第四屆亞洲微生物體趨勢論壇:對抗巴金森氏症和癌症等疾病?可從微生物下手?

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微生物影響著人體的健康,且與許多疾病有關,如巴金森氏症(Parkinson’s disease, PD)、氣喘、困難梭狀芽孢桿菌感染症(Clostridium difficile infection, CDI)、慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)、癌症,但其致病機制和治療方法仍有許多未解的難題。對此,由圖爾思生物科技、中央研究院生化所、台大醫院、臺北醫學大學共同舉辦第四屆亞洲微生物體趨勢論壇,邀請該領域臨床醫師和專家學者,分享最新研究和趨勢,期盼能釐清微生物在健康群體與病人中所扮演的角色。

腸道菌相改變和 α-synuclein 異常誘導巴金森氏症

巴金森氏症(PD)為一種神經退化性疾病,病人可能會有便秘、嗅覺遲鈍、憂鬱等等前驅症狀,隨後出現顫抖、行動緩慢等運動障礙。目前,以藥物(levodopa)或手術治療 僅能改善其症狀,無法終止或是逆轉病程。台大醫院林靜嫻醫師提到,老化是 PD 的主要因子,另外有 5%-10% 的 PD 病患與遺傳有關。然而,近年來研究指出, PD 與腸道環境有關,當 α-synuclein 在 PD 小鼠腸道內異常增加且聚集時,它會經由迷走神經(vagal nerve)傳導至腦部,接著使神經細胞損傷、多巴胺(dopamine)系統惡化,最後小鼠出現運動與言語障礙等症狀。

接著她指出,腸道菌相改變是 PD 啟動點之一,如 Prevotella 降低,Bacteroides 增加時。腸道菌會分泌短鏈脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA),再活化微膠細胞(microglia),釋出細胞毒性物質,因而對神經元造成損傷,促使 PD 惡化。腸道與神經系統發炎也會導致 PD 神經系統退化,若能給予抗 TNF 治療,可望減緩該病情。另外,也有研究指出,PD 病患補充益生菌(probiotics),能改變其腸道菌相,進而減緩病情的惡化。

台大醫院 林靜嫻 醫師

建立母乳微生物資料庫 盼促進母嬰個人化健康

母乳能降低早產兒的壞死性小腸結腸炎、晚發性敗血症、視網膜病變的發生率,以及降低足月兒發生過敏、氣喘、肥胖、糖尿病、發炎性腸道病、及腹瀉。成大醫院林永傑醫師提到,母乳微生物是新生兒體內微生物叢發展的決定因素之一。對此,國健署與成大醫院建立的南區母乳庫中心於 2018 年 4 月啟用,以獨特到府收乳系統,分析母乳腸道菌相的影響因子及母乳微生物相對授乳寶寶的健康影響。

該資料庫為國內收納最多的母乳菌相的人體資料庫,在十個月內,收集 79 位媽媽和 47 位嬰兒共 565 個檢體,包含母乳檢體與母嬰其他部位,例如母親和嬰兒各自的口、鼻、糞;結合 79 份母親的飲食生活問卷。該研究團隊最後發現,母乳為母嬰菌相互動的傳遞因子,更是傳遞母親鼻內微生物叢至嬰兒鼻內的重要途徑,以及嬰兒腸道菌相(糞菌相)中乳酸菌與比菲德氏菌的演化與依時間之軌跡變化息息相關。其中,約 55% 的母乳檢體包含乳酸菌,34% 含有比菲德氏菌,這項結果高出台灣文獻資料許多。最後,他們也期望透過飲食問卷、分析母乳菌相與母乳寡醣相關性,以發展具臨床應用價值的母乳飲食、菌相庫與寡醣庫,並且提供母嬰個人化飲食建議。另外,更希藉由「個人化捐乳」進行病嬰介入臨床試驗,改善嬰兒健康。

成大醫院 林永傑 醫師

以糞菌移植( FMT)治療 CDI 治癒率近 9 成

困難梭狀芽孢桿菌感染症(CDI)主要是在醫院內或照護機構內感染的疾病。林口長庚醫院陳建彰醫師表示,第一次治療復發率為 20%~25%,再治療後的復發率就高達 50%~60%。CDI 會有敗血症、巨腸症,甚至死亡等併發症。他們收集 CDI 病人的糞菌且進行定序分析,再藉由「生物分類」來分析其腸道菌相。然後,他們以菌門(phylum)分析 CDI 病人的微生物相得知,變形菌門(Proteobacteria)有相當高的豐度,並且缺乏擬桿菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes),但後二種微生物在健康人群卻是最多的二菌門。再來,以菌屬(Genus)來看,CDI 病人缺乏擬桿菌屬(Bacteroides)、副擬桿菌屬(Parabacteroides)、普拉梭菌(Faecalibacterium)、以及顫螺菌屬(Oscillospira)。

過去許多臨床證據指出,糞菌移植(fecal microbiota transplant, FMT)能有效治療患有 CDI的成人或孩童。因此該研究團隊也使用 FMT 治療 CDI 成人患者,發現擬桿菌門和厚壁菌門以及擬桿菌屬、副擬桿菌屬、普拉梭菌、顫螺菌屬也因此恢復。根據近幾年的研究報告指出,以 FMT 治療復發型 CDI 的治癒率高達 89.6%。

最後,陳醫師總結提到,FMT 逐漸成為復發型 CDI 的主要療法,然而捐贈者的召募、選擇、排除條件更應該要標準化。

林口長庚醫院 陳建彰 醫師

以宏觀基因體學和代謝體學 來看慢性腎臟病病人的腸道微生物變化

慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)為台灣沈重的健康問題之一,根據健保署 2018 年統計資料指出,有 36.4 萬因 CKD 就醫,其中有 9 萬人洗腎,健保耗費 513 億。長庚醫院蘇仕奇博士提到,腎臟和腸道之間有雙向交流,即是腸-腎軸(Gut-Kidney axis)。舉例來說,相較於健康組,CKD 患者的腸道菌在多樣性和組成失調,菌叢失調促使腎毒性物質、硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate, IS)和對硫甲酚(p-cresyl sulfate, p-CS)等尿毒素(uremic toxin)增加,但使丁酸(butyrate)和維生素 K(vitamin K)等腎保護代謝體下降,這些代謝體的變化反過來促使 CKD 惡化。

不少臨床實驗以宏觀基因體學角度探索微生態環境的改變,進而驗證許多與 CKD 有關的微生物標記,例如,相較於健康群體,CKD 的Tyzzerella 3 屬、Paraprevotella屬、Lachnospiraceae ND3007 叢屬、卵形擬桿菌(Bacteroides ovatus)是下降的,柯林氏桿菌(Collinsella stercoris)則是上升的。另外,吲哚酚(indoxyl sulfate, IS) 和 對硫甲酚(p-cresyl sulfate, p-CS)也能反應 CKD 的進展和分級。

該研究團隊更進一步以宏觀基因體學探討微生物和腎絲球過濾率(estimated Glomerular filtration rate, eGFR)的關係,並且以代謝體學分析短鏈脂肪酸(SCFA)、中鏈脂肪酸(MCFA)、尿毒素、膽酸和微生物之間的關聯性,以及透過雙體學區分健康人群和 CKD 病人的腸道菌差異,期盼未來能建立相關宏觀基因體學、代謝體學、雙體學等圖譜,進而給予腸道菌群的治療,以延緩、改善 CKD。

長庚醫院 蘇仕奇 博士

從動物研究到臨床前試驗:大腸直腸癌的腸道菌菌相分析

為協助臨床上大腸癌個案之篩選及治療評估,高雄醫學大學附設醫院王照元副院長所執行之研究透過統計數據演算比較、臨床檢體收集與分析,再利用動物模式驗證特定腸道菌菌相組成與大腸癌之關聯性,研究結果發現鬆脆桿菌(Bacteroides fragilis)、有核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)及中間普氏菌(Prevotella intermedia)皆為腺癌組織中豐富度相對較高的菌種。利用生物資訊分析罹病組織基因表現及其浸潤免疫細胞組成,發現 M1 巨噬細胞、IL-1β 及 IL-17A 蛋白質濃度在非腫瘤黏膜組織到腸瘜肉到腺癌組織有逐步上升的趨勢。
此外,為提升整體微生物相的解析度,已完成整合 Greengene 及SILVA資料庫,並以人工智慧機器學習策略建構疾病分類預測模型,藉由分析腸道微生物菌相及相關多重維度臨床資料,區別大腸癌、瘜肉及正常組織,有效協助臨床診斷、用藥及預後評估。

高雄醫學大學附設醫院 王照元 副院長

單細胞 RNA 定序 腫瘤組織各細胞無所遁形

以往分析腫瘤細胞之基因表現多利用 bulk RNA 定序技術,其缺點為僅能測定群體細胞中之基因平均表達狀況,無法得知細胞間基因表達之異質性。近年來,單細胞 RNA 定序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技術蓬勃發展,其可將基因定序之解析度提升為單一細胞層次,藉此得知組織中各細胞之基因表現、細胞種類、表面蛋白標記及活化之免疫細胞等。

圖爾思生技莊景凱博士特別介紹由圖爾思生技公司提供的 10x Genomics 高通量單細胞定序平台,利用獨家專利油滴微粒技術,分離單一細胞並結合帶有特定 Barcode 序列的微珠,包入油滴內完成反轉錄即可擴增建庫,最後再透過軟體分析並依需求呈現視覺化結果。近兩年《Nature》、《Cell》等頂尖期刊皆有刊載利用 10x Genomics 定序平台分析疾病致病機轉之相關研究,充分凸顯該技術在微量細胞鑑別上的應用價值。

圖爾思生技 莊景凱 博士

延伸閱讀:好菌留下、壞菌出去!第四屆亞洲微生物體趨勢論壇熱烈展開

以 microRNA 定序分析大腸癌及直腸癌病患的腸道菌叢

目前已知腸道菌叢的改變將連帶影響組織微環境,進而引起發炎反應並促進癌化現象,然目前仍對於微生物群系及腫瘤生成(tumorigenesis)之間的相關性不甚瞭解。台灣大學阮雪芬教授執行之研究利用癌症基因體圖譜(The Cancer Genome Atlas, TCGA)中大腸癌及直腸癌病患之 microRNA 定序結果,建置新穎分析方法比對非人類 miRNA 序列與微生物基因體,並將檢體區分為三群相異之腸型(enterotypes):擬桿菌門(Bacteroidetes)、梭桿菌門(Fusobacteria)及變形菌門(Proteobacteria),另藉由箱型圖(Box plot)分析 Shannon’s diversity index 及 Evenness,確認三群菌種之群落多樣性及物種相對豐富度具有顯著差異。

研究進一步估計三種菌群之介數中心性(betweenness centrality),結果顯示擬桿菌門(Bacteroidetes)數值最高,代表其於腸道菌叢中扮演重要角色,與其他菌種間之相互作用最多,未來可望藉由本研究所提出之分析方法探索他種癌症所涉及之微生物群。

另外,阮教授表示研究必須假設 miRNA 與菌量成正比才可繼續分析,未來可思考是否有較佳的定量方式。此外,除大腸癌及直腸癌,實驗室亦已完成乳癌檢體與 TCGA 之比對,未來將再持續延伸到他種癌症的分析。

台灣大學 阮雪芬 教授

胰臟癌進展與牙周致病菌(Porphyromonas gingivalis)有關

胰臟癌是臨床上最難早期檢測的癌症種類之一,且確診後五年存活率小於10%,對於國人健康的威脅不斷擴大。根據流行病學與微生物分析研究顯示特定腸道菌與胰臟癌相關,惟至今仍對其致病機轉不甚瞭解。中山醫學大學詹明修副教授執行之研究將誘導胰臟癌的蛙皮素(caerulein)注射到 KRAS 突變之小鼠,發現牙周致病菌(Porphyromonas gingivalis)有促進胰臟癌進程之特性,不僅刺激細胞分化(proliferation)及纖維化(fibrosis),亦活化 EMT 及 TGF-β 等發炎反應路徑。另透過RNA定序及代謝體學分析(metabolomic analysis)初步發現牙周致病菌促進胰臟癌之可能機轉,包括引發胃泌素(gastrin)及 PD-L1 表現大幅上升等。研究利用基因轉殖動物模式發現結合兩株益生菌(probiotics)治療可於逆轉小鼠癌化路徑,惟臨床效果仍待未來進一步研究證實。未來可望透過結合飲食控制及給予益生菌之方式優化腸道菌叢,進而降低癌症發生之機率。

另外,詹副教授表示目前尚無法定論牙周致病菌與胰臟癌之因果關係,因胰臟癌之進程耗時相當長,且過程可能涉及其他致癌因子的影響,目前僅能瞭解兩者間具有相關性。至於牙周致病菌進入胰臟之機轉,雖其屬不具移動性之菌種,仍可能藉由牙齦發炎再經血液通往胰臟,或經由其代謝或表現產物影響,不一定皆經由消化道進入。

中山醫學大學 詹明修 副教授

塵蟎過敏性氣喘病患的微生物豐度和多樣性低於健康人群

已知塵蟎、寵物、食物等因子會引發氣喘發作,林口長庚醫院邱志勇醫師表示,塵蟎過敏(mite sensitivity)兒童及由塵蟎過敏引起的氣喘及鼻炎(Rhinitis)病童的呼吸道微生物的豐度(Richness)和多樣性(Diversity)顯著低於健康兒童。接著,他們利用散彈槍宏觀基因體定序和質譜分析、核磁共振技術來探討塵蟎調控代謝體(metabolome)與氣喘之間的關聯性。結果顯示,1-Methylnicotinamide、尿囊素(Allantoin)、胍乙酸(guanidinoacetic acid)等氣喘相關的尿素代謝物與塵蟎過敏性有關。

邱醫師也進一步指出,腸道微生物的豐度和多樣性則與過敏性過敏(allergic sensitivity)及其過敏性疾病(atopic disease)無關。另外,當兒童糞便的丁酸鹽(butyrate)降低時,會提升塵蟎特異性 IgE 及氣喘的風險。最後,他期望找出更多微生物與氣喘之間的關聯性,然後進行細胞與動物試驗,進而應用於人體。

林口長庚醫院 邱志勇 醫師

益生菌如何調控體重?以 M1 和 APS1 為例

台灣大學陳明汝教授提到,由 Kefir 牛奶菌種萃取的 Lactobacillus kefiranofaciens M1(M1) 和 Lactobacillus mali APS1(APS1)具有影響體重控制的潛力。研究指出,與未接受 APS1 的高脂飲食小鼠相比,口服 APS1的高脂飲食小鼠顯著降低其體重增加比率、體脂堆積、脂肪直徑、三酸甘油脂,並且有效地維持血糖-胰島素平衡。相反,經 M1 處理的小鼠的體重增加比率顯著高過於其他高脂飲食小鼠。

進一步分析後發現,M1 和 APS1 會調控 SREBP-1影響脂肪生成(adiposgenesis);M1 會促發炎,但 APS1 抗發炎;M1 調控短鏈脂肪酸經由腸腦軸增加食慾,但 APS1調控短鏈脂肪酸經由腸腦軸抑制食慾。另外,M1 和 APS1 也會改變腸道菌相,進而改變代謝體。

APS1有潛力應用於減重、治療肥胖,而M1則是應用於畜產養殖,例如他們的初步研究結果已證實,將 M1拿去餵豬,能使其增重,特別是肋眼部位的肉變大。然而,次世代益生菌應用於體重控制,仍須注意人體的安全性和法規規範。

台灣大學 陳明汝 教授

吃素降低氧化三甲胺(TMAO) 降低心血管風險?

人類所吃下的豆類、雞蛋、紅肉經特定腸道菌分解產生三甲胺(trimethylamine , TMA),然後 TMA 再經肝臟黃素單氧化酶(flavin monooxygenase, FMO)作用轉變成氧化三甲胺(trimethylamine n-oxide, TMAO)。研究指出,血中的 TMAO 濃度顯著相關於心血管疾病風險。

台大醫院北護分院吳偉愷醫師指出,透過口服肉鹼耐量試驗(oral carnitine challenge test, OCCT)進行人類腸道菌生成 TMAO 的功能性檢測,並且結合飲食頻率問卷資料、代謝體分析與腸道菌相分析,然後發現,相較於素食者的腸道菌,葷食健康人體的腸道菌具有較高的 TMAO 產能。他們也利用糞菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)在無菌鼠的腸道中成功重建人類腸道菌相與 TMAO 生成的模型。此外,他們更發現利用大蒜活性成分 Allicin 能調控腸道菌降低 TMAO,進而降低粥狀動脈硬化。

吳醫師更表示,人體血液與尿液中的 TMAO 濃度在相同的採集時間點內,具有高度正相關,若未來有更多臨床證據來支持,人類可望利用尿液檢體取代血液作為 OCCT 的檢測樣品。另外,也希望 OCCT 成為判斷心血管疾病的高風險族群的新方法,並且能提供藥物與飲食指引,推動個人化營養和精準醫學的進展。

台大醫院北護分院 吳偉愷 醫師

腸道菌調控雌激素影響子宮內膜異位症風險

當子宮內膜組織移動到子宮腔以外的器官與組織所造成的疾病稱為子宮內膜異位症(Endometriosis)。雌激素(estrogen)與該病有緊密的關聯性,婦女在停經以後,體內雌激素很低,該病症會消失。目前治療方式以手術和藥物為主。

林口長庚醫院黃泓淵醫師表示,腸道菌不但會調節消化道以外人體免疫細胞情形,會影響各種雌激素的分泌週期和代謝以及循環和排泄相關的激素表現的平衡,這些微生物統稱為雌激素體(Estrobolome)。當雌激素體功能失調和腸道微生態失調(gut dysbiosis),會提升子宮內膜異位症風險。研究指出,相較於健康患者的腸道菌相,子宮內膜異位症患者的鏈球菌科(Streptococcaceae)顯著提高(p<0.05),其莫拉氏菌科(Moraxellaceae)有上升趨勢(p=0.78),而乳酸菌科(Lactobacillaceae)、葡萄球菌科(Staphylococcaceae)、腸球菌科(Enterococcaceae)則呈現下降,但未達統計學意義。此外,他們也發現健康組的豐度和多樣性是高過於子宮內膜異位症患者。

最後,黃醫師提到,除了藉由動物體內模型來模擬子宮內膜異位症的腸道菌組成,未來也透過 NGS 分析不同病程患者的糞便樣本,可望進一步找出與微生物相關的診斷方式和預後因子。另外,期盼未來有可能透過抗生素、益生菌、糞菌移植來治療子宮內膜異位症。

林口長庚醫院 黃泓淵 醫師

對抗疾病 可從理解微生物開始!

「知己知彼,百戰不殆」,人類要與疾病對抗,需要收集微生物與人體健康的情報資料,才能採取合適的應對方法,才有較高的勝算。此次論壇眾多專家和學者透過宏觀基因體定序、單細胞 RNA 定序、microRNA 定序分析、質譜分析、核磁共振分析、動物模型來分析特定疾病(如巴金森氏症、癌症)的微生物相和其代謝體,除了幫助人們更了解微生物與健康和疾病的關係,也助攻益生菌或調控微生物的藥物開發,最後也期盼未來有更多人投入微生物與疾病診斷和治療的臨床研究。

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