您当前的位置: 首页 >  博客资讯

产前环境“有菌”or“无菌”?6位专家发表观点

编者按:

任何一个科学领域都存在争辩,包括微生物组领域。近年来,许多文献报道,在被认为“无菌”的产前环境中检测到了微生物。这些结果引起了学界的关注,并掀起了一场关于产前环境究竟有菌还是无菌的争论。

今天,我们特别编译了Microbiome杂志发表的关于产前微生物组争议的文章。希望本文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。

● 产前环境有无微生物?

一个多世纪以来,产前环境被认为是无菌的。但是在过去的几年里,由下一代测序方法从胎盘、羊水、胎粪甚至胎儿组织的样本中获得的发现对无菌子宫的教条提出了挑战,此外利用培养学、显微镜和定量 PCR 也鉴定出产前环境有低生物量的微生物群落。

考虑到产前暴露于微生物对宿主发育和健康的重大影响,该研究结果已经受到学术界、高影响力期刊、公共媒体和资助机构的高度关注。

然而越来越多的研究对产前微生物组提出挑战,认为污染是主要问题,仍持怀疑态度的科学家指出,这与子宫内定殖、剖腹产对早期微生物组建立的影响以及产生无菌哺乳动物的能力不符。

关于产前是否存在微生物群落引发了一场激烈的学术争论。Microbiome杂志特别邀请了多位专家讨论上述问题,分享他们对这一争论的想法。为了使讨论有更广阔的视野,Microbiome杂志特别挑选了在微生物组方面积累了丰厚经验,但迄今尚未直接参与辩论的科学家。

● 专家介绍

Martin Blaser:高级生物技术和医学中心主任,罗格斯大学(Rutgers University)人类微生物组方向的教授,传染病专家。研究微生物群的扰动对疾病最终发展的影响,以确定恢复健康的方法。

Suzanne Devkota:Cedars-Sinai 医学中心的微生物组研究主任,加州大学洛杉矶分校医学系的助理教授。主要研究领域包括研究饮食对肠道微生物组结构和功能的影响、肠道微生物组对克罗恩病并发症的影响。

Kathy McCoy:加拿大卡尔加里大学医学院的教授,国际微生物组中心的科学主任,粘膜免疫学家。研究微生物组如何影响免疫系统的发育和调节免疫反应。她的实验室利用悉生生物来研究宿主-微生物群相互作用,并确定微生物驱动形成的免疫的细胞和分子机制。

David Relman:斯坦福大学医学系、微生物学和免疫学系的教授,以及加利福尼亚州帕洛阿尔托市退伍军人事务帕洛阿尔托卫生保健系统的传染病负责人。他是使用现代分子方法研究人类微生物组的早期先驱。他目前主要研究人类微生物生态系统的建立、稳定和恢复,并为人类健康和疾病做出贡献。

Moran Yassour:希伯来大学医学院和计算机科学与工程学院的助理教授。Yassour 实验室研究婴儿肠道微生物组的建立和发展,分娩模式和喂养方式如何影响婴儿微生物的组成和动态变化。该实验室专门研究出生队列,并使用计算和实验方法推断母婴微生物传播。

Vincent Young:密歇根大学医学院的 William Henry Fitzbutler 学院教授。作为一名传染病医生/科学家,他对胃肠道细菌感染有着长期的兴趣。他专注于医院获得性感染,包括艰难梭菌及其与宿主和原有微生物群的关系。

Q1:你认为现有的科学证据可以支持“宫内存在微生物定殖”或“无菌子宫”假说吗?你认为有必要做更多的实验工作来解决这个争议吗?

Martin J. Blaser:人体没有任何一个部位在任何时候都是无菌的。任何地方都可能发生隐性感染。例如在怀孕期间,母亲的急性或慢性感染可以穿过胎盘,直接感染胎儿,如先天性风疹(病毒性)、梅毒(细菌性)或弓形虫病(原生动物)。

然而这些都是特殊事件。就像大脑一样,胎盘也有重要的屏障来阻止微生物的传播,这样关键的过程就不会受到干扰。哺乳动物的胎盘基本上是无菌的。

无菌动物的发展依赖于创始成员是剖腹产,并在特殊状态下继续繁殖。根据当前所有常规的鉴别方法,这样的动物及其后代的品系是无菌的。如果有微生物组,很可能会代代相传。而啮齿类动物、非禽类动物、猪和人类等物种都已经实现了这一过程,这就反驳了有胎盘微生物组的说法。

剖腹产的人类婴儿的研究显示出不同的结果,很可能是由于方法和解释的不同造成的。任何关于原本就存在微生物群的说法都需要有充分的证据和明确的说法,因为它需要超越现有的理论和逻辑。在这一点上,我认为目前没有任何发现能跨越这一门槛。

Suzanne Devkota:定殖与建立真正的微生物生态位是两个不同的问题。定殖可以是短暂的,也可以是持久的,但真正的微生物生态位意味着一种复杂的、进化的、宿主-微生物的状态。

迄今为止的现有工作表明,子宫内环境中确实有可能存在微生物,但我相信这些微生物充其量是来自身体的其他地方,而不是子宫内环境的原生生物。我很难将这些提出胎盘微生物组的人类研究与无菌动物存在的事实统一起来。

但是另一方面,Susan Lynch 小组的最新研究表明,胎儿肠道的定殖非常令人信服,并且研究难度很高。

不过,从所有这些研究中总可以学到一些东西,比如说,阐明了试剂可能会被污染这一事实,就像一些早期胎盘微生物组研究所提出的那样。总之,无论何时我们要在认为是“无菌”的地方证明有微生物存在,对所提出的证据要求应该很高。当然,我们还需要做更多的工作。

Kathy D. McCoy:我认为,目前现有的科学证据更支持“无菌子宫”的假说。到目前为止,大多数证据并不支持子宫内存在真正的常驻微生物群。然而,有可能在子宫内存在短暂的微生物暴露,特别是在妊娠期较长的人类中。

要解决这一争议还需要更多的实验工作。重要的是要了解子宫内是否存在有限或短暂的微生物接触,微生物产物或代谢物通过胎盘的程度,以及这是否在免疫发育中发挥指导作用。

David A. Relman:在回答问题之前,可能需要对术语和语言进行澄清。“定殖”通常是指植物、动物或微生物在栖息地的建立,通常以持久的方式持续一段时间,并通过与先前存在的居民、宿主或与非生物环境的相互作用来巩固。“无菌”简单地说就是没有生命,但无菌的传统定义是指培养方法不能显示有生命的存在。这些要点很重要,因为它们是讨论的重点。

考虑到这些,当前可得的科学证据并不支持在正常健康状态下子宫内微生物由一致的一个物种或一组物种定殖。此外,胎盘或羊膜囊中真正的 “微生物群 ”概念也没有得到支持。“微生物群”指的是微生物群落,从生态学的角度看,群落是一组存在相互作用、往往相互依存的物种。

那么是什么样的证据引发了这场争论?在大多数情况下,它是通过 PCR 检测胎盘组织中的细菌 DNA,包括胎儿膜。但是,在研究和研究中,细菌 DNA 的存在非常不一致。

使用最严格的对照和最可靠的设计进行的研究未发现微生物 DNA,只发现了偶然的已知病原体的序列。一些研究报告了通过荧光原位杂交技术检测胎盘组织中的细菌 DNA。但是,这些数据也很少并且不一致,难以让令人信服。

对于检测这些临床样品中低水平细菌 DNA 的合理替代解释是 PCR、组织或试剂的污染。另一个可能的解释是受试者血液中确实存在细菌 DNA,并从血液丰富的组织中扩增出了 DNA。细菌易位或细菌成分(包括 DNA)泄漏到人体的所谓“有特权的”解剖位点,例如羊膜囊和胎盘,可能发生在某些人身上,甚至是健康人,但这种情况很少发生。

我们十年前的研究表明,可以在小部分孕妇的羊水中检测到细菌 DNA,它可能是未来不良妊娠结局的预测指标:其丰度与羊水中 IL-6 水平和白细胞计数成正相关,与分娩时间成反比。

最重要的是,DNA 的存在与“细菌定殖”截然不同,并且与真正的“微生物群”的存在截然不同。血液中细菌 DNA 的存在和污染都是对当前有争议的发现的合理解释。可以进一步明确这两种现象的起源和性质的其他进行严格控制的研究,将很有帮助。

Moran Yassour:就像我今天看到的那样,大多数发表的证据都支持“无菌子宫”的假说。虽然一些研究表明子宫内存在微生物定殖,但他们的证据并不表明存在一个活跃的和不断增长的群落,而仅仅是表明 DNA 片段的存在。

当然,挑战在于子宫内定殖的生物量可能极低,因此去除信号噪音是非常具有挑战性的。为了严格评估这一部位是否存在微生物,必须在每个步骤中加入明确的阴性对照,特别是要考虑到试剂等的各种污染物。额外的做法是加入阳性对照来评价数量,就像 de Goffau 等人[1]所做的那样,在其中加入 spike-ins 作为内参。

Vincent B. Young:我认为,在我们开始解决这个争议之前,最好先定义一下我认为的胎盘微生物组。我知道微生物组有多种定义,但在我的回答中,我将把微生物组称为“占据相当明确的栖息地并具有独特的物理化学性质的特征性微生物群落”。当提到形成群落本身的微生物时,我将使用微生物群(microbiota)这个术语。

使用这些定义的原因是,我认为为了解决争议,要证明胎盘微生物群存在的门槛相当高。对我来说,通过不依赖于培养的方法(例如 16S rRNA 文库或鸟枪法宏基因组测序)、荧光原位杂交(FISH)甚至细菌培养来检测微生物是不够的。(尽管我们也应该关注潜在的病毒和真菌群落,但当前我们主要聚焦于细菌,所以我将讨论限制于细菌。)

在我看来,你需要证明这个潜在的群落是长期稳定的,可以在原位繁殖并具有代谢活性。到目前为止,我还没有看到支持这一点的证据。人们可能会说我设定了一个不合理的期望,但这是我所支持的。

尽管有这些考虑,就算子宫是无菌的(意味着没有一个有生命力的、繁殖力强的、新陈代谢活跃的微生物群落存在),我认为也很可能有微生物对发育中的胎儿产生影响。

这里的“接口”依然是胎盘。研究者在胎盘中检测到微生物或微生物产物的存在,即使没有生命力,也可以通过免疫学或化学(即小分子)方式接触母体的原有微生物群,从而影响胎儿。暴露于微生物产物可能在胎儿的发育过程中起到关键作用。

我知道有些人利用我们培养出无菌小鼠的能力来反对“无菌子宫”假说。这是很难反对的。然而有趣的是,我们可以考虑一下,在无菌动物身上看到的免疫系统的差异是否与这些动物本身缺乏微生物群有关,是否反映了一个无菌母体所导致的异常发育。

提出这些论点的原因是要回到这样的观点,即关于子宫是否无菌的争论可能会掩盖微生物接触(直接或间接)在胎儿健康和发育中的作用这一重要问题。

Q2:产前微生物组的研究是否为整个领域提供了新的视角?你是否看到了产前微生物组研究应该吸取的教训,以及它将如何影响其他被认为无菌的身体部位的研究?

M.J.B:证明无菌是一项比识别微生物存在更困难的任务。无菌要求没有任何病原体,但可能存在尚未发现的感染性/微生物病原体。因此,正如物理学中的“不确定性原理”所预言的那样,证明无菌是一个遥不可及的目标。

然而,当使用标准/常规方法时,可以排除多种微生物的存在的可能。事实上,使用标准工具可以很容易地验证那些声称存在/不存在于孕妇胎盘中的药剂究竟是否存在于胎盘。

文献缺乏一致性的结果表明在技术问题上存在重要的差异和差距。“研究人员声称某个被认为是无菌的特定部位并非如此”这样的问题已经出现,而且还将再次出现。我们需要一个类似于科赫法则的理论来制定标准规则,以确定微生物在以前被认为是“无菌”的空间中是否存在。

S.D:是的,我认为这提出了一系列重要的问题,什么是体内真正的微生物生态位?易位的结果是什么?什么是假象(样品处理或试剂污染)?

我想随着时间的推移,我们会了解到身体的很多部位远没有我们想象的那么无菌。然而要真正栖息在人体部位,就必须保证微生物本身的互相作用不会对宿主造成伤害,并维持稳态。将其与易位区分开来很重要,我认为易位很普遍,并且会影响宿主生理(我们仍在探索中)。但这些微生物的“旅行”并不会在它们降落的任何地方产生新的生态位。

一些争议可以归因于对术语的分歧,这一点很重要。鉴于我们对共同进化和宿主生理学的了解,我们也应该经常问自己一个简单的心学问题 “这有意义吗?”例如,如果微生物在先前“无菌”的组织中定殖,那么鉴于我们对该组织中免疫反应的了解,这是否有意义?提出这个问题并不代表拒绝新颖性,但对指导之后一系列的实验很重要。你不能仅仅止步于确定是否存在微生物 DNA。

K.D.M.:我坚信,挑战现有教条的研究对科研是有益的,科学就是这样进步的。

产前微生物组的研究无疑向微生物组研究人员提出了挑战,要求他们优化和控制微生物检测方案。这场争论也导致了对“定殖”一词含义的重要讨论,并鼓励了微生物组研究人员更好地定义在其领域使用的术语。

如果只有少数细菌存在,即使是活的,也应被视为定殖者吗?妊娠期间存在微生物 DNA、少量活细菌或短暂暴露的功能后果是什么?长期以来一直被认为是无菌的部位存在微生物的争议增加了该领域的思辨和讨论,最终将推动微生物组研究向前发展。

D.A.R:这场关于 “胎盘微生物组”的争论突出了几个重要问题。

首先正如我前面提到的,通常认为微生物易位进入外周血流(和门脉循环)是常见事件,并与皮肤和粘膜的局部紊乱有关。由于易位通常是短暂且罕见的,因此很难得到关于健康人血液中微生物 DNA 的一致发现和统一模式。

虽然微生物易位可能对宿主的健康很重要,但它肯定会使具有“特权”的解剖部位的研究变得复杂。同样我们必须记住,DNA 不一定意味着活的甚至是完整的生物体。

其次,研究结果越来越支持这样的观点,即在怀孕期间和分娩时,细菌产物的系统性运输,特别是细菌代谢物,可能会对婴儿的产后发育产生影响。我们需要从总体上更好地了解产妇皮肤和粘膜微生物群落副产物的系统分布和垂直传播,以及它们在促进儿童健康方面的作用。

M.Y:在这一点上,产前的争议肯定会影响到这个领域,母乳争议也是如此,因为在这两种情况下,试图证明一个具有低生物量的定殖是非常困难的。

剖析低生物量微生物群落的挑战确实是一个机会,可以就一个非常具体且经过辩论的主题展开一些开创性的研究,而不再是对下一次发现的随机关联大声呐喊。如果我们能够通过改进的实验室技术和分析有效地应对这些低生物量/低多样性的微生物组环境,那么我们也将更好地应对复杂的微生物群落。

另一点是 16S 与宏基因组测序的敏感性。特别是在处理来自包括具有许多人体细胞的身体部位的样本时,16S 比宏基因组测序具有更好的灵敏度,不应自动忽略“不太先进”的方法。

V.B.Y:对产前微生物组研究的观察发现,似乎微生物组研究的结果非常依赖于技术。从事这项研究已有近 20 年的时间,我发现让其他科学家感到不安的是,研究宿主相关微生物的研究人员一直在使用越来越昂贵且依赖技术的方法来参与“fishing expedition”。在某些科学界,对产前微生物群的研究已经代表了怀疑者最严厉的批评。

(编者注:fishing expedition 是一个贬义词,用来描述缺乏明确范围和明确目的的调查。)

回到我先前关于微生物组定义的观点,当考虑其他被认为是无菌的身体部位(例如大脑/中枢神经系统和血液)时,有许多研究提到“血液微生物组”和“大脑微生物组”。同样,我们需要考虑观察到的内容以及如何进行观察。

最后,我们需要回归到微生物对宿主的潜在生物学效应(无论是最终被清除的活体生物还是微生物产物)。已经有许多立场文件指出,微生物组的研究已从结构研究(“谁在那里”的研究)转移到功能研究(关于微生物在新陈代谢、免疫相互作用等方面的作用的研究)。我认为这类研究在产前微生物组研究中很重要。

很可能胎儿对微生物并不是完全“看不见”。但是,使胎儿接触微生物世界的确切方式以及这种暴露的结果可能是下一个研究重点。尽管仍然对是否暴露这一问题感兴趣,但研究不应止步于此。我认为,关于新生儿微生物组的性质的一些激烈辩论可能阻碍了其他重要生物学问题的讨论。

Q3:关于产前微生物组的争议如何影响微生物组研究领域的可信度?

M.J.B:对科学发现的接受,是基于科学界和公众对报告特定发现的科学家的诚实和准确性的信任。

如果是通过不诚实的行为获得的发现或对后来被证明是不正确的发现进行报道,那么科学过程的可信度就会下降。因此,如果报告的工作重点是发现的新颖性,尤其是其对人类健康的潜在影响,但后来证明是不正确的,那么影响可能很大。

许多拥有自己科学议程的团体尤其把这一点放大了,他们抓住争议不放,作为贬低科学的一种方式。理性的科学家对数据的解释可能会有所不同,但支撑科学大厦岩石的是科学观察本身的正确性(和严谨性)。

S.D:我不认为这会影响这一领域本身的可信度。每个领域都有争议,这就是科学。

K.D.M:我认为从长远来看,这种争议不会损害微生物组研究领域的可信度。然而,可信度一般与负责任的报告有关。微生物组研究领域需要继续共同努力寻找真相。

D.A.R:这一争议无疑突出了许多调查人员和公众过快地接受和认可早期的、未经证实的、具有挑衅性的或与传统教学相悖的研究结果。

像其他领域一样,当新的研究结果被无声无息地匆匆宣布,而公众(有时是科学界)不能接受但又不加批判地质疑研究结果并要求复制时,微生物组领域的可信度就会受到影响。

由于正在进行的研究工作的范围和规模,进展的迅速性以及公众的利益,微生物组领域可能特别容易受到这个问题的影响。

M.Y:因为这个争议,整个微生物组研究领域都在谈论污染。这是一个很关键的讨论,我们都应该提醒自己:(a)增加更多的对照;(b)寻找结果中常见的污染源。

由于微生物组领域的炒作太多,而且标准化程度不够,很多时候会有几项发表的研究结果相互矛盾。这样的研究带来的长期后果是,科学家认为微生物组领域不够严谨,每一项研究我们都能找到另一项相反的结果。

这一点甚至在The Atlantic杂志(2016 年 4 月,Ed Young)的一篇文章中得到了阐述:“成千上万的研究已将微生物组与您可以想象的几乎所有条件相关联,但其中许多相关性可能是虚幻的”。

激烈的公开辩论是一个新领域的共同 “特征”,但实践和标准必须在某些时候趋于一致。

在该领域的特定方向(母婴微生物组),采样引发的生物学/伦理影响也具有固有敏感性,因此如果无法解决过度采样问题,那么概念和技术就需要继续发展。

V.B.Y:如上所述,微生物组研究领域总体上可能受到那些从领域外观察这场辩论的人的不利影响。我的一位同事曾经指出,这次辩论使他想起了“有多少天使能在一根针的头上跳舞”的疑惑。

(编者注:“有多少天使能在一根针的头上跳舞”,美国俚语,引申为纠缠于研究细小奇怪但缺乏实用意义的事情。)

我们需要明确的是,微生物组研究是微生物学这个漫长而富有成果的领域的延续,在此背景下,微生物组研究的重点是宿主与微生物的相互作用。关于产前微生物组的争论不是简单的哲学争论,而是科学探索微生物对发育中的胎儿发育和健康的潜在影响的一部分。

Q4:微生物组研究人员、科学期刊、出版社和资助机构在维护微生物组领域的信誉方面有什么责任?

M.J.B:所有人的职责是相同的:进行和报告基于认真方法和适当控制的科学研究,并根据研究结果得出合理结论。

在当今时代,也许在所有时代,由于争夺注意力和金钱,人们倾向于夸大科学发现的重要性。这是一种偏见,并通过不正确地分配优先级和以非最佳生产力的方式来引导资源,最终损害了我们的领域。这种特殊的损害存在于医学研究的所有领域,也许反映了达尔文式的资源竞争。但是,可以调整方法,使其影响最小化。

S.D:我认为媒体和科学家的首要责任是不夸大微生物组的影响。不要给人们虚假的希望,不要散播恐惧,也不要声称微生物组可以做一些它实际上可能不能做的事情,至少不要过早的说。

我相信,这是一个令人难以置信的领域,微生物指导疗法具有真正的潜力,但为了进行吸引人的科学,我们似乎完全跳过了宿主微生物生物学的一些基本研究。这些并不一定要相互排斥。多组学的力量毋庸置疑,但是如果将大数据的价值与真实的生理联系在一起,它的价值将更大。我认为,这是确保该领域信誉的最佳途径。

K.D.M:各方必须对报道负责,以维护微生物组研究领域的公信力。

微生物组研究人员必须注意不要过度解释他们的研究结果。微生物组研究人员还担任同行评审员,在这一角色中,他们必须严格评估稳健的微生物组研究所需的控制和方法的使用情况。

科学期刊和编辑必须确保对稿件进行严格和公平的审查,而不能违背审稿人的建议发表“耸人听闻 ”的报告。科学期刊也必须发表有助于扩大研究结果的稿件。

非专业媒体在向公众报道研究结果时必须非常负责任,必须抵制耸人听闻的诱惑。微生物组研究人员在接受采访时必须竭尽全力,阻止这种类型的报道或炒作。

D.A.R:我认为科学界的责任是最重要的。我们需要更多地考虑整个科学事业的健康发展,而不是考虑自己的受欢迎程度,考虑“关注者”和 “喜欢者”的数量。

我们需要批判而又尊重他人,为实现可重复研究的目标而孜孜不倦地工作,并在共享协议、工作流和原始数据方面进行充分合作。在精心设计、精心控制的研究和重复数据集中获得的负面结果必须得到推广。期刊、新闻界和资助者应承担相同的责任,但我认为,这一切都始于科学家和科学。

M.Y:作为一个研究团队和出版团体,我们的责任一如既往是对我们所呈现的内容保持批判的态度,并仔细考虑所有研究的设计。

如果能够为操作的标准化提供明确的指导方针,则可以维护该领域的信誉。

如果进行了一项与过程相关的所有变量的比较研究(从样品收集,提取,测序和分析),那么我们可以更好地评估各论文之间的差异,并确定在这方面最佳/最差的做法。

这样的研究对于该领域的所有贡献者来说可能是一个很好的基准,可以评估研究方式的影响,并将其结果与其他论文的结果进行比较。像 Amos 等人一样[2],关于标准化的开创性研究开始兴起。

继续进行此类研究将是有益的。国际合作组织可以着手进行这项工作,该组织已经为该领域提供了相当大的数据集,并且具有为整个领域设定黄金标准的信誉。

最后,给所有微生物组研究者一个个人的心得,当我们建立一个新的队列时,我们必须设置足够的对照,去充分证明这是信号而不是噪音。

V.B.Y:总之,科学因辩论而兴盛,但辩论应该是促进知识进步的手段,而不是目的本身。在我看来,要获得的重要知识是了解宿主和其微生物之间的密切共生关系如何影响相关双方。这种理解可以带来新的疗法和干预措施,通过促进宿主和常驻微生物之间的互利互动来改善宿主的健康。

参考文献:

1.de Goffau MC, Lager S, Sovio U, Gaccioli F, Cook E, Peacock SJ, Parkhill J, Charnock-Jones DS, Smith GCS. Human placenta has no microbiome but can contain potential pathogens. Nature. 2019;572(7769):329C34.

2.Amos GCA, Logan A, Anwar S, Fritzsche M, Mate R, Bleazard T, Rijpkema S. Developing standards for the microbiome field. Microbiome. 2020;8(1):98.

原文链接:

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-020-00946-2

作者|Martin J. Blaser, Suzanne Devkota, Kathy D. McCoy, David A. Relman, Moran Yassour和Vincent B. Young

编译|拍了花宝贝

审校|617