综述 | Cell Metabolism:人类代谢性疾病粪便微生物移植的过去和未来的发展

2021
09/28

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微生态
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编译:微科盟张凯,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

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导读    
粪便微生物移植(FMT)作为一种治疗方法正在受到越来越大的关注,影响从代谢综合征和恶性肿瘤到自身免疫和神经系统疾病等多种慢性疾病的病程,并且可以帮助了解肠道微生物群对这些疾病的影响。尽管FMT已经得出了重要的机制,但由于在代谢性疾病方面的反对意见,它们在临床实践中的应用可能受到限制。FMT可用于治疗复发性艰难梭状芽胞杆菌(Clostridiodes difficile)感染,并且FMT也参与到溃疡性结肠炎和其他各种疾病的治疗中。一个新的特别的见解是,FMT不仅可能改变胰岛素敏感性,而且可能通过减弱潜在的自身免疫而改变1型糖尿病的病程。在这篇综述中,我们将概述FMT的主要原则和缺陷,以及从哪里去优化研究设计和程序本身,这将进一步推进心血管代谢医学领域的发展。  

 

论文ID


 

名:Fecal microbiota transplantation in human metabolic diseases: From amurky past to a bright future?

人类代谢性疾病粪便微生物移植的过去和未来的发展

期刊:Cell Metabolism

IF:27.287

发表时间:2021.6.1

通讯作者:Max Nieuwdorp

通讯作者单位:阿姆斯特丹糖尿病中心


综述目录


1 什么是粪便微生物移植

1.1自体粪便微生物群移植

2 证据等级:疾病中的FMT

2.1 FMT能够改善临床终点吗?

3 FMT在代谢中的作用

3.1 II型糖尿病

3.2 I型糖尿病

3.3 非酒精性脂肪肝

4 陷阱

4.1 递送的方式

4.2 FMT的处理

4.3 安慰剂

4.4 肠道微生物多样性

4.5 供体-受体结合

4.6 合并用药

4.7 伴随的生活方式和饮食

4.8 响应者与非响应者

5 潜在作用机制

6 未来FMT在研究和临床中的路线图


主要内容


1 什么是粪便微生物移植
由于我们不是生活在一个无菌的世界里,FMT的基本形式是口服人类或其他物种的肠道微生物群。值得注意的是,在我们的进化过程中,我们以各种方式接触到微生物,包括发酵产生的食物。此外,我们的口腔被认为是肠道微生物群的重要储存库,反之亦然。越来越清楚的是,这一自然过程对人类健康有影响。值得注意的是,最近的一项研究显示,在农场长大的儿童患哮喘的风险较低,这一现象至少部分可以用肠道微生物群的改变来解释。此外,通过剖腹产出生的婴儿面临多种自身免疫性疾病增加的风险,同时他们的肠道微生物组是改变了的,因为最初从阴道管转移到婴儿的微生物被来自母亲和手术团队的皮肤微生物所取代。这些婴儿的肠道微生物群可以通过在母乳中提供少量的母亲粪便来重塑,从而形成一种更接近阴道分娩婴儿的微生物组成。
在医疗行业,FMT已经为受体优化为一种无嗅无味的过程,但执行过程变化极大,从日常口服冻干胶囊到经鼻十二指肠管小肠输注的单一/多次治疗,通过食管--十二指肠镜或结肠镜或结肠保留灌肠来转移。通常,预先存在的肠道微生物负荷会通过肠道灌洗或服用抗生素或泻药而减少。在科学研究和临床实践中,实际转移的物质也是具有异质性的(1)。虽然该领域似乎主要关注微生物群的转移,特别是细菌的转移,但FMT的其他组成部分往往或多或少的被忽略了。这包括一些可能是FMT治疗复发性艰难梭菌感染有效性的物质,包括噬菌体以及细菌病毒等等。人们对使用噬菌体的兴趣正在发展,正如最近回顾的那样,模型研究显示了粪便病毒体移植的影响。只有少数研究集中于非生物的粪便成分。
对食用典型英国饮食的成年人的粪便进行细致的分析发现,平均每天排出的粪便约为100克,其中只有25%是干物质。干物质由55%的微生物组成,而其余大部分包含纤维(纤维素)、溶胶组分(24%)(如粘液)、排出的结肠细胞、蛋白质、脂肪、小分子(如产生胆甾醇降解产物,包括儿茶酚以及吲哚)以及硫化物(使粪便具有特征气味的物质),以及具有特征的短链脂肪酸(如醋酸酯、丙酸酯和丁酸酯)。重要的是要认识到,在大多数FMT方案中,粪便与盐水混合,过滤去除大的不溶颗粒,而很少努力提纯或富集微生物馏分。因此,FMT的潜在有益作用可能部分是由于这些化合物。
根据宏基因组测序技术,估计微生物组分主要由原核生物(细菌和古细菌的比例为10:1),真菌占少数。据估计,病毒的数量往往超过其宿主的数量,人类肠道内也不例外,因为许多原核生物包含噬菌体,而且有报道称健康受试者中已经有大量并且多样的噬菌体。这些测序分析还显示,粪便中还含有相当数量的人类DNA,这些可能来自排泄的上皮细胞和免疫细胞。通过流式细胞术测定了粪便微生物群的活力,发现几乎一半的粪便微生物(49%)已经死亡,随后的微生物分类显示,一些物种只在死亡的部分中发现。人们可能认为,即便在FMT样本处理过程中采取了最谨慎的措施,存活率也会进一步下降,这一点最近已经得到了证实。
 

图1. 粪便移植中转移的成分。
 
1.1 自体粪便微生物群移植
尽管大多数研究集中于健康供体的粪便微生物群移植 (同种异体FMT),只要有可能,使用自己(自体)粪便有相当大的优势,比如降低感染的安全性,但也可能由于更好的植入而提高效率。对于血液病中复发性艰难梭菌感染的治疗,当患者自身的微生物群在调理方案之前仍然多样化时,该方法最好通过冷冻粪便库来建立。然而,这种方法在其他条件下也可能是有益的,在这些条件下,个体自身的微生物组组成的波动有助于疾病的严重性。炎症性肠病就是一个明显的例子,人们认为肠道菌群的异常导致了疾病的严重程度,而肠道炎症也被认为影响了微生物组的组成。因此,假定含有有益和个性化特性的微生物群的粪便生物库可以用于以后终止疾病的复发。这一框架中的一个重要概念是,如果在疾病复发前发生了微生物群的致病性变化,则需要识别微生物群中明确有益的特征,而仅仅在临床缓解期间收集粪便是不够的。根据类似的推理,自体FMT也可用于扩大到强化生活方式干预的效果,这种干预通过改变肠道微生物群以在一定程度上改善新陈代谢。事实上,最近的一项研究发现,健康的地中海饮食中储存的粪便物质可在停止饮食后通过自体FMT阻止了体重反弹。
以上的例子主要是为了恢复大肠的微生物群。然而,当通过十二指肠管或口服胶囊输送时,自体FMT也可以被用来重塑小肠的组成,对自身免疫疾病的进程有潜在的强烈影响。因为免疫系统的训练主要在小肠中进行,以应对抗原暴露。例如,我们发现有证据表明,经十二指肠管提供的十二指肠自体FMT可以在新诊断的T1D中保留β细胞功能,而且这种方法似乎比来自健康供体的同种异体FMT更有效。
 
2 证据等级:疾病中的FMT
2.1 FMT能改善临床终点吗?
虽然FMTs已经在许多慢性疾病中进行了评估,但根据设计和研究规模的不同,证据的强度存在很大差异(2)。这些差异可能是由于移植算法、选择的研究人群和显著的小研究规模引起的。此外,FMT研究经常在高度耐治疗的亚群体中进行,如难治性克罗恩病和移植物抗宿主病。这些研究和许多其他的研究都是在没有对照组的情况下发表的,并且只对这些情况的历史进程进行了比较。然而,在一项小型随机对照试验(RCT)中,我们发现,与自体FMT相比,供体FMT可将晚期胃食管癌患者的无进展生存期延长数月。虽然这些小型研究的改善率通常是令人信服的,但这些主要应被视为安全性研究,证明随机和双盲临床试验是合理的。此外,由于很少有随机临床试验将硬临床终点作为其主要结果进行评估,计算治疗所需的数量(NNT),因此对该治疗的疗效给出有临床意义的印象几乎是不可能的。
 

图2. 金字塔代表了FMT影响临床结果的临床证据的强度。

然而,在某些情况下,如复发性艰难梭菌感染、肠易激综合征和炎症性肠病,已经评估了预先确定的临床终点。因此,我们在这些具有里程碑意义的试验中计算NNT,以给这些条件下治疗效果留下印象,在这些条件下,FMT治疗效果的证据是最令人信服的。尽管在这些试验中,NNT的预估点乍一看可能令人印象深刻,但大的置信区间还是明显的,这表明FMT在减少半硬终点方面的有效性存在很大的不确定性(1)
试图改善这种治疗效果的估算的一种方法是对小型研究进行荟萃分析。这些研究是在活动期溃疡性结肠炎下进行的,尽管研究方案存在很大的异质性,但通过汇集四项研究发现缓解诱导的有益治疗效果。对于复发性艰难梭菌感染,包括6项研究的网络分析发现,万古霉素预处理后的供体FMT是实现治愈的最有效方法。然而,在解释小型研究的荟萃分析结果时应非常小心,因为所有试验中可能存在系统性偏差。举几个例子,不充分的盲法实验(或实际上是开放标签设计)、安慰剂组的选择和发表偏倚都可能使结果偏向I型错误。尽管这些荟萃分析可能对更客观地评估FMTs在某些疾病环境中是否有希望有所帮助,但它们不能取代迫切需要进行更大规模的临床试验,采用更严格的随机化和盲法,使用金标准的主要结果测量,更长的随访时间,更重要的是更标准化和精心设计的安慰剂组。
 

表1. 使用FMT的随机试验表明治疗效果有很大的差异和不确定性。


3 FMT在代谢中的作用
3.1 II型糖尿病
最近的一项随机对照试验显示,在这些受试者中,饮食诱导的体重减轻后,自体 FMT维持了有益的代谢特性。研究发现,来自肥胖捐赠者的FMT会导致体重迅速增加,由此得出了肠道微生物群、超重和胰岛素抵抗之间的联系。相反的情况似乎也有所出现,来自瘦捐赠者的FMT至少暂时改善了肥胖代谢综合征患者的胰岛素抵抗。虽然另一项研究没有发现供体FMT对葡萄糖代谢的这种影响,但也应该注意的是,对FMT供体进行了不同的(非稳定同位素)钳夹和代谢表型(包括饮食摄入)。事实上,最近使用单剂量胶囊FMT的研究表明,脂质代谢和胰岛素抵抗得到改善,后者表明,这种效果通过坚持补充低发酵性纤维增强。因此,伴随的饮食策略可能会影响FMT对胰岛素抵抗的影响。因为不良代谢特征可以转移,因此这很重要。在这方面,FMT供体的代谢表型也可能影响人类受试者的肠-脑轴。
 
3.2 I型糖尿病
生产SCFAs的微生物群在T1D患者中减少,并且观察到在非肥胖糖尿病(NOD)小鼠中,通过给予能产生丙酸的阿克曼氏菌(Akkermansia mucniphila)或引起SCFA产量增加的益生元饮食,T1D发生率降低。我们假设,使用健康供体恢复微生物群的畸变会减弱自体免疫和 β 细胞破坏。我们最近报道了自体FMT与来自健康供体的异体FMT的临床试验作为减缓β细胞衰退的一种方式。供体FMT组确实表现出比几个主要临床试验中显示的更慢的β细胞下降速率(通过混合膳食模拟c肽水平测量)。令人意外的是,主要的发现是,在接受了3次自体FMT后,而不是异体FMT后,β细胞的衰退率保持了12个月。由于自体FMT伴随着小肠黏膜微生物群的深刻变化,我们假设暴露于自身微生物群(粪便到口腔)可能重塑小肠产生的免疫张力。鉴于免疫调节化合物对T1D缺乏疗效,我们认为这些结果非常有意义,值得在更大的试验中进行复制。
 
3.3 非酒精性脂肪肝
肠道微生物群与非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的关系日益密切。此外,在大多数肥胖代谢综合征受试者中可见增加的脂肪性肝病(NAFLD-NASH[非酒精性脂肪性肝炎])。由于植物性饮食与较低的NAFLD风险相关,并且与肠道微生物组的改变有关,我们推断从纯素食捐赠者到NAFLD患者的FMT将改善代谢综合征受试者的肝脏炎症评分。虽然该研究因招募缓慢而提前终止,但我们发现纯素食FMT后出现了较低的坏死炎症组织学评分和较低的肝脏炎症基因表达的趋势,这些是可能最终导致肝硬化的病情进展的重要预测因子。与此一致的是,在NAFLD患者中进行的另一项小型FMT试验显示,健康供体的FMT降低了肠道通透性,这是NAFLD与许多不良健康结果相关的一个重要特征,尽管这项小型研究没有发现对MRS评估的肝脏脂肪变性有明显影响,强调了在这些试验中使用金标准终点的必要性,因为没有进行肝活检组织学检查。
 
4 陷阱
4.1 递送的方式
在经历了古代对黄汤的令人生厌的使用之后,现代应用已经把FMT变成了一种无味的操作流程。我们大部分的先天和适应性免疫细胞的训练认为发生在小肠,并允许对进一步推进医药发展,我们支持采用十二指肠处理路线,使用口服胶囊和/或刚做好的粪便(在严格的厌氧条件下制备)。使用这种方法,确保了活的好氧和厌氧菌株的最大可能转移,并确保小肠和大肠肠道微生物群都通过转移得到重塑。当然,对于特定的研究问题,如某些非自身免疫性疾病或特定的远端肠道疾病,如果认为不需要重塑小肠微生物群,可以选择结肠给药方法(灌肠或结肠镜检查)
为了确定FMT是否值得参与到复发性艰难梭菌感染以外的其他疾病的管理,有必要进行大规模试验,供体FMT提供冷冻干燥的胶囊或冷冻溶液的胶囊(从一个供体或集中),更大规模的移植可能需要的不是新鲜的材料来完成。在这种情况下,一种使用含有冻干粪便的胶囊,这种胶囊可以口服,绕过了需要进行侵入性操作和需要供者和接受者在同一天多次前往医院的复杂,这种特定FMT的方法正在获得越来越多的支持。至少在艰难梭菌治疗方面,冷冻或冻干配方无论是灌肠还是胶囊都能到到同样的效果,最近对此也进行了综述。然而,对于微生物组更微妙的扰动被恢复的状况,这种方法可能不太合适,而且与使用新鲜粪便材料相比,其通常属于不同的GMP调节。
 
4.2 FMT 的处理
通常采取保护措施减少厌氧菌接触氧气,因为这会杀死厌氧菌,但这些努力通常不能够彻底的保护厌氧菌。在严格厌氧条件下,稀释和过滤之前或之后的微生物群组成在我们的实验中没有显示出明显的差异,尽管制备FMT中其的活力可能受到了影响。同样地,尽管在-80℃下延长粪便样本的冷冻时间似乎在很大程度上保存了粪便成分,但其对生存能力的影响尚不清楚。然而,最近的一项研究在这方面提供了一些证据,在抗生素治疗后,移植自体在-80℃甘油中储存的粪便进行FMT后,很快且几乎完全恢复了管腔和黏膜微生物组。这些发现是否也适用于FMT用于纠正更细微的微生物群偏差的还有待确定。
 
4.3 安慰剂
许多被广泛引用的FMT研究都采用了开放标签实验。然而,在FMT研究中,设计最佳安慰剂是出了名的困难。乍一看,自体粪便移植似乎是病原学研究的理想方法。然而,当使用口服胶囊或鼻十二指肠管时,大肠物种的引入极大地改变了小肠微生物群的组成,而且由于小肠对抗原呈递和肠促肠激素的产生至关重要,这里仅举几个功能,自体FMT不能被合理地认为是一种惰性程序。事实上,我们发现自体FMT可能比异种FMT更能减缓T1D中残留β细胞功能的下降。使用棕色的生理盐水或其他形式的液体也可能有问题,因为十二指肠灌注粪便会导致一些人出现轻微和短暂的抽筋,这可能会是一部分参与者和随后的研究人员了解治疗分配。在评估FMT的自我报告的结果时,这些考虑尤为重要。
 
4.4 肠道微生物多样性
现在已经清楚,每个个体都携带着不同的微生物群,并且在种群水平上,微生物群在种族起源中显示出不同的聚类,即使这些个体居住在同一个地理区域。事实上,基础多样性和肠道微生物群组成似乎影响了供体FMT的治疗反应,至少与胰岛素抵抗有关。由于肠道微生物群组成的改变与不同的膳食化合物加工成有毒代谢物有关,这一概念可能具有重要意义。基于过去100年来由于西方生活方式导致肠道微生物多样性减少的假设,最近的一份论文将这种肠道状态比作森林生态系统(图3)。有人提出,主要细菌种类(如复杂的聚多糖降解者,包括脱硫弧菌属)对增加肠道微生物群落多样性很重要,从而为次生SCFA产生菌(如BacteroidesEubacterium spp.)的生长铺平了道路,第三种细菌,包括需要恢复生态系统才能繁荣的细菌,如Anaerostipes spp.)。因此,基于这些特定菌群菌株的存在,预先选择FMT供体可能是改善临床结果的一种可行方法。因此,一个能更好地解释FMT研究的重要工具是对基础水平和FMT后微生物组成的详细跟踪。通过比较供体和受体在基础水平和一段时间内的微生物组成,可以追踪到有多少供体微生物菌群到了受体体内。考虑到转移的微生物物种具有很大的异质性,这一信息可能有助于澄清FMT在不同研究或亚组之间发现的冲突效应。这种策略最常用的方法是粪便样品的深层宏基因组测序,它可以根据特定的单核苷酸变异识别微生物菌株。将测序技术与生物信息分析(如主成分分析或t-SNE)相结合,可以揭示来自供体的菌株和总体相似性能持续多久,多少微生物种群可能会回到原来的组成。
 

图3. 利用FMT衍生的关键菌种重建肠道微生物多样性。
 
4.5 供体-受体结合
先前的研究表明,实体器官移植和FMT之间供体和受体的相容性惊人地相似。首先,血型抗原的分泌能力(基于岩藻糖转移酶-2基因的多态性)与肠道微生物多样性的减少有关,因此可能反过来决定从非分泌型供体到分泌型受体的成功移植。这可能也适用于人类白细胞抗原(HLAs)HLA单倍型是T1D等自身免疫性疾病风险的主要决定因素,具有与T1D风险增加相关的HLA单倍型的婴儿确实发展出了一种独特的微生物组。然而,还有待确定的是,在生命后期的FMT是否有能力纠正一种高风险的归因于特定的HLA单倍型的微生物组。此外,结合细菌和细菌成分的肠道免疫球蛋白的分泌可能有助于供体FMT的治疗效果,因此需要加以考虑。
FMT一般来说是一个安全的和良好耐受的,即使在职业血液疾病患者中,但该认知却被两人去世的报告所撼动了,这两个人的死亡可能由于多耐药的大肠杆菌经过FMT后进行转移。该报告提出了一个紧急警告,即需要对捐赠者进行细致的传染病筛查以确保手术的安全性,尽管这种做法对于一些用于健康捐赠者来说,可能限制他们的捐赠意愿和/或能力。一些对当前的COVID-19大流行特殊的考虑,如SARS-CoV-2已经在感染者的粪便中发现了,提出对口腔粪便传播的担忧这是可能的,并延伸到FMTs是否应该包括筛查COVID-19
另一个围绕FMT供体和受体之间不理想匹配的担忧是,移植时与肠道微生物群紊乱相关的某些特征被赋予。最值得注意的是供体代谢健康的情况,从胰岛素抵抗到病态肥胖,受体在接受来自肥胖供体的FMT后体重增加。这种效果甚至在神经性厌食症患者中观察到。此外,我们在肥胖个体中发现,来自瘦捐赠者的良好反应主要是由粪便微生物组的组成驱动的。因此,供体-受体匹配可能被优化的另一个领域是选择最能恢复受者微生物群畸变的供体。确实有人尝试用这种方法治疗肝性脑病,确实有人尝试用这种方法治疗肝性脑病。这些个体通常具有相对较少的有益的SCFA产生家族,如毛螺菌科(Lachnospiraceae)和瘤胃菌科(Ruminococcaceae)。因此,在一项研究中,从供体库中选择了这些菌最丰富的健康供体,来自该供体的接受者发生复发性肝性脑病的可能性要小得多。然而,考虑到本试验的开放性标签实验,本研究并没有回答这些结果是否与FMT程序无关,甚至是否与方案中的抗生素预处理有关。尽管如此,这篇论文提供了令人兴奋的结果支持,即粪便微生物群组成上的供体与受体匹配可能被用于改善疾病预后。最后一个选择是使用所谓的超级捐赠者,这些人的肠道微生物群具有特别丰富的多样性,可以增强FMT后的移植;最近的一篇综述论述了这些例子及其潜力。
 
4.6 合并用药
为了帮助移植的FMT菌群的定植(通常称为移植物),供体输注前通常要进行肠道清洗。其中最常用的做法是使用灌肠、泻药或广谱抗生素。虽然对于溃疡性结肠炎,有一些证据表明抗生素预处理可能提高FMT的疗效,但FMT治疗后使用抗生素与操作失败的风险增加相关。
研究表明,几种常用药物与肠道微生物多样性减少或特异性过度生长有关,最显著的是抗生素和质子泵抑制剂的使用,但也有抗糖尿病药物如二甲双胍的使用。此外,心血管药物,如他汀类药物、抗高血压药物和血小板抑制剂,以及阿片类药物和抗抑郁药物,被发现会影响肠道微生物群组成。由于这些观察结果对于性别和年龄等混杂因素非常敏感,因此应该仔细解释这些观察结果,并理想地采用随机研究,因为这些药物所描述的情况可能是由微生物群紊乱引起的。而相反的情况也成立,因为通过我们使用特异性供体FMT,特异性肿瘤药物的疗效可能会得到改善。
 
4.7 伴随的生活方式和饮食
当将供体微生物群转移给受体时,需要考虑的一个潜在因素是,它们在微生物组成上的差异可能部分是由于供体和受体之间不同的生活方式因素。因此,如果受体的生活方式在FMT后没有向供体的生活方式的转变,那么对微生物组成的影响可能会随着时间的推移而消散。各种干预研究确实表明,饮食决定了微生物群的组成,而且随着饮食的改变,变化会在几天或几周内迅速发生。
这些变化是强有力的,以至于当在坚持特定饮食的过程中收集粪便进行自体FMT时,即使不再坚持该饮食,该饮食的有益影响也会延续。相反,个体微生物组成会改变对饮食变化的响应。总之,这些观察结果表明,饮食可以独立通过塑造微生物组的组成来改变对FMT的反应。因此,如果在干预期间将饮食标准化,FMT的强度可能会提高,因为这将是消除微生物组变异的一个很大来源。这是该领域中一个被忽视的方面。运动和身体健康本身似乎也会影响微生物群的组成,尽管这种影响比饮食的影响要弱得多。酒精和微生物组之间的关联是复杂的,因为人们认为酒精摄入会影响微生物组的组成,但微生物组也可能影响过度酒精使用障碍的并发症的风险。酒精的使用在FMT研究中的影响不能轻易排除,因为酒精使用在世界上许多地方都很普遍。另一个可能影响肠道微生物群改变的生活习惯是吸烟,鉴于吸烟明显的总体负面影响,吸烟者通常被排除在FMT捐赠之外。然而,吸烟与一些疾病的风险降低有关,这些疾病可能归因于吸烟对微生物群的影响。例如,戒烟可能导致微生物改变,从而导致体重增加。在吸烟者中患帕金森氏病风险降低中也有类似的结论。因此,与直觉相反的是,在选定的环境中,从吸烟者的微生物区系移植到非吸烟者可能是有益的。很少有研究解决了这一知识差距,可能是因为担心吸烟者的微生物群会增加心脏病或其他烟草相关疾病的风险。
 
4.8 响应者与非响应
一个特别有趣的现象,至少在我们的手中,是FMT倾向于产生对FMT响应者与非响应者,而不是一个整体的或平均的影响。我们假设FMT的成功取决于供体将微生物群落转移到更有利的表型的程度,以及关键物种的移植如何顺利进行。在一项使用非肥胖糖尿病(NOD)小鼠的研究中进一步分析了这一观察结果,表明从T1D发病率低的菌落转移到高发菌落的小鼠中并没有改变潜在的糖尿病发病率。重要的是,在FMT期间,并不是所有菌落之间的不同菌株都被转移了,这可能解释了为什么FMT不能成功地降低T1D流行率。事实上,当没有被FMT移植的主要菌株之一,艾克曼菌( Akkermansia muciniphila )被转移时,这一单一菌株降低了T1D的发病率。从这一小鼠研究中我们可以得到一个有价值的教训,如果在移植中丢失了特定的基本物种,那么单株移植可能比完整的FMT更有影响。因此,某些菌株丰富的FMT可能有很大的希望改善FMT的结果。
另一个提高FMT后反应率的方法是选择既往疾病预后良好的患者作为供体,而选择预后较差的个体作为供体,这比使用健康的供体产生更大的临床效益。最近的一项引人注目的研究表明,在黑色素瘤转移到抗程序性细胞死亡蛋白1 (PD1)难治性患者中,对检查点阻断有临床反应的患者进行FMT,可以打破检查点阻断治疗的耐药性。事实上如假设的那样,响应者表现出与抗PD -1治疗相关的类群增多,CD8+ T细胞活化增加,表达白细胞介素8的髓系细胞减少。因此,这项研究也提供了令人信服的证据,即FMT的改变受体的免疫应答。
 
5 潜在作用机制
如上所述,许多FMT研究都是在新的适应证上进行的,最多只为粪便微生物群的因果关系提供了证据,但却没有足够的能力或分析深度来深入了解其作用模式。复发性艰难梭菌感染的FMT治疗取得了很大进展,因为这种治疗方法表明细菌比药物更好。然而,需要注意的是,由于感染和抗生素的反复使用,患者结肠微生物群的多样性非常低,微生物相互作用网络有限,因此这种疾病是相当不寻常的。详细分析表明,具有健康的多样性的微生物群的FMT可立即使微生物多样性达到正常水平,并增加微生物网络和核心微生物区系(图4A)。最近一项基于深入分析和小鼠研究的研究支持了一个假说,即胆盐水解酶产生菌有助于FMT治疗复发性艰难梭菌感染的成功,因为该酶可以降解牛磺胆酸,而牛磺胆酸是一种有效的艰难梭菌发酵剂。有趣的是,一些报告表明,FMT治疗后患者的后续障碍,如使用抗生素引起的障碍,可能危及微生物群,导致非艰难梭菌的结肠炎的复发,随后需要一种新的FMT来纠正。这种情况让人联想到非弹性微生物群处于亚稳定平衡状态,可以恢复到与炎症相关的另一种稳定状态。这支持了早期的假设模型,其中最新的模型表明,替代稳定状态与结肠中氧气浓度的增加有关,以牺牲敏感的丁酸盐生产者为代价驱动呼吸肠杆菌科(Enterobacteriacea)的过度生长。这一弹性模型的进一步实验证据来自于人类微生物群系中临界点的发现和对肠道型存在的共识。
正如最近证实的那样,粪便中基因组物质的最大来源是原核病毒(噬菌体)。在对FMT有利影响的潜在贡献方面,噬菌体可能也是最被忽视的(4b)。这可能是不恰当的,因为在艰难梭菌感染复发的情况下,微生物耗尽的FMT仍然在少数患者中实现了腹泻的缓解,这表明噬菌体可能通过调节肠道微生物的组成和表型,在维持宿主健康方面发挥重要作用。噬菌体在宿主细菌的基因表达中起着重要的作用,甚至决定了宿主细菌的生存。因此,有益的FMT效应也可能是通过供体噬菌体改变受体自身的细菌来介导的。当考虑到在FMT过程中转移的大多数细菌可能已经死亡时,这个想法就变得更加可信了,我们确实发现,在代谢综合征中,对来自健康供体的异体FMT的有响应者的粪便噬菌体与供体比无应答者更相似。最近的一项研究探讨了复发性艰难梭菌感染患者FMT后微生物组和病毒组的发展,并显示FMT同时消耗了变形菌门及其噬菌体。目前,噬菌体特异性移植是通过无菌过滤实现的。这种方法的一个潜在优势是降低了细菌感染的风险,尽管这种方法通常不能预防病毒感染。此外,还需要大规模的人体试验来显示基于噬菌体的移植在相关适应症中的潜力。
 

图4. FMT修饰微生物和人体生理的关键机制。(A) FMT增加了微生物多样性。(B) FMT转移的噬菌体通过改变肠道细菌的基因转录和存活来影响肠道细菌。(C) FMTs改变了作用于宿主的微生物代谢物的整体组成。(D) FMTs可能增加特定微生物代谢物的生产。(E) 通过改变代谢物的产生,抗原库提交给免疫系统,或通过未知的机制,FMTs改变了宿主的免疫。(F) FMTs改变了微生物组,而微生物组反过来作用于肠-脑轴,潜在地导致情绪和行为的改变。
 
考虑到粪便移植的是不同物质组成的(图1),FMT的有益作用可能通过多效机制实现,甚至可能因FMT的每种情况而有所不同。尽管如此,一个重要的可能的机制是微生物相关血浆代谢物的产生改变(图4C)。这些可能已经在移植中存在,或随后由新定殖的微生物产生。微生物组产生大量的小分子,其中大部分的功能和对宿主的影响尚待确定。讨论每个分子将超出了当前的讨论范围,但也许最著名的微生物代谢产物是短链脂肪酸丁酸盐,是由许多纤维发酵菌株产生,并被认为是可以减少肠道泄漏(图4 d),并作为结肠细胞的养分,并对表观遗传产生影响。此外,该化合物显示出抗炎特性,并降低NOD小鼠中T1D的发病率。因此,FMTs可能会改变免疫系统对抗自身抗原的活性(图4E)。此外,我们发现T1D个体中产生丁酸盐的菌株减少。然而,当我们为T1D补充高浓度丁酸,这并没有导致任何明显的免疫细胞的变化,当我们在T1D执行FMT,在代谢组学分析中,丁酸盐并没有作为主要保护β细胞或免疫细胞活动的主要介质出现。其中一个局限性是丁酸盐和其他代谢物可能很快被吸收,粪便水或血清中的水平不能反映门静脉的实际浓度。因此,人类研究在使用非侵入性生物标记物时,可能大大低估了微生物代谢物的生物学效应。这一现象可能在一定程度上解释了啮齿动物和人类研究之间的某些差异。此外,我们承认这些干预研究可能不足以完全排除丁酸盐在T1D中的潜在益处。因此,所有这些研究表明,从观察性研究中发现有前途的微生物,到临床前研究和旨在改善临床终点的人类干预研究,还有一条漫长而曲折的道路要走。
人们也越来越认识到,肠道微生物可能产生一系列代谢物,这些代谢物可以直接通过血脑屏障,也可以间接通过调节肠道的自主神经活动,导致饱腹感和情绪的改变,从而改变人类行为。因此,FMTs可能以肠-脑轴为目标(4F),调节与情绪和饱腹感相关的代谢产物,这些代谢产物是胰岛素抵抗发展中的关键因素。
通过尚不完善的机制,微生物组的组成是必不可少的发展过程也变得清楚。无菌NOD小鼠似乎存在自身免疫风险的增加,这种效应甚至可以通过在生命早期使用抗生素来模拟。在小鼠的早期肥胖倾向中也有类似的影响。这些啮齿动物研究与观察性研究相结合,这些研究将早期生命事件(如剖腹产和抗生素使用)导致的早期肠道微生物群的扰动与这些疾病的发展联系起来。FMT是否能像剖宫产婴儿那样使受干扰的肠道微生物群正常化是值得关注的。因此,可能需要对FMT技术进行进一步的研究活动,以开发可以用于纠正早期生命中微生物群变化的方案。
 
6 未来FMT在研究和临床中的路线图
尽管有其局限性,但FMT目前是调查微生物群对一系列慢性疾病的因果关系的最重要的工具之一。为了最大限度地发挥这些研究的影响,应努力进一步使FMT程序标准化;也就是说,它的剂量反应、输送方式、预处理以及是否使用新鲜或冷冻或交替预处理材料都需要标准化。此外,需要更好地定义端点和更严格的功率计算,以减少第一类错误的机会,并允许更精确的估计治疗效果。我们建议,反复举行重点会议将有助于在这一领域达成协商一致意见。
FMT研究还有助于确定有前途的方法,引导我们采用一种多层次的方法,通过复杂的生物信息技术和机器学习算法,肠道微生物组、血浆和/或粪便代谢物变化的详细表型和患者表型之间可能存在关联。这是一种强大的方法来检测所谓的大海捞针(即涉及到的细菌菌株和网络),但这项技术的另一个警告是许多FMT研究通常是作为安全性研究设计的,因此规模小,动力不足。此外,非针对性分析技术可能容易出现假阳性和假阴性结果。因此,从这些研究中得到的大多数结果应该被视为假设产生,并在独立的研究中得到重复。
总而言之,使用供体FMT有能力恢复肠道微生物功能,从而改变疾病,甚至逆转人类疾病。因此,未来十年的问题将是,以微生物为基础的靶向治疗,如添加或不添加特定菌株的FMT,是否有助于加强现有的饮食和药物治疗策略,以改善人类健康。由于道德、GMP生产和财务方面的原因,采用这种方法比较麻烦,因此,寻求提供FMT商业服务的公司的崛起是提高FMT效益和使其应用标准化的关键因素(表2)。
 

表2. 发展FMT疗法的新兴公司概况。


总之,为了超越其在临床复发艰难梭菌感染中的应用,需要使FMT技术标准化。我们认为,更新指南和提供GMP级服务的公司是实现这一目标的主要参与者。此外,由于安全性问题在很大程度上已经得到了解决,大型临床研究对硬临床终点进行了正式的计算是必要的。此外,非靶向分子分析和生物信息学的革命性发展使得对FMT程序的潜在机制进行更详细的分析成为可能,这些详细的分析可能确定有前途的微生物和代谢指向,这些线索可能丰富前、前和后生物治疗,以增强FMT的效果,或事实上甚至取代 FMT 程序,最终将肠道微生物作为代谢性疾病的治疗靶点推向临床领域。



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关键词:
Cell,微生物群,FMT,噬菌体,肠道,饮食,研究

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