综述：精简微生物种类—针对免疫治疗的微生物及其代谢产物
日本学者Ashwin N. Skelly等人于2019年3月11日在《Nature Reviews Immunology》上发表题目为《Mining the microbiota for microbial and metabolite-based immunotherapies》的文章。本文综述了采取哪些措施可精简共生菌及其代谢物的范围，帮助机体提高免疫，并对菌调节免疫功能的信号机制进行了详细阐述。
文章摘要
每天有数万亿个微生物穿过或停栖在哺乳动物胃肠道内，依靠宿主的组织环境产生了数以千计小分子代谢物质。鉴别效应微生物与宿主表型的因果关系并揭示潜在机制已成为微生物组研究的焦点，使得开发基于微生物的疗法成为可能。常使用的精简措施为两种互补方法：一是针对一种免疫表现，后开展效应菌筛选鉴定来缩小微生物范围；二是探索菌源性分子或代谢物对宿主免疫系统的效果。综合以上策略，为合理设计基于菌和代谢物攻克或缓解病人免疫缺陷的疗法提供基础。
文中主要图片说明
图1. 宿主与菌群的因果关系
无菌动物研究可缩小所有微生物到某一具体的效应株。第一，从一个复杂微生物体（源自人粪便或鼠源菌群），已明确具有促进机体表型的功能，可采用下面任一方法来缩小范围：样本包括抗生素处理、体外培养、氯仿处理（富集芽孢菌）、细胞分类及Ig A包被的细菌16S rRNA测序（Ig A-seq）。筛选出的部分菌用于免疫调节试验，进一步缩小范围直到鉴定出最小范围的效应菌群。后将所获得的菌纯培养或进行基因工程研究以明确机制。这种自上而下的互补研究途径从小分子开始即代谢物质，与机体表型有关。首先通过外源性服用该物质建立代谢物与表型的因果关系，后开展菌加工和生物合成生产此物质。许多种菌的代谢途径是保守的，通过查找文献和数据库，可能会鉴别出几种具有同种功能的其他效应菌株。联合无菌研究和代谢物途径研究可明确某种菌株影响免疫表型的因果关系，这些菌株可联合用于构建菌群治疗。
图2a. 菌群的抗炎和促炎效果
肠道菌的抗炎免疫调节。从左到右：B. infantis-维生素A或维生素A酸（RA）-促进树状突细胞Aldh1a2 （编码视网膜脱氢酶2）表达。产生高浓度的维生素A酸，与转化生长因子β (TGFβ)结合，促进幼稚T细胞分化成叉头蛋白质 P3(FOXP3)+调节T (Treg)细胞，上调gut-homingα4β7整合素和CC-趋化因子受体9 (CCR9) 表达。源于Bacteroides fragilis (B. fragilis) 细胞壁的多糖A(PSA)通过类1型自噬相关蛋白16和核结合寡聚结构域蛋白质2依赖的自噬途径转运到肠固有层外膜囊泡。多糖A信号通路是通过 FOXP3+Treg 细胞上的TLR2受体介导细胞增殖，产生IL-10，提高抗炎反应。46种鼠源或17种人源梭菌产生的短链脂肪酸(SCFAs)可产生这些相似的抗炎反应。
图2b. 菌群的抗炎和促炎效果
肠道菌的促炎免疫调节。从左到右：粘附在肠道上皮的分节丝状菌(SFB)，刺激转录因子C/EBPδ，上调血清淀粉样蛋白A (SAA) 表达，血清淀粉样蛋白A诱导辅助T细胞17(TH17)产生IL-17，刺激CD11c+ DCs产生IL-1β，IL-1β形成血清淀粉样蛋白A扩增环，激活IL-23 信号通路，促进先天性淋巴细胞(ILC3s)产生IL-22。通过信号转导，上皮细胞中转录激活因子3(STAT3)进一步刺激淀粉样蛋白A的表达。没有粘附在上皮细胞的分节丝状菌也通过IL-23信号通路诱导ILC3s表达IL-22。从溃疡性结肠炎病人上分离到双歧杆菌B. adolescentis和同属的20株菌，可通过上面粘附诱导TH17细胞产生效应。TH17和相关的细胞因子又称IL-17，促进肠道促炎性反应。共生菌Prevotella copri (P. copri) 产生琥珀酸盐，通过树状突细胞GPR91 信号通路增强抗原特异性及TLR介导的免疫反应。Bilophila wadsworthia(B. wadsworthia) 减少牛磺酸解偶联成亚硫酸盐，有利于菌自身的代谢和克隆繁殖，诱导TH1细胞产生IFNγ。
图3a. 菌群对先天样淋巴细胞的影响
细菌调节先天样淋巴细胞。从左到右：噁唑促进上皮细胞吲哚胺2,3-双加氧酶 (IDO) 的活力，增强色氨酸分解代谢成芳基烃受体（AhR）配体如3-羟基喹啉酸和喹啉，后启动AhR信号通路促进基底外侧上皮表面CD1d 脂类抗原递呈，逐级反应后激发天然杀伤性T细胞 (iNKT) 释放IL-13和IFNγ。核黄素衍生物与菌代谢产物反应形成嘧啶通过MR1信号通路激活天然粘膜相关T细胞。MA1T细胞可增强保护病原对机体的感染。
图3b. 菌群对抗癌免疫和ICB 治疗效果
菌调节抗癌免疫和免疫检查点阻断效果(ICB) 。从左到右：11株菌系可诱导 IFNγ+CD8+T细胞，方式同 CD103+DC依赖型模式。从而增强抗微生物免疫如单核细胞李斯特菌(L.monocytogenes)，抗癌免疫同理。11株菌系产生代谢物如甲羟戊酸盐和二甲基甘氨酸，调节机体，刺激IFNγ+CD8+T细胞起机体保护作用。Akkermansia muciniphila (A. muciniphila) 通过刺激树状突细胞产生IL-12，且促进上皮肿瘤细胞和淋巴结细胞中CCR9+CXCR3+ CD4+T细胞的累积而增强ICB效果。双歧杆菌增强MHC class IIhi (MHCIIhi) 树状突细胞的累积而增强T细胞累积，增加肿瘤中CD8+T细胞的数量。Faecalibacterium也是与CD8+T细胞数量增加有关。
图3c. 菌群对抗体反应的效果
菌群对抗体反应的效果。特定属的肠道菌可产生短链脂肪酸(SCFAs)和饱和脂肪酸激活B细胞，增强B细胞增殖，产生抗体。而某些菌如Clostridium sporogenes (C. sporogenes) 产生支链氨基酸，抑制这些B细胞产生抗体。IgA在菌克隆中起到双重作用：有利于特定病原的清除，如Escherichia coli (E. coli)，同时增强共生菌的克隆如B. fragilis. B. animalis, Bifidobacterium animalis; B. thetaiotaomicron, Bacteroides thetaiotaomicron; E. cloacae, Enterobacter cloacae; L. casei, Lactobacillus casei.
图4. 菌群疗法的合理设计
计算模拟可用于预测免疫调节菌的移植效果。对病人个体的全面代谢组和基因组学分析能提示个性化菌混合物的设计方案。每个设计方案含有一组嫁接菌对该病人有效。可通过营养调节（如使用复合益生菌和益生素）或使用宿主源抗菌肽抵制物(AMPs) 增强所引入的外源性菌克隆定植。此外，使用工程菌高效产生活性成分用于治疗，如依靠工程菌产生外源性代谢物胸腺嘧啶核苷作为效应分子，实现了药物放弃治疗。
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