综述 | 审视健康人类微生物组的概念

人类微生物组是未来医学研究的关键领域，对宿主代谢、免疫等系统有重要影响。微生物组在多种疾病中发挥作用，并能预测全因死亡风险，激发了临床和工业领域的广泛兴趣，特别是在治疗感染等方面。然而，对于“健康”微生物组的特征仍知之甚少。“健康”微生物组的定义是微生物组研究的核心挑战，影响从研究设计到临床应用的各个阶段。目前缺乏对“健康”微生物组最佳特征的共识，主要由于个体差异、环境因素影响和研究方法的局限性。此外，过度关注肠道细菌成分而忽视其他身体部位的微生物群体，加剧了研究挑战。

在这篇观点文章中，作者总结了人类微生物组行动（Human Microbiome Action，HMA）的具体成果，这是一个旨在标准化和促进人类微生物组研究合作的欧洲联盟。文章强调了当前在定义健康微生物群方面缺乏共识，强调健康微生物群包含组成谱的范围，并讨论了基于流行病学的方法，应用这些方法以后可能发现健康菌群的配置。

定义“健康”微生物组是微生物组科学的优先事项，受到健康概念的影响。按照WHO定义，健康是“完全的身心和社会福祉”，不仅仅是没有疾病或痛苦。微生物组研究常基于区分疾病相关特征和“健康”特征，并通过预先设定的对照组标准进行对照实验，例如MetaHIT和HMP计划。尽管这提供了许多重要见解，但其局限性也显著。

定义“健康”微生物组的传统方法面临着对照组过于狭窄和同质性强的问题，通常使用小样本的便利群体，可能排除健康的个体，例如BMI较高的运动员。此外，过于严格的筛选标准可能导致不能适当匹配混杂因素，例如排除慢性病患者会加剧年龄偏差，并在不同微生物生态位间表现出相关性变化。例如，湿疹对皮肤微生物组有重要影响，而月经周期、性历史等则对阴道微生物组研究更为关键。宿主健康对口腔、鼻腔和皮肤微生物群的影响可能更为间接，使得不可能有一套通用的标准同时适用于所有微生物群。

图1 | 将微生物组作为健康报告器和预测器
微生物组研究的主要目标之一是识别能够最有效地促进宿主健康的健康微生物群特征。这需要结合宿主和微生物群健康独立的衡量标准。这些衡量标准代表了遗传和环境因素对宿主和/或微生物组整体健康影响的累积效应

另外，微生物群落的健康通常被忽视，尽管生态群落有独立的健康标准，如多样性和恢复力（图1a）。抗生素抗性基因可能提升微生物群对干扰的恢复力，但在人类微生物组中传播会增加耐药性病原体的风险。此外，微生物组可能不仅反映当前健康，还可能预测未来健康（图1b）。横断面研究可能遗漏潜在疾病，而在前瞻性队列研究中，预先定义健康可能会错过那些对慢性病管理做出反应并进入长期缓解状态的人。因此，为了捕捉健康微生物组的完整谱系，我们必须考虑疾病及其边界。

流行病学最初旨在研究和预防大规模传染病，但如今已扩展到研究非传染性疾病的多因素影响。通过前瞻性和回顾性研究，流行病学提供了大量数据，识别了健康和疾病的影响因素，并为微生物组研究提供了支持，帮助确定与健康相关的微生物标记物。

图2 | 微生物组研究的卫星模型
发展和维护纵向大规模人群队列是未来微生物组研究的最佳策略。这些基础纵向“核心”队列将由没有排除标准的代表性人群组成，仅受限于物流或地理因素，既可作为独立的微生物组特定队列创建，也可作为现有非微生物组流行病学研究的子集。这些队列能够识别健康决定因素（包括环境、遗传和生活方式因素），从而通过使用详细元数据来捕获，随着时间的推移提供更全面、更准确的健康定义。

微生物组研究的主要目标之一是将基于微生物组的标记添加到现有的临床生物标志物中（图2）。例如，肠道微生物组与代谢健康、克罗恩病、细菌性阴道病、结直肠癌等相关联的特征被发现。这些发现主要来自大规模队列研究，不受健康定义的限制，从而让健康的标准随着数据的增加不断精细化。

肠道微生物组与血液脂质水平以及与肠道微生物组中相似分类模式相关的各种疾病和健康指标之间的关联。最近的一项研究证明，肠道微生物群的组成可以主要被描述为五种广泛物种群集的组合，或称为“enterosignatures”，这些群集在个体之间变化，并且可以与宿主健康变化相关联。这些关于健康微生物特征的见解大多来自于大规模队列研究[原文表1给出了很多研究]。与基于纳入或排除标准的方法不同，不限制的基于人口的招募方式不强加对健康的定义，从而允许健康的标准从人群中“涌现”，并有助于随着时间的推移不断细化这些定义。

尽管流行病学为微生物组研究提供了广泛的数据，但仍面临挑战。微生物组的多样性和可塑性、地理和环境因素的影响使得研究设计复杂化。例如，城市化、种族、饮食模式等因素直接影响微生物群。重要的是，尽管许多主要的环境决定因素对宿主健康的影响也影响微生物组的特征，但有些因素可能对微生物组有更直接和特定的影响，如养宠物、用药频率、肠道通过时间以及同居。与人类基因组的稳定性不同，微生物群的高度可塑性为定义健康带来了额外的挑战，在短时间内，主要物种的丰度可能会变化100倍。考虑到这些因素，为了扩大我们对健康相关微生物群的了解，我们强调需要进行群体水平和纵向的前瞻性的研究，以捕捉人口的多样代表以及微生物群结构的主要宿主相关环境决定因素。

为了全面理解微生物组的健康相关特征，必须开展大规模、纵向和前瞻性研究，并结合全球微生物组队列的建立。解决微生物组研究中现有的局限性必须仍然是优先事项，以实现大规模队列的最大影响。例如，到目前为止，该领域的大多数研究都是在较小的西方队列中进行的，通常专注于特定身体部位和特定疾病状态下的细菌组成，且在属水平上，采用的方法学各不相同，这限制了结果的可比性。为了为未来的研究提供更好的基础，对微生物组数据和元数据的收集、分析和报告进行广泛的改进是必不可少的。将这些努力与支持大规模全球微生物组队列的发展和领域内标准化的资助机会和倡议相结合，将进一步加速识别许多“健康”微生物组变体的过程。然而，超越这些一般目标，就未来微生物组研究设计的优先事项达成共识至关重要。

本节讨论如何引导微生物组调查工作，以最大化发现与健康和疾病相关的微生物特征的发现。强调了微生物组特异性、年龄特异性、生活方式特异性和人群特异性考虑的重要性，旨在扩展我们对与目标人群相关的健康相关或甚至可能促进健康的微生物组的知识。

优先开展群体层面的微生物组研究
在微生物组研究中，尽管16S rRNA基因测序提供了重要见解，但未来的研究应优先采用更全面的分析手段，如纵向宏基因组学、代谢组学和基于培养的方法，以揭示微生物组组成和功能的动态变化。为降低成本、简化操作，一种策略是将微生物组数据收集纳入现有的流行病学队列中，如荷兰的LifeLines队列中的微生物组研究所示。另一种方法是将微生物组数据与国家健康记录中的临床元数据相结合，正如斯堪的纳维亚多国的研究项目成功开展的那样。

虽然将微生物组数据与健康记录整合有助于丰富临床数据元，但确保数据元的质量至关重要。未来研究应建立明确的元数据报告标准，以实现不同群体间数据的有效比较。特别是对复杂环境因素，如饮食习惯和药物使用等，亟需更精细的报告，以便对可能影响“健康”微生物组的因素有全面描述。这种整合和质量提升策略将推动微生物组群体研究的深入，助力探索多种疾病的潜在生物标记及其与健康的关联。

研究人群的选择
微生物组研究中应优先考虑多样化和有代表性的人群，包括不同地理、社会经济背景以及各个年龄段的人群，以克服研究普遍集中在工业化西方国家的局限性。研究队列应涵盖从偏远地区到未被充分采样的区域，涵盖婴儿到老年人在内的不同年龄群体，因为生命各阶段的微生物组成与功能差异显著，并对健康产生长期影响。尤其是在生命早期，母体因素、喂养方式等影响肠道微生物群的形成，并在断奶后进一步发展。老年阶段的微生物组受终身健康、饮食习惯和药物使用的影响，而青春期和绝经期则受性别和激素变化的显著影响。因此，需要在不同生活阶段建立参考标准并设计纵向研究，以识别与健康相关的微生物组特征，支持生命周期内健康微生物群的定义。

细化微生物组健康的工作定义
流行病学方法不需要选择标准，因为目标是采用无偏见的方式抽样人群，从而捕捉健康和疾病的真实流行率。尽管这些大型研究在发现阶段至关重要，但在因果测试潜在生物标志物时，将需要在围绕核心验证群体的小型所谓的“卫星研究”中进行，例如从这些大型群体中抽样特定条件或临床干预的病例对照研究。在这个框架下，随着时间的推移，随着收集到更多数据和我们的理解加深，可以应用并逐步完善人类和微生物组健康的工作定义。此外，与个别和方法上不同的研究不同，卫星研究可以从更大的对照个体群体中受益。美国肠道项目就是一个很好的例子，因为它能够广泛控制混杂因素。基于这一理念，与当前的生物标志物测试过程相反，大规模人群队列优先考虑包容性和多样性，通过报告，而不是排除，潜在参与者，基于如最近使用抗生素或共病等因素。而较小的研究则有助于建立因果关系。微生物组健康的一个工作定义不仅来自于大规模队列研究，作为一组（准）普遍特征（最好是功能性的），可以在人群中的一大批人中观察到，而且也是根据特定的研究问题设定的。

外肠道生态位的探索
微生物组研究应拓展到超越肠道的身体部位，以全面理解微生物组对健康的多重影响。尽管肠道因其高微生物密度一直是研究重点，皮肤、口腔、泌尿生殖系统等生态位的微生物群也在健康中扮演重要角色。相较于肠道，这些部位的微生物组研究多基于较小规模的病例对照研究，并在大型群体研究中未得到优先关注。近年的项目如4D-SZ和公民科学倡议（如Saca La Lengua）开始拓展采样点，为宿主不同生态位的微生物组特性提供新见解。然而，非肠道微生物组的功能特性，如皮肤的脂质代谢特性和口腔微生物组与帕金森病的关联等，仍需进一步探索。

获取新的机制见解
对于粪便微生物组研究，新兴的研究表明，超越物种层次，捕获到菌株级信息以及基因组细节，如结构变异和单核苷酸多态性（SNPs），对于理解肠道微生物组与健康之间的关联至关重要。将分类学与功能分析结合，有助于定义更为稳定且跨个体保守的“健康”功能核心微生物组，从而提升不同群体间的研究可比性。这种方法为确定微生物组健康的核心特征提供了新机遇。

全基因组测序优于扩增子测序，能直接注释宏基因组并提供更深的单株分辨率，有助于识别致病菌株和抗生素耐药性，对精准医学应用尤为关键。同时，长读序列测序技术支持复杂遗传变异的解析，尽管成本较高，但随着行业发展和专利到期，未来更具可行性。然而，微生物基因的功能注释仍然有待完善，基因存在并不总能反映功能表达。

在宏基因组分析基础上，代谢组学可揭示微生物群的代谢产物，表征宿主-微生物相互作用，宏转录组学则帮助探索微生物功能随环境变化的适应性。对于低微生物量样本，宿主去除或靶向扩增子测序可能更合适。此外，16S-ITS-23S rRNA基因测序表明母乳与婴儿口腔微生物群的共享模式，定量表型分析则提升了微生物负载的洞察力。

微生物组学进入高分辨率多组学分析的实际可行阶段，使得捕捉与健康和生理相关的遗传和功能信息成为可能。要充分发挥这些工具的潜力，微生物组研究应扩大范围，优先探索未充分研究的群体和地区的多样性，同时填补不同微生物群和生态位中的知识空白。

随着旨在支持“健康”微生物组的产品增加，研究人员需要致力于负责任地管理这些工具，并建立统一的“健康”微生物组定义。基于流行病学的研究，结合微生物组的生态特征，为微生物组作为健康报告者的潜力提供了新视角。进一步扩大这种跨学科、前瞻性和纵向研究，能够揭示微生物组作为健康预测指标的潜在价值。推动健康微生物组研究的深入理解需要多方参与，包括政府、资助机构、产业、临床医生以及公众的支持，以共同推动微生物组学在健康领域的应用。