh1a2基因的表达，促进维甲酸（RA）的生成，与TGFβ相结合，刺激FOXP3+ 调节性T细胞（Treg）的生成。
脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）表面的多糖A（PSA）能够通过与TLR2受体相互作用，引发FOXP3+ Treg细胞的增生和IL-10细胞因子的产生，从而起到抗炎症作用。
除了这两种细菌以外，某些梭状芽胞杆菌（Clostridia）中提取的短链脂肪酸，两歧双歧杆菌（Bifidobacterium bifidum）表面表达的CSGG多糖，也能够通过不同信号通路刺激FOXP3+ Treg细胞的增生。而由FOXP3+ Treg细胞介导的免疫抑制机制可能用于治疗炎症性肠病。
▲微生物的抗炎症作用（图片来源：参考资料[2]）
产生促炎症效果的微生物种类及其作用机制
分段丝状细菌（SFB）吸附在肠道上皮细胞上后会激活Th17辅助型T细胞，并且促进IL-17细胞因子的分泌。SFB还能够促进促炎症的IL-22细胞因子的产生。Th17辅助型T细胞是多种肠道细菌引发促炎症作用的节点。它的过度激活会导致自身免疫性疾病，例如类风湿性关节炎。
此外，肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）和沃氏嗜胆菌（Bilophila wadsworthia）能够激活Th1辅助型T细胞，并且促进干扰素γ（IFNγ）的生成。这会加重肠炎的症状。
▲微生物的促炎症作用（图片来源：参考资料[2]）
微生物对免疫检查点抑制剂疗法的影响
基于微生物的疗法的一个研发重点是，澄清微生物与癌症疗法之间的联系。这可能是微生物科学在今后5年中发展最快的方向。免疫检查点抑制剂给癌症治疗带来了革命性的改变，然而患者对这一疗法的反应并不一致。最近的研究表明，肠道微生物菌群的构成可能是导致这一现象的原因之一。
三个不同的研究团队通过在无菌小鼠模型中植入癌症患者粪便，研究了肠道微生物菌群构成对抗PD-1抗体效果的影响。他们发现，对抗PD-1疗法产生反应的患者的粪便，在小鼠中也能帮助显著减缓肿瘤生长。这显示出肠道微生物与抗PD-1抗体疗效之间的因果关系。
这些研究分别发现了与免疫检查点抑制剂疗效相关的不同菌种，其中包括Akkermansia muciniphila，双歧杆菌，和Faecalibacterium。
微生物疗法领域的先驱公司Seres Therapeutics已经开始1b期临床试验，检验该公司的SER-401能否增强患者对抗PD-1疗法的反应。SER-401是从健康志愿者中获取的口服微生物疗法，它的细菌特征与对免疫疗法产生反应的患者类似。
▲微生物对抗癌免疫力和免疫检查点抑制剂疗效的影响（图片来源：参考资料[2]）
理性设计微生物疗法
对微生物和宿主免疫系统相互作用机制的进一步理解，将帮助我们发现治疗性微生物。与口服纯化的化合物相比，使用微生物疗法具有以下几个优势：由于微生物生活在身体的特定区域，它们可以向宿主递送生理浓度的分子，避免使用高剂量的全身性疗法，从而避免与之相关的毒副作用。而且，如果微生物能够长久定植，它们可以提供一种长期治疗的选择，可能只需要几次疗法就能够达到长期使用纯化分子的效果。再者，活细菌能够激发宿主的多种信号通路，可能通过尚未发现的机制来增强治疗效果。
如果不需要激活多种信号通路，那么使用纯化的微生物代谢物可能是一个可行的治疗选择。例如，Symbiotix Therapeutics的主打产品SYMB-104是一款从脆弱拟杆菌中提取的PSA产品，它能够促进调节性T细胞的生成和抗炎症IL-10的产生。目前在临床前试验中用于治疗IBD，多发性硬化症和其它免疫介导的疾病。
▲理性设计微生物疗法的不同手段（图片来源：参考资料[2]）
在设计基于微生物的疗法时，非常重要的一点是，开发策略让外来具有免疫调节功能的疗法长期定植在已有的复杂微生物菌群中。由于不同人之间的微生物菌群存在异质性，预测细菌定植能否成功仍然是一个挑战。我们需要综合实验手段和计算机模型来设计微生物疗法，在保证免疫调节效果的同时维持微生物长期定植的能力。
使用外来的营养成分是一种帮助微生物稳定定植的手段。例如，像菊粉这样的益生元，可以帮助某些种类的共生菌的生长。由益生菌和益生元共同构成的合成素组合疗法（synbiotic therapy）在新生儿中能够成功防止败血症的发生。
合成生物学的进展让我们能够根据治疗需求来设计微生物疗法。例如，通过合成生物学可以对乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）进行改造，让它们生成具备抗炎症功能的细胞因子IL-10，从而起到治疗IBD的作用。对这一菌株的进一步改造让它们需要外源胸苷或胸腺嘧啶才能存活，从而提高了疗法的安全性。随着细菌遗传工程技术的进步，我们可以让微生物成为在局部递送高剂量生物活性化合物的载体。
结语
微生物的多变性让它成为吸引人的治疗靶标，添加或消除特定微生物种类可能引起局部和全身的免疫反应的重大改变。进一步理解微生物——代谢物——免疫系统之间的关联，能够让我们开发出平台技术，选取特定微生物来构成针对特定适应症的靶向疗法。不管使用人工合成或者天然的微生物，进一步理解微生物代谢产物对宿主免疫系统的影响，都将显著提高我们理性设计微生物疗法的能力。
参考资料：
[1] Microbiome companies look beyond the gut for new therapies. Retrieved April 8, 2019,
[2] Skelly et al., (2019). Mining the microbiota for microbial and metabolite-based immunotherapies. Nature Reviews Immunology
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