人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响

生物医学
人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响
麻省理工科技评论 2019-06-02

2019-06-02

北京时间 5 月 30 日,美国国立卫生研究院(NIH)人类微生物组计划(HMP)第二阶段——人类微生物组整合计划(iHMP)研究成果重磅发布。
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北京时间 5 月 30 日,美国国立卫生研究院(NIH)人类微生物组计划(HMP)第二阶段——人类微生物组整合计划(iHMP)研究成果重磅发布。

北京时间 5 月 30 日,美国国立卫生研究院(NIH)人类微生物组计划(HMP)第二阶段——人类微生物组整合计划(iHMP)研究成果重磅发布,以 Nature 封面、两篇 Nature 论文和一篇 Nature Medicine 论文的形式,阐述了人类微生物组和宿主之间的相互作用,对怀孕和早产、炎症性肠病(IBD)以及糖尿病等疾病的影响。

至此,于 2007 年启动的浩大的 HMP 项目也基本宣告结束。人类微生物组计划表明,微生物群落是人类生物学的一个组成部分,在人类健康方面发挥着重要作用。人类微生物学研究的大量发现,提高了人类对于多种疾病的认识,开拓了与微生物群落相关疾病的预测新手段,也引领了以饮食补充、菌群移植等为基础恢复人体微生物群落的疾病治疗新方法的发展。

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人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响图 | 5 月 30 日凌晨 Nature 和 Nature Medicine 发表的三篇 HMP 成果文章(来源:Nature)

作为人类微生物组计划的第二阶段,人类微生物组整合计划旨在利用各种组学技术,对怀孕和早产群体、炎症性肠病患者和 2 型糖尿病患者三个不同队列人群的微生物组和宿主进行分析,建立综合的纵向数据集,探索微生物组和宿主的时间动态变化(如免疫响应和新陈代谢),以理解这些疾病中的微生物-宿主互作影响。

美国麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所的计算生物学和生物信息学教授 Curtis Huttenhower 表示,“人类微生物组学计划,总体上是一项了解微生物组对健康影响,以及创建一个研究微生物组以发现新的疾病诊断和治疗方法的研究人员资源社区的旗舰型项目。作为这项计划的一部分,我们的研究结果为早期发现即将发生的疾病活动铺平了道路,这也就意味着我们可以积极采取治疗干预,或者寻找潜在的新的生化治疗机会,以应对 IBD(炎症性肠病)。”

研究之一的论文作者、Broad 研究所的 Jason Lloyd-Price 表示,“考虑到微生物群落与我们的健康有着如此紧密的联系,这些结果为我们如何避免这种关系出错时出现的问题,以及我们如何更好地管理这些终生伴侣,提供了线索。”

Nature 当天同期发表的多篇评论文章也指出,人类微生物组计划将人体中发现的与健康相关的微生物置于中心舞台上,该项目的第二阶段显示了微生物的紊乱如何与宿主疾病过程相关联。对于宿主-微生物组相互作用的机制探究,提供了丰富、独特的数据资源,并代表了未来人类微生物组多学科研究的范例,对于未来的精准医学方法也具有重要价值。

人类微生物组计划

2003 年 4 月 15 日,由 6 国科学家共同参与的人类基因组计划(HGP)绘制出完整的人类基因组图谱。这个被誉为生命科学 “登月计划” 的研究项目,历时 10 多年、耗资 30 亿美元完成人类染色体中 30 亿个碱基对组成的核苷酸序列测定,为人类揭开自身奥秘奠定了坚实的基础。

在人类基因组计划完成后,许多科学家认识到解密人类基因组并不能完全掌握人类疾病与健康的关键问题,因为人类对与自己共生的巨大数量的微生物群落还几乎一无所知。据估算,人体内存在着数以万亿计的微生物,仅人体肠道内就寄生着 10 万亿个细菌,是一个成年人自身细胞数量的数倍!正常情况下一个人拉出的“粑粑”,除去水分的固体物中约有 50% 都是肠道细菌的“尸体”。

而且多项研究发现,这些寄生在人体中的微生物在人体多种生理生化功能中发挥着重要作用。比如它们能够影响体重和消化能力,能够抵御感染,影响自身免疫疾病的患病风险,甚至还会影响人体对癌症治疗药物的效果。

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响图 | 人体鼻腔细菌群落的彩色扫描显微图(来源:STEVE GSCHMEISSNER/SPL)

但一个人的健康状态与体内微生物群落联系背后的机制仍未得到解释。人体内究竟有多少种微生物共生?在一个人怀孕或病毒感染过程中,微生物群落如何动态变化? 微生物群落的哪些变化代表了健康变化的原因?它们如何与免疫系统和新陈代谢等生理过程相结合?微生物移植为何又成为一些人疾病成功治疗的条件?

为了更加科学全面地了解人类微生物组,探究人体微生物与疾病健康之间的关联,2007 年美国国立卫生研究院联合众多研究机构正式启动人类微生物组计划,该项目也被认为是人类基因组计划的延伸。

HMP 第一阶段(HMP1)于 2013 年结束,来自美国麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所、贝勒医学院、华盛顿大学医学院和 J. Craig Venter 研究所的研究人员,通过对 300 名健康个体鼻腔、口腔、皮肤、胃肠道和泌尿生殖道的微生物群落进行 16S rRNA 测序,识别了生活在人体内各个部位的数千种细菌、真菌以及病毒,揭示了人体微生物群落的复杂性,证明了寄生在人体内的微生物是人类生物学不可或缺的一部分,也挑战了医学界认为微生物只是传染病病原体的传统观点。

2014 年,HMP 第二阶段(HMP2)即iHMP启动,旨在特定疾病人群的纵向研究中通过分析微生物组和宿主活动,以及创建微生物组和宿主功能特点的整合数据集来研究这些相互关系,并进一步阐明人体微生物在健康和疾病中的关键作用。

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响图 | HMP 第一阶段和第二阶段(来源:Nature)

在这个阶段,iHMP 使用多种组学技术从微生物组相关病症的三个不同人群队列研究中,创建来自微生物组和宿主的综合纵向数据集,分别是由弗吉尼亚联邦大学(Virginia Commonwealth University)阴道微生物群落研究小组领导的“微生物组学研究:怀孕整合”(MOMS-PI)项目、由美国麻省理工学院和哈佛大学 Broad 研究所 Ramnik Xavier 和 Curtis Huttenhower 领导的多机构研究团队开展的炎症性肠病(IBD)多组学数据库(IBDMDB)项目,以及由斯坦福大学人类宿主和微生物组领先专家领导的整合个人组学计划(IPOP)。

阴道微生物与怀孕、早产

早产(PTB)可能对新生儿造成严重后果,包括死亡和长期残疾。在美国,大约 10% 的分娩是早产儿,发展中国家的早产发生率更高。环境因素包括女性生殖道的微生物组,是早产的重要原因。

值得注意的是,研究人员曾发现这些因素对非洲裔女性的影响更大,她们也承担着最高的早产风险。近几十年来,全球婴儿死亡率已经大幅下降,但早产的发生率并没有太大变化,预测个体早产发生风险的进展也停滞不前。

作为 iHMP 的一部分,MOMS-PI 项目团队与西雅图儿童医院、全球防止早产和死产联盟(GAPPS)的合作,旨在更好地了解微生物组和宿主在整个妊娠期间的变化,并对孕妇微生物组进行识别表征,以评估其对早产风险的影响。

在本项研究中,孕妇和新生儿样本数据在弗吉尼亚联邦大学和 GAPPS 附属的诊所采集。研究人员在整个孕期、分娩、出院和随访期间,通过多次出诊从孕妇身体多个部位采集标本,并进行健康调查问卷;而对新生儿则在分娩、出院和随访时采样。

MOMS-PI 团队纵向追踪 1527 名妇女,共收集 206437 份样本,包括产妇阴道、口腔、直肠、皮肤、鼻腔、血液、尿液和婴儿产品,以及婴儿脐带和脐带血、胎粪和第一次粪便、口腔、皮肤和直肠。

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图 | 与自发性早产相关的人体微生物分类(来源:Nature)

通过对 597 名孕妇的 12039 份样本以及其中 45 名早产儿和 90 名足月分娩对照者的 16S rRNA、宏基因组、宏转录组和细胞因子谱的纵向分析,研究团队发现,早产妇女阴道内的卷曲乳杆菌(Lactobacillus crispatus)水平明显较低,而 BVAB1、Sneathia amnii、TM7-H1、一组普氏菌属(Prevotella)物种和另外 9 个分类群的水平较高。

此外,MOMS-PI 研究团队还描述了 BVAB1 和 TM7-H1 的第一个代表性基因组,发现这些与早产相关的引导菌群与阴道分泌物中的促炎细胞因子(包括 IL-1β、IL-6、MIP-1β和嗜酸性粒细胞趋化因子-1)相关。而这些发现显示出评估和预测早产风险的新机会。

MOMS-PI 研究团队确定了阴道微生物群、宿主反应和妊娠结局之间的有趣关联,这些关联与某些自发性早产病例中阴道变化微生物的参与观察一致。随着微生物组、其他环境因素和新数据的加入,有望提高我们预测妊娠早期早产风险的能力,通过识别高危患者促进临床试验,甚至能够实现针对性的治疗。

肠道菌群与炎症性肠病

炎症性肠病(IBD)包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC),影响全球数百万人,在过去 50 年里发病率一直在增加。克罗恩病和溃疡性结肠炎是受临床、免疫、分子、遗传和微生物水平上混杂影响的复杂疾病,病因和发病机制至今尚未完全明确。

有研究指出,IBD 与城市化、饮食模式转变、抗菌药物暴露、体内微生物稳态等多种因素相关。肠道微生物不仅一直以来被认为与 IBD 发病密切相关,一些研究甚至发现粪便菌群移植能够作为 IBD 治疗干预的新方法。

为了更好地了解成人和儿童 IBD 肠道微生物群随时间的变化,IBDMDB 项目团队对来自五个临床中心的 132 人进行跟踪研究。克罗恩病、溃疡性结肠炎患者和非 IBD 对照组的样本分别在麻省综合医院(成人初发病人)、艾莫利大学(儿科初发病人)、辛辛那提儿童医院(儿科新发病人)和西达赛奈医疗中心(成人建册病人)采集。每个患者采集三种不同标本:纵向粪便样本、定期组织活检和定期血样。

在为期一年的研究中,研究团队共收集了 1785 个粪便样本、651 个肠道活组织检查和 529 个血液样本,并尽可能地从同一组样品中产生多个分子谱,包括粪便宏基因组、宏转录组、宏蛋白组、病毒组、代谢组,以及宿主外显子组、表观基因组、转录组和血清资料等,同时观察多种类型的宿主和微生物分子及临床活动随时间的变化,生成疾病期间宿主和微生物活动的综合纵向分子谱。

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响

图 | IBD 患者宿主-微生物组动力学(来源:Nature)

在这里,研究团队揭示炎症性肠病活动期间肠道微生物组功能性失调的综合视图。研究证明在 IBD 疾病发展期间,兼性厌氧菌的典型增加是以专性厌氧菌为代价的,也对应着微生物转录(例如梭状芽胞杆菌)、代谢物(酰基肉碱、胆酸和短链脂肪酸)以及宿主血清中抗体水平的变化。

此外,同时进行的转录组学和粘膜组织切片 16S 扩增子分析也确定了可能塑造微生物群落的潜在宿主因子,特别是一些趋化因子,在疾病活动期间参与了潜在的失调相互作用。

IBDMDB 研究项目提供了迄今为止炎症性肠病中宿主和微生物活动的最全面的描述,对于在 IBD 疾病过程中微生物组和宿主免疫反应的各种差异识别,也指明了治疗 IBD 的新潜在方向。

微生物组与糖尿病

去 30 年来,全球糖尿病发病率持续上升,糖尿病患者数量已高达 4.22 亿(其中 90% 以上是 2 型糖尿病),每年造成全球 150 万人直接死亡。糖尿病前期是发展为 2 型糖尿病的高风险状态,通常难以被诊断。每年大约有 5% 的糖尿病前期患者会发展为糖尿病患者,而 70% 的糖尿病前期患者最终会在他们的一生中患上糖尿病。

研究表明,糖尿病前期和 2 型糖尿病通常与胰岛素抵抗有关,即细胞对正常分泌的胰岛素产生抵抗失去降低血糖的响应,而发生胰岛素抵抗的具体机制,以及糖尿病早期向 2 型糖尿病完全转变的关键过程,目前尚未明确。

为了更好地了解 2 型糖尿病早期阶段宿主和微生物的动态互作,领导 IPOP 项目的斯坦福大学研究团队对 106 名健康和糖尿病前期患者进行了为期四年的跟踪调查,记录这些患者每个季度的呼吸道病毒感染(RVI)等健康状况,并采集了受试者的血液样本和微生物组样本(包括鼻咽拭子和粪便、尿液样本),对转录组、代谢组、细胞因子和蛋白质组以及微生物组的变化进行了深入分析。

这个丰富的纵向数据集揭示了许多见解。首先,健康状况在个体之间是不同的,同时显示出不同的内部变化和/或个人之间的变化;

其次,经历呼吸道病毒感染(RVI)或体重变化的个体在这些扰动期间显示出数千个特定的分子和微生物变化,并且胰岛素抵抗和胰岛素敏感个体对扰动的反应非常不同。比如在 RVI 期间,胰岛素抵抗的参与者表现出明显的炎症反应减少和延迟,而且与胰岛素敏感的参与者相比,胰岛素抵抗参与者的肠道微生物发生了改变。此外,胰岛素敏感个体在 RVI 期间鼻微生物的丰富度和多样性均有所下降,而胰岛素抵抗组则无明显变化;

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响图 | 糖尿病前期患者饮食干扰和感染时的宿主和微生物反应差异(来源:Nature)

第三,对成千上万个分子进行的全局联合分析,揭示了胰岛素抵抗个体与胰岛素敏感个体之间的特定联系,而胰岛素抵抗个体与胰岛素敏感个体之间的联系则不同,这表明两组宿主-微生物相互作用的模式不同;

最后,IPOP 团队确定了 2 型糖尿病发病前个体的早期分子特征,包括炎症标志物白细胞介素-1 受体激动剂(IL-1RA)和高敏 C-反应蛋白(hs-CRP) 。

此外,这项研究的另一个重要目标是评估宿主微生物组多组学和相关的新兴技术如何能够更好地管理病人的健康。IPOP 团队发现,随着时间的推移,对每个个体的测量数据可以及早发现不同受试者潜在的疾病状态,例如,一些人在空腹血糖测试中首次显示出糖尿病范围内的测量值,而另一些人则在血红蛋白 A1c、口服葡萄糖耐量测试,甚至是连续血糖监测中才显示出糖尿病范围内的测量值。这些结果以及随时间推移血糖失调的详细表征说明了 2 型糖尿病发展的异质性。

总体而言,IPOP 研究揭示了葡萄糖失调和健康个体在健康和疾病期间不同的反应,这些数据也导致了微生物相关的、临床可操作的健康发现,包括代谢疾病、心血管疾病、血液或肿瘤疾病以及其他领域,这些疾病信号往往在症状出现之前就已经存在,显示出利用包括微生物组在内的大数据更好地预测和管理人类健康的能力。

人类微生物组学的下一步

在过去十年中,用于人类微生物组研究的资金投入超过 17 亿美元,最大的科研投资(约10亿美元)发生在美国,其中约 20% 的资金投入了 NIH 的人类微生物组计划。NIH 人类微生物组计划也促进了全球其它人类微生物组研究项目的开展,欧盟、中国、加拿大、爱尔兰、韩国和日本也开展了类似的大型项目。

微生物组学研究的进展也引起了产业界的关注。目前,用于以人体微生物为基础的诊断和治疗的产品市场规模估计在 2.75 亿美元至 4 亿美元之间,预计到 2024 年,这一数字将增至 7.5 亿至 19 亿美元。

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响图 | 人类微生物组(来源:National Human Genome Research Institute)

包括 HMP 在内的人类微生物组研究结果共同表明,微生物组是人类生物学的一个重要组成部分,也证实了微生物组对人类健康和发展的重要性。宿主个体间的差异以及高度多样的微生物群落动态变化,推动了使用多种互补纵向测量方法进行群体微生物研究新方法的发展,也强调了用机理模型跟踪此类研究以验证因果关系的必要性。

HMP 项目也正在创造人类微生物组研究所需的最丰富资源。仅从数据量上来看,HMP1 和 HMP2 两个阶段总共产生了 42 TB 的多组学数据,这些数据都在 HMP 数据协调中心(DCC)存档和管理,供全球科研人员无限制使用。

人类微生物组计划第二阶段成果重磅发布,揭示微生物对健康影响图 | 人类微生物组计划数据官网(来源:www.hmpdacc.org)

而 HMP 项目成功结束,更大的意义在于为所有人类微生物组研究人员留下了一笔持久的“资产”,提供了丰富的数据和生物样本资源。很显然,HMP 的研究结果为未来的研究揭示了许多新的研究途径和技术,使 NIH 和其他研究机构能够在此基础上继续更好地开展工作。

不过,与任何大型研究一样,iHMP 提出的新问题比它所回答的要多。即使从纳入 iHMP 的三项研究来看,微生物群落中个体间基线差异及其随时间动态变化的病因学并不明显。许多免疫和生化反应似乎与一些宿主个体所特有的菌株有关,但尚不清楚这些菌株对其相关的疾病表型是否充分或必要。

如今,与人类相关的微生物学也已经超越了传染病和胃肠道疾病,扩展到了几十年前几乎无法想象的领域,包括新陈代谢、肿瘤、母婴健康和中枢神经系统,我们也期待着基于该项目资源的新发现,以及未来令人兴奋的发现。

对于未来 10 年人类微生物组研究的重点,美国国家人类基因组研究所HMP项目主任 Lita Proctor 在 Nature 杂志同期发表评论文章指出,要实现基于微生物组的医学梦想,还需要增加我们对宿主-微生物相互作用的生态学和进化层面的理解。

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