不同的系统识别和监测体内微生物的存在。例如，在胃肠道(GI)中，上皮细胞扮演着重要的守护者角色，将关键信息翻译给位于固有层的免疫细胞。事实上，对微生物的识别和监测主要由固有免疫系统的模式识别受体(PRRs)来完成，如toll样受体(TLRs)和nod样受体(NLR)。 19TLRs是跨膜受体，表达在细胞表面(如tlr - 2,4,5)或内溶酶体区室(如tlr - 3,7,8,9或13)，而NOD受体是细胞质蛋白。这些受体共同识别来自微生物的病原体相关分子模式(PAMPs)(例如，脂多糖、肽聚糖、脂磷酸、鞭毛蛋白和muramyyldipeptide)或来自受损组织的危险相关分子模式。 19因此，胃肠道不仅含有人体中绝大多数的微生物，而且可能还含有更大的免疫细胞池。 20.值得注意的是，免疫系统对微生物群的组成也有主要影响。 21因此，胃肠道细胞不断暴露于大量的微生物抗原和代谢物。尽管如此接近，我们却与微生物完美共生( 图2)。

除了经典的免疫考虑之外，肠道微生物与免疫系统之间的相互作用导致了以前未知功能的发现;例如，人们发现，特定的微生物成分不仅对能量代谢的调节有强烈的贡献，而且对葡萄糖和脂质稳态也有强烈的贡献。 22 - 242007年，我们首次发现革兰氏阴性菌的成分，如脂多糖(LPS)，是通过肠道微生物和先天免疫系统之间的相互作用机制(即TLR-4, CD14)引发低度炎症和胰岛素抵抗的关键因素。 22事实上，饮食引起的肥胖和糖尿病的遗传模型都以循环LPS水平的增加为特征，这种情况被称为代谢性内毒素血症， 22后来在人类身上得到证实( 图2） 25 - 34。由于最初确定LPS是与超重和肥胖相关的代谢改变(如胰岛素抵抗、葡萄糖耐受不良、血脂异常、肝脂肪变性)发生相关的主要因素，其他PAMPs如肽聚糖或鞭毛蛋白已被证明在类似代谢途径的调节中发挥因果作用。 35-37

除了肠道菌群组成的具体变化外，现在人们已经接受了几个关键因素有助于细菌化合物从肠腔转位到身体。如前所述，肠道微生物不断与肠上皮细胞相互作用;然而，在正常情况下，由于复杂的多方面机制(即紧密连接蛋白、黏液层的厚度和组成、抗菌因子、上皮内淋巴细胞和其他适应性免疫细胞的存在以及免疫球蛋白A (IgA)的产生)，肠道屏障功能是高效的( 图2)(详见König 等和富国 等 38 39)。

众所周知，免疫耐受的丧失与肠道炎症有关。有趣的是，最近的数据也显示，食用高脂肪饮食的肥胖受试者肠道中T细胞的积累，这一观察结果与发病率有关。 40相反，其他免疫细胞的循环，如粘膜相关不变T细胞(MAIT)(即先天性样T细胞)，其Th1和Th17细胞因子的产生增加，在肥胖和2型糖尿病患者中强烈减少 41（ 图2)。

综上所述，肠道屏障是由肠道微生物和宿主免疫系统之间发生的微调通信控制的。此外，这些相互作用的复杂性提出了关于我们目前理解水平的问题，并最终有助于解释为什么开发特定的治疗靶点相对困难。

除了受体识别微生物细胞膜的特定成分并与先天免疫系统直接相关外，有证据表明许多不同的微生物代谢物也主要通过与特定的宿主膜或核受体结合来影响宿主代谢(参见Husted) 等,黄金搭档 等布朗和哈森，拉斯泰利 等，奥马奥尼 等, Kasselman 等 42-47)。在微生物群产生的众多代谢物中，我们可以提到重要的代谢物，如叶酸、吲哚、次生胆汁酸、三甲胺- n -氧化物(TMAO)，但也有神经递质(如血清素、γ氨基丁酸)，最终是短链脂肪酸(SCFAs)。后一个例子可能是研究最多的。事实上，研究最多的可能是SCFAs(即丁酸盐、丙酸盐和醋酸盐)。研究表明，SCFAs可被GPR-41和GPR-43等g蛋白偶联受体识别。 48这些受体的刺激触发肠肽的分泌，参与葡萄糖代谢或食物摄入，如胰高血糖素样肽-1或肽YY (PYY)。 49个50（ 图2)。因此，通过刺激肠道内分泌细胞产生关键激素，微生物在不同的器官上远距离作用。 51-53值得注意的是，丙酸还能调节免疫细胞产生抗菌因子，因此可能起到免疫调节剂的作用， 54包括减少癌细胞增殖。 55 56后一个例子也强调了这样一个事实，即不同的微生物代谢物可能在宿主代谢中发挥不同的作用，从葡萄糖水平的调节到免疫调节作用。

沿着这些思路，在现实中，一些scfa的作用和作用机制也可能与以前所认为的大不相同。例如，几十年来，丁酸盐一直被认为是一种重要的能量来源，允许结肠细胞增殖，并有助于维持健康的肠道屏障功能。然而，在最近的一项研究中，Byndloss 等发现丁酸盐还可能通过与宿主细胞通信，对微生物环境和生态产生强烈影响。研究表明丁酸盐通过激活β-氧化来指导结肠细胞“呼吸”氧气，以保护宿主免受潜在致病菌扩张到肠腔( 图2)。 57 58具体来说，作者使用了最近的信息，表明肠道腔内含量(即厌氧状态)中存在的极低氧气量是防止假定的同时性厌氧病原体扩张所必需的条件 沙门氏菌或 埃希氏杆菌属。 59因此，作者证明了宿主细胞消耗氧气以氧化线粒体中的丁酸盐有助于限制氧气从结肠细胞扩散到腔室，最终导致厌氧条件的维持 57 58（ 图2)。

在过去的十年中，一些开创性的论文已经表明，一些代谢紊乱，如肥胖和糖尿病，与微生物群在门水平上(即厚壁菌门/拟杆菌门比率)的变化有关。 60自这一发现以来，并不是所有的论文都能复制这一发现，这就提出了以下问题:我们应该只关注门水平的一般组成，还是应该深入研究(即属和种水平)?然而，除了这些考虑之外，还有另一个重要的问题:探索肠道微生物群的代谢能力，并最终与所产生的代谢物(如丁酸盐、胆汁酸、氧化三甲胺)的相关性是否比单独研究微生物组成更大? 42 51 61 62事实上，正如前一章中简要描述的那样，肠道微生物组产生的大量代谢物可以影响我们的新陈代谢。

就我们目前所知，这些问题还没有明确的答案。沿着这些路线，除了这些发现和观察，最近一项非常优雅的研究表明，真正重要的是微生物的绝对数量，而不是微生物的比例。 63这项研究有力地证明，以前的大多数研究，主要是基于对微生物相对比例的调查，可能无法抓住问题的本质。例如，作者观察到健康个体之间的微生物负荷差异高达1对数。作为另一个惊人的例子，在这篇论文中，作者强调了一个事实，即丰富的 拟杆菌仅当使用经典的基于相对丰度的分析时，与克罗恩病相关，而通过使用定量微生物组分析，它是属的丰度 普氏菌而在克罗恩病患者中，这种物质的含量会降低。 63此外，这一观察强调了使用相对丰度分析的真正风险和局限性，因为这种类型的分析可能导致错误的解释( 图2)。

同样，作者已经讨论了不仅分析某些肠道微生物的存在，而且分析这些微生物的活性的必要性。 64 65最近，Schirmer 等他们分析了100多个个体的肠道微生物群，包括克罗恩病患者、溃疡性结肠炎患者和非ibd对照患者，并分析了这些个体的宏基因组和元转录组。 64他们发现，在分析DNA和RNA丰度时，大多数细菌都有很好的相关性;然而，令人惊讶的是，正如研究人员所述，一些宏基因组数据丰富的生物体在肠道中“不活跃或休眠”，很少或没有表达。相反，一些疾病特异性的细菌特征只有在转录水平上分析时才能检测到。因此，这些发现强调了这样一个事实，即特定肠道微生物通路的转录可能随着时间的推移而变化，导致潜在的表型变化，这些变化可能与经典宏基因组丰度相关的变化互补( 图2)。

话虽如此，上面强调的细菌数量和细菌活性(包括代谢组)之间的具体例子强烈地证明了多组学方法的重要性，以及各种基因组组学和代谢组学方法如何相互补充，以进一步剖析微生物、宿主和整体代谢之间的相互作用。 66

一些有趣的研究也提出，微生物组应被视为精准医疗方法的一个组成部分(请参阅Suez和Elinav和Kashyap) 等 67 68)因为它有助于疾病状况各方面的个体间变异性，但也是导致未来治疗方法发展的可改变因素。例如，Zeevi 等通过展示肠道微生物组可以用来预测个人对特定饮食的个性化血糖反应，从而优雅地说明了这一概念。 69然而，这需要使用集成了许多参数的机器学习算法，例如在这种情况下，来自800多人和45000多餐的一周葡萄糖水平、饮食习惯、人体测量学、身体活动和肠道微生物群。有趣的是，该算法随后在100人的独立队列中进行了测试。 69尽管一些研究人员认为这种方法非常有前途，并清楚地显示了其应用，但其他人则要求淡化其广泛适用性的可能性，并得出结论，例如预测算法是具有复杂统计关联的黑盒，没有解释这种关联的真正机制。 70或者其他人提到，该结果并没有提供足够的证据证明该模型最终优于当前检测高糖水平的方法，甚至没有证明在餐后情况下管理高糖水平方面，个性化营养建议优于标准建议。

实际上，对于什么是最佳选择以及如何继续设计未来的个性化药物，目前还没有完全达成共识，但该领域相对年轻，值得进一步研究。

尽管如此，通过在未来条件下(而不是仅研究单个时间点的当前条件)不仅筛选成分，而且筛选代谢物(例如代谢组)，获得更全面的情况分析可能是有用的。值得注意的是，人们可能还会争辩说，大多数研究都检查了粪便材料(这很容易获得)，而粘膜微生物群仍在研究中( 图2)。不用说，这样雄心勃勃的研究将需要标准化的采样、存储和分析协议。此外，由于在营养和药物治疗领域已经做了多年，我们可能应该开展大规模的纵向研究。事实上，这类未来研究的设计应该允许在一个非常广泛的受试者队列中进行几年的随访(即，明显健康和疾病的受试者)，在此期间，除了经典的饮食习惯和药物使用外，还应该仔细跟踪样本(如血液、尿液、粪便)以及尽可能多的信息。

总之，上面讨论的不同观点强烈支持进行功能研究的必要性，但它也强调了目前在进行的最佳方式上取得明确共识的困难。因此，为了获得微生物组对健康作用的完整概述，我们仍然需要结合微生物组的组成分析，并显示与环境变化(即饮食、药物)或生物状态(即个体间生理变异、疾病)相关的变化。这将需要后续研究来验证因果关系。这就是本文下一章的目的。

这篇综述的最后一部分致力于讨论关键问题，以及在声称某些微生物有益或有害之前开发定义明确的实验的必要性。如上所述，当发现特定微生物与疾病或健康状况之间存在相关性时，很难显示候选微生物对疾病发作的确切影响或相反的有益影响。

换句话说，如前文所述，在相关的研究之后，文献经常讨论特定的候选者(即细菌)作为潜在的有益或有害的候选者的作用。然而，有时我们可能很快(过快地)推断出积极或消极的影响，而没有适当地调查这些影响。

因此，作为研究人员，我们通常从相关性出发，很少使用分离的细菌或已鉴定的代谢物来提供概念证明。这并不是因为我们不想正确地研究“新”微生物或代谢物的作用;但因为培养一些细菌可能很困难。事实上，从16S水平上鉴定出的特征，到适当分离候选细菌，再到在复杂模型中(甚至在体外)进行研究，通常需要大量的时间和精力。尽管最近在文化组学方面取得了进展， 71 72厌氧细菌的分离和鉴定仍然是费时和繁琐的。 72 73此外，当假定的候选细胞被分离和培养后，仍有必要对其进行与慢性体内试验相适应的数量培养。

最重要的是，在我们的知识水平上，仍然很难完全破译任何微生物在肠道微生物群等复杂群落中的作用。最后一点可以用两个具体的例子来说明:两种细菌的情况 普氏菌copri和 Akkermansia muciniphila。