新英格蘭醫學期刊的小兒腸胃炎益生菌臨床試驗結果

長庚大學教授 林口長庚醫院 婦產部主治醫師 王子豪

益生菌(probiotics)就是用來對宿主有所助益的活菌。使用益生菌來整腸,以改善急性或慢性的水瀉(拉肚子),至今已有上千篇論文發表 (延伸閱讀一),大部分都發現益生菌有助於減緩水瀉。例如,一個隨機對照組研究(randomized control study) 比較五種常用的益生菌製劑,顯示並不是每種製劑都有一樣的效果,但在那一個研究中Lactobacillus rhamnosus strain GG有顯著療效 (延伸閱讀二)。另一個評估了含8014位受試者的63硏究的整合分析(meta-analysis),也支持益生菌有助於縮短水瀉的期間 (延伸閱讀三)。然而以前的這類研究,常昜患統計檢定力不足 (underpowered)、方法學有問題、臨床試驗設計不良、或是選擇不恰當的最終評估點 (endpoints) (延伸閱讀一);直到2018年11月兩篇刊登於新英格蘭醫學期刊的隨機、雙盲、安慰劑對照的臨床試驗結果出爐,顯示:兩種臨床上常用的益生菌無法顯著改善小兒急性腸胃炎的水瀉和嘔吐 (延伸閱讀四、五)

 

Schnadower 等人發表的臨床試驗中,從美國10個小兒急診科招募了3143名三個月到四歲大嬰幼兒的急性胃腸炎 (下圖),最後合乎研究條件的有971位,隨機分成兩組 (治療組483位,對照組488位),治療組投予一天兩次的口服Lactobacillus rhamnosus GG 1010菌落單位 (colony-forming units)。主要療效指標 (primary endpoint) 用綜合參數來定義中度到嚴重度胃腸炎,指改良式Visikari計分量表 (Modified Vesikari scale score ) 得9分或以上;此量表的滿分有20分(下圖)。

q1

q2

 

 

Freedman 等人發表的臨床試驗中,從加拿大6個小兒急診科招募了2663名三個月到四歲大嬰幼兒的急性胃腸炎 (下圖),最後合乎研究條件的有886位,隨機分成兩組 (治療組444位,對照組442位),治療組投予一天兩次的口服Lactobacillus rhamnosus R0011 和Lactobacillus helveticus R0052 總量4 x 109菌落單位 (colony-forming units)。主要療效指標 (primary endpoint) 用綜合參數來定義中度到嚴重度胃腸炎,指改良式Visikari計分量表 (Modified Vesikari scale score ) 得9分或以上;此量表的滿分有20分 (上圖)。

q3

 

這兩個大型臨床試驗的結果呈現:治療組和對照組沒有顯著影响疾病嚴重度(下圖)。不過比較令人費解的是,使用一樣的疾病嚴重度Vesikari量表, ≥9分的在兩個試驗中的比例差別很大:在美國的族群,治療組和對照組分別是11.8%和12.6%;而在加拿大的族群,同樣評分所佔的比例分別為治療組26.1%和對照組24.7% (下圖)。由此可見:兩國的評估醫師所打的綜合參數很不同,結果可以相差高兩倍以上。

q4

 

雖然這兩篇美國、加拿大的嬰幼兒臨床試驗結果顯示:單靠益生菌無法呈現有統計意義的改善急性腸胃炎嚴重度;但是考量益生菌的方便性、安全性、和價格 (延伸閱讀一),這兩篇原著論文對我個人行醫的影響只是:萬一孫女Mia或孫子Max有腸胃炎時,我還是會推薦益生菌當作第一線處治,但是不會忘記提醒我的女兒 (她是小兒科醫師)有關這兩篇NEJM的結果。

 

使用益生菌來改善腸道功能的實踐中,益生菌常需併用益菌生 (prebiotics,又譯為:益生元),益菌生是膳食中不易被人體腸胃道酵素消化的纖維,但可以被腸胃道的微生物分解。益菌生主要來自蔬菜,接受這樣的觀念下,當我自己每天服用醫療等級的益生菌時 (剛好也就是Lactobacillus rhamnosus),我常會提醒自己多攝取蔬菜,期待增加益菌生纖維,果然都能每天順暢排便。而以前尚未服用益生菌時,光是增加蔬菜攝取量,也常無法獲得順暢排便,所以益生菌對便祕的調整就是有效啊。孕婦常也有便秘的問題,我的首選也是開立醫療等級的益生菌,大多數都獲得改善,甚至有一些孕婦的先生也加入益生菌的愛用者族群。

 

益生菌的其他可能好處包括:健全腸道發育、神經發育與老化、預防憂鬱症、預防心血管硬化、預防發炎性腸炎、預防肥胖糖尿病、防治癌症等等,請參見本學會網頁的「各界迴響」專欄 (2018-12-27,楊崑德:精準使用益生菌3大原則)。益生菌的使用甚至有助於減肥,可參見本學會網頁的「各界迴響」專欄 (2018-7-6吳宗儒、賴信志:新型腸道益生菌與減肥)。更值得注意的是,本文討論的兩篇NEJM臨床研究試驗,目標還是「異中求同」,希望能夠在盡量一致的條件下獲得有統計意義的差別,所以仍有不夠精準、無法考慮個人化之虞。然而在精準醫學考量個體差異的精神下,一些注重發現機制的尖端期刊- 如Cell (延伸閱讀六) 已提出札實的證據顯示:即使是使用益生菌,也必須採取個人化策略,才能最有效來改善腸道黏膜細胞功能。

 

 

延伸閱讀:

  1. LaMont JT. Probiotics for children with gastroenteritis. New Engl J Med (2018) 379: 20176-2077.
  2. Canani RB et al. Probiotics for treatment of acute diarrhea in children: randomized clinical trial of five different preparations. BMJ (2007) 335: 340.
  3. Allen SJ et al. Probiotics for treating acute infectious diarrhoea. Cochrane Database Sys Rev. (2010) 11: CD003048.
  4. Schnadower D et al. Lactobacillus rhamnosus GG versus placebo for acute gastroenteritis in children. New Engl J Med (2018) 379: 2002-2014.
  5. Freedman SB et al. Multicenter trial of a combination probiotic for children with gastroenteritis. New Engl J Med (2018) 379: 2015-2026.
  6. Zmora N et al. Personalized gut mucosal colonization resistance to empiric probiotics is associated with unique host and microbiome features. Cell (2018) 174: 1388-405.

精準使用益生菌3大原則: 胎幼兒期、生病時、個人化

楊 崑 德 醫師

馬偕兒童醫院醫研部主任、馬偕醫學院生醫所教授、

台灣胎幼兒期防治成人疾病學會理事長

一.人體內外充滿著善良合作壞的微生物體:

在人類生存的地球上,充滿著多樣的物種,特別是肉眼看不見的微生物體,而人類是最會善用體內外微生物體共伴效應的一個物種。尤其是在人類的腸道、口腔、皮膚和生殖道充滿著比世界人口還多的微生物數量(~1014),其中好多益生菌在幾十億年的互動裡,被人類納入共生和共伴的整合運用!透過生益菌(prebiotics)分子,例如母奶內的寡糖可以滋養好益生菌(probiotics)聚落,旣可以抑制病菌也可以促進免疫協調作用,更可以透過益菌生(postbiotics)的分子,促進代謝和滋養神經發育等作用 [1-3]。當嬰兒出生經過產道就取得好的微生物群,來滋養腸道和皮膚的上皮細胞發展,剖腹生產沒有經過產道取得益生菌的嬰兒比較容易過敏或肥胖,產道存在異常菌叢也會讓嬰兒生病。釐清人體從產前到產後體內外的微生物體分布與作用,變成是胎兒長大成人後是健康或疾病很重要的課題!

二.人體生長發育需要微生物體配合:

隨著嬰兒(特別是早產兒)的出生,他(她)們需要母奶內寡糖或是滋養分子與益生菌的共伴作用,才讓腸道發育成熟不會滲漏和發炎的傷害(例如壞死性腸炎),或是過敏性的腸漏症。甚至與後續肥胖、神經發展、自閉症或自體免疫病的相關。在30年前人們還不了解早產兒出生後的腸道需要母奶內寡糖、生長素或生益菌(prebiotics)的滋養或是益生菌的補充,才會成熟的發育。所以起先在早產兒身上因為體重太小無法進食,而給予禁食和靜脈點滴注射營養,加上早產兒容易感染而使用抗生素,結果就讓那個時代的早產兒很容易發生壞死性腸炎而束手無策!後來才因為動物實驗發現,新生兒(尤其是早產兒)的動物需要母奶內的寡糖,和各種生長因子或益生菌,才會滋潤腸細胞的發育與成熟,減少壞死性腸炎。所以現在的早產兒照顧是盡早使用母奶、生益菌分子或益生菌而避免壞死性腸炎! 就使用益生菌防治極度早產兒壞死性腸炎而言: 早期使用單一菌株B. infantis效果不錯,後來更多的研究分析認為多樣益生菌同時使用比單一(Bifidobacterium species 或 Saccharomyces boulardii)使用為佳。

延伸這個模式,後續的研究也在過敏病、自閉症、第1型糖尿病的防治上,使用益生菌 (表1.)。在過敏病防治上有人使用LGG從產前1個月至產後6個月使用,可以減少兒童的異位性皮膚炎的發生;然而我們使用相同LGG的試驗:從產前4個月使用至產後6個月,發現對兒童的異位性皮膚炎沒有效果,但是對孕婦的過敏性鼻炎有顯著的改善! [2] 另一個研究在狗的過敏性疾病研究,讓狗一出生就使用母狗產道內的乳酸菌(Lactobacillus johnsonii),發現可以防治呼吸道過敏和感染的效果 [3]。

使用益生菌防治自閉症: 證據顯示缺乏母奶餵食或異常腸道微生物菌叢(細菌和黴菌)差異和自閉症密切相關。使用肥胖老鼠比較容易生出社交異常小鼠的特性,一個重要的研究發現4週內使用正常老鼠的糞便移植(FMT),可以改善社交異常小鼠的行為,8週後才使用糞便移植則沒有效果,顯然腸腦軸系(Gut-Brain Axis)的交流需要愈早愈好! [3, 4]

第1型糖尿病的防治使用益生菌: 在一個歐洲和美洲同時進行的大型世代研究,發現,在出生27天以內使用益生菌者,對具有HLA DR3/4體質者容易發生第一型糖尿病胰臟細胞自體抗體的產生,具有顯著的保護性 [5];相反地,大於28天以後才使用益生菌者,則沒有保護性。顯然早期益生菌使用對自體免疫的調節更具效用。

表1. 人類生長發育需要微生物體情況與防治

人類發育需要微生物體情況 生益菌 (prebiotics)+益生菌(probiotics)
腸道細胞發育避免滲漏

預防壞死性腸炎

預防過敏症

預防自閉症

預防第1型糖尿病抗體產生

母奶內寡糖/鐵蛋白/生長素(e.g. TGFb)

母奶+益生菌 (B. infantis或多樣益生菌使用)

產前產後使用(e.g. L. rhamnosus GG, LGG)

哺育母乳和調整腸道Bacteroidetes > Firmicutes

HLA DR3/4兒童在1個月內使用益生菌

三.人體多種疾病與微生物體相關 (表2):

1) 腹瀉: 特別是旅遊腹瀉,不論使用單一或多重菌株的益生菌,大多會顯著改善腹瀉症狀;但是也有一些使用單一菌株於急症腹瀉的研究,發現使用益生菌不會改善腹瀉症狀。腹瀉的原因很多,所以很難一種益生菌治百病! 一般相信旅遊腹瀉使用Bifidobacterium bifidum 、 Lactobacillus acidophilusSaccharomyces boulardii 相關益生菌有助益;感染性腹瀉尤其是輪狀病毒是Lactobacillus reuteri 、 Lactobacillus rhamnosus 和/或Saccharomyces boulardii有效;抗生素引起的腹瀉一般會是使用黴菌性益生菌Saccharomyces boulardii較合適(因為抗生素是抗細菌會把細菌性益生菌殺掉,所以比較合適使用黴菌性益生菌協助)。有趣的是,許多益生菌既可以治療腹瀉也對便秘有幫助!顯然是透過腸道調節作用才會腹瀉和便秘都有效;當然也有人認為這當中也許是不同劑量的作用關係,等待大家進一步研究。

2) 偽膜性大腸炎: 偽膜性大腸炎多半是在使用抗生素後造成大量梭狀困難菌( difficile)的繁殖所促成。使用糞便移植效果很好,或是使用C. scindentsL. lactis益生菌不錯;也有報告顯示黴益菌Saccharomyces boulardii有幫助。

3) 發炎性腸疾病: 發炎性腸疾病(IBD)大致包括潰瘍性大腸炎(ulcerative colitis, UC)和克隆氏症(Crohn disease, CD)。使用益生菌治療發炎性腸疾病的療效,可以歸納為3大原則: 1) 多重菌株組合優於單一菌株使用佳,例如美國FDA通過VSL#3 ( acidophilus SD5212, L. casei SD5218, L. bulgaricus SD5210, L. plantarum SD5209, B longum SD5219, B. infantis SD5220, B. breve SD5206, S. thermophilus SD5207) 是8合一的400億組合包使用於潰瘍性大腸炎;2) 益生菌用於潰瘍性大腸炎的療效優於使用在克隆氏症; 3) 使用於兒童發炎性腸疾病比成人發炎性腸疾病效果較好。

4) 過敏性異位性皮膚炎: 如前述所說明,從歐洲開始在產前產後使用益生菌,防治異位性皮膚炎有成果 [6],就有一些歐洲國家嘗試以回到過去的養育嬰幼兒的方式,研究農場裡出生與長大的小孩是否較少過敏兒。結果確實發現農場裡生長的小孩過敏病較少,因此推論出”比較髒亂的養育比較不會養出過敏兒;太乾淨的養育容易養出過敏兒”。進一步分析原因,有過敏病與沒有過敏病的人,其腸道菌叢的分佈顯著不相同,而且這種腸道菌像與其免疫調節功能相關,顯然嬰幼兒期的環境與飲食會影響腸道菌像,進而影響免疫功能。再深入的關聯研究發現,過敏病與嬰幼兒在喂哺母奶或農場食用的牛奶內細菌像或內毒素無關,而與牛奶的低溫處理,和牛奶或母奶內的乳鐵蛋白質和免疫調節素含量有關(或稱生益菌-prebiotics) [7]。所以髒亂養育兒女避免過敏兒的內含是:〝精準的使用母奶與低溫處理牛奶、補充乳鐵蛋白質、益生菌和免疫調節素,而非髒亂養避免過敏病〞 [1]。

5) 肥胖/胰島素阻抗: 文獻已知嬰幼兒早期腸道的微生物體的差異和兒童肥胖有關。使用不同單一或多重益生菌防治肥胖在動物實驗已有很好的進展,但是在實際的人體試驗則主要有3種: 使用LGG、 gasseri 或糞便移植對肥胖及其相關的胰島素阻抗和降低膽固醇具有改善的效果,值得進一步發展

表2. 人類疾病需要益生菌療癒的發展狀況

人類疾病需要益生菌療癒 特定益生菌(probiotics)使用
腹瀉

抗生素腹瀉

偽膜性大腸炎

發炎性腸疾病

過敏症

肥胖/胰島素阻抗

癌症

單一或多重菌株的益生菌

使用黴益菌Saccharomyces boulardii

糞便移植; C. scindents; L. lactis, S. boulardii

多重菌株如VSL#3(含8種)的益生菌

單一益生菌有些有效、有些沒效

LGG, L. gasseri, 或糞便移植

CTLA4抗體合併B. fragilisB. thetaiotaomicron

6) 癌症免疫治療仰賴腸道菌叢: 最近已有研究報告指出免疫查核點CTLA4抗體合併益生菌 fragilisB. thetaiotaomicron 使用於癌症治療,其療效比沒有使用益生菌者好 [8],進一步的動物實驗也發現合併使用免疫查核點PD1抗體和比菲德菌,可以顯著防止腫瘤擴散的作用! 對於使用嵌合式抗原受體T細胞(CAR-T)治療,會造成免疫細胞素風暴的嚴重併發症,也可以使用帶有心房利納肽(atrial natriuretic peptide, ANP)重組蛋白的益生菌,注射腫瘤達成毒殺腫瘤和抑制異常免疫發炎的狀況! [9]

四.人體與微生物體代謝的生態共伴效應:

當人體的疾病和腸道微生物體異常有關時,人們就希望使用益生菌來治療!這樣的發展確實取得了一些成果,但是不完善是可以預期的,因為這廣大(~1014)的微生物體,只改變一種或10種細菌就改善不容易。所以如何善用生態環境的塑造,來恢復正常微生物體也是重要: 包括早期的使用母奶、寡醣或纖維(或稱生益菌 (前益生菌); prebiotics)促進益生菌的環境塑造;以及利用益生菌的代謝物(或稱益菌生(後益生菌); postbiotics),對人類器官組織的滋養和健康促進的效應 [10]。這種腸道微生物體的環境塑造對健康的好處包括腸道發育、腸腦軸系促進神經發育和避免憂鬱、肥胖、防治癌症和心血管等疾病的作用 (表3.)。

表3. 利用微生物體生態共生共伴效應的應用

生理與病理變化 生益菌(prebiotics) 益生菌(probiotics)/益菌生(postbiotics)治療
1. 健全腸道發育

2. 神經發育與老化    (巴金森病, PD)

3. 預防憂鬱症

4. 預防心血管硬化

 

5. 預防發炎性腸炎

6. 預防肥胖糖尿病

 

7. 防治癌症

 

母奶、寡糖和生長素

 

丁酸 (Butyric acid)

 

Dimethyl-1-butanol: 橄欖、醋、葡萄籽等

 

乳酸菌/比菲德氏菌

短鏈脂肪(butyrate-producing microbials) 㐃Prevotellaceae > Enterobacteriaceae

4-ethylphenylsulfate (4-EPS) ↓

嗜膽鹼菌 > 嗜纖維菌

Trimethylamine (TMA) ↓

Bacteriocins 㐃

Chaperon ClpB㐃

N-acylethanolamide㐃

Ferrichrome㐃

Atrial natriuretic peptide, ANP㐃

 

1) 健全腸道發育: 新生兒尤其是早產兒腸道的發育需要特殊寡醣、特別益生菌或其代謝物,甚至於母奶的生長素 [1,3,11]。沒有這些寡醣或益生菌的代謝物滋養,腸細胞發育失常,容易滲漏甚至發炎壞死。所以需要補充乳酸菌和比菲德菌之外,善用母奶,以及純化或是科學化重塑母奶內的產物,會是環保和科技的結晶。包括選用優良益生菌開發,合成母奶內的寡醣或生長素,甚至利用多潛能幹細胞分化為人類乳腺細胞分泌特定母奶成份,來滋養新生兒或早產兒腸道細胞也是重要的方式!

2) 神經發育與老化: 腸道裡的許多益生菌可以透過消化我們人類不能消化的食物或纖維,並且釋放出對我們人類有益的代謝物,促進神經的發育,稱之為腸腦軸系的滋養路徑(Gut-Brain Axis),但是相反的如果有壞的菌叢存在也可能釋放出傷害神經的物質: 直接傷害腸道神經回傳到腦部中樞神經系統或是透過血液循環影響腦部 [12,13]。例如嬰兒自閉症者腸道菌叢顯著不同於正常嬰兒,而且血中可以測得超高值的細菌代謝物: 4-ethylphenylsulfate (4-EPS)!在動物實驗發現如果給予特定益生菌(g. B. fragilis),動物4-ethylphenylsulfate (4-EPS)血中濃度會降低,行為會改善。另外,老化或退化的神經系統也受腸道微生物體影響,巴金森病 (Parkinson disease, PD)者腸道微生物體不同於正常人,其中Prevotellaceae 減少而Enterobacteriaceae增加,在動物實驗發現產生短鏈脂肪(butyrate-producing microbials)的菌叢減少 [12-14],反轉上述生態,例如使用丁酸(butyric acid)或使用糞便移植可以校正這個菌叢,並且改善動物疾病症狀!人體試驗仍在試驗中。

3) 預防憂鬱症: 類似上述嬰兒動物的腦部影響研究,一般成人或成熟動物也發現憂鬱行為與4-ethylphenylsulfate (4-EPS)濃度相關,改善腸道菌叢可以降低4-ethylphenylsulfate (4-EPS)濃度和改善憂鬱症狀。另外腸道被稱為人類第二個大腦,因為腸道內的腸道菌會製造血清素(90%是由腸道所產生),而血清素如果過低,也會引起憂鬱 [14]。

4) 預防心血管硬化: 類似腸腦軸系的滋養路徑(Gut-Brain Axis),影響腦部的腸道好壞菌叢,可以釋放好物質也可能釋放出傷害血管的物質,直接傷害腸道血管或是透過血液循環影心血管(包括心臟和腎臟):例如腸道的細菌可以代謝紅肉內膽鹼(cholin)成分而產生Trimethylamine (TMA),循環到身體被氧化為trimethylamine-oxide(TMAO)而傷害心血管和腎血管,造成慢性發炎並且影響壽命! 相對幸運的是有些素食、或是地中海飲食的橄欖、醋、葡萄籽或芥末,含有二甲基丁醇(2-dimethyl-1-butanol, DMB)可以抑制膽鹼代謝為TMA,或許可以防治血管發炎! [15]

5) 預防發炎性腸炎: 旅遊因為水土不服或食物不適應而腹瀉,或是使用抗生素而造成異常腸道菌滋生,造成偽膜性大腸炎,或是自體免疫性腸炎(UC或CD),多半是「鳩佔鵲巢」的微生物體異常所造成[16] ! 治療上以多重或高菌量益生菌有幫忙,但是最好的方法還是精準化進行,就是找尋益生菌可以排除壞菌的排毒素(又稱細菌毒素:bacteriocins),利用具有排毒素的益生菌或是直接純化排毒素,也可能清除壞菌叢而恢復正常微生物體而恢復健康! [3]

6) 預防肥胖與糖尿病: 影響肥胖的因素比較多!包括母親懷孕時的營養、體重或生殖道(包括腸道)微生物體,都可能影響兒童甚至成人期的肥胖。透過調整腸道菌叢,或是使用基因重組的益菌製造抑制胃口的代謝物,或是促進胰島素感受性的分子,例如可以重組Chaperon ClpB基因的細菌,因為可以抑制胃口而減少肥胖,以及使用可以產生N-acylethanolamide的益生菌,已經可以在動物實驗,防治肥胖和胰島素阻抗的效用 [3]。再者,一個喜歡吃肉的人,他體內會養出很多偏好吃肉的腸道菌,而這些細菌還會排擠其他嗜吃纖維、蔬果的細菌,並向大腦要求吃更多肉食,肥胖也增加。

7) 防治癌症: 癌症和腸道菌叢的平衡也有關係,腸道微生物體異常可以影響大腸癌的形成是很容易理解的事情,腸道微生物體異常也會影響身體其他部位的癌症,多半是因為異常腸道微生物體,失去益生菌或前益生菌具有的免疫調節(Treg)作用,好菌無法調節腸道細胞的免疫調節作用,讓壞菌可以促進發炎(特別是Th17的發炎),就容易有促進腫瘤的機會 [17]。所幸有些特定益生菌可以產生殺腫瘤因子(又稱後益生菌;postprobiotics):例如有一種益生菌 casei (ATCC334)可以產生ferrichrome就有殺腫瘤細胞的作用,或是使用基因重組的益菌表現ANP(atrial natriurectic peptide),也已經可以在動物實驗證實在免疫治療殺腫瘤細胞時,防制自體免疫過度發炎的細胞素風暴,促進治癌效果 [9]: 另外使用特定益生菌(B. fragilisB. thetaiotaomicron),配合查核點抗體的治療癌症效果,也被證實比單獨使用查核點抗體的免疫治癌效果好 [3, 8]!

 

五、精準使用益生菌3原則:從出生前後開始、生病時調整和個人化使用

1) 胎幼兒期使用可塑性佳

人類從無菌的子宮腔出生時,經過產道和出生後吸入第一口空氣,就融入許多微生物體。從出生至一歲的腸道微生物體受到產道菌叢和母奶的影響執行共生共伴發展,使得其多樣性著重腸道發育的益生菌孳長;直到母奶介斷後才有更大量的多樣性增加;從1-5歲開始腸道增加發酵菌和維生素製造的共生菌;從6-12歲則是維生素製造菌的活躍期; 12歲以後進入成熟穩定期,以調和醣類、脂肪和磷酸或硫酸化的調節作用;直到60歲以後減少發酵菌叢變得明顯 [3, 18]。顯然這個產前產後的微生物環境的好壞不但影響著當時的互動或排斥,或是共生共伴生態。若是前者會是影響發育或是疾病,若是後者則是神經與免疫調和促進健康的根基。所以不難理解早期塑造微生物體為最高原則,特別是早產兒最需要優良的生益菌的環境生態;接著是在兒童期孕育優良腸道微生物體避免過敏病和感染症 [19];在生病時了解異常為生物體,進而校正腸道微生物體以利恢復健康 [3, 10, 20];甚至利用益生菌代謝物或是基因重組益生菌的產物,執行個別化精準醫療使用!面對這個發育與益生菌共生發展的趨勢,歐洲國家的父母已經有1/3讓嬰兒在出生1個月內就使用益生菌,美國和台灣的父母在1個月內使用的比率只有5% [5]。這些原則的運用既可以促進腸道發育健康,又減少腸胃道疾病、減少肥胖、過敏、自閉症,甚至預防糖尿病和精神等疾病 (表3.)。

 

2) 生病時使用益生菌的效益較明顯

生病時,尤其是腸道感染或腸道發炎的疾病多半對益生菌的使用有效用,只有少數免疫力很差的人需要小心植入益生菌造成感染的個案報告! 一般來說:旅遊腹瀉、病毒性腹瀉或抗生素引起的腹瀉,使用單一或三合一益生菌配方都是減緩症狀的好方法;對於自體免疫性腸道炎症疾病,則需要大量多重菌株的配方使用,效果才會好。困難的事是,並非所有的個案使用益生菌就可以控制,所以需要更精準的在使用前檢測腸道菌叢是那些異常分布,再根據異常微生物體分布給予精準的菌株校正。例如針對自閉症有許多研究發現,缺乏母奶餵食或異常腸道微生物菌叢(細菌和黴菌)差異,有密切相關,特別是Bacteroidetes 少於Firmicutes,所以鼓勵餵食母奶和使用 B. fragilis益生菌是防治自閉症的方法之一。

 

3) 不同疾病不同人的精準(個人化)使用益生菌的時代

(1) 不同疾病不同作法

不同疾病各有不同腸道微生物體的差異,所以需要不同的處方恢復微生物體。例如表2所示的不同疾病各不相同的用法: 多重菌株高效量對自體免疫病腸炎較佳、單一菌株早期使用對過敏有效果,使用B. fragilis對自閉症可能有效,以及糞便移植對偽膜性腸炎很有效。但是問題都是並不是所有病人都有效,顯然需要更精準地知道異常在哪裡而給予精準的調整 (表3.),或是在發育上在不同年齡給予預防性的微生物體調整。

(2) 不同年齡不同用法:

不同年齡的人其腸道微生物體有階段性不同,所以不同年齡者應該有不同的設計:出生後到斷奶前是第一段,著重接近母奶內容的生益菌和益生菌為主; 斷奶後增加副食品時是第二階段,此時段(學齡前;5歲前)應該是著重可以製造維生素和發酵的益菌,以及調整免疫力的細菌:例如比菲德菌和糞桿細菌等配方;學齡期(6-12歲),此時期至成人的期間仍有許多微生物體差別的空間可用,需要大家進行研究;正常的腸道(尤其是大於12歲)的人,他的腸道菌叢是相對穩定,但實際那些細菌或黴菌,厭氧或嗜氧,好膽汁或親纖維菌,都仍有很大空間發展精準益生菌叢應用。例如葷食者會較多嗜膽汁菌;而素食者會多親纖維菌,前者可能因為膽鹼(cholin)的成分讓親膽汁菌製造較多TMA而有慢性發炎,後者就比較會發酵纖維而製造短鏈脂肪而促進免疫調節作用。再者地中海型食物的醋、橄欗、芥末和葡萄籽等可以提共二甲基丁醇(DMB)而拮抗膽鹼代謝為TMA的炎性物質。以上這些兒童和成人疾病與腸道微生物體相關的說明,都應驗大家已知的產前產後的「關鍵1000天」,是培育優秀的下一代很重要的時間。為了培育優良國家未來主人翁,我們也在2015年成立台灣胎幼兒期防治成人疾病學會(TW-DOHaD)來推廣。不論產前孕婦期、產後嬰兒期、學齡兒童或是成人,都可以因為了解食物-腸道益生菌-腦或心血管的軸系,而執行精準的前益生菌、益生菌、後益生菌,促進健康。

 

參考資料:

  1. 楊崑德著: 打造健康免疫力秘笈。免疫叢書、大屯出版社、 2017、台北市。
  2. Ou CY et al. Prenatal and postnatal probiotics reduces maternal but not childhood allergic diseases: a randomized, double-blind, placebo-controlled trial. Clin Exp Allergy. 2012;42:1386-96.
  3. Lynch SV, Pedersen O. The human intestinal microbiome in health and disease. N Engl J Med. 2016; 375:2369-2379.
  4. Buffington SA et al. Microbial Reconstitution Reverses Maternal Diet-Induced Social and Synaptic Deficits in Offspring. Cell. 2016 Jun 16; 165(7): 1762–1775.
  5. Uusitalo U et al. TEDDY Study Group. Association of early exposure of probiotics and islet autoimmunity in the TEDDY Study. JAMA Pediatr. 2016 Jan;170(1):20-28.
  6. Kalliomäki M et al. Probiotics in primary prevention of atopic disease: a randomised placebo-controlled trial. Lancet. 2001; 357:1076-1079.
  7. Loss G et al. GABRIELA study group. The protective effect of farm milk consumption on childhood asthma and atopy: the GABRIELA study. J Allergy Clin Immunol. 2011;128:766-773.
  8. Vétizou M et al. Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota. Science. 2015; 350: 1079–1084.
  9. Riddell SR. Adrenaline fuels a cytokine storm. Nature 2018; 564:194-196.
  10. Markowiak P et al. Effects of probiotics, prebiotics, and synbiotics on human health. Nutrients. 2017 ; 9: 1021.
  11. Chang HY et al. Multiple strains probiotics appear to be the most effective probiotics in the prevention of necrotizing enterocolitis and mortality: An updated meta-analysis. PLoS One. 2017 ;12:e0171579.
  12. Dinan TG, Cryan JF. Gut instincts: microbiota as a key regulator of brain development, ageing and neurodegeneration. J Physiol. 2017; 595: 489–503.
  13. Bienenstock J, et al. Microbiota and the gut-brain axis. Nutritional Reviews. 2015;73(Suppl 1):28-31.
  14. Jessica M et al. Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis. Cell. 2015; 161: 264–276.
  15. Wang Z, et al. Non-lethal inhibition of gut microbial trimethylamine production for the treatment of atherosclerosis. Cell. 2015; 163: 1585–1595.
  16. Ganji-Arjenaki M, Rafieian-Kopaei M. Probiotics are a good choice in remission of inflammatory bowel diseases: A meta analysis and systematic review. J Cell Physiol. 2018;233: 2091-2103.
  17. Rea D, et al. Microbiota effects on cancer: from risks to therapies. Oncotarget. 2018; 9: 17915–17927.
  18. Yatsunenko T et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature. 2012; 486: 222-227.
  19. Fujimura KE et al. House dust exposure mediates gut microbiome Lactobacillus enrichment and airway immune defense against allergens and virus infection. PNAS USA. 2014; 111:805-810.
  20. Hollister EB, et al. Structure and function of the healthy pre-adolescent pediatric gut microbiome. Microbiome. 2015; 26: 36.

利用基因編輯釐清心血管疾病高危基因座的功能

長庚大學教授 林口長庚醫院 婦產部主治醫師 王子豪

 

對慢性疾病的健康管理,我們必須一再強調「生活方式比遺傳體質更能決定疾病的發生」的重要性(參見新知分享專欄2018-11-19),然而遺傳體質也預設了先天的疾病風險。近十幾年來的全基因體關聯研究 (genome-wide association study, GWAS)至今發表了三萬多篇的論文,GWAS根據各種組合的單核酸多型性 (SNP, single nucleotide polymorphism)來找出許多疾病高危基因座 (loci) (參見新知分享專欄2018-7-16)。然而鑑定出疾病的高危基因座,對於機制的了解只是跨出第一步,有時後續研究很難進行;例如染色體9p21.3就是心臟血管疾病的高危基因座,雖然獨立於膽固醇等危險因子,它和10~15%的冠狀動脈疾病發生率有關。這個9p21.3的60,000核酸鹼基區域含有50到100個SNPs,但是不含編碼SNPs (coding SNPs);而且9p21.3是人類特有的核酸序列,也沒有動物模式可供利用。

要釐清9p21.3和心血管疾病的相關性必須面對三個挑戰:(1) 因為這段序列只出現於靈長類,沒有大鼠、小鼠動物模式可供使用;(2) 這段序列可稱為基因沙漠,因為不含編碼基因 (coding genes);(3) 雖然這段區域包含了一個長的非編碼RNA (long non-coding RNA, lncRNA)- ANRIL的末端,但是很難鑑定lncRNA的功能。

為了克服這些挑戰,一個加洲聖地牙哥Scripps研究院的硏究團隊先由心血管高危險群 (risk)和對照組 (non-risk)分別分離出19株同基因、人工誘導多功能幹細胞 (isogenic induced pluripotent stem cell lines,isogenic iPSCs),再於這些細胞株上進行單倍體基因型的基因編輯 (haplotype editing),最後獲得60,000核酸鹼基的同合子剔除 (homozygous deletion of the entire 60 kb haplotype in iPSCs)。haplotype editing則使用了轉錄激活因子樣效應物核酸酶 (TALENs, transcription activator-like effector nucleases)的平台。

高危單倍體基因型iPSCs 分化出來的血管平滑肌細胞 (VSMCs, vascular smooth muscle cells)生物特性和對照組不太一樣,高危VSMCs分裂比較快,比較不會貼附培養皿,收縮力也降低。一旦把高危單倍體基因型iPSCs 的9p21.3 (下圖的RR)剔除 (如下圖的RR KO),所衍生的血管平滑肌細胞的轉錄體和細胞功能就變回類似正常對照組(如下圖的NN)。正常對照組的細胞,再進行同合子剔除9p21.3功能則不太有改變(下圖的NN KO)。

01

下圖來總結這個研究:首先由心血管高危險群 (Risk, 紅)和對照組 (Non Risk, 綠)分別分離出多株同基因、人工誘導多功能幹細胞 (isogenic iPSCs),接著利用TALENs在這些iPSCs上進行單倍體基因型編輯 (haplotype editing) (下圖上半部);再把這些處理過的iPSCs誘導分化,陸續產生中胚層祖細胞(mesodermal progenitor, MP)和血管平滑肌細胞 (vascular smooth muscle cells, VSMC) (下圖下半部)。

高危單倍體基因型 (risk haplotype) 在9p21.3的60,000核酸鹼基序列雖然不含編碼基因,但在這上面的序列會經由調控選擇性剪接 (alternative splicing)影響lncRNA ANRIL的最後產物,而產生一個較短的ANRIL RNA isoform。本研究的資料更進一步地顯示,如果將這條較短的ANRIL RNA isoform 強迫表現於(over-express, 下圖OE)對照組單倍體基因型iPSCs,就會出現高危VSMC的基因表現和特性,意即出現增生現象 (proliferative)、喪失貼附 (adhesive)與收縮(contractile)功能。

(下圖左側) 基因的網路分析(network analysis)可以看到在血管平滑肌細胞上,高危單倍體型在9p21.3的60,000核酸鹼基序列可以驅動大約3000個基因的表現,而剔除高危單倍體型的這個序列 (knock out, 下圖KO),就可以將VSMC的基因表現變回對照組。

02

 

延伸閱讀:

Lo Sadro V et al. Unveiling the role of the most impactful cardiovascular risk locus through haplotype editing. Cell (2018) 175: 1796-1810.

新確診卵巢癌的維持性標靶治療新選項

長庚大學教授 林口長庚醫院 婦產部主治醫師 王子豪

 

新確診卵巢癌的標準治療包括:完整減積手術 (cytoreductive surgery)和使用含鉑藥物的化學治療 (platinum-based chemotherapy),經過這樣的治療大部分病人似乎能清除了腫瘤,但是70%的病人會在三年內腫瘤再發,而且一旦再發大概就無法治癒,最後病人幾乎都是死於卵巢癌。

 

在乳癌或卵巢癌病人如發現帶有BRCA (BReast CAncer)基因的突變,在投予PARP(poly ADP- ribose polymerase)抑制劑 (PARP inhibitor) 時,會因為有一種合成致死(synthetic lethality)機制,而對PARP抑制劑特別有效 (請參見TPMS 2018-2-26的新知分享),因而對一向難治療的卵巢癌病人提供了一線生機。 首度通過FDA的PARP抑制劑- Olaparib,無論病人的BRCA的基因型為何,在美國和歐洲都被核准使用於對含鉑藥物曾經有效的卵巢癌病人,一旦卵巢癌再發時可當作維持性治療。另外,在有生殖系 (germline ) BRCAs基因突變的卵巢癌病人,無論她的卵巢癌是否曾對含鉑藥物敏感,Olaparib 在美國也被核准使用。

 

本硏究是稱做SOLO1的第三期臨床試驗,用來評估olaparib當作維持性治療的效果。本硏究收案的病人必須有BRCA1/2的基因病理突變,如果是生殖系突變必須由中央實驗室確認:Myriad  (BRCA Analysis)或BGI  (BRCA1/2 genetic testing assay),而腫瘤的BRCA1/2體突變 (somatic mutations)則由Foundation Medicine回遡性的確認。

 

本臨床試驗的主要療效指標 (primary endpoint)是疾病無惡化存活期(progressionfree survival),定義為:從入案病人隨機化開始起算,直到影像學上可客觀偵測到疾病進行或是任何原因死亡的時間。影像學檢查可用電腦斷層攝影或是核磁共振造影,從入案開始做一次,之後每12個星期做一次,直到做滿三年;三年之後就改成每24個星期做影像學檢查一次。本研究一開始招募了1084位病人,最後合乎收案條件有391人,以研究組 (n=260)和對照組 (n=131) 2:1的人數比例實施。研究組病人每日口服兩次300 mg olaparib 藥錠。研究組有123人完成了兩年的研究期,而有13位病人直到結案時還持續接受olaparib的治療 (下圖)。

A

 

主要療效指標的分析時間點在:391位病人有198位病人出現疾病進行或是死亡時 (資料成熟度為51%)。在三年的研究期間,使用olaparib藥物的治療組有60%的疾病無惡化存活期,相較於對照組只有27%,藥物治療組的風險比率 (hazard ratio)是0.3,95% 信賴區間為0.23到0.41,P<0.001 ,顯示藥物能有效減少疾病進行或是死亡 (下圖)。

B

 

 

在(下圖)列出的各項指標,olaparib藥物治療組都明顯優於安慰劑對照組。在風險比率 (hazard ratio)的圖例中,圓圈的大小正比於發生事件的次數。灰色帶狀區顯示所有病人的95%信賴區間; 而點線代表沒有治療效果。NC: not calculated; ULN: upper limit of the normal range.

C

 

結論:使用olaparib當作維持性鏢靶治療,對帶有BRCA1/2基因突變的新診斷卵巢癌病人有明確的療效,能比安慰劑降低70%的疾病進行或是死亡。

 

 

延伸閱讀:

Moore K et al. Maintenance olaparib in patients with newly diagnosed advanced ovarian cancer. New Engl J Med (2018) Oct 21. doi: 10.1056/NEJMoa1810858. [Epub ahead of print]

精準的肥胖代謝體硏究

長庚大學教授 林口長庚醫院 婦產部主治醫師 王子豪

 

身體質量指數(BMI, body mass index)最常用來評估一個人是瘦還是胖,BMI的計算方法就是:體重(公斤)除以身高(公尺)的平方。一般認為正常體重就是BMI介於18.5-25,過重就是BMI 25-30,而肥胖則指BMI >30。然而,因為未成年人的BMI都比較低,所以只要是大於同性別、同年紀的95百分位 (95th percentile) BMI,不一定要高達BMI >30,也是屬於肥胖的未成年人。據此來估計,美國的40%的成人和19%的青少年都屬於肥胖的族群 (延伸閱讀一)。當然某些體質會特別容易發胖,但是飲食和生活習慣的影響最大。最經典的例子是:帶有同樣基因體質的Pima美洲印第安人,居住在美國亞利桑那州(Arizona)的有60%產生肥胖,而住在墨西哥的則只有少於20%是屬於肥胖 (延伸閱讀二)。雖然BMI可用來很方便的劃分什麼人屬於肥胖,但事實上個人的體質異質性 (individual heterogeneity)也影響很大,例如某些人就是骨架較粗壯的 (larger framed),當然容易有較高的BMI。而種族的差異也有重大影響,所以,台灣衛生福利部就建議:在18歲以上台灣成人正常的BMI是介於18.524之間,過重的BMI是介於24和27之間,而肥胖者是指BMI大於27 (延伸閱讀三)

 

如何來評估和治療肥胖,是學界在精準醫學時代的一個重要目標 (延伸閱讀一)。在2018年底刊登於Cell Metabolism的研究,就是整合了代謝體學、基因體學分析,並用雙能量X 射線吸收測量法(dual-energy X-ray absorptiometry imaging, DEXA) 評估內臟脂肪和皮下脂肪的數據,配合其他的血液生化檢查數據,來探討肥胖的種類和臨床影響 (延伸閱讀四)。這個加州聖地牙哥團隊取材自TwinsUK的兩千多個血液檢體,除了用次世代定序來分析受試者的基因體資料,也用液相層析串聯質譜儀 (LC-MS/MS),先找出110個可能當作生物標記的代謝產物。再用另一個含有四百多人的族群 (Health Nucleus Study) 加以驗證,最後鑒定出49個可受驗證的代謝產物 (下圖)。這些可當作生物標記的代謝產物,約有一半是屬於脂類 (n=23),另有三分之一是屬於氨基酸 (n=14)。除了大約一半 (11/23)的脂肪代謝物和七分之一的氨基酸代謝產物 (2/14)會隨著BMI越高而下降,其他大部分的代謝體生物標記都隨著BMI的上升而增加血中濃度 (下圖)。

1

 

將這49個代謝體生物標記放入代謝體分析模式 (metabolomic model),再對應到正常BMI (=18.5-25)和肥胖BMI (>30)的組別時,可獲得89.1%的特異度(specificity)和80.2%的靈敏度 (sensitivity),本研究的作者將它命名為根據代謝體衍生的BMI (mBMI)。利用沿用已久的BMI和本研究新發現的mBMI數據,可將受試者區去分成五群:第一至三群為BMI 和mBMI一致 (下圖藍色點線框),第四組是mBMI<<BMI,而第五組是mBMI>>BMI (下圖紅色點線框)。有用的是:第四和第五組能更清楚反映出受試者的胰島素抗性、腰臀圍比例、三甘油脂總量、高密度膽固醇量、內臟脂肪比例和皮下脂肪比例的差異 (下圖紅色點線框)。

2

 

下圖更可以突顯在mBMI和BMI不一致的受試者的腰臀脂肪分布。在正常體重(BMI=23)或是肥胖(BMI=31)受試者,都可以看到第四組 (mBMI<<BMI)或第五組(mBMI>>BMI)的特例 (outliers)。即使在正常體重組,mBMI過高 (下圖的mBMI=28.5)的腰部囤積的內臟脂肪就特別多,對健康也會產生特別不良的影響。

3

 

所以本研究有幾個重要的發現 (下圖)。 (1) 會不會產生肥胖,受基因體質影響很大。(2) 由代謝體數據衍生出來的mBMI比較能夠精確的反映出對健康的影響,例如,有肥胖代謝體 (obese metabolome)的人-意思就是mBMI高的,產生心臟疾病的機會大增(下圖的上方兩個圖例)。

4

 

延伸閱讀:

  1. Yanovski SZ and Yanovski JA. Toward precision approaches for the prevention and treatment of obesity. JAMA (2018) 319: 223-224.
  2. Schulz LO et al. Effects of traditional and Western environments on prevalence of type 2 diabetes in Pima Indians in Mexico and the US. Diabetes Care (2006) 29: 1866-1871.
  3. 臺灣肥胖防治策略(草案) – 國健署

https://www.hpa.gov.tw/Pages/ashx/File.ashx?FilePath=~/File/Attach/8405/File_8068 .pdf

  1. Cirulli ET at al. Profound perturbation of the metabolome in obesity is associated with health risk. Cell Metabolism (2019) 29: 1-13.