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挑商标:粑粑会成为最有前途的医学新前沿吗?

撰文 | 丁零

器官移植大家应该非常熟悉,另一种移植疗法略微冷门,但已在部分疾病领域大显神威,那就是不大体面的粪菌移植fecal microbiota transplantation,FMT)。

粪菌移植听起来反胃,但它的治疗原理和一款美味殊路同归,那就是超市促销必有一席之地的酸奶。形形色色酸奶广告中,益生菌无疑是最大卖点之一,打着相同旗号的还有风靡全球的益生菌胶囊。粪菌移植和酸奶、益生菌胶囊一样,目的就是邀请更多好菌友们入群。

菌群/微生物群和我们在出生那一刻就结下不解之缘。每个人都有自己独特的微生物群档案。如果是顺产的小朋友,出生后定居体内的主要是母亲产道及消化道菌群,如果是剖宫产,则和母亲皮肤菌群有着更为亲密的关系。

出生后体内微生物群通常会在几年内有所波动,接触到的食物和环境等都会影响菌群的组成。一般来说,出生一年内就会有500~1000个菌种定居于胃肠道[1]。断奶后,微生物群逐渐趋于稳定状态,形成个性鲜明的微生物群特征。当然,重大生活方式改变或疾病也会迫使微生物群做出反应。

我们皮肤、鼻腔、肠道内等部位共存着数万亿微生物小伙伴,它们基因数量是人体基因100多倍,细胞数也远远多于人体细胞数[1-3],可想而知,微生物群对人体有举足轻重的作用,因此被视为人体新器官

人体大管家

微生物群作为人类第二基因组的贡献者,不难想象,和人体健康及诸多疾病息息相关,比如肥胖、炎症性肠病、自闭症、帕金森、癌症等。这层关系很早被发现,但微生物药物这个概念一直到近些年测序技术加持下,才得以发展成生物制药行业中颇受追捧的领域,成功吸引了比尔·盖茨和马克·扎克伯格等硅谷大亨的注意,并纷纷为相关研究投资捐赠[4]

undefined微生物和人类关系图,图片来源[6]

伴随着微生物群研究的深入,一些乍听匪夷所思的假说也得到初步认证:

母乳喂养的功臣竟然是它!

巴氏杀菌处理出现后,21世纪初模拟母乳的婴儿配方奶粉产业得以蓬勃发展,时至今日已落入寻常百姓家。但全球范围内提倡母乳喂养的声音经久不衰。说到母乳益处,丰富的蛋白自然功不可没,潜伏在母乳中的益生菌(双歧杆菌等)[6],其功劳也不可小觑。

说到双歧杆菌,就不得不先聊聊更广为人知的母乳低聚糖母乳(human milk oligosaccharides,HMOs)。HMO的盛名离不开它的关键技能:刺激有益菌群(比如双歧杆菌)生长,帮助有益菌群顺利在婴儿肠道落户

双歧杆菌除了增强免疫和改善胃肠道功能外,2019年一群芬兰科学家分析了301个婴儿的粪便,发现双歧杆菌比例高的婴儿有更多正能量,反之则容易感受到恐惧和负面情绪[7]。当然,这只是小样本探索,表明的是相关性也不是因果关系,不过有关微生物-肠-脑轴与社会行为的关系被广泛研究,微生物群和社会行为之间的联系逐步被建立[8]

undefined微生物-肠-脑轴与社会行为的关系,图片来源[8]

长途跋涉到大脑捣乱的蛋白

顺着微生物-肠-脑轴这条通路继续摸下去,2019年约翰霍普金斯大学的一项研究刷新了认知。

帕金森病患者大脑中往往会出现异常折叠的α-突触核蛋白。早在2004年,α-突触核蛋白游走假说就已经问世。假说认为,有害的α-突触核蛋白可从胃肠道通过迷走神经传播到腹侧中脑,然后选择性杀死多巴胺神经元。假设归假设,苦于没有理想的小鼠模型来认证。

时隔15年,约翰霍普金斯大学科学家成功建立新的小鼠模型,于是迫不及待来验证这一假说:将α-突触核蛋白注射到小鼠十二指肠和胃的肌肉层后,果不其然,α-突触核蛋白顺着迷走神经直接溜达到大脑,导致产生多巴胺的神经元大量死亡,于是小鼠出现了认知和运动障碍等帕金森病症状[9],进一步验证了肠道微生物群和大脑之间的交流不是隔空对话,而是有线沟通。

辛苦熬夜还熬胖了?

微生物和体重之间的故事已不是什么新鲜事。早在2004年就有研究表明,在相同的食物摄入下,无菌小鼠体内脂肪含量显著低于正常小鼠[10],究其原因,是因为肠道微生物可调节脂肪吸收与储存。2021年以色列科学家也在人体临床发现,节食运动减肥成功后,如果能再狠下心来服用自己的粪便胶囊,可降低体重反弹幅度[11]

那微生物如何调节脂肪吸收和储存呢?顺藤摸瓜,科学家发现这和生物钟密切相关。要知道生物钟被打破后,一系列包括肥胖在内的代谢相关疾病就乘虚而入[12]

undefined生物钟在代谢疾病中的作用,图片来源[12]

支持此理论的证据之一来自得克萨斯大学西南医学中心在《科学》杂志上发表的研究。研究发现,肠道中革兰氏阴性细菌可产生鞭毛蛋白等物质,通过一系列信号传导,促进小肠上皮细胞摄取脂肪酸,以及脂肪储存[13]。好巧不巧,打破生物钟刚好会提高肠道中革兰氏阴性细菌的丰度[14]。这也就意味着,熬夜虽然辛苦,但被扰乱的生物钟给了革兰氏阴性细菌趁虚而入的机会,进而堆积脂肪引发肥胖。

返老还童的长寿菌

2021年,两篇重磅研究横空出世,试图揭开长寿秘密。先是日本科学家辛苦找来160位百岁老人(平均年龄107岁),以及112位85-89岁的老年人,还有47位年轻人(21-55岁)。

这大动干戈到底是为什么?原来是基于一个大胆猜测:百岁老人长寿的线索可能就存在在肠道微生物群。通过比较果不其然,百岁老人排泄物的微生物群富含能够产生独特胆汁酸的微生物,而这些微生物会阻止炎症和与衰老相关的疾病[15]

当然此研究有一定局限性,比如幸存者偏差:百岁老人如假包换,但研究中入组的年轻人是否会成为百岁老人,这还是未知数,需要长时间的的纵向调查来验证。

无独有偶,另一项小鼠实验提供了更为直接的证据:将少年鼠(3-4个月)粪便微生物群移植到老年鼠(19-20个月)体内后,成功逆转了与衰老相关的生理变化,改善了认知行为[16]。值得提醒的是,此类研究还停留在概念阶段,年轻人切勿打自己排泄物的主意。

臭名远扬的粪便药丸

说起粪便药丸起源,大约可以追溯到公元四世纪的中国。尽管还没有微生物这个概念,当时民间所谓的黄汤治疗腹泻,其实就是含有大量活菌的粪便浆液。东晋时期葛洪所著的《肘后备急方》便描述了人粪治疗食物中毒、腹泻等案例,中医典籍《本草纲目》也记载了多达二十多种人粪治病的疗方[17]

类似方法在第二次世界大战期间也用于非洲,据报道该地区德国士兵和游牧民族使用骆驼粪便治疗严重的痢疾[18]。1958年,科罗拉多大学外科医生本·艾斯曼(Ben Eiseman)团队利用粪便灌肠剂成功治疗了4例严重的伪膜性肠炎患者,开启了现代医学人粪治病的新篇章[19]

之后半个世纪里,此类疗法正式命名为粪菌移植。2013年凭借在艰难梭菌感染(clostridium difficile infection, CDI)的突出成绩,粪菌移植被列入美国治疗CDI临床指南。盛名之下,医疗机构纷纷跟进,甚至有人在网络上公布制备粪悬液和灌肠的方法,鼓励患者在家做自助式粪菌移植治疗。面对这种纷乱现象,美国FDA紧急采取行动发布了公开声明[20],要求医生采用粪菌移植前必须提出新药研究申请,至此粪菌移植走上规范之路。

过去十年中,粪菌移植被广泛用于治疗耐药性CDI,其疗效高于90%[21]。相比之下,抗菌药物就相形见绌了:25%患者在初始疗程后复发,多次复发患者后续复发率超过50%[22]。因此粪菌移植投入实用以来,每年仅在美国就有约4.8万例[23]

当然,新疗法的发展难免往往具有戏剧性,其中一个颇受诟病的插曲就是野生化运动。

野生化运动的标志性事件来自2017年《科学》杂志有关哈扎人微生物群研究的论文。通过研究世界上仅存少数传统狩猎人群之一的哈扎人,作者得出两个结论,第一,哈扎人微生物群存在季节性变化;第二,哈扎人微生物群和工业化城市居民的微生物群大不相同[24]

论文作者之一贾斯汀·索南伯格(Justin Sonnenburg)接受采访时提到,传统狩猎人群中部分微生物群非常丰富,而在西方人群中却稀有甚至消失。伴随着工业化,我们正在无可挽回地失去这些微生物[25]

undefined工业化对人体肠道菌群的影响,图片来源[25]

论文另一作者杰夫·利奇(Jeff Leach)身体力行,直接用自己做实验。他曾充满诗意地描述:2014年一个晚上,当太阳从坦桑尼亚的埃亚西湖上落下时,我将装满哈扎人粪便的注射器插入体内。杰夫这么做便是试图通过改造体内微生物群来预防现代社会慢性疾病。之后杰夫深陷性丑闻,慢慢从大众视野消失,杰夫和哈扎人的故事也告一段落

undefined坦桑尼亚的狩猎采集人群哈扎族成员 图片来源:斯坦福大学官网

随后,2018 年发表在《细胞》杂志上的一篇论文中,人类微生物组教授马丁·布拉泽(Martin Blaser)再次展示了野生化的理由:由于广泛使用抗生素、加工食品,以及缺乏纤维的饮食,工业化社会中人类微生物组更容易受到疾病侵袭[27],并强调野化人类微生物组返璞归真,必须成为生物医学的优先事项[25]

无论是医疗还是道德角度,野生化运动引发了激烈争论。反对声音层出不穷,先是攻击其证据不够充分,比如说哈扎人不能完全重现工业化前人类状况,更多不满来自于道德方面的批判,一些人类学家将野生化运动打上掠夺性和帝国主义的标签,认为这是西方研究人员受益土著人数据的另一个案例,是对哈扎人弱势群体赤裸裸的利用。

无论怎样,粪菌移植已成为主流医学的一部分,各种升级版也应运而生。比如SER-109是一种口服微生物组合药丸,可免去传统结肠镜递送的不便。2022年初《新英格兰医学杂志》上报道,CDI安慰剂组中复发比例为40%,而在SER-109组中仅为12%[28]

谁是肿瘤免疫疗法的好朋友

毋庸置疑,微生物群疗法在CDI等领域大放光彩。从市场来看,肿瘤学领域具有更大潜力。可喜的是,同样火热的肿瘤免疫疗法,不知不觉和微生物疗法碰撞出了火花,这强强联合会带给我们什么样的惊喜呢?

微生物和肿瘤免疫疗法第一次关键性会面发生在2015年。《科学》杂志于11月背靠背发表了两篇论文,分别来自美国和法国。芝加哥大学研究人员发现如果将双歧杆菌口服给予小鼠,结合PD1抑制剂(一种肿瘤免疫疗法),可共同消除肿瘤[29]。法国研究团队则发现,另一肿瘤免疫疗法(CTLA-4抑制剂)对服用抗生素或无菌小鼠并无效果,除非额外给小鼠补充多形拟杆菌等肠道微生物[30]

在动物实验的出奇效果启发下,科学家们继续深耕,研究对象从小鼠升级到癌症患者。2017年底到2018年初,《科学》杂志又公布了三项重磅研究[31-33]

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2018年1月《科学》杂志封面

研究发现使用过广谱抗生素的患者肠道菌群紊乱,最终导致PD-1抑制剂药效极大降低[31-32]。芝加哥大学研究团队对比了转移性黑色素瘤患者接受免疫疗法前后的肠道菌群变化,发现对免疫疗法有反应的患者体内长双歧杆菌,产柯林斯菌等更多。有意思的是,将这些细菌分离出来移植给小鼠,免疫疗法效果也变得杠杠的[33]。

此外科学家们还做了小鼠化身的尝试,也就是将免疫疗法应答者和无应答者患者的粪便分别转移到无菌小鼠。接受无应答患者粪便的小鼠一脉相承,对免疫疗法无动于衷,但继承了应答患者粪便的小鼠则疗效良好。

undefined肠道微生物群对PD-1疗法的影响,图片来源[34]

既然微生物群和癌症患者的肿瘤免疫疗效有关,那是不是可以顺着这条思路,通过改变肠道菌群来刺激患者对免疫疗法的反应?于是菌群移植又迎来了一展拳脚的好机会。

以色列研究团队率先有了在人体测试的想法,于是收集了两名转移性黑色素瘤患者的粪便样本,这两位患者被选中的原因是他们接受PD-1药物治疗后,表现出完全缓解达一年以上,暂且叫他们捐赠者A和捐赠者B。有意思的是,接受捐赠者A粪便移植的5名患者中有3名患者重获对PD-1药物的反应,但接受捐赠者B粪便移植的5名并不能复制[35]。另一研究中,16名患者中6名患者接受粪便移植后也获得了临床益处[36]。

结语

虽然取得一定成功,微生物疗法迄今的成就的还远未达到人类预期,更多谜团有待解开。比如患者体内微生物组变化能引发疾病还是疾病导致的结果,也就是鸡生蛋蛋生鸡的经典命题。此外,人体微生物可是亿万级别的,如果有确凿证据证明某些微生物能治疗癌症或其他疾病,又如何确保这些外来菌能够和体内生活多年的土著菌火拼幸存,而不是匆匆过客?事实上,从对益生菌的研究来看,部分人群对外来菌接受程度颇高,部分人群盐油不进,外来菌根本没机会落脚。

有关微生物疗法和肿瘤免疫的碰撞,更扑朔迷离。为何上文提到的捐赠者A和捐赠者B粪便移植效果大相径庭?论文给出了一定解释,但一环扣一环,更多疑问会陆续出现。又比如说,不同研究组寻找助力PD-1疗法的友菌时,哪怕是同样癌症类型,发现的友菌种类也不尽相同。

现阶段兴许最好的方式是留出时间空间让微生物研究自由生长,在没有足够批判性评估情况下,过度推崇和夸大其词广告就好比在冒险冲浪,不但对发展无益,还会损害迄今为止所做的努力和尝试。

丁零,生物化学博士,青年写作者。武汉大学本科,曾就职MD安德森癌症中心,现从事咨询行业。

参考文献

1. Gilbert, J.A., et al., Current understanding of the human microbiome. Nat Med, 2018. 24(4): p. 392-400.

2. Zhu, B., X. Wang, and L. Li,Human gut microbiome: the second genome of human body.Protein Cell, 2010. 1(8): p. 718-25.

3. Sender, R., S. Fuchs, and R. Milo,Revised Estimates for the Number of Human and Bacteria Cells in the Body.PLoS Biol, 2016. 14(8): p. e1002533.

4. Susan Adams, W.Y.,Drugs From Bugs: Why Gates, Zuck And Benioff Think The Next Blockbusters Will Come From Inside Your Gut.Forbes Magazine, 2020.

5. Cani, P.D.,Gut microbiota – at the intersection of everything?Nat Rev Gastroenterol Hepatol, 2017. 14(6): p. 321-322.

6. Soto, A., et al.,Lactobacilli and bifidobacteria in human breast milk: influence of antibiotherapy and other host and clinical factors.J Pediatr Gastroenterol Nutr, 2014. 59(1): p. 78-88.

7. Aatsinki, A.K., et al.,Gut microbiota composition is associated with temperament traits in infants.Brain Behav Immun, 2019. 80: p. 849-858.

8. Sherwin, E., et al.,Microbiota and the social brain.Science, 2019. 366(6465).

9. Kim, S., et al.,Transneuronal Propagation of Pathologic alpha-Synuclein from the Gut to the Brain Models Parkinsons Disease.Neuron, 2019. 103(4): p. 627-641 e7.

10. Backhed, F., et al.,The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage.Proc Natl Acad Sci U S A, 2004. 101(44): p. 15718-23.

11. Rinott, E., et al.,Effects of Diet-Modulated Autologous Fecal Microbiota Transplantation on Weight Regain.Gastroenterology, 2021. 160(1): p. 158-173 e10.

12. Shimizu, I., Y. Yoshida, and T. Minamino,A role for circadian clock in metabolic disease.Hypertens Res, 2016. 39(7): p. 483-91.

13. Wang, Y., et al.,The intestinal microbiota regulates body composition through NFIL3 and the circadian clock.Science, 2017. 357(6354): p. 912-916.

14. Liang, X., F.D. Bushman, and G.A. FitzGerald,Rhythmicity of the intestinal microbiota is regulated by gender and the host circadian clock.Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(33): p. 10479-84.

15. Sato, Y., et al.,Novel bile acid biosynthetic pathways are enriched in the microbiome of centenarians.Nature, 2021. 599(7885): p. 458-464.

16. Boehme, M., et al.,Microbiota from young mice counteracts selective age-associated behavioral deficits.Nature Aging, 2021. 1(8): p. 666-676.

17. Zhang, F., et al.,Should we standardize the 1,700-year-old fecal microbiota transplantation?Am J Gastroenterol, 2012. 107(11): p. 1755; author reply p 1755-6.

18..Helmink, B.A., et al.,The microbiome, cancer, and cancer therapy.Nat Med, 2019. 25(3): p. 377-388.

19. Eiseman, B., et al.,Fecal enema as an adjunct in the treatment of pseudomembranous enterocolitis.Surgery, 1958. 44(5): p. 854-9.

20.Enforcement Policy Regarding Investigational New Drug Requirements for Use of Fecal Microbiota for Transplantation to Treat Clostridium difficile Infection Not Responsive to Standard Therapies.FDA, 2013.

21. Gough, E., H. Shaikh, and A.R. Manges,Systematic review of intestinal microbiota transplantation (fecal bacteriotherapy) for recurrent Clostridium difficile infection.Clin Infect Dis, 2011. 53(10): p. 994-1002.

22. Kelly, C.P.,Fecal microbiota transplantation–an old therapy comes of age.N Engl J Med, 2013. 368(5): p. 474-5.

23. Mamoon, L. and S.W. Olesen,Fecal Microbiota Transplants Annually and Their Positive Clinical Impact.Clin Transl Gastroenterol, 2020. 11(11): p. e00247.

24. Smits, S.A., et al.,Seasonal cycling in the gut microbiome of the Hadza hunter-gatherers of Tanzania.Science, 2017. 357(6353): p. 802-806.

25. Kolata, G.,You’re Missing Microbes. But Is ‘Rewilding’ the Way to Get Them Back?The New York Times, 2021.

26. Sonnenburg, J.L. and E.D. Sonnenburg,Vulnerability of the industrialized microbiota.Science, 2019. 366(6464).

27. Blaser, M.J.,The Past and Future Biology of the Human Microbiome in an Age of Extinctions.Cell, 2018. 172(6): p. 1173-1177.

28. Feuerstadt, P., et al.,SER-109, an Oral Microbiome Therapy for Recurrent Clostridioides difficile Infection.N Engl J Med, 2022. 386(3): p. 220-229.

29. Sivan, A., et al.,Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy.Science, 2015. 350(6264): p. 1084-9.

30. Vetizou, M., et al.,Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota.Science, 2015. 350(6264): p. 1079-84.

31. Routy, B., et al.,Gut microbiome influences efficacy of PD-1-based immunotherapy against epithelial tumors.Science, 2018. 359(6371): p. 91-97.

32. Gopalakrishnan, V., et al.,Gut microbiome modulates response to anti-PD-1 immunotherapy in melanoma patients.Science, 2018. 359(6371): p. 97-103.

33. Matson, V., et al.,The commensal microbiome is associated with anti-PD-1 efficacy in metastatic melanoma patients.Science, 2018. 359(6371): p. 104-108.

34. Jobin, C.,Precision medicine using microbiota.Science, 2018. 359(6371): p. 32-34.

35. Baruch, E.N., et al.,Fecal microbiota transplant promotes response in immunotherapy-refractory melanoma patients.Science, 2021. 371(6529): p. 602-609.

36. Davar, D., et al.,Fecal microbiota transplant overcomes resistance to anti-PD-1 therapy in melanoma patients.Science, 2021. 371(6529): p. 595-602.

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