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消化道微生态研究

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来源:中华内科杂志 2016-07-19 07:00

据估计,人体消化道生存着近百万亿微生物,包括细菌、真菌、病毒、噬菌体等,构成了人体消化道的微生物系统,也称微生物群、微生物组。微生态是微生物与其宿主在进化过程中共同形成的统一体,与此有关的研究领域包括微生物组的结构、功能及其与人体的相互关系。

    近几年,基于微生物宏基因技术和生物信息学的发展,主要以粪便为样本开展的很多研究聚焦于微生物(主要是细菌和真菌)基因组学,从一个侧面反映了肠道微生 态,使肠道微生态研究推进了一大步。但随着研究的深入,有关肠道微生态的概念有必要进行澄清。中文习惯上称“肠道微生态”,这与以往认为结肠微生物发挥作 用大、对其了解多以及多数研究采用取材相对容易的粪便作为研究对象等因素有关。实际上微生物在整个消化道都有分布,肠道只是其中一部分。目前中文名词“肠 道微生态”多含有整个消化道微生态的含义,不能认为只是肠道的微生态。食管、胃和小肠微生物以前因为技术的限制,了解很少甚至认为它们是“干净的”,而近 年研究发现食管、胃、小肠都有丰富的微生物组。随着研究的不断深入和揭示,以肠道微生态或基于粪便研究的肠道微生态笼统代替消化道各部位的微生态显然是不 恰当的,尤其是未来研究局部微生态环境及其功能日益重要和越来越多,因此消化道微生态或微生物组中文名词应不断更新、准确规范地表述和应用。

    健康人消化道中的大多数微生物对人体无害或是人体必不可少或有益的,它们参与人体发育、营养、代谢、免疫及其他生理功能等。临床上提到微生物,以往多关注 其致病性或有害性,以防治微生物感染为主。近年,越来越多的研究显示消化道微生态与过敏性疾病、慢性炎症、肿瘤、糖尿病、肥胖、动脉粥样硬化、脂肪肝、 HBV感染、肠易激综合征、便秘甚至神经精神疾病等多种疾病有关。目前认为消化道微生态是众多慢性疾病的基础,是慢性疾病防治研究的重要靶向,消化道微生 态近年已成为转化医学和临床医学研究的国际前沿和热点。

    消化道微生态的研究进展始终伴随着新技术方法的应用,从早期的涂片染色直接镜检、混合及纯化培养、电镜观察、生化免疫鉴定,到后来的悉生动物、PCR扩 增、测序分析等。组学技术的建立给微生物组的研究带来了新机遇,将消化道微生态研究推向了新的广度和深度。上述技术方法常常是相互补充、相互支持和互为参 考,具体应用什么方法要视研究目标而定,不可简单地崇尚使用高新或昂贵的技 术方法。

    近5年,基于宏基因组技术的应用,使原来大量难以检测到的消化道微生物得以确定和分析,极大丰富了肠道微生物结构数据库(即建立细菌、真菌、病毒等基因组 数据库),包括健康和疾病状态下微生物组数据库,这种研究也被称为描述性的研究。目前该领域的报道越来越多,但多数是基于粪便样本,并不能真正反映人体消 化道不同环境的微生物组结构及微生态,各种地理、饮食、遗传等因素对消化道微生物组的影响还有待揭示,还缺乏这方面的研究数据,因此在今后很长一段时间内 微生物组结构数据库的建立和丰富仍是一项很必要的基础性工作。我国人群有着独特的饮食结构、药食养生、多民族特征等,但消化道微生物基因组数据库还没有建 立起来,还缺乏众多慢性病相关的基因组数据库,这些均亟待建立,首先需要建立特殊环境下和疾病状态下的样本数据库,为开展消化道微生物组和微生态相关研究 打下基础。

    若将建立消化道微生物宏基因组数据库称为第一阶段研究,那么第二阶段将深入研究微生物组的功能及其与人体的相互作用,即研究消化道微生物组如何对人体健康 发挥作用、疾病状态下的微生物组与疾病发生发展的关系、对诊断治疗的作用和应用等。目前国际上消化道微生态的研究正在深入和聚焦微生物组的功能研究,我们 应认识到这一点,以便尽早开展前沿性工作;这个阶段将以基因组数据为基础,结合其他功能研究方法和组学技术如转录组、代谢组、无菌或悉生动物、模拟实验等 进行机能研究和转化开发,涉及机体代谢、免疫功能、病理生理机制、生物工程、新的诊治靶点和产品研发等很多方面,是一个新的研究领域,因此有学者预见肠道 微生态研究将是一场新的革命。

    临床上,消化道微生态或微生物组对我们并不陌生,抗生素相关性腹泻是肠道微生态失调引起疾病的范例,为大家所熟知,此外目前许多益生菌制剂已成为临床医生 日常治疗疾病的常用工具。虽然微生物组的基础研究中涌现了许多新技术和新进展,但是这些新成果在临床上的应用还非常有限。一方面,从基础研究转化到临床应 用需要一定的时间,或者说把科学转化为医学需要充足的过渡与验证;另一方面,现状也提示临床医生需要从临床出发,主动进行该领域的探索与合作研究,有效牵 引和推动基础研究的临床转化。

    现阶段,以下几个方面与临床研究密切相关。

    1、确立相关的研究疾病或临床目标,对消化道微生态样本(粪便、体液、消化道腔内样本或黏液、黏膜)进行采集、处理、相应的检测(DNA、RNA、蛋白质 和代谢产物等)及生物信息分析,再进行功能预测和验证等。消化道微生态是一个超级生物体,信息量庞大,影响因素众多。对消化道微生态的研究包括微生物和人 体两个方面,临床信息处理的完善设计和采集不容忽视,样本处理流程的标准化和准确性是检测分析的关键或前提,是进行微生态相关研究所必需。

    2、近年来已涌现了多种微生物的实验室检测和评价技术,常用的有涂片镜检、培养鉴定、生化免疫鉴定、PCR检测、芯片技术等,测序分析也有望进入临床应 用。但临床评价还面临着诸多困境,从样本采集如何标准化和简易化,到检测方法如常用的涂片镜检、培养鉴定“太粗糙”和“搞不清楚”等,临床评价亟需新的检 测技术或手段,当前新技术的广泛出现为开发新的临床检测手段提供了可能。

    3、对消化道微生态的深入认识为微生态相关产品的开发提供了机遇。益生菌制剂研发近年蓬勃发展,近5年国际上注册的该方面研究项目呈现出爆发式的增长。但 新批准进入临床的益生菌制剂却寥寥无几,益生菌制剂仍是辅助治疗的角色一直没有改变,其使用时机、疗程、剂量等都存在一定的不确定性,疗效以及安全范围常 常难以评价。这些问题都与疾病状态下消化道微生物组的结构和功能不明确有关。目前益生菌制剂的应用多是经验性的,存在许多盲目和未知。在新的技术背景下, 对现有益生菌制剂进行“升级”研究和再评价很有必要,建立新的评价技术和体系,将指导益生菌制剂的临床应用从盲目走向有的放矢,该用则用、该弃则弃,合理 发挥益生菌制剂的作用才有望走出现在疗效“不显著或难以肯定”的局面。新的评价技术和体系对研发新的微生态制剂具有重大意义。

    4、近年临床上一个备受关注和热议的冋题是粪微生态移植(fecal microbiota transplantation,FMT)。FMT是指将经过严格筛选的供体粪便在体外制成悬液或冻干物,然后移植入受体肠道的一种治疗方式。这种用粪便 制备的“药物”来治疗疾病的方法在我国可以追溯到约3000年前,中医用“以毒攻毒”来治疗“火热之邪”,现代西医揭示这实际是利用粪便中微生物或微生态 来治疗感染性疾病,找到了这一疗法的当代科学依据。西方应用FMT始于20世纪50年代,近几年国外难辨梭状芽抱杆菌感染(Clostridium difficile infection,CDI)导致的腹泻增加,研究发现FMT治疗CDI的疗效优于规范的抗菌药物治疗,从而引起对FMT的重视和研究的新热潮。尽管 FMT始于中国,中文曾出现多种名称,如粪便移植、粪菌移植等,但笔者认为应用粪便制备的悬液经过处理弃去了许多渣质、微生物及代谢产物等,已不是粪便, 而悬液里含有的除了细菌或真菌,还含有一定量的粪微生物代谢产物、人体的某些成分和其他微生物,因此移植的不是粪便,也不只是粪菌,而是一种微生态系统, 用“粪微生态移植”更为确切,这和国际上多数认识及英文的原意也相一致,便于今后统一交流和研究。

    临床上FMT已尝试治疗多种疾病,如CDI、炎症性肠病、肠易激综合征、功能性便秘、肥胖、糖尿病、慢性疲劳综合征等,按当前的循证医学证据只有治疗 CDI腹泻证据明确,已被写入美国CDI腹泻的治疗指南,被国际所接受,这是FMT三千年历程的重要里程碑,同时也表明肠道微生态治疗CDI腹泻效果显 著,不同于以往微生态制剂的效果,为微生态制剂的研发思路注入了新的启示,使人们对微生态制剂的潜力和前景有了更新的认识。对于FMT治疗其他疾病,基本 处于临床研究阶段,有待进一步积累证据,特别是循证医学证据,所以FMT的临床研究需在具备一定条件的医疗机构内规范开展。关于FMT的供体,目前尚无统 一的标准,但原则是供体需要严格筛选,越严格越好,不能随便纳入供体,即不能随便接受或捐献粪便,FMT存在未知和潜在的风险,必须引起足够的重视,现阶 段防止滥用非常重要。关于移植途径,目前有经上消化道内镜和下消化道内镜进行给“药”,途径的选择有待深入研究,权衡目的和利弊。FMT在国际上虽广受重 视,但尚未形成统一的共识和规范,为了规范开展FMT的临床应用和研究,制定我国FMT的共识引导该项研究和临床应用具有现实意义,这项工作正在进行。

    除了以上论述的临床问题,消化道微生物组对中医中药的作用机制、养生、衰老、众多口服药物的代谢转化等临床问题都有巨大的研究价值和科学意义。多年前,我 国微生态研究的前辈就曾预言中医中药的作用可能与消化道微生态有着密切关系,或者说消化道微生态将给许多中医中药的研究带来全新的认识,为现代中医学的发 展提供一枚重要的钥匙。

    消化道微生态是一个悠久而又年轻的领域,涉及许多基础和临床学科,以上概论了有关概念、研究现状、研究方向、一些临床问题和展望等,还有许多方面受到局限 难以阐述和体现。最后需指出,当前消化道微生态的研究需要多学科进行合作,包括微生物、免疫、营养、基因组、蛋白质组、代谢组、生物信息学等学科,还要包 括企业合作,形成团队性的工作才有望取得更大的进展。在临床方面,我国有着独特的优势,病例资源十分丰富,启动组织好临床数据库的标准化建设和系列研究, 完全可以使我国走在世界的前列甚至取得领先。包括中医和西医的我国临床医生需有科研敏感性,善于发现和提出问题,主动与基础研究学者进行合作,以取得临床 和转化医学研究的新成果。在消化道微生态研究这场新的革命中,临床学家实践并发现需解决的问题,与基础科学家合作研究转化为科学,然后基础科学家再与临床 及药学家合作转化为医药学,这场新的革命才有望把激动人心的预见变为现实,变成中华医学独特的机遇和优势。


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关键词: 研究 消化道微生态

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