面向临床医师的微生物组研究

摘要 ：尽管在诊断学和治疗学领域已取得显著进展，微生物组研究尚未真正应用于临床医学。为推动微生物组科学向临床实践转化，需采取多项关键举措：包括微生物组研究标准化、临床试验设计优化，以及促进微生物组研究人员与临床医师之间的沟通协作。

肠道微生物群在临床实践中的转化困境：研究进展与临床应用脱节 近年来测序技术和生物信息学工具的突破性进展，使得肠道微生物群的组成结构、功能潜力及其与多种人类疾病相关的微生物组紊乱得以全面解析。与此同时，机制研究揭示了肠道微生物组在人类健康与疾病中的关键作用。这一进展引发了学界对肠道微生物组改善人类健康潜力的广泛关注。然而，微生物组科学尚未真正融入临床实践。以粪便微生物群移植术（FMT）为例，该技术虽获准用于复发性艰难梭菌感染（rCDI）的临床治疗1，但针对其他适应症的研究仍停留在实验室阶段。此外，尽管益生菌是医疗支出的主要推手之一，但其临床应用往往缺乏强有力的证据支持2，其对人类健康的实际作用仍存在争议。微生物组领域中研究与临床应用之间的转化困境，主要源于生物学特性、方法学限制、物流瓶颈及临床实践局限性等多重因素（见框1）。

首先，人类微生物组的异质性和复杂性可能导致肠道微生物组与特定疾病或结局之间无法建立明确的因果关系，这使得临床前研究结果向人体研究转化的过程变得复杂。尤其在非传染性慢性疾病（NCDs）领域，此类转化研究常产生不一致或次优结果。

从方法学角度来看，还需考虑饮食、环境、伴随用药及其他影响微生物组组成因素的作用。此外，微生物组分析与干预标准化方案的传播不畅，阻碍了人类研究中可重复性结果的产生，进而影响其实际应用价值。

肠道微生物组支持采用个性化微生物组调节方案而非一刀切疗法，但这一目标会受到临床实践中实施微生物组分析及患者个体化治疗方案所带来挑战的阻碍。肠道微生物组支持采用个性化微生物组调节方案而非一刀切疗法，但这一目标会受到临床实践中实施微生物组分析及患者个体化治疗方案所带来挑战的阻碍。这通常导致样本量较小的单中心研究，可能影响研究结果的普适性，以及基于微生物组的疗法或生物标志物从研究向临床应用的推进。

最后，尽管生物学证据可能支持微生物组在医学中的应用，但直接证据尚未充分确立，使其能够在多种临床适应症中投入实际应用。例如，有前景的数据支持将微生物组作为多种疾病（如癌症）的诊断或治疗工具，具体细节将在后文详述。然而，当前的研究结果仍需在更大规模的队列中进行验证，经过混杂因素评估后的确认，和/或通过机制性证据加以佐证。总体而言，这种缺乏共识性证据的情况阻碍了大多数临床医生将微生物组纳入其临床实践；此外，他们大多对处理微生物组科学的细微差异和复杂性缺乏足够的信心。这些关键因素共同阻碍了研究数据在临床实践中的应用。

将 MICROBIOME 引入临床实践：潜力、现状及挑战

尽管肠道微生物组研究尚未在临床实践中广泛应用，但近年来多项证据表明，微生物组既可作为诊断工具也可作为治疗手段，这些证据正逐步弥合该领域科学与临床医学之间的鸿沟，如图1所示。

微生物组作为诊断工具

 人类微生物组在临床医学中作为诊断工具具有广泛的应用潜力，包括特定疾病的诊断或风险评估、疾病自然病程的预后判断、治疗反应的预测，以及治疗性微生物组调节剂（如粪菌移植FMT）的精准调控及其疗效监测。当前生物信息学领域的进展（例如机器学习）正逐步将复杂的微生物组数据转化为易于管理的指标和临床决策支持工具。近期多项研究已为在临床实践中应用微生物组诊断技术提供了直接或间接证据。

微生物组诊断在疾病预测/早期诊断中的应用

迄今为止，结直肠癌（CRC）在诊断微生物组领域已吸引了大量研究投入。首先，两项针对地理分布不同数据集的宏基因组分析发现了与CRC稳定相关的微生物特征，这些特征能够提升粪便潜血检测的诊断准确性³，⁴。近期，在近1000名接受结肠镜检查的患者大型队列中，结直肠癌前驱病变（特别是管状腺瘤和无蒂锯齿状腺瘤）被发现具有两种独特的微生物组特征⁵，这支持了将肠道微生物组作为结直肠癌筛查工具的研究。然而，在考虑将其应用于日常临床实践之前，仍需明确若干关键临床信息，包括该方法的成本效益和/或临床影响（例如诊断所需病例数的减少幅度）。类似地，近期一项针对近6000份样本的宏基因组分析识别出可用于诊断炎症性肠病（IBD）的全局跨队列细菌聚类，其中溃疡性结肠炎和克罗恩病分别具有独特的特征谱，其区分患者与对照组的曲线下面积超过90%；该技术已转化为适用于临床的多重液滴数字聚合酶链反应检测方法。

微生物组诊断技术用于预测治疗反应

肠道微生物组因其在预测特定疗法疗效方面的潜力，也引起了科学界和医学界的广泛关注。现有数据主要涉及免疫检查点阻断（ICB）在上皮癌患者中的应用。这一研究证据已逐渐得到充分证实，其基础源于临床观察到抗生素使用与 ICB 疗效之间存在负相关关系。

研究进展包括：对 ICB 后癌症临床结局相关的基线及纵向微生物特征进行宏基因组学鉴定；最终开发出经过验证的微生物检测方法，用于在不同癌症类型中识别可重复的细菌群落。另一个新兴案例涉及微生物组在预测 IBD 药物反应（包括水杨酸盐类药物¹⁰、免疫调节剂或生物制剂¹¹）中的作用，尽管现有数据仍存在矛盾且尚未得出定论。

微生物组诊断技术为治疗性微生物调节提供依据

最后，越来越多的证据支持将微生物组诊断技术应用于治疗性微生物群调节。微生物组分析可用于指导微生物疗法的实施，例如通过选择特定供体¹³、优化供受体匹配或监测微生物定植情况，从而预测粪菌移植（FMT）的临床疗效。

微生物组诊断技术实施面临的开放性挑战

 尽管前景广阔，但若干未解决的问题阻碍了肠道微生物组在医学领域作为诊断工具的全面应用。首先，最先进的微生物组分析技术——即鸟枪法宏基因组学——虽能实现肠道微生物群组成的菌株水平解析及功能微生物潜力的推断，但尽管设备和耗材成本持续下降，该技术尚未得到广泛应用。

图1. 支持利用微生物组进行诊断和治疗的科学成就及相关局限性

这类工具的可用性或许会被视为研究领域的奢侈配置，但在某些情况下，它们确实有助于指导临床决策——例如疾病风险分层及病情管理/监测。以具核梭杆菌为例（见图1），现有科学成果（尽管存在局限性）表明，该菌群在结直肠癌（CRC）中的微生物组特征与疾病进展及不良预后相关；但最新证据显示，其特定进化支Fna C2是导致这种关联的主要原因。此外，与其它大肠杆菌菌株相比，产大肠杆菌素/pks+的大肠杆菌菌株具有更强的致癌倾向，可能促进结直肠癌的发生。最后，肺炎克雷伯菌的特定进化支可能与炎症性肠病（IBD）相关¹⁷，而另一些菌株则可能促进肠道内源性酒精生成¹⁸，从而为代谢相关性脂肪肝病（MASLD）提供微生物依赖性的致病机制依据。

对组织/黏膜微生物组的评估同样具有巨大潜力，但与我们对肠道微生物群落的认知相比，对其作用机制的理解仍处于初步阶段。例如，在癌症研究领域，肿瘤内微生物组的免疫调节作用逐渐显现，但仍存在争议。具体而言，现有研究尚未阐明肿瘤内微生物与癌症免疫调控之间的因果关系。此外，尚不清楚组织微生物究竟反映的是已形成肿瘤的感染状态，还是仅仅反映了宿主全身性免疫抑制所导致的偶发菌血症。然而，创新的诊断工具（如新鲜肿瘤组织的培养组学及其他新兴分析方法）已被证明能有效精准捕捉人体临床组织中的微生物信号，从而在单细胞分辨率下准确评估宿主-微生物组相互作用。19 除微生物组外，其他能够直接评估微生物功能的组学方法（如元蛋白质组学或代谢组学）或可克服纯宏基因组学的局限性——例如无法区分代谢活跃与休眠的共生菌，也无法揭示微生物的实际功能而非仅基于DNA的功能潜力。例如，基于宏基因组学的宏蛋白质组学技术能够对地衣-微生物组相互作用进行统一的功能表征，并为 IBD 的多种特征开发出新的跨界蛋白质生物标志物。20然而，由于单个微生物可释放多种产物，宏基因组学向功能组学的转化过程具有高度复杂性。除技术层面问题外，微生物组诊断领域正面临更为严峻的挑战。近年来，直接面向消费者的（DTC）微生物组检测因其宣称能提供个性化健康检测而迅速在全球普及。这一趋势引发了关于标准化、质量控制、监管 oversight 及临床实用性等方面的诸多担忧。

这些检测方法在操作流程和分析严谨性方面确实存在显著差异。与此同时，部分 DTC 服务机构提供的健康风险评估和膳食建议往往缺乏坚实的科学依据，导致消费者和医疗从业者容易产生误解和过度担忧。这些问题促使专家呼吁建立监管框架，以限制可能误导性或临床无关信息的传播。总体而言，微生物组检测目前仍被视为满足大众好奇心的模糊工具，而非针对特定适应症患者设计的诊断手段。这种认知同样适用于多项人类基因 DTC 检测——这些检测在经历多年热潮后正逐渐失去市场热度。21然而，人类DNA诊断技术作为精准医学（如肿瘤学领域）的关键工具，在临床实践中已得到广泛应用。22当前微生物组检测体系亟需实现结构性突破，包括标准化流程构建及使用证据的直接支持体系开发，唯有如此才能使这些检测从单纯的商业产品升级为可靠的临床诊断工具，从而避免其快速退出市场。

微生物组作为治疗靶点或工具：微生物组疗法——粪菌移植（FMT）的案例及相关问题

过去十年间，微生物组治疗学领域在科学证据积累、研究质量提升以及调控微生物组方法拓展方面取得了显著进展。其中，粪便微生物移植术（FMT）的崛起堪称典型例证。首先，越来越多的证据表明，FMT已从研究手段快速转型为临床实践中治疗复发性艰难梭菌感染（rCDI）的公认疗法。23 此外，该技术已纳入国际指南监管体系，例如通过制定供体筛查与制剂生产等全面建议以强化安全性。24 FMT在rCDI以外的其他疾病（如肠易激综合征[IBS]、 IBD）及 ICB 治疗反应调节方面也展现出初步疗效潜力。值得注意的是，FMT临床试验逐步采用全基因组测序、代谢组学等前沿微生物组分析技术，或采用冻干口服FMT等创新给药途径。更值得关注的是，FMT还被用作研究模型，用于解析两种不同微生物生态系统间的相互作用、理解FMT疗效的生态动力学机制14，并为优化FMT方案及可能改善临床结局提供生物学基础。这些进展共同为FMT领域的发展提供了巨大潜力。然而，粪菌移植（FMT）仍面临诸多挑战，这些挑战不仅阻碍了其在临床实践中的广泛应用，也限制了其向rCDI以外其他疾病领域的扩展。首先，FMT的生物学机制尚未完全阐明；尽管理解这些机制——例如微生物定植及其在受者肠道内的持续存在的重要性——对于提高FMT疗效至关重要。14 此外，各国对FMT的监管框架差异显著，其分类方式涵盖药物、组织移植、医药产品或医疗实践等多种类型，这给标准化和推广工作带来了复杂性。再者，尽管当前筛查程序的质量标准很高，但安全问题（主要涉及传染性病原体的传播）仍备受关注。最后，供体选择也涉及若干问题：首先，FMT供体的筛选与维持流程极为严格，这使得其长期难以得到广泛采用；此外，尽管无论微生物组成如何，健康的微生物群本身对rCDI均具有治疗效果，但FMT在非传染性疾病（NCDs）中的临床成功率可能受供体微生物组、受体微生物组特性以及两者间某种“相容性”因素的影响。尽管粪菌移植（FMT）仍可能是治疗复发性艰难梭菌感染（rCDI）的成熟疗法，但由于长期治疗慢性疾病需要依赖稳定的供体菌群，这些局限性使得该疗法难以实现大规模推广。因此，近期研究人员提出了并开展了可扩展的微生物组调控方法——即人工微生物组疗法的研究与开发。

人工微生物组疗法及其相关局限性

为应对这些挑战，人工微生物联合体（或更广泛而言，活体生物治疗产品）应运而生。这类产品具有安全性高、可重复性强且可规模化生产的特点，因此被提议作为标准粪便微生物移植（FMT）的替代方案。初步证据来自供体来源的微生物联合体：经过随机试验（如RBX2660或SER-109）验证后，该类产品近期已获得美国食品药品监督管理局（FDA）批准用于预防复发性艰难梭菌感染（rCDI）。25 尽管这些产品已实现大规模生产，但仍存在标准FMT的某些局限性，包括可追溯性和可重复性问题。随后，研究人员开发出特定的细菌联合体，并在rCDI治疗中成功进行了验证。26 由于这类联合体不仅能确保微生物生物量的可重复性，还能实现精准调控，因此它们为基于微生物组的精准医疗提供了可能，目前正被应用于多种非传染性疾病（NCDs）的研究中。25 最后，现有研究正在阐明其作用机制，17 这为该领域未来的发展带来了巨大潜力。然而，如何筛选出兼具易于生产与临床疗效的特定联合体，仍是推广这些产品面临的挑战。其他人工微生物组疗法则进一步拓展了肠道微生物组调控的可能性。单菌株活体生物制剂（亦称“新一代益生菌”），如粘液阿克曼菌（Akkermansia muciniphila）、马氏阿克曼菌（Akkermansia massiliensis）或普氏粪杆菌（Faecalibacterium prausnitzii），与大多数标准益生菌存在显著差异——它们是人体肠道微生物组的固有成员，并已在多种非传染性疾病（NCDs）中得到成功验证。工程化益生菌则是经过基因改造的微生物，能够在肠道环境中执行特定功能，例如合成治疗性化合物或作为载体（即疫苗载体）。

最后，噬菌体可通过其对细菌基因组的裂解作用抑制特定菌群，这不仅有望针对多重耐药细菌，还能针对那些已知与非传染性疾病（NCDs）相关的细菌。26 这一不断扩展的应用工具箱也面临若干挑战：首先，在支持利用人工微生物组疗法治疗非传染性疾病之前，需要积累充分的实证依据；此外，其临床应用需达到与益生菌或粪菌移植（FMT）相同的高质量标准；值得注意的是，微生物组疗法还应具备可负担性和公平性，但当前市场成本高昂，且少数族裔在相关临床试验中的参与度不足。因此，除了推进证据和技术发展外，还需要采取更广泛的措施将肠道微生物组技术应用于临床实践。

加速 MICROBIOME 在临床实践中确立地位的措施

将微生物组科学整合到临床实践中，是现代医学最具挑战性的课题之一——这一目标得到了上述微生物组诊断与治疗技术最新进展的有力支持。为充分释放这一潜力并加速微生物组研究在医疗领域的应用进程，需要制定一项涵盖多项举措及相关利益方的综合性策略，具体内容如下文及图2所示。

微生物组研究标准化以提高研究结果的可转化性

肠道微生物组固有的复杂性使得临床试验的设计与报告充满挑战，这一障碍可能阻碍研究成果向临床实践的转化。近年来，多项举措试图标准化微生物组研究的各个方面。例如，近期发布的《加强微生物组研究的组织与报告》检查清单，为人类微生物组研究的报告提供了系列建议——涵盖研究设计、样本采集、测序方法以及计算与统计分析等环节，旨在促进不同研究结果的整合与交流。另一个典型案例是“人类微生物组行动”计划，该集体倡议旨在协调欧洲范围内的微生物组研究，最终目标是促使医疗系统充分纳入微生物组数据考量。该联盟已深入研究了肠道微生物组的多个方面，涵盖微生物生物标志物的鉴定与意义，以及界定“健康微生物组”所面临的挑战。其他相关项目则聚焦于微生物组研究的技术层面：国际人类微生物组标准（IHMS）项目致力于制定样本采集、储存和处理的标准操作流程；而微生物组质量控制（MBQC）项目旨在提升不同实验室间微生物组分析结果的可重复性。近期另一项国际共识行动发布了建议，旨在标准化微生物组检测的方法学框架，减少不恰当检测方法的使用，并为微生物组诊断技术在临床实践中的应用奠定方法学基础。

最后，目前在协调微生物组监管框架方面持续开展的工作（例如欧盟近期将微生物群归类为人类来源物质（SoHO）及其与其他可移植组织的同化过程30），预计将为该领域研究与临床实践增添标准化维度，从而提升标准化水平并简化操作流程。

改进微生物组临床试验的设计与实施以获得可应用的结果

诊断与治疗微生物组研究中取得的突破性进展，推动了微生物组临床试验的演进与强化，旨在产出可直接应用于临床实践的研究成果。这一进程依托于前述微生物组研究标准化倡议的支持，涉及一系列已开展的行动。首先，应将临床研究统计学方法应用于微生物组试验的各个维度。例如，正如特定工具31所倡导并促进的那样，合理的样本量估算对诊断性和治疗性微生物组研究至关重要，可提升其可靠性和普适性。微生物组研究的样本量可能受多种因素影响——包括具体研究问题（如评估某一分类群/簇或整个微生物群落中的组间差异）或I型与II型错误的定义标准——以及基于研究设计的效果量31。宏基因组荟萃分析也应遵循临床荟萃分析通常要求的系统方法，例如应用 PRISMA（系统评价与荟萃分析优先报告项目）清单，以确保结果可靠性14。另一关键问题涉及试验结局指标的选择。微生物组试验通常包含非临床主要终点指标，尽管选择临床主要结局指标有助于更顺畅地将试验结果转化为临床实践。此外，研究人群的确定应基于临床相关需求。例如，多项将结直肠癌（CRC）与微生物组特征关联的研究均聚焦于晚期患者群体3。虽然这些研究为后续探索提供了充分证据支持，但医疗系统更应关注筛查人群或癌前病变患者的调查，而非已处于晚期癌症阶段的患者群体。近期已发布或正在进行旨在填补这一空白的研究项目5,32。同时需明确哪些患者亚群或特定疾病阶段能从治疗性微生物组调控中获益更多，这一步骤可通过将微生物组诊断技术应用于微生物组干预研究来实现。基于患者个体特征或疾病阶段的靶点筛选也具有合理性，因为微生物组疗法具有极高的精准性潜力。迄今为止，微生物组疗法主要作为传统宿主定向治疗（如 IBD 中的生物技术疗法）的替代方案进行研究，但两种治疗方式的联合应用尚未得到充分探索。这一创新策略可能具有生物学意义，因其需同时靶向患者的宿主特征与微生物组特征，从而提高治疗成功率。