在一個多世紀前，人們首次發現了微生物的益處，從此拉開了益生菌的大幕。過去的研究發現，益生菌的菌株、劑量、適應癥以及人群的特異性都會影響其效果。而上述異質性問題迫使人們開始對益生菌的精準研究。
我們編譯了發表在 Nature Microbiology 上的一篇關于精準益生菌開發的評論文章。希望該文為相關的產業人士和讀者帶來一些啟發。
01、益生菌的鑒定
在發現一些雙歧桿菌屬的細菌可作為潛在有益微生物的一個多世紀后，我們鑒定可有效地對人類健康產生可重復影響的益生菌菌株方法，仍然主要是通過自上而下的策略進行的，換句話說就是選擇那些通常僅在健康個體中富集的微生物進行研究。
益生菌廣受大眾歡迎，但是，它們的功效并不穩定，時好時壞，參差不齊，并且在工業界與醫學和科學界間，存在著很大的爭議與沖突。精準益生菌的研究有可能會通過解決益生菌菌株、個體及其微生物組中存在的異質性問題，來解決這些爭議。
在這篇評論中，我們討論了從益生菌領域的現有方法中所獲得的經驗教訓，以及在開發精準益生菌的過程中，所將面臨的挑戰和亟待開展的相關工作，并以基于表型和靶目標的篩選策略和以人為中心的試驗為重點，進行了闡述。
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02、自上向下的策略
歷史上，益生菌的發現，歸功于自上向下的策略，也就是說，健康個體中富集的微生物（與處于疾病狀態下的個體相比），被認為是對人體有益的，并且其在被人類服用后，將會對人體的健康產生益處。
在過去的一個世紀里，這種依賴于經驗主義的方法幫助我們發現了一系列的益生菌候選者，包括雙歧桿菌和乳酸菌菌株，還有大腸埃希菌 Nissle1917，以及最新發現的艾克曼菌。而 Elie Mechnikoff 開創了另一種挖掘益生菌的經驗性途徑，這種方法依賴于發酵食品的消耗與它們所產生的健康益處之間的聯系。
分子檢測手段的出現，大大提高了我們識別新的益生菌候選者的能力，因為在以前，這些候選微生物（例如普拉梭菌和艾克曼菌）的培養受到嚴格的生長條件的限制1。
雖然這種經驗至上的方法，為益生菌的開發提供了強有力的指導作用，但是，在缺乏機制信息的前提下，該種方法必然依賴于多次反復的試驗，才能最終確定其確切的健康益處。這導致了不同文獻的結果互相矛盾，從而增加了益生菌使用過程中的所應遵循的臨床指南的制定的復雜性2。
益生菌補充劑，大多情況下是由普通民眾先使用驗證，然后再作為有益微生物被臨床醫生推薦給病人服用。這一過程與科學文獻中所證明的事實，形成了鮮明的對比。
在科學文獻中，益生菌的功效既有菌株特異性，也有適應癥特異性3。個體因素如飲食、年齡和宿主微生物組也會導致益生菌補充劑所產生效果的異質性2。益生菌在腸道內的定殖時間是持久的還是暫時的，也因個體而異，這取決于宿主的常駐微生物組的組成（除去其它的潛在因素外）。
有幾項研究表明，存在少數服用了乳酸桿菌或雙歧桿菌的個體，在停止服用后，糞便樣本中這些細菌消失了4~6，該結果突顯了定殖抗性的個體差異性，這也可能解釋了為什么當前益生菌的有益作用往往僅限于給藥周期7。
最近的研究表明，相對于對允許新微生物定殖的微生物組，對新微生物的定殖具有抗性的微生物組對益生菌的干擾，表現出更好的恢復能力2,6,8。這種可變的影響是否與有限的宿主反應有關，仍有待闡明。
但它表明，目前基于經驗的研究益生菌的方法是存在局限性的。因為我們無法對微生物的定殖情況進行預測，并根據個體的自身特點定制菌株。
圖1 益生菌和精準益生菌的開發模式。自上而下的策略包括觀察性證據、人體和動物模型中的因果關系測試，以及在某些情況下，相關機理或宿主反應的描述。自下而上的策略包括基于表型或靶目標的篩選。在作用機理和宿主反應方面都有著深刻理解的精準益生菌，將從這兩種開發模式中產生，并將服務于精準營養或預防醫學。匹配個人特定數據和干擾益生菌功效的已知因素的算法，將有助于不同人群或個體中的最佳益生菌模式的鑒定。
03、自下而上的策略
除了上述自上而下的策略外，自下而上的益生菌篩選策略，已成為了腸道微生物領域中所取得的最新進展的一部分。與藥物發現相類似，自下而上的益生菌篩選策略包括兩條發展路線：基于表型和基于靶目標的篩選（圖1）。
表型方法，是通過使用體外和離體細胞培養以及能夠提供免疫、神經、代謝或微生物數據的動物模型，依據細胞和動物對微生物所產生的效應進行篩選。
運用該種方法的一個例子是對鼠李糖乳桿菌 JB-1 的開發。該菌株是先通過體外篩選確認，然后在焦慮和抑郁小鼠模型中，利用體內實驗中證明了該菌株可以減少皮質酮的釋放量，改變 γ-氨基丁酸受體的表達并改善與應激相關的社交和探索行為。然而，這些健康益處并沒有在人類身上得到重復10。
基于靶目標的發現益生菌候選者的策略，主要是通過計算機模擬的方法進行預測，以評估細菌所產生的可調節宿主或微生物相關信號通路的分子效應物的能力，這些分子效應物被認為可在健康或疾病的發生中起著至關重要的作用。
這種計算機模擬預測方法，需要運用到多種組學手段（如基因組學、轉錄組學、代謝組學和蛋白質組學），還可能使用到代謝重建的手段，以推斷所篩選出的微生物的代謝能力。
Hafnia alvei 4597 菌株的鑒定，便是成功運用了這一策略。該微生物被選作大腸桿菌 ClpB 同源基因的食品級給藥載體，該蛋白質可模擬哺乳動物神經肽 α-黑素細胞刺激素（α-MSH）造成的飽腹作用11。
H. alvei 4597 所導致的厭食作用已在小鼠中得到驗證11，目前正在進行臨床試驗12。這個例子向我們說明了，理解微生物與其宿主之間的分子相互作用，可以指導我們篩選食品級微生物（如雙歧桿菌和乳酸桿菌），從而開發出在食品或補充劑中易于使用的益生菌。
由于其更精細的表征，這些通過自下而上的方法鑒定出的益生菌候選者們——以下稱為“精準益生菌”——將成為精準藥物和營養的更好的候選者，因為對它們有反應的個體，可以很容易地通過表型或靶目標鑒定出來（圖1）。
如果確定了宿主反應和/或作用機制的決定因素，那么，通過自上而下策略開發出的益生菌，最終就可能成為精準益生菌（圖1）。
腸道細菌所產生的代謝物，如短鏈脂肪酸、氨基酸以及它們的代謝產物、維生素、多胺和次級膽汁酸等，在宿主健康和疾病中起到了重要的作用，這些作用包括免疫調節、心臟代謝健康、神經變性和癌癥等。
因此，腸道菌群很可能成為精準益生菌發揮相關功能的靶標。例如，它們可用于刺激有益微生物代謝產物的產生，抑制有害化合物的產生，或通過引入在腸道炎癥或暴露于抗菌藥物后受到損害的關鍵物種，來恢復代謝網絡的生態平衡。
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04、精準益生菌面臨的挑戰
雖然鑒定精準益生菌的方法，有可能避免了上文所提到的目前依賴于經驗的方法的局限性，但是，若想使用它，仍需要解決若干挑戰。
第一個挑戰來自于益生菌菌株的異質性。當我們想要告訴臨床醫生和消費者，特定的醫療條件下的最佳菌株和/或組合治療方案會受到當前研究的限制。因為現有的研究無法提供多個益生菌菌株或制劑在特定的適應癥、特定的人群甚至是動物模型中的效果。
因此，薈萃分析缺乏足夠的統計能力，無法準確識別在特定臨床環境下表現出療效的菌株，而是依賴于對不同菌株進行的綜合研究。
更大的挑戰在于如何預測菌株在不同個體中的療效，這可能需要獲得大量的宿主數據（包括遺傳學、人體測量學和免疫分析）和微生物組數據（如種水平的組成、轉錄組學和代謝組學），以及鑒定出可預測定殖抗性和/或健康結果的相關生物標志物。
例如，雖然補充前的微生物組的組分有助于預測益生菌的定殖抗性2,5,6，但是，對定殖起到調節作用或者可作為生物標記物的特定微生物及其代謝產物，仍有待于鑒定，尤其是在單個益生菌菌株的水平上。并且其他的個體特異性因素，如飲食、生活方式和免疫系統等，都可能影響微生物的定殖抗性及其安全性。
此外，在益生菌補充過程中，糞便樣本并不能準確地反映腸道菌群的定殖情況和對腸道菌群的實際影響，因此，很有必要設計出非侵入性的方法，來識別相互兼容的“益生菌-個體”配對。
由于人類胃腸道非侵入性原位成像的研究進展，這一目標有可能通過可攝入的微工程滲透藥丸實現：可以利用外源性磁力對微工程滲透藥丸進行控制，以對腸道內感興趣的區域進行取樣，該方法目前正在臨床前模型中進行測試。
另一個需要被考慮的重要因素，是安全性。因為外源性微生物會對微生物組造成意想不到的影響，甚至會對易感人群的健康帶來損害，比如導致菌血癥或者真菌血癥2。因此，了解外源性益生菌（無論是傳統的還是新型的）與宿主和微生物組之間相互作用的機制，對于提高療效和安全性，都具有重要意義。
若要綜合分析可能干擾益生菌功效的諸多因素，則需要我們開發出相應的算法。當我們提供并輸入這些個體化參數時，該算法可以建議出能產生有益效果的最佳益生菌模式（圖1）。
為了實現這個目標，一方面，科學家們需要繼續努力利用自下而上的研究手段，更好地理解對可被益生菌調節的生理或病理信號途徑。另一方面，需要進一步將收集和處理個人信息的工具數字化，并且要將它們與宿主和微生物組的基因組學和代謝組學的數據進行整合（圖1）。
隨著量化的工具（例如，與健康相關的設備、基因組學和宏基因組學）可被廣泛獲得，民間科學家也可以成為開發精準益生菌的新興的力量14。今天，個人已可以根據自身的經驗，對益生菌進行篩選，但是，是否能達到預期得效果，尚無數據記錄。
建立標準化的方法，允許生物公民在“N-of-1 試驗”中進行自我試驗，并報告他們在使用益生菌過程中的經驗，再加上個性化的測量手段的建立，這將極大地擴展我們對異質人群中不同益生菌活性的理解和認知。這種方案需要設計嚴格的驗證實驗，并在集中收集數據時進行合理的安全評估，同時還要嚴格保護參與者的個人信息。
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05、精準營養和預防醫學的基礎
據估計，到 2030 年，將有超過 1 億的美國公民接受基因組測序15。如果直接面向消費者的腸道微生物分析也能夠遵循同樣的趨勢，那么在接下來的十年內，相當一部分的普通人也將有可能對他們自身的微生物組進行測序。
雖然在今天，這些個人信息的采集與獲得的可操作性仍然很差，但是在不遠的將來，它將可能成為以微生物為中心的，包括精準益生菌在內的，精準營養和預防醫學的基礎。在未來，為了健康，個人將被推薦個性化飲食和能夠良好地適應他們的獨特的微生物組的精準益生菌。
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原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41564-020-0721-1
作者｜ Jotham Suez,Muriel Derrien 和 Eran Elinav
來源：腸道產業，編譯｜朱國利，編輯｜笑咲
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