作者
郑业欣、项薇
来源
北拓资本医疗健康团队
01
肠道菌群的概述
01肠道菌群的简介人体是一个巨大的微生物库，这些微生物主要分布在胃肠道、皮肤、生殖器官、口鼻腔和咽喉等部位，重量达1.27公斤以上，其中肠道微生物约占总重的80%，重达1公斤。肠道是人体最大的免疫器官，寄居着种类繁多的微生物，包括细菌、真菌、病*等，统称为肠道菌群。
人体肠道内细菌基因比例超过99%，存在–种细菌，是人体细胞总数的10倍，每个人至少有种优势菌群。正常情况下，成人肠道菌群编码约万个特异基因，是人类基因组编码基因数的多倍，相当于“人体第二基因组”。尽管人类不同个体间基因组的差异只有0.1%左右，但不同个体间肠道微生物组的差异可以达到80–90%。这些肠道菌群与人体互利共生，依靠人体没有消化的食物残渣和肠道分泌的黏液和脱落的死细胞作为营养来维持很高的种群水平，影响人体健康。
02肠道菌群的分类肠道菌群构成复杂，细菌种类繁多，大致划分为三种类型。
1.共生菌：即“益生菌”
主要作用是协助胃肠道进行营养物质的分解、代谢、吸收和消化，同时这类菌群还有助于免疫功能的建立和完善，主要包括优杆菌、类杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌及消化球菌。
2.致病菌：即“有害菌”
这类菌群是能够直接导致消化道疾病发生的菌类，在健康状态下，这类菌群在我们的肠道中比较少，因此不会表现出致病性，但在一定的条件下，例如：身体抵抗力下降或饮食不洁，摄入有害菌超标的食物时，就会导致疾病的发生，这类菌群主要包括韦氏梭菌、变形杆菌、葡萄球菌及假单胞菌等。
3.中性菌：其作用介于共生菌和致病菌之间
在正常情况下，一定数量的中性菌是有益于肠道的消化代谢，但在一定条件下，中性菌可能在肠道中积累，使肠道中的某些*素、腐败物质或者致癌物质的含量增加，从而导致疾病的发生。这一类菌群包括大肠埃希菌、乳杆菌、链球菌(屎球菌）及韦荣球菌等。
03肠道菌群的来源与演变胎儿在子宫内的时候肠腔内是属于无菌状态，出生后就与外界接触，数小时肠腔内就出现了细菌定植。新生儿从出生时肠道少菌状态到后来多种菌群的定植是一个复杂的过程，受诸多因素影响，如分娩方式、喂养方式和应用抗生素等。一般认为新生儿到3岁时，微生物群会变得稳定且与成年人相似，并在整个生命周期中以稳定的速度继续进化。
肠道菌群失衡与衰老是互相影响、互相加剧的过程。老年人的肠道菌群组成与年轻人不同，不同国家的老年人菌群变化不同，衰老伴随着菌群多样性及丰度的降低。反之，肠道菌群也可以影响人类寿命，或者是成为抗衰老治疗的基础。
02
肠道微生物产业现状和应用领域
01肠道菌群与人类疾病活跃生长的肠道菌群会产生大量的活性物质，包括短链脂肪酸、维生素和抗氧化等有益健康的产物，可包括神经*素、致癌物质和免疫*素等可能危害健康的产物。这些产物会进入血液，直接调节人体基因表达、影响人体免疫和代谢过程。
和肠道菌群相关的疾病研究多为以下六大类：
消化道类疾病：包括腹泻、便秘，肠易激综合征、炎症性肠炎IBD、结直肠癌等；
代谢性疾病：包括肥胖、二型糖尿病T2D等；
肝脏类疾病：包括肝硬化、脂肪肝、酒精肝、肝癌等；
免疫类疾病：包括类风湿性关节炎、强制性脊髓炎等；
肺部疾病：包括哮喘、慢性肺病、肺部感染等；
精神类疾病：包括自闭症，抑郁症、老年痴呆、精神分裂等。
资料来源：4DPharma
02肠道菌群相关产业链美国在微生物组的研究和产业化上一直处于领先阶段。年，美国国立卫生研究院（NIH）提出人类微生物组计划（HMP），分为2个阶段实施。第一阶段主要以健康人群为对象描绘了人体微生物的全景图。第二阶段的人类微生物组计划作为第一阶段的延续，联合多组学研究策略探究微生物在健康与疾病中扮演的角色。
目前，全球微生态产业格局已初步成形。上游以检测为主，包括宏基因组测序、16SrDNA测序、临床诊断等技术服务，为行业提供产品研发支持；下游以具体的微生态药物应用为主，涉及药物研发、微生物治疗（粪菌移植技术）、健康管理等。
图：肠道菌群相关产业链
1
微生物培养
微生物培养是指借助人工配制的培养基和人为创造的培养条件（如培养温度、PH值等），使微生物快速生长繁殖。限制微生物可培养的因素有很多，主要包括底物和生长条件、休眠复苏、共生的相互依赖、物理接触或空间接近、环境理化条件、低丰度和竞争等。微生物培养不仅需要消耗大量的时间和耐心，还很大程度依赖于研究人员的经验判断。
图：常见的传统微生物纯培养方法资料来源：NatureReviewsMicrobiology
目前，提高目标微生物分离率的方法大多遵循两种策略。一种是依靠扩大细胞分离的数量来增加分离感兴趣物种的机会（高通量分离和培养）；另一种是有选择地分离具有特定功能特征或属于特定分类组的生物（目标隔离）。
创新的培养方法包括：基于膜扩散的培养方法，如iChip、中空纤维膜腔(HFMC)、扩散的生物反应器或土壤基质膜系统(SSMS)，即通过渗透膜让营养物质和代谢物扩散到培养基中，从而在培养过程中尽可能模拟自然条件；基于微流控培养方法，例如纳米多孔微生物孵化器(NMMI)或SlipChip，是能够操纵以小体积和大量复制的细胞中，并且可以与各种液滴培养方法组合；基于细胞的分选的方法，如拉曼激活细胞分选(RACS)、基于活细胞(live-FISH)的荧光原位杂交或反向基因组学，提供了一种方式来分选定位具有特定功能或类别的细胞子集。
图：分离和培养新型微生物的技术创新资料来源：NatureReviewsMicrobiology
2
微生物检测
传统的微生物鉴定方法分为培养和非培养两类，临床公认的“金标准”是分离培养和生化鉴定，这种方法的操作周期长、失败率高，而且不是每种病原体都可以培养。不依赖培养的方法比如涂片镜检、抗体抗原免疫等，在采样当天即可报告结果。这些方法的时效性强，但在敏感性和特异性上存在较明显的劣势，而且传统的微生物鉴定方法对于未知或者罕见的病原微生物，无法快速识别。
年，Nature发表基于宏基因组测序构建人类肠道微生物组参考基因集。近年来，随着单分子测序技术，宏转录组测序，基于质谱分析的宏蛋白质组和宏代谢组测量分析的进步，微生物组的发展突飞猛进。
宏基因组(Metagenome)是环境中全部微小生物遗传物质的总和，它包含了可培养的和未可培养的微生物的基因组。宏基因组测序是指对微生物群体进行高通量测序，通过测序数据分析特定环境中微生物群体基因组成及功能，挖掘具有应用价值的基因资源，应用于开发新的微生物活性物质。
宏基因组学二代测序(mNGS)是一种无需培养，无偏好性，直接提取临床样本中DNA/RNA，采用高通量测序技术，经过数据库比对与生信分析，一次性完成细菌，真菌，病*和寄生虫等病原体检测的技术。
图：宏基因组学二代测序流程图
16SrDNA鉴定是指用利用细菌16SrDNA序列测序的方法对细菌进行种属鉴定。16SrDNA是编码原核生物核糖体小亚基rRNA的DNA序列，其含量大（约占细菌RNA含量的80%），分子大小适中(1.5kb)，存在于所有的生物中；在结构与功能上既有高度的保守性，还有可变区（保守区反映生物物种间的亲缘关系，可变区反映物种间的差）。既能体现不同菌属之间的差异，又能利用测序技术较容易地得到其序列，是细菌的系统分类研究中最常用的分子钟。
图：二代16SrDNA全长测序组装流程资料来源：博奥生物
3
药物研发
微生态药物是指利用正常微生物或调节微生物正常生长的物质制成的药物制剂，包括活体生物药物、微生态调节剂和粪便菌群。简单来说就是利用微生物通过次级代谢产物等或者直接通过小分子等物质影响微生物群落，维持、重建或恢复健康的人体微生态平衡体系，进一步治疗相关的疾病。
活体生物药物：可理解为二代益生菌，通过有益于人体的活菌来调节微生态系统至平衡状态。FDA对活体生物药给出的定义：a.包含活的微生物如一些细菌；b.能够起到预防、治疗或治愈某种疾病；c.不是疫苗。目前FDA没有活菌药物批准上市；CFDA对微生态制药管理没有明确的规定。
微生态调节剂：是根据微生态学原理，利用对宿主有益的正常微生物、其代谢产物或生长促进物质所制成的制剂，通过酶作用、抗菌、黏附定殖及生物屏障等作用来调整和保持微生态平衡，改善宿主的健康状态。微生态调节剂主要包括益生菌、益生元，以及益生菌与益生元的混合制剂合生元等。
粪便菌群：将健康人体的粪便制成合适的制剂递送到患者肠道，以修复或重建患者肠道菌群。目前在全球范围内已有使用。
4
粪菌移植
粪菌移植(Fecalmicrobiotatransplantation，FMT)是将健康个体的粪便移植给患者，通过菌群及代谢物的替换，实现菌群重建，从而缓解甚至根除特定疾病。粪菌移植治疗复发性艰难梭菌感染已被列入临床治疗指南。
FMT操作主要流程：将健康供体粪便样本进行一定筛查和处理后，移植给患者，主要作用于肠道部位，直接替换或重建患者已破坏的肠道菌群，从而彻底根除或者缓解疾病。FMT治疗途径分为上、中、下消化道3种途径：上消化道途径主要指口服粪菌胶囊；中消化道途径包括通过鼻肠管、胃镜钳道孔、经皮内镜胃造瘘空肠管；下消化道途径包括结肠镜、灌肠、结肠造瘘口、经内镜肠道植管术等。
FMT潜在机制包括供体和受体肠道菌群之间的直接互作或竞争，以实现内稳态，供体微生物群对宿主免疫的影响及对宿主代谢和生理功能的调节作用。
图：粪菌移植示意图资料来源：热心肠研究院
03肠道微生物部分研究进展（年）▌Gut：肠道微生物在免疫细胞杀灭结直肠肿瘤过程中发挥重要作用
肿瘤细胞与肠道菌群接触后开始表达各种趋化因子，肠内原发肿瘤趋化因子的表达量高于移植肿瘤，并且抗生素治疗可显著降低荷瘤小鼠趋化因子的表达量。临床样本中，肠道菌群丰度与趋化因子表达增加、T细胞浸润增强和改善患者生存期呈正相关。
▌Science：母亲机体的肠道微生物或能塑造后代机体的代谢状况
出生自孕期生活在无菌环境下的母亲的后代或许更易于患多种疾病，包括肥胖和葡萄糖耐受等。研究人员对短链脂肪酸(SCFAs)进行了深入研究，SCFAs是肠道微生物所驱动产生的一种代谢产物，其能帮助促进细胞生长和发育；同时其还能作为机体中肠道微生物和其它器官之间彼此交流沟通的信号分子。母亲机体所产生的SCFAs能通过位于脂肪细胞内的特殊SCFA蛋白受体信号，来指挥婴儿神经、胰腺和肠道细胞的分化和发育，帮助维持后代机体中的能量平衡。
▌Nature：肠道微生物的胆汁代谢物能增强免疫细胞的功能
小肠中的菌落可以支持调节性T细胞(Treg)的生成--这种免疫细胞可以抑制自身免疫反应和炎症。研究表明，一种微生物代谢物--有机酸isoDCA--促进了结肠中免疫抑制免疫细胞的局部生成。这种局部产生的或"外周"的Treg有助于抑制慢性肠道炎症，而慢性肠道炎症是结直肠癌的主要诱因。
▌Science：粪群移植联合PD-1抗体有望治疗恶性黑色素瘤
针对10名受试者（先前接受过anti-PD-1治疗转移性黑色素瘤的患者，并获得至少一年完全缓解）口服抗生素72小时以耗竭肠道微生物群，随后分别口服来自两名不同供体的粪便胶囊进行FMT并再次诱导anti-PD-1治疗。对每位受试者在试验前后进行肿瘤消退判定，16SrRNA基因和宏基因组学测序，IHC和RNA-seq，肠道和肿瘤组织活检。研究结果显示，三名来自供体1号组的受试者分别表现出对治疗的完全应答和部分应答，并且均渡过无进展生存6个月的“里程碑”。故FMT治疗与肠道固有层和肿瘤微环境中免疫细胞浸润和基因表达谱的有利转变相关，这些发现对拟定利用肠道菌群来治疗癌症的方案而言具有重要意义。
04肠道微生物的应用领域：受限于科研进展，产业化仍需时日1
微生物培养分离
培养组学是人体微生物组研究的物质基础，是人体微生物组在株水平研究的必需方法。培养组学也是微生物组转化的物质基础，例如活菌药物库、诊断标准物质、治疗靶标的筛选与验证、合成粪菌基础以及指导新功能食品的开发。
膜扩散培养：可以尽可能保留自然生境的必需生长因子，且膜孔径小到足以使生长因子扩散。细胞可从环境或共生微生物中获得基本生长因子，独立复制，形成理想的培养物或菌落。
微流控培养系统（以SlipChip培养为例）：其微隔室由两个相邻的腔室组成，当单细胞在其中分裂为两个细胞后，通过“滑板”将细胞分开，其中一个腔室的复制微生物可以进行生长或鉴定，另一个则保留活细胞继续培养。优点是可以通过实验装置最小化来提高可扩展性并实现高通量。
目前，基于微流控和膜扩散技术的纳米孔微生物培养箱系统已在年被开发出来，可渗透的腔室壁能够促进生长因子和信号传导化合物在所有细胞之间的转移。尽管该系统具有强大的应用潜力，但目前尚无公开的研究实例。
难点：虽然测序技术的开发使得微生物研究可以脱离单菌株操作，但是深入的机制研究依然需要单菌株分离和培养。菌株分离培养作为研究和开发的基础，难度较大，强烈依赖新技术如微生物芯片技术来培养分离一些先前未知的微生物，加速科研进展。
2
检测领域
人体微生物组计划延展和科技发展会催生微生物检测和制药两大赛道。相对来说，国内产业化起步较晚，从年开始，锐翌生物、量化健康、谱元、微健康基因等公司才陆续出现；目前国内微生物组药物开发、治疗等方面进展较慢；主要应用领域集中在微生物组检测和相关服务。
体外诊断：对微生物或者代谢物进行检测分析，根据人体微生物组设计的各种疾病高相关性分子标记物，可以用来进行慢性疾病的早期检测包括早期发现、早期预防和早期干预。目前关于膳食指导调节的弱干预（不直接改变微生物群）已经得到应用，但强干预（对微生物群进行定向改变）还在研究。
微生物组检测：目前虽已有一些改造的遗传工具可以进行微生物组的研究，但主要研究手段仍为测序和组学，高通量测序在微生物检测中的应用为一大热门领域。从检测技术上看，各公司的起点非常接近，门槛在于需要庞大的健康人数据库来绘制健康微生物组的图谱，才能判断哪个菌是否正常，使评价的结果愈发准确。
年，微生物检测细分赛道完成多项大额融资。专注于微生物测序及大数据分析的予果生物完成近亿元融资；主要从事基因科技及健康服务的锐翌生物完成了近亿元A+轮融资；临床微生物精准诊断企业迅敏康获数千万元A轮融资；杰毅生物完成近亿元Pre-A轮融资用于NGS和CRISPR技术革新病原微生物传统检测。
难点：明确肠道微生物检测的意义，促进肠道微生物的检测需求。加强数据挖掘和疾病关联分析，将微生物组检测试剂盒发展成一个真正的“诊断者”。推进微生物组研究成果转化，如感染相关的慢性病管理领域和微生态药物开发等。
3
微生态药物
美国在本世纪初就开始有公司布局，开发领域优势明显，主要适应症为炎症性胃肠疾病、艰难梭菌等细菌感染、皮肤病、癌症、自身免疫病等。
具有菌株筛选及制药平台的公司可以大致分为三种类型。
第一种：有自己的菌株库以及筛选、制药平台，具备技术优势。如Vedanta有自己的菌株库，自主研发的生信分析以及数学模型，以及制药设施。SecondGenome组建了一个能够用于药物研发的微生物组发现平台，通过了解人体内微生物的组成和功能，比较它们在健康人体和患者间的不同，微生物之间的互动，找到与人类疾病相关的蛋白质、肽类以及代谢物等生物标志物。
第二种：围绕某一种菌株开发药物，但未来应用场景比较局限。如ViThera围绕乳酸乳球菌做药，SymbiotixBiotherapies围绕脆弱拟杆菌做药。
第三种：针对特殊人群设计，会受到用户群体数量的限制。如Synlogic通过设计改造的益生菌用来精准治疗新生儿的尿素循环障碍、苯丙酮尿症两种罕见疾病。
我国微生物药物研发行业尚处起步阶段，布局企业很少，能够符合FDA标准进行微生态药物开发的企业更少。
慕恩生物是一个微生物资源发掘平台的建立和产品药品开发的平台，拥有国内庞大齐全的肠道微生物菌株库和基因组信息，于年2月完成数千万人民币B轮融资。知易生物成立于年，是一家活体生物药与二代益生菌领域的生物医药研发商，于年12月24日完成1.1亿元B轮融资。未知君是中国肠道微生态的AI制药领*企业，于年12月宣布完成数千万美元B+轮融资。
微生态药物存在的挑战如下：
（1）人体共生微生物收集、保存、鉴定、分类；
（2）人体共生微生物与人体的相互作用解析，如何扩展到肠道感染之外的其他治疗领域；
（3）多种共生微生物之间的相互作用解析；
（4）共生微生物的标准化培养、分离、制剂工艺等；
（5）微生态药物的质量控制；
（6）微生态药物的给药技术；
（7）患者微生物背景的筛选及差异化给药；
（8）微生态药物的研发、生产、质控、临床应用等相关法规以及如何处理与微生物之间的关系。
4
粪菌移植
目前，全球共有多例粪菌移植案例，中国有余例尝试。据中华粪菌库统计显示，其当前不良事件发生率仅为6.05%（严重不良事件发生率为0.10%）。目前大量的粪菌移植临床试验正在开展，以“FecalMicrobiotaTransplant”为关键词搜索美国临床试验数据库(ClinicalTrials)，截至年12月31日，全球共计有项相关研究（其中中国占43项），适应症主要是艰难梭菌、克罗恩病、溃疡性结肠炎、肥胖、炎性肠病、艾滋病、肝病、胰腺炎、肠梗阻、癌症和II型糖尿病等。在中国，粪菌移植更多作为一项医疗技术而不是药物，不需通过药监局批准而进行临床试验。主医院、医院等。
技术方面：微生物的复杂性及个体差异导致FMT的作用机制尚不明确，没有通用的超级粪便；技术难度极大，可医院很少；需要加强对供体粪便的筛查，防止出现多重耐药菌而导致严重感染。
监管方面：世界范围内对粪菌移植尚没有统一的定位和监管措施，例如，美国FDA认为粪菌移植需进行新药申请流程；在我国，尽管已经有不少医疗机构已经开展了粪便微生物移植，至今仍没有相关法规*策出台。
商业化方面：承葛生物建立了中国首个精准化菌群移植治疗平台，产品涵盖了上游的仪器和耗材，中游的菌液跟胶囊，下游的供受体配型跟整体的菌群库建设的精准化菌群移植治疗，于年11月08日获Pre-A轮数千万人民币融资。
难点：粪菌移植技术作为恢复肠道菌群的一种临床手段，极具前景。但目前由于技术难度高、作用机制不清晰、缺乏*策监管等原因还没有被大众广泛接受。同时粪便材料本身异常复杂，包括真菌、原生动物、病*、细胞因子和代谢产物等，如何进行优良供体筛选确定有益和有害成分，在目前看来仍然比较困难。
05国外相关公司介绍SeresTherapeutics：微生态制药公司
SeresTherapeutics成立于年，是一家微生物组疗法研发公司，总部位于马萨诸塞州剑桥市，由生物医药投资基金FlagshipVentures支持创立。年SeresTherapeutics作为第一家微生物药物公司在美国纳斯达克上市。
Seres基于特有的发现与设计平台，利用系统生物学和比较基因组学，分离和表征了过去难以培养的微生物，比较了健康人体和疾病状态下高度相关的微生物组的大量数据。利用健康人提供的微生物菌株，建造肠道内的健康微生物生态群落，治疗炎症、代谢类疾病，以及传染疾病。
Seres目前在研的有6个产品，其中3个已进入临床研究阶段:SER-、SER-、SER-，分别治疗艰难梭状芽胞杆菌复发、原发感染，溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)等炎性肠炎(IBD)。另外3个临床前产品中，除了治疗抗药抗生物素感染的SER-和治疗IBD的SER-，还有颇具概念性的治疗2型糖尿病的药物。
年8月，SeresTherapeutics公司宣布了旗下肠道微生物组药物SER-的III期临床试验结果，表明SER-可以有效减少艰难梭菌复发风险。受该利好消息影响，SeresTherapeutics公司股价应声暴涨近%，股价超过20美元。
图：SeresTherapeutics管线产品进展资料来源：SeresTherapeutics