第 733 期

健康知識
微小生物的大時代—從腸道菌相看看您我的世界
The era of microbe: Understanding gut microbiota and you

什麼是微生物相（microbiota）？什麼是微生物體（microbiome）？
微生物相（microbiota）泛指「一群」棲息在植物或動物體內部與表層，或是環境中（例如土壤、深海、居住物等），肉眼看不見的微小生物。這些微小生物包括了細菌、真菌、病毒或原生生物，其與宿主之間發展出互利共生（symbiosis）、片利共生（commensalism）或致病（pathogenesis）關係。至少50年前，microbiota一詞即出現在生態學領域中，然而隨著人類疾病研究的演進與蓬勃，一般報章雜誌上的「microbiota」一詞越來越常指與人類相關的微生物相（human microbiota），甚至限縮於菌相而已（本文以下亦然）。另一方面，隨著分子生物學的巨大進展，科學家觀察微生物相的角度，從過往的培養盤篩選，得以從基因或從更細部的DNA序列進行分析。正由於體學（omics）的發展，微生物體（microbiome）一詞在2001年由微生物學家Joshua Lederberg（1958年諾貝爾獎生醫獎得主）建議使用；事實上，早在2001年之前就有「微生物體」一詞，但是直到2001年後才產生定義上的共識：凡是以「基因體」為角度論述微生物相即可稱為微生物體。無論如何，隨著高通量定序的效率和成本的大幅下降，以及蛋白質體學（proteomics）、代謝體學（metabolomics）或甚至表觀遺傳學（epigenomics）的應用，微生物相和微生物體研究爆炸性地展開，一個屬於微小生物的大時代，正式來臨。

為什麼腸道菌相很重要？與宿主人類如何相互作用？
試想有一群細胞，數量約1014（百兆級），約人體細胞總數1013（十兆級）的十倍之多，存在於您我的腸道之中，總重約有二公斤，您能忽略這群細胞的存在嗎？而這群細胞正是微生物們。過去的研究認為這些共生的微生物能在我們身體各部位形成聚落，讓其他致病菌無法坐落貼附，因而對我們有益。腸道可謂人體最大的免疫器官，腸道菌叢經由演化與人類的免疫系統有著密切的關係。近年來的研究更證實，這些腸道菌微生物們藉由它們的分泌蛋白或是代謝產物，直接或間接地影響我們的免疫系統或是更直接地殺死致病菌，間接地幫助我們對抗炎症、感染症與自體免疫。腸道菌叢也被發現能夠影響神經與大腦，進而改變動物行為或生理週期。腸—腦軸線（gut-brain axis）學說的興起近二十年，在導入了微生物相的概念後，已經進展成了菌—腸—腦軸線（microbiota-gut-brain axis）。最終，腸道菌叢能夠藉由上述的抗發炎、避免感染、改變免疫系統、行為和生理週期，控制宿主的生理代謝系統，包括攝食、消化、吸收和代謝等階段，都已證實受到腸道微生物影響，而微生物們則從中獲利，取得了它們所需的養分與棲地。



為什麼腸道菌相和疾病相關？
一般情況下，腸道微生物相在宿主中能夠達到穩定的動態平衡，然而，許多文獻指出，人類疾病的發生，往往與微生物相的3種變化相關。(1)生態失調（dysbiosis）：當原本的微生物相因環境改變或刺激，發生了劇烈的變動，因而破壞了原本宿主—微生物之間的相互關係。一般常見的案例是抗生素的濫用，導致腸道菌的大量死亡。不完整的腸道菌相，無法幫助宿主完整地消化，合成維生素，也失去原有能夠抵抗致病菌的貼附防線，輕則影響養分吸收，重則導致腸炎；(2)伺機性感染（opportunistic infection）：有一部分的微生物，雖然和宿主維持共生關係，但是在宿主免疫力較差的時候，可能具有感染能力，轉成致病細菌的角色；(3)不適切的代謝影響：腸道微生物能夠幫助宿主分解食物成代謝中間物，或是幫助合成維生素，再轉交給腸道上皮細胞讓宿主吸收。然而，越來越多文獻指出，某些代謝中間物可能引發或是抑制代謝性疾病，而問題的最終將會回歸到底是哪些種類的微生物產生特定的代謝物。若是對宿主代謝比較不好的微生物所占的比例較高，有可能造成宿主代謝性疾病。藉由上述的3種變化，我們同時也瞭解到，腸道微生物相的多樣性以及各菌種之間所占的比例，能夠與人類疾病產生關聯，而腸道微生物體研究的目的，正是為解開這些隱藏而未探知的線索。

大型微生物體研究計畫：
為了更加瞭解與人類相關的微生物相，許多大型的微生物體研究計畫在世界各地展開，簡介如下：
  1. 人類微生物體計畫（Human Microbiome Project）（https://hmpdacc.org/）:
    為了通盤瞭解人體內外有哪些微生物，美國國家衛生研究院（NIH）於2007年12月啟動第一階段（HMP1）5年期計畫，共300位受試者，以5個身體部位（鼻腔、口腔、皮膚、泌尿道、消化道，共15至18位點）分3次採樣，發現總共超過一萬種不同的菌種。2013∼2016年第二階段計畫（iHMP）也已經完成，其特點在於追蹤單一個體的長時間菌相，並且導入更多的體學分析，像是細菌的全基因體定序（whole genome sequencing）、轉錄基因體學（metatranscriptomics）、代謝體學卅脂質體學 （metabolomics/lipidomics）、免疫蛋白質體學（immunoproteomics）等，也一併納入資料庫進行分析。

  2. 人體腸道總體基因體學研究計畫（Metagenomics of the Human Intestinal Tract Project, MetaHIT）（ http://www.metahit.eu/）:
    2008至2012年間由歐盟資助，由歐洲與中國科學家們完成的腸道總基因體（metagenomics）計畫，共有124位受試者，包括了正常、肥胖以及腸炎患者。並於其糞便檢體中發現一共有1,150種不同菌種，且每位受試者腸道至少存有160樣不同菌種。在鑑定出腸道微生物相後，便能夠針對疾病進行關聯性分析。

  3. MyNewGut Project（http://www.mynewgut.eu/）:
    歐盟於2013年12月啟動一項5年期計畫，分析腸道微生物對人體能量平衡、大腦發育與功能之影響，藉此探討微生物相在人類飲食、代謝、行為、免疫中所扮演的角色。

  4. 美國人腸道菌計畫（American Gut Project）（http://americangut.org/）:
    2012年，由學者Rob Knight和Jeff Leach發起的一項腸道微生物體計畫。此計畫透過公民科學（citizen science）的方式，鼓勵民眾資助並且提供糞便檢體作為腸道菌的分析，同時民眾也能夠收到關於自己的相關研究報告。由於此計畫不設限於健康族群，並且收樣規模更大，能夠填補人類微生物體計畫的不足。此項計畫已不限於「美國人」，甚至拓展全球，包括英國、澳洲與新加坡都已設立了檢體集合站，送回美國實驗室分析。此計畫可望能成為一個全面性的人類腸道微生物體學資料庫，對於未來微生物與人類的關係性有巨大的影響力。

  5. 台灣腸道公民科學計畫（Taiwan Gut Project）（https://taiwangut.com/）:
    就在去年（2017年），一個大型的台灣腸道微生物相計畫也順利起跑了。由長庚大學微生物相研究中心以及圖爾斯生物科技股份有限公司，以產學聯盟方式推動了此項公民科學計畫。有別於上述的微生物體計畫，台灣腸道公民科學計畫更具區域性，可以更精準地分析台灣民眾疾病與腸道微生物的關係，同時也讓國人能夠有機會瞭解自己的腸道菌相，在未來有可能進行特定疾病的預測。本計畫目標設定收集1,000人次，目前已累積約達五百人次。

  6. 其他微生物體計畫：
    除了上述人體微生物體計畫外，尚有2007加拿大人微生物體計畫（Canadian Microbiome Initiative），以及許多針對環境微生物體的大型研究計畫，包括2011年Rob Knight推動的地球微生物體計畫Earth Microbiome Project、美國能源部阿貢國家實驗室（Argonne National Laboratory）於2012年推出的居家微生物體計畫（Home Microbiome Project）和2016年美國白宮推動的國家微生物體啟動計畫（National Microbiome Initiative）。
研究最前線
伴隨著大型微生物體計畫的初步成果完成，科學家們開始進行其與人類疾病關聯上的研究。例如，Yuhao Wang等人證明了腸道微生物能夠刺激腸道上皮細胞STAT3訊息路徑，影響NFIL3基因而控制生理時鐘（Science 2017:357, 912–916）。Hailong Cao等人將有便祕困擾的民眾的腸道菌，以糞菌移植方式轉移到小鼠腸道，驗證此菌相促進大腸上皮細胞的SERT受器表達，使得5-HT神經傳導物質分解，降低了腸道的蠕動（Scientific reports 2017:7;10322）。隨著越來越多的機制被解開，微生物相便能夠與「精準化醫療（precision medicine）」的接軌。從微生物角度，我們可精準地投予或是消滅某特定菌種，而不只是對患者進行糞菌移植。從患者角度，我們也可以精準地瞭解患者微生物相對於疾病和治療的反應。近期《Nature》雜誌中，Wenhan Zhu等人試將鎢以口服給予小鼠，進而抑制了Enterobacteriaceae菌體中的鉬依賴型酵素，藉此減少Enterobacteriaceae並調整腸道菌相組成，使小鼠對於腸炎有較高的抵抗力《Nature》（2018:553;208–211）。而近期的《Science》期刊更是以腸道微生物作為封面，並匯集了3篇關於腸道微生物相干預免疫治療的研究。原來，我們的腸道菌相和免疫抗癌藥物的效果相關，如果能夠瞭解患者的腸道菌相，或進一步地修正成合適的腸道菌相，將可增強抗癌效果（Science 2018:359;32–34）。不久的未來，某種微生物（或某些微生物組合）有可能被作為一種藥物，或是成為藥物作用的對象。

未來挑戰與研究方向
針對微生物相在生物醫學方面研究的未來發展簡列如下：
  1. 序列定序的進步，使得同一種菌種的不同亞型也得以區分，因此在精準化醫療的未來，微生物相與人類疾病之間的關係可以越來越精準。然而，資料處理量也越來越龐大，利用人工智慧進行運算，將是未來發展的趨勢。
  2. 有可能鑑定出新的伺機性感染菌種，或是某無害菌種在特定情況下轉為有害。
  3. 驗證微生物相與人類疾病間的因果關係，以及瞭解其中影響的機制，以作為精準化醫療的依據。
  4. 許多研究是透過實驗動物進行驗證，然而實驗動物與人類之間仍存在著差異。在實驗動物上的發現，需要在人體上做最終的驗證。
結語
回顧微生物相的文獻，一開始皆為描述性研究，在體學概念導入之後演變成關聯性研究，然後開始進入因果性論證（例如經由糞菌移植試驗），而現在正要跨入的進程是分子機制的探索與驗證。儘管我們對於微生物相的研究已經有了突破性的發展，仍有許多未知須要被發掘與驗證。在地球的發展史上，人類的出現遠不及微生物來的久遠，面對茫茫數不盡的微生物們，人類更顯得渺小。我們才正要掀開微小生物們的神秘面紗，而這不過只是一個大時代的起頭而已。
《文/圖：免疫醫學研究中心張程翔博士後研究員、高承源副研究員》