持续争议中的胎儿微生物组
梁冠翔 | 热心肠智库专家 2023-02-16
时长:17:16 字幕:热心肠小伙伴们 审校:王欣
其实一直没有证据显示,妊娠子宫有活性微生物组,在不断扩增、复制、释放活性代谢产物。
梁冠翔
清华大学医学院助理教授
梁冠翔博士于2011年毕业于西北农林科技大学获得学士学位,2015年毕业于加拿大阿尔伯塔大学获得博士学位,于2016年加入宾夕法尼亚大学医学院进行博士后研究。梁冠翔博士长期从事人类病毒组,微生物组,以及生物信息学等研究。近年来以第一作者及通讯作者在Nature, Cell Host & Microbe, Genome Biology, mBio, Nature Reviews Microbiology等发表论文16篇。其他共同作者文章16篇。梁冠翔博士于2021年加入清华大学医学院任助理教授,博士生导师。
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大家好,我是来自清华大学医学院的梁冠翔。

 

我们将关注一个有争议的话题,就是在我们人类出生之前,胎儿体内是否有微生物组的定植?

 

微生物早期定植与健康有何关联?

 

 

我们已经对人类微生物组进行了持续多年的研究,我们为什么要关注这种婴儿早期微生物组的定植呢?

 

 

其中一个很重要的原因,就是微生物早期定植对人类的健康有一定影响。

 

给大家举一个简单的例子。这是比较早期发表的一篇文章,大概是在2011年,研究者关注的是儿童的哮喘疾病。我们都知道,哮喘疾病是呼吸道的一种慢性炎症性疾病。

 

在这项研究中,研究者发现,如果儿童在出生后6个月内使用过一次以上的抗生素治疗,当儿童长到6岁的时候,得哮喘的概率就要提高40%~70%。

 

引起这个结果的因素可能有很多,不一定是抗生素的使用,但是这个就给了我们一个假设:早期抗生素的处理可能会破坏整个肠道菌群的定植,进而对人类的健康产生比较长期的影响。

 

 

依据这个假设,陆陆续续有很多相关的文章进行了报道。这些报道有些是利用人类的队列样本,有些是进行统计研究,也有一些是用模式动物进行的研究。

 

整体来说,这些研究都告诉我们一个大体的结论:早期微生物组的紊乱可能与后期多种疾病的发生有关。

 

所谓早期微生物组的紊乱,包括在婴儿早期使用了抗生素,也包括剖宫产出生的婴儿,这些都会导致早期微生物组的紊乱。而后期的疾病其实包括很多,像哮喘、炎症性肠病、糖尿病,甚至癌症等等。

 

由于越来越多相关的报道被发表出来,其中背后的一些分子机制在不同的模式动物中,也在不断地被发现。

 

通过这些研究,我们整体上得到一个结论:微生物早期定植对我们人类的健康有着显著的影响。

 

这就额外产生了一个话题:我们是否能够在早期微生物定植的时候,对它进行一定的调控,从而帮助儿童更健康快乐地成长。

 

微生物何时开始在人体定植?

 

 

如果要回答这个问题,其实有一个更重要的问题,与我们今天的话题有关:微生物到底是什么时候开始在我们人体内定植的?

 

要回答这个问题,其实可以追溯到很久之前。

 

无菌子宫“假说”

 

 

我们查阅了相关文献,大约在150年前,德国妇产科医生Küstner发表了一篇论文,在我们能查到的文献当中,首次对这个问题提出了一些思考。

 

在这篇文献当中,他汇报了几个感染性的病例,是孕妇在生产之后与婴儿同时获得了某些细菌感染性疾病。

 

Küstner医生提出了疑问:这些感染是发生在婴儿出生前还是出生后?他的猜想是,在出生之前婴儿处在一个相对隔绝的环境中,应该是不会接触到细菌的。

 

 

随着微生物学技术的不断发展,人们可以利用不同的实验技术来对这个猜想进行一些验证。

 

传统的技术主要包括微生物培养技术,人们如何做这些试验呢?就是采集相关的样本,比如胎盘、胎便、羊水、胚胎,都是与孕妇生产相关的一些样本,利用这些样本可以进行微生物的培养。

 

在多年的研究当中,大家得出一个结论:通过利用这种样本在培养基中培养细菌,是非常难得到活性细菌的。也就是说,我们很难在这些样本中发现有活性的细菌。

 

因此在一个长时间的过程中,大家得到了一个结论:健康的妊娠过程中子宫是无菌的。

 

很多人把它叫做无菌子宫“假说”,有些人也把它叫成无菌子宫“范例”或无菌子宫 “法则”。这几个名词的语气是越来越强的,其实它是没有一个定论的,我们暂且把它叫做无菌子宫“假说”。

 

这个“假说”主要内容是什么呢?

 

首先,在健康的妊娠过程中,胎儿其实大部分时间处于一个无菌的环境。当生产开始,婴儿破水开始接触外界环境的时候,微生物开始迅速定植。

 

最早期定植的微生物主要来源于母亲的产道、皮肤,或者是相关的接生人员以及周围的环境。这些都是有一定数据在支持的。

 

这就是传统意义上的无菌子宫“假说”,而且被广大的微生物研究者接受,长时间来已经形成了大家公认的所谓的法则。

 

不过随着生物医学技术,尤其是分子生物学技术的发展,大家可以对一些无法培养的微生物开始进行鉴定。

 

于是,无菌子宫“假说”似乎受到了强大的挑战。

 

细菌子宫定植“假说”

 

 

例如,我们同样是利用传统的样品,包括胎盘、胎便、羊水以及胚胎,大家开始利用最新的技术,如PCR技术、原位杂交荧光技术以及高通量测序技术,这些都是可以检测细菌DNA信号的。

 

随着这些技术的应用,人们在这些样本中发现了大量的细菌DNA的存在,所以开始出现了一个声音:在胎盘等一些位置,我们是可以发现一些独特的微生物组。

 

这些科学家进而推断:其实在婴儿出生前,已经有一定数量的微生物定植在胎儿体内。这就是所谓的细菌子宫定植“假说”。

 

这个“假说”的出现,对传统的无菌子宫“假说”提出了强大的挑战,越来越多人开始关注这个问题。

 

 

接下来详细地说一下,大家的一些支持子宫定植“假说”的证据。

 

首先是一些比较早期的研究,是利用胎粪来推测子宫定植的证据。胎粪其实就是婴儿在出生后排出的第一波粪便,一般是发生在48~72小时之内。

 

科学家可以采集这些粪便,提取它的DNA,进行细菌DNA信号的检测。不管是利用PCR还是高通量测序技术,一定概率上能发现一些细菌DNA的信号。

 

所以说,胎便中可能存在细菌定植。

 

不过,我们发现另外一个很有意思的现象,虽然胎便中有细菌存在的证据,但是细菌定植的数量与出生后到排便的时间,呈一个非常强的正相关。即儿童在3天的时候排出的胎便与1天的时候排出的胎便相比,前者的细菌量是非常高的。

 

这个结论反倒证明了细菌定植可能是发生在出生后,并不是在出生前。出生之后的时间越长,细菌定植的越多。

 

所以,我们通过分析这些数据能够知道,利用胎粪来推测是否有子宫定植的细菌,这种证据是不够充分的。

 

 

于是,人们就开始利用其他的一些样本或技术来进行类似的研究。

 

在2014年,研究者发表了一个代表性的研究。他们利用了300多人的队列样本,采集了产妇多种多样的组织样本,提取了300多个胎盘的DNA。对这些胎盘DNA进行微生物组的分析,他们发现了胎盘独特微生物组。

 

什么是胎盘独特微生物组?像图片里展示的红框框住的这一部分,就是胎盘的微生物组,它与产妇其他部位的微生物组有明显的区别。

 

所以最先发现这个问题的Aagaard教授首先提出,胎盘是存在自己的微生物组的。

 

这直接就对传统的无菌子宫“假说”提出了挑战。

 

这篇文章的发表一石激起千层浪,很多人开始对这个问题产生了兴趣,也引起了极大的争议,陆陆续续又有非常多的人开始发表自己的研究结果。

 

 

延续着Aagaard教授的一些研究,他们进一步地证明了子宫定植的可能性。

 

例如有一篇报道,他们采集了子宫不同区域的组织,然后提取DNA,进行微生物组的分析。

 

例如另外一篇报道,他们采集了胎盘不同位置的组织样本,对这些样本进行了微生物组的分析。他们发现胎盘的不同位置微生物组的组分也是不一样,而离胎儿近的那一部分,反倒好像跟胎儿更类似一些。

 

这也是一个支持子宫定植的强大证据。

 

其他的一些证据,他们会利用胎盘样本或者羊水样本,进行PCR检测、高通量测序或者原位杂交检测,都发现了细菌DNA存在的信号。

 

这些证据似乎都在证明,存在着子宫内细菌定植的可能性。

 

妊娠子宫真有微生物组定植吗?

 

 

通过以上的这些证据,我们是不是可以说,在妊娠的过程中子宫内真的有微生物组的定植呢?

 

其实不然。我们还不能下这个结论,因为站在对立面的那些科学家也在进行着一些研究。我们来看一下他们的证据。

 

胎盘微生物组类似试剂盒微生物组

 

 

一个非常有意思的研究发表在2016年,这个课题组利用了两种DNA提取试剂盒来对胎盘DNA进行提取,然后测试胎盘DNA的微生物组。

 

他们发现了非常有意思的现象,两种试剂盒提取的胎盘微生物组是完全不一样的,而胎盘微生物组和试剂盒的微生物组是很一样的。

 

这个证据非常有趣,它其实告诉我们,貌似我们得到的胎盘微生物组都是来源于它的试剂盒,是环境污染造成的。

 

所以这个结果就提示我们,在进行相关类似微生物组学研究的时候,尤其是含有极少量微生物的时候,我们一定要容纳足够多的阴性对照来解释我们的样本。

 

 

吸取了这个研究的一些经验,陆陆续续有很多文章被发表出来,都是包含了大量的阴性对照,来与胎盘微生物组进行对比。

 

这些研究大部分都得出了类似的结论,就是胎盘微生物组是无法与阴性对照相互进行区别的。

 

当然也有一小部分的结论是相反的,这和统计方法以及每个人对这个数据的认知有关系。

 

不过有一点,这些报道都没有回答:如果是污染的话,这些污染到底来源于哪儿。

 

 

在2019年,又发表了另外一篇比较重磅的报道,用了500多个人的胎盘样本,详细地探究了胎盘微生物组的污染来源。

 

他们发现一个比较重要的来源,就是试剂盒的污染,像DNA提取、PCR等等。这些试剂里面都含有自己的微生物组,会污染胎盘微生物组。

 

另外,在采样的过程中,采样的器具、人员、环境,甚至我们在采样的时候可能不小心会沾到母体,这些都会导致样本的污染,得到了一个所谓的胎盘微生物组。

 

更有意思的是,一些相关的仪器也会导致污染,像很下游的测序仪。如果测序过其他的样本,再测序胎盘DNA的时候,上一个样本的DNA也会对它进行污染。

 

整体上来说,这篇报道就得出了结论:一个健康妊娠过程中的胎盘,是无法找到所谓的胎盘微生物组,大部分细菌的来源都是不同的污染。

 

 

故事讲到这儿,还有一个问题是支持细菌子宫定植“假说”的科学家无法解释的,就是说他们无法绕过经典无菌动物产生理论。

 

无菌动物如何产生的?传统的方法是对动物进行剖宫产,将剖宫产出生的新生动物置于无菌环境中持续地培育,我们就可以得到无菌动物。

 

利用这种方法,我们已经得到了各种各样的无菌动物,包括各种胎盘类型的无菌动物,像老鼠、猪、马、牛、羊、狗等等。甚至为了应对一些非常严重的免疫缺陷病,我们也可以制作一些无菌婴儿隔离舱,所谓的无菌人类。

 

支持细菌子宫定植“假说”的这些科学家现在还无法有效地来解释这个理论,这是另外一个比较重要的问题。

 

如何理性看待和参与科学争议?

 

 

故事到这儿是不是就结束了?似乎通过以上的证据,我们又应该支持这种传统的无菌子宫“假说”,其实还没有结束。

 

我觉得这也是科学研究最有意思的地方,每个人都可以发表自己的观点,都可以拿出自己的数据让大家评判,是不是支持自己的观点。

 

 

在2021年,研究者又发表了一个研究结果,这个研究结果比较特殊。他们应用了健康人类胚胎的样本,这种样本是非常稀缺的。他们进行了多重角度的分析,包括传统的微生物培养、高通量测序以及荧光染色等等。

 

他们都发现了胚胎里面存在细菌的证据,甚至发现这些细菌的代谢产物可以刺激胎儿细胞的发展。

 

这篇论文似乎又在支持细菌子宫定植“假说”,当然站在对立面的科学家同样对这篇论文发表了很多评论。

 

我觉得这个争论会一直持续下去。比较现实的解决方法是大家形成一个共识,产生一套比较标准化的流程,不同的实验室对相同的样本进行相同的处理,大家得到相同的结果,然后一起讨论。

 

美国有关部门也想把这两路科学家都聚集到一起,进行一场辩论。不过由于疫情,这场辩论至今尚未发生,我们可以做一些期待。

 

 

作为各路出版商以及媒体,面对这个有争议的问题,他们其实也起到了很积极的作用。每次有新的文章发表,他们就会持续跟踪、发布报道。

 

 

对其他一些科学家的采访也很有意思。比如2018年,Jens Walter接受Nature采访时说,真正的微生物学家从没有质疑过子宫内是无菌的,这根本不是一个有必要争论的问题。

 

最先提出胎盘微生物组的Aagaard教授,一直在坚持自己的观点。他在2020年接受福布斯采访时,针对2019年Nature的论文发表了评论,说它的筛选污染过程太严苛,有些地方不对,而且对于其他支持细菌定植的证据,反应非常的迟钝。

 

 

面对这种科学争议的时候,我们该如何参与呢?

 

 

最重要的一点,我认为还是要理性参与。

 

一般情况下,我们持续关注研究进展,尤其是相关人员的一些采访报道。

 

另外,如果有接触过一定科学训练的人,我们可以科学、理性地对发表的相关论文进行一定的评价,看看它的数据是不是能支撑它的结论,可以持续关注相关论文的发表。

 

最后,有心参与回答问题的科学家,可以设计科学合理、比较完整的试验,对这个科学问题进行回答,贡献自己的一份力。这也是非常好的。

 

当然大家一定要规避掉前人犯的一些错误,一定要对自己的数据进行非常小心地解释。

 

从个人的角度,我觉得回答这个问题最重要的是,一定要区分不同的概念。像如果我们发现了细菌DNA的信号,它和一个有活性的微生物组的定植其实是两个完全不同的概念。

 

到最近为止,其实我们一直没有证据能显示,妊娠期的子宫内有活性的微生物组,在不断地扩增、复制、释放活性的代谢产物。

 

所以要回答这个问题,其实还需要做很多的工作,希望大家都能参与其中。

 

我的分享就到这儿,非常感谢大家,也非常感谢热心肠的邀请!

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