赵立平：关于尽快启动“中华民族人体微生物组计划”的建议

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本文作者：上海交通大学、赵立平

  中华民族在长期的繁衍生息中，积累了大量的控制疾病、促进健康的经验，以中医、藏医、蒙医、苗医等多种传统医学形式流传下来，至今在国民保健防病中依然发挥着不可忽视的作用。

  最近十年来，国际生物医学领域的一个重大研究进展为中华民族提供了一个全民族提升健康水平，同时也为人类健康作出突出贡献的重大机遇——这就是“人体共生微生物在疾病与健康中的作用研究”。
  1958年的诺贝尔奖获得者里德伯格指出，人体是一个由人的细胞和所有共生微生物的细胞构成的“超级生物体”，也是一个非常复杂的生态系统。在人的身体内外生活的微生物的细胞数量甚至是人体自身细胞数量的10倍，有百万亿之多。超过90％的共生微生物生活在人的消化道里，称为“肠道菌群”，但是，人体的皮肤、呼吸道、生殖道等等所有能与环境接触到的地方全部都有自己的菌群。全身各个部位的菌群编码的基因数量超过人的基因组里基因数目100倍，被统称为人体微生物组（Human Microbiome)。
  在现代医学史上，1908年的诺贝尔奖获得者梅契尼克夫最先明确提出，肠道菌群产生的毒素是令人体衰老、得病的重要原因，通过调控优化肠道菌群可以达到减少疾病、延缓衰老的目的。他也是最早认为保加利亚农民长寿健康的人比较多，可能与当地人喜喝酸奶有关系的科学家。这也是科学家第一次认为，人体里的细菌不是单纯的“搭车者”，它们有的对人体健康有益，有的对人体健康有害。
  不过，人体肠道菌群有上千种，哪些是对人体有益的？哪些是对人体有害的？哪些可能是中间派，控制得当就有益，反之则有害呢？
  这些问题用传统的分离培养的方法是无法搞清楚的，一方面是因为很多肠道细菌一直找不到分离培养它们的方法，另一方面，用分离培养的方法对细菌进行识别、鉴定和计数非常繁琐、缓慢，而且不准确。
  正是因为技术的局限，“以肠道菌群为代表的人体共生微生物对健康和疾病有重要贡献”的观点，自梅契尼克夫提出以后将近100年的时间里，都没有得到主流医学界的关注和认可。直到2004年，这一局面随着一篇以“肠道菌群是调节脂肪存储的环境因子”为题的论文在《美国科学院院报》上的发表才开始改观。
  这篇里程碑式的论文是美国圣路易斯的华盛顿大学的戈登实验室发表的。
  他们的一系列研究发现，无菌动物吃高热量的饲料不会肥胖；把肥胖小鼠的菌群移植到无菌小鼠肠道里，比起移植健康瘦小鼠菌群来，受体小鼠积累的脂肪会多得多；也就是说，没有菌群的话，动物是吃不胖的，而肥胖的症状可以随着菌群在动物个体间转移。他们通过基因敲除、基因测序等技术还发现，肠道菌群可以关闭动物燃烧脂肪需要的基因、激活合成脂肪需要的基因，从而令其宿主成为一个高效积累脂肪的机器。
  这项研究的重要发现得益于几个重要的技术进展：1）无菌动物与菌群移植技术；2）通过DNA测序测定肠道菌群的种类组成的技术：3）通过基因芯片测定小鼠哪些基因受到了肠道菌群的调控的技术。很显然，有了这些可以大规模测定肠道菌群组成变化、动物基因表达变化的大规模、并行化生物信息获取的技术方法，我们就可以研究上千种肠道细菌与几万个动物的基因之间的“分子对话”；有了无菌动物和菌群移植技术，我们就可以通过有目的地在动物体内接种特定的细菌，来研究哪些细菌是有害的？哪些是有益的？哪些是中间派和墙头草，以及它们在什么情况下会“叛变投敌，反戈一击”危害人体的健康？
  这篇论文的发表，标志着人体微生物组研究开始“登堂入室”，进入了主流医学界的视野。
  2005年10月，13个国家的科学家在法国农科院俄里希教授的组织下，在巴黎召开了“人体微生物组研究计划”圆桌会议，我国上海交通大学和华大基因的代表参加了会议。会议经过热烈讨论，达成了共识，认为应该像做《人类基因组计划》那样，组织全球的力量，开展《人类微生物组计划》，把人体共生微生物组的基因组成全部测定出来，从而推动菌群与健康的研究。会议组建了“国际人类微生物组联盟”，发表了关于推动人类微生物组研究的巴黎宣言。这就标志着国际学术界开启了用现代生物技术，通过大规模国际合作，研究人体共生微生物健康作用的新时代。
  随后，各国科学家积极争取本国政府的支持，最终，欧盟在第七框架计划中拿出1千2百万欧元支持肠道菌群研究，启动了著名的METAHIT项目。美国NIH稍后也投入1亿3千万美元，启动了人类微生物组路线图计划项目（HMP）。2006年，法国总统希拉克访华期间，签署的14项协议的第2项是《中法肠道元基因组合作声明》，双方各投入2百万欧元，联合启动了肠道元基因组计划（MetaGUT），把肥胖作为共同感兴趣的研究内容。
  自2004年以来，在《自然》、《科学》、《细胞》以及《美国科学院院报》等顶级学术刊物上发表的有关肠道菌群与疾病和健康关系的研究论文已经有上百篇，其他各类生物医学刊物的相关论文已有上千篇。包括肥胖、糖尿病、癌症、自闭症等在内的超过50多种疾病都有证据表明与肠道菌群失调有关系，而通过配方营养、益生菌、益生元和药物调节菌群预防和减轻疾病的报道更是如雨后春笋，层出不穷。用粪便菌群移植治疗顽固性腹泻更是成为2013年世界注目的十大科技进展。
  中国科学界在这场风起云涌的国际人体微生物组研究大潮中并没有落于人后，反而具有三大特色和优势。
  首先，中国科学家从一开始就参与了“国际人类微生物组联盟”的活动，而且做出了高水平的研究成果。2005年成立的国际人体微生物组联盟，上海交大赵立平教授成为首届管理委员会成员，参与了所有重大国际学术活动的组织。2014年，浙江大学李兰娟院士更是成为该联盟的轮值主席。2008年，上海交通大学组织中英两国科学家多学科合作，在《美国科学院院报》发表通过尿液代谢物和肠道菌群的关联分析来研究肠道细菌的潜在功能的方法，成为人体微生物组领域被引用最多的论文之一。2010年，深圳华大基因与欧盟科学家合作，在《自然》杂志发表第一个人类肠道微生物组基因目录。2012年华大基因再次在《自然》杂志发表大规模测序对比糖尿病人和健康人的肠道菌群差异的论文。2012年底，上海交通大学在《国际微生物生态学会会刊》发表论文，用中医药食同源食品为基础，设计了可以改变菌群的营养干预方案，不仅使一个175千克的志愿者在23周里减重51.4千克，糖尿病、高血压、高血脂症状恢复正常，而且，在他的干预前的肠道里，发现了一株过度生长的条件致病菌，分离出来以后，能在无菌动物中引起肥胖，这是国际上首次用试验证实，有些人体肠道细菌具有引起肥胖和早期糖尿病症状的能力。该研究得到了国际学术界和媒体的广泛的关注和报道，论文发表仅2周，下载就超过3万5千次。2014年，浙江大学与法国科学家合作，在《自然》杂志发表了肝硬化病人的肠道菌群结构特征，为疾病的诊断和预防治疗奠定了坚实的基础。这些研究成果虽然数量还不大，但是水平却是国际前沿的。
  第二，中国的传统医药中有很多药物和疗法可能是通过调整菌群来发挥预防和治疗疾病的作用的。例如，2014年10月，广安门中医院与上海交通大学合作，在《国际微生物生态学会会刊》发表论文，不仅通过随机、双盲、安慰剂对照的临床试验证实了汉代经方“葛根芩莲汤”对糖尿病的显著的治疗效果，而且提供了分子证据，表明该复方中药可能是通过调整菌群来发挥药效的。
  中药里有很多药物成份不能很好的进入血液，用西方药理学不能解释其临床疗效，因而得不到西方医学界的认可。但是，这些不能被吸收的药物它们的作用靶点可能不是人的细胞，而是肠道菌群。例如，上海交通大学的研究发现，黄连素（学名小檗碱）可以大幅度地改变肠道菌群的结构，特别是可以减少有害菌，增加丁酸盐产生菌等有益菌，这可能是很少被人体吸收的黄连素临床上能有效治疗糖尿病的重要机制之一。
  2012年新英格兰医学杂志的一篇粪便移植治疗顽固性腹泻的论文，把粪便入药重新推到了国际医学主流的视野中。其实，粪便入药在中医里已经有上千年的历史了，只是长期被认为是愚昧和迷信而遭到摒弃和禁止。有意思的是，尽管中医并没有“菌群”的概念，但中医用粪便入药时，不仅对共体的选择有具体的要求，而且要对粪便做长期厌氧处理，从而可以保证其疗效和安全性。现在西方医学把新鲜粪便直接作为移植物的做法，存在较大的安全性隐患，在某种程度上是落后于中医的做法的。
  除了粪便入药的经验和能够调节菌群的药物，中医的药食同源理念以及大量的食疗养生经验中，有相当一部分可能通过调理菌群来发挥作用。甚至针灸、按摩等疗法也有可能对菌群产生显著影响，从而与疗效有关系。所有这些，在菌群的健康作用日益被揭示的今天，有可能古法焕新颜，成为中国人体微生物组研究的优势。
  第三，中华民族不但人口众多，而且遍布世界各地，有着非常多样化的生活方式和饮食结构，因而人体微生物组多样性资源也非常丰富。
  中国境内生活着56个民族。每个民族都有自己的遗传背景、饮食习惯、传统医药养生经验，目前，随着经济发展，生活方式和饮食习惯开始发生变化，也各自面临着慢性病流行的严峻考验。
  在中国境外，生活着数百万中华民族的后人。他们有的保持着中国的饮食习惯和生活方式，有的则已经完全融入当地的生活方式，但遗传背景并没有改变。有流行病学证据显示，移居海外的华人，如果接受了当地的饮食习惯，其疾病谱也开始与本地人相似。因此，这些海外华人，为研究遗传、饮食、菌群和疾病的关系提供了非常难得的样本资源。
  通过对海内外华人的肠道菌群结构变化与健康关系的深入研究，可以深入理解在遗传背景变化不大，而饮食结构发生急剧变化时，菌群结构的改变在疾病谱的变化中的作用，同时借助中医传统养生经验，开发以肠道菌群为靶点的新的医药、食品和保健品，并通过海外华人群体的使用，逐步在各国推广，有可能是中国传统医药产业走向现代化，走向世界的难得的机会，更可能成为中华民族为世界人类健康作出重大贡献的难得机遇。
  因此，在一场以肠道菌群为核心的新的医学革命已经呼之欲出的关键时刻，在我们坐拥着如此丰富的资源优势，而且中国科学家的学术水平并不落后的情况下，我们再也不能让科学家自发地搞“游击战”了。中国政府应该在国际上强势推出《中华民族人体微生物组研究计划， Chinese Human Microbiome Project，CHMP》。
  我们应该利用中华民族遗传背景、生活方式和养生保健经验丰富多样的优势，把大规模的样本资源和现代组学技术和大数据技术结合，建立中华民族典型人群的健康与疾病微生物组标准数据库和菌种库；建立以微生物组结构和功能动态为核心的人体健康监测新技术；开发可以调节微生物组改善健康的药食同源食品、药品、益生元、益生菌以及可以重构健康微生物组的菌群移植等新产品和新技术；为预防疾病、改善中国民众健康、推动中国传统医药升级换代和走向世界作出独特的贡献。
  2015年10月29日，47位美国微生物学家在美国科学周刊发文，推动美国政府启动“联合微生物组计划”，不仅仅研究人体，而是全面研究影响人体健康和整个地球健康的所有环境里的微生物组。赵立平与德国和美国科学家一道，在英国自然杂志发文，倡导启动国际微生物组计划。这是中国参与甚至主导国际大科学计划的重大机遇。
  历史的机遇，稍纵即逝，我们绝对不能再犹豫观望了！
  因此，建议启动《中华民族人体微生物组研究计划》，具体内容可以包括：
  （一）基础研究
  1）中华民族标准微生物组参考序列数据集
  采集不同民族、地域、性别、年龄段和生活方式的人群的呼吸道、生殖道、消化道、皮肤等不同部位以及血液、尿液和粪便样品，完成营养流行病学问卷，建立有着完整的临床体检、膳食结构、尿液代谢谱等表型数据的中国微生物组元基因组序列数据集，作为健康微生物组的参照标准。
  2）中华民族微生物组代表性菌株的参考基因组序列数据集从有代表性的健康中国人肠道、生殖道、呼吸道等部位，分离不同分类地位和功能的共生菌株，通过高质量全基因组测序和注释，建立可用于人体元基因组序列挖掘的参考基因组序列集。
  3）中国重大慢病相关标准人体微生物组参考序列数据集采集肥胖、糖尿病、肿瘤、炎症性肠病、神经、精神疾病和慢性呼吸道疾病等重大慢病患者的血液、尿液和粪便样品以及病灶的组织样本，建立有着完整的临床疾病表型、疾病相关基因表达谱和尿液代谢谱等关联数据的中国主要慢病的元基因组序列数据集，作为疾病诊断的参照标准。
  4）中国重大传染病相关标准人体微生物组参考序列数据集采集肝炎、流感、爱滋病等重大传染病患者的血液、尿液和粪便样品以及病灶的组织样本，建立有着完整的临床疾病表型、疾病相关基因表达谱和尿液代谢谱等关联数据的中国主要传染病的元基因组序列数据集，作为疾病诊断的参照标准。
  5）传统医药与养生食品调控人体微生物组的临床效果验证与作用机制研究按照随机、双盲、安慰剂对照的原则或者询证医学的病例研究方法，对中国传统医药和养生食品使用前后，病人的免疫、代谢和菌群的变化进行动态监测，通过血液免疫组学、尿液代谢组学和粪便元基因组学以及临床表型组学的多组学数据的关联和挖掘，研究其通过调控人体肠道微生物组改善健康和防治疾病的效果和机制。
  （二）前沿技术
  1）人体元基因组测序与数据挖掘新技术
  将新一代测序技术用于人体微生物组测序，优化测序流程，建立适合在医院使用的技术平台，至少实现每个平台每天1千个样品16S rRNA基因测序和50个粪便样品的元基因组（每个样品5G数据）的测序通量。在高通量元基因组数据运算内存利用优化、提升运算速度及准确度等方面需要有算法突破；在数据分析方面，需要发展新的、适用于微生物组数据特点的关联分析、聚类分析以及挖掘功能菌种类的方法。
  2）基于微生物组与人体互作关系的健康评估与测量新技术选择体检人群，定时采集呼气、血液、尿液和粪便样品，分析体检指标变化与呼气成份、尿液代谢组学和肠道元基因组学动态变化的关联关系，发现新的疾病标志物，建立可以预报疾病发展动向的健康评估与测量技术。
  3）面向超级生物体的多组学数据的整合与建模新技术建立对同一个人群动态采集的免疫组学、呼气组学、代谢组学和元基因组学等组学数据进行整合和建模的新算法、新软件和新技术，为建立包括人体微生物组在内的“数字人”技术奠定基础。
  4）重要肠道功能菌的分离培养与基因组获取新技术在元基因组序列信息的引导下，对重要功能菌种类进行分离培养，建立大规模、高通量分离获得各类功能菌种的新技术和新方法。对于难培养、未培养重要人体共生的功能菌，建立显微操控技术，分离单个细胞，并通过单细胞全基因组扩增实现基因组测序。
  5）基于恢复生态学原理的人体肠道微生物组重构技术从恢复生态学原理出发，通过菌群移植和营养支持，实现结构严重失调肠道菌群的恢复。建立菌群移植物安全性评价方法和质量控制标准。筛选出能够特异性改善菌群结构的营养成分。建立菌群移植和营养支持效果评价的微生物组学方法和标准。
  6）基于无菌动物的模式动物技术
  建立主要实验鼠的无菌动物品系，建立把各种遗传模型鼠发展为无菌动物品系的技术体系，建立人源菌群猪模型。为肠道菌群作用的因果关系验证和作用机理研究提供模型动物。
  （三）重要产品
  1）能调控与优化人体微生物组的营养保健产品依托以人体微生物组为核心的健康测量新技术，研发可以调控与优化人体微生物组结构和功能的营养品，要求其作用成份的化学特征清楚，具有明确的改变菌群结构和功能、改善体检指标的循证医学证据。
  2）能调控与优化人体微生物组的益生菌产品
  依托以人体微生物组为核心的健康评估和测量新技术，选择在人体微生态系统中功能明确的“骨干种”和“基石种”作为菌种，研发可以调控与优化人体微生物组结构和功能的益生菌，要求其基因组序列和作用机制清楚，适应症明确，具有显著的改变菌群结构和功能、改善临床指征的循证医学证据。
  3）能调控与优化人体微生物组的益生元产品
  依托以人体微生物组为核心的健康评估和测量新技术，研发可以调控与优化人体微生物组结构和功能的益生元，要求其化学组成和结构特征清楚，适应症明确，具有显著的改变菌群结构和功能、改善临床指征的循证医学证据。
  4）能调控与优化人体微生物组的合生元产品
  依托以人体微生物组为核心的健康评估和测量新技术，研发可以调控与优化人体微生物组结构和功能的合生元，要求其菌种的基因组序列和作用机制明确，其益生元的化学组成和结构特征清楚，具有明确的改变菌群结构和功能、改善临床指征的循证医学证据。
  5）能调控与优化人体微生物组的药物
  依托以人体微生物组为核心的健康评估和测量新技术，筛选可以调控与优化人体微生物组结构和功能的药物，要求其化学结构合作用机制清楚，适应症明确，具有显著的改变菌群结构和功能、改善临床指征的循证医学证据。
  （四）能力建设
  1）中华民族健康人体微生物组国家数据库与临床标准体系的建设整合中华民族健康人体微生物组参考序列集、中国主要慢病人体微生物组参考序列集以及中国主要传染病人体微生物组参考序列集，建立微生物组国家数据库；依托体检队列和临床队列的医学检验数据集，确立中华民族健康人体微生物组临床标准体系，作为健康评估、疾病诊断和疗效评价的重要参考标准，用于指导药物研发、疾病防治、养生保健，为推进全民健康提供基础条件。
  2）中国人体微生物组结构与功能临床检测技术体系的建设以人体元基因组高通量测序和序列分析为核心，结合肠道菌群代谢物组成谱和毒性测定、血液和尿液内的细菌毒素测定、临床体检指标体系例如炎症因子、胰岛素敏感性等的测定等，建立通过动态监测微生物组的结构和功能变化及其与人体的分子互作关系进行健康评估和测量的技术体系，通过该技术体系在临床医疗和体检中的大规模应用，优化人体微生物组结构，减少肠道细菌产生的包括免疫毒素、神经毒素、致癌物质等在内的各类致病毒素，减少由此引发的各类慢性病的发生率。
  3）中华民族健康人体微生物组国家样品库建设健康个体的微生物组样品内包含了大量的有益菌群，是在百万年的进化中与中华民族的遗传特征相适应的宝贵基因资源，但随着剖腹产、抗生素和奶瓶喂养的过度使用，通过母婴渠道传播的这些有益菌群有断绝和灭绝的危险，迫切需要进行系统化的研究和长期存储。这些微生物组储藏物可以成为挽救和重建危重病人严重失调菌群的移植接种物，可以成为剖腹产等不正常出生婴儿建立肠道微生态系统的“先锋菌群”，也可以成为恢复老年人微生物组结构、减少老年病的“种子菌群”，既有现实的临床价值，更是事关中华民族健康的重大的战略举措。
  4）中华民族微生物组重要功能菌的国家菌种库建设将中国人体微生物组研究中发现和鉴定的各种有益菌的菌种和致病菌的菌种统一储存到国家菌种库，用于支持有关微生物组与健康疾病的基础研究和相关产品的应用研发。随着菌种库的不断扩容，以粪便菌群为接种物的应用将逐步被基因组序列已知、功能明确、机理清楚的复合菌种替代，提高临床疾病防治、养生保健、防衰抗老的效果。
  可以预见，随着中华民族人体微生物组计划的推出和实施，中国传统医药将在一个全新的理论和技术框架里实现现代化，并可推动国际医学的发展；而一个与微生物组相关的、植根于中华医药的大健康新产业更是会在世界范围内喷薄而出，飞速发展，为全人类的健康做出独特的贡献。（转化医学网360zhyx.com）