6个案例：揭秘如何在微生物组领域谋求商业成功

编者按：

听到食肉细菌、呼吸道病毒等名字，你可能会害怕得瑟瑟发抖。但并非所有的微生物都是有害的，许多微生物甚至是有益的。那么我们应该如何利用这些“好”的微生物呢？如何在微生物组领域实现商业成功呢？
今天我们将介绍6家微生物组领域的公司，从多个角度回答这一问题。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。
案例1：LBP发现服务

寻找活菌药物（也称为活体生物药，LBP）的候选菌株可能是一个耗时且昂贵的过程。为了促进这一过程，合同研究组织Clinical Microbiomics提供了一系列微生物组分析服务。
“LBP的发现始于对微生物关键基因型和表型特征的临床前研究，”该公司负责科学事务和合作的副总裁Heidi Hau博士说，“LBP开发包括对构成药物的微生物的鉴定、分离和表征。”
“该过程通常从分离和筛选大量的候选菌株开始，以寻找具有良好安全性的菌株。与此同时，这些菌株还往往被认为具备一定的治疗效果。筛选可能包括体外实验、ex vivo系统实验、临床前动物研究，以及人体临床试验。此外，尽管前期进行了广泛筛选，但在进行大规模发酵或动物研究时，菌株的失败率依然可能很高。”
Hau表示，在进入到基于试验的鉴定和动物研究之前，需要有方法来鉴定具有目标基因型和表型的菌株，并放大有助于进行菌株筛选的特征。为了解决这些挑战，该公司开发了一种数据驱动的方法。
Hau说：“克隆级的系统发育微生物组分析显示了候选菌株与其他已知菌株的密切关系，而这正是我们平台的基础。通过将比较基因组学分析和数据驱动平台相结合，我们将已知的理想（或不理想）表型（如定植潜力、最佳生长条件、相关临床结果等）与微生物种群联系起来。
“结合系统发育、基因型、表型和结果等数据的综合分析，可在进行基于试验的鉴定分析之前，缩小菌株筛选范围并降低失败风险。这意味着，从发现到临床前验证的成本和时间的大大减少。此外，还可以利用这种方法探索作用机制，并挖掘微生物衍生小分子的潜在功能。”
Hau表示，Clinical Microbiomics是唯一一家在克隆级分辨率上进行定植分析和比较基因组学分析的合同研究组织。“我们是微生物组领域的先驱，我们公司已经发表了超过225篇文章，其中超过25篇发表在Nature、Cell或Science杂志上。”

案例2：建立肠道微生物指数

栖息于人体内的数以万亿的微生物中的95%定植于肠道中。
“这些微生物大多是有益的，”EzBiome公司的首席执行官Nur A. Hasan博士说道，“它们帮助我们消化食物，产生维生素，防止病原体定植，以及产生代谢物，它们互相作用并调节机体的免疫、代谢和神经系统。这些微生物形成了一个生态系统，即肠道微生物组，它可以影响我们的健康和福祉。”
Hasan表示，不幸的是，目前还没有可靠的方法可以准确地反映肠道微生物组的健康状况。“一个强大的基于肠道微生物组的健康指数将开启预防医学时代，其不仅可以用于评估失衡的水平，还可以预测这种失衡的根本原因，从而找到潜在的恢复健康的解决方案。”
为了应对这些挑战，EzBiome及其母公司CJ Bioscience开发了Precision Taxonomy发现平台。很快，Precision Taxonomy平台就派上了用场。
在一项由韩国首尔国立大学细菌学和生物信息学教授、CJ Bioscience首席执行官Jon Jongsik Chun博士领导的研究中，两家公司使用Precision Taxonomy平台和专家仔细筛选的参考数据库，更好地表征了一个大型多种族人群肠道微生物组数据集。
该研究评估了来自约12万个体的数据，这些数据涉及健康状况、生活方式、饮食、药物和排便习惯等。被研究者包括健康和患有一种或多种疾病的个体。
“这项研究纳入了从多个公共数据库中收集和整理的数据，以及我们小组收集和产生的高质量数据，”Hasan指出，“6年来，我们与14家医院和医学研究所的合作研究，并实施了从样本采集到结果分析的标准化工作流程。”
根据在健康和非健康个体中观察到的微生物组模式，两家公司提出了一个名为肠道微生物组（gut microbiome index, GMI）的指数。该指数可以通过人类肠道微生物组数据持续预测健康状况。
“与生态指标、微生物标志物和机器学习方法相比，GMI在各种数据集中区分健康和非健康个体的准确性更高，”Hasan断言，“因此，我们建议将GMI作为衡量肠道微生物组健康状况的潜在指标。这一点已经从含有各种疾病的多种族数据以及Chun和他的团队进行的一项为期两年的公民科学项目中得到证实。”
未来，两家公司将继续在全球范围内收集不同地区、不同社会时间、不同种族的数据，以拓展和进一步改进GMI指数。

案例3：不止DNA和宏基因组学

研究微生物组的研究人员必须明白哪种是最适合他们研究的数据类型，数据类型的选择包括基因组学、转录组学和代谢组学数据。
Brice Le François博士是DNA Genotek公司高级科学家、Diversigen公司技术部高级研发经理。DNA Genotek公司主要提供宿主和微生物分析物保存的样品采集设备，而Diversigen公司提供微生物组服务。
“大多数微生物组研究倾向于关注基于DNA的测序方法（宏基因组学），以了解微生物在人类健康和疾病中发挥的作用，”Le François说，“DNA对于确定样本中存在哪些生物以及推断这些生物的功能潜力方面非常有用，但它无法识别哪些物种更活跃及其在人体内的功能表现。”
“过去有研究使用宏转录组学来探究肠道微生物组，但他们缺乏优秀的工具，并且专注于健康和效用有限的队列，从而限制了可得出的解释，”Le François继续说道，“过去几年新发展起来的样本采集、文库准备和数据分析技术，使得宏转录组学比以往任何时候都更容易实现。”
Le François及团队进行了一项初步研究，利用宏基因组学和宏转录组学数据，分析肠道细菌对人类间歇性禁食的反应，以更好地了解每种分析物提供的价值。“我们的研究表明，肠道宏转录组学捕获了与间歇性禁食相关的动态基因表达变化。相比之下，肠道宏基因组图谱往往是高度稳定的，”Le François断言，“我们的研究结果有力地证明，宏转录组学更适合研究微生物组对环境变化的反应。”
案例4：获取微生物组高分辨率图谱

鉴定和表征复杂群体中不同微生物的关键方法之一是对16S rRNA基因测序。例如，原核生物的16S rRNA基因由大约1500个碱基对组成，其中包括9个分布在保守区域之间的可变区域。
“所有细菌和古细菌物种都含有16S基因，因此这个在系统发育上很重要的基因的变异能够用于分类鉴定，”太平洋生物科学公司（PacBio）微生物基因组学高级专家Jeremy Wilkinson博士认为，“这也是一种比鸟枪法宏基因组分析更便宜的获取分类图谱的方法。此外，基于扩增子的方法，如16S，对于大部分受宿主污染的样品（如组织和血液）和低微生物生物量样品类型（如拭子）也很重要。”
Wilkinson建议，研究人员可以使用PacBio公司的HiFi测序技术来捕获16S rRNA全长。“在过去的几年里，”他表示，“这项技术使研究人员能够以更高的分辨率描绘微生物组图谱，多达99%的读长被分类至种水平。”
目前市面上大多数技术不能产生高比例的分类读长（classified reads），以用于精准的物种鉴定，而PacBio公司开发出了用于16S全长分析、鸟枪法宏基因组分类和功能分析以及鸟枪法宏基因组组装的工作流程。
“随着用于HiFi读长的宏基因组组装算法的发展，现在有可能为高丰度物种重建完整的MAG，”Wilkinson说道，“然而，低丰度物种会出现不连续的组装。因此，需要用组装后分箱的方法来识别这些物种。”
“我们开发了HiFi-MAG-Pipeline，它可以自动执行主要步骤，包括为长读长组合定制的自定义分箱策略、质控和分类鉴定。结果表明，HiFi-MAG-Pipeline可以产生完整的环状MAGs，并且与其他方法相比，HiFi-MAG-Pipeline能获得更多高质量的MAGs。”

案例5：口服微生物免疫疗法

超过160万成人和儿童患有炎症性肠病（IBD），主要分为克罗恩病和溃疡性结肠炎两种类型。由于IBD的特点是肠道免疫调节信号被破坏，因此最常用的治疗方法是全身免疫抑制剂或细胞因子阻滞剂，而这两种药物都可能导致严重的副作用。
Rise Therapeutics公司研究部高级副总裁Christian Freguia博士提出了一种替代方法。他说，口服微生物免疫疗法可以利用“人类共生菌的能力来扭转免疫反应，重新平衡人体免疫系统”。
Rise公司正在使用一种名为R-3750的口服微生物免疫疗法来治疗IBD。Freguia指出，R-3750是一种合成生物药物，由一种“安全的益生菌组成，该益生菌经过改造，可以传递一种名为表层蛋白A（SlpA）的免疫治疗蛋白”。他还补充道，R-3750代表了一种“精确靶向的微生物组产品，包括一种安全的递送载体和一种在平衡免疫系统方面发挥关键作用的新型蛋白”。
R-3750（SlpA）可以与肠道内皮树突状细胞上表达的特异性受体结合，通过减少炎症、改善肠黏膜屏障完整性和重建正常微生物组结构来重建结肠免疫稳态。Freguia指出：“这种重组益生菌是被封装起来的，便于口服。”
目前，该公司正在进行一项评估R-3750治疗溃疡性结肠炎效果的I期研究。该公司的产品线还包括其他口服合成生物学免疫治疗产品。
案例6：对婴儿微生物组进行重编程

Siolta Therapeutics公司的首席执行官兼联合创始人Nikole Kimes博士说：“我们正在开发能够从根本上解决疾病的活菌产品。”Siolta（发音为sheel-ta）在爱尔兰盖尔语中代表“种子”，意味着用自然产生的健康细菌重塑肠道微生物组。
她继续说道：“我们正在使用一种有针对性的方法来进行微生物组干预。一些公司利用粪便作为治疗方法，尽管它们可能显示出一定的疗效，但粪便的不确定性很高。”目前尚不清楚哪些生物参与其中，也不清楚应该要如何解释它们产生的影响。
Kimes说，Siolta公司总是从人类的临床数据开始。“这些数据告诉我们什么是不同的，什么是不一致的，以及它是如何促进疾病的，”她解释说，“然后我们通过试验，确定哪些功能在不同生物体之间具有协同作用。这提示我们如何补充提供所需功能的微生物。”
Siolta公司发现了一种与代谢和免疫功能相关的微生物特征，这一特征与某些儿童群体患有疾病相关。为了治疗这类儿童，该公司正在开发一种可以重编程他们微生物组的产品。“重编程将让这些患儿的微生物组更接近健康婴儿的微生物组，”Kimes说，“它可以防止导致下游疾病的免疫级联反应的发生。”
其开发的主要产品STMC-103H目前正在新生儿中进行预防特应性皮炎的II期概念验证试验，这一研究也被称为过敏性疾病发病预防研究（“ADORED”）。这款药物采用了冻干粉的形式。Siolta公司还有一个临床前项目，旨在开发一种治疗细菌性阴道病的方法，这种疾病会影响妇女和她们健康怀孕的能力。
“很明显，微生物组正在推动我们健康的许多方面，”Kimes宣称，“扩大研究范围，深入思考微生物组的系统性影响，将使我们能够研究迄今为止尚未触及的许多疾病。”她也对Siolta特别挑选出的LBPs的未来持乐观态度：“我们鉴定出来的LBPs不仅可以用于治疗疾病，而且还能预防疾病。这让我们感到十分兴奋，因为这将改变医疗行业的游戏规则。”
原文链接：
https://www.genengnews.com/topics/drug-discovery/charms-to-soothe-the-savage-microbiome/
作者：Kathy Liszewski
审校：617
编辑：笑咲一笑云尽咲