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宏基因组的一些坑和解决方案

谷禾健康 原创

近年来,随着测序技术的发展,对微生物群(微生物组)的研究逐渐加深,研究热点越来越多集中于环境和生物体相互作用的微生物群。加之测序成本降低,分析技术不断提升,都使得宏基因组测序技术得到广泛应用。

为什么要做宏基因组

宏基因组相对16S来说其物种分辨率会更高,随着物种测序完成越来越多,数据库更加完善,在肠道菌群方面基本能实现97%以上的菌都能鉴定到种,90%以上到菌株层面。

而且可以同时获得除RNA病毒外的所有物种的分布。此外包括菌基因组CNV等方法的出现,可以直接通过大规模宏基因组测序不仅找到可能的菌,进一步还能鉴定出特定候选基因区段。

对16s而言,宏基因组可挖掘的空间更大,如果想提高文章深度,发更高分的文章,宏基因组是个不错的选择。

有人说,宏基因组虽然有深度,但相应也更加复杂化。比如同样是做某类疾病,别人通过实验测序分析可以得出结论写出文章,到自己去研究怎么就遇到各种困难?完全没差异?出不了结果?

……

而等到所有分析完重新回头去找问题,也很难发现问题所在,一遍遍重新做耗时耗力…

其实这类文章并不只是测序而已,重点在于理解这个过程,研究方向的思考,分析策略的选择,包括其中要注意的因素等。

本文将从一个例子开始,为你打开研究思路,绕过某些易踩的坑,让你的数据更有利用价值,处理具体的问题也更加得心应手。

宏基因组文章解析

下面是利用已发表的宏基因组文章中的数据,用我们自己的流程进行一次全面的分析。在这个过程中,我们发现很多有意思的点,分享给大家。

这是一篇做精神分裂症患者粪便菌群宏基因组的文章。文中分析了90名未经药物治疗的精神分裂症患者和81名健康对照者的粪便菌群,确定了一种能够区分患者和对照者的微生物物种分类器。

研究发现与精神分裂症相关的功能代谢方面的差异主要体现在短链脂肪酸合成色氨酸代谢以及神经递质的合成/降解。还发现了一种在精神分裂症中比较富集的物种 Streptococcus vestibularis,在小鼠的粪移植实验中,它引起了小鼠的社交行为缺陷,并改变了小鼠外周组织中神经递质的水平。

我们对这篇文章中的肠-脑模块(GBM)部分的分析比较感兴趣。为此,下载了文中使用的宏基因组原始数据,原计171个样本,但有一个无法下载成功(所以结果方面可能会与原作有细微的差异)。

元数据的收集

在宏基因组分析之前通常要先收集元数据,那么什么是元数据?

元 数 据

元数据主要是对数据的属性进行描述的数据,也是实验数据的重要组成部分。

人体样本:主要包括个人基本生理信息(例如身高、体重、年龄、性别等)、生活行为方式、地理位置、膳食结构、营养状况、既往病史、抗生素使用情况等信息。

环境样本:指样本获取过程中的信息,例如采集地点、大气、水文、温度、pH值、压力、季节、运输方法、存储媒介等。

在数据分析之前我们首先对这批样本的群体构成和一些已有的元数据进行统计和特征分析:

其中,SCZ是精神分裂症患者,HC是健康对照。

一共170例样本,其中精神病患者90例。

年龄、性别以及BMI还有食物构成的分布情况如下:

从上图中可以看出有些元信息在分组间就存在明显差异,如年龄,血清素指标,而有些元信息如性别没有明显差异。

进一步对这些元信息做统计分析,发现健康组(HC)和精神病患者(SCZ)存在显著差异(如下图的年龄信息,P值为0.117)。在我们的宏基因组分析流程中,分析前会将客户提供的所有样本元信息做统计分析,作为进一步分析的基础。

其中除了性别数据,其他几个主要因素还是存在差异的,这就要求后续分析的时候需要考虑这些因素的影响,这个在后面会提到。

研究中同时检测了血清中主要神经递质的水平,可以从中看出精神病患者的神经递质差异特征,其中多项神经递质存在极其明显的差异:

上图中框出的色氨酸、谷氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸都存在显著差异。

数据库的选择和完善程度

我们使用的是kraken2以及谷禾自建的基于Reseq 99版本的微生物基因组数据库。需要注意的是Kraken2自带的物种数据库,其中肠道菌群中非常重要的Prevotella copri由于不在Refseq的完整测序基因组中,数据库没有包括,直接使用这个自带数据库会导致肠道菌群分析存在严重偏差,个别样本甚至95%以上都是该菌,如下面的这个样本:

可以看到红色箭头指向的Prevotella copri菌占比很高;假如数据库没有包含该菌注释,那么在后续分析的时候会错过一些重要信息。

谷禾数据分析使用了包括RefSeq 最近的99版本基因组数据,涵盖细菌、病毒、古菌、原生动物不仅是完成的基因组还涵盖了基因组框架的物种。另外加入了IMG的真菌和细菌的基因组数据,以及真核寄生生物的数据库。

数据比对和统计分析结果如下,报告使用Pavian展示:

可以看到图中的红色框内,结果中能比对上数据库的比例大部分在90%以上,不能比上的只有不到10%的比例。

对应的物种构成表

红色箭头指向的Max列,是后面列出样本reads数的总和。点击可以排序,简单方便。这个在线软件在谷禾报告中会给出相应的使用说明。

对应的每一个样的物种构成丰度

以上的两张桑基图能将菌属构成,层级关系展示出来,更加直观。

接着看分析,下图是统计检验结果,共找到85个显著差异的菌,结果如下:

菌株部分发现42个差异菌株:

基于差异物种,使用spearmanCC,我们同样构建了精神病患者与健康对照两组差异菌的网络构成。

接着进一步分析了功能代谢,重点关注肠道菌群产生的神经递质和脑肠轴相关的代谢途径,也就是GBM模块与疾病分组和血清神经递质的关联关系。

前面已经提到,肠道菌群受年龄、饮食方式以及身体状况等影响,这些因素本身会导致肠道菌群状况产生偏差,如果不对这些因素进行统计控制,会对统计结果尤其是统计效力产生很大影响。

控制环境因素的影响

一般在统计上可以通过控制样本分组这些因素的分布,使其分组之间的因素基本一致或增加样本群体数量来增加统计效力。也可以通过统计方法如偏相关或加入协变量控制的GLM模型等方式来控制这些环境因素的影响。

这里的例子很好的显示了对这些因素控制不做控制带来的统计分析结果的差异。

 不 做 控 制 

下图为不做控制的菌群总体GBM代谢模块与血清神经递质以及样本元数据的相关情况:

上图可以看到完全没有显著相关。

 控 制 协 变 量 

性别、年龄以及食物摄入特点进行协变量控制之后的偏相关分析结果:

在这张图,可以找到显著的相关了。

可以看到有没有控制协变量对结果会造成影响,因此这里强调下协变量控制的重要性

那么这里就意味着很多关联性被性别、年龄和饮食特点干扰了。

可以看到其中与是否患病的诊断(Diagnosis)相关的仅有DOPAC synthesis这一项,其他的大部分都不相关,该代谢通路同样在抑郁症人群中被发现存在显著相关,且与抑郁程度直接相关

进一步的问题来了。

是否是菌群产生的神经递质直接影响了血清神经递质的量,并引发精神病呢?

我们发现整体菌群的主要神经递质代谢虽然部分与精神病患者异常的血清神经递质存在相关,但是关联性较弱,且差异并不明显。这就带来了一个思考:差异菌是否参与了这些神经递质的代谢异常。

我们仅分析了85个差异菌对应的GBM模块的代谢通路水平与血清神经递质的关联性(同样使用了偏相关):

除了与诊断分组全部强相关之外,与神经递质也有大量相关。但是当我们直接比对GBM模块代谢与相应神经递质的关系时发现,并不直接对应,也不存在单纯的菌群的合成途径升高对应血清神经递质的升高,甚至出现相反的情况。

差异菌可能是对神经递质敏感的菌

基于上面的结果,我们推测,这些差异菌实际上并不是直接导致神经递质异常的原因,很可能是对神经递质异常敏感的菌,当精神病患者出现特定神经递质水平异常时,会通过代谢或底物变化诱导这些菌的生长抑制这些菌生长

另一个证据是论文中提及这些患者中的一部分经过治疗或用药后3个月又进行了一次检测,其中一半以上的差异菌和健康对照相比都不再显著。

虽然没有直接找到菌群作为精神病发病因素的证据,但精神病患者确实存在特征菌群的变化。

那么这些特征变化的菌群是否能帮助我们对精神病进行诊断或区分呢?

使用随机森林,我们提取了最重要的10个菌作为区分特征,其分布如下:

ROC的结果如下:

没有达到论文中提及的89.56%的水平,但显示确实可以一定程度上区分

需要注意的是,该研究中仅招募急性复发精神分裂症(ARSCZ)和首发精神分裂症(FESCZ)患者。该文中分析内容都是基于这个前提。因此我们认为对于部分用药后的精神分裂症患者菌群还有待研究。

另外使用热图决策树对所有元数据和菌群特征对精神病进行区分分析,发现仅使用血清色氨酸MSCEIT量表两个指标就可以较好的区分精神病患者。

以上是我们结合自己构建的数据库,综合考虑多种因素,加入协变量控制分析得出的结果。

以上内容是对于该文章数据进行的分析。当然不同的文章,对应的分析可能会有些不同。

其他分析

以下图表为谷禾宏基因组分析网页报告的部分截取。谷禾宏基因组报告的形式在原先的基础上有所优化,采用网页报告的形式便于大家浏览,方便快捷。

bining分箱及评估

比如说想要拼出未知菌的基因组就要用到 bining分箱及评估:

基 因 预 测 

物 种 分 析 

功 能 分 析 

测序深度的选择

目前宏基因组相较于16s,样本测序费用还是较高,除了建库费用主要原因来自于宏基因组样本测序量大,测序成本高相应分析成本也高(前面案例提到的文章测序数据量达到3000万reads,成本可想而知)。

除一些样本来源构成复杂的样本或者后续需要做分箱分析(主要获得样本里一些菌的基因组草图)的样本还有以基因序列和变异为目标的需要比较高的测序深度以外,大部分研究微生物群落以及其与环境互作等,其实不需要那么高的测序数据量。

下面我们从该案例文章170个样本中随机抽取100万reads做beta多样性PCA图。

左侧是使用了完整所有序列的PCA图,右侧是每个样本随机抽取100万reads的PCA图。

可以看到随机抽样100万reads之后的菌群分布情况和完整序列的完全相同

既然100万reads数的菌群分布情况和完整序列没什么差异,我们也可以直接拿100万reads数进行后续分析。

而其他分析各个结果均显示在100万reads的基础上进行后续分析并没有影响最后的结论

浅 宏 基 因 组

可能有人还没听过浅宏基因组,这里稍微介绍下。其实浅宏基因组跟宏基因组类似,最大的差别在于数据量。浅宏基因组测序深度相对较低(100万reads),但是物种的分辨率并没有低于一般宏基因组(5-6G)。

谷禾经过几个月的研发的测试,推出浅宏基因组测序分析服务,每个样本数据量不低于100万reads,不通过拼接组装,直接基于kraken2等kmer,或MetaPhlAn2等标记基因的参考基因组方法进行种属丰度分类。

结合其到菌株的物种分类和丰度数据可较16s方案下的PICRUST更加准确的预测基因构成。周期在:2-3周左右,尤其适合粪便样本,价格比16s测序价格稍高一点。

更高性价比,最大程度满足大家不同的需求。

有些同学可能还有疑惑,做这个真的可以发文章吗?  在你犹豫的时候,已经有浅宏基因组的文章发表了。

近日,美国梅奥诊所消化内科和肝病科 Purna C. Kashyap研究团队和明尼苏达大学生物科学学院 Dan Knights团队合作在 Cell 上发表了题为 Longitudinal Multi-omics Reveals Subset-Specific Mechanisms Underlying Irritable Bowel Syndrome 的文章。

该文章在菌群方面研究采用了宏基因组和16S,对粪便样本采用宏基因组,对黏膜样本采用16S,因为黏膜样本含有较高的人体DNA,16S更为合适。

粪便样本的宏基因组直接采用和RefSeq89版本进行比对注释,基因部分同时结合了序列比对和利用基因组数据直接提取注释相结合。

宏基因组测序能够提供菌株层面的分辨率,同时也是后续结构变异关联分析的必要条件,随着参考基因集的完善,中等测序深度的浅宏基因组将可以大量应用于这类研究中。

此外,对于这类文章的把握,实验方案的设计也很重要。

如何设计实验方案

这里我们提供一个谷禾参与设计的利用宏基因组技术,研究帕金森疾病与肠道菌群的研究方案示例。

帕金森与肠道菌群研究方案

帕金森氏病(PD)可能始于肠道中α-突触核蛋白原纤维的积聚,这可能与肠道营养不良有因果关系。

在帕金森氏病(PD)中,胃肠道功能很常见,通常先于运动征兆出现。PD可能是由病原体触发的肠道中起始,然后扩散到大脑。

已有多个人群队列研究显示PD患者人群和健康对照人群的肠道菌群Beta多样性存在显著差异。在Wallen等2020年的研究中发现有三个聚类的菌。

簇1由机会性病原体组成,所有PD均升高。

簇2是产生短链脂肪酸(SCFA)的细菌,PD均降低。

簇3是碳水化合物代谢的益生菌,并且PD升高。消炎产生SCFA的细菌的消耗和益生菌水平的升高是确定的。

目前在开展的帕金森队列研究中以荷兰DUPARC前瞻性队列研究为代表,临床试验注册于2019.11.28日。

研 究 方 案

招募150名从头开始研究PD的受试者。参加者将在1年和3年后接受随访评估,以期每3年进行一次扩展随访。

受试者具有广泛的特征,可以主要评估PD的三个主要领域内的目标:认知,胃肠功能视觉

这包括

脑磁共振成像(MRI);

脑胆碱能PET显像与氟乙氧基苯甲酸(FEOBV-PET); 

具有氟多巴的脑多巴胺能PET成像(FDOPA-PET); 

详细的神经心理学评估,涵盖所有认知领域;肠道微生物组组成;

肠壁通透性光学相干断层扫描(OCT);

基因分型运动和非运动症状; 

总体临床状况和生活方式因素,包括饮食评估;

血液和粪便的储存,用于进一步分析炎症和代谢参数。

DUPARC是第一个在一段时间内将数据合并但不限于PD受试者认知,胃肠功能和视力的非运动领域数据的研究。作为一个从头开始的PD队列研究,以未接受过治疗的受试者作为基础,DUPARC为生物标志物的发现和验证提供了独特的机会,而不会造成多巴胺能药物的混杂影响。 

现有的研究已经明确发现,多巴胺能药物会对菌群和代谢造成干扰,此外如儿茶酚-O-甲基转移酶抑制剂会显著增加乳杆菌科的含量。

另一项关联研究显示儿茶酚-O-甲基转移酶抑制剂(P = 4E-4),抗胆碱能药(P = 5E-3)和可能的卡比多巴-左旋多巴(P = 0.05)均对肠道菌群产生独立显著影响。

因此在构建研究队列时需要区分接受过治疗和未接受过治疗患者,对于接受治疗患者需要采集完整的用药记录信息。

 研 究 方 向 

目前帕金森与肠道菌群的研究有两种研究方向:

 01 

向菌群代谢产物,免疫信号,神经递质等方向探索

进一步深入解析肠道菌群在帕金森疾病进展和形成过程中扮演的角色,从已有的菌群构成向菌群代谢产物,免疫信号以及神经递质等方向探索。

单纯的纳入100例左右患者与相应对照人群检测菌群构成已有较多研究,只能从中国人群方面提供人群特异性变化,预期应该会有显著差异,但高水平研究论文较为困难。

研究方法上的改进可以纳入更加完善的临床和生理指标,如药物、认知,胃肠功能和视觉,以及更细化的脑磁共振成像(MRI)和代谢组特征进行组合统计分析。

另外可以从16S改为使用宏基因组测序,从更深和菌株层面发现关键群体以及基因关联。样本人群可以在100例左右,如果有可能尽量选择多中心多个时间点,作为独立验证队列,以提高研究可信度。

 02

解决现有治疗和疾病进展的个体化差异与菌群之间的关联和机制

另一个方向是从药物和疾病进展评估角度,这个方向需要从持续的样本收集和追踪,并纳入更多的临床和治疗信息,从而解决现有治疗和疾病进展的个体化差异与菌群之间的关联和机制

这类研究纳入患者数量可以在50~100例之间,以病人为主,但需要持续跟踪,研究方案可以选择16S或宏基因组。

上述两个方向可根据临床患者招募和临床条件自行选择或组合。如果对照人群较难招募,建议以第二方向为主。

以上信息与大家分享交流,希望可以对即将或正在开展宏基因组研究的同仁们有所帮助。技术在不断进步,有价值的东西变得更好的方法就是不断更新迭代它,欢迎大家留言和交流。

深度解析 | 炎症,肠道菌群以及抗炎饮食

谷禾健康 原创

肠道是一个复杂的微生态系统,微生物组和宿主之间的相互作用决定了人类代谢的关键生理过程,包括炎症反应,代谢功能以及疾病易感性和发病机制。

在过去的十年中,大量的临床研究表明炎症会改变肠道微生物及其代谢产物,而受影响的肠道以及肠道微生物又会激发免疫响应和代谢活动,从而导致慢性炎症,最终形成慢性疾病

因此,微生物组稳态的相互作用对于人体健康至关重要,而营养是塑造微生物组的主要驱动力

炎症

生活中大多数人可能都知道过度和长期炎症对身体有害,但许多人对炎症是什么或炎症的如何发生并没有深刻的了解。

炎症的定义

炎症,就是人们所说的“发炎”,是免疫系统的一种天然的,保护性的生物反应,可以抵抗有害的外来病原体(细菌,病毒,毒素),并帮助身体恢复健康。

当身体受到某种物质破坏细胞时,身体会释放化学物质,从而触发免疫系统的反应,这种反应包括抗体蛋白质的释放,以及流向受损部位的血流量增加。例如,在感染的伤口周围出现的红色酸痛是一种炎症反应。身体对炎症的反应是对多种威胁的反应,不仅包括感染,还包括刺激物,压力和身体创伤。

急性炎症

在急性发炎的情况下,整个过程通常持续数小时或数天。急性炎症的症状包括肿胀和发红,发烧,发冷,疼痛和僵硬以及疲劳,这些迹象表明人体的免疫系统处于“战斗模式”,努力消除威胁。

慢性炎症

当身体的免疫反应或者应激反应持续存在时,身体会会长期处于持续的警觉状态,进而会对组织和器官造成负面影响,就会发生慢性炎症。此外,当这种自然的保护性反应过于频繁或在错误的时间发生时,也会会出现炎症问题。

此外,有时候即使外来威胁时,机体也会触发炎症反应,免疫系统会攻击人体自身健康的细胞和组织,从而导致自身免疫性疾病,如多发性硬化症,类风湿性关节炎和红斑狼疮等,这些部分是由于过度的,误导的炎症反应而导致的。

慢性炎症与疾病

发生慢性炎症,人体的免疫系统处于永无休止的战斗模式,激活了没有外部威胁即可抵御的抗病细胞。随着时间的流逝,这些战斗细胞会攻击,磨损并损害全身健康的细胞,组织,器官和系统,从而导致慢性疾病,如肥胖、心脏病,中风,糖尿病和癌症等当今主要慢性病和威胁生命的疾病。

此外,越来越多新的证据表明炎症还会影响我们的心里精神健康。这种影响是通过许多系统施加的,包括免疫系统、肠道微生物、新陈代谢、睡眠、压力反应、认知思维、记忆力、表达、冲动控制和情绪等。

炎症的症状和原因

症状

急性炎症通常会引起明显的症状:例如疼痛,发红或肿胀。

但是,慢性炎症症状通常较轻微,这也使它们容易被忽略。

慢性炎症的常见症状包括:

疲劳;发热;口疮;皮疹;腹痛;胸痛;睡眠障碍;焦虑等。

这些症状可能从轻度到严重不等,持续数月或数年。

原因

许多因素可以触发炎症并引发精神和身体症状:

• 短期和长期承受压力。

• 高糖,高加工淀粉/碳水化合物饮食。

• 加工脂肪(加工油,油炸食品)。

• 不良生活习惯

• 食物敏感性/过敏

• 病毒/细菌感染,病原体等

• 自身免疫性疾病

• 药物治疗/手术

• 环境毒素

• 营养不良(饮食中微量和宏观营养成分偏低)。

• 睡眠不良

• 肠道失衡

……

肠道,肠微生物与炎症

以上这些因素都会诱发炎症,诱发免疫反应,其中肠道是人体最大的免疫器官,肠道物理,化学屏障和肠道菌群构成生物屏障,对于维持宿主免疫的稳态以及耐受和预防病理性免疫反应来影响和改变炎症。肠道微生物通过构建肠道特异性免疫系统和排除感染性病原体参与炎症调节。

肠道与炎症

肠道是人体最大的免疫器官之一。

肠屏障

肠屏障是一个多层结构,包含微生物,化学,机械和免疫屏障,可以保护宿主免受病原体的侵害。

共生微生物还通过分泌各种物质(例如细菌素)来抑制病原体的定殖,从而参与化学屏障的构建。机械屏障包括粘液,物理吸收,流体动力学系统,上皮细胞和紧密连接。

跨膜蛋白(例如claudins)和胞质蛋白(例如小带闭合蛋白1(ZO-1),ZO-2和ZO-3)参与了紧密连接的构建。肠道相关淋巴样组织(GALT)和弥漫性免疫细胞是形成免疫屏障的重要组成部分。肠道相关淋巴组织通过感知和清除致病细菌的能力维持宿主免疫的稳态,从而通过耐受和预防病理性免疫反应影响炎症。

肠道免疫细胞和因子

炎症反应可导致由多种因素触发的组织损伤。IL-6,TNF和IL-1β属于促炎细胞因子,而细胞通透性蛋白IL-4,IL-10,IL-13和TGF属于抗炎细胞因子,它们在调节炎症反应中起重要作用。

在正常情况下,促炎因子和抗炎细胞因子水平相互平衡,在不引起过多组织损伤性炎症的情况下,维持一定程度的对病原体的保护。这些细胞及细胞因子在肠道感染中起关键作用。例如,脆弱的芽孢杆菌可将荚膜多糖A通过外膜囊泡转移至树突细胞,并且该树突细胞能够诱导Treg分泌IL-10以预防或限制IBD。荚膜多糖A还可以直接激活TLR2信号通路以抑制Th17细胞诱导的免疫反应。Th17细胞会引发炎症来抑制感染,而Treg细胞则在威胁消退后抑制炎症。如果不加抑制,Th17的活性也会导致异常炎症,从而促进自身免疫性疾病,损害肠道。

IL-6可以增加肠上皮的通透性并导致T细胞蓄积,从而维持炎症反应。同时,IL-6可以激活经典补体途径。它增加了补体5a的数量和血管的渗透性,然后导致组织损伤。

TNF分为TNF-α,TNF-β和TNF-γ。尤其是TNF-α可以诱导炎症反应。它是由单核巨噬细胞,淋巴细胞和成肌细胞分泌的。它可以破坏完整性并增加肠屏障的通透性,并促进促炎细胞因子的分泌,从而放大炎症反应。TNF-α与作为膜受体的TNF受体1结合,并通过激活TNF受体2相关的死亡域蛋白,Fas相关死亡域蛋白(FADD),FADD(如IL-1β转换酶,caspase-3,和caspase-9)。

肠道失衡会导致肠壁(称为“漏肠”)损坏。结果,毒素和细菌通过肠道“泄漏”并进入血液,从而引发免疫系统的反应:炎症。

肠道微生物与炎症

肠道菌群构成了微生物屏障。它通过与病原菌竞争宿主上的营养和粘附位点来抑制病原菌的生长和繁殖。

微生物与免疫炎症信号

先天性免疫识别通过一系列复杂的跨膜或胞浆内模式识别受体阵列,通过对微生物相关分子模式的特异性检测和结合,直接影响宿主防御,从而激活信号通路。B. thetaiotaomicron 和柔嫩梭菌分泌的MAM多肽能够通过抑制实验性结肠炎小鼠的促炎相关NF-kB通路从而改善炎症指标。

适应性免疫反应依赖于从CD4+T细胞分化而来的效应T细胞亚群。研究发现丁酸梭菌能在C57BL/6小鼠体内产生足够数量的转化生长因子-β(TGF-β),从而产生依赖于TLR 2依赖的ERK-AP-1激酶途径和Smad 3的iTreg细胞,并相应减轻炎症。脆弱类杆菌产生共生因子,如多糖A,可通过促进产生IL-10的CD4+T细胞参与炎症调节,从而下调IL-17。

肠道微生物组可以通过抑制NF-κB抑制剂的泛素化来建立肠道免疫耐受,从而抑制NF-κB信号通路。同时,肠道微生物组是刺激免疫系统成熟的重要因素。

上皮细胞和抗原呈递细胞表面上的Toll样受体可以识别上述细菌,激活NF-κB,导致炎症基因转录,并引起肠道炎症。但是,丁酸会限制NF-κB的活化和IL-12的分泌和TNF-α的证据,某些产生丁酸的细菌可能会限制肠道的炎症。

Th2细胞的细胞因子分泌来减轻小鼠皮炎。短链脂肪酸与G蛋白偶联受体43结合以减轻中性粒细胞的炎症并通过抑制NF-κB的活化以及IL-12和TNF-α的分泌来调节炎症反应。从患有IBD的小鼠向正常小鼠移植粪便菌群可以诱导肠道粘膜分泌IL-33并激活Th2细胞以介导导致回肠炎的免疫反应。

微生物与免疫发育成熟

B. subtilis 和 B. fragilis细菌被证明促进免疫组织的发育。嗜酸杆菌、嗜酸双歧杆菌和普氏菌是调节非特异性免疫的重要细菌,它们通过维持和强化组织屏障,增加固有免疫细胞数量,促进天然免疫分子的分泌来调节非特异性免疫。双歧杆菌、干酪乳杆菌、梭状芽孢杆菌、枯草杆菌以及脆弱芽孢杆菌通过MyD88、转化生长因子-β、IL-1、IL-6、IL-17、IL-22、γ-PgA和PSA与特异性免疫密切相关。 脆性芽孢杆菌、植物双歧杆菌、双歧杆菌可通过TLR、NF-κB和MyD88调节炎症反应。

H Tan, S Nie.Trends in Food Science & Technology, 2020

乳酸杆菌和双歧杆菌可以通过限制T细胞和先天免疫细胞的活性来增加Treg的数量来控制肠道炎症。共生细菌可以降低无菌小鼠中高浓度的IgE,这限制了Th2细胞诱导的炎症反应。

用鼠李糖乳杆菌预处理牛乳腺上皮细胞(BMEC)可以减少大肠杆菌的定殖,并通过抑制含有3(NLRP3)的NLR家族吡啶结构域的激活来减弱炎症反应和细胞损伤。

肠道菌群构成丰度与炎症

炎症性肠病(IBD)是肠道的非特异性炎症。肠道菌群失衡被确定为IBD的主要原因。Roseburia的较低丰度与IBD的发生率较高相关。

在IBD患者的肠道中,Ruminococcaceae和Rikenellaceae菌含量较低,菌群α多样性的减少,放线菌和变形菌门的丰度增加。而且在物种水平上,潜在病原体(如大肠杆菌)的增加,而有益细菌(如生产丁酸的费氏杆状杆菌)减少

自身免疫性胰腺炎患者肠道中的拟杆菌,链球菌和梭状芽胞杆菌数量增加。类风湿关节炎患者肠道中的拟杆菌,轻梭状芽胞杆菌和嗜血杆菌数量减少,而唾液乳杆菌的数量增加。

炎症扩散到包括肠道以及神经系统在内的其他器官,并加剧了人们对各种症状的出现的脆弱性,这些症状被我们称为感觉加工障碍,自闭症(ASD),多动症(ADHD),对立反抗性障碍(ODD),边缘人格障碍(BPD),抑郁症,焦虑症等。

一项研究中发现,与未确诊PTSD,OCD或焦虑症的人相比,其炎症标志物的水平明显更高。罹患PTSD的创伤幸存者的肠道微生物组和未罹患PTSD的微生物组。罹患PTSD的参与者的三种细菌-放线菌,扁豆菌和Verrucomicrobia的水平明显较低。

经历过童年创伤的参与者的这三种细菌的含量也明显较低。这三种细菌的含量低可能导致患有PTSD的创伤幸存者的免疫系统失调和炎症的高标志物。

肠道菌群与免疫炎症指标(案例数据)

在很多人体内存在免疫失衡,如过度炎症,在没有严重病原物感染的情况下产生了大量的炎症信号,从而对肠道和其他器官产生损害,持续的慢性炎症更会导致许多慢性疾病,如代谢类的疾病等,更加严重的炎症问题会导致自身免疫性疾病。

已有研究显示不同的肠道菌群可以通过免疫反应、影响肠道屏障以及通过胆汁酸转化等代谢途径影响免疫细胞相互作用,从而影响免疫调节。

借助这些方面的研究和临床数据,我们可以通过肠道菌群从几个方面来反映和了解免疫系统及自身的炎症状态

病原菌的存在很大程度上会激发免疫系统的炎症,因此首先评估肠道菌群中是否存在异常的病原菌超标情况。

来自谷禾健康肠炎临床患者肠道菌群检测报告,结果显示血液链球菌及衣氏放线菌超标,如下:

类似的病原菌超标在没有严重导致感染症状的情况下也会诱发或刺激免疫系统炎症,如果免疫力低下就可能导致病原菌感染,如果持续存在超标也可能导致慢性炎症。

除了病原菌超标,很多其他类型的菌也会诱发肠道炎症,尤其非肠道“常见菌”占据主要比例的时候:如该案例样本肠道菌群构成,如下:

如上面红色箭头标示出的多种菌:其中变形菌门占据了一半以上的比例,该菌门下多数菌会对肠道菌群环境产生不利影响。链球菌属以及梭菌属都有很多成员也会导致炎症

此外,蓝色箭头标示的阿克曼菌即Akk菌一般认为是益生菌,但该菌可以降解肠粘膜的黏蛋白,丰度过高可能导致肠道屏障破坏。

基于研究结果以及大样本临床数据和免疫组学检测相结合,我们发现肠道菌群可以对一些免疫炎症相关指标进行评估和预测,下面的例子就显示了存在炎症状况的指标异常:

可以看到包括高敏C反应蛋白和IL-6这两个炎症指标都超标,而IL-10这个抗炎症指标过低。

同样基于菌群的免疫指标也提示Treg抗炎细胞过低,另外由于之前Akk菌丰度过高,导致肠粘膜屏障指标提示异常。

肠道微生物代谢与炎症

免疫细胞代谢过程的调节对于维持体内平衡和免疫发病机制至关重要。新的数据表明,肠道微生物群在免疫代谢中起作用,尤其是通过代谢产物,如短链脂肪酸、胆汁酸和色氨酸代谢物的作用。

炎症黏膜的代谢分析表明,宿主和微生物组的中心代谢产物和代谢途径均受炎症环境的影响。例如,在IBD患者发炎的粘膜中,有益细菌数量的减少转化为SCFA水平降低,尤其是丁酸水平降低

此外,最近的研究表明,由微生物生产丁酸还确定在IBD患者响应于生物疗法。用可发酵纤维(益生元)补充饮食是一种吸引人的方法,可促进有益细菌的生长并恢复缺失的代谢功能,即SCFA的产生。这可以解决炎症或至少减轻由炎症环境引起的代谢应激。最初的人类研究确实支持了此概念的可行性。

对宿主的免疫反应至关重要的另一类代谢物是色氨酸代谢物。至于SCFA,IBD患者血清中的色氨酸代谢物水平降低了。

使用小鼠进行的营养研究表明,饮食中缺乏色氨酸会导致结肠炎,并补充色氨酸以防止发炎。将失调的微生物组从喂食色氨酸缺乏饮食的小鼠转移到喂食正常饮食的无菌受体,足以引起结肠炎。在小鼠中,色氨酸代谢菌株罗氏乳杆菌可预防结肠炎。当它将色氨酸代谢成吲哚丙烯酸时,它是通过增强上皮屏障功能和减少炎症反应而起作用的芳烃受体的配体。

膳食色氨酸还可以通过增加调节微生物组组成并防止机会病原体感染的抗菌肽的产生来影响上皮免疫性。与IBD相反,在多发性硬化的鼠模型中,缺乏饮食色氨酸可防止中枢神经系统自身免疫,这是由于致脑病的T细胞反应受损和微生物组发生了深远的变化。

值得注意的是,饮食中色氨酸限制的保护作用在无菌小鼠中被取消,并且与色氨酸代谢物的原型传感器无关,这表明这些保护作用可以通过微生物组的代谢功能来介导

肥胖被认为是一种轻度炎症,与正常人相比,肥胖个体的肠道微生物组多样性更低,而拟杆菌属的减少和放线菌的增加

在肥胖症中,内毒素介导的轻度炎症的概念是营养,微生物组和炎症的桥梁。根据这一理论,西方饮食引起的营养不良会增加内毒素的水平,内毒素是革兰氏阴性细菌外膜的一个组成部分,然后以较高的浓度通过血液循环到达肝脏和脂肪组织等其他器官,足以满足刺激组织驻留的免疫细胞,从而导致免疫反应和器官功能受损。

膳食营养,肠道微生物与炎症

微生物组与动物一起进化了数千年,并且已经建立了共生关系以确保微生物和宿主的生存。影响肠道微生物的因素很多,其中膳食营养是主要的驱动和塑造因素,具体可以参见:

肠道微生物参与营养的消化和吸收。例如,肠道微生物通过分泌消化酶增强酶活性来增加宿主营养物质的消化率,从而在营养物质的收获中发挥重要作用。

与人类的新陈代谢潜力相反,微生物组对环境因素(即饮食和营养)具有很大的可塑性。有害的微生物组改变,例如有益细菌的丧失(例如,Akkermansia muciniphila,Paecalibacterium prausnitzii,Roseburia产生和供应短链脂肪酸(SCFA)和维生素,或者病原体的扩张(例如变形杆菌),这可能会导致易感宿主感染,也可能加剧疾病的发病机理或对治疗方法产生抵抗力。

此外,微生物代谢物(例如SCFA丁酸酯或色氨酸代谢物)控制宿主中的各种生理功能,范围从炎症反应到上皮细胞的能量代谢。因此,针对微生物组的个性化治疗方法有望改善营养不良和慢性炎症(例如炎症性肠病(IBD))的治疗功效。具体可以参见:

肠道菌群与宿主免疫力和炎症的调节密切相关。例如,饮食中的益生菌可增强宿主动物的免疫力并减少其炎症反应。大量的流行病学研究表明,食用富含不饱和脂肪的地中海饮食与寿命延长和慢性亚临床炎症疾病(如冠心病或糖尿病)的患病率较低相关。

在与肥胖个体随机对照试验,地中海饮食增加了产生短链脂肪酸的Roseburia 和 Oscillospira菌的丰度,而富含复合碳水化合物饮食增加Prevotella 和F. prausnitzii.菌的丰度。两种饮食都增加了胰岛素敏感性。

类似地,SCFA产生缺乏与糖尿病相关。在一项针对糖尿病患者的最新临床试验中,补充等能量的高纤维饮食可在个体之间不同程度调节几种产生SCFA的细菌的丰度。在纤维诱导的高水平Bifidobacterium pseudocatenulatum C95 和 F. prausnitzii CAG0106的受试者中,血红蛋白A1c水平降低,总体临床结果得到改善。

最近的一项先导研究测试了对肥胖,胰岛素抵抗患者的A. muciniphila的管理。的确,在饮食中补充A. muciniphila3个月可以减轻体重,减轻肝功能不全或炎症的血液指标,并改善一些代谢参数,例如胰岛素敏感性。

对于IBD,也已报道了减少A. muciniphila的丰富度,这使阿克曼囊虫病成为针对这些炎性疾病的微生物组治疗的诱人靶标。

迄今为止,只有极少数益生菌产品在随机临床研究中显示出有益的作用。在IBD中,涉及完全液态配方饮食的独家肠内营养(EEN)已被证明是一种有效的治疗选择,可以诱导活动性克罗恩病缓解,并且与类固醇相比,在诱导粘膜愈合方面具有更高的功效。值得注意的是,EEN增加细菌多样性和产生SCFA菌如Clostridium symbiosum, C. ruminantium, C. hathewayi, Ruminococcus torques 和R. gnavus的丰度。

图. 微生物组指导的营养干预措施,用于治疗营养不良和慢性炎症。

Schröder L et al., 2020. Nutrients

营养物质直接影响营养不良和炎症的发病机制,例如通过促进宿主的新陈代谢。然而,营养也是影响微生物组组成和功能的主要环境因素

膳食炎症指数

正确、科学、合理地评价居民膳食质量可为居民营养健康状况的改善提供必要、可靠的参考依据。在膳食评价方法中,最为常用的方法是指数法

概念/定义

膳食炎症指数 

膳食炎症指数(dietary inflammatory index,DII)是由南卡罗来纳州大学研究人员在癌症预防和控制项目中开发得来, 它是文献衍生的膳食工具,用来评估个人饮食的总体炎症潜能。

DII 共由45 种膳食成分组成,每一种成分都会增加或减少个人的总体炎症评分, 最初用来评价DII 的各项炎症指标是从1950 年—2010 年的1943 篇文献研究中得来的,炎症因子的选择基于它们在炎症机制中的重要性和文献回顾性研究;用来评价炎症指数的标志物共分6 种, 即IL-1β、IL-4、IL-6、IL-10、TNF-α 和CRP,若一种食物能显著提高IL-1β、IL-6、TNF-α和CRP 水平或降低IL-4 和IL-10 水平, 则赋予“+1”评分,相反则赋予“-1”评分。

最初的研究发现血液中的C 反应蛋白(CRP)随着季节性的改变而发生变化,膳食炎症指数的高低能够显著预测出CRP 水平呈现区间性变化;且有大量的研究数据表明,饮食因素在慢性炎症的调节中起重要作用。

鉴于此,最初建立原始膳食炎症指数可用来量化个人饮食中的炎症因素,并对饮食中炎性因素的作用从抗炎至促炎进行连续性分类,见下图。

(图数据源自文献黄利等,2019,实用医药杂志)

抗炎饮食

你吃的食物在控制慢性炎症方面可以起到积极和消极的作用。

如果你希望长寿健康,那么你可能需要接受抗炎饮食。

一项来自波兰的研究对年龄在45至83岁之间的68,273名瑞典男女,进行了16年的追踪研究,那些坚持使用抗炎饮食的人的全因死亡率降低了18%,癌症死亡的风险降低了13%,心脏病死亡的风险降低了20%。饮食中含有能减少体内炎症指标的食物,可以降低我们早逝的风险。

概念/定义

什么是抗炎饮食?

国际食品信息理事会基金会(International Food Information Council Foundation)营养传播副主任RD将其描述为一种饮食,重点关注高营养的食物,任何“营养密集”,“天然来源的维生素,矿物质和色素很多”的食物都是这种饮食的理想成分。

尤其是抗氧化剂, “它的主要参与者是水果,蔬菜,豆类,健康脂肪等食物,例如橄榄油和鳄梨中的食物,包括鱼类,坚果和浆果等。

但是,抗炎饮食不仅是您的饮食,而且与食物的烹饪方式有关。应限制或避免高盐,饱和脂肪,糖和精制碳水化合物的食物。

肠道抗炎饮食

美国麻省理工大学医学院开发的肠道抗炎饮食(IBD-AID)。这种饮食最初被用于炎症性肠病患者的治疗。

2011-2014年期间,麻省医学院的研究人员先后对51位患有炎症性肠病的患者进行IBD-AID饮食干预治疗,患者的年龄从19-70岁不等,最出的11位患有炎症性肠病的患者在经过6-10个月的IBD-AID饮食后,所有患者的症状都得到了明显的好转。

另外的40名患者其中,13名患者选择了不去尝试。而在尝试进行这种饮食的27位患者中, 24位患者(89%)得到了明显的好转。

在进行了IBD-AID的患者中,有11位接受了进一步的医学评估(8位克罗恩患者,3位溃疡性结肠炎患者,年龄在19-70之间)。在进行IBD-AID饮食后,这11位患者都停掉了一种以上的药物治疗。

因此,这种饮食的作用并不局限于此。它提供了一个非常好的肠道疗愈的饮食框架范例——用于减轻炎症、重建菌群,并与此同时保证营养摄入的充足。

不同炎症期不同饮食

炎症发作期、症状改善期、症状缓解期维护期,患者对食物的耐受程度是不同的。如果你在当前处于炎症状态,可能需要从第一阶段开始。

//第一阶段

在这一阶段,食物的质地是非常重要的。你可能需要一个好的料理机,来对一些蔬菜和水果打泥。

//第二阶段

症状改善了许多,但可能仍旧存在一些症状。在这一时期,应该慢慢地增加一些纤维更高的食物,包括煮软的蔬菜和捣烂的豆类。与此同时,可能需要增加更多的含益生菌的食物,比如酸奶和奶酪。

//第三阶段

感觉消化变得好多了,排便状况也基本正常了。这个时候,你就可以加入更多的食物了。但也不要掉以轻心,症状的改善不意味着黏膜的完全修复。

//第四阶段

可能还是需要注意避免那些不允许的食物,从而为你的身体争取更长的修复时间。

基于上面,IBD-AID有五个基本组成部分:

第一,是对某些碳水化合物(包括乳糖、精制或加工的复合碳水化合物)的改性

第二,非常强调摄取前体和益生菌(如可溶性纤维、韭菜、洋葱以及发酵食品),以帮助恢复肠道菌群的平衡

第三,区分饱和脂肪、反式脂肪、单不饱和脂肪和多不饱和脂肪;

第四,鼓励对整体饮食模式进行回顾,检测肠道菌群和缺乏的营养素,并确定不耐症

第五,根据需要修改食物的质地(例如,混合、研磨或烹调),以提高营养物质的吸收,并尽量减少完整的纤维。

下表中所示的阶段是修改结构复杂度的例子,营养师和患者可以随着患者耐受性和吸收能力的提高而扩大饮食。

Olendzki BC, et al. Nutr J.2014

IBD-AID方案它不仅制定了“能吃什么和不能吃什么”的标准,还回答了“什么东西应该吃多少”的问题。

前者能帮助你避免那些可能诱发肠道炎症的食物,并专注于那些营养密度高的食物。而后者,则让你在避免问题食物的同时,依然能摄入足够的营养

肠道抗炎饮食能与不能

肠道抗炎饮食避免了那些容易造成问题的碳水化合物,包括谷物(除无麸质的燕麦)、乳糖和添加糖

与此同时,肠道抗炎饮食强调“低饱和脂肪”——也就意味着需要限制动物油脂的摄入。如果不是处于低碳水或生酮饮食,饱和脂肪是可能造成问题的——引起血液中脂多糖的上升,从而增加人体的炎症反应。

肠道抗炎饮食不是“低碳”,就限制了饱和脂肪的摄入。

肠道抗炎饮食的选择要更为宽泛,比如,它允许燕麦、紫菜、豆腐以及许多豆类。为什么会允许这些食物?因为新的研究,也因为新的反馈。

就燕麦来说,研究发现,其中的β葡聚糖可能可以起到缓解肠道炎症的作用。而麻省医学院招募的受试患者,大多都能较好地耐受无麸质的燕麦。因此,他们将燕麦重新加入到了允许食物的列表中。

不同烹饪方式的豆类具有不同功效

而另一些食物,比如豆类,其中的问题物质是可以通过烹饪来解决的。生的豆类中含有较高的凝集素,可能会对肠道造成损伤。

但如果用高压锅烹饪,烹饪15分钟,超过98%的凝集素都会被去除。经过足够的浸泡时间再进行烹饪,效果还会更好。研究也发现,一些豆类的摄入,可能对修复肠漏是有帮助的。

抗炎食物

很多种食物均具有抗炎特性,其中包括抗氧化剂和多酚含量高的食物。

肠道抗炎饮食推荐的食物包括:

抗炎食物

1 浆果

浆果是小果实,富含纤维,维生素和矿物质

尽管存在几十个品种,但最常见的品种包括:

草莓、蓝莓、山莓、黑莓等。

浆果含有花青素的抗氧化剂。这些化合物具有抗炎作用,可降低患病的风险。身体会产生自然杀伤细胞(NK细胞),有助于保持免疫系统正常运转,并降低患心脏病的风险。

在一项针对男性的研究中,每天食用蓝莓的人比不食用蓝莓的人产生的NK细胞要多得多。

在另一项研究中,吃草莓的体重超重的成年人与心脏病相关的某些炎症标记物含量较低。

2 肥 鱼

肥鱼是蛋白质和长链omega-3脂肪酸EPA和DHA的重要来源。

尽管所有类型的鱼都包含一些omega-3脂肪酸,但这些脂肪鱼是最好的来源之一:

三文鱼、沙丁鱼、鲱鱼、鲭鱼、鳀鱼等。

身体将这些脂肪酸代谢为可分解的物质,称为Resolvins和protectin,具有抗炎作用。

研究发现,食用鲑鱼或EPA和DHA补充剂的人的炎症标志物C反应蛋白(CRP)减少了。但是,在另一项研究中,与服用安慰剂的人相比,每天服用EPA和DHA的心律不规则的人在炎症指标上没有差异。

3 西兰花

西兰花,一种十字花科蔬菜,还有花椰菜,抱子甘蓝和羽衣甘蓝。

研究表明,多吃十字花科蔬菜与降低患心脏病和癌症的风险有关。

这可能与其所含抗氧化剂的抗炎作用有关。

西兰花是萝卜硫烷的最佳来源之一,萝卜硫烷是一种具有强大抗炎作用的抗氧化剂,可通过减少引起炎症的细胞因子和NF-kB的水平来对抗炎症。

4 鳄梨

鳄梨可能是少数值得冠以的超级食品之一,提供各种有益的化合物,可防止发炎并降低癌症风险。

它们富含钾,镁,纤维和有益于心脏健康的单不饱和脂肪

它们还含有类胡萝卜素和生育酚,与降低癌症风险相关。此外,鳄梨中的一种化合物可以减轻年轻皮肤细胞的炎症。

在一项研究中,当人们食用一片鳄梨和汉堡包时,与单独吃汉堡包的参与者相比,他们的炎症标志物NF-kB和IL-6含量较低。

5 绿茶

你可能听说过绿茶是您可以饮用的最健康的饮料之一。它可以降低患心脏病,癌症,阿尔茨海默氏病,肥胖和其他疾病的风险

它的许多优点归因于其抗氧化剂和抗炎特性,尤其是一种叫做表没食子儿茶素-3-没食子酸酯(EGCG)的物质。

EGCG通过减少促炎性细胞因子的产生以及对细胞中脂肪酸的破坏来抑制炎症。

6 辣椒

甜椒和辣椒中富含维生素C和抗氧化剂,具有强大的消炎作用。

甜椒提供抗氧化槲皮素,可以减少结节病,炎性疾病;辣椒中含有芥子酸和阿魏酸,可减少炎症并导致更健康的衰老。

7 蘑菇

尽管全世界有成千上万的蘑菇品种,但只有极少数是可食用的并且可以商业种植。这些包括松露,波多贝罗蘑菇和香菇。

蘑菇的热量非常低,并且富含硒,铜和所有B族维生素。它们还包含提供抗炎保护的酚和其他抗氧化剂。

特殊蘑菇可能会减轻与肥胖有关的低度炎症。

8 葡萄

葡萄含有花青素,可减少炎症。

此外,它们还可以降低多种疾病的风险,包括心脏病,糖尿病,肥胖症,阿尔茨海默氏病和眼疾。

葡萄还是白藜芦醇的最佳来源之一,白藜芦醇是另一种具有许多健康益处的化合物。

在一项研究中,每天食用葡萄提取物的心脏病患者的炎症基因标志物(包括NF-kB)。

更重要的是,他们的脂联素水平增加了。低水平的这种激素与体重增加和罹患癌症的风险增加有关。

9 姜黄

姜黄是一种具有浓郁土味的香料,通常用于咖喱和其他印度菜肴。

姜黄素是一种强大的抗炎营养素,因此受到了广泛的关注。姜黄可减轻与关节炎,糖尿病和其他疾病相关的炎症。

实际上,每天摄入1克姜黄素与黑胡椒中的胡椒碱合用会导致代谢综合征患者的炎症标志物CRP显着降低。

但是,可能很难获得足够的姜黄素来单独从姜黄中获得明显的效果。在一项研究中,体重超标的妇女每天服用2.8克姜黄,其炎症指标没有改善。

服用含有孤立姜黄素的补品更有效。姜黄素补充剂通常与胡椒碱结合使用,可将姜黄素吸收率提高2,000%。

10 特级初榨橄榄油

特级初榨橄榄油是可以吃的最健康的脂肪之一。

它富含单不饱和脂肪,是地中海饮食中的主要食物,具有许多健康益处。

研究将特级初榨橄榄油与降低患心脏病,脑癌和其他严重健康状况的风险联系起来。在一项关于地中海饮食的研究中,每天摄入1.7盎司(50毫升)橄榄油的人们的CRP和其他一些炎症标记显着降低。

油橄榄中的一种抗氧化剂油橄榄素的作用已与布洛芬(ibuprofen)等抗炎药进行了比较。

特级初榨橄榄油比更精制的橄榄油具有更强的抗炎作用。

11 黑巧克力和可可

黑巧克力既美味又丰富,令人满足。

它还富含抗氧化剂,可减轻炎症。这些可能会降低患病的风险并导致更健康的衰老。

黄烷醇负责巧克力的抗炎作用,并保持动脉内的内皮细胞健康。在一项研究中,吸烟者在食用高黄酮醇巧克力后2小时内,内皮功能显着改善。

但是,请确保选择可可含量至少为70%的黑巧克力-更大的百分比甚至更好-以获得这些抗炎功效。

12 西红柿

西红柿是番茄红素的极好来源,它可以减少炎症并预防癌症。

西红柿富含维生素C,钾和番茄红素,这是一种抗氧化剂,具有令人印象深刻的抗炎特性。

番茄红素对于减少与几种癌症有关的促炎化合物可能特别有益。一项研究确定,喝番茄汁可以显着减轻体重过重的女性的炎症指标,但对于肥胖的女性却没有。

注意用橄榄油烹饪西红柿可以最大程度地吸收的番茄红素。这是因为番茄红素是一种类胡萝卜素,一种营养物质,可以更好地被脂肪吸收。

13 樱桃

樱桃美味可口,富含抗氧化剂,例如花青素和儿茶素,它们可以抵抗炎症。

尽管对酸樱桃的促进健康特性的研究超过了其他品种,但甜樱桃也提供了好处。

在一项研究中,当人们每天食用280克樱桃,持续1个月时,其炎症标志物CRP的水平下降,并在他们停止食用樱桃后28天内保持较低水平。

14 豆类

豆类富含纤维和植物营养素,有助于减少炎症

它们甚至含有叶酸和重要的矿物质,包括:

镁、铁、锌、钾盐等。

15 洋葱

洋葱富含营养抗氧化剂,并且实际上可能会减少患心脏病和高胆固醇的风险。

16 高纤维食品

已知纤维会降低C反应蛋白(CRP),CRP是血液中发现的一种物质,提示存在炎症。

高纤维食物包括:如燕麦片,碾碎的干小麦,糙米,藜,和全麦面粉确保营养纤维的更高的水平。但是,如果你患有麸质过敏症,那么由小麦制成的全谷物会对你的炎症产生反作用。

促炎食物

在受伤或感染期间,身体会释放化学物质以帮助保护它并抵抗任何有害生物。但是,食用过多的促炎食物可能会导致慢性低度发炎。这可能会导致严重的健康问题和肠道紊乱,例如心脏病,糖尿病,癌症和过敏症。

促炎食物

1 糖和精制碳水化合物

其中尤其要注意糖的摄入: 国家卫生和健康委员会发布调查显示,我国居民的盐油糖摄入量超标,存在不合理膳食现象。

由科信食品与营养信息交流中心发布的《中国十大城市食品健康发展调研报告2020》,该报告中对这些城市推行“减油、减糖和减盐”原则的现状也进行了统计和分析,得出减糖最有成效。

摄入过多的糖和精制的碳水化合物与体内炎症增加以及胰岛素抵抗和体重增加有关。

糖过多与炎症有关

有大量证据表明,标准的西方饮食(加工糖和脂肪含量高)会导致肠道微生物群的组成以及包含这种微生物集合的肠壁强度发生 不健康的变化,并使它们远离进入血液,会引起炎症和其他损害健康功能的行为。

多项动物研究表明,高糖饮食会导致肥胖,胰岛素抵抗,肠道通透性增加和低度炎症。

人体研究证实了添加的糖和较高的炎症标记之间的联系。一项针对29位健康人的研究发现,每天仅从一罐375毫升苏打水中仅摄入40克添加糖,会导致炎症标记,胰岛素抵抗和LDL胆固醇增加。这些人也倾向于增加体重。

另一项针对超重和肥胖人群的研究发现,每天食用一罐普通苏打水六个月会导致尿酸水平升高,这是引发炎症和胰岛素抵抗的诱因。饮用无糖汽水,牛奶或水的受试者尿酸水平没有增加。

一项2018年的研究发现, 饮食中的果糖是一种天然水果和果汁中天然存在的单糖,也存在于加工甜味剂中,包括食糖和高果糖玉米糖浆,这会 改变肠道的微生物组成。

喝含糖饮料会加剧炎症。而且,这种效果可以持续相当长的时间。

摄入50克果糖的剂量仅在30分钟后会引起诸如C反应蛋白(CRP)等炎症标记物的激增。此外,CRP持续高出两个多小时。

除了添加糖以外,食用过多的精制碳水化合物还与人类炎症增加有关。在一项研究中,仅吃50克白面包形式的精制碳水化合物会导致较高的血糖水平并增加炎症标记物Nf-kB。

注意:是天然糖与炎症无关,添加的糖和天然糖之间存在差异。

添加的糖从其原始来源中去除,并添加到食品和饮料中,以用作甜味剂或延长保质期。

补充糖主要存在于加工食品和饮料中,尽管食用糖也被认为是补充糖。其他常见形式包括高果糖玉米糖浆(HFCS),蔗糖,果糖,葡萄糖和玉米糖。

食用糖(蔗糖)和高果糖玉米糖浆(HFCS)是西方饮食中添加糖的两种主要类型。

过量的糖和精制碳水化合物与炎症有关

然而,天然糖还没有被链接到炎症。实际上,许多含有天然糖的食物(例如水果和蔬菜)可能具有抗炎作用。

天然糖包括食物中天然存在的糖。实例包括水果中的果糖和乳制品中的乳糖。食用天然糖在体内被消耗和消化后的行为与添加的糖完全不同。

天然糖通常在整个食物中食用。因此,它伴随着其他营养物质,例如蛋白质和纤维,导致天然糖被缓慢吸收。天然糖的稳定吸收可防止血糖升高。

富含水果,蔬菜和全谷物等全食的饮食也可以带来其他健康益处。无需限制或避免食用完整食物。

2 人造反式脂肪

人造反式脂肪可能是您可以食用的最不健康的脂肪。

它们是通过将氢添加到液态不饱和脂肪中而产生的,以使其具有更固态的脂肪的稳定性。

在成分标签上,反式脂肪通常被列为部分氢化油

大多数人造黄油含有反式脂肪,通常将它们添加到加工食品中以延长保质期。

与乳制品和肉类中发现的天然反式脂肪不同,人造反式脂肪已被证明会引起炎症并增加疾病风险。除降低HDL(良好)胆固醇外,反式脂肪还可能损害动脉内壁的内皮细胞功能,这是患心脏病的危险因素。

食用人造反式脂肪与高水平的炎症标记物(例如CRP)相关。事实上,在一项研究中,报告最高反式脂肪摄入量的女性中CRP水平高78%。

在一项包括体重超标的老年妇女的随机对照试验中,氢化大豆油比棕榈油和葵花籽油显着增加了炎症反应。

对健康男性和胆固醇水平升高的男性进行的研究表明,对反式脂肪的反应,炎症标志物的含量也有类似的增加。

反式脂肪含量高的食物包括炸薯条和其他油炸快餐,某些种类的微波爆米花,某些人造黄油和蔬菜起酥油,包装的蛋糕和饼干,一些糕点以及所有加工食品,标签上均标有部分氢化植物油。

3 植物油和种子油

概要一些研究表明,大量食用植物油中的omega-6脂肪酸含量可能会促进炎症。但是,证据不一致,需要更多的研究。

在20世纪,美国的植物油消费量增长了130%。

一些科学家认为,某些植物油(例如大豆油)因其很高的omega-6脂肪酸含量而促进炎症。

尽管某些膳食中的omega-6脂肪是必需的,但典型的西方饮食所提供的营养远远超出了人们的需求。实际上,健康专业人员建议多吃富含omega-3的食物,例如肥鱼,以提高omega-6与omega-3的比例并获得omega-3s的抗炎作用。

在一项研究中,与以1:1或5:1的饮食喂养的大鼠相比,以omega-6与omega-3的饮食喂养20:1的大鼠具有更高的炎症标志物水平。但是,目前尚无证据表明大量摄入omega-6脂肪酸会增加人类的炎症。

对照研究表明,最常见的饮食中omega-6酸亚油酸不会影响炎症标记。

在得出任何结论之前,需要进行更多的研究。植物油和种子油被用作食用油,并且是许多加工食品中的主要成分。

4 精制碳水化合物

高纤维,未经加工的碳水化合物是健康的,但精制碳水化合物会提高血糖水平并促进可能导致疾病的炎症。

几千年来,古代人类以草,根和水果的形式消耗了高纤维,未经加工的碳水化合物。

但是,食用精制碳水化合物可能会导致炎症。精制碳水化合物已去除了大部分纤维纤维促进饱腹感,改善血糖控制,并喂养肠道内的有益细菌

研究人员建议,现代饮食中的精制碳水化合物可能会促进炎症性肠细菌的生长,从而增加您患肥胖症和炎症性肠病的风险。

精制碳水化合物比未加工碳水化合物具有更高的血糖指数(GI)。高GI食品比低GI食品更快地提高血糖。

在一项研究中,报告高摄入量胃肠道食物最多的老年人死于诸如慢性阻塞性肺疾病(COPD)之类的炎性疾病的可能性是普通人的2.9倍。

在一项对照研究中,年轻健康的男人吃了50克白面包形式的精制碳水化合物,血糖水平较高,并且特定炎症标记物的水平有所增加

糖果,面包,面食,糕点,一些谷物,饼干,蛋糕,含糖软饮料以及所有含糖或面粉的加工食品中都含有精制碳水化合物。

5 过量饮酒

虽然适度饮酒可带来一些健康益处。但是,较高的用量会导致严重的问题。大量饮酒可能会加剧炎症并导致“漏泄的肠道”,从而在整个身体内引发炎症。

在一项研究中,饮酒的人中炎症标志物CRP的水平升高。他们喝的酒越多,其CRP含量就越高。

大量饮酒的人可能会遇到细菌毒素从结肠移出进入人体的问题。这种情况-通常称为“漏泄性肠” -可以引发广泛的炎症,导致器官损伤。

为避免与酒精有关的健康问题,男性的摄入量应限制为每天两种标准饮料,女性每天只能摄入一种。

6 加工肉

加工肉富含AGEs等炎性化合物,其与结肠癌的强烈关联可能部分归因于炎症反应。食用加工肉会增加患心脏病,糖尿病,胃癌和结肠癌的风险。

加工肉的常见类型包括香肠,培根,火腿,烟熏肉和牛肉干

与大多数其他肉类相比,加工肉类包含更高级的糖化终产物(AGEs)。AGEs是在高温下烹饪肉类和其他食物而形成的。已知会引起炎症。

在与食用肉类食用有关的所有疾病中,其与结肠癌的关联最强。尽管许多因素都会导致结肠癌,但据信其中一种机制是结肠细胞对加工肉的炎症反应

响应多种诱因可能会发生炎症,其中一些诱因难以预防,包括污染,伤害或疾病。

为了尽可能保持健康,请尽量减少食用引发炎症的食物并食用抗炎食物,以减少炎症。

展望炎症的营养饮食干预

微生物组的作用主要在疾病中进行了研究,最近的评论呼吁关注个性化营养和微生物组定向疗法的潜力,例如,麻省理工开发的IBD患者中肠道抗炎饮食(IBD-AID),提供了一个非常好的肠道疗愈的饮食框架——用于减轻炎症、重建菌群,并与此同时保证营养摄入的充足和减轻患者的身体负担。

营养干预可能是挽救生命和降低医疗费用的可持续且具有成本效益的方式。但是,这些营养干预措施的长期成功因人而异。成功与否取决于每个人的饮食建议是否可行,以及这些措施是否确实产生了预期的生理变化。

图. 结合营养,微生物组和传统药物的个性化治疗路线图。

Schröder L et al., 2020. Nutrients

使用饮食干预的临床前模型进行的探索性分析和初步概念验证研究的结果已开始转移到临床。鉴于微生物组对宿主生理的核心作用及其对饮食投入的可塑性,这些对营养干预措施的个体化反应似乎至少部分取决于受试者的微生物组。通过高度特异性和个性化的营养补充来靶向微生物组的组成和功能。

因此建议在设计未来的营养干预措施时分析并纳入每个人的微生物组。虽然营养饮食干预还有很长的临床路径要走,但是发展营养干预措施,作为常规治疗的补充或替代疗法应该是未来的趋势。

参考资料:

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城市化减少了空气中微生物,这对我们的健康意味着什么?

谷禾健康

背景

目前,全球一半以上的人口居住在城市,到2050年,这一比例预计将增加到70%。 城市为人类带来了各种好处(例如,更大的就业,教育机会以及接触多种文化和食物的机会),但会影响我们与自然的互动。 重要的是,空气质量,建筑物密度,植被和运输路线等城市特征可能会影响健康,部分原因是改变了环境微生物群落(微生物群落)的组成以及我们对它们的暴露程度。

空气微生物组与人类健康特别相关,因为我们接触的持久性和普遍性。空气生物组中主要是细菌和真菌,它们共同构成了很大比例的空气传播颗粒。每天,我们的皮肤,口腔,鼻腔和呼吸道表面都暴露于这些社区。 实际上,生活在城市环境中的人们每天可以吸入大约一亿细菌。

 空气生物组最著名的健康影响是过敏反应的潜在诱因,以及引起呼吸道和传染性疾病的原因:例如,引起感染的细菌以及触发哮喘和过敏性鼻炎的花粉和真菌孢子。但是,越来越多的证据表明,某些类型的需氧菌素暴露可能具有重要的保护作用:特别是生命早期暴露于生物气溶胶可以引起免疫功能的系统性变化,从而抑制过敏,哮喘和炎症。在此基础上,早期接触丰富的气生真菌与降低过敏和/或哮喘发展的风险有关。

在这种情况下,城市化对空气微生物群落的任何影响都可能对人类健康产生重要影响。 一个人生活的环境决定了他们所接触的微生物,城市似乎减少了空气传播的微生物的多样性和丰富度。众所周知,过敏和哮喘在城市中比农村地区更为普遍; 如果城市确实减少了空气微生物群落的多样性,那么减少对微生物生物多样性的暴露可能是解释过敏,哮喘和其他城市相关疾病的机制。

 然而,关于空气生物组的哪些特征引起功能性全身免疫变化尚存争议。  “卫生假说”声称,大量的微生物暴露至关重要。 相反,“生物多样性假说”假设我们所接触的微生物群落的多样性是免疫系统发育的关键。 对于卫生和生物多样性都有经验支持 ; 目前尚不清楚什么构成“更健康的”空气生物组。

 如果我们要创建更健康的城市和人口,我们迫切需要更好地了解城市如何影响空气生物群系以及这对人类健康的意义。

近日,澳大利亚塔斯马尼亚大学自然科学学院和医学院的研究团队发表在环境生态学领域高水平期刊《Science of the Total Environment》上的一篇题为:“Urbanisation reduces the abundance and diversity of airborne microbes – but what does that mean for our health?”的研究通过系统地研究比较城市和农村地区空气传播的真菌和细菌群落(以下简称“空气微生物组(aerobiome)”,主要指低层大气中的细菌和真菌)的特征和/或健康影响的研究来填补这一知识空白。主要回答了以下问题:

(1)城乡空气生物组群之间在多样性和/或丰度上是否存在系统性差异?

(2)暴露于城市和农村的空气生物组会导致健康结果的系统性差异吗?

研究方法

搜索策略和纳入标准

使用Web of Science和ProQuest对经过同行评审的文章进行了系统搜索。以下搜索算法用于识别将城市和农村的空气生物组群进行比较并将研究结果与人类健康相关的研究。纳入了对沉降或吸尘的室内灰尘(例如,吸尘的床垫样品)进行采样的研究,因为这被认为是室外环境暴露的代表。如果研究仅在城市或农村类别中有一个抽样地点,则将其排除在外(即,必须包含多个城市和农村样本重复样本才能纳入研究)。没有明确地寻找检查花粉的研究,但是如果将这些群落的数据并入了研究通过空气传播的真菌或细菌群落的研究中,则将其包括在内。对于所有纳入的论文,符合纳入标准的。

数据析取

LC和EJF使用预先设计的数据收集表从每项研究中提取了以下信息:检查的空气生物组组分(即真菌,细菌,内毒素);城乡空气生物群系在多样性和/或丰度方面的差异,是否存在对健康影响的直接检验,以及认为什么机制是差异健康结果的基础(如果有)。

  2.3。 数据分析我们评估了所有研究,这些研究比较了至少一个空气生物组的组成部分的多样性和/或丰度,并且统计了发现(a)城市,(b)农村或(c)空气生物组的指标均不高的论文数量。对每个分析都进行了单独的计数,也就是说,如果出版物比较了真菌和细菌的多样性,会将其视为单独的分析。 同样,如果一项研究的指标中发现有矛盾的发现,则将这些发现分开计数。使用Pearson卡方检验确定在城市和农村地区发现多样性和丰度更高的研究数量之间是否存在显着差异(α= 0.05) 量化该类别差异的研究。


系统的审查筛选过程和初步结果

结果:

城乡空气生物群系的比较特征

在通过搜索词识别的377篇论文中,我们的筛选揭示了19篇论文,这些论文明确比较了复制的城市和农村地区的空气生物群系,旨在了解人类健康的影响。 只有少数研究比较了城市和农村地区之间的空气生物组多样性(30次分析中n = 12,占40%)。在12个多样性比较中,绝大多数(n = 8; 67%; p≤0.01)发现农村地区的多样性更高,有四个发现两个地区的多样性相似(33%)。没有研究发现城市地区更加多样化。

系统评价的结果:农村,城市或两个地点的空气微生物组含量或多样性较高的研究数量。

空气生物组差异对健康的影响

只有四项研究同时测试了空气生物组学和人类健康的影响。 其中两项研究仅是观察性研究,两项是通过实验测试了城市和乡村空气生物群系对免疫功能的不同影响。所有四项研究都确定,农村空气生物组可以促进更好的健康结果

 两项通过实验测试城市和农村空气生物组暴露对免疫功能影响的研究均得出结论,早期暴露于农村空气生物群系有助于T调节和修饰的Th1型免疫反应,从而预防Th2介导的过敏和哮喘。

 农舍,农村家庭和农舍都比城市家庭具有更多的细菌,农舍但不是城市家庭的灰尘诱导人体血液中抗炎细胞因子(IL-10和IL-2)的释放。 

发现城市尘埃对人树突状细胞的刺激使免疫反应趋向于更高的过敏性(Th2型反应),而谷仓尘土的刺激则引起了较低的过敏性(Th1型)免疫反应。 但是研究指出归因于城市尘埃的免疫学影响是:1)与乡村农场的尘埃相比,尘埃较少,2)人类共生生物的比例更高,3)“微生物碎片”(破碎而不是完整的细胞)更多。

 还有两项研究将空气生物组差异与人类健康结果相关联。研究发现农村地区的儿童哮喘,鼻炎和临床医生测试的过敏性致敏症的患病率较低,并且比城市地区的儿童患细菌的丰富性和多样性更高。 另一项研究表明,农村环境微生物群和婴儿肠道微生物群比城市人群更为多样化; 可能与免疫功能有联系的结果,尽管在研究中未测试此类联系。

讨论:

影响城乡空气生物组的因素

鉴于空气微生物的两个主要来源是叶片表面和土壤, 在空间上,空气生物群系可以在相对较小的尺度上变化,这在很大程度上受土地利用,土地覆盖以及距特定生物气溶胶生产活动的距离的影响。土地绿化覆盖尤为重要; 与城市非植被相比,即使在50 m附近,植被带也可能具有明显的空中细菌和真菌空中群落。

从时间上讲,天气和季节对空气生物群系有重要影响; 在夏季或秋季以及雨后,温带环境中的真菌和细菌总数通常较高。尽管这些模式取决于当地的气候和土地覆盖特征。如果要更好地理解城乡之间的空气生物组差异,就需要在研究设计中控制这些因素。

 在“城市”和“农村”区域内的不同采样位置可能掩盖了空气生物组的差异,尤其是在空间重复次数有限或在不同时间采样位置的情况下。

 这就提出了规模问题,因为它涉及到城乡分类;这些术语的定义方式多种多样,强调了需要在土地利用类别中进行抽样复制,以详细说明生态驱动因素对区域格局的影响。 在本研究分析中,研究者排除了仅对城市或农村类别中的单个位置进行采样的13项研究,认为该领域的主要问题是采样重复性不足。 当将这些研究包括在内时,农村空气生物组学丰度和多样性的增加趋势是一致的,这表明这种趋势对于研究设计和严谨性的变化是有力的。

空气生物群落与人类健康之间的联系

尽管所有这些研究都是通过健康的角度对空气生物群系进行检查的,但我们发现很少直接测试对人类健康的影响,因此很难确定农村和城市空气生物群系的影响或确定其对健康有影响的特征(即丰度与多样性)。微生物群落。 尽管如此,四项测试了空气生物组对人类健康的影响的研究都发现农村环境有益于健康 。 两项检查因果关系的研究得出的结论是,农村农场的尘土引发了从更过敏的(Th2型)免疫应答的转变。 然而,他们将这种转变归因于空气生物组的不同特征:在农村环境中细菌多样性增加或人类适应性降低的微生物和空气传播的微生物碎片减少。微生物群落的丰度,多样性和组成如何影响健康,以及人类为了获得最佳健康结果而暴露于空中微生物组的年龄和频率是应用这些概念之前必须回答的关键问题。

局限性,挑战和机遇

我们首先要承认在“城市”和“农村”的粗略分类中极端的生态变异性。 鉴于土地利用和土地覆盖甚至可以在很小的尺度上影响空气生物群落(例如50m),这些景观类别似乎不够粗略,无法进行比较。

 但是,这些景观之间存在重要的生态差异,包括不透水表面,植被和裸露土壤的数量以及人口密度等,这些差异支持将这些分类用于初步研究。我们发现农村景观的丰富度和多样性不断提高,反映了这些景观水平的差异。 但是,此处确定的趋势将隐藏这些类别中的重要差异。 例如,城市范围内的生物多样性绿色空间可能创造出更多的生物多样性空气生物群落,并具有潜在的健康益处。鼓励进一步探索这些更细微的差异,并进行足够的空间复制和对人类健康影响的实验测试,以促进对空气生物组学的进一步了解和应用。

 比较空气生物研究的另一个挑战是收集,分析和报告结果的方法的多样性。根据微生物和感兴趣的问题,研究使用了多种采样方法。 这些方法学决策可能会显著影响所得微生物群落的推断丰度和多样性。 传统上,通过培养和/或显微镜鉴定进行空气生物组学研究,而现代遗传技术(例如高通量DNA测序)则可以更好地量化微生物群落的多样性。

因此,除非对于培养活细菌/真菌特别感兴趣,我们建议使用高通量测序方法。 通过将高通量方法与qPCR结合使用,研究人员可以有效,更客观地评估不同空气生物组成分(细菌,真菌和花粉)的多样性和丰度。 通过在给定研究中仅比较城市与农村的结果,分析避免了这些方法上的混淆,但是,为了获得最大的比较潜力,需要统一方法。地球微生物组项目在线提供了详细的方案,用于环境微生物组采样和高通量DNA测序方法,建议以后的研究使用这些指南。

 除抽样方法外,另一个影响可比性的问题是对丰度和多样性指标的使用和报告不一致。计算多样性的方式(例如物种丰富度,香农多样性,UniFrac距离等)会影响生物多样性与健康之间的关系。 例如,我们的一项研究表明,不同地点之间细菌和真菌的物种丰富度(α多样性)没有差异,但农村地区之间的地点间差异(β多样性)更大。 要准确比较研究或地区之间的社区,就需要访问用于计算社区指标的原始数据。

 这些类型的大数据比较有助于获取知识,但是只有在所有DNA序列数据都可以公开访问时才有可能,例如Earth Microbiome Project。因此鼓励其他研究人员提供其数据,以促进跨研究的比较。

结论

该统计结果表明,严格比较农村和城市空气生物群系的研究仍然很少,尚需了解农村和城市空气生物群系如何以及为何不同以及如何影响人类健康。但是,他们发现,与城市地区相比,农村地区空气传播的真菌和细菌的丰度和多样性呈现出明显的趋势。 同样,所有四项研究同时比较了城市和农村的空气微生物组和人类健康,得出的结论是,农村的空气微生物组对人有保护性免疫系统的作用。包括两项直接测试不同空气生物组对人类免疫功能的影响的研究。 但是,值得注意的是,有几篇论文发现站点之间的丰度或多样性没有差异,这表明需要进行研究以探究造成空气生物群系城乡差异的驱动因素。

由于城市增长引起的环境变化,包括土地利用变化,人口和住房密度,农业集约化以及野生和家养动植物种群的变化,都可能影响空中微生物群落。除了进一步的研究比较各种土地利用和地理区域的空气生物群落,同时控制关键的混杂因素(如天气)外,至关重要的是,研究必须公开其方法和数据,以使用相同的分析和生物信息管道促进交叉研究的比较。还需要进行更多研究以实验性地测试这些变化如何影响人类健康。

主要参考文献

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Barberán, A., Ladau, J., Leff, J.W., Pollard, K.S., Menninger, H.L., Dunn, R.R., Fierer, N., 2015. Continental-scale distributions of dust-associated bacteria and fungi. PNAS 112, 5756–5761. https://doi.org/10.1073/pnas.1420815112.

Bertolini, V., Gandolfi, I., Ambrosini, R., Bestetti, G., Innocente, E., Rampazzo, G., Franzetti, A., 2013. Temporal variability and effect of environmental variables on airborne bacterial communities in an urban area of Northern Italy. Appl.Microbiol. Biotechnol. 97, 6561–6570. https://doi.org/10.1007/s00253-012-4450-0.

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Mhuireach, G., Johnson, B.R., Altrichter, A.E., Ladau, J.,Meadow, J.F., Pollard, K.S., Green, J.L., 2016. Urban greenness influences airborne bacterial community composition. Sci.Total Environ. 571, 680–687. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.07.037.

微生物群对三大过敏性疾病发展的影响

谷禾健康

在前一篇文章 生命早期微生物接触和过敏风险:如何预防,我们已经了解了微生物与过敏之间千丝万缕的联系。从构建微生物开始,到影响微生物的因素,过敏机制的阐述以及预防过敏的措施等都有了基本的认识。

本文将对微生物在过敏性疾病(食物过敏、特异性皮炎、哮喘)中的作用进行逐一介绍,尤其是微生物在儿童食物过敏这种常见的疾病中的发病机制进行详细阐述。

“健康”微生物群的早期定植过程正逐渐成为终身健康的关键决定因素

我们知道微生物组的组成在生命的最初几年是动态变化的,并且可以受到一些产前和产后环境和宿主相关因素的影响(下图)

影响人体微生物群发育的因素

Diego G. Peroniet al, Front.Immunol. 2020

新生儿微生物群是一个脆弱的、高度动态的生态系统,在生命的最初几年里,由于一些产前和围产期因素的影响,其组成发生了迅速的变化。肠道微生物群的成熟主要发生在2-3岁时。因此,婴儿早期可能是调节微生物群落以促进健康生长发育的关键时期。

生命的前1000天(即从受孕到2岁)似乎代表了微生物组调节的关键机会窗口。在这一时期之后,肠道微生物群趋向于获得具有不同微生物群落组成和功能的类似成人的结构。

01 微生物组和食物过敏

在过去的二十年中,食物过敏(FA)的患病率,持续性和严重性一直在增加。来自人类和动物研究的越来越多的证据支持肠道微生态失调在FA发展中的关键作用。

基于16S rRNA测序的研究发现,与没有FA的儿童相比,患有FA的儿童具有独特的肠道微生物组结构。

表. 在有和没有FA的小儿患者之间主要的肠道微生物组差异(基于16S-rRNA测序的研究)

M.D.Costanzo et al, Int.J.Mol.Sci.2020

FA:食物过敏; FS: 食物过敏; OTUs:操作分类单元; N.R.: 未报道过的; ↑ : 增加;↓: 减少; =: 不变.

表1中所有研究均调查了IgE介导的食物过敏。有趣的是,关于46例受非IgE介导的牛乳过敏(CMA)影响的患者的数据显示,与健康对照组相比,失调的菌群中拟杆菌Bacteroides (Bac 12) 和Alistipes丰富,IgE介导的CMA儿童的特征重叠,是从健康到IgE介导的CMA患者的拟杆菌逐渐增加。

在同一项研究中,患有非IgE介导的CMA的儿童的粪便中丁酸浓度明显低于健康人

菌群失调先于FA发作

来自人体研究的可用数据表明,菌群失调先于FA发作。Nakayama等人对过敏性和非过敏性婴儿的粪便细菌组成进行了分析,并将肠道微生物组组成的某些变化与以后几年的过敏发展相关联。

Azad 等人研究发现,在婴儿早期肠道微生物组含量较低的情况下,肠杆菌科Enterobacteriaceae / 拟杆菌科Bacteroidaceae的比率增加Ruminococcaceae的丰度较低与随后的食物敏感性相关,这表明早期肠道菌群失调对FA的后续发展有促进作用。

此外,人类研究的可用数据表明:

– 没有特定的菌群可以始终与FA相关联,其广泛的微生物可能对耐受性机制产生积极或消极的影响;

– 生命早期,尤其是生命的头6个月,微生物组构成与FA的发展更为相关;

– 菌群失调不仅可以影响FA的发生,而且可以影响FA的病程,这是由比较长大后不再患FA的儿童与FA持续存在的患者不同的肠道微生物组特征所表明的。

肠道微生物组:针对食物过敏的作用机制

肠道微生物组通过促进针对FA的几种免疫和非免疫作用机制,在介导免疫耐受中起重要作用。

在细胞水平上的作用机制

目前的证据表明,肠道微生物组可以预防FA,从而诱导T调节(Treg)细胞的活化,而在无菌小鼠中发现Treg细胞被耗尽,从而导致FA的形成。

微生物群诱导的Treg细胞表达核激素受体RORγt,并沿着一条通向Th17细胞的途径分化。相反,在Treg细胞中不存在RORγt的情况下,表达GATA-3的Treg细胞和常规Th2细胞会扩增,并且与Th2相关的病理会加剧。

通过共生微生物,包括梭菌Clostridiales和拟杆菌Bacteroidales,在保护性RORγt+ Treg细胞的产生中起作用机制的特征是涉及髓系分化原发反应(MyD88)的途径。

这反过来又是几种先天性免疫细胞因子(IL-1,IL-18,IL-33)和Toll样受体信号通路的重要信号转导子。

Treg细胞中MyD88的缺失消除了保护作用,从而建立了MyD88–RORγt信号轴,可在肠道的新生Treg细胞中起作用,介导FA中共生菌对耐受的诱导。

此前已证实,Treg细胞中的MyD88调节IgA对肠道菌群和饮食抗原的反应,而这反过来在促进宿主-微生物组共生中起着至关重要的作用。

菌群失调导致FA中共生菌群-Treg细胞MyD88–RORγt +轴破坏。FA婴儿和小鼠的分泌型IgA与肠道菌群的结合减少,并且IgE结合明显增加。

除了对Treg细胞有直接作用外,健康的肠道微生物组还可以通过影响肠上皮细胞的功能并调节其屏障保护特性来保护FA。

固有的淋巴样细胞(ILCs)在粘膜和屏障位点丰富,参与了这些防御机制。

在其他因素中,ILC3产生IL-22,这是一种细胞因子,通过其多效性作用来促进组织抗微生物肽的产生,增强上皮的再生,增加粘液的产生以及调节肠道对食物过敏原的渗透性,从而对维持组织的免疫力和生理至关重要。

此外,Feehley等人的结果表明,健康婴儿粪便微生物群定殖的小鼠在回肠上皮细胞中显示一组独特的基因上调,例如Fbp2,其编码糖原异生酶果糖-双磷酸酶1,在维持肠道生态平衡中起重要作用。

相比之下,被CMA婴儿粪便微生物菌群定植的小鼠表现出Tgfbr3和Ror2的下调,这对上皮修复很重要。

菌落定植后,微生物组还促进固有层内的B细胞受体编辑。调节性B细胞具有免疫抑制能力,通常由IL-10分泌介导,但也有IL-35和TGF-β的产生。另一个免疫调节作用是在分化为浆细胞的过程中IgG4抗体的上调。

代谢水平:免疫调节代谢物

肠道微生物组在肠道中发挥促耐受作用的其他潜在机制与免疫调节代谢产物的产生有关,该代谢产物与宿主免疫细胞相互作用,促进无害的管腔抗原无反应性。

短链脂肪酸(SCFA)资料的初步数据为干预开辟了新的前景。SCFA,包括乙酸,丙酸,戊酸和丁酸,均来自结肠中膳食纤维的微生物发酵。SCFA是结肠细胞的主要能源。

SCFA直接与肠上皮细胞(例如GPR41,GPR43,GPR109A和Olfr78)上的G蛋白偶联受体(GPCR)结合,或者可以被动扩散通过细胞膜以抑制上皮和肠免疫细胞中的组蛋白脱乙酰基酶(HDAC)。

对肠上皮细胞的下游影响是调节参与能量代谢,细胞增殖和分化以及上皮屏障(紧密连接和粘液产生)的强化的基因表达。SCFA还通过改变NLRP3炎性体和自噬活性来影响肠道炎症和组织修复过程。

丁酸对食物过敏发挥免疫和非免疫作用

在SCFA中,丁酸在免疫耐受中起关键作用。已经发现SCFA能够增加结肠Treg细胞的频率,并且对来自无菌小鼠的结肠Treg细胞进行体外丙酸处理可显着增加FoxP3和IL-10表达,这是调节Treg细胞功能的关键细胞因子。

同样,已证明丁酸可在小鼠模型中促进活化FoxP3 + Treg细胞的生成。丁酸能够增强维生素A的代谢,进而诱导肠道CD103 +树突状细胞(DC)中的醛脱氢酶(ALDH)活性,并增加Treg细胞和IgA产生的百分比。

此外,丁酸促进B细胞分化,增加IgA和IgG的产生。其机制是多方面的,包括通过抑制HDAC对基因表达进行强烈的表观遗传调控(下图)

图. 丁酸对食物过敏发挥免疫和非免疫作用(FA)

M.D.Costanzo et al, Int.J.Mol.Sci.2020

产丁酸菌代表一个功能基团,而不是一个连贯的系统发育基团。菌群失调会抑制高丁酸盐生产者种类,从而导致丁酸总产量减少。因此,不同类型的菌群失调可能具有相同的代谢特征,导致丁酸或其他代谢物水平产生相似的影响,从而促进FA的发生。

从这些数据开始,研究者在CMA小鼠模型中测试了丁酸口服液,并观察到它抑制了急性过敏性皮肤反应和过敏性症状评分,体温降低,肠通透性增加以及β-乳球蛋白(BLG)特异性IgE,IL- 4,和白细胞介素10的生产,表明丁酸对FA的保护作用。

此外,丁酸补充剂增强了口服免疫疗法在CMA小鼠模型中诱导的效应细胞的脱敏,有效减少了抗原攻击后肥大细胞和嗜碱性粒细胞的活化,并增强了Treg细胞的功能。

除了这些源自CMA小鼠模型的初步数据外,人体研究的结果还证实了SCFA在FA中的重要作用。

FA与特定疾病的代谢组学特征相关,特别是在鞘脂和磷脂代谢中,FA与哮喘区别开来。FA患者和哮喘患者的特定比较显示,微生物群敏感的芳香族氨基酸和继发性胆汁酸代谢存在差异。

在患有FA的儿童中,严重的全身反应史和多个FA的存在与色氨酸代谢产物,类花生酸,缩醛磷脂和脂肪酸水平的变化有关。在患有FA的儿童中观察到的鞘脂和神经酰胺水平降低以及其他代谢组学改变可能反映了微生物组改变与肠道免疫细胞亚群之间的相互作用。

鉴定对免疫耐受网络有积极影响的细菌代谢物可能是一种利用后生物方法对抗FA的有趣策略。

针对食物过敏中的肠道微生物

影响FA的发生的干预手段包括环境,益生菌/益生元/合生元等制剂的使用,粪菌移植等。

环境因素

有几种可更改的环境因素可以影响FA的发生,并且有可能成为预防FA的目标。机会之窗被称为“头1000天”,在该机会之窗中,环境因素决定了个人对成年后发展为传染性和非传染性慢性疾病(包括过敏)的敏感性。这个时期从子宫内发育到生命的最初2年,在此期间,肠道菌群和免疫系统的发育受到环境因素的强烈影响。

图. 婴儿肠道菌群组成和功能与多种环境因素有关

M.D.Costanzo et al, Int.J.Mol.Sci.2020

孕期和哺乳期的产妇饮食对产妇肠道和哺乳动物腺微生物群(肠胃通路)具有直接和间接的影响,并且在早期影响婴儿肠道微生物组的组成和功能中起着关键作用。

其他因素,例如农村环境,阴道分娩,家庭人数增加,宠物接触,母乳喂养,高纤维饮食和/或发酵食品,都与抵抗FA的发展有关。

相反,剖宫产,产前和生命早期接触抗生素,胃酸抑制剂,防腐剂以及垃圾食品和/或低纤维/高脂饮食可能会增加FA发生的风险。这些环境因素主要与肠道微生物组的结构和功能有关。

益 生 菌

益生菌被定义为“活微生物,当以适量的量作为食物的一部分进行施用时,可以给宿主带来健康益处”。

益生菌可以在免疫耐受网络中发挥不同的作用:调节肠道微生物组的结构和功能(例如,增加丁酸盐的产生);与肠细胞相互作用,随后调节非免疫性(肠通透性和粘液厚度)和免疫耐受机制(刺激分泌型IgA和β-防御素的产生);免疫细胞对细胞因子反应的调节。

补充益生菌是预防和治疗FA的有效选择。最常见的益生菌分为两种,即乳酸杆菌双歧杆菌

 鸡蛋过敏 

最近在鸡蛋过敏的小鼠模型中进行了益生菌抗FA活性的临床前研究。罗伊氏乳杆菌AB425917恢复了肠道菌群的恶化和Th1 / Th2的失衡,从而诱导了肠道对卵清蛋白诱导的过敏反应的免疫耐受。

宋等人分离并鉴定的鼠李糖乳杆菌2016SWU.05.0601,能够通过调节肠道菌群恢复卵白蛋白致敏小鼠的Th1 / Th2和Treg / Th17免疫失衡,这有助于降低血清IgE和卵白蛋白-IgE水平。

贝类过敏

在小鼠贝类过敏模型中,口服益生菌株婴儿双歧杆菌14.518在预防和治疗策略中有效地抑制了原肌球蛋白引起的过敏反应。

进一步的研究结果表明,婴儿双歧杆菌14.518刺激了肠道相关淋巴组织中DC的成熟和CD103+耐受性DC的积累,从而诱导了旨在抑制Th2偏向性反应的Treg细胞分化。

作者发现婴儿双歧杆菌14.518调节肠道菌群组成的变化。具体而言,Dorea的增加和Ralstonia的减少与Th2/Treg比值高度相关,可能有助于减轻原肌球蛋白引起的过敏反应。

牛奶过敏

在CMA的鼠模型中也进行了临床前研究。干酪乳杆菌BL2对无菌小鼠的新生婴儿进行单菌落化,可调节对牛奶蛋白的过敏性致敏作用。

酪乳杆菌定殖的小鼠发展出更高的酪蛋白特异性IgG反应,因为酪蛋白被酪乳杆菌水解成免疫原性肽。其他作者报道了相似的结果,他们观察到在BLG致敏的小鼠中施用婴儿双歧杆菌CGMCC313-2后IgE,IL-4和IL-13的浓度降低。

临床研究已经调查了选定的益生菌菌株对FA的功效。该作用似乎是菌株特异性的。在各种益生菌中,鼠李糖乳杆菌GG(LGG)已作为一种细菌菌株出现,能够在人类尤其是CMA中发挥抗过敏作用。

在CMA儿童中,与单独的EHCF和其他配方相比,补充LGG的广泛水解酪蛋白配方(EHCF)在6和12个月后诱导更高的耐受率。在对220名CMA患儿的小儿队列进行的3年随访中,与单独使用EHCF相比,用EHCF + LGG治疗后,进一步证实了口服耐受性获得率更高,其他过敏性表现的发生率也更低。

此外,用EHCF + LGG治疗CMA婴儿导致特定细菌菌株的富集,这些细菌与较高的粪便丁酸水平相关。世界过敏组织准则认为,使用功能性食物调节免疫系统是一种有前途的研究假设,是在CMA背景下诱导耐受性免疫环境的努力的一部分。

然而,作者得出结论,需要更多来自随机对照试验的证据。他们确定了在CMA治疗中补充益生菌的进一步研究是开发CMA有力证据基础的重要领域。

花生过敏

还对患有花生过敏的患者进行了LGG的研究。在一项临床试验中,接受了花生口服LGG免疫治疗18个月。与安慰剂相比,接受联合治疗的受试者对花生的脱敏率更高(分别为82.1%和3.6%)。

对参与该益生菌和口服免疫疗法联合试验的56名儿童中的48名儿童的随访研究表明,与接受安慰剂的受试者相比,在停止治疗后的四年中,接受治疗的个体更有可能继续吃花生(67%vs 。4%,p = 0.001);此外,与安慰剂治疗的对照组相比,治疗组的更多参与者的花生皮刺试验量较小,花生sIgG4:sIgE比例更高。

益 生 元

益生元现在被定义为“被赋予健康益处的宿主微生物选择性利用的底物”,包括不可消化的化合物,例如寡糖或可溶性发酵纤维,它们被选择性利用并促进有益微生物的生长并改善健康。

尤其对半乳糖-低聚糖(GOS)/果糖-低聚糖(FOS)的组合研究最多。益生元的作用机理有直接和间接作用。间接影响包括选择性发酵增加肠道内有益菌数量

SCFA在肠道和肠外水平介导益生元的直接有益作用。有人建议补充益生元是预防过敏性疾病的一种可能的干预方法。然而,在该领域进行的绝大多数系统评价和荟萃分析得出的结论是,尽管几项研究显示了益生元对过敏表现的积极作用,但现有证据不足以推荐将益生元作为预防过敏的常规方法。配方奶喂养的婴儿。因此,在该领域需要进一步严格的研究。

后 生 元

“后生元”是指使用无活力的细胞或细胞级分,当以足够的量给药时,它们会给宿主带来健康益处。另外,“后生元”还与可溶性成分有关,例如SCFA,维生素,细菌素,有机酸,酶,过氧化氢,乙醇,二乙酰基,肽,细胞表面蛋白,海胆酸,肽聚糖衍生的多肽,内多糖和外多糖活益生菌细胞在发酵过程中产生或在实验室中合成产生的,乳球蛋白,缩醛磷脂,多磷酸盐和群体感应分子。

SCFA引发的免疫调节机制代表是饮食、肠道微生物组和过敏性疾病之间最紧密的联系之一。

在一个301名1岁儿童的人类队列中,据报道饮食摄入的成分与粪便中SCFA含量之间存在显着相关性,表明饮食可用于调节SCFA的微生物产生。作者还研究了SCFA在预防过敏中的作用,发现丁酸水平最高的儿童对食物过敏原过敏的风险降低了。

如前所述,临床前研究表明,在SCFA中,丁酸酯通过多种致耐受机制有助于预防FA的发展。在人类观察性研究中,在过敏性儿童中观察到丁酸缺乏症,而在CMA治愈速度较快的儿童中观察到了富含丁酸产生菌(梭菌类和厚壁菌门)的富集。

这些数据表明,基于SCFA对抗FA的后生方法的潜力。但是,尚未进行基于SCFA补充剂进行FA预防和治疗的临床试验。因此,目前尚无任何科学学会推荐用于预防和治疗FA的最佳生物后给药频率。

合 生 元

益生元是益生元和益生菌的混合物,它们通过改善存活的微生物饮食补充剂在胃肠道中的存活和植入,改善宿主的健康来影响宿主。

Candy等人设计了一项研究,以研究合生元成分是否可以改善非IgE介导的CMA婴儿的肠道菌群,以达到与健康,母乳喂养婴儿相似的微生物组成。

给疑患有非IgE介导的CMA的婴儿服用含有合生素的测试配方,或不含合生素的对照配方。测试配方为低变应原,基于营养完整的氨基酸的配方,包括低聚果糖和益生菌短双歧杆菌M-16V的益生元混合物。对照配方是不含合生元的氨基酸配方。

作者得出的结论是,基于含有特定的合生元的氨基酸配方,改善了疑似非IgE介导的CMA婴儿的粪便微生物群,接近了健康,母乳喂养婴儿的肠道菌群组成。

有趣的是,双歧杆菌-16V可能通过IL-33/ST2信号改变肠道微生物群,以减轻过敏症状。这些结果表明肠道微生物群对FA对膳食抗原的调节是必不可少的,并证明菌群调节的干预可能与FA有关。

但是,尽管这些初步数据很有希望,但仍需要进一步研究以评估这种方法对临床症状的疗效。

粪便菌群移植

粪便菌群移植代表了另一种在FA患者中塑造肠道菌群的方法。该策略背后的思想是,从健康的供体向疾病的受者进行粪便微生物菌群的移植可以通过促进口服耐受性来恢复肠道的普遍性。

最近,一项人体研究表明,粪便菌群移植能够通过恢复肠道菌群多样性来诱导婴儿过敏性结肠炎的缓解。但是,该领域的可用数据仍然有限,相关的科学工作才刚刚开始。

02 微生物组和特应性皮炎

在世界范围内,最常见的炎症性皮肤病是特应性皮炎(AD),儿童患病率为10–20%。在这些儿童中,有60%的人AD发病发生在生命的早期,即1岁之前。84%患有特应性皮炎的儿童有入睡困难。

特应性皮炎是一种复杂的皮肤病,其特征是表皮屏障功能障碍、先天/适应性免疫反应改变和皮肤微生物多样性受损。

一些因素,如年龄、性别、种族、气候、紫外线照射和生活方式驱动因素,都会影响皮肤微生物组的组成。

 健康的皮肤微生物组 

健康的皮肤微生物群以丙酸菌属Propionibacterium species为代表,主要分布于皮脂腺部位,棒状杆菌Corynebacterium和葡萄球菌 Staphylococcus在潮湿的微环境中更为丰富。马拉色菌Malassezia是人类皮肤上主要的真菌菌群。

 特异性皮炎微生物组 

微生物多样性的丧失,金黄色葡萄球菌Staphylococcus aureus 多于表皮葡萄球菌Staphylococcus epidermidis,是急性和慢性AD皮肤部位的一个特征性特征,与AD的严重程度和对常见过敏原过敏的风险相关。

C.E. Powerset al.Journal of Dermatology,2015

AD,特应性皮炎;AMP,腺苷一磷酸;

PS,心理应激;RH,相对湿度

金黄色葡萄球菌通过不同途径参与表皮屏障的破坏,包括下调表皮蛋白的终末分化,如丝状蛋白和洛瑞林,以及促进皮肤蛋白酶活性,从而直接破坏皮肤屏障。

凝固酶阴性葡萄球菌,包括表皮葡萄球菌 S. epidermidis、S. hominis和S. lugdunensis,可以分泌抗菌代谢物,限制金黄色葡萄球菌的过度生长和生物膜的形成。

表皮葡萄球菌

此外,表皮葡萄球菌还可以激活TLR2信号,诱导角质形成细胞衍生抗菌肽的产生,增加表皮紧密连接蛋白的表达。表皮葡萄球菌在新生儿皮肤上的定植与诱导特异性树突状细胞(Tregs)有关,这些树状突细胞调节宿主免疫反应的局部激活。

最近有研究表明,婴儿在2个月时皮肤共生葡萄球菌的种类显著减少,这些婴儿后来在1岁时发展为AD,这表明有针对性的局部调节有利于早期定植该属,可能会降低以后发生AD的风险。

这些发现,再加上定期使用保湿霜修复皮肤屏障和恢复共生细菌多样性的证据,构成了正在进行的局部益生菌应用研究的基本原理,例如Vitreoscilla filiformis裂解物和Roseomonas mucosa,作为调节皮肤微生物群与治疗AD的潜在策略。

初步资料还显示,将抗微生物凝固酶阴性葡萄球菌自体皮肤移植到AD患者身上,可以减少金黄色葡萄球菌的过度生长和定植。

AD患者肠道菌群的变化

AD患者肠道微生物组中双歧杆菌的浓度低于健康对照组,并且这些数量与疾病的严重程度成反比艰难梭菌早期肠道定植与AD的发生有关,1个月时拟杆菌多样性较低与2岁时的AD相关。

有证据表明,由于T细胞介导的反应发生变化,产前和产后补充乳酸杆菌和双歧杆菌可以降低婴儿患AD的风险

最后,最近一项关于肠道微生物群的大型前瞻性研究表明,与健康对照组相比,学龄前患上AD的儿童的Lachnobacterium和Faecalibacterium的数量明显减少。值得注意的是,这些菌群的差异丰度在整个婴儿期被记录下来,这支持了它们在AD发展中的发挥保护作用的可能性。

03 微生物组和儿童哮喘

越来越多的证据表明,生命早期肺部微生物组的组成可以影响呼吸系统健康或疾病的发展。临床前模型支持细菌对过敏性气道炎症的保护作用。

拟杆菌门,尤其是普雷沃特菌属Prevotella,在健康受试者的肺部微生物群中占优势。

在生命的前2周,肺微生物组促进树突状细胞中程序性死亡配体1(PDL1)的瞬时表达,这是Treg介导的减轻过敏性气道反应所必需的。

流行病学证据表明,在农业环境中长大的儿童,从小就接触各种微生物群,过敏发生率较低

 生命早期链球菌气道定植是哮喘的强预测因子 

值得注意的是,在生命的头2个月内,由链球菌Streptococcus 、莫拉克西拉菌Moraxella或嗜血杆菌Haemophilus引起的气道定植与生命第一年的下呼吸道病毒感染的严重程度和以后哮喘发展的风险有关。

变形菌门也与哮喘和中性粒细胞性加重有关,而拟杆菌与嗜酸性粒细胞性加重有关,因此认为不同的介质和微生物组可能代表不同的生物恶化簇。

新的证据表明,早期肠道微生物的紊乱也会影响过敏性气道炎症的发展。在新生小鼠中使用抗生素有利于微生物组分的变化,这与肠道阻力的改变和气道高反应性的增加有关。同样,人在出生前后接触抗生素会增加患哮喘的风险。

 哮喘婴儿肠道微生物组 

在最近的一项纵向研究中,Galazzo等人表明,与健康对照组相比,学龄期哮喘婴儿肠道微生物组中的细菌属Lachnobacterium、LachnospiraDialister显著减少

加拿大健康婴儿纵向发育研究(CHILD)对3个月大时肠道微生物组的分析表明,在有儿童哮喘风险的婴儿中,毛螺菌属Lachnospira, 韦荣球菌属Veillonella, 粪杆菌属Faecalibacterium和罗氏菌属Rothia 减少

在另一项最近的观察性队列研究中,1岁时毛螺菌科Lachnospiraceae, 粪杆菌属Faecalibacterium和Dialister减少与5岁时哮喘风险增加相关。

菌群对哮喘发生的保护作用可以通过其发酵产物介导

Faecalibacterium prausnitzii 发酵膳食纤维产生短链脂肪酸,尤其是丁酸。丁酸是结肠细胞的首选能源,通过诱导Tregs和促进上皮屏障通透性具有抗炎作用。

SCFAs可促进骨髓树突状细胞的成熟过程,导致成熟细胞在肺部激发Th2反应和诱导黏膜B细胞产生IgA的能力降低。在实验和人体研究中,早期高水平的肠道微生物衍生丁酸可降低过敏原致敏和哮喘发生的风险。

最后,最近对口服益生菌对哮喘相关结果影响的研究进行了系统综述,结果表明,在哮喘控制和肺功能方面,接受益生菌补充的儿童与对照组相比没有显著差异。

04 结 语

综上,生命早期是微生物和免疫系统发育的关键时期。目前已知的婴儿期与过敏性疾病相关的微生物群改变(下图)。

Diego G. Peroniet al, Front.Immunol. 2020

在生命的最初几年中,微生物群的发育和成熟受到干扰,可能对免疫健康产生各种有害影响,有助于确定过敏疾病的发展。

尽管近年来对早期生命营养、微生物组和免疫系统发育之间关系的理解已经显著增加,但在涉及的分子机制方面仍然存在着大量的知识空白,需要探索。

当然,通过干预以可改变的环境因素的形式,或者用益生菌、益生元、合生元来塑造肠道微生物组都是有效策略。肠道微生物组正在成为预防和治疗儿童过敏性疾病的创新目标。

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参考文献:

Di Costanzo Margherita,Carucci Laura,Berni Canani Roberto et al. Gut Microbiome Modulation for Preventing and Treating Pediatric Food Allergies.[J] .Int J Mol Sci, 2020, 21.

Diego G. Peroni,et al,Microbiome Composition and Its Impact on the Development of Allergic Diseases,Front. Immunol., 23 April 2020.

Powers C E, McShane D B, Gilligan P H, et al. Microbiome and pediatric atopic dermatitis[J]. The Journal of dermatology, 2015, 42(12): 1137-1142.

Hulshof Lies,Van’t Land Belinda,Sprikkelman Aline B et al. Role of Microbial Modulation in Management of Atopic Dermatitis in Children.[J] .Nutrients, 2017, 9: undefined.

宏观生态规律如何应用于描述微生物群落的多样性和变化

谷禾健康

宏观生态学中研究最多的模式是物种分度分布(SAD),它被定义为具有给定丰度的物种的比例。研究中虽然对SAD进行了高度的研究和表征,但往往忽略了三个不同而独立的变异源对其的影响:采样噪声、个体物种丰度的波动和物种间丰度的变化。最近,发表在《Nature Communications》的一篇文章使用来自许多不同环境的微生物群落的纵向和横截面数据从宏观生态学的角度研究微生物群落中物种的存在、丰度和多样性的模式。确定了三条普遍的,基本的宏观生态规律,这些规律定量地表征了单个物种在空间和时间上的丰度变化,以及不同物种之间典型丰度的差异。这三条宏观生态规律适用于整个微生物群落,也适用于横断面和剖面数据,因为它们足以在不拟合任何附加参数的情况下预测多样性的尺度和其他普遍研究的宏观生态模式,如SAD。利用这三条规律,人们可以预测物种的存在与否、群落的多样性和普遍研究的宏观生态模式。

背景

没有两个生态群落是相同的,因为物种组成和丰富度差异很大。环境波动、竞争、交叉喂养、环境改造、人口随机性、迁徙和许多其他生态力量在时间和空间上塑造着微生物群落。在数千种物种相互作用的群落中,要理清多种机制的作用是极其困难的。但最近的实验证明了几种推动体外多样性的生态机制的存在,并对其影响进行了量化。宏观生态学,即通过丰度、多样性和分布模式研究生态群落,是定量研究微生物群落的变异,并提供塑造微生物群落的机制的量化方法。

方法

数据集来自EBI宏基因组。只保留至少有50个样本的数据集,且这些样本的reads数大于10^4。为了研究(相对)丰度如何在群落和物种之间变化,需要消除采样噪声的影响,文章中通过建模抽样的方法进行。(由于方法均由数学公式推导得出,这里就不一一搬运了,有兴趣可以阅读原文,更为详细)

SLM模型

主要结果

1. 三个宏观生态学规律:丰度波动是伽马分布的;Taylor定律;平均丰度呈对数正态分布。

丰度波动分布(AFD),它被定义为物种丰度在群落之间的分布。这个数量受到抽样误差的强烈影响,特别是当一个物种因为波动而变得稀少的时候。对于最丰富的物种,这些抽样误差可以忽略不计。b图描述了物种丰度在群落间的分布。图例代表不同数据集。实心黑线为伽玛分布, 很好地描述了整个微生物群落中丰富物种的AFD。

Taylor定律,描述物种丰度的均值和方差之间的关系。丰度波动的均值和方差足以表征物种丰度在群落间的完全分布。Taylor定律适用于描述群落的组成,如c图。其中,方差尺度与均值成平方关系,这意味着丰度波动的变异系数是恒定的。因此,每个物种只需要一个参数,即它们的平均丰度来描述物种丰度的波动。

平均丰度分布(MAD),描述了平均丰度是如何在物种间分布的。d图表示MAD呈对数正态分布。由于在有限数量的样本中,稀有物种可能永远不会被采样,因此实证的MAD显示出一个由抽样确定的较低的截止值。通过对无限次重复取平均值,会发现,在中性模型中,MAD则呈Delta分布。

Gamma AFD规律表示所有物种缺失的情况都应该归因于抽样误差这一结果。a图展示了丰度波动与物种缺失之间的关系,通过丰度的波动来预测物种的存在与否。b图通过比较不同数据集中物种的占有率(一个物种在群落中所占的比例)与伽玛分布相对丰度的独立抽样所预测的结果,来检验这一预测。

2. 其他宏观生态模式的预测。

了解了这三个定律及其参数,并假设物种丰度波动是独立的,就可以为任意水平的抽样生成合成群落。通过比较它们的统计特性,将人造合成的群落与实证的群落进行对比。图中从a-d列举了四种宏观生态模式研究,结果表明这些宏观生态模式的预测与数据准确吻合。

a. 多样性(以物种数量衡量)与读取总reads数的比例

b.物种丰度分布(SAD)。

c.占有率分布。

d.物种丰度与占有率间的关系。

不同颜色的图例代表不同数据集。(黑线)预测值是在不拟合任何附加参数的情况下

3. 宏观生态学规律适用于时态数据

a-c.基于纵向时态数据的群落中物种间丰度变化。结果表明这三条宏观生态规律也适用于纵向数据,而丰度的波动主要是由于时间的随机性。

4. 随机Logistic模型(SLM)再现了宏观生态规律

研究人员认为SLM是用来描述物种种群动态的。SLM假设种群数量呈逻辑增长,增长速率随时间的变化而变化,其波动速度快于平均增长率(即,与增长率波动相关的时间尺度比种群动态的典型时间尺度短得多)。

d-f. 随机Logistic模型(SLM)分别再现了三大宏观生态规律。灰色的圆圈是通过SLM得到的结果,黑色十字架是采用SLM和抽样得到的结果。

g.横轴描述了前一天的丰度的平均分位数,纵轴描述了当天的丰度的平均分位数。灰色实线表示在没有时间条件下的预期结果。

i.与g图类似,只是纵轴计算的是丰度的平均分位数的方差值。

h.j. SLM正确的预测了g和i图中展示的非平稳属性。

结论

宏观生态学的三个规律分别为丰度波动是伽马分布的;Taylor定律;平均丰度呈对数正态分布。SLM既描述了横截面数据中的平稳模式,又描述了时态(纵向)数据中的丰度动态。该模型指出,环境波动是微生物群落中物种存在和丰度变化的主要来源。Taylor定律和对数正态分布不是SLM能预测到的,但它们掣肘了SLM的参数化。微生物群落中SAD的对数正态分布只是明显的,并且是MAD对数正态分布的结果。在多个空间、时间和分类学尺度上对这些规律进行表征,将有助于理清和量化造成我们星球令人惊叹的(微生物)生物多样性的生态力。

TIPs:文章利用数学建模方面的知识验证了宏观生态学的三条规律,在验证的过程中点出环境波动是影响微生物群落中物种存在和丰度变化的主要来源。改文章扩宽了分析思维,在做宏观生态学研究时,不能只从物种丰度的变化得出整个群落的物种变化,在空间和时间上也要做分析。如果要直接使用文章中提出的三大规律做宏观生态学研究,目前主要问题是能否重现它的模型。

肠道菌群的复原力与健康有什么关系?

谷禾健康 

肠道菌群是健康和疾病的新领域。不仅许多疾病都与微生物群落紊乱有关,而且越来越多的研究指出了其因果关系。在目前我们所知的情况下,很难定义什么是健康的微生物群,这主要是由于个体间的高度可变性。那么,“弹性菌群”可用作健康菌群的替代物。此外,肠道菌群是最容易受到环境变化和损害的“器官”。

在个人的一生中,面临着不健康饮食,药物和感染等状况。恢复到出状况之前基线的能力受损可能导致菌群失调。因此,有理由假设,维持有弹性力的微生物群对健康很重要。本文综述了复原力的概念,有关弹性菌群特征的已知知识,以及如何使用高脂饮食干预的人类模型,通过实验评估微生物菌群的复原力

可以通过维持微生物群恢复力的干预措施来了解哪些微生物群或功能会受到干预的干扰,并可以使用益生菌(如果有)替代减少的物种,或使用益生元进行强化。具有多种结构和组成的纤维也可以用于增加微生物群的多样性,微生物群的特征可能与弹性有关。最后,讨论一些未解决的问题和知识缺口。

肠道微生物

人类肠道内有数万亿种微生物,大多数是细菌。这种微生物生态系统,即微生物群落,在人类生理和健康中起着至关重要的作用。肠道微生物群的研究历来集中在与肠易激综合征、炎症性肠病、过敏、糖尿病、癌症、哮喘和肥胖的关联。

一些研究已经超出了相关性,并基于人类粪便移植或人类微生物群转移至无菌小鼠的研究表明微生物群对某些疾病的致病作用。成人肠道微生物群是相当稳定的,同时不断受到宿主和多种外部因素的影响。在特别强烈的应激反应下,肠道微生物群可能会发生严重改变,这可能会影响个人的健康。

微生物群组成高度变异及如何定义健康的微生物群

定义一个健康的微生物群对于预防或纠正失调,并将其对健康的影响降到最低非常重要。然而,微生物群的组成非常多样,变化很大,这取决于饮食、地理位置、种族、运动水平、药物使用(包括但不限于抗生素)和遗传学等。除了这些内在和外在因素,很大一部分个体之间的微生物群变化不能用任何特定的因素来解释。

高度的变异性使得很难定义正常或健康的微生物群。然而,微生物多样性的某些特征,如微生物多样性的增加,通常被认为是肠道微生物多样性的增加。在确定肠道微生物群是否健康或有益生元时,也可以考虑对宿主(如肠道屏障功能和免疫功能)的影响。或者,在肠道微生物生态系统中,恢复力可以作为健康生态系统的替代标志。恢复力是其在压力下抵抗变化或从扰动中迅速完全恢复的特性。

微生物群的弹性

与功能和生命维持相互依赖联系在一起,人类肠道内的细菌被构造成一个复杂的生态系统,具有多重交互作用。这种肠道微生物生态系统在从新生儿到婴儿到幼儿的早期生命中演化和建立,在成人生活中基本保持稳定。外部压力因素,如极端饮食变化、感染、抗生素使用或其他药物,包括所有治疗类的成员都会扰乱这个生态系统。随后,这种肠道微生物生态系统可能恢复或恢复不到其原始状态(下图)。一个有弹性的微生物群在受到扰动后将恢复到原来的平衡状态,而非弹性微生物群将转向一个改变后的新状态。

描述生态系统的原生状态、扰动、回到原始状态或过渡到新状态可能性的概念图解

定义

基线是发生扰动前生态系统的状态。

影响是由于压力源而引起的生态系统的变化。

恢复力是生态系统保持其状态并从扰动中恢复的特性。系统在冲击(阻力)期间持续存在的能力以及在干扰影响(恢复)后恢复到基线的能力决定了整体的弹性。从概念上讲,下面的图对此进行了说明。

描述在压力下肠道微生物群的扰动的概念图解。弹性描述了生态系统维持其状态或从干扰中恢复的能力。弹性取决于减少冲击(抵抗)和从干扰影响中恢复(恢复)的能力

可以说,一个健康个体在受到刺激后能够迅速、完全恢复到基线水平的微生物群是一个健康的微生物群,因为这种恢复力可能会阻止新平衡偏向失调方向,从而阻止对个人的健康产生负面影响。

肠道弹性的概念已经在一些文章中进行了讨论。正如最近提出的,一种结合挑战性测试和生物标志物的模型,可以告知微生物群恢复的动态,从而记录恢复力作为健康的指标。然而,这些建议仍然是理论上的,据我们所知,关于弹性量化模型的实验验证还没有报道。

弹性微生物群的特征是什么?

微生物多样性可能对恢复力起到积极作用。Tap等人发现,当膳食纤维摄入量增加时,人体肠道微生物群的丰富性提高了其稳定性。另一项人类研究表明,抗生素引起的微生物群扰动较弱,与刺激前微生物群多样性较高有关。

宿主免疫状态也可能影响微生物群的恢复力。两项研究表明,基因消融小鼠体内的细菌传感器nod2会导致微生物群从抗生素干扰中恢复受损。然而,第三项以aroA缺陷沙门氏菌为干预的研究并没有发现nod蛋白对微生物群恢复力有任何影响。Nod是一种免疫信号的细胞内传感器,对特定的肽聚糖结构特别敏感,因此反应性可能取决于干预中使用的病原体。这些基础研究表明,宿主微生物群共生的稳定性可能是评估恢复力的另一个重要指标。

一些作者试图模拟肠道微生物生态系统的稳定性和恢复力。Shaw等人使用稳定性景观框架模拟抗生素治疗后肠道微生物群的恢复力。某些其他方法,如增加的自相关和“主导”群体中变量的方差,可以作为关键过渡到替代稳定状态的早期指标。

一项研究集中于通过研究特定微生物群落物种的分布来定义微生物群落中的“危机元素”,并发现与宿主参数相关的双峰分布。有些细菌要么几乎不存在,要么相当丰富,这取决于某些宿主因素,而且可能是那些与改变状态有关的细菌。

微生物群恢复力的实验评估

文献中描述了一些恢复力公式。最近对其中的大部分进行了审查,并将其归类为一个概念框架。简言之,这些公式可分为三类指标:一类指标描述了相对于干扰前状态基线的变化,从而评估系统受到干扰的程度;另两类指标考察干扰后的恢复情况。这种恢复既可以表示为相对于基线,也可以表示为相对于扰动的大小。前者强调系统恢复到扰动前状态的程度。后者强调它从扰动的影响中恢复了多少

为了实验性地评估微生物群的弹性,必须对微生物群提出挑战,并测量一些或所有上述参数。一些研究使用抗生素或饮食干预来扰乱微生物群,并评估各种干预措施对这种干扰的影响。

大卫等人的一项研究为在人体试验中研究微生物群的恢复力提供了一个很好的模型。它所面临的干预是动物性饮食(如肉、奶酪),由70%的脂肪、0%的碳水化合物和30%的蛋白质组成。在饮食干预2天后,微生物群组成就发生了显著变化,并在饮食干预结束后6天恢复到基线水平。使用饮食干预的好处是它可以标准化,并且不会像在健康受试者中使用抗生素那样引发伦理问题。

弹性指数可以通过使用已知受压力影响的参数(如微生物群组成、功能和/或代谢物)来计算。弹性指数可用于定量衡量微生物群偏离的程度以及恢复的速度和充分程度,从而量化弹性。这种弹性指数提供了一种测量方法,可以用来比较不同的压力源。

理想情况下,一个人应该能够在不施加压力的情况下评估个人的微生物群弹性。综合大数据的机器学习可以帮助设计基于微生物群和宿主参数的算法,用于预测微生物群的弹性。其中一个参数是α-多样性。这一点得到了一项人类研究的支持,该研究表明,抗生素引起的微生物群扰动较弱,与干预前较高的微生物群α-多样性有关

一项将微生物群转移到无菌小鼠中的研究表明,抗生素引起的扰动程度取决于供体,这为在没有干预的情况下通过分析基线微生物群来预测恢复力的假设提供了依据。

肠道菌群的复原力与健康有什么关系?

如上所述,在整个生命周期中,肠道微生物群都会受到反复而多样的干预,包括不健康的饮食、药物、酒精、剧烈运动和病原体等。抵抗这些干预的能力下降或迅速完全恢复到干预前状态的能力可能导致新的平衡和失调,这可能有助于慢性非传染性疾病(CNCDs)的发展。在接受抗生素治疗的人类受试者中,观察到微生物群恢复基线和建立新平衡的能力减弱。因此,干预以维持微生物群处于弹性状态可能是一种措施,以延迟或阻止微生物群相关的CNCDs的发展。值得注意的是,微生物群构成了一个易于接近的干预“器官”,尽管如何稳定地调节微生物群可能不那么明显。

这种微生物群恢复力与健康之间的联系的理论很有吸引力,但支持它的数据却很少。在人类研究中,Mondot等人将微生物群落稳健性定义为物种丰富度高和OTU(操作分类学单位)之间的高度相关性。他们发现微生物群落的稳定性与回肠结肠切除术后克罗恩病的缓解呈正相关。

可能的干预手段是什么?

纤维

了解弹性微生物群的特征将有助于设计旨在提高弹性的干预措施。虽然这方面的知识目前还不完全,但已经知道微生物多样性可能是一个影响因素,膳食纤维可能是增加微生物多样性的一种方式。膳食纤维是碳水化合物聚合物,在上消化道中不被消化吸收,到达结肠,在那里受到细菌发酵。许多研究表明,纤维会影响微生物群的组成和功能,尤其是短链脂肪酸的产生。对不同地理位置的人类的研究表明,摄入更多的膳食纤维与肠道微生物群多样性增加有关,人类干预研究表明,膳食纤维和全谷类食物的摄入增加了肠道微生物群的多样性

微生物群落多样性原则上也可以通过膳食纤维的复杂混合来增加,如至少一项小鼠研究所示,它提供了广泛的结构和单糖单元。在小鼠身上的一项研究表明,纤维对改善微生物群的恢复力有直接作用。在这项研究中,喂食富含纤维的饮食并用抗生素和艰难梭菌(原为梭状芽孢杆菌)激发的小鼠的微生物群恢复到激发前的组成,而喂食低纤维饮食并以同样方式激发的小鼠的微生物群则没有恢复。

益生菌和饮食干预促进某些微生物种类

已发表的关于人类微生物群的数据显示,许多物种通常受到干扰。这些可能是脆弱的物种,可以通过营养干预来促进或补充。例如,B. adolescentis是高脂肪饮食中减少最多的菌群。此外,在抗生素的作用下,该菌数量急剧减少,恢复缓慢。因此,有理由提出并(i)检验假设,将B. adolescentis作为益生菌混合物的组成部分可以提高微生物群的弹性,(ii)排除Bifidobacterium adolescentis只是一种生物指示剂的可能性。其他作为益生菌存在的双歧杆菌和乳杆菌物种,如长双歧杆菌、双歧杆菌、B. angulatum 和 L. casei,也会因对微生物群的干预而发生变化,尽管不像B. adolescentis那样剧烈,因此,可以成为弹性混合营养液的一部分。

并非所有干预中减少的菌都以益生菌的形式存在,但已知能够促进这些物种生长的成分也可以用来防止它们在干预期间和之后的下降。例如,菊粉有利于 B. adolescentis 和 Faecalibacterium prausnitzii 的生长。F. prausnitzii 是一种有益菌,当微生物群受到抗生素或高脂肪饮食的干预时,它就会减少,并且与腹泻的恢复有关。

以促进某些菌为目的的饮食干预必须谨慎地进行,以避免目标物种变得过于突出,从而对物种多样性产生负面影响,这将与预期的效果相违背。

两项研究调查了益生菌对抗生素干扰微生物群的影响,以确定它们是否能提高恢复力。一项研究表明,补充鼠李糖乳杆菌和瑞士乳杆菌对抗生素阿莫西林+克拉维酸引起的微生物群扰动没有影响,而另一项较早的研究表明,混合益生菌(B.lactis Bl-04, B. lactis Bi-07, Lactobacillus acidophilus NCFM, Lactobacillus paracasei Lpc-37, 和 Bifidobacterium bifidum Bb-02),将阿莫西林+克拉维酸引起的粪便微生物群破坏降至最低。本研究中的益生菌组,通过随机片段长度多态性(RFLP)分析显示出明显的恢复趋势,此外,通过细菌培养可显著提高耐药性。

除了修复微生物群的组成外,还需要考虑如何将受到干扰的微生物群对宿主的影响降至最低。菌群失调通常会导致炎症和肠道通透性增加,进而对微生物群产生负面影响。

为了打破这一恶性循环,混合益生菌(如鼠李糖乳杆菌GG)或显示可增强肠道屏障(如植物乳杆菌)的益生菌混合物,可能是通过作用于宿主生理学来改善微生物群的一个很好的补充方法。

待解决的问题

还有许多问题有待回答,即还有哪些参数能使微生物群具有弹性。关键物种的作用必须确定,而且可能很重要。这些分类群被认为与大量其他分类群相互作用,可能有助于维持微生物群落的状态。目前,关键物种在微生物群恢复力中所起的作用尚未阐明,仅提出了一些候选关键物种(例如,瘤胃球菌)。

稀有物种呢?通常,丰度低于某一阈值的分类群被合理地排除在分析之外,因为极低的数字和零之间的差异可能是由于方法敏感性而不是生理差异。这一方法可用于与恢复力相关的研究,因为低丰度类群的消失可能比丰度类群的大量减少更为相关。如果提供重要功能的低丰度物种灭绝,这种不可逆的事件可能会将微生物群转移到另一种稳定状态,这可能是迈向菌群失调的一步。

关于物种层面的知识是否足够可靠以进行干预,这个问题仍然悬而未决。益生菌的好处是已知的菌株依赖性。因此,提供一个特定的菌株来取代一个减少的物种可能行不通,如果它是另一个具有不同功能的受干扰菌株。分析技术还需要进一步改进,因为目前的鸟枪式宏基因组微生物群分析技术允许在物种级别进行区分,但很少在菌株级别进行区分。

其他领域的肠道微生物在微生物群落弹性中的作用仍有待阐明。大多数微生物群的研究都集中在细菌上,但古细菌、真核生物和病毒也存在于肠道中。一些研究发现病毒组、真菌或古细菌的组成与人类疾病(包括2型糖尿病、炎症性肠病和肥胖)之间存在关联。有趣的是,一项研究显示,在易患1型糖尿病的儿童中,病毒组多样性在自身免疫发生之前减少。

关于共生肠道微生物之间的相互作用知之甚少。据我们所知,没有研究表明病毒、古生菌和真菌在哺乳动物肠道微生物群恢复力中的作用。然而,细菌以外的其他微生物也有可能在恢复力方面发挥作用,尤其是噬菌体,因为它们有能力感染和溶解特定的细菌,从而可能控制它们的数量。

另一个重要的问题是,肠道微生物群的弹性是特定于压力的,还是与压力性质无关的弹性程度相似?目前这个问题还没有实验性地解决。

结语

本文总结了造就有弹性的微生物群的因素,以及如何设计一种有效的营养干预策略来提高恢复力。提高微生物群的恢复力可能对健康产生重要的有益影响。目前的知识虽然不完整,但包含了足够的信息来证明和指导第一代解决方案的人体试验的设计。随着我们对微生物群恢复力机制的进一步了解,未来的新发现将用于设计下一代干预措施的组成。

参考文献:

Shaillay Kumar Dogra, Joel Doré, Sami Damak, Gut Microbiota Resilience: Definition, Link to Health and Strategies for Intervention,Front. Microbiol., 15 September 2020

蝗虫聚集行为可能是细菌的生态策略

谷禾健康

蝗灾是一种古老的现象,以极具破坏性力闻名,它们经常成群聚集并长时间的迁徙,消耗了大量的植被,并毁灭了途经的耕地。所有蝗虫物种基本可能表达两种非常不同的依赖密度的表型(或相):在低密度下,蝗虫表现为隐秘方式,积极避免同种相互作用,并且通常不会对农作物构成严重威胁 。拥挤的蝗虫,趋向于聚集成群,迁移并消耗大量植被,从而对农业造成了严重破坏。

研究蝗虫密度依赖相现象的不同特征的研究中,很少涉及微生物学相关的。最近来自以色列特拉维夫大学的一篇题为:“Microbiome-related aspects of locust density-dependent phase transition”研究利用16srRNA扩增子测序,比较了拥挤诱导相变前后沙漠蝗虫的细菌组成。利用经验实验和一个新的数学模型描述了孤立个体的细菌是如何随着拥挤而变化。在实验室控制的条件下,一些可能受益于聚集现象的细菌制剂可能在蝗虫密度依赖性相移中起到重要作用。细菌组成的这种显著变化包括获得一种特定的细菌物种——Weissella cibaria菌(属于厚壁菌门),这种细菌以前曾被证明能诱导蟑螂聚集。这是对蝗虫相变的一个未知的重要方面的首次描述,证明了相移包括肠道和表皮细菌组成的变化,这个发现也为我们在与这种古老而毁灭性的害虫作斗争的努力中提供了一个新的视角。

主要图表:

  图1, 在t=0d和t=7d时,由群居(黄色下划线)和独居(绿色下划线)个体的粪便(A)和表皮(B)的细菌组成的优势门的平均相对丰度。 值得注意的是,在t=0时,单株蝗虫的粪便中没有厚壁菌门,7天后出现。 此外,虽然群居蝗虫和独居蝗虫的粪便细菌主要以厚壁菌和变形杆菌为主,但蝗虫的体壁也有放线杆菌和拟杆菌的细菌。

  图2,属水平,基于Bray-Curtis的约束规范分析,根据t=0d(A)和t=7d(A1)时的体表细菌组成和t=0d(B)和t=7d(B1)时的粪便细菌组成。 轴显示解释变量(即相组)的变化。 细菌属(红点)相对于群体质心的位置代表了由特定细菌属解释的群体间变异性。 在t=0d时,Weissella菌(用黑色箭头标记)是粪便细菌组成(B)相间方差(基于其在X轴上的位置)的主要贡献者;而在t+7d时,Weissella菌几乎位于群体质心之间,其对方差(B1)的贡献显著降低。 (C)在t=0d和t=7d时,组成粪便细菌组成的优势属的平均相对丰度为群生(黄色下划线)和单群(绿色下划线)。 值得注意的是,在t=0时,Weissella菌没有出现在单独处理中,并在7d后出现。 (D)群居和单源蝗虫中分配给Weissella菌的显性扩增序列变体(ASV)的相对丰度。 单独治疗t=0d时,Weissella指定的ASV消失,t=7d时,两种治疗方法之间无显著性差异。 组间差异分析采用Kruskal-Wallis检验(p&lt;0.001),后处理采用Dunn‘s检验。

图3,模型说明和分析结果。(a)Tα和Tβ是微生物α和β的水平传播率。 G是由于微生物α诱导产生的聚集而导致的蝗虫相互作用的倍增。 Lα和Lβ分别是蝗虫失去微生物α,β的速率。 D(T)表示由于种群密度的变化而导致的所有相互作用率的变化,而μ表示所有可能方向的突变。 (b-c)根据方程(1-3)的平衡分析及其稳定性(见补充信息),绘制了当Lα=0.0 6(B)和Lα=0.2(C)时,期望携带微生物α的宿主在种群中的比例。 黑色区域表示α不能进化的参数范围;灰色区域表示α将灭绝或达到多态平衡的参数范围,具体取决于种群的初始条件;彩色区域表示α将进化并与S达到稳定多态性的参数范围,而不考虑种群的初始条件。 Tβ=0.025,Lβ=0.002,μ=0,D=1。

文章链接:doi: https://doi.org/10.1101/2020.09.17.301010

生命早期微生物接触和过敏风险:如何预防 谷禾健康

谷禾健康

过敏在日常生活中越来越常见,包括哮喘,食物过敏,过敏性鼻结膜炎,特应性皮炎等,是全球范围内最普遍的慢性炎症性疾病。

最近的证据表明,除了遗传易感性,现代化导致的生活方式的改变也发挥了重要作用。其中包括剖腹产的增加,生命早期使用抗生素的情况增加,西方化饮食和肥胖的发展,以及室内外生活方式和活动模式的变化。

这些因素大多直接或间接影响各种微生物的形成,包括细菌、病毒和真菌;而微生物在形成(早期)免疫反应方面发挥主导作用。在环境和生活方式风险因素的影响下,这种默认程序明显受到干扰。

近日,来自德国实验室医学研究所的Harald Renz等人在《Nature》发表一篇名为“Early life microbial exposures and allergy risks: opportunities for prevention”的文章,概述了与微生物接触变化有关的过敏风险因素,并重点介绍了预防过敏的机会

构建健康的微生物

细菌微生物

在胃肠道、皮肤、口腔、鼻腔和泌尿生殖道中发现了广泛的细菌群落,其中肠道的细菌群落是研究得最好的。细菌定植在出生后几个小时开始,并在出生后的第一个月内形成,主要取决于婴儿的营养来源。

母乳喂养的婴儿表现出双歧杆菌(Bifidobacterium)、乳酸杆菌(Lactobacillus)和韦荣氏球菌(Veillonella)的优势,随着辅食的引入,这一优势转变为拟杆菌(Bacteroides)和梭状芽孢杆菌(Clostridiales)。

由于营养来源的原因,某些菌株具有明显的优势,但生命最初几年的微生物群在分类单元水平上具有很大程度的个体间和个体内异质性。

总的来说,随着时间的推移,微生物群落的多样性和丰富性不断增加。

然而,生命的最初几年也是微生物群发展的一个非常脆弱的时期,感染、发烧和抗生素治疗的发作等事件都会对微生物群产生直接或间接的影响,而且这些变化有些会随着时间的推移而持续。超过一定年龄(通常定义为3-4岁),微生物群达到稳定的组成,并持续到成年。

现在已经确定,早期生命的微生物群在形成耐受性免疫功能、防止针对自身抗原和非自身抗原(例如,过敏原)的不良炎症反应方面具有重要作用。

耐性微生物的突出例子包括脆弱类杆菌(Bacteroides fragilis),它能产生多糖A通过Toll样受体2(TLR2)诱导调节性T细胞(Treg细胞)发育; 梭状芽胞杆菌簇IV和XIVA通过转化生长因子-β(TGFβ)诱导Treg细胞。以及其他未分类的共生菌,诱导结肠Treg细胞表达视黄酸受体相关的孤儿受体-γt (RORγt)或通过TLR-和MyD88依赖途径从初始CD4+T细胞诱导Treg细胞。

此外,营养素在促进这一微生物群-免疫轴中也起着重要作用。一个突出的例子是厚壁菌门的某些成员对淀粉的发酵,产生了短链脂肪酸(SCFA),例如丁酸。丁酸作为组蛋白脱乙酰基酶抑制剂,有利于叉头盒蛋白P3(FOXP3)的表达,因此增强了诱导的Treg细胞的抑制功能。粪杆菌(Faecalibacterium), 乳杆菌(Lactobacillus)和韦荣氏球菌(Veillonella)均属于厚壁菌门。

许多过敏和特应性患者的微生物菌群改变,主要是通过评估粪便微生物菌群来确定的。异位性皮炎患者皮肤微生物群中也有菌群失调,哮喘患者,上呼吸道和下呼吸道微生物群和食物过敏者胃肠道中也有菌群失调。甚至在临床体征和症状发作之前就可以检测到菌群失调,并且纵向研究表明,粘膜和皮肤表面微生物定植的干扰与慢性炎症反应的发展之间存在因果关系

病毒

人体病毒包括感染宿主的病毒(真核病毒),宿主染色体中可改变宿主基因表达、表达蛋白质甚至产生感染性病毒(原噬菌体、内源性逆转录病毒和感染病毒成分)的病毒来源的基因突变,以及感染细菌微生物群成员的病毒(最重要的噬菌体)。

此外,所有成年人都长期感染病毒,这些病毒可能是常见病原体,罕见病原体或未知病原性病毒。

在婴儿肠道中发现了多种噬菌体和偶发性真核病毒。几种致病性真核病毒(例如HIV,巨细胞病毒,人乳头瘤病毒,水痘带状疱疹病毒和风疹病毒)可能会在子宫内或阴道分娩时传播给后代。

此外,尽管子宫内病毒尚未完全鉴定,但在羊水中已检测到真核病毒[如呼吸道合胞病毒(RSV),爱泼斯坦-巴尔病毒和单纯疱疹病毒],没有明显的临床意义。饮食,生活条件,水质,卫生和社会经济状况等环境因素都可能影响肠道病毒的组成。双胞胎婴儿之间的密切接触也会影响病毒的共享。

与肠道细菌菌群相似,肠道病毒在婴儿期是动态的,在成年后是稳定的。

婴儿的噬菌体多样性较高,而成年人则较低,而一生之间个体间的病毒变异仍然很高。早期婴儿肠道病毒包括高度丰富和多样的噬菌体群落

从出生到2岁,真核生物的病毒和细菌的菌群都会扩展,但这伴随着噬菌体病毒的组成的收缩和向着以微病毒科为主的群落的转移。肠道真核病毒(如小RNA病毒科、腺病毒科和呼肠孤病毒科)在婴儿中偶尔被识别,而不是在早期发育过程中持续存在。

真菌

人类真菌群落的多样性和丰度都不如细菌群落。婴儿出生后不久通过护理人员和环境被真菌侵染,主要是枝孢菌属(Cladosporium)、隐球菌属(Cryptococcus)、酵母菌属(Saccharomyces)、念珠菌属(Candida)和马拉色菌属(Malassezia)。在健康成年人的大便中,后三种也是占优势的。

与环境相比,人类的真菌类群显示出更低的多样性,与特定解剖部位的关联显示出真菌的选择和适应性。

例如,皮肤真菌因年龄和性别而异,并且与成年人相比,儿童的真菌更多,多样性更高。这种变化可能与皮脂组成和皮脂腺活化的差异有关。马拉色菌占据大多数皮肤部位,并产生一种芳基烃受体配体,支持上皮细胞并提供紫外线保护。

影响微生物的因素

过敏风险始于子宫内,并在出生后持续,与分娩类型和抗生素使用等重要因素有关,这些因素会影响婴儿肠道和呼吸道的微生物定植。这些因素的影响可能是累积的和剂量依赖的,可能会长期影响免疫稳态和哮喘和过敏发展的风险。事实上,早期的微生物群对于适当的免疫发展和有益于整体健康状况至关重要。

剖腹产

在过去的几十年里,无论是发达国家还是发展中国家,剖腹产的婴儿数量都有了相当大的增长,这就提出了高剖产率是否导致了过敏的增加。

尽管许多关于分娩方式对儿童健康影响的研究已经发表,但证据仍在争论之中。据报道,与阴道分娩相比,剖腹产婴儿发生食物过敏的风险增加,其中最有力的证据表明牛奶过敏

一项相关研究的荟萃分析显示,剖腹产婴儿随后患哮喘的风险增加了约20%。

剖腹产和哮喘之间的联系得到了最近一些研究的支持,但没有其他研究支持。

剖腹产与特应性皮炎之间的关系尚不清楚。

剖腹产可能有几个潜在的机制作为过敏的危险因素。一种可能的机制是对新生儿早期微生物群发育的直接影响。然而,作为许多剖腹产婴儿接受围产期抗生素预防,这也可能是风险的一部分。

此外,与阴道分娩相关的围产期应激因素的缺乏(例如,早期深层免疫激活伴新生儿白细胞增多和其他变化)也可能起作用。分娩方式塑造了出生后的早期微生物模式(图1)。

图1 剖腹产是慢性免疫和代谢性疾病发生的重要危险因素

与非孕妇相比,正常孕妇的阴道微生物群特别是四种乳酸菌系统类型(Limosilactobacillus vaginalis, Lactobacillus jensenii, Lactobacillus crispatus,Lactobacillus gasseri)的丰度相对较高,其他22种菌的丰度较低。这一特征表明,在整个怀孕期间,特别是当雌激素浓度高达时,稳定性相对较高。

雌激素有利于阴道上皮细胞的成熟,这导致糖原的积累,而糖原被乳酸菌代谢成乳酸,这表明阴道上皮细胞和驻留的微生物群之间存在重要的功能关系。

阴道分娩的婴儿获得的细菌群落(皮肤、口腔和鼻咽表面)与母亲的阴道微生物群(主要是乳酸杆菌、普雷沃特菌和/或鼻咽分泌物)非常相似,而剖腹产婴儿体内的细菌群落更像母亲的皮肤表面,以葡萄球菌和丙酸杆菌为主。

在接下来的几个月里,口腔微生物群经历了显著的重组:分娩时,主要由丙酸杆菌或乳酸杆菌组成新生儿口腔微生物群,而在6周大时,大多数口腔样本中以链球菌为主。

过敏和哮喘的另一个微生物危险因素是1个月时艰难梭状芽胞杆菌定植,这与以后的哮喘和特应性皮炎有关。艰难梭菌定植与剖腹产和分娩地点(家庭阴道分娩与医院阴道分娩)有关。

在母亲和/或父亲患有特应性和过敏的儿童中,剖腹产与生命后期出现各种过敏表型的风险相关性最高。该观察结果是基因-环境相互作用与个体过敏风险状况有关的重要例子。 

特应性母亲的2型炎症水平高,对胎儿的免疫程序有很大影响。剖腹产衍生信号可能会进一步加速和加重受干扰的新生儿程序。这在韩国人群的特应性皮炎中得到了证实,其中遗传风险因素(某种母体IL13多态性)和环境因素(分娩方式)共同影响了疾病的发展。

剖腹产对新生儿免疫程序有很大影响,这表现在TLR1或TLR2刺激后促炎性细胞因子反应减少,出生时肿瘤坏死因子(TNF)和IL-6水平降低,随后鼻咽间隙的细菌定植丰度更高,并与儿童哮喘有关。这些数据和其他数据为分娩方式,微生物定植和新生儿免疫程序之间的强有力的调节循环的一个例子,这些循环对过敏风险具有协同作用。

最近进行了一项初步研究,其中将剖腹产出生的婴儿暴露于分娩前1小时收集的母体阴道液。新生儿微生物群发育的后续分析表明,肠道,口腔和皮肤表面富含阴道细菌,而剖宫产分娩的婴儿中阴道细菌的代表性不足(例如放线菌,拟杆菌和双歧杆菌)。 尽管仍然需要研究对新生儿免疫代谢功能和对生命后期健康状况的长期影响,但这些数据表明,早期定植模式易于操作。

抗生素的使用

由于在怀孕期间(图2a)和生命的最初几年(图2b),抗生素的使用已大大增加,因此越来越有兴趣研究在此关键时期使用抗生素与生命后期对健康结果的影响之间的潜在关系。 

图2 过敏和哮喘发生的产前和产后危险因素

据报道,儿童肥胖症型糖尿病,哮喘和(儿童)炎性肠病之间,抗生素的使用与疾病的发展呈正相关。 在生命的头6个月头2年使用抗生素分别与3岁7.5岁哮喘的发生有关。婴儿牛奶过敏的发生也获得了类似的结果。在孕前和孕期中,母亲的抗生素暴露量也发现了这种关联。

随着抗生素循环次数的增加,哮喘发展的风险增加。 据报道,广谱抗生素(头孢菌素)的相关性最强,近几十年来其特殊用途有所增加。

抗生素治疗以定性和定量的方式影响微生物的多样性和组成。低剂量抗生素治疗已用于破坏幼鼠中的微生物群。这不仅导致微生物群组成的改变,而且导致脂肪量增加,代谢激素和肝代谢的改变。

出生时给小鼠的小剂量青霉素可引起代谢变化和免疫相关基因回肠表达的变化,并且对代谢具有长期影响,并增强了对高脂饮食诱发的肥胖症的易感性。将停药后恢复的微生物群落转移到无菌小鼠体内,使生长促进表型转移。

但是,不能排除抗生素使用与哮喘之间的关联可能是由各种形式的偏见引起的,例如咨询行为,分类错误,回忆偏倚和适应症混淆。例如,一个混杂因素可能是在患哮喘或罹患哮喘的高风险儿童中观察到的呼吸道感染数量增加。 

抗生素不仅会减少重要的致肠菌肠道细菌的数量,包括乳杆菌和分段丝状菌(segmented filamentous)细菌以及某些梭状芽孢杆菌,它们还以直接或间接的方式增加胃肠道真菌的丰度并损害抗病毒免疫,这在人类身上也得到证实。

哺乳

母乳喂养时间的延长与儿童哮喘,特应性皮炎和鼻炎的风险降低相关。纯母乳喂养婴儿的肠道菌群具有更大的微生物多样性,尽管结果好坏参半,这会影响免疫系统的成熟并可能免受过敏。

在最近的一项大型多中心研究中,母乳喂养是与生命早期微生物群组成和多样性相关的最重要因素。 母乳喂养直接通过人乳微生物群(包括乳酸杆菌和双歧杆菌)的转移,并通过暴露于诸如人乳寡糖(HMO),分泌型IgA,糖巨肽,色氨酸代谢物,脂质, 先天免疫系统(例如可溶性TLR2,可溶性TLR4及其共受体)以及抗菌蛋白和多肽,它们共同影响并指导微生物的生长和代谢。

新生儿和幼儿的微生物组富含降解HMOs92所需的微生物基因。

HMO是复杂的短链糖,迄今已鉴定出200多种不同的寡糖,其组成和多样性在母亲之间有所不同。这种个体间的异质性归因于来自不同母亲的母乳在肠道粘膜免疫系统成熟方面的不同作用。  

HMO还通过充当可溶性诱饵受体来影响上皮屏障功能,该受体会阻止细菌和其他微生物附着在上皮细胞表面糖上。已经提出,这有助于预防肠道以及呼吸道和泌尿道的传染病。低浓度的HMO乳酸-N-岩藻糖糖III与婴儿发生牛奶过敏的可能性增加相关。

母乳喂养还负责在母婴之间传播真核病毒(例如Herpesviridae,Poxviridae,Mimiviridae和 Iridoviridae)以及噬菌体(例如母婴之间的肌病毒科,Siphoviridae和Podoviridae)。 噬菌体占人乳中病毒的大部分(95%)。

人乳中的真核病毒可能直接影响婴儿的健康,而噬菌体则有助于塑造婴儿肠道菌群。此外,母乳喂养后婴儿的反流也可能使上呼吸道感染微生物。然而,可用的病毒学数据大多是横断面的,包括少量的个体,并且没有考虑母婴配对。

Rekima等证明,母亲哺育的小鼠暴露于屋尘螨Der p过敏原(与磷酸盐缓冲盐水接触)表现出增加的通透性,IL-33水平,第2组先天淋巴样细胞(ILC2s)的活化和分化。肠粘膜中的T辅助2(TH2)细胞。 这导致通过卵母蛋白暴露于母乳中而抑制了抗原特异性Treg细胞的诱导并防止了食物过敏

这强调了母乳中呼吸道过敏原的存在作为因干扰口服诱导而引起食物过敏的危险因素的重要性。在人类环境中进行验证对于控制Der p的水平(和/或其蛋白酶活性)具有重要意义,可以作为食品过敏保护的一种手段。

注:Der p 1是在屋尘螨(Dermatophagoides pteronyssinus, Der p)中发现的第一组过敏原,也是最主要过敏原之一。1980年Chapman和Platts-Mills第一次分离出Derp 1,人们对这种过敏原的了解才逐渐增多。75%以上屋尘螨过敏的患者,Derp 1特异性IgE均呈阳性,但Der p 1绝不是仅仅产生特异性IgE那么简单。

病毒性感染

病毒感染也与哮喘的发生密切相关。生命早期下呼吸道感染,特别是RSV或鼻病毒感染,可能在生命后期诱发喘息和哮喘的发生。变应原致敏作用似乎先于鼻病毒引起的喘息。 

最近的研究表明,宿主对发热感染的反应以及炎性体的相关活化可能对哮喘的发作至关重要。实际上,基于炎症小体激活,IL-1β和IL-18产生,T辅助17(TH17)细胞激活以及IL-8和IL-6过度产生的轴,某些哮喘内型与嗜中性气道炎症相关。

与RSV相关的细支气管炎儿童的气道中渗透的细胞中有80%是嗜中性粒细胞。在早期肺部发育过程中,中性粒细胞可能导致气道损伤,对肺部结构产生长期影响,并可能诱发哮喘的发展。

实际上,过度的嗜中性粒细胞反应导致通过IL-9募集肥大细胞。肺内肥大细胞继而引起气道高反应性,因此易患哮喘。

此外,过多的中性粒细胞可能通过释放蛋白酶,活性氧和中性粒细胞胞外陷阱而导致肺损伤,最终导致慢性肺损伤,这一过程可由实验性鼻病毒感染触发。 这个概念带来了新的临床意义,需要进一步研究。

过敏原和病毒性呼吸道感染可能以多种方式相互作用,包括通过有缺陷的上皮屏障功能。病毒性呼吸道感染与紧密连接破坏,先天免疫力受损和抗氧化特性降低有关,这可能导致对感染和过敏原的敏感性过高。

此外,小鼠的早期RSV暴露抑制了Treg细胞的发育并增强了对过敏的敏感性。特别关注以下事实:在干扰素产生方面,患有哮喘的个体的细胞或组织对病毒感染的反应最佳。 哮喘中干扰素应答不足已归因于单个或多个基因缺陷,microRNA或表观遗传决定因素。 

图3 哮喘患者中I型和III型干扰素与TH2型反应的相互负调节

另外,TH2细胞反应(例如IgE交联和2型细胞因子的产生)抑制了支气管上皮细胞产生干扰素,进而浆细胞样树突状细胞(pDC)衍生的I型和III型干扰素抑制了TH2细胞和ILC2s中的2型途径(图3)。如果这是真的,目前的抗TH2生物制剂(抗IgE、IL-5和IL-13的抗体、IL-5受体拮抗剂、IL-4受体拮抗剂和小分子如TH2细胞上表达的趋化剂受体同源分子(CRTH2)和DNAzymes)不仅可以减轻TH2型炎症,还可以恢复抗病毒反应。

的确,在存在IgE交联的情况下,用鼻病毒或流感病毒进行离体刺激后,奥马珠单抗(抗IgE)对市中心哮喘儿童的治疗导致pDC衍生的I型干扰素应答增强,pDC FcεRIα表达减弱。 这些发现与预后期间哮喘急性发作率降低有关。

注:奥马珠单抗是一种重组的人源化单克隆抗体,为抗IgE靶向生物制剂,是全球首个批准治疗中至重度哮喘的靶向治疗药物,该产品于2003年首次在全球上市。

过敏机制

与微生物群的改变有关

现在有越来越多的证据表明,菌群失调先于过敏表现的发展。 对出生队列的研究表明,婴儿的肠道菌群在1至3个月大时某些细菌属的缺失,与生命后期特应性,反复喘息或哮喘发展的风险增加相关。这种改变与消炎性多不饱和脂肪酸水平的降低或不存在相关。

怀孕母亲的健康状况影响宝宝早期菌群发育

此外,来自高危新生儿的无菌粪便水促进了产生IL-4的CD4 + T细胞的扩增,但以FOXP3 + Treg细胞损失为代价。 根据最近的发现,由于高危婴儿的胎粪表现出肠道微生物多样化的延迟微生物源性代谢组的改变(主要以消炎性粪便脂质的消耗为特征),因此菌群失调可能更早时候就开始了。这种菌群失调与父母疾病密切相关,表明怀孕期间的母亲健康状况可能会影响生命早期微生物群发育的微生物的垂直传播。

这不仅限于哮喘,因为肠道微生物群组成的变化还可以通过微生物反应性RORγt+ FOXP3 + Treg细胞亚群提高对食物过敏的敏感性或抵抗力,已知这对于维持食物耐受性至关重要。 

过敏发展与微生物群之间联系的实验证据来自无菌小鼠模型。对无菌小鼠的适应性免疫反应进行了重新编程。特别是,它们显示出对TH2细胞发育的默认偏差。 可以用确定的微生物菌株重建无菌小鼠。并且已经表明,梭状芽胞杆菌属物种和其他与过敏保护作用有关的物种通过诱导Treg细胞,IgA产生和其他免疫学作用而触发了过敏保护的发展。

最近,研究表明,以健康婴儿的菌群定植到无菌小鼠,可以免受牛奶过敏原的过敏反应。在该模型中,进一步的鉴定表明,梭状芽胞杆菌Anaerostipes caccae可以防止对食物的过敏反应。在另一种食物过敏模型中研究表明,用梭状芽孢杆菌成员或由七种细菌组成的拟杆菌属菌落定居,可在小鼠模型中抑制食物过敏。

进一步的功能性实验确定了通过共生导致Treg细胞发育的MyD88–RORγt途径的激活。这些重要的实验填补了在了解食物过敏患者中观察到的菌群失调的功能相关性方面的空白。然而需要更多的实验来牢固地建立微生物群与其他变态反应和哮喘临床表型之间的因果关系。

饮食,微生物群以及随后的代谢和免疫功能密切相关

一个重要的例子是微生物代谢产生的SCFA在免疫功能中的作用。 最近的研究表明,在“哮喘保护”环境下成长的孩子(称为PASTURE队列)在生命早期开始控制饮食,粪便中的丁酸盐含量很高。

对这些儿童进行了6年的随访,结果显示与对照组相比,特应性过敏症,哮喘和食物过敏的发生率明显降低。 在患有过敏症的儿童中观察到了丁酸盐的保护作用,并且据报道,对牛奶过敏的患病速度更快的儿童中,丁酸盐产生的类群(Clostridia和Firmicutes)的含量增加了。

SCFA已显示可减少DC分泌IL-12和IL-6,并促进Treg细胞的发育。丁酸酯还可能通过抑制组蛋白脱乙酰基酶来影响ILC2的增殖和功能,该途径已被认为是哮喘的潜在治疗靶点。 的确,用产生丁酸的梭状芽孢杆菌属物种对无菌小鼠的体内重构减弱了依赖ILC2的气道高反应性。 重要的分子机制包括在DNA甲基化和组蛋白乙酰化水平上对表观遗传细胞程序的影响。 这些作用是通过G蛋白偶联受体43介导的,该受体已被确定为重要的SCFA受体。

与环境微生物有关

关于过敏和哮喘保护,有几种独特的生活条件已被用于研究微生物生物多样性与免疫程序在细胞和分子水平上的因果关系。这些生活条件包括传统的农业和耕作方法(例如,在欧洲中部的高山地区),拟人化的生活方式(与未加工食品的消费,低抗生素用量和较高的户外活动水平相关),宠物的存在,尤其是狗和猫,居住环境,出生顺序和日托设施的早期使用。

传统农业环境中,已很好地证明了微生物暴露与哮喘发生概率之间的反比关系。 这项研究表明了微生物多样性在促进这种有益效果方面的重要性,并且进一步的研究已经确定了所涉及的细菌种类。

通过使用实验性哮喘和过敏性致敏的常规小鼠模型或细胞培养实验,已显示过敏保护细菌可通过多种方式促进抵抗TH2型免疫和炎症的免疫反应的发展。 其中包括松鼠葡萄球菌(Staphylococcus sciuri),鲁氏不动杆菌(Acinetobacter lwoffii)和乳酸乳球菌(Lactococcus lactis1)。 这些菌株中的一些在产生或不产生IL-12的情况下诱导DC活化,其他一些菌株不仅产生TH2型炎症,而且产生TH1型和TH17型炎症,均具有更广泛的抗炎活性,其他在预防实验性哮喘方面更具选择性。 为了发挥这些过敏和哮喘保护作用,需要通过模式识别受体进行识别并通过其进行信号传递。

革兰氏阴性菌A. lwoffii可以作为模型微生物来研究过敏和哮喘保护,并且是在芬兰和俄罗斯的卡累利阿族人群中进行的一项研究的主题。 俄罗斯卡累利阿人的人口是独特的,因为它的遗传同质人口生活在两个不同的国家。

俄罗斯的卡累利阿人人口生活在传统的农村条件下,而芬兰的卡累利阿人人口生活在西化的农村条件下,对过敏性疾病的敏感性增加,不动杆菌属(Acinetobacter genus)的丰度和多样性降低。 该细菌也可能与皮肤微生物群,环境暴露以及特应性或特应性皮炎的发展有关。 通过向怀孕的小鼠反复鼻内施用A. lwoffii,模仿了传统耕作环境的反复和连续的微生物暴露,从而防止了后代实验性哮喘的发展,从而影响了后代。

具体而言,A. lwoffii可诱导母亲的肺和血清促炎细胞因子以及肺TLR mRNA表达。 然而,令人惊讶的是,胎盘组织中的TLR表达被广泛抑制。

在许多促炎性细胞因子中,尽管长期处于较低水平,但只有IL-6长期处于升高的水平。与其他促炎性细胞因子相反,即使连续施用十多个农杆菌,IL-6反应也没有适应性。这与在长期和连续的脂多糖刺激后发生的脂多糖耐受期间观察到的结果相反,这导致减少的促炎细胞因子产生,特别是先天免疫细胞的促炎细胞因子产生。这些选定变化的分子基础涉及表观遗传修饰和染色质重塑,从而导致基因转录改变。A. lwoffii对CD4+T细胞(但不是CD8+T细胞或自然杀伤T细胞)的表观遗传程序具有高度特异性的作用,修饰Ifng启动子以增加干扰素-γ132的转录和翻译。

这些抗过敏微生物中的许多是生物多样性环境的组成部分。 生物多样性假说指出,与自然环境的接触丰富了人类微生物群,促进了免疫平衡,并防止了病理性慢性炎症,包括变态反应和自身免疫

我们认为这种炎症恢复力是由于源自微生物接触的这些激活信号的重复性质。正如许多观察性纵向和横断面研究表明的那样,当免疫耐受性增强时,生命早期就会出现特别脆弱的机会窗口。

这种机会之窗与微生物群的发展之窗重叠,并从子宫发育早期到儿童早期。 重要的结果是,如果已经发展出适当水平的弹性的免疫系统遇到环境变应原,食物抗原或自身抗原,则对该系统进行预编程以防止病理性慢性炎性疾病的发展。

相反,在没有这种源自生物多样性暴露体的反复微生物暴露的情况下,不会发生炎症弹性,并且在这种情况下,过敏原或自身抗原会触发不良的免疫反应,从而导致慢性炎症,过敏,哮喘和/或自身免疫。

免疫反应可能显示出对环境微生物的相对较快的适应性或对其他微生物的适应性不足。 这种适应的特征是低度的炎症反应起源于局部粘膜进入部位(例如气道),并在全身扩散,因此可作为一种额外的策略来增强抵抗不良病理性炎症反应的能力。 炎症弹性的概念与建立耐受性免疫系统密切相关。

支持细菌物种在变态反应中作用的另一个相关实例是古老的幽门螺杆菌,在过去的几十年中,其在胃肠道中的存在已大大减少。 实验数据表明,经母体暴露于幽门螺杆菌可减少F1和F2后代的过敏性气道炎症。 这种对过敏的保护作用需要Treg细胞,并与胃肠道菌群的强劲转变有关。 这与较早的数据相反,后者显示幽门螺杆菌增加了人胃活检样品中食物抗原的上皮通透性

与病毒相关

通过长期感染,病毒可能有助于宿主表型,并且某些病毒的存在可能通过免疫调节而受益。病毒介导的免疫调节会影响抗病毒防御能力以及对各种疾病的敏感性,包括过敏和继发感染,继而可能影响过敏的发展。一方面,病毒的存在可以增强免疫反应的强度或降低免疫激活的阈值。 另一方面,病毒可能会抑制免疫反应或降低其大小,或者可能改变对后续抗原暴露的反应性质,从而有利于更有效的TH1-type136或TH2-type137反应和/或持续性I型 干扰素水平。

在这种情况下,I型干扰素对鼻病毒的应答减弱与哮喘的发作有关,而鼻内感染γ疱疹病毒的小鼠可通过改变肺泡巨噬细胞亚群保护它们免受过敏性哮喘的侵袭,有利于调节性单核细胞浸润肺。

这些单核细胞衍生的巨噬细胞抑制了DC介导的对屋尘螨抗原的TH2型反应,因此抑制了过敏性哮喘。 此外,病毒免疫调节在空间和时间上是动态的,并影响T细胞和B细胞受体的组成。

Anelloviruses是病毒的代表成员,并与嗜酸性粒细胞活化有关。在患有哮喘的个体中。 在血液以及大多数组织和器官中,Anellovirus病毒占病毒总数的70%。 脊髓灰质炎病毒扭矩腱糖病毒(TTV)可以通过多种方式调节宿主防御:首先,TTV通过CpG介导的TLR9激活和促炎性介质(如呼出的一氧化氮和分泌的嗜酸性粒细胞阳离子蛋白)的诱导来刺激免疫防御。 第二,TTV通过干扰素信号传导和T细胞耗竭来抑制宿主的免疫反应。 高TTV负荷与循环CD4 + T细胞减少,B细胞增加和嗜酸性粒细胞活性增加相关。 

此外,据报道,在肺活量指数中度至严重受损的哮喘患儿中,鼻TTV负荷与嗜酸性粒细胞阳离子蛋白水平高呈正相关。 这表明TTV(单独或与其他病毒协同作用)在肺损伤中起作用,可能是通过全身或局部诱导炎症介导的。 反过来,炎症的增强可能是由血液中TTV复制上的免疫复合物形成或致敏个体中的过敏原暴露引起的。

与真菌相关

对真菌的免疫反应涉及先天性免疫途径以及调节耐受性和免疫监视的细胞免疫。过度的免疫反应可能导致真菌过敏,这可能是由于免疫调节机制的扰动所致。 肠道菌群的变化与过敏性气道疾病有关。例如,肠道中白色念珠菌的存在会影响TH17型通路,进而可能影响慢性气道疾病中与曲霉菌相关的病理学。

在皮肤中,马拉色菌属较高或针对它们的免疫反应减弱与特应性皮炎有关。 尽管在此背景下还描述了非马拉色菌,但共生马拉色菌,马拉色假丝酵母和皮肤马拉色菌一直与特应性皮炎及其恶化相关。 患有这种疾病的患者会向马拉色菌种产生IgE,并且来自马拉色菌的囊泡已与定义明确的一致RNA序列集相关联,而这些序列不受pH升高的影响,这是特应性皮炎患者的标志性特征。 此外,在特应性皮炎患者中,马拉色菌可能会诱导皮肤TH17细胞诱导的炎症,并增强马拉色菌特有的CCR6 +记忆性TH17细胞。

在健康的肺结核菌组和在慢性炎症性呼吸系统疾病(如哮喘和慢性阻塞性肺疾病)中观察到的结核菌之间也存在差异。 在这些疾病中,由于真菌过度生长或丧失多样性,肺表现出较低的真菌多样性和较差的肺功能。 特别是在哮喘中,某些真菌(例如,Psathyrella,Malassezia,Termitomyces和Grifola)的负载量已有报道。

与没有哮喘的儿童相比,患有严重哮喘的儿童的红景天孢子菌,肺孢子虫,白孢菌等的丰度更高。

支气管扩张与不利的过敏性致敏和对曲霉的免疫反应有关。在哮喘和囊性纤维化中,都可能诱发对曲霉的过敏反应,例如在过敏性支气管肺曲霉病中。

预防过敏的微生物处理

对影响过敏风险的早期事件的详细了解对于建立一级预防策略(即阻止过敏原致敏)和二级预防策略(即阻止致敏后临床症状的发展)特别重要。

如上所述,有大量的临床和实验证据表明,微生物群在训练针对耐受的早期免疫反应中起着关键作用。

然而,尚不清楚细菌治疗后是否可以永久改变微生物群。 目前,一些针对花生过敏的小型I期临床试验正在进行中,以探索胎儿微生物转移的可能性,正如其他人最近总结的。 这些研究和其他研究的结果将提供进一步的认识,即微生物群的操纵是否将是预防和/或治疗(食物)过敏的现实选择。

育儿习惯,包括清洁母亲口中的安抚奶嘴,食用发酵食品以及用手洗碗代替使用洗碗机。 但是,需要通过对婴儿和儿童进行的其他随机对照研究来证实其积极作用。 此外,作为防过敏措施,正在探索旨在增加绿色空间,增加年轻的母亲和儿童在富含微生物的土壤中工作以及使年轻人从城市进入农村地区的机会的社区干预措施。 但是,在将成人研究的结果翻译为婴儿时必须谨慎。

益生菌的使用

益生菌可以直接或间接(例如,通过肠道微生物群的校正)提供帮助,从而随着临床和免疫耐受的发展而使正常的免疫成熟。当然支持这一点的临床证据有限。关于食物过敏,即使在高风险家庭或未选择或混合风险人群中,也没有发现使用益生菌的积极结果。 同样,哮喘也获得了阴性结果。

相比之下,调查益生菌对孕妇,母乳喂养的母亲或婴儿的影响的随机试验提供了证据,表明益生菌可以降低婴儿特应性皮炎的风险。 这些结果也反映在国际准则中。

混合结果的原因可能有以下几点:第一,不同的微生物用于不同的研究;第二,不同的微生物菌株可能有不同的效果;第三,时间和剂量与给药时间表一起也起着重要作用。

益生菌的免疫调节作用

大量的体外和动物体内研究表明,一些益生菌菌株具有免疫调节作用。最广泛使用的益生菌菌株是乳杆菌科和双歧杆菌科菌株。对于鼠李糖乳杆菌GG(LGG)、干酪乳杆菌、reuteri石灰乳杆菌、副干酪乳杆菌、植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌,FOXP3+Treg细胞在产生IL-10的同时,无论是否产生TGFβ,其数量和/或功能均有不同程度的增加。一些菌株促进单核细胞来源的树突状细胞成熟和启动。

在实验性哮喘小鼠模型中,给予LGG抑制气道高反应性并降低TH2型细胞因子的产生。据报道,在哮喘儿童中,服用LGG可以降低呼出的一氧化氮浓度,但这些结果不能被其他人复制

动物双歧杆菌亚种,乳双歧杆菌、双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌和其他双歧杆菌,也得到了类似的结果。已有报道诱导FOXP3+Treg细胞,诱导巨噬细胞和树突状细胞产生IL-10,以及对TNF水平和IL-6产生的抑制作用。益生菌介导的免疫调节的进一步机制包括稳定肠道黏膜紧密连接、增加粘液分泌增强肠道动力和产生氨基酸副产物,包括精氨酸和谷氨酰胺,以及可能导致某些原发性硬化的短链脂肪酸。

益生元的使用

益生元被定义为对宿主而言不易消化,但可作为选定微生物的营养物质的糖,进而对宿主产生有益于健康的作用。实例包括短链低聚半乳糖,长链低聚果糖和果胶。在这方面,HMOs还可以作为婴儿微生物群的益生元。 

在动物模型和人体研究中,分别显示了益生元对高危婴儿的粘膜免疫功能和特应性皮炎发展的积极影响。 但是,需要进行更大的研究,才能证明补充婴儿配方奶粉中的HMO是否对过敏和哮喘预防具有有益作用。 现在,仅大规模合成了有限数量的HMO(2′-岩藻糖半乳糖和乳酸-N-四糖),因此它们可用作婴儿配方食品的补充剂。

预防呼吸道感染

大量证据表明病毒在从头诱发哮喘中起着核心作用,这使得预防呼吸道感染成为防止过敏和哮喘的有吸引力的潜在措施。

用抗RSV单克隆抗体帕利珠单抗预防RSV诱发的细支气管炎可降低RSV相关疾病,反复喘息和潜在的非特应性哮喘的风险。 在临床试验中针对鼻病毒和RSV的当前和候选抗病毒药和疫苗已在其他地方进行了审查。 口服免疫调节剂可能会影响迁徙的T细胞和B细胞种群,这些种群在与肠道相关的淋巴组织中成熟并形成归巢受体,这些受体优先移动至粘膜(包括呼吸)部位。 由于局部肺抗病毒反应,此类细胞亚群可通过控制旁观者炎症起作用。 也可能涉及其他保护机制,例如启动肺中的内源性炎症小体功能,从而增强了局部适应性抗病毒免疫力。

免疫调节可以由活的益生菌或细菌提取物提供,也可以通过与病原菌的抑制作用来实现,这些病原菌可以与病毒协同作用,并通过例如抗菌疫苗或靶向抗菌疗法增加疾病的严重性。 在后一种情况下,收益必须与对共生细菌的潜在有害影响和选择抗微生物有机体相平衡。

早期食物选择

英国和美国的较旧建议建议在怀孕期间避免食用花生和坚果,以防止后代对坚果过敏。但是,没有发现任何好处,因此建议被撤销。确实,来自丹麦国家出生队列的数据显示,母亲食用花生和坚果与18个月大的儿童哮喘成反比。早期学习有关花生过敏(LEAP)的研究彻底改变了当前的规则,因为该研究显示,在1岁之前接受花生喂养的高危婴儿中,花生过敏的发生率较低(5岁时相对减少81%)(4– 11个月)。考虑到花生过敏症目前影响西方国家的1-3%的儿童,因此该首次随机对照试验的结果对研究饮食蛋白的引入或避免有很高的相关性。

但是,很难将一项涉及高危婴儿的试验的结果归纳起来,该试验在将花生普遍引入普通人群之前,对患者进行了花生过敏性筛查。大规模的筛查计划在逻辑上要求很高,而引入的剂量和时间也仍然是未解决的问题。 在有限的时间窗口内引入花生,以及随着引入年龄的变化而研究免疫调节的机制研究是必要的。 

后续LEAP-On研究的结果表明,在早期引入花生的儿童中,避免食用花生12个月与短暂的脱敏无关,而与对花生的持续无反应有关。在最初的食用花生的人群中,在回避1年后的6岁时评估了其花生特异性IgE水平的显着下降(LEAP-On)。这些发现为过敏预防和相关的未来研究提供了重要的见识。他们证明,食物特异性IgE的产生在婴儿早期就开始了,可能需要很长时间才能停止,这可能是由于长期存在的产生IgE的记忆B细胞和浆细胞(又称效应B细胞)。

在生命的第一年,食物的多样性增加似乎对过敏性疾病有保护作用  诱导免疫耐受。饮食多样性可以通过增强微生物群多样性来减少过敏性疾病,进而改善肠壁的完整性和免疫系统的调节,尽管这一点尚待证实。同样,科学界也讨论了食品生产和烹调方法以及先前所描述的“健康饮食”(例如地中海式饮食),但迄今为止有关任何过敏保护作用的证据都是有限的,而且常常存在争议。

使用水解配方

已开发出水解牛乳配方,其中通过多种物理和化学过程对蛋白质进行修饰,包括过热和胰蛋白酶和化学胰蛋白酶的酶促裂解。 蛋白质的修饰程度在各配方之间不同,被称为部分或广泛水解。

这样的配方源自乳清蛋白或酪蛋白。 迄今为止,尚未就这种广泛或部分水解的配方的定义达成普遍共识。 这种方法背后的概念是变应原性和抗原性之间的平衡。

部分和广泛水解的食品配方包含明显减少的过敏原表位。

但是,在这些条件下,抗原性以及保持免疫耐受的能力仍然得以保持。 这一概念得到动物模型系统的支持,但临床试验显示出矛盾的结果。 荟萃分析和其他研究提示,临床观察和效果是水解产物特异性的。 为了预防食物过敏,两项系统评价和若干随机试验发现,广泛水解的乳清或酪蛋白配方有有益的作用。 但是,关于过敏性疾病的发展也有不同的发现,最近的发现并不支持使用水解配方食品预防高危婴儿的过敏性疾病。 在一些指导方针中,建议在危险的婴儿中预防部分牛奶水解物,证明其功效已得到证实,以预防婴儿的牛奶过敏和过敏性疾病,因此可以被认为是婴儿配方奶粉中的蛋白质来源。

结 语

根据目前对健康免疫发展和过敏危险因素的了解,在生命中似乎有一个脆弱的时期,在产前和产后早期这一时期,过敏预防可能是最有效的。

最近的证据,仅仅调节单一的危险因素不足以显著改善幼儿的健康状况。哮喘发病危险因素的数学模型表明,相当大比例的(儿童期)哮喘可归因于一系列可改变的环境危险因素。 反过来,这也促进了我我们预防控制过敏的措施。

参考文献:

Renz Harald., Skevaki Chrysanthi.(2020). Early life microbial exposures and allergy risks: opportunities for prevention. Nat. Rev. Immunol., undefined(undefined), undefined. doi:10.1038/s41577-020-00420-y

Science|慢性肾病与肠道菌群新机制

谷禾健康 

肾脏的主要功能是保持体内平衡,包括酸碱平衡,水平衡,血压调节和葡萄糖稳态在内的功能需要肾脏进行精确的协调和调节。 全球大约9%的人口正在遭受慢性肾脏疾病。近年来,研究表明,肠道菌群的变化(通常是各种细菌的相对比例的变化)与多种疾病和病症相关,包括肥胖,糖尿病,躁郁症和抑郁症,人们也越来越关注肠道菌群在调节肾脏疾病结局中的潜在作用。但是这些菌群和疾病研究中有许多是相关的,通常不清楚为什么会发生这些变化,或者是否是因果关系以及这些变化是否以某种方式促进了相关的表型?

近日,发在在《Science》上的一篇来自哈佛大学公共卫生学院和医学院的教授Wendy S. Garrett团队的关于慢性肾脏病与肠道菌群的研究(Diet posttranslationally modifies the mouse gut microbial proteome to modulate renal function)在这个范例上引入了全新的思路。文章指出饮食变化可以触发微生物蛋白的翻译后修饰,从而改变尿毒症毒素的形成,从而影响慢性肾脏疾病的进展。这些发现可能有助于慢性肾脏病的治疗,并为改善人类健康提供了针对微生物群及其蛋白质组酶活性的临床方法。

缩略词:

Saa:含硫氨基酸

Ade:腺嘌呤

SPF:无特殊病原体

GF:无菌

SAF: 无菌小鼠肠道中接种ASF

研究背景:

尽管饮食调整是慢性肾脏病治疗的基石,但饮食与微生物群相互作用在慢性肾脏病发病机理和治疗中的机制作用尚未得到充分研究。 数十年来,改变患者饮食中蛋白质的摄入量一直是治疗慢性肾脏病的临床策略,更具体地说,是饮食中含硫氨基酸(Saa)的摄入量会影响患者和疾病模型的慢性肾脏病进展。尽管膳食氨基酸中有5%到10%到达了大多数肠道细菌代谢发生的结肠。 在人类中,膳食蛋白质的增加会增加肠道细菌产生硫化氢(H2S),吲哚和吲哚酚硫酸盐的产量。 吲哚和吲哚酚硫酸盐是尿毒症毒素,H2S具有多种生理功能,其中一些功能是由翻译后修饰S-硫酸化介导的。尿毒症毒素是肾功能受损时残留在血液中的化合物,尿毒症毒素的增加会导致多种疾病,包括内皮功能障碍。尽管已在哺乳动物系统中进行了大量研究,但仍未充分研究H2S在调节宿主内肠道细菌功能方面的生理作用。

实验方法:

⑴ 组织学观察:小鼠肾脏石蜡包埋切片观察,包括肾皮质和髓质的定向切片。

⑵ 血清肌酐测定,血清肌酸酐比色测定试剂盒(Cayman Chemical)测量肌酐水平。

⑶ H2S测定:ASF小鼠盲肠硫化物的检测,采用上述醋酸铅硫化物分析法进行分析。

⑷ 宿主肾基因表达分析:石蜡块中提取小鼠肾RNA,然后进行RT-PCR定量分析。

⑸ 慢性肾病患者粪便微生物组学公共数据集收集和Meta分析

⑹ 菌种培养和试验:E. coli K-12 BW25113菌株自己克隆培养,E. coli MG1655,

BW25113, W3110 和tnaA739::kan来自耶鲁大学大肠杆菌遗传储备中心(CGSC)。

⑺ 盲肠DNA提取及RT-qPCR分析:

⑻ 细菌16srRNA基因扩增子序列:盲肠内容物16s,V4可变区测序分析

⑼ 蛋白质实验:

硫水合蛋白质的降解

蛋白质印迹分析实验

蛋白质消化和标记实验

⑽ 质谱分析,吲哚和硫酸吲哚的LC-MS/MS分析

⑾用Kovac试剂比色法测定吲哚

⑿ 体外色氨酸酶测定

⒀大肠杆菌的基因插入与克隆

实验结论:

一,与高Saa + Ade(腺嘌呤)的小鼠相比,低Saa + Ade的饮食常规饲养,无特定病原(SPF)小鼠的血清肌酐水平显着升高,而且范围更广以及严重的肾皮质组织病理学改变,包括肾小管扩张和脱落,肾小管炎伴肾小管周围纤维化以及皮质晶体沉积。与低Saa + Ade饮食的SPF小鼠相比,GF小鼠的血清肌酐和肾脏损害明显减少,并且在高Saa + Ade饮食的GF和SPF小鼠中存在相似的表型。

二,微生物群可以缓冲某些宿主基因的表达,同时刺激其他宿主基因的表达。低Saa饮食会加剧观察到的慢性肾脏病表型,而肠道菌群的存在会进一步放大这些影响。

三,未观察到低Saa和高Saa饮食的SPF小鼠肠道微生物群成员的分类丰度存在任何显著差异,支持健康小鼠盲肠硫化物的差异可能是通过改变微生物功能而不是通过改变微生物功能来实现的微生物群落结构的变化。

四,在患有终末期肾脏疾病的慢性肾脏病患者的粪便样本中测得的7种大肠杆菌的总平均丰度显着增加。

五,在低Saa + Ade饮食下,定植于大肠杆菌(ASFE. coli)的ASF小鼠比ASF小鼠具有更高的血清肌酐和更广泛的肾小管炎,肾小管萎缩和脱落,肾小管周围纤维化和皮质晶体。在低Saa+Ade饮食中,ASF小鼠感染了大肠杆菌(ASFE. coli)比ASF小鼠血清肌酐更高,更广泛的小管炎,肾小管萎缩和脱落,肾小管周围纤维化和皮质结晶。

六,用定量串联质谱(TMT)和液相色谱-多阶段质谱(LC-MS3)分析表明大多数在大肠杆菌裂解物中富集的蛋白质确实是S-硫水合物洗脱的。

七,SPF和ASFE.coli中的血清肌酐水平结果支持大肠杆菌与饮食性Saa相互作用以调节肾脏功能。

八,SPF和ASFE.coli小鼠中盲肠H2S的观察结果显示需氧或厌氧生长的大肠杆菌以剂量依赖性方式从半胱氨酸产生硫化物,而对生长没有任何影响。

九,Western印迹分析法分析WT与DdecR大肠杆菌裂解物中的TnaA S-硫酸化反应验证了S-巯基水解结果,并发现DdecR裂解物中TnaA S-硫酸化反应降低。  用H2O2和NaHS处理的大肠杆菌裂解物分别显示出减少和增加的TnaA S硫酸盐化作用。

十,外从细菌细胞裂解物中检测到纯化的蛋白质和TnaA的TnaA S硫酸盐化反应,证明了这种修饰抑制了其活性。

十一, 发现采用高Saa饮食的小鼠的吲哚水平显着降低,这表明高饮食Saa不仅增加了TnaA S的硫酸化作用,而且这种修饰足以影响体内TnaA的活性。

研究总结:

研究发现,源自饮食Saa细菌代谢的硫化物通过抑制S-巯基化色氨酸酶来调节大肠杆菌的吲哚生产。表明饮食成分可以被微生物群代谢,从而产生微生物蛋白的翻译后修饰,从而影响宿主的生理,并为宿主-饮食-微生物群之间的相互作用如何促进或阻止诸如慢性肾脏病的疾病状态提供了框架。小鼠慢性肾脏病模型中,饮食的细微变化不会导致微生物成分的变化,这揭示了大肠杆菌产生的吲哚受到肠道细菌内源性产生的硫化物水平的差异性影响。表明细菌代谢不仅可能对宿主生理产生直接影响,而且还可能影响宿主饮食介导的细菌翻译后修饰驱动的微生物相互作用。

局限性:

研究观察表明,GF小鼠在腺嘌呤模型中表现出肾衰竭表型,尽管比SPF小鼠轻,但表明宿主因素以及氧化还原状态(例如,谷胱甘肽水平改变)在饮食Saa中也起作用调节肾功能。

 饮食中Saa和细菌TnaA吲哚生产对人慢性肾脏病肾衰竭的贡献值得进一步研究。 在小鼠慢性肾脏病模型中盲肠吲哚的2倍增加最终导致血清吲哚酚硫酸盐增加10倍,这是值得注意的。

研究意义和启示:

研究报道了一种饮食干预措施,该干预措施诱导了微生物酶的翻译后修饰(S-巯基化),导致尿毒症毒素产生的减少,这对肾脏疾病的小鼠模型具有保护作用。尽管这样的研究很困难,但这篇研究提供如何实现它们的示例蓝图。此外,这些研究暗示可以通过改变肠道微生物群和/或肠道微生物蛋白质组的酶活性的新策略来改变慢性肾脏疾病的进展。

   这些类型的方法不仅可以为慢性肾脏疾病带来好处,而且可以为与微生物群有关的许多其他疾病和状况带来好处。根据定义,这些类型的研究需要采取多学科的方法,因为不仅必须认识微生物生物学和翻译后修饰方式,还必须了解疾病的整个动物生理学和病理生理学。 因此,对于来自不同领域的科学家们来说,这是一个巨大的机会。通过汇集不同领域的知识和方法,可以增进对宿主-微生物组相互作用和疾病进展的了解,也许可以发现新的疾病治疗和预防方法。

主要图表:

最新研究《Cell》纵向多组学揭示肠易激综合征(IBS)的潜在机制

谷禾健康

肠道微生物组与多种人类慢性胃肠道(GI)疾病有关。肠易激综合症(IBS)是一种普遍存在的疾病,其特征是反复出现腹痛或不适。IBS主要见于女性,并与粪便形式或频率变化有关,并基于主要便秘形式(便秘为主(IBS-C),腹泻为主(IBS-D)或混合型(IBS-M))。 由于动物和人类研究之间明显的脱节以及缺乏针对疾病特异性生理变化的综合多组学观点,因此很难确定肠道菌群在疾病中的作用机理。

近日,美国梅奥诊所消化内科和肝病科 Purna C. Kashyap研究团队和明尼苏达大学生物科学学院 Dan Knights团队合作在 Cell上发表了题为 Longitudinal Multi-omics Reveals Subset-Specific Mechanisms Underlying Irritable Bowel Syndrome 的文章,研究团队对IBS宿主生理进行了多组学测量的纵向研究 (gun弹枪浅宏基因组测序、16S rRNA基因测序、代谢组学研究,细胞因子测量,转录组和甲基化组分析)最终确定了IBS亚类型特异性、症状相关的微生物组成和功能变异,其中一组已确定的微生物代谢产物变异子集与IBS有关的宿主生理机制相关。 通过Lasso回归机器学习方法整合多个数据层,鉴定出的微生物代谢物变化的子集对应于与IBS相关的宿主生理机制。研究团队将嘌呤代谢确定为一种新型IBS宿主-微生物代谢途径,同时嘌呤饥饿被确认为潜在的IBS治疗靶标。

点评总结

这项研究主要采用了纵向多时间点采样,针对IBS这类症状波动较为明显的疾病研究纵向多时间点采样可以减少横断面研究的采样偏差,减少入组病人的数量但提高统计检验的效力。可以看到研究纳入的病人并不很多,但采用平均值之后统计效果明显。

另外研究同时进行了多组学的检测,包括代谢组和黏膜转录组等,通过对宏基因组功能差异的分析以及代谢组的差异分析同时锁定了多项代谢异常,尤其是次黄嘌呤的水平异常。进一步对次黄嘌呤水平与宏基因组的菌种进行关联分析锁定了重要的相关菌,通过SV关联分析,在更细尺度上筛选出了可能的功能基因区段。

这种组合方式提供了完整的研究思路,从人群尺度寻找疾病可能的代谢和生理机制,并经由多组学的关联分析锁定可能的菌种标志,再到精细化筛选出可能的功能基因。

在菌群方面研究采用了宏基因组和16S,对粪便样本采用宏基因组,对黏膜样本采用16S,因为黏膜样本含有较高的人体DNA,16S更为合适。粪便样本的宏基因组直接采用和RefSeq89版本进行比对注释,基因部分同时结合了序列比对和利用基因组数据直接提取注释相结合。宏基因组测序能够提供菌株层面的分辨率,同时也是后续结构变异关联分析的必要条件,随着参考基因集的完善,中等测序深度的浅宏基因组将可以大量应用于这类研究中(浅宏基因组文末详细介绍和福利活动 )。

全文介绍

全文缩略词整理:

肠易激综合征(IBS)

便秘为主的肠易激综合征(IBS-C)

腹泻为主的肠易激综合征(IBS-D)

混合型为主的肠易激综合征(IBS-M)

健康对照(HCs)

症状严重程度评分(SSS)

短链脂肪酸(SCFA)

靶向液相色谱-质谱(LC-MS)

5-羟色胺受体4(5-HT4R)

胆汁酸(BAs)

胆酸(CA)

鹅去氧胆酸(CDCA)

核磁共振氢谱(1H-NMR)

黄嘌呤磷酸核糖基转移酶(XPRT)

嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)

缺失区(DR)

可变区(VR)

Bray-Curtis差异(BCD)

不规则性(BCDI)

差异甲基化区域(DMR)

本文用到的实验方法汇总:

样本人群和数据生成

18-65岁的IBS-C和IBS-D患者经过严格的筛查确诊患者入组。IBS-C和IBS-D受试者均符合罗马III级标准。有腹部手术史(阑尾切除和胆囊切除除外)、被诊断为炎症性肠道疾病、显微镜下结肠炎、腹腔疾病或其他炎症性疾病、在过去4周内使用抗生素、出血风险或服用增加出血风险的药物、过去一周准备接受结肠镜检查、怀孕、计划在研究期间怀孕、是易受感染的成年人以及年龄在18岁以下或65岁以上的志愿者被排除在外。

食物频率问卷(FFQ)和24小时饮食回想问卷

动物实验

小鼠实验

Ussing chamber 试验

Ussing Chamber,尤斯灌流室,离是研究跨上皮转运的工具,可用于包括离子转运、营养物质转运及药物转运等的研究。通过跨上皮转运的研究,可以了解上皮的离子通道机制、营养成分及药物透过上皮的吸收、影响上皮屏障功能以及通透性的因素等。本文的Ussing Chamber实验研究了5-羟色胺(5-HT)对结肠上皮短路电流(ISC;一种反映肠道分泌物的跨上皮离子流量的测量)的变化。

微生物组测序

QIAGEN PowerSoil 提取粪便和组织DNA

浅宏基因组使用HiSeq 2500(快速模式)单端读数为100 bp(1×100)和NextSeq 150 bp单端读数(1×150)进行测序。

扩增子测序,对核糖体RNA基因的V4区进行测序,扩增子序列与来自同一细菌基因组的16S rRNA基因在shotgun测序法中使用BURST。

微生物组数据分析

宏基因组部分使用的是浅宏基因组,使用1×100或1×150单端,使用BURST以97%相似度和RefSeq(v86版本)进行比对,过滤比对测序深度低于1万reads的样本。KEGG正射图也可以从参考基因组中进行预测,并利用SHOGUN对预测的图谱进行扩充,以改进对低丰度基因的估计

基因丰度部分是直接比对从refseq基因组中提取的KEGG注释序列,并利用SHOGUN改进低丰度基因的预测)

在测试亚组之间的分类单元差异之前,删除了90%的受试者中不存在的分类单元。 为了识别差异丰富的特征,使用FDR截止值<0.25。

通过提取所有健康对照(HC)与HC或IBS样本之间的成对差异来计算基于Bray-Curtis差异(BCD)的不规则性(BCDI),并存储这些差异的中位数。HC值的第90个百分位数用作鉴定与HC样品不同的微生物组样品的临界值。通过随机抽取每个HC对象一个样本并在这些样本中识别BCDI 500次,对第90个百分位数的临界值进行了敏感性分析。 此外,还计算了平均HC微生物组丰度的第90个百分位数临界值。 使用平均值不会改变第90个百分位数的临界值(0.63)。

代谢组学

血清和粪便样品的核磁共振代谢(1H-NMR)谱分析,测定粪便样品中丙酸、丁酸和醋酸的相对丰度,非靶向1H-NMR谱判别分析(PLS-DA)模型确定了IBS亚组和HC粪便样本之间的代谢变异

通过LC-MS /MS进行胆汁酸分析

使用ACQUITY超高效液相色谱(UPLC)系统和Xevo G2-S四极飞行时间(Q-TOF)质谱仪上对样品进行了分析。

通过GC-MS / MS进行SCFA定量

使用7000D 三重四极杆 GC/MS((Agilent Technologies Ltd.)对SCFA进行定量分析。7000D 三重四极杆气质联用系统是 GC/MS/MS 发展史上迄今为止最为成功的最新型号。使用真正的SCFA标准品绘制了11点校准曲线和合并的QC样品。

通过LC-MS / MS进行色氨酸定量

色氨酸定量使用LC-MS/MS在Waters Acquity UPLC上进行,色谱柱为T3 C18柱(1       ×50 mm,1.7 uM),联用Waters Xevo TQ-S三重四极杆质谱仪。

细胞因子测量

使用多路Luminex定量分析IL-8,IFNγ,IL-10,II-18,IL-22,瘦素,血管内皮生长因子(VEGF),膜结合免疫球蛋白(MIG),IL-1β,IL-17A,IL-1RA,IL-6和 TNFα。使用酶联免疫吸附测定(ELISA)对TGFb-1进行了定量。

RNA测序和分析

提取mRNA, 使用Illumina High Seq-2000测序,使用MAP-RSeq v.2.0.0、edgeR 2.6.2、R包RITAN(https://www.bioconductor.org/packages/release/bioc/html/RITAN.html)进行基因机损,差异表达和路径富集分析。

甲基基因组测序和分析

使用Illumina Infinium甲基化EPIC BeadChip评估基因组DNA中的全基因组甲基化,使用R软件包ChAMP 2.9.10、Combat方法、limma函数和Benjamini-Hochberg(BH)得到甲基化的CpG位点,使用R包RITAN,将与DMC或DMR相关的基因用于途径富集分析。

多组学数据整合

使用R中的Maaslin2软件包(http://huttenhower.sph.harvard.edu/maaslin)研究了粪便微生物特征与粪便代谢产物之间的关联。 使用最小丰度运行Maaslin2,将微生物特征的最小患病率分别设置为0.0001和0.5。 经FDR校正的q值的阈值设置为0.25。 将线性混合效应模型应用于与被设置为随机效应的受试者的关联。

用Lasso回归机器学习方法拟合,鉴定基因-微生物组和基因-代谢物关联,该基因模型使用每个基因的基因表达作为响应,并使用微生物组丰度或代谢物浓度作为预测因子。回归方法是一种对数值型连续随机变量进行预测和建模的监督学习算法,回归分为Linear Regression线性回归,Logistic Regression逻辑回归,Polynomial Regression多项式回归,Stepwise Regression逐步回归,Ridge Regression岭回归,Lasso Regression套索回归,ElasticNet回归。其中,Lasso回归方法是在统计学和机器学习中同时进行特征选择和正则化(数学)的回归分析方法,旨在增强统计模型的预测准确性和可解释性,在实践中,岭回归与套索回归首先岭回归。但是,如果特征特别多,而某些特征更重要,具有选择性,那就选择Lasso可能更好。

体内和体外次黄嘌呤消耗实验

Mega培养基中培养细菌,使用LC-MS测定培养上清液中的次黄嘌呤水平,在6周龄的无菌Swiss Webster小鼠上进行了单菌落实验。

次黄嘌呤(Sigma-Aldrich)管饲喂养后第4天,处死小鼠并收集盲肠内容物,使用Amplex Red黄嘌呤/黄嘌呤氧化酶测定试剂盒(Thermo Fisher)测定盲肠内次黄嘌呤和黄嘌呤的总浓度

结果分析:

一 纵向采样克服了跨部门微生物组研究中的异质性

慢性胃肠道疾病中肠道微生物组的横断面研究提供了高度动态的生态系统的快照。 除了饮食,药物使用,生活方式和其他环境因素的影响外,随着时间的流逝微生物群的变化也可能反映疾病活动的变化。

该文通过对纵向数据进行二次采样,测试显着的分类单元,将单个时间点的结果与受试者平均所有数据所获得的结果进行比较,来评估纵向采样与横截面采样相比对识别成分变化的影响时间点。

   比较不同时间点时,在各个时间点观察到的HC和疾病组之间的分类单元丰度差异非常不一致,并且与平均数据中观察到的变化不重叠。 当使用平均数据而不是单时间点数据时,发现多个链球菌属物种的丰度明显更高。与HC相比,IBS-D中新近鉴定出的门合生植物的丰度要低得多。 我们还发现,个体内部差异高于个体内部差异,这支持了我们对每个个体的纵向数据进行平均的方法(STAR方法,t检验p <0.0001)。

这些发现凸显了在慢性疾病中进行纵向采样的必要性,以可靠地识别使用横截面采样可能遗漏的微生物群变化。 因此,我们主要报告时间平均数据的发现。 最近的一项研究进一步证明了这一点,该研究表明,在多个采样时间点使用平均值时,常用的“组学”方法更为准确。

二 纵向采样揭示了随着时间的流逝,IBS-C微生物群具有更大的可变性

与HC和IBS-D受试者相比,IBS-C患者的粪便微生物群组成随时间表现出更大的变异性。 此外,与IBS-D样本相比,平均IBS-C粪便样本的香农多样性更高(ANOVA,Tukey HSD p值为0.016)。

   粪便样品中结肠黏膜的微生物组成与腔微生物群有显着差异。 与HC相比,IBS患者的粘膜相关菌群的特征是变形杆菌水平明显较高。 与IBS-D或HC相比,IBS-C患者的与黏膜相关的微生物菌群与其各自的腔内微生物菌群相似性较低。 这可能反映出IBS-C患者菌群的迁移时间较长,而社区之间有更多的时间分化。 此外,IBS-C患者的粘膜相关菌群的个体内变异性随时间变化更大,这与我们在腔菌群中观察到的相似。

三IBS症状严重程度与肠道菌群的功能变化有关

在特定采样点使用IBS SSS(0-500)报告IBS的严重程度,IBS SSS是腹痛强度、频率、肿胀、对排便习惯的不满以及IBS对一般生活的影响的累积度量。我们观察到重度IBS-D(SSS>300)中超过20种乳杆菌的相对丰度高于轻中度IBS-D(SSS<300)。而且这与受试者食用益生菌或乳制品无关。

在粪便宏基因组学功能富集分析时,我们发现在FDR中74个KO与严重的IBS-C相关,而44个与严重的IBS-D相关。 重度IBS-C和IBS-D中均发现了乙醇脱氢酶(ADH)的KO途径,且在重度IBS-C和IBS-D比轻中度IBS中高。 乙醇脱氢酶(ADH)显示与双歧杆菌和链球菌属呈正相关。这些数据表明ADH活性可能与腹痛有关,腹痛是IBS-C和IBS-D共同的主要症状。

四 代谢组学与生理学结果阐明了肠道微生物群代谢对胃肠功能的影响

H1核磁共振(NMR)光谱显示,与HC相比,IBS-C患者粪便样本中的短链脂肪酸(SCFA)丙酸酯,丁酸酯和乙酸酯显着降低。与腔内代谢产物一致,与HC组相比,IBS-C组的结肠黏膜活检样品中的乙酸盐(通过气相色谱-质谱[GC-MS]测定)也显着减少。,SCFA的这些差异与膳食纤维的总摄入量无关,因为这在各组之间没有显着差异。

Ussing chamber 试验结果表明水分流伴随离子通量,并且分泌减少会导致便秘中粪便含水量降低。 相反,增加的离子通量可导致分泌更多的水,导致腹泻。色胺均显着增加了结肠分泌且在各组之间没有显着差异,表明,IBS患者和HCs的结肠上皮能够由色胺引起的液体分泌,因此观察到的变化可能是由于色胺的丰度变化导致。

进一步使用靶向液相色谱-质谱(LC-MS)方法研究了粪便样品中色胺和其他色氨酸代谢物的变化。 发现,IBS-D患者粪便样品中的色氨酸和色胺都显着增加,因此可能部分归因于IBS-D粪便中水分的增加。 我们证实这些代谢物的变化与蛋白质摄入的饮食差异无关。

使用LC-MS / MS我们IBS-D患者粪便样品中未结合的初级BA含量明显较高,而IBS-D患者粪便样品中未结合的初级BAs含量明显较低。与HC和IBS-C受试者相比,IBSD中个体初级共轭和非共轭BA和DCA-S的量更高。 由于像CDCA这样的羟基化初级BA可能会增加结肠分泌,因此运用Ussing chamber测试了CDCA在无菌小鼠结肠黏膜下黏膜下层制剂中的作用,结论支持了CDCA水平升高在增加IBS-D患者粪便中水分含量方面的生理作用。

五 联合多组学分析确定了IBS中​​的新型微生物代谢途径

采用了非靶向代谢组学方法来鉴定可能导致IBS病理生理变化的新型微生物途径。基于无目标1H-NMR光谱图的潜在结构判别分析(PLS-DA)模型的投影确定了IBS亚组和HC粪便样品之间的代谢变化。 与HC相比,IBS-C患者粪便样品中的赖氨酸,尿嘧啶和次黄嘌呤均显着降低。  IBS-D患者的次黄嘌呤含量也较低,尽管与IBS-C的意义不同。

分析IBS和HC患者粪便样本中次黄嘌呤相关的宏基因组学功能,发现IBS-C中的黄嘌呤脱氢酶/氧化酶(XO; 1.17.1.4)和黄嘌呤磷酸核糖基转移酶(XPRT; 2.4.2.22)途径相对于HC有所升高。  XPRT从黄嘌呤单磷酸中释放出黄嘌呤,这是抢救嘌呤的第一步。 在下游,XO是一种具有低底物特异性的酶,可作用于黄嘌呤或次黄嘌呤以产生尿酸。 这些较高水平的XPRT和XO模块表明,IBS患者中肠道菌群对嘌呤的分解作用增加。

进一步检查了宏基因组的KO分析,以探索次黄嘌呤代谢的两个方面,即其在调节上皮能量状态中的作用以及在假定的氧化剂作用下生成H2O2和超氧阴离子。  与HC相比,IBS-C粪便中C氧化酶的丰度明显更高。 有趣的是,IBS-C中的超氧化物还原酶(1.15.1.2)升高,这可能反映了IBS-C肠道微生物组应对氧化应激的能力增强。 在XO活跃的情况下,这可能是必要的。

综上所述,这表明IBS患者的微生物组对次黄嘌呤的利用和分解能力增强,这与IBS-C粪便中次黄嘌呤水平的降低是一致的。

六 胆汁酸,丁酸和次黄嘌呤代谢有关

为了进一步阐明微生物对IBS中鉴定的代谢物丰度的贡献,首先基于线性模型(Maaslin2; http://huttenhower.sph.harvard.edu/maaslin)进行了直接多元相关分析。 这确定了HC样品有60种重要的代谢物种类相关性,IBS-C有28种,IBS-D有46种。 所有组均无相关性。  HC和IBSC或IBS-D中存在12个。  IBS-C和IBS-D子组都存在两种相关性。

   尽管以上相关方法使我们能够识别粪便代谢物差异的潜在微生物驱动因素,但无法识别可能与检测到的代谢物差异相关的特定微生物基因。 因此,我们使用最近描述的将结构可变的基因组区域与代谢物丰度相关联的方法(SV关联),测试了可能导致各组之间代谢输出变化的特定细菌基因组区域。

七 微生物代谢有助于次黄嘌呤水平

为了更深入地了解微生物组在降低次黄嘌呤水平中的作用,选择了与Lachnospiraceae sp的基因组相似性选择了2个Lachnospiraceae菌株进行无菌小鼠实验,结果表明现定植了Lachnospiraceae sp的小鼠的盲肠内次黄嘌呤水平明显降低。 与长双歧杆菌定植的小鼠相比为2_1_58FAA(图4E)。 由于常规使用次黄嘌呤水平会增加,这表明微生物确定的次黄嘌呤水平是微生物生产与消耗之间平衡的结果。

八 IBS患者爆发时肠道微生物组和微生物代谢产物的改变

IBS是一种症状严重程度随时间变化的慢性疾病,大多数患者会出现短暂的症状恶化。前面纵向分析确定了肠微生物组与IBS患者症状严重程度之间的潜在联系。对个别报告中显示恶化时收集的粪便样本进行分析,与非爆发基线组合IBS样本相比,爆发期样本显示出更高的BCDI),与各个IBS子组的平均样本相比,爆发期样本的Shannonα多样性更低(图5C)。 在将IBS患者作为一组时以及在IBS-D和IBS-C患者中,特定细菌类群都与耀斑显着相关(IBS-D和IBS-C患者为168种,IBS-C为40种,IBS-D为7种) 与各自平均基线样本相比,来自Mann-Whitney U检验的q <0.1(表S2)。 这些重要物种在爆发期间几乎普遍减少。发现包括色胺,CA和CDCA在内的分泌代谢物在亚组中升高爆发时IBS患者的比例(BA为6/11,色胺为4/11)。 这些观察结果表明,不同患者的症状恶化可能是独特的微生物和代谢特征。

九 微生物组和代谢组学数据与转录组学和表观遗传学差异的整合揭示了IBS中新型的宿主-微生物组相互作用

对于大多数慢性疾病,IBS的病理生理是多因素的,其来自宿主途径,微生物途径和宿主-微生物共代谢。 为了确定微生物代谢对宿主功能的影响,我们首先比较了在结肠活检组织中观察到的转录和表观遗传学变化。 还通过构建跨组学相关网络,将转录组数据与代谢物和微生物群的丰度相集合,从而以无针对性的方式,使用这些数据来确定推定的宿主-微生物-代谢相互作用。

十一 多组学集成确定结肠上皮中的嘌呤饥饿是潜在的新机制IBS

前面确定了IBS-C和IBS-D中粪便次黄嘌呤的含量显着降低,确定了微生物次黄嘌呤的降解导致肠道次黄嘌呤的水平降低,并确定了功能性变化,表明IBS-C粪便中微生物组导致嘌呤降解的增加。 然而,由于次黄嘌呤是宿主-微生物共代谢物,因此其库可同时受到微生物和宿主代谢的影响。

其实,肠上皮细胞的嘌呤从头合成能力有限,而是主要依靠挽救途径进行腺苷酸的生物合成,因此,为了确定由于次黄嘌呤池的消耗而导致宿主的继发效应,需要进一步确认嘌呤挽救途径中可能的转录变化。嘌呤挽救途径中的第一个基因嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)在IBS-C和IBS-D中均表达高2倍。在IBS患者中PNP表达呈与次黄嘌呤水平呈负相关。 重要的是,宿主遗传学的变异不负责基因表达的这些差异,因为Illumina全局筛选阵列显示XDH和PNP中的单核苷酸多态性(SNP)在IBS亚组和HC之间没有差异分布。总之,这些发现提出了一种模型,其中微生物群和宿主的嘌呤核苷酸在结肠组织中诱导代谢应激。 反过来,这可能会通过增加嘌呤挽救而导致代偿性反应。 使用这种多组学观点,我们建议低水平的嘌呤核苷酸可能导致较低的上皮能量状态和粘膜修复能力,这可能部分是IBS的病理生理基础。

研究结论

在这项研究中,我们描述了在不同IBS亚型患者的宿主生理情况下,对肠道微生物组,代谢组,宿主表观基因组和转录组进行综合纵向多组学分析的结果。IBS-D患者活检中基线结肠分泌增加,这表明上皮运输的固有变化或促进液体分泌的代谢产物增加。 观察到的促分泌素(例如主要的BA CDCA和细菌代谢物类胰蛋白酶)的增加表明,较高水平的微生物群相关分泌化合物可能会导致IBS-D分泌增加。 三组结肠活检样本之间对色胺的分泌反应缺乏显着差异,这进一步得到了支持,如果结肠上皮存在固有缺陷,这是可以预期的。

   先前的研究表明,BA吸收不良驱动了IBS-D的肠道分泌增加,但是在该研究中,继发性BA与原发性BA并存的增加并没有增加,这表明原发性BA的微生物生物转化减少可能至少部分地驱动了这种作用。通过进一步有针对性地整合多个宿主和微生物组数据层,确定了嘌呤代谢的宿主-微生物途径,这可能在IBS的病理生理中起重要作用。

研究意义

这是首次将次黄嘌呤与IBS发病机制联系起来,包括先前对动物模型进行的致生菌研究。 这说明了在人类中采用多组学测量以鉴定可能依赖于基因表达中人类特异性反应的潜在疾病机制的相关性。由于黄嘌呤氧化酶抑制剂别嘌呤醇(用于治疗痛风)和硫嘌呤(用于优化炎症性肠病治疗)的可用性,次黄嘌呤是有吸引力的药物靶标。

   该研究为将来的研究提供了多个新的治疗靶标。IBS-D患者中BA明显减少的微生物生物转化可以使用确定的微生物菌群进行治疗,同样,在IBS-C患者中,细菌SCFA和/或色胺的产生增加可能是可行的治疗策略。

   最后,在肠道内局部刺激微生物次黄嘌呤的产生或抑制黄嘌呤氧化酶将是一种增加腔次黄嘌呤的量而没有全身作用的新方法,并且可能对独立于疾病亚型的IBS有益。

 研究的局限性

研究存在一些局限性。本文主要关注结肠微生物组,但我们知道小肠可能在IBS症状的产生中起重要作用。 需要专门针对小肠微生物组的纵向研究来补充发现并增进对IBS的理解。

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