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（IF：41.982）
本文由杨家军编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
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。
论文ID
原名：Mining the microbiota for microbial and metabolite-based immunotherapies
译名：精简微生物种类—针对免疫治疗的微生物及其代谢产物
期刊：Nature Reviews Immunology
IF：41.982
发表时间：2019.3.11
通讯作者：Kenya Honda
作者单位：Keio University School of Medicine, Tokyo, Japan
综述内容
1. 简介
人体定植巨大数量的微生物，其中肠道内微生物数量超过基因总数的25倍，这些微生物形成组织微环境，之间相互影响。其中大部分微生物与宿主产生互惠关系，在营养代谢中发挥巨大作用。如帮助机体发酵多糖、合成维生素，在多层次影响机体的生理功能，包括免疫系统的成熟和完善。一系列疾病如炎症性肠病，癌症，自闭症，代谢病如糖尿病、心血管疾病和肥胖与菌群构成的微环境失衡有很多关系。
著名的人体微生物组计划通过大数据分析，得出并没有一套适合所有人的微生物区系。微生物组全基因测序表明机体共生菌影响人体健康和疾病发生，但其因果关系没有解决，仅仅是在菌群失调时，采用菌应对宿主的病理状况。
目前明确特定菌株通过某些特殊方式对宿主微生态平衡起作用，使明确菌群与疾病的因果关系变为可能。特别是使用两种互补研究方式：基于无菌动物和菌代谢物质的研究，可明晰菌群失调性疾病与菌的免疫调节功能的机制，特殊的菌种产生某种物质起到关键作用。同时培养技术与高分辨质谱的进步为鉴别与疾病相关小分子提供新视角，为多种机制研究提供平台。肠腔内含大量的小分子物质，由细菌自身合成或利用肠道营养物质合成。这些小分子通过向其他细菌和宿主细胞发出信号，特别是调节特定的亚型免疫细胞为自身定植创造调节，从而促进肠道稳态。菌源性代谢物可进入机体循环系统，与菌自身相比可减少空间受阻。同时微生物群的可塑性，为使用微生物和自身产生的小分子治疗局部或系统疾病提供希望。本综述中，如何采取精简措施探究共生的微生物子集及其产物来揭示菌群和宿主免疫的因果互作，同时探讨其临床应用。
2. 粪菌移植的经验
在疾病发生中微生物组成发生变化称为菌群失调。菌群失调最明显是菌群在门分类数量上下跌，如炎症性肠炎或复发性艰难梭菌结肠炎。无菌动物研究可缩小机体共生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。大量粪菌移植临床试验目的是修复菌群多样性，已成功治愈80%的艰难梭菌引起的肠病。粪菌移植的成功为菌群在疾病发生的因果关系提供了强有力的证明。
然而在粪菌移植成功案列中并没有明确起治疗作用的特征元素，甚至不含菌细胞的上清液与粪便整体同样可以起到疗效。多种如抗菌素、小分子物质和营养竞争等无菌治疗渠道同样可起到治疗效果。菌群失调导致的疾病和类似粪菌移植治疗溃疡性结肠炎、移植物抗宿主病和代谢综合征，这些潜在机制仍具有很多不确定性。粪菌移植及其衍生物的临床疗效褒贬不一。粪菌移植中粪便经乙醇处理后治疗艰难梭菌感染的I 期肠病，会放大疗效，而对II 期肠病却没有显著效果。为避免这些缺陷，增强菌源性治疗手段的效果，需找到粪菌移植替代疗法，针对特征疾病明确机制，挖掘菌群，设计周密的菌源治疗方案。
这些菌群疗法基于细菌子区系和活性分子的鉴定。抗菌素治疗的小鼠可抵抗艰难梭菌侵袭感染，内容物培养后可减少模型小鼠器官中艰难梭菌的负荷数量。内容物中含有Clostridium scindens菌，通过特殊代谢途径，将胆酸通过7α-去羟基化作用生成二级胆汁酸，从而抑制艰难梭菌生长，对此研究者提出胆盐依赖机制。同样，单独使用脱连接的二级胆汁酸也可以减少艰难梭菌的定植感染，使用活菌C. scindens可能更具疗效。更有甚者，其他的几种菌源性代谢物也可以对患者艰难梭菌炎症的保护作用，如氨基酸特别是脯氨酸，高浓度脯氨酸可治疗艰难梭菌感染引起的菌群失调导致的腹泻病。口服抗生素使管腔中唾液酸水平升高，诱导艰难梭菌操纵子表达，促进其体内感染。菌群失调会导致机体营养利用的不适宜性，易于病原菌感染。粪菌移植不仅为菌群失调患者提供机体缺乏的代谢物质，如二级胆酸，同时提供了菌群，便于机体消化营养物质，如氨基酸和唾液酸。粪菌移植在多种模型动物上的其他肠病中也取得成功，如万古霉素抵抗性Enterobacteriaceae菌病。研究表明肠道共生菌如Blautia producta 和Clostridium bolteae，及其代谢物短链脂肪酸，可保护机体抵制病原菌定植，修复菌群失调。
3. 菌群与宿主免疫调节的因果
两种主要的互补精简途径在鉴别共生菌影响机体健康，颇具效果，如Fig.1所示。这种自上而下的途径采用无菌模型动物试验，针对某一免疫疾病表型，缩小庞大的菌群至单个菌株或最小的菌系。再将这些菌用至发病模型动物上，揭示疗效和分子机制。另一自下而上的途径是首先鉴别疾病中菌源性物质和代谢物的变化，需利用元基因组数据分析鉴别菌株代谢和生物合成途径。这两种方法联合应用，增强鉴别效果。诸多研究使用无菌动物和菌源性途径聚焦机体共生菌研究。
图 1
3.1无菌动物途径
无菌技术联合厌氧培养可有效缩小人源菌定植在小鼠肠道内菌的范围。典型案例为分节丝状菌（SB）在普通人体内由于缺乏代谢途径的宿主体内数量较少，而在输送者体内数量众多。SFB在经典的体外培养条件下为非培养，当与鼠上皮细胞共培养时可繁殖。鉴于SFB孢子形成和肠上皮粘附特征，使用单克隆小鼠或大鼠作为模型，将上皮细胞上的微生物用氯仿处理后，SFB是辅助型T细胞17 ( TH17 ) 的最强诱导菌，TH17是上皮内淋巴细胞，产生IgA。在无菌动物模型试验中，肠道共生菌之间可相互配合产生代谢物，影响机体生理功能。叉头盒蛋白P3 (FOXP3)+ 调节性T (Treg) 细胞可肠道内诱导梭菌属繁殖，这一现象是通过无菌动物研究途径鉴别发现的。通过缩小人体庞大菌群范围直至17株效应菌，17株菌作为一个群体，联合发挥作用，单株菌诱导Treg细胞的功能较弱。同理发现的11株CD8+T细胞诱导菌可增强抗肿瘤免疫效果，在人体所有共生菌中这11株菌丰度较低，却在无菌小鼠体内丰度高。以上表明特征菌对宿主的影响巨大，需增强临床相关的无菌研究。
另一共生菌与机体免疫相关的研究是IgA包被菌的鉴别，部分肠道菌与机体免疫因子IgA相关，细菌分类和16S rRNA测序联合技术称为IgA-seq，以广泛应用于IgA包被菌的分离和鉴定。该途径依赖IgA包被这一假说。从炎症性肠病病人粪便中分离到的IgA包被菌显示可诱发无菌小鼠结肠炎。此外从营养不良儿童体内分离的IgA包被菌增加肠道病原菌感染的可能性。而从健康人体中分离到的2株IgA包被菌Akkermansia muciniphila 和C. scindens，对炎症性肠病起到保护作用。采用传统的测序法富集IgA包被菌难以实现。
共生菌研究途径与菌基因工程联合，将发挥更大作用。通过深入的系统研究鉴别菌代谢产物，影响机体免疫系统。敲除肠道菌Clostridium sporogenes细胞内的苯乳酸脱水酶基因可抑制芳香氨基酸还原。比较单克隆小鼠和野生型小鼠（C.sporogenes菌苯乳酸脱水酶基因变异体）两者的功能发现，芳香氨基酸还原抑制导致肠道通透性增强，使循环系统中髓样细胞和淋巴细胞数量增加，肠道内IgA分泌增多。采用CRISPR–Cas9技术敲除鼠模型体内C.sporogenes菌苯乳酸脱水酶基因，使得C.sporogenes菌源代谢物显著减少。C.sporogenes菌苯乳酸脱水酶基因变异体的小鼠不能产生支链短链脂肪酸，IgA产生的浆细胞数量增加，从而揪出短链脂肪酸抑制IgA分泌的特性。类似的是拟杆菌属在体内使基因表达微调，可用于探索拟杆菌Bacteroides thetaiotaomicron唾液酸酶活性和管腔唾液酸酶水平，增强其利用率。上述C. sporogenes 和B. thetaiotaomicron菌的结果显示单基因在某个途径中（用于检测异位显性的效果，进而补偿控制）的研究存在可能。
直接从人体共生菌种筛选候选菌，再用于疾病模型动物上验证检测，从而通过无菌动物研究途径鉴别出用于治疗的特征菌株。
3.2 基于代谢物途径
另一重要途径是从功能性代谢物中探索菌株。个体间菌群的系统发育组成相差较大，而在基因水平上菌株的代谢途径是固定的。肠道内分泌降解甘露聚糖酶的菌群与之前报道的肠道中碳水化合物降解酶分泌菌是一致的。宿主通过特定途径会靶向选择菌群，因菌代谢对宿主的生理功能和稳态平衡至关重要。因而在肠道菌群的干预治疗中，菌群代谢功能为统一的筛选靶目标。
然而，基于基因组学数据只能明确一种菌群的代谢。此外，还需依据菌株的遗传信息假说明确菌代谢物质的功能注释和生物合成路径。但在机体中由于宿主饮食和菌群结构的差异，目的菌不一定会按理论上的路径产生代谢物。要深入了解宿主和菌群之间的对话，需联合基因组、转录组蛋白质和代谢组信息。与既定免疫表型相关的候选分子需根据微生物群数据库查询获得，弄清相似的代谢路径，后开展研究精简范围。这种自下而上的角度对于理解菌群代谢对免疫的调节见表1所示。
从宿主生理状态下和疾病产生的物质开始逆向研究，明确这些物质由哪些菌产生，后开展相关的宿主和菌群之间的临床研究。如慢性肾病过程中，吲哚酚硫酸盐会诱导肾结核细胞产生活性氧物质。拟杆菌属分泌色氨酸酶催化色氨酸生产前体-吲哚，提示特征性靶菌具有催化功能，减弱肾病患者的临床症状。类似的是，脑肠轴研究中，菌产生代谢酶催化色氨酸生成神经传导物质色胺，进入静脉血管。C. sporogenes 和Ruminococcus gnavus都具此催化功能，菌源性色氨酸会增加接触上皮中离子通量，促进胃肠转送时间。以上这些结果提示菌群在疾病上的治疗性应用，如肠应激综合症发挥作用，同时需增强基于菌代谢物的治疗研究。
肠道菌与免疫细胞之间的对话仍属未知，菌产生的代谢物质参与机体免疫，其机制包括通过上皮或M细胞产生细胞增生，如经上皮树突引起树状突细胞( DCs )增生，可通过细胞旁漏由杯状细胞相关的抗原呈递转运。当前，联合代谢寡糖工程和生物正交点击化学使共生菌（如Bacteroides fragilis菌）中的大分子表面荧光标记成为可能，这项技术已和多光子活体显微镜连接，可观察到菌产物和宿主细胞之间的适时、高清晰的对话。
4. 菌的免疫调节功能
综合无菌动物和基因代谢物研究途径，使大量免疫调节菌和菌源物质的鉴定变为可能。下面将探讨菌调节宿主免疫细胞功能和其潜在机制。
4.1 T reg细胞诱导
已完全明白的例子是B. fragilis 菌源代谢物多糖A (PSA)具有免疫调节功能。PSA是一种两性囊碳水化合物，可促使FOXP3+Treg细胞分化，诱导产生IL-10 (如Fig. 2a所示). B. fragilis和纯化后的PSA均对模型动物因化学和菌因性诱发的结肠炎起保护作用。PSA通过TLR2受体介导的信号通路对FOXP3+Treg细胞作用，促使细胞数量增多，抑制促炎细胞TH17增生，具有免疫抑制功能。由B. fragilis释放的PSA可被外膜小泡吸收，通过非规范的类1型自噬相关蛋白16和NOD2依赖的自噬途径递呈给DCs细胞。同样，细胞表面的β-葡聚糖/半乳聚糖(CSGG) 由益生菌株Bifidobacterium bifidum产生，可激活TLR2受体介导的信号通路，抑制DCs细胞，刺激肠道FOXP3+Treg细胞，保护试验动物抵制结肠炎发病。
图 2a
已明确两株梭菌通过特定机制区别于PSA和CSGG，具有类似诱导结肠FOXP3+Treg细胞产生IL-10的功能。从鼠和人肠道内分别获得的46株17株梭菌可促进转化生长因子-β表达，可刺激周边Treg(pTreg) 细胞分化产生IL-10，保护模型动物抵制结肠炎发病。梭菌源代谢物SCFAs如：丁酸和丙酸盐至少在该调节作用中发挥部分作用。丁酸是组蛋白脱乙酰基酶抑制剂，通过Foxp3 核心，促进保守非编码序列1 (CNS1)中增强子组蛋白乙酰化，具有表观遗传控制作用。同时，在无菌动物和SPF动物试验中，丙酸盐通过GPR43信号通路特征性诱导Treg(pTreg) 细胞分化产生IL-10。SCFA 通过GPR43信号通路调控炎症激活，可减少移植物抗宿主疾病的发生。由某个特定的菌群曲系包括梭菌，所产生的SCFAs通过多种机制诱导抗炎性Treg细胞，发挥作用。FOXP3+介导的Treg细胞分化由RORγt调节，拮抗TH17细胞分化。肠道大部分FOXP3+Treg细胞主要为pTreg细胞，表达RORγt+。RORγt+pTreg细胞在无菌动物及抗生素治疗的SPF动物体内大量减少。研究表明人体胃肠内的22株共生菌具有诱导RORγt+pTreg细胞功能，单一株同样具有该能力，其中Clostridium ramosum具有最强诱导功能，Clostridium属中特殊株可刺激肠内Treg细胞。RORγt+pTreg细胞可调控肠道内TH17细胞型免疫反应。
4.2 TH17细胞诱导
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。SFB通过多种机制激活回肠上皮细胞内信号转导子和转录激活子3 (STAT3)，上调SAA表达。此外，SFB通过刺激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。在人体中已发现几株菌可诱导TH17细胞，如Bifidobacterium adolescentis同SFB可刺激单克隆无菌小鼠TH17细胞增殖。类同SFB，B. adolescentis刺激回肠上皮，诱导产生大量抗原特异性TH17细胞。从溃疡性结肠炎病人中分离出20株Bifidobacterium属菌，可诱导无菌小鼠肠内TH17细胞增殖。这20株菌包括R. gnavus，与炎症性肠病患者的疾病发生有关。
4.3 TH1细胞调节
Klebsiella为病原菌，通过调节宿主免疫系统促进炎症疾病的发生。从人口腔菌群中分离到的Klebsiella aeromobilis 和K. pneumoniae可在小鼠肠道定植，特征性诱导结肠TH1细胞表达γ-IFN（如Fig 2b所示）。诱导作用依赖DC亚细胞CD11b和CD103+通过TLR介导的信号通路，上调干扰素基因表达。元基因测序分析表明Klebsiella菌在炎症性肠病患者的粪便菌群中含量丰富。如能发现其他菌株抵制Klebsiella菌及其他结肠炎相关的菌株如侵染性E. coli，会对炎症性肠病或耐药性病原菌感染起到治疗作用。同时，TH1细胞促炎性应答受菌代谢物调节。
图 2b
4.4 上皮内淋巴细胞诱导
肠上皮淋巴结（IELs）含大量多种T细胞，TCRγδ IELs通过色氨酸衍生物依赖上皮细胞上的芳基烃受体(AhR)介导，调节信号通路。AhR信号通路对CD4+CD8αα+IELs (“double-positive IELs”)发育至关重要。L. reuteri可催化色氨酸生成吲哚-3-乳酸AhR兴奋剂，从而诱导double-positive IELs细胞的分化（如Fig 2a 所示）。
4.5 自然杀伤性T细胞调节
菌群和机体免疫系统的因果研究多聚焦于CD4+T细胞亚群。自然杀伤性T细胞(iNKT) 可被某些菌群及代谢物调节。iNKT细胞具有天然的TCRα链，可识别CD1d递呈的脂类抗原。SPF小鼠的肠道菌如B. fragilis 在无菌小鼠体内的定植早期会抑制iNKT细胞在结肠内积聚。某些B. fragilis 菌源代谢物-糖基神经酰胺类，包括纯化的α-半乳糖神经酰胺(α-GalCer)又称GSL-Bf717,可激活CD1d，抑制iNKT细胞。B. fragilis或菌群区系在结肠定植，前期通过特定信号路径降低iNKT细胞分化，保护机体由噁唑酮诱发的结肠炎。肠道菌群产生的代谢物通过肝肠循环，也会影响肝脏内的NKT细胞数量。菌源性二级胆酸如ω-木利酚酸通过下调肝脏窦状内皮细胞中的诱导剂CXCL16，从而减少NKT细胞数量分化，使模型动物肝癌恶化。通过补充C. scindens 菌，在肠道定植克隆，使胆汁酸解偶联，抑制NKT细胞分化，增强抗肝癌效果。
通过计算筛选研究揭示菌及代谢物与iNKT细胞的互作关系，菌代谢产物噁唑酮可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。肠腔内的噁唑源于噻唑和噁唑修饰的微胶囊(TOMMs)，TOMMs是一种保守的细菌素，可由大肠杆菌产生。
4.6 黏膜相关的T细胞诱导
黏膜相关的T细胞(MAIT) 是自然杀伤性T细胞的一个亚群，受肠道菌群代谢物调节（如Fig. 3a所示）。MAIT细胞可识别结合在MHC相关蛋白MR1上的抗原。MAIT细胞可帮助机体抵制病原菌Mycobacterium tuberculosis 和K. pneumoniae感染。在无菌小鼠体内没有发现MAIT细胞，MAIT细胞依赖于菌代谢物作为受体来刺激机体分化产生。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。MAIT细胞可增强保护病原对机体的感染。
图 3a
4.7 CD8+T 细胞诱导
从健康人群的粪便中筛选获得的11株菌，可诱导 IFNγ+CD8+T细胞，信号路径同 CD103+DC细胞依赖型模式。从而增强抗微生物免疫如李斯特菌(L.monocytogenes)感染，抗癌免疫同理。11株菌产生代谢物如甲羟戊酸盐和二甲基甘氨酸，刺激机体IFNγ+CD8+T细胞，起免疫保护作用（如Fig. 3b所示）。肠道菌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 3b
4.8 B细胞调节
给无菌小鼠接种E. coli后，E. coli产生多种代谢物如氨基酸进入所有器官组织（如Fig. 3c所示）。通过比较Ighj-/-抗体缺陷型和野生型小鼠接种营养缺陷型E. coli的差异，结果表明野生型小鼠可产生抗体，促进E. coli及其代谢物快速通过小肠，大多代谢物进入机体组织。尽管免疫球蛋白可促进小肠将微生物清除，但IgA结合可促进其他肠道固有菌的定植。如IgA与B. fragilis荚膜多糖结合，可促进菌在肠道粘膜的定植。总之，IgA可与多种菌结合，增强或减弱肠道菌的定植功能。肠道菌的某个特定属可产生短链脂肪酸(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。
图 3c
4.9 树状突细胞调节
在黏膜表面的树状突细胞（DCs）对宿主免疫调节气重要作用。当DCs对感染的病原产生应答时，需提高机体固有菌对此应答的忍受力，固有菌通过信号通路产生系列反应，诱导Treg细胞，产生视黄酸(RA) 和TGFβ，增强其忍受力（如Fig. 2a所示）。肠道CD103+DCs 表达αvβ8 整合素，激活TGFβ，同时激活醛脱氢酶，可催化维生素A变成RA。VA和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。肠道菌Bifidobacterium infantis 可增加CD103+DCs细胞数量，产生大量RA。
琥珀酸盐由Prevotella属（如P. copri）等肠道菌产生，通过GPR91介导的信号通路作用于DCs细胞，增强抗原呈递性T细胞的应答。乙酸盐通过GPR43介导的信号通路作用于DCs细胞，增强B细胞产生IgA。丙酸盐通过GPR43介导的信号通路作用于Treg细胞，增强Treg细胞分化。IDO作用于DCs细胞，调节色氨酸代谢产生犬尿氨酸，诱导Treg细胞分化且控制效应性T细胞的活力。
4.10 巨噬细胞调节
巨噬细胞是肠道固有层中数量最多的免疫细胞，对保持肠道稳态起到重要作用。类似DCs细胞，巨噬细胞参与机体免疫调节应答。巨噬细胞CX3CR1+亚型具有减弱TH1、增强Treg细胞的应答能力。此功能依赖IL-10和抗原递呈。丙酸盐通过不同的信号通路，抑制组蛋白脱乙酰基酶，调节肠道巨噬细胞活性。
总之，多种类型的菌代谢物包括脂类、碳水化合物、氨基酸衍生物和维生素等可调剂机体免疫功能。通过特定的信号通路和系列反应，激活或抑制多种免疫细胞亚群，调节免疫。
5. 菌群治疗方案
5.1 菌群治疗的合理设计
综合上述无菌动物研究和菌代谢物研究两种途径，针对某种免疫表型，鉴别发现相关的微生物用于治疗。在使用活菌治疗时，菌在肠道内定植后产生高浓度的代谢物，而非口服高剂量纯化物质，会产生其他效应。活菌可激活宿主多个已知和未知的信号通路，可放大疗效。如可通过细胞壁上的脂多糖、磷壁酸和未甲基化的CpG DNA，激活TLR模式识别受体，刺激机体免疫。
当不需要激活信号通路时，使用纯化的菌代谢物治疗是可行的。口服纯化代谢物比使用病人体内分离的活菌更加可行。如口服SYMB-104，B. fragilis菌源性代谢物PSA，已通过亚临床检测可用于炎症性肠病的治疗。通过口服使用菌代谢物时，在未到达靶部位时，会被降解或者吸收，反而造成副反应。此次，口服菌代谢物会改变机体肠道菌群结构，需开展亚临床试验检测效果，使用计算模拟预测疗效。
5.2 菌群精准药物
使用菌群免疫调节时，所用的菌是机体的固有菌群非常重要。由于个体间遗传差异较大，预测菌治疗方案难度较大。联合实验途径和计算模拟可提示治疗方案，将实现预期疗效（如Fig. 4所示）。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。
图 4
菌群移植治疗的成功受诸多因素影响，如宿主基因遗传、疾病状况、饮食特点。某一特定菌系并非对所有人群都具有免疫调节特征。随着组学技术的进步，为探索机体的基因和代谢提供技术支撑，但仍未能预测外界因素是如何影响菌和其免疫调节能力的。
5.3 合成工程菌微生物
随着合成生物学技术的进步，根据治疗需要改造微生物成为可能（如Fig. 4所示）。最早是使用乳酸菌作为工程菌表达IL-10治疗模型鼠的炎症性肠病。需要外源性添加胸腺嘧啶核苷和胸腺嘧啶帮助该菌的存活，提供有效的生物遏制措施，用于临床试验，结果表明具有安全性但效果甚微。菌L. lactis、E. coli Nissle 1917具有稳定性强、安全定植于哺乳动物肠道，可进行基因改造，因而广泛用于临床治疗。
某些肠道菌可保护机体抵制霍乱，采用无菌模型动物试验自上而下途径开展研究，发现Ruminococcus obeum菌通过表达自体诱导物(AI-2) 抑制霍乱菌V. cholera定植。随着基因工程技术发展，通过无菌动物试验和菌代谢物试验研究，对菌进行适当改造，可增强其天然免疫调节功能。
结 论
肠道菌的动态特征，是采取干预措施改变局部和整体免疫的一个靶点，揭示微生物-代谢物-免疫轴的机制，方能使用某一株菌或复合菌治疗既定的病症，同时使用某个菌应对系列疾病。无论采取天然的或合成的治疗方式，深入了解菌代谢物如何影响机体免疫将有助于我们制定合理的菌群治疗方案。
评 论
本综述从机体肠道菌群与疾病的因果关系入手，针对目前已知的菌群及代谢物作用于机体的信号通路调节机体免疫，明确微生物-代谢物-免疫轴机制。论证使用两种不同的研究途径开展基于菌或代谢物治疗疾病的可能性，随着组学技术、计算模拟技术、基因工程技术的进步，将来针对某个疾病，可能会实现基于微生物治疗，放弃药物治疗。
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