综述 | Cell：炎症性肠病的治疗机遇：宿主 - 微生物关系的机制解析 / 四六文摘

编译：Ares，编辑：十九、江舜尧。

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导读

目前对炎症性肠道疾病（IBD）发病机制的研究表明宿主遗传因素，宿主免疫，微生物组和环境暴露之间存在复杂相互作用。现代遗传学和分子病理学手段为研究粘膜炎症的关键触发提供线索，并干预和指导IBD的临床治疗。宿主遗传因素，微生物和微生物代谢物之间相互作用的复杂网络控制着肠内稳态，使得相关通路的分类和机制剖析具有挑战性。在本综述中，作者将探讨这些挑战，积极的医学转化，以及新一代疗法的发展机遇。

论文ID

原名：Therapeutic Opportunities in Inflammatory Bowel Disease: Mechanistic Dissection of Host-Microbiome Relationships

译名：炎症性肠病的治疗机遇：宿主 - 微生物关系的机制解析

期刊：Cell

IF：36.216

发表时间：2019年8月

通信作者：Ramnik J. Xavier

通信作者单位：哈佛大学医学院和麻省理工学院

综述内容

IBD治疗现状：提出的挑战

炎症性肠病（IBD）分两种主要类型：溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）。UC仅限于结肠，但CD中的粘膜炎症可能涉及整个组织，并且与诸如肠道狭窄狭窄和瘘管等并发症有关。然而，在一些患者中，IBD不能明确地归类为UC或CD。这些病症的治疗方案往往相互重叠，包括氨基水杨酸盐，皮质类固醇，免疫调节剂，Janus激酶抑制剂，“生物学”治疗: 包括肿瘤坏死因子-α（TNF-α），白细胞介素（IL）-12 / 23的单克隆抗体，或整合素靶向炎症/运输途径。生物疗法提高了生活质量，降低了疾病相关并发症的风险。然而，高达40％的患者对初始治疗无响应。而在60%对初始治疗有相应的患者中，13％-46％在接下来的一年中失去治疗效果。在一些瘘管CD治疗病例中，复发率高达64％。

这种情况为IBD治疗提出了两个挑战：（1）结合异质性、宿主遗传特征和微生物组特征加深对疾病驱动因素的理解；（2）基于临床、分子和人工智能方法升级分类系统，以促进医生预测和鉴别治疗无响应者并指导主动治疗算法。作者对IBD治疗的理解受到各种因素的限制，包括疾病发作的可变性，遗传和临床异质性以及药代动力学（表1）。许多无响应患者循环系统中有足够的药物，这表明药物代谢清除不是造成无响应的主要原因。另外，影响不同炎症通路的潜在疾病机制的复杂性表明，开发针对特定通路的治疗方法的需求尚未得到满足，包括改变肠屏障功能，组织代谢，免疫，纤维化和瘘管化的通路。虽然现有的IBD治疗大多针对炎症，但对个别患者采用以通路为重点的治疗方法可能会增加成功的可能性，减少脱靶效应，并带来持久的益处和疾病进展的改变。

表1：IBD的治疗进展

目前的疾病分类系统包括解剖学特征，临床严重程度，发病年龄和症状表现（纤维化，穿孔）。目前已经研制出针对自身，微生物抗原和其他肽等特征性抗原的抗体，而且已经取得了有限的疗效。此外，还有包含遗传特征，微生物组和临床参数的分类器，从而将有响应者与非响应者区分为适合接受TNF或抗整合素疗法，但这种分类器需要进一步验证以用于常规临床实践。

IBD遗传学和微生物组的功能性联系

IBD遗传学研究已经确定了200多个基因位点，这些位点解释了8％-13％的疾病易感性风险差异，强调了非遗传因子（如肠道微生物）的重要性，这些因子在遗传易感宿主中驱动病理性免疫反应。矛盾的是，这种免疫耐受性的下降可能是由看似相反的宿主遗传脆弱性所驱动的。过度炎症表型和免疫缺陷表型均与IBD发病风险相关。由肠屏障功能障碍和/或上皮表面定植引起的慢性炎症可以产生能够改变定植生态位的肠组织环境。慢性低级炎性肠道环境可以通过选择性抵抗炎症敏感种群和促进功能适应物种的繁殖来影响微生物组。尽管宿主和微生物组之间存在密切关系，但鉴定宿主遗传特征（IBD SNP）和微生物组特征之间的关联仍然具有挑战性。与健康对照相比，IBD患者中肠道益生菌具有更低的多样性和丰富度。但是丰度降低并不一定降低了寻找宿主遗传特征关系的难度。IBD中的个体间微生物组变异仍然很高，由于饮食，药物使用或生态互作，许多物种在一般人群中很少找到。此外，胃肠道生理功能和位置的不同导致了不同微生物群落的生态位。一些研究确定了遗传变异与肠道微生物之间的联系。例如，NOD2突变与嗜热杆菌，罗斯伯里氏菌属和肠杆菌科的丰度相关。NOD2是细菌感染的宿主细胞内传感器，能够识别原核细胞胞壁酰二肽（MDP）并在吞噬细胞中引发促炎细胞因子应答，然而， MDP在很多微生物种属中普遍存在。实际上，NOD2突变与分类群相关，在非IBD疾病（如肝硬化）的微生物组病例对照研究中也观察到这种变异，表明NOD2相关的微生物传感失调导致肠道生态失调。该实例强调了IBD遗传学和微生物组多样性的复杂性，凸显出识别功能性宿主 - 微生物组关联的挑战。当前的挑战突出了将微生物组特征与宿主遗传相关联的新计算方法的需求。例如，基于宿主先天免疫系统识别微生物配体的机制，在IBD研究中经常忽略的真菌生物体可以在功能上与细菌区分开。CARD9是真菌配体感应受体如Dectin-1下游NFκB活化的衔接蛋白。与其在抗真菌免疫中的作用一致，常见的CARD9错义突变（S12N）与CD中共生真菌Malassezia restrictionta的肠道定植相关。此外，CARD9与针对M. restrictionta的循环抗体有关，表明先天免疫的减弱转化为CD患者的免疫耐受。类似于真菌对免疫的影响，宿主遗传变异与病毒相互作用以调节肠内稳态。例如，IBD风险基因Atg1611在功能上与由cGAS-STING介导的病毒感知通路相互作用，以IL-22依赖性方式调节肠道炎症。葡聚糖硫酸钠诱导的上皮损伤的Atg1611亚型小鼠在感染小鼠诺罗病毒（MNV CR6）时表现出Paneth细胞颗粒形态异常和恶性结肠炎。进一步解开这些相互作用需要群组扩增和构建粪便样品Biobank，然后在特定基因型患者中对细菌以及真菌，小真核生物和病毒进行微生物组分型。

在IBD遗传学中，风险性突变涉及一组核心功能相关通路。它们包括四个广泛的重叠类别：（1）微生物传感器和先天细胞因子途径，（2）抗菌效应机制（呼吸爆发，自噬），（3）抗原呈递和适应性细胞因子途径，和（4）上皮屏障功能。例如，NOD2和CARD9突变改变NFκB信号转导，增加微生物传感途径中的炎性细胞因子产生。根据这种观点，通过寻找宿主 – 通路遗传风险评分和微生物通路宏基因组注释之间的关联，才能最接近宿主和微生物组之间的功能联系。实质上，该策略将多种宿主遗传风险因子简化为功能相关的通路评分，并将许多宏基因组解析为功能相关的基因类别，从而发现宿主遗传因素和微生物组之间的通路水平关联。该方法解决了人类遗传异质性，这引入了微生物组生态失调的各种脆弱性。将这些遗传变异封装到IBD通路主要组的单独分数或突变负载中，可以解释UC和CD中涉及的分子程序，并有助于识别同一基因中的常见和罕见变异。

与早发型IBD相关的基因变体，包括减弱NOD2信号传导或NADPH氧化酶复合物亚基的稀有XIAP突变，表明先天免疫系统和微生物组之间存在功能性的相互作用。例如，NADPH氧化酶复合物（CYBB，CYBBA，NCF1，NCF2，NCF4）在吞噬细胞中高度表达，通过产生有毒的活性氧中间体（ROI）提供针对微生物感染的先天防御。NADPH氧化酶亚基中的无义突变导致慢性肉芽肿病（CGD），这是与复发性细菌和真菌感染相关的严重原发性免疫缺陷。

图1 宿主与微生物的遗传相互作用

对微生物组抗原的适应性免疫机制

人白细胞抗原（HLA）基因座中的突变是将宿主免疫与微生物感染和/或自身免疫关联起来的最大影响因素，人群HLA基因变异集中在I类和II类主要组织相容复合物（MHC）的肽结合位点内。突变改变MHC结合特异性并且影响呈递给T细胞的抗原肽谱。HLA如何影响IBD中T细胞的共生抗原呈递，以及共生特异性T细胞如何影响肠道病理仍不清楚。有报道CD（15个等位基因）和UC（16个等位基因，主要是II类）的MHC I类和II类（HLA）等位基因关联，而详细的突变匹配检测到临床IBD表型的信号异质性。DRB1 * 01:03是结肠型IBD的强MHC II风险等位基因，而CD中的DRB1 * 07：01与非结肠炎症相关。然而，仍然不清楚在胸腺选择期间和外周期间T细胞池是如何由HLA相关的肽组构成。

宿主免疫系统对由共生体产生的多种免疫原性抗原保持耐受。在这方面，微生物组可以被认为是具有独特免疫特权的宿主“自我”组织。肠道腔并非由免疫细胞构成，也不受细胞免疫机制的直接监测，而是受体液免疫机制的保护。肠粘膜富含不同于参与宿主细胞效应机制的其他免疫球蛋白同种型，例如补体系统和Fc受体的中和共生特异性IgA。因此，免疫系统不以抗原特异性方式对肠腔进行微生物杀灭。例如，对艰难梭菌的适应性免疫不能从内腔根除细菌，而是可以抑制宿主粘膜组织的感染和全身性感染。因此，协调T和B细胞应答赋予机体对共生体的免疫力，T细胞为B细胞提供细胞因子支持，包括抗体转换重组，体细胞超突变和亲和力成熟。T细胞依赖性抗肿瘤IgG应答与1型糖尿病（T1D）的未来诊断相关并且依赖于HLA基因型。类似的机制可能适用于IBD，因为CD患者表现出更高水平的针对食物抗原和共生物种的免疫球蛋白。这些发现表明T细胞依赖性抗体反应中的自身耐受缺损。最近的研究表明，共生效应B细胞可以通过受体编辑来逃避自身反应，这是一种B细胞重排轻链基因座以减轻局部高反应性的过程。尽管尚未最终证实T细胞中的类似过程，但已鉴定出共表达特异性T细胞，表达具有两个不同α链的双重T细胞受体（TCR）。T细胞对分段丝状细菌（SFB）的反应性与肺自身免疫性T细胞中的双重TCR相关，表明针对微生物组抗原和自身抗原的双特异性T细胞可能有助于自身免疫。

如果我们认为微生物组是一种“自我”组织，那么如何建立和维持耐受性？在胸腺中发育的共生反应性T细胞不受强制中枢耐受性的典型负选择机制的影响。相反，多种外周耐受机制控制由表达TCR的T细胞介导的免疫应答，所述TCR对共生抗原具有高亲和力（图2A）。然而，表达对非同源共生表位具有低亲和力和/或亲合力的TCR的T细胞可以起到在外周中正选择自身配体的作用，有助于T细胞存活和TCR活化阈值的调节（图2A）。最近的研究证明了这些配体对调节T细胞应答的重要性。因此，通过与MHCII呈递的弱自身或共生肽配体相互作用诱导的强直TCR信号传导可促进外周T细胞维持。总之，共生表位可以作为弱自身配体起作用，其调节宿主T细胞应答和/或强抗原配体，驱动T细胞效应子反应或诱导外周耐受。要确定微生物群对宿主适应性免疫的功能影响，需要更全面地描述共生抗原环境和T细胞对这些抗原的反应。

图2 宿主-自适应T细胞对共生抗原的反应动力学

微生物组抗原研究在小鼠模型中鉴定出了几种MHCII限制性CD4 T细胞表位。早期的研究使用来自自发性结肠炎小鼠模型的血清以鉴定细菌鞭毛蛋白中的T细胞表位。随后的工作确定了肝螺旋杆菌特异性Treg反应，Th17与特异性SFB抗原的反应，以及与Akkermansia mucinophila的反应。鉴于HLA等位基因和个体微生物组的多样性，T细胞抗原的研究更具挑战性。由于上述原因，旨在监测人类对共生体的适应性免疫的大部分工作集中在抗体介导的B细胞应答上。目前IBD中利用血清学来检测针对一组微生物或自身抗原的抗体，包括抗酿酒酵母抗体（ASCA）和自体核周抗中性粒细胞胞浆抗体（pANCA），以及最近鉴定的来自大肠杆菌OmpC或保守的鞭毛蛋白表位CBir1。这些抗体在UC和CD患者中都能检测到，因此限制了其诊断灵敏度。总的来说，这些抗原代表了对IBD免疫原性的狭隘看法，随着抗原发现的进展，该领域将受益于微生物群和适应性免疫系统之间关系的更广阔的视角。

随着宏基因组数据集的积累，预测计算算法可以促进从肠道蛋白质组中发现抗原和确定抗原肽的优先级。一旦预测的表位在实验上得到验证，通过定量监测抗原特异性T细胞应答，TCR谱和功能性T细胞表型来建立免疫优先级同样重要。与靶向TCR测序相结合的单细胞RNA测序对T细胞功能相对于TCR抗原特异性的研究提供了独特的见解，高通量TCR指纹技术已被用于筛选候选肽- MHC II配体的反应活性。已经开发出了几种其他方法来促进MHC I相关肿瘤抗原的高通量筛选：采用酵母展示技术的筛选，DNA条形码四聚体，胞啃作用，或基于T细胞的抗原探索平台已经能够发现毒性T细胞的MHC I相关抗原。

抗原研究的临床应用为生物标志物的鉴定和抗原特异性免疫治疗提供了可能。微生物组和宿主适应性免疫系统的持续相互作用是动态的，并且取决于免疫功能固有的因素。由衰老，感染或自身免疫引起的免疫调节可以通过扭曲细胞因子谱和/或影响外周维持和消耗来定性地改变T细胞对共生表位的反应（图2B）。因此，旨在量化T细胞对共生表位的反应的免疫监测技术与诊断应用直接相关。此外，抗原研究有可能实现基于疫苗接种策略的新型治疗方法，动员或重新利用共生特异性T细胞在自身免疫中诱导旁观者耐受性或释放抗肿瘤免疫能力。同理，采用新兴的嵌合抗原受体T细胞（CAR-T）技术的基于细胞的疗法可以适于在纯系切除治疗的背景下选择性地靶向致病性TCR。

微生物编码的分子模式影响宿主的免疫

抗原驱动T细胞反应，但是细胞因子决定了对微生物源抗原免疫的结果。数据表明，由先天免疫系统转导的与微生物相关的辅助信号，塑造了肠道细胞因子环境，使T细胞极化，分化为Treg、Th17或其他可适应环境的定制表型。除了抗原外，微生物特异性信号对T细胞极化的作用在小鼠模型中也得到了很好的说明。SFB抗原通常诱导Th17细胞，而在李斯特氏菌中异源表达时诱导Th1，表明微生物能产生多种大分子来影响细胞因子水平，如TGF-β、TNF-α或IL-6。例如，17株梭状芽孢杆菌通过刺激上皮细胞释放TGF-β来诱导Treg细胞扩增，这被认为是Treg分化的必要条件。对一系列典型的肠道共生体进行的系统研究表明，免疫调节功能在系统发育上是不保守的; 相反，亲缘关系密切的物种或菌株表现出可变的免疫细胞极化潜能。还需要进一步的研究来探索形成粘膜组织中免疫细胞因子环境的的指示信号分子来源。

虽然了解还不透彻，但微生物信号如何介导免疫细胞群并影响健康/疾病的关键问题已经通过几项具有里程碑意义的研究得到了解决。与健康受试者相比，IBD患者的炎症性IL-17⁺免疫细胞浸润粘膜，IL-17血清水平升高，抗炎性Tregs数量减少。这些研究利用无菌小鼠模型来鉴定在没有内源微生物组的混杂效应下接种细菌后循环系统或肠道免疫细胞群的变化。目前已经分离了共生的特定菌株或群落，并且显示其能调节不同免疫细胞类型的发育和/或功能。这些包括小鼠SFB和20种促进Th17细胞的人类菌株，46种小鼠和17种促进Treg的梭菌，人类促Th1克雷伯氏菌菌株和11种促IFNγ CD8⁺细胞的人类菌株。同理，从IBD个体移植肠道微生物到无菌小鼠的肠道能够诱导结肠炎，促进Th2和Th17细胞群的扩增，同时导致Treg细胞减少。相比之下，将“健康”微生物组移植到无菌小鼠体内，为产生抗炎性IL-10的Treg细胞的发展创造了一个良性环境，后者反过来通过抑制NFκB信号传导来抑制Th17活性。

可以在携带IBD相关遗传突变的无菌小鼠中评估遗传背景对肠道微生物组和微生物信号传导以及免疫功能和疾病易感性的影响。Atg16L1 T300A突变能够损伤异体吞噬和Paneth细胞功能，在正常和结肠炎条件下促进拟杆菌的增殖，在常规饲养的小鼠中表现出诱导肠道微生物组重构。将CD但不是UC的患者的粪便定植入Atg16L1 T300A无菌动物能够产生相似的效果，诱导结肠和回肠固有层中Th17，Th1和Tregs的扩增。单一物种或多物种组合接种到无菌小鼠中将仍然是研究微生物调节免疫功能的引人注目的方法。在实际操作中，免疫筛选工作将通过增加菌株生物活性和在健康和患病的背景下调查关键菌株的详细分子表征来进行辅助。假说驱动的机制实验可以帮助揭示和验证直接调节免疫功能的分子或抗原信号。

通过研究病原体及其与之相关的分子模式(MAMPS)，科学家们成功地识别出了微生物学衍生的效应分子和宿主目标受体。这些分子模式与先天免疫系统的模式识别受体(PRRs)有关。例如，IBD相关的Ruminococcus gnavus产生葡甘露聚糖，以TLR4依赖性方式激活树突细胞分泌TNF-α（。除了MAMPS之外，微生物组通过由从头合成和二次转化的膳食和非膳食前体的组合产生的代谢物与宿主相互作用。代谢组和宏基因组谱显示代谢物分类器能够将IBD病例与健康对照区分开。与健康对照相比，CD患者在粪便代谢物组成中表现出强烈差异，而UC患者兼具健康和CD代谢物特征。特异性代谢物在CD患者体内富集，并与粪便钙保护素等炎症标志物相关，包括鞘脂，羧酸亚胺酸和胆汁酸衍生物。鞘脂在调节免疫反应中的重要性通过以下研究得以展示：无菌小鼠的拟杆菌维持肠内稳态，而鞘脂合成缺陷的B.thetaiotaomicron突变株诱导与IL-6和单核细胞趋化蛋白升高相关的肠炎。这些发现将其归因于鞘磷脂的抗炎作用，与健康对照组相比，鞘磷脂在IBD中含量丰富，从而为临床观察提供了功能背景。

对IBD微生态失调的理解很大程度上源于初期CD或UC患者的治疗，以及更广泛的IBD人群的纵向研究，主要集中在粪便和生物活性微生物组和代谢组。这些成果表明，IBD的特征体现在兼性厌氧菌丰度的增加，其中许多是来源于口腔具有促炎特性的微生物，这些厌氧菌与某些细菌代谢物的减少有关，包括短链脂肪酸（SCFA）或次级胆汁酸。研究者将需要作出重大努力，推动这一领域从物种水平的疾病关联和代谢物水平的相关性，发展到将微生物群与宿主生理学联系起来的因果机制。这一挑战被一般性炎症、药物暴露和饮食变量的继发性影响所混淆，建立分子效应器和微生物物种之间的机制联系，将有助于识别代谢产物的产生者，并将其作为宿主生理的关键媒介。

图3：局部和全身ADME规定微生物代谢产物的生物学效应

微生物衍生代谢产物和宿主靶点的药理学

从药理学的角度来看待这一挑战，将微生物源的生物活性物质转化为新的治疗方法可能会受益。例如，ADME的原理(吸收、分布、代谢、排泄)强调了一个事实，即粪便代谢物可能是或不是直接参与宿主受体/目标的同一化学实体（图3）。这在最近的研究中得到了证明，小鼠接种了C13标记的、不复制的大肠杆菌，以跟踪宿主体内微生物衍生代谢产物的ADME，质谱分析鉴定了23个宿主组织中的数百种代谢产物。利用一个无菌小鼠模型，研究人员在孢子梭菌中发现了一种生物合成途径，它产生氨基酸代谢物，通过调节肠道通透性来调节宿主生理。这一重要的研究证实，微生物衍生的代谢物直接调节体内宿主的生理。其他研究表明芳香氨基酸及其代谢产物参与了IBD中关键的细胞保护宿主通路，包括AhR和Keap1/Nrf2。能够产生类似化合物的生物体的发现，增强了芳香氨基酸衍生物促进肠道屏障完整性和减轻炎症的潜力。

物生物衍生的生物合成基因簇及其代谢产物的多样性表明，有必要扩大我们对微生物-宿主相互作用的看法，以解释宿主细胞内部和协调对微生物群落中环境因素适应性反应的一系列环路。具体而言，多效性可以产生于一个离散的代谢物对单一的宿主或同源物的作用，这些作用在不同的细胞类型中表达，并诱导不同的细胞类型特异性功能（图4）。 5-羟色胺是一种色氨酸代谢物，通过与许多密切相关的旁系同源物结合而表现出多效性（图4A）。肠道神经元中5-HTR参与诱导平滑肌收缩和肠道运动，促进杯状细胞中粘液分泌，增强骨髓细胞中IL-10并抑制IL-12/23 ，并诱导肥大细胞的脱粒和组胺释放。因此，从宿主肠嗜铬细胞或微生物体代谢中提取的5-HTR是杂合信号的典型代表，其中类似的信号通路参与特定的细胞类型导致不同的生物学结果。

图4：微生物代谢产物及宿主靶标的药理学研究

同样，多效性可以由多药理学引起，其中单一代谢物参与具有不同生物学结果的不同靶标（图4B）。胆汁酸作为G蛋白偶联受体（GPCR）GPBAR1和核激素受体FxR的激动剂起作用，导致其对消化，代谢和炎症的多效作用。最近的研究表明微生物组在宿主衍生的胆汁酸代谢和宿主生理学中的核心作用。在另一个实例中，微生物组发酵膳食纤维产生丁酸盐，其涉及多种宿主靶标，包括HDAC，GPR109a，GPR43和GPR41，通过抑制HDAC抑制Th17反应，促进巨噬细胞中IL-6的产生和抑制干细胞增殖来促进Treg扩增。在这种情况下，配体剂量可能优先参与某些通路，如低剂量诱导更敏感的靶通路，但高剂量允许较不敏感的靶通路占主导地位。例如，犬尿喹啉酸更有效地参与AhR通路（EC50 100 nM），而不是GPR35途径（EC50 50mM）。提示肠道中犬尿喹啉酸浓度的变化可能不同程度地参与宿主的靶通路，并引起不同的反应。

虽然单个代谢物具有多效性，但多种微生物代谢物对宿主途径具有协同和/或拮抗作用（图4C和4D）。在这种情况下，差异GPCR参与可以导致协同作用或拮抗作用。微生物来源的色氨酸参与5-HT4R诱导液体分泌和促进肠道运动。通过5-HT4R的激动剂诱导的信号传导通过激活Gα-s蛋白传导，诱导第二信使cAMP。因此，色氨酸和5-羟色胺可以协同诱导5-HT4R下游的cAMP产生。相反，通过Gα-i蛋白(如丁酸盐受体GPR43)传递信号的GPCRs可以拮抗cAMP反应（图4C）。更广泛地说，除了GPCRs外，一些宿主受体系统还参与拮抗和协同信号。胆汁酸受体和核激素受体FxR与RxR视黄酸受体形成容性异二聚体（图4D）。因此，胆汁酸和维甲酸衍生物协同诱导FxR/ RxR介导的控制细胞代谢和胆汁酸合成的转录程序。随着我们对微生物代谢物药理学认识的不断发展，对微生物代谢组的系统定义和功能表征仍是一个挑战。精心策划的假说驱动方法已经产生了控制炎症的有希望的线索; 但是，有几个重要的问题值得今后的工作加以考虑。迄今为止，候选的生物活性物质已经从（1）疾病背景下的代谢组学中鉴定出来，（2）生物活性生物合成基因簇的宏基因组学和计算预测，（3）合成生物学方法可以改变细菌遗传回路，以及（4）疾病相关分离株的单一培养和生化分离。这些方法旨在筛选和组装候选生物活性分子的文库，为宿主表型筛选和目标聚焦筛选提供了宝贵的资源。例如，分馏和活性导向筛选方法已经确定了代谢导向淋巴细胞归巢的新机制。此外，以目标为重点的筛选受益于技术发展，使得能够以高通量进行GPCR的多重筛选（Jones等，2019）。最近的研究利用功能和表型筛选来揭示宿主 - 微生物组关系的新机制，这些已在别的优秀综述中得到更详细的介绍。总的来说，这些筛选工作展示出在微生物组和宿主之间建立影响粘膜稳态和IBD的机制联系的巨大潜力。

受微生物组学研究启发开发的新疗法

考虑到微生物体内编码和产生的化学多样性的范围，人们对从微生物中挖掘具有生物活性的化合物的兴趣越来越大。或者，活的微生物被用作治疗剂或载体。最后，改变微生物群功能或组成的方法导致了对细菌药物的探索。这些方法可能包括减少有害物种的定植，或通过饮食干预或控制群体感应途径，通过生态工程恢复微生物群落的稳态。下面，我们将重点介绍微生物组学启发疗法的一些关键例子，并讨论这些方法的潜在应用。

来源于“漏洞”的药物

生物活性微生物代谢物是好的治疗先导吗? 临床有用的抗生素，包括万古霉素、链霉素、链霉素或四环素，已经从生活在复杂群落中的土壤微生物（主要是放线菌）中发现。由于共生体与寄主共同进化，这种互惠关系可能对调节寄主生理的生物活性物质的进化特别宽容。例如，膳食纤维的消化会产生滋养结肠细胞并具有广泛免疫调节功能的SCFAs，如丁酸盐介导的Treg发展。与对照组相比，恶性IBD患者体内产生丁酸盐的微生物水平较低，这一发现启发了大量的转化研究。此外，对人类的干预研究表明，丁酸盐给药可能是有效的; 然而，这些试验的样本量排除了结论性陈述。尽管丁酸盐对宿主的生理是有益的，但治疗转化的注意事项包括: 丁酸盐治疗的有效浓度在mM范围内、由于多效性效应而导致的宿主靶点的不确定性以及次优药代动力学特性。共生体工程产生治疗分子为IBD患者提供了另一种治疗策略。例如，携带IL-10或抗TNF抗体的乳酸菌菌株在控制小鼠结肠炎模型的炎症方面显示出了新希望。这类方法存在剂量上的挑战，需要特别注意ADME，因为有效载荷传递到肠道腔内可能无法达到炎症部位或者治疗目标。

虽然微生物组代谢物可能缺乏理想的药理学特性（效力，选择性，代谢稳定性），但它们能够成为针对能够被开发成药物靶点的宿主靶标的生物活性探针。CRISPR技术通过表达抑制和转录激活(CRISPRi/ CRISPRa)的组合使用，使负责小分子生物活性的基因信号得到过滤和优先级排序，从而将生物活性分子与常常难以捉摸的宿主目标联系起来。类似的方法也可用于生物活性微生物代谢物的目标识别。宿主目标识别能够使传统药物化合物化学优化，以提高效力和选择性，并发展出具有更优药代动力学特征的衍生物（图5）。

图5：微生物组生物活性物质转化为治疗剂的研究

“漏洞”能够作为药物

尽管对微生物群落如何影响健康和疾病的机理认识尚不完全，但粪便微生物移植(FMT)在治疗干预方面已取得进展。也许最重要的临床效益是已经能够治疗艰难梭菌感染。该方法揭示梭状芽孢杆菌通过化学修饰胆汁酸抑制艰难梭菌的萌发，为使用单一代谢物或物种或次级胆汁酸代谢物联合简化疗法铺平了道路。相比之下，随机的FMT临床试验显示，在缓解UC方面效果有限。有证据表明，供体特异性效应对受体缓解的可能性有很大影响，对病毒传播的研究表明，应变追踪可以用来监测移植的情况，并评估随着时间推移的反应。除了在IBD中FMT的长期耐用性和安全性方面的低有效性和不确定性外，其他挑战还包括缺乏程序标准化、病原体转移的风险以及诱导不必要的表型，如UC患者的恶化。益生菌或设计的微生物群落为优化和标准化治疗提供了潜在的替代方案，但迄今为止，这些干预措施的疗效有限。在一项研究中观察到益生菌的非最佳植入，该研究对沿着胃肠道的人体粘膜和腔内微生物群进行了不同位点采样，这表明治疗效果和定植位置有关。因此，在用11种诱导CD8⁺ IFNγ⁺ T细胞的共病菌株混合接种的无特定致病菌小鼠中，只有在抗生素治疗后才能进行移植。类似地，在UC轻中度活动性疾病患者中，与未接受预处理的患者相比，给予专有孢子胶囊联合万古霉素预处理显示出短暂的临床和内窥镜下症状的缓解。由于万古霉素本身对UC患者的缓解有积极的影响，因此与去除致病或抗原物种相比，很难理清抗生素在开辟新领域中的作用。在未来，以优化运送和移植的微生物技术方面的研究是很有必要。

针对漏洞开发的药物

IBD患者粪便中微生物密度的降低主要体现在厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门的总数，而变形杆菌门保持了一个稳定的绝对数量，其中包括能够很好地适应氧环境的肠杆菌科物种。肠道内氧化环境的升高可能是由于抗生素治疗引起的生物失调、肠道出血导致的氧张力增加，或者存在厌氧电子受体(如硝酸盐/NO₃^-)，其中一些可能是产生ROI和一氧化氮的抗微生物免疫功能的副产品。例如，大肠杆菌和伤寒沙门氏菌可以分别使用硝酸盐和四硫酸盐(S₄O₆ ^2-)作为氧化剂呼吸，并在大肠杆菌相关炎症因子的存在下繁盛。这可能可以解释为什么IBD患者中变形杆菌的绝对数量没有减少。利用钨酸盐抑制兼性厌氧菌在厌氧条件下对ROI副产物的呼吸作用，抑制硝酸盐还原酶的活性，可以控制肠道菌科兼性厌氧菌的过度生长。类似地，以上皮细胞衍生的乙醇胺为靶点的营养抑制可能是控制肠道微生物生长的一种可行策略。在多个肠道厚壁菌门和变形杆菌中检测到利用乙醇胺的多基因位点，表明乙醇胺是某些物种的重要营养来源。

非定植化

微生物组疗法的新兴策略已经开始探索选择性地去除特定的微生物。噬菌体治疗具有特殊的前景，因为它允许精确定位保守的、物种特异性的膜蛋白，以便噬菌体对接，并输送遗传物质，改变目标微生物的基因组或调节其功能。后者基于CRISPR核酸酶活性导致的双链基因组断裂，通过引入向导RNA库改变宿主基因组。在这种情况下，IBD相关的粘附侵袭性大肠杆菌(AIEC)可能是此类方法的一个可行靶点。FimH基因产物通过宿主CEACAM6受体促进AIEC与小肠上皮细胞结合，使AIEC对免疫系统清除产生耐受性。因此，开发利用FimH结合的噬菌体来对接和运送专门针对AIEC基因组的CRISPR是可行的。对个体间菌株多样性的研究表明，微生物组携带的基因是特定个体所特有的，这一特性可以被用来设计个性化的、菌株特异性的CRISPR靶标，从而将脱靶效应而导致其它物种意外消失的风险降到最低。

生态工程

改变微生物群最基本和临床可行的方法是通过改变人类饮食来调节肠道微生物可利用的营养池。对于IBD，一种被称为要素饮食的疗法已经显示出与皮质类固醇治疗同等的疗效。由氨基酸、必需脂肪酸、单糖、维生素和矿物质组成的要素饮食对儿童IBD尤其有效，80%的患者病情得到缓解。将治疗范围扩大到成人能取得类似效果的能力，尤其是在美国。虽然目前还不清楚要素饮食如何影响IBD，但各种研究都指出，通过排除典型饮食中刺激上皮细胞的物质(如乳化剂、卡拉胶或羧甲基纤维素)或排除典型的饮食抗原，可以增强粘膜屏障功能。众所周知，乳糜泻患者会产生食物特异性的IgG，例如针对牛奶蛋白的IgG。然而，目前尚不清楚针对饮食抗原的免疫反应是导致IBD发病的原因，还是主要是病理炎症的下游结果。另一个需要考虑的方面是，饮食可以通过调节微生物编码抗原的表达来间接发挥作用。虽然饮食对微生物群影响的潜在机制仍不完全了解，但一些研究已经开始定义饮食对微生物群、宿主生理和免疫功能的影响。这些报告包括广泛的饮食制度(例如，全谷物，无谷蛋白饮食)和有针对性的益生元补充。通过在基本饮食的背景下锁定饮食干预，有可能在典型的西方饮食中发现的大量营养素的引入如何影响肠道稳态和免疫功能。最后，确定IBD饮食效应物可以启发个性化的饮食干预，正如已经提出的控制血糖反应。

重建健康的肠道微生物群可能需要限制某些物种的定植，同时促进其他物种的生长。在这方面，促进理想物种的定植已成为可能，因为已确定了可以有选择地为特定物种创造生态位的营养物质。最近有报道卵形拟杆菌和胸膜拟杆菌菌株含有一个罕见的基因簇，该基因簇可代谢来自海洋藻类的卟啉，促进这些物种的生长。同样，微生物体内的群落级代谢活动可以调节营养池，从而影响肠道微生物的生长和定植。例如，共生物种对C. diff定植的限制说明了微生物组代谢活动能够影响特定微生物生长和定植的能力。这种种间的相互作用可以在共培养实验中被还原，如B. plebeius和Akkermansia muciniphila在宿主黏液蛋白和其他碳源上共培养时表现出不同的生长动力学。然而，在IBD的背景下，通常相关物种的整个网络都受到了干扰，即使FMT将整个群落引入，这种广泛的生态破坏也很难被复位。确定肠道微生物组成分之间的关键生态关系将需要实验和计算创新。微生物群落中基因表达网络的宏转录组分析已经定义了微生物在两种系统和高阶肠道微生物相互作用的背景下参与的相互依赖的转录程序。对这些转录网络的功能注释启发了建立肠道微生物代谢输出模型的方法，以揭示哪些代谢产物被释放到普通微生物营养池中，哪些代谢产物被单个微生物利用。这些系统生物学方法，当延伸到上皮和免疫基因表达和分泌代谢物时，可以如何重建一个稳定的微生物群落生态。为了减少这种整体模型不可避免的复杂性，已经开发了实验系统，其中包含了更多的受控的基于有机物的系统，包括微生物组、粘膜、上皮和免疫细胞间隔，这些模型系统可以用来揭示不同微生物组结构、饮食变量和免疫介质稳定共存所必需的信号因素。

更精细的治疗方法被设想集中于识别分子，这些分子可以改变一个群体的行为，进而促进一个期望的表型的发生。群体感应是一种机制，通过这种机制，细菌对外界刺激做出反应，例如种群密度或其他微生物的变化，并对调节生长、代谢或炎症的基因表达或代谢程序进行反应性协调。这些机制与细菌生物膜的形成和毒力因子表达的调控有关。现已鉴定出几种群体感应分子，包括由革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌同时产生和检测的N-酰基同丝氨酸内酯(AHL)分子(自诱导物-1 [AI-1])、修饰寡肽(自诱导肽[AIP])和由硼呋喃衍生的信号分子(自诱导物-2 [AI-2])。事实上，宿主还可能有助于生成自动诱导器。观察到细菌产生的分子可以指导群落的代谢程序，这表明需要探究复杂群体感应通路及其下游目标的运作。

总结与展望

在存在微生物群活动和代谢产物对宿主的生理和免疫功能产生不利影响的背景下，宿主的遗传变量为IBD及其相关病理的研究创造了良好的条件。单独理解这些成分如何影响病理进展已经取得了重大进展，以指导旨在改变IBD进程的治疗策略。然而，仍有许多悬而未决的问题。跨越不同分子通路的多重遗传易感性如何，以及在多大程度上诱发微生物组组成的病理变化?不稳定的微生物群是否以渐进的方式导致宿主生理失调，最终超过一定的阈值，导致病理炎症?与健康或疾病相关的饮食因素和微生物代谢物是什么?它们在哪些分子受体和通路上起作用? 寻求这些问题的解决方案应该有助于破解宿主与微生物群落的相互作用，并指导组合治疗的发展，同时恢复肠道屏障、免疫系统和微生物群落的健康和稳态。

系统生物学方法可以在功能上连接IBD的生物学成分，以提高我们对疾病和患者护理的理解。个体化治疗的分子基础为一种新的微生物特异性治疗提供了希望，尽管难以确定IBD恶化的触发因素仍将是微生物组治疗领域的一个障碍。此外，从人类群体中破译疾病机制由于与遗传学、微生物群、治疗历史和饮食相关的变量而变得复杂。对人类群体的纵向取样创造了在多维矩阵中摸索实时微生物组模式的机会。一些研究已经使用机器学习算法来解码微生物组结构、饮食模式和临床宏数据之间的关联，并且成功地预测葡萄糖反应。我们预计，随着时间的推移，将有越来越多在个人或群体中综合疾病变量和风险因素，用类似于机器学习的办法，以了解当今用户对各种商业产品的偏好。更吸引人的是利用算法帮助检测在观察期间出现的临床指标模式的可能性，这些模式可以解释为如何在随后进行促进健康的干预措施。临床试验中未接受治疗的IBD患者可能需要进行一系列微生物组分析、功能免疫监测和以通路为重点的基因型分析。个体化的患者数据随后可用于预测通过给定的治疗获得持续缓解的可能性，或用于指导何时以及如何调整治疗策略。这也可能有助于比较IBD患者的疾病模式，这些患者目前由其他参数(如疾病发生位置，而不是遗传或基于微生物的分类)定义。目前人工智能应用的局限性包括纵向数据的稀疏性、数据生成方法的变化以及预测的最终生物学解释能力。通过更好的粘膜免疫系统解读，利用微生物组输出的功能测量，以及疾病的分子分型，可以为患者提供更具生物学可操作性和解释性的预测，让患者能够直接受益。

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