国家卫生研究院 高承源博士:剖析热门肠道菌相研究趋势

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近年来国际上肠道菌相的研究相当蓬勃,台湾也有不少科学家投入该领域,其中,来自国家卫生研究院 (简称国卫院) 的高承源博士及其团队,在去年做出突破性研究,发现 dusp6 基因剔除小鼠经喂食高脂饲料后体重却不会过度增加,找出肠道内的关键“抗肥胖菌”,未来可望应用于肥胖及其他代谢疾病的治疗与预防,该研究也发表于国际期刊。此次高承源博士 (以下简称高博士)分享他踏入肠道菌研究的契机、研究成果推广到临床的可能性、肠道菌研究的国际趋势,以及从他个人经验探讨台湾在这波潮流中脱颖而出的机会。

从肠道菌相到肥胖研究的历程

高博士赴美求学及工作十多年,研究工具着重于体学 (Omics) 实验与生物资讯分析,从早期 cDNA 微阵列分析 (microarray) 与转录体 (transcriptome),后来接触功能基因体学 (functional genomics),次世代定序 RNA-seq 转录体与脂类体学 (lipidome),专注于宿主与致病菌交互作用机制 (host-pathogen interaction) 的研究。他在美国加州大学圣地牙哥分校 (UCSD) 做博士后研究期间,经常参与不同主题的研讨会,及当地生技公司所举办的工作坊。其中,他在次世代定序大厂 Illumina 的工作坊中,首次接触到以次世代定序研究微生物相 (microbiome),成为他后来踏入肠道菌相研究的重要契机。

返台后,高博士现任职于国卫院免疫医学中心。国卫院主要专注于疾病和药物研究,而免疫医学中心聚焦于和自体免疫、癌症与代谢疾病等有密切关连的发炎 (inflammation)。在和发炎相关的几项主题中,高博士对“代谢疾病”特别感兴趣,加上受到肠道菌相知名学者高登 (Jeffery Gordon) 研究的启发,决定从肥胖与代谢疾病研究着手。

塞翁失马,焉知非福

为了研究肥胖,高博士实验室对 dusp6 基因剔除鼠进行高脂饲料喂食,观察其反应。 原本预期 dusp6 剔除小鼠吃高脂饲料会变胖,没想到却没有。但同时高博士也在《Diabetes》期刊看到美国布朗大学 (Brown University) 刚发表相关论文,并对肝脏中 DUSP6 的分子功能做了详尽的研究。“一般看到跟代谢有关的表型 (phenotype),会认为肝脏是个很好的研究标的。不过很可惜已经被对方做得相当深入了,必须另找题目。”这时他忽然想到,自己过去一直关注肠道菌群 (gut microbiota),但那篇论文完全没有提到,“说不定这是个好机会。”高博士心想,便带着团队开始进行 dusp6 基因剔除鼠肠道菌群的研究。

高承源博士实验室团队。图片:由高承源博士提供。

高承源博士实验室团队。图片:由高承源博士提供。

实验结果发现,dusp6 基因剔除小鼠经喂食高脂饲料后不会变过胖的原因之一是其肠道存在特定的“抗肥胖菌”。研究人员经由肠道菌 16S 核糖体 RNA 与肠道转录体 (transcriptome) 分析后发现, dusp6 剔除小鼠对高脂饮食造成的肠道菌 dysbiosis 具抗性,且 dusp6 剔除后会诱发 PPARγ 路径与细胞紧密连结基因 (tight-junction genes) 的表现,使高脂饮食小鼠的肠道屏蔽回到正常状态。该实验显示出肠道菌相组成可受到宿主单一基因的影响,并且可透过肠道菌移植将抗肥胖效果传给野生型小鼠。未来可望透过调控 dusp6 基因改变肠道菌丛生态,或直接应用抗肥胖菌丛于肥胖及其他代谢疾病的预防与治疗,该成果于 2016 年发表在《Nature Microbiology》期刊。

老鼠可以,那人呢?

该实验的成功,使得不少保健食品、益生菌厂商等上门寻求合作,甚至一般民众还来电表示志愿当受试者。不过,高博士也经常被问到该实验在人体的可行性,他表示普遍认为老鼠和人类的肠道菌一定不同,但其实就他的研究来说,其实老鼠和人类的肠道有些菌种差异性并没有外界所想的那么高。至于可否开发成益生菌相关保健食品,高博士认为不无可能,有些他们找到的某些细菌其实已列入卫福部的人可食用之正面表列中,其他未知的部分则仍在进行研究。

另外,他提到目前已有多篇论文运用粪菌移植 (Fecal Microbiota Transplantation, FMT) 的方法,证明人的肠道微生物菌相在移植到老鼠身上是有作用的。虽然,高博士的粪菌移植实验都是在小鼠做的,但他也希望未来能将老鼠实验成功推广到人身上。不过,即便成功推广到临床,还涉及法规与量产的问题。“我们做的是菌丛,有量产的难度。因为要从老鼠身上蒐集,在法规上较难突破,毕竟要给人吃从老鼠排泄物直接准备出来的菌丛实在难以服人。在美国作人对人粪菌移植治疗,规范也非常严谨,而且通常是较严重的 C. difficile 感染患者才会用到。”高博士说,“不过若有机会可分离出纯的菌种,就算只有几种菌,只要菌株有办法培养,就有机会可量产。”高博士团队现正朝着较有机会量产与商业化的纯菌株与微生物菌相 (microbiome) 分别进行相关研发。

肠道菌相领域的国际趋势

非洲鳉鱼(African turquoise killifish),来源:Wiki

非洲鳉鱼(African turquoise killifish),来源:Wiki

“其实,全世界肠道菌相的研究绝不只是益生菌而已。”高博士提到。近年来国际上肠道菌研究发展迅速,有些研究令人眼睛一亮,例如一些精神、神经疾病如自闭症或也跟肠道菌相有关;还有肠道菌相和长寿 (longevity) 的研究。有研究蒐集人瑞检体分析其肠道菌相,但人的实验研究较复杂,难以判断肠道菌相与长寿的因果关系。不过在长寿研究中,有篇率先发表在 bioRxiv.org 网站 [注] 上关于非洲鳉鱼(African turquoise killifish)的实验令高博士印象深刻。科学家把青年鱼的粪菌转移到中年鱼体内后,发现中年鱼竟然老化的速度变的较慢,活动力增加,寿命延长,令人惊讶。

“这几年我在欧美国家参与几场微生物相研讨会,听到许多微生物相领域顶尖科学家如近来被挖角至 UCSD 的罗伯奈特 (Rob Knight)、上海交通大学生命科学院的赵立平教授等演讲,学习到很多微生物相领域最新研究趋势。台湾的部分,就我所知,赖信志老师除之前的灵芝与肠道菌发表外还有很棒的后续研究正在投稿。希望更多台湾的微生物相研究也能跃上国际,单靠我们这一篇是不够的。”高博士表示国外进展很快,观察这几年国际研讨会的趋势是作 16S rRNA microbiome 的分析较以前少,全基因体散弹枪法多源基因体学 (whole genome shotgun metagenomics) 的运用开始变多。“其实 16S rRNA NGS 的分辨率 (resolution) 较不好,找到的东西少。所以大家改作 whole genome shotgun metagenomics,但这种定序贵很多,且后续生物资讯分析的门槛也较高,所以台湾大多还是以 16S rRNA microbiome 为主。毕竟科研经费有限,也是很现实的问题。”高博士说。

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肠道菌相研究的困境与机会

一、专利申请是一大挑战

另外,高博士提到研究团队最近在申请专利时遇到一些困扰,“我们本想写的不是单纯的益生菌,而是抗肥胖的肠道菌相,但这种专利写法却不易着手。但在国外专利的写法是铺天盖地的,不少肠道菌相学者都成功申请到专利。例如有专利是描述只要调整到肠道菌相里的厚壁菌门对拟杆菌门比例 (F / B ratio) 的方法就是侵犯到其专利等等。”他期许台湾关于肠道菌相专利申请的可能性也能尽快向世界先进各国看齐。

二、推动台湾人肠道菌计画的可能性

“其实我蛮想推动台湾也做一个肠道菌相计画,因为肠道菌相也会受到饮食习惯、地域性等因素影响。 这可由政府公部门来推动,或者也可以像美国人肠道菌相计画 (American Gut Project) 一样,用群众募资公民科学的方式进行。”高博士说。此外,他也提到虽然台湾可以加入美国人肠道菌计画,但所有的样本和分析都是送去美国作,还必须符合对方的规范。 但台湾其实有台湾人体生物数据库,或许可加入肠道菌相的分析。中研院刘扶东副院长在中研院也带领对肠道菌相有兴趣的学者开始相关合作研究。另外,台湾消化系医学会由台中荣民总医院的吴俊颖医师高雄市立大同医院吴登强副院长等人共同发起成立微菌联盟,如高博士、赖信志教授等都有参与。该联盟成员许多为医师,更可从临床角度出发提供肠道菌相研究合作平台。这些或许都有机会发展成为台湾人的肠道菌相计画。

注:bioRxiv.org 网站由冷泉港实验室 (Cold Spring Harbor Laboratory , CSHL) 成立于 2013 年,旨在提供生命科学领域的相关研究一个较快速审核、可率先发表的平台,可望降低获奖研究所产生的先后次序之争议。

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