在2019年6月出版的“ 生物学季刊 ”中发表的“人类微生物组的概念生态学”中,尼古拉·莫拉和布兰登·J·博汉南详细研究了科学家用来描述人类微生物组的不同隐喻。因为看起来每种观点都有优点和缺点,作者提出了在探索疾病和疾病治疗时考虑所有隐喻的实用方法。
人体微生物组是人体内和体内微生物的复杂系统,对许多代谢和免疫功能至关重要。Morar和Bohannan选择了科学家对人类微生物组最常见的五种方法,研究了每个概念框架在设计治疗方法时所带来的好处,以及每种方法的局限性。
“我们在这里描述的每一个共同的概念框架都抓住了重要的事实,却忽略了人类微生物自身的关键方面。”Morar和Bohannan写道。“虽然(目前)还没有证据表明,一个概念框架比另一个更准确、更有用,或者在某种程度上‘更好’,但当我们把这些隐喻作为一个整体来考虑时,就会产生深刻的见解。”
“器官”框架将我们的微生物组的功能视为人体器官的功能。从这个角度来看,出现了一些非常具体的疗法,其中微生物组的感染被视为可以通过移植来补救的“器官衰竭”。例如,在用艰难梭菌(Clostridium difficile)治疗肠道感染时,一项研究发现抗生素的治疗和随后的供体粪便移植产生的治愈率远高于仅用抗生素治疗的治疗率。
但是,虽然器官框架捕获了微生物对人体生理学所做出的重要功能贡献,但却歪曲了这样一个事实,即构图不是静态的,而是在不断变化。作者写道,“随着时间的推移,大肠杆菌不会发生显着变化......但是,有充分的证据表明微生物群随时间的变化可能与生物体功能的显着变化有关。”
“免疫系统”框架将人类微生物组视为免疫系统的一个组成部分,强调微生物组在生命早期如何获得的重要性以及这种获取在免疫系统发育中可能发挥的作用,通过刺激发展免疫系统并进行培训。在考虑阴道管分娩与剖宫产的影响时,这一观点很重要。已经观察到通过产道递送的婴儿具有更多样化的微生物组,这可以导致更强大的免疫系统。其中母亲的阴道管被擦拭并转移到新生儿的口腔和皮肤的疗法是由该框架产生的一种这样的疗法。
最终,免疫系统对人体微生物群的看法是不完整的,因为它没有考虑到我们从微生物群获得的所有代谢服务,也没有考虑宿主与微生物相互作用的复杂性。
“超有机体”框架关注的是在人类微生物系统中起作用的协同进化和合作机制。在这个框架下,假设允许以前被细菌占据的生态位保持空缺存在健康风险,并强调恢复人类祖先的微生物群将有助于治疗许多疾病。例如,Morar和Bohannan写道,这与抗生素和一些代谢性疾病之间的潜在联系有关,一些研究人员甚至提出,现代过敏、哮喘和2型糖尿病等代谢性疾病的增加是由于祖先微生物群的分解。
然而,这个框架遇到了一些问题,因为它假设群体适应性的变化是遗传的。作者写道,这并不是我们所观察到的,他们引用了2018年的一项研究,该研究估计,人类微生物群落中不到2%的微生物类群具有显著的遗传能力。该框架还淡化了在超个体间发生竞争的许多可能情况,因为该框架的一个租户是所有成员在适合度上是平等的。尽管真正的互惠互利的情况是可信的,但它很可能比这一框架所暗示的更为罕见。
“全息图”框架将人类及其微生物视为共同进化的实体,以最大限度地提高其组合基因组的适应性。与超有机体的观点一样,这个框架将人类及其微生物视为共同进化的紧密结合的产物,但更大程度上考虑了宿主与微生物之间的动力和孔隙度。从这一观点中出现的一种疗法是益生菌疗法,其中引入特定的微生物作为促进健康的一种手段。就像超有机体的观点一样,这个框架依赖于人类微生物作为一个整体具有显著遗传能力的假设,而这并不是科学家们所发现的。
“生态系统”框架强调了微生物进入和离开人类微生物系统的持续运动。在这种观点中,遗传力被低估了,取而代之的是强调局部因素,甚至是随机因素,影响微生物的运动和我们微生物群落的组成。然而,这个框架遇到了一些问题,因为它没有认识到宿主和微生物之间某些连接的强度,而这些连接确实具有共同进化的能力。此外,这一观点可能会给开发治疗方法带来困难。
“有人认为,在具有流体边界的复杂系统中确定因果关系特别困难……这使得用这个比喻来开发临床应用变得非常困难,”Morar和Bohannan写道。“因此,生态系统的隐喻可能导致对人类微生物系统的看法过于复杂,无法提供帮助。”
作者建议,研究人员在开发治疗方法时要记住所有的观点,目前还没有一个清晰的观点来确定哪种框架比其他框架更“正确”。很有可能,每个框架在某些场景中非常有用,而在其他场景中则不是非常有用。
Morar和Bohannan写道。我们微生物自身的某些方面可以成功移植(随后功能转移),而另一些方面则必须随着时间的推移逐步恢复和小心管理,还有一些方面可能对它们最初的发育高度敏感(随后可能很难改变)。”
作者还说,“最终目标是避免使用各种概念和隐喻来描述human-microbe系统,选择“最佳”的概念框架,而是使用所有这些概念指导勘探的复杂性嵌合,并最终完全理解的方式我们是人类。”
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