曹玲

美國白宮科技政策辦公室副主任喬·漢德爾斯曼

人體“第二基因組”

今年5月13日，繼腦計劃、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)、抗癌登月計劃之后，奧巴馬政府宣布啟動“國家微生物組計劃”。根據(jù)白宮公布的計劃，美國政府將在未來兩年投入1.21億美元“國家微生物組計劃”聯(lián)邦專項資金作為啟動資金。除了聯(lián)邦機(jī)構(gòu)外，還有數(shù)十所大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)將加入“國家微生物組計劃”，它們將在未來幾年投入總共4億美元的啟動資金。

白宮科技政策辦公室副主任喬·漢德爾斯曼在13日的白宮會議上指出，奧巴馬政府的一些優(yōu)先領(lǐng)域，比如精確醫(yī)學(xué)、可再生能源、農(nóng)業(yè)與氣候變化等，都與微生物組有“強(qiáng)烈關(guān)聯(lián)”。漢德爾斯曼原本是一名微生物學(xué)家，她將在今年7月重返耶魯大學(xué)的實驗室繼續(xù)搞研究?！皣椅⑸锝M計劃的推動，她功不可沒?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)微生物學(xué)教授趙立平說。趙立平是國內(nèi)最早進(jìn)行腸道菌群和疾病研究的人之一。

微生物無處不在。我們的身體就是一座微生物大熔爐，居住著數(shù)以萬億計的細(xì)菌，幫我們維持健康。2007年底，美國推出人類微生物組計劃，隨訪了242例健康人群，定期從口腔、鼻腔、皮膚等身體18個部位取樣，得到了健康人身上幾乎全部微生物的微生物組“普查”結(jié)果。

我們被1萬種微生物寄居著，這些外來者的細(xì)胞數(shù)量是我們的10倍，重量大約1.5公斤，與我們的大腦差不多一樣重。這些微生物大部分居住在腸道里，除此之外口腔中也有很多，比如變形鏈球菌被認(rèn)為是蛀牙的主要原因。微生物群落在不同人之間有廣泛的差異，相對來說，不同人口腔中的微生物差異比其他部位要小。一項在丹麥和西班牙進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，至少有1000種不同種類的腸道微生物，但是平均到每個人只有160種。

雖然身體每個部位的微生物對健康來說都很重要，但是腸道微生物組卻被認(rèn)為是人體最主要的微生物組，因為這一微生物群落能幫助我們消化食物，為細(xì)胞的新陳代謝提供能量，直接與我們的免疫系統(tǒng)相互作用。腸道內(nèi)上千種和人類共生的微生物，其遺傳信息的總和叫作微生物組，也被稱為元基因組或者宏基因組，它們編碼的基因超過400萬個。相比之下，人類基因組總共編碼了2.5萬個基因。

自1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克成功描述了DNA的結(jié)構(gòu)，我們開始把基因視為我們的生物學(xué)命運(yùn)締造者。DNA雙螺旋提供生命的藍(lán)圖，這個過程相當(dāng)復(fù)雜也很簡單：基因合成蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)組成我們的各部分。當(dāng)DNA被破壞或者基因之間的相互作用出現(xiàn)問題，最終會導(dǎo)致疾病。如今，了解基因如何、何時發(fā)生故障，如何預(yù)防、治療從普通感冒到癌癥之類的疾病已經(jīng)成為分子生物學(xué)的中心任務(wù)。在過去的10年中，借助于計算機(jī)處理和基因測序技術(shù)的快速升級，基因組測序成為現(xiàn)實。隨著技術(shù)發(fā)展，另一個真相也開始顯現(xiàn)：雖然我們的健康受基因的影響很大，但是很大程度上它也受到細(xì)菌的影響。

我們從父母那里遺傳到了基因，但是當(dāng)胎兒離開無菌的子宮，通過母親的產(chǎn)道出生，就開始接觸微生物的世界。嬰兒學(xué)會爬行，便被巨大的、看不見的微生物云所包圍。來自他人、食物、家具、衣服、汽車、建筑、樹、寵物，甚至空氣的微生物有上千億甚至更多，其中絕大部分是細(xì)菌，也有病毒和真菌（包括各種酵母）。

微生物至少在地球上居住了25億年，人類和它共同進(jìn)化了很多年?！澳c道菌群的研究并非一個新的課題，100多年前就有科學(xué)家提出菌群對人體健康很重要，但是一直因為研究手段有限而限制了其發(fā)展，主流醫(yī)學(xué)界研究的人不多，進(jìn)展也不大。”趙立平說。

在過去，要想認(rèn)識一種細(xì)菌，先要將它分離出來，進(jìn)行培養(yǎng)，再用顯微鏡鑒定。但腸道菌群有幾千個，而且都是厭氧菌，一遇到有氧環(huán)境就迅速死掉，人們很難把它們逐一分離出來加以識別。并且有些腸道細(xì)菌是共生關(guān)系，根本無法單獨(dú)培養(yǎng)，如今的技術(shù)也很難做到這一點(diǎn)。此外，腸道菌群本身的復(fù)雜也增加了人們認(rèn)識它真面目的難度，這就像人的指紋和虹膜不可能完全相同一樣，世上沒有哪兩個人的腸道菌群一模一樣。

“腸道菌群研究領(lǐng)域隨著生物醫(yī)學(xué)進(jìn)入基因時代而變得活躍起來。尤其是自2005年左右第二代基因測序技術(shù)出現(xiàn)以后，快速、一次性、大規(guī)模地解碼DNA成為現(xiàn)實?？茖W(xué)家們可以扔下顯微鏡，從基因的層面了解腸道細(xì)菌?！?/p>

在這個領(lǐng)域，最早出現(xiàn)的是微生物和肥胖關(guān)系的研究。在趙立平眼里有一個很重要的標(biāo)志性事件。2004年美國華盛頓大學(xué)的戈登教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組在美國科學(xué)院院刊上發(fā)表一篇研究論文，指出腸道菌群可以調(diào)節(jié)動物的脂肪存儲。“這是腸道菌群與肥胖研究的開山之作?！?/p>

實驗使用了無菌動物?！盁o菌動物是通過無菌接生、在無菌環(huán)境里用無菌飼料來飼養(yǎng)的實驗動物，身體里沒有任何用已知手段能夠檢測出來的微生物。無菌小鼠的背景非常干凈，能夠很好地證實因果關(guān)系，檢驗?zāi)撤N疾病是否是由菌群引起?！钡谌娽t(yī)大學(xué)基礎(chǔ)部實驗動物學(xué)教研室主任魏泓說，他所在的實驗室和國內(nèi)多家研究腸道菌群的機(jī)構(gòu)合作，每年約提供2000只無菌小鼠。

事實上，腸道菌群是動物所必須的。“沒有腸道微生物，動物無法合成生物體所必需的B族維生素，也不能降解食物中的纖維素，導(dǎo)致纖維素大量聚積在盲腸部位，所以無菌動物的盲腸比常規(guī)動物的大兩三倍。如果不控制或者特殊處理纖維素，補(bǔ)充缺少的維生素，無菌動物是無法存活的?！?/p>

戈登給無菌小鼠移植了正常的腸道菌群，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有菌群以后小鼠吃得少了，積累的脂肪卻多了，這說明腸道菌群可能會幫助動物更有效地從食物中吸收熱量，進(jìn)一步變成脂肪存起來。

他們發(fā)現(xiàn)小鼠腸道里有一個基因fiaf，編碼一種叫“饑餓誘導(dǎo)的脂肪因子”的蛋白質(zhì)。在動物饑餓時，這個基因表達(dá)出的蛋白質(zhì)可以減少脂肪存儲，增加脂肪的消耗。無菌動物的fiaf基因一直在表達(dá)，不需要饑餓誘導(dǎo)，因此無菌動物不能積累脂肪，甚至給它們吃高脂飼料也不會肥胖。而無菌小鼠移植了正常菌群后，fiaf基因的活性被抑制，小鼠開始積累脂肪，消耗脂肪變得更加困難。戈登后來把肥胖小鼠的菌群接到無菌小鼠里，發(fā)現(xiàn)比來自健康小鼠的菌群更能夠促進(jìn)脂肪的積累。

戈登實驗室一系列的工作讓趙立平意識到，腸道菌群在小鼠肥胖癥的發(fā)生發(fā)展中可能具有非常重要的作用。從那時起，他開始關(guān)注微生物對健康影響領(lǐng)域的工作。2012年，他發(fā)現(xiàn)了第一種和肥胖有關(guān)的細(xì)菌陰溝腸桿菌。臨床研究發(fā)現(xiàn)，有一種可以產(chǎn)生內(nèi)毒素的條件致病菌，在一個體重達(dá)175公斤的肥胖患者腸道里過度生長，占到總菌量的三分之一。經(jīng)過一種特殊設(shè)計的營養(yǎng)配方干預(yù)以后，這種病菌數(shù)量很快下降到檢測不出的水平，患者的體重在將近半年時間里下降了51.4公斤，高血糖、高血壓和高血脂等癥狀也恢復(fù)正常。他們把這個細(xì)菌分離出來，接種到無菌小鼠體內(nèi)，小鼠出現(xiàn)了嚴(yán)重的肥胖癥和糖尿病的早期癥狀胰島素抵抗，這個菌就是陰溝腸桿菌。

趙立平曾說：“2005年腸道菌群的工作開始向肥胖聚焦時，我就堅信，一定會找到一些具體的細(xì)菌種類，在肥胖的發(fā)生中起著關(guān)鍵作用，或者促進(jìn)肥胖，或者抑制肥胖。2012年，經(jīng)過8年連續(xù)不懈的努力，我們終于把第一個這樣的細(xì)菌驗明正身。”

目前，他依然在研究腸道菌群和肥胖的關(guān)系，還拓展到其他一些代謝疾病，比如糖尿病?！懊恳环N疾病的背后都有致病因素，并不是說基因不好就要得病，這中間還需要有致病因素，腸道菌群產(chǎn)生的有害物質(zhì)可能就是多種慢性疾病的致病因素?！彼秃献骰锇檎媱澰诿绹_格斯大學(xué)建立一個實驗室，把上海交大、羅格斯大學(xué)與夏威夷大學(xué)的研究力量組織起來，組成一個糖尿病微生物組國際研究中心，計劃5年內(nèi)從民間籌集2億美元的投資，集中攻關(guān)糖尿病。

2012年5月，巴黎郊區(qū)巴涅奧萊的一名醫(yī)療服務(wù)工作者在給糖尿病患者檢測血糖

對大腦“發(fā)號施令”

腸道菌群與腸道疾病以及代謝疾病有關(guān)很好理解，但是它們和大腦的關(guān)系就沒有那么一目了然，腸道菌群能改變?nèi)说男袨楹驼J(rèn)知，聽起來更像是天方夜譚。

趙立平至今還記得，2006年《自然》雜志的文章稱肥胖和腸道菌群有直接關(guān)系。當(dāng)時媒體采訪一位知名的肥胖研究專家，專家說，這根本就錯了，這樣的結(jié)論很荒唐。“10年前，人們聽說腸道菌群和肥胖有關(guān)的反應(yīng)，和現(xiàn)在人們聽說腸道菌群和大腦有關(guān)的反應(yīng)簡直一樣。目前越來越多的證據(jù)證明菌群和肥胖的關(guān)系，人們已經(jīng)無法否認(rèn)這一點(diǎn)。隨著更多的證據(jù)出現(xiàn)，人們也會逐漸相信，腸道菌群和腦功能以及腦疾病有關(guān)?！壁w立平說。

近10年來，重慶醫(yī)科大學(xué)副校長謝鵬在國家“973”項目的資助下，一直致力于抑郁癥的診斷標(biāo)志物及新致病機(jī)制研究。其間，他們找到一系列抑郁癥潛在代謝診斷標(biāo)志物。有趣的是，在此過程中，他們發(fā)現(xiàn)有些抑郁癥的分子標(biāo)志物與腸道微生物代謝有關(guān)。于是大約四五年前，他們課題組也進(jìn)入了腸道菌群和大腦疾病關(guān)系這一嶄新的研究領(lǐng)域。

既往抑郁癥的發(fā)病機(jī)制主要聚焦于“腦內(nèi)”異常分子學(xué)說，比如神經(jīng)遞質(zhì)缺乏、神經(jīng)營養(yǎng)改變、內(nèi)分泌-免疫系統(tǒng)功能失調(diào)、神經(jīng)解剖異常等等。但是“腦內(nèi)”異常學(xué)說僅能揭示抑郁癥發(fā)病的某一方面，至今仍沒有一個理論被廣泛接受，抑郁癥的發(fā)病機(jī)制依然難以捉摸。

為了證實腸道微生物與抑郁癥是否有關(guān)，他們首先比較無菌小鼠與正常條件飼養(yǎng)的小鼠行為有無差異，通過曠場實驗、Y迷宮實驗以及強(qiáng)迫游泳實驗來分析二者的行為差別。此外，他們把抑郁癥患者和健康人的糞便，分別移植給無菌小鼠，然后通過經(jīng)典動物實驗，比如曠場實驗、Y迷宮實驗、懸尾實驗、強(qiáng)迫游泳實驗來測試移植菌群前后，無菌動物的反應(yīng)有無發(fā)生變化。

其中強(qiáng)迫游泳實驗是經(jīng)典的抑郁分析實驗。小鼠被放入一個裝了水的圓柱狀容器中，強(qiáng)迫它們進(jìn)行游泳實驗。在經(jīng)過一段時間的掙扎之后，小鼠終于意識到既不能觸底也無法爬上來，它們會進(jìn)入漂浮不動狀態(tài)，僅露出鼻孔保持呼吸，四肢偶爾劃動以保持身體不至于沉下去。這是放棄逃脫的希望，被稱為“行為絕望狀態(tài)”。諸如左洛復(fù)和百憂解之類的抗抑郁藥，最初就是使用這樣的強(qiáng)迫游泳實驗來進(jìn)行效果測試的。

小鼠的不動時間是判斷抗抑郁藥物作用的指標(biāo)，較為抑郁的動物會很快放棄游泳，漂浮不動，而相對心懷期望的動物則能游得更久。結(jié)果顯示，“敲掉”腸道微生物可以導(dǎo)致無菌小鼠焦慮與抑郁相關(guān)行為改變;移植了抑郁癥患者腸道菌群的小鼠，比移植正常人腸道菌群的無菌小鼠，強(qiáng)迫游泳不動時間更長，這說明前者的抑郁行為增加了。

謝鵬研究發(fā)現(xiàn)，移植了抑郁癥患者腸道菌群的小鼠，血液和海馬中的代謝物質(zhì)均發(fā)生了改變，這說明腸道微生物源的代謝紊亂可能是導(dǎo)致抑郁的重要途徑?！拔覀兊难芯柯氏茸C實腸道微生物紊亂可能是抑郁癥發(fā)病的新的致病因素，但不是絕對唯一的，因為抑郁癥是多種因素相互作用的結(jié)果。因為血腦屏障的存在，過去我們總認(rèn)為大腦是一個相對獨(dú)立的器官，不太受外界影響。隨著研究的深入，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)腸道微生物可以影響血腦屏障的通透性，這說明腸道微生物對大腦的影響可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們的預(yù)期。”謝鵬說。

那么，腸道微生物究竟是通過何種方式影響人的行為呢？“通過腸道―血液―大腦這個途徑，現(xiàn)在還可能會通過交感神經(jīng)調(diào)節(jié)。微生物產(chǎn)生的小的代謝分子，完全可以通過血腦屏障進(jìn)入大腦?！?/p>

以往，微生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)關(guān)聯(lián)性不大，很大程度上是因為大腦有保護(hù)措施。大腦在解剖學(xué)上是獨(dú)立的，一種稱為血腦屏障的機(jī)制一直在保護(hù)大腦。血腦屏障可以阻擋細(xì)菌、病毒和其他所有有毒物質(zhì)進(jìn)入大腦，同時通過專門的運(yùn)輸機(jī)制讓重要分子，比如葡萄糖通過。越來越多的證據(jù)表明，從有益細(xì)菌發(fā)出的信號能夠通過血腦屏障。

我們很多神經(jīng)化學(xué)物質(zhì)的供給起源于腸道，比如多巴胺、五羥色胺和γ-氨基丁酸。這些神經(jīng)遞質(zhì)在人的情緒方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，許多抗抑郁藥物都是通過增加這些化合物的水平而發(fā)揮作用。最近幾年，主流的精神病學(xué)開始研究認(rèn)真考慮，微生物可能在制造這些化學(xué)物質(zhì)中扮演重要的作用。

2015年，加州理工學(xué)院的微生物學(xué)家薩爾基斯·馬茲曼尼亞（Sarkis Mazmanian）等人發(fā)現(xiàn)，腸道中某些微生物的存在，能夠?qū)ξ辶u色胺的合成過程產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。在以小鼠為模型進(jìn)行的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠血液中五羥色胺的含量比正常小鼠低60%左右。

為什么這些細(xì)菌會參與到五羥色胺的合成當(dāng)中？目前，科學(xué)家還沒有得到確切的結(jié)論。但可以確定的是，五羥色胺的分泌一定有利于這些菌落的生存和繁殖。有解釋說，五羥色胺的分泌能夠?qū)γ庖呦到y(tǒng)產(chǎn)生作用，并對腸道微生物群落的生態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

除了抑郁癥，自閉癥也是目前研究的焦點(diǎn)。很大一部分自閉癥兒童飽受腹瀉、嘔吐、腹痛、慢性便秘和胃食管返流等胃腸道疾病之苦。在他們體內(nèi)，能夠觀察到胃腸蠕動異常和腸道滲透率增加。大量的研究表明，腸道微生態(tài)的變化促進(jìn)了腸道滲透率，造成了腸漏癥。這種情況造成了微生物產(chǎn)物和細(xì)胞因子進(jìn)入到血液循環(huán)中，導(dǎo)致神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育障礙，自閉癥可能就是這種情況引發(fā)的惡果。

雖然研究還不充分，但是美國、英國和澳大利亞等國家已經(jīng)有實驗室通過糞菌移植改變自閉癥患者的腸道菌群，從而加以治療。在看到各種報道之后，美國甚至有自閉癥兒童的家長在家自行對孩子進(jìn)行糞菌移植?！斑@非常危險。”趙立平警告道，“沒有經(jīng)過檢驗的大便，不知道它里面有哪些有害物質(zhì)，會對人體引起什么危害。這些研究仍處于初級階段，在沒有確切的研究之前，不能自己隨意治療。真正能夠改造腸道菌群的方式少之又少，理想的情況是在醫(yī)生指導(dǎo)下進(jìn)行?！?/p>

對此，馬茲曼尼亞曾調(diào)侃道：“現(xiàn)在似乎進(jìn)入了一個微生物能夠治療一切的時期。如果真是這樣，我會獲益良多。但我并不這樣認(rèn)為。”

與之相反的是，大部分人對這個領(lǐng)域依然持懷疑的態(tài)度。“如果現(xiàn)在告訴抑郁癥患者他的病和腸道菌群有關(guān)，病人肯定會懷疑。事實上，現(xiàn)在很多臨床醫(yī)生也不見得相信，因為沒有足夠證據(jù)和數(shù)據(jù)來證實多種疾病都和腸道菌群有關(guān)。這種懷疑的態(tài)度沒有錯，要得到臨床醫(yī)生認(rèn)同，基礎(chǔ)研究還需要經(jīng)過循證醫(yī)學(xué)的驗證?！敝x鵬說。既往腦卒中的神經(jīng)保護(hù)治療領(lǐng)域在全球發(fā)表了無數(shù)頂級論文，但是臨床薈萃研究全部證實無效，因此要讓臨床醫(yī)生相信二者之間的關(guān)系，還有很長的路要走?！拔冶旧硎桥R床醫(yī)生，在進(jìn)行研究的同時，要為臨床應(yīng)用做一些轉(zhuǎn)化的準(zhǔn)備?！?/p>

科學(xué)就是這樣，除非整個畫面的顏色都被填滿，否則科學(xué)家就會一直持懷疑態(tài)度。這些腸道細(xì)菌能否像現(xiàn)在的百憂解那樣治療疾病，目前看起來還很遙遠(yuǎn)?！斑@個領(lǐng)域的研究非常復(fù)雜，我們要找到致病菌群，確定它和疾病的關(guān)系，還要找到其中的作用機(jī)制才能令人信服。如果做不到，縱使這個領(lǐng)域現(xiàn)在看起來再熱鬧，過幾年也會冷下來?！壁w立平說。