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如何将微生物组研究转化为治疗手段?看看MIT怎么做

编者按:

近年越来越多的研究显示,人体健康与微生物组之间有着密切的关系。人们逐渐认识到人体中的微生物是人体不可或缺的重要组成部分,在人体健康和疾病中发挥着重要作用。那么要如何把微生物组研究成果转化为治疗疾病的手段呢?

今天,我们特别编译麻省理工学院(MIT)官网发表的题为“Turning microbiome research into a force for health”的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

将微生物组研究转化为改善健康的力量

人类微生物组由生活在我们身上和体内的数万亿微生物组成。从历史上来看,很久之前就已经有一些研究人员对其在人类健康中的作用进行了猜测,但在过去十年左右的时间内,基因测序技术才真正把这个“微生物星系”照亮,让研究人员得以进行更加细致的研究。

随着研究人员逐步解开我们的身体和微生物组之间复杂的相互关系,他们开始充分了解到该领域在治疗疾病和促进健康方面的潜力。

例如,与我们的肠道微生物变化相关的病症越来越多,包括 2 型糖尿病、炎症性肠病、阿尔茨海默症和各种癌症。

“几乎在所有被研究过的疾病中,我们都发现了不同类型的微生物群落,它们在健康人和患者之间是不同的,”生物工程教授 Eric Alm 说,“如果这些发现中的一些差异是因果关系,那么干预并改变微生物组将有助于治疗其中某些疾病。”

Alm 及其团队与麻省理工(MIT)布罗德研究所和哈佛大学的合作者一起完成了一些微生物组领域的早期工作:描述肠道微生物组的特征,并揭示了它们与人类健康的关系。也正是从那时起,微生物组研究出现了爆炸式的发展,吸引了其他领域的研究人员,并产生了新的发现。

创业公司现在正致力于开发基于微生物组的治疗方法,而非营利组织也如雨后春笋般涌现,以确保这些基本的科学进展转化为惠及最多人的疗法。

“这个领域的第一章,以及我们的历史,一直在努力验证这种模式。”Mark Smith 博士说。他是 OpenBiome 的联合创始人,该组织为医院处理粪便捐赠――为那些与肠道感染作斗争的患者进行粪菌移植。Smith 还是初创公司 Finch Therapeutics 的 CEO,该公司正在开发基于微生物组的治疗方法。

“直到现在,微生物组都被认为极具潜力。现在我觉得我们已经实现了第一个成功。下一步就是要弄清楚它会发展到什么程度。”Smith 说。

跨学科基础

MIT 在微生物组研究方面发挥的突出作用,部分源于它在这个乍一看似乎不相关的领域的领导地位――土木与环境工程。几十年来,MIT 在土木与环境工程系 Parsons 实验室以及 Penny Chisholm 教授在内的科学家们的领导下,为微生物生态学做出了重要贡献。

生态学家使用复杂的统计技术来研究不同生态系统中生物的相互关系,这让研究人员可以更好地研究微生物组中不同细菌菌株的表现。

但是,这并不是说生态学家或者其他任何人一开始就做很多关于人类微生物组的研究,其实直到 21 世纪初期,人类微生物组对研究人员来说还基本上是一个黑匣子。

但人类基因组计划带来了更快速、更廉价的大规模基因测序方法,在 2008 年左右,包括 Alm 和客座教授 Martin Polz 在内的一部分研究人员开始使用这些技术来解码环境中细菌的基因组。

这些技术首先被用于人类微生物组项目(HMP),肠道微生物组是该计划研究内容中的一部分。人类微生物组计划始于 2007 年,MIT 和布罗德研究所的研究团队参与了该计划。

Alm 最初是受已故的生物工程教授 David Schauer 的邀请,参与波士顿儿童医院研究负责的一个研究项目。“没花多少时间就赶上了进度,”Alm 说,“当时明确提到微生物组的论文花一个下午就能读完。”

包括布罗德研究所核心成员 Ramnik Xavier 在内的这项合作,对肠道微生物基因组进行了首次大规模的测序,以诊断炎症性肠病。这项研究部分由 Neil and Anna Rasmussen 家族基金会资助。

这项研究让我们得以一窥微生物组的诊断潜力。它也强调了将不同领域的研究人员聚集在一起进行更深入研究的必要性。

采取跨学科的研究方法是非常重要的,因为在二代测序技术应用于微生物组之后,仍然需要大量的计算生物学和统计学方法来解释所得到的数据――毕竟微生物组包含的基因比人类基因组还要多。

随着不同部门和实验室的研究人员之间微生物学合作增加的同时,Neil Rasmussen 意识到,要想把微生物组研究变成一股促进人类健康的力量,还缺一个关键的部分。

“Neil 的想法是找到(波士顿)地区所有研究与微生物组相关疾病的临床研究人员,并将他们与 MIT 的人(生物工程师、数学家和生态学家)结成对子,后者可能对炎症性肠病或微生物组一无所知,但拥有解决该领域大问题所需的专业知识。”Alm 说道。

2014 年,这种洞察促使 Rasmussen 基金会支持并创建了微生物组信息和治疗中心(CMIT),这是美国首批以大学为基础的微生物组研究中心之一。CMIT 设在 MIT 医学工程与科学研究所(IMES)。

麻省理工学院 Hermann L. F. von Helmholtz 职业发展教授Tami Lieberman(有生态学背景)表示,CMIT 是她 2018 年加入麻省理工学院的一个重要原因。Lieberman 开发了新的基因组学方法,来研究健康和患者中的细菌的突变情况,特别是皮肤微生物组。

化学家 Laura Kiessling 也很快加入了 CMIT,他为我们理解细胞表面相互作用作出了的突出贡献。Kiessling 是诺华制药的化学教授,他发现了与免疫功能相关的微生物机制。Lieberman 和 Kiessling 也都是布罗德研究所的成员。

如今,CMIT 由 Alm 和 Xavier 共同领导,除了支持该地区的研究团队外,还促进了来自美国各地医院的研究人员和临床医生之间的合作。这项工作促成了数百项正在进行的临床试验,这些试验则有望进一步阐明微生物组与各种疾病的关联。

从粪菌移植到小分子药物

研究人员目前还尚不知晓哪种特定的细菌菌株可以改善患有微生物组相关疾病的人群的健康。但他们确实知道,移植携带健康供体全部肠道细菌的粪便物质可以帮助患有某些疾病的患者。

非营利组织 OpenBiome 由包括 Smith 和 Alm 在内的一群同属 MIT 的人创立,该组织于 2012 年启动,通过筛选捐献者进行粪便采集、处理、存储,并将样本运送到医院的方式,扩大粪便移植的机会。

如今,OpenBiome 已经与 1000 多家医院合作,其早期在该领域内的成功经验表明,基础微生物组研究与 CMIT 正在进行的临床试验等配合,可以快速产生新的治疗方法。

“你从一种疾病开始,如果该疾病与微生物组存在关联,那么你可以先进行一个小型试验,看看粪菌移植是否可以立即帮助到患者,”Alm 解释说,“如果这成为了一种有效的治疗方法,在你推广它的同时,你可以进行基因组学研究来找出如何使其效果更好。因此,相较于开发小分子药物,你可以更快地将治疗方法转化给患者。”

另一个从 MIT 发起的非营利项目 “全球微生物组保护协会”(Global Microbiome Conservancy)正在收集世界各地过着非工业化生活的人群的粪便样本,这些人的肠道菌群组成非常不同,因此有可能促进我们对宿主和微生物组相互作用的理解。

一些由 MIT 校友创立的私人公司也在尝试利用个体微生物创造新的治疗方法,其中包括 Mark Smith 创立的 Finch Therapeutics 公司、Jared Kehe 博士和 Bernardo Cervantes 博士共同创立的 Concerto Biosciences 公司、Tim Lu 副教授创立的 BiomX 公司以及 Lu 和 MIT 医学工程与科学学院 Termeer 教授 Jim Collins 创立的 Synlogic 公司。

“这是一个更精准地改变微生物组的机会,”CMIT 的 Lieberman 解释说,“但要想弄清楚如何针对性地调节微生物组,还有很多基础科学研究要做。一旦我们弄清楚如何做到这一点,微生物组的治疗潜力将是无限的。”

原文链接:https://news.mit.edu/2021/microbiome-research-health-0105

作者|Zach Winn

编译|Dayu