微生物引起的健康因素.pdf

生命科学 近几十年来 科学家们一直在用单一的微生物给无菌动物移植 以评价它们对健康的J贝 c 献 通过把现代免疫学技术 工具与这 l i t 模型结合起来 我们正在开始揭开和细菌其栖对人类 健康的影响 无论何 时 我们身 体暴露 于 环 境 中 的 表 面 几 乎 全 部 被 数 以 万亿 的共生 的细菌覆盖 但是 它 们 在 干 什 么 它 们 为 什 么要 这 么 做 如 果你想 了解共生 的微 生物 对哺乳 动物 的影 响 那么 与不带 细菌的老 鼠呆在一起 是很好 的起 点 对 益 菌产 生兴趣 我 2 0 0 2年 开 始 从 事 对 这 个 问题的研究 那时熟 悉无菌老 鼠 模 型的人仍 如此 之少 以至于我 不得不 说服 r 一 位退休 的技术员 帮助我 建立 灭菌室 并 教我 卫生 工 程 的方 法 跟 他 那 个 时 代 5 0 年前 使用 的老式 的钢和玻璃 的 装置不 同 我们用 塑料泡沫 能做 出漂亮的 现代化 的可容纳 4个 老 鼠笼子 的无菌室 在最初发 生 了几 次无菌室 污染后 我开始 明 白为什么研究人 员很少使 用无菌 动物 了 差不多一 个世 纪以前 科学 家构想 出无菌 动物 但直到 1 9 4 5 年才成功 饲养出无 菌动物 美 国 圣 母 大 学 的 詹 姆 斯 A 瑞 尼 尔 斯 J a me s A R e y n i e r s 领导的团队第 一 墨 壁 兰 一 个 成 功饲 养并 研 究 了无 菌 动 物 当时研究人员得 出结论 除净 哺乳 动物身上 的微生物 可能是件 好 事 他 们 饲 养 的 成 年 老 鼠都 长 出 巨大 的 腹 部 这 源 于 消 化 问 题 但 除此 以外 它们 似 乎 和典 型的老鼠一样健康 活得一样长 那 时候 科学 和细 菌之 间是 敌对关系 微生 物学 家的主要 目的是研究 传染病 似 乎没有 人 想 知 道 表 面 上 看 似 被 动 的 共 生 细菌在做什 么 事实 的确如此 先 后 有 2 0位科 学 家 因研究 对 有害 微 生物的免疫 反应而获得 诺 贝尔 奖 从肺 结核到 胃溃疡 的病 原体 幽 门螺杆菌 但 从大局来 看 细菌 感染是 罕见 的和小 概率 的 在 已 知的 3 0多万种 细菌 可能总共 有 几 百 万 种 之 多 中 只有 大 约 1 7 0 种对 哺乳动物是致病 的 当 我 2 0 0 0年 接 受微 生物 技 术训 练时 研 究的焦点仍 是在病 原菌上 但是 我逐渐被益菌 的潜 在好处激起 了兴趣 毕竟 我们人 磊 J 编 译 类 已经 和共生细 菌一起共 同进化 了 几 百 万 年 戴 维 斯 特 罗 恩 Da v i d S t r a c h a n 于 1 9 8 9年 提 出 了 卫 生 假 说 h y g i e n e h y p n fl l e s i s 他把身 体对环境 微生物暴 露 较少 这在 发达 国家 很常见 与 较 高 的过 敏症发生 率联系起 来 这 个观点对 我很有 启示 共 生细菌 帮助我们牵制病原 菌 1 9 9 0年 代末 新 的研 究正开 始揭示共 生体也有 助于肠 道结构 的发育 如果细菌 对发育 是如此 重要 那 么它们还 可能做 什么别 的吗 它们能让我们 更健康吗 尽 管充 满了挑战 但 是我确信 了解 细 菌 的 系 统 效 应 的 最 好 方 法 就 是 从 完 全 不 带 细 菌 的 老 鼠开 始 机会 主义 病原 体 2 0 0 2年 我 从 加 州 大学 洛 杉 矶 分校获得 博士学位 后 就进 了哈 佛 医学院 丹尼斯 卡斯 珀 D e n n i s K a s p e r 的实验室 他正致 力于研 究一种 流行 的共 生细 菌 脆 弱 本文作 者萨基斯 马兹曼尼亚 S a r k S M a z rn a n a n 是 加州理工 学 院生物 系的助理教授 萨拉 麦克 布赖德 S a r a M C B r 1 d e 在马 兹复尼 亚 的实验室里从事研 究 题图为脆 弱拟杆菌 生命科学 拟 杆 菌 B a c t e r o i d e s f r a g i l i s 人 类 肠 胃 中 的 一 种 机 会 主 义 的 病 原 体 该 细菌通 常被 划分 为一种 严 格 的厌 氧菌 只有 当氧 的水平 极 低时才能生长 译者 注 卡 斯珀 的实验 室 已对覆 盖 在 脆 弱拟 杆菌上 的荚膜 多糖研 究 了 数 年 类 似于猕 猴桃 上 的毛绒 其 表 面 多 糖 是 重 复 糖 分 子 链 能 在 细菌 的表面 上形成 一道 粘液状 的屏障 卡斯珀 已经发现 所研究 的 8个 多糖 中 2个多糖 有一种独 特 的两性 离子结 构 这些 多糖分 子 在其每个 重复单 元上 既有 正 电 荷 又有 负电荷 很多种 细 菌表 面 都 覆盖 了多糖 而 只有 少量 的细 菌 具 有 两性 离 子 多 糖 初 进 卡斯 珀 的实 验 室 时 我 想学 习更 多的关 于这些 多糖 及其 性质 的知识 我把 脆弱 拟杆 菌 中 涉 及 到 多 糖 产 生 的 基 因 进 行 突 变 处 理 以表 达 这 8个 表 面 多 糖 的 不 同组 合产 物 通 过删 除基 因 的 启动子 区 我删掉 了 8个多 糖 中 的 7个 但是 尽管做 了几百次实 验 我仍无 法制得 不带 这 8个 多 糖的活细菌 这很清 楚地表明 这 些细 菌需要 这种糖 衣来 维持 正常 的功能 但 是我很 想知 道这些 多 糖是否 也很 重要 因为它 们提 供 了 一 些 哺 乳 动 物 宿 主 缺 乏 的 东 曲 卡 斯 珀 的 实 验 室 已 经 证 明 在 试 管 中 多 糖 A P S A 这 8 个 多糖 中最 普遍 的 多糖 能刺 激 免疫 系统 的 T细胞 他 们还检 测 了 脆 弱 拟 杆 菌 的 另 一 种 两 性 离 子 多糖 多 糖 B P S B 但 发现 它 的刺 激 效 应 跟 P S A 比相 形 见 绌 P S A 是 否 影 响 了 动 物 的 整 个 免疫 系统 这是 一个 只能在 无菌 老 鼠受 控 情 况 下 提 出 的问 题 重启 无 菌 老 鼠模 型 无菌动 物研 究工 作 的全盛 期 是 1 9 4 0年 代 5 O年代 近年来 一 些研究 人 员重新 启用 了那时 的无 菌 老 鼠 模 型 发 现 了除 老 鼠 巨 大 的腹部 和消 化 困难 以外 更多 的问 题 随着新 的细胞 和分 子工具 的 使用 研究人 员 证明这 些动物 的 免疫 系统存 在严 重问题 抗体 缺 乏 对感染 有较高 的易感 性 淋 巴 集结和 次级 淋 巴小 结 淋 巴细 胞 发挥活性 的场所 的数 量减少 肠 内巨噬 细胞 活性较 低 肠 内上 皮 淋 巴 细 胞 的数 量 和 细 胞 毒 性 减 少 1 9 9 2年 荷 兰 国家 应用科 学 研 究院 衰老 和血管研 究所 的莱 克 斯 纳 杰 尔 克 肯 L e x Na g e l k e r k e n 发现 与照 常规培 养的 老 鼠相 比 无菌 老 鼠的 C D 4 T细胞的数量 减 少 了 C D 4 T细胞对 调节 免疫反应 起到关 键作 用 能激活 细胞反 应 和抗体 反应 于 是 我 们决定 用 CD 4 T 细 胞 水 平 作 为 无 菌 老 鼠健 康免疫系统 的标记 我 们 给 一 组 无 菌 老 鼠移 植 了 完整的脆 弱 拟杆菌 给另 一组老 鼠移 植 了另 一 株脆 弱 拟杆 菌 这 株细 菌缺 少多糖 A P S A 但另 7 种 多糖都 有 使我高兴 的是 完整 的脆 弱拟杆 菌 即野 生型 使 那些 老 鼠 的 C D 4 T细胞 水 平恢 复 了 而 在 移植 了缺 少 多 糖 A 的变 异 细 菌 的 老 鼠 中 C D4 T细胞 水平 几 乎 与无 菌 老 鼠 中 的 CD 4 T细 胞 水 平 一 样 差 这是 一个重 要 的结果 不 仅 是单 一的 菌株 能够使 C D 4 T细胞 恢 复 到 健 康 水 平 而 且 我 们 还 确 定 了介 导这 些效 应的特 定表 面分 子 我又检查 了多糖 A P S A 对免 疫 系统其 他 武器 的影 响 E们 是能 直接 杀死别 的细胞 的 C D 8 T 细胞 以及 产 生 抗 体 的 B细 胞 结 果 显示 这 些细胞 似乎并 没有受 到影 响 看上去 带有完整多糖 A 的 细 菌 特 定 地 诱 导 了 C D4 T 细 胞 当浏 览 脾脏 的组织 学 脾脏 和淋 巴结 一起 是免 疫反 应发生 的场所 时 我们 发现 移植 了不带 多糖 A 的 脆 弱 拟 杆 菌 的 无 菌 老 鼠 缺 少 界 线 明 确 的 滤 泡 结 构 f o l l i c u l a r s t r u c t u r e 而 这 种 结 构 是健 康免 疫细胞 发育 的一 个明确 标 志 移 植 了野生 型脆弱 拟杆菌 的老 鼠含 有大量 的滤 泡 细菌在 除 了肠道 外 的器官发 育 中可能扮 演一个角 色 这是第 一个 证据 助 手 C D 4 T细胞 堂 墨 型 兰 生命科学 为 了核查 多糖 A P S A 分 子 的特定作 用 我从 脆弱拟杆 菌表 面提取 纯化 了多糖 A 当我喂给 无 菌 老 鼠这 种 多 糖 时 它 们 的 C D 4 T细胞 发展成常规水平 而且 是在没有一点细菌 的情况下 下一个 问题是 多糖 A P S A 是 同 等 地 刺 激 所 有 的 CD 4 T 细 胞 还是 C D 4 T细胞 中的一个分 支被优先激活 原来 助手 C D 4 T细胞依 据它们 分泌 的细胞 因子 被 分 成 2类 T一助 手 l T h1 细 胞 能激活免疫 系统 的细胞武器 T 一 助 手 2 T h 2 细胞 能激活 体液 或抗体 制造 B细胞 T h 1和 T h 2 细胞之 间的平衡对 免疫系统行 使 正 当 的 功 能 是 很 重 要 的 当 我 们 研 究 无 菌 老 鼠 的 T h属 性 时 发 现 它 们 的 T h细 胞 因 子 有 一 个 异 常 的平衡 跟 常 规 老 鼠相 比 无 菌 老 鼠 制 造了大量 的 白细 胞介 素一 4 i n t e r l e u k i n一 4 即 I L 一 4 这 是 一 种 T h 2细 胞 因子 和 极 少 的 y 一干 扰 素 I F N y 这是一种 T h 1 细胞 因 子 但 是 移植 了野生型脆 弱拟 杆 菌的无菌 老鼠把 y 一 干扰 素的水 平恢复 到了正常 并且 降低了 T h 2 细 胞 因 子 的 量 纯 化 的 多 糖 A P S A 能 把 无 菌 老 鼠 的 T h 1 T h 2 平衡恢复到正常水平 因此 似乎 是健康免 疫系统 的固有特 征的东 西 事 实上竟然 完全被一 种单一 的 细 菌分 子所 控 制 我们 的成果 发表不 久 一 项 扩展 卫生 假说 h y g i e n e h y p o t h e s i s 的流行病学 研究吸 引 了我 的 注意 这项新研究表明 非 过敏性 自身 免疫 疾病 例如 多发性硬化 1 型糖尿病 克隆氏症在欧美 国家 的发病率 也呈上 升态势 这使我 想到 脆 弱拟杆 菌可能在 大范 围 一 墨 壁 兰 的免疫 性疾 病方 面也 有 作用 或 许 它正在 为促 进肠道健 康而 塑 造 一个 协调 的 复杂 的免疫 图 谱 一 般 来说 免疫 系统应该 识 别外源病原体 例如细菌 并 消灭 它们 同时避开健康 的人体 细胞 但 是 有时免疫 系统 不能分辨 自 体 和 非 自体 之 间的不 同 结 果 导致 自身免疫 性疾病 这类疾 病 的一 个特征就 是 T h 1 T h 2的 比例 失调 导致免 疫系统攻击 宿主 的 组织 因此 如果脆弱拟杆 菌能够 纠 正 T h 1 T h 2的失 调 或 许 它 也 能 改善 自身免疫疾病 发 现新 CD 4 T细胞 我 选 择炎 性 肠 病 I B D 作 为 研究对象 这是一种 包括人类 溃 疡性 结 肠 炎 和 克 隆 氏症 在 内 的 自 身免疫疾病 患者表 现的症状 有 腹痛 腹 泻 以及 由免疫 细胞攻击 小 肠或 大肠 而导 致 的直 肠 出血 在美 国 大约 2 0 0万人正遭 受着 这些疾病 的 困扰 并且这 个数字 还 在 快 速 增 加 几 十年来 研究人 员一 直在 寻 找 导 致 I B D 的病 原 菌 株 但 一 无 所 获 不 过 最 近 几 项 研 究 指 出 共生 而 不是 病原 细 菌在 引 发 炎 性 肠 病 上 起 到 了作 用 由 于 脆 弱拟 杆 菌 的好 处 已在 我 脑 海 里 留下 了深刻印象 所 以我很想弄 清 楚 如 果 引 发 炎 性 肠 病 不 是 因 为存在某 些共生细 菌 而是 因为 缺少保护 性的共生 细菌 那 情况 将会 怎样 为 了检 验这 个假设 我 给野 生 型 老 鼠移 植 了脆 弱拟 杆 菌 然 后 通过 引入肝 螺杆 菌 He j i c o b a c t e r h e p a fi c u s 这 是 已 知 的 一 种 可 在 实 验 模 型 中 引 起 炎 性 肠 病 的细 菌 诱导 老鼠患炎性肠 病 结 果 显 示 脆弱 拟杆菌 可保 护老 鼠不 患 上炎性肠病 但是 用 缺少 多糖 A P S A 的脆 弱拟杆 菌移植 的老鼠 没有 受到保 护 脆弱拟 杆菌似乎 使 自身反应性 免疫细胞 停止 了活 动 并防止了对肠道 的伤 害 2 0 0 6年 我 在 加 州 理 工 学 院 晋升为助理教授 那时 研究人员 已 经 发 现 了 一 种 新 的 C D4 T 细 胞 它 能充 当 自身免疫疾病 的一 个 关键性调解 人 这种新 细胞 T h 1 7细胞 不 久就 在免疫学界风 靡 一时 T h l 7细胞 可 以制造 I L 一 1 7 一种 与每种 已知 的 自身 免 疫疾病都有关 的强效炎性 T 一 细胞 因子 当 时 已很 清 楚 了 免疫 反应 实 际 上 能 被 理 解 为 T h l 细 胞 T h 2 体液 或 T h l 7 自身免疫 途 径 几 项研 究 发 现 T h 1 7反应 涉 及 到引起 老 鼠模 型的炎性肠 病 多 糖 A P S A 是 否 在诱 导 T h l细 胞 因子 使平衡远 离太多的 T h l 7 和 T h 2 如果 真是这 样 那 将支 持我 早期 的研究结果 即多糖 A P S A 启 动了 T h l细胞 因子 的产生 T h l 可 以减 少无 菌老 鼠 中较 高 的 T h 2 响应 但是 这个机 理是什 么呢 多糖 A P S A 也抑 制 促炎 的 p r o i n fl a mma t o r y T h 1 7细 胞 吗 真 正 全新 的影 响 我 已 经 证 明 多 糖 A P S A 能 引起 C D 4 T细胞 的增殖 就像 我 早期 研究 的无 菌老 鼠中的情况 一 样 而 且 还 证 明 另 一 种 被 称 为 调 节 性 T一细 胞 T r e g u l a t o r y c e l 1 的细胞 也被 激 活 它 通 过制 造 细 胞 因 子 I L一 1 0阻 止 了 发 炎 这种细胞 因子足 以抑制 促炎 的 I L 一 1 7 并 保护 肠道 免受免疫 攻击 见 图 我开始充分意识到 脆弱 拟 杆菌 不仅在诱 导 离散 的免 疫反 应 如 T h l细胞 而 且 在 为促 进 肠 道 健康 而 塑 造 一个 协 调 的 复杂的免疫图谱 有 几 个 实 验 室 近 来 已 能 够 对 健康人 和炎性 肠病 患者 的微 生物 群进行测 序 结果 显示 跟健 康人 相 比 炎 性 肠 病 患 者 的 拟 杆 菌 B a c t e r o i d e t e s 数 量显著 减少 现 在 临床 一般 对炎性 肠病 患 者给 予消炎药 物 但 是这 抑制 了 整个 免疫系统 使病 人有 患其 他疾 病 和感 染的较高风险 理论上讲 作 为 一 种 益 生 菌 疗 法 p r o b i o t i e t h e r a p y 的脆弱 拟 杆菌 或 甚至 是 单独 的多糖 A P S A 都将 对人 有 更加特 定性的消炎反应 脆弱 拟杆 菌肯 定不 是 人类 肠 道 中 唯 一 重 要 的 共 生 细 菌 它 仅仅 是第 一个 和一个 免疫 调节 分 子 一起被 发现 的共生 菌 人类 微 生 物 组 计 划 H u m a n Mi c r o b i o m e P r o j e c t 是一项 由美 国国立卫 生 研究 院 N I H 资助 要 对数百人 的 微生 物群 进行测序 的计划 目前 这项 计划 已着手 测定 存在 于人类 肠 道 中 的相 对 大量 的全 部 细菌 随着 存 在 于 健 康 个 体 中 的细 菌 家底 的 摸清 那 将更 容 易 理 解 哪 些 细菌 可 能在 患 者 中丢失 了 有 希 望 的 是 人 类 微 生 物 组 计 划 将引导发现其 他的有益细菌 近几十年来 科学家们一直 在 用 单 一 的 微 生 物 给 无 菌 动 物 移 植 以评价它们对健康 的贡献 通 过把 现代 免疫学 技术 工 具与 这 些模 型结合 起来 我们 正 在开 始 揭开 和细 菌共栖 对人 类健 康 的影 响 真 正 全 新 的影 响 资料来源 T h e S C 1 e n t 1 S t 责任编 辑 则 呜 多头绒泡菌 一种黏乎乎的粘菌类的奇妙行为与人类智 力2间究竟存在着什 厶样的联系 而忆阻器的研究一开始就 是一个纯逻辑J n 题 的胜利 一种以往人们不知其存在的电 子元件将为我们揭开这个秘密 您 是 否 有 缺 失 过 什 么 的感 觉 吗 如果有 您 不会是 唯一有 这 样感 觉的人 著 名的俄 国化 学家 D 门 捷 列 夫 D Me n d e l e e v 在 1 8 6 9年 发 现 他 的元 素 周 期表 中 有 4个 空 位 缺 失 时 也 正 是 这 种 感 觉 当时 尚未被 发现 的元 素 是钪 镓 锗 和 锝 1 9 2 9年 英 国 物 理 学 家 保 罗 迪 拉 克 P a u l D i r a e 在探 研 他用 来 描述 电子