第四届亚洲微生物体趋势论坛:对抗巴金森氏症和癌症等疾病?可从微生物下手?

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微生物影响着人体的健康,且与许多疾病有关,如巴金森氏症(Parkinson’s disease, PD)、气喘、困难梭状芽孢杆菌感染症(Clostridium difficile infection, CDI)、慢性肾脏病(chronic kidney disease, CKD)、癌症,但其致病机制和治疗方法仍有许多未解的难题。对此,由图尔思生物科技、中央研究院生化所、台大医院、台北医学大学共同举办第四届亚洲微生物体趋势论坛,邀请该领域临床医师和专家学者,分享最新研究和趋势,期盼能厘清微生物在健康群体与病人中所扮演的角色。

肠道菌相改变和 α-synuclein 异常诱导巴金森氏症

巴金森氏症(PD)为一种神经退化性疾病,病人可能会有便秘、嗅觉迟钝、忧郁等等前驱症状,随后出现颤抖、行动缓慢等运动障碍。目前,以药物(levodopa)或手术治疗 仅能改善其症状,无法终止或是逆转病程。台大医院林静娴医师提到,老化是 PD 的主要因子,另外有 5%-10% 的 PD 病患与遗传有关。然而,近年来研究指出, PD 与肠道环境有关,当 α-synuclein 在 PD 小鼠肠道内异常增加且聚集时,它会经由迷走神经(vagal nerve)传导至脑部,接着使神经细胞损伤、多巴胺(dopamine)系统恶化,最后小鼠出现运动与言语障碍等症状。

接着她指出,肠道菌相改变是 PD 启动点之一,如 Prevotella 降低,Bacteroides 增加时。肠道菌会分泌短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA),再活化微胶细胞(microglia),释出细胞毒性物质,因而对神经元造成损伤,促使 PD 恶化。肠道与神经系统发炎也会导致 PD 神经系统退化,若能给予抗 TNF 治疗,可望减缓该病情。另外,也有研究指出,PD 病患补充益生菌(probiotics),能改变其肠道菌相,进而减缓病情的恶化。

台大医院 林静娴 医师

建立母乳微生物数据库 盼促进母婴个人化健康

母乳能降低早产儿的坏死性小肠结肠炎、晚发性败血症、视网膜病变的发生率,以及降低足月儿发生过敏、气喘、肥胖、糖尿病、发炎性肠道病、及腹泻。成大医院林永杰医师提到,母乳微生物是新生儿体内微生物丛发展的决定因素之一。对此,国健署与成大医院建立的南区母乳库中心于 2018 年 4 月启用,以独特到府收乳系统,分析母乳肠道菌相的影响因子及母乳微生物相对授乳宝宝的健康影响。

该数据库为国内收纳最多的母乳菌相的人体数据库,在十个月内,收集 79 位妈妈和 47 位婴儿共 565 个检体,包含母乳检体与母婴其他部位,例如母亲和婴儿各自的口、鼻、粪;结合 79 份母亲的饮食生活问卷。该研究团队最后发现,母乳为母婴菌相互动的传递因子,更是传递母亲鼻内微生物丛至婴儿鼻内的重要途径,以及婴儿肠道菌相(粪菌相)中乳酸菌与比菲德氏菌的演化与依时间之轨迹变化息息相关。其中,约 55% 的母乳检体包含乳酸菌,34% 含有比菲德氏菌,这项结果高出台湾文献资料许多。最后,他们也期望透过饮食问卷、分析母乳菌相与母乳寡糖相关性,以发展具临床应用价值的母乳饮食、菌相库与寡糖库,并且提供母婴个人化饮食建议。另外,更希借由“个人化捐乳”进行病婴介入临床试验,改善婴儿健康。

成大医院 林永杰 医师

以粪菌移植( FMT)治疗 CDI 治愈率近 9 成

困难梭状芽孢杆菌感染症(CDI)主要是在医院内或照护机构内感染的疾病。林口长庚医院陈建彰医师表示,第一次治疗复发率为 20%~25%,再治疗后的复发率就高达 50%~60%。CDI 会有败血症、巨肠症,甚至死亡等并发症。他们收集 CDI 病人的粪菌且进行定序分析,再借由“生物分类”来分析其肠道菌相。然后,他们以菌门(phylum)分析 CDI 病人的微生物相得知,变形菌门(Proteobacteria)有相当高的丰度,并且缺乏拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes),但后二种微生物在健康人群却是最多的二菌门。再来,以菌属(Genus)来看,CDI 病人缺乏拟杆菌属(Bacteroides)、副拟杆菌属(Parabacteroides)、普拉梭菌(Faecalibacterium)、以及颤螺菌属(Oscillospira)。

过去许多临床证据指出,粪菌移植(fecal microbiota transplant, FMT)能有效治疗患有 CDI的成人或孩童。因此该研究团队也使用 FMT 治疗 CDI 成人患者,发现拟杆菌门和厚壁菌门以及拟杆菌属、副拟杆菌属、普拉梭菌、颤螺菌属也因此恢复。根据近几年的研究报告指出,以 FMT 治疗复发型 CDI 的治愈率高达 89.6%。

最后,陈医师总结提到,FMT 逐渐成为复发型 CDI 的主要疗法,然而捐赠者的召募、选择、排除条件更应该要标准化。

林口长庚医院 陈建彰 医师

以宏观基因体学和代谢体学 来看慢性肾脏病病人的肠道微生物变化

慢性肾脏病(chronic kidney disease, CKD)为台湾沈重的健康问题之一,根据健保署 2018 年统计资料指出,有 36.4 万因 CKD 就医,其中有 9 万人洗肾,健保耗费 513 亿。长庚医院苏仕奇博士提到,肾脏和肠道之间有双向交流,即是肠-肾轴(Gut-Kidney axis)。举例来说,相较于健康组,CKD 患者的肠道菌在多样性和组成失调,菌丛失调促使肾毒性物质、硫酸吲哚酚(indoxyl sulfate, IS)和对硫甲酚(p-cresyl sulfate, p-CS)等尿毒素(uremic toxin)增加,但使丁酸(butyrate)和维生素 K(vitamin K)等肾保护代谢体下降,这些代谢体的变化反过来促使 CKD 恶化。

不少临床实验以宏观基因体学角度探索微生态环境的改变,进而验证许多与 CKD 有关的微生物标记,例如,相较于健康群体,CKD 的Tyzzerella 3 属、Paraprevotella属、Lachnospiraceae ND3007 丛属、卵形拟杆菌(Bacteroides ovatus)是下降的,柯林氏杆菌(Collinsella stercoris)则是上升的。另外,吲哚酚(indoxyl sulfate, IS) 和 对硫甲酚(p-cresyl sulfate, p-CS)也能反应 CKD 的进展和分级。

该研究团队更进一步以宏观基因体学探讨微生物和肾丝球过滤率(estimated Glomerular filtration rate, eGFR)的关系,并且以代谢体学分析短链脂肪酸(SCFA)、中链脂肪酸(MCFA)、尿毒素、胆酸和微生物之间的关联性,以及透过双体学区分健康人群和 CKD 病人的肠道菌差异,期盼未来能建立相关宏观基因体学、代谢体学、双体学等图谱,进而给予肠道菌群的治疗,以延缓、改善 CKD。

长庚医院 苏仕奇 博士

从动物研究到临床前试验:大肠直肠癌的肠道菌菌相分析

为协助临床上大肠癌个案之筛选及治疗评估,高雄医学大学附设医院王照元副院长所执行之研究透过统计数据演算比较、临床检体收集与分析,再利用动物模式验证特定肠道菌菌相组成与大肠癌之关联性,研究结果发现松脆杆菌(Bacteroides fragilis)、有核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)及中间普氏菌(Prevotella intermedia)皆为腺癌组织中丰富度相对较高的菌种。利用生物资讯分析罹病组织基因表现及其浸润免疫细胞组成,发现 M1 巨噬细胞、IL-1β 及 IL-17A 蛋白质浓度在非肿瘤黏膜组织到肠瘜肉到腺癌组织有逐步上升的趋势。
此外,为提升整体微生物相的分辨率,已完成整合 Greengene 及SILVA数据库,并以人工智能机器学习策略建构疾病分类预测模型,借由分析肠道微生物菌相及相关多重维度临床资料,区别大肠癌、瘜肉及正常组织,有效协助临床诊断、用药及预后评估。

高雄医学大学附设医院 王照元 副院长

单细胞 RNA 定序 肿瘤组织各细胞无所遁形

以往分析肿瘤细胞之基因表现多利用 bulk RNA 定序技术,其缺点为仅能测定群体细胞中之基因平均表达状况,无法得知细胞间基因表达之异质性。近年来,单细胞 RNA 定序(single-cell RNA sequencing, scRNA-seq)技术蓬勃发展,其可将基因定序之分辨率提升为单一细胞层次,借此得知组织中各细胞之基因表现、细胞种类、表面蛋白标记及活化之免疫细胞等。

图尔思生技庄景凯博士特别介绍由图尔思生技公司提供的 10x Genomics 高通量单细胞定序平台,利用独家专利油滴微粒技术,分离单一细胞并结合带有特定 Barcode 序列的微珠,包入油滴内完成反转录即可扩增建库,最后再透过软件分析并依需求呈现视觉化结果。近两年《Nature》、《Cell》等顶尖期刊皆有刊载利用 10x Genomics 定序平台分析疾病致病机转之相关研究,充分凸显该技术在微量细胞鉴别上的应用价值。

图尔思生技 庄景凯 博士

延伸阅读:好菌留下、坏菌出去!第四届亚洲微生物体趋势论坛热烈展开

以 microRNA 定序分析大肠癌及直肠癌病患的肠道菌丛

目前已知肠道菌丛的改变将连带影响组织微环境,进而引起发炎反应并促进癌化现象,然目前仍对于微生物群系及肿瘤生成(tumorigenesis)之间的相关性不甚了解。台湾大学阮雪芬教授执行之研究利用癌症基因体图谱(The Cancer Genome Atlas, TCGA)中大肠癌及直肠癌病患之 microRNA 定序结果,建置新颖分析方法比对非人类 miRNA 序列与微生物基因体,并将检体区分为三群相异之肠型(enterotypes):拟杆菌门(Bacteroidetes)、梭杆菌门(Fusobacteria)及变形菌门(Proteobacteria),另借由箱型图(Box plot)分析 Shannon’s diversity index 及 Evenness,确认三群菌种之群落多样性及物种相对丰富度具有显著差异。

研究进一步估计三种菌群之介数中心性(betweenness centrality),结果显示拟杆菌门(Bacteroidetes)数值最高,代表其于肠道菌丛中扮演重要角色,与其他菌种间之相互作用最多,未来可望借由本研究所提出之分析方法探索他种癌症所涉及之微生物群。

另外,阮教授表示研究必须假设 miRNA 与菌量成正比才可继续分析,未来可思考是否有较佳的定量方式。此外,除大肠癌及直肠癌,实验室亦已完成乳癌检体与 TCGA 之比对,未来将再持续延伸到他种癌症的分析。

台湾大学 阮雪芬 教授

胰脏癌进展与牙周致病菌(Porphyromonas gingivalis)有关

胰脏癌是临床上最难早期检测的癌症种类之一,且确诊后五年存活率小于10%,对于国人健康的威胁不断扩大。根据流行病学与微生物分析研究显示特定肠道菌与胰脏癌相关,惟至今仍对其致病机转不甚了解。中山医学大学詹明修副教授执行之研究将诱导胰脏癌的蛙皮素(caerulein)注射到 KRAS 突变之小鼠,发现牙周致病菌(Porphyromonas gingivalis)有促进胰脏癌进程之特性,不仅刺激细胞分化(proliferation)及纤维化(fibrosis),亦活化 EMT 及 TGF-β 等发炎反应路径。另透过RNA定序及代谢体学分析(metabolomic analysis)初步发现牙周致病菌促进胰脏癌之可能机转,包括引发胃泌素(gastrin)及 PD-L1 表现大幅上升等。研究利用基因转殖动物模式发现结合两株益生菌(probiotics)治疗可于逆转小鼠癌化路径,惟临床效果仍待未来进一步研究证实。未来可望透过结合饮食控制及给予益生菌之方式优化肠道菌丛,进而降低癌症发生之机率。

另外,詹副教授表示目前尚无法定论牙周致病菌与胰脏癌之因果关系,因胰脏癌之进程耗时相当长,且过程可能涉及其他致癌因子的影响,目前仅能了解两者间具有相关性。至于牙周致病菌进入胰脏之机转,虽其属不具移动性之菌种,仍可能借由牙龈发炎再经血液通往胰脏,或经由其代谢或表现产物影响,不一定皆经由消化道进入。

中山医学大学 詹明修 副教授

尘螨过敏性气喘病患的微生物丰度和多样性低于健康人群

已知尘螨、宠物、食物等因子会引发气喘发作,林口长庚医院邱志勇医师表示,尘螨过敏(mite sensitivity)儿童及由尘螨过敏引起的气喘及鼻炎(Rhinitis)病童的呼吸道微生物的丰度(Richness)和多样性(Diversity)显著低于健康儿童。接着,他们利用散弹枪宏观基因体定序和质谱分析、核磁共振技术来探讨尘螨调控代谢体(metabolome)与气喘之间的关联性。结果显示,1-Methylnicotinamide、尿囊素(Allantoin)、胍乙酸(guanidinoacetic acid)等气喘相关的尿素代谢物与尘螨过敏性有关。

邱医师也进一步指出,肠道微生物的丰度和多样性则与过敏性过敏(allergic sensitivity)及其过敏性疾病(atopic disease)无关。另外,当儿童粪便的丁酸盐(butyrate)降低时,会提升尘螨特异性 IgE 及气喘的风险。最后,他期望找出更多微生物与气喘之间的关联性,然后进行细胞与动物试验,进而应用于人体。

林口长庚医院 邱志勇 医师

益生菌如何调控体重?以 M1 和 APS1 为例

台湾大学陈明汝教授提到,由 Kefir 牛奶菌种萃取的 Lactobacillus kefiranofaciens M1(M1) 和 Lactobacillus mali APS1(APS1)具有影响体重控制的潜力。研究指出,与未接受 APS1 的高脂饮食小鼠相比,口服 APS1的高脂饮食小鼠显著降低其体重增加比率、体脂堆积、脂肪直径、三酸甘油脂,并且有效地维持血糖-胰岛素平衡。相反,经 M1 处理的小鼠的体重增加比率显著高过于其他高脂饮食小鼠。

进一步分析后发现,M1 和 APS1 会调控 SREBP-1影响脂肪生成(adiposgenesis);M1 会促发炎,但 APS1 抗发炎;M1 调控短链脂肪酸经由肠脑轴增加食欲,但 APS1调控短链脂肪酸经由肠脑轴抑制食欲。另外,M1 和 APS1 也会改变肠道菌相,进而改变代谢体。

APS1有潜力应用于减重、治疗肥胖,而M1则是应用于畜产养殖,例如他们的初步研究结果已证实,将 M1拿去喂猪,能使其增重,特别是肋眼部位的肉变大。然而,次世代益生菌应用于体重控制,仍须注意人体的安全性和法规规范。

台湾大学 陈明汝 教授

吃素降低氧化三甲胺(TMAO) 降低心血管风险?

人类所吃下的豆类、鸡蛋、红肉经特定肠道菌分解产生三甲胺(trimethylamine , TMA),然后 TMA 再经肝脏黄素单氧化酶(flavin monooxygenase, FMO)作用转变成氧化三甲胺(trimethylamine n-oxide, TMAO)。研究指出,血中的 TMAO 浓度显著相关于心血管疾病风险。

台大医院北护分院吴伟恺医师指出,透过口服肉碱耐量试验(oral carnitine challenge test, OCCT)进行人类肠道菌生成 TMAO 的功能性检测,并且结合饮食频率问卷资料、代谢体分析与肠道菌相分析,然后发现,相较于素食者的肠道菌,荤食健康人体的肠道菌具有较高的 TMAO 产能。他们也利用粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)在无菌鼠的肠道中成功重建人类肠道菌相与 TMAO 生成的模型。此外,他们更发现利用大蒜活性成分 Allicin 能调控肠道菌降低 TMAO,进而降低粥状动脉硬化。

吴医师更表示,人体血液与尿液中的 TMAO 浓度在相同的采集时间点内,具有高度正相关,若未来有更多临床证据来支持,人类可望利用尿液检体取代血液作为 OCCT 的检测样品。另外,也希望 OCCT 成为判断心血管疾病的高风险族群的新方法,并且能提供药物与饮食指引,推动个人化营养和精准医学的进展。

台大医院北护分院 吴伟恺 医师

肠道菌调控雌激素影响子宫内膜异位症风险

当子宫内膜组织移动到子宫腔以外的器官与组织所造成的疾病称为子宫内膜异位症(Endometriosis)。雌激素(estrogen)与该病有紧密的关联性,妇女在停经以后,体内雌激素很低,该病症会消失。目前治疗方式以手术和药物为主。

林口长庚医院黄泓渊医师表示,肠道菌不但会调节消化道以外人体免疫细胞情形,会影响各种雌激素的分泌周期和代谢以及循环和排泄相关的激素表现的平衡,这些微生物统称为雌激素体(Estrobolome)。当雌激素体功能失调和肠道微生态失调(gut dysbiosis),会提升子宫内膜异位症风险。研究指出,相较于健康患者的肠道菌相,子宫内膜异位症患者的链球菌科(Streptococcaceae)显著提高(p<0.05),其莫拉氏菌科(Moraxellaceae)有上升趋势(p=0.78),而乳酸菌科(Lactobacillaceae)、葡萄球菌科(Staphylococcaceae)、肠球菌科(Enterococcaceae)则呈现下降,但未达统计学意义。此外,他们也发现健康组的丰度和多样性是高过于子宫内膜异位症患者。

最后,黄医师提到,除了借由动物体内模型来模拟子宫内膜异位症的肠道菌组成,未来也透过 NGS 分析不同病程患者的粪便样本,可望进一步找出与微生物相关的诊断方式和预后因子。另外,期盼未来有可能透过抗生素、益生菌、粪菌移植来治疗子宫内膜异位症。

林口长庚医院 黄泓渊 医师

对抗疾病 可从理解微生物开始!

“知己知彼,百战不殆”,人类要与疾病对抗,需要收集微生物与人体健康的情报资料,才能采取合适的应对方法,才有较高的胜算。此次论坛众多专家和学者透过宏观基因体定序、单细胞 RNA 定序、microRNA 定序分析、质谱分析、核磁共振分析、动物模型来分析特定疾病(如巴金森氏症、癌症)的微生物相和其代谢体,除了帮助人们更了解微生物与健康和疾病的关系,也助攻益生菌或调控微生物的药物开发,最后也期盼未来有更多人投入微生物与疾病诊断和治疗的临床研究。

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