《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》變更為《醫(yī)學(xué)微生物與微生態(tài)學(xué)》的探討*

吳仲文 郭曉奎 唐 立 袁杰力 鄭鵬遠(yuǎn) 黃志華 李蘭娟

《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》是重要的醫(yī)學(xué)教育專業(yè)基礎(chǔ)課之一。該課程長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于醫(yī)學(xué)生在單一微生物的分離培養(yǎng)鑒定、臨床診斷方面學(xué)習(xí)培訓(xùn)起到重要作用。

20世紀(jì)末～21世紀(jì)初，醫(yī)學(xué)研究的重大發(fā)現(xiàn)之一是微生態(tài)學(xué)。研究發(fā)現(xiàn)，人體存在數(shù)百萬(wàn)億(1014)計(jì)的微生物群，10倍于人體體細(xì)胞，并與機(jī)體共存形成了微生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。微生態(tài)系統(tǒng)對(duì)機(jī)體全生命周期的免疫、營(yíng)養(yǎng)、代謝、感染、生物性相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展以及防控起重要作用[3]。隨著對(duì)微生態(tài)學(xué)的深入研究，發(fā)現(xiàn)微生態(tài)系中群體微生物對(duì)機(jī)體多系統(tǒng)構(gòu)成了影響，涉及學(xué)科如兒科、婦產(chǎn)科、皮膚、口腔、肝病、消化、呼吸、神經(jīng)、精神衛(wèi)生等。因此，國(guó)際上微生物學(xué)專家已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，人體微生物組將是繼人類基因組計(jì)劃之后的又一個(gè)生命研究的重要領(lǐng)域[4]。

1 微生物學(xué)與醫(yī)學(xué)微生物學(xué)

微生物學(xué)是生命科學(xué)的一個(gè)重要組成部分。微生物學(xué)主要研究微生物的基本結(jié)構(gòu)、代謝、功能、遺傳變異及其與人體、動(dòng)物、植物及自然界的相互關(guān)系。醫(yī)學(xué)微生物學(xué)側(cè)重研究與人體疾病有關(guān)的致病微生物的生物學(xué)特性，致病機(jī)理，機(jī)體的感染免疫，感染性疾病的檢測(cè)方法及防治措施。人類發(fā)展史是抗擊疾病維護(hù)健康的歷史，微生物學(xué)發(fā)展歷史事實(shí)上與醫(yī)學(xué)微生物學(xué)發(fā)展史是契合的。

微生物認(rèn)識(shí)的經(jīng)驗(yàn)階段：早在我國(guó)宋朝，劉真人提出“肺癆是由小蟲(chóng)引起”，16世紀(jì)，意大利人Fracastoro認(rèn)為“傳染病”可在人群間相互傳染，傳染方式包括接觸傳染、空氣傳染、媒介傳染三種方式。這是人們憑感性對(duì)致病微生物的認(rèn)知推測(cè)，屬于經(jīng)驗(yàn)性的[5]3。

微生物認(rèn)識(shí)的實(shí)驗(yàn)階段：1676年，荷蘭人Antony Van Leeuwenhoek用自制的世界上第一臺(tái)顯微鏡，放大300倍數(shù)觀察了牙垢、痰、糞便、污水等自然物標(biāo)本，首次觀察到了各種不同形態(tài)的微生物，證實(shí)了自然界存在微生物，為微生物學(xué)的發(fā)展奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。隨后，法國(guó)科學(xué)家Louis Pasteur 通過(guò)著名的“S形曲頸瓶”實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了有機(jī)物的發(fā)酵是由酵母菌引起，雜菌污染則導(dǎo)致了酒味變酸，由此開(kāi)創(chuàng)了細(xì)菌生理學(xué)時(shí)代。19世紀(jì)德國(guó)醫(yī)生Robert Koch 創(chuàng)立了Koch 法則(Koch's postulate)，發(fā)明了固體培養(yǎng)基，創(chuàng)建了細(xì)菌染色與實(shí)驗(yàn)性動(dòng)物感染的方法，對(duì)微生物病原體鑒定起到了重要的指導(dǎo)作用，開(kāi)創(chuàng)了細(xì)菌研究的黃金時(shí)代，促進(jìn)了病原微生物學(xué)研究的發(fā)展[5]4。

微生物認(rèn)識(shí)的現(xiàn)代階段：隨著研究手段如分子生物學(xué)技術(shù)、基因探針技術(shù)、免疫熒光技術(shù)、單克隆抗體技術(shù)、單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)等的應(yīng)用，人類從細(xì)胞水平深入到分子水平，對(duì)微生物結(jié)構(gòu)與功能有了深入的認(rèn)識(shí)，為病原體致病機(jī)制的研究及所致疾病的防治提供了技術(shù)保障。同時(shí)，也為快速認(rèn)知新出現(xiàn)(emerging)和再現(xiàn)(re-emerging)傳染病病原體、發(fā)病機(jī)制研究、治療藥物的研發(fā)、疫苗的生產(chǎn)提供了技術(shù)支撐。我國(guó)新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)的發(fā)現(xiàn)與防控就是一個(gè)典型的例證，也為國(guó)際COVID-19的防控提供了中國(guó)經(jīng)驗(yàn)與方案[6]。

在人類發(fā)展史的長(zhǎng)河中，不同時(shí)期、不同地域曾流行過(guò)各種傳染病，曾嚴(yán)重威脅人類的生存和社會(huì)發(fā)展。人類文明進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)尤其是醫(yī)藥科技的發(fā)展，經(jīng)典的傳染病得到有效控制，如1979年全球消滅天花，基本消滅了人間鼠疫，我國(guó)消除了脊髓灰質(zhì)炎、麻風(fēng)病、瘧疾等傳染病，乙肝及丙肝均得到了有效控制。但也出現(xiàn)了一些新的感染性疾病如人類免疫缺陷病毒/獲得性免疫缺陷綜合征(human immunodificiency virus/acquired immunodeficiency syndrome， HIV/AIDS)、埃博拉病毒病、漢坦病毒肺綜合征及嚴(yán)重急性呼吸綜合征(severe acute respiratory syndrome，SARS)、寨卡病毒病，等等。盡管這些感染性疾病病原體來(lái)源不明，其自然宿主尚未全部明了，但有研究表明，這些病原體可能來(lái)源于密閉的以前未曾與人類接觸過(guò)的原始森林深處等。

這些對(duì)人而言是病原體的微生物，在其自然宿主可能屬于正常攜帶，并不致病，但當(dāng)其宿主轉(zhuǎn)換后，則可能引起疾病。例如，非洲靈長(zhǎng)類動(dòng)物是猴免疫缺陷病毒 (simian immunodeficiency virus, SIV)的宿主，非洲的猴子感染SIV不會(huì)發(fā)生AIDS，但是如將SIV感染亞洲獼猴就可發(fā)生AIDS。推測(cè)人類AIDS的發(fā)生也與此方式有關(guān)[7]。同樣，在自然疫源地的節(jié)肢動(dòng)物體內(nèi)長(zhǎng)期存在著細(xì)菌(包括螺旋體、立克次體)及病毒等，并不致其發(fā)生疾病，而且還可能對(duì)宿主的生產(chǎn)發(fā)育和繁衍有益[8]30。微生物均有一定的宿主微生態(tài)特異性，當(dāng)發(fā)生宿主轉(zhuǎn)換時(shí)，則可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。又如，1976年發(fā)現(xiàn)的埃博拉病毒，研究確定果蝠是其儲(chǔ)存宿主，果蝠存在病毒，但不發(fā)病，埃博拉病毒跨物種傳播(即宿主轉(zhuǎn)換)后，可出現(xiàn)嚴(yán)重的埃博拉病毒病[9]。因此，研究埃博拉病毒與果蝠的微生態(tài)-免疫特性，對(duì)人類防治埃博拉病毒病具有重大意義。

事實(shí)上，相比自然界微生物的種類數(shù)量，目前致人體宿主疾病的微生物是很少的，約100余種，而人體擁有的細(xì)菌種類就達(dá)1 500多種，其微生物量達(dá)1014個(gè)菌落形成單位(colony-forming unit,CFU)，這些微生物包括病毒、細(xì)菌、真菌等，且伴隨人體整個(gè)生命周期[2]。這些微生物棲居于人體并與人體處于共生狀態(tài)，這些微生物又稱為正常菌群或原籍菌群(autochthonous flora)。正常菌群具有宿主特異性，甚至是宿主生境特異性。原籍菌群在其固有生境不致病，但離開(kāi)其固有生境，轉(zhuǎn)移到外生境時(shí)，是可以致病的，這稱之為條件致病菌，如大腸桿菌引起尿路感染。

微生物的致病性是相對(duì)于不同的宿主而言的，在其原生境，與宿主處于共生或互生的，是健康攜帶的。當(dāng)其離開(kāi)原宿主生境，到達(dá)非特異性宿主時(shí)，需要適應(yīng)環(huán)境，耐受生物拮抗和免疫屏障，才能存在發(fā)展，否則可演變成病原微生物，產(chǎn)生過(guò)度的免疫反應(yīng)，甚至免疫風(fēng)暴，產(chǎn)生病理?yè)p傷，甚至死亡。所以研究新發(fā)現(xiàn)與再現(xiàn)的傳染病病原體時(shí)，需要應(yīng)用微生態(tài)學(xué)的理論，去分析研究這個(gè)病原微生物固有的一些生態(tài)特性，包括其與固有宿主的遺傳免疫特性。感染具有濃厚的生態(tài)學(xué)特性。

微生態(tài)學(xué)(microecology)就是這樣一門研究正常微生物群與其宿主相互關(guān)系的學(xué)科[8]2。

2 微生物學(xué)與微生態(tài)學(xué)

德國(guó)Volker Rush 于1977年首次提出微生態(tài)學(xué)(microecology)一詞。我國(guó)學(xué)者康白教授將其定義為“研究正常微生物群與其宿主相互關(guān)系的生命學(xué)科分支”。正常微生物群則是微生物與其宿主在共同的歷史進(jìn)化過(guò)程中形成的生態(tài)結(jié)構(gòu)(ecosystem)，這個(gè)生態(tài)結(jié)構(gòu)是微生物與其宏宿主共同組成的生態(tài)系。

微生態(tài)學(xué)作為一門獨(dú)立學(xué)科，其發(fā)展歷史大約40余年。但其起源與實(shí)驗(yàn)微生物學(xué)是同步的?？蛋捉淌赱8]3將其分為四期。

微生態(tài)研究的啟蒙時(shí)期：起源于1676年荷蘭學(xué)者Leeuwenhoek首次用顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)細(xì)菌，其觀察的是原始生境(如糞便、痰、牙垢等)中的各種微生物。隨后Robert Koch建立了以瓊脂為基礎(chǔ)的固體培養(yǎng)基，進(jìn)行細(xì)菌純培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)了大量致病微生物。但事實(shí)證明，目前人體99%的細(xì)菌無(wú)法培養(yǎng)，這是因?yàn)檫@些微生物在其自然生境中是共棲(commensalism)和互生(mutualism)的，其生長(zhǎng)有著固有的能量交換、營(yíng)養(yǎng)互助和氧化還原電勢(shì)的需求等互助關(guān)系，純培養(yǎng)對(duì)這些細(xì)菌的分離是無(wú)能為力的。英國(guó)Alexander Fleming在污染的血平板上發(fā)現(xiàn)了青霉素的產(chǎn)生菌——青霉菌，說(shuō)明了混合培養(yǎng)的優(yōu)勢(shì)，這是一種微生態(tài)現(xiàn)象。

微生態(tài)研究的停滯時(shí)期(1920年～1940年)：瘟疫的流行對(duì)世界造成了巨大威脅，尤其是戰(zhàn)爭(zhēng)促進(jìn)了瘟疫的蔓延。其促使科學(xué)家去尋找致病微生物，在Koch 法則的引導(dǎo)下，大部分傳染病病原體被發(fā)現(xiàn)，有助于傳染病的有效控制，由此人們也總是“談菌色變”，認(rèn)為細(xì)菌都是有害的，加之方法學(xué)的缺陷，如不能做厭氧培養(yǎng)，在需氧培養(yǎng)條件下，腸道大量厭氧細(xì)菌不能存活培養(yǎng)，諸如此類，沖擊了對(duì)正常菌群的研究。

微生態(tài)研究的轉(zhuǎn)折時(shí)期(1945年～1970年)：抗生素的問(wèn)世，在傳染病防治中有著輝煌的功績(jī)，但也看到了光輝下的陰影——抗生素?cái)_亂正常菌群，引起微生態(tài)失衡，條件致病菌致二重感染，甚至死亡，引起了學(xué)者們對(duì)正常微生物群與微生態(tài)失衡的關(guān)注，這對(duì)微生態(tài)學(xué)的發(fā)展有極大促進(jìn)作用。1943年～1945年，無(wú)菌-悉生動(dòng)物成功飼養(yǎng)，對(duì)后續(xù)正常微生物群的生理作用、營(yíng)養(yǎng)作用、生物拮抗及免疫調(diào)節(jié)作用研究提供了有效的研究工具。

微生態(tài)研究的現(xiàn)在時(shí)期：厭氧培養(yǎng)技術(shù)、免疫學(xué)技術(shù)、分子生物學(xué)技術(shù)、特定基因敲除動(dòng)物的培育、宏基因測(cè)序、單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)學(xué)、生物信息學(xué)技術(shù)、整合組學(xué)技術(shù)等理論的發(fā)展，促進(jìn)了微生態(tài)學(xué)的長(zhǎng)足發(fā)展。目前的研究認(rèn)為，人體微生態(tài)是人體一個(gè)不可缺少的器官，并與人體營(yíng)養(yǎng)、代謝、免疫、生物拮抗等有密切的關(guān)系，人體的諸多包括細(xì)菌感染、代謝性疾病、精神類疾病、免疫性疾病等的發(fā)生及防治與人體微生態(tài)有關(guān)[10-11]，例如，復(fù)發(fā)性艱難梭菌感染的糞便菌群移植有效治療，腸道菌群可以影響細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞相關(guān)抗原4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4,CTLA-4)治療腫瘤的效果等[12]。除了人體基因組外，微生態(tài)系統(tǒng)是人體的第二基因組，人體微生物組與人體基因組組成了一個(gè)超級(jí)體(superorganism)。2005年以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)展了多項(xiàng)人體微生物組計(jì)劃，包括美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院?jiǎn)?dòng)人體微生物組計(jì)劃(human microbiome project,HMP)[13]，日本人體元基因組項(xiàng)目，歐盟致力于建立人腸道微生物基因與人體健康和疾病的關(guān)系研究的人類腸道宏基因組學(xué)計(jì)劃(metagenomics of the human intestinal tract，MetaHIT)。2016年，美國(guó)再次啟動(dòng)國(guó)家微生物組計(jì)劃(national microbiome initiative，NMI)，該計(jì)劃支持跨學(xué)科研究，解決不同生態(tài)系統(tǒng)微生物的基本問(wèn)題；開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)，對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的認(rèn)識(shí)以及知識(shí)的積累，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問(wèn)；通過(guò)公民科學(xué)、公眾參與，擴(kuò)大微生物的影響力[14]。中國(guó)也于2007年實(shí)施了腸道微生態(tài)研究的“973計(jì)劃”，近年更被列入了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的內(nèi)容中。人體微生態(tài)研究得到了空前發(fā)展。

3 醫(yī)學(xué)微生物學(xué)與微生態(tài)學(xué)融合發(fā)展的必要性

科學(xué)技術(shù)促進(jìn)了醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，先進(jìn)的醫(yī)療技術(shù)方法，如抗生素、免疫抑制劑、放化療、器官移植、免疫靶向等各種醫(yī)療手段得到了廣泛應(yīng)用，使得各種危重患者的生命得以延長(zhǎng)，免疫容忍性患者增多，這是目前醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)特點(diǎn)。廣譜抗生素的應(yīng)用仍難以有效控制細(xì)菌感染，相反，感染相關(guān)的病死率更高了。就美國(guó)而言，每年約有30萬(wàn)患者死于膿毒血癥。引起感染的“病原菌”大多是常見(jiàn)的，在正常人并不會(huì)引起感染的正常菌群成員。這是現(xiàn)代感染性疾病的一大特點(diǎn)。微生物繁殖快，進(jìn)化也很快，其一天的變化相當(dāng)于人類一千年的進(jìn)化。抗生素(包括畜牧用抗生素)的濫用直接破壞了微生態(tài)，并導(dǎo)致了耐藥菌株的產(chǎn)生與流行。正如世界衛(wèi)生組織報(bào)告所稱“藥物失去作用的速度與科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新藥的速度差不多”，這是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

感染病的防治已成為本世紀(jì)的重大課題。微生態(tài)學(xué)理論可能會(huì)為這一令感染界棘手難題的解釋、解決提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

微生態(tài)學(xué)是由我國(guó)率先提出的一門傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)理念和現(xiàn)代微生物學(xué)相結(jié)合的新學(xué)科，它以新理念、新視角、新技術(shù)深刻地影響醫(yī)學(xué)教育，將疾病與健康深度融合，對(duì)醫(yī)學(xué)教育觀念的轉(zhuǎn)變和新醫(yī)科建設(shè)起重要作用。雖然目前已將微生態(tài)學(xué)的部分內(nèi)容作為醫(yī)學(xué)重要基礎(chǔ)寫入了最新版《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》教材中，但是知識(shí)的系統(tǒng)性和內(nèi)容的深度與廣度均明顯不足，難以適應(yīng)《關(guān)于加快醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中的關(guān)于“以新醫(yī)科統(tǒng)領(lǐng)醫(yī)學(xué)教育創(chuàng)新”的新要求，即對(duì)醫(yī)學(xué)專業(yè)建設(shè)體系中重要的教材建設(shè)提出理念內(nèi)容、方法技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)的新要求，能體現(xiàn)“大健康”理念和新科技革命內(nèi)涵，強(qiáng)力推進(jìn)醫(yī)科與多學(xué)科深度交叉融合。

因此，迫切需要將微生態(tài)學(xué)內(nèi)容融入醫(yī)學(xué)生的醫(yī)學(xué)微生物學(xué)的基礎(chǔ)教育之中，以加強(qiáng)和拓展醫(yī)學(xué)生對(duì)微生物的視角，因此建議將《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》更名為《醫(yī)學(xué)微生物與微生態(tài)學(xué)》。在我國(guó)醫(yī)學(xué)課程設(shè)置中將《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》變更為《醫(yī)學(xué)微生物與微生態(tài)學(xué)》可使醫(yī)學(xué)生更全面認(rèn)識(shí)微生物，特別是微生物在自然狀態(tài)下對(duì)其不同宿主(包括人體)的作用和影響，同時(shí)，既認(rèn)識(shí)到微生物有害的一個(gè)方面，也認(rèn)識(shí)到微生物有益的一個(gè)方面。使醫(yī)學(xué)生能夠樹(shù)立正確的微生物生態(tài)觀與整體觀，助力卓越醫(yī)生教育培養(yǎng)。建議將目前《醫(yī)學(xué)微生物學(xué)》課程增加為2個(gè)學(xué)分，32個(gè)學(xué)時(shí)，主要講授微生態(tài)學(xué)基本概念、基本理論和技術(shù)，微生物組對(duì)機(jī)體健康和疾病的影響和以微生物組為靶標(biāo)的診斷、治療和預(yù)防策略。