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國家衛生研究院 高承源博士:剖析熱門腸道菌相研究趨勢

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近年來國際上腸道菌相的研究相當蓬勃,台灣也有不少科學家投入該領域,其中,來自國家衛生研究院 (簡稱國衛院) 的高承源博士及其團隊,在去年做出突破性研究,發現 dusp6 基因剔除小鼠經餵食高脂飼料後體重卻不會過度增加,找出腸道內的關鍵「抗肥胖菌」,未來可望應用於肥胖及其他代謝疾病的治療與預防,該研究也發表於國際期刊。此次高承源博士 (以下簡稱高博士)分享他踏入腸道菌研究的契機、研究成果推廣到臨床的可能性、腸道菌研究的國際趨勢,以及從他個人經驗探討台灣在這波潮流中脫穎而出的機會。

從腸道菌相到肥胖研究的歷程

高博士赴美求學及工作十多年,研究工具著重於體學 (Omics) 實驗與生物資訊分析,從早期 cDNA 微陣列分析 (microarray) 與轉錄體 (transcriptome),後來接觸功能基因體學 (functional genomics),次世代定序 RNA-seq 轉錄體與脂類體學 (lipidome),專注於宿主與致病菌交互作用機制 (host-pathogen interaction) 的研究。他在美國加州大學聖地牙哥分校 (UCSD) 做博士後研究期間,經常參與不同主題的研討會,及當地生技公司所舉辦的工作坊。其中,他在次世代定序大廠 Illumina 的工作坊中,首次接觸到以次世代定序研究微生物相 (microbiome),成為他後來踏入腸道菌相研究的重要契機。

返台後,高博士現任職於國衛院免疫醫學中心。國衛院主要專注於疾病和藥物研究,而免疫醫學中心聚焦於和自體免疫、癌症與代謝疾病等有密切關連的發炎 (inflammation)。在和發炎相關的幾項主題中,高博士對「代謝疾病」特別感興趣,加上受到腸道菌相知名學者高登 (Jeffery Gordon) 研究的啟發,決定從肥胖與代謝疾病研究著手。

塞翁失馬,焉知非福

為了研究肥胖,高博士實驗室對 dusp6 基因剔除鼠進行高脂飼料餵食,觀察其反應。 原本預期 dusp6 剔除小鼠吃高脂飼料會變胖,沒想到卻沒有。但同時高博士也在《Diabetes》期刊看到美國布朗大學 (Brown University) 剛發表相關論文,並對肝臟中 DUSP6 的分子功能做了詳盡的研究。「一般看到跟代謝有關的表型 (phenotype),會認為肝臟是個很好的研究標的。不過很可惜已經被對方做得相當深入了,必須另找題目。」這時他忽然想到,自己過去一直關注腸道菌群 (gut microbiota),但那篇論文完全沒有提到,「說不定這是個好機會。」高博士心想,便帶著團隊開始進行 dusp6 基因剔除鼠腸道菌群的研究。

高承源博士實驗室團隊。圖片:由高承源博士提供。

高承源博士實驗室團隊。圖片:由高承源博士提供。

實驗結果發現,dusp6 基因剔除小鼠經餵食高脂飼料後不會變過胖的原因之一是其腸道存在特定的「抗肥胖菌」。研究人員經由腸道菌 16S 核糖體 RNA 與腸道轉錄體 (transcriptome) 分析後發現, dusp6 剔除小鼠對高脂飲食造成的腸道菌 dysbiosis 具抗性,且 dusp6 剔除後會誘發 PPARγ 路徑與細胞緊密連結基因 (tight-junction genes) 的表現,使高脂飲食小鼠的腸道屏蔽回到正常狀態。該實驗顯示出腸道菌相組成可受到宿主單一基因的影響,並且可透過腸道菌移植將抗肥胖效果傳給野生型小鼠。未來可望透過調控 dusp6 基因改變腸道菌叢生態,或直接應用抗肥胖菌叢於肥胖及其他代謝疾病的預防與治療,該成果於 2016 年發表在《Nature Microbiology》期刊。

老鼠可以,那人呢?

該實驗的成功,使得不少保健食品、益生菌廠商等上門尋求合作,甚至一般民眾還來電表示志願當受試者。不過,高博士也經常被問到該實驗在人體的可行性,他表示普遍認為老鼠和人類的腸道菌一定不同,但其實就他的研究來說,其實老鼠和人類的腸道有些菌種差異性並沒有外界所想的那麼高。至於可否開發成益生菌相關保健食品,高博士認為不無可能,有些他們找到的某些細菌其實已列入衛福部的人可食用之正面表列中,其他未知的部分則仍在進行研究。

另外,他提到目前已有多篇論文運用糞菌移植 (Fecal Microbiota Transplantation, FMT) 的方法,證明人的腸道微生物菌相在移植到老鼠身上是有作用的。雖然,高博士的糞菌移植實驗都是在小鼠做的,但他也希望未來能將老鼠實驗成功推廣到人身上。不過,即便成功推廣到臨床,還涉及法規與量產的問題。「我們做的是菌叢,有量產的難度。因為要從老鼠身上蒐集,在法規上較難突破,畢竟要給人吃從老鼠排泄物直接準備出來的菌叢實在難以服人。在美國作人對人糞菌移植治療,規範也非常嚴謹,而且通常是較嚴重的 C. difficile 感染患者才會用到。」高博士說,「不過若有機會可分離出純的菌種,就算只有幾種菌,只要菌株有辦法培養,就有機會可量產。」高博士團隊現正朝著較有機會量產與商業化的純菌株與微生物菌相 (microbiome) 分別進行相關研發。

腸道菌相領域的國際趨勢

非洲鱂魚(African turquoise killifish),來源:Wiki

非洲鱂魚(African turquoise killifish),來源:Wiki

「其實,全世界腸道菌相的研究絕不只是益生菌而已。」高博士提到。近年來國際上腸道菌研究發展迅速,有些研究令人眼睛一亮,例如一些精神、神經疾病如自閉症或也跟腸道菌相有關;還有腸道菌相和長壽 (longevity) 的研究。有研究蒐集人瑞檢體分析其腸道菌相,但人的實驗研究較複雜,難以判斷腸道菌相與長壽的因果關係。不過在長壽研究中,有篇率先發表在 bioRxiv.org 網站 [註] 上關於非洲鱂魚(African turquoise killifish)的實驗令高博士印象深刻。科學家把青年魚的糞菌轉移到中年魚體內後,發現中年魚竟然老化的速度變的較慢,活動力增加,壽命延長,令人驚訝。

「這幾年我在歐美國家參與幾場微生物相研討會,聽到許多微生物相領域頂尖科學家如近來被挖角至 UCSD 的羅伯奈特 (Rob Knight)、上海交通大學生命科學院的趙立平教授等演講,學習到很多微生物相領域最新研究趨勢。台灣的部分,就我所知,賴信志老師除之前的靈芝與腸道菌發表外還有很棒的後續研究正在投稿。希望更多台灣的微生物相研究也能躍上國際,單靠我們這一篇是不夠的。」高博士表示國外進展很快,觀察這幾年國際研討會的趨勢是作 16S rRNA microbiome 的分析較以前少,全基因體散彈槍法多源基因體學 (whole genome shotgun metagenomics) 的運用開始變多。「其實 16S rRNA NGS 的解析度 (resolution) 較不好,找到的東西少。所以大家改作 whole genome shotgun metagenomics,但這種定序貴很多,且後續生物資訊分析的門檻也較高,所以台灣大多還是以 16S rRNA microbiome 為主。畢竟科研經費有限,也是很現實的問題。」高博士說。

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腸道菌相研究的困境與機會

一、專利申請是一大挑戰

另外,高博士提到研究團隊最近在申請專利時遇到一些困擾,「我們本想寫的不是單純的益生菌,而是抗肥胖的腸道菌相,但這種專利寫法卻不易著手。但在國外專利的寫法是鋪天蓋地的,不少腸道菌相學者都成功申請到專利。例如有專利是描述只要調整到腸道菌相裡的厚壁菌門對擬桿菌門比例 (F / B ratio) 的方法就是侵犯到其專利等等。」他期許台灣關於腸道菌相專利申請的可能性也能盡快向世界先進各國看齊。

二、推動台灣人腸道菌計畫的可能性

「其實我蠻想推動台灣也做一個腸道菌相計畫,因為腸道菌相也會受到飲食習慣、地域性等因素影響。 這可由政府公部門來推動,或者也可以像美國人腸道菌相計畫 (American Gut Project) 一樣,用群眾募資公民科學的方式進行。」高博士說。此外,他也提到雖然台灣可以加入美國人腸道菌計畫,但所有的樣本和分析都是送去美國作,還必須符合對方的規範。 但台灣其實有台灣人體生物資料庫,或許可加入腸道菌相的分析。中研院劉扶東副院長在中研院也帶領對腸道菌相有興趣的學者開始相關合作研究。另外,台灣消化系醫學會由台中榮民總醫院的吳俊穎醫師高雄市立大同醫院吳登強副院長等人共同發起成立微菌聯盟,如高博士、賴信志教授等都有參與。該聯盟成員許多為醫師,更可從臨床角度出發提供腸道菌相研究合作平台。這些或許都有機會發展成為台灣人的腸道菌相計畫。

註:bioRxiv.org 網站由冷泉港實驗室 (Cold Spring Harbor Laboratory , CSHL) 成立於 2013 年,旨在提供生命科學領域的相關研究一個較快速審核、可率先發表的平台,可望降低獲獎研究所產生的先後次序之爭議。

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