综述 | Nature子刊：肠道微生物的“弹簧现象”（第六期文献包投票选出的文章）
本文由殷继忠编译，董小橙、江舜尧编辑。
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肠道微生物群落组成受宿主和环境因素影响，在个体的发育过程中均有差异。尽管微生物经常受环境影响，但在个体中的组成和功能却经常保持一个稳定状态，这是因为微生物群落具有恢复能力和一定的抗性。其恢复能力保护我们免受生态失调相关疾病的影响，如炎症性肠病（IBD）或代谢紊乱等疾病。在本文中，作者提出微生物恢复能力在健康和疾病中的关键作用，进一步讨论了微生物在饮食、抗生素和细菌条件下的机制问题以及对人类健康的影响。
论文ID
原名：The resilience of the intestinal microbiota influences health and disease
译名：肠道微生物的恢复力影响健康和疾病
期刊：Nature review Microbiology
IF：31.851
发表时间：2017年
通信作者： Felix Sommer
通信作者单位：德国基尔大学
综述框架
综述内容
在本文中，作者研究了细菌、宿主和环境之间的相互作用，以及微生物恢复能力对人类健康的影响。
1 微生物恢复能力的概念
人体肠道中的微生物群落经常会受环境影响。在整个人类进化过程中，肠道微生物经常接触不同能源的食物、新细菌、真菌、原生动物和病毒的影响。
这样复杂的生态系统被人们认为是稳定平衡状态。“状态”实际上反映的是一个动态平衡，其经历恒定的微小波动，通常也与不同功能存在关联。如果生态系统对宿主有益，那么生态系统的功能可被视为复杂的共生关系。如果稳态与有害作用相关，则被认为处于“生态失调”状态。当微生物群落与某种疾病存在相关性时就会发生生理障碍，这种疾病不能简单的归因于单一细菌物种的作用。由此人们发现微生物群落结构的稳定对人类健康至关重要（图1）。
恢复力一词描述了系统稳态功能转变前可以承受的压力。恢复力是生态系统的复杂特征，其包括若干个关键组成部分（图2）。首先是阻力，因为它描述了系统从稳定状态转变（图2a，b）。其次，变化的范围被定义为系统在失去其特性及恢复到初始稳态前可以承受干扰的最大范围。第三为不稳定状态，描述了从初始稳态到无法恢复的距离(图2d)。第四是“panarchy”，描述了一个群体的组织形态对压力的响应。面对连续的干扰，微生物群落组成可能也会呈现出一种新的有益或有害状态(图2c,d)。
物种多样性与生态系统稳定性之间存在着密切的关系，微生物群落通过一种或多种方式抵御干扰来稳定平衡，这对人类健康有着显著影响。当一个人胃肠道感染时，恢复力很好的诠释了微生物群落和正常生态系统服务的快速恢复能力。但恢复能力也有不好的一面，具有高恢复潜力和生物多样性的有害微生物可能会致使人类患有相关慢性疾病，例如IBD，肥胖和代谢综合征。
图1 健康和疾病状态恢复能力的示意图
图2 控制肠道生态系统稳定性的因素
2 塑造恢复能力的机制
2.1 外部选择机制
主要是由宿主衍生的选择机制促进了微生物群落的发展（图3）。宿主可以主动塑造肠道中的生态位。这一过程可能会逐渐进化为防止病原体定植或选择有益的微生物群落。此外，特定粘液层的产生也会起到屏障保护作用，但同时也会充当细菌的营养源和底物（图3）。上皮层的再生和分化会产生很多这些效应物，受细菌和宿主内在信号传导途径的严格调节。其次，宿主还会控制其他重要的环境因素和胃肠道的理化性质，从而确定生态位、生长条件和微生物群落组成。微生物群落的变化已经成为维持宿主-细菌共生的突出特征（图3）。
图3 恢复能力的机制
2.2 内部选择机制
内部选择机制是指构成微生物群落间的相互作用，并会影响群落结构和恢复能力。肠道环境中，微生物可以在相同生态位合作并竞争资源。除这些情况外，相当大比例的微生物可能在任何特定时刻处于休眠或不活动状态。休眠策略对于生活在动态环境中的群落可能十分常见，因为它们在波动条件下会逐渐提高结构稳定性。细菌可以产生直接拮抗的效应物，阻止竞争者的生长从而达到稳态（图3）。
3 生长过程中的恢复能力
哺乳动物新生儿有着简单的肠道微生物群落，其具有低多样性，低细菌负荷和低回弹性，因此，在分娩后新生儿肠道极易定殖菌群。发育中的微生物继承是定向的，这意味着某些物种的生长需要其他物种的先前生长作为条件，这部分由负反馈回路控制。宿主的遗传构成是确定发育中微生物群落的继承和选择过程的另一个重要因素。通过小鼠研究已经证明先天免疫受体和粘液会受早期微生物的影响。肠道微生物的组成在生命早期会存在显着波动（图1），但出生后三年内，微生物多样性逐渐增加并且群落结构趋于稳定，生命早期微生物的干扰可能会对宿主健康产生长期影响。
4 恢复能力和抗生素
抗生素的使用会显着影响微生物群落结构。然而，尽管一些研究表明抗生素仅对微生物具有短暂影响，但其他研究结果显示抗生素的使用会永久性地改变微生物并干扰肠道稳态和调节免疫反应的途径。这些受抗生素诱导的微生物和宿主的生理学差异可能取决于个体接种抗生素情况及接种年龄的影响。微生物的恢复能力也可能影响对抗生素治疗的反应。一些观察性研究已经研究了人类抗生素摄入后的恢复力情况。在出生的第一年内使用抗生素会增加慢性炎症疾病的发病风险，例如过敏、哮喘、IBD或生命后期的代谢综合征。但矛盾的是，人均抗生素使用情况在新生儿的前两年最为密集。
5 粪便微生物的移植
粪便微生物移植（FMT）是指粪便或部分粪便微生物从供体到受体胃肠道的转移情况，该方法可以将供体的某些生理特性转移到新宿主中。FMT可有效改变肠道微生物群落。其对治疗复发性艰难梭菌感染（RCDI）的疗法一直备受关注。通过单个细菌治疗慢性感染和改变复杂肠道微生物群落的代谢存在显著差异(图4)。FMT细菌疗法强调了不同水平的重要性（图4）。益生菌群落具有较强的恢复能力，并且在短暂的干扰后，会转变为与之前高度相似的组成结构。在初始干扰之后，由于宿主的内在特征或生活方式等因素影响会逐渐选择新的群落，其在组成上存在差异但仍具有功能特性，因此生态失调会持续存在。最后，传播的群落会稳定定殖并建立具有不同功能特性的新型微生物群落结构。
图4 粪便微生物群落移植对益生菌群落恢复力的干扰
实验结论
人体的微生物群落稳态是健康的重要保证。肠道生态系统的恢复力是这种动态平衡的重要组成部分。探究群落的长期稳定性和稳定生态系统的恢复机制对于理解肠道生理学非常重要。虽然可能与慢性感染、代谢综合征和IBD等几种疾病有关，但在临床环境中的相关作用仍有待进一步确定。影响微生物群落组成和恢复能力的重要因素往往被忽视，由此对恢复能力的探究将会给人类健康提供更多帮助。
评论
调节微生物群落未来仍是治疗复杂疾病的重要选择，但这需要人们对相关方面知识有更深刻的了解，本文提出的微生物恢复力的概念也将为我们研究肠道菌群提供更多的帮助。评价仅属小编的个人看法，欢迎大家一起讨论。感谢大家多提意见，提携小编进步。