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致力于帮助推动医学进步的科学家和创业者  目录 《肠道微生物行业研究（一）》 1 肠道微生物概述及研究现状 1.1 微生物概述 1.2 肠道微生物概述 1.3 肠道微生物的发展史 1.4 肠道微生物的研究现状 1.5 肠道微生物的应用 -------下期预告-------- 《肠道微生物行业研究（二）》 2 肠道微生物的市场分析 2.1 政策分析 2.2 国外行业现状和特征 2.3 国内行业现状和特征 2.4 国内外形成不同格局的原因分析 2.5 国内肠道微生物公司产业化的瓶颈 2.6 行业特点及未来发展趋势 一 肠道微生物概述及研究现状 1. 微生物概述 微生物（Micro-Organism）是一切肉眼看不见或看不清的微小生物的统称。微生物种类繁多，主要包括细菌、病毒、真菌和少数藻类等。它们都是一些个体微小（一般<> 图1. 微生物特征及分类  资料来源：微生物学教程（周庆德编），探针资本整理 2. 肠道微生物概述 肠道微生物指动物肠道中存在的数量庞大的微生物，这群微生物依靠动物的肠道生活，同时帮助寄主完成多种生理生化功能。肠道不仅是人体消化吸收的重要场所，同时也是最大的免疫器官，在维持正常免疫防御功能中发挥着极其重要的作用。人体肠道为微生物提供了良好的栖息环境，成人肠道内的微生物数量高达10^14个，接近人体体细胞数量的10倍；质量达到1.2kg，接近人体肝脏的质量；其包含的基因数目约是人体自身的100倍，具有人体自身不具备的代谢功能。 人体肠道微生物数量庞大、种类繁多，被称为“第二基因组”，与机体健康有着极为密切的联系。近年来，肠道微生物研究已成为生物学领域的研究热点之一。微生物组研究技术迅猛发展，使得进一步了解肠道微生物与人类集体的系统发育以及健康的关系成为可能。 基于目前的研究，肠道微生物或其代谢物对于宿主主要有三个功能：1）抵御病原体，预防感染；2）对食物进行消化和代谢，调节人体的新陈代谢；3）也是最复杂的功能，参与免疫系统的发育，加强免疫系统。 图2. 肠道微生物的功能  资料来源：探针资本 人类的肠道微生物按照不同的分类方法可以分成不同的类别： （1）依据自然属性分类 肠道微生物已经鉴定出细菌的9个门，包括：厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微球菌门、梭杆菌门、蓝藻菌门、螺旋体门、VadinBE97门。其中98%的肠道微生物可以归属为前四类，厚壁菌门（64%）、拟杆菌门（28%）、变形菌门（8%）和放线菌门（3%）。 （2）依据与宿主的关系分类 肠道微生物可分为共生菌、条件致病菌和致病菌。共生菌是长期寄居在肠道内组成相对稳定的微生物，占据肠道细菌数量的99%，在进化过程中通过个体适应和自然选择形成，与宿主相互依存、相互制约，是机体不可分割的一部分，对机体有益无害。条件致病菌，顾名思义，是在一定条件下能够导致疾病的细菌。这类细菌在肠道内比较少，通常由于大量共生菌的存在，条件致病菌并不容易大量繁殖以致对人体造成危害，常见的条件致病菌是肠球菌和肠杆菌。致病菌对人体有害无益，可以诱发疾病。致病菌一般不常驻在肠道内，从外界摄入后可以在肠道内大量繁殖，导致疾病的发生。常见的致病菌有沙门菌和致病性大肠埃希菌等。 （3）依据对氧气的需求分类 肠道微生物可以分为专性厌氧菌、兼性厌氧菌和需氧菌。肠道微生物以厌氧菌居多，共生菌一般都是专性厌氧菌。 表1. 肠道微生物的分类  资料来源：探针资本 3. 肠道微生物的发展史 科学家对肠道微生物的研究始于大肠杆菌、双歧杆菌等常见肠道细菌的发现和对其生理功能的探索。早在1886年，科学家开始发现大肠杆菌及其对消化的作用。1907年，Metchnikoff提出著名的“梅氏假说”，认为“酸奶长寿”，乳酸菌能抑制肠道腐败菌生长。1965年，Dubos等发表了大鼠胃部冷冻组织显微图像，图中显示许多杆状或球状的细菌附着于胃黏膜上，第一次获得了肠道微生物存在于胃肠道黏膜中的显微图像。随后逐步出现了对肠道微生物与人体健康关系的初步探索。1992年，Bocci提出肠道微生物菌群有着如同虚拟器官一样的代谢功能，认为其是“被忽略的人体器官”，研究者们逐步意识到肠道微生物作为一个整体对宿主肠道的重要性。 20世纪末，分子生物学理论逐渐丰富，许多基于分子生物学理论的研究手段应运而生并进入飞速发展时期。更多的分子研究手段被应用至肠道微生物的研究，为进一步探索其组成、功能提供了可能。得益于寡肽探针、末端限制性长度多态性分析(T-RFLP)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)、温度梯度凝胶电泳(TGGE)及实时定量PCR等手段，肠道微生物的多态性分析及定性定量研究取得了重大突破。另一方面，随着模式动物、基因工程动物的开发，出现了更多基于动物模型的肠道微生物生理功能研究。近年来，随着第2代高通量测序手段的成熟，组学思想成为热点。宏基因组、宏转录组、代谢组等组学技术逐渐被应用于肠道微生物的研究中，为深入阐明其结构和功能提供了基础。 2007年底，美国国立卫生研究院(NIH)投入1.15亿美元，正式启动的“人类微生物组计划”(human microbiome project)，随后各国纷纷为微生物组学的研究设立了专项计划，对肠道微生物的重视达到了空前的高度。2008年4月，欧盟宣布启动肠道元基因组第七框架项目(Meta HIT)，耗资约2770万美元，深圳华大基因研究院作为唯一的非欧盟国家的科研单位加入其中。亚洲乳酸菌学会联盟也发起了“亚洲人肠道菌相与健康研究”计划，将对亚洲北京、首尔、新加坡等12个城市不同人群的肠道微生物组成展开系统的研究。 在典型论文方面，肠道微生物研究被Science杂志评为2011年度十大科学突破之一，被Nature Medicine杂志评为2011年度八大生物医学研究进展之一；Science杂志于2012 年上半年推出“肠道微生物群”专辑，而Nature杂志也在同年下半年推出“肠道微生物与健康”专辑。经江南大学统计数据显示，10年来全球肠道微生物与宿主健康相关的研究论文以每年30%的速度快速增长，2012年发表的论文数已达到近10年该方向论文总数的1/3。 图3. 肠道微生物的发展史  资料来源：探针资本 4. 肠道微生物的研究现状 近年来，随着测序技术的发展，世界范围内开展了重大的微生物基因组计划，大力的推动了微生物组学的发展，也为肠道微生物产业打下了坚实的基础。全球范围内的微生物组计划如下图： 图4. 全球重要微生物组计划  数据来源：动脉网，探针资本整理 表2. 全球重要的肠道微生物科研计划   资料来源：中国医药报，探针资本整理 随着全球微生物组计划的实施以及宏基因组学、宏转录组学等技术的发展，肠道微生物的研究也越来越深入。统计结果表明，2017年以前肠道微生物领域的研究逐年增加，人体肠道微生物在大健康领域的应用不断升温。到2018年研究文献的发表数量较2017年有所减少，但在Nature、Science、Cell三大期刊上仍有多篇文章发表，可能是由于随着研究的深入，研究难度在加大，导致文献发表数量减少。其结果如图5所示（截止到2018年12月31日）： 图5. 微生物组相关研究文章数  资料来源：亿欧导读，探针资本整理 在人体微生物组学中，96-99%的微生物聚集在胃肠道，同时也是研究领域的重点方向。Pubmed显示，2008年到2018年之间10年的研究文献中，肠道微生物相关的最多，达到6558篇，其次是口腔，有2240篇。肠道微生物的科研进展快于其他领域，在一定程度上表示其产业化进展也将会较快于其他领域。 表3. 2008年到2018年人体微生物文献数量  数据来源：Pubmed，探针资本整理 机体肠道菌群是一个复杂的微生态系统，随着肠道微生物研究的深入，由于传统的细菌培养手段的局限性，已经不能满足人们对肠道菌群的认识。近年来，肠道微生物的检测技术得到了科学家们的重视。以细菌核糖体RNA序列(16S rRNA)分析为基础的未培养微生物研究技术的发展大大拓展了肠道微生物研究的内容，通过对细菌分类和进化标记基因16S rRNA基因进行测序，全面深入地反映环境微生物群落结构的多样性，使人们对肠道微生物有了新的认识。在进化的过程rRNA分子功能几乎是恒定不变的，而且有些部位分子排列顺序只有非常小变化，从这种排列顺序可以检测出不同种系之间的发生关系。rRNA结构既具有保守性，又具有高变性。保守性能够反映出不同生物物种之间的亲缘关系，为系统发育重建提供线索；高变性则能揭示出不同生物物种的特征核酸序列，是种属鉴定的分子基础。细菌rRNA有3种类型：23S rRNA、16S rRNA和5S rRNA。其中16S rRNA的相对分子质量适中，比较容易于进行序列测定的分析比较。目前，16S rRNA/rDNA是一个科学可靠的指标，因此广泛用于微生物遗传特征和分子差异研究。随着分子生物技术的发展，测序技术也开始应用于肠道微生物的检测，检测方法日趋完善，目前已经发展到了相当高的水平。 图6. 肠道微生物的检测方法  资料来源：亿欧导读，探针资本整理 肠道微生物作为人体重要的“微生物器官”，与人体的健康密切相关，且肠道微生物的研究已经应用于临床，在最近几年关于微生物组的临床研究中，对于肠道微生物的临床研究占比一半以上。 图7. 微生物菌群临床研究分类 资料来源：Pubmed，探针资本整理 5. 肠道微生物的应用 （1）肠道微生物与消化代谢 肠道是消化吸收的重要场所，肠道微生物对这一过程起着重要的调节作用。在盲肠和上行结肠中，碳水化合物发酵，微生物快速增长；而在横结肠和下行结肠中氨基酸发酵，微生物增长速度变缓。肠道微生物的基因组中存在许多编码碳水化合物活性酶的基因等，可帮助宿主消化糖类。作为机体代谢的重要参与者，肠道微生物不仅能合成多种人体生长发育所必需的维生素(如双歧杆菌、乳酸杆菌可以合成维生素B1、B2、B6 和B12，以及维生素K和叶酸等)，还能促进矿物元素的吸收，帮助消化代谢。 （2）肠道微生物与疾病 肠道微生物除了具有调节消化代谢的作用，还与糖尿病、肥胖症、肾结石等多种疾病紧密关联。科学家发现肠道微生物的群落结构与肥胖症相关，肥胖症会导致微生物多样性降低。肥胖者的肠道菌群恢复到健康状态可改善与肥胖相关的病症并帮助维持健康的体重。科学家在具有相同遗传背景的、喂食低脂肪食物的无菌小鼠中移植了肥胖者肠道菌群，相比于未移植的对照小鼠，移植后的小鼠出现了肥胖症，相对应的，移植了瘦人肠道菌群的小鼠变瘦。如果把肥胖小鼠的肠道菌群移植给瘦小鼠，原先的瘦小鼠也会出现肥胖，同时携带肥胖者与瘦人菌群的小鼠，体重的增加以及和肥胖相关代谢表型的形成受到了抑制。可见肠道微生物在肥胖症中具有重要影响作用。 除了肥胖症，研究还发现，草酸杆菌的定植与草酸钙形成结石的风险降低表现出70% 的关联度。草酸杆菌可在肠道中代谢草酸盐。缺乏草酸杆菌可能会导致结肠吸收草酸盐增加，造成尿中草酸盐积累，容易导致结石的形成。 （3）肠道微生物与免疫 早期B细胞发育可发生在肠固有层，受到共生微生物和肠免疫球蛋白库细胞外信号的调节。实验表明，当无菌小鼠接触了微生物菌群，微生物在体内定植，肠固有层中特异性表达Igλ 和Igk 的B 细胞的比例将会增加，从而影响B 细胞的发育。表达Foxp3 转录因子的CD4 + T 调节性T 细胞( Tregs) 对维持免疫内环境的稳定具有关键作用。肠道微生物群的孢子形成组分，特别是梭菌属的IV 和XIVa 簇可提供富含转化生长因子-β 的环境，影响结肠中Foxp3+ Tregs 的数量及其功能。常规饲养的小鼠早期以口服方式接种梭菌，成年后会表现出对大肠炎和全身性免疫球蛋白E 反应的抗性，这有可能成为治疗自身免疫病和过敏反应的新方法。 （4）肠道微生物与精神状态 肠道菌群可影响哺乳动物的大脑发育以及成体行为。与具有正常肠道菌群的小鼠相比，无菌小鼠运动较多、焦虑较少。这种行为表型与有关运动控制和焦虑样行为的第二信使通路和突触长期增强的基因在脑区域的表达改变相关。当无菌小鼠接触了正常的肠道菌群，脚手架蛋白PSD-95( postsynaptic density protein 95) 和突触素在纹状体中的表达减少，从而影响控制运动和焦虑行为的神经元电路的信号机制。 图8. 肠道微生物的应用 资料来源：Science，探针资本整理 |
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