每個人的一生都會經(jīng)歷很多，從出生到長大，健康到衰老疾病。你的出生、遺傳、家庭環(huán)境、很大程度上決定的人生起點，日常的飲食、行為習(xí)慣決定你的身體成長，一些不同的選擇或意味的事件又會讓人生有很多起伏和不同。
每個人的菌群和我們的人生一樣也是獨一無二的，我們菌群的特點反映著不同人各自生活的烙印。從母親的腹中開始影響和決定了我們最初的菌群，出生方式、喂養(yǎng)的食物、用藥等都決定了我們的菌群基數(shù)。當(dāng)我們開始從喝奶到開始攝入輔食，我們的菌群也同樣迎來巨大的演變。當(dāng)我們生病、感染、運動、飲食、社交、虛弱、衰老這些同樣反映在我們菌群的變化和演替上。
相對的，當(dāng)我們更多的了解我們的菌群，善待和改善它們，同樣的變化也會出現(xiàn)在我們的身體和生活中。越來越多的證據(jù)表明，年齡與人類微生物群之間的關(guān)聯(lián)很大，腸道微生物群是許多年齡相關(guān)變化的核心，包括免疫系統(tǒng)失調(diào)和疾病易感性。幾個身體部位的微生物組成可以相對準(zhǔn)確地預(yù)測人類的年齡。
谷禾健康腸道菌群檢測數(shù)據(jù)庫中，也有關(guān)于腸道年齡預(yù)測：
谷禾健康-腸道年齡預(yù)測模型圖
<來源：谷禾健康腸道菌群數(shù)據(jù)庫>
可以看到，腸道年齡和生理年齡基本是符合的。健康人的腸道菌群年齡恰恰是最符合真實年齡的，與真實年齡差異大意味著腸道菌群出現(xiàn)偏離。
健康的人存在更多樣化且平衡的腸道菌群。微生物群中與年齡相關(guān)的變化歸因于生理，生活方式和健康狀況。這些因素中的每一個都與某些菌群的相對豐度變化有關(guān)。
例如，飲食、衛(wèi)生、兄弟姐妹、寵物、過敏、兒童疾病和抗生素是影響兒童微生物組的一些突出因素。到了成年期微生物群相對穩(wěn)定，而到了老年期，一些有益菌開始逐漸下降，菌群又向另一個階段過渡。
在從出生到死亡和分解的每個生命階段，微生物群落都是身體的動態(tài)組成部分。研究微生物群的自然和誘導(dǎo)變化有可能徹底改變我們對人類生物學(xué)的理解。
本文介紹了健康人的微生物群在一生中的變化，討論了從出生時菌群構(gòu)成，到疾病或抗生素使用時的變化，再到死亡時的微生物擴展的各個階段，以及這些階段在身體部位和組成（細(xì)菌、真菌或病毒）上的差異。了解微生物群與年齡關(guān)系的未來研究方向，以此對人體微生物群及基于此的干預(yù)有更好的了解。
01
人體內(nèi)的微生物群
微生物群落存在于人體的每個粘膜表面，人的每個身體部位都有一個獨特的生態(tài)學(xué)。每個人的微生物群像指紋一樣，都是獨特的。
在個體內(nèi)，特定的身體部位、地理位置和個體的年齡與健康微生物群具有極強的關(guān)系。年齡驅(qū)動人類微生物群的α多樣性和β多樣性。
在了解各個階段的微生物群變化之前，我們先了解一個概念：微生物演替。
微生物演替是指微生物群落中一種或多種生物的存在、相對豐度或絕對豐度的變化。
在正?；蚪】邓ダ掀陂g，微生物演替的三個主要階段自然發(fā)生在人類生活中。
三大不同階段的微生物群變化
?初級演替（出生時先鋒菌群定植，快速變化直到童年晚期）
第一階段，初級演替，從先鋒物種首次建立群落時開始，隨后微生物群落發(fā)生快速變化。從出生到童年，變化率降低，許多中間物種存在于出生到童年晚期之間。
初級演替結(jié)束于頂級群落的形成，在青春期實現(xiàn)，并在很大程度上持續(xù)到成年；該群落的特征是其相對穩(wěn)定。
雖然成年期的微生物群比兒童期更穩(wěn)定，但仍然存在變異，這引發(fā)了關(guān)于人類微生物群中是否存在頂級群落的爭論。成年微生物群的自然變異存在于小時（晝夜節(jié)律）到年（老化）的時間尺度上，但微生物群相對穩(wěn)定，除非存在干擾，如飲食或藥物的改變。
?次生演替（菌群的改變，重建）
下一個階段，即次生演替，發(fā)生在一個先前存在的穩(wěn)定群落一部分被改變或移除之后，然后群落再生到相同的狀態(tài)或不同的狀態(tài)。這可以通過抗生素等醫(yī)療手段人為實現(xiàn)，也可以通過霍亂弧菌感染等疾病自發(fā)實現(xiàn)。
人類的次生演替的特征是至少有一段時間的隨機過程占主導(dǎo)地位。在誘導(dǎo)條件下，如單療程抗生素，群落遵循類似于初級演替的過程，其中現(xiàn)有微生物群落的一部分充當(dāng)“微生物記憶”，幫助重建一個類似于以前存在的群落。
這一過程被認(rèn)為是由核心微生物群驅(qū)動的，而不是驅(qū)動初級演替的先鋒微生物。
?末期演替（自然衰老和死亡階段）
最終的末期演替是宿主自然衰老和死亡的一部分。在老年期間，微生物群落再次以更高的變化率，成功產(chǎn)生了一個由更少成員組成的群落，通常變形菌門（也稱為假單胞菌）的相對豐度增加，有時占總優(yōu)勢。
研究演替的每個階段使研究人員能夠解決與人類相關(guān)的微生物群落是如何形成和維持的。通過了解這些過程，我們可以更好地了解微生物群隨著年齡的增長的變化及其與人類健康的關(guān)系，了解如何管理微生物群。
人類相關(guān)微生物群從受孕到死亡的變化
Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022
常駐細(xì)菌、真菌和病毒的多樣性在人類生命的各個階段都會發(fā)生變化。模擬時鐘代表每個微生物群落階段發(fā)育的宿主年齡的相對時間。
免疫印記在出生前通過母親的微生物群及其代謝物開始（第一欄）。先鋒物種的初始定殖始于出生，身體部位特定的微生物群落出現(xiàn)（第二欄）。這些群落的復(fù)雜性不斷增加，直到它們達(dá)到相對穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)（第三列和第四列）。
這些微生物群落的次生演替可能來自內(nèi)部和外部擾動（第五欄）。中間微生物重新建立初始群落，并再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（第六列和第七列）。
在晚年，隨著寄主接近自然死亡，群落經(jīng)歷了最后的演替和變化（第八欄）。微生物演替的最后階段發(fā)生在腐敗和分解階段。在此階段，多樣性進(jìn)一步下降，在最初的24-48小時內(nèi)，許多人類微生物群結(jié)構(gòu)保持不變，但隨后很快開始侵蝕分解（第九欄）。
綠線和藍(lán)線分別顯示了微生物演替不同階段的適應(yīng)性免疫和先天免疫的相對強度。
不同年齡段的細(xì)菌多樣性測量
Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022
美國一個腸道項目集中測量了從兒童到老年的人類糞便（a部分）、口腔（b部分）和皮膚（c部分）微生物群的細(xì)菌多樣性和系統(tǒng)發(fā)育史，該項目包含21919個糞便、1920個口腔和998個皮膚微生物群樣本，帶有16S核糖體RNA基因擴增子序列。
α多樣性，一種對樣本中不同類型微生物數(shù)量的定量測量，通過Faith的系統(tǒng)發(fā)育多樣性（PD）α多樣性度量跨年齡測量。
UniFrac β多樣性主坐標(biāo)分析，一種用于比較微生物群落相似性的方法，其中空間上接近的點表示相似的樣本，空間上遠(yuǎn)離的點表示不同的樣本，按年齡著色。
02
生命早期的“先鋒菌群”
?胎兒時期——菌群及代謝物影響免疫發(fā)育
塑造人類微生物群的第一個因素來自胎兒發(fā)育過程中的母親。
胎兒通過胎盤接觸到母親微生物群落產(chǎn)生的代謝物，這些代謝物會影響其免疫系統(tǒng)，并會影響正常微生物群和后期病理學(xué)的各個方面。代謝物，如短鏈脂肪酸（乙酸鹽）和其他微生物化合物，可以通過胎盤轉(zhuǎn)移到胎兒體內(nèi)，并影響免疫發(fā)育。母親的飲食和健康也會影響這些代謝物。
胎兒組織中的乙酸鹽影響與成人調(diào)節(jié)性T細(xì)胞生成相關(guān)的表觀遺傳印記，其與防止生命后期哮喘的發(fā)展相關(guān)。
?出生后——菌群受出生模式，飲食，環(huán)境等影響
出生后，微生物群落根據(jù)身體部位迅速分化。
在最初的時候，先鋒物種和未來4年的群落發(fā)展可能會受到出生模式和妊娠時間的影響。中間群落由飲食影響，如母乳或配方奶粉的消費，以及環(huán)境。
最后，飲食和環(huán)境再次塑造了穩(wěn)定的頂極群落。主要由真菌、細(xì)菌和病毒組成。
子宮內(nèi)和生命早期的主要演替
微生物代謝物和配體調(diào)節(jié)宿主芳基烴受體，這有助于塑造新生兒微生物和免疫發(fā)育。母親使用抗生素和胃腸道相關(guān)疾病，如炎癥性腸病，也被認(rèn)為會通過胎兒免疫系統(tǒng)的印記增加后代的病理風(fēng)險。
然而，這些聯(lián)系僅在非人類實驗中研究過。在一個案例中，由患有炎癥性腸病的孕婦或其新生兒的微生物群所定殖的無菌小鼠繼續(xù)發(fā)展出異常微生物群和指示炎癥性腸病的免疫發(fā)育。
?懷孕期間母體的微生物群與免疫系統(tǒng)的變化
在懷孕期間，母親的微生物群和免疫系統(tǒng)也發(fā)生了改變。母親的陰道微生物群變得更加多樣化，通常由在其他身體部位發(fā)現(xiàn)的許多微生物群組成。
孕期母體免疫系統(tǒng)與胎兒形成協(xié)同作用，包括通過胎盤轉(zhuǎn)移IgG抗體。
新生兒先鋒細(xì)菌的定植
關(guān)于出生時獲得的微生物群是否通過混合來源于陰道和糞便，或者陰道微生物群本身在出生時是否具有多能性，是否是微生物先驅(qū)的主要來源，存在一些爭議。
無論確切的母體來源如何，這一階段的特征是先鋒細(xì)菌種類。包括下列菌群：
Lactobacillus
Enterobacter
Escherichia
Bacteroides
Parabacteroides
Prevotella
然后這些細(xì)菌定居在常規(guī)身體部位：腸道、口腔和皮膚。
許多先鋒細(xì)菌是兼性厭氧菌，它們會消耗氧氣，從而使專性厭氧菌能夠在以后的每個環(huán)境中定居。起初，新生兒的每個身體部位都相對未分化，但先鋒微生物很快開始啟動身體部位依賴性微生物多樣性的級聯(lián)，至少在生命的第4到第6周，每個部位的細(xì)菌都可以很容易地區(qū)分。
先鋒細(xì)菌進(jìn)駐后，生命早期的微生物群逐漸開始形成。接下來的章節(jié)我們來了解生命早期的腸道，口腔，皮膚等各部位的微生物群（包括細(xì)菌、真菌、病毒等）。
03
生命早期的各部位微生物群特征
腸道微生物群
?腸道細(xì)菌群——雙歧桿菌主導(dǎo)
人類腸道細(xì)菌群落的發(fā)展已經(jīng)得到了很好的研究。
雙歧桿菌屬一直占主導(dǎo)地位，直到在生命的第一年結(jié)束時，它們被雙歧桿菌、梭狀芽孢桿菌和擬桿菌屬的組合所取代。擬桿菌屬的豐度增加，而雙歧桿菌屬等物種的豐度相對減少。
雙歧桿菌分解母乳低聚糖，開始終生影響免疫系統(tǒng)
最近，一項研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌等細(xì)菌含有母乳低聚糖分解代謝所需的基因，與嬰兒免疫發(fā)育之間存在功能聯(lián)系。特別是，接受Bifidobacterium infantis EVC001極化初始T細(xì)胞的嬰兒的糞便水與來自對照組的糞便水平不同，其方式與減少腸道炎癥有關(guān)。
其他菌屬也可降解母乳低聚糖（如擬桿菌、阿克曼菌）
到3-6歲時，腸道細(xì)菌群落匯聚到整個成年期持續(xù)的頂級群落。這一微生物群是已知的密度最大、多樣性最強的生態(tài)群落之一。通常，在這段時間內(nèi)，普通健康人中只有兩個細(xì)菌門占優(yōu)勢：厚壁菌門和擬桿菌門。
?腸道其他微生物群——真菌、古細(xì)菌、病毒
在人類腸道發(fā)育過程中，對病毒組、真菌組和古菌組的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于細(xì)菌組。在整個生命周期中，真菌群落所占的總數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于細(xì)菌組或病毒組。
//真菌群落
真菌群落在生命的最初幾天含有大量的Rhodotorula和Debaryomyces,接下來的一個月則是Candida,Cryptococcus和Saccharomyces spp.。
到成年時，主要的真菌屬是Aspergillus, Candida和Saccharomyces。
//古細(xì)菌群落
發(fā)育期間腸道的古細(xì)菌群落尚不清楚，但古細(xì)菌是一些最早的移生菌落，但豐度較低。
早期定植的古細(xì)菌包括Methanosphaera和Methanobrevibacter。
// 病毒群落：噬菌體家族在出生后就開始流行
主要由噬菌體組成的病毒群落在出生后的第一周數(shù)量眾多。噬菌體家族Siphoviridae、Podoviridae和Myoviridae在出生后立即流行，主要以溶原形式整合到細(xì)菌基因組中。
到生命的第四個月，有尾噬菌體目大量生長，成員更常為裂解型（傳染性噬菌體顆?；蛑鲃訌?fù)制的噬菌體）。
在成人中，Caudovirales和Microviridae在腸道噬菌體群落中占主導(dǎo)地位，但噬菌體腸道病毒組對個體具有高度特異性，其演替仍有許多未知之處。
與噬菌體不同，感染真核病毒的腸道病毒組主要與兒童和成人的病理相關(guān)。最近，在健康兒童和健康成人中也觀察到一些感染真核細(xì)胞的病毒豐度較低，但其發(fā)生時間和流行率尚不清楚。
口腔微生物群
?口腔細(xì)菌群：出生后幾個月逐漸趨于穩(wěn)定，牙齒形成后再次轉(zhuǎn)變
在出生時，口腔細(xì)菌群在以下菌屬中的流行率很高：
Streptococcus
Gemella
Granulicatella
Veillonella
在接下來的幾個月里，Lactobacillus和Fusobacterium也開始流行。Staphylococcus的豐度在出生后3個月左右達(dá)到峰值，然后穩(wěn)步下降，讓位與更高豐度的Gemella,Granulicatella, Haemophilus和Rothia spp.
牙齒形成后，口腔微生物群再次轉(zhuǎn)變，在成年期具有更高豐度的梭桿菌門， Synergistetes, Tenericutes, Saccharibacteria (TM7), SR1 。
?口腔其他微生物：成年口腔含產(chǎn)甲烷菌，最常見的噬菌體群是尾狀病毒
口腔真菌群落被認(rèn)為比皮膚和內(nèi)臟的真菌多樣性少。Candida spp.是口腔的第一批真菌定植菌。對中級口腔真菌群落知之甚少，但成年人Candida,Cladosporium,Aureobasidium,
Aspergillus,Fusarium和Cryptococcus spp.的豐度較高。
發(fā)育過程中的口腔古菌體尚不清楚，但成年口腔中含有許多古菌產(chǎn)甲烷菌，包括甲烷桿菌屬。
目前對人類嬰兒口腔中病毒的知之甚少。在成年人中，與腸道類似，最常見的噬菌體群是尾狀病毒。
口腔病毒群在本質(zhì)上通常被視為病理性的（例如柯薩奇A病毒、麻疹病毒、紅疹病毒和人乳頭瘤病毒），并且沒有對病毒群落組成進(jìn)行縱向研究。然而，在無癥狀和健康成人中也觀察到許多真核病毒分類群。
皮膚微生物群
?皮膚細(xì)菌群落：出生時母親陰道乳桿菌屬占據(jù)較多，4-5周與成人相似
皮膚細(xì)菌群落在出生時含有大量的母親陰道乳桿菌屬。到第4-5周，嬰兒皮膚微生物群與成人皮膚微生物群相似，但在青春期繼續(xù)變得更具位點特異性。
Staphylococcus和Corynebacterium在不同位點Pseudomonas,Enterobacter,Enterococcus,
Proteus和Klebsiella在特定位點（如腋窩與前臂）。
?皮膚其他微生物：馬拉色菌占比較高，古細(xì)菌占4%左右
在皮膚真菌群落中，Malassezia,Candida和 Saccharomyces在生命的前30天最為普遍。對于中間群落的確切組成知之甚少，但成年真菌群落中Malassezia的豐度通常很高，估計約占真菌群落總組成的75%至90%。
關(guān)于皮膚古細(xì)菌群落的發(fā)育情況了解較少，但古細(xì)菌約占成年人菌群的4%。大體上，成年人皮膚古細(xì)菌群由Thaumarchaeota門和Euryarchaeota門代表。在成人皮膚上也發(fā)現(xiàn)了Halobacteriaceae和 Methanobrevibacter。
與腸道和口腔不同，健康的皮膚微生物群擁有相對較少的已知病毒多樣性，很少有對其進(jìn)行研究，可能是由于與低生物量樣本相關(guān)的技術(shù)限制。不過，皮膚上有一些自然存在的病毒群。
以上了解關(guān)于生命早期腸道、口腔、皮膚的微生物群，那么哪些因素會給生命早期的微生物群發(fā)展帶來影響？
影響早期微生物群落發(fā)展的因素
在生命的最初幾年中，有幾個因素塑造并區(qū)分了微生物群落的發(fā)展。
?出生方式和母體抗生素的使用
出生方式和母體抗生素的使用是影響人類微生物群落的研究最好、最清楚的因素之一。然而，微生物的發(fā)育可能會導(dǎo)致獨特的結(jié)果，即使是在同居的同卵雙胞胎中，這可能是由于許多未知或隨機的過程。
通過剖腹產(chǎn)和圍產(chǎn)期和新生兒抗生素暴露，自然微生物群落的建立過程可能會在所有身體部位受到干擾。這一發(fā)現(xiàn)突出了陰道微生物群落的重要性，陰道微生物群落自然含有大量Lactobacillus spp.，但在青春期發(fā)生改變，對女性健康至關(guān)重要。
一些最佳樣本的嬰兒發(fā)育研究，通?？s寫為DIABIMMUNE ECAM和TEDDY，在嬰兒出生后的前2年和3年進(jìn)行了隨訪，重點關(guān)注抗生素使用或出生方式的影響。
在上述所有研究中，陰道分娩的嬰兒的擬桿菌屬相對豐度高于剖腹產(chǎn)嬰兒。
由于缺乏建立微生物群落的天然先鋒微生物群，導(dǎo)致可變的群落組成被認(rèn)為是由隨機過程而不是確定性過程驅(qū)動的，出生模式對微生物群落組成的影響直到生命的第四年仍然可見。
出生模式影響的一個例外是早產(chǎn)，可能是由于在出生后的頭幾天大量使用抗生素，其特點是無論出生模式如何，微生物發(fā)育都不穩(wěn)定。嬰兒微生物群自然發(fā)育的這種改變與感染、免疫疾病、肥胖和神經(jīng)內(nèi)分泌異常的風(fēng)險增加相關(guān)。
?母乳喂養(yǎng)：母乳低聚糖給菌群帶來穩(wěn)定性
其次，與其他因素相比，母乳喂養(yǎng)對微生物群的發(fā)育有很大影響。與母乳喂養(yǎng)相比，配方奶粉的使用導(dǎo)致了更高的多樣性和更不確定的微生物群落。
例如，考慮到出生時腸道中雙歧桿菌科的自然優(yōu)勢，缺乏某些母乳低聚糖作為主要營養(yǎng)源可能會導(dǎo)致初始定植的不穩(wěn)定性。然而，微生物群、牛奶代謝組和免疫系統(tǒng)發(fā)育的多組學(xué)整合是一個活躍且快速發(fā)展的研究領(lǐng)域。
除了母乳低聚糖，母乳還含有其他免疫調(diào)節(jié)化合物，例如革蘭氏陰性細(xì)菌的脂多糖、分泌性IgA、先天免疫因子、抗菌肽和益生元因子。
最后，所有這些因素都會影響人類免疫發(fā)育。微生物相關(guān)分子模式識別受體與微生物群衍生分子相互作用，代謝物如短鏈脂肪酸（與GPR43、GPR41和GPR109相互作用）和次級膽汁酸（與FXR相互作用）直接影響免疫發(fā)育。
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這些因素加在一起，有助于形成一個獨特的、相對穩(wěn)定的細(xì)菌、真菌和病毒微生物群落，這種微生物群落在人類生命的大部分時間都持續(xù)存在。
04
成人微生物群的變化
前面章節(jié)了解了嬰兒期初級演替期間發(fā)生的巨大變化，與之相比，成年期微生物群基本上是穩(wěn)定的（15-65歲），但該群落可能會受到干擾，因此本章節(jié)從以下三方面展開討論：
菌群的自然穩(wěn)定波動（晝夜節(jié)律，飲食，清潔等）
菌群受到某些因素的干擾（藥物、疾病等）
微生物群受干擾后的恢復(fù)
成年微生物群的自然穩(wěn)定波動
健康成年人中某些細(xì)菌的基因組隨著時間的推移而進(jìn)化，表明在次生演替中，功能和組成進(jìn)化以穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)生。
· 晝夜節(jié)律影響菌群變化
成人微生物群也會發(fā)生自然的短期變化，時間尺度為一天到數(shù)月或數(shù)年。
短期變化的一個典型例子是微生物群落組成的晝夜節(jié)律。與晝夜節(jié)律相關(guān)的人類基因表達(dá)和免疫激活，以及腸道微生物群中細(xì)菌的豐度和組成也遵循這種模式。
在小鼠中表現(xiàn)出晝夜循環(huán)的細(xì)菌家族包括瘤胃球菌科、乳酸菌科、鼠桿菌科和疣菌科，但對人體的等效周期知之甚少。
青春期和成年生活中的二次演替
Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022
· 口腔和皮膚的微生物群隨清洗而變化
在口腔中，整組真菌和細(xì)菌的每日振幅與刷牙頻率一致。在皮膚上，真菌和細(xì)菌每天的變化也與洗滌頻率一致，并依賴于個人護(hù)理產(chǎn)品。
· 飲食會影響腸道微生物群
一個經(jīng)過充分研究的發(fā)生在幾周到幾年范圍內(nèi)的變化的例子是飲食驅(qū)動的腸道微生物群的改變。飲食對微生物群落有很大影響，可以包括群落中的自然和可逆變化。
例如，坦桑尼亞哈扎部落在旱季食用富含肉類和塊莖的飲食，但在雨季食用富含蜂蜜和漿果的飲食，在擬桿菌等屬中表現(xiàn)出較大的季節(jié)波動。
飲食對微生物群形成的巨大影響也可能在人類健康中發(fā)揮作用，許多工作致力于了解特定的飲食成分和總體飲食模式如何影響微生物群及其對健康的影響。
腸道細(xì)菌喜歡大量的水果、蔬菜、全谷物、橄欖油等健康食物。研究表明，飲食主要由富含纖維的食物（如地中海飲食）組成的人具有更大的微生物組多樣性，并且通常更健康。
此外例如，西方飲食中紅肉含量高，這與全因死亡率有關(guān)。腸道微生物群可能以有害的方式將紅肉中富含的左旋肉堿轉(zhuǎn)化為三甲胺，而肝臟則將三甲胺轉(zhuǎn)化為三甲胺氮氧化物，據(jù)推測這會促進(jìn)動脈粥樣硬化。
腸道微生物群也可以起到保護(hù)作用，例如，在紅肉被腸道吸收之前將其分解，以防止炎癥。除了飲食，還有許多其他因素有助于形成成年微生物群，包括遺傳學(xué)、地理、宿主因素，如代謝病和藥物。
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微生物群受到干擾
· 抗生素對微生物群的影響巨大
由于微生物群的破壞而發(fā)生的次生演替已被廣泛研究和審查。在破壞微生物群的眾多因素中，抗生素是最強的，治療后的恢復(fù)率往往各不相同。
抗生素治療后腸道微生物群反彈的能力被認(rèn)為取決于特定的群落成員，如擬桿菌和青春雙歧桿菌。
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疾病本身也會破壞微生物群，無論這種變化是由微生物群落內(nèi)部、宿主還是多種因素共同引起的。
· 疾病破壞菌群
——腸道：炎癥破壞菌群
腸道中的許多其他疾病，如炎癥性腸病，破壞了微生物群落，但沒有達(dá)到新的穩(wěn)定群落組成，而是在沒有干預(yù)的情況下繼續(xù)長期不穩(wěn)定。
——皮膚：炎癥引起金黃色葡萄球菌大量增殖
在皮膚上，特應(yīng)性皮炎的特征是免疫介導(dǎo)的炎癥引起的金黃色葡萄球菌大量繁殖和細(xì)菌多樣性減少。在金黃色葡萄球菌大量繁殖期間觀察到馬拉色菌屬的數(shù)量減少，反之亦然，真菌數(shù)量增加導(dǎo)致金黃色葡萄菌數(shù)量減少，這部分可能是由于真菌產(chǎn)生蛋白酶的能力，蛋白酶消化金黃色葡萄球菌生物膜并降低細(xì)菌逃避免疫系統(tǒng)的能力。
——口腔：細(xì)菌和真菌間的競爭和協(xié)同
口腔中也存在類似的跨界相互作用；例如，真菌白色念珠菌的定殖依賴于細(xì)菌生物膜，但同時，Pseudomonas和Staphylococcus等細(xì)菌屬分別形成競爭和協(xié)同關(guān)系。
這些例子強調(diào)了微生物群落的相互作用和演替是如何跨域和與宿主作用的，但由于其高階相互作用的復(fù)雜性質(zhì)，仍然沒有完全理解。
微生物群落的恢復(fù)
干擾后微生物群落恢復(fù)的障礙導(dǎo)致許多研究人員探索有針對性地恢復(fù)微生物群落的干預(yù)措施的可能性。微生物群落恢復(fù)包括定向重新播種或某些物種的富集或耗竭，旨在促使微生物群落恢復(fù)到接近擾動前的水平。
這可以通過益生菌、益生元、抗生素或其他藥物、從健康個體移植完整的微生物聯(lián)合體或這些的組合來嘗試。
盡管這些療法在某些特征明確的環(huán)境中可以非常有效地恢復(fù)健康的微生物群落，但它們往往因缺乏與現(xiàn)有群落相互作用的機理知識，或因其僅短暫移植的能力而受到限制。
為了解決這些，研究集中在兩個領(lǐng)域：
第一個領(lǐng)域涉及更好地了解群落是如何組合的。例如，對人類發(fā)育的研究有助于確定微生物群落在發(fā)育過程中如何聚集，以及這種聚集在生命后期的影響。
其次，正在開發(fā)新方法，通過探索微生物群落相互作用來確定機制，包括計算和實驗，包括高通量共培養(yǎng)和微生物群落的基因組編輯。
為了解決瞬時性問題，采用了兩種主要方法：
首先，微生物群療法的短暫和個性化影響是由每個人的微生物群的個體性質(zhì)決定的。因此，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)將群落改變的目標(biāo)定位于每個人獨特的微生物群，前景廣闊。例如，基于微生物群落組成的個性化營養(yǎng)在盲法隨機對照干預(yù)中有效地改善了餐后血糖。
另外，超越細(xì)菌組，探索病毒組和真菌群落及其之間的相互作用，具有巨大的前景。例如，噬菌體療法已經(jīng)用于嚴(yán)重的耐藥細(xì)菌感染，并且對目標(biāo)細(xì)菌菌株具有高度特異性。但大多數(shù)此類干預(yù)措施仍處于初步研究階段，且規(guī)模成本高昂。
05
老年微生物群的特征
前面章節(jié)我們了解了成年微生物群的變化，以及變化后的恢復(fù)情況等，成年穩(wěn)定微生物群在老年時轉(zhuǎn)變?yōu)?strong style="box-sizing: border-box;">最終群落，本章節(jié)來詳細(xì)了解老年微生物群。
“老年”的確切時間尺度取決于其他幾個與宿主相關(guān)的因素，如疾病，但迄今為止大多數(shù)文獻(xiàn)將“老年人”定義為65歲及以上的人。
接近壽命終點的晚期演替
由于生物編程和生命中損傷的累積而導(dǎo)致的衰老影響細(xì)胞功能的各個方面，微生物群也不例外。隨著年齡的增長，腸道微生物群α多樣性減少，β多樣性增加。
關(guān)于老年微生物群，仍有許多未知之處，而文獻(xiàn)也有些矛盾（一項報告稱65歲及以上成年人擬桿菌數(shù)量增加，與其他研究相矛盾），大多數(shù)研究都集中在腸道細(xì)菌上。
老年微生物群：年輕優(yōu)勢菌豐度減少
一般而言，腸道中觀察到的群落演替是年輕成年人中占優(yōu)勢和普遍的細(xì)菌屬豐度減少，如Bifidobacteria, Bacteroides, Lactobacillus, 抵御機會細(xì)菌爆發(fā)的能力降低。
· 皮膚
在65歲及以上的人群中，genera Cutibacterium和Staphylococcus的皮膚細(xì)菌數(shù)量減少，同時觀察到更多的Corynebacterium。
· 口腔
在口腔部位，Rothia和Streptococcus spp.是核心口腔細(xì)菌群落，Porphyromonas,Treponema和Faecalibacterium spp.的數(shù)量持續(xù)減少。
· 腸道
老年期腸道真菌群落的特征是Penicillium, Candida,Aspergillus和Saccharomyces spp.的優(yōu)勢度增加。
在皮膚和口腔部位的研究很少，但老年期皮膚上的Malasseziaspp.和口腔內(nèi)的Candidaspp.豐度減少。
在腸道噬菌體中，成年期的Siphoviridae占主導(dǎo)地位，而老年期的Microviridae和Podoviridae則占主導(dǎo)地位。與腸道細(xì)菌、真菌和噬菌體群體相比，真核病毒的多樣性在童年后和整個余生中保持不變。
研究重點
由于個體之間的高度變異性，老年微生物演替的研究重點主要是比較健康和不健康的衰老。
目前尚不清楚微生物群是否在健康衰老中起著機械作用，還是僅僅是其他變量的一個有力指標(biāo)，如飲食、運動和藥物。然而，在那些長壽健康的人中，可以觀察到在健康成年人中高度流行的菌群的持續(xù)保留方面的共同點。
然而，百歲老人表現(xiàn)出更獨特的微生物群，α多樣性增加，群落組成的個體間差異更大，使“健康”和“不健康”年齡之間的比較復(fù)雜化。次生膽汁酸在百歲老人中含量豐富，也可能在健康老齡化中發(fā)揮作用。盡管前景看好，但這一研究領(lǐng)域仍處于起步階段。
擴展閱讀：腸道菌群與健康長壽
06
死亡后的微生物群落
· 微生物的演替不會隨著個體的死亡而結(jié)束
宿主的死亡可以視為微生物群的生態(tài)干擾。心臟停止后，組織立即因缺氧而開始分解。細(xì)胞功能持續(xù)，直到所有剩余的氧氣耗盡，二氧化碳不再能夠從組織中運輸為止。細(xì)胞內(nèi)二氧化碳的積累創(chuàng)造了一個缺氧的酸性環(huán)境，導(dǎo)致細(xì)胞破裂。
細(xì)胞成分，例如酶會泄漏到周圍環(huán)境中，在被稱為“自溶”的過程中進(jìn)一步促進(jìn)組織分解。自溶通過消除免疫系統(tǒng)、松開細(xì)胞連接并為微生物群提供營養(yǎng)，觸發(fā)了一系列負(fù)責(zé)組織分解的微生物過程。
死亡后的微生物群
Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022
· 死亡后微生物群分解
人類微生物群在死亡后的前24-48小時內(nèi)相對穩(wěn)定，具有不同的身體部位微生物生態(tài)、年齡的α多樣性模式和可識別的個性化皮膚微生物群特征。
在分解的最初幾天到幾周內(nèi)，腐敗主要由細(xì)菌進(jìn)行，但隨著分解的進(jìn)行，真菌的作用增加。然而，在這個過程中，對病毒組的演替和功能作用了解甚少。
隨后，環(huán)境變化促進(jìn)了微生物的演替，改變了人體和微生物群，不再像活著的個體（除非身體被冷凍）。
由于缺乏宿主生活中先前遇到的環(huán)境限制，使得微生物的相對豐度發(fā)生了快速變化以及在身體各部位的移動。遷移的細(xì)菌群成為從腸道轉(zhuǎn)移到腸外部位的先鋒物種，根據(jù)身體部位參與初級演替或次級演替。
· 死亡微生物群——生物指示器
死亡微生物群因其對法醫(yī)調(diào)查的影響而引起了越來越多的關(guān)注。與多個個體和身體部位相關(guān)的一致的時間序列模式證明，死后微生物群可以作為死后間隔的生物指示器。
每個尸體的死后微生物群都是獨一無二的，并且根據(jù)死亡時間、死因、環(huán)境、死亡地點和年齡以及開始時身體部位之間的差異，尸體之間的微生物群是不同的。
當(dāng)微生物演替包括群落成員的快速更替時，在分解的早期階段（即死亡后的前2-3周），死后時間間隔估計更為準(zhǔn)確，但在分解的后期階段（例如骨骼）仍然有用，因為幾乎沒有證據(jù)可以估計死后時間間期。
· 死亡原因與微生物群存在聯(lián)系
還證明了與死亡原因和微生物群存在的聯(lián)系。例如，在死于心臟病的個人的口腔微生物群中發(fā)現(xiàn)了更多的Rothia spp.。
此外，皮膚微生物群脫落可能通過將個人與他們接觸過的物品聯(lián)系起來，從而有助于追蹤證據(jù)；然而，這一獨特特征能夠準(zhǔn)確匹配到個體的時間取決于對象的材料和用途。
07
關(guān)于微生物群研究中的
取樣和實驗設(shè)計
研究設(shè)計和樣本收集
人類微生物群是動態(tài)的。考慮到這一點，設(shè)計一種能夠捕捉微生物群的時間和空間變異性的采樣策略非常重要，特別是當(dāng)這些波動與所提出的科學(xué)問題相關(guān)時。
?測量時間不同：多個時間點的樣本采集
橫斷面研究從每個個體收集一個樣本，而重復(fù)測量研究在多個時間點或身體部位收集樣本。隨著時間的推移，采樣頻率應(yīng)該調(diào)整到研究人員試圖觀察的現(xiàn)象。
例如，小鼠晝夜節(jié)律研究通常每2-4小時收集一次糞便樣本；而在炎癥性腸病中，在一周內(nèi)對患者進(jìn)行三到五次采樣可以改善疾病分類。
在其他應(yīng)用中，例如研究特定治療對個體微生物群的影響，這可能與進(jìn)行“一對一”研究有關(guān)，在該研究中，同一參與者被反復(fù)檢測其微生物群的結(jié)果變化；治療前采集的樣本被視為個體水平的對照。
?測量空間不同：城市化/農(nóng)村環(huán)境不同
同樣重要的是要考慮到人口的微生物群高度依賴于地理和種族。
例如，在一個大型中國群體中，一種與年齡高度相關(guān)的微生物在一個美國大型群體中根本沒有檢測到。
另一個具體的例子涉及城市化社會的“建筑環(huán)境”；城市化人群通常較少接觸環(huán)境微生物，更多地使用家用抗菌劑，與來自農(nóng)村社會的人類微生物群相比，這導(dǎo)致了重大變化。
這些考慮因素與微生物群領(lǐng)域尤其相關(guān)，因為大多數(shù)公共微生物群數(shù)據(jù)來自城市化的北美和歐洲人。因此，現(xiàn)有數(shù)據(jù)集的結(jié)論可能無法很好地推廣到全球人口。
數(shù)據(jù)生成
從人類微生物群和微生物群研究中生成的測序數(shù)據(jù)的主要類別是擴增子測序數(shù)據(jù)和鳥槍測序數(shù)據(jù)。
?擴增子測序
在擴增子測序中，對已建立的高變區(qū)的PCR產(chǎn)物（擴增子）進(jìn)行深度測序，從而能夠通過與個體“條形碼”匹配來識別和測量群體成員。
這里有兩種選擇：要擴增的基因和該基因的哪一部分要擴增。微生物基因組的常見擴增區(qū)域包括：細(xì)菌的16S核糖體RNA基因、真核微生物的18S核糖體DNA基因和真菌的內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)。
每個特定基因中高變區(qū)的選擇取決于要捕獲的特定微生物，但廣泛使用的高變區(qū)包括來自地球微生物組項目的V4區(qū)。
?腸道微生物群參與人體的調(diào)節(jié)
在鳥槍測序中，所有微生物DNA都被測序，而不僅僅是PCR產(chǎn)物，從而能夠?qū)ξ⑸镞M(jìn)行更具體的分類。由于鳥槍測序不依賴于任何標(biāo)記基因，因此與擴增子測序相比，它對某些微生物的偏向性較小。
然而，鳥槍測序的成本要高得多，并且需要更大的計算能力，這使得在不需要提高鳥槍序列分辨率的情況下，擴增子測序具有吸引力。
將測序數(shù)據(jù)與其他分析配對
結(jié)合其他技術(shù)進(jìn)行擴增子或宏基因組測序可以豐富對微生物群和宿主的理解。定量PCR和熒光激活細(xì)胞分選等技術(shù)通過將相對豐度錨定到可靠的絕對豐度測量值，為相對豐度提供了更多的背景。
酶聯(lián)免疫吸附試驗和單細(xì)胞測序可以通過提供宿主細(xì)胞類型或宿主免疫信息與宏基因組測序很好地配對。
培養(yǎng)組學(xué)使研究人員能夠通過實驗驗證功能或活性的基因組預(yù)測，并將微生物轉(zhuǎn)化為益生菌。微生物產(chǎn)生的代謝物或蛋白質(zhì)，即微生物群的下游效應(yīng)物，可以分別通過代謝組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)進(jìn)行探測。
最后，宿主基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)越來越多地與擴增子或宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)配對，以深入了解宿主基因表達(dá)和微生物群之間的聯(lián)系。
元數(shù)據(jù)收集
最后，從被調(diào)查的參與者那里收集數(shù)據(jù)至關(guān)重要。一般微生物群研究的一些重要元數(shù)據(jù)類別包括人口統(tǒng)計、臨床信息和飲食信息；然而，使用的確切元數(shù)據(jù)因研究而異。應(yīng)采用產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)化元數(shù)據(jù)的實踐，以便結(jié)果可重復(fù)使用和再現(xiàn)。
結(jié)論與展望
本文描述了目前對不同年齡和不同身體部位的人類常駐微生物群落組成的研究現(xiàn)狀。
人類健康與微生物群組成之間存在許多聯(lián)系，對腸道菌群的干預(yù)可能改善健康。側(cè)重于整個微生物群而不是單一物種的富集或消除的干預(yù)措施，需要了解這些群落是如何形成和維持的。
不同人群年齡，不同部位的微生物群需要依托于大樣本數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，這為微生物群研究的準(zhǔn)確性提供了保障。
通過研究人類整個生命周期中的微生物群，我們可以更好地了解這些微生物群復(fù)雜的相互作用，以及如何有效地將微生物群推向宿主所需的組成。此外也正應(yīng)用于除人類健康外的其他領(lǐng)域，如法醫(yī)學(xué)。隨著微生物群的相關(guān)研究不斷突破，將給人類生命健康和生產(chǎn)生活帶來巨大的影響。
