SBE特辑专栏
2020年10月
Stephanie Culler、Robert Haselbeck、Stephen Van Dien
大规模患者微生物群采样为某机构提供了关键工具，通过关联微生物群组成与免疫健康状态，推动癌症和新冠治疗的安全活体生物治疗产品（LBP）临床应用。
人类肠道微生物对健康的影响虽被认知数十年，但二代测序、转录组和蛋白质组分析及代谢建模等技术的进步，显著深化了我们对微生物群动态、代谢活性及其与人体相互作用的理解。科学家对大规模人群微生物群组成研究发现（1），特定微生物与糖尿病、神经系统疾病、慢性肾病和多种癌症等疾病的发病状态密切相关（2-4）。尽管具体机制尚未完全阐明，已知肠道微生物可执行复杂碳水化合物分解、营养素生物转化、维持肠道屏障完整性和分泌免疫刺激分子等核心功能（5）。
过去五年，全球学术界与工业界启动多项微生物群研究计划。其中最具突破的应用是通过调节肠道菌群防治复发性艰难梭菌感染——从粪便微生物移植（FMT）发展到使用特定活体生物治疗产品（LBP）。作为FDA认证的处方益生菌，目前多个LBP针对艰难梭菌感染和其他胃肠疾病的临床试验正在进行，更多针对系统性疾病的应用研究也在推进。
尽管低成本高通量测序加速了微生物群研究，但现有研究普遍存在定量严谨性不足的问题。亟需通过多组学和代谢建模等系统生物学工具，深入解析微生物影响健康的具体机制（6）。正如系统与合成生物学革新生物工艺开发那样，这种工程化方法将可能彻底改变微生物群研究和LBP开发。
本文重点探讨通过大规模患者微生物群采样和真实医疗数据关联，推动广谱治疗和诊断技术开发。特别聚焦微生物群组成与功能对免疫健康的影响，及其在癌症免疫治疗和新冠等病毒感染治疗中的应用。
肠道微生物群的免疫调节作用
肠道微生物群最重要的功能之一是介导和维持免疫系统稳态。作为病原体入侵的主要通道，肠道区域聚集着人体最密集的免疫细胞群——包括B细胞和T细胞。共生菌通过表面蛋白和代谢产物与这些细胞相互作用，维持激活与抑制的平衡，既确保免疫系统能及时响应病原体，又避免过度炎症反应。
例如，由微生物产生的短链脂肪酸（如丙酸和丁酸）对细胞毒性T细胞调节和调节性T细胞成熟至关重要（7），同时可调控炎症细胞因子的分泌（8）。然而，抗生素使用、慢性疾病或不良生活习惯（如饮食不当、吸烟、酗酒）会导致共生菌减少或消失，被机会致病菌取代，引发肠道菌群失调（图1）（9），进而可能导致自身免疫病、糖尿病、肥胖、心血管疾病甚至神经退行性疾病。
图1 肠道微生物群调节免疫系统。a）健康个体具有多样化的微生物群，通过代谢信号维持强健免疫系统；b）菌群失调时共生菌减少，导致免疫功能减弱或炎症状态。
基于人工智能的药物发现
Persephone公司技术平台通过宏基因组测序、多组学工具结合人工智能（AI）和代谢建模解析大规模患者数据（图2）。该患者中心化方法不依赖体外或动物模型筛选靶点，直接确保临床相关性，降低转化风险。通过对多样化患者样本的分析，验证药物对广谱人群的有效性。
图2 Persephone生物科技的微生物群研发技术平台：收集健康与患病患者队列的样本和医疗记录，通过全基因组测序和多组学技术分析，结合AI识别治疗有效性关键微生物。
研究团队首先采集癌症等特定疾病患者群体的粪便和血液样本，分析其微生物组成、基因表达、代谢物特征和免疫细胞反应。同时收集包括人口统计、病史、疾病进展和治疗结果在内的详尽元数据。AI用于识别区分治疗响应者与非响应者的微生物、代谢物或基因功能特征，据此确定可恢复缺失菌群的LBP。最终从健康供体中分离4-6种关键菌株，通过发酵培养、冷冻干燥制备LBP。依托工业生物工艺工程经验，Persephone团队构建了可扩展的生产工艺。
这种大规模数据驱动方法的最大挑战在于获取患者粪便样本。癌症患者常规进行尿液和血液检测，但医院场景下极少采集粪便样本。患者对样本采集的不适感也造成配合度低。Persephone开发了便捷粪便采集工具包，通过IRB认证的"为治愈排便"全国活动（www.poopforthecure.us）收集癌症患者粪便样本。该数据库涵盖地理分布、癌症类型和治疗方案多样性，具有长期价值（图3）。未来将扩展粪便收集与技术平台应用，开发针对不同适应症的活体生物治疗方案。
图3 "为治愈排便"活动注册捐赠者的地理分布、癌症类型和治疗方案具有广泛代表性。
肠道微生物群在癌症治疗中的作用
癌症是美国第二大致死原因，年医疗费用超1250亿美元（10）。近年来，通过激活患者免疫系统攻击癌细胞的免疫疗法在黑色素瘤、肺癌和头颈癌等治疗中展现显著潜力。临床进展最成熟的当属检查点抑制剂疗法——单克隆抗体通过阻断T细胞抑制性通路（如CTLA-4、PD-1及其配体PD-L1），激活抗肿瘤免疫反应（11）。
代表性检查点抑制剂包括：
- 靶向CTLA-4的Yervoy（伊匹单抗）
- 靶向PD-1的Keytruda（帕博利珠单抗）和Opdivo（纳武单抗）
- 靶向PD-L1的Tecentriq（阿特朱单抗）、Bavencio（阿维单抗）和Imfinzi（度伐利尤单抗）
尽管检查点抑制剂对晚期黑色素瘤、非小细胞肺癌和肾癌疗效显著，但超50%患者无响应（12）。由于常作为最后治疗手段，无响应往往意味着死亡，凸显提升疗效的迫切需求。
已有压倒性证据表明，对免疫治疗无响应与患者微生物群密切相关。近期研究发现肠道特定微生物丰度与检查点抑制剂疗效存在强关联（13-17）。通过将响应者与非响应者的粪便微生物移植到小鼠体内，发现接受响应者移植的小鼠肿瘤缩小更显著（15）。这类研究同时揭示某些共生菌可增加细胞毒性T细胞、减少调节性T细胞和抑制性髓系细胞，强化抗肿瘤免疫反应，证明健康肠道微生物群是检查点抑制剂功能的必要条件。
Persephone技术平台的首个应用即开发提升检查点抑制剂疗效的LBP。通过"为治愈排便"项目及临床合作，采集不同癌症患者的粪便样本，识别可增强免疫响应的微生物。如前所述，AI分析识别区分治疗响应者（微生态多样性高，类似健康人）与非响应者（多样性低、缺失关键菌群）的微生物特征（图4）。
图4 治疗响应者（中）微生物群多样性与健康人（右）相近，每个不同色块代表单一菌种丰度；非响应者（左）微生态多样性显著降低。
数百个样本的分析验证了这一模式，这构成了预测治疗响应的诊断方法基础，以及恢复缺失微生物的活体生物治疗方案。通过真实患者数据驱动假说生成，最终降低临床转化风险。
动物实验验证了数据驱动方法产生的假设和初始LBP配方。在CT26结肠癌小鼠模型中，单独使用抗CTLA-4抑制剂仅使肿瘤体积缩小50%，而联合LBP治疗组肿瘤体积缩小近十倍（图5）。有趣的是，LBP单独使用时的抑瘤效果与检查点抑制剂相当。
图5 接受检查点抑制剂单药治疗的小鼠，肿瘤体积缩小至未治疗组的一半；联合LBP组肿瘤体积缩小近十倍。LBP单独使用时抑瘤效果与单药治疗相近。
联合疗法显著降低了个体响应差异——所有测试小鼠均被归类为响应者。这种一致性是免疫治疗的重要突破，实验验证了LBP作为联合疗法提升治疗效果一致性潜力。
肠道微生物群与病毒感染抵抗
新冠全球大流行促使治疗手段加速研发。当前主要策略聚焦已获批抗病毒药物、特异性抗体和SARS-CoV-2疫苗，但这些短期方案难以应对重症患者的严重并发症。
急性呼吸窘迫综合征（ARDS）和细胞因子风暴（过度免疫反应导致细胞因子异常释放）在老年及基础疾病（糖尿病、高血压、自身免疫病、癌症、心血管疾病、肥胖）患者中更常见（18）。这些疾病均与炎症和免疫失调相关。
研究表明肠道微生物群在维持免疫稳态、抗病毒防御和提升疫苗效果中发挥关键作用（19-21）。中国近期研究发现新冠与胃肠道关联密切（22）：菌群失调患者即使接种疫苗或接受抗病毒治疗，仍难以有效免疫应答，易发展为重症。
最新研究还显示特定肠道菌属与新冠轻症或重症状态相关（23）。这种微生物介导的免疫刺激机制，与癌症患者响应免疫治疗所需的机制相同。因此，提议将前述LBP方案作为预防或辅助疗法对抗SARS-CoV-2和其他病毒（如流感）。
Persephone提出双途径微生物群疗法对抗病毒感染（图6）：第一种作为疫苗佐剂（接种前数日使用），提升疫苗响应成功率。流感和新冠等呼吸道病毒疫苗的历史有效率普遍较低，尤其是老年人及基础疾病群体——这正是菌群失调高发人群。
图6 基于微生物群的双策略抗病毒治疗：a）疫苗佐剂通过免疫增强提升接种成功率；b）预防性LBP通过激活免疫细胞在病毒感染早期清除病毒。
佐剂是小分子、蛋白质或其他成分，通过增强疫苗抗原免疫原性或调节免疫信号，提升保护效果。尽管已开发多种流感疫苗佐剂，但有效率仍不足40%（24）。Persephone的LBP佐剂将通过优化肠道微生物群，在疫苗接种时刺激免疫系统产生更强抗体反应。
在新冠等新发大流行初期，疫苗研发尚未完成阶段，社会防控需兼顾减缓传播与降低疾病严重性。Persephone的第二策略是将LBP作为益生菌预防性使用，通过调节微生物群使个体免疫系统在感染早期快速清除病毒。该机制可能涉及增强免疫系统抗感染能力、激活特定免疫细胞、补充病毒抑制的营养物质或产生抗病毒化合物。
LBP可作为预防性治疗或早期感染干预，如同人们使用锌片、维生素C或紫锥菊增强免疫。这将加速病毒清除、缩短病程、减轻症状严重程度、降低死亡风险。与需随病毒变异调整的疫苗或疗法不同（如每年更新的流感疫苗），LBP作为广谱免疫增强剂不依赖病毒特性。因此，早期使用此类治疗可显著遏制未来大流行传播。
微生物群药物的未来
Persephone创新的技术平台有潜力革新微生物群领域及整个药物研发范式。传统药物开发采用还原论方法：首先在体外分子层面验证机制，随后动物模型验证，最终人体试验。这种模式存在重大转化风险——即使体外或动物有效，临床常因失效而失败。而Persephone的方法以人类数据为起点，在体外和动物模型前即获得临床证据，显著降低转化风险。这些存在于健康人类肠道的微生物也极大降低了安全性风险。
Persephone的粪便库和数据库虽为肿瘤学开发，但平台具有高度可扩展性，可用于任何疾病的诊断和治疗开发。随着数据库涵盖疾病患者和健康对照的持续增长，我们对微生物群组成与免疫系统关联的理解将持续深化。正如公司方法从癌症迅速扩展到新冠所示，数据积累将极大加速新治疗项目开发。
【全文结束】
