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链读测序技术在宏基因组组装研究中的应用

谷禾健康

链读测序(Linked-read sequencing)通过将相同的barcode与长DNA片段(10-100kb)的序列连接在一起,能够消除其中的一些错读,从而改进宏基因组组装。但目前还不清楚在使用链读测序时参数的选择对组装的质量的影响如何。

近日,香港浸会大学研究人员发表文章 “通过链读测序对宏基因组组装全面研究”。

模拟数据和模拟菌群中的分析结果表明,模拟数据(simulated data)中读取深度(C)与组装序列的长度呈正相关,但对组装序列的质量影响不大,模拟菌群的研究中读取深度(C) 对组装序列的质量以及被注释为基因组草图的bin的比例有轻微影响。

另一方面,宏基因组组装质量受CR(每个短读长片段的平均深度)和CF(由长DNA片段计算的基因组的平均物理深度)的影响。对于相同的读取深度,较深的CR 会产生更多的基因组草图,而较深的CF 提高基因组草图的质量

还发现μFL(未加权的DNA片段的平均长度)对组装有边际效应,而NF/P(每个分区的片段数)对局部组装涉及到的偏离目标读数(off-target reads)有影响,即较低的NF/P值会通过减少off-target序列的错读而有更好的组装效果。

总体而言,与Illumina的短读长相比,使用链读改善了组装中重叠群的N50,但与PacBio CCS的长读长相比则没有改善。

  背 景  

人体微生物群是一个复杂的系统,在生理活动和疾病中起着重要的作用。对微生物群中的微生物基因组进行测序可以帮助我们研究其功能。

然而,微生物基因组序列很难获得,微生物群中的绝大多数微生物不能被分离出来进行单个测序。目前的宏基因组项目中使用短读长测序对混合的微生物基因组进行测序。

这些结果在基因组组装过程中是有错读的,导致微生物基因组的完整性和重叠群的连续性结果不理想。长读长测序已经被用来尝试减轻这些问题,如Nicholls等人和Sevim等人的研究。特别是Moss等人的研究,其成果优化了纳米孔测序的长读长文库制备方案,并获得了更完整的细菌基因组。

但实际应用中,长读长测序是昂贵的。虽然链读序列(linked-reads)的基因组组装的质量无法与PacBio CCS的长读长相提并论,但其低成本和高碱基质量的优点是值得去使用的。

  方 法  

01   三组链读序列数据集的来源及构成:

模拟数据(simulated data):

从MBARC-26数据集中下载了23个细菌和3个古细菌菌株,按丰度分类,L-sim,低丰度微生物,摩尔浓度<10-15;M-sim,中等丰度微生物,10-15 < 摩尔浓度 < 10-14;H-sim,高丰度微生物,摩尔浓度 > 10-14

模拟菌群(mock community):

(ATCC MSA-1003)是一个由20个菌株组成的池,同样按丰度分类,L-mock,低丰度微生物;M-mock,中等丰度微生物;H-mock,高丰度微生物;UH-mock,超高丰度微生物。

人类肠道菌群:

一份来自健康的中国人粪便样本

02  DNA提取、文库制备和测序:

对于模拟菌群,从ATCC 20菌株交错的混合基因组材料中提取DNA,不进行大小选择。

对于人类肠道菌群,用Qiagen QiAaMP粪便迷你试剂盒提取DNA,去掉5kb以下的DNA片段。

脉冲场凝胶电泳后,按照厂商的说明制备10x Chromium文库。使用Illumina XTen双端2x150bp测序。人类肠道微生物组的DNA也被用于标准的Illumina XTen短序列测序。

03  DNA长片段重建和链读序列二次抽样:

Long Ranger v2.2.1用于纠正barcode碱基错误,计算PCR重复率,并完成barcode感知的链读序列比对。

使用BWA-MEM v0.7.17比对短序列和没有barcode的链读序列。根据映射得到的具有共同的barcode的短序列的坐标重建DNA长片段。

链接序列首先按barcode排序,然后按它们的映射坐标排序。如果最近的barcode序列大于50kb,则终止延伸长DNA片段。每个片段必须包括至少两个具有共同barcode的成对序列,并且最小长度为2kb。

04   宏基因组组装:

对于链读序列的组装,没有 barcode 的链读序列首先由 metaSPAdes v3.11.1使用默认参数组装为“seed”重叠群,并通过BWA-MEM v0.7.17与重叠群比对。

最后使用 Athena-meta v1.3 通过汇集在 scaffold 中的两个“seed”重叠群里共享相同 barcode 的序列进行局部组装。

05   组装效果评估:

MaxBin v2.2.4将长于1kb的重叠群分组到bins中,并通过CheckM v1.0.12评估其完整性和污染率。

Quast v5.0.0统计了基础信息,如重叠群的N50、NG50、NGA50、总比对长度(total aligned length)和基因组覆盖率(genomic coverage)。

Kraken v0.10.6基于内置数据库MiniKrakenDB为bins做物种注释。每个bins都作为一个基因组草图,被分类为高质量的(完整性>90%,污染率<5%),中等质量的(完整性≥50%,污染率<10%),低质量的(完整性<50%,污染率<10%)

主要结果

来自人类肠道菌群和Illumina短序列链读序列二次抽样的组装效果统计

ILLU,Illumina短序列的组装

SC-all,模拟菌群和人类肠道菌群总共的两个测序lane链读序列

在链读测序中,有四个关键参数可能会影响宏基因组组装,如下图。

这些参数中有几个是相互依赖的。例如,输入DNA的量越大,CFNF/P都会增加,CR就会降低;CFCR的绝对值是由总读取深度(C)增加多少来设置的,因为CR×CF=C

L-sim,模拟数据中的低丰度微生物,青色

M-sim,模拟数据中的中等丰度微生物,蓝色

H-sim,模拟数据中的高丰度微生物,红色

L-mock,模拟菌群中的低丰度微生物

M-mock,模拟菌群中的中等丰度微生物

H-mock,模拟菌群中的高丰度微生物

UH-mock,模拟菌群中的超高丰度微生物

“-”表示测序lane的倒数,例如MSCR4/MSCF4表示四分之一测序lane的序列被二次采样

MSCR-,模拟菌群中的短序列

MSCF-,模拟菌群中的长DNA片段

MSC-1,模拟菌群和人类肠道菌群总共的一个测序lane链读序列

SC-all,模拟菌群和人类肠道菌群总共的两个测序lane链读序列

相关阅读:

宏基因组的一些坑和解决方案

参考文献:

Zhang L, Fang X, Liao H, Zhang Z, Zhou X, Han L, Chen Y, Qiu Q, Li SC. A comprehensive investigation of metagenome assembly by linked-read sequencing. Microbiome. 2020 Nov 11;8(1):156. doi: 10.1186/s40168-020-00929-3. PMID: 33176883; PMCID: PMC7659138.

He S, Chandler M, Varani AM, Hickman AB, Dekker JP, Dyda F: Mechanisms of evolution in high-consequence drug resistance plasmids. MBio 2016;7(6): e01987–16.

Peng Y, Leung HC, Yiu SM, Chin FY. IDBA-UD: a de novo assembler for single-cell and metagenomic sequencing data with highly uneven depth.Bioinformatics. 2012;28(11):1420–8.

Li D, Liu CM, Luo R, Sadakane K, Lam TW. MEGAHIT: an ultra-fast singlenode solution for large and complex metagenomics assembly via succinct de Bruijn graph. Bioinformatics. 2015;31(10):1674–6.

Nurk S, Meleshko D, Korobeynikov A. Pevzner PA: metaSPAdes: a new versatile metagenomic assembler. Genome Res. 2017;27(5):824–34.

Nicholls SM, Quick JC, Tang S, Loman NJ. Ultra-deep, long-read nanopore sequencing of mock microbial community standards. Gigascience. 2019;8(5): 1–9.

Sevim V, Lee J, Egan R, Clum A, Hundley H, Lee J, Everroad RC, Detweiler AM, Bebout BM, Pett-Ridge J, et al. Shotgun metagenome data of a defined mock community using Oxford Nanopore, PacBio and Illumina technologies. Sci Data. 2019;6(1):285.

自闭症,抑郁症等与维生素缺乏

谷禾健康

我们之前几篇文章都讲过关于抑郁,焦虑和肠道菌群的关系。

点此复习 抑郁症,恐惧,压力和肠道微生物群脱不开的关系

肠道微生物(菌群)与脑神经(中枢神经)到底如何联系?

最新研究速递 | 柳叶刀:肠道微生物群在神经系统疾病中的作用

不仅如此,还和微量元素、维生素缺乏有关。

1.  微 量 元 素 篇  

锌      

锌是帮助调节许多生物过程(包括我们的情绪)的核心营养素之一。锌的饮食来源多种多样,尤其是在红肉,家禽和鱼类中。当人的锌水平低时,可能会出现焦虑,抑郁,失眠和情绪失调等状况。

Petrilli 等人研究发现抑郁症和精神病患者的锌含量低。在患有帕金森氏病,阿尔茨海默氏病,唐氏综合症和多动症的患者中也发现了锌缺乏。

对于缺锌的患者,补锌已被证明有助于改善抑郁症状,是 “自然的抗抑郁药”。

一项研究表明,与仅接受SSRI治疗的患者相比,补充锌和SSRI可以更有效地改善重度抑郁症。对实验动物进行锌的长期治疗具有与抗抑郁药相同的作用。

注:SSRI是一类新型的抗抑郁药

当然,在评估锌水平和补充需求时,还需要考虑许多其他因素(例如炎症,其他微量元素的吸收等)。

碘      

碘缺乏,特别是在早年间缺乏,会阻碍身体和大脑的发育。碘是甲状腺激素必不可少的组成部分,这对大脑的发育和维持至关重要。碘缺乏症困扰着非常多人,但实际上因碘缺乏引起的智力障碍是可预防的。

大多数植物性食品的碘含量都非常低。素食主义者通常相对容易缺碘。

铁      

大脑非常需要铁。铁是产生神经递质(血清素,多巴胺和去甲肾上腺素),脑能量生成,海马功能(记忆),细胞信号传导和婴儿大脑发育所必需的。

许多植物性食物中的铁含量低于动物性食物,且更难吸收。素食者血液中铁的含量与杂食者差不多,但是他们体内的总铁存储量(储备量)较低。

2. 维 生 素 篇  

 维 生 素 B   

维生素B在调节我们的心理健康方面也起着重要作用。

“B族维生素” 是指有助于人体细胞正常运作的八种必需营养素。B族维生素们既可以一起协同工作,又可以发挥各自的独特功能。

B维生素的八种类型包括:

B1,B2,B3,B5,B6,B7,B9,B12

某些与心理健康有关的疾病也可能与维生素B缺乏症并存。例如,早期研究表明,自闭症儿童的B6偏低,补充B6后,有些儿童表现出明显的改善,并且是第一次开始说话。

维生素B1,B3,B6 

已成功用于治疗许多患有焦虑症和其他心理疾病的患者。在小鼠研究中,实际上发现VB3与苯二氮卓类和巴比妥类具有共同的特性。

维生素B12

有抑郁症患者存在B12缺乏症,而B12缺乏症的人比非缺乏症的人更容易患严重抑郁症。B12缺乏的其他症状可包括疲劳,嗜睡,躁狂等。

素食主义者饮食中几乎不含维生素B12,长期严重缺乏B12会致命。素食主义者可以服用补品或食用强化酵母(未经强化的天然酵母不包含维生素B12)。

维生素B12缺乏很普遍。一些研究发现,多达86%的成年人(无论选择哪种饮食)都缺乏。研究人员报告说,其价值范围很广,总的来说,素食主义者的B12含量往往较低。

B类维生素包括B2,B6,B9,B12也已被证明有助于治疗精神分裂症的症状。

维 生 素 D   

维生素D——“阳光”维生素,对我们的心理健康也至关重要。大约50-90%的维生素D是由阳光照射产生的,其余的来自饮食。

维生素D缺乏症的人数众多,一些专家认为维生素D缺乏症是“全球健康问题”。

目前还不清楚维生素D与精神障碍之间的确切关系,但发现存在维生素D缺乏症风险的人群患抑郁症的风险增加,而维生素D含量较低可能会导致或加剧抑郁症状。

神经退行性疾病,肥胖,糖尿病,高血压,纤维肌痛,慢性疲劳综合症和骨质疏松症也与维生素D缺乏症有关。

关于神经退行性疾病与菌群详见文章  最新研究进展 | 行为和神经退行性疾病中的肠道微生物分子

维生素D3

维生素D3是我们身体需要的维生素D形式。在大脑的生长和发育中很重要,调节大脑中的钙水平,帮助保护脑细胞免受有害的氧化作用,并支持海马体(大脑记忆中心)的健康。

大多数研究发现,纯素食者的血液中维生素D3含量较低,并且在冬季,素食者更有可能出现维生素D3不足。

维 生 素 K   

维生素K1在许多植物性食品中都丰富,但是维生素K2同样重要,而且常常被忽略。

维生素K2有多种形式,但我们需要的基本形式称为MK-4。在大脑中,需要MK-4来构建鞘脂的关键细胞膜成分,以及维持脑细胞的整体健康和功能。

维生素K2的MK-4形式仅存在于动物性食品中。


那么,是不是这些微量营养素补充越多越好呢?

国际自闭症研究会议上,约翰·霍普金斯大学研究人员提出:怀孕期间叶酸和维生素B12含量过高的女性,孩子患自闭症风险较高。

我们看看研究人员是如何得出这样的结论:

 样本量及来源

研究人员分析了1391名母亲及其子女的数据。在孩子出生时招募志愿者,然后追踪长达15年。

 检测指标及相关调查

在分娩的头几天检查母亲的血液中叶酸和维生素B12的水平。所有母亲均在怀孕期间进行了有关产前维生素和其他补充剂使用情况的调查。

 发 现

在1391名儿童中有107名被诊断出患有自闭症谱系障碍,但这种自闭症的风险并不是在所有母婴中平均分布的。

· 每周服用三至五次产前复合维生素的母亲,孩子患自闭症的可能性较小。

·在头三个月服用这些补充剂的母亲生自闭症孩子的可能性要低67%

·在中晚期服用,其孩子自闭症可能性要低62%

·在妊娠中期服用,孩子患病的可能性要低57%

至此,服用产前维生素听起来很不错吧,问题来了:

在1391名母亲中,有95名母亲的VB12血液水平被世界卫生组织认为过高。在这些母亲中,有15个孩子被诊断出患有自闭症谱系障碍,这一风险是其他母亲的倍。

同样,140名母亲的血液中叶酸水平“过高”,其中16名儿童患有自闭症谱系障碍。

而这其中有21位母亲两种维生素都“过量”。

更夸张的是,这21位母亲,有10个孩子被诊断出患有自闭症。换句话说,维生素水平过高的人中有将近一半有自闭症儿童

当然,此研究也存在缺陷。

缺点之一是血样是在孩子出生后立即采集的,而不是在怀孕期间采集的。

此外也有猜测,是否因为她们知道正在接受研究而服用较大剂量的维生素?这些不得而知。

综上,如果您或者您家人现在正在孕育新的生命,需要考虑维生素服用的剂量以及评估相应风险。

换句话说,可以服用,但不宜过量。

相关阅读:

饮食与抑郁症密不可分,一文涵盖多种生物学机制

一文涵盖:大脑发育差异背后肠道菌群的故事

生命早期微生物接触和过敏风险:如何预防

最新研究进展 | 小儿功能性腹痛症

主要参考文献:

Naeem Z. (2010). Vitamin d deficiency- an ignored epidemic. International journal of health sciences, 4(1), V–VI.

Penckofer, S., Kouba, J., Byrn, M., & Estwing Ferrans, C. (2010). Vitamin D and depression: where is all the sunshine?. Issues in mental health nursing, 31(6), 385–393. doi:10.3109/01612840903437657

Ranjbar, E., Kasaei, M. S., Mohammad-Shirazi, et al., (2013). Effects of zinc supplementation in patients with major depression: a randomized clinical trial. Iranian journal of psychiatry, 8(2), 73–79.

Petrilli, M. A., Kranz, T. M., Kleinhaus, K., Joe, P., Getz, , et al., (2017). The Emerging Role for Zinc in Depression and Psychosis. Frontiers in pharmacology, 8, 414. doi:10.3389/fphar.2017.00414

Grabrucker A. M., Rowan M., Garner C. C. (2011). Brain-delivery of zinc-ions as potential treatment for neurological diseases: mini review. Drug Deliv. Lett. 1, 13–23. 

免责声明:本公众号内容仅作交流参考,不作为诊断及医疗依据,身体问题请及时就医。

图片来自网络,侵删

最新研究进展 | 小儿功能性腹痛症

谷禾健康

功能性腹痛性疾病(FAPD)是儿童期最常见的疾病,全世界25%的儿童和婴儿受其影响。

功能性腹痛性疾病

小儿功能性腹痛性疾病,目前称为肠脑相互作用障碍,包括肠易激综合症,功能性消化不良,腹型偏头痛和功能性腹痛。

<罗马IV诊断标准见附录>

近日,英国和美国的研究科学家联合发表在《NATURE REVIEWS | DISEASE PRIMERS》上的一篇综述文章题为:“Paediatric functional abdominal pain disorders”(小儿功能性腹痛症)。

该文总结了FAPD患病率和致病性的最新进展,并特别关注了早期生命的影响和构建。对食源性发病机理和病理生理学有了更深入的了解,包括肠道器官(炎症,运动和微生物群),核心因素(心理方面,某些大脑区域的敏感性和/或连通性或活动性差异)以及外在因素(感染)。

此外,讨论了当前的诊断方法并着重介绍了这些疾病的治疗选择,特别是IBS和FAP-NOS。强调可用的药理干预措施仅限于儿童,因此,干预管理重点落在综合方法上,包括针对精神的干预措施(催眠疗法和认知行为疗法),饮食(益生菌)和经皮神经电刺激。这些方向将有助于理解病理生理学并更好地治疗这些疾病。

01

FAPD 简介

FAPDs的特征通常内脏痛觉过于敏感以及内脏刺激中枢感知增加而导致残疾,是遗传易感性和早期生活事件背景上叠加社会心理因素和医学因素的最终结果。

功能性消化不良的症状特征主要来自胃肠道近端,涉及上腹部腹痛和/或餐后饱胀和/或早期饱腹感。

腹型偏头痛的特点是发作性长时间发作,剧烈,急性脐周,中线或弥漫性腹痛。这些痛苦的发作通常无能为力并干扰正常生活。

这些发作通常但不总是与其他症状(例如厌食,恶心,呕吐,头痛,畏光等)相关,这些症状可能在疼痛持续时间之前或与疼痛持续时间同时发生,并且这种症状性发作可能相隔数周至数月不等。 

02

流行病学

风险因素如下:

03

机制 / 病理生理学

FAPDs是一种复杂的疾病,似乎是由于一个或多个元素的功能和/或更微妙的结构完整性的破坏造成的菌群-肠-脑轴。这些条件下相互作用的复杂性和多面性被整合到一个生物心理社会模型中。

该模型的关键组成部分是内脏超敏反应和中枢敏感化。

  内 脏 超 敏 反 应  

内脏超敏反应描述了对周围信号的知觉反应(即痛觉过敏),并且可能是内脏传入信号处理变化的结果或疼痛下调变化的结果(例如,中枢敏感化)。

表现:疼痛的感觉阈值降低,也就是稍微一点点刺激就会感到疼痛。

可能原因:在肠扩张期间或由于暴露于食糜的化学成分改变引起,部分解释了对诸如饮食调整和抑酸等治疗的反应。

潜在诱因:炎症,感染和压力

从本质上讲,这些触发因素可引起粘膜通透性变化并导致炎症,释放促生因子,包括5-羟色胺,组胺,NGF,蛋白酶和前列腺素,它们能够激活传入伤害感受器(痛觉神经)上的受体,引起急性疼痛以及持久的功能和结构改变,这是维持慢性疼痛的关键。

  中 枢 敏 感 化  

中枢敏化是指通过增强中枢神经系统内的神经元功能和神经信号来放大疼痛敏感性的现象,会引起疼痛超敏反应,并且是一种发展和维持慢性疼痛的机制。

除了疼痛超敏反应外,中枢敏化还会导致脑部活动的继发性变化,可以通过电生理或成像技术进行检测。患有FAPD的个体可能更倾向于发展来源不明的中央致敏。

2018年进行的一项系统性回顾涉及12项病例对照研究,发现功能性腹痛儿童的继发性痛觉过敏和皮质伤害感受改变。

 生 命 早 期 事 件   

在小儿FAPD中,损伤时机比导致微生物群-肠-脑轴成分破坏的多种因素或该轴本身的破坏更为关键。在生命的头二十年中,尤其是从围产期到儿童时期直至青春期,支撑其功能的肠脑轴所有元素的发育和成熟的关键过程至关重要。

包括手术(例如脐疝和幽门狭窄),细菌性胃肠道感染,炎性或免疫介导的疾病(例如乳糜泻,炎性肠病),以及在生命的最初几个月中发生无害的侮辱,例如婴儿期对牛奶过敏和早期使用抗生素等。

  神 经 免 疫 相 互 作 用   

在一些患有FAPD的儿童中,证据表明存在低度的肠道炎症,并在发病机理中发挥了神经免疫相互作用的作用。 

一项研究发现,IBS患儿回结肠结肠粘膜中靠近神经的肥大细胞数量增加。神经纤维相关的肥大细胞计数与腹痛的强度和疼痛发作的频率相关。

  胃 肠 蠕 动   

胃肠动力异常促进FAPD的病理生理。具有上消化道症状的患者可能有胃排空延迟和/或胃适应性降低或两者都不存在。功能性下消化道症状的患者可能延迟,加速或正常结肠转移,和/或骨盆底运动障碍(肌肉协调障碍导致试图放松骨盆底肌肉时收缩)。

—功能性消化不良

—肠易激综合征

  微 生 物 群   

FAPD与肠道微生物群的多样性和菌群组成有关,尤其是IBS。2019年,一项系统评价86评估了健康个体和IBS患者(成人和儿童)的肠道菌群组成。发现双歧杆菌属的丰度下降。IBS患者中的抗炎作用与Faecalibacterium spp,尤其是Faecalibacterium prausnitzii一样,具有抗炎作用。 

IBS患者的粪便微生物群的多样性降低或保持不变。粪便微生物群组成或代谢组组成可以预测患者可能从饮食中获益。 

除细菌外,真菌或病毒也可能在FAPD病理生理中起作用。但是,有关真菌菌群失调或病毒菌群失调的可用数据有限,目前的研究主要集中于炎症性肠病,而不是IBS。

  营   养    

在患有FAPD的儿童中起着至关重要的作用。

饮食失调(例如神经性贪食症)可能导致IBS患儿肥胖的发生率增加。

碳水化合物的吸收不良可引起胃肠道症状。吸收不良可能与特定的酶缺乏症有关(例如乳糖酶缺乏症中的乳糖;蔗糖和异麦芽糖酶缺乏症中的蔗糖和淀粉)或与碳水化合物(如果糖,山梨糖醇或甘露醇)的吸收能力有限有关。

在糖较小的情况下,所引起的渗透负荷可导致肠腔膨胀小和快速转运。对于诸如果聚糖等较大的糖,人不具有消化的酶促能力,因此,吸收不良的糖会被结肠菌群发酵,从而导致气体形成和潜在的结肠扩张。

  心 理 因 素   

肠脑轴的生理很复杂,包括传入和传出成分。

下丘脑-垂体-肾上腺轴通过皮质醇和促肾上腺皮质激素释放因子的释放(在压力条件下均会增加),以及通过刺激肥大细胞和诱导脯氨酸释放的反馈回路,促进肠-脑相互作用。 

研究表明,在成年人和有FAPDs的儿科患者中,压力都会增加肠道炎症标志物,如粪便钙卫蛋白和CRP。 

肠道与大脑的相互作用涉及自上而下和自下而上的过程,因此,肠道菌群也可以影响脑功能。在压力条件下,肠道菌群可以增加上皮屏障的通透性,使抗原和/或病原体能够通过并引起炎症反应。由此产生的循环性促炎细胞因子可能会与中枢神经系统通讯,刺激大脑的免疫反应,从而可能导致或加重心理症状(例如焦虑和抑郁)。

几项研究表明,与健康儿童相比,患有家族性帕金森病的儿童的心理压力和行为问题有所增加。心理因素可能既是FAPD的起因,也是后果。

04

诊断、筛查和预防

05

治疗方法

无论采用哪种治疗方法,患者与临床医生之间有效的沟通和病人教育,是成功进行FAPD管理的核心。必须花足够的时间向每位患者的照护者解释诊断,并讨论生物心理社会模型。

FAPD的管理受到几个因素的限制

1. 由于FAPD生物心理社会特性,每个孩子都有一套独特的病理生理因素,并且对疗法的反应也不同。

2. FAPD患儿的证据基础很小,许多治疗建议都是基于对成年人的研究。 儿童通常不会像成年人那样做出反应。

3.  一些有效的治疗方法是行为疗法(饮食疗法和心理疗法),由于缺乏专职医疗保健专业人员以及缺乏保险,这些方法并不容易。

以下对每种治疗方法展开讨论。

   饮 食 调 整   

 益 生 菌   

多项研究检查了益生菌治疗FAPD的功效(大多成年IBS患者)。这些研究表明,益生菌或特定菌特定组合可能是有效的,但研究有局限性,如样品量,致盲性,所用益生菌的差异以及不同的剂量,其作用仍不清楚。

在患有IBS的儿童中,两项研究发现鼠李糖乳杆菌GG可有效减轻腹痛症状,而一项研究则报告腹痛没有改善,但感觉到的腹胀有所改善。在不同的研究中,疼痛程度再次有所不同。

在一个多中心,IBS儿童中进行的交叉RCT研究中,VSL#3(八种益生菌菌株的混合物)在改善症状和改善生活质量方面比安慰剂更安全,更有效

   心 理 干 预   

心理干预迄今为止,诸如CBT和催眠治疗等心理干预已被证明是管理FAPD的最成功干预措施,并主张将其普遍纳入管理策略。

   认知行为疗法(CBT)

CBT是治疗IBS的研究最多的心理疗法,其目的是改变认知,情绪和行为,这些不良情绪行为等都可能加剧或维持IBS症状。 

在成人和儿童中的研究表明,与教育和其他控制干预措施相比,CBT在改善疼痛和参与社交生活的能力以及减轻焦虑或抑郁症状方面是有效的

十二项随机对照试验涉及990名IBS儿童(7-18岁),显示出CBT对生活质量,学校表现和社会参与产生了长期的,持久的有益影响。CBT可以作为面对面的治疗提供,也可以通过互联网面向儿童或通过电话面向父母。

已报道,CBT在改善肠易激综合征儿童的疼痛和残疾方面具有有效性。患有家族性帕金森病的儿童的社区康复治疗主要集中在学习应对症状和减少残疾上,这些治疗应该是综合护理方法的理想组成部分。

    催 眠 疗 法   

在治疗师的指导下,患者会进入催眠状态,以响应改变主观体验,感知,情感,思想或行为的建议。 

在成年人中,催眠疗法已被证明可导致结肠运动改变改善内脏超敏性并减少长期持续存在的心理因素,例如躯体化和心理压力。

然而,在IBS患儿中,尽管接受了标准疗法的儿童的疼痛评分和躯体化评分均较低,但在催眠治疗后并未发现超敏反应降低(通过实验测试)。

IBS或FAP-NOS(n = 412;6-18岁)儿童的5个随机对照试验,无论是单独治疗还是在家中通过CD进行催眠治疗,均产生了长期有益影响

1年5年的随访中,接受催眠治疗的患者中分别有85%和68%已没有症状,而对照组中分别只有25%和20%的患者缓解

    瑜 珈 疗 法  

瑜伽练习已被证明可以改善应激诱导的副交感神经系统活性不足。三个随机对照试验,包括127名IBS儿童(7-18岁),瑜伽疗法在减少腹痛方面具有积极作用。

但是,一项荷兰研究表明,在1年的随访中,瑜伽干预并没有比不包括CBT的标准治疗更有效。由于学习方法的重大缺陷,尚不能提出将瑜伽作为FAPD儿童的常规干预措施的建议。

神 经 刺 激   

多项研究表明,脊髓和大脑的电刺激在调节疼痛途径中的功效,能够减少脊髓和中央杏仁核中50%以上的神经元放电,从而减轻内脏疼痛。

一项研究表明,经皮神经电刺激(PENFS)可以调节杏仁核和脊髓神经元的反应特性,并显着降低大鼠内脏超敏反应的发展。 

随后,同一组受试者在115名FAPD的青少年(11至18岁)的随机对照试验中显示,具有主动装置的PENFS可以改善健康状况,并显着减轻疼痛和残疾 与假刺激组。 

此外,PENFS的有益作用在2个月的随访期间得以维持。尽管有些耳部不适,但未报告严重的不良反应。

补 充 和 替 代 医 学 

补充和替代医学包括不同的方法,从针灸和阿育吠陀医学到脊椎指压疗法、整骨疗法、顺势疗法、精神治疗、按摩和冥想等身心技术。大约40%的澳大利亚和荷兰诊断为糖尿病肾病的儿童使用其中某些替代疗法,其中草药治疗是最常见的(46%)。

许多补充疗法被公众认为是“自然的”,比现代医学的医疗设备更安全、更温和。FAPDs儿童对对抗疗法药物相关可能产生不良反应的恐惧,常规治疗没太大效果,让父母希望寻求补充和替代治疗。

然而,到目前为止,评估草药疗法、针灸、顺势疗法、身心疗法或肌肉骨骼操作(如整骨疗法和脊椎指压疗法)对患有家族性帕金森病的儿童的效果的随机对照试验尚不可用。

由于糖尿病周围神经病变的自发缓解率很高(30-70%),采取逐步的管理方法是明智的;必要时,教育、识别和改变压力因素和饮食干预可能是第一步。当症状持续或再次出现时,下一步可能是开始一种心理治疗,如认知行为疗法和催眠疗法,或PENFS。

药 物 疗 法 

06

生活质量

胃肠症状的严重程度和发生频率对不同患者的功能状态有不同的影响。患者报告的健康相关生活质量(HRQOL)测量应该有助于深入了解FAPDs对儿童和青少年功能状态的不同影响,包括身体、情感、行为、社会和认知方面。

评估症状和HRQOL影响的患者报告结果已成为成人临床状态和治疗结果的公认指标。但在儿童环境中,自我报告的HRQOL措施在仪器开发和临床应用中遇到了挑战,部分原因是担心儿童能否可靠地自我报告与健康相关的信息。

量化个体胃肠道症状对于开发以患者为中心和针对症状的干预措施很重要,这可以改善整体HRQOL。例如,一项针对259名患有功能性便秘,功能性腹痛或IBS的儿科患者的多中心研究发现,胃肠道症状最能预测整体受损。

07

展  望

FAPD在儿童时期很常见,FAPD患病率和/或复杂性可能会增加。因此,需要有来自所有地理区域以及世界各地精心设计的流行病学研究,才能真正了解问题的性质和规模。

特别重要的是,我们目前对导致儿童FAPD发病机理的潜在因素的了解,需要使用来自FAPD患儿的组织样本来解决免疫功能障碍和神经功能障碍的基础和转化科学研究。如上所述,早期的影响,即在复杂的肠脑轴各要素发展的关键阶段发生的事件,通常是辱骂或创伤(心理或医学方面的事件),使易感人群容易患上FAPD。

异常改变肠道菌群的因素可能会改变肠神经系统的结构或功能完整性,进而改变其与中枢神经系统的复杂且平衡的相互作用。结果可能是胃肠道重新调整为过敏状态,而大脑则重新编程为过度警觉状态。

当然,其他遗传因素,社会因素和生理变化,例如在青春期或青春期发生的那些,也可能促进症状发展。

现代工具越来越多地与焦虑和压力相关联,也可能会对FAPD产生重大影响。 

总体而言,在过去十年中,儿童家庭保护方案取得了相当大的进展。对所有影响因素,及其与触发FAPD最终发展有关时机的更深入了解,可能带来更合适的预防或治疗策略。


【附录】

功能性腹痛疾病的罗马IV诊断标准

肠易激综合征

该标准必须满足至少2个月,并包括以下所有:

• 每月至少有4天腹痛伴有排便和/或排便次数的改变和/或大便外观的改变

• 腹痛不能随着便秘的解决而消失(疼痛消除的儿童患有功能性便秘,非肠易激综合征)

• 经过适当评估,症状不能完全由另一种疾病解释

功能性消化不良

诊断前必须至少满足2个月的标准,并且必须包括以下一种或多种症状,每月至少4天:

• 餐后饱腹感

• 早期饱腹感

• 与排便无关的上腹部疼痛或灼热感

• 经过适当评估,这种症状不能完全由另一种医学状况来解释

腹型偏头痛

必须在诊断前至少6个月内达到标准,并包括以下所有至少发生两次的情况:

• 持续1小时或更长时间的剧烈、急性脐周、中线或弥漫性腹痛的阵发性发作(应为最严重和最痛苦的症状)

• 发作间隔数周至数月;疼痛使人丧失能力并干扰正常活动;个体患者的定型模式和症状

• 疼痛与以下两种或两种以上症状相关:厌食、恶心、呕吐、头痛、畏光或苍白

• 经适当评估,症状不能完全由另一种医学状况解释,

功能性腹痛

未另行规定标准必须在诊断前至少2个月完成,每月至少四次,包括以下所有内容:

• 并非仅在生理事件(例如,饮食和月经)期间发生的偶发性或持续性腹痛;肠易激综合征、功能性消化不良或腹部偏头痛的标准不足

• 经过适当评估,腹痛不能由其他医疗状况完全解释

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主要参考文献:

Sjölund, J. et al. Prevalence and progression of  recurrent abdominal pain, from early childhood to  adolescence. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 2020

Paediatric functional abdominal pain disorders.[J] .Nat Rev Dis Primers, 2020, 6: 88.

Rutten, J. M. T . M., Korterink, J. J., Venmans, L. M. A. J., Benninga, M. A. & T abbers, M. M. Nonpharmacologic treatment of functional abdominal pain disorders:  a systematic review. Pediatrics 135, 522–535  

Masuy, I., Van Oudenhove, L. & T ack, J. Review article: treatment options for functional dyspepsia. Aliment. Pharmacol. Ther. 49, 1 134–1 172 (2019)

Russell, A. C., Stone, A. L. & Walker, L. S. Nausea in children with functional abdominal pain predicts poor health outcomes in young adulthood. Clin. Gastroenterol. Hepatol. 15, 706–71 1 (2017)

Maragkoudaki, M. et al. Lactobacillus reuteri DSM 17938 and a placebo both significantly reduced symptoms in children with functional abdominal pain. Acta Paediatr. 106, 1857–1862 (2017).



肠道菌群 —— 中风的关键参与者

谷禾健康

中风是全球范围内最具破坏性的最严重的脑部疾病之一,治疗选择非常有限。中风和其他神经系统疾病与微生物群破坏有关。反过来,中风诱发的菌群失调会通过调节免疫反应而对疾病结果产生重大影响。

了解肠细菌-脑串扰的性质可能会导致基于微生物组的治疗方法,从而可以改善患者的康复。

本文主要介绍关于肠道微生物组在中风中的作用的最新知识,以及肠-免疫-脑串扰的潜在机制。

肠道微生物群和周围器官之间的信号传导是由微生物组相关分子模式(MAMP)和微生物组分泌的代谢产物介导的,这些代谢产物可以与粘膜上皮和肠道免疫细胞相互作用,刺激迷走神经或到达全身循环以向大脑发出信号和可能调节神经元和免疫应答。

反过来,支配肠壁的副交感神经和交感神经纤维会从大脑传递输入信号,从而影响肠蠕动,免疫细胞活性,并能诱导肠成分改变。

01

中风改变了微生物群的组成

我们知道,肠道微生物群稳态的破坏,就会容易患病。

实验和临床研究中越来越多的证据表明中风会改变肠道菌群的组成。对中风患者肠道菌群的分析显示,与健康个体相比,微生物组成发生了变化,而菌群失调程度与病变的严重程度相关。

同样,观察小鼠的粪便微生物丰度的变化,发现严重中风要比轻微中风更为明显。但是,在分析菌群多样性和特定菌群时,在临床和实验研究中有些不同结果。

为什么会出现不同结果?

Yin 等人发现与无症状对照组相比,中风患者粪便样本的多样性增加,Stanley等人发现假手术组和中风小鼠之间的微生物群多样性没有变化。相反,其他研究人员则在实验和临床环境中观察到某些菌减少和其他细菌的过度繁殖导致多样性降低,表明多样性程度不一定能预测中风的严重程度

不同的研究发现,沙门氏菌总体上减少了,同时伴有拟杆菌的过度生长。然而,当在较低的生物分类等级上分析微生物群变化时,在临床和实验性中风中特定细菌变化方面缺乏一致性

可能的混淆因素

粪便采样位置的差异(在小鼠的胃肠道和患者的粪便中),用于基因组DNA提取和16S rRNA基因分析的方法中风模型的严重程度以及基线的差异微生物群组成(人类的小鼠起源或个体间和个体内变异)可能是造成矛盾结果的混淆因素。

影响肠道菌群组成的另一个混杂因素是饮食类型

严重的中风病例总是住院治疗,他们将接受药物治疗并接受医院控制的饮食,而实验性中风后对小鼠的干预很少,这将以啮齿动物和人类的不同方式影响微生物群的组成。

总体而言,临床和实验数据表明中风后微生物群组成发生了变化。然而,迄今为止,尚不清楚哪种类型的肠道细菌参与中风的病理生物学机制。

年龄对微生物群状态的重要性

衰老会改变肠道菌群的组成,并与炎症和肠道通透性增加有关。中风后,与年轻小鼠相比,有高龄微生物群的小鼠具有更高的死亡率,运动功能受损和促炎性细胞因子反应。

粪便微生物群移植(FMT)可以在年轻和老年小鼠中恢复中风的结果。这些实验强调了年龄对微生物群状态的重要性及其对疾病发展的影响,以及微生物群的操纵如何能够导致非侵入性疗法以预防和改善中风预后。

虽然实验结果表明与年龄、肠道生物失调和中风结果相关,但其他风险因素(糖尿病、高血胆固醇水平、饮酒、高脂肪饮食、缺乏锻炼)和性别差异对肠道微生物群和中风结果的影响仍有待实验和临床研究解决。

脑损伤改变微生物组组成的机制

由于中风后自主神经系统(ANS)的失调而降低肠道运动性和粘膜屏障的完整性。脑损伤后,肠道内胆碱能活性下降肾上腺素能信号传导增加,这与肠屏障的破坏有关。

因此,使用β受体阻滞剂抑制β肾上腺素能活性可显着恢复中风诱导的肠道通透性,并减少细菌向周围器官的扩散。

在这方面,Singh等人证明了回肠瘫痪本身就可以驱动微生物群变化,这是一种中枢神经系统介导的生态失调。

肠道细菌可以感觉到来自胃肠道的激素和神经递质,并且在体外培养中,在应激激素去甲肾上腺素(NE)存在下,某些条件致病菌能够增殖更多。

有趣的是,在实验性中风后,盲肠中的去甲肾上腺素释放增加,这可能是某些病原体或共生菌过度生长的原因。

另外,ANS调节肠粘液分泌,大脑对肠信号的扰动可能对肠粘液层的大小和质量产生重要影响

Houlden等人观察到,中风后盲肠内,粘液蛋白产生的失调和产粘液的杯状细胞降低。中风后粘液层的形成受损可能使共生膜与上皮直接接触,转移并引发免疫反应,以及中风后感染。此外,还需要更多关于细菌移位导致实验性中风感染的直接影响的数据。

脑损伤触发肠道中胆碱能和肾上腺素能信号的失衡,增加释放的NE的浓度,降低肠道运动性,并改变与微生物群失调有关的肠脑屏障。所有这些事件都将影响肠道微生物的功能输出,并可能进一步扰乱肠道的免疫稳态。

02

中风的肠-免疫-脑轴

迄今为止,使用动物模型进行的研究提供了最有力的证据,并有助于阐明中风后肠-免疫-脑相互作用的潜在机制。

T淋巴细胞的关键作用

已知T淋巴细胞在脑损伤后继发的组织损伤中起关键作用。促炎性T辅助1细胞(Th1),T辅助17细胞(Th17)和γδT-IL-17+细胞与中风后神经毒性有关,而调节性T细胞(Treg)发挥作用抗炎和神经保护特性

越来越多的证据,支持微生物群通过调节胃肠道中促炎Th17细胞与抗炎Treg细胞之间的平衡来维持免疫稳态。

通过诱导促炎Th1和Th17介导的反应,具有中风后遗症粪便含量的无菌(GF)小鼠的定殖导致中风结果的恶化,这表明中风诱导的微生物失调触发促炎性免疫反应,从而加剧脑损伤

这组作者证明,来自派尔氏淋巴集结(Peyer’s patches)的T细胞会侵袭梗塞周围组织,并在中风的急性期产生免疫反应。

肠道菌群的免疫调节作用对于中风恢复至关重要

此外,通过健康捐献者的FMT恢复肠道微生物群的稳态,减少了损伤大小增加了缺血性脑中Treg细胞的数量

然而,单独存在的微生物群具有神经保护作用,因为与定殖小鼠相比,完全根除GF小鼠的肠道细菌导致更大的梗塞体积。

同样,这种微生物群介导的对中风的有益作用取决于淋巴细胞反应,表明肠道细菌的免疫调节作用对于中风恢复至关重要。通过显示在缺血性损伤之前使用抗生素对微生物群组成进行控制可减少梗塞体积并改善感觉运动功能,从而证明了肠-脑双向沟通在中风中的关键参与

在这项研究中,他们表明神经保护作用是由微生物依赖性的肠道树突状细胞(DC)引发的,介导小肠Treg的扩增,通过抑制促炎性γδT-IL-17+细胞发挥作用。 

此外,他们还认为IL-10是Treg细胞介导的γδT细胞增殖抑制的主要协调器,因为IL-10-/- 小鼠不受保护作用的影响。由于较少的促炎IL-17 +γδT细胞积聚在脑膜中,因此肠道中的这种抗炎环境会传导到大脑,这与较小的梗死面积有关

有趣的是,肠道T细胞从肠道迁移到脑膜和脑实质中,表明中风有直接的肠脑沟通途径。

另外,肠道微生物群组成的修饰可通过致耐受性DC使肠道免疫应答偏向抗炎环境。

这些研究表明中风后微生物群受到影响,中风后细菌数量的变化会促进促炎性T细胞反应,肠道免疫细胞迁移至脑膜,这可能会参与继发性脑损伤并恶化中风结果。

也突显了通过肠道淋巴细胞从肠道运输到大脑的过程,沿着肠道-脑轴的直接联系,在那里它们调节了对中风的神经炎症反应。

当然,对于肠免疫细胞是否直接导致脑损伤或修复机制还不是很清楚。重要的是,这种肠道细菌-DC之间相互作用的分子途径仍然难以捉摸。

图  肠道代谢物——中风中的免疫系统干扰

Delgado.et al., Neuromolecular Med, 2020.

中风后肠道微生物对免疫系统的调节。

下图:在肠道中,中风引起生物失调、粘膜屏障功能障碍、肠道通透性增加、细菌移位、中风后感染和通过树突细胞的促炎性T细胞反应(DC)。中风后,免疫细胞,特别是T细胞、CD64 +巨噬细胞和树突状细胞从肠道迁移到脑膜和大脑。肠道代谢物(AHR,次生胆汁酸,MAMPs)作为肠道免疫细胞免疫调节剂的作用尚未明确。中风后微生物来源的SCFA减少,可能引发γδT-IL-17 +细胞和调节性T细胞(Treg)的失衡。

上图:补充SCFA调节神经元活动和突触密度,并且与小胶质细胞激活减少和Tregs增加以及中风后更好的恢复相关。

03

中风肠道菌群的操纵

Benakis等人证明了在诱导缺血性损伤之前用氨苄西林或万古霉素治疗小鼠具有神经保护作用,而使用新霉素则不能保护小鼠免于中风。这种神经保护作用与微生物组组成中的抗生素特异性变化有关,变形菌和厚壁菌门增多,而拟杆菌属的减少。

此外,当他们分析与有益菌群变化相关的预测酶途径时,他们发现异种/芳香族化合物代谢可预测缺血性病变的大小。

微生物代谢产物是细菌-宿主串扰的主要沟通渠道之一

与中风的肠道免疫脑轴有关的一个可能的缺失环节可能是仅由细菌产生的代谢产物。

已知必需芳香族氨基酸色氨酸的代谢产物可通过在DC和T细胞中表达的芳烃受体(AHR)调节免疫细胞功能。一些菌群能够将肠道中的色氨酸分解为AHR的配体。

在小鼠中,微生物群衍生的吲哚激活AHR通过诱导免疫细胞中IL-22促进肠道稳态。在星形胶质细胞的AHR通过激活在多发性硬化的小鼠模型中色氨酸代谢物的神经保护作用的驱动器。

然而,保护作用是配体依赖,其他色氨酸代谢产物已报告加重病程。有趣的是,负责色氨酸分解代谢的内源性犬尿氨酸途径的活性被上调下列缺血性中风和已与炎性反应和恶化的结果。因此,AHR受体的药理和遗传阻断改善了中风恢复。

这些发现暗示了色氨酸衍生化合物在中风中的关键作用。尚不清楚微生物源性色氨酸代谢产物在缺血性损伤中的免疫调节作用。

短链脂肪酸(SCFA)是细菌发酵的生物产物,具有免疫调节作用:它们能够根据免疫情况直接诱导T细胞分化为效应细胞和调节细胞。

小鼠中风后血浆SCFA的水平显着降低,这与恶化的结果有关。

中风之前在小鼠中补充SCFA改善了行为恢复改善了皮质网络的连通性,并改变了突触可塑性的组织学标志,这与改善中风的长期中风有关。这些作用与小胶质细胞形态向稳态状态的改变和侵袭性淋巴细胞的减少有关。

菊粉改善中风后神经功能缺损

在另一项研究中,他们观察到,与年幼小鼠相比,口服菊粉(产生SCFA的细菌和制造SCFA的细菌基质),可减少老年小鼠中风后的神经功能缺损和改善抑郁样行为。

此外,这些变化伴随着缺血性脑中IL-17 +γδT细胞百分比的降低,但SCFA是否直接影响T细胞极化和迁移尚未解决。出人意料的是,在两项研究中,梗死面积均不受SCFA干预的影响。

所有这些证据表明,微生物代谢产物SCFA在中风后恢复中起重要作用,并且可能参与中风后肠道菌群发挥的免疫调节作用。

04

结    语   

本文总结了微生物群组成如何通过调节免疫反应影响中风预后的最新发现。肠道菌群的变化引起主要的促炎性T细胞反应,这与更大的梗塞体积和恶化的预后相关。

由于肠道菌群是一个非常复杂的生态系统,受环境和宿主的影响,具有冗余功能和协同关系,因此,研究微生物组代谢组学特征以将其转化为临床实验研究是一种更好的策略。

然而,尚无实验数据将特定微生物群合成的化合物与脑损伤后的免疫反应之间的因果关系联系起来。为了在中风患者中成功应用这些发现,有必要进一步研究中风后共生细菌和免疫系统之间相互作用的分子机制。

相关阅读:

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参考文献:

Singh, V., Roth, S., Llovera, G., Sadler, R., Garzetti, D.,Stecher, B.,et al. (2016). Microbiota dysbiosis controls the neuroinflammatory response after stroke. Journal of Neuroscience, 36(28), 7428–7440.

Houlden, A., Goldrick, M., Brough, D., Vizi, E. S., Lénárt, N., Martinecz, B., et al. (2016). Brain injury induces specific changes in the caecal microbiota of mice via altered autonomic activity and mucoprotein production. Brain, Behavior, and Immunity, 57, 10–20. 

Lee, J., d’ Aigle, J., Atadja, L., Quaicoe, V., Honarpisheh, P., Ganesh, B. P., et al. (2020). Gut microbiota-derived short-chain fatty acids promote poststroke recovery in aged mice. Circulation Research, 127(4), 453–465.

Delgado Jiménez Rosa,Benakis Corinne,The Gut Ecosystem: A Critical Player in Stroke.[J] .Neuromolecular Med, 2020.

Yin, J., Liao, S. X., He, Y., Wang, S., Xia, G. H., Liu, F. T., et al. (2015). Dysbiosis of gut microbiota with reduced trimethylamine-N-oxide level in patients with large-artery atherosclerotic stroke or transient ischemic attack. Journal of the American Heart Association.

Stanley, D., Mason, L. J., Mackin, K. E., Srikhanta, Y. N., Lyras, D., Prakash, M. D., et al. (2016). Translocation and dissemination of  commensal bacteria in post-stroke infection. Nature Medicine. 

Benakis, C., Brea, D., Caballero, S., Faraco, G., Moore, J., Murphy, M., et al. (2016). Commensal microbiota affects ischemic stroke outcome by regulating intestinal γδ T cells. Nature Medicine, 22(5), 516–523. 

Lamas, B., Natividad, J. M., & Sokol, H. (2018). Aryl hydrocarbon receptor and intestinal immunity. Mucosal Immunology, 11(4), 1024–1038.

研究速递 | Science揭示肠道微生物群和代谢产物在电离辐射中的保护作用

谷禾健康

电离辐射可以引起造血系统,肠道系统以及心脑血管神经系统的多器官损伤。

放射治疗在临床上被广泛用于治疗多种肿瘤。但是由于放射射线不仅可以杀死癌细胞,还会对周围的正常细胞和组织造成损伤,因此放疗经常会引起各种副作用,比如疲劳,恶心,呕吐和腹泻等等。

肠道是辐射的主要目标,也是肠道菌群的最大生态位。虽然有小部分描述性研究表明,肠道微生物群与辐射损伤之间存在潜在的相关性,但这种关系的具体基础仍然不清楚。

近日,来自美国北卡罗拉纳大学教堂山分校的 Jenny P.Y. Ting 团队在 Science在线发表研究论文,题为“Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites”。

发现在致死剂量的全身性辐射模型中,肠道微生物群,特别是LachnospiraceaeEnterococcaceae可以保护小鼠抵抗辐射引起的造血系统和肠道系统的损伤,从而在致死剂量的辐射后存活下来。并且这些有益的微生物在放疗副作用轻微的白血病病人的粪便中含量显著提高。

通过靶向性以及非靶向性代谢组学研究,该研究发现SCFAs和色氨酸代谢物能降低肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-6、干扰素-γ等促炎细胞因子的生成,这些细胞因子都是辐射损伤的重要介质。

这些发现提出了肠道微生物群和代谢产物在辐射激发后疾病易感性调节中起关键作用的可能性


研究人员发现,一小部分小鼠可以在高剂量的辐射下存活并正常生活。这些“精英幸存者”拥有一个独特的肠道微生物组,该微生物组是在辐射后形成的。

然后将这部分小鼠称为“精英存活小鼠”,并且收集了他们的粪便进行16srRNA的测序。与同年龄的对照小鼠相比,“精英存活小鼠”的肠道菌群有很明显的不同。

随后,研究人员通过多种不同的菌群干扰实验来直接验证肠道菌群是否可以影响机体对于辐射的反应。在“dirty cage sharing”(脏笼)实验中,作者将“精英存活小鼠”和同年龄常规饲养的的对照小鼠使用过的脏笼子收集起来,用来饲养SPF小鼠和接受者小鼠。

每一周他们都会将接受者小鼠转移到相对应的新鲜脏笼中。经过8周的 “dirty cage” 实验,对接受者小鼠进行致死剂量的辐射。

接受了 “精英存活小鼠” 脏笼子饲养后的接受者小鼠对致死剂量辐射具有了明显的抵抗效果,30天内生存率达到了70%。相反,接收对照组脏笼子饲养的接受者小鼠,30天存活率仅为20%左右。

另外,作者分别利用SPF小鼠和无菌小鼠进行了粪菌移植实验。

接下来他们直接收集了“精英存活小鼠”和对照小鼠的粪便,并将粪便处理物通过灌胃的方法转移到受体小鼠中。接收“精英存活小鼠”粪便移植的SPF小鼠和GF小鼠都表现出明显的抗辐射效果。

利用这一发现,结合粪便植入和‘dirty cage sharing’实验,证明来自精英幸存者的微生物群在无菌的和常规饲养的接受者中均提供了重要的放射防护,其特点是提高了存活率并改善了临床评分

他们找出了8种在“精英存活小鼠”受体组显著升高的细菌以及5种显著下降的细菌。那么作者推测,这些在“精英存活小鼠”受体组显著升高的细菌就可能是使机体对辐射有抵抗效果的“有益菌”,相反在“精英存活小鼠”受体组显著下降的细菌则可能是“有害菌”。

那么,这些肠道菌群对辐射的影响在人体内是否也成立呢?

作者联合杜克大学以及纪念斯隆-凯特琳癌症中心的实验室,一起进行了一个小型临床研究。

他们收集了一些白血病病人的粪便并进行了16srRNA测序。由于腹泻是放疗之后常见的副作用,他们根据病人腹泻的持续时间,将病人样本分为轻度腹泻和重度腹泻两组。

肠道菌群分析

通过肠道菌群的分析发现,在轻度腹泻病人中,Lachnospiraceae,Enterococcaceae以及Lactobacillaceae这三种在小鼠中可能的“有益菌”数量明显高于重度腹泻的病人。Lachnospiraceae的数量与病人腹泻时间存在显著地负相关性。因此,作者推断在人体中,这些可能的“有益菌”也可以帮助病人降低放疗引起的副作用。

随后,作者挑选了三种可能的“有益菌”,三种可能的“有害菌”以及一种最著名的益生菌 Lactobacillus rhamnosus, 进行了单一菌株的体内实验。

组织学分析

作者发现,Lachnospiraceae对小鼠的保护作用极明显。并且,通过组织学分析,Lachnospiraceae极大地降低了辐射对于造血系统和肠道系统造成的损伤。骨髓和脾脏的组织结构和细胞死亡得到了极大地保护。大肠和小肠的损伤以及肠道渗透性也明显降低。

短链脂肪酸分析

由于Jenny Ting课题组和其他课题组已经报道过,Lachnospiraceae可以产生大量的短链脂肪酸,并且短链脂肪酸是调节机体免疫反应和炎症反应的重要物质,因此,作者检测了三种短链脂肪酸对辐射的影响。

他们发现,在接受了propionate丙酸处理后,小鼠可以有效地抵抗致死剂量辐射带来的造血系统和肠道系统的损伤,生存率也得到了极大的提高。

细胞分析

作者同时检测了骨髓中造血干细胞和祖细胞的比例,发现propionate处理小鼠要远高于对照小鼠。另外,辐射所导致的DNA损伤与活性氧的释放,在propionate处理后也明显降低。

非靶向性代谢组学分析

最后,作者通过非靶向性代谢组学研究发现了一系列的代谢产物在“精英存活小鼠”的粪便中含量显著提高。其中,升高最为明显的是色氨酸代谢通路的成员。作者选取了indole-3-carboxaldehyde (I3A)和kynurenic acid(KYNA)进行了体内验证。两个色氨酸途径代谢产物1H-吲哚-3-甲醛(I3A)和强尿酸(KYNA)在体内提供了长期放射防护。

   结 论   

该研究的发现强调肠道菌群作为宿主抵抗辐射的主要调节剂的关键作用,能够保护造血和胃肠系统。 

“精英存活小鼠” 的肠道菌群组成和普通小鼠不同,他们的肠道中含有大量的Lachnospiraceae等“有益菌”。这些“有益菌”通过产生大量的短链脂肪酸和色氨酸代谢通路的代谢产物来促进造血发生以及肠道损伤修复,从而帮组机体抵抗辐射引起的损伤和死亡。

毛螺菌科和肠球菌科,以及以丙酸和色氨酸途径菌群为代表的下游代谢产物,对辐射防护起着重要作用。

这项研究揭示了微生物代谢物轴在产生广泛的抗辐射保护中所起的关键作用,并为治疗辐射暴露的不良副作用提供了有希望的治疗靶标。

Tips

该文做了很多生理,化学,生物代谢和病理等大小20多项实验,包括小鼠实验,辐射处理实验,“dirty-cage sharing”实验,FMT实验,细菌菌种管理实验,SCFA和色氨酸代谢处理实验,病理组织学,肿瘤接种和放射治疗实验,免疫染色和免疫印迹解折,肠通透性检测,骨髓干细胞,肠上皮细胞和肠上皮内淋巴细胞分离,ROS检测,流式细胞仪分析,粪便16S rRNA基因测序分析,气相色谱-质谱检测,非靶向代谢组实验。一篇高水平论文的研究思路和严谨的实验论证过程,值得我们借鉴和学习。

参考文献:

Guo Hao,Chou Wei-Chun,Lai Yunjia et al. Multi-omics analyses of radiation survivors identify radioprotective microbes and metabolites.[J] .Science, 2020, 370

这7种类型的食物可能引起 “痘痘”

谷禾健康

痤疮(俗称“痘痘”)是一种常见的皮肤病,会影响全球近10%的人口。导致痤疮发展的因素很多,包括皮脂和角蛋白的产生,引起痤疮的细菌,激素,毛孔阻塞和炎症。

饮食与痤疮之间的联系一直存在争议,但最近的研究表明饮食在痤疮的发生中可以发挥重要作用。

本文将列举以下7种可能引起痤疮的食物,并提供一些相应的饮食建议。

精制的谷物和糖  

吃大量精制碳水化合物可能会增加血糖和胰岛素水平,并促进痤疮的发生。

与很少或没有痤疮的人相比,有痤疮的人往往消耗更多的精制碳水化合物。

富含精制碳水化合物的食物包括:

用白面粉制成的面包,饼干,谷类食品或甜点;

白面粉意面;

白米饭和米粉;

苏打水和其他含糖饮料;

甜味剂,如蔗糖,枫糖浆,蜂蜜;

一项研究发现,经常食用添加糖的人患痤疮的风险增加30%,而那些经常吃糕点和蛋糕的人患痤疮的风险则增加20%

这可以通过精制碳水化合物对血糖和胰岛素水平的影响来解释。

精制的碳水化合物会迅速吸收到血液中,从而迅速提高血糖水平。当血糖升高时,胰岛素水平也会升高,以促进血糖从血液中传出并进入细胞。

但是,高水平的胰岛素对痤疮患者并不友好。胰岛素可使雄激素更加活跃,并增加胰岛素样生长因子1(IGF-1)。通过使皮肤细胞更快生长并促进皮脂生成,这有助于痤疮的发展。

另一方面,低升糖指数饮食法不会显著提高血糖或胰岛素水平,却可以减少痤疮的严重程度。

当然,仍需要进一步研究,来了解精制碳水化合物如何促进痤疮。

乳制品   

经常食用乳制品与痤疮严重程度的增加有关

许多研究发现,乳制品与青少年痤疮严重程度之间存在关联。

两项研究还发现,经常食用牛奶或冰淇淋的年轻人粉刺的几率是不经常吃的人的 4 倍

但是,迄今为止的研究主要集中在青少年和年轻人,并且仅显示了牛奶和痤疮之间的相关性,而不是因果关系。尚不清楚牛奶如何促进痤疮的形成,但是有几种理论:

已知牛奶会增加胰岛素水平,而不受其对血糖的影响,这可能会使痤疮严重程度恶化。

牛奶还含有刺激肝脏产生更多IGF-1的氨基酸,这与痤疮的发生有关。

需要进行更多的研究,以确定是否存在特定数量或类型的乳制品,可能加剧痤疮。

   西式快餐   

经常吃西式快餐与痤疮发生的风险增加有关

痤疮与进食富含卡路里,脂肪和精制碳水化合物的西式饮食密切相关。

西式快餐食品,例如汉堡,矿块,热狗,炸薯条,苏打水和奶昔,是典型西方饮食中常见的食物,可能增加痤疮的风险。 

一项针对 5000 多名中国青少年的研究发现,高脂饮食会使痤疮发生风险增加43%。定期吃西式快餐会增加17%的风险。

另一项针对 2300 名土耳其男子的单独研究发现,经常吃汉堡或香肠与痤疮发生风险增加24%有关。

目前尚不清楚为什么吃西式快餐会增加患痤疮的风险,但一些研究人员提出,它可能以促进痤疮发展的方式影响基因表达改变激素水平

必须要说明的是,大多数有关西式快餐和痤疮的研究都使用了自我报告的数据。这种类型的研究仅显示饮食习惯和痤疮风险的关联,而不能证明西式快餐会直接导致痤疮。因此,需要更多的研究。

 富含Omega-6脂肪的食物 

富含omega-6脂肪酸和omega-3含量低的饮食具有促炎作用,并且可能使痤疮恶化。

跟典型的西方饮食一样,含有大量omega-6脂肪酸的饮食与炎症和痤疮的增加有关。

这可能是因为西方饮食中含有大量的玉米和豆油,它们富含omega-6脂肪,而很少包含omega-3脂肪的食物,例如鱼和核桃。

omega-6和omega-3脂肪酸的这种不平衡会促使人体进入炎症状态,这可能会加剧痤疮的严重性。相反,补充omega-3脂肪酸可降低炎症水平,并可减轻痤疮严重程度。

尽管Omega-6脂肪酸和痤疮之间有关联,但尚未对此主题进行随机对照研究,需要进行更多研究。

   巧克力   

研究支持食用巧克力和痤疮之间的联系

自上世纪二十年代以来,巧克力就一直被认为是痤疮的诱因,但到目前为止,尚未达成共识。

多项非正式调查已将食用巧克力与增加痤疮的风险联系起来,但这不足以证明巧克力会引起痤疮。

最近的一项研究发现,易长粉刺的男性每天食用25克99%黑巧克力,仅在两周后出现了更多的痤疮病变。

另一项研究发现,与服用安慰剂的男性相比,每天服用100%可可粉胶囊的男性,在一周后的痤疮病变明显更多。

至于巧克力为什么会增加痤疮的确切原因还不太清楚,有一项研究发现,吃巧克力会增加免疫系统对引起痤疮细菌的反应,这可能有助于解释上述发现。

   乳清蛋白粉   

少量数据表明,服用乳清蛋白粉与痤疮之间存在联系。

乳清蛋白粉是一种流行的膳食补充剂。

它是氨基酸、亮氨酸和谷氨酰胺的丰富来源。这些氨基酸可使皮肤细胞生长和分裂更快,这可能有助于痤疮的形成。

乳清蛋白中的氨基酸还可以刺激人体产生更高水平的胰岛素,这与痤疮的发生有关。

一些案例研究报告了男性运动员乳清蛋白消耗与粉刺之间的联系。另一项研究发现痤疮严重程度与乳清蛋白补充剂天数之间的直接相关性。

这些研究支持乳清蛋白和痤疮之间的联系,但需要更多的研究来确定乳清蛋白是否引起痤疮。

  个人过敏食物  

食物敏感性反应可增加体内的炎症程度,理论上可能会加剧痤疮。

有人提出,痤疮从根本上说是一种炎症性疾病。事实证明,抗炎药如皮质类固醇是治疗严重痤疮的有效方法,而且痤疮患者血液中的炎症分子水平升高

食物导致炎症的一种方法是通过食物敏感性,也称为迟发型超敏反应。

当免疫系统错误地将食物识别为威胁并对其发起免疫攻击时,就会出现食物过敏。这会导致高水平的促炎分子在体内循环,从而加剧痤疮

尽管炎症和痤疮之间似乎存在联系,但尚无研究直接调查食物敏感性在其发展中的特定作用。这是一个值得研究的领域,有助于更好地了解食物,免疫系统和炎症如何影响痤疮的发生。

知道自己对哪些食物过敏,就别吃了吧~

以上7种是可能引起痤疮的食物,那么到底该吃什么呢?

以下建议可供参考。

 Omega-3脂肪酸 

Omega-3具有抗发炎作用,经常食用富含Omega-3的食物可降低痤疮的发生风险。

 益生菌 

益生菌可促进健康的肠道和平衡的微生物组,这与减少炎症和降低痤疮发生的风险有关。

 绿 茶 

绿茶含有多酚,与减少发炎和降低皮脂产生有关。绿茶提取物被发现可以减少痤疮的严重程度。

 姜 黄 

姜黄含有抗炎多酚姜黄素,可帮助调节血糖,提高胰岛素敏感性并抑制引起痤疮细菌的生长,从而减少痤疮。

 维生素A,D,E和锌 

这些营养物质在皮肤和免疫健康中起着至关重要的作用,可能有助于预防痤疮。

 旧石器时代饮食 

旧石器时代饮食富含瘦肉,水果,蔬菜和坚果,而谷物,奶制品和豆类则少。与降低血糖和胰岛素水平有关。

 地中海式饮食 

地中海式饮食富含水果,蔬菜,全谷物,豆类,鱼和橄榄油,而乳制品和饱和脂肪则少。它也与降低痤疮严重程度有关。

结  语

你可以不必完全避免与痤疮有关的所有食物(一般也做不到

),但应与上述其他营养丰富的食物一起,保持均衡饮食。

 小 妙 招 

如果有时间,可以坚持把吃的东西记录下来,看看某些症状是否与特定食物有关联。

长此以往,你可以慢慢去寻找正在吃的食物和皮肤健康之间的某种关系,那也将会是属于你个人的饮食宝典。

主要参考文献:

向上滑动阅览

Burris J, Rietkerk W, Woolf K. Acne: the role of medical nutrition therapy. J Acad Nutr Diet. 2013 Mar;113(3):416-30. doi: 10.1016/j.jand.2012.11.016. PMID: 23438493.

Burris J, Rietkerk W, Shikany JM, Woolf K. Differences in Dietary Glycemic Load and Hormones in New York City Adults with No and Moderate/Severe Acne. J Acad Nutr Diet. 2017 Sep;117(9):1375-1383. doi: 10.1016/j.jand.2017.03.024. Epub 2017 Jun 9. PMID: 28606553.

Blasbalg TL, Hibbeln JR, Ramsden CE, Majchrzak SF, Rawlings RR. Changes in consumption of omega-3 and omega-6 fatty acids in the United States during the 20th century. Am J Clin Nutr. 2011 May;93(5):950-62. doi: 10.3945/ajcn.110.006643. Epub 2011 Mar 2. PMID: 21367944; PMCID: PMC3076650.

Khayef G, Young J, Burns-Whitmore B, Spalding T. Effects of fish oil supplementation on inflammatory acne. Lipids Health Dis. 2012 Dec 3;11:165. doi: 10.1186/1476-511X-11-165. PMID: 23206895; PMCID: PMC3543297.

Aksu AE, Metintas S, Saracoglu ZN, Gurel G, Sabuncu I, Arikan I, Kalyoncu C. Acne: prevalence and relationship with dietary habits in Eskisehir, Turkey. J Eur Acad Dermatol Venereol. 2012 Dec;26(12):1503-9. doi: 10.1111/j.1468-3083.2011.04329.x. Epub 2011 Nov 10. PMID: 22070422.

Adebamowo CA, Spiegelman D, Danby FW, Frazier AL, Willett WC, Holmes MD. High school dietary dairy intake and teenage acne. J Am Acad Dermatol. 2005 Feb;52(2):207-14. doi: 10.1016/j.jaad.2004.08.007. PMID: 15692464.

Melnik BC, John SM, Schmitz G. Milk is not just food but most likely a genetic transfection system activating mTORC1 signaling for postnatal growth. Nutr J. 2013 Jul 25;12:103. doi: 10.1186/1475-2891-12-103. PMID: 23883112; PMCID: PMC3725179.

Vongraviopap S, Asawanonda P. Dark chocolate exacerbates acne. Int J Dermatol. 2016 May;55(5):587-91. doi: 10.1111/ijd.13188. Epub 2015 Dec 29. PMID: 26711092.

Bar-Peled L, Sabatini DM. Regulation of mTORC1 by amino acids. Trends Cell Biol. 2014 Jul;24(7):400-6. doi: 10.1016/j.tcb.2014.03.003. Epub 2014 Mar 31. PMID: 24698685; PMCID: PMC4074565.

Silverberg NB. Whey protein precipitating moderate to severe acne flares in 5 teenaged athletes. Cutis. 2012 Aug;90(2):70-2. PMID: 22988649.

Pietschmann N. Food Intolerance: Immune Activation Through Diet-associated Stimuli in Chronic Disease. Altern Ther Health Med. 2015 Jul-Aug;21(4):42-52. PMID: 26030116.

皮肤问题与肠道的关系

谷禾健康

痘痘,粉刺,酒渣鼻等皮肤问题,困扰着一些爱美的朋友。这关乎到个人形象,甚至有些朋友还会因为这个感到焦虑,社交尴尬,严重影响自信。

为了祛痘,盲目往脸上涂抹太多祛痘护肤产品,正所谓“过犹不及”,涂抹太多,过量,不断刺激皮肤,雪上加霜。

改善皮肤和整体健康的关键,从你的肠道开始。

我们常常说,一个人由内而外散发着美。其实是有科学依据的。

你的肠道和皮肤有很多共同点:

· 都在保护你,不受外界影响。

· 各自都有微生物群,彼此直接交流。

· 都富含肥大细胞,是免疫系统抗病第一线。

· 它们在早期发育过程中来自同一类细胞。

为什么吃的东西会影响你的皮肤?

皮肤与周围的世界相互作用,而胃肠道则处理你吃的、呼吸的和吞咽的一切。你吃的食物经过新陈代谢,食物分解后的副产物会直接进入到你的皮肤。

把皮肤看成是肠道健康的窗口     

以下是11种皮肤状况,实际上是从肠道开始的:

看过我们文章的小伙伴都知道,人体肠道中有大量的微生物群。那肠道微生物群是怎么和皮肤进行交流的呢?

这就涉及一个:肠道-皮肤轴

肠道-皮肤轴是连接肠道及其微生物与皮肤的信号分子网络,跟脑-肠轴类似。

免疫系统、皮肤和大脑之间的沟通是通过微生物来调节的。

炎症—— 大多数疾病的根本原因。

氧化应激—— 炎症的主要原因。

组织脂质水平—— 健康新陈代谢的重要因素。

血糖—— 控制平衡血糖的能力。

神经肽水平—— 一个与你的情绪、疼痛耐受力和身体内环境平衡有关的因素。

致病菌—— 使你生病或引起疾病的坏细菌。

神经递质—— 调节情绪,例如,大约90%的血清素(你的快乐神经递质)是由肠道微生物群产生的。

肠道微生物组与以上协调皮肤稳态的各个途径都有关联,最终影响皮肤健康。

肠漏和囊肿性痤疮(青春痘)

研究发现,痤疮与其说是皮肤的问题,不如说是肠道的问题。

脂多糖(LPS)内毒素是有害的革兰氏阴性菌的组成成分,已被证明对肠道和皮肤造成严重破坏。研究发现,当体内有高水平的脂多糖内毒素时,它们会干扰伤口愈合,使疤痕更严重。

LPS还与寻常痤疮(也就是粉刺)有关,使你更可能对大肠杆菌脂多糖内毒素(E.coli LPS)产生强烈反应。对E.coli LPS有很强的反应性意味着你更可能有纤维蛋白微凝块,这会导致小而疼痛的组织疤痕。

更可怕的是,高水平的脂多糖和大肠杆菌脂多糖会导致肠漏,使细菌进入血液,身体就会出现炎症,表现在皮肤上就是痤疮、粉刺等问题。它还会使你更容易患上肠易激综合征和焦虑症、抑郁症等。

另外,肠道菌群失衡,有害菌大量繁殖,促进炎性物质释放,从而也会引起痤疮等皮肤问题。

特异性皮炎与肠道健康

特应性皮炎是最常见的慢性瘙痒性炎症性皮肤病。

西方饮食的低纤维和高脂肪含量特征从根本上改变了肠道菌群,导致免疫调节代谢产物特别是短链脂肪酸的产生不足。短链脂肪酸对上皮屏障完整性起重要作用。

在两项韩国研究中,对特异性皮炎患者粪便样本的宏基因组分析显示,与对照组相比,普氏栖粪杆菌Faecalibacterium prausnitzii显著减少。

关于普氏栖粪杆菌的失调与上皮屏障破坏之间可能存在正反馈回路。肠屏障的破坏,允许消化不良的食物、微生物和毒素进入循环,到达目标组织包括皮肤,触发Th2免疫反应,导致进一步的组织损伤,从而促进该反馈回路。

关于特异性皮炎,更多详见:微生物群对三大过敏性疾病发展的影响

银屑病与炎症性肠病

银屑病(俗称牛皮癣),是一种由免疫介导的慢性炎症性皮肤病,病程较长且易复发。

牛皮癣与胃肠道炎症的相关性特别强,7 – 11%的炎症性肠病(IBD)患者被诊断为牛皮癣。

某些共同的遗传和环境因素以及免疫途径在这两种疾病的发病机制中都有牵连。例如,Th17细胞及其细胞因子,已知在牛皮癣的发展中起主要作用,在IBD的病理生理学中也有牵连。

牛皮癣患者肠道菌群特征与IBD患者类似。与健康对照组相比,牛皮癣患者体内普氏栖粪杆菌Faecalibacterium prausnitzii的数量显著减少。

湿疹与肠道健康

湿疹始于肠道。

当医生和皮肤科医生在寻找皮肤表面的解决方案时,他们忽略了湿疹是由免疫系统过度活跃引起的事实。这种过度活跃的免疫系统通常是肠道微生物群失调的结果。事实上,微生物多样性的下降会导致湿疹发作。

为了缓解湿疹症状,采取措施减少炎症和通过饮食增加微生物多样性是至关重要的。对抗湿疹的饮食需要针对你的微生物群和身体。

乳糜泻与皮肤病

乳糜泻乳糜泻是一种常见的慢性疾病。它和皮肤状况密切相关。

患有乳糜泻的人更有可能有:

疱疹样皮炎、脱发、湿疹、

荨麻疹、白癜风、口腔黏膜病变

因为当患有乳糜泻的时候,免疫系统会释放出具有防御性质的抗体,也就是免疫球蛋白,它会在皮肤下面血管集中,导致皮疹的出现。

患有乳糜泻的人往往需要解决肠道的问题。他们有一个优势,就是他们会被引导去寻找与肠道有关的解决方案。

这就意味着,当他们进行无麸质或其他措施来减少乳糜泻的影响时,顺便在不经意间解决了皮肤状况。

至于其他的皮肤问题,往往需要比乳糜泻花更多的时间,才意识到原来肠道是问题的根源。

酒渣鼻和SIBO关系密切

医生正在发现小肠细菌过度生长(SIBO)患者与酒渣鼻之间有着密切的联系。一些医生甚至报告说,当他们为患者治疗SIBO时,他们多年来的酒渣鼻会突然消失。

这对酒渣鼻患者来说绝对是个好消息。

SIBO是在2004年才被发现,许多人患有酒渣鼻,却不知道问题的根源可能是他们的肠道。现在可能许多人还不知道这一重要的联系。

采取措施恢复肠道菌群   

每个人的肠道微生物组对他们来说都是独一无二的,因此每个人都有不同的适合自己的方法。

这里有些比较普适的建议。

减轻生活压力

持续的压力会对肠道菌群产生负面影响。减少压力时,进行规律饮食,保证良好睡眠,可以适当进行冥想、瑜伽、听音乐等方式,当然改善肠道健康也同样重要。

少吃糖

各种甜食虽然诱人,但还是尽量不要吃太多。糖分会刺激皮脂腺分泌,吃过多会导致皮肤爱出油、出油多自然容易长痘痘、粉刺等。另外,糖可以喂食许多有害菌,当你少吃糖时,提供给有害菌的能量少了,有害菌就会被饿死。

详见:深度解析 | 炎症,肠道菌群以及抗炎饮食 文中除了详细介绍机制外,还有相关的抗炎和促炎食物介绍。

均衡饮食

健康的饮食,最好由多种不同类型的食物组成,包含水果、蔬菜、谷物、肉类等。丰富的食物有利于肠道内不同类型细菌的生长,从而帮助肠道菌群多样性的增加。菌群多样性可能对恢复力起到积极作用,更能抵抗外界刺激引起的微生物群的扰动。

适量锻炼 

适量锻炼,但不要太过 。锻炼对肠道微生物组有益,但如果锻炼过多,则无济于事。过度劳累又相当于形成了一种压力,并可能导致微生物失衡。

肠道菌群检测

每个人的肠道菌群都需要独特的饮食。对别人健康的食物可能对你来说并不理想。肠道菌群检测可以是一种工具,来帮你找到最适合你自己的健康食物。

其他方式,详见:

关于食物消化,避免损害和改善肠道健康的建议(科学支持)

结   语   

我们都知道分析问题要有整体观。面对疾病也一样,表面看是皮肤问题,实际可能是肠道的问题。

调理肠道健康,从根本上入手,一些皮肤问题也就迎刃而解了,而皮肤的改善提升颜值,带来的心情愉悦也可以进一步促进健康。

相关阅读:

健康的人类微生物组

肠道菌群的恢复力:定义,与健康的关系以及干预策略

益生菌的简单入门指南

参考文献:

Guo, Shuhong et al. “Lipopolysaccharide causes an increase in intestinal tight junction permeability in vitro and in vivo by inducing enterocyte membrane expression and localization of TLR-4 and CD14.” The American journal of pathology vol. 182,2 (2013): 375-87. doi:10.1016/j.ajpath.2012.10.014

O’Neill CA, Monteleone G, McLaughlin JT, Paus R. The gut-skin axis in health and disease: A paradigm with therapeutic implications. Bioessays. 2016 Nov;38(11):1167-1176. 

Huang R, Wang K, Hu J. Effect of Probiotics on Depression: A Systematic Review and Meta-Analysis of Randomized Controlled Trials. Nutrients. 2016;8(8):483. Published 2016 Aug 6. doi:10.3390/nu8080483

Bowe WP, Logan AC. Acne vulgaris, probiotics and the gut-brain-skin axis – back to the future? Gut Pathog. 2011 Jan 31;3(1):1. doi: 10.1186/1757-4749-3-1. PMID: 21281494; PMCID: PMC3038963.

Caproni M, Bonciolini V, D’Errico A, Antiga E, Fabbri P. Celiac disease and dermatologic manifestations: many skin clue to unfold gluten-sensitive enteropathy. Gastroenterol Res Pract. 2012:952-753.

Parodi A, Paolino S, Greco A, Drago F, Mansi C, Rebora A, Parodi A, Savarino V. Small intestinal bacterial overgrowth in rosacea: clinical effectiveness of its eradication. Clin Gastroenterol Hepatol. 2008 Jul;6(7):759-64.

Wollina U. Microbiome in atopic dermatitis. Clin Cosmet Investig Dermatol. 2017;10:51-56. 

Juhlin L, Michaëlsson G. Fibrin microclot formation in patients with acne. Acta Derm Venereol. 1983;63(6):538-40. PMID: 6198846

Yang H, Hu C, Li F, Liang L, Liu L. Effect of lipopolysaccharide on the biological characteristics of human skin fibroblasts and hypertrophic scar tissue formation. IUBMB Life. 2013 Jun;65(6):526-32. doi: 10.1002/iub.1159. Epub 2013 May 7. PMID: 23653386

蟑螂相关菌与人类健康风险

谷禾健康

说起蟑螂,大部分人都不太喜欢,甚至生理性恐惧…

你可能有100个讨厌它的理由,见到它就想消灭它,然而怎么都灭不完…

算起来,蟑螂早在3亿年前就已经存在了。蟑螂在线数据库中登记了4685种蟑螂(截止2020.8)。它拥有极强的适应力,亿万年来生生不息,广泛分布在世界各个角落。

蟑螂有多强的生存力,你知道吗?

可以忍受很长时间的饥饿和脱水。例如,美洲大蠊在没有食物和水的情况下可以存活1个月。

一些雌性蟑螂在交配后会吃掉雄性蟑螂。

蟑螂也可以通过单性生殖繁殖。

一些雌性蟑螂可以在一次交配后终生储存精子,使卵在没有雄性存在的情况下受精。

几乎所有的蟑螂都有内共生细菌,能够将尿素和氨水中的氮回收到氨基酸中。

的确,蟑螂可以通过粪便等方式传播潜在的致病菌,给我们造成了一定的困扰;然而,从另一方面考虑,尽管蟑螂可能携带致病细菌,但大多数菌株是无害的,细菌产生代谢物或蛋白质,具有潜在的工业应用价值。

那么,如何“变害为宝”,在生物技术应用中发挥价值?本文来为你详细介绍下。

 01  蟑螂相关细菌

超过99%的蟑螂不是寄居性害虫,而是生活在腐烂的树叶中、树皮下、石头下或土壤中,而这一巨大而未开发的资源很可能提供丰富的微生物多样性来源。

Blattabacterium 菌株 BPLAN基因组详细分析显示,13%的蛋白质编码基因用于氨基酸生物合成,7.8%用于辅酶的生产。昆虫宿主将尿酸(以尿酸盐的形式储存在尿细胞中)转化为尿素,然后由Blattabacterium 输入并转化为氨。

布拉德细菌酶谷氨酸脱氢酶(GdhA)催化将氨加到2-氧代戊二酸中,生成D-谷氨酸,然后可以将其转化为大多数其他氨基酸。

此外,蟑螂粪便中的真菌活性与微生物产生的化合物有关。

昆虫被认为是产生生物活性分子的微生物的重要来源,尤其是蟑螂,鉴于其独特的进化历史和弹性,它们是具有代谢能力细菌的家园。

 02  蟑螂是人类疾病的罪魁祸首吗? 

蟑螂是人类住所和医疗环境中的危险害虫,是细菌感染的载体。两项经典的研究将卫生中心消灭蟑螂与较低的感染频率,特别是鼠伤寒沙门氏菌和肝炎发病率联系在一起。

有强有力的证据表明,幽门螺杆菌、分枝杆菌、铜绿假单胞菌、沙门氏菌和其他细菌能够通过蟑螂消化系统存活下来。它们通常以腐烂的有机物质为食,因此能传播致病菌。此外,蟑螂的一些细菌分离物显示出抗生素耐药性

然而,没有直接证据表明蟑螂会传播医院感染,根除蟑螂与降低感染率之间的联系可能与更普遍的清洁度改善有关。最近一项强调蟑螂与传染病之间关系的综述得出结论,尽管蟑螂会增加风险,医院不应容忍蟑螂,但目前还没有确切证据证明蟑螂直接参与了传染病向患者的传播。 

03  培养方法 VS 非培养方法

从蟑螂中培养出来的大多数细菌是变形菌门。

培养方法的一个主要优点是它有助于对分离的细菌进行基因组、转录组学、蛋白质组学和代谢组学分析,允许直接的生物技术开发。

另一方面,非培养方法可以更真实地了解微生物生态位的真实多样性,是分析细菌群落的金标准。然而,对数据的解释应谨慎,因为随着时间的推移,菌群组成的变化以及同一菌群个体之间的差异,很难对数据进行概括。

微生物组学研究结果受到生物因素的影响,如年龄、性别和健康状况;环境因素,如饮食、温度和湿度;以及分析方法(DNA提取、引物、测序、数据库和生物信息学流程)的差异,虽然影响程度较小。

据研究,蟑螂菌群主要的门是厚壁菌,其次是拟杆菌,最后是变形菌,三者加起来占细菌多样性的80%以上。

厚 壁 菌 门 

厚壁菌在蟑螂的中肠最丰富( 43%),前肠30%,后肠34%,中肠的碱性更强(pH值6.1–8.9),大量嗜碱需氧细菌属芽孢杆菌、拟杆菌属和肠球菌在那里大量繁殖。

 芽孢杆菌 

芽孢杆菌属很容易从蟑螂中培养出来,特别是与蜡样芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌有关的菌株。

分子微生物学研究表明,在蟑螂中广泛存在芽孢杆菌科的不同分支,包括芽孢杆菌属、地芽孢杆菌属Geobacillus、海洋芽孢杆菌属Oceanobacillus、尿素芽孢杆菌属Ureibacillus以及其他相关分类群,如类芽孢杆菌属Paenibacillus和赖氨酸芽孢杆菌属Lysinibacillus以及几个未分类群。

蜡样芽胞杆菌的丝状形态被称为节状体,附着在肠道上皮细胞上。蜡样芽孢杆菌和相关菌,如炭疽芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌可以分泌裂解酶和毒素,可在人类和其他动物中引起疾病。

蜡样芽胞杆菌B1分离自克氏芽胞杆菌Blaberus craniifer, 对马德拉大蠊具有高致病性,磷脂酶C对这种作用负责。

从蟑螂中分离出的枯草芽孢杆菌BGI-1菌株,对球孢白僵菌Beauveria bassiana表现出很强的杀菌活性。

另一种从Pe. americana分离出来的芽孢杆菌菌株29K,在其他芽孢杆菌菌株中表现出最强的角质溶解和蛋白水解活性,在7天内完成羽毛消化。

由此我们可以看到蟑螂芽孢杆菌的潜力,特别是生物活性代谢物和工业上有价值的酶的生产,以及作为生产重组蛋白的平台。

 葡萄球菌 

金黄色葡萄球菌是最常见的分离种。葡萄球菌大量存在于樱桃蟑螂的后肠中,其他蟑螂中较少。

虽然金黄色葡萄球菌是一种共生细菌,无症状地寄居在约30%的人类群体的皮肤和口腔粘膜上,但它也能获得毒力并引起危险的感染。

蟑螂体内金黄色葡萄球菌的显著存在,使蟑螂有了传播病原体的坏名声,尤其是一些医院蟑螂中分离出了抗生素抗性金黄色葡萄球菌菌株

 乳杆菌 

乳杆菌目在蟑螂中普遍存在,特别是肠球菌属和链球菌属。乳酸杆菌属是东方蜚蠊和Pe. americana的一个属。

在无培养方法中,乳杆菌科在枯叶蟑螂Ergaula capuchina和 Byrsotria fumigata 中特别丰富,占40%以上。

肠球菌和乳酸杆菌是常见的肠道细菌,尽管它们的确切作用尚不清楚,但它们可能通过将糖类转化为易于吸收的乙酸盐和乳酸来提高食物的消化率。

一些肠球菌是与医院感染相关的条件致病菌,在昆虫中,它们转移到血淋巴与疾病有关。另一方面,用肠球菌或乳酸杆菌喂养昆虫可以防止苏云金芽孢杆菌引起的死亡。

肠球菌可以产生细菌素来抑制竞争细菌的生长

并且由于它们自然存在于许多手工食品中,因此它们可以直接用作发酵剂培养物或纯化抗生素肽的来源。

例如, 乳酸链球菌肽是一种授权食品防腐剂,用于香肠、奶酪和其他肉类和奶制品。在食品加工过程中,它是安全的、耐热的,但可被胃蛋白酶和胰蛋白酶降解,因此对天然肠道微生物没有影响。

从尼日利亚一只蟑螂中分离出的粪肠球菌E18菌株被证明能产生肠毒素或具有强抗菌活性的细菌素混合物。

我们知道从蜜蜂中分离出的乳酸杆菌已经被提议作为替代益生菌,那么类似的概念也适用于蟑螂的乳酸杆菌。

 梭状芽孢杆菌 

蟑螂中肠和后肠的缺氧部分是厌氧菌的家园,尤其是梭状芽胞杆菌,梭菌已从Blatta orientalis,Eu. posticus 和 Pe. americana 分离。其他还有属于梭状芽孢杆菌科(梭菌属、Paeniclostridium、Paraclostridium、八叠球菌Sarcina)、真杆菌科(真杆菌属)、毛螺菌科(Blautia、丁酸弧菌属Butyrivibrio、粪球菌属Coprococcus)、颤螺菌科Oscillospiraceae(粪杆菌属、瘤胃球菌属)、Peptoniphilaceae(Finegoldia)和消化链球菌科(梭状芽孢杆菌属、消化链球菌属)

另外还有两个不太常见的厚壁菌纲也从蟑螂身上培养出来的,Tissierellia、Erysipelotrichia

B. blatticola是一种厌氧杆状细菌,能从D-葡萄糖中产生甲酸盐、乙醇和乙酸盐。

此外,梭状芽孢杆菌目的毛螺菌科疣微菌科在所有蟑螂的后肠中有特别好的代表性(5-28%)。

有趣的是,韦荣球菌科被认为是畜牧业中益生菌的潜在来源,因为它减少了瘤胃中乳酸的积累,提高了整体生产力,同时也阻止了致病菌在猪和鸡的定殖。

克里斯滕森菌科(Christensenellaceae)是2012年根据从人类粪便中提取的一种物种确定的,它是当今研究的重要焦点,因为它能促进健康,被认为是一种益生菌。这个菌也已通过分子方法在蟑螂(蜚蠊)中检测到,但尚未从蟑螂中培养出。

从蟑螂中分离出的一些梭状芽孢杆菌菌株可以降解羧甲基纤维素,并可用于生物炼制和生物转化过程,将廉价且丰富的纤维素转化为可发酵糖,然后将其转化为乙酸、丙酮、丁醇、乙醇,或其他产物。

富含复杂碳水化合物(如麸皮)的饮食可以提高蟑螂肠道中氢气的生成。这可能是由大量梭菌介导的,也可能是在拟杆菌的帮助下。

由CO2还原产生的乙酰化也发生在蟑螂的内脏和梭状芽孢杆菌Lowell cluster A中,它们是这种转化的部分原因。利用这种过程捕获大气中的二氧化碳有助于减缓气候变化。

 拟 杆 菌 门 

非培养方法研究表明,拟杆菌门的相对丰度仅次于厚壁菌门。但在某些物种中,如大蠊属和小蠊属的室内蟑螂,拟杆菌目通常是最突出的一门。拟杆菌物种优先定居在蟑螂后肠,其特点是缺氧和还原。拟杆菌是非产孢的专性厌氧菌。

拟杆菌目在蟑螂中最丰富,最常见的科是以树叶和木材为食的蟑螂中的紫单胞菌科Porphyromonadaceae,以及杂食性蟑螂中的理研菌科Rikenellaceae.

拟杆菌属存在于以落叶为食的蟑螂的中肠和后肠,但在以木材为食的蟑螂中尚未发现,这表明这些细菌能够消化纤维素、淀粉和果胶等复杂多糖。

对蟑螂来源的拟杆菌、Dysgonomonas、Paludibacter、Parabacteroides分离株的全基因组测序和体外试验证实了这一发现。这些细菌产生强大的降解酶,在食品/饲料、纺织、造纸和化妆品行业以及农业中具有潜在的应用。

从蟑螂后肠分离得到黄色金黄杆菌菌株FR2。Blattabacterium属于黄杆菌目,蟑螂中现存的代表黄杆菌目的可培育细菌很有趣,因为它们可能是Blattabacterium进化的中间形式。

此外,黄杆菌在工业生物技术的背景下是有用的,因为它们产生柔红霉素色素以及水解酶。

 变 形 菌 门 

变形菌是蟑螂中最常被培养的细菌,其中丙型变形菌纲尤其丰富。变形菌在前肠最为丰富(~ 48%),中肠(~ 31%)和后肠(~ 19%)较少,可能反映了前肠的酸性和需氧环境(pH 5.0–6.8)。

根据分子研究,肠杆菌目(特别是肠杆菌科)最丰富,其次是黄单胞菌目和假单胞菌目。

 沙雷氏菌  

沙雷氏菌是蟑螂中最常见的分离属。共有21种得到验证,其中5种(液化沙雷氏菌Serratia liquefaciens、粘质沙雷菌Serratia marcescens、气味沙雷菌Serratia odorifera、普城沙雷菌Serratia plymuthica和深红沙雷菌菌Serratia rubidaea)已被分离。

然而,所有病例的鉴定都是基于表型和生化特征的,并不像16srRNA基因测序那样精确。在健康、生病和死亡的昆虫中都发现了沙雷菌,它们是正常昆虫的菌群。

它们也可能是条件致病菌,尤其是粘质沙雷菌通常在拥挤的群体中引起红色疾病。粘质沙雷菌分泌的几丁质酶和蛋白酶在昆虫血腔中是剧毒的。

嗜虫沙雷氏菌Serratia entomophila通过表达质粒编码的Sep毒素(抑制消化酶的分泌)介导引起新西兰蛴螬的琥珀病。

其他沙雷氏菌物种显然是共生的,例如,沙雷氏菌共生菌是蚜虫中布氏沙雷氏菌的共生菌,为宿主提供必需的代谢物。

肠杆菌科的其他成员,尤其是柠檬酸杆菌属、肠杆菌属、埃希氏菌属和克雷伯氏菌属经常从蟑螂中分离出来,而其他属则不太突出。虽然许多肠杆菌科细菌可以成为重要的人类病原体,但生活方式广泛,基因型和表型多样,因此,致病性无法从分类学推断。

昆虫源性肠杆菌科的生物技术应用包括它们向害虫传递有毒基因的能力,它们被用作植物刺激源抗菌素代谢物及其在昆虫饲养设施中的用途。Shimwellia blattae最初是从东方小蠊以及后来从其他蟑螂中分离出来的,有趣的是,它可以从头合成钴胺素,并已被开发为维生素B12的生物技术来源。

 假单胞菌目 

不动杆菌属和假单胞菌属属于假单胞菌目,常从蟑螂中培养出来,而培养方法的研究也表明,它们在潜伏蟑螂中非常丰富(相对丰度>16%)。

由于普遍存在抗生素耐药性,鲍曼不动杆菌Acinetobacter baumanii 或铜绿假单胞菌引起的人类感染在临床实践中难以治疗,但在从蟑螂分离的铜绿假单胞菌菌株中未发现耐药性证据。

假单胞菌在生物技术中非常重要,不仅因为它们产生生物活性代谢物,而且还用于生物修复,是工业过程中强大的溶解酶(蛋白酶、脂肪酶)的来源。

从东方小蠊分离到的嗜麦芽乳杆菌OG2可降解有毒有机氯农药硫丹,将其用作硫源,并将其转化为毒性较低的代谢物。

 醋杆菌科 

醋杆菌科在昆虫中广泛分布,这一分支菌在工业氧化反应中是有用的(如山梨糖和醋酸的生产),所以蟑螂衍生的醋杆菌科将来有可能被用于这一用途。

 鞘氨醇单胞菌 

鞘氨醇单胞菌 Sphingomonas paucimobilis 是一种与医院感染相关的条件致病菌,也被应用于生物修复,并且可以合成结冷胶

 粪产碱菌 

粪产碱菌Alcaligenes faecalis存在于昆虫病原线虫体内,注射到大蜡螟的血腔内可造成损伤。

昆虫源Alcaligenes表现出抗真菌活性,并与无色杆菌属(Achromobacter)共同产生生物活性特异性代谢产物,类似于嗜酸杆菌Xenorhabdus和发光杆菌Photorhabdus.

 脱硫菌 

在杂食性蟑螂的后肠,尤其是脱硫菌目和脱硫弧菌目对生物技术过程非常有用,因为它们将硫酸盐还原为硫化物。已应用于受污染的土壤中,降低了可溶有毒镉的生物有效性,而镉仍不溶于硫化物。

 放 线 菌 门 

放线菌是重要类,因为链霉菌科产生一系列特殊的代谢产物。该门通常在蟑螂中大量存在(相对丰度为13-21%),但在以落叶为食的物种中则较少,双歧杆菌目和棒状杆菌目是最普遍的。

放线菌也存在于木虱蟑螂的产物中,但数量较少(1.7-4.1%)。分枝杆菌是一个经常被培养的属,并且因为一些物种是人类致病菌,能够通过蟑螂消化系统存活下来,蟑螂与分枝杆菌病的传播有关。

微球菌属、棒状杆菌属和角质杆菌属也常从蟑螂中培养出来。值得注意的是,白蚁是链霉菌科细菌的丰富来源,它们具有保护和维持菌落的功能,但从蟑螂中分离出的物种很少。首次报道的与蟑螂相关的链霉菌种被发现由反复感染蟑螂的线虫携带,但“leidnematis链霉菌”这一物种并未得到验证,目前在任何采集中都没有发现。

球形链霉菌WA5-2-7是近年来从蟑螂肠道培养出来的。并被发现与白化链球菌的昆虫分支相匹配。从40 L球形芽孢杆菌WA5-2-7培养液中纯化出具有抗耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)活性的抗生素放线菌素X2和柯利霉素A。强调蟑螂相关链霉菌的生物技术潜力。

 梭 杆 菌 门 

梭杆菌门主要见于以木材为食的蟑螂的中肠,相对丰度为2-7%,杂食性蟑螂的后肠中相对丰度为0.2-6.3%。

梭杆菌与拟杆菌相似(它们是革兰氏阴性、无孢子、厌氧菌),但根据16srRNA序列,它们聚集在不同的组中。它们是人类口腔和肠道的正常菌群,但有些物种是致病的,例如,坏死梭杆菌引起口咽感染,称为Lemierre综合征,而F.nucleatum与结肠癌有关。

F.necrophorum从Eu. posticus分离出坏死菌。这种蟑螂也是多形性物种变种的家,在它的生命周期中在杆状和球菌状之间转换。

梭杆菌用于生产琥珀酸的生物技术过程中,也是生物转化应用中作为酶的来源。

螺旋体门(Spirochaetes)

从一些蟑螂中分离出螺旋体门的螺旋形和一般厌氧菌,特别是钩端螺旋体属和密螺旋体属是相关的,因为这些属的一些物种是公认的人类病原体。

分子生物学研究表明,在蟑螂C. punctulatus和E. capucina的后肠中有大量的螺旋体,相对丰度达到8%左右,Py. surinamensis的中肠也有。

在从食木蟑螂C.punculatus分离出菌株JC227后,提出了一个新的属(碱性螺旋体),并在该属中添加了其他嗜碱螺旋体,其中包括从白蚁中分离出的一个物种。

碱性纤维素纤维素JC227可在高pH值和高盐浓度下降解纤维素,因此适用于洗涤剂工业中纤维素材料的生物转化。

浮霉菌门(Planctomycetes)

浮霉菌存在于以木材为食的蟑螂和杂食性蟑螂的后肠中,其相对丰度为0.2-8.4%。

浮霉菌能产生多种特殊的代谢物,发现具有未知代谢潜力的新物种可能会在医药和农药工业中带来新的应用。

疣微菌门(Verrucomicrobia)

据培养方法研究,该门在木食和杂食性蟑螂中有所代表,但从蟑螂中只培养出一种疣微菌门的单一菌株。

从蟑螂Sh. lateralis后肠中分离到一种微需氧植物黄褐假丝酵母(Ereboglobus luteus)。这种细菌可以代谢果胶,但不能在好氧环境下发育。

疣微菌是厌氧污泥降解群落的主要组成部分,因此可以开发用于厌氧生物炼制。

 04  结  语

大多数与蟑螂相关的细菌都属于变形菌,厚壁菌和拟杆菌,合起来占微生物总数的80%以上。

在蟑螂中易于培养的细菌中,大多数研究集中在革兰氏阴性大肠菌,葡萄球菌和分枝杆菌的分离上,因此,蟑螂被认为是不健康的害虫,对健康构成威胁。的确,蟑螂可在粪便中传播病原体,应从食物制备区域和医疗机构中消除。 

但是,蟑螂也可以是生物技术上有用有前途的微生物资源,因为蟑螂与细菌共同进化,因此与土壤细菌相比,它们可能产生毒性较小的抗菌剂,以确保宿主存活。 

当然也许更重要的是扩大微生物在生物精炼厂,生物修复以及药物和农用化学产品以及工业酶的开发中的生物技术应用。

参考文献:

Lee B, Hwang JS, Lee DG (2019) Induction of apoptosis-like death byperiplanetasin-2 in Escherichia coli and contribution of SOS genes.Appl Microbiol Biotechnol 103(3):1417–1427

Chen Z, Ou P, Liu L, Jin X (2020) Anti-MRSA activity of actinomycinX2 and collismycin a produced by Streptomyces globisporus WA5-2-37 from the intestinal tract of American cockroach (Periplanetaamericana). Front Microbiol 11:555

Shi Y-M, Bode HB (2018) Chemical language and warfare of bacterialnatural products in bacteria–nematode–insect interactions. Nat ProdRep 35(4):309–335

Ali SM, Siddiqui R, Ong S-K, Shah MR, Anwar A, Heard PJ, Khan NA(2017) Identification and characterization of antibacterial compound(s) of cockroaches (Periplaneta americana). Appl MicrobiolBiotechnol 101(1):253–286

Guzman Juan,Vilcinskas Andreas,Bacteria associated with cockroaches: health risk or biotechnological opportunity?[J] .Appl Microbiol Biotechnol, 2020

Rosas T, García-Ferris C, Domínguez-Santos R, Llop P, Latorre A, MoyaA (2018) Rifampicin treatment of Blattella germanica evidences afecal transmission route of their gut microbiota. FEMS MicrobiolEcol 94(2):fiy002

饮食与抑郁症密不可分

谷禾健康

焦虑,抑郁,双相情感障碍,这类词越来越多出现在我们的生活。

你也许不知道,饮食可以通过多种途径影响心理健康

即便知道了饮食干预可以改善抑郁,那么如何进行饮食干预呢?

饮食干预措施有好几大类,包括:营养干预措施(例如锌,omega-3脂肪酸);食品干预措施(例如绿茶,橄榄油);全饮食干预措施(例如地中海饮食)

什么样的饮食干预措施有效?

对哪些人有效?

在什么情况下有效?

……

要探索这些问题的答案

就需要了解支持这种关系的关键生物学机制。

将饮食与健康结果相关联的作用机制是复杂的,多方面的,相互作用的,并不局限于任何一种生物途径。

饮食可能影响心理和脑部健康的基本作用机制

Wolfgang Marx,et al, Mol Psychiatry, 2020

01

发 炎 反 应

有人说,抑郁和发炎有什么关系?

——大约25%的精神疾病患者(包括情绪障碍和精神分裂症)表现出较高的炎症水平。

炎症反应如何引起的?

免疫系统的这种过度激活是由多种因素引起的。生活中的困境,来自社会的压力,不良生活习惯(吸烟,缺少锻炼)等,都会引起炎症反应增加,从而促进抑郁症状。

典型的炎症反应包括三个主要成分:

炎症诱导剂(例如病原体或与受损相关的分子模式); 

检测诱导物的传感器(例如免疫细胞表达的受体);

传感器诱导的炎症介质,包括细胞因子,趋化因子和前列腺素。

一旦被激活,这些炎症分子就可以影响与情绪障碍相关的生理领域,包括神经递质代谢,神经内分泌功能和大脑活动功能等。

抗炎剂可能辅助治疗抑郁症

用于医疗目的的细胞因子给药(如干扰素α注射)可引起情绪和行为的改变,例如情绪低落,疲劳,焦虑,睡眠障碍,快感缺乏和认知功能障碍,所有这些都与抑郁症的症状非常相似。Meta分析得出结论:抗炎剂,如细胞因子抑制剂、非甾体抗炎药和抗生素,包括米诺环素,可能是抑郁症的有效辅助治疗法。

健康饮食的抗炎特性

健康的饮食习惯(和单独的饮食成分)已显示出可能与精神疾病有关的抗炎特性。在慢性代谢疾病人群中进行的纵向观察研究和临床试验均表明,采用健康的饮食方式(例如地中海饮食)可以减少全身性炎症

最近的研究还证实,患有严重精神疾病的个体比一般人群具有高得多的“饮食炎症”,即,促炎食物(如精制碳水化合物和反式脂肪)的摄入量较高,而抗炎食物的摄入量(主要来源于天然食品和植物)较低。

深度解析 | 炎症,肠道菌群以及抗炎饮食

对纵向研究的Meta分析表明,具有炎性饮食模式的个体随着时间的推移发展为抑郁症风险更大

因此,促炎饮食改变为地中海或其他抗炎饮食模式,可能提供一种对抗与精神障碍的发作和严重程度相关的炎症状态的新策略。

抗炎食物

健康的饮食习惯会帮助摄入许多营养成分,可以减轻炎症。其中,蓝莓,可可和姜黄素等存在的植物化学物质(例如多酚)具有很强的抗炎特性,可能有助于治疗多种精神疾病。

Omega-3脂肪酸二十碳五烯酸和二十二碳六烯酸,多不饱和脂肪酸在鲑鱼等海洋食品中含量很高,具有抗炎特性,可以改善并延缓细胞因子诱发的抑郁症的发作。

02

氧 化 应 激

氧化应激(氧化和抗氧化过程的不平衡)可能导致细胞对脂质,蛋白质和DNA的损伤。

持续的氧化应激是抑郁症和其他精神疾病的一种潜在的作用机制。

抑郁症氧化应激指标升高

对115项研究的Meta分析报告显示,与健康对照组相比,抑郁症患者的氧化应激指标(如丙二醛和8-F2-异前列腺素)升高,而抗氧化剂指标(如总抗氧化剂含量)较低。

此外,据报道抗抑郁药治疗后氧化应激标志物降低,证实了因果关系。一项验尸研究也显示,与健康对照相比,抑郁症、躁郁症和精神分裂症患者大脑中的氧化应激标志物升高。

除了氧化应激对细胞损伤的直接影响外,活性氧和氮的增加会导致线粒体功能障碍、炎症和色氨酸代谢改变,这些都与精神健康障碍有关。

西式饮食增加氧化应激的标志

饮食可以通过剥夺或增加具有抗氧化特性的饮食化合物的供应来加剧和改善氧化应激。动物研究表明,高脂肪西式饮食可以增加氧化应激的标志,如大脑和外周的蛋白质氧化和脂质过氧化反应。

提高膳食质量是可行的干预措施

营养丰富的饮食富含一系列具有直接和间接抗氧化特性的化合物与氧化应激标志物(如f2 -异前列腺素和血浆氧化低密度脂蛋白)的降低有关。

维生素,例如抗坏血酸(维生素C)和α-生育酚(维生素E)具有直接清除自由基的特性。

营养素(例如硒,锌和半胱氨酸)是抗氧化剂系统(例如谷胱甘肽过氧化物酶和超氧化物歧化酶)的辅助因子。初步证据表明,补充抗氧化剂如n-乙酰半胱氨酸可以改善抑郁症状。

临床前研究表明,多酚还可以通过上调抗氧化防御系统来降低氧化应激,包括诱导核因子红细胞相关因子(Nrf)-2和调节炎症途径核因子κB(NFkB)和有丝分裂激活蛋白激酶(MAPK)。

03

肠 道 微 生 物 群

肠道微生物群是饮食和大脑健康之间潜在的关键中介途径。

大量研究表明,肠道微生物群通过微生物群-肠-脑轴来调节生理过程,包括认知功能,神经精神疾病和行为。动物模型表明饮食、微生物群和与抑郁症相关的机制之间存在直接联系。

Wolfgang Marx,et al, Mol Psychiatry, 2020

高脂饮食导致焦虑样行为增加,记忆力下降

饮食引起的肠道微生物群的改变会导致行为改变,焦虑和抑郁。例如,在啮齿动物模型中,高脂肪西式饮食导致厚壁菌门/拟杆菌门比例增加,探索行为减少,焦虑样行为增加,记忆力下降。

其他临床前研究表明,高热量饮食会增加梭状芽孢杆菌 Clostridiales,疣微菌科 Ruminococcaceae 和拟杆菌目 Bacteroidales 的丰度,并导致认知灵活性,社会和物体识别能力受损

益生元逆转慢性应激引起的肠道菌群变化

益生元补充剂(低聚果糖和低聚半乳糖)通过防止有益微生物(如双歧杆菌或乳杆菌)的减少抑制正常的慢性应激诱导的促炎性细胞因子和小鼠的抑郁样行为的出现

已经提出:肠道微生物群的多种直接间接途径可以调节大脑功能和行为,包括微生物代谢产物(例如纤维细菌发酵产生的短链脂肪酸),神经元途径(例如迷走神经),神经活性途径(如5-羟色胺等神经递质和神经活性代谢物),下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴,免疫和内分泌途径以及微生物群的直接神经活性代谢潜能。

饮食模式影响肠道菌群,影响情绪改变行为

短期营养摄入和长期饮食模式都是影响肠道菌群多样性,组成和代谢功能的因素。

迄今为止,只有一项不受控制的饮食干预研究的人类数据表明,富含菊粉的蔬菜饮食增加了双歧杆菌,导致饱腹感个人能力水平的改善(但在情绪或感知压力方面没有差异)。

类似地,最近的一项研究表明,在老年参与者中,通过1年的地中海饮食干预,菌群变化与认知功能的改善和炎症标志物C反应蛋白和白细胞介素-17的减少有关。

营养素通过直接影响菌群调节大脑健康

例如,由肠道微生物群发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸具有重要的免疫调节功能。这种关系也可能是双向的,肠道微生物群参与了这些化合物的生物利用度。

由此,我们可以想到,通过膳食补充剂(益生菌和益生元)和食物(例如发酵食品:泡菜,酸奶和酸菜等)来调节肠道菌群,以此作为调节菌群-肠-脑轴的一种手段。

益生菌和益生元

益生菌和益生元对精神健康影响的证据有限且变化很大。

研究表明,单独乳酸菌或与双歧杆菌联合使用——可能会改善抑郁和焦虑

但也有Meta分析表明,与对照组相比,补充益生元后的抑郁或焦虑症状没有显著差异。然而,这是在大部分非临床参与者的有限样本(n = 4-5个)中进行的,一般来说,生物干预可能在临床参与者中显示疗效,而不是在非临床参与者中。

发酵食品是另一种具有操纵肠-脑交流的食品

研究表明,食用发酵食品后,有望改善情绪。由于益生菌的生存能力和可变定居能力,这可能解释了物种/菌株及其组合之间的效力不一致;包括各种植物食物来源的饮食模式,可能更有利于促进各种益生元底物和益生菌菌株消耗。

菌群通过食物过敏来介导饮食与大脑健康的联系

自我报告食物过敏在抑郁症患者中更为常见:

抑郁症vs.健康对照(13% vs. 9%)

真正的食物过敏,则饮食中的过敏原会触发胃肠道粘膜中肥大细胞的IgE致敏,导致一系列炎症介质,从而削弱肠道通透性。肠道通透性的提高与革兰氏阴性肠杆菌的易位性增强和免疫激活有关,可能导致全身性炎症,包括神经炎症,这是抑郁症的特征。 

需要进一步对真正的食物过敏者进行大规模研究,以阐明其促进抑郁症的发展。对非IgE介导的食物超敏感(即食物不耐受)的研究(如麸质和酪蛋白),也可能揭示饮食诱导的肠道微环境变化如何影响情绪。

生命早期微生物接触和过敏风险:如何预防

04

下丘脑-垂体-肾上腺轴

HPA轴由大脑(下丘脑),垂体和肾上腺组成,调节糖皮质激素的产生,并与精神疾病的病理生理有关。

超过60%的抑郁症患者表现出过多的皮质醇产生或对HPA系统产生其他干扰,例如对地塞米松抑制试验的反应改变和促肾上腺皮质激素水平降低。在临床恢复后,观察到HPA轴活性改变的一些指标的正常化,表明其在疾病病理生理学中发挥作用。

此外,儿童早期创伤可能会导致HPA轴永久失调,从而导致整个生命周期内出现精神疾病的风险增加。例如,与母亲分离的动物改变了HPA轴,从而表现出对成年期压力和记忆力障碍的反应。

营养素(例如维生素C)的临床干预试验报告显示,皮质醇对急性反应性降低健康成年人的生理压力。

Omega-3脂肪酸干预研究还表明,健康成年人和抑郁症患者的皮质醇水平都有改善。

同样,使用富含多酚的食物(如石榴汁和黑巧克力)进行的干预研究也报告了健康个体皮质醇水平的降低。

这种影响可能是通过心理应激后对下丘脑激活的促炎反应的调节而介导的。由于肠脑轴在心理健康中的新角色,益生菌也已被研究为针对HPA轴的潜在干预措施。

在健康成年人中进行的初步临床干预研究证实了这些结果。例如,在一项双盲,随机,对照试验中,与安慰剂相比,在健康个体中,多菌株益生菌干预24小时无尿皮质醇和自我报告的应激改善的结果。但在一项针对60名抑郁症患者的类似益生菌临床试验中,两组之间的血液皮质醇水平无显著差异。

肠道微生物(菌群)与脑神经(中枢神经)到底如何联系?

05

成人海马神经发生和BNDF

成年海马体的神经发生水平与认知和情绪直接相关。

抑郁症患者的血清BDNF水平降低。

海马体是边缘系统的关键组成部分,在学习,记忆形成和情绪中起着核心作用。 

啮齿类动物功能研究表明,成年海马体的神经发生水平与认知和情绪直接相关。例如,在小鼠中,海马神经发生水平增加与学习和记忆能力的改善有关,而海马神经元的减少通常与抑郁症某些方面行为有关。  

BDNF(脑源性神经营养因子)是一种神经营养蛋白,在海马体中高度表达,并参与关键的细胞功能

确实,BDNF是典型的分子,可以解释饮食,运动和抗抑郁疗法对抑郁症和焦虑症行为的作用。重型抑郁症患者的血清BDNF水平降低,而BDNF对抑郁症发病机制的保护作用已获得了一些实验性支持。

证据表明,可以通过饮食调节BDNF和成人海马神经发生的调控。动物模型表明,高脂肪和高糖的西式饮食会损害神经发生降低海马体内的BDNF水平,并对认知能力产生不利影响

在动物模型中的大量研究表明,饮食成分(例如omega-3脂肪酸,益生菌和维生素)的有益作用。在精神病理,衰老和疾病的情况下,诸如白藜芦醇,蓝莓,绿茶,姜黄素和可可等多种多酚化合物,也已被证明可以逆转不良变化并保持成年海马神经发生的完整性。

此外,动物模型表明,其他饮食指标(包括卡路里摄入,进餐频率和进餐质地)可能会调节海马神经发生水平。

观察性研究提供了进一步的证据,表明健康的饮食习惯与较大的海马体积之间存在直接的联系,而不受多种解释因素(例如年龄,性别,教育程度)的影响。其他饮食范例,例如通过持续减少每日总食物摄入量或间歇性禁食(例如,每隔一天进食)来限制热量,也可能影响BDNF的表达。

最近的人类干预研究表明,西式饮食会损害海马依赖性学习和记忆能力。

当然,也可以通过本文中提到的其他途径,例如通过肠道菌群炎症途径来调节神经发生。

06

色氨酸——犬尿氨酸 代谢

色氨酸的主要生理途径是沿着犬尿氨酸途径,它会产生神经毒性的喹诺林酸和神经保护性的神经氨酸。

色氨酸是饮食中必须提供的一种必需氨基酸,是许多关键神经活性分子的重要组成部分。

在精神病学中,对色氨酸的可用性和代谢的关注主要集中在其转化为血清素,血清素是绝大多数抗抑郁药和一线抗焦虑药的治疗目标。

然而,色氨酸的主要生理途径是犬尿氨酸途径,它会产生神经毒性的喹诺林酸和神经保护性的神经氨酸。人们越来越多认识到导致犬尿氨酸产生增加的外周机制的重要性,并且认识到沿该途径产生的代谢物是一系列神经和精神疾病的重要神经生物学介质,包括但不限于抑郁症和精神分裂症。

此外,这种代谢级联反应的启动可能是由于压力或免疫系统和炎症途径的激活。这使得色氨酸在这一途径上的代谢可用性成为心理健康管理中的一个重要考虑因素

我们日常生活中很多食物都含有色氨酸,包括鸡肉,金枪鱼,燕麦,花生,香蕉,牛奶,奶酪和巧克力。

尽管大部分来自摄入蛋白质的色氨酸都在小肠中吸收,但也还有大量可能到达结肠,肠道菌群在其命运和活动中起着关键作用

在使用饮食干预措施进行心理健康预防和治疗的背景下,了解色氨酸的可用性和新陈代谢可能很重要。例如,增加的蛋白质摄入量可导致色氨酸的利用率增加,碳水化合物摄入量的变化会影响游离色氨酸的水平,非酯化脂肪酸可从生理上置换白蛋白中的色氨酸。 

与色氨酸竞争通过血脑屏障运输的其他氨基酸的可用性波动也会影响中枢神经系统的代谢库。已经尝试了直接补充色氨酸作为抑郁症患者的一种干预措施,以改善血清素能信号传导。

还有一个研究调查了饮食干预通过其他方式调节尿氨酸代谢的作用,包括调节吲哚胺2,3双加氧酶(IDO)活性。体外和动物模型已经报道了个别的饮食成分,如姜黄素和绿茶,以及饮食方案,包括生酮饮食和禁食来调节尿氨酸途径的活性。

初步干预研究还表明,饮食方案,如热量限制和个人饮食成分,包括益生菌干预、白藜芦醇和红茶可能会调节尿氨酸代谢。例如,在最近一项针对60名抑郁症患者的试验中,与安慰剂相比,益生菌干预显著降低了尿氨酸水平,增加了3-羟基尿氨酸水平。

07

线粒体功能障碍

抑郁症的许多核心症状,如疲劳和认知障碍,都与中枢和外周线粒体功能障碍和生物发生减少相一致。

抑郁症和其他原发性精神疾病,包括双相情感障碍和精神分裂症一样,与线粒体功能障碍有关。

氧化磷酸化的破坏和线粒体ATP生成的受损可能导致神经可塑性失调神经发生的减少,这两者都是抑郁症神经生物学的核心要素

最近的一项研究显示,小鼠的线粒体移植恢复了海马体的ATP生成,逆转了脂多糖诱导的抑郁症模型,这一新证据支持了抑郁症的病理生理学因素。

大量临床前证据表明,不良饮食可能导致线粒体功能障碍。高脂饮食与线粒体生物发生异常有关,也与自由基生成增加、炎症和胰岛素抵抗有关。

高热量高碳水化合物饮食和高盐饮食有相似的作用,这些都是劣质西式饮食的核心成分。也有可能是由不良饮食引起的线粒体功能障碍的跨代遗传。在人类中,关于热量限制对线粒体功能的潜在有益影响,有不同的数据。

一些人类研究表明,限制热量的线粒体生物发生的标记物增加。

另一项研究显示,柠檬酸合成酶(一种线粒体含量的标志物)水平的提高和其他动物研究表明线粒体解偶联蛋白活性增强。到目前为止,还没有关于抑郁症患者热量限制的研究来测量线粒体功能障碍。

生酮饮食

有人提出了一种饮食模式来逆转线粒体功能障碍,特别是抑郁症患者从有氧到糖酵解能量的转变,就是生酮饮食。尽管在人类身上评估这一假设的临床试验仍在等待。生酮饮食增加线粒体解偶联蛋白的活性和水平。

注:生酮饮食(ketogenic-diet,简称KD)是一个超低碳,高脂肪饮食法。主要原理是用脂肪来替换碳水化合物,身体消耗完葡萄糖后,慢慢开始燃烧脂肪,给自己身体供能,身体慢慢进入生酮状态,最终,让身体进入一个高速燃脂的状态。

线粒体生物发生的改变在多大程度上介导了健康地中海饮食对抑郁症的有益影响尚不清楚。一些食物衍生物也有增加线粒体生物发生的假定作用,槲皮素,n -乙酰半胱氨酸和白藜芦醇都有一些支持的证据。

08

表观遗传学、早期生命和母亲/父亲饮食暴露

表观遗传过程可以影响DNA甲基化年龄,这与成年人的抑郁症有关以及许多其他神经发育结局和合并症,包括认知功能,酒精依赖,躁郁症和减少的海马体积,但不减少精神分裂症。 

表观遗传学描述了在不改变基础DNA序列的情况下控制基因活性并使发育发生的分子机制。 

极少有研究评估营养干预对甲基化年龄的影响,但已有研究发现其降低的证据。表观遗传状态受遗传序列,内部和外部环境以及发育过程中发生的随机过程的影响。产前发育,配子形成和青春期敏感时期的环境影响与患有与抑郁症有共同途径的慢性疾病风险有关,包括心脏代谢和神经发育障碍。这种现象被称为“健康与疾病的发展起源”(DOHaD)。

在DOHaD环境中,营养是对表观遗传学研究最多的环境影响因素。检验荷兰饥荒影响的研究表明,由于早期发育期间的营养不良,表观遗传失调与成人疾病风险有关

很少有观察性的人类研究评估过表观遗传变化在介导早期营养对神经发育结局的影响中的作用,并且大多数是横断面的。最近的一项综述得出的结论是,有证据表明,某些早期营养摄入(例如母乳喂养和母亲肥胖)会影响表观遗传状态,进而可能介导儿童和青少年的心理病理学,例如内在化和外在化行为。

另外一项研究发现由于蛋白质和能量不足而在婴儿期住院的成年人在神经精神病风险基因中表现出DNA甲基化变化。体外细胞培养实验和啮齿动物研究表明,大量营养素的限制或过量存在对许多不同基因的多种表观遗传机制具有可再现的作用,包括与代谢和行为有关的基因。代谢扰动已成为基因组和表观基因组改变的驱动力,通过饮食,饮食中的影响得以保存在基因中。

营养丰富的饮食成分,包括叶酸,生物素,B6和B12等维生素;多酚,如姜黄素,白藜芦醇和染料木黄酮;脂肪酸和ω-3脂肪酸已通过多种机制影响表观遗传状态。此外,丁酸通常被认为是膳食纤维发酵过程中产生的有益微生物代谢产物,也可以影响宿主细胞的表观遗传状态。

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肥胖是情绪障碍的因和果

饮食、情绪障碍和肥胖之间的多因素关系是双向和复杂的。Meta分析数据显示,肥胖症的男性和女性患抑郁症的风险增加55%,而抑郁症的个体患肥胖症的风险增加58%。 

最近的一篇综述报道了饮食,情绪障碍和肥胖之间关系的几种相互关联的途径。途径包括HPA轴,其异常调节,过度活化以及糖皮质激素的过度合成和分泌与情绪障碍和肥胖症有关。  

此外,研究表明接触高脂饮食(包括5-羟色胺和多巴胺)后,参与调节神经系统奖励回路,情绪和饮食摄入的各种神经递质水平降低。 

为了减轻与压力有关的焦虑(由于被称为情感饮食和舒适食物的现象),长期压力和HPA轴过度活化可能导致过多食用西式食物和随后的肥胖。

情绪障碍和肥胖症中都显示较高水平的炎症和相关细胞因子,提示其潜在病因之间存在另一个共同的联系。

在一项横断面研究中,肥胖在抑郁症与炎症标志物(即白介素6和C反应蛋白)之间的介导作用中,推测关系的因果关系是由抑郁症导致肥胖,炎症标志物升高。肥胖的这种发炎作用反过来推动体重增加和高复发率之间的关系。

不过这也说明了,限制热量和减肥饮食可能是减轻炎症状态和抑郁症状的可靠方法。同时,SMILES临床试验的结果表明,为期12周的地中海饮食干预对在没有体重变化的情况下降低临床抑郁症的症状。同样,前瞻性观察性研究反复报道了饮食质量与常见精神障碍之间的关联性证据,这些关联性与体重的测量无关。

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性别差异也不能忽视

最近的一项Meta分析表明,饮食干预可能男性比女性受益。进一步的Meta分析显示,肥胖降低了男性患抑郁症的风险,而女性则增加了风险。可能有许多生物行为机制负责这种潜在的性别特异性效应,需要进一步研究。

首先,女性可能具有更大的改变脂肪或葡萄糖代谢的能力,以应对饮食干预。

其次, 男性在食物选择上更加以快乐为导向(这可能是由于多巴胺受体的差异所致),使得坚持健康饮食变得更加困难。

第三,男人更倾向于与男性气质相关的食物(例如红肉),而不是被认为更“女性化”的水果和蔬菜。

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总 结

越来越多的证据支持饮食干预作为精神障碍的辅助治疗方法的潜在用途。本文主要讨论了饮食,肥胖和抑郁之间的相互作用(9种途径),当然饮食也可能通过其他慢性疾病影响抑郁,这些疾病通常与抑郁并存,包括糖尿病,代谢综合征和心血管疾病。

营养精神病学领域还处于萌芽状态。现有文献主要是临床前动物研究。还需要进一步的研究来确定可能影响饮食干预措施和饮食习惯的个体因素(例如年龄,BMI,共病),行为(例如改变的动机)和生物学(例如氧化应激,炎症)因素,可能影响治疗反应的因素等。 

营养精神病学研究领域的扩展,使人们了解在什么情况下,哪类干预,适合什么人,为精神疾病患者制定新的针对性策略和临床指南,更加个性化地解决每个人的需求。

如果你深陷抑郁,请寻求专业治疗;

如果你朋友抑郁,那么请记得尊重。

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参考文献:

Lassale C, Batty GD, Baghdadli A, Jacka F, Sanchez-Villegas A,Kivimaki M, et al. Healthy dietary indices and risk of depressiveoutcomes: a systematic review and meta-analysis of observational studies. Mol Psychiatry. 2019;24:965–86.

Khalid S, Williams CM, Reynolds SA. Is there an associationbetween diet and depression in children and adolescents? Asystematic review. Br J Nutr. 2016;116:2097–108.

Borge TC, Aase H, Brantsæter AL, Biele G. The importance ofmaternal diet quality during pregnancy on cognitive and behavioural outcomes in children: a systematic review and metaanalysis. BMJ Open. 2017;7:e016777.

Hepgul N, Pariante CM, Baraldi S, Borsini A, Bufalino C,Russell A, et al. Depression and anxiety in patients receivinginterferon-alpha: the role of illness perceptions. J Health Psychol.2018;23:1405–14.

Köhler‐Forsberg O, Lydholm CN, Hjorthøj C, Nordentoft M,Mors O, Benros ME. Efficacy of anti‐inflammatory treatment onmajor depressive disorder or depressive symptoms: meta‐analysis of clinical trials. Acta Psychiatr Scand. 2019;139:404–19.

Rapaport MH, Nierenberg AA, Schettler PJ, Kinkead B, CardoosA, Walker R, et al. Inflammation as a predictive biomarker forresponse to omega-3 fatty acids in major depressive disorder: aproof of concept study. Mol Psychiatry. 2016;21:71–9.

Borsini A, Alboni S, Horowitz MA, Tojo LM, Cannazza G, SuKP, et al. Rescue of IL-1beta-induced reduction of human neurogenesis by omega-3 fatty acids and antidepressants. BrainBehav Immun. 2017;65:230–8.

Reichelt AC, Loughman A, Bernard A, Raipuria M, Abbott KN,Dachtler J, Van TT, Moore RJ. An intermittent hypercaloricdiet alters gut microbiota, prefrontal cortical gene expression andsocial behaviours in rats. Nutritional neuroscience.2020;23:613–27.

Long-Smith C, O’Riordan KJ, Clarke G, Stanton C, Dinan TG,Cryan JF. Microbiota-gut-brain axis: new therapeutic opportunities. Annual review of pharmacology and toxicology. 2020;60(Jan):477–502.

Marx Wolfgang,Lane Melissa,Hockey Meghan et al. Diet and depression: exploring the biological mechanisms of action.[J] .Mol Psychiatry, 2020

Liu RT, Walsh RF, Sheehan AE. Prebiotics and probiotics fordepression and anxiety: a systematic review and meta-analysis ofcontrolled clinical trials. Neuroscience & BiobehavioralReviews. 2019;102(Jul):13–23.71. Aslam H, Green J, Jacka FN, Collier F, Berk M, Pasco J,Dawson SL. Fermented foods, the gut and mental health: amechanistic overview with implications for depression andanxiety. Nutritional neuroscience. 2020;23(Sep):659–71.

Lerner BA, Green PH, Lebwohl B. Going against the grains:gluten-free diets in patients without celiac disease—worthwhileor not? Dig Dis Sci. 2019;64:1740–7.

微生物竞争将新陈代谢的相互作用距离降低至低微米范围

谷禾健康

细胞间的代谢相互作用影响微生物群落的组成,从而影响它们在生态系统中的功能。众所周知,在交换代谢物的竞争下浓度梯度限制了相互作用发生的距离。

然而,相互作用距离通常是在二维系统中量化的,或者不考虑竞争或其他代谢物的去除,这些条件可能与自然生态系统并不经常相匹配

近日,来自荷兰阿姆斯特丹大学分子和生命科学研究所的一项研究题为“Microbial competition reduces metabolic interaction distances to thelow μm-range”分析了细胞间距离对三维水体系中交换代谢物竞争的单向交叉喂食的影响。

该研究利用反应扩散模型计算有效相互作用距离,并通过在不同空间结构中生长1μm大小的代谢物生成、受体和竞争细胞的合成联合体进行实验验证。

研究发现,接收器不能与距离它们平均15μm的生产者相互作用,因为产品浓度梯度在靠近生产者细胞的地方变平。因此开发了一个聚合协议,并改变了受体细胞的产物亲和力,以表明在生产者-受体聚集体中,即使是低亲和力的受体细胞也可以与生产者相互作用。

研究结果表明,竞争或其他代谢物去除三维系统中的公共物品可将代谢相互作用距离缩短至低1µm范围,这突出了浓度梯度作为细胞相互作用物理约束的重要性。

背 景

在致密的生物膜(细胞之间为0 µm)以及海洋(细胞之间> 100µµm)中都观察到了微生物的相互作用,这表明细胞以不同的距离相互作用。这些相互作用影响环境中的选择压力,因此影响微生物群落的结构和演化。从全球生物地球化学通量到人类健康,这些群落在许多生态系统中都发挥着重要作用,因此了解和控制这些相互作用非常重要。

参与相互作用的代谢物或信号分子可通过依赖于接触和不依赖于接触的转移机制进行交换。依赖于接触的机制需要较短的细胞间距离,并使用例如细胞,囊泡链或纳米管之间的直接接触进行交换。

与接触无关的机制要求将产生的化合物被动或主动转运到细胞外空间,然后通过扩散和对流运动。

与接触无关的相互作用可以是局部的(主要是在相邻细胞之间),也可以是整体的(在整个种群内),这取决于浓度梯度的分布。例如,酿酒酵母利用其胞外酶转化酶分裂蔗糖,从而在细胞周围形成葡萄糖和果糖梯度。在高蔗糖浓度下,聚集的酵母细胞和单个酵母细胞都可以生长(全局相互作用),而在低蔗糖浓度下,只有聚集的酵母细胞可以生长(局部相互作用)。

对于乳酸乳球菌的细胞外蛋白酶观察到相似的模式,其活性导致细胞周围的肽梯度。在高细胞密度下,蛋白酶阳性和蛋白酶阴性细胞都生长,而在低细胞密度下,主要是蛋白酶阳性细胞生长,因为只有它们才能从其产生的肽中受益

接触无关的相互作用是局部的还是全局的,取决于细胞间的距离和浓度梯度分布,而浓度梯度分布受代谢物来源、代谢物汇以及它们之间的扩散和对流速率的影响。例如,胞外环境中的代谢产物可以是细胞外环境中的代谢产物。

代谢物库可以是代谢物消耗细胞、代谢物降解酶、液体流量或系统体积,因为稀释会降低代谢物浓度。虽然在这些研究中,源和汇的确切性质往往只是含蓄地提到,但它们的重要性是众所周知的。例如,当细胞彼此靠近时,代价高昂的合作交互作用更有可能进化,因为合作者与野生型非合作者竞争排出的代谢物

因此,相互作用的选择通常是通过在琼脂平板上共培养细胞来完成的,并且还描述了相互作用的细胞进化出聚集表型。

这些示例表明,在存在代谢物去除池的情况下,浓度梯度会限制可能发生相互作用的距离。然而,尚不清楚这种相互作用发生在多远的距离。先前的研究要么在二维系统中量化了这些距离,要么没有去除代谢物的沉陷,而天然微生物群落则生活在三维环境中,竞争的代谢物消费者和其他类型的消费者很有可能存在去除代谢物的场所。

因此,我们将计算和实验分析相结合,以提供更系统和定量的视角,研究细胞间距离对代谢相互作用在三个维度上的影响以及存在代谢物去除池的影响。我们专注于葡萄糖在静态水系统中的扩散。

反应扩散模型和实验结果表明,在这些条件下,受体细胞不能与固定在15μm平均距离的葡萄糖生成细胞相互作用。然而,即使由于受体葡萄糖输入系统的遗传变异而导致受体细胞对产品的亲和力较低,生产者-受体的聚集也会促进代谢相互作用。

这些结果表明,对于糖,有机酸和氨基酸的竞争或三维水系统中其他代谢物的去除,可将代谢相互作用距离降低至低µm范围。

实 验 方 法

一个综合性联合体的设计与三维空间结构的生长

研究人员分析了细胞和细胞之间的相互作用的三维信息(表1.4)。为了在实验上验证模型结果,用四种乳酸乳杆菌菌株构建了合成联合体。

(1) 一种吸收乳糖并在细胞内水解成葡萄糖和半乳糖的“生产者”。它被设计成不代谢葡萄糖,因此当细胞生长在半乳糖上时,葡萄糖就会分泌出来。

(2)一种表达绿色荧光蛋白的“受体”,可以吸收葡萄糖而不是乳糖生长。由于受试者只能靠葡萄糖生长,所以他们的生长表明他们所在位置的葡萄糖可用性。

(3) 一种“非生产商”会吸收乳糖。它同时利用葡萄糖和半乳糖部分进行生长,因此不分泌葡萄糖。

(4) “竞争性葡萄糖消费者”(图2A)。

为了在三维系统中共同培养这些细胞,将葡萄糖产生者和受体(单向交叉喂食者)封装在平均直径为40μm的固化琼脂糖珠中。选择乳酸菌是因为与其他模型生物(例如大肠杆菌,酿酒酵母)它的新陈代谢和生物量产量对氧气的变化不敏感,它可以在这些琼脂糖珠中达到高细胞浓度。对于阴性对照,葡萄糖产生者被葡萄糖“非生产者”取代。

细胞以单独的细胞或聚集体嵌入珠子中。在培养过程中,琼脂糖珠用油或CDM分。油分离阻止了葡萄糖从珠子扩散,因此每个琼脂糖珠作为一个单独的隔间。

研 究 结 

总体而言,数据表明,在具有代谢物消耗池的三维系统中,可获得陡峭的浓度梯度,并且彼此之间平均相距15μm的细胞无法通过葡萄糖交叉补给进行相互作用。可以通过将细胞聚集在低µm范围内来克服这种物理限制,如通过细胞聚集(物理接触)所实现的。

在存在代谢物-水槽的情况下,涉及扩散系数与葡萄糖相似的分子的相互作用(例如其他糖,有机酸,氨基酸)要求细胞间距离在低µm范围内。一致地,许多细胞外底物降解酶附着在细胞上,从而使源(酶)靠近受体(细胞)。

转化酶例如位于酿酒酵母的周质空间中,乳酸乳球菌的蛋白酶附着在细胞壁上,在真菌和细菌中,纤维素体也附着在细胞壁上。  

Hauert等认为,当生产者也从自己的产品中受益时(例如细胞外酶),只有当酶的生产成本很高时,细胞的空间结构定位才是有利的。

因此,细胞外酶在细胞壁上的附着表明这些酶是昂贵的。这与巴赫曼(Bachmann)等人的观点一致,他在乳酸乳球菌中显示,蛋白酶阴性菌株与细胞壁结合的蛋白酶的竞争优于蛋白酶阳性菌株,除非它们的间隔大于1mm(细胞密度低于103个细胞/ mL)。

图一:二维和三维反应扩散系统中的预测浓度梯度

在存在和不存在代谢物池的情况下,将产生葡萄糖的细胞置于二维或三维空间中。通过改变扩散系数模拟了不同的环境。葡萄糖在水中的扩散系数(Ds)设置为6.7×10-10,生物膜中的葡萄糖扩散系数(Deff,biofilm,s)设置为Ds的0.25倍,并且扩散将菌落中的葡萄糖系数(Deff,biofilm,s)设置为Ds的0.10倍。

在COMSOL Multiphysics中,一项与时间有关的研究在数分钟内产生了浓度梯度该图显示了孵育5小时后穿过生产细胞的水平线上的浓度。 

为了提高可见度,两个图都将x轴范围设为相似,因此对于二维系统,仅显示了部分浓度梯度曲线。水平虚线表示浓度为10μM。

图二:三维空间结构环境中的代谢相互作用

A 用于合成合成菌群的四种乳酸乳球菌菌株:

(1)吸收乳糖并分泌葡萄糖的“生产者”

(2)吸收葡萄糖并表达GFP的“接收者”

(3)“非生产者”  “摄取乳糖但不分泌葡萄糖的”和“竞争葡萄糖的消费者”

(4)摄取葡萄糖(补充信息第2节,图S3)。  

B 琼脂糖珠内的三维空间结构。

细胞之间15μm的距离相当于3×108细菌/ mL的均匀分布。显微图像显示聚集体,出于可见性原因,表达GFP的细胞被非荧光细胞包围。实验中使用的聚集体形成相反的方向:(非)生产者细胞被表达GFP的受体包围。

C 琼脂糖珠之间的三维空间结构。

聚集体仅在存在竞争性葡萄糖消耗剂的情况下孵育。

图3:葡萄糖转运蛋白亲和力和Vmax对受体反应的影响。

较大的化合物(如酶)具有较低的扩散系数,预计在存在代谢物汇的情况下,相互作用距离会增加。但是,这里的浓度梯度也会影响相互作用中涉及的分子机制的演变。

大型聚集性资源(如颗粒铁(> 0.4µm))的缓慢扩散会导致例如细胞内铁的吸收受到限制。

因此,可以推测细胞通过分泌与铁颗粒结合的铁载体,提取铁离子并随后形成快速扩散的铁-铁载体络合物来提高铁的吸收速率。

研 究 意 义

代谢物的交换是活细胞的关键特征,是细胞外营养物质代谢和与其他细胞相互作用的基础。这项研究指出了浓度梯度可能会影响细胞相互作用的限制因素和机会,以及会如何影响它们的进化及其在微生物聚生体中的作用,这些为未来研究人员理解和指导微生物的互作提供了证据视角。

参考文献:

van Tatenhove-Pel Rinke J,Rijavec Tomaž,Lapanje Aleš et al. Microbial competition reduces metabolic interaction distances to the low µm-range.[J] .ISME J, 2020, undefined: undefined.

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