微生物与肠道菌系列(二) : American Gut Project 大解密 专访 Rob Knight 实验室

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‘美国人肠道菌计画(American Gut Project),是一项公民科学计画,参与者是社会大众,这项计画不仅是为了推动科学,也希望借此拉近和人们的距离,尝试教育民众,并让他们对科学研究产生兴趣。’─ 美国人肠道菌计画专案经理 Embriette Hyde

近年来,微生物体学研究兴起,人体肠道菌相更是热门焦点。目前已知肠道菌对人类健康影响甚钜,诸如过敏、肥胖、糖尿病、精神疾病与大肠疾病皆与肠道菌有密切关连。2008 年,美国政府投入 1.15 亿美元于人类微生物菌群计画(Human Microbiome Project,以下简称 HMP),主要目的是了解肠道菌相对人类健康的影响。

美国人肠道菌计画创办人之一的 Rob Knight 博士,来源:https://knightlab.ucsd.edu/wordpress/?page_id=31

美国人肠道菌计画创办人之一的 Rob Knight 博士,来源:https://knightlab.ucsd.edu/wordpress/?page_id=31

2015 年,学者 Rob Knight 和 Jeff Leach 共同发起一项大众科学计画 ─ 美国人肠道菌计画 (American Gut Project),采用群众募资的方式,让大众共同参与,团队也将所收集与分析的微生物定序数据、健康和生活相关资料透过欧洲生物资讯研究所(European Bioinformatics Institute)公开,凡从事该领域的研究者或感兴趣的民众都能取得这些资料,让肠道菌研究更普遍。该计画目前已扩展到英国与澳洲,最近更延伸至亚洲的新加坡。

基因线上采访来自 Rob Knight 实验室,同时负责美国人肠道菌计画的专案经理 Embriette Hyde ,将该计画的起源、执行中的困难与挑战、重要发现以及最新进展和读者们分享。

当初成立美国人肠道菌计画(American Gut Project)的动机是?

答:这项计画成立的起因,其实是来自 HMP (Human Microbiome Project) 计画。当 HMP 发表全球第一个规模最大的微生物学评估报告时,引起大众对这门科学产生更多好奇,这也正好是个契机,让大众了解微生物学的领域非常浩瀚,无法靠单一研究解答每个问题。其中,人类的微生物学研究又比动物更复杂,因为人类并不像实验室里的动物可以控制变因,每个人的饮食习惯、生活方式等都有很大差异。为了让人类微生物体学的研究更加顺利,科学家必须取得更多的人类样本,于是美国人肠道菌计画也就应运而生。同时期望透过大众参与,建立一个全面性的人类微生物体学数据库。

虽然计画名为“美国人”肠道菌计画,但实际上接收的样本来自世界各地,现在已收集了 41 个国家的人类样本。为了方便样本收集与寄送,我们在世界各地建立集合站(aggregation site),因为对某些人来说,将样本寄回美国的费用比样本本身的花费还高,所以透过和各地的合作者一起建立集合站,参与者便可直接将样本寄回自己国内的集合站,集合站再统一寄往美国。目前集合站有英国的伦敦国王学院、澳洲 philip hugenholtz 的克林顿集合站,最近还有亚洲的新加坡新站点。未来预计拓展更多全球据点,让这项公民科学延伸更多触角。

美国人肠道菌计画专案经理 Embriette Hyde 博士。来源:由 Embriette Hyde 提供

美国人肠道菌计画专案经理 Embriette Hyde 博士。来源:由 Embriette Hyde 提供

这项计画的目的是什么? 谁可以使用到这些资料?

答:此计画的目的,是为了让更多想从事这方面研究的科学家或一般民众都能有善利用这些资料,从中发现有趣的议题。当然,这些资料会先经整理并去识别化(de-identified)再即时上传。举例来说,我们的实验室里有位科学家专门研究偏头痛(migrane),他运用此计画对偏头痛进行的问卷调查资料作统计分析,发现引发偏头痛的路径似乎和硝酸盐及一氧化氮有关,后来也发表在美国人肠道菌计画上。现在,他正在和一间地方医疗诊所合作,针对取样更完整的目标群体作研究,借此更深入了解导致偏头痛的各种可能。这就是我们所乐见的!我们想看到大家在这些资料里发现有趣的题目,并加以深入研究。

目前该计画正迅速成长中,我们的团队也持续和各地医疗诊所或学校单位接触,成效还不错,例如学生运动员等都对于这项计画感到相当兴奋。我想,只要民众还对人类微生物学感兴趣,这项计画就会一直持续下去。

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参与者在提供样本时会完成什么样的问卷调查?有持续追踪吗?

答:当参与者寄出自己的样本时,也必须填写更详细的问卷调查。该问卷约有 80 多个问题,包含饮食、生活习惯和疾病史,还有一份进食频率表,但参与者可自由选择是否填写进食频率,以提供更多饮食习惯的细节给我们。令人高兴的是,这份问卷有近一千人完成,有了这些详细资讯将对后续的研究分析有所帮助。

针对持续追踪的部分,其实大部分的人都只提供单一样本,所以我们会和能帮助扩展取样范围的各个组织团体合作,将范围广度扩大,研究才能更精准。另外,这项计画是群众募资,但多数民众其实不持续支付后续追踪的费用,所以我们会在同一群体里进行多次采样。

除了资金来源,这项计画和人类微生物菌群计画(HMP)的差异是什么?是否有机会结合两方的资料得出一些结论?

答:这两项计画并非完全不同,许多 HMP 发现的事,也是本实验室正在策画的,不过 HMP 是在焦磷酸定序(pyrosequencing)技术下完成,和本计画使用 Illumina 的 Miseq 系统进行次世代定序(NGS)不同。而且,HMP 聚焦于健康族群,我们则是无论健康族群或有疾病史的人都是取样对象,主要是希望能集结一些有共同病症的人,试图从中发掘他们在微生物群上的共通点,并进一步深究某个微生物或微生物群和该病症的关联性。

Embriette Hyde 博士于Rob Knight 实验室,来源:Embriette Hyde 提供。

Embriette Hyde 博士于Rob Knight 实验室,来源:Embriette Hyde 提供。

这项计画目前为止为人们带来哪些改变或帮助?

答:因为研究刚起步,还无法明确指出对人类健康产生哪些影响。不过,我们的确从和各地诊所或研究单位合作的过程中发现某些趋势,这也显示出该计画的重要性。值得注意的是,原先希望从该计画中了解炎症性肠病(inflammatory bowel disease)的致病机制,但令人讶异与困惑的是,我们并没有从中发现任何线索。后来和当地诊所合作研究更多炎症性肠病的案例时,终于发现问题所在,原来在采样时并没有询问参与者的发病状况,因为如果尚未发病,其微生物群便不会有任何特殊变化,容易错失一些关键样本,影响到研究结果。所以后来我们调整了问卷调查的项目,不能只针对“你曾接受过诊断吗?”或“你疾病的亚型是什么?”等这类问题,必须获得更详细的资讯,才能帮助后续研究。

不过,倒是有一些有趣的发现,不论一个人吃不吃肉,只要摄取够多的植物种类,肠道菌的多样性就会比较高,而且不仅限于水果和蔬菜,谷类也是植物,所以如果一位受测者吃了一个含有 12 种谷类的面包,那也算是 12 种植物!我们现正试图从中探索更深入的可能性。此外,睡眠也可能和肠道菌相有关,目前有研究人员正对睡眠进行更深入的研究,还有酒精以及运动频率,我们正试着招揽更多学生运动员参与,做进一步的调查。

肠道菌的多样性真的对健康比较好吗?

答:在大部分的案例中,我们发现如果某人罹患某种疾病,他的肠道菌多样性的确比较少。在肠道中,如果多样性程度愈高,代表微生物群愈健康,因为有较多不同种类的微生物群,就像拥有不同类型兵种的军队,抵御病原体的能力也比较强,新陈代谢的活动就比较多样,使其拥有更完善的肠道环境来对食物进行分解,以摄取人类无法自行制造的维他命。再者,我们观察到一些没有微生物群的动物样本,牠们的免疫系统简直不存在,所以免疫系统若要正常运作,微生物群必不可少。

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请问微生物群会不会在某个年纪就固定,很难改变?

答:年龄层的不同,确实存在一些微生物群的差异,但在实验室和其他合作者的研究中发现,婴儿的微生物群约在两岁半到三岁后变得和成人相似,因此微生物群在早期是相当具有可塑性的,在这段时间中发生的任何事情都会对微生物群的变化有长远影响。但是,在某些年龄层里,抗生素的使用是否会影响微生物群的移动轨迹和健康等,这些问题目前还没有答案,诸如此类的问题我们正在着手研究中。

现在很多人都在讨论粪便移植(feces transplant),你们对此的看法是?

答:粪便移植(feces transplant)目前仍是一项新技术,必须在美国食品药物管理局(FDA)的核准下才能进行,而且通常是针对久病且重病的患者才使用,一般人用到的机率不高。因为这项技术很新,所以我们还没有做太多长期的研究去观察潜在影响,且当研究者发现微生物群和忧郁症的关联后,很多人开始思考:粪便移植是否也能治疗忧郁症或肥胖? 我知道很多人对粪便移植感兴趣,并希望能尽快应用到更多疾病治疗上,但必须提醒大家,这些技术并非万灵丹,因为还不清楚其潜在的影响仍有待厘清。因此关于粪便移植,最好的方式是小心谨慎地进行试验,多了解它在特定疾病中运作的机制,最后再探讨运用到一般大众身上是否值得。在美国,可以去 clinicaltrial.com,上面有一些关于粪便移植和炎症性肠病、肠躁症以及忧郁症的相关研究,可以在该网站上追踪各项临床试验的结果。

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Rob Knight 实验室小档案

Rob Knight 实验室致力于微生物学领域近十年,是微生物学领域的先驱之一。目前也在加州大学圣地牙哥分校参与微生物创新中心的成立,总共有上百位加大圣地牙哥的研究人员。实验室并非只聚焦于单一问题,同时也关注分解作用(decomposition)、糖尿病(diabetes)、肥胖(obesity)、人类及动物样本、还有地球微生物群系计画(earth microbiome project)等等。

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首图来源:Embriette Hyde 提供。

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