吳仲文 郭曉奎 唐 立 袁杰力 鄭鵬遠 黃志華 李蘭娟

《醫(yī)學微生物學》是重要的醫(yī)學教育專業(yè)基礎課之一。該課程長期以來對于醫(yī)學生在單一微生物的分離培養(yǎng)鑒定、臨床診斷方面學習培訓起到重要作用。

20世紀末～21世紀初，醫(yī)學研究的重大發(fā)現(xiàn)之一是微生態(tài)學。研究發(fā)現(xiàn)，人體存在數(shù)百萬億(1014)計的微生物群，10倍于人體體細胞，并與機體共存形成了微生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。微生態(tài)系統(tǒng)對機體全生命周期的免疫、營養(yǎng)、代謝、感染、生物性相關疾病的發(fā)生發(fā)展以及防控起重要作用[3]。隨著對微生態(tài)學的深入研究，發(fā)現(xiàn)微生態(tài)系中群體微生物對機體多系統(tǒng)構成了影響，涉及學科如兒科、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，國際上微生物學專家已經(jīng)達成共識，人體微生物組將是繼人類基因組計劃之后的又一個生命研究的重要領域[4]。

1 微生物學與醫(yī)學微生物學

微生物學是生命科學的一個重要組成部分。微生物學主要研究微生物的基本結構、代謝、功能、遺傳變異及其與人體、動物、植物及自然界的相互關系。醫(yī)學微生物學側重研究與人體疾病有關的致病微生物的生物學特性，致病機理，機體的感染免疫，感染性疾病的檢測方法及防治措施。人類發(fā)展史是抗擊疾病維護健康的歷史，微生物學發(fā)展歷史事實上與醫(yī)學微生物學發(fā)展史是契合的。

微生物認識的經(jīng)驗階段：早在我國宋朝，劉真人提出“肺癆是由小蟲引起”，16世紀，意大利人Fracastoro認為“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。這是人們憑感性對致病微生物的認知推測，屬于經(jīng)驗性的[5]3。

微生物認識的實驗階段：1676年，荷蘭人Antony Van Leeuwenhoek用自制的世界上第一臺顯微鏡，放大300倍數(shù)觀察了牙垢、痰、糞便、污水等自然物標本，首次觀察到了各種不同形態(tài)的微生物，證實了自然界存在微生物，為微生物學的發(fā)展奠定了實驗基礎。隨后，法國科學家Louis Pasteur 通過著名的“S形曲頸瓶”實驗發(fā)現(xiàn)了有機物的發(fā)酵是由酵母菌引起，雜菌污染則導致了酒味變酸，由此開創(chuàng)了細菌生理學時代。19世紀德國醫(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)建了細菌染色與實驗性動物感染的方法，對微生物病原體鑒定起到了重要的指導作用，開創(chuàng)了細菌研究的黃金時代，促進了病原微生物學研究的發(fā)展[5]4。

微生物認識的現(xiàn)代階段：隨著研究手段如分子生物學技術、基因探針技術、免疫熒光技術、單克隆抗體技術、單細胞測序技術等的應用，人類從細胞水平深入到分子水平，對微生物結構與功能有了深入的認識，為病原體致病機制的研究及所致疾病的防治提供了技術保障。同時，也為快速認知新出現(xiàn)(emerging)和再現(xiàn)(re-emerging)傳染病病原體、發(fā)病機制研究、治療藥物的研發(fā)、疫苗的生產(chǎn)提供了技術支撐。我國新型冠狀病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)的發(fā)現(xiàn)與防控就是一個典型的例證，也為國際COVID-19的防控提供了中國經(jīng)驗與方案[6]。

在人類發(fā)展史的長河中，不同時期、不同地域曾流行過各種傳染病，曾嚴重威脅人類的生存和社會發(fā)展。人類文明進步，科學技術尤其是醫(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，我國消除了脊髓灰質炎、麻風病、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，這些病原體可能來源于密閉的以前未曾與人類接觸過的原始森林深處等。

這些對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，但當其宿主轉換后，則可能引起疾病。例如，非洲靈長類動物是猴免疫缺陷病毒 (simian immunodeficiency virus, SIV)的宿主，非洲的猴子感染SIV不會發(fā)生AIDS，但是如將SIV感染亞洲獼猴就可發(fā)生AIDS。推測人類AIDS的發(fā)生也與此方式有關[7]。同樣，在自然疫源地的節(jié)肢動物體內(nèi)長期存在著細菌(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，當發(fā)生宿主轉換時，則可導致疾病的發(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(即宿主轉換)后，可出現(xiàn)嚴重的埃博拉病毒病[9]。因此，研究埃博拉病毒與果蝠的微生態(tài)-免疫特性，對人類防治埃博拉病毒病具有重大意義。

事實上，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，而人體擁有的細菌種類就達1 500多種，其微生物量達1014個菌落形成單位(colony-forming unit,CFU)，這些微生物包括病毒、細菌、真菌等，且伴隨人體整個生命周期[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，但離開其固有生境，轉移到外生境時，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。當其離開原宿主生境，到達非特異性宿主時，需要適應環(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)生過度的免疫反應，甚至免疫風暴，產(chǎn)生病理損傷，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，需要應用微生態(tài)學的理論，去分析研究這個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)學特性。

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

2 微生物學與微生態(tài)學

德國Volker Rush 于1977年首次提出微生態(tài)學(microecology)一詞。我國學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系的生命學科分支”。正常微生物群則是微生物與其宿主在共同的歷史進化過程中形成的生態(tài)結構(ecosystem)，這個生態(tài)結構是微生物與其宏宿主共同組成的生態(tài)系。

微生態(tài)學作為一門獨立學科，其發(fā)展歷史大約40余年。但其起源與實驗微生物學是同步的?？蛋捉淌赱8]3將其分為四期。

微生態(tài)研究的啟蒙時期：起源于1676年荷蘭學者Leeuwenhoek首次用顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)細菌，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的固體培養(yǎng)基，進行細菌純培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)了大量致病微生物。但事實證明，目前人體99%的細菌無法培養(yǎng)，這是因為這些微生物在其自然生境中是共棲(commensalism)和互生(mutualism)的，其生長有著固有的能量交換、營養(yǎng)互助和氧化還原電勢的需求等互助關系，純培養(yǎng)對這些細菌的分離是無能為力的。英國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，說明了混合培養(yǎng)的優(yōu)勢，這是一種微生態(tài)現(xiàn)象。

微生態(tài)研究的停滯時期(1920年～1940年)：瘟疫的流行對世界造成了巨大威脅，尤其是戰(zhàn)爭促進了瘟疫的蔓延。其促使科學家去尋找致病微生物，在Koch 法則的引導下，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”，認為細菌都是有害的，加之方法學的缺陷，如不能做厭氧培養(yǎng)，在需氧培養(yǎng)條件下，腸道大量厭氧細菌不能存活培養(yǎng)，諸如此類，沖擊了對正常菌群的研究。

微生態(tài)研究的轉折時期(1945年～1970年)：抗生素的問世，在傳染病防治中有著輝煌的功績，但也看到了光輝下的陰影——抗生素擾亂正常菌群，引起微生態(tài)失衡，條件致病菌致二重感染，甚至死亡，引起了學者們對正常微生物群與微生態(tài)失衡的關注，這對微生態(tài)學的發(fā)展有極大促進作用。1943年～1945年，無菌-悉生動物成功飼養(yǎng)，對后續(xù)正常微生物群的生理作用、營養(yǎng)作用、生物拮抗及免疫調節(jié)作用研究提供了有效的研究工具。

微生態(tài)研究的現(xiàn)在時期：厭氧培養(yǎng)技術、免疫學技術、分子生物學技術、特定基因敲除動物的培育、宏基因測序、單細胞測序技術、轉錄組學、代謝組學、蛋白質學、生物信息學技術、整合組學技術等理論的發(fā)展，促進了微生態(tài)學的長足發(fā)展。目前的研究認為，人體微生態(tài)是人體一個不可缺少的器官，并與人體營養(yǎng)、代謝、免疫、生物拮抗等有密切的關系，人體的諸多包括細菌感染、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[10-11]，例如，復發(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胞毒性T淋巴細胞相關抗原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超級體(superorganism)。2005年以來，發(fā)達國家開展了多項人體微生物組計劃，包括美國國立衛(wèi)生研究院啟動人體微生物組計劃(human microbiome project,HMP)[13]，日本人體元基因組項目，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系研究的人類腸道宏基因組學計劃(metagenomics of the human intestinal tract，MetaHIT)。2016年，美國再次啟動國家微生物組計劃(national microbiome initiative，NMI)，該計劃支持跨學科研究，解決不同生態(tài)系統(tǒng)微生物的基本問題；開發(fā)平臺技術，對不同生態(tài)系統(tǒng)中微生物組的認識以及知識的積累，并提高微生物數(shù)據(jù)的訪問；通過公民科學、公眾參與，擴大微生物的影響力[14]。中國也于2007年實施了腸道微生態(tài)研究的“973計劃”，近年更被列入了國家重點研發(fā)計劃的內(nèi)容中。人體微生態(tài)研究得到了空前發(fā)展。

3 醫(yī)學微生物學與微生態(tài)學融合發(fā)展的必要性

科學技術促進了醫(yī)藥衛(wèi)生事業(yè)的發(fā)展，先進的醫(yī)療技術方法，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用，使得各種危重患者的生命得以延長，免疫容忍性患者增多，這是目前醫(yī)療領域的一個特點。廣譜抗生素的應用仍難以有效控制細菌感染，相反，感染相關的病死率更高了。就美國而言，每年約有30萬患者死于膿毒血癥。引起感染的“病原菌”大多是常見的，在正常人并不會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。微生物繁殖快，進化也很快，其一天的變化相當于人類一千年的進化?？股?包括畜牧用抗生素)的濫用直接破壞了微生態(tài)，并導致了耐藥菌株的產(chǎn)生與流行。正如世界衛(wèi)生組織報告所稱“藥物失去作用的速度與科學家發(fā)現(xiàn)新藥的速度差不多”，這是現(xiàn)代醫(yī)學面臨的一個巨大挑戰(zhàn)。

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

微生態(tài)學是由我國率先提出的一門傳統(tǒng)醫(yī)學理念和現(xiàn)代微生物學相結合的新學科，它以新理念、新視角、新技術深刻地影響醫(yī)學教育，將疾病與健康深度融合，對醫(yī)學教育觀念的轉變和新醫(yī)科建設起重要作用。雖然目前已將微生態(tài)學的部分內(nèi)容作為醫(yī)學重要基礎寫入了最新版《醫(yī)學微生物學》教材中，但是知識的系統(tǒng)性和內(nèi)容的深度與廣度均明顯不足，難以適應《關于加快醫(yī)學教育創(chuàng)新發(fā)展的指導意見》中的關于“以新醫(yī)科統(tǒng)領醫(yī)學教育創(chuàng)新”的新要求，即對醫(yī)學專業(yè)建設體系中重要的教材建設提出理念內(nèi)容、方法技術、標準評價的新要求，能體現(xiàn)“大健康”理念和新科技革命內(nèi)涵，強力推進醫(yī)科與多學科深度交叉融合。

因此，迫切需要將微生態(tài)學內(nèi)容融入醫(yī)學生的醫(yī)學微生物學的基礎教育之中，以加強和拓展醫(yī)學生對微生物的視角，因此建議將《醫(yī)學微生物學》更名為《醫(yī)學微生物與微生態(tài)學》。在我國醫(yī)學課程設置中將《醫(yī)學微生物學》變更為《醫(yī)學微生物與微生態(tài)學》可使醫(yī)學生更全面認識微生物，特別是微生物在自然狀態(tài)下對其不同宿主(包括人體)的作用和影響，同時，既認識到微生物有害的一個方面，也認識到微生物有益的一個方面。使醫(yī)學生能夠樹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)學微生物學》課程增加為2個學分，32個學時，主要講授微生態(tài)學基本概念、基本理論和技術，微生物組對機體健康和疾病的影響和以微生物組為靶標的診斷、治療和預防策略。