粪便微生物群移植（FMT）是一种将人类粪便从健康供体转移到受体的医疗手段，被用以治疗与微生物群失衡相关的疾病。FMT治疗复发性艰难梭菌感染（rCDI）的成功率高达近90%，被批准用于临床实验中【1-3】。近年来，有研究陆续报道了FMT在其他微生物群失衡相关疾病以及其他辅助治疗方案中的应用，但FMT在这些疾病中的疗效不一，且远低于其在rCDI中的治疗效果【4-11】。长期以来，研究人员试图解释FMT在不同疾病和个体中治疗效果差异化的原因，然而关于粪便微生物移植的具体机制以及移植前后的菌群动态并未被完全解答。近日，由意大利科学家Mireia Valles-Colomer, Giovanni Cammarota以及Nicola Segata分别领导的三个科研团队合作在Nature Medicine发表了题为Variability of strain engraftment and predictability of microbiome composition after fecal microbiota transplantation across different diseases的研究论文。研究人员对24项不同临床研究中FMT供体和受体（移植前后）粪便微生物群的宏基因组测序结果进行了系统的荟萃分析，阐明了FMT植入的微生物组成动态及其与临床结果之间的联系。研究人员首先检索了21个包含FMT供体和受体（移植前和移植后）宏基因组测序信息的公开数据库，并同时对rCDI，炎症性肠病（IBD）和临床相关的多药耐药细菌定植（MDRB）3个队列患者的116个粪便样本进行了宏基因组测序。最终确定了包含24个队列的1371例粪便微生物群数据，这些数据涵盖了来源于8种不同疾病类型的、226组成对的FMT供/受体（移植前/后）宏基因组信息。研究人员对这些数据进行荟萃分析，结果表明接受FMT治疗后的受体样本与供体样本之间的菌株共享率（中位数57%）以及接受FMT前后受体样本之间的菌株共享率（60%）远高于供体和接受FMT前的受体之间的菌株共享率（4.8%）。此外，供体与受体之间的关系也对FMT治疗后的供/受体菌株共享率有很大影响，接受与受体有关联的供体（一般为与受体共同居住者）粪便进行FMT治疗后，菌株共享率显著大于与受体无关系的公开招募者的粪便菌株共享率（P<1x10-4）。之后的研究中，研究团队探究了影响FMT治疗后菌株植入率的因素，为此研究人员进行了一个多变量分析，评估了包括可能影响移植的临床相关变量（如疾病感染性，抗生素使用情况等）、供/受体粪便微生物特征以及其他普遍的程序性特征等在内的潜在影响因素。结果表明上下消化道联合的给药途径增加了粪便菌群植入的可能性，而在FMT治疗前接受过抗生素治疗或者自身患有感染性疾病的患者中，粪便内的供体菌株的比例明显高于自身保留菌株的比例。与此同时，使用来自多个供体的粪便样本也可以最大限度地增加受体体内移植菌群的多样性。以上证据阐明了影响粪便菌群植入率的因素，那么微生物群植入率与FMT的临床疗效是否直接相关呢？研究人员继续在相关的临床数据集中分析菌群植入率与FMT治疗成功的相关性，结果发现供体菌株植入率较高的受体在FMT治疗后更有可能在临床上获得成功（P = 0.017）。与此同时，研究人员发现不同菌种的移植成功率有显著的差异，其中拟杆菌门和放线菌门（包括双歧杆菌门）表现出比厚壁菌门（除了6种特征不明的厚壁菌门之外）更高的植入率。基于以上的发现，为了提高FMT这类靶向调节微生物群的精确医学治疗手段的效果，研究人员开发了新的机器学习（ML）模型来预测FMT治疗后的微生物群组成。经验证，该模型能够成功地对FMT治疗后的微生物种群丰度进行预测，预测的结果与宏基因组测序结果中的种群丰度显著相关（斯皮尔曼相关系数为0.47，P < 1×10–16）。利用该预测模型对不同临床试验组的供/受体数据进行随机替换，发现更改供/受体配对后预测出的菌群植入效果显著下降，特别是在患有感染性疾病和接受过抗生素治疗的患者中，这种随机替换引起的改变十分显著。因此，对于这类患者来说，选择更适合的粪便供体尤为重要。研究人员进一步发现ML模型能够在一定程度上根据受体的微生物群来预测最有潜力的供体，使供体的微生物组成符合某种特定的特征，例如增加物种丰度、减少变形杆菌的丰度或增加与心脏代谢健康相关的细菌累积丰度等，以增强FMT的治疗效果。综上所述，该研究通过探索粪便移植治疗后微生物群植入的动态及其与临床变量的关联，揭示了物种特异性植入模式，并且开发了相应的微生物群机器学习模型，该模型能够预测FMT治疗后的特异性微生物群特征，以优化疾病靶向的FMT供体选择方案。本研究受限于样本量和宏基因组测序深度等因素，在未来，研究人员将整合更多的信息，致力于将宏基因组测序更为有效地应用于FMT治疗的临床转化中。原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41591-022-01964-3
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