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拒绝盲人摸象!益生菌研发如何走向精准?

发布日期:2020-08-31 08:42:33 访问次数:176

今天,我们特别编译了近期发表在 Nature Microbiology 上的一篇关于精准益生菌开发的评论文章。希望该文为相关的产业人士和读者带来一些启发。

益生菌的鉴定

在发现一些双歧杆菌属的细菌可作为潜在有益微生物的一个多世纪后,我们鉴定可有效地对人类健康产生可重复影响的益生菌菌株方法,仍然主要是通过自上而下的策略进行的,换句话说就是选择那些通常仅在健康个体中富集的微生物进行研究。

益生菌广受大众欢迎,但是,它们的功效并不稳定,时好时坏,参差不齐,并且在工业界与医学和科学界间,存在着很大的争议与冲突。精准益生菌的研究有可能会通过解决益生菌菌株、个体及其微生物组中存在的异质性问题,来解决这些争议。

在这篇评论中,我们讨论了从益生菌领域的现有方法中所获得的经验教训,以及在开发精准益生菌的过程中,所将面临的挑战和亟待开展的相关工作,并以基于表型和靶目标的筛选策略和以人为中心的试验为重点,进行了阐述。

自上向下的策略

历史上,益生菌的发现,归功于自上向下的策略,也就是说,健康个体中富集的微生物(与处于疾病状态下的个体相比),被认为是对人体有益的,并且其在被人类服用后,将会对人体的健康产生益处。

在过去的一个世纪里,这种依赖于经验主义的方法帮助我们发现了一系列的益生菌候选者,包括双歧杆菌和乳酸菌菌株,还有大肠埃希菌 Nissle1917 ,以及最新发现的艾克曼菌。而 Elie Mechnikoff 开创了另一种挖掘益生菌的经验性途径,这种方法依赖于发酵食品的消耗与它们所产生的健康益处之间的联系。

分子检测手段的出现,大大提高了我们识别新的益生菌候选者的能力,因为在以前,这些候选微生物(例如普拉梭菌和艾克曼菌)的培养受到严格的生长条件的限制 【1】 。

虽然这种经验至上的方法,为益生菌的开发提供了强有力的指导作用,但是,在缺乏机制信息的前提下,该种方法必然依赖于多次反复的试验,才能最终确定其确切的健康益处。这导致了不同文献的结果互相矛盾,从而增加了益生菌使用过程中的所应遵循的临床指南的制定的复杂性 【2】 。

益生菌补充剂,大多情况下是由普通民众先使用验证,然后再作为有益微生物被临床医生推荐给病人服用。这一过程与科学文献中所证明的事实,形成了鲜明的对比。

在科学文献中,益生菌的功效既有菌株特异性,也有适应症特异性 【3】 。个体因素如饮食、年龄和宿主微生物组也会导致益生菌补充剂所产生效果的异质性 【2】 。益生菌在肠道内的定殖时间是持久的还是暂时的,也因个体而异,这取决于宿主的常驻微生物组的组成(除去其它的潜在因素外)。

有几项研究表明,存在少数服用了乳酸杆菌或双歧杆菌的个体,在停止服用后,粪便样本中这些细菌消失了 【4~6】 ,该结果突显了定殖抗性的个体差异性,这也可能解释了为什么当前益生菌的有益作用往往仅限于给药周期【7】 。

最近的研究表明,相对于对允许新微生物定殖的微生物组,对新微生物的定殖具有抗性的微生物组对益生菌的干扰,表现出更好的恢复能力 【2,6,8】 。这种可变的影响是否与有限的宿主反应有关,仍有待阐明。

但它表明,目前基于经验的研究益生菌的方法是存在局限性的。因为我们无法对微生物的定殖情况进行预测,并根据个体的自身特点定制菌株。

图1 益生菌和精准益生菌的开发模式。自上而下的策略包括观察性证据、人体和动物模型中的因果关系测试,以及在某些情况下,相关机理或宿主反应的描述。自下而上的策略包括基于表型或靶目标的筛选。在作用机理和宿主反应方面都有着深刻理解的精准益生菌,将从这两种开发模式中产生,并将服务于精准营养或预防医学。匹配个人特定数据和干扰益生菌功效的已知因素的算法,将有助于不同人群或个体中的最佳益生菌模式的鉴定。

自下而上的策略

除了上述自上而下的策略外,自下而上的益生菌筛选策略,已成为了肠道微生物领域中所取得的最新进展的一部分。与药物发现相类似,自下而上的益生菌筛选策略包括两条发展路线:基于表型和基于靶目标的筛选(图1)。

表型方法,是通过使用体外和离体细胞培养以及能够提供免疫、神经、代谢或微生物数据的动物模型,依据细胞和动物对微生物所产生的效应进行筛选。

运用该种方法的一个例子是对鼠李糖乳杆菌 JB-1 的开发。该菌株是先通过体外筛选确认,然后在焦虑和抑郁小鼠模型中,利用体内实验中证明了该菌株可以减少皮质酮的释放量,改变 γ-氨基丁酸受体的表达并改善与应激相关的社交和探索行为。然而,这些健康益处并没有在人类身上得到重复 【10】 。

基于靶目标的发现益生菌候选者的策略,主要是通过计算机模拟的方法进行预测,以评估细菌所产生的可调节宿主或微生物相关信号通路的分子效应物的能力,这些分子效应物被认为可在健康或疾病的发生中起着至关重要的作用。

这种计算机模拟预测方法,需要运用到多种组学手段(如基因组学、转录组学、代谢组学和蛋白质组学),还可能使用到代谢重建的手段,以推断所筛选出的微生物的代谢能力。

Hafnia alvei 4597 菌株的鉴定,便是成功运用了这一策略。该微生物被选作大肠杆菌 ClpB 同源基因的食品级给药载体,该蛋白质可模拟哺乳动物神经肽 α-黑素细胞刺激素(α-MSH)造成的饱腹作用 【11】 。

H. alvei 4597 所导致的厌食作用已在小鼠中得到验证 【11】 ,目前正在进行临床试验 【12】 。这个例子向我们说明了,理解微生物与其宿主之间的分子相互作用,可以指导我们筛选食品级微生物(如双歧杆菌和乳酸杆菌),从而开发出在食品或补充剂中易于使用的益生菌。

由于其更精细的表征,这些通过自下而上的方法鉴定出的益生菌候选者们——以下称为“精准益生菌”——将成为精准药物和营养的更好的候选者,因为对它们有反应的个体,可以很容易地通过表型或靶目标鉴定出来(图1)。

如果确定了宿主反应和/或作用机制的决定因素,那么,通过自上而下策略开发出的益生菌,最终就可能成为精准益生菌(图1)。

肠道细菌所产生的代谢物,如短链脂肪酸、氨基酸以及它们的代谢产物、维生素、多胺和次级胆汁酸等,在宿主健康和疾病中起到了重要的作用,这些作用包括免疫调节、心脏代谢健康、神经变性和癌症等。

因此,肠道菌群很可能成为精准益生菌发挥相关功能的靶标。例如,它们可用于刺激有益微生物代谢产物的产生,抑制有害化合物的产生,或通过引入在肠道炎症或暴露于抗菌药物后受到损害的关键物种,来恢复代谢网络的生态平衡。

精准益生菌面临的挑战

虽然鉴定精准益生菌的方法,有可能避免了上文所提到的目前依赖于经验的方法的局限性,但是,若想使用它,仍需要解决若干挑战。

第一个挑战来自于益生菌菌株的异质性。当我们想要告诉临床医生和消费者,特定的医疗条件下的最佳菌株和/或组合治疗方案会受到当前研究的限制。因为现有的研究无法提供多个益生菌菌株或制剂在特定的适应症、特定的人群甚至是动物模型中的效果。

因此,荟萃分析缺乏足够的统计能力,无法准确识别在特定临床环境下表现出疗效的菌株,而是依赖于对不同菌株进行的综合研究。

更大的挑战在于如何预测菌株在不同个体中的疗效,这可能需要获得大量的宿主数据(包括遗传学、人体测量学和免疫分析)和微生物组数据(如种水平的组成、转录组学和代谢组学),以及鉴定出可预测定殖抗性和/或健康结果的相关生物标志物。

例如,虽然补充前的微生物组的组分有助于预测益生菌的定殖抗性 【2,5,6】 ,但是,对定殖起到调节作用或者可作为生物标记物的特定微生物及其代谢产物,仍有待于鉴定,尤其是在单个益生菌菌株的水平上。并且其他的个体特异性因素,如饮食、生活方式和免疫系统等,都可能影响微生物的定殖抗性及其安全性。

此外,在益生菌补充过程中,粪便样本并不能准确地反映肠道菌群的定殖情况和对肠道菌群的实际影响,因此,很有必要设计出非侵入性的方法,来识别相互兼容的“益生菌-个体”配对。

由于人类胃肠道非侵入性原位成像的研究进展,这一目标有可能通过可摄入的微工程渗透药丸实现:可以利用外源性磁力对微工程渗透药丸进行控制,以对肠道内感兴趣的区域进行取样,该方法目前正在临床前模型中进行测试。

另一个需要被考虑的重要因素,是安全性。因为外源性微生物会对微生物组造成意想不到的影响,甚至会对易感人群的健康带来损害,比如导致菌血症或者真菌血症 【2】 。因此,了解外源性益生菌(无论是传统的还是新型的)与宿主和微生物组之间相互作用的机制,对于提高疗效和安全性,都具有重要意义。

若要综合分析可能干扰益生菌功效的诸多因素,则需要我们开发出相应的算法。当我们提供并输入这些个体化参数时,该算法可以建议出能产生有益效果的最佳益生菌模式(图1)。

为了实现这个目标,一方面,科学家们需要继续努力利用自下而上的研究手段,更好地理解对可被益生菌调节的生理或病理信号途径。另一方面,需要进一步将收集和处理个人信息的工具数字化,并且要将它们与宿主和微生物组的基因组学和代谢组学的数据进行整合(图1)。

随着量化的工具(例如,与健康相关的设备、基因组学和宏基因组学)可被广泛获得,民间科学家也可以成为开发精准益生菌的新兴的力量 14 。今天,个人已可以根据自身的经验,对益生菌进行筛选,但是,是否能达到预期得效果,尚无数据记录。

建立标准化的方法,允许生物公民在“N-of-1 试验”中进行自我试验,并报告他们在使用益生菌过程中的经验,再加上个性化的测量手段的建立,这将极大地扩展我们对异质人群中不同益生菌活性的理解和认知。这种方案需要设计严格的验证实验,并在集中收集数据时进行合理的安全评估,同时还要严格保护参与者的个人信息。

精准营养和预防医学的基础

据估计,到 2030 年,将有超过 1 亿的美国公民接受基因组测序 15 。如果直接面向消费者的肠道微生物分析也能够遵循同样的趋势,那么在接下来的十年内,相当一部分的普通人也将有可能对他们自身的微生物组进行测序。

虽然在今天,这些个人信息的采集与获得的可操作性仍然很差,但是在不远的将来,它将可能成为以微生物为中心的,包括精准益生菌在内的,精准营养和预防医学的基础。在未来,为了健康,个人将被推荐个性化饮食和能够良好地适应他们的独特的微生物组的精准益生菌。

参考文献:

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2.Suez, J., Zmora, N.,Segal, E. & Elinav, E. Nat. Med. 25, 716–729 (2019).

3.Sniffen, J. C.,McFarland, L. V., Evans, C. T. & Goldstein, E. J. C. PLoS ONE 13, e0209205(2018).

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5.Maldonado-Gomez, M. X.et al. Cell Host Microbe 20, 515–526 (2016).

6.Zhang, C. et al. ISME J.10, 2235–2245 (2016).

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8.Zmora, N. et al. Cell174, 1388–1405 (2018).

9.Swinney, D. C. Clin.Pharmacol. Ther. 93, 299–301 (2013).

10.Kelly, J. R. et al.Brain Behav. Immun. 61, 50–59 (2017).

11.Lucas, N. et al.Microorganisms 8, E35 (2019).

12.TargEDys. Study toevaluate benefit of ProbioSatys on weight reduction in overweight subjects.ClinicalTrials.gov https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT03657186 (2018).

13.Suez, J. et al. Cell174, 1406–1423 (2018).

14.Schork, N. J. Nature520, 609–611 (2015).

15.Rashkin, M. D. et al.J. Genet. Couns. 28, 456–465 (2019).

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41564-020-0721-1

作者| Jotham Suez,Muriel Derrien 和 Eran Elinav

编译|朱国利

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