《細胞》子刊：腸道微生物又發威！糞便可以揭示疾病進程或預測藥物效果｜臨床大發現

自從2007年人類微生物組計劃（Human Microbiome Project，HMP）啟動開始[1]，各種各樣的微生物研究陸續出現在大家的視野中，尤其是近年來「火的不行」的腸道微生物。

腸道微生物已經被證明和多種疾病有關聯，除了自己的「大本營」——腸道相關的疾病外，遠遠的發生在大腦中的疾病也沒能「逃脫它的控制」，比如帕金森病和抑鬱症。

作為「致病原」，研究人員通常都會將它作為「靶點」來治療疾病。然而，最近新的研究讓我們意識到，腸道微生物還可以有別的「用途」。

在本月發表在《Cell Host and Microbe》雜誌上的文章中，馬薩諸塞州總醫院的胃腸病學專家Ashwin Ananthakrishnan醫生將腸道微生物變成了一個預測炎症性腸病（IBD）治療療效的「工具」[2]。

Ashwin Ananthakrishnan醫生

IBD主要包括克羅恩病（CD）和潰瘍性結腸炎（UC），是一類自身免疫疾病。傳統療法主要是抗炎治療，近年來隨著基礎研究的爆發，很多免疫抑制類藥物出現了，但是研究人員發現，IBD患者對這些藥物的反應有很大的差別，有些人效果「奇好」，有些人卻根本沒用。鑒於有不少研究都指出，腸道微生物與我們的免疫系統存在相互作用，因此Ananthakrishnan醫生想，把它作為個性化治療的「評估工具」是否可行呢？

他們招募了85名IBD患者，其中包括43例UC和42例CD，給他們使用Vedolizumab進行治療。Vedolizumab是一種單克隆抗體藥物，於2014年被FDA批准上市，治療中度至重度的IBD[3]。研究人員分別收集了治療開始前和治療開始後第14周、30周和54周的糞便樣本，分析其中腸道微生物的組成特點和功能情況。

通過對比，研究人員發現，對14周的Vedolizumab治療響應良好的患者在治療前攜帶的腸道微生物多樣性更高，而且他們腸道內的Roseburia inulinivorans菌和伯克霍爾德氏菌目中的一個菌種的丰度明顯高於不響應的患者，這些患者直到54周（1年），療效依然「不打折扣」。

除了微生物「身份」的鑒定外，研究人員還發現，響應患者有13條微生物的代謝通路也更加活躍，其中就有產生丁酸鹽的通路，丁酸鹽作為短鏈脂肪酸，是抑制腸道炎症的「一把好手」。

Roseburia inulinivorans菌和伯克霍爾德氏菌目中的一個菌種的丰度對比，Remission：對藥物響應的患者；Non-remission：對藥物不響應的患者

為了評估這些發現的「預測價值」，研究人員將他們得到的結果輸入到機器學習工具——vedoNET中，經過數據的「消化和學習」，研究人員確定了40個評估指標，然後用它對另外一組的IBD患者進行了檢測。檢測結果顯示，vedoNET的預測準確率超過了80%，假陰性率不到25%，相比其他方法50-60%的假陰性率來說，是非常大的進步。而這只是基於85名患者的研究結果，研究人員指出，未來隨著患者群體的擴大，這個預測會越來越準確。

除了「大本營」——腸道中的疾病外，還有另一組科學家將非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）的檢測也「寄希望」於腸道微生物。NAFLD對大家可能有點陌生，但要說「肝硬化」，大家肯定都知道，而NAFLD就是肝硬化的發病原因之一，此外，還包括肝癌和其他慢性肝病以及II性糖尿病和動脈粥樣硬化。

過去人們對這個疾病沒有足夠的重視，但是隨著近年來肥胖人數和代謝疾病的增加，NAFLD患者也越來越多，據估計，有至少一半的肥胖人群都患有不同程度的NAFLD[4]。目前，檢查只能依靠肝臟活檢，但是肝臟活檢要經肝臟進行穿刺，既不方便，創傷也相對較大，所以願意主動進行檢查的患者很少。但是NAFLD的檢查是很有必要的，因為其晚期的診斷是判斷肝源性死亡率的最重要的因素。只有做出了及時和準確的診斷，才能盡量幫助患者「遠離死亡」。

肝臟活檢示意圖（奇點糕看了覺得肝有點疼）

於是，來自加州大學聖地亞哥分校醫學院和「科學狂人」J.Craig Venter創辦的Human Logevity公司的研究人員聯手進行了研究，他們用糞便樣本的微生物作為「指征」，檢測NAFLD，根據刊登在《Cell Metabolism》雜誌上的研究結果，這一檢測方法的準確率高達90%左右[5]！

這也不是研究人員「異想天開」，近年來的大量研究都證明腸道微生物與NAFLD之間有著「千絲萬縷」的聯繫。比如肥胖和NAFLD患者腸道中革蘭氏陰性菌的比例都非常高[6]；腸道微生物多樣性的減少和特定產生膽汁酸的微生物的缺失與NAFLD的中一類——非酒精性脂肪性肝炎（NASH）的發病有關[7]；還有腸道微生物可以將一些普通的代謝產物轉化為與脂肪肝發展有關的化學物質[8]等等。這些都讓研究人員認為，通過對腸道微生物「信息」的預測，很可能會為NAFLD的檢查帶來新的方法。

研究人員首先徵集了86名已經確診的NAFLD患者，他們之中有72例為早期和中期，剩下的14例為晚期。研究人員採集了他們的糞便樣本，然後進行了測序，確定了微生物的組成和丰度。根據逐一的對比，研究人員最終確定了37個菌種可以用來作為區分NAFLD早中期和晚期的依據。用這個「預測模型」來對患者進行正向推導預測時，研究人員發現準確率能夠達到93.6%！

37種腸道微生物在丰度上的差異

另外，有趣的是，我們都非常熟悉的大腸桿菌在不同程度患者的腸道內差異很大，晚期NAFLD患者的大腸桿菌是早期患者的3倍，而且變形菌門的微生物也明顯較多。最後，研究人員又用他們建立的測試方法對16名晚期NAFLD患者和33名健康人進行了測試。他們發現，在這37種微生物中，只需要9種就可以將健康人與NAFLD患者區分開來，準確度也可以達到88%。

對於這個研究結果，研究人員感到非常興奮，他們已經開始申請新的資金贊助，希望能將這個方法進行推廣，與Ananthakrishnan醫生團隊的想法相似，他們也希望能通過這種推廣來擴大患者隊列，同時完善測試，進一步提高測試的準確性。

圖解：我們能從腸道微生物中得到什麼信息？

對於這類基於腸道微生物的檢測方法，兩組研究人員有著共同的「擔心」，就是價錢問題。因為我們知道，目前腸道微生物的測序價錢並不便宜，用於這種常規篩查對於患者來說會是很大的負擔，因此Ananthakrishnan醫生呼籲，技術的進步應該帶來成本的下降，這樣才適合大量患者，幫助患者避免不必要的藥物開銷，甚至還可以有針對性地研發專門改善病情的益生菌製品[9]。

對於這種「新型檢測手段」，J.Craig Venter說：「我們應該像重視基因組測序一樣重視它，了解腸道微生物是解開『疾病難題』的重要部分，而現在是一個非常好的時機，像機器學習這樣的新技術也將幫助我們在這個領域取得重大進步。」[4]

參考資料：

[1] Turnbaugh PJ， Ley RE， Hamady M， Fraser-Liggett CM， Knight R， Gordon JI. 2007. The Human Microbiome Project. Nature 449：804-10

[2] Ananthakrishnan A N, Luo C, Yajnik V, et al. Gut Microbiome Function Predicts Response to Anti-integrin Biologic Therapy in Inflammatory Bowel Diseases[J]. Cell Host & Microbe, 2017, 21(5): 603-610. e3.

[3] http://www.fda.gov/NewsEvents/Newsroom/PressAnnouncements/ucm398065.htm

[4] https://www.sciencedaily.com/releases/2017/05/170502142039.htm

[5] Loomba R, Seguritan V, Li W, et al. Gut Microbiome-Based Metagenomic Signature for Non-invasive Detection of Advanced Fibrosis in Human Nonalcoholic Fatty Liver Disease[J]. Cell Metabolism, 2017, 25(5): 1054-1062. e5.

[6] Zhu, L., Baker, S.S., Gill, C., Liu, W., Alkhouri, R., Baker, R.D., and Gill, S.R. (2013). Characterization of gut microbiomes in nonalcoholic steatohepatitis (NASH) patients: a connection between endogenous alcohol and NASH. Hepatology 57, 601–609.

[7] Kakiyama, G., Pandak, W.M., Gillevet, P.M., Hylemon, P.B., Heuman, D.M., Daita, K., Takei, H., Muto, A., Nittono, H., Ridlon, J.M., et al. (2013). Modulation of the fecal bile acid profile by gut microbiota in cirrhosis. J. Hepatol. 58, 949–955.

[8] Chen, Y.M., Liu, Y., Zhou, R.F., Chen, X.L., Wang, C., Tan, X.Y., Wang, L.J., Zheng, R.D., Zhang, H.W., Ling, W.H., and Zhu, H.L. (2016). Associations of gut-flora-dependent metabolite trimethylamine-N-oxide, betaine and choline with non-alcoholic fatty liver disease in adults. Sci. Rep. 6, 19076.

[9] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-05/mgh-gmm051517.php

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