今天分享一篇，3月12日发表在 Cell 旗下的 Cell Host & Microbe 期刊中的一篇文章。

每个人身体中包含数以万亿计的细菌，通常被称为微生物组。每个人体内的微生物，可能都是独一无二的，就像指纹图谱一样。

Longitudinal profiling of the microbiome at four body sites reveals core stability and individualized dynamics during health and disease

=============结果===============

结果1：实验设计

作者在6年时间内，收集了86个志愿者粪便、皮肤、口腔和鼻腔的微生物（图1A）。86个志愿者包含41名男性、45名女性，年龄在29-75，BMI在19.1-40。每季度采样一次。当志愿者患有呼吸道疾病、接种疫苗或服用抗生素时，还会在五周以内再额外采集3-7份样本。

同时，这批数据还有一个优点就是拥有多个组学的特征（图1B）：比如有非靶向蛋白质组学（302种蛋白质）、非靶向代谢组学（724种注释代谢特征）、靶向脂质组学（846种注释脂质）和62种靶向细胞因子和生长因子测量，以及51种临床标志物，包括血浆样品中的C反应蛋白（CRP）、空腹血糖（FG）、血红蛋白A1C（HbA1C）、低密度脂蛋白（LDL）和高密度脂蛋白（HDL）等（图1A）。同时，包含血糖控制报告，包括对所有参与者的年度口服葡萄糖耐量测试和对58名个体的金标准稳态血糖（SSPG）测量，将28名个体归类为胰岛素敏感性（IS），将30名个体分类为胰岛素抵抗（IR）（图1C）。
总的来说，这个样本数据包含了3058个就诊数据，5432份样本数据（1467份样本、926份粪便样本、1116份皮肤样本、1001份口腔样本和922份鼻腔样本），共产生118124374份测量结果。

结果2：不同部位的微生物变化和个体差异：饮食和环境的影响

作者首先按采集部位进行了分类，发现不同部位的微生物可以明显分开，说明了每个部位的微生物具有明显的区域特征（图1D）。粪便微生物组主要包含拟杆菌门和厚壁菌门；口腔微生物组主要由普雷沃氏菌、链球菌、韦氏菌、嗜血杆菌、奈瑟菌和钩端菌组成；皮肤和鼻腔微生物组样本共同呈现三角形分布，主要由三个优势属驱动：Cutibacterium、Corynebacterium和Staphylococcus（图1D和S1A）。微生物的分布与其它研究结果类似，与研究中胰岛素敏感性的参与者多样性无关。
作者利用个体之间的相关系数发现个体微生物在ASV水平比在大的分类水平上影响更显著（附图S1C）。尽管有相似的生态特征和主要细菌成分，但鼻腔微生物组比皮肤微生物组表现出更大的个性化，即基因型以来（附图S1D），这可能是因为鼻腔微生物组动力学更依赖于宿主。

虽然季节和饮食等环境因素会影响人类微生物组，但作者研究结果表明，季节性对肠道微生物组的影响相对较小，可能是由于直接暴露在外部，皮肤微生物组表现出最大的季节动态。其次是口腔微生物组，它可能由季节性饮食变化形成，因为它比其他部位解释了更多的饮食变化（附图S1E）。这些发现不仅将我们对肠道微生物组特异性和个体性的了解扩展到其他身体部位，而且还拓宽了我们对环境对微生物组影响的理解，饮食影响口腔微生物组，环境暴露影响皮肤和鼻腔微生物组。

图1 附图1
附图1

结果3：不同部位的微生物组在生态上是独特的，并在胰岛素抵抗方面发生了改变

除了个体和环境因素的影响以外，身体不同部位的微生物组成具备不同的生态属性（图1E）。粪便微生物组表现出最大的丰富性和均匀性，说明其功能的复杂性。相比之下，尽管皮肤微生物组的丰富度分布相似，但与鼻腔微生物组相比，皮肤微生物组由于其较低的均匀性而显示出更为偏斜的种群。并且作者发现，这些生态特征通常会随着疾病的进展而变化，与先前IR相关肠道微生态失调的研究结果一致，其特征是粪便微生物组的α多样性显著降低（t=2.8462，p=0.0067）。此外，所有四个身体部位的丰富度-均匀度散点图（图S1H）的变化表明IR个体存在系统性生物失调，突出表现为皮肤微生物组丰富度（t=−2.9102，p=0.0057）（图S1H）和均匀度（t=–2.4393，p=0.019）（图S1 h）显著升高。这些变化表明，IR相关的微生态失调超出了肠道微生物组。
接着，作者定义了一个称为“核心微生物组”的几个。发现粪便和口腔微生物群保持着超过25个高度流行的核心属，而鼻腔和皮肤微生物群只有三个（图1F）。一些核心属的相对丰度较低（球菌的平均流行率=80.75%；平均相对丰度=0.544%），表明了低丰度菌株的潜在意义（附图S1I）。粪便和口腔微生物组中核心属的丰富度分别与SSPG（Spearman-Rho=-0.52，p=0.00047）和BMI（Spearman Rho=-0.40，p=0.005）呈负相关（附图S1J），表明IR和肥胖可能与这些部位核心微生物组的缺失有关。

作者进一步探讨了IR和IS个体之间的微生物组生态学变化。与IS个体相比，IR受试者的皮肤核心属数显著增加（t=−2.5856，p=0.014），粪便核心属数明显减少（t=2.9659，p=0.0051）（附图S1K）。值得注意的是，几种产丁酸的细菌（即Coprococcus、Parastuterella和Butyricicoccus）在IR粪便核心微生物组中减少，而与糖尿病相关的机会性皮肤病原体（即Finegoldia和不动杆菌）在IR个体的皮肤核心微群中富集（附表S1C）。此外，我们发现粪便和皮肤微生物组的等级患病率曲线存在明显差异（附图S1L），表明在这两个位点，IR个体的全球微生物患病率发生了变化。
此外，IR和IS个体之间的几个分类群在相对丰度上存在显著差异。IR个体的粪便微生物组表现为Phocaeicola属的增加（线性判别分析效应大小[LEfSe]：0.03；Benjamini Hochberg[BH]调整后的p=0.017）和未分类瘤胃球菌科的减少（LEfSe:0.017；BH调整后的p=0.0039），而皮肤微生物组表现为Cutibacterium属的减少（LEfSe:0.069；BH调整前的p=0.007）和Peptoniphilus属的增加（附图S1M；附表S1D）。在口腔和鼻腔微生物组中没有观察到这种差异。这些发现进一步表明，IR个体的皮肤和粪便微生物组稳定性发生了改变。总体而言，我们的研究结果表明，IR参与者表现出粪便微生物组的丰富度和丁酸产生菌减少，皮肤微生物组更容易受到机会性病原体的影响。

结果4：不同部位的微生物的稳定性和个体差异性：个性化干预的潜在途径

接下来，作者在属水平查看了不同部位微生物组的稳定性。作者用参数DMI（微生物个体度）来量化个体和群体的相似性。高DMI意味着高度的个体特异性。作者还计算了FS（家庭得分）来评估家庭中微生物的差异性。结果表明4个部位微生物组，与不同个体之间观察到的变异相比，个体内和家族内的变异显著减少（图2A）。无论相对丰度如何，DMI在粪便微生物组中都很高（图2B），特别是在拟杆菌门中（图2C），这可能是由于其显著的适应性进化和显著的定殖能力。此外，粪便微生物组的FS最低，而口腔和鼻腔微生物组在家庭中具有更大的相似性（附图S2A），可能是由于共同的生活环境或直接的微生物组交换。
这个研究中数据显示，不同身体部位的DMI差异很大，这可能是由于特定生态位分类复杂性（图2D）。例如，鼻腔中的棒状杆菌和粪便中的拟杆菌分别显示出最高的DMI。这些结果表明，特定的微生物类群适应各自的生态位，可能表现出更强的个体化。因此，每个身体部位的微生物群落在很大程度上是由特定生态位的相互作用形成的。相反，环境属如克雷伯菌和嗜血杆菌1在所有检查的身体部位都显示出一致的低DMI，这表明外部环境因素对天然宿主微生物组的个性影响相对较弱。有趣的是，在根据每个属的相对丰度调整个体的集体DMI后，我们发现IR个体的粪便微生物组的个体性显著增加（附图S2B），这可能是由于IR个体中拟杆菌门的增加。

总体而言，每个特定属的DMI和FS指标提供了微生物宿主特异性的总体视角。同时，它们为群落的分类组成以及环境因素对宿主微生物组的潜在影响提供了至关重要的见解。此外，DMI提供了微生物型的重要生态特征，包括粪便微生物组中的“肠道型”或皮肤微生物组的“切口型”。

图2

结果5：微生物个性和稳定性的相互作用

先前的研究表明，微生物组的稳定性是高度个性化的。因此，我们探索了微生物个性和身体部位稳定性之间的关系。作者首先查看了属的定殖率，通过定义ASV的一致性实现（一个属一个或多个连续样本中未被检测到的概率）。除了口腔微生物组（图3A）外，所有三个身体部位的定殖率均与DMI显著正相关。这种相关性在鼻腔微生物组中最强（图3A），这可能解释了上述观察到的高ICC。令人惊讶的是，在IR和IS个体之间没有发现再定殖率的差异（附图S3A）。研究结果表明，高度个体化的菌株更有可能重新定殖，这验证了粪便移植研究提出的假设，并暗示了其在治疗IR相关微生态失调方面的潜在疗效。
另外，分析结果显示，粪便微生物组随着时间的推移变化更慢，鼻腔部位的变化速度最快（p<0.001）（图3B）。此外，正如线性混合模型所证明的那样，IR个体在粪便和皮肤微生物组中的稳定性明显低于IS个体（粪便p:1.82×10−6，皮肤p:2.84×10−12），这证实了我们的研究结果，即IR和IS参与者在这两个身体部位的微生物丰度差异更大（附图S1M）。

图3

结果6：不同身体部位微生物组个体内和个体间相关性

然后，作者调查了微生物组动力学是否在群体和个体水平，各个身体部位存在个体内关联特征。分层聚类表明，皮肤和鼻腔部位之间的个体微生物组有很强的相关性，而粪便微生物组与其他身体部位的相关性较小（图3C）。
IS和IR个体之间的比较表明，这两组都有很强的皮肤-鼻腔联系，但皮肤-口腔相关性仅限于IS个体（图S3B和S3C）。这意味着IR状态破坏了皮肤或口腔微生物组的稳定性，可能是由于宿主对微生物组稳定性的调节受损，或是由于与IR相关的粘膜免疫受损，这是身体部位之间微生物相互作用的关键因素。
由于微生物通常通过相互作用维持宿主的正常运行，作者分析了那些身体部位有较强的微生物相互作用。结果发现，8.23%的粪便属配对（5671）在个体内显著相关，主要是厚壁菌门（图3D）。令人惊讶的是，口腔微生物组的协同作用最高（50.17%），其次是皮肤（47.51%）和鼻腔（38.36%），这表明了每个身体部位微生物组成员之间的强烈协同作用（表S3A）。
不同部位之间的微生物互作分析结果表明，皮肤和鼻腔部位的成员相关性最强（占所有可能配对的15.57%）（图3D）。然而，在每个身体部位的核心微生物群中，显著的区域特异性仍然很明显（表S3B）。例如，三个主要的核心属——棒状杆菌属、葡萄球菌属和角质杆菌属——在皮肤和鼻腔部位之间没有纵向相关性。同样，口腔普雷沃氏菌的丰度与其在粪便微生物组中的丰度无关，这与我们在口腔普雷沃氏菌中观察到的高FS（而不是粪便普雷沃氏菌）一致（表S2C）。
尽管已经报道了身体部位之间的失调微生物组易位，作者的结果表明，这些易位病例可能不涉及特定生态位的核心分类群。此外，与相互作用较低的属相比，相互作用较高的属表现出较低的DMI（图3E），这表明高度个体化的微生物组表现出更大的时间稳定性。也就是说，那些造就我们个体与其他人体内微生物有所不同的微生物菌群，反而是我们体内最稳定的存在。

结果7：胰岛素对于身体不同部位微生物组的影响

已知三种强烈的扰动事件——感染、疫苗接种和抗生素使用——会导致粪便微生物组破坏。在3个月内，IR个体的粪便微生物组在健康就诊和扰动之间表现出比IS个体更大的时间变化（图3F）。然而，这种模式在其他身体部位并不一致，这表明特定地点的微生物组对这些事件有反应。与IS个体不同，IR个体在呼吸道感染期间表现出粪便微生物组均匀性降低，并且鼻微生物组缺乏扰动（图S3E），这可能是由于在IS个体中观察到的与IR相关的粘膜炎症较高，掩盖或取代了感染诱导的局部微生物组变化。
在感染过程中，我们发现了几个属的短暂增加，如粪便中的Alistipes、皮肤上的Peptoniphilus、口腔中的Prevotellaceae和鼻腔中Oribacterium。 相反，我们注意到粪便中簇状梭菌IV、口腔中未分类梭菌和鼻腔中未分类奈瑟菌的存在减少（图S3F–S3H）。尽管短暂的微生物变化在多大程度上导致IR相关的微生态失调尚不清楚，但IR皮肤样本中核心微生物组的显著增加可能表明急性扰动与核心微生物组组成的长期变化之间存在相关性。
总的来说，我们的研究结果表明，微生态失调可能通过位点特异性机制在不同的身体部位表现不同相应机制。

结果8：宿主免疫系统和身体各部位微生物组之间的相互作用

微生物稳定性可能与多种宿主调节机制有关，特别是免疫系统。接着，作者查看了62个宿主相关的生长因子和微生物组之间的关系。最终筛选了477种粪便、226种皮肤、318种口腔和221种鼻腔显著的微生物组，并且这些强相关性的微生物是身体部位特异性的（图4A）。相比皮肤和鼻腔微生物组，粪便和口腔微生物组显示出更广泛的微生物组相互作用（图4A）。有趣的是，与上皮/内皮生长和血管炎症相关的因子（即表皮生长因子[EGF]、血管细胞粘附分子[VCAM]-1和白细胞介素[IL]-22）、IL-1家族成员（即IL-1b和IL-1Ra）和瘦素相关的微生物组最多。作者进一步确定了一组因子，包括IL-1b、IL-1Ra、MCP3（趋化因子配体[CLL]-7）和IL-23，它们是通过效应大小影响微生物组的（图S4A）。部位特异性互作可能有助于特异生态类群的微生物。例如，莫拉克菌与皮肤上的23种因子呈负相关，但仅与鼻腔中的3种呈负相关（表S4B）。鼻腔中与免疫相关微生物的减少可能解释了莫拉克菌在鼻腔中的更高患病率。

接下来，作者研究了哪些门与细胞因子强相关，从而影响它们的稳定性和个性。厚壁菌门（主要是梭菌）的成员和所有部位细胞因子相关性均很高（图4B）。与其他门相比，这种相互作用可能是厚壁菌门在粪便微生物组中具有较高FS和较低DMI的原因。此外，厚壁菌门的增加与肥胖相关的肠道生态失调、炎症性肠病相关的口腔生态失调、和银屑病相关的皮肤生态失调等疾病有关，这些疾病都是炎症的共同原因。

有趣的是，细胞因子似乎在塑造个体的核心微生物组和抑制非共生细菌（包括变形菌门的许多细菌）的定殖方面发挥着关键作用。在四个身体部位中，作者发现非核心微生物群体与细胞因子的相关性强于核心微生物群体（图4C）。这种相关性在很大程度上是由变形菌门而非厚壁菌门驱动的，因为与核心微生物组相比，变形菌门始终在非核心微生物群体中占比跟高（图S4B）。变形杆菌通常携带强效脂多糖（LPSs）并引发下游免疫级联。先前的研究表明了炎症期间变形杆菌丰度的增加。相反，我们的研究表明，除了鼻微生物组中的变形杆菌成员外，细胞因子和变形杆菌丰度之间的相关性大多为负（图4D）。变形杆菌在粪便（W=25315，p=0.00439）、皮肤（W=4995，p=0.005214）和口腔部位（W=9443，p=9.649×10−5）中的负相关性更强，但在鼻腔部位（W=5218，p=0.2693）中的相关性较弱。
此外，粪便非核心微生物组中变形杆菌与细胞因子相关性（n=10）均不显著，而许多高患病率变形杆菌成员与细胞因子呈正相关（图S4C）。我们的研究结果表明，炎症可能有助于大多数普通变形杆菌的适应性调整。

宿主对细胞因子和趋化因子的反应可能与观察到的细菌属的丰度及其相对丰度有关。因此，我们研究了细胞因子与每个部位中20个最具多样性属的丰度之间的相关性。拟杆菌门中几个流行的粪便微生物组属的丰度，如普雷沃氏菌、Phocaeicola和副拟杆菌，形成了一个主要呈负相关的集群（第3列，图4E），这与我们的发现相呼应，即拟杆菌门成员的相对丰度更有可能与细胞因子呈负相关（图4D）。此外，瘦素和粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）均与BMI密切相关（图S4D），与丰度的总体相关性最强（行簇F，图4E）。这将众多研究关于肥胖对肠道微生物组多样性影响的发现扩展到了其他身体部位。此外，我们发现七个皮肤属（列簇1，图4E）与一个细胞因子簇（行簇a，图4E）呈正相关，表明特定皮肤属（如Rothia、Veillonella和链球菌）的丰度与血浆细胞因子水平呈正相关。因此，观察到的IR个体皮肤微生物组丰度的增加（图S6B）可能表明炎症期皮肤微生物组的宿主选择减少。
总的来说，分析结果阐明了慢性炎症和不同身体部位的微生物之间的相互作用。它将免疫系统与微生物组组成和个体化联系起来，并揭示了这些相互作用是如何响应胰岛素的。

图 4

结果9：微生物组与宿主分子高度相关：揭示其在胰岛素抵抗和炎症中的作用

为了全面探讨微生物组与宿主内部分子之间的关系及其在IR中的作用，我们分析了微生物组与宿主血浆蛋白、脂质和代谢产物之间的相关性。有趣的是，微生物组-宿主分子相互作用网络根据微生物组的内部分子组成而非身体部位进行划分（图5A），这表明某些分类群主要受内部分子的影响，而不是受宿主部位的影响。值得注意的是，三种肠道类型驱动群：拟杆菌类、普雷沃氏菌和未分类瘤胃球菌科，分别对脂质体、蛋白质组和代谢组区域表现出明显的偏好（图5A）。普雷沃氏菌与蛋白质之间的密切关系，以及拟杆菌与脂质之间的关系，在以前的研究中已报道。作者的结果加强了这以发现，例如额外的微生物群体和其它宿主分子之间的关心，并且这些关系是特异性的、系统性并且稳定存在的。

许多微生物类和-宿主分子之间的互作在不同部位之间一致的，说明了这些相互作用关系的稳健性。和预期类似，皮肤微生物组在微生物-脂质互作中表现出最广泛的连接性，而粪便微生物组主要与代谢组和蛋白质组相连（图5B）。皮肤微生物组相关蛋白富含调节脂质转运和代谢的途径，而粪便、鼻腔和口腔微生物组与宿主免疫反应（包括补体激活和体液免疫反应）的关系更紧密。口腔微生物组表现出与蛋白水解、水解酶活性以及酶、肽酶和脂肪酶抑制剂活性调节相关的蛋白质的显著关联（图S5B）。值得注意的是，在患有IR的个体中，粪便微生物组和宿主分子关系之间的网络复杂性显著降低（图S5C），表明这些个体失去了平衡。
另外，代谢产物，如与酒精相关的代谢产物乙基葡糖苷酸，与四个身体部位的相关的微生物群都能相互作用，表明酒精对肠道和口腔微生物群之外的更广泛的影响。值得注意的是，皮肤奈瑟菌和克雷伯菌因其与乙醛-和乙醇衍生物的关系，发现其与血浆乙基葡糖苷酸酯水平呈正相关（图5C）。相反，Faecalimonas，通常是一种产乙酸盐的细菌，对酒精敏感，与乙基葡糖苷酸呈显著负相关。此外，脱硫弧菌，一个促进微生物组相关代谢综合征的关键属，与乙基葡糖苷酸呈正相关。这些发现表明，酒精代谢与不同身体部位的微生物微生态失调相关。
我们还观察到微生物组属丰富度（宿主代谢状态的公认指标）和内部血浆分析之间的呈现显著的相关性。这些相互作用在粪便微生物组中最为明显，可能是由于其高丰富性（图5D）。有趣的是，我们发现对甲酚葡糖苷酸（一种仅由厌氧肠道微生物组产生并与胰岛素抵抗有关的抑菌代谢产物）与粪便中未分类瘤胃球菌科和奥氏杆菌的丰富性之间存在正相关。相反，它与通常被认为具有代谢益处的属呈负相关，如Roseburia（图5E）。这些发现表明，对甲酚葡糖苷酸可能通过改变宿主对梭状芽孢杆菌属某些属的耐受性来影响胰岛素抵抗相关微生态失调的影响。
总之，研究结果不仅验证了之前的发现，而且产生了更多的宿主与微生物之间的关联发现，增强了我们对人类微生物组、代谢产物和宿主健康之间复杂相互作用的理解。

图5

结果10：微生物介导的临床表型

接下来，作者研究了微生物、宿主分子和临床表型之间的潜在三者因果关系。
作者鉴定了涉及所有位点的微生物类群的330种定向显著相互作用，其中207种和164种相互作用分别在IS和IR参与者中检测到（图6A）。这些结果表明，潜在的微生物组-宿主因果关系存在，并随着IR状态的变化而变化，尽管仍有可能存在不明混杂因素。
与IS相比，我们观察到在IR个体中，粪便微生物组对血液学参数的细胞因子介导的影响显著降低（p=0.002）（图6B、6C），以及粪便微生物组的代谢组介导的对免疫表型的影响显著减少（p=0.002）。此外，在IR参与者中，皮肤微生物组和宿主血浆脂质/胆固醇之间不存在脂质介导的关联（p=0.031），这表明与IR中的血液学/免疫和脂质/胆固醇稳态相关的特定微生物组代谢相互作用失调（图6D、6E）。相反，相对于IS志愿者，口腔微生物组通过调节IR中的脂质（p=0.035）和细胞因子（p=0.0001）介导了很大一部分免疫反应，主要是通过主要口腔核心微生物组（如韦氏菌）之间的负相关关系（表S6B）。这些因果关系与先前的研究结果一致，糖尿病相关的口腔微生态失调可能是由核心共生口腔紫杉的丧失，和葡萄糖代谢受损期间常驻口腔细菌致病性的增加共同引起的。

图 6

上述海量的跟踪记录数据打破以往的一种固有执念，即每个人都应该追求相同一个黄金标准的微生物组以实现最佳健康。相反，每个人应该打造自己独有的一套健康微生物系统。