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人类微生物组国际发展态势分析

出版日期:2018-11  ISBN:978-7-03-058834-0  中图法分类:N1 
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内容提要

人类微生物组指生活在人体上的营互生、共生和致病的所有微生物集合及其遗传物质的总和。宏基因组技术的广泛应用,使对微生物的认识突破了“纯培养”的限制,相关研究成果产出呈现井喷式增长。可以说,人类微生物组研究全面系统地解析了微生物组的结构和功能及生理调控机制,为解决健康问题提供了新思路,而相关微生物技术的创新和融合则进一步加速了从基础研究到临床转化整个链条的发展。

本报告从全球布局趋势和重点方向、人类微生物组研究及人类微生物组产业3方面分析人类微生物组的发展态势。主要结论如下:

1)全球布局趋势和重点方向。从全球政策规划布局来看,人类微生物组研究已经成为全球争先布局的科技战略高地。美国、欧盟、日本、加拿大、爱尔兰、法国、澳大利亚、韩国已经启动人类微生物组计划,布局重点由微生物资源普查转向微生物组与健康,应用导向更加明确。相关计划关注技术发展和学科交叉会聚;加速以宏基因组学技术为代表的微生物组研究关键平台技术和工具开发;推进多组学分析、成像技术、生物信息学分析和健康大数据的融合,并期望有效解决数据收集、存储、整合、分析标准化问题,推动微生物组的全面性、系统性研究和数据共享。中国也积极布局人类微生物组研究,已经将突破微生物组关键技术、开展人类微生物组与人群健康的关系研究和建立中华民族典型人群微生物组数据库等纳入“十三五”规划中重点发展领域。2017年10月,由世界微生物数据中心和中国科学院微生物研究所牵头,联合全球12个国家的微生物资源保藏中心共同发起的“全球微生物模式菌株基因组和微生物组测序合作计划”正式启动;同月,中国微生物组创新创业者协会倡议发起中国肠道宏基因组计划,推动我国微生物组学的发展。2017年12月,中国科学院重点部署项目“人体与环境健康的微生物组共性技术研究”暨“中国科学院微生物组计划”启动,旨在推动我国在全球微生物组研究和应用的竞争中实现从“跟跑到并跑,乃至领跑”。

2)人类微生物组研究。统计论文发表情况,2007~2016年,全球共发表人类微生物组相关论文26 850篇,论文年均增长率为22.47%。发文量国家排名方面,美国发文量最多,位居全球第1位,中国共发表人类微生物组相关论文2586篇,位居全球第2位,论文年均增长率达到35.51%。在研究机构排名方面,美国哈佛大学发文量位居全球第1位,中国研究机构中,仅中国科学院进入全球前10位行列。基于对该领域ESI高水平论文题目和摘要进行文本聚类分析,发表的论文主要聚焦基因组测序与微生物组多样性、不同年龄人群队列研究、人类微生物组与健康三大主题。

统计专利申请情况,2007~2016年,全球人类微生物组相关专利申请数量为3453件,年均增长率为19.45%。中国该领域专利申请数量为1051件,位居全球第2位。专利申请内容聚焦微生物组鉴定和分析、未培养微生物分离培养技术、微生物组与疾病关联及诊断标志物、人体微生态调控手段四大技术主题。

从技术发展来看,人类微生物组相关技术发展重点由传统微生物学技术向以宏组学技术、多模态成像技术、生物信息学技术、大数据技术和高通量分离培养技术等为代表的新一代微生物学技术转变。其中,由美国威斯康星大学的Handelsman等于1998年提出的以环境样品中微生物群体基因组为研究对象的宏基因组学技术是人类微生物组研究的关键性技术,由于整个研究流程不依赖于微生物的分离与培养,能最大限度地覆盖全体微生物。而宏基因组学技术的发展得益于基因测序技术的测序速度和通量增长及宏基因组测序片段组装与功能分析工具的进步。

从应用研究发展来看,人类微生物组研究旨在通过探索不同个体、生命不同阶段、不同生境的微生态动态发育过程,寻找与疾病发生、发展直接相关的微生物及其作用机制,助力于婴幼儿免疫系统发育的调控;解决老龄化带来的老年健康问题;应对全球慢性疾病、神经系统疾病、免疫系统疾病和癌症等挑战。

3)人类微生物组产业。基于人类微生物组蕴含的丰富数据信息,可进行疾病的预警预测、特定病原体定点筛查和靶向药物的精确研发等,人类微生物组研究将逐步从实验室走向市场,催生该领域新产业的兴起,同时也带动包含益生菌、益生元的保健食品等传统产业的发展。人类微生物组相关产业主要包括三大细分领域,即微生物组检测、微生物组疗法及保健食品。伴随人类微生物组与疾病的因果机制的揭示,开发并运用前沿检测技术,明确疾病诊断和预警标志物,受到全球各企业的关注,以美国uBiome公司、Arivale公司和美国微生物组研究教育机构为代表的人类微生物组检测机构,提供人类微生物组测序服务,分析口腔、肠道和皮肤等部位的微生物组,进而给予相关的健康指导。中国在人类微生物组检测领域发展较快,华大基因是中国人类微生物组检测研究的先行者,2008年,作为唯一一个非欧盟国家的科研单位参与欧盟人类肠道宏基因组(MetaHIT)计划中,致力于人类微生物组测序及后续生物信息分析工作。2014年以后,出现了一批专注于人类微生物组检测的公司,包括上海锐翌生物科技有限公司、深圳谱元科技有限公司、量化健康、hcode和深圳微健康基因科技有限公司等,公司业务主要是通过16S rRNA测序或鸟枪法宏基因组测序,预测相关疾病的发病风险,并给出营养指导意见或者进一步就医建议。发展微生物组疗法重建菌群平衡,达到疾病治疗的效果是人类微生物组研究的终极目标之一。美国知名市场调研和咨询公司Grand View Research发布的微生物组疗法(包括粪菌移植和药物)市场报告中指出,全球微生物组疗法市场规模在2015年达到1130万美元,预计到2025年,将增至4.335亿美元,就疗法类型来看,粪菌移植疗法占据主导地位,就疾病类型来看,难辨梭状芽孢杆菌感染是微生物组疗法重点攻克疾病。目前,以美国Sere Therapeutics公司为代表的多家企业聚焦靶向肠道微生物组的药物的开发,通过微生物组合制剂、小分子调节剂起到调节人体微生态的作用,以治疗感染性疾病、代谢性疾病和免疫性疾病等,相关药物研发正处于发现或临床试验阶段,发展较快的包括SER-109(难辨梭状芽孢杆菌感染)、RP-G28(乳糖不耐受)、NM504(2型糖尿病)、EB8018(克罗恩病)SGM-1019(炎症性肠病)和RBX-2660(难辨梭状芽孢杆菌感染)等。调节肠道功能的包含益生菌和益生元的保健食品已经形成较成熟的市场。基于人类微生物组研究的不断推进人体内微生物组与健康和疾病的关系得到进一步揭示,使包含益生菌和益生元的保健食品产业获得更多人的关注和认可,为挖掘新的益生菌、益生元,开发新的保健食品奠定基础

通过对人类微生物组领域相关政策规划的解读,结合对论文、专利的统计分析,以及产业分析,建议加强学科交叉研究;推进人类微生物组研究的标准化和数据共享;优化配套大型综合性基础设施平台;加速基础研究向临床应用转化;加强人类微生物组研究的监管;推动人类微生物组研究的科学普及。

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