工程3（2017）71微生态学研究综述健康与疾病王宝红，姚明飞，吕龙贤，凌宗欣，李兰娟*浙江大学医学院附属第一医院传染病诊疗国家重点实验室，国家传染病诊疗协同创新中心，浙江杭州310003ARt i clEINf oA b s tRAC t文章历史记录：2016年12月20日收到2017年1月9日修订2017年1月12日接受2017年2月20日在线发布关键词：微生物健康肝脏疾病消化道恶性肿瘤代谢紊乱微生物群技术益生菌数以万亿计的微生物与人类一起进化，并继续生活在人类身上和体内。多种环境因素可影响肠道微生物的失衡，与人类的健康和疾病有着密切的关系。在此，我们关注人类微生物群与宿主之间的相互作用，以便概述微生物在基本生物学过程中以及在主要人类疾病如感染性疾病、肝病、胃癌、代谢性疾病、呼吸系统疾病、精神或心理疾病和自身免疫性疾病的发展和进展中的作用。我们还回顾了与微生物研究相关的技术的重要进展，如DNA测序，代谢组学和蛋白质组学与基于计算的生物信息学相结合。目前对人类微生物群的研究已经变得更加复杂和深入。因此，我们建议研究应侧重于宿主-微生物相互作用和因果机制，这可以为理解肠道微生物群在健康和疾病中的作用铺平道路，并在临床实践中提供新的治疗靶点和治疗方法。© 2017 The Bottoms.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍超过100万亿的共生微生物生活在人类身上和体内，在人类健康和疾病中发挥着重要作用人类微生物群，特别是肠道微生物群，甚至被认为是一个“重要器官”[1]，携带的基因比整个人类基因组中发现的基因重要进展表明，肠道微生物群参与基本的人类生物学过程，包括调节代谢表型、调节上皮发育和影响先天免疫[3慢性疾病如肥胖、炎症性肠病（IBD）、糖尿病、代谢综合征、动脉粥样硬化、酒精性肝病（ALD）、非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）、硬化和肝细胞癌与人类微生物群相关[7，8]（图1）。近几十年来，大量的证据表明-ly提出了人类微生物群在人类中的关键作用，健康和疾病[7，9 -23]通过几种机制。首先，微生物群有可能增加食物中的能量提取[24]，增加营养收获[9，10]，并改变食欲信号[25，26]。微生物群含有比人类基因组中发现的多得多的多功能代谢基因，并为人类提供独特和特异的酶和生化途径[9]。此外，对宿主有益的大部分代谢微生物过程涉及营养获取或异生物质加工，包括未消化碳水化合物的代谢和维生素的生物合成[10]。其次，人体微生物群还提供了物理屏障，通过竞争性排斥和产生抗微生物物质来保护其宿主免受外来病原体的侵害[11-13]。最后，微生物群在宿主的肠粘膜和免疫系统的发育中是必不可少的[14，16]。例如，无菌（GF）动物的几种免疫细胞类型数量异常，局部和全身淋巴结构缺陷，脾脏和淋巴结形成不良，* 通讯作者。电子邮件地址：ljli@zju.edu.cnhttp://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2017.01.0082095-8099/© 2017 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。 这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creati v ecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng72B. Wang等人/工程3（2017）71Fig. 1. 人类微生物共生与不同系统疾病有着密切的关系。结和干扰的细胞因子水平[16]。对GF动物的研究表明，微生物群的免疫调节功能主要涉及促进免疫细胞的成熟和免疫功能的正常发育[14]。此外，研究已经揭示了微生物共生在许多疾病发展中的核心作用[17]，例如感染[18]、肝脏疾病[19]、胃肠道（GI）恶性肿瘤[20]、代谢紊乱[7]、呼吸系统疾病[21]、精神或心理疾病[22]和自身免疫性疾病[23]。在这篇文章中，我们概述了人类微生物群在健康和疾病中的作用，微生物群关联研究的出现2. 健康中的人体微生物群人体微生物群在很大程度上影响宿主的生理机能。数以万亿计的微生物寄居在人体内，包括细菌、古细菌、病毒和真核微生物。人体包含至少1000种不同的已知细菌，携带的微生物基因是整个人类基因组中发现的微生物基因的150倍[2]。微生物的组成和功能根据宿主的不同位置、年龄、性别、种族和饮食而不同[27]。共生细菌在宿主出生后不久就定居在宿主体内。这个简单的群落在宿主生长过程中逐渐发展成为一个高度多样化的生态系统[28]。随着时间的推移，宿主-细菌的关联已经发展成为有益的关系。共生细菌代谢难消化的化合物，提供必需的营养素，防御机会致病菌的定植，并有助于肠道结构的形成[29]。例如，肠道微生物群参与胃和小肠不能消化的某些食物的消化，并在维持能量稳态方面发挥关键作用。这些食物主要是膳食纤维，如木葡聚糖，通常存在于蔬菜中，可以被特定种类的拟杆菌消化[30]。其他不可消化的纤维，如低聚果糖和低聚糖，可以被有益微生物利用，如乳杆菌和双歧杆菌。terium[31].研究已经阐明了肠道微生物群在脂质和蛋白质稳态以及必需营养维生素的微生物合成中的作用[32]。正常肠道微生物每天产生50 -100 mmol·L-1的短链脂肪酸（SCFA），如乙酸、丙酸和丁酸，并作为宿主肠上皮的能量来源[33]。 这些SC-FA可以在结肠中快速吸收，并在调节肠道运动、炎症、葡萄糖稳态和能量收集中发挥许多不同的作用[34，35]。此外，肠道微生物群已显示出向宿主递送维生素，如叶酸、维生素K、生物素、核黄素（B2）、钴胺素（B12）和可能的其他B族维生素。先前的研究表明，B12可以由δ-氨基乙酰丙酸（ALA）作为前体产生[36]。此外，肠道定植细菌刺激正常的去-体液和细胞粘膜免疫系统的增强[37]。微生物的信号和代谢产物可以被先天免疫系统的造血和非造血细胞感知，并转化为生理反应[38]。比较正常小鼠与GF小鼠的研究发现，GF小鼠在肠道相关淋巴组织发育和抗体产生方面存在广泛缺陷[29，39]。一份报告还表明，肠道微生物群产生致耐受性反应，作用于肠道树突状细胞并抑制17型T辅助细胞（Th17）抗炎途径[40]。然而，并非所有的微生物群都对健康有益。有些在某些条件下会引起炎症。3. 疾病中的人类微生物群3.1. 人类微生物群与传染病感染是由微生物群失调引起的最常见的疾病之一。重要的是，感染性疾病及其治疗对人类微生物群有着深远的影响，而微生物群又决定了感染性疾病在人类宿主中的结果（图1）。 2）的情况。致病病原体定植于尿道粘膜，从而导致强烈的炎症反应的诱导，随后是肠道细菌的移位[41，42]。许多研究已经证明了感染和微生物群的生态失调之间的密切关系，并且已经表明感染不仅与微生物群相关，而且与病毒相关[43，44]。例如，患有艰难梭菌（C.艰难梭菌）感染（CDI）发生显著变化[45，46]。微生物群的紊乱也与人类免疫缺陷病毒（HIV）[44，47]、乙型肝炎病毒（HBV）[48]和其他疾病[49，50]的进展相关。3.1.1. 艰难梭菌感染C.艰难梭菌通常与抗生素相关性腹泻有关，这是抗生素给药后最常见的并发症之一，目前正成为日益严重的公共卫生威胁[45]。C.艰难梭菌是一种厌氧的、革兰氏阳性的、形成孢子的芽孢杆菌，是人类肠道微生物群的一种组分。抗生素干扰肠粘膜的稳态，从而降低对产毒素的C. 并促进CDI的进展[45]。Gu等人[45]发现，无论是否存在CDI，在抗生素给药后，患者的粪便细菌多样性降低，微生物组成发生显著变化无论是否存在CDI，在抗生素给药后的患者中均检测到推定的产丁酸盐厌氧菌减少，产内毒素的机会致病菌和产乳酸盐厌氧菌增加[45]。推定的丁酸盐产生厌氧菌被显著耗尽B. Wang等人/工程3（2017）7173图二. 传染病对人体微生物群有着深远的影响。抗生素、免疫抑制药物和其他新的治疗技术在常见传染病、HIV感染和CDI等传染病中的广泛应用，对人体微生物群产生了深远的影响，进而决定了传染病在人类宿主中的结局。与健康对照组相比，抗生素治疗的患者微生物群落的上述变化可能增加了对C. 艰难的殖民Ling等[46]发现不同的产酶C.艰难梭菌菌株对儿童粪便微生物群有不同的影响。C.毒素A阳性和毒素B阳性的艰难梭菌菌株比仅毒素B阳性的菌株更大程度地减少粪便细菌多样性。3.1.2. 幽门螺杆菌感染幽门螺杆菌（H. pylori）是诱发消化性疾病的病原体。最近发现它与牙周炎的进展有关[49]。Hu等人[49]研究了H. 幽门螺杆菌感染与牙周参数、牙周致病原和炎症的关系。他们的研究表明，牙龈卟啉单胞菌、中间普氏菌、具核梭杆菌和齿垢密螺旋体在感染H. pylori感染率高于未感染者，而伴放线菌聚集杆菌的频率较低。 结果表明，H. pylori具有更高的探测深度和附着丧失，而H. pylori可能促进某些牙周病原菌的生长，加重慢性牙周炎的进展[49]。3.1.3. 细菌性阴道病另一种称为细菌性阴道病（BV）的重要感染与许多不良健康结果相关，包括早产和性传播感染的获得。BV被认为是阴道微生物群的一种生态失调。使用非培养物依赖性聚合酶链反应（PCR）变性梯度凝胶电泳（DGGE）和条形码454焦磷酸测序方法，Ling等人[50]观察到阴道中存在的细菌物种在与健康和患病条件相关的人群的比较中，三门和八个属与BV明显和强烈相关这些属可用作通过分子方法进行临床BV诊断的靶标[50]。3.1.4. 感染艾滋病毒目前，艾滋病毒仍然是一个重大的全球公共卫生问题。HIV患者的肠道微生物组受到显著干扰，感染HIV-1的患者的厚壁菌门/拟杆菌门比率显著增加[47]。虽然HIV-1的病毒载量在短期治疗后会减少，即使使用高效抗逆转录病毒疗法（HAART），粪便微生物群的多样性和组成也没有完全恢复，并且微生态失调仍然存在[47]。南非少女和年轻妇女的艾滋病毒感染率极高，这一现象被认为与生物因素有关。最近，一项研究发现，阴道微生物组可能会影响艾滋病毒感染的风险阴道中一种名为Prevotella bivia的细菌已被确定为引起炎症。有一种杀微生物凝胶可分解抗HIV药物替诺福韦，从而导致替诺福韦治疗失败[44]。通过对阴道微生物组的仔细检查，Cohen[44]最近在阴道中发现了一种名为Gard nerella的不寻常细菌;这一发现可能解释了南非妇女的高感染率，并强烈表明阴道微生物组影响HIV风险。Cohen[44]发现Gardnerella“吞噬”替诺福韦，从而迅速降低药物水平并导致替诺福韦治疗失败。3.2. 人类微生物群与肝脏疾病越来越多的证据表明胃肠道（GIT）和肝脏的密切相互作用，以及肝脏长期暴露于肠道衍生因子（包括细菌和细菌组分）肠道微生物群产生乙醇、氨和乙醛;这些产物可能通过内毒素释放或肝脏代谢影响肝功能[52]。肠道微生物群的改变在诱导和促进肝损伤进展以及由不同致病因子（例如，病毒、毒素和代谢因子）[53]通过细菌内毒素激活枯否细胞等机制。肠道微生物群参与肝硬化并发症的发病机制，如感染、自发性细菌性腹膜炎、肝性脑病和肾衰竭。肝硬化患者肠道细菌组成发生改变; Child-Pugh分级B/C的患者细菌过度生长的发生率高于A级患者[54，55]。肝硬化患者的粪便微生物群落与健康人不同。通过细菌16S rRNA基因测序，微生物多样性，特别是拟杆菌属物种，显示在腹泻患者中减少，而变形菌门和梭菌门的物种数量增加[56]。与先前的研究一致，还发现类杆菌在74B. Wang等人/工程3（2017）71根据宏基因组学技术，在这项研究中，首次构建了中国肝硬化患者肠道微生物组的基因目录。此外，发现韦荣氏球菌、链球菌和梭菌在肝硬化患者中富集[57]。在我们先前研究结果的基础上，我们进一步检测了肝硬化患者十二指肠粘膜微生物群的生态失调。在这项研究中，我们发现与对照组相比，腹泻患者的十二指肠粘膜微生物群明显不同。12个操作分类单位（OTU）被确定为有助于区分肝硬化和对照十二指肠微生物群的关键微生物。关于肝硬化的病因学，发现两种OTU区分肝硬化的类型，HBV相关肝硬化和原发性胆汁性肝硬化（PBC）具有不同的病因学结果这些发现表明，十二指肠生态失调可能与口腔微生物群的改变和十二指肠微环境的变化有关[58]。口腔微生物群是人体内最重要的微生物群落这项研究也首次表明，肝硬化患者口腔微生物群的多样性和组成与健康对照组和HBV相关慢性疾病患者的口腔微生物群显著不同。有害细菌可能来自口腔。此外，慢性肝病患者会出现口腔疾病[43]。慢性加急性肝功能衰竭（ACLF）综合征的特征是-肝硬化急性失代偿，28天死亡率高。基于90 d的最终临床结局，我们首次确定了ACLF患者的肠道生态失调，并证明了其对死亡率的预测价值。我们发现ACLF组和对照组的肠道菌群之间我们的研究表明，ACLF患者的特定细菌家族与炎性细胞因子之间存在我们已经证明，巴氏杆菌科的相对丰度和终末期肝病模型（MELD）评分是预测死亡率的独立因素，因此表明肠道生态失调与ACLF患者的死亡率相关[59]。虽然肝硬化这些变化的确切原因尚不清楚，但这些变化肯定与肠动力和胰胆分泌减少、肠屏障受损和胃酸减少有关。此外，80%的肝细胞癌（HCC）是在慢性损伤、炎症或纤维化的微环境中发生的[60]。肠道微生物群组成的变化通过增加肠道通透性和激活Toll样受体促进肝脏炎症，从而促进HCC[60]。原发性硬化性胆管炎（PSC）、PBC和自身免疫性肝炎的发病率和患病率每年都在增加[61]。在具有遗传易感性的个体中，自身免疫性肝病被认为涉及肠道因素;然而，肠道菌群与发病机制相关。最近，一项研究表明，与IBD患者和对照患者相比，PSC-IBD患者具有不同的肠道微生物群，并且埃希氏菌属、乳杆菌科和巨球菌属的丰度显著增加，同时几乎不存在拟杆菌属[62]。另一项研究发现，PBC改变肠道细菌分类群的患者通过与代谢、免疫和肝功能指标改变的相关性表现出潜在的相互作用[63]。有证据表明，细菌抗原穿过渗漏和发炎的肠壁转移到门静脉和胆道系统;因此，它们可能诱导异常免疫应答并引发自身免疫性肝病[64]。NAFLD是一种多因素疾病，包括一组疾病，放松。遗传、表观遗传和环境因素相互作用，在这些疾病的发展过程中。非酒精性脂肪性肝炎（NASH）是代谢综合征的一种肝脏特征肥胖和胰岛素抵抗通常是促进NASH的因素肝细胞中甘油三酯的蓄积是NAFLD中最常见的表型[65]。肠道微生物群的改变被认为是导致NAFLD的关键因素，NAFLD患者中代谢综合征、糖尿病和肝病的相互作用以互补的方式影响微生物群[66]。由于体重指数（BMI）可能是微生物群落组成变化的主要决定因素[7]，Wang等人[8]直接评估了非肥胖成人NAFLD患者的粪便微生物组成及其与肝脏生化的相关性。在NAFLD病变范围内的肠道生态失调的人类研究中，包括57名经活检证实的NAFLD患者，发现显著的纤维化与大量拟杆菌属和茹氏球菌属以及普氏菌属水平降低相关。与来自患者的代谢物信息一起，微生物群分析可用于预测NAFLD类别和严重程度。例如，拟杆菌丰度与NASH严重程度独立相关，而瘤胃球菌丰度与显著纤维化相关[67]。因此，肝脏疾病通常伴随着肠杆菌科和双歧杆菌减少。肠道菌群失调可通过细菌移位（BT）导致患者内毒素血症。内毒素血症可诱导免疫功能紊乱，从而导致进一步的肝细胞坏死和肝功能衰竭。因此，我们建议开发专门用于预防和治疗肝脏疾病进展的新益生菌（图1）。 3）。3.3. 与胃肠道恶性肿瘤相关的人体微生物群胃肠道恶性肿瘤是世界范围内人类发病率和死亡率的主要原因。除了广泛接受的遗传因素外，癌症风险的非遗传因素，特别是GIT中的驻留微生物，对GIT内出现的癌症的发展产生广泛影响。胃肠道恶性肿瘤（如胃癌、结直肠癌和食管癌）的微生物研究的最新进展为人类微生物群在肿瘤发生中的作用提供了新的见解。3.3.1. 胃癌H. 幽门螺杆菌相关的慢性炎症被认为是胃癌最强的危险因素。每年约有660000例胃癌新发病例是由H.幽门螺杆菌感染，导致产酸壁细胞的丧失，从而导致胃萎缩、化生、发育不良的发展，最后形成癌[68]。有趣的是，H.在慢性萎缩性胃炎发病前检查幽门螺杆 菌 可 能 预 防 胃 癌 [69] 。 H. 幽 门 螺 杆 菌 已 被 世 界 卫 生 组 织（WHO）归类为I类致癌物。然而，只有1%-2%的人有一个H。幽门螺杆菌感染发展成胃癌[70]。其致癌风险可能与H. 幽门螺杆菌菌株，宿主反应的变化和特定的宿主-微生物相互作用[71]。因此，在系统发育学上，H.幽门螺杆菌是胃癌风险的良好预测因子[72]。两个最好的研究H。幽门决定簇，细胞毒素相关抗原A（CagA）和空泡细胞毒素（VacA）已被证明与较高的癌症风险相关[73]。 已有研究表明，VacA可促进胃上皮细胞凋亡，这是宿主对H. 幽门螺杆菌可能是B. Wang等人/工程3（2017）7175图三. 我们对肠道微生物群生态失调在肝脏疾病中作用的假设途径。有证据表明，慢性肝病通常伴有肠道生态失调，其特征是肠杆菌科细菌增多，双歧杆菌减少，这可导致BT，进而导致内毒素血症，甚至自发性细菌性腹膜炎（SBP），最终导致肝病进展重要的是，通过益生菌/益生元维持正常的微生物群落，可以大大提高肝病的预防和治疗效果。通过干扰线粒体功能导致胃癌发生[74]。此外，VacA通过诱导树突状细胞表达和释放抗炎细胞因子白细胞介素（IL）-10和IL-18来抑制宿主免疫应答这种受损的免疫反应促进了H。pylori逃避和增强肿瘤存活[75]。与VacA基因不同的是，存在于某些H.幽门螺杆菌感染与胃腺癌发生的风险显著增加相关[76]。cagPAI内的基因编码形成细菌IV型分泌系统（T4SS）的蛋白质T4SS从粘附的H.幽门螺杆菌进入宿主细胞，从而激活PI3K通路，刺激细胞迁移，并促进致癌作用[77]。酪氨酸磷酸化后，CagA与几种宿主细胞蛋白相互作用并激活，从而导致形态学改变，包括细胞分散和伸长[78]。超 越 H. Lertpiriyapong 等 人 [79] 指 出 ， 改 变 的 Schaedler 菌 群（ASF）的协同定殖在胰岛素-胃泌素（INS-GAS）小鼠中引起更明显的胃病理学，包括胃体炎症、上皮增生和发育不良。3.3.2. 结直肠癌肠道微生物组与结肠癌发展的相互作用最近已成为研究的主要焦点。微生物生态失调与结直肠腺瘤和结直肠癌（CRC）的病因有关。与正常对照组相比，在腺瘤受试者中观察到微生物群落的病理性不平衡[80，81]。尽管不同研究的结果不同，但腺瘤或CRC病例中的微生物群的特征在于高比例的潜在病原体，如假单胞菌属、螺杆菌属和不动杆菌属，以及较低丰度的有益细菌，如产丁酸盐细菌[80]。Zackular等人[82]观察到荷瘤小鼠的肠道菌群促进受体动物的炎症和肿瘤发生，从而直接导致CRC。这项研究为肠道微生物组与CRC发展之间的关系提供了机制性见解然而，从人体研究中仍然不清楚微生物群落的改变是腺瘤和CRC的原因还是结果。此外，特定细菌物种对癌症风险的贡献仍有待充分确定。核梭Tum是一种牙周病原体，在从腺瘤到癌症的疾病进展过程中，Tum被认为是过量的[83]。 大肠杆菌、卵形拟杆菌、普通拟杆菌和大肠杆菌（E. 大肠杆菌）也已观察到从晚期腺瘤到癌[84]。这种发展的潜在机制包括促进炎症和诱导肿瘤发生[85，86]。Kostic等人[86] 观 察 到 ， 具 核 梭 杆 菌 通 过 促 进 CRC 腺 瘤 性结 肠 息肉病（APC）多发性肠肿瘤（Min）小鼠模型中肠肿瘤的髓样浸润以及增加促炎基因（如PTGS 2（COX2）、SCYB 1（IL 8）、IL 6、TNF（TNFα）和MMP 3）的表达来调节肿瘤免疫微环境。在此外，许多研究已经阐明了细菌抗原、毒力因子和结肠恶性肿瘤之间的联系。产肠毒素脆弱拟杆菌（ETBF）产生一种称为脆弱溶素（B. fragilis毒素，BFT），其激活Wnt/β-连环蛋白信号通路和NF-κ B;因此，其增加细胞增殖并诱导炎症介质的产生[87-89]。Wu等人[90]进一步阐明了ETBF在结直肠癌发生中的作用，他们发现与正常对照组相比，ETBF定殖的小鼠结肠腺瘤和肿瘤显著增加粪肠球菌（Enterococcus faecalis）和E.大肠杆菌可通过促进宿主细胞中细胞外超氧化物的释放和编码通过聚酮合酶（PKS）基因毒性岛产生大肠杆菌素的酶机制来诱导DNA损伤[91，92]。尽管这些观察结果显示肠道微生物群在结直肠肿瘤形成中的此外，许多细菌衍生的代谢物已在抑制结肠癌发展中发挥作用;这些代谢物包括SCFA，其通过复杂多糖的微生物发酵产生，包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，其用作结肠上皮细胞的能量来源丁酸盐主要由毛螺菌科和瘤胃球菌科的物种产生，已被证明对结肠肿瘤具有保护作用。据报道，由于丁酸盐的产生，高纤维摄入可降低结肠恶性肿瘤的风险[93，94]。在一项癌细胞系的体外研究中，发现丁酸盐对肿瘤细胞76B. Wang等人/工程3（2017）71通过诱导细胞凋亡、抑制增殖、引起基因表达的表观遗传学变化以及调节炎症反应和细胞因子水平而发挥作用[95]。因此，通过饮食控制或抗生素治疗调节肠道微生物组可能提供巨大的治疗潜力。通过使用益生元或不可消化的食物成分来操纵肠道微生物群以促进和增强SCFA的产生可能是编程宿主代谢的有希望的方法，并且可能因此影响癌症风险。3.3.3. 食管癌近年来的研究证实，胃食管反流引起的食管末端慢性炎症与食管腺癌密切相关。该发展过程的总体病理生理学可描述为其发生率的区域差异似乎与经济发展有关。因此，研究人员认为EA的发病率可能与全球范围内抗生素的使用有关。频繁抗生素暴露后食管微生态的长期变化可能导致GERD的发生率较高，从而导致EA的发病率增加[99]。大量描述性研究报告观察到GERD患者的食管微生态变化[100]。然而，局部微生物组不能区分鳞状细胞癌和腺癌[101]。此外，H. pylori在胃食管反流病和食管反流病发病机制中的作用尚不清楚，且存在争议。H.在20世纪90年代，世界卫生组织首次将幽门螺杆菌鉴定为与胃癌相关的致癌物，并且广泛进行针对该细菌的根除治疗。此外，研究人员发现，随着H.幽门螺杆菌感染，GERD发病率增加[102]。一系列的病例对照研究也表明，H。pylori可能在GERD和相关EA的发生中起保护作用。无论如何，消灭H。幽门螺杆菌治疗不会使GERD恶化或增加新的GERD [103]。3.4. 人类微生物群和代谢紊乱肠道微生物群的组成受到抗生素使用和人类宿主生活方式的影响反过来，肠道菌群的生态失调会影响免疫介质的产生，并诱导慢性炎症和代谢功能障碍[104]。肥胖及其相关的代谢并发症，如2型糖尿病（T2D）和心血管疾病，已成为全球流行性健康问题，被认为是宿主遗传学、饮食、环境和肠道微生物群之间复杂的多向相互作用的结果[105]。3.4.1. 肥胖越来越多的体内和人体研究表明，肠道微生物群与宿主基因型或饮食变化之间的相互作用可能是导致肥胖和相关代谢紊乱的关键因素[106，107]。Ridaura等人[108]证明，来自瘦或肥胖双胞胎的微生物群在小鼠中诱导相似的肥胖和代谢表型。此外，如果用适当的饮食喂养小鼠，则瘦双胞胎几项关于肠道微生物群的研究表明，饮食可调节人类[109]和啮齿动物[110]中微生物的组成和功能。例如，一项小鼠研究显示，用猪油喂养11周的小鼠表现出Toll样受体激活和白细胞减少。与喂食鱼油的小鼠相比，会导致组织炎症以及胰岛素敏感性降低[110]。然而，饮食组之间的表型差异可以部分归因于微生物群组成的差异。越来越多的证据表明，肠道微生物群是饮食与代谢疾病发展之间相互作用的重要调节剂[111]。此外，最近的研究表明，肠道微生物群影响生物钟并经历昼夜节律振荡[112]。宿主生物钟的破坏诱导生态失调，这与宿主代谢紊乱有关[113]。肥胖与肠道微生物群失调和代谢途径改变相关，可诱导肠道上皮屏障功能受损，并对肠道和免疫稳态[115]、能量代谢[116]、乙酸盐[25]和胆汁酸代谢[117]以及肠道激素释放[118]等生理过程[114]产生显著影响。3.4.2. 2型糖尿病T2 D是一种全球流行的代谢性疾病;肠道微生物组组成与T2 D发展之间的联系正在逐渐被揭示[119越来越多的研究表明，以较低的多样性和弹性为特征的肠道微生物组改变与糖尿病有关。引起该疾病的机制可能与微生物群从肠道转移到组织有关，从而诱导炎症[122]。Pedersen等人[123]最近证明，人类肠道微生物组可能会影响血清代谢组，并通过诸如普雷沃氏菌和普通拟杆菌等物种诱导胰岛素抵抗。二甲双胍是最广泛使用的抗糖尿病药物之一，被认为会混淆宏基因组学数据分析的结果[121]。肠道微生物群可能通过其对氨基酸代谢的影响直接影响T2 D;因此，未来的抗糖尿病治疗策略可能针对导致氨基酸代谢失衡的细菌菌株[121，124]。因此，肥胖及其相关的代谢并发症可能是复杂的基因-环境相互作用的结果。最近出现了旨在恢复肠道微生物组稳态的微生物组干预措施，例如摄入特定纤维或治疗性微生物。这些是减少胰岛素抵抗和相关代谢疾病的有希望的策略。3.5. 人类微生物群和其他疾病越来越多的证据表明，微生物群的改变与许多其他疾病的发病机制有关，例如严重哮喘、食物过敏、自闭症和重度抑郁症（MDD）[125有趣的是，这些疾病可能不涉及与微生物群的直接相互作用。然而，微生物群的调节功能，如微生物群-肠-脑轴，可能参与疾病的特定途径。复杂的微生物-宿主相互作用是动态的，涉及多种机制，包括免疫、激素和神经途径。因此，微生物群的变化基于疾病与宿主体内稳态相互作用的破坏之间的这些已确立的联系，微生物群靶向疗法可以改变群落组成，并且微生物群恢复可以用于治疗这些疾病。3.5.1. 微生物群与过敏性疾病早期生活中，肠道微生物群的低多样性增加了过敏性哮喘的易感性[131]，因此可能B. Wang等人/工程3（2017）7177长期随访后也影响儿童哮喘的发展。当然，分娩方式、地点和婴儿喂养也会影响GI微生物群组成，并随后影响特应性表现的风险[132]。 Bunyavanich等人[128]发现，在宿主年龄为3-6个月时肠道微生物群富含梭菌和厚壁菌门的婴儿与牛奶过敏（CMA）的消退有关。8年。由于婴儿的肠道微生物群在第一年迅速发展，因此早期肠道微生物群组成可能是儿童期CMA结果的决定因素之一。肠道微生物群与免疫系统密切相互作用，提供信号以促进调节性抗原呈递细胞和调节性T细胞（TCRs）的成熟，其在免疫耐受的发展中起关键作用。微生物群的特定成员，如梭菌属，与Treg相互作用并调节免疫球蛋白E（IgE）水平[133]。Saarinen等人[127]表明，CMA的临床病程和预后高度依赖于乳汁特异性IgE状态。之前的研究也发现，特异性微生物标志，如狭义梭菌标志，可以区分IgE介导的食物过敏婴儿和非IgE介导的食物过敏婴儿，狭义梭菌与血清中特异性IgE水平呈正相关[126]。3.5.2. 微生物群和精神疾病精神疾病在历史上一直对人类健康构成严重威胁[134]。它们是由生物学、心理学和环境因素共同造成的[135肠脑轴的存在已经被承认了几十年。肠-脑轴在维持正常的大脑和胃肠道功能中起着关键作用。最近，肠道微生物群已经成为这一轴的关键调节器。这个轴的概念已经扩展到肠道微生物群失调可能会增加肠道细菌穿过肠壁并进入肠系膜淋巴组织的移位，从而引发免疫反应，导致炎性细胞因子的释放以及迷走神经和脊髓传入神经元的激活[139，140]。据报道，自闭症谱系障碍（ASD）与改变的肠道微生物群以及粘液溶解细菌嗜粘蛋白阿克曼氏菌和双歧杆菌属的相对丰度在自闭症儿童的粪便中发现[125]。我们先前的研究发现MDD患者的粪便微生物组成发生改变最值得注意的是，MDD组肠杆菌科和Alistipes水平升高，但粪杆菌水平降低[130]。这些研究表明，肠道微生物群在自闭症和MDD中的作用是肠道-大脑轴的一部分;这一作用应该成为进一步研究微生物，遗传和激素变化在自闭症和MDD的发展和临床表现中的综合作用的基础。4. 微生物群技术在过去的几十年里，高通量测序技术彻底改变了高通量测序为研究复杂的微生物系统提供了机会，而无需克隆单个基因。最初，微生物群研究集中于组成研究（即，回答这个问题：有什么？）和功能研究（即，他们在做什么？）。随着测序技术和生物信息学分析的发展，对微生物在微生物群落中。人们普遍认为，丰度最高的微生物并不总是最活跃的RNA测序（RNAseq）允许分析基因表达，将有价值的表达数据添加到组成数据集。Gosalbes等人[141]在2011年对健康人类肠道微生物群进行了首次元转录组学分析。16S转录本分析揭示了活性微生物群落的系统发育结构。毛螺菌科、瘤胃球菌科、拟杆菌科、普雷沃氏菌科和里肯氏菌科是活跃微生物群中检测到的优势科肠道微生物群的主要功能是碳水化合物代谢、能量产生和细胞成分的合成。肠道宏基因组和元转录组的系统比较显示，相当大一部分（41%）的微生物转录本相对于其基因组丰度没有差异调节元转录谱比DNA水平功能谱显著更个性化，但其微生物组成的变化较小[142]。最近使用RNAseq对牙周微生物群中的噬菌体群落进行了转录组分析。研究发现，在相对牙周健康的个体中，口腔牙周炎的表达更高[143]。为了在未来实现基于微生物组的精准医学，有必要了解在健康或疾病条件下哪些微生物个体介导重要的微生物组-宿主相互作用。大多数肠道微生物目前是无法培养的。即使使用最新的技术，如gnotobiotic小鼠和厌氧培养技术，也只能培养大约一半的细菌物种，这些细菌物种通过16S rDNA高通量测序鉴定[144]。此外，物种水平的鉴定可能不能反映真实情况，因为大部分功能多样性只能在菌株水平上反映因此，开发鉴定和分离这些微生物和/或微生物聚生体的技术将是至关重要与传统的微生物学方法相比，厌氧条件和知生动物的使用在很大程度上促进了难以生长的微生物的培养。许多以前无法培养的微生物现在可以在实验室环境中培养[145]。最近开发了一种基于芯片的分离装置（iChip），专门用于识别复杂微生物生态系统中的不可培养微生物[146]。iChip由数百个微型扩散室组成，每个扩散室都接种了一个环境细胞。使用iChip进行微生物回收的能力是标准培养的许多倍，并且所得物种具有显著的系统发育新颖性[146]。随后开发了一种新的原位培养装置（I-tip）I-tip的原理与iChip相似;然而，I-tip将单个微生物捕获在凝胶内，从而允许代谢物和营养物通过使用I-tip从无脊椎生物体中原位分离微生物已从34种新微生物物种中回收分离株[147]。模拟GIT条件可以极大地促进体外培养，是的。人类肠道微生物生态系统模拟器（SHIME）成功地建立了稳定的反应器生长的GIT微生物群落。 更重要的是，该系统能够精确地模拟人类GIT的不同区域，从而允许在不同的生态位中体外研究群落的多样性。 许多研究已经估计了SHIME的功效[148例如，已经发现，当与微生物一起培养时，SHIME的不同区域被不同的独特微生物群落定殖。其分布与活宿主的分布高度相似，如类杆菌/普雷沃氏菌属的流行。和乳杆菌属（Lactobacillus spp.）[148]第148话78B. Wang等人/工程3（2017）71鉴定在复杂微生物生态系统中产生感兴趣的代谢物的单细胞对于理解微生物组-宿主相互作用非常重要。为此，最近开发了一种灵活的高通量方法，该方法使用微流体和荧光激活细胞分选的组合[151]。该系统已成功地鉴定了木糖过度消耗的酿酒酵母和L-乳酸产生菌E.大肠杆菌细胞。该系统还允许在已知途径中筛选突变体。在微生物组研究中使用传统动物模型继续为宿主-微生物群相互作用提供见解。然而，动物模型通常不能预测在人类中获得的结果，因此在考虑与药物和营养素的口服吸收相关的挑战时，会带来特别的问题。本文介绍了两种基于干细胞的体外模拟方法：肠道芯片系统和结肠干细胞构建。芯片上的肠道系统利用生物材料工程，并提供了一种可选的方法来研究肠道微生物组内发生的复杂相互作用。该系统是一种基于活细胞的肠体外模型，其模拟了人类肠道的特性以及关键的微生物共生体。仿生人类肠道芯片微型装置通常由微流体通道和多孔柔性生物膜组成，其涂覆有细胞外基质并衬有人类肠道上皮细胞[152];此类装置模拟活肠道的复杂结构和生理学。微流体装置也可用于研究微生物-微生物相互作用，例如趋化性/化学吸引和群体感应[153];已证明使用微流体装置比使用传统的基于毛细管的测定法更有效地研究这种相互作用[154]。此外，考虑到正常人体肠道的许多复杂功能，它也可能成为药物筛选和毒理学测试的重要平台。结肠干细胞构建是近年来发展起来的一种体外培养方法，用于生长3D类器官结肠上皮结构的系统，其由微结构引导，而不使用微流体技术[155]。在基质胶覆盖层内，从含有单独生长的结构的阵列收集从结肠干细胞或胰岛干细胞这些无膜3D干细胞衍生的类器官包含各种分化的细胞类型，形成类似于肠或结肠上皮的屏障[156，157]。这些类器官最近被用于证明沙门氏菌血清型鼠伤寒沙门氏菌可以成功侵入上皮细胞层[157]，而C.艰难梭菌可破坏上皮屏障功能[158]。该技术还为比现有模型更高通量的微生物组研究提供了更新颖和有价值的方法，尽管该技术仍处于起步阶段。5. 人体微生物群人类微生物组可以被认为是遗传多样性资源的重要来源，疾病的修饰剂，免疫的重要组成部分，以及影响代谢和调节药物相互作用的功能实体。一方面，有许多潜在的益生菌或有益细菌可以预防或治疗某些疾病，尽管它们中的大多数目前无法培养[159]。例如，这些肠道微生物中的一些属于含有许多益生菌的属，如乳酸杆菌和双歧杆菌。一些是新型的潜在有益细菌，如用于治疗IBD和肠易激综合征（IBS）的普氏粪杆菌和用于改善代谢健康的嗜粘蛋白阿克曼氏菌[160]。另一方面，作为我们的第二个基因组，人类微生物组必须支持产生大量的代谢物。一些分离的代谢物具有重要的潜在应用，尽管分离和鉴定人体微生物组的所有代谢物仍然是一个巨大的挑战。例如，Chu et al.[161]通过使用人类微生物组的初级测序发现了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌活性抗生素。随着对人类微生物组与各种疾病之间关系的了解的增加，使用这些发现来预测或诊断疾病引起了极大的关注[162]。在一些研究中，一些微生物的富集被认为是潜在的生物标志物;然而，这些变化也经常在其他研究中观察到，并且不能在不同的疾病之间进行区分。相比之下，基于宏基因组分析中数十个基因的临床模型在诊断和预测疾病方面表现更好。此外，我们发现双歧杆菌/肠杆菌科（B/E）比率指示肠道的微生物定植抗性，并且该比率被认为是人类微生物组健康的指标。健康微生物群患者的B/E比高于1，而肝硬化患者和禽流感H7N9感染患者的B/E比远低于1[163，164]。通过针对性地预防和治疗疾病，微生物组已被广泛研究，一些治疗方法已成功应用于临床。据报道，益生菌的管理有助于更快地恢复H7N9患者的健康[164]。粪便微生物组移植治疗C.艰难梭菌感染[165]。在通过调节肠道微生物组治疗肝脏疾病方面也取得了实质性进展。一项临床试验表明，益生菌VSL#3可降低肝硬化患者的肝病严重程度和住院率[166];给予唾液乳杆菌LI 01或戊糖足球菌LI 05可改善大鼠中D-半乳糖胺诱导的急性肝损伤[167]。此外，人类微生物组的调节在GI疾病的治疗中起重要作用，所述GI疾病例如感染性腹泻、腹泻相关性腹泻、炎性肠病和坏死性小肠结肠炎。例如，口服施用以下物质的混合物：在结肠炎和过敏性腹泻模型中，发现从人类微生物群到成年小鼠的17种梭菌菌株可减轻疾病[168]。肠道微生物组的调节也可能有助于癌症的治疗。Iida等人[169]报道，对癌症治疗的最佳反应需要完整的骨髓微生物群，其通过调节肿瘤微环境中的骨髓源性细胞功能来介导治疗效果Viaud等人[1
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