iMetaOmics | 中国农科院毕研亮组-精确消化道微生物群调节策略促进宿主健康

精准微生物调控：调节消化道微生物群以促进宿主健康的策略

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●  强调了开发靶向调控策略在调控消化道微生物中的必要性；

●  消化道微生物的精确调控策略主要包括粪菌移植、合成微生物群落、基因工程微生物、噬菌体和纳米材料，文章分别对它们进行了综述；

●  将这些策略与更多微生物学发现相结合，有助于选择合适的干预时机，筛选微生物标志物。

引  言

微生物在宿主出生后不久即定殖于消化道，并与宿主形成共生关系。稳定且平衡的消化道微生物对维持生理稳定、促进生长以及控制疾病具有重要作用。通过应用组学技术，人们逐步揭示了消化道微生物与宿主健康之间的复杂关系，为从微生物的角度理解宿主健康提供了新视野，并为通过选择性调控微生物实现消化道的最佳状态奠定了基础。在实际生活中，饮食、遗传和环境等多种因素对消化道微生物的影响难以被完全控制。此外，尽管抗生素在疾病治疗中至关重要，但频繁使用可能导致消化道微生物失衡。为此，益生菌、益生元、合生元、后生元以及抗菌肽等被广泛探索作为替代策略以调节消化道微生物，但其安全性和有效性仍面临挑战。

近年来，靶向消化道微生物的调控策略取得了显著进展，包括粪菌移植、合成微生物群落、基因工程微生物、噬菌体以及纳米材料等。这些策略各具优势，例如，粪菌移植通过传递多样化微生物群落实现快速和广泛的治疗效果；合成微生物群落通过引入设计精良的微生物群落实现精准干预；基因工程微生物通过基因改造增强肠道健康效益；噬菌体以直接高效的方式控制病原体。然而，各策略在实际应用中均存在优势与局限性（图1），需要对其技术现状和潜在风险进行全面评估。同时，这些策略的优化仍是当前研究的重要方向。

将微生物学的最新发现与靶向调控策略相结合可能会显著提升调控效果。例如，研究表明，宿主在特定生命阶段（如早期发育期）存在微生物调控的关键窗口。此外，组学技术揭示了大量与宿主健康相关的重要微生物，通过精准分析这些微生物标志物，可更有效地实现靶向调控。同时，开发监测消化道环境的方法，如检测异常发酵气体，将为优化微生物干预提供重要支持。本研究总结了针对消化道健康的微生物调控策略的最新进展，重点探讨了其研究成果、应用优化及未来发展方向。

图1. 靶向消化道微生物调控策略及其特点

各种靶向的消化道微生物调控策略各有特点。FMT允许供体粪便中的细菌、真菌、病毒和其他微生物在患者消化道内定植，常用于恢复微生物平衡。SynComs结合多种微生物来增强或恢复特定的消化道功能。GEMs可插入、删除或修改微生物中的基因，以执行特定功能。噬菌体通过锁定和裂解某些微生物来减少它们的数量。纳米材料通常是其他调控方法的载体，但也能直接影响消化道微生物群。明智地选择这些策略可以有效地达到预期的调控效果。GIT：消化道；FMT：菌群移植；SynComs：合成微生物群落；GEMs：基因工程微生物。

消化道微生物的靶向调控策略

发展靶向调控策略的必要性

当前关于消化道微生物的研究既充满机遇也面临挑战。许多研究指出特定微生物与宿主健康之间存在关联，但这些发现仍需更多证据支持。一些微生物与宿主的相互作用已通过单一或多微生物定殖的方法得到验证。例如，通过将46种梭菌菌株的混合物定殖于无菌小鼠，研究人员发现梭菌能够刺激肠上皮细胞释放TGF-β和其他诱导Treg的因子，这些因子与树突状细胞协作，在结肠中显著促进Treg增殖。此外，将白色念珠菌定殖于Card9基因敲除小鼠未能增加全身性抗真菌IgG的表达，对这一现象的后续研究揭示了真菌通过CX3CR1⁺巨噬细胞中的CARD9信号诱导IgG⁺B细胞扩增，从而产生全身性抗真菌IgG。尽管这些技术在阐明这些特定微生物如何影响宿主方面提供了部分解决方案，但这些模型与人类之间仍存在显著差异。因此，开发靶向消化道微生物群的调控策略来补充现有方法，对基础研究和疾病治疗都很有价值。

益生菌被广泛用于消化道的基础研究和疾病控制。然而，一些益生菌产品在有效调节消化道微生物群方面存在缺陷和不足。首先，益生菌的功能可能冗余或不足。例如，添加到乳制品中的各种微生物菌株衍生的β-半乳糖苷酶都可缓解乳糖不耐症。然而，单独使用三种乳酸杆菌菌株无法治疗小鼠自身免疫性脑脊髓炎，但它们的混合物却能抑制疾病的发展，这凸显了单个菌株的不足。其次，益生菌可能无法克服个体差异。补充11种常见益生菌的结果表明，原始消化道微生物决定了外源性益生菌的定植能力。第三，很难评估益生菌的安全性。虽然益生菌被用于恢复消化道微生物群，但它们可能会对微生物平衡的恢复产生副作用，甚至在一些研究中，益生菌被报告为疾病治疗的风险因素。此外，一项荟萃分析显示，只有21%的正常人在补充益生菌后微生物结构发生了变化，这凸显了消化道微生物群对益生菌的抵抗力，并对益生菌有效性提出了质疑。此外，补充益生菌不足以精确控制消化道中的其他目标微生物，这意味着通过横断面研究和队列研究确定的微生物标记物很难通过益生菌直接调节。

目前，针对各种疾病的微生物靶向调节方法已在临床试验中进行了测试，并显示出良好的效果（表1）。因此，这些策略具有作为下一代消化道微生物群调节技术的潜力。然而，为了加深我们对微生物利用的了解，提高调控的精确度，更好地满足人类健康的需求，我们需要对这些方法进行全面回顾。

表1. 过去七年中开展的几项消化道微生物靶向调节方法的临床试验

CDI：艰难梭菌感染；SLE：系统性红斑狼疮；ASD：自闭症谱系障碍；PKU：苯丙酮尿症；T1D：1型糖尿病；IBD：炎症性肠病；ICD：静止期克罗恩病。

粪菌移植

FMT是一种将健康供体的微生物群转移到另一人消化道的策略。FMT对宿主的影响机制包括：（1）重新编程消化道微生物群，使供体中的细菌、真菌、古细菌和原生动物占据受体消化道中的生态位，从而产生免疫细胞调节和肠屏障修复等效果；（2）改变消化道中的微生物代谢产物，如细菌素、短链脂肪酸和次级胆汁酸，从而影响其他微生物或直接影响宿主生理；（3）通过尚不清楚的机制影响宿主表观遗传学，如miRNA表达的变化。例如，研究人员发现，FMT可以恢复复发性艰难梭菌感染（rCDI）小鼠中下调的miRNA，如miR-23a和miR-150，从而减少白细胞介素（IL）基因的表达。miR-23a和miR-150的组合还能显著提高结肠上皮细胞的存活率，从而缓解疾病进展。

目前，FMT是治疗CDI中一种广泛使用的有效策略。由于FMT由来自健康个体的多种微生物成，因此在其他情况下也显示出显著疗效。据报道，FMT可以用不产生广谱β-内酰胺酶（ESBL）的菌株取代人类消化道中的ESBL菌株，这表明肠道中的微生物竞争可能是根除多重抗生素耐药菌的可行策略。通过FMT转移的Odoribacter splanchnicus可增加Foxp3⁺/RORγt⁺调节性T细胞，诱导IL-10的分泌，促进SCFAs的产生，从而抑制结肠炎的发展（图2）。此外，一项对欧洲医院1,874例FMT临床病例的分析显示，FMT已成功用于溃疡性结肠炎、肠易激综合征（IBD）等疾病的临床治疗。影响FMT效果的因素有很多，其复杂性可能会限制其在医疗行业的广泛应用。成功的FMT需要仔细选择供体、个性化设计和适当的给药方法，所有这些都需要进一步研究。对FMT后菌株动态的分析反驳了“超级供体”假说，并强调菌株水平的多样性以及供体和受体菌株的互补性是FMT成功的关键。对腹泻犊牛的FMT结果分析表明，成功与否可能取决于消化道的关键受体细菌，如Veillonellaceae，它能促进供体微生物定植。因此，科学家主张采用个性化的FMT来提高成功率。

忽视FMT的安全性可能会导致严重后果，例如耐抗生素微生物、有害病毒和促炎代谢物的传播。FMT还可能影响消化道真菌和病毒，导致不确定的结果。对FMT失败病例的荟萃分析表明，高龄、病史和住院状态是FMT失败的关键因素。因此，有必要评估患者是否适合接受FMT，以防止治疗失败带来的安全问题。此外，在对免疫功能低下的患者和儿童实施FMT时，必须防止潜在的微生物感染和炎症反应。总之，有必要制定一个全面的方案，包括供体选择、FMT准备和受体评估，以提高FMT的有效性和安全性。

合成微生物群

SynComs由多种微生物成，可以对宿主产生有益影响。与FMT不同，SynComs是结构明确但并不完整的微生物群落。通过对SynComs进行操作，如菌株去除、添加以及基因敲除等，可以对消化道微生物群产生精确的影响。这使得设计良好的SynComs能够通过更灵活的机制影响宿主的消化道，包括：（1）由设计好的SynComs产生的代谢物可以被消化道中其他有益微生物利用，从而增强对病原体的定植抵抗力，保护宿主健康；（2）具有高多样性的SynComs可通过营养阻断稳定消化道微生物群，即群落中的微生物与病原体争夺营养，从而限制病原体定植；（3）SynComs中多样化的微生物可以协同作用完成少数微生物无法实现的任务，如诱导有益细胞（如免疫细胞）增殖。例如，一个由11种细菌菌株组成的SynCom可以诱导CD103⁺树突状细胞和主要组织相容性复合体（MHC）Ⅰ类分子的激活，共同刺激肠道内产生干扰素γ的CD8 T细胞，从而增强宿主免疫反应，而这一效果在较小的SynComs中未被观察到。

SynComs的效果取决于其设计与构建。尽管SynComs具有平衡微生物多样性与确定性的优势，其构建过程依然复杂。从确定性角度看，构建SynComs的基础在于分离关键菌株或富集特定微生物群。然而，培养组学的发展速度仍然滞后于宏基因组组装基因组（MAGs）的发现速率，此外，当前的微生物群富集技术稳定性不足。从多样性角度看，复杂的SynComs能够有效捕获生态系统中的微生物相互作用。然而，随着SynComs中微生物菌株数量的增加，维持其稳定性变得更加困难。因此，探索遗传振荡、同步DNA循环和生物记忆等机制对于构建稳健的SynComs至关重要。此外，还需考虑将非细菌性微生物（如病毒）纳入消化道微生物群。目前，通过利用群体感应分子（QS）等工具，已能够建立小规模的SynComs。两种包含超过100种菌株的大型消化道SynComs已成功构建，并能够稳定定植于无菌小鼠肠道，并表现出正常消化道微生物群的功能特性。在高脂饮食（HFD）喂养的无菌小鼠中，从SynCom SIHUMI中去除Clostridium ramosum后定植于小鼠，可减少体重增加，显示了应用SynCom的灵活性。这一观察结果进一步揭示了Clostridium ramosum诱导肥胖的机制是通过增强葡萄糖转运蛋白和脂肪酸转位酶的表达来实现的。在疾病控制中，由11种菌株组成的SynCom GUT-108通过影响消化道微生物代谢，产生更多SCFAs、γ-氨基丁酸和胆汁酸，最终减少了干扰素γ（IFN-γ）、IL-12p40和肿瘤坏死因子α（TNF-α）等炎症因子，以及减少了Th-1和Th-17细胞的数量，从而有效抑制了IBD（图2）。

综上所述，为健康产业设计和构建SynComs可能具有革命性意义。SynComs的研究正朝着精准设计以实现特定目的的方向迈进。然而，多种微生物的组合可能带来多种意想不到的感染风险。目前，SynComs的安全性测试通常局限于对每种组分的全基因组筛查，以防止抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子引入宿主。然而，由于SynComs的复杂性，微生物之间的竞争性排斥、共生关系以及捕食等相互作用可能导致意外的优势菌株或代谢产物。因此，利用SynComs促进人类和动物健康需要比传统益生菌更为严格的安全性评估。

基因工程微生物

与FMT和SynComs不同，GEMs通过工程方法改造微生物，通过改变其现有功能或引入新的功能来满足人类需求，从而在消化道中发挥作用。这种方法提供了一种可持续策略，尤其是在微生物培养学进展缓慢的情况下。然而，这些改造必须仔细考虑有效性、安全性和定殖能力等因素。GEMs影响宿主的机制主要与其工程化的微生物功能相关，包括：（1）将生物传感器集成到具有抗菌功能的GEMs中，用于检测病原体产生的特定信号分子，从而实现靶向疾病控制；（2）重新编程GEMs的代谢途径，以产生有益代谢物或降解有害物质；（3）通过改良粘附性和抗应激能力等特性，增强现有益生菌在消化道中的存活能力。此外，GEMs还可能具有更广泛的功能。例如，通过工程改造大肠杆菌使其表达拟南芥的苯丙氨酸解氨酶，并将这种GEM用于苯丙酮尿症小鼠的治疗，结果显著降低了小鼠血清中的苯丙氨酸水平。

大多数GEMs的研究集中于单一菌株。然而，考虑到单一微生物的能力有限以及其对复杂环境适应性较弱，原位改造消化道微生物群可能成为未来研究的一个有前景的方向。构建GEMs可使用多种技术，包括转化、接合、噬菌体递送、整合接合元件（ICE）等。通过这些方法，消化道微生物群的某些原位改造已初步实现。例如，通过工程化Lactococcus lactis使其在消化道中分泌β-内酰胺酶，有效降解残留的β-内酰胺类抗生素。该策略在不改变血清抗生素浓度的情况下，防止了ARGs在肠道中的积累，从而既保留了抗生素的效力，又减轻了消化道微生物群失调的风险。Rubin等人采用环境转化测序（ET-seq）技术，将婴儿粪便中的大肠杆菌识别为原位基因编辑的目标。随后，他们利用一种全功能RNA引导的CRISPR-Cas转座酶（DART）系统，精准地实现了原位改造。除了功能增强，靶向基因的删除或抑制也是可行的。在从消化道分离的88种菌株中，识别了基因转移机制，并在其中27种菌株中成功原位操控了基因。例如，通过删除梭菌中的bai基因，可以调节消化道微生物群和胆汁酸库，进而降低诱导型一氧化氮合酶、C-C基序趋化因子配体3和IL-31的表达，并缓解结肠炎（图2）。

此外，讨论将GEMs用于个性化调控消化道微生物群时，需要严格遵守国家法规，并对GEMs进行全面的安全性评估。目前，GEMs主要用于生产人类所需的功能性产品，例如大豆血红蛋白、碳水化合物和酶。然而，将GEMs直接作为健康补充剂用于调节消化道微生物群，可能仍面临许多有待解决的挑战。

噬菌体

噬菌体研究已持续了很长时间。由于其选择性靶向特定细菌的能力和良好的安全性，噬菌体具有作为抗生素替代品的潜力。噬菌体可以通过裂解周期、溶原周期、慢性周期和伪溶源性等多种复制周期增殖。噬菌体通过多种机制影响宿主的消化道：（1）靶向并裂解特定微生物，从而重塑微生物群组成；（2）调节宿主免疫系统。宿主的免疫系统能够检测到噬菌体在消化道中的存在及其活动，通常会诱导宿主的抗炎反应，例如产生干扰素β（IFNβ），从而促进宿主健康；（3）作为遗传物质的载体，在消化道内对特定微生物进行原位编辑，以改变其生理功能。

近年来，随着测序深度的提升和生物信息学工具的开发，发现了更多噬菌体，它们是人类和动物消化道内的固有居民，与宿主的深层次相互作用正逐步被揭示。例如，成年人体消化道内的噬菌体主要是温和噬菌体，它们与细菌共同复制，推动微生物多样性增加。由于噬菌体能够选择性地调控消化道微生物群，其在微生物群调控和疾病治疗中被广泛应用。从污水中分离的噬菌体能够在小鼠消化道内原位裂解Enterococcus faecalis，从而缓解细胞溶素引起的肝病症状。一种由五种不同噬菌体组成的噬菌体鸡尾酒能够有效靶向并抑制抗生素耐药的肺炎克雷伯菌。这种干预减少了炎症相关免疫细胞（如IFN-γ+ CD4+ T细胞）和细胞因子（如IL-15、IL-17、IL-9）的水平，展现出在消化道环境中的稳定性和安全性（图2）。从鸡粪中分离的Escherichia coli噬菌体øPNJ-6表现出持久的抗菌作用，这种效果归因于噬菌体的Hoc蛋白能够特异性结合肠道黏蛋白。噬菌体转移疗法（FVT）通过降低早产仔猪肠腔中坏死性小肠结肠炎（NEC）相关细菌的丰度，完全防止了NEC的发生。与FMT相比，FVT组未引发异常的黏膜免疫反应。此外，工程化噬菌体可以将CRISPR-Cas系统递送至抗生素耐药细菌（ARB），实现后者的靶向裂解。研究人员通过工程化带有嵌合尾部变体的λ噬菌体颗粒，精确识别并感染目标细菌，递送携带碱基编辑器的DNA载体，实现了活体小鼠消化道微生物群的原位编辑。

噬菌体的安全性研究较细菌相对较少，但评估其对人类和动物的影响仍然至关重要。一项针对56项研究的荟萃分析发现，噬菌体疗法未显示出显著的不良反应。然而，由于病毒的多样性和变异性远高于细菌，对噬菌体的安全性担忧不可忽视。一些研究表明，高浓度的噬菌体可能诱导促炎性细胞因子（如IFN-γ、IL-12和TNF）的产生，导致炎症反应。因此，对噬菌体剂量进行严格评估是必要的。在噬菌体与细菌的长期相互作用中，双方已进化出复杂的对抗机制。因此，在利用噬菌体调控消化道微生物群时，必须防止其滥用，以避免噬菌体抗性的发展。噬菌体的应用应限制在如出生、断奶、饮食过渡和疾病等消化道微生物群失衡的情况下，旨在引导微生物群向更健康的状态转变。

靶向递送系统：纳米材料

生物物理学和生物化学的进展显著增强了合成和天然纳米材料在微生物调控中的应用。纳米材料可以作为靶向递送载体，将物质递送到特定位置以发挥其作用。其作为靶向载体的机制包括：（1）被动靶向，纳米材料在特定的消化道部位释放其封装的治疗物质。例如，pH敏感材料在酸性条件下保持稳定，并在pH升高时降解，从而在肠道环境中释放药物；（2）主动靶向，纳米材料设计有特定的靶向配体，基于靶点的特征与消化道中的特定细胞或微生物株结合。例如，研究人员设计了一种氧化敏感的ε-聚赖氨酸纳米粒子，涂层为低分子量肝素（OPNs@LMWH），能够有效靶向结肠中的炎症细胞，从而降低活性氧和促炎细胞因子的水平。

纳米材料增强了其他微生物调节方法的效果。包裹在纳米尺度聚合物胶束中的丁酸可以在肠道的不同区域释放，增加丁酸产生菌的丰度，从而减轻小鼠结肠炎的症状。与葡萄糖转运蛋白结合的糖基化纳米粒子能够将抗生素靶向递送到小肠近端，同时保护其他肠道段的微生物。一种多酚纳米材料将单宁酸通过胃和小肠运输，专门靶向结肠的炎症区域。该方法有效抑制了与结肠炎相关的免疫反应，并促进了消化道微生物群的恢复。此外，纳米材料与溶菌酶的协作可以有效减少ARB在畜牧生产中的传播。

为了在实际应用中更广泛地使用纳米材料，简化材料制备过程以提高其效果至关重要。与此同时，许多纳米材料主要有助于减少致病菌，但它们对其他功能性微生物的影响需要进一步研究，以确定其微生物靶向性。此外，必须进行全面的材料安全评估，以防止微生物失衡及其潜在危害。某些消化道微生物能够直接降解和代谢纳米材料，如碳纳米材料，从而产生丁酸。然而，过度发酵可能会扰乱微生物群落，进而导致微生物群失调。一些研究还强调了纳米颗粒对哺乳动物肠道的潜在毒性。因此，在使用纳米材料时，需要更严格的考虑，包括它们在发挥递送功能后如何被身体代谢和排出。

图2. 微生物调节策略可维持消化道稳态

宿主疾病常伴随消化道菌群失调。在这种状态下，病原菌过度生长导致异常的微生物发酵，释放毒素破坏紧密连接和粘液层，增加肠道通透性。异常的代谢影响微生物代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs）和次级胆汁酸，这些物质会影响免疫细胞，破坏肠道免疫稳态。靶向微生物调节策略可以恢复消化道稳态和代谢，促进免疫系统的平衡。具体来说，细胞因子和趋化因子，如IL10、IL31、IL12p40和CCL3，恢复到正常的表达水平，减少细胞免疫反应，并降低炎症因子（如IFN-γ和TNF-α）的分泌。此外，免疫系统产生一氧化氮（NO）、IgA和IgG以抑制病原菌。消化道：消化道，FMT：粪便微生物移植，SynComs：合成微生物群，GEMs：基因工程微生物，SCFA：短链脂肪酸，GPRs：G蛋白偶联受体，TGR5：Takeda G蛋白偶联受体5，AHR：芳香烃受体，PXR：孕烯X受体，FXR：法尼醇X受体，NF-κB：核因子κB，IL：白细胞介素，IFN-γ：干扰素γ，EPS：外多糖，LPS：脂多糖，TMAO：三甲胺-N-氧化物，TNF-α：肿瘤坏死因子α，iNOS：诱导型一氧化氮合酶，CCL3：C-C基序趋化因子配体3。

消化道微生物群靶向调控策略的优化

微生物群调控的实验室研究结果必须通过严格的试验验证，以确保其安全性和有效性。在这一过程中，应实施严格的质量控制，涵盖安全生产、分销和最终交付给患者与消费者的各个环节。因此，微生物调控策略需要进一步优化，以提高精准性、增强稳定性、确保安全性，并降低时间和经济成本。这些努力将为其最终广泛应用提供坚实的基础。

菌群移植的优化方法

为了提高FMT的精准性并增强其调控效果，研究人员优化了供体选择方法。通过对24个不同疾病中的FMT应用进行荟萃分析，研究人员开发了一种机器学习模型，能够预测最有潜力的供体，用以塑造受体的微生物群，从而优化FMT的供体选择过程。类似地，Shtossel等人开发了iMic_FMT工具，基于供体微生物群组成预测受体在FMT后的微生物群变化，进一步促进了受体的选择。由于FMT制剂涉及大量微生物，优化其稳定性可以直接提高效果。提高稳定性的一种方法是对FMT制剂进行冷冻保护。研究人员在冻干过程中使用5%的海藻糖作为冷冻保护剂，并进一步用羟丙基甲基纤维素胶囊包裹FMT制剂。包裹后，每个胶囊中的微生物细胞浓度可达到1×10¹¹。研究表明，这些胶囊在治疗复发性rCDI时有效。FMT的安全性可以通过仔细筛选供体和优化给药方式得到增强。供体筛选应包括血液检查（如肝炎、HIV和转氨酶检查）和粪便检查（如有害原核和真核微生物、病毒及ARB）。有研究探讨了直肠给药与口服加直肠给药在猪仔中的效果，发现口服给药可能使近端肠暴露于供体粪便中潜在的病原，从而引发不良反应，而直肠给药则未出现类似结果。为了减少免疫受损受体在FMT中的不良反应，研究表明，单独转移经过过滤的粪便上清液就足以缓解症状，提示优化FMT成分是提升未来个性化应用安全性的有前景方向。此外，成本仍然是FMT广泛应用的障碍。通过优先选择低成本的早期检测方法，并推迟进行不太可能导致不合格的测试，可以使每个合格供体的成本降低21.3%。

合成微生物群落的优化方法

SynComs的构建精度决定了其功能的准确性。构建SynComs常用两种方法：自下而上的方法通过分离和组合具有特定功能特性的单一菌株来构建SynComs，从而实现对群落组成的精确控制；而自上而下的方法则通过选择性去除复杂自然微生物群落中的成员，保留最小效应菌群。例如，科学家通过消除菌株冗余、进行分组筛选以及Spearman秩相关分析，从最初的37种菌株中成功构建了一个由18种菌株组成的SynCom，有效实现了病原性Enterobacteriaceae科细菌的去定殖。构建SynComs的稳定性对其功能效果的可重复性至关重要。一项研究发现，一个由七种细菌菌株组成的SynCom在甘油保存和冷冻后，其微生物结构保持良好，且新鲜SynCom、冷冻一小时和冷冻七天的SynCom之间在功能性上无显著差异。此外，Gnanasekaran等通过体外实验表明，菌株接种的初始浓度不会影响体外群落的最终稳定组成，为降低群落构建的经济和时间成本提供了方向。使用细胞模型验证可能缩短SynCom的筛选时间。研究人员利用从母乳中分离的细菌构建了SynCom，并通过肠上皮的四细胞模型验证了哪种SynCom对肠道免疫、屏障功能以及细胞凋亡/增殖的影响最佳。目前尚未发现针对优化SynCom安全性的系统性方案。然而值得注意的是，即使经过精心设计，SynCom仍可能增加消化道中来自Escherichia和Shigella的机会性病原体。这突显了评估受体消化道微生物群的重要性，其程序可能类似于FMT。

基因工程微生物的优化方法

在生物合成领域，GEMs取得了显著进展。然而，用于调控消化道微生物群的GEM产品仍然相对有限，部分原因在于从微生物与宿主健康之间建立因果关系以识别关键菌株具有挑战性。因此，分析微生物参数以识别关键微生物作为目标菌株，是确保功能准确性的关键。大多数消化道微生物是专性或兼性厌氧菌，这增加了工程难度，并可能由于应用过程中的不稳定性而导致功能丧失。对厌氧微生物耐氧性的研究为其未来的工业化应用提供了良好前景。例如，通过改变微生物在自然环境中可能遇到的氧化应激（如在生物反应器中向石墨阳极施加外部电压），可以逐步增强细菌的耐氧性，使其能够在更高氧浓度的环境中存活和繁殖。GEMs的遗传不稳定性也可能限制其应用，这突显了开发稳定遗传回路的重要性，例如双稳态的lambda cI/Cro开关。政府和科学家对转基因动物和植物制定了严格的安全要求，并为提高安全性做出了大量努力。然而，针对人类使用的GEMs的安全性优化仍然有限。因此，必须使用基因生物防控系统，以防止GEMs对人类造成潜在危害。这些系统应确保两个关键方面：防止转基因物质在宿主内传播，并确保转基因生物只能在受控环境中生存。为此，可采用潜在策略包括营养缺陷型GEMs、毒素-抗毒素系统、合成基因回路以及防止水平基因转移（HGT）。与上述改进相比，GEMs的成本优化可能相对较少具有挑战性，主要集中在优化培养基、调整pH和温度等环境因素，以及回收和利用副产品。

噬菌体的优化方法

噬菌体有多种优化策略。从疗效的角度来看，噬菌鸡尾酒疗法，即使用多种噬菌体的组合，可以防止细菌抗性的产生，并有效治疗疾病。噬菌体与细菌之间存在着持续的军备竞赛。进一步研究噬菌体基因功能，从而构建工程噬菌体可以提高基于噬菌体的消化道微生物群调控的精准度。例如，识别噬菌体用来对抗细菌防御系统的关键蛋白，将有助于工程噬菌体的开发。为了提高噬菌体治疗的精准性，还需要对目标细菌有全面的了解。研究人员分析了超过15,000个全球临床分离的Acinetobacter baumannii基因组，发现了31个常见的碳青霉烯耐药菌株。鉴于这些菌株的地理同质性，研究人员精确设计了地区特色的噬菌体组合，并成功用于不同地区的感染治疗。为了增强噬菌体的稳定性，研究人员对野生型噬菌体进行了60°C热处理1小时，重复进行五次循环，最终得到具有更好储存适应性的噬菌体。此外，类似于其他策略，噬菌体的冷保护和包裹技术也可以增强其稳定性。噬菌体的递送方式也会影响其疗效。例如，研究人员可以采用定量喷雾法递送，或使用专门设计的微粒载体递送噬菌体。噬菌体的宿主范围相对特异，但通过交换尾纤维可以调节宿主范围，从而释放出单个噬菌体的更多潜力。这种方法无疑减少了噬菌体分离所需的时间和成本。鉴于噬菌体的安全性已被认可，目前的安全优化工作主要集中在减少剂量，以最小化免疫反应并降低噬菌体在体内的滞留时间。

利用微生物知识助力靶向调节策略

在过去十年中，关于消化道微生物群的研究取得了显著进展，这些微生物学的理解将有助于靶向调节策略更好地发挥其作用。这包括识别微生物调节的最佳时间窗口，分析微生物参数以确定关键微生物，以及监测消化道环境以指示微生物异常。

微生物调节的窗口

某些生命阶段是微生物调节的关键窗口。生命早期、饮食过渡期和微生物失调时期是消化道微生物群特别容易受到外部影响的关键时期。识别和利用这些窗口能够实现更加精准和有效的微生物靶向干预，促进长期健康。

生命早期是微生物调节的一个重要窗口。出生后的微生物群动态发展和早期微生物暴露会影响终生的免疫稳态。研究表明，将Lactobacillus和Staphylococcus与树突状细胞共培养能够诱导胎儿T细胞增殖及TNF和IFN-γ的释放。在一项长期跟踪研究中，神经发育障碍（ND）患者表现出显著不同的婴儿期消化道微生物群。这些早期微生物的差异可能通过丁酸盐的转化和雌马酚的产生，从而长期预防神经发育障碍。此外，许多研究报告了父母的消化道微生物群对后代健康的影响，表明早期生命的微生物调节窗口可能延伸到妊娠期。在消化道微生物失调的雄性小鼠中，其精子的micro-RNA发生变化。这些雄性小鼠的后代出现了发育限制，可能是由于雄性精子micro-RNA和激素水平对母体胎盘功能的影响。妊娠期间母体的微生物群可能会影响后代的固有淋巴细胞和F4/80⁺CD11c⁺单核细胞。这种相互作用通过增强上皮抗菌肽的表达，促进免疫防御。因此，利用这一时期对父母和婴儿的消化道微生物群进行靶向调节，应作为值得讨论的方向。

饮食变化可以稳定且迅速地影响消化道微生物群。不良饮食通过影响消化道微生物群可导致各种疾病。因此，有必要采用靶向微生物群调节策略来缓解其负面影响。在高脂饮食和标准饮食之间持续交替的情况下，观察到Bacteroides thetaiotaomicron中出现了许多物种内突变，这些突变与饮食波动密切相关，表明饮食变化可以驱动微生物基因组突变的积累，从而可能改变微生物功能。HFD中的高糖也被认为通过减少消化道中Faecalibaculum rodentium的丰度，进而导致分节丝状菌的丰度减少，从而促进代谢疾病的发生。这些微生物改变损害了Th17细胞的诱导，最终导致肠道Th17细胞数量减少和功能下降。当婴儿在3个月前断奶时，会加速肠道和鼻腔内微生物物种和功能的过早获得，增加未来患哮喘的风险。在饮食变化期间进行调节可能是有效的。例如，添加Limosilactobacillus fermentum HNU312增加了与脂质代谢相关的有益菌的丰度，从而减少了HFD引起的脂肪积累。

抗生素的使用、疾病和其他亚健康状况容易导致消化道微生物群失调。调节策略有助于恢复微生物群，并改善宿主健康。例如，出生后进行FMT可以恢复足月剖宫产婴儿的微生物群失调，使其微生物成更接近阴道分娩的婴儿。尽管抗生素治愈了无数患者，但其使用通常会导致消化道微生物群失调。研究人员发现，添加Bifidobacterium，尤其是具有更高粘附能力的菌株，有效恢复了抗生素引起的消化道微生物群失调。亚健康状况，如失眠和焦虑，常常导致消化道微生物群失调。在应激小鼠模型中，观察到细菌和病毒的多样性与对照组显著不同。FVT已被发现能够缓解应激相关的行为，这一变化与Caudovirales丰度的变化相关。

分析微生物参数：什么是最好的？

了解哪些消化道微生物结构或功能与人类健康相一致，有助于更好地指导靶向调节策略的制定。这需要对微生物参数进行深入分析。微生物多样性、核心微生物群、肠型以及如病原菌或益生菌等生物标志物通常与宿主健康结果相关。然而，研究人员需要识别出哪些微生物指标是有效的。

高α多样性通常被认为是消化道微生物群的一种更理想状态。例如，高乳制品摄入量与消化道微生物群α多样性增加相关，而后者与人体血清甘油三酯水平呈负相关。较低的血清甘油三酯水平可能降低患心脏病的风险。同样，认知能力较高的婴儿表现出更高的消化道微生物群α多样性，尤其是由Bacteroides和Streptococcus属贡献的多样性。衰老常伴随着消化道微生物群α多样性的下降以及核心群体（如Bacteroides）的减少。然而，消化道微生物群多样性较低的家畜可能表现出更好的生产性状。例如，高饲料效率组的瘤胃微生物群的Shannon指数较低，表明低多样性的微生物群可能更专注于执行特定功能，如纤维消化。不过，也有研究表明宿主性能与微生物多样性无关，这对将α多样性作为关键消化道微生物参数的有效性提出了疑问。

自肠型（enterotypes）概念提出以来，其在阐明宿主特征方面的潜力成为研究重点。一项队列研究识别了两类肠型，其中以Prevotella copri为主导的肠型与较低的IBD风险及更好的健康状况相关。另一项研究发现，老年人特定富集的肠型使患者更有可能对免疫疗法产生积极反应，突显了肠道微生物群对肿瘤治疗的影响。此外，研究在人群中发现了四类肠型，其中以Prevotella为主导的肠型在老年人和百岁老人中占主导地位。在猪研究中也观察到两种肠型，以Prevotella和Mitsuokella两者为主导的肠型与断奶后体重和平均日增重显著相关。准确识别肠型需要大量测序工作。肠型分析的结果可能受多种因素影响，包括宿主种类、实验条件、聚类方法、测序区域以及OTU计算策略。此外，肠型可能忽略了功能上重要但丰度较低的微生物。近年来，代谢组学或代谢物检测方法将代谢物分为不同的代谢型（metabotypes），也被视为研究方法。例如，研究者基于挥发性有机化合物将患者分类为不同代谢型，并构建了能准确预测微生物亚型的代谢模型，为肠易激综合征的生物标志物提供了新见解。因此，作为微生物指标的肠型和代谢型需要进一步研究。

人工智能（AI）算法近年来在分析微生物生物标志物方面变得越来越流行，这些生物标志物对宿主性状具有重要影响。应用于人类、奶山羊和肉鸡等多种群体的机器学习算法已识别出众多具有预测能力的微生物标志物，例如预测脑发育、产奶量和肌内脂肪含量的标志物。然而，AI算法的复杂性往往忽略了生物标志物分析的可解释性。同时，由于微生物培养组学的局限性，许多采用机器学习分析微生物与性状关联的研究尚未验证其结果。此外，机器学习和深度学习预测的可靠性与数据库密切相关，这可能影响其普适性。因此，开展更全面的研究以确定其有效性显得尤为必要。

总之，开发一套普遍适用的微生物参数分析方法以指导靶向调控策略仍是一个重大挑战。未来研究应聚焦于多组学方法，以识别与宿主性状密切相关的微生物标志物。推动微生物培养组学的发展并基于这些标志物开发原位调控技术，同时结合动物模型验证微生物功能，将是未来的关键方向。此外，降低成本的工程策略对于优化微生物调控在健康产业中的应用至关重要。

消化道环境监测技术

消化道是一个动态环境，会经历长期和短期的微生物波动。监测这些波动能够为微生物调控提供数据支持，使干预措施能够个体量身定制（图3）。例如，使用无线pH测量系统可实现瘤胃pH值的实时监测，从而有助于预防亚急性瘤胃酸中毒（SARA）。此外，消化道中的气体可以反映微生物活动情况。可吞咽的电子胶囊能够检测氧气、氢气和二氧化碳，从而帮助评估饮食的合理性。基于炎症与硫代谢相关性的原理设计的一种GEM，在感知到四硫酸盐时会增殖。因此，如果在粪便中检测到该微生物，就表明可能存在消化道炎症。研究人员还将基因改造益生菌整合到可吞咽的微生物电子设备中，成功监测了猪消化道出血模型中的血红蛋白，实现了消化道出血的精准诊断。对消化道环境的监测能够及早发现异常发酵、微生物失衡及消化道疾病。这为及时采取针对性的微生物调控策略提供了基础，避免治疗延误并提升干预效果。

图3. 调控策略的辅助方法

监测消化道环境是指导靶向微生物调控策略的基础。实时追踪消化道的pH水平、气体成分（如O₂、H₂、CO₂）和消化代谢物等参数，可以及早发现微生物代谢异常的迹象，例如pH值的突然波动或过量的气体生成。尽管微生物多样性、肠型和核心微生物群等参数已被证明与宿主特征存在关联，但这些因素与具体健康结果之间的精确机制仍然不清楚。这种模糊性可能阻碍有效调控措施的开发和实际应用。因此，持续监测消化道环境以及精确识别关键微生物参数，对于优化宿主健康和促进微生物调控的可持续发展至关重要。消化道：消化道；FMT：粪菌移植；SynComs：合成微生物群落；GEMs：基因工程微生物。

结论与观点

消化道内广泛的微生物定植引起了研究者的极大关注。尽管面临诸多挑战，不同物种、生命周期阶段以及消化道区域的培养组学与宏基因组分析逐步揭示了这一复杂生态系统的奥秘。每种宿主都拥有独特的微生物群，参与多种生物过程，并深刻影响宿主性状。

针对消化道微生物调控的靶向策略——如FMT、SynComs、GEMs、噬菌体和纳米材料——因其应对特定健康挑战的精准性和高效性，应在研究中被优先考虑。根据研究目标选择单一或多种策略是实现最佳结果的关键。在应用这些策略时，应充分考虑个体差异，以确保其有效性与可重复性，同时解决潜在的安全性问题。未来研究还需探索消化道中的真菌、原生动物和病毒群落，深入理解其与宿主的相互作用，为微生物调控提供更加坚实的基础。

此外，设计微生物干预措施时需谨慎，避免对环境和人类健康造成负面影响。在实施靶向消化道微生物调控技术时，可先利用测序技术评估微生物参数，为随后在特定微生物调控窗口内的干预措施提供依据。同时，持续监测消化道环境能够为干预的时机提供指导。

目前，许多有前景的发现主要来源于动物研究或体外实验，大多数因果关系与机制尚未完全阐明。未来，科学家应充分利用大规模数据分析，弥合基础研究与健康产业实际应用之间的差距，从而实现针对消化道微生物群的靶向调控策略在临床和工业中的广泛推广。

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“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述，重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊！相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录！2024年6月获得首个影响因子23.8，位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848)，微生物学科2/161，仅低于Nature Reviews，学科研究类期刊全球第一，中国大陆11/514！

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