科普

对抗病原菌,帮助共生菌定植的“重要开关”

谷禾健康

导 语:关于抗体,免疫和微生物

肠道微生物群的组成因个体而异,肠道微生物群中的特定细菌类群可能是某些肠内外疾病的独特有效驱动因素。对人类而言,精准且优先识别影响疾病易感性和严重性的细菌仍然是一项重大挑战。

很多时候我们想知道:

微生物群是如何选择与我们定居下来的?

它们如何表现出成分多样性和功能稳定性?

它们如何适应我们生活方式的变化?

为什么有的人肠道菌群容易失调,有益菌不易定植?

想要通过一篇文章来破译这个话题比较困难,但是以上问题很关键一个原因是与我们身体的免疫抗体和免疫耐受性有关。

接下来的主题我们将持续关注和讨论免疫,抗体以及微生物之间的对话及其在人体健康或疾病中的作用。

人类复杂的饮食结构胃肠道环境对免疫系统提出了巨大的挑战。经典的耐受机制受到来自饮食和共生微生物群的大部分无害外来抗原以及偶尔有害病原体的复杂和动态混合物的挑战。

免疫系统既要有效阻挡和消灭病原入侵,又要识别和保留肠道中的良性细菌,使得肠道达到动态平衡。这两年国际权威期刊《Cell》 《Science》《Nature》等主刊和子刊研究成果不断揭开了控制肠道菌群这一机制的“重要开关”——免疫球蛋白(IgA)。一致认为IgA是帮助肠道细菌“定居”肠道和保持物种多样性的关键,也是抵御微生物群和病原体的第一道防线

免疫球蛋白 (Ig),也称为抗体,通过识别、结合和消除特定的细菌、真菌和病毒抗原,参与体内外来颗粒的清除和中和,人体内的五种免疫球蛋白 Ig :

IgA、IgD 、IgE、IgG 和IgM;

其中IgA最初发现于50年前,是机体黏膜分泌最多的抗体之一,负责防御病原体入侵。

人类每天生成3-5g IgA抗体,约占人体抗体总表达量的75%。一旦缺乏免疫球蛋白A,炎症微生物将繁殖,共生微生物将无法在肠道中长久寄居。IgA抗体能以多种方式来影响细菌的适应度,比如细菌的运动性被限制,或者其阻碍细菌所需的营养尤其糖类的摄入,或改变菌群基因的转录表达等。

IgA 在控制人类肠道微生物群组成方面起着关键且非冗余的作用。IgA 缺乏或过量均与疾病的发生发展有重要关系。

低水平会增加过敏、感染和自身免疫性疾病的风险,也意味着肠道屏障和/或肠道微生物群失衡。IgA 缺陷的常见自身免疫病包括类风湿关节炎、狼疮、乳糜泻或炎性肠病。

高 IgA 可能是慢性感染和低度炎症以及代谢综合征的标志。目前比较关注的是IgA肾病,尽管 IgA肾病是一种影响肾脏的疾病,但它的起源也与肠道微生物群 – 肾轴密切相关。分泌型 IgA (SIgA) 与肠道中的这些微生物结合,从而调节它们的定植、增殖和潜在致病性

一般遗传性的IgA缺乏症无法治愈。免疫疗法不能治疗它。但可以采取措施降低患病或感染的风险,其中包括生病或感染时服用抗生素。此外,预防也很重要,通过经常洗手和远离人群来限制细菌和疾病的传播。尤其在感冒和流感季节,甚至可以提前接种疫苗。

IgA 的测试一般用血液或脑脊液,我们通过长期的粪便检测和研发,构建了通过粪便检测来间接评估IgA 水平,对于判别感染,炎症,菌群失调等有一定的辅助作用。

本文将基于最新研究进展,全面讨论 IgA 尤其分泌型IgA (SIgA) 的来源及其结构形式,缺乏或过量的原因和症状,以及IgA如何决定微生物群的反应性,以维持宿主和细菌都受益的多样化生态位。IgA 与微生物群在生理、感染和疾病方面的密切相互作用以及生理条件下潜在的 IgA 和微生物群依赖性机制。另外基于目前许多病原体已经进化出阻止IgA 介导的清除的机制,探讨针对 IgA 和/或微生物群的疗法的发展。

本文预览:

01- 免疫球蛋白A(IgA)

02- IgA 功能

03- IgA 对微生物群的反应

04- SIgA:宿主-微生物群动态互作中的盟友

05- SIgA 介导的肠道病原体清除和稳态特性

06- IgA-微生物轴的缺陷导致病理疾病

07- 低IgA和选择性IgA缺乏:原因和症状及改善措施

08- 高IgA水平的原因和改善

09- IgA 的治疗潜力

-正文-

01
免疫球蛋白 A (Ig A)

IgA是一种重要的抗体

免疫球蛋白 A (IgA) 是一种由浆细胞(效应B细胞)产生的抗体,可保护身体免受感染。

注解:浆细胞(plasma cell),又称效应B细胞,常见于消化管和呼吸道固有膜的结缔组织内。浆细胞来源于B细胞。

浆细胞具有合成、贮存抗体即免疫球蛋白的功能,参与体液免疫反应。

正常机体浆细胞存在在脾、淋巴结的相应组织结构处,浆细胞生成抗体并将它们释放到周围的组织液中,最后汇集成静脉出淋巴结。所以抗体先进入组织液,而不是直接分布在血浆中。

抗体是指机体由于抗原的刺激而产生的具有保护作用的蛋白质,可结合并中和细菌和病毒等病原体

在人体中,每天产生的 IgA 比所有其他抗体的总和还要

▸ 分泌型IgA

IgA 由浆细胞产生后被转运到粘膜细胞分泌的液体中。这种 IgA 称为分泌型 IgA(SIgA)。分泌型是IgA 是的优势抗体,主要在以下粘膜组织中产生:

  • 肠道粘液(肠屏障)
  • 唾液
  • 眼泪
  • 母乳
  • 呼吸道粘液
  • 泌尿生殖粘液

IgA 也是血液中第二丰度的抗体(仅次于 IgG)。

循环 IgA 单体形式;

分泌型 IgA 二聚体(以两个连接的 IgA 单体的形式)。

效应位点包括B细胞浆细胞,主要产生(>90%)IgA。这种保护性体液反应是全身最有效的免疫球蛋白途径,每天产生大量的免疫球蛋白A。在固有层有淋巴循环通过组织连接到肠系膜淋巴结,是免疫反应开始的部位。

结 构

每个抗体四种较小的蛋白质组成。其中两种蛋白质称为轻链,另外两种称为重链。抗体通常根据它们所含的轻链和重链蛋白质类型进行分类。

IgA 的分子大小为 160 kDa,血液中的 IgA 以单体形式出现,而身体分泌物中的 IgA 以二聚体多聚体形式出现。

在分泌物中,除了 κ 或 λ L 链和 IgA 重链 α 外,IgA 还含有另外两条多肽链——分泌成分(SC)和 J 链(连接链)

分泌链有助于外分泌 IgA 的胞吞作用并稳定 IgA 以防止蛋白水解降解。

亚 类

人类表达两种IgA 亚型(小鼠只表达一种),称为 IgA1 和 IgA2。基因序列分析已证实 IgA 在所有类别的哺乳动物和鸟类中都存在。

存在显着的物种差异

大多数哺乳动物具有单一的 IgA 同种型。与人类相似的 IgA1 和 IgA2 亚类仅存在于相关的灵长类动物中,包括黑猩猩、大猩猩和长臂猿。

人类IgA1和IgA2的结构差异

就结构差异而言,人 IgA1 显示出一个延伸的铰链区,该铰链区由 IgA2 中不存在的两个 8 个氨基酸长的重复序列(每个轻链一个)组成。人类IgA1和IgA2的区别在于IgA1分子的铰链区域有13个不同氨基酸,导致其对细菌蛋白酶的敏感性增加,这个扩展的铰链区域赋予IgA1一个T型结构,有利于远程抗原识别

IgA1和IgA2的CH1和CH2结构域中都有高度的N-糖基化,糖约占其含量的6%。IgA1在铰链区含有由N-乙酰半乳糖胺、半乳糖和唾液酸组成的额外O联聚糖。

黏膜部位,IgA常以二聚体IgA(dIgA)形式存在。

J链的存在是IgA在上皮细胞间的转运及其在黏膜表面分泌的先决条件。如下图:

聚合物Ig受体(pIgR)在上皮细胞的基底外侧极上表达,与J链结合,将IgA释放到管腔中,如SIgA。在此过程中,称为分泌成分(SC)的pIgR外结构域仍然以共价方式附着在IgA上。重N-糖基化SC稳定IgA并防止被蛋白酶快速水解,从而保护IgA在消化道中不被降解

在粘膜表面发现的主要分子形式,称为分泌型 IgA (SIgA),是二聚体,尽管也存在一些较高分子量的物质,包括三聚体和四聚体。这里两个子类的相对比例更接近;平均分布约为 40% IgA1 和 60% IgA2,但这取决于取样的特定粘膜部位

值得注意的是,IgA1铰链区的糖组成不均匀。有报道称异常糖基化参与了IgA肾病的发病。

肠道中 IgA2 转换的一般是由肠上皮细胞介导的,肠上皮细胞在通过 Toll 样受体感知共生细菌后分泌 APRIL。因此,局部肠道中不依赖 T 细胞的 IgA 产生对于确保宿主和微生物群之间适当的粘膜免疫至关重要。

注释:Toll样受体(Toll-likereceptors,TLR)是参与非特异性免疫(天然免疫)的一类重要蛋白质分子,也是连接非特异性免疫和特异性免疫的桥梁

IgA 受体

IgA与各种宿主受体相互作用,包括pIgR、转铁蛋白受体(CD71)、asialoglycoprotein receptor、dectin-1、Fcα/μR、DC-SIGN和FcαRI(CD89)。这些相互作用是通过抗体的FC段聚糖,或辅助分子(如J链或SC)结合来介导的。

IgA可以和一些细菌蛋白结合,如A群链球菌的M蛋白,B群链球菌的β抗原等。

doi.org/10.3390/antib8040057

小鼠和人的 IgA差异:

小鼠只有一个 IgA 亚类,并且可能使用替代受体,例如 Fcα/μR、转铁蛋白受体 (CD71) 和 pIgR,因为它们缺乏 FcαRI(别名CD89),这是主要的人体中的 IgA 受体。其他显着差异包括:

小鼠而非人类在脾脏中表现出 IgA 浆细胞的 B-1 B 细胞前体;

小鼠的体细胞超突变率是人类的三倍;

与人类相比,小鼠的产生中心或组织边界不明确

由于肝脏 pIgR 将血清 IgA 转运到胆汁中,然后进入肠腔,小鼠的全身 IgA 水平较低

正常的血清 IgA 水平取决于年龄

以下是 IgA 的近似值,具体取决于年龄:

  • 0-1 岁:1-83 mg/dL
  • 1-5 年:20-152 mg/dL
  • 5-10 岁:33-274 mg/dL
  • 10-17 岁:42-378 mg/dL
  • 18 岁以上:60-400 mg/dL

根据大多数检测数据的说法,60-400 mg/dL 是成人的正常范围。

正常 IgA 水平会略有不同,具体取决于用于测试的实验室或机构。IgA 随着儿童的年龄和体重增长而逐渐增加,直到在成人中达到稳定水平。男性的血 IgA 水平高于女性。

总结:IgA 是免疫防御和耐受的重要参与者

低水平IgA 通常意味着免疫系统被削弱。低 IgA 水平和 IgA 缺乏是不一样的。大多数实验室认为任何低于 60 mg/dL 的 IgA 值都较低,但只有低于 7 mg/dL 的值才意味着缺乏。症状取决于根本原因。

慢性压力、睡眠不佳、疲惫和某些遗传疾病都可能导致 IgA 水平低或缺乏。虽然需要更多的研究,但一些研究也将低 IgA 与感染、过敏、自身免疫和肠道疾病联系起来。

高 IgA 通常表示慢性感染或炎症,尽管多种疾病可以提高其水平。在成人中,大多数实验室认为高于 300 mg/dL 的值很高。高水平不会引起任何症状。症状取决于根本原因和健康状况,应由医生进行评估。

什么情况需要检测?

如果出现大量感染,尤其是鼻窦、肺、胃或肠道感染,医生可能会要求进行免疫球蛋白A检测,尤其有下列情况:

  • 持续腹泻
  • 不明原因的体重减轻
  • 其他原因无法解释的发烧
  • 皮疹
  • 过敏
  • 旅行后生病
  • HIV / AIDS或多发性骨髓瘤(一种癌症)

一般还需要同时监测的其它指标:

  • 全血细胞计数(CBC)
  • 蛋白质血液检查
  • 尿液检查以检查肾脏问题

检测样本有血液,脑脊液,还有肠道菌群也可以辅助。

IgA 生产和分泌

要讲清楚IgA 的生产分泌,需要先了解下肠道相关淋巴组织,肠道实际上是最大的外周免疫器官。

肠道相关淋巴组织

人体肠道拥有人体内最大的淋巴组织,肠相关淋巴组织遍布整个肠道,覆盖面积约为260–300平方米,是粘膜相关淋巴组织的一个组成部分,它在免疫系统中起作用。

肠道相关淋巴组织 (GALT) 包括一系列的多泡结构,比如扁桃体、阑尾、结肠和盲肠斑片,Peyer’s斑片(派尔斑,PPs)、盲肠斑、以及一些称为孤立淋巴滤泡 (ILFs) 的较小的单个滤泡结构,这些组织遍布胃肠道,它们与肠系膜淋巴结(mesenteric lymph nodes, mLN)一起帮助保护宿主免受感染

注释:

肠系膜淋巴结(mLN)指的是分布在肠系膜上的淋巴结,而且需要强调的是当患者出现肠系膜淋巴结炎的时候,患者会出现腹部疼痛、腹胀、发热等临床症状。

潘氏斑(或聚集性淋巴结节)是有组织的淋巴滤泡,以17世纪瑞士解剖学家约翰康拉德派尔的名字命名。

它们是肠道相关淋巴组织的重要组成部分,通常见于人类小肠的最下部,主要见于远端空肠和回肠,也可见于十二指肠。研究发现潘氏斑或能通过增加不同B细胞亚群的数量和效应功能来感知、增强并传递益生菌信号,从而就会导致IgA的产生、肠道菌群的改变以及保护机体抵御炎症的发生。

肠道相关淋巴组织是 IgA 诱导的主要部位

这些包括派尔斑 (PP)、肠系膜淋巴结(mLN)、孤立淋巴滤泡(ILF) 和盲肠斑。初始 B 细胞在 GALT 中分化和成熟;在该组织中,PPs 被认为是 IgA 的主要诱导位点。

在 PPs 中,微生物抗原通过滤泡相关上皮 (FAE) 上的 M 细胞转运到位于 FAE 下方的上皮下圆顶 (SED) 区域的树突状细胞 (DC),以启动 IgA 的产生。

肠道中的 IgA 是通过与许多免疫细胞和上皮细胞合作产生的

此外,在小肠固有层中发现了最大的 IgA + 浆细胞(PC )种群,而结肠固有层仅含有少量种群。

唾液腺、肺以及哺乳期的肠外组织如肝脏、骨髓、乳腺中可检测到额外的少量 IgA 。

人类 IgA亚型显示出不同的表达模式,IgA1 在血清中占主导地位,而 IgA2 在远端肠道中占主导地位。

小肠中的 Peyer 斑固有层分别是 T 细胞依赖性和独立稳态 IgA 产生的中心枢纽。然而,应该注意的是,据报道,结肠表现出不依赖于 T 细胞的 IgA 类转换重组,但仅在有组织的淋巴滤泡存在时。

无论如何,树突状细胞是主要的抗原呈递细胞,它们可以识别 T 细胞依赖性抗原和微生物分子模式,从而分别在派尔氏斑或固有层中刺激肠道 IgA 的产生。

此外,提到的肿瘤坏死因子(TNF)配体(CD40L、BAFF 和 APRIL)和细胞因子(TGFβ),其他研究也显示了其他环境因素,如视黄酸(RA)和其他白细胞介素(例如,IL-5、IL-6、IL-21 ),是 IgA 合成协同所需的。这些表明肠道中的 IgA 是通过与许多免疫细胞和上皮细胞合作产生的。

对肠道免疫系统至关重要的小分子是通过饮食和微生物提供的

例如,视黄酸参与表达醛脱氢酶的 DC 的功能,因此对于 IgA 的产生以及调节性 T 细胞 (Treg) 极化至关重要。这种分子被认为来源于饮食中的维生素 A,维生素 A 缺乏确实会降低小肠 IgA 的产生 。

膳食抗原也可能影响 PPs 和 ILFs 中 IgA 的产生,从而特别影响小肠 IgA 的产生。

另一方面,膳食纤维被肠道微生物群发酵,产生短链脂肪酸(SCFAs),对肠道免疫发挥各种作用。

SCFA 为B 细胞提供燃料以促进 IgA 的产生并通过 SCFA 受体 (GPR43) 以及组蛋白脱乙酰酶抑制活性激活 DC,以支持 IgA 类别转换。脂多糖和鞭毛蛋白等微生物成分可刺激 DC 和 CD4 T 细胞中的 toll 样受体,从而促进 IgA 的产生。

其他研究发现某些细胞因子,如 IL-21,在存在微生物抗原的情况下会增加 IgA 的产生。由于 T 细胞非依赖性 IgA 是响应内源性微生物群而产生的,因此 IgA 被确定为为相对非特异性和多反应性抗体

骨髓和哺乳期乳腺 IgA

虽然肠道是 IgA 合成的主要位点,但 IgA +PC (浆细胞)也存在于许多肠外组织中,包括骨髓 (BM) 和泌乳乳腺 (LMG)。而且 BM IgA + PC 可能是大多数血清 IgA 抗体的来源,这些抗体的特异性已通过用血清染色粪便细菌和 IgA-seq 来分析确定。

这些实验表明,血清 IgA 抗体通常会针对与肠道 IgA 靶向的微生物群相似的亚群起反应。

值得注意的是,血清 IgA 显着地与变形杆菌菌群结合,这些微生物在肠道中的相对丰度可能会影响 BM IgA +的大小PC 响应。

对从 BM IgAs 克隆的 mAb 的分析表明,这些单克隆抗体包括许多与变形杆菌菌群结合存在多反应特异性

然而,与肠道 IgA 库相比,几乎所有 BM IgA 都是通过T细胞依赖反应产生的,这可能是因为诱导整合素等分子需要 T 细胞衍生的信号α4β1 和趋化因子受体(如 CXCR4)促进迁移和归巢至骨髓。

虽然在未怀孕女性的乳腺中发现了很少的 IgA + PC,但在怀孕和产后哺乳期间这些细胞大量积累,在哺乳停止后逐渐减弱。这些细胞可能会分泌在母乳中发现的高滴度 IgAs,这也是提倡母乳喂养的重要原因

02
Ig A 功能

消除病原体

许多研究已经描述了 IgA 在粘膜防御肠道病原菌的背景下的功能,例如通过免疫排斥清除它们、限制它们的运动性和通过束缚来抑制它们的生长。

此外,IgA一直被描述为对抗黏膜表面病原体的第一个障碍,可以凝集细菌、干扰细菌运动、中和细菌毒素、抑制细菌对上皮的黏附,从而防止病原体传播到循环系统。

IgA对多种胃肠病原体如鼠伤寒沙门菌、志贺菌、艰难梭菌和一些病毒(仙台病毒、人类免疫缺陷病毒、流感病毒、SARS-CoV-2等)发挥中和作用。

病原体对 IgA 功能的规避

在系统发育和多样性分析的基础上,IgA-FcαRI 相互作用被认为是病原体和人类之间进化军备竞赛的焦点。IgA 上相互作用的中心位点,为了结合 FcαRI 而被保留下来,已经受到某些病原体产生的 IgA 结合蛋白进化的压力。

这些 IgA 结合蛋白已经进化为与同一位点相互作用,从而颠覆 IgA 反应,并推动了一个迭代的选择过程,在这个过程中,哺乳动物和病原体蛋白都在继续进化,试图“智取”另一个。事实上,靶向 FcαRI 相互作用位点只是病原微生物用来规避 IgA 保护能力的策略之一。不同 IgA 靶向机制的存在,以及这些机制似乎在不同生物体中独立出现的事实,表明它们通过允许更容易的粘膜定植和传播为微生物提供显着益处。

IgA 的保护能力也可能因许多重要病原细菌产生的蛋白水解酶的作用而受到损害。这些蛋白酶都在 IgA 的铰链区切割。除了少数例外,它们特异性地作用于 IgA1 的延伸铰链区,并且不切割 IgA2。

此类 IgA1 蛋白酶由引起口腔感染的细菌(如血链球菌、缓症链球菌和口腔链球菌)和生殖道感染的细菌(如淋病奈瑟菌)产生,这表明它们为细菌提供了优势来获得立足于黏膜表面。有人提出 IgA1 蛋白酶可用作治疗选择,以降解 IgA 肾病中异常糖基化 IgA1 的致病性免疫复合物,这是肾脏疾病的常见原因。

早期免疫形成

早期免疫——在每一个成人身上,都有曾经的孩童时候的印记;在每一个孩子身上,都有将来的成人的缩影,免疫也一样。

从逻辑上讲,IgA结合作为致病条件下潜在促炎性分类群的标记物的可能性应该是:IgA在建立肠道微生物与其宿主的早期生命平衡中很重要。

乳汁成分对微生物群的发展有着深远的影响

例如乳铁蛋白和乳低聚糖等其他乳蛋白会影响早期肠道中微生物群的营养和竞争。

缺乏针对特定细菌表位的IgA已被证明增加了肠内先天免疫系统激活的转录证据。母乳中分泌的抗体保护幼年哺乳动物免受自身粘膜免疫系统的过早刺激,并对其获得的微生物群的组成产生长期影响。

聚合免疫球蛋白保护早期粘膜,防止菌群转移

在某些情况下,机制可以从某些分类群的代谢能力推断,例如代谢特定糖类,或抗体中和病原体的潜力。然而,实验表明,通过这种转运机制主动分泌的聚合免疫球蛋白(IgA和IgM)可以形成幼犬获得的长期肠道微生物群。

也就是说,主动分泌的聚合免疫球蛋白的保护作用,不仅能够在其自身固有和适应性免疫机制发展之前保护脆弱的早期粘膜,包括防止肠道微生物穿透上皮防御系统转移到肠系膜淋巴结,同时也形成了长期组成的微生物群,这些微生物群落先后在早期肠道中繁殖。

帮助菌群定植,保持菌群多样性

IgA抗体是人类免疫系统中最常见的抗体,由黏膜中的专门细胞分泌,在人类免疫球蛋白中占三分之二

机体产生的大多数IgA抗体都是针对肠道菌群中的良性细菌的。如果没有这种免疫保护,这些微生物也可能对健康产生不利影响,并引起肠内外疾病。

IgA抗体能在多个层面上特异性地限制良性细菌的适应度,这或许会促进免疫系统能够更好地微调肠道中的微生物平衡,如今研究人员成功阐明,免疫系统能识别并特异性地限制这些细菌的生长

一个有用的起点是哺乳动物肠道表面IgA功能的多样性。这些措施包括中和毒素和病毒,阻止过度活的细菌粘附或易位清除不需要的大分子结构在上皮表面,并定向采集管腔抗原。

研究人员进行了三年的研究,他们成功地以高度的精确度追踪了无菌小鼠肠道中的体外和体内效应。发现该抗体在几个方面影响细菌的适应性。例如,细菌的迁移率受到限制,或者它们阻碍了细菌代谢的糖结构单元的摄取。该效应取决于被特异性识别的表面成分。

介导免疫耐受

研究支持抗体在肠道中的作用是介导耐受性的观点。肠道内的耐受性可被视为基于对其微生物群成员的免疫识别的静态稳态

产生过量 IgA 的细菌可能比产生低至中等量 IgA 的细菌面临更大的竞争劣势。这需要长期的‘居民’不断地调节免疫显性决定因素,这可能为在肠道生态系统中观察到的异常水平的菌群多样性提供了一种解释

研究表明适应性免疫系统是这些表面结构多样化的驱动力一致,其有益结果是促进肠道共生体和宿主之间的非炎症关系。

对细菌的先天免疫反应,包括 NO 的产生,在无脊椎动物和脊椎动物中是高度保守的。

适应性免疫系统在脊椎动物中的一个关键进化作用可能是适应更复杂的微生物群落,即使存在病原体定植和/或自身免疫易感性的额外风险。

适应性免疫系统的主要作用是通过选择性地对刺激先天系统的细菌产生免疫反应来维持与肠道微生物群的“联系”。这种安排允许宿主检测新的细菌系统发育型,并忽略它以前遇到过的那些(记忆)的存在,结果才能更大的多样性而不会牺牲先天免疫系统在维持粘膜屏障方面的基本保护作用。在这个过程中几种抗体,尤其IgA、IgM以及IgG发挥关键性配合作用。

炎症性肠病 (IBD) 至少在一定程度上可以被视为未能对常驻肠道微生物群产生有效的适应性免疫反应:这种反应通常会阻止微生物抗原呈递给 T特定于社区成员的细胞。与该模型一致,TCRα-/-小鼠对肠道微生物的抗体反应在发生结肠炎时从多克隆变为寡克隆。此外,将 Ig 被动转移到该模型中可以改善疾病。

因此,不仅仅是寻找富含 IBD 相关抗体库的微生物靶标,确定库中存在“漏洞”的位置可能会提供信息,并可以提出基于主动或被动免疫的新治疗策略。

IgA:“沉默的恐慌按钮”

天然存在的全身性 IgA 主要是调节免疫的,与微生物几乎没有直接接触,部分原因是血液的无菌环境。先前的研究已经证明血清 IgA 能够通过抑制补体系统有效消除抗原而不会提醒宿主免疫系统。这使得血清 IgA 在清除体内抗原物质时充当“沉默的恐慌按钮”

然而,当单体、非抗原携带 IgA1 与髓系 IgA Fc相互作用时受体、FcαRI,然后是含有 Src 同源区 2 结构域的磷酸酶 1 (SHP-1) 以 ERK 依赖性方式募集到名为抑制性免疫受体酪氨酸激活基序 (ITAM) 的对接位点 。

注释:FcR是一类能够和免疫球蛋白(Ig)重链羧基末端的功能区Fc段特异结合的细胞表面蛋白,在抗体依赖性免疫应答过程中至关重要。不同类型的细胞可以表达不同类型的FcR,不同结构类型的Ig也和不同类型的FcR结合,从而诱导后续的不同类型的免疫反应。按FcR所结合的Ig种类不同可将其分为五类,即IgG(FcγR)、IgE(FcεR)、IgA(FcαR)、IgM(FcμR)和IgD(FcδR)。

当 FcαRI 和 ITAM 与周围的脂筏共定位时,它们的复合物形成称为 ITAMi 的抑制体簇,由此产生的下游磷酸化受损会阻断免疫反应。

脂筏:膜脂双层内含有特殊脂质及蛋白质的微区。

与循环中 IgA 介导的免疫耐受相比,来自固有层的二聚体 IgA2 可以作为 SIgA 转移到肠腔中,并将其自身锚定在外粘膜表面上,与肠道细菌强有力地相互作用,以获得适当的免疫微生物群稳定性。这共同确立了血清和粘膜 IgA 在稳态条件下对免疫功能的重要参与

血清和分泌型 IgA 的结构和功能

Abokor et al., Microorganisms. 2021

在左栏中,IgA,主要是单体 IgA,由骨髓中的成熟浆细胞分泌并进入体循环。循环血清 IgA 与位于骨髓细胞上的跨膜 Fc 受体形成免疫复合物,以诱导维持免疫稳态所必需的下游效应信号。

在右栏中,肠浆细胞通过两个 IgA 单体与连接 (J) 链的二价连接产生二聚体 IgA。J 链与位于肠上皮基底外侧表面的聚合 IgA 受体 (pIgR) 的分泌成分 (SC) 结合。IgA 以分泌型 IgA (SIgA) 的形式迅速转入肠腔。游离 SC 也被转胞吞到管腔中并用作抗菌肽。

与肠道微生物群相互作用,a ) 对各种细菌物种具有跨物种(多反应性)反应性,( b ) 物种特异性反应性或 ( c ) 菌株特异性反应性。对于病原体去除,SIgA 可以 ( i ) 与细菌结合并凝集,从而阻碍微生物附着和侵入宿主肠上皮细胞,这一过程称为免疫排斥,( ii ) 通过链式生长防止细菌结合以限制细菌增殖,以及 ( iii ) ) 加速细菌通过微折叠 (M) 细胞转移到派尔斑块中,以便常驻树突细胞 (DC) 进行抗原采样。

在局部细菌传播的情况下,当 SIgA 的前线防御不足时,二聚体 IgA2 通过与驻留的 Fcα/μR +滤泡树突细胞交联并募集 Fcα/μR +中性粒细胞来调理抗原。当交联时,Src 激酶 Lyn 磷酸化相关 ITAM 中的酪氨酸,这促进激酶/生长因子的募集,这些激酶/生长因子刺激与吞噬作用、呼吸爆发和炎性细胞因子分泌相关的免疫细胞。

同时,分泌白三烯 B4 (LTB4) 作为趋化信号,将更多的中性粒细胞募集到感染部位,从而形成正反馈回路以消除入侵的病原体。如果细菌感染和传播严重到足以达门静脉循环血清 IgA 会调理抗原,与枯否细胞(常驻肝巨噬细胞)交联,并诱导促炎反应

注:白三烯B4是一种与炎症反应有关的白三烯类物质。它由响应炎症介质的白细胞产生,让白细胞活化并依附在内皮上,允许其穿过组织。

枯否细胞,被誉为人体肝脏内有一忠诚“卫士”,守护监视着进出肝脏这一人体化工厂的所有物体,以防机体受到任何外来侵害,它的名字叫枯否细胞(Kupffer Cells)。枯否细胞是定居于肝内的一种巨噬细胞,是我们人体内最大的固有巨噬细胞群,约占固有巨噬细胞总数的 80%~90%。

枯否细胞具有吞噬、免疫调节与监视、分泌等作用。生理条件下,枯否细胞不仅能非特异的吞噬和清除血流中的细菌异物等抗原性物质,而且还具有特异性的免疫应答、抗肿瘤免疫、内毒素解毒、抗感染、调节微循环等方面的作用。病理条件下,枯否细胞可以释放肿瘤坏死因子、转化生长因子、干扰素、白介素、氧自由基及一氧化氮等多种炎性介质。

治疗策略——靶向自身抗体糖基化

值得注意的是,天然二聚体 IgA2 和单体 IgA1 的本身抗炎和促炎效应功能分别归因于它们不同的糖基化谱。两种抗体都含有几个N-糖基化位点,但只有 IgA1 具有多个O-糖基化位点,因此每个聚糖具有更多的末端唾液酸。

据报道,通过神经氨酸酶处理的去唾液酸化增加了 IgA1 的促炎能力,这反映了 IgA2由于循环糖基化 IgA 可促进各种自身免疫性疾病的进展,因此靶向自身抗体糖基化可能是一种潜在的治疗策略

总而言之,如果我们将身体视为抵御病原体入侵者的堡垒,那么 SIgA 与肠道上皮细胞一起充当“封锁墙”,作为中和微生物不可或缺的第一道防线。当细菌侵入 SIgA 并突破黏膜层时,二聚体 IgA 充当第二道天然黏膜免疫防御,然后血清 IgA 和枯否细胞协同作用成为消灭病原体的第三道也是最后一道防线

03
IgA 对微生物群的反应

针对微生物群的稳态 IgA 反应机制

IgA 对微生物群的反应通过T细胞依赖 (TD) 和非依赖(TI) 途径发生。

microbiology

SIgA抑制致病菌,结合有益菌

越来越多的证据表明,通过 T 细胞依赖性途径产生的亲和力成熟和特异性 SIgA 会影响肠道微生物群,特别是致病菌,以影响其运动性,将它们排除在肠道表面(免疫排斥)或通过束缚来抑制它们的生长。相比之下,IgAs 还可以与有益微生物结合,并将它们固定在粘液层中(粘液定植)。

IgA 促进拟杆菌在肠道内定植

拟杆菌属是肠道共生微生物群的一个核心菌属,一些报告表明,IgA 可以促进拟杆菌在肠道内定植。例如,脆弱拟杆菌可以以依赖于表面荚膜多糖的方式粘附在肠上皮细胞上,而 SIgA 在功能上参与了这一过程。SIgA 介导肠道定植Bacteroides thetaiotaomicron通过改变参与多糖利用的基因的表达。这些研究表明 SIgA 还可以直接改变拟杆菌属的功能以促进在肠道中的定植。

肠道环境影响IgA-微生物之间的互动

尽管许多研究都集中在 IgA 与肠道微生物群的相互作用中的特征,但同样重要的是要注意某些肠道环境也可能影响微生物的基因表达和功能,从而影响 IgA 微生物互动。SIgA在营养不良的情况下不太可能覆盖肠道乳酸杆菌。他们认为,某些乳酸杆菌菌株可以在营养不良期间进行代谢适应,从而逃避 SIgA 的识别。

稳态 IgA 反应的机制

在全身免疫的经典模型中,TI 反应发生在对多价抗原(例如细菌多糖)的反应中,并且涉及快速的细胞分化,几乎没有体细胞超突变。

相比之下,TD 反应通常针对蛋白质抗原,并涉及基于与 CD4+ T 滤泡辅助细胞 (Tfh) 的同源相互作用在抗体生发中心中进行的 SHM 和亲和力选择的迭代轮次。

然而,稳态粘膜 IgA 反应与这些过程相似的程度仍不清楚,并且有几条证据表明不同的机制和调节。

注:CD4并不是一种细胞是一种蛋白质“标签”,存在于在某些免疫细胞,如巨噬细胞、T细胞和单核细胞表面。具有CD4“标签”的细胞被称为CD4细胞。

CD4 +T细胞通常是作为是免疫系统中的“辅助”角色,它们大多数情况并不能直接中和感染,而是引导并触发机体对感染源的免疫应答,类似于免疫系统的“哨兵”。在CD启动免疫应答后,后再由CD8+T细胞来扮演“行刑官”的角色,清除感染源。

首先,尚未证实稳态 IgA 抗体对单个微生物抗原的特异性和高亲和力识别。相反,对单克隆抗体 (mAb) 的研究表明,IgA 衍生的抗体通常具有多反应性,并且与许多微生物抗原(包括脂多糖、DNA、鞭毛蛋白和荚膜多糖)具有低亲和力结合。

Peyer 斑块中 IgA 选择的机制

doi.org/10.1016/j.immuni.2018.08.011

此外,从幼稚 B 细胞或流感特异性反应克隆的随机多反应性 mAb 与体内涂有 IgA 的相同微生物群亚群结合。由病原体引发的聚糖反应性但非多反应性抗体通常也与共生细菌发生交叉反应

总之,这些数据表明抗体多反应性和相关的自身反应性可能是 IgA 选择的主要驱动因素,并支持 IgA 多反应性能够与多种细菌表面分子低亲和力结合的模型。

04
SIgA:宿主-微生物群动态互作中的盟友

在我们的一生中,微生物群塑造了先天和适应性免疫系统,在生命的前三年是细菌定植的最大变异性的关键时间点。我们已经讨论过不依赖 T 细胞的 SIgA 合成是通过微生物刺激来促进的,这可以被认为是在宿主和微生物群之间创造共生环境的有目的行为

在以下部分中,我们将描述产生不同 SIgA 反应类型的机制以及这些 SIgA 亚群如何识别其清除的细菌目标。

SIgA 对肠道微生物群有选择性反应

SIgA 与微生物群相互作用以维持体内平衡,其稳态特性在很大程度上取决于抗体对各种微生物群落的特异性。据估计,在人类肠道中,单个细菌被近 19,000 个 SIgA 分子包被,而在小鼠中,这个数字增加到大约 60,000 个分子,用于包被 SIgA 的细菌。

三类SIgA 反应

这些抗体-微生物群的相互作用可以根据 SIgA 反应性明显分为三类

(i) 跨物种

(ii) 物种特异性

(iii) 菌种特异性反应性 (如下图)

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跨物种反应性SIgA: 数量少,却发挥重要作用

跨物种反应性SIgA 是指具有结合各种不同种类细菌能力的 IgA 抗体,并且通常具有多反应性,因为它们能够结合结构上不同的抗原(例如 LPS、CpG)。

然而,最近发现 SIgA 体细胞超突变,而不是多反应性,赋予跨物种结合和高微生物群反应性。跨物种反应性 SIgA 在浆细胞分化之前先天在所有幼稚 B 细胞亚群中出现,并与广泛的微生物群亚群结合,其中包括变形菌门中的大多数成员,但这些 SIgA 在很大程度上缺乏与主要分类群拟杆菌门和厚壁菌门的结合。

这是意料之中的,因为如前所述,只有 7% 的肠道 SIgA 具有跨物种反应性,而大多数 IgA 是抗原特异性的。然而,尽管数量较少,但跨物种反应性 SIgA 在维持微生物群多样性方面和清除病原菌方面发挥着重要作用。

物种特异性反应性SIgA: 高精度

物种特异性反应性SIgA 是指仅与肠道中存在的不同细菌物种结合的 IgA 抗体。虽然尚不清楚 IgA 如何区分不同的细菌物种,但人们普遍认为细菌表面碳水化合物部分在 IgA 跨分类物种的选择性中发挥重要作用

在用Bacteroides thetaiotaomicron (B. theta) 单克隆化的无菌小鼠中,诱导了高度特异性的肠道 SIgA 反应,而与其他密切相关的拟杆菌的交叉反应性较低

还确定了抗B.theta IgA 靶向 B.theta 上的蛋白质多糖利用基因座 (PUL),这表明细菌果聚糖是物种特异性 SIgA 选择性所需的潜在表位

另一项具有可逆体内无菌定植模型的研究进一步证实了物种特异性 SIgA 的高精度

在这个模型中,无菌小鼠接受了营养缺陷型大肠杆菌 K-12突变体的三重突变体(称为 HA107 菌株)的诱导,但由于该菌株不能分裂也不能在体内持续存在,因此小鼠在体内恢复到无菌状态。72 小时,再次暴露于大肠杆菌HA107 后,无菌小鼠对该菌株产生了明显的黏膜 SIgA 反应,而首次暴露于鼠伤寒沙门氏菌Salmonella typhimurium)在预处理的大肠杆菌HA107 无菌小鼠中没有引起物种特异性 SIgA 反应。

与此一致,经过大肠杆菌HA107 预处理的无菌小鼠后来被确定为缺乏大肠杆菌的微生物群定植,但缺乏具有大肠杆菌结合能力的SIgA,尽管总 IgA 产量没有减少。该证据表明,物种存在与否可能是 SIgA 物种特异性的先决条件

有趣的是,对 B 细胞对肠道微生物群反应的功能分析检测到了针对普氏菌的 SIgA 抗体。

在一个人类队列中的健康个体的血浆和粪便中,这些人的肠道微生物群中显然缺乏普雷沃氏菌(Prevotella。研究人员将这种现象归因于在某些时候之前接触过细菌的个体,并且在从系统清除后很长时间可能会产生针对普雷沃氏菌的抗体,他们认为这与之前对其他菌的其他研究一致。

菌株特异性 SIgA: 某些特定菌株能诱导大量IgA

菌株特异性 SIgAs 是对细菌物种内的各种遗传变异或亚型具有选择性的 IgAs。

最近证明,用卵形拟杆菌单菌定殖的小鼠引起强烈的粘膜 SIgA 反应。然而,已确定某些卵形双歧杆菌变体在诱导结肠 IgA 分泌浆细胞方面比其他变体更有效,导致这些特定亚型具有高IgA 分类—卵形双歧杆菌。

同样,观察到特定的双歧杆菌菌株能够在体外诱导大量的 IgA,而其他菌株只能微弱地诱导 IgA。此外,B.theta型菌株 VPI-5482 的单殖化引发了一种菌株特异性 IgA 库,被 B.theta VPI-5482 上发现的荚膜多糖吸引,而不是其他B.theta菌株。

同样,与突变株相比,IgA在体外极化上皮细胞单层上阻止了野生型伤寒杆菌的细菌粘附和侵袭,因为 IgA 识别野生型伤寒杆菌上的特定碳水化合物表位。这些发现共同突出了能够被 SIgA 识别的特定表位的多样性,并表明 IgA 反应利用大量的多反应库广泛性结合分类众多的微生物群亚群。

05
SIgA 介导的肠道病原体清除和稳态特性

SIgA 是 IgA 的主要形式,在保护宿主免受病原体侵害和塑造肠道微生物群组成以促进宿主-微生物群稳态方面发挥着动态作用。

单体 IgA 相比,聚合 SIgA 对 Fc受体的激活效果较差,无法获得足够的下游效应信号。出于这个原因,SIgA 开发了几种机制,利用其交联能力和肠道环境来有效消除病原体

机制一: 免疫排斥

SIgA 介导的微生物中和的第一个机制是称为免疫排斥的过程,其旨在以逐步方式拦截微生物进入肠上皮:

(i) 抗体凝集和交联

(ii) 粘液中的病原体截留

(iii) 通过蠕动去除

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在这方面,SIgA 更像是一道“阻挡墙”,以抑制微生物从管腔转移到血液中。例如,SIgA 可以预防口服接种鼠伤寒沙门氏菌的小鼠的全身感染,但 SIgA 无法预防相同细菌腹腔攻击后的菌血症和全身感染

后来的研究结果表明,SIgA 的免疫排斥是在粘膜内特别指定的。另一项体内研究证实,志贺氏菌的免疫排斥需要 IgA 分泌糖基化残基来辅助定位抗体分子和最佳预防粘膜感染。

此外,IgA 介导的免疫排斥不仅发生于病原体细菌,也发生在共生真菌中。最近发现,SIgA 还可以靶向负责菌丝粘附和宿主细胞侵袭的细胞表面粘附蛋白,以防止白色念珠菌的附着和随后的人类感染。

免疫排斥的一个限制是它仅在高病原体密度下有效,这与典型感染不同

机制二: SIgA 介导的链式生长

出于这个原因,最近提出了另一种被称为“链式生长”的 SIgA 介导的病原体消除机制,在较低的病原体数量下相对有效。SIgA 介导的链式生长通过链式和分离细菌质粒供体和受体克隆来防止接合质粒转移。

然而,链式生长是有限的,尽管受到限制,但聚集的病原体生长可能会发生,直到获得一定的大小,然后破裂形成由密切相关的细菌组成的亚群。

链式生长的一个缺点是它对快速生长细菌最有效。事实上,研究人员指出,具有高生长速率的细菌在子细菌之间的联系破裂之前复制,并产生更大的簇,而具有较慢生长和复制速率的细菌很可能更早遭受簇断裂并在复制时逃脱 SIgA 链式生长

机制三: SIgA的“涂层”独特功能

除了上述两种机制之外,SIgA 还具有一种称为“涂层”的独特功能,可增加派尔斑块中的细菌易位,从而无意中改善了常驻树突细胞的抗原采样和激活。例如,发现 SIgA 包被的福氏志贺菌(S. flexneri)被迅速转胞吞入派尔氏斑并被树突细胞内化,而未包被的S. flexneri无法穿透肠上皮。

据报道,SIgA 涂层对小肠中的共生细菌占优势,这反过来又有助于菌群定植,而不含 IgA 的细菌大多是结肠的固有细菌

重要的是,尽管有足够的 SIgA 可用于覆盖几乎整个微生物群,但 SIgA 的这种“包被”作用似乎受到高度“监控”,因为 <5% 的 SIgA 被用于细菌包被,这可以推断是为维持与肠道微生物群共生的基本机制,而在疾病条件下,SIgA 涂层变得更加普遍。比较特别的是,IgG 和 IgM 几乎没有包裹厌氧菌的能力,更突显了 SIgA 是针对肠道抗原的主要反应性免疫成分。

已发现 SIgA 通过重塑肠道微生物群组成以促进肠道共生体生长和抑制病原菌增殖,对维持肠道稳态具有很大影响。

例如,专门覆盖粘液共生体 B.theta 的 SIgA已被证明可以上调一组临时命名为粘液相关功能因子 (MAFF) 的基因,这些基因的功能是确保厚壁菌门细菌之间的共生,并且还可以提供针对结肠炎的化学保护物质。

此外,SIgA通过共生定植因子 ( ccf ) 对共生脆弱拟杆菌的黏膜定植和单菌株稳定性至关重要。脆弱拟杆菌介导的荚膜多糖上调以吸引 IgA 结合。有趣的是,脆弱拟杆菌具有内切糖苷酶活性,因此可以利用在 SIgA 上重度修饰的复杂 N-聚糖进行必要的共生细菌生长,这最终有助于该细菌在特定的粘膜生态位内定植。这也是我们很多的粪便检测实践中发现脆弱拟杆菌的丰度占比较高

此外,粘膜 IgA 通过限制共生真菌增殖来维持微生物群的稳态,因为已观察到 SIgA 对人类粪便中发现的光滑念珠菌、白色念珠菌、酿酒酵母和热带念珠菌具有反应性 。

SIgA 还促进出生时肠道微生物群中的健康生物多样性。研究发现母乳会转移某些细菌,例如链球菌属和Veillonella dispar,这导致了后代微生物群的整体变化 。

以上证据表明 IgA 对于微生物粘附到上皮表面至关重要,并且可以同时去除这些细菌以进行清除以保持适当的多样性。此外,抗体具有多种结合亲和力,可以覆盖肠道微生物群的大部分,目的是维持而不是消除微生物的多样性。

宿主 SIgA 和细菌之间的这种相互作用促进了肠道中额外的宿主免疫反应,从而产生了一个共生的调节回路来维持肠道稳态

有趣的是,在厚壁菌门中属于簇 IV 和 XIVa 的梭状芽胞杆菌被观察到是多样化 IgA 生产所必需的 Foxp3 + T 细胞的有效诱导剂。反过来,依赖于 T 细胞的 IgA 对共生体Akkermansia muciniphilia的反应提供了针对肠道感染的旁观者保护”,以进一步促进肠道健康和维持体内平衡。

尽管 SIgA 的肠道稳态功能仍然很微妙,但 IgA 反应的程度以及分泌黏膜 IgA 抗体支持其功能意义。尽管尚不清楚 IgA 抗体是否可能对 IgA 靶向微生物产生有利或有害的影响,但 IgA 包被的共生体的组成性存在表明任何有害影响通常不足以引起消除。

事实上,IgA 与细菌荚膜多糖的结合可能会被一些微生物群抑制以允许粘液层附着,从而防止竞争物种的生态位入侵

肠道微生物群-IgA 相互作用在维持结肠稳态中起关键作用

肠道微生物群的组成和活性可以受到环境和宿主衍生因素的调节。其中,免疫球蛋白 A (IgA) 对胃肠道共生菌的稳态功能最近已在IgA 缺乏症患者中得到证实。

IgA 通过聚糖和脂多糖 (LPS) 相互作用调节肠道菌群组成,与 IgA 同源抗原识别无关

具体而言,IgA通过聚糖-聚糖相互作用(IgA-聚糖和 LPS)与细菌共生亚群如多形拟杆菌Bacteroides thetaiotaomicron ( B. theta )、B. vulgatus、B. fragilisParabacteroides distasonis 等结合。此外,IgA 增强了结肠外膜中细菌与宿主粘液和饮食衍生多糖的结合。

粘液相关的B. theta特别容易受到 IgA 涂层的影响

研究人员发现,暴露于 IgA 会导致B. theta上调两种未发现的蛋白质——称为粘液相关功能因子 (MAFF) C 和 D——它们在结构上与其他肠道细菌共享,并增强了B. theta的代谢活性。

在小鼠和人类的结肠粘液中,B. theta 诱导 MAFF 系统表达,这取决于与梭状芽孢杆菌等厚壁菌门成员的相互作用。同样,B. theta 产生的代谢物可诱导梭菌属成员的扩增,从而驱动更多样化的微生物群

这些发现强调,IgA 驱动的B. theta MAFF 表达是调节网络的结果,不仅涉及肠道微生物群组成,还涉及其在粘膜生态位内的遗传结构和潜在功能。

在化学诱发结肠炎的小鼠模型中,接种了野生型 B.theta 的小鼠结肠在用硫酸葡聚糖钠治疗 10 天后恢复。相比之下,接种了缺乏 MAFF 蛋白的B.theta菌株的小鼠的结肠仍然显示出损伤和肠道炎症的迹象。这些结果表明,MAFF 诱导的肠道菌群增强了结肠上皮细胞的增殖和再生,同时也增加了肠道菌群的多样性。

总之,共生类拟杆菌的最佳体内代谢能力取决于 IgA-多糖相互作用。IgA 对肠道稳态的作用取决于不同微生物群之间的相互作用,并且由 MAFF 微生物基因的表达调节。

06
IgA-微生物轴的缺陷导致病理疾病

正如前面部分所述,IgA 由于其结构意义、分泌、糖基化、定位和受体相互作用而在免疫系统中发挥着重要作用以及 IgA 强烈影响各种共生微生物的微生物群组成及其相关基因表达的方式

重要的是,持续的研究强调微生物群组成是越来越多疾病的牵连病因,包括肠胃病(如结肠炎,结直肠癌)、肾病、过敏、哮喘,精神类疾病和代谢疾病甚至人类寿命。由于 IgA 生物学功能障碍也可导致多种疾病,因此了解 IgA -微生物群轴的缺陷可以帮助预防和治疗各种疾病的发展。

IgA 水平和寿命

高和低 IgA 水平都与死亡风险增加有关。不过,需要更多的研究才能得出任何结论。

与死亡率的关联

在 4,255 名越战老兵中,较高的 IgA 水平死于传染病的风险增加 2 倍有关。

在 90 – 99 岁的人群中,较的 IgA 水平与较的死亡率相关。

同样,在 8 岁儿童中, IgA 水平(>400 mg/dl)与较的死亡率相关。IgA 水平与男性癌症死亡率有关。

较高的IgA与癌症(特别是非肺癌)和呼吸系统疾病死亡风险的降低有关。

严重的 IgA 缺乏与诊断后前 10 至 15 年内较高的死亡率相关。

高和低 IgA 水平可能有许多潜在原因。因此,引发异常 IgA 水平的健康状况比 IgA 水平本身更可能影响一个人的死亡风险。

自身免疫中的 IgA 缺乏

选择性 IgA 缺乏症 (SIgAD)

无法检测到的血清 IgA 含量低于 7 mg/dL。人类 IgA 缺乏症的临床表现被称为选择性 IgA 缺乏症 (SIgAD) 。SIgAD 是最常见的原发性免疫缺陷,其余 Ig 水平正常。20-30% 的 SIgAD 患者患有自身免疫性疾病。研究表明 SIgAD 患者的一级亲属有 10% 的自身免疫性疾病发生率,是一般人群中估计的 5% 的两倍。

重要的是要注意,即使 B 细胞或 IgA 不存在,肠上皮细胞也可以启动其他保护性防御,例如诱导干扰素诱导的免疫反应途径,但前提是存在微生物群。

关于人类 SIgAD 是否与肠道微生物生态学的重大变化有关,存在相互矛盾的报道。

  • 在 Fadlallah 等人的一项研究中,他们的宏基因组学分析表明微生物群存在轻微的扰动,其中 IgA 缺乏导致预期的致病菌扩增,但一些经典有益共生菌的消耗低于预期。他们对这一现象的一种解释是,IgM 水平的部分补偿反应可以保持微生物群的多样性。
  • 与这个假设相反,Catanzaro 等人后来的报告。表明即使有代偿性 IgM 反应,SIgAD 患者仍然表现出显着的肠道菌群失调。这项研究发现 IgM 对共生体的特异性较低,因此覆盖了更大的微生物物种亚群。

有趣的是,最近的一项研究表明,SIgAD 患者的体循环中存在代偿性 IgG 反应,其中 IgG 对共生体具有抗菌特性。另一项宏基因组研究表明,SIgAD 患者的微生物多样性降低,但富含大肠杆菌等机会性细菌

常见可变免疫缺陷 (CVID)

除 SIgAD 外,还有一种称为常见可变免疫缺陷 (CVID) 的疾病,原因是抗体产生无效,主要是 IgG 和 IgA,这是由于普遍的 B 细胞缺陷。

Omenn 综合征 (OS)

由亚型 RAG 突变引起的 Omenn 综合征 (OS),会在不经意间导致 IgA 缺乏。CVID 和 OS 患者感染细菌感染的风险自然更高,但他们也可能有非感染性自身免疫并发症,例如炎症性肠病和肠病。尽管对该主题的研究很少,但暗示不稳定的肠道微生物确实在 CVID 和 OS 患者的自身免疫反应中起作用。

炎症肠病中的 IgA 微生物群

炎症性肠病 (IBD) 是整个胃肠道剧烈炎症的结果,每年估计有 70,000 例新的 IBD 病例被诊断出,全球有 680 万例。微生物群在 IBD 中起着不可或缺的作用,但其作用是原因、结果还是相关性是 IBD 研究中的一个持续问题。

细菌诱导IBD -> IBD -> 菌群失调 -> IBD 加重

一方面,某些细菌可能是导致 IBD 进展中必不可少的炎症过程升级的抗原刺激物。事实上,无菌小鼠表明微生物群是自发性结肠炎的诱导物和侵袭物

另一方面,当研究缺乏上皮特异性极化分选因子衔接蛋白 (AP)-1B 的小鼠的自发性结肠炎时,发现 IBD 的易感性引发了微生物群组成向生态失调的不利变化,其中大量减少硫和产生乳酸的细菌可能解释了加重的结肠炎。

其他小鼠研究支持某些个体细菌作为前结肠炎,包括人类衍生的产生丁酸盐的菌株Anaerostipes hadrus BPB5 、吃粘蛋白的AKK菌 肺炎克雷伯菌奇异变形杆菌等。这与观察到IBD 患者肠杆菌科和变形菌门增加的人类研究相关。

这些变化同时被认为是人类 IBD 的生物标志物治疗相关的靶点,以减少微生物群加剧 IBD。

虽然这些研究表明微生物群组成差异只是炎症的并发症,但值得注意的是转化乙酸丁酸的Roseburia的减少。最近发现,在健康对照组中,在 IBD 之前并在 IBD 期间持续存在,这表明微生物群参与了疾病本身的病因学

doi.org/10.15252/emmm.202115386

鉴于其先前确定的影响肠道微生物群组成的能力,SIgA 在微生物群-IBD 关系中非常重要,其中 IBD 患者可能对共生真菌和细菌的粘膜耐受性功能障碍

例如,pIgR 基因敲除小鼠由于 SIgA 转运缺陷和微生物群不稳定而更容易患结肠炎。关于真菌,几种念珠菌属与 IBD 病理学有关,特定的念珠菌菌丝形态与 IBD 严重程度增加有关。此外,观察到 SIgA 靶向病原真菌中的粘附和菌丝细胞,以防止结肠炎期间念珠菌相关的损伤。

关于细菌,缺乏诱导型共刺激配体 (ICOSL) 的小鼠对 IBD 自发敏感,其 IgA 减少,并且对来自毛螺菌科粘液相关细菌的鞭毛蛋白的抗原识别受损

此外,激活转录因子 3 (ATF3) 缺陷的小鼠表现出肠道菌群失调,这有利于促炎性普氏菌的丰度,并显示肠道中 T FH细胞发育受损,导致 SIgA 产生显着降低。这种反应在缺乏先天效应蛋白、骨髓分化初级反应 88 (MyD88) 的小鼠中是相似的,它通过诱导 CD4 + T 细胞和调节性 T 细胞在调节 IgA 对肠道微生物群的反应中起关键作用

IgA 对 IBD 和肠道菌群失调的反应需要 MyD88 信号传导

MyD88 缺陷型小鼠的结肠炎严重程度加重,肠道菌群失调突出,分段丝状细菌过多和细菌负荷增加,表明 IgA 对 IBD 和肠道菌群失调的反应需要 MyD88 信号传导。相比之下,甲基化控制的 J 蛋白(一种线粒体内膜蛋白)的缺失导致 IBD 相关细菌Ruminococcus gnavus 大量繁殖,但令人惊讶地增加了 SIgA 水平。

升高的SIgA可能是一种补偿反应,准备对抗病原体

同样,吲哚胺 2,3-双加氧酶 (IDO) 敲除小鼠对柠檬酸杆菌具有较高的 SIgA 基础水平,并且对柠檬酸杆菌诱导的结肠炎具有抗性。最后两项研究表明,在某些情况下,升高的 SIgA 可能是一种补偿反应,以确保共生清除并创造一个准备好对抗病原体的环境。

IBD 患者的粪便中含有更多的 SIgA 涂层细菌

最近的一项研究表明,与对照组相比,IBD 患者的粪便中含有更多的 SIgA 涂层细菌。因此,IgA-Seq 已被用于分析 SIgA 包被的细菌,从而识别 IBD 相关微生物。例如,通过 IgA-Seq 选择 SIgA 包被的细菌,从 IBD 患者中分离和厌氧培养这些微生物,然后在无菌小鼠中定殖,进行了一项具有里程碑意义的研究。

doi.org/10.1016/j.chom.2020.12.014

SIgA 涂层作为免疫介导的降低肠道细菌负荷的目标

除了作为生物标志物外,SIgA 涂层似乎还可以作为免疫介导的降低肠道细菌负荷的目标。因为 SIgA 高的小鼠品系 CBA/CaJ (CBA) 对葡聚糖硫酸钠 (DSS) 诱导的急性结肠炎具有抗性,因为它继承了增加的 SIgA 涂层和减少的粪便细菌负荷,而 SIgA 低的小鼠品系C57BL/6 (B6) 易患结肠炎。

令人印象深刻的是,最近的一份报告发现了一部分克罗恩病患者在含有核苷酸结合寡聚结构域(NOD2)发生突变,携带抗原的 SIgA 逆行转运到派尔斑块中增加。作者在 NOD2 缺陷小鼠中证实了这一观察结果,这支持了粘膜炎症增加可能是由于过度活跃的 SIgA 逆行转运的概念。

注:核苷酸结合寡聚结构域(NOD2)肽聚糖(细菌细胞壁)的产物,是一种位于上皮细胞和免疫细胞内的胞质 ,能够感知胞壁酰二肽。这种胞质对于病原体入侵和几种炎症性疾病期间的免疫反应至关重要,从而调节粘膜细菌定植。

一般来说,这一证据表明,人类的高 IgA 反应可以预防结肠炎,因此,消除或抑制 SIgA 包被的细菌是潜在治疗的途径

研究发现与同种型对照相比,对 IL-10 缺陷小鼠进行丁酸钠治疗可减少 SIgA 涂层细菌的数量,同时增加肠道生物多样

利用IgA靶向和抑制有害菌

作为一种更直接的方法,最近开发了一种工程化 IgA 克隆 W27,它靶向和抑制有害共生细菌,但不抑制有益细菌,从而在几种小鼠模型中预防结肠炎和提高肠道微生物群多样性

另一个需要考虑的来源是母乳衍生的 SIgA。证明其早期暴露可改善葡聚糖硫酸钠诱导的上皮损伤。研究这一观察结果是否可能是由于表达 RORγ 的调节性 T 细胞在多代传递中的免疫调节是很有趣的。针对 IgA 微生物群轴的持续研究肯定会推进治疗 IBD 的临床困境。

坏死性小肠结肠炎中的 IgA 微生物群

坏死性小肠结肠炎(NEC)是易感婴儿最严重、最常见的肠道疾病。早产儿小肠结肠炎的风险在中度至极低体重的新生儿中增加,后者婴儿的死亡率估计为 20-30% 。

坏死性小肠结肠炎进展的促成因素集中在新生儿期肠道不成熟和不适当的微生物定植

NEC 通常在出生后 8-10 天出现,此时肠道被变形菌和厚壁菌门的兼性厌氧菌定植。当早产儿进入新生儿重症监护室 (NICU) 时立即使用抗生素可能会干扰适当的细菌定植,因此会导致坏死性小肠结肠炎。实质上,细菌侵入肠壁引起局部感染,随后是上皮损伤潘氏细胞耗竭、屏障功能受损、炎症、坏死、菌血症和内毒素血症。

在潘氏细胞破坏坏死性小肠结肠炎啮齿动物模型中,添加配方奶加剧肠道损伤,而与肠道微生物菌群失调无关。这一结果强调了早产儿喂养需要谨慎

母乳降低坏死性小肠结肠炎发病率,与IgA有关

相比之下,发现母乳显着降低坏死性小肠结肠炎发病率,这表明母乳中的抗菌成分负责保护。

最近的一项开创性研究发现母乳是出生后第一个月 SIgA 的主要来源,当时 IgA 涂层有助于减少肠杆菌科细菌并保护小鼠免受坏死性小肠结肠炎。

这一发现进一步得到了以下观察结果的支持:暴露于母乳的 IgA 缺陷幼崽仍然易患坏死性小肠结肠炎。值得注意的是,γ-变形杆菌特异性 IgA 负责从未成熟微生物群到成熟微生物群的转变,而 IgA 缺乏会导致 γ-变形杆菌大量繁殖

回顾到成熟微生物群的最终转变是从 γ-变形菌到梭状芽孢杆菌,可以假设梭状芽孢杆菌耗竭可能是坏死性小肠结肠炎婴儿微生物群成熟停滞的指标。

因此,对于未来的研究来说,了解母体 IgA 的供应是否与成熟微生物群相关,即NEC 保护婴儿中梭状芽胞杆菌的恢复,这一点很重要

上述证据强调了坏死性小肠结肠炎中提高 IgA 和调节 IgA 相关微生物群的治疗潜力。

然而,在坏死性小肠结肠炎中靶向 IgA 并不一定是新的方法,1988 年的一项研究发现口服 IgA-IgG 补充剂可有效预防早产儿坏死性小肠结肠炎。

无论如何,促进和/或维持 IgA 水平的治疗方法可能会挽救生命。考虑到患有炎症性肠病的母亲通过母乳水平转移给婴儿的 IgA 可用性较低,其中,母亲和孩子都可能需要补充 IgA。

然而,通过最近的一项研究,必须意识到 IgA“过度涂层”的可能性。产前压力增加了后代微生物群中的 IgA 涂层,并以性别依赖的方式加重了坏死性小肠结肠炎。因此,其他微生物方法(即益生菌)也可用于治疗坏死性小肠结肠炎,特别是乳杆菌属

结直肠癌中的 IgA 微生物群

结直肠癌 (CRC) 是癌症相关死亡的第二大常见原因,而 IBD 恰好是 CRC 发展的主要前兆。与任何癌症一样,早期发现对于降低死亡率至关重要。

IgA 作为一种重要的结直肠癌筛查工具

几项研究调查了自身反应性抗体,特别强调 IgA 作为一种重要的 CRC 筛查工具。特别是,与肿瘤相关抗原癌胚抗原 (CEA) 反应的 IgA 已成为 CRC 患者的重要特征

最近用水凝胶生物芯片证明,在诊断中结合抗 CEA 和抗聚糖抗体可提供更好的预测值。特别值得注意的是,在用重组 CEA 对 CRC 患者进行免疫时,发现 IgA 抗 CEA 抗体对肿瘤细胞具有细胞毒性并提高了患者的存活率。对某些细菌(如具核梭杆菌和产毒素的艰难梭菌)特异的 IgA也已被证明具有高度特异性和敏感性的诊断价值。

虽然 IBD 患者 IgA 不足,但最近的文献可能表明 IgA 的缺乏实际上可能是预防侵袭性 CRC 的一种保护机制。

在Apc Min/+ CRC 小鼠模型中,确定了肿瘤微环境中 IgA +淋巴细胞的扩增。这与 CRC 患者晚期肿瘤中浆细胞的优势相匹配,其中 B 细胞亚群 IgA + IGLC2 +与预后不良有关。

值得注意的是,前 B 样细胞可能在 CRC 发展的早期阶段具有抗肿瘤功能 ,但是当它们在晚期 CRC 中分化为浆细胞时,这可能会变得不那么有效。

IgA 维持微生物群稳态

具体而言,通过研究研究表明与宿主故意限制 IgA 可用性本身的想法相反,IgA 迁移到结肠肿瘤细胞的缺乏,理论上可以促进支持致癌生长的促炎环境。研究表明,缺乏 IL-33 的小鼠 IgA 水平显着降低、菌群失调、结肠炎和最终发生 CRC ,这支持了 IgA 是维持微生物群稳态以预防肠道疾病所必需的传统观念

肠道微生物组和 IgA 与 CRC 之间的关系相对未描述,未来的研究可能会揭示筛选和治疗这种致命癌症的新方法。一个值得的研究方向是了解 IgA 涂层对 CRC 相关细菌(如具核梭菌和脆弱拟杆菌)在疾病进展中的作用。可能还有许多其他肠道微生物可能在 CRC 中发挥作用,需要进一步研究。

IgA和中枢神经系统疾病

中枢神经系统(CNS)的复杂疾病是由遗传和环境因素共同引起的。人体研究和动物模型表明,宿主体内的共生微生物可以影响中枢神经系统疾病(下图)。

doi: 10.3389/fimmu.2021.742173

有两个关键宿主因素,肠道 IgA 和衰老,它们对微生物组的形成具有深远的影响。且而且宿主因素(IgA 和衰老)之间的相互作用会塑造微生物组,进而影响中枢神经系统疾病背景下的淋巴细胞和神经胶质细胞行为。

肠道微生物组与中枢神经系统神经炎症和神经退行性变之间的假定联系:

doi: 10.3389/fimmu.2021.742173

实验性自身免疫性脑脊髓炎

虽然 IgA + ASCs (抗体分泌细胞)可以在体内平衡期间归巢到硬脑膜 ,但在稳态中枢神经系统中不存在克隆扩增的 IgA,并且仅在炎症期间出现。在实验性自身免疫性脑脊髓炎期间,SILP 中的 IgA + ASC 显着减少

此外,在中枢神经系统疾病中发现过继转移的肠道来源的 IgA + ASC 对小鼠来源的肠道细菌有反应,并显示通过在实验性自身免疫性脑脊髓炎(EAE)的慢性阶段产生 IL-10 来减轻神经炎症

过量的 IgA + ASC 能够减少 T 细胞产生的 GM-CSF,这是一种促进神经炎症的重要细胞因子。毛滴虫( T.mu ) 是一种啮齿类共生动物,可促进 IgA 的产生。T.mu +小鼠的 EAE 发生率和严重程度以及脊髓炎症和脱髓鞘减少。T.mu +小鼠还表现出血清和粪便 IgA 水平升高,肠道、骨髓和大脑中 IgA + ASCs 的频率增加

虽然以上强调了动物模型的主要发现,但也有早期证据表明微生物群驱动的 IgA 反应在人类疾病中的重要性

多发性硬化:肠道菌群 IgA降低,脑脊液 IgA 相应升高

由 IgA-seq 鉴定的细菌在多发性硬化患者与健康对照中的表达差异很大。按疾病活动分层,与缓解患者相比,复发的多发性硬化患者粪便样本中 IgA 结合的肠道细菌百分比降低脑脊液 IgA 相应升高

中枢神经系统浸润的 IgA + B 细胞对肠道微生物抗原具有特异性,表明在复发期间产生 IgA 的细胞从肠道迁移。

多发性硬化患者的脑脊液中IgA也升高。重要的是,共生特异性 IgA +在多发性硬化患者的炎性病变中观察到 ASCs。然而,这种现象可能不是 IgA 独有的,因为已发现多发性硬化患者脑脊液中的 IgG 对多发性硬化相关的肠道细菌裂解物具有反应性。这些细菌反应性 IgG 在疾病中的影响尚未完全阐明。

最后,虽然 IgA + ASC 现在已经在发炎的 EAE 和 多发性硬化中进行了描述,但现在人们认识到这些细胞在体内平衡中起着重要作用。具体而言,已在健康小鼠和人类的软脑膜中检测到肠道共生特异性 IgA + ASC,但在无菌小鼠中不存在。这些细胞可能在硬脑膜窦附近维持屏障完整性;然而,它们也可能有助于中枢神经系统的静止。

总而言之,除了在塑造微生物组方面广受赞赏的作用外,产生 IgA 的 ASC 在健康和多发性硬化/EAE 中枢神经系统中同样发挥着重要作用。

IgA肾病和血管炎

IgA肾病(IgAN)

1968 年首次发现IgA 肾病IgAN,别名Berger 病)描述了由于在肾脏中形成炎性免疫复合物而导致半乳糖缺乏的 IgA1 在肾小球系膜中沉积和随后的肾小球肾炎

IgAN 是全世界最常见的原发性肾小球肾炎,其临床特征通常是无症状血尿进行性肾病

最近的估计表明,大约四分之一的 IgAN 患者在 20 年内最终发展为终末期肾病,因此死亡风险增加

IgAN 背后的病因似乎始于固有层中肠激活 B 细胞和抗体分泌细胞 (ASC) 的扩张

小鼠和人类研究均表明,APRIL 或高同源性 BAFF 的转基因表达会导致IgA1 铰链区的异常O-糖基化和 IgA1 产生的高反应性。当 IgA + ASC 离开次级淋巴组织进入循环时,它们可以进一步分化为长寿命的 IgA +浆细胞。半乳糖缺乏的 IgA1 的系膜沉积物会过度激活补体系统 和/或与 IgG 自身抗体复合,这共同导致促炎反应和肾损伤

尽管 IgAN 是一种影响肾脏的疾病,但它的起源也与肠道微生物群—肾轴密切相关。2011 年发现四个新的 IgAN 基因座富含与“用于 IgA 产生的肠道免疫网络”相关的 KEGG 途径,包括与粘膜免疫即局部病原体多样性的强正相关。

IgA 血管炎的发病机制

doi.org/10.3389/fimmu.2021.771619

黏膜抗原可以通过T细胞依赖或独立的方式激活MALT中的B细胞。后者通过 TLR 途径激活 B 细胞。在遗传因素的作用下,活化的 B 细胞变成浆细胞并产生 Gd-IgA1。Gd-IgA1 和抗 Gd-IgA1 自身抗体与其他成分(包括 sCD89 或补体)一起形成循环免疫复合物。然后,免疫复合物沉积在器官中并激活炎症反应。在肾脏中,免疫复合物可以通过 TfR 激活系膜细胞,导致肾细胞凋亡和炎症细胞的募集。

最近,在 2021 年发现了几个与 IgAN 中微生物组成变化相关的微生物组数量性状基因座,例如,DialisterBacilli的丰度降低,但Lachnobacterium的丰度增加。IgAN 患者的关键细菌有显着的分类学改变,包括埃希氏菌、志贺氏菌水平升高和罗氏菌属、毛螺菌科、梭菌属水平降低

有趣的是,在 IgAN 患者中,某些肠道代谢物(如短链脂肪酸)与其细菌产生物同时显着减少

值得注意的是,对人源化小鼠进行抗生素治疗足以显着降低 IgAN 的病理生理特征,包括 IgA1 系膜沉积、免疫复合物和肾小球炎症。因此,肠道微生物群似乎是产生粘膜来源的肾毒性 IgA1 的重要因素,但需要更多的研究来进一步确定 IgAN 中的肠道微生物特征。

值得注意的是,微生物蛋白酶可以从肾小球中去除 IgA 免疫复合物 ,这表明有机会以依赖微生物群的方式治疗性解决 IgAN

近日研究发现:IgAN患者志贺氏菌属的显着扩增

该研究选取127名IgA肾病(IgAN)患者和127名对照,随机分为发现和验证队列,对 77 名患者的亚组进行了前瞻性随访,以进一步剖析 6 个月免疫抑制治疗肠道菌群变化与治疗反应之间的关系。

结果发现,治疗前,α-多样性降低(Shannon,P = 0.03),变形菌门-γ变形菌纲-肠杆菌目-肠杆菌科-埃希氏杆菌-志贺氏菌属显著扩增,这种情况在免疫抑制治疗 6 个月后达到临床缓解的患者中逆转。

IgAN患者肠道菌群失调的标志,以埃希氏菌-志贺氏菌属的显着扩增为特征,可作为 IgAN 有前景的诊断生物标志物和治疗靶点。

IgA 血管炎(IgAV)

在 IgAN 患者中经常同时发现的是 IgA 血管炎 (IgAV)也称为过敏性紫癜,一种 IgA 沉积在血管中导致炎症的疾病。关于 IgAV 和 IgAN 是否是同一疾病在不同组织中的两种临床表现,一直存在争议。两种疾病的病原学概念基本相同,但在症状和流行病学方面存在细微差别。

与 IgAN 主要发生在成人和血尿是第一个临床指标相比,IgAV 患者在儿科人群中更常见,他们表现出症状:

  • 皮肤(可触及的紫癜,即紫红色皮疹)
  • 胃肠道(绞痛、血便)
  • 关节(关节痛,即关节痛)

IgAV 患者的多样性显着下降,但IgAV 患者的梭杆菌数量增加。IgAV 患者与Dialister (梭状芽胞杆菌家族的前一个成员)和更丰富的大肠杆菌科的志贺氏菌负相关

有趣的是,其他血管炎病例,如川崎病,也表现出更多的梭杆菌,而 Behçet 综合征患者的丁酸生成细菌较低,例如RoseburiaClostridia.

这暗示梭杆菌最有可能是血管炎中的病原菌,而短链脂肪酸丁酸盐则是一种有益的代谢物,在血管炎和肾病期间的可用性有限

尽管如此,仍需要更大规模的临床研究来了解微生物群在肾病和血管炎中的相关性,并评估微生物群依赖性预后和 IgAN 和 IgAV 的治疗策略。

胆道感染中的 IgA 微生物群

胆汁是一种黄绿色的分泌产物负责乳化饮食中的脂质和脂溶性维生素肝脏负责胆汁合成并将其运输到胆囊中进行储存。在人类中,每天大约有 5–50 µg/mL 的蛋白质以胆汁的形式从肝脏排出

IgA 进入胆囊的机制

IgG 在肝胆汁中占优势,IgA 在胆囊胆汁中含量最高。具体来说,胆囊胆汁含有聚合 IgA、聚合 SIgA 和游离分泌成分 (SC)。IgA 进入胆囊的机制因物种而异。例如,在人类中,聚合 IgA 由沿肝胆树的相邻浆细胞产生,然后被胆管上皮细胞上表达的 SC-pIgR 复合物捕获,以分泌到胆汁中。

IgA 从循环到胆汁的转运是去除抗原的自然途径

胆汁中大量存在 SIgA 表明 IgA 肝胆系统中具有重要的生物学功能。胆汁中的 IgA 有几个提议的功能 。1980 年代的大量研究得出结论,IgA 从循环到胆汁的转运是去除抗原的自然途径。将各种免疫球蛋白静脉注射到小鼠体内的放射性标记抗原显示 IgA,而不是 IgG 或 IgM,是抗原转运到胆汁中的主要抗体

胆汁 IgA减轻继发性肝胆感染

除了预防原发性肝脏感染外,胆汁 IgA 的这一功能对于减轻肠道细菌和寄生虫感染的继发性肝胆感染至关重要。通过将杀死的大肠杆菌菌株注射到 Peyer 斑块中对大鼠进行免疫,产生胆道 IgA 特异性抗大肠杆菌可防止肝胆感染、胆管炎和全身性败血症。

肝胆疾病患者发生胆囊感染的风险更大,与IgA有关

必须注意的是,患有肝胆疾病(例如胆汁淤积、胆石症)的患者发生胆囊感染的风险更大,因为胆管上皮细胞的损伤会导致肝胆 IgA 清除受损和胆汁 IgA 回流到血液中。与此一致,SIgAD 患者自然更容易患肝胆疾病,例如原发性胆汁性肝硬化和胆囊感染 。有趣的是,胆汁液中 IgA 包被细菌的检测可能与肝胆感染患者的临床症状有关,例如发热和白细胞增多。

肝脏中的局部 IgA 具有微生物群反应性

没有太多研究调查肠道微生物群是否会影响肝胆感染中的 IgA。直到最近的研究表明,肝脏中的局部 IgA 被鉴定为具有微生物群反应性,并且来源于离开派尔斑的抗体分泌细胞(即浆母细胞)。

先前的研究还表明,胆结石患者表现出肠道菌群失调,大约 70% 的肠道细菌 OTU 在胆道中可检测到;然而,这是否会影响肝脏和胆汁 IgA尚不清楚。

胆道感染引起的胆汁微生物群变化

最近,人们对胆道感染引起的胆汁微生物群变化给予了更多的认识。与肠道微生物群平行,胆汁微生物群中的四个优势门是变形菌门厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门。肝吸虫Opisthorchis felineus感染的存在导致胆汁微生物群的 β 多样性增加,螺旋体门的成员增加,克雷伯氏菌属、具合杆菌属、乳酸杆菌属、密螺旋体属、副流感嗜血杆菌和金黄色葡萄球菌的丰度增加

肝吸虫感染后肠道菌群也发生变化

例如毛螺菌科、瘤胃球菌科和乳杆菌科增加,但紫单胞菌科、丹毒科和真杆菌科减少

未来的研究应确定胆道和肠道微生物群之间的单一或同时变化是否会影响 IgA 功能,以及这是否可以确定肝胆感染的严重程度。

07
低 IgA 和选择性 IgA 缺乏:原因和症状

免疫球蛋白 A 是抵御有害微生物的第一道防线,但它也能维持免疫耐受性。正常的 IgA 水平可以平衡免疫系统。低水平增加过敏和自身免疫的风险。

低 IgA 水平

较低的 IgA 可能意味着免疫力减弱。此外,最近的研究结果现在暗示它可能表明肠道屏障和/或肠道微生物群失衡。

在成人中,大多数实验室认为低于 60 mg/dL 的 IgA 值较低。

原 因

慢性压力、睡眠不足和疲惫会降低唾液中需要第一防御功能的 IgA。单独的血液 IgA 测试不会显示这种降低的免疫反应。

低IgA会增加过敏、感染和自身免疫性疾病的风险

一些潜在的原因包括睡眠不足、慢性压力、肠道疾病、过敏、某些药物以及罕见的遗传疾病

低血清 IgA 可见于以下个体

  • 慢性肠道疾病 ( IBS , IBD )
  • 食物和呼吸道过敏
  • 自身免疫性疾病(乳糜泻、1 型糖尿病)
  • 一些感染,例如Epstein-Barr 病毒感染
  • 遗传性毛细血管扩张症等罕见疾病
  • 一些肿瘤

可以降低 IgA 水平的药物包括

  • 柳氮磺胺吡啶,一种用于治疗类风湿性关节炎和溃疡性结肠炎的药物
  • 苯妥英 (Dilantin),用于治疗癫痫发作

与低 IgA 相关的症状和疾病

85% 到 90% 的 IgA 缺乏症患者没有症状。他们可能只表现出潜在感染或免疫疾病的症状

  • 过敏疾病

IgA 缺乏的人更容易出现过敏症,包括哮喘、过敏性鼻炎/结膜炎、药物过敏或食物过敏等。

过敏性鼻炎患儿的 IgA 水平降低。较低的水平与更严重的症状相关。

母乳中的 IgA 可预防婴儿特应性皮炎。一项研究发现,在生命的第一年摄入母乳中的 IgA 可降低特应性皮炎的风险,直至 4 岁。

较高的血液 IgA 水平与 18 个月大的湿疹发生率较低有关。

婴儿较高水平的 IgA 似乎与 4 岁时较少发生的过敏有关 。

唾液中的高 IgA 水平与儿童较少过敏症状相关。

在对牛奶过敏的患者中,自然产生耐受性的患者血液 IgA 水平升高

严重哮喘患者的肺中发现了低 IgA 水平。较低的 IgA 水平与更严重的症状相关。

然而,在严重哮喘中,IgA 可能会加重现有炎症而不是促进耐受性。

此外,IgA 缺乏的人,痤疮慢性自发性荨麻疹的患病率也较高。

  • 自身免疫性疾病

如溶血性贫血、1 型糖尿病、类风湿性关节炎、甲状腺疾病和狼疮在 IgA 缺乏的人群中也更常见。

这种情况没有特定的治疗方法(例如用于其他免疫缺陷的免疫球蛋白替代品)。抗生素用于细菌感染患者,对预防严重并发症非常重要。

  • 精神类症状

没有药物治疗的重度抑郁症患者在缓解状态(当他们没有症状时)血液 IgA 水平显着降低

即使在健康人中,当参与者回忆起使他们沮丧的事件时,IgA 也会减少

对 IgA 和自闭症的研究好坏参半自闭症在 IgA 缺乏的受试者及其亲属中更为普遍。

一项研究表明,自闭症低正常 IgA (<97 mg/dL) 之间存在关联。

然而,另一项研究并未发现自闭症患者的 IgA 水平较低 。

在小型研究中,低 IgA 水平与抑郁症和自闭症有关,但还需要更多的研究。

  • 肥胖和代谢综合征

关于 IgA 和肥胖的研究也参差不齐,尚无定论。

与体重正常的人相比,肥胖的人血液中的 IgA 水平更高

在同一项研究中,代谢综合征患者的血液 IgA 水平也较。这包括甘油三酯升高、高血糖或高血压的人。

然而,其他研究发现肥胖人群的 IgA 水平正常,肥胖儿童的IgA水平甚至较低

这种相互矛盾的研究可能是由于肥胖的原因并不单一。一些引发肥胖的潜在因素可能会增加 IgA 水平,而其他因素可能会降低IgA 水平。需要额外的研究来明确肥胖和IgA之间的联系

感染风险

IgA 缺陷患者的一级亲属自身免疫风险增加(10%,而普通人群中估计为 5%)。

IgA 保护肺部和肠道免受有害微生物的侵害。IgA 缺乏症患者感染的风险更高,包括呼吸系统、肠道、关节泌尿道感染 。

长时间运动会降低 IgA, 与超马拉松运动员的呼吸道感染增加有关。

选择性 IgA 缺乏

低 IgA 可能由选择性 IgA 缺乏引起,此时只有 IgA 水平低,而其他抗体(IgG、IgM、IgD 和 IgE)正常

原 因

选择性 IgA 缺乏可以遗传或自发发生(由于感染、药物或未知原因)。导致人们缺乏 IgA 的遗传疾病在高达 1% 的人口中被发现。

IgA 缺乏是最常见的原发性免疫缺陷。白人的患病率较高,而亚洲人的患病率较低。

选择性 IgA 缺乏是指 IgA 水平 <7 mg/dL 但 IgM 和 IgG 正常。它可能是由遗传疾病和非遗传因素引起的。

85% 到 90% 的 IgA 缺乏症患者没有症状。有症状的人通常有呼吸道或肠道感染。

选择性 IgA 缺乏的相关症状和疾病

感染和乳糜泻

IgA 缺乏的人有发生肠道感染和疾病的倾向,例如吸收不良乳糖不耐症、乳糜泻溃疡性结肠炎

患有选择性 IgA 缺乏症(无法检测到 IgA,但 IgG 和 IgM 水平正常)的患者患乳糜泻的风险要高出 10 – 20 倍。

多项研究报告了乳糜泻患者中 IgA 缺乏症的患病率增加,以及 IgA 缺乏症患者的乳糜泻患病率增加

肠易激综合征和肠易激综合征

在一项针对 12 名 IBS 患者和 11 名健康对照者的初步研究中,IBS 患者的 IgA 产生细胞较少。虽然应该记住,这项研究非常小,需要更多的跟进。

IBD 与 IgA 缺乏有关。

在克罗恩病和溃疡性结肠炎患者中,肠道中 IgA 的产生减少了。

在多达 8% 的 IBD 患者中发现了低 IgA 。

然而,肠道中较高的 IgA 产量可能导致 IBD 。

涂有高水平 IgA 的细菌可能是 IBD 患者肠道炎症的原因。当移植到患有溃疡性结肠炎的小鼠体内时,涂有 IgA 的细菌会增加肠道炎症

一些研究将 IgA 缺乏症与 IBD 和 IBS 联系起来,但研究仍无定论。

癌症风险

患有 IgA 缺乏症的人患癌症的风险会适度增加,尤其是肠癌。这项研究是作为一个队列进行的,并且在随访的第一年显示风险增加,这表明存在监测偏差。需要更多的研究来确定癌症风险的程度。

其他疾病

IgA 缺乏症患者与 1 型糖尿病(高达 10 倍)、狼疮、幼年特发性关节炎IBD(克罗恩病和溃疡性结肠炎)、类风湿性关节炎和甲状腺疾病的相关性更高。

改善低 IgA 水平的一些方法

饮食因素

禁食

在 15 名肥胖受试者中,14 天的禁食增加了血液 IgA 水平。

间歇性禁食的小鼠具有更高的 IgA 水平,并且对感染的抵抗力更强

高蛋白饮食

膳食蛋白质是分泌性IgA产生的主要驱动因素,高蛋白饮食可以通过肠道菌群分泌的细胞外囊泡或代谢产物琥珀酸盐激活Toll样受体4,增加细胞因子APRIL水平,从而促进分泌性IgA的水平增加

蘑菇

在 24 名志愿者中,食用白蘑菇的人的 IgA 产量增加了。

编辑​

白蘑菇增加了小鼠的 IgA 。

灵芝中发现的化合物会增加小鼠的 IgA。

生活方式

减少慢性压力

持续数天、数周或数月的慢性压力会降低免疫反应。在中年和老年受试者中,慢性压力较低的 IgA 相关。

牙科学生的自感压力低IgA相关。

在母亲中,那些经历更多焦虑、抑郁、愤怒、疲劳和混乱的人的母乳 IgA 较低

接受托儿服务的幼儿中,托儿质量较低的儿童的 IgA 水平较低

管理压力可以帮助扭转 IgA 的减少。

在24名志愿者中,20分钟的放松显著增加了IgA的产生。此外,那些连续三周每天放松一次的人,其IgA水平比第一次放松的人增加幅度更大。

十分钟的放松使79名日本女性医务人员的IgA增加。

在14名乳腺癌患者中,那些参与放松的患者术后IgA水平较高

音乐

听音乐提高了 87 名本科生的基线 IgA 水平。

在一组 66 名大学生中,接触背景音乐 30 分钟的人 IgA 水平升高。

参与音乐可能会产生更大的影响。

在 33 名受试者中,那些积极唱歌或演奏打击乐的人的 IgA 水平比只听音乐的人增加得更多

另一项研究表明,在合唱团唱歌增加 IgA。

短期/中度运动,避免剧烈运动

IgA 水平会随着短期或适度运动增加。这有助于降低呼吸道感染的风险。

与 10 名久坐不动的对照组相比,9 名受试者在休息时有规律的适度运动增加了 IgA。

几项研究表明,适度运动增加老年人的 IgA。

在 45 名老年人中,每周一次的 60 分钟阻力和 60 分钟中等耐力训练在 12 个月后显着增加了 IgA。

IgA 水平会根据运动的强度和持续时间以及身体活动的类型而变化。短期和适度运动增加IgA水平,而长时间运动降低IgA水平。

在 155 名超级马拉松运动员中,IgA 水平在比赛后下降。

因此如果想要增加IgA水平要避免剧烈运动。

足够的睡眠

在一项对32名志愿者的研究中,在快动眼睡眠(REM睡眠)剥夺的四个晚上,IgA水平下降,但在完全睡眠剥夺后没有下降。即使在三个晚上的睡眠恢复后,IgA水平也没有恢复到基线水平。

一些药物可以阻止REM睡眠,并可能降低IgA水平。这些药物包括抗抑郁药拟交感神经药(模拟肾上腺素和多巴胺作用并激活交感神经系统的药物)。

唾液IgA在睡眠中增加。在昼夜节律紊乱的小鼠中,唾液IgA在睡眠期间没有增加。研究表明,IgA的增加依赖于交感神经系统(战斗或逃跑)的激活,这与REM睡眠有关。

戒烟

一些研究表明,吸烟会降低 IgA 水平

与不吸烟者相比,嚼烟者和吸烟者的 IgA 水平降低。此外,吸烟者的 IgA 水平明显低于咀嚼者。

在小鼠中,流感病毒感染前三个月的香烟烟雾暴露导致 IgA 水平降低和肺部炎症增加

然而,一些研究表明吸烟者的 IgA 水平没有差异。

幽默感

使用幽默作为应对技巧的人具有更高的基线 IgA 水平。

喜剧增加了 15 名大学生和 39 名女性的 IgA。

同样,与观看教育演示的 18 名同学相比,有趣的演示提高了 21 名五年级学生的 IgA 水平。

压力事件会降低 IgA 水平。在 40 名受试者中,具有幽默感的不太可能因压力而降低 IgA。

光线充足

在一项针对 7 名女性的研究中,与暴露在昏暗光线下相比,白天暴露在强光下会增加 IgA 水平。

母乳喂养婴儿

婴儿通过母乳接受 IgA。然后,肠道内的IgA生成逐渐受到肠道微生物群的刺激。

几项研究表明,母乳喂养的婴儿的IgA水平较高。

可能改善的补充剂

益生菌

在一项包含 47 人的研究 (DB-RCT) 中,每天摄入三周的益生菌罗伊氏乳杆菌会增加 IgA 水平。

在 30 名运动员中,安慰剂组训练后 IgA 显着下降,但服用瑞士乳杆菌的运动员没有(DB-RCT)。

含有罗伊氏乳杆菌的口香糖显着增加唾液中的 IgA (DB-RCT) 。

益生菌增加了 40 名烧伤儿童的 IgA 水平并改善了恢复。

在一项针对 66 名孕妇的研究 (DB-RCT) 中,大剂量多菌株益生菌导致婴儿的 IgA 水平更并改善了肠道功能。

每天摄入干酪乳杆菌增加 14 名受试者的 IgA 水平。

在一项针对 98 名新生儿的研究中,双歧杆菌增加了低出生体重婴儿的 IgA 水平。

在一项针对 413 名婴儿的研究中,那些服用富含乳酸杆菌的配方奶粉的婴儿的 IgA 水平较,与母乳喂养婴儿的水平相似。

益生元

益生元是有益细菌的食物。它们改善了肠道菌群。

益生元混合物增加了 45 名超重成人 (DB-RCT)的IgA 水平并改善了代谢参数(CRP、胰岛素、总胆固醇和甘油三酯) 。

在一项针对 187 名婴儿的研究 (DB-RCT) 中,仅喂食配方奶粉并给予益生元的婴儿的 IgA 水平高于接受安慰剂的婴儿。

雪莲果粉含有 50 – 70% 的益生元纤维,服用 18 周后,59 名学龄前儿童的 IgA 增加。

谷氨酰胺

一项对 13 项研究和 1,034 名患者的荟萃分析得出结论,谷氨酰胺增加了肠癌患者的 IgA 并减少了感染并发症。

在 13 名跑步者的高强度间歇训练期间,谷氨酰胺增加了鼻腔但不增加唾液 IgA。

小球藻

4 周的小球藻补充剂增加了 15 名男性的 IgA。

小球藻还增加了 26 名接受强化训练的受试者的静息 IgA。

小球藻增加了 18 名孕妇母乳中的 IgA 浓度。

人参

人参增强了小鼠肠道 IgA 的产生。

然而在其较高的剂量下,它也阻止了 IgA 的释放。

维生素A

分泌型 IgA 穿过黏膜的运输和释放需要维生素 A。

缺乏维生素 A 的大鼠和小鼠肠道中总 IgA 水平降低,但它们的血液 IgA 水平正常。

补充维生素 A 的女性母乳中的 IgA 水平较高。

总的来说,通过健康的饮食和生活方式,保持轻松的状态避免慢性压力、保证充足的睡眠和适度的运动、戒烟、保持良好的幽默感,必要的时候可以配合益生菌、益生元、谷氨酰胺、维生素 A 和间歇性禁食的生活方式可以增强免疫反应并增加 IgA.

08
高 IgA 水平的原因和改善

研究表明,高 IgA 可能是慢性感染和低度炎症的标志。

高 IgA 水平意味着什么?

  • 慢性炎症/感染的信号
  • 高 IgA 可能表明慢性炎症或感染。
  • 大多数实验室认为成人的值高于 400 mg/dL。
  • 上限因年龄而异,儿童和青少年的上限较低。

IgA 在以下人群中也升高:

  • 肝损伤
  • IBD(也可以减少)
  • 心脏病发作后
  • 糖尿病和糖尿病并发症(混合结果——老年糖尿病患者的水平可能较低)
  • 脂肪肝、肝损伤和炎症 (NASH)
  • 乙型肝炎与肝损伤
  • 肥胖
  • 代谢综合征(用于描述一组疾病的术语,包括高血糖水平、高血压、高甘油三酯、低 HDL 胆固醇和胃周围多余的脂肪)
  • 酗酒
  • IgA 肾病
  • 多发性骨髓瘤(浆细胞的特定类型白细胞的癌症)

没有与高 IgA 水平相关的症状。IgA 高的人可能只会出现感染或炎症性疾病的症状。这时候医生可能会进行其它的测试,以确定IgA高水平的真正原因。

高 IgA 通常表示慢性感染或炎症,尽管许多疾病可以提高其水平。高 IgA 不会引起症状。人们表现出潜在健康问题的症状。

IgA 血管炎和肾病

当 IgA 在血管中积聚时发生IgA 血管炎;当 IgA 在肾脏中积聚时,就会发生IgA 肾病。两者都可能产生严重的健康后果。

在 IgA 血管炎中,IgA 沉积在引起炎症的小血管中。常见的症状是皮疹、关节疼痛和肿胀

IgA 血管炎在儿童中更为常见,这种疾病通常会在数周内消退,无需治疗。在成人中,它可能更复杂、更持久,伴有更严重的肾脏疾病

 IgA 肾病中,IgA 复合物沉积在肾脏中。大约 20%-50% 的患者会出现进行性肾功能衰竭

改善高 IgA的 5 种方法

正常的 IgA 水平可保护身体免受感染、过敏和自身免疫。

IgA 水平是免疫健康的标志。如果没有症状不用太担心,低或高水平不一定表示有问题

提高 IgA 水平不一定会直接导致免疫平衡的任何改善,但它可以用作免疫健康的生物标志物

以下是改善免疫健康的补充方法列表,这些方法也被发现可以平衡高 IgA 水平

尽管研究表明各种饮食和生活方式因素可能会降低 IgA 水平,但仍需要进行更多的大规模研究。

解决潜在的炎症问题

除了下面列出的因素外,请记住 IgA 是炎症的非特异性标志物。要告知医生以解决高 IgA 水平的根本原因,例如慢性炎症或感染

有关降低炎症的补充方法,例如服用姜黄素或黑孜然油、锻炼或练习瑜伽,以及遵循地中海式饮食。

IgA 指向慢性炎症或感染。医生可能会建议采取措施来降低炎症并监测其他炎症标志物。

可能减少炎症的因素(通过降低高 IgA 来衡量)

可可

在动物研究中,可可降低了血液、肠道和唾液中的 IgA。

避免饮酒

血液 IgA 水平往往会随着饮酒而增加。在 460 人中,大量饮酒者的 IgA 水平很高

白葡萄酒增加了 5 名男性的血液 IgA 。

然而,虽然血液 IgA 增加,但肠道 IgA 实际上可能会因酒精而减少。在小鼠中,酒精增加了总 IgA,但减少了肠道 IgA。酒精可能会减少 IgA 释放到肠道中。

禁食

避免禁食。在一项研究中,禁食增加了肥胖受试者的血液 IgA 水平

愤怒管理

在 18 名有愤怒和抑郁症状的健康男性和女性中,容易表达愤怒的人中 IgA 升高

容易表达愤怒的家庭虐待者的 IgA 水平较高。

愤怒管理技巧可以帮助人们学习如何控制愤怒。

雌激素水平

在 86 名女性中,雌二醇(主要雌激素)较高的女性 IgA 水平较高

在细胞研究中,雌激素增加 IgA 向粘液中的转运,从而减少细菌入侵。

虽然雌激素有助于女性保持健康和强大的免疫系统,但理论上过多的雌激素可能会过度提高 IgA。检查雌激素水平以确保激素平衡。

高 IgA 表示慢性炎症。建议采取措施来减轻炎症。一些补充方法包括瑜伽、草药补充剂(姜黄素)和遵循健康饮食。研究表明,可可、避免大量饮酒和避免禁食也可以减少炎症和降低 IgA 水平。

09
IgA 的治疗潜力

从微生物学的角度来看,关键问题仍然是关于如何靶向 IgA。从其独特的功能能力来看,有必要考虑IgA的临床应用。

免疫后血清和/或分泌物中通常会发现特异性 IgA 升高。虽然通过全身途径接种疫苗往往会产生血清反应,但通过鼻内或口服途径接种疫苗可以引发保护性粘膜反应。作为一个典型的例子,口服霍乱疫苗作为一种诱导保护性黏膜 IgA 反应的手段已得到广泛认可。

使用从捐献血浆中纯化的抗体的免疫球蛋白替代疗法已作为 IgA 缺乏症的常规治疗方法实施。

包括合成工程多价双特异性抗体 (BsAbs) 在内的新疗法已经开发出来,并在临床上被批准用于治疗各种癌症,例如急性淋巴细胞白血病小细胞肺癌,但目前没有 BsAb 被批准,并且仅限于治疗 IgA 相关疾病。啮齿动物模型的阳性报告支持 BsAb 可有效缓解 IBD.

微生物群中的某些共生体(例如乳酸乳杆菌)已被证明是一种释放这些 BsAb 的传递系统,可用于改善 IgA 相关疾病,例如结肠炎。可以预期,基于 IgA 的 BsAb 与一线微生物群靶向治疗药物(即益生菌和益生元)相结合,将支持免疫疾病和传染病治疗的范式转变。

10
结 语

肠道黏膜 IgA 对微生物群的反应可以为疾病分类、评估肠道病原体感染/负担的影响,以及评估当前或新治疗干预措施提供有效性的方法。

以上我们基本了解IgA-微生物组轴的破坏如何导致结肠炎、结直肠癌和肾病等病理生理状况。此外,甚至在哮喘、食物过敏和肥胖症中都记录了 IgA 对肠道微生物群的反应改变,这进一步说明了在免疫疾病范围之外对 IgA 进行额外研究的必要性。

技术的最新进展促进了我们对各种类型的 SIgA 不同地调节肠道微生物群的理解。关于 IgA-微生物群相互作用的知识可能会为有效调节微生物群的新型基于 IgA 的疗法打开一扇大门。

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探索有趣的微观世界:微生物的种类、生存、应用

谷禾健康

大千世界多样的微生物,在各自的世界,在自己的方寸空间中生长,跨物种间便有了庞大和渺小。

我们总是善于去观察自己能看到的那些,而忽略肉眼看不到的。微生物存在于任何物理条件允许的地方。湖水在肉眼看来是透明的,但一升水可以容纳十亿个细菌,一克土壤也可以包含超过十亿个细菌。微观世界是一个无穷无尽的迷人之地,里面物种繁多,形态各异

在地球存在的 46 亿年中,微生物已经在这里生活了至少 37 亿年。在植物和动物出现之前,微生物已经存在超过 30 亿年的时间,可以说它们帮助创造了生物圈,并支持地球上的生命过程。因此,微生物的多样性(从遗传、代谢和生理方面),远大于在植物和动物中发现的多样性也就不足为奇了。

那么,它们是如何生存的?

它们如何创造了这个世界?

它们给我们的生活带来怎样的便利?

……

近年来,微生物生态学出现了爆炸性发展,特别是在分子水平上。本文带大家更好地去认识和了解这个迷人的微生物世界,也能使我们更好地理解微生物在极端环境下的生存状态,帮助我们更好地与它们共存,将它们应用到生活中,并为我们的健康带来益处

01
极端环境下的微生物

极端环境是指比人类或其他生物体发育的最佳范围环境条件更恶劣的栖息地。

极端环境的特点是各种不利条件,包括高温或低温、高压或低压以及酸性或碱性pH值。

对于一个被认为是极端的区域,必须认为环境的某些条件或方面非常难以让不同的生命形式生存

一些极端环境的例子包括极地、沙漠、火山区、深海海沟、外太空,以及太阳系中除地球以外的所有其他行星。

一些常见的极端环境包括碱性、酸性、极热或极冷、高盐浓度、没有水或氧气的区域。

不同的极端环境

▸ 极端温度

极端温度可以描述两种极端环境:极冷和极热。

极冷环境是环境温度低于5°C的环境。这些可以在深海,高山峰顶或极地地区找到。

极热环境的特点是环境温度高于45°C。这些环境受到地热活动的影响,如大陆火山区或深海喷口的间歇泉和喷气孔。

▸ 极端pH值

极端环境也可根据其pH值分为酸性或碱性。

极端酸性环境是pH 值低于5的自然栖息地;而极端碱性环境是指pH值高于9的环境。

▸ 高盐环境

高盐环境是离子浓度高于海水(大于3.5%)的环境。

▸ 极端压力

极端压力环境是指处于极端水压力岩石压力下的环境,例如2000米或以上深度的水生栖息地或地下深处的生态系统。

什么是极端微生物?

Microbe Notes

极端微生物:是由于不同的生理分子适应能力,能够在极端环境中生存繁衍的生命体。

注:这些生物在极端生态位、冰和盐溶液以及酸性和碱性条件下茁壮成长。有些可能生长在有毒废物、有机溶剂、重金属或其他几个被认为不适合生命生存的栖息地。

极端微生物可分为两类:需要一种或多种极端条件才能生存极端微生物;以及即使它们在中性条件下最佳生长,也能耐受一种或多种物理参数的极端条件的极端耐受生物

极端微生物包括所有三个生命领域的成员;细菌、古细菌和真核生物。大多数极端微生物是原核生物,属于古生菌的比例很高,但一些生物可能是真核生物,例如原生生物(例如藻类、真菌和原生动物)和多细胞生物。

根据它们生长的条件进行分类:嗜热菌和超嗜热菌(分别在高温或非常高温下生长的生物)、嗜冷菌(在低温下生长的生物)、嗜酸菌和嗜碱菌(在酸性或碱性环境中生长的生物)、嗜压菌(在压力下生长最好的生物)和嗜盐菌(在高盐环境中生长良好的生物)。

极端温度下的微生物

▸ 嗜冷菌

嗜冷菌,字面意思是喜冷,是适应低温生长的生物。嗜冷菌成功地克服了低温生长过程中出现的两个主要挑战:首先,低温,因为温度的任何降低都会以指数方式影响生化反应的速率;其次,水环境的粘度

超过80%的地球生物圈永久低于5°C,适合嗜冷菌的环境非常普遍,其中包括海水、永久冻土、冰川、南极岩石、雪原和极地冰盖。嗜冷微生物已成功地在从深海山区极地地区的所有永久寒冷环境中定殖。

原核嗜冷菌对氧气的耐受性各不相同,包括(严格)好氧、(严格)厌氧和兼性厌氧。

除了极端寒冷,许多嗜冷菌还能忍受或在某些情况下需要其他极端环境条件才能生长和生存。例如,深海嗜冷菌可能需要高压才能生长,从而使它们成为嗜压嗜冷菌

✦利于嗜冷菌生存的结构

蛋白质和酶适宜低温生存

嗜冷菌产生在低温下发挥最佳功能的蛋白质和酶。

已经观察到,平均而言,冷活性酶具有更多量的α-螺旋和较少量的β-折叠二级结构。因为这些β-折叠倾向于形成更刚性的结构,冷活性酶的α-螺旋含量使蛋白质在低温下具有更大灵活性

用于增加蛋白质灵活性的另一种机制是通过减少形成多个氢键和盐桥, 降低构象灵活性的精氨酸和脯氨酸含量的产生。

嗜冷菌还产生抗冻蛋白,这些蛋白能够通过一个大的互补表面与冰晶结合,从而产生热滞后并降低生物体可以生长的温度。

膜的流动性好

嗜冷菌的细胞质膜含有较高量的不饱和脂肪酸,有于维持细胞膜的半流体状态。

已经提出的增加膜流动性的进一步适应包括增加大脂质头基、蛋白质和非极性类胡萝卜素色素的含量。

一些嗜冷菌的脂质还含有多不饱和脂肪酸,以及具有多个双键的长链碳氢化合物,增加了脂质膜的流动性

✦嗜冷菌的应用:食品、洗衣去污

在嗜冷菌中,脂酶蛋白酶具有相当大的应用潜力。酯酶可应用于许多方面,如作为食品的风味改变酶、去污添剂添加物等;蛋白酶也可被大量应用于食品工业、洗衣业以及对X光胶片上银的回收等。

★常见的嗜冷菌

嗜冷菌种最常见的品种有耶氏菌、李斯特菌和假单胞菌(pseudomonas)。

▸ 嗜热菌

嗜热菌是在高于维持大多数生命形式的温度下生长的生物。通常,嗜热菌在高于45°C的温度下表现出最大的生长速率

高温环境包括陆地和海底环境。世界各地不同的高温栖息地都适合嗜热菌的生长。嗜热菌通常存在于热喷口、温泉和沸腾的蒸汽喷口等区域。

嗜热菌进一步分为不同的组:兼性嗜热菌和专性嗜热菌。兼性嗜热菌可以在高温中等温度下茁壮成长,而专性嗜热菌需要高温才能生长。

✦利于嗜热菌生存的结构

与嗜冷菌一样,嗜热菌也具有不同的生理分子适应能力,使生物体能够在较高的温度下生存。

酶和蛋白质更稳定

这些生物体中的和其他蛋白质比中温微生物中的酶和其他蛋白质对热更稳定。酶中一个或几个位置的关键氨基酸取代允许它们以符合热稳定性的方式折叠

此外,某些溶质如磷酸二肌醇和甘油单酯会大量产生有助于稳定蛋白质免受热降解。

膜稳定性更强

除了酶和细胞的其他成分外,嗜热菌的细胞质膜还需要稳定。嗜热菌通常具有富含饱和脂肪酸的脂质,因此允许膜在高温下保持稳定功能

饱和脂肪酸比不饱和脂肪酸形成更强的疏水环境,这也增加了膜的稳定性。

✦嗜热菌的作用:降解有机物、生产酶制剂、用于基因研究

嗜热菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高温环境中,有助于一些有机物的降解。利用嗜热菌对废水废料进行厌氧处理,可提高反应速度,消灭污水污物中的病原微生物。


嗜热菌可用于生产多种酶制剂,例如纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等,由这些微生物中产生的酶制剂热稳定性好、催化反应速率高,易于在室温下保存。


此外,嗜热菌研究中最引人注目的成果之一就是将水生栖热菌中耐热的Taq DNA聚合酶用于基因的研究和遗传工程的研究以及基因技术的广泛应用中。

★常见的嗜热菌

嗜热菌的一些常见例子包括Methanosarcina thermophilaMethanobacterium wolfei、Methanobacterium thermoautotrophicum、Archaeglobus profundus、Alicyclobacillus acidoterrestris、A. acidocaidarius等。

▸ 超嗜热菌

超嗜热菌是可以在极高温度(80°C以上)下生存和生长的生物。一般超嗜热菌的最适生长温度为80°C,但它们可以在高于100°C的温度下生存。

大多数超嗜热菌能够承受其他极端条件,如更高的pH值更高的压力

注:大多数超嗜热生物存在于温泉和沸腾的蒸汽喷口中,即使是中等嗜热生物也无法生存或繁衍。

超嗜热菌大多属于古细菌组,极少数物种是细菌物种。

✦利于超嗜热菌生存的结构

蛋白质和酶的热稳定性

超嗜热古菌在其嗜热适应过程中使用基于结构的物理机制来增加其蛋白质的热稳定性

由于结构中盐桥(在氨基酸残基之间桥接电荷的阳离子)数量的增加提高了超嗜热菌中蛋白质和酶的稳定性

此外,各种氨基酸的正电荷和负电荷之间的离子键数量的增加也使蛋白质稳定。增加的离子键在蛋白质内部形成了密集的高度疏水性内部,从而阻止了蛋白质在高温下的展开。

醚键使膜更加稳定

大多数嗜热古细菌的膜中没有任何脂肪酸。相反,它们具有带有分支烃链的脂质。这些链由五碳化合物异戊二烯的重复单元组成,通过醚键相互结合。

醚键是更稳定的键,这反过来又稳定了膜以防止热断裂,而支化降低了膜的流动性。膜的整体结构形成了比中温生物的脂质双层更耐热脂质单层

★常见的超嗜热菌

超嗜热生物的一些常见例子是Thermoproteus uzoniensis、Staphylothermus marinus、Pyrodictium abyssi、Pyrococcus furiosus、Hypothermus butylicus、Pryococcus woesei、Pyrodictium brockii、Pyrodictium occultum等。

极端pH环境的微生物

▸ 嗜酸菌

嗜酸菌是可以在高酸性条件下(通常在pH2.0)下生存和繁衍的生物。

嗜酸微生物在极低pH值的自然和人造环境中茁壮成长,例如酸性湖泊、酸性硫酸盐土壤、硫化风化层和矿石,以及受金属和煤矿影响的环境。

天然酸性环境:包括火山区、热液源、深海通风口、金属矿区和动物的胃。

研究最广泛的嗜酸菌是氧化还原铁和硫的原核生物。它们可以催化黄铁矿等金属硫化物矿物的氧化溶解,从而严重酸化它们赖以生存的环境(通常pH值低于3)。

✦嗜酸菌的种类

嗜酸生物属于三个领域;古生菌、细菌和真细菌,但古生菌代表了最大的嗜酸生物群。

在生理上,嗜酸菌非常多样化:有需氧菌和兼性厌氧菌、化能自养菌以及不同类型的异养原核生物、光合自养真核生物、捕食性原生动物等。

✦利于嗜酸菌生存的结构

细胞膜的不渗透性

有助于维持嗜酸菌细胞内pH值的适应性之一是细胞膜的不渗透性,它限制了质子流入细胞质。

在嗜酸古细菌中,细胞膜中四醚脂质的存在与对酸性pH值的耐受性之间存在很强的关联

已经提出减小膜通道的孔径作为维持pH稳态防止质子进入细胞的另一种机制。另一个是加入了超长链二羧酸脂肪酸,占膜脂肪酸的50%以上。这些专门的机制防止质子进入细胞和膜的酸水解。

细胞质可以缓冲并维持pH稳态

嗜酸菌通过不同机制从细胞质中去除多余的质子来维持pH稳态

对于酸热芽孢杆菌(Bacillus acidocaldarius)和嗜酸芽孢杆菌(T. acidophilum)等细菌而言,它们能够主动将质子泵出细胞质以维持pH稳态,这一过程与呼吸链有关。

众多质子驱动的二级转运蛋白也可以适应在低pH环境下生存。嗜酸菌细胞质的缓冲能力也是嗜酸菌生理适应的重要手段。这些细胞含有缓冲分子,这些分子含有赖氨酸、组氨酸和精氨酸等碱性氨基酸,这些分子有助于去除质子。

有机酸的降解

通过质子化形式扩散到细胞中,有机酸(如乙酸或乳酸)在低pH值下充当呼吸链的解偶联剂。这些有机酸的降解可能会被异养嗜酸菌用来防止它们的有害影响。

✦嗜酸菌的作用:保持肠道菌群平衡、促进发酵、促吸收、生物湿法冶金

在医学方面,嗜酸菌,是有益的肠内菌之一。可以保持肠道菌群平衡,有效抑制肠道内不良微生物的增生,减少腹泻等问题的出现。

多种嗜酸菌组合在一起还能促进发酵,使身体产生乳酸、醋酸等多种物质。钙元素、磷元素利用率吸收率,维持身体健康。

工业方面,可以利用嗜酸菌将贫矿和尾矿中金属溶出并回收,这种方法称为生物湿法冶金。

★常见的嗜酸菌

嗜酸生物包括乳酸杆菌、硫叶硫杆菌、酸热芽孢杆菌、嗜酸嗜热原体、嗜酸铁原体、嗜酸铁原体、嗜酸硫杆菌、钩端螺旋体、酸杆菌属、硫杆菌等。

▸ 嗜碱菌

嗜碱菌是一组能在pH值极高(9-13)的环境中生存和繁衍的极端微生物,一般最适pH值为10。

嗜碱菌有两种类型;专性嗜碱菌仅在pH高于9的环境中生长,兼性嗜碱菌可在中性pH和碱性条件下生存。

迄今为止,大多数被描述为在碱性条件下生长的生物都是原核生物,包括真细菌的异质集合和一些古细菌的例子。

✦利于嗜碱菌生存的结构

产生酸来促进pH稳态

嗜碱菌通过糖发酵和氨基酸脱氨酶产生代谢酸。酸的产生主要通过增加细胞质氢离子浓度来促进pH稳态。此外,酸的产生,除了防止细胞质碱化外,还可以增加细胞附近氢离子的可用性。

细胞膜减少氢离子的损失

嗜碱菌的细胞膜由次生细胞壁聚合物组成,这些聚合物富含带负电荷的残基,例如天冬氨酸、半乳糖醛酸、谷氨酸和磷酸。

嗜碱菌的细胞膜由约90%的支链脂肪酸组成,这些脂肪酸通过减少氢离子泄漏来帮助实现pH稳态

高度带负电荷的细胞壁结构与阳离子如氢离子相互作用,可以延缓细胞表面氢离子的快速损失,增强嗜碱菌的生物能。

修复损伤提高耐受

嗜碱菌还采用不同的损伤修复系统来维持功能性生物分子的必要水平,修复细胞质碱化造成的损伤。

伴侣蛋白水平的增加和蛋白质损伤修复酶的释放是一些经过充分研究的机制。已知伴侣参与重折叠由压力展开的蛋白质,从而提高耐受水平

✦嗜碱菌的应用:生产酶制剂、处理人造纤维废物、洗涤剂添加剂、保健品添加剂

嗜碱菌在发酵工业中,可作为许多种酶制剂的生产菌。例如嗜碱芽孢杆菌产生的弹性蛋白酶适宜作用弹性蛋白,而且在高pH条件下裂解该种蛋白质的活性可以大大提高

由嗜碱细菌产生的蛋白酶具有碱性条件下催化活力高、热稳定性强之优点,常作为洗涤剂的添加剂。

由嗜碱芽孢杆菌产生的木聚糖酶能够水解木聚糖产生木糖和寡聚糖,因此可用来处理人造纤维废物,而碱性β甘露聚糖酶降解甘露聚糖产生的寡糖可作为保健品添加剂

★常见的嗜碱菌

嗜碱菌的一些例子包括嗜碱芽孢杆菌(Bacillus alkaliphilus, Bacillus pasteurri, Bacillus halodurans, Halobacterium, Clostridium paradoxum, Halomonas pantelleriensis, Alkaliphilus hydrothermalis

极端盐浓度下的微生物

▸ 嗜盐菌

嗜盐菌是一组嗜盐菌,它们的生存和生长需要高盐浓度。嗜盐微生物构成高盐生态系统的天然微生物群落,广泛分布于世界各地。范围从高盐土壤、泉水、盐湖到海洋沉积物。

嗜盐微生物的一般特征是营养需求低,耐高浓度盐,具有平衡环境渗透压的能力。嗜盐菌有两种类型;要求盐浓度为3%或更高的专性嗜盐菌,以及在平均盐浓度和更高浓度下都能存活的耐盐菌

它们在生理上是多样的;主要是需氧的,以及厌氧的、异养的、光养的和化学自养的。

这些生物存在于三个领域,即古生菌、细菌和真核生物。嗜盐细菌在特定的系统发育亚群中更为丰富,其中大部分属于变形杆菌科的盐单胞菌。

✦利于嗜盐菌生存的策略

为了避免在高盐条件下过度失水,嗜盐菌采用两种不同的策略来增加其细胞质与外部环境的渗透活性,要么产生相容的有机溶质,要么在其细胞质中积累大量盐浓度以达到平衡状态。细胞内的总盐浓度与环境的盐浓度相关。

高盐策略平衡盐浓度

高盐策略是另一种适应技术,可保护嗜盐菌免受盐环境的影响,在盐环境中,嗜盐菌在细胞内积累无机离子,以平衡其环境中的盐浓度。

这一过程涉及氯离子泵,仅在嗜盐菌中发现,将氯离子从环境输送到细胞质中。精氨酸和赖氨酸位于通道的两端,以促进氯离子的吸收释放

极端嗜盐菌通过在细胞内浓缩钾离子来维持其渗透平衡。这是通过膜结合质子泵细菌视紫红质、ATP合酶和钠离子逆向转运体的联合作用实现的,其产生了驱动细胞吸收钾离子的电位。

有机盐策略增加耐受性

高盐策略可能不适合在盐度波动的栖息地繁衍生息的中度嗜盐菌的生存。

有机盐策略包括在嗜盐生物中演化出惰性、相容的有机溶质(渗透物)。这些渗透物保护微生物蛋白质在低盐浓度的水中不变性,同时增强它们对外部盐水环境剧烈波动的耐受性

酶在高盐环境下更能保持活性

高盐环境显著影响蛋白质的溶解度稳定性,从而影响其功能。

嗜盐菌的蛋白质和酶在其表面上具有较大比例的谷氨酸和天冬氨酸,这导致大量的蛋白质电荷和增加疏水性。

这两种机制对嗜盐酶的适应起作用。由于它们的多极端特性,嗜盐酶比它们的非嗜盐酶更稳定。这些酶在高盐环境、耐热和嗜碱环境中保持活性

✦嗜盐菌的应用:提高原盐产量,处理废水

嗜盐菌能使提高盐田中的原盐产量;还能处理含盐的有机工业废水;嗜盐菌上的菌紫质蛋白是未来光生物材料。

同时嗜盐生物正被开发为胡萝卜素、相容溶质、甘油和药用表面活性剂的潜在来源。

★嗜盐菌的例子

嗜盐菌对盐的需求分为三组;低 (1-3%盐浓度)、中等 (3-15%盐浓度) 和极端 (15-30%盐浓度)。

轻度嗜盐:Erwinia, Bacillus hunanensis, Halomonas zhaodongensis, Alkalibacterium thalassium

中度嗜盐:Erwinia, Bacillus hunanensis, Halomonas zhaodongensis, Alkalibacterium thalassium

重度嗜盐:Halococcus salifodinae, Halobacterium salinarum, Limimonas halophilia, Lentibacillus kimchii, Sporohalobacter salinus

极端压力下的微生物

▸ 嗜压菌

嗜压菌被定义为在高于大气压的压力下以最佳方式生长和繁殖的生物。

大多数嗜压生物倾向于嗜冷,因此不能在高于 20°C 的温度下培养。嗜压细菌已从世界各地的各种深海环境中分离出来,并在低温高压迅速生长

高压会影响微生物的生存,从而影响细胞的膜结构功能。深海环境中的高压和低温会降低脂质的流动性,甚至会抑制生物膜的功能。

✦利于嗜压菌生存的结构

膜流动性较低

高压可能会导致形成凝胶状膜,从而降低养分的吸收和加工。

嗜压菌在脂质中产生更高水平的不饱和脂肪酸,并且脂肪酸不饱和程度的增加可以在高压、低温或两者兼有的条件下将膜保持在功能性液晶状态。

降低的流动性使膜具有确定的结构,从而支持细胞的正常功能。

蛋白质灵活性较高

适用于嗜压菌的高压条件会导致抑制其功能的蛋白质的构象变化。为了防止这种变化,嗜压蛋白通常具有较低浓度的脯氨酸残基和较高浓度的甘氨酸残基。

脯氨酸残基具有破坏α-螺旋的环状侧链,而甘氨酸残基具有具有高构象灵活性的小侧链。增加的灵活性可防止α螺旋的破坏并保护此类蛋白质的功能。

✦嗜压菌的作用:生产高压生物反应器

嗜压菌及其嗜压酶可用于生产高压生物反应器,以及食品加工中的高压灭菌

嗜压菌在揭示海洋环境变迁和元素的地球化学循环中也起重要作用。

★常见的嗜压菌

嗜压微生物的一些常见例子是Shewanellabenthica、Moritella yayanosii、Shewanella violacea、Photobacterium profundum、Moritella japonica、Sporosarcina spp

极端辐射中的微生物

▸ 嗜放射菌

嗜放射性菌是一组能够在极端形式的辐射(如电离辐射、伽马射线和紫外线辐射)中幸存下来的极端微生物。

对放射性物质的研究非常有限,因为它们要与其他行星的外太空等极端环境隔离开来。

这些生物的多样性很低,所有生物都属于古细菌和细菌家族。放射性物质可以是耐辐射的或抗辐射的。耐辐射微生物可以耐受有害辐射一段时间,而抗辐射微生物可以耐受更长的时间。

辐射对中性粒细胞有害,因为它们会因电离而破坏各种重要的生物分子,如DNA、蛋白质和酶。

反过来,非电离辐射会导致形成像超氧化物这样的活性氧物质,然后影响这些细胞的新陈代谢

✦嗜放射菌的适应方式

对于电离辐射和非电离辐射,嗜放射微生物使用的自适应机制可能不同

// 电离辐射

电离辐射主要负责生物体基因组中的双链断裂。然而,它也被证明会损害蛋白质和脂质并诱导持续的氧化应激

因此,电离辐射抗性生物已经开发出所有或不同策略的组合,如新的和适应性DNA修复机制、抗氧化和酶防御系统以及浓缩的类核。

基因组的快速和准确修复对于幸存的电离辐射剂量是必不可少的,这是通过使用核苷酸切除修复途径在放射性物质中完成的。

其他形式的氧化应激预防和耐受机制包括通过消除氧化大分子来清洁细胞,选择性保护蛋白质免受氧化损伤,以及抑制活性氧的产生。

浓缩的类核也被证明可以提高DNA修复的效率准确性,并限制辐射产生的DNA片段的扩散。

// 非电离辐射

与伽马辐射不同,紫外线辐射通过形成环丁烯嘧啶二聚体以更微妙的方式损害DNA

为了修复这些DNA损伤,生物体使用光活化基因、核苷酸切除修复、碱基切除修复和同源重组的组合。

这些生物还开发了一套光保护装置,以保护自己免受持续暴露于紫外线辐射。类胡萝卜素、超氧化物歧化酶和氢过氧化物等产品以及通过多倍体进行的基因复制过程可作为光保护装置。

双嘧啶序列数量减少的生物体的基因组组成也提供了对暴露的保护

✦嗜放射微生物的作用:环境修复

抗辐射微生物是十分重要的生物资源,可以直接作为环境修复特别是核废料的处理工具。

抗辐射微生物中含有丰富的基因资源,具有应用于作物抗干旱研究的潜在价值。

治疗肿瘤提供了新药物和新方法。

★ 常见的嗜放射菌

嗜放射菌主要有Deinococcus radiodurans, Brevundimonas, Rhodococcus, Halomonas, Herbaspirillum, Hymenobacter, Rhodobacter

02
微观世界的其他生物

藻类是光合生物,主要存在于淡水或海洋资源中。大多数藻类都含有色素,可帮助生物体生产食物氧气

Onview.net Ltd

藻类的结构与植物和动物等其他生物有很大不同。一些藻类是微观的,而一些大型的却有200英尺长。

绿藻门

绿藻,含叶绿素a叶绿素b,具有与高等植物相同的色素贮藏物质,因此通常把它们认为是陆地植物的祖先。

绿藻门不同于其他真核藻类,它的储存物质在叶绿体而非细胞质中合成,通常在蛋白核的参与下合成淀粉。叶绿体周围没有叶绿体内质网。

✦显微镜下的结构

在显微镜下,绿藻被视为封闭在以链状排列的隔室中的绿色结构。在每个这样的隔间内,观察到一个大液泡,还可以看到两层细胞壁

藻类的形状大小因属而异。一些藻类是能动的,而一些是不能动的。

✦可用作饲料或生化材料,还具有净化作用

小球藻和珊藻富含蛋白质可供人食用和作动物饲料

绿藻是藻类生理生化研究的材料及宇宙航行的供氧体,有的可制藻胶。绿藻在水体自净中起净化指示生物的作用。

黄藻门

✦结构

这组藻类几乎没有链状结构的物种,而是呈鼓形变形虫梨形结构

有些物种有毛发状的附属物或鞭毛,有时比生物本体还要长。

一些藻类的形状大小可能会在其一生中发生变化,具体取决于生命阶段栖息地。

✦影响水中氧气,造成水体污染

黄藻是一种水生浮游植物,发生的适宜气象条件为气温高降水少日照长,它的主要组成物是双星藻、转板藻和水棉三个属的藻类。

这种黄色藻类生长旺盛,大量消耗水内氧气,对鱼类和其他水生植物生长造成影响。黄藻使得鸟赖以生存的食物被覆盖和污染,对在此栖息生存的水禽构成严重危害,也造成水体严重污染,渔业资源遭到破坏

隐藻门

✦结构

隐藻门是一大类的藻类,大都具有色素体,淡水中常见。细胞大小约为10-50μm,形状扁平,有两个稍微不等长的鞭毛

该组中的藻类呈逗号形,带有红色或类似的色素。有些种类的细胞膜上可能有凹槽,而另一些则没有。色素通常位于侧面,而细胞核位于液泡附近的中心。

✦能将藻胆素带给宿主

一个特征是能寄生于红藻中,形成一种内共生关系,并把藻胆素带给宿主。

同时隐藻在海洋浮游生物群落中占有一定地位。隐藻喜生于有机物和氮丰富的水体,是我国传统高产肥水鱼池中极为常见的鞭毛藻类。有隐藻的鱼池,白鲢生长好,快,产量高,隐藻是水肥、水活、好水的标志。

红藻门

红藻门是藻类植物的一门。该科多数是多细胞的,少数是单细胞的,该门只有红藻纲一纲,约有760属,4410余种。

红藻纲又分两个亚纲:紫菜亚纲和真红藻纲。该门绝大多数海产,少数生于淡水;分布于世界各地,包括极地。

✦结构

红藻是丝状的,其中身体的特征是具有钙质沉积物的菌体,从而形成固体结构。有机体的颜色范围从粉红色到紫色、红色、黄色、绿色,甚至是白色。

有些物种是光合作用的,因此绿色色素沉积在细胞壁内部

✦重要经济价值

红藻门的经济价值很高。在红藻类中,紫菜是一种食用藻类,它含有丰富的蛋白质,不仅营养丰富,而且味道鲜美。此外石花菜、海萝等均可食用。

鹧鸪菜和海人草是常用的小儿驱虫药。从石花菜属、江篱属、麒麟菜属植物中提取的琼胶,被应用在医药工业纺织工业上,并广泛作为培养基。

甲藻

✦结构

由于存在金棕色质体,这些单细胞生物呈现金棕色。它们有凹陷的细胞膜,并展现出游动的能力。

甲藻的细胞核相当大,有可见的染色体。并且有两个从细胞膜突出的不同鞭毛

注:有些甲藻是肉眼可见的,即使没有任何显微镜也能看到。

✦富集会污染水体

甲藻是具有双鞭毛的单细胞集合群植物,形状不定,常分布于淡水海水中。

有些甲藻的活动是有害的,它们的生存会带有一些特殊的气味。有的则会形成“赤潮”和“藻花”,使局部海水呈现红色、黄色或棕色。

赤潮:水体中某些微小的浮游植物、原生动物或细菌,在一定的环境条件下突发性增殖聚集,引起一定范围内一段时间中水体变色现象。

藻花:又称“水花”,是淡水水体中某些蓝藻类过度生长所产生的现象。

眼虫(裸藻)

眼虫是眼虫属生物的统称,在植物学中称裸藻,也称绿虫藻,是一类介于动物和植物之间的单细胞真核生物。

✦结构

在显微镜下,它们有一个大而细长的绿色结构。形状可能会从一种物种变为另一种。在它们的细胞质中有两到四个带有叶绿体沉积物鞭毛

在眼虫中,可以看到外围有一个橙色的斑点,称为有机体的眼斑

✦环境污染的生物指标

研究眼虫不仅对遗传变异理论的探讨有意义,而且对了解有色、无色鞭毛虫类动物间的亲缘关系,对了解动、植物的亲缘关系都有重要意义。

眼虫也有被作为有机物污染环境的生物指标,用以确定有机污染的程度,另外眼虫对净化水的放射性物质也有作用。

病毒

NIAID (Flickr)

病毒可以被认为是强制性寄生的一种粒子,因为它们不会在活生物体外生长或存活。

✦病毒体型十分微小

病毒的大小范围从直径20nm200-450nm。与细菌相比,病毒很小。

因此病毒无法用复合显微镜观察,需要使用荧光显微镜或透射电子显微镜等高倍显微镜。

荧光显微镜下的病毒

在荧光显微镜下,病毒呈现出所用荧光颗粒的颜色。

但是依然很难区分病毒的结构,但这种技术对于病毒的定量估计很有用。

荧光染料对某些蛋白质具有特异性,从而使它们能够检测所需的颗粒。

透射电子显微镜下的病毒

透射电子显微镜更适合观察病毒,它们可提供高达1000倍的粒子放大倍率。

通过这种显微镜,可以观察生物细胞内的病毒。与荧光显微镜一样,该技术还利用病毒中蛋白质的特异性染料,从而使病毒可视化

在观察病毒的结构时,它可能是二十面体螺旋形。每种病毒的形状和结构各不相同,但成分相似

所有病毒都有遗传物质,可以是包裹在蛋白质外壳内的DNA或RNA。

在噬菌体病毒的情况下,尾部和尾部纤维也是可见的,并且被发现附着在细菌细胞表面

结语

通过本文的介绍,相信大家对微观世界有了一定的认识和了解。但是微生物世界远比我们现在所了解的庞大的多。

科学家还在不断地对微生物世界进行探索,识别微生物的种类并了解其结构作用,有助于构建更好的生存环境,创造更健康的身体。对其研究探索的过程,为农业、医学、工业、生物修复等提供了新的机遇,将对社会产生深远的积极影响。

探索肠道细菌的营养偏好

谷禾健康

随着一日三餐米面肉蛋菜等一些列食物的食用,数百种化学成分我们的消化道。在那里,它们被肠道微生物组进一步代谢,这是数千种微生物物种的独特集合。

因此,肠道微生物组在决定营养如何影响健康方面发挥着重要作用。然而到目前为止,微生物组中的许多微生物的代谢能力仍然是未知的。这意味着我们不知道它们以什么物质为食,以及它们是如何处理这些物质的

近期,来自普林斯顿大学的研究人员在《CELL》期刊上发表了最新的文章:

“Gut bacterial nutrient preferences quantified in vivo”,研究人员使用同位素追踪定量研究了小鼠肠道微生物群的输入和输出。

微生物碳水化合物发酵的主要输入是膳食纤维,支链脂肪酸和芳香代谢物的主要输入为膳食蛋白质。此外,循环宿主乳酸、3-羟基丁酸尿素(但不是葡萄糖或氨基酸)为肠道微生物群提供食物

肠道菌群拥有巨大的酶多样性,超过哺乳动物基因组的数量100多倍。这些酶的能力能使摄入的膳食营养物质加工成一些列微生物代谢物

为了复制自身和释放代谢产物,肠道细菌需要营养输入。这些形式包括摄入的食物、宿主合成的肠道粘液和宿主循环代谢物

//

在本文中,研究人员通过对肠道菌群及其进入宿主循环系统的代谢物进行了大规模的定量评估

研究了膳食淀粉、纤维和蛋白质的贡献以及宿主粘液的贡献,也研究了大多数主要的循环宿主营养素,发现乳酸、3-羟基丁酸和尿素在从宿主传递到肠道微生物群中表现突出。基于对细菌特异性肽序列的测量,评估了不同细菌属的营养偏好,并表明这些偏好与响应改变饮食的微生物组分变化一致

方 法

同位素追踪能够定量测量代谢物生物量的输入。与质谱检测相结合的稳定同位素示踪剂,使得能够测量特定下游产物的标记。通过注入氮标记的苏氨酸来标记宿主粘液,研究人员能够比较饮食粘液蛋白对肠道微生物群的贡献,并观察到喂食低蛋白饮食的小鼠中粘液贡献的变化。

样本采集

从小鼠尾部静脉抽取血样

使用注射器从小鼠膀胱采集尿液

所有血清样品在没有抗凝剂的情况下置于冰上 15 分钟,并在 4°C 下以 16,000 x g 离心 15 分钟。

预冷的Wollenberger钳在液氮中快速分离并快速冷冻(< 5秒)获得组织;夹紧前取出肠内容物;盲肠内容物取样时,先将小鼠盲肠取出并在表面切开,然后用镊子将盲肠内容物挤出。

取新鲜粪便,轻揉小鼠腹部诱导排便。将血清、组织和粪便样本保存在 -80 ºC 直至进一步分析。

代谢物和蛋白质的测量方法

为了测定血清和组织样本中的代谢物浓度,进行了同位素标配(isotope spike-in)或标准标配(standard spike-in )。

对于前者将已知浓度的同位素标记标准品加入血清或组织提取液中,通过标记与未标记代谢物的比值计算浓度

当没有同位素标准品时,加入连续稀释的非标记标准品,测量的总离子计数与加入的标准品浓度之间产生线性拟合。然后通过拟合线的x截距确定内源代谢物的浓度;蛋白质氨基酸组成采用酸水解法测定。

首先,使用13C同位素标记的不同营养物质,通过口服管饲法对小鼠进行灌胃采集小鼠的血清、组织和粪便样本。对粪便和肠内容物进行16S rRNA测序获得细菌分类。

量化13C或15N标记营养物质对细菌特异性肽的贡献程度

首先使用代谢组学方法测定盲肠内容物中游离氨基酸13C-或15N标记。

然后,对于每个肽,模拟了未标记(Iunlabeled)和由游离盲肠氨基酸(Ifree)合成的肽的同位素包膜模式。标量γ可以通过将测量的肽同位素分布(Imeasured)与Iunlabeled和Ifree的线性组合拟合来确定。

注意,当一个菌属使用的特定营养素超过该营养素对盲肠游离氨基酸的贡献时,γ将大于1。

具体来说,测量的每个肽的γ如下:

对于细菌属水平的原料贡献程度的测量,分析中只保留测量超过3个肽的属,多肽的中位数为γ-genus。

对于细菌科水平,仅分析在蛋白质组学中始终检测到的属,以及在 16S rRNA 基因扩增子测序中检测到 (> 0.5%) 的属的上一级科。

每种营养物质对菌属的贡献程度的定量公式如下:

LAA_avg-nutrient为各营养物质对细菌蛋白质的贡献程度,其计算公式如下:

主 要 结 果

微生物组消耗较少的可消化膳食成分

微生物群影响宿主生理学的主要机制是通过分泌代谢产物。研究人员在门静脉体循环以及盲肠内容物中测量了微生物衍生的50多种代谢产物的绝对浓度。

微生物群相关代谢物的绝对浓度和来源

上表可以看到,与全身血液相比,大多数在门静脉循环中升高,除两种(肌苷和N-乙酰色氨酸主要来源于宿主)外,其余均被抗生素治疗耗尽。

门静脉血中主要排泄产物是短链脂肪酸

其他相对丰富的微生物群产物是芳香族氨基酸发酵产物(苯酚、吲哚硫酸盐和3-苯丙酸盐)和链脂肪酸(戊酸盐、异戊酸盐,4-甲基戊酸、异丁酸盐和2-甲基丁酸盐)。

探索肠道微生物产物的膳食输入:淀粉、菊粉

研究人员通过口服管饲法、淀粉(易消化葡萄糖聚合物)和菊粉(易消化果糖聚合物,即可溶性纤维)喂养小鼠:

13C淀粉灌胃后,标记的葡萄糖、乳酸和丙氨酸迅速出现在门脉循环中,并占大多数淀粉碳(约75%)。

13C菊粉和13C淀粉有什么不同?

13C菊粉灌胃后,没有观察到大量标记的果糖、葡萄糖、乳酸和丙氨酸,取而代之的是标记的门静脉代谢产物以短链脂肪酸的形式缓慢出现,约40%的菊粉碳成为短链脂肪酸,其余未消化并随粪便排出。

膳食菊粉,而不是淀粉,在盲肠内容物中广泛标记糖酵解TCA中间体氨基酸

藻类蛋白大量标记了微生物群衍生的门静脉代谢物:短链脂肪酸、支链脂肪酸和芳烃(吲哚、吲哚-3-丙酸盐和3-苯丙酸盐)。

“难以消化的碳水化合物和蛋白质直接为微生物组提供营养,并通过微生物产物间接为宿主提供营养。”

只有少量的宿主循环系统中的营养物质能被肠道细菌利用

研究中发现宿主循环系统中的乳酸,3-羟基丁酸以及尿素能为肠道细菌提供营养。

如图A,将同位素标记的营养物质通过静脉输注到小鼠的全身血液循环中。 2.5 小时后收集血清粪便以量化每种营养物质对相应菌群代谢物的碳贡献。

图BCD表示了13C标记的各种营养物质在小鼠的血液和粪便中的含量,可见乳酸和 3-羟基丁酸有进入肠道菌群中,而其余大部分营养物质如柠檬酸盐、葡萄糖、氨基酸等都没有进入到肠道菌群中。

图F为15N标记的营养物质,可见尿素也同样被菌群大量利用

微生物群从纤维和尿素合成氨基酸

为了定量确定微生物代谢物的来源,研究人员给小鼠喂食部分纤维、脂肪或蛋白质13C标记的标准食物,盲肠标记在12小时内达到稳定状态。

为了说明循环营养输入,研究人员还注入了13C乳酸或3-羟基丁酸。

这些研究确定了大多数微生物群中心代谢物中的碳供给

  • 糖酵解和磷酸戊糖代谢物标记几乎完全来自膳食纤维(菊粉);
  • 丙酮酸和三氯乙酸代谢物也标记来自膳食蛋白和循环乳酸。

接下来,研究人员检查了微生物组游离氨基酸的输入,并用15N标记的膳食蛋白和注入的尿素进行追踪。

与哺乳动物不同,大多数肠道细菌具有合成所有20种蛋白质氨基酸的生物合成能力。

然而,研究人员观察到“必需氨基酸主要来源于膳食蛋白质,哺乳动物无法制造,需要在细菌中表达广泛的生物合成途径。

非必需氨基酸”主要在肠道微生物群中合成,使用膳食菊粉循环乳酸作为碳源。

抗生素或无菌小鼠中的微生物群消耗有利于盲肠中氨基酸的积累(基于同位素追踪研究),这些氨基酸主要来自膳食蛋白质和微生物合成的氨基酸的消耗。

膳食蛋白质是必需氨基酸和非必需氨基酸的主要氮源宿主尿素非必需氨基酸也有很大贡献。

研究人员的发现如下:

【1】必需氨基酸,尽管能够由微生物群合成,但主要来自饮食,不经历任何碳重排;

【2】与TCA连接最紧密的非必需氨基酸基本上由微生物群合成,使用来自纤维的碳,通过中心代谢反应与其他碳争夺;

【3】转氨反应部分地将来自饮食衍生氨基酸的与来自宿主尿素的氮混合。

微生物群代谢物的循环水平由蛋白质消化率控制

研究人员发现,许多微生物来源的代谢物来源于到达结肠的未吸收膳食蛋白。假设这些代谢物的循环水平将取决于膳食蛋白质到达结肠微生物群的程度。

为了控制这一点,研究人员给小鼠喂食的食物中,一部分蛋白质(酪蛋白,部分到达结肠微生物群)被游离氨基酸(基本上在小肠中完全吸收)取代

2周后对全身血液进行代谢组学研究。含有较少完整蛋白质更多游离氨基酸的饮食往往会增加循环氨基酸水平。

重要的是,蛋白质衍生的循环微生物代谢物(酚类、吲哚类和酰基甘氨酸)串联下降

“微生物代谢物营养来源的知识可用于操纵其系统水平。”

肠道细菌首选的碳源不同

研究人员通过结合13C营养标记和蛋白质组学来定量不同微生物的碳原料。

每种13C标记的营养素(膳食菊粉、膳食藻蛋白或循环乳酸)提供24小时,这足以在肠道细菌中实现稳态标记。

如同B-D,分别计算了在膳食中使用的菊粉蛋白质以及乳酸在各细菌内的喜好程度,这个喜好程度也就是将在细菌特异性肽上被同位素标记的程度进行了量化

结果可见:

拟杆菌属梭状芽胞杆菌利用菊粉的程度是 Akkermansia、Muribaculum 或 Alistipes 的 倍多。

总体而言,厚壁菌下的菌属比拟杆菌门的使用膳食中的蛋白质(厚壁菌0.237±0.052;拟杆菌0.175±0.031,p=0.02)。

Akkermansia通常被认为是一种促进健康的肠道微生物,使用的菊粉和蛋白质最少。相比之下,它使用了来自宿主的循环乳酸最多

为了知晓这些细菌的营养偏好是否能预测饮食变化后的肠道菌群的组成变化。研究人员给小鼠喂食富含菊粉藻类蛋白的饮食 2 天,并通过 16S rRNA 测序测量微生物组的组成。

结果如图F和I:

利用最多菊粉拟杆菌属在高菊粉饮食后增加了4倍

另一种利用较多菊粉梭状芽胞杆菌增加了2倍

利用较少菊粉的菌属要么没有变化,要么略有下降

富含藻类蛋白饮食的实验结果同理。

图G和J计算了这两种营养物与对其利用程度最高的前两名菌属相对丰度的相关性,p<0.05显著相关。

“不同肠道细菌的营养偏好有助于解释饮食操作后微生物组分的变化。”

厚壁菌消耗膳食蛋白质,拟杆菌消耗宿主分泌的蛋白质

最后,研究人员转向不同肠道细菌的氮源偏好,比较15N标记的膳食蛋白喂养和15N尿素输注。

高度利用膳食蛋白质中的细菌属高度利用膳食蛋白中的,这与细菌蛋白质组中完整吸收的膳食蛋白质中的氨基酸一致

厚壁菌喜欢从膳食蛋白质获取氮

厚壁菌门成员中,偏好尿素氮的属往往是菊粉的疯狂使用者,即使用菊粉和尿素合成自己的氨基酸。这包括一些脲酶阴性菌属,它们可能通过交叉喂养获得尿素氮

此外,在厚壁菌中也看到了一些属更喜欢从膳食蛋白质中获得,而其他属更喜欢循环尿素

静脉注射尿素以提高循环尿素浓度后,偏好尿素的厚壁菌以及阿克曼菌的丰度大幅增加

拟杆菌喜欢从宿主分泌的蛋白质中获取氮

与厚壁菌相比,拟杆菌对膳食蛋白质和循环尿素利用率较,这提出了一个关键问题:

拟杆菌如何获得氮?

肠道微生物群的一些成员(如拟杆菌和阿克曼菌)能够消化宿主分泌的蛋白质,如粘蛋白

假设宿主分泌的蛋白质拟杆菌氮的关键来源。为了探索这种可能性,研究人员进行了长期15N标记的赖氨酸和精氨酸输注(12、18和36小时),以标记结肠中的宿主蛋白。

尽管没有直接给微生物组喂食,但在36小时输注后,赖氨酸和精氨酸确实起作用,这与通过宿主蛋白进行的标记一致。这种标记优先发生在拟杆菌和阿克曼菌中。

膳食分泌宿主蛋白的氮贡献呈负相关,与某些肠道细菌优先消耗膳食蛋白和其他宿主蛋白一致。

膳食蛋白质循环尿素是厚壁菌的主要氮原料,而分泌的宿主蛋白质为拟杆菌提供氮。”

结 语

研究人员开发了定量同位素追踪方法来测量肠道细菌的营养偏好。除了膳食纤维和分泌的宿主蛋白外,还将膳食蛋白循环宿主乳酸、3-羟基丁酸和尿素确定为喂养肠道细菌的重要营养素。排除了其他循环宿主营养素(如葡萄糖和氨基酸)对结肠微生物群的直接贡献。

一项关键技术成就是能够从不同碳源氮源追踪到细菌特异性肽,从而揭示复杂和竞争性肠腔环境中不同细菌的营养偏好

厚壁菌门倾向于从膳食蛋白质获得氨基酸,而拟杆菌门更多地依赖宿主分泌蛋白。同样,一些厚壁菌门(如梭菌属)大量利用纤维(菊粉),而其他厚壁菌门则不利用纤维。

动物饮食干预实验发现,拟杆菌属和梭菌属转化纤维最活跃的菌属。宿主循环代谢物水平也可能影响微生物组的营养获取和最终组成。

本文提供了关于哪些营养素喂养肠道微生物群以及哪些细菌更喜欢哪些营养素的基础知识。

文中所开发的方法具有广泛的应用前景,最终将有助于全面和定量地了解饮食-微生物-健康的关系。

参考文献:Zeng X, Xing X, Gupta M, Keber FC, Lopez JG, Lee YJ, Roichman A, Wang L, Neinast MD, Donia MS, Wühr M, Jang C, Rabinowitz JD. Gut bacterial nutrient preferences quantified in vivo. Cell. 2022 Sep 1;185(18):3441-3456.e19. doi: 10.1016/j.cell.2022.07.020. PMID: 36055202; PMCID: PMC9450212.

生命早期肠道微生物群与儿童呼吸道疾病之间的关联

谷禾健康

儿童呼吸系统疾病,包括呼吸道感染、反复喘息和哮喘,是儿童及其以后年龄发病和死亡的重要原因

而哮喘是其中比较典型的一种,哮喘是全球最常见的慢性疾病之一,是一种复杂的、异质性的免疫介导的紊乱集合,以气道重塑慢性气道炎症为特征。

▸ 哮喘的危险因素

哮喘的发病机制仍不清楚,但该疾病与多种遗传、环境、感染和营养因素有关。

哮喘的许多危险因素,包括生命早期的抗菌素暴露、配方奶喂养、以及母体接触抗生素怀孕期间,集中在产前和产后早期,儿童过敏性哮喘的发生可能与微生物免疫发育关键时期的早期肠道微生物群落有关。

动物模型提供的证据表明,生命早期肠道微生物群的组成可能会影响呼吸道免疫以及对哮喘呼吸道感染的易感性。

在这里我们总结了婴儿(0-12 个月大)肠道微生物群组成与儿童(0-18 岁)呼吸道疾病(即呼吸道感染、喘息或哮喘)之间的关联。

谷禾健康希望通过研究数据,找到更利于儿童健康的菌群数量与种类,有助于为未来的干预研究提供信息和构建更好的健康

本文主要内容

●生命早期的肠道微生物

●生命早期肠道微生物群对儿童呼吸道疾病的影响

早期肠道微生物的调理方法

青少年哮喘的预防与治疗

生命早期的肠道微生物

每个人都可以被视为一个岛屿,由各种栖息地组成,这些栖息地被微生物群落定殖,并遵循创造和塑造当地组合多样性的规则。

不同婴儿身体部位的微生物群组成

Milani C,et al.Microbiol Mol Biol Rev.2017

该图显示了婴儿微生物群组成的关键门在不同身体部位和生命早期不同阶段的相对丰度的全局概览。同心饼图示意性地表示个体间的可变性。

肠道微生物群是体内最大最多样化的微生物群,包含数十亿细菌(主要生物)、古细菌、真核生物和病毒。

肠道菌群定植从出生时就开始了,在生命的最初几年是高度动态的,在1-3年后趋于稳定

婴儿肠道的核心生物群

婴儿肠道核心微生物群

Milani C,et al.Microbiol Mol Biol Rev.2017

该图显示了涉及婴儿细菌核心微生物群的基于 16S rRNA 基因的树。树枝的颜色表示婴儿肠道微生物群的六个主要系统发育组。显示树的每个分支的关键婴儿肠道细菌分类群的电子显微镜图像。

相对于成人或年龄较大的儿童(>1岁)的肠道菌群,婴儿肠道菌群的多样性较低,菌群结构通常不稳定高度动态

双歧杆菌通常大量存在于婴儿,特别是母乳喂养的婴儿中,因此被认为是婴儿肠道微生物群的关键成员 

尽管从婴儿肠道微生物群的初始组合到成人肠道微生物群的建立期间,个体水平的差异很大,但婴儿肠道微生物群可分为六种主要类型。

这种婴儿肠道微生物群的类型是根据肠道微生物群的组成和优势菌群的出现来确定的。详细地说,这些主要群体包括以下:

第1类,由肠杆菌目组成;

第2类,由拟杆菌目和疣微菌目组成;

第3 类,包括Selenomonadales以及梭菌目PseudoflavonifractorSubdoligranumDesulfovibrio的成员;

第4类,包括所有巴斯德氏菌目;

第5类,包括大多数梭菌目;

第6类,包括梭状芽孢杆菌属、厌氧菌属和粪杆菌属、乳酸杆菌属和双歧杆菌属。

Bifidobacterium, Veillonella,

Streptococcus, Citrobacter,

Escherichia, Bacteroides, Clostridium

以上这些菌群在不同个体中主导婴儿肠道微生物群,它们在成人肠道微生物群中也很丰富

婴儿肠道微生物群的其他成员

▸ 梭状芽孢杆菌

梭状芽胞杆菌属的成员最近被重新分类为几个属,它们都属于梭状芽胞杆菌纲。这些物种通常存在于婴儿肠道微生物群中的微生物类群中。

▸ 拟杆菌

拟杆菌属。拟杆菌属的成员是成人肠道微生物群的主要成分,尽管它们也可能存在于婴儿肠道微生物群中,它们的存在似乎受到母乳低聚糖(HMO)的调节,其方式类似于双歧杆菌。

母乳低聚糖(HMO)——是母乳中第三丰富的固体成分(仅次于脂肪和乳糖),含量为5~15g/L,具有调节免疫,帮助大脑发育及调节肠道菌群等功能,有助于婴幼儿成长发育。

在小鼠实验中,已显示拟杆菌属的肠道定植。是宿主免疫系统识别选择的结果,通过Toll样受体 (TLR) 和其他特定微生物-宿主相互作用。该属的成员被归类为能够代谢宿主产生的聚糖(例如HMO和粘蛋白)以及复杂的植物多糖(例如淀粉、纤维素、木聚糖和果胶)的糖破碎细菌。

●拟杆菌的作用

由于细胞外蛋白酶的作用,拟杆菌属物种通常具有蛋白水解活性。拟杆菌属成员利用的其他关键代谢功能包括胆汁酸的去结合

在拟杆菌属中,脆弱拟杆菌被描述为可以产生多种荚膜多糖的成员,称为多糖A(PSA),是肠道菌群定植、宿主-微生物串扰或免疫调节的重要介质

在各种拟杆菌属物种中,预计荚膜多糖会改变细胞表面的物理特性,并在宿主细菌共生中发挥关键作用

▸ 韦荣氏球菌和链球菌

韦荣氏球菌和链球菌是婴儿肠道微生物群的一个次要成分。

这些细菌具有糖分解作用,利用其他婴儿肠道细菌(如链球菌和双歧杆菌)的碳水化合物发酵的最终产物(如乳酸)产生丙酸,形成重要的营养链

这种短链脂肪酸被认为是肠道菌群的有益产物,因为它表现出抗炎特征,影响葡萄糖和能量稳态,增加胰岛素敏感性。

链球菌属的特定成员也构成婴儿肠道核心微生物群的一部分,并且是婴儿肠道中最早建立的细菌之一,可以在出生后的最初24小时内被识别出来。

▸ 乳酸杆菌

已知乳酸杆菌存在于婴儿肠道微生物群中,尽管它们在大肠中的数量低于上述细菌属,但在分娩后不久就存在。

乳酸杆菌的后续研究表明,与阴道分娩婴儿相比,剖腹产婴儿在生命的前6个月内的不同时间点的乳酸菌属检出率显著降低

▸ 阿克曼氏菌

阿克曼氏菌自生命早期就存在于人类肠道中,但是水平非常低,阿克曼氏菌的存在与肠道完整性相关,已知其相对丰度绝对数量会随着年龄的增长而迅速增加,特别是在断奶后。

小鼠实验证实了阿克曼氏菌对肠道屏障功能的影响,并证明其给药可防止饮食引起的肥胖。最近,还提供了涉及通过特定菌毛相关蛋白的TLR信号传导的机制解释。

临床母体喂养方式环境因素共同塑造了生命早期的肠道微生物群。 对身体更方面都产生了一定影响

生命早期肠道微生物群对儿童呼吸道疾病的影响

考虑了生命早期肠道微生物群儿童呼吸道疾病(包括呼吸道感染)之间的关联,在这里汇总了一些之前对肠道菌群与呼吸道疾病直接关联的研究。

肠道微生物的测量:通常通过收集粪便样本来测量,并且可以从多样性和丰度方面进行广泛描述。多样性描述了社区内不同分类群的数量。

探索哮喘或特应性喘息的研究

Alcazar CG,et al.Lancet Microbe.2022

探索呼吸道感染的研究

Alcazar CG,et al.Lancet Microbe.2022

喘息是与感染、过敏或后来的哮喘诊断相关的呼吸道症状。我们发现较高的α多样性与的喘息之间存在关联,这主要发生在阴道分娩的婴儿中。

高α多样性对哮喘有保护作用

α-多样性是指每个样本检测到的分类群数量,而β-多样性表示样本之间的组成差异。更细微的比较确定了不同分类水平下细菌或真菌的特定相对丰度。

大型研究(>700 名参与者)报告说,高 α 多样性对哮喘和喘息有保护作用

探索了α-多样性与哮喘或特应性喘息之间的直接关联:与较低的α-多样性相比,生命第一年较高的肠道微生物群α-多样性与1岁时没有特应性喘息显著相关,并且在5岁和6岁时没有哮喘

一项研究报告称,5周龄时肠道微生物群成熟度增加,肠道微生物群成熟度下降与6-11岁的哮喘高风险相关;还有两项研究报告了12个月时未成熟的肠道微生物群与5-6岁时哮喘风险增加之间存在一定关联

基于细菌类群组成随时间变化探索了健康参与者肠道微生物成熟度,并将该微生物群成熟度与儿童呼吸道疾病参与者的微生物群成熟度进行了比较。

总体而言,有证据表明双歧杆菌在3个月前婴儿的粪便中的相对丰度较低,与1岁时的呼吸道感染和4-5岁时的哮喘有关

在3-12个月时的粪便样本中粪杆菌属罗氏菌属瘤胃球菌丰度较低,与1-6岁时的哮喘特应性喘息有关。

注意

然而,存在重要的研究限制,包括异质的结果定义和随访时间、残余混杂、小样本量以及异质的生物信息学和统计方法,大多数研究没有报告效果估计。

还有一些研究报告说,在1周龄时,非共生肠道细菌(如克雷伯氏菌和肠球菌)的相对丰度较高与1岁时的呼吸道感染有关; 3 个月时链球菌的相对丰度与 5 岁时的特应性喘息有关;1岁时RothiaDialister高相对丰度与4-5岁时哮喘相关。但是具体作用机制目前还不清楚。

影响哮喘的菌群

▸ 双歧杆菌增强呼吸道的免疫

双歧杆菌属(Bifidobacterium)是出生后4个月内儿童肠道中最丰富的细菌之一。并且已被证明通过体外和体内的表面相关分子和微生物群衍生代谢物调节个体的全身免疫反应

在哮喘和呼吸道感染小鼠模型中,特定的双歧杆菌已被证明会影响呼吸道疾病的易感性

一项研究表明,婴儿双歧杆菌的肠道定植可调节Th1和Th2反应之间的平衡,从而减少诱导小鼠模型中特应性哮喘的症状。

Th1(辅助型T淋巴细胞1)主要是增强吞噬细胞介导的抗感染免疫,特别是抗胞内病原体的感染。

Th2(辅助型T淋巴细胞2)Th2细胞的主要效应是辅助B细胞活化,其分泌的细胞因子可以促进B细胞增殖、分化和抗体的生成。

另一项研究报告称,当受到流感病毒的攻击时,与肠道丰度较低的小鼠相比,肠道丰度较高的双歧杆菌和拟杆菌的小鼠通过增强的CD8 T细胞和调节良好的巨噬细胞反应来提高流感存活率,从而防止过多的气道中性粒细胞流入。

▸ 梭状芽胞杆菌降低呼吸道炎症

FaecalibacteriumRuminococcusLachnospiraRoseburiaVeillonella属于梭状芽孢杆菌类,在4-6个月大的儿童肠道中丰度较高

已经描述了RoseburiaFaecalibacterium的潜在免疫调节机制,它们产生丁酸盐。

丁酸盐——一种在动物和体外模型中具有抗炎特性的细菌代谢物。

研究发现上呼吸道感染与婴儿粪便样本中丁酸梭菌的丰度降低有关。梭状芽胞杆菌可促进调节性T细胞产生并抑制炎症细胞因子,其中一些与人类全身感染有关。因此,丁酸梭菌对婴儿对感染的免疫反应的潜在抑制作用需要进一步研究。

另一项研究表明,给无菌小鼠接种毛螺菌属、韦荣氏菌属、粪杆菌属和罗氏菌可改善这些小鼠成年后代的气道炎症,但是这些细菌在呼吸系统疾病中的机制作用了解还是较少。

▸ 韦荣氏球菌刺激免疫分化

在我们的研究中,韦荣氏球菌,特别是小韦荣氏球菌(Veillonella parvula),与上呼吸道感染呈正相关,尤其是剖宫产婴儿。Veillonella parvula常见于口腔菌群中,它在口腔和肠道生态系统中都可以观察到。

一项针对120名荷兰婴儿的前瞻性研究发现,在1周大的婴儿中使用 16S V4 rRNA 测序发现了大量的韦荣氏菌操作分类单位,这与出生后第一年的呼吸道感染数量增加有关。

在研究中,Veillonella parvula在人体肠道中产生丙酸盐,这可能会刺激产生IL10的调节性T细胞分化;在小肠中,它会诱导产生IL-8、IL-1β、IL-10和 TNF- α37来影响呼吸道以至于全身的免疫

▸ 棒状杆菌为呼吸道的致病菌

在剖宫产婴儿中,较高的棒状杆菌属(Corynebacterium)物种相对丰度与较高的上呼吸道感染风险相关。

棒状杆菌属物种通常被列为呼吸道中的致病菌。病例系列表明,痰中的假白喉棒状杆菌是肺部感染驱动因素,一项来自法国的鼻咽微生物组病例对照研究发现,与健康对照组相比,病毒性呼吸道感染患者的假白喉棒状杆菌富集

其他细菌丰度与呼吸道疾病的关联

在3个月和1岁收集的粪便中,Faecalibacterium、 RoseburiaRuminococcus相对丰度较低,与1-6岁的哮喘和特应性喘息相关

3个月时Lachnospira的相对丰度较低,但1岁时的相对丰度增加也与1-6岁时哮喘特应性喘息相关。

一项研究显示3个月时Veillonella的相对丰度较低与1岁时的特应性喘息相关,而两项研究报告称3个月和1岁时Veillonella的相对丰度较高与5岁时的哮喘特应性喘息相关。

✦真菌与哮喘的关系

三项研究探索了真菌哮喘之间的关系。

在一项研究中,在 1 个月大时测量的念珠菌红酵母菌相对丰度较高,而马拉色菌类群的丰度较低。

在另一项研究中,3月龄时Pichia kudriavzevii相对丰度增加,与4-5岁时的哮喘特应性喘息相关。

第三项研究却发现真菌成熟度与6岁儿童哮喘之间没有关联。

细菌代谢物对哮喘的影响

肠道菌群对哮喘的影响至少部分是由细菌代谢物介导的,这些代谢物可能会影响身体远端的免疫反应

✦短链脂肪酸降低哮喘致敏性

在人类气道炎症中具有保护作用的最知名代谢物是 短链脂肪酸。1岁时粪便中含有大量丁酸盐和丙酸盐的儿童的特应性致敏性显著降低,并且在3至6岁之间不太可能患哮喘。

✦组胺和氧化脂质影响肺部炎症

与非哮喘志愿者相比,哮喘患者粪便样本中分泌组胺的细菌数量显著高于非哮喘志愿者。

此外,分泌组胺的细菌数量与疾病严重程度相关。然而,在过敏性气道炎症模型中,细菌来源的组胺降低了支气管肺泡液中的总细胞数肺匀浆中IL-4、IL-5和IL-13的量。

相反,在蟑螂抗原小鼠气道炎症模型中,用12,13-diHOME(一种氧化脂质)对小鼠进行腹腔内治疗会减少肺部调节性T细胞的数量并增加肺部炎症

建议

越来越多的证据表明细菌哮喘中的作用,但需要进一步的研究来更清楚地定义所涉及的最重要的物种,并了解哮喘背景下的细菌生态失调是否是疾病的原因或影响

有必要进行更详细的机制研究,以充分了解生命不同阶段肺和肠道微生物群组成和代谢与特定类型的哮喘炎症之间的复杂关联

最后,未来的工作应该集中在继续详细描述在哮喘中介导细菌宿主之间交流的细胞和分子机制。

婴儿早期肠道微生物的调理方法

抗生素

通常用于预防治疗不一定由特定病原体引起的感染的抗生素可以有效地消耗肠道微生物群。患有 NEC的新生儿感染肠道微生物的风险很高,抗生素通常用于预防或治疗这些感染。

NEC——新生儿坏死性小肠结肠炎(NEC)为一种获得性疾病,是多种原因引起的肠黏膜损害,使之缺血、缺氧,导致小肠、结肠发生弥漫性或局部坏死的一种疾病。

对于儿童炎症性肠病的治疗,使用单一抗生素对有并发症的患者有益,例如瘘管和脓肿,而广泛的抗生素组合可能会改善临床结果。

注意

在幼儿中使用抗生素存在很大风险。大量证据表明,抗生素会影响我们抵抗感染的能力、免疫系统的功能以及我们加工食物的能力。

肠道微生物群的破坏可能导致长期的健康后果,包括维生素产量减少、营养吸收减少以及糖尿病、哮喘、肥胖和感染风险增加

益生元和益生菌

口服益生元和益生菌是影响生命早期肠道微生物群发育的最常见方法。

益生元被定义为“选择性刺激肠道微生物群中一种或多种微生物属或物种的生长和活性,从而为宿主带来健康益处”的化合物,而益生菌被定义为“赋予宿主健康益处的活微生物”。摄入足量时会对宿主产生健康影响

目前可用的益生元包括人乳低聚糖、菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖;可用的益生菌包括双歧杆菌和乳酸杆菌属。

✦益生元和益生菌的作用

通过调节肠道微生物群,益生元对宿主产生健康影响。益生菌通过对粘膜和上皮的竞争性粘附、粘膜 IgA反应、抗菌物质的分泌、促炎途径下调抗炎细胞因子的产生和免疫系统的调节来增强肠道上皮屏障。

最近的研究表明,益生菌可以预防儿科疾病和障碍的进展,包括过敏、胃肠道感染、肥胖,甚至上呼吸道感染。

干预研究进一步表明,益生菌可以减轻某些疾病的严重程度,但对每种疾病的最佳干预仍然知之甚少。

虽然益生菌在某些情况下可以缓解过敏症状,但它们通常不能有效调节肠道微生物的组成。有证据表明,嗜热链球菌和双歧杆菌的组合可有效预防儿童抗生素相关性腹泻。

此外,合成生物学使益生菌和共生微生物的工程具有新的治疗功能。例如,融合蛋白HSP65-6P277的表达减少了非肥胖糖尿病小鼠中1型糖尿病的发病,而在非肥胖糖尿病鼠中口服重组乳酸乳球菌可改善糖耐量并显著减少胰岛素炎。

建议

尽管益生元和益生菌的应用前景不错,但在未来的研究中,应讨论益生菌和益生素的施用时间、不同菌株菌株组合的效果、工程、安全性以及这些益生菌与益生素组合是否更有效的确定。

饮食调整

营养素可以通过塑造微生物菌群的组成,对婴儿肠道微生物的定植模式产生短期和长期影响

越来越多的证据表明,摄入的膳食成分与炎症性肠病、2型糖尿病和动脉粥样硬化的发展有关。肠道菌群的最大变化发生在固体食物的引入,这表明饮食应被视为肠道菌群的核心决定因素

✦饮食疗法

有趣的是,在中医中,早就有“药食同源”的概念。该概念的一个方面是食物是一种药物,适当的饮食或某些食物可以维持身体平衡健康,并预防减轻某些疾病的发展。

在现代医学中,饮食改变越来越被认为是一种通过改变肠道微生物群来改变全身炎症的相对简单的方法。

早期肠内营养 (EEN) 是一种饮食疗法,已被用作儿童克罗恩病的一线疗法,通过用仅由液体营养素组成的配方代替正常饮食成分,旨在使炎症标志物正常化并诱导临床缓解。

✦高膳食纤维可以减轻呼吸道疾病

此外,另一项研究报告称,喂食高纤维饮食的小鼠可以产生独特肠道微生物群,从而导致短链脂肪酸乙酸酯水平升高

高纤维或醋酸盐喂养通过减少与人类哮喘和小鼠哮喘模型相关的某些基因在小鼠胎肺中的表达,显著抑制过敏性气道疾病。

此外,发现肠道微生物不仅与哮喘有关,而且还降低了与哮喘严重程度和炎症表型相关的气道微生物群多样性群落组成

抗炎特性

此外,最近的一些研究证明,膳食纤维具有抗炎特性,这可以部分解释纤维对肠道微生物菌群的影响。 使用临床前模型的几项研究表明,可发酵纤维补充剂通过微生物群诱导的特定抗炎代谢物产生的变化来改变疾病结果

然而,还需要更多的研究来增加我们对不同饮食如何塑造微生物群改变健康结果的理解。

粪菌移植

粪便微生物群移植(FMT)被定义为将健康供体的粪便悬浮液输注到受体患者的胃肠道中,以恢复肠道微生物群的正常多样性和功能。

粪菌移植的方式:粪便微生物群可通过结肠镜检查、鼻胃管或鼻十二指肠管、灌肠剂或口服胶囊置于患者体内。

由于肠道微生物群宏基因组测序的技术进步以及对其组成和功能的日益了解,粪菌移植近年来引起了越来越多的兴趣和关注。尽管粪菌移植仍然知之甚少,但它不再被认为是一种“替代”和最后的医疗实践,现在作为一种具有生物学合理性的有价值的疗法正在获得主流接受。

此外,这种疗法已被证明能够重建正常运作的微生物群落。通过为患者提供来自合适供体的平衡微生物群纠正了在艰难梭菌感染 (CDI)发病机制中起重要作用的不平衡肠道微生物菌群。

在一系列关于复发性CDI的研究中,85%接受粪菌移植的患者出现症状缓解。此外,考虑到肠脑轴和肠道微生物之间的相互作用,粪菌移植被认为是治疗某些精神疾病的可能方法,例如自闭症谱系障碍。

建议

然而,粪菌移植的微生物组成尚未完全确定。因此,需要澄清与改善临床结果相关的微生物结构功能特征,以确定优选的组合。

未来的研究应侧重于确定“健康”微生物菌群的范围以及制定评估最佳组成的标准。

青少年哮喘的预防与治疗

预防

5岁至14岁的哮喘患病率约为10%,使其成为全球儿童时期最普遍的慢性病。尽管下呼吸道感染带来了巨大的健康负担,但目前还没有专门针对它们或儿童哮喘被广泛许可的预防策略,所以暂时只能用一般呼吸道疾病的方法来预防

✦注意空气卫生

注意室内的清洁和空气流通,因为空气中的灰尘和细菌是哮喘病发的主要致敏原,所以应该勤加打扫,减少空气中的尘埃。尽量减少暴露于空气污染的室内和室外。

✦良好饮食习惯

坚持每天喝水,喝水是排出身体毒素的最佳的方法。在日常生活中注意饮食习惯,一日三餐要按时就餐,少吃油腻。

✦良好生活,避免螨虫

哮喘病人要在日常生活中每天要保持良好的生活态度,放松心情。不要在家里养猫、狗、花、鸟等。经常晾晒被褥、换洗床单,避免螨虫孳生。

✦加强自我管理

对于5岁及以上被诊断为哮喘的儿童或青少年,提供哮喘自我管理计划,包括书面的个性化行动计划教育

说明污染会引发加剧哮喘,并在个性化的行动计划中包含尽量减少暴露于室内和室外空气污染的方法。

注:哮喘好发于青少年和儿童,一旦患病,如防治不当,很容易反复发病,随着发病频度的增加,病情会逐渐加重,必将严重影响生活质量和学习工作能力,给个人家庭和社会造成沉重负担。

治疗

我们结合当前的研究与认知,提出了一些适用于儿童和青少年新诊断哮喘或当前治疗无法控制哮喘的治疗建议

✦药物治疗

•SABA

β2受体激动剂(SABA)是一类能够分布在气道平滑肌上的β2受体产生支气管扩张作用的哮喘治疗药物。这类药物属于支气管扩张药,是哮喘急性发作(气道痉挛)的首选药物,能够迅速改善哮喘急性发作时的呼吸困难、咳嗽等的症状。

对新诊断为哮喘的儿童和年轻人(5至16岁),可以提供SABA作为缓解疗法

对于患有哮喘的儿童和青少年(5至16岁),他们很少出现短暂的喘息和正常的肺功能,也可以考虑单独使用SABA缓解疗法进行治疗

•ICS

吸入性糖皮质激素(ICS)是目前控制哮喘病的气道炎症最有效的药物,以定量气雾剂、干粉剂或溶液吸入。

在哮喘炎症表型中,通常接受高剂量吸入性皮质类固醇 (ICS) 的中性粒细胞性哮喘患者表现出较少细菌负荷,其中嗜血杆菌和莫拉菌属、变形杆菌门的成员相对富集,而链球菌的相对丰度降低

ICS已经成为目前哮喘治疗的第一线治疗,对病人是最为重要的治疗,任何哮喘患者,只要诊断正确,都应该接受ICS的治疗,这是一个长期维持治疗,可以起到气管局部抗炎的效果,改善病情预防哮喘急性发作。

为儿童和青少年(5至16岁)提供儿科低剂量ICS作为一线维持治疗。

就诊时出现明显表明需要维持治疗的症状(如导致夜间醒来)或单独使用SABA无法控制的哮喘也应使用ICS治疗

✦风险分层

同时使用风险分层来识别预后不良风险增加的哮喘患者,并使用此信息优化他们的护理。

根据诸如不依从哮喘药物、心理社会问题和反复发作的哮喘计划外护理等因素进行风险分层。

总结

总体而言,有观察证据表明,在生命的第一年,肠道共生细菌属的低α多样性和相对丰度与随后的呼吸系统疾病,尤其是哮喘有关。因此在婴儿早期关注和了解肠道菌群状况对于后面哮喘发生和预防非常重要,进一步研究哮喘患者的肠道和下呼吸道微生物群可能有助于开发更有效的方法来预防和治疗哮喘

主要参考文献

Alcazar CG, Paes VM, Shao Y, Oesser C, Miltz A, Lawley TD, Brocklehurst P, Rodger A, Field N. The association between early-life gut microbiota and childhood respiratory diseases: a systematic review. Lancet Microbe. 2022 Aug 18:S2666-5247(22)00184-7. doi: 10.1016/S2666-5247(22)00184-7. Epub ahead of print. PMID: 35988549.

Milani C, Duranti S, Bottacini F, Casey E, Turroni F, Mahony J, Belzer C, Delgado Palacio S, Arboleya Montes S, Mancabelli L, Lugli GA, Rodriguez JM, Bode L, de Vos W, Gueimonde M, Margolles A, van Sinderen D, Ventura M. The First Microbial Colonizers of the Human Gut: Composition, Activities, and Health Implications of the Infant Gut Microbiota. Microbiol Mol Biol Rev. 2017 Nov 8;81(4):e00036-17. doi: 10.1128/MMBR.00036-17. PMID: 29118049; PMCID: PMC5706746.

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Barcik W, Boutin RCT, Sokolowska M, Finlay BB. The Role of Lung and Gut Microbiota in the Pathology of Asthma. Immunity. 2020 Feb 18;52(2):241-255. doi: 10.1016/j.immuni.2020.01.007. PMID: 32075727; PMCID: PMC7128389.

Ver Heul A, Planer J, Kau AL. The Human Microbiota and Asthma. Clin Rev Allergy Immunol. 2019 Dec;57(3):350-363. doi: 10.1007/s12016-018-8719-7. PMID: 30426401; PMCID: PMC7449604.

Moroishi Y, Gui J, Hoen AG, Morrison HG, Baker ER, Nadeau KC, Li H, Li Z, Madan JC, Karagas MR. The relationship between the gut microbiome and the risk of respiratory infections among newborns. Commun Med (Lond). 2022 Jul 14;2:87. doi: 10.1038/s43856-022-00152-1. PMID: 35847562; PMCID: PMC9283516.

微生物组对肥胖影响的最新研究分析

谷禾健康

在过去的几十年里,肥胖患病率持续快速增长。成为了许多国家的主要医疗保健问题,尤其是在2019年新冠状病毒时代以来。

肥胖是包括心血管疾病在内的一系列疾病不断扩大风险因素。2型糖尿病、慢性肾病、非酒精性脂肪肝病, 负重过大导致的关节炎,甚至许多癌症都与肥胖有关

▸ 肥胖的定义

肥胖定义为身体脂肪过度积累到可能对健康产生不利影响的程度。

一般使用体重指数(BMI;体重(千克)除以身高(米)的平方)进行评估。

我国规定的BMI正常范围在18.5-23.9之间,24-27.9为超重,超过28则为肥胖

肥胖不是单纯的体重增加,而是体内脂肪组织积蓄过剩的状态。肥胖是指一定程度的明显超重与脂肪层过厚,是体内脂肪,尤其是甘油三酯积聚过多而导致的一种状态。

主要原因是由于能量摄入过多机体代谢的改变而导致体内脂肪积聚过多造成体重过度增长并引起人体病理生理改变潜伏

▸ 引起肥胖的因素

肥胖是一个多因素问题,不仅限于饮食或缺乏运动的原因,还包括遗传、环境和心理社会因素,这些因素通过能量摄入消耗的生理介质起作用。

肠道微生物组是这些环境因素之一;大约 20年前,在小鼠研究中已经确定了脂肪储存和肠道微生物组之间的联系。粪便微生物群移植研究提供了更切实的证据。

本文结合了最新的学术研究和谷禾健康数据库,涵盖了不同的角度,既关注单个细菌的作用,也特别强调整个微生物组的组成,以试图解开肠道微生物组肥胖的关系。

让人们更好地了解肥胖以及其发病机制,在此基础上提出一些预防和治疗肥胖的建议,使人们拥有更健康的生活。

本文主要从以下几个方面讲述

●肠道微生物对肥胖发病机制的影响

●菌群代谢物对肥胖的影响

●健康与肥胖人群中的细菌比例

●肥胖与肠道微生物的研究分类

●微生物多样性与人体健康有关

●肥胖与肠道微生物的未来研究方向

●预防和治疗肥胖的一些建议

学术专业用词缩写

PRR—模式识别受体

NOD2—核苷酸结合寡聚化结构域2

FXR—法尼醇X受体

TLR5—TOLL样受体5重组蛋白CDI—复发性艰难梭菌感染

BSH—胆盐水解酶

GLP1—胰高血糖素样肽-1

GPR—G蛋白偶联受体

01

肠道微生物对肥胖发病机制的影响

研究肥胖的发病机制,有助于我们更好地了解肥胖,并以此制定相应的治疗方案。实验研究发现肠道微生物对肥胖的发病机制存在一定的影响。

许多研究已经确定了肠道微生物群与宿主免疫系统之间的关联。其中一个发现是肥胖与肠道微生物引起的慢性低度炎症有关。

肠道微生物群和肠道细胞之间的密切接触是由微生物相关分子模式介导的,这些分子模式可以与上皮细胞和免疫细胞中的模式识别受体 (PRR) 结合

这些识别受体属于先天免疫系统控制炎症和免疫反应。PRR还可以检测宿主细胞释放的损伤相关分子模式。

✦革兰氏阴性菌中的脂多糖易引起炎症

脂多糖 (LPS)是革兰氏阴性菌外膜的一种特有成分,由脂质和多糖构成,似乎会引起小鼠的低度炎症

在这里列举了一些常见的革兰氏阴性菌:

大肠杆菌、变形杆菌、痢疾杆菌

肺炎杆菌、布氏杆菌

需要注意的是,大部分革兰氏阴性菌对人体都有害

在一项人体研究中进行了类似的观察,其中能量摄入与内毒素血症和伴随的炎症有关

事实上,与健康对照组相比,在患有2型糖尿病的受试者中,革兰氏阴性菌的数量明显更多

脂多糖通过脂多糖分化受体14(CD14)和辅助受体 toll样受体 (TLR4)引起炎症,这反过来又导致脂肪细胞产生的促炎细胞因子增加

●饮食在脂多糖中起重要作用

果胶可抑制脂多糖诱导的单核细胞或树突状细胞中的TLR4活化,而果糖或高脂肪饮食导致含有脂多糖的变形菌增加,瘦素信号与饱腹感和能量平衡紊乱有关,因此失调

在此列举了一些高果糖高脂食物:

1.蜂蜜和市面上一些甜的饮料果糖含量较高

2.淀粉类:经油炸加工的馅饼、油条、葱油饼、油糕等食物中,含有大量脂肪与糖分

2、肉类:用糖汁、糖煎、糖烧的方法进行烹调的红烧肉、炸鸡等,也为高糖高脂食物;

3、奶油制品食物:如奶油蛋糕、奶茶、泡芙等甜品,主要原材料为淀粉黄油等物质,所以也有较高的糖分与脂肪。

同时还表明,分泌型脂蛋白脂肪酶(LPL)抑制剂血管生成素样蛋白4(一种禁食诱导的脂肪因子)可被微生物群抑制,进而导致分泌型脂蛋白脂肪酶活性增加和白色脂肪组织中的脂肪储存

✦肽聚糖影响体内平衡

另一个例子是肽聚糖,它是细菌细胞壁的一种成分,对人体内平衡很重要

核苷酸结合寡聚化结构域2 (NOD2) 是肽聚糖的产物,是一种位于上皮细胞和免疫细胞内的胞质 ,能够感知胞壁酰二肽。

这种胞质对于病原体入侵和几种炎症性疾病期间的免疫反应至关重要,从而调节粘膜细菌定植。

// 一些关于NOD2的研究案例

NOD2缺乏的小鼠在高脂饮食期间显示出脂肪组织、肝脏炎症和胰岛素抵抗增加。因此经常用于糖尿病研究。

在具有功能性NOD2受体的肥胖小鼠中,胞壁酰二肽识别显示可减少脂肪炎症胰岛素抵抗,而不会减轻体重或改变肠道微生物群组成。

上述案例在一定程度上可以说明NOD2对于减轻肥胖肠道微生物群稳定具有一定作用。

✦Toll样蛋白受体影响免疫

——Toll样受体5(TLR5)重组蛋白是免疫系统的关键成分,还是单体鞭毛蛋白的传感器,可以检测细菌感染启动宿主抗菌的防卫反应。

肠道微生物群也通过位于上皮细胞上的TLR5与免疫系统相关联。

免疫系统通过TLR5感知肠道微生物群的组成和肠道微生物群的定位,以避免共生肠道微生物群传播到肠外器官、产毒成员的过度生长以及机会性病原体的过度生长和入侵。TLR5检测鞭毛蛋白会导致白细胞介素-22的产生,从而预防与肠道炎症相关的疾病。

// 关于TLR5影响免疫在小鼠中的研究

与野生型无菌小鼠相比,TLR5缺陷小鼠的胰岛素抵抗肥胖水平增加。肠道微生物群从这些TLR5缺陷小鼠转移到野生型无菌小鼠也导致这些野生型小鼠代谢综合征的相似特征转移

一项调查缺乏TLR5受体的小鼠的研究,观察到鞭毛蛋白特异性免疫球蛋白的丢失导致鞭毛细菌增加,包括许多变形杆菌,以及粘膜屏障破坏和炎症增加

肠道微生物影响宿主免疫的推定机制

Levin E,et al.Therap Adv Gastroenterol.2022

部分肠道微生物群的鞭毛蛋白和脂多糖可以与toll样受体重组蛋白结合,而细胞内NOD2感知肽聚糖。几种短链脂肪酸的产生可以与GPR41和GPR43(2种特异性短链脂肪酸受体)结合,导致PYY(肽YY(一种新的胃肠道激素,具有抑制胃肠运动和胃酸分泌等作用))和GLP-1(胰高血糖素样肽-1)的表达增加。

胆汁酸激活TGR5和FXR(一种胆汁酸的受体)),影响脂质葡萄糖代谢。脂肪酸,如HYA,调节TNFR2,参与上皮屏障恢复。吲哚通过GLP-1调节和AHR的激活以及与PXR 的结合影响宿主

注意

事实上,与瘦的人相比,肥胖的人往往有的粪便鞭毛蛋白、更少的粪便抗鞭毛蛋白IgA和更高水平的慢性肠道炎症。

02

菌群代谢物对肥胖的影响

短链脂肪酸

短链脂肪酸(SCFA)主要是微生物厌氧发酵的衍生终产物,对宿主具有多种影响。它是一组少于六个碳的羧酸,包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。这些短链脂肪酸及其比例在几种不同的组织中具有多种有益的作用

✦短链脂肪酸有利于肠道环境的稳态

短链脂肪酸被认为是人类宿主的能量来源能量调节剂,但它们也有助于维持肠道环境的稳态。短链脂肪酸的细胞外活性主要由G蛋白偶联受体(GPRs)介导

这些受体在多种细胞上表达,包括肠上皮细胞、脂肪细胞、肠内分泌L细胞、先天免疫细胞和体细胞感觉神经节的神经元。

✦短链脂肪酸会影响饱腹感

短链脂肪酸参与L细胞产生的肽YY和胰高血糖素样肽1(GLP1) 激素的调节。这两种激素都调节神经系统的饱腹感,GLP1在葡萄糖刺激的胰岛素敏感性分泌中也起作用。

饱腹感也由丙酸盐通过激活脂肪细胞中的游离脂肪酸受体3(FFAR3)来控制,因为这些脂肪细胞会产生瘦素。微生物衍生的丁酸盐和丙酸盐都会诱导肠道糖异生,进而诱导对葡萄糖和能量稳态有益影响

✦短链脂肪酸促进能量消耗

研究显示丁酸盐通过游离脂肪酸受体2(FFAR2)的活化刺激棕色脂肪组织的活化,从而显著促进能量消耗。并且脂肪积累被丁酸盐诱导的白色脂肪组织中的游离脂肪酸受体2活化抑制。最后,丁酸盐通过降低肠屏障的通透性减少上皮细胞中的细菌易位

在肠道内,短链脂肪酸的产生通过各种中间体发生。不同的物种,在产生这些中间体和最终产物的每个步骤中使用不同的酶,都参与了这个过程。

●2型糖尿病中产丁酸盐菌丰度较低

在2型糖尿病中,许多研究看到的一个共同趋势是,糖尿病患者的丁酸盐生产者(如RoseburiaFaecalibacterium)的丰度低于对照组,这可能取决于饮食。

在肥胖症中也可能如此,短链脂肪酸的过量生产可能会导致更高的能量可用性和摄入量。

事实上,一项比较肥胖与瘦的受试者的研究表明,肥胖者的总短链脂肪酸水平较高,但必须指出,肥胖与丙酸盐水平特别相关

胆汁酸

胆汁酸是胆汁的重要成分,在脂肪代谢中起着重要作用。 胆汁酸主要存在于肠肝循环系统并通过再循环起一定的保护作用

许多研究报告了肠道微生物组胆汁酸肥胖肥胖相关疾病之间存在联系

初级胆汁酸通过两种途径在肝细胞中产生:

产生大部分胆汁酸的经典途径是由细胞色素P450中的胆固醇7α-羟化酶启动的。

替代途径由细胞色素P450中的27α-羟化酶启动。

注:细胞色素P450——一个很大的可自身氧化的亚铁血红素蛋白家族,属于单氧酶的一类,因其在450纳米有特异吸收峰而得名。它参与内源性物质和包括药物、环境化合物在内的外源性物质的代谢

7α-羟化酶和27α-羟化酶都属于细胞色素P450中的成员。

经典途径中的一种中间体胆固醇7α-羟化酶与总血浆甘油三酯浓度相关,表明肝胆汁酸合成对于调节肥胖者的血浆甘油三酯水平很重要

胆汁酸的作用途径

产生的初级胆汁酸是胆酸、鹅去氧胆酸和猪胆酸。这些初级胆汁酸与甘氨酸或牛磺酸结合。餐后,这些结合物被分泌到胆汁中并释放以促进膳食脂肪的溶解和吸收

此后,肠道微生物群使用胆盐水解酶(BSHs)去结合初级胆汁酸。

Bifidobacterium spp., Lactobacillus spp., Enterococcus spp.和Methanobrevibacter spp.,这些细菌中都含有这些胆盐水解酶。

接下来,这些去结合的初级胆汁酸随后被转化为次级胆汁酸。

注:这是通过肠道微生物群的脱氨基作用和7α-羟化酶的脱羟基化来完成的。

在最后阶段,胆汁酸被回肠远端吸收,完成肠肝循环。产生的次级胆汁酸是脱氧胆酸石胆酸。这些胆汁酸参与调节能量消耗,以及炎症和葡萄糖代谢脂质代谢

这表明这些胆汁酸在肥胖的病理生理学中非常重要,因为与肥胖相关的肠道微生物群的改变包括胆汁酸池大小组成的变化

✦不同胆汁酸具有不同的作用

不同的胆汁酸对各种肠道受体具有不同的亲和力,例如与膜结合的蛋白偶联受体(TGR)以及法尼醇X受体(FXR) 。

注:TGR5—是一种G蛋白偶联受体,不仅是胆汁酸的受体,也是多种选择性合成激动剂的受体。

法尼醇X受体(FXR):一种胆汁酸受体,被特定胆汁酸代谢物激活后发挥转录因子作用,参与调控胆汁酸的合成肠肝循环影响机体的糖脂代谢。

在小鼠中,已经表明肠道菌群通过FXR受体促进饮食诱导的肥胖。

在脂肪组织中,脂肪细胞分化受FXR通过促进过氧化物酶体增殖物激活受体γ活性,进而调节脂肪酸储存葡萄糖代谢

在棕色脂肪组织中,能量消耗因胆汁酸与TGR5结合而增加,随后产生的环磷酸腺苷会增加参与能量稳态的甲状腺激素活化。

在巨噬细胞中,胆汁酸激活TGR5会导致抗炎反应,因为抑制了NF-κb通路和NLRP3依赖性炎症小体活性。FXR和TGR5受体都存在于相似的细胞中,例如胰岛β细胞和肠内分泌L细胞。

在胰岛β细胞中,正向调节合成和葡萄糖诱导的胰岛素分泌。在肠内分泌L细胞中,观察到相反的效果。FXR的激活导致GLP-1分泌的抑制,而TGR5的激活诱导GLP-1的分泌。

✦饮食会影响胆汁酸的含量

几项研究已经将特定的肠道微生物群改变以及胆汁酸成分的改变与肥胖联系起来,同时考虑到饮食的类型。

与富含精制谷物的饮食相比,富含全谷物的饮食导致血浆胆汁酸含量显著增加,包括牛磺鹅去氧胆酸、甘胆酸和牛磺石胆酸。

这被假设为激活FXR和TGR5受体并影响葡萄糖稳态。事实上,高膳食纤维的纯素饮食Prevotella丰度较高相关被证明可以增强法尼醇X受体的信号通路

与杂食动物相比,纯素食者的粪便胆汁酸含量显著降低。当杂食动物的饮食中膳食纤维增加时,观察到粪便胆汁酸显著减少

//研究证明高脂饮食胆汁酸水平升高

在小鼠中,高脂饮食引起的肥胖导致粪便中脱氧胆酸水平升高。此外,高脂肪饮食略微增加总胆汁酸池,特别是增加肝脏和血浆中的脱氧胆酸和牛磺脱氧胆酸水平。

这些变化与以下菌群的丰度增加相关:

Blautia ↑↑↑

Coprococcus ↑↑↑

Intestinimonas ↑↑↑

Lactococcus ↑↑↑

Roseburia ↑↑↑

Ruminococcus ↑↑↑

另一项小鼠研究调查了胆盐水解酶对法尼醇X受体胆汁酸拮抗剂牛磺-β-鼠胆酸的影响,因为法尼醇X受体抑制会导致对肥胖的抵抗。他们发现,乳酸杆菌水平降低与BSH水平降低相关,因此与牛磺酸-β-鼠胆酸水平升高相关

事实上,从小鼠盲肠中分离出的L.johnsonii被发现表达产生胆盐水解酶的基因,这些基因专门针对牛磺-β-鼠胆酸,提供了肠道微生物群变化与调节法尼醇X受体和胆盐水解酶基因表达之间的机制联系

然而,与其他产生类似胆盐水解酶的肠道微生物相比,乳酸杆菌对法尼醇X受体拮抗剂浓度的贡献仍不清楚

一项调查肥胖受试者的人体研究发现了毛螺菌科的瘤胃球菌家族与甘氨脱氧胆酸的比例和血浆中次级胆汁酸与初级胆汁酸的比例呈正相关

除此之外,Faecalibacterium prausnitzii与粪便中的异石胆酸水平呈负相关

一项调查肥胖受试者的研究发现,该组的非12-OH胆汁酸比例降低。在同一项研究中,高脂饮食抗肥胖小鼠的这些非12-OH胆汁酸水平升高

在高脂饮食易肥胖的小鼠中,这些胆汁酸减少并与肠道微生物群的改变有关。在这里,梭状芽孢杆菌减少的很明显,肥胖与肠道微生物群通过胆汁酸池的大小组成有关,但在单个细菌、特定胆汁酸剖面和肥胖表型之间还没有明确的联系。

因此,还需要进行更多的研究,以将肥胖胆汁酸谱和胆汁酸池大小与特定细菌组成谱联系起来。

脂肪酸

除了产生胆汁酸外,一些细菌,包括LactobacilliBifidobacteria,还通过多不饱和脂肪酸的饱和代谢产生代谢物。这会产生中间脂肪酸,如羟基、氧代、共轭和部分饱和反式脂肪酸。

结果表明,与无菌小鼠相比,无特定病原体小鼠的羟基脂肪酸水平要高得多,这表明肠道微生物组的脂质代谢会影响宿主体内的脂肪酸组成,因此会影响宿主的健康

✦增强抗炎能力,促进屏障恢复

此外,共轭脂肪酸组中的一些脂肪酸对健康有益。体外对树突状细胞的实验表明,共轭亚油酸的异构体抑制脂多糖诱导的白细胞介素12产生并增强抗炎细胞因子白细胞介素10的产生。

一个例子是10-hydroxy-cis-12-octadecenoic acid(HYA),因为它部分调节肿瘤坏死因子受体2 (TNFR2),从而促进上皮屏障恢复作用。

注:HYA是不饱和脂肪酸的代谢过程中,肠道微生物产生的中间体游离脂肪酸。HYA能够改善与一些细胞中成熟标志物表达相关的抗氧化/解毒防御能力。

✦保护宿主,减少肥胖

另一项研究展示了HYA如何通过G蛋白偶联受体40(GRP40)和G蛋白偶联受体120(GRP120)分泌胰高血糖素样肽-1来减轻高脂饮食诱导的小鼠肥胖

此外,他们还证实了几种乳酸杆菌属,如

Lactobacillus salivarius

Lactobacillus gasseri,能够产生相似水平的 HYA,保护宿主免受高脂饮食引起的肥胖。

吲哚

吲哚是吡咯与苯并联的化合物,细菌产生吲哚对人体健康具有重要意义

✦饮食类型影响吲哚的产生

吲哚是通过降解肠中芳香族氨基酸如酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸的分解代谢产生的。因此,肠道吲哚水平取决于饮食类型。

富含蛋白质的饮食会促进吲哚的产生。然而,富含的饮食可能会降低吲哚合成,因为过度消耗糖可能会导致小肠饱和,从而导致更多剩余的糖进入大肠。

由于碳水化合物发酵优于蛋白水解活性,因此抑制色氨酸酶活性导致吲哚合成速率降低。吲哚通过以下途径影响宿主代谢L细胞对GLP-1分泌的调节,表明在2型糖尿病等代谢疾病中发挥作用

吲哚丙酸(3-Indolepropionic acid)由Clostridium sporogenes产生,它与膳食纤维摄入量呈正相关

•2型糖尿病会影响吲哚水平

事实上,一项研究发现较高的血浆吲哚丙酸水平与降低患2型糖尿病的风险之间存在关联

另一项研究发现,与瘦对照相比,患有2型糖尿病的肥胖受试者的吲哚丙酸水平降低。吲哚丙酸显示通过与孕烷X受体结合并随后下调肿瘤坏死因子α来调节炎症

✦吲哚具有抗肥胖等特性

研究显示吲哚丙酸可降低饮食诱导的肥胖小鼠的肠道通透性。吲哚丙酸也被证明在小鼠中具有抗肥胖活性

在肠道中,色氨酸可以被肠道菌群用作底物来产生吲哚,但也可以被宿主代谢。在低度肠道炎症(肥胖的一种慢性症状)期间,巨噬细胞中的吲哚胺2,3-双加氧酶活性增加导致犬尿氨酸的产生水平升高,从而将生产从微生物衍生的吲哚转移

注:吲哚胺2,3-双加氧酶是人体内色氨酸代谢中的关键酶,可通过介导色氨酸耗竭及其代谢产物调节机体抗肿瘤免疫

与正常饮食的小鼠相比,高脂肪饮食的小鼠显示出吲哚胺2,3-双加氧酶活性增加。然而,与高脂饮食的野生型小鼠相比,在这种酶被敲低的小鼠中观察到胰岛素耐受性有所改善

微生物衍生的吲哚,如吲哚乙酸激活芳烃受体,但犬尿氨酸抑制其激活。微生物衍生的吲哚乙酸进一步限制了巨噬细胞中脂肪酸的积累和炎症标志物的产生。

谷氨酸

除了吲哚,谷氨酸也可以影响人体

——谷氨酸是一种多功能氨基酸,谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位。除此之外,谷氨酸也是人体兴奋神经递质,不仅参与消化系统和免疫系统,还是大脑健康密切相关。现在强有力的证据表明肠道微生物产生神经活性分子,如神经递质(即去甲肾上腺素、多巴胺、血清素、GABA 和谷氨酸)和代谢物(即,色氨酸代谢物,短链脂肪酸等)维持宿主和细菌之间跨界跨区域交流。谷氨酸代表了在这种跨界交流中活跃的众多神经活性分子之一。

根据对肥胖和瘦受试者的队列进行的全基因组关联分析显示,谷氨酸盐具有潜在危害

通过进行途径分析,谷氨酰胺/谷氨酸转运系统在肥胖个体中高度富集。这与拟杆菌属(包括B.thetaiotaomicron)的物种呈负相关。事实上,与瘦受试者相比,肥胖者体内这种细菌的数量减少。因此谷氨酸与人体之间也存在一定联系

•拟杆菌的在高脂饮食中的研究

多形拟杆菌B.thetaiotaomicron)在高脂饮食小鼠中的作用的研究表明,编码参与脂肪生成的蛋白质的基因表达较低,而编码参与脂肪酸氧化和脂肪分解的蛋白的基因表达较高。此外,炎症相关标志物的表达也降低

关于发现与肥胖相关的B.thetaiotaomicron,其效应可能是由于与某些其他物种的相互作用,例如B. uniformis,已知其部分恢复了高脂肪饮食诱导的肥胖效应

03

健康与肥胖人群中的细菌比例

有研究发现,健康人群和肥胖人群中的拟杆菌门和厚壁菌门比例存在不同。但是将健康受试者肥胖受试者用拟杆菌与厚壁菌的比例区分开来的一个有争议的话题。

•支持的证据

一项研究调查了遗传易感肥胖小鼠及其接受相同多糖饮食的正常野生型同胞的盲肠微生物群之间的差异。

在肥胖小鼠中,拟杆菌数量减少,而厚壁菌的相对丰度较高。一年后,在比较肥胖和正常时发现了类似的结果。

•反对的证据

然而,同一组在比较正常人和肥胖人双胞胎时观察到了有争议的结果。然而,此处观察到拟杆菌显著减少,与厚壁菌没有关联

除此之外,使用16s rRNA基因的类似管道和区域重新分析前面提到的文章的数据集和其他公开可用的数据也导致了与拟杆菌与厚壁菌比率相关的矛盾结果

鉴于人类肠道中这两个门所代表的目、科、属的物种众多,这些门水平上相互矛盾的肠道微生物群结果并不令人惊讶。

另一方面,厚壁菌门是如此广泛,以至于说某个菌属于厚壁菌门,但是不同菌的功能差别很大。

此外,这些门中分类上不同的细菌具有截然不同的属性。拟杆菌门中最重要的例子是普氏杆菌属和拟杆菌属,它们往往相互排斥。当比较多个研究时,将每个门的细菌汇集在一起时,预计会出现相互矛盾的结果。

因此,目前还不鼓励使用拟杆菌与厚壁菌的比例来区分健康人群与肥胖人群。我们在检测实践中也发现部分肥胖人群拟杆菌比例较高。

PrevotellaBacteroides的比例

在引入肠型后,在拟杆菌门内做出了更合适的区分,即PrevotellaBacteroides的比率。

Bacteroides相比,Prevotella个体在食用左旋肉碱时血浆氧化三甲胺浓度较高

Prevotella为主的肠道微生物群往往与素食主义或非工业化的富含膳食纤维的饮食有关。这些例子可以在非洲、南美洲或者东南亚狩猎采集者或农村人口进行的几项研究中找到。

PrevotellaBacteroides更利于减肥

研究很好地说明了饮食环境导致的从普氏杆菌向更为拟杆菌主导的肠道微生物群的转变,来自泰国农村的人移民到了美国。不出所料,这种转变也伴随着体重的增加。

关于减肥方案,这一比例很重要,因为普氏杆菌与拟杆菌比例较高的受试者在膳食纤维含量较高的情况下更容易减肥

研究发现,给予辣椒素时,拟杆菌量较多的受试者体重减轻更多,在此强调了个性化营养必要性

04

肥胖与肠道微生物的研究分类

为了更好更有条理地研究肥胖肠道微生物之间的关系,需要将微生物进行研究分类

大多数关于肥胖与肠道微生物群之间关系的研究通常将个体分类群病理生理途径联系起来,以建立与肥胖的联系。

影响微生物的因素

细菌并不存在于真空中,所以它们的生长速度以及它们能够进行的代谢活动取决于外部环境因素。

这些外部因素包括pH胆汁酸底物可用性。所有这些反过来又取决于微生物组分本身;这意味着一种细菌的功能受其周围所有其他细菌的影响

更直接地说,各种细菌种类依赖于其他细菌种类为它们提供中间底物(其他细菌的废物),并且反过来,依赖于将消耗其自身废物(发酵产物)的其他细菌,以使其从中获得能量的生化转化在能量上有利

同一物种的不同菌株可能存在很大差异

通常使用不同的分类水平(门/科/属/种)来归因特定的特征和关联,而物种的功能甚至在同一属内,甚至是目前被认为属于不同菌株的细菌。相同的物种,可以有很大的不同

因此,旨在通过查看更高的分类级别来限制分类组数量的降维策略通常应该优选地限制在类属级别

同一物种的不同菌株可能具有也可能不具有归因于它们的特定功能,正如在碳水化合物活性酶中观察到的那样。如果高度相似的基因存在于多种细菌中,则可能还会出现冲突模式。

越来越多的研究人员在过去几十年中得出结论,与肥胖相关的有益影响应归因于肠道微生物群中的多个参与者协同工作。而这种关联的紊乱可以被视为生态失调的一种形式。

微生物成员分组

——由于上述个体分类群分析的缺陷使得难以找到特定于健康结果的具有生物学意义的模式,因此创造了两个不同的术语来将个体微生物组成员分组。

▸ 微生物“聚类”

应用了“guild”这个术语,这在宏观生态学中已经众所周知。它包括“以类似方式利用同一类环境资源一组物种”,后来成为“功能组”的同义词。

通过构建基于微生物丰度协变的共丰度组,给出了一个框架,以更生态有意义的方式解开肠道微生物组与人类健康之间的关系。这将克服目前对基于分类单元的分析和以基因为中心的分析存在问题的各种缺点。

▸ 营养网络

另一个术语称为“营养网络”,营养网络被定义为微生物种群形成代谢相互依赖的生物体的食物网,随着时间的推移以相关的方式稳定地建立。

小结

通过观察微生物聚类或特定的营养网络,可以实现对与健康肥胖相关肠道生态学的更有意义的解释。

此外,将数百个分类群聚集到有限数量的微生物聚类或营养网络中将有助于降低维度,从而有可能应用经典统计数据来限制与校正多重测试相关的问题。

尽管基于微生物聚类的方法似乎是一种有前途的方法,在了解肥胖儿童的体重调节方面观察到了附加价值,但与肥胖本身的相关性仍有待阐明

05

微生物多样性与人体健康有关

α多样性与疾病状态有关

——在区分肥胖受试者和健康受试者时,一个常见的观察结果是他们平均较低的α-多样性

在许多其他疾病中也观察到相同的情况,例如克罗恩病、肠易激综合征和结肠直肠癌。因此,微生物多样性的丧失通常与各种疾病状态有关。可以说,断奶后肠道α多样性降低是与各种人类状况相关的普遍特征

在成年人中,较高丰度的细菌(如Akkermansia muciniphilaF. prausnitzii)通常与较高的α多样性相关

丰富的A. muciniphila与BMI、炎症标志物、脂质合成和总脂肪组织重量呈负相关

▸ α多样性是什么?

α多样性主要关注局域均匀生境下的物种数目,因此也被称为生境内的多样性。α-多样性是由扩散、局部多样化、环境选择和生态漂移共同形成的。

多样性本身不仅仅是健康的指标,因为多种高丰度的病原体持续存在一般不会让肠道感觉 “幸福”。

相反,更高的α多样性应该被视为存在发育良好和扩展的微生物营养网络,它们共同导致发酵能力的提高

✦低α多样性下的肠道微生物

富含拟杆菌的微生物群倾向于具有较低的α-多样性值、较简单的营养网络,并且更容易下降。

这种低α-多样性组合物通常富含诸如肠杆菌科、梭杆菌属、链球菌属、瘤胃球菌属和各种拟杆菌属物种的物种。

这种益生菌组合物在肠型方面与拟杆菌2肠型最为相似,最终会是肥胖和2型糖尿病的危险因素

营养网络被破坏导致α多样性减低

研究表明营养网络的彻底破坏以及由此导致的α-多样性、基因丰富度和肠道发酵能力的极大降低。

调查了(抗生素治疗)危重儿童的肠道微生物群、粪便短链脂肪酸和胆汁酸谱。由于缺乏代谢和发酵能力,这些儿童的初级胆汁酸与次级胆汁酸的比例较高,但短链脂肪酸的产量极低,而碳水化合物发酵的中间产物,如乳酸盐和琥珀酸盐与健康对照儿童相比含量增加

后一项发现,加上剩余的未发酵糖组分、较高水平的未接触蛋白质和更松散的粪便,突出了肠道中剩余的发酵仍然处于糖分解阶段

Christensenellaceae营养网络

——一个与高α-多样性和健康相关的特定营养网络

与肥胖受试者相比,体重指数正常的健康受试者的Christensenellaceae水平更高

Christensenellaceae和寄主BMI之间的关联被认为是最稳健的关联之一。在无菌小鼠体内移植来自人类供体的富含菊苣科植物的粪便可减少肥胖。在富含瘤胃球菌科或厚壁菌的肠型的人中,Christensenellaceae通常很丰富

如上所述,不应将Christensenellaceae视为一个独特的独立实体,因为它始终与其他细菌古细菌形成营养网络。

Christensenellaceae与古细菌的关联

Christensenellaceae与一种古细菌——Methanobrevibacter smithii 的关联可能是这一营养网络最典型的部分。

M.smithii 从微小梭菌产生的氢气中产生甲烷。如果这种营养网络与低BMI之间存在因果关系,则仍然相当不确定。

除了M. smithii是这一营养网络的一部分外,一项比较意大利瘦弱和肥胖老年人的研究发现,ChristensenellaceaeRikenellaceaePorphyromonadaceae之间存在相关性

在日本的一个队列中,调查了不同地区健康成年人的粪便样本,Christensenellaceae与各种其他细菌也与BMI呈负相关

注意

鉴于α-多样性、瘦弱性和Christensenellaceae细菌营养网络之间的紧密联系,未来将继续从机制上研究这种联系。还应注意的是,该营养网络对于短链脂肪酸生产的重要性尚未确定

虽然ChristensenellaceaeMethanobrevibacter可能仅占总微生物群的一小部分,但它们所代表的核心指示物种的营养网络在不同种族中绝不是一个小角色。这种营养网络,其中各种物种彼此之间非常密切相关,具有肠型定义潜力。

Prevotella stercorea营养网络

另一个营养网络,通常在工业化国家的人们中代表性不足,是Prevotella stercorea营养网络,它可以被视为Prevotella肠型组成中的一个重要因素。

这个营养网络的建立首先是通过观察冈比亚儿童正在发育的肠道微生物群来广泛描述的。P. stercorea与Succinivibrio dextinosolvensParaprevotella xylaniphila等形成一个大型营养网络,并且类似地与高α-多样性相关

✦肠道Prevotella的特征

肠道普雷沃氏菌是一个完美的例子来展示微生物“聚类”和营养网络之间的区别。

在人群范围内的研究中,例如使用多民族队列研究的数据,被定义为肠型普氏杆菌的人通常具有非常高P. stercorea水平和与P.stercorea营养网络相关的高水平物种

当在分层聚集的热图中可视化时,P.copri和P.stercorea营养网络中的物种聚集在一起。然而,这种共同发生主要是由于粪便中的Prevotella(包括P.copri、P.stercorea和其他许多普氏杆菌属)和Bacteroides/Phocaeicola.之间的强烈拮抗作用

P.copriP.stercorea营养网络在同一环境中表现良好Bacteroides贫乏),但P.copri的高丰度完全独立P.stercorea营养网络发展,这可以通过跟踪儿童在前3个年的肠道微生物群成熟情况看出多年生活在一个每个人都会发展出富含Prevotella的肠道微生物群的环境中。

12个月后,P.copri成为优势种并保持优势,而与P.stercorea营养网络相关的物种丰度在生命的前30个月以相互依赖的方式缓慢增加,直到达到稳定水平。推测在P. stercorea的营养网络中存在着各种代谢产物的交换,值得进一步研究,特别是与Prevotella肠型生产短链脂肪酸的能力增加有关。

Prevotella与健康相关

与肥胖率上升最快的工业化国家相比,肠型拟杆菌相关的拟杆菌和种类在冈比亚并不多见

肠道中的Prevotella本身也与较低的BMI相关,并且已观察到低密度脂蛋白胆固醇与肠道Prevotella负相关,这表明在非工业化国家,肠道Prevotella健康有关

06

肥胖与肠道微生物的未来研究方向

尽管使用大型队列关联研究对于试图解开与肥胖相关的肠道微生物组的极端复杂性至关重要,但其他几种研究途径也具有潜力,其中一种是粪菌移植。

粪菌移植

▸ 定义

粪菌移植,是将粪便从瘦供体转移到受体。也称为“人类肠道微生物群转移”、“粪便移植”和“粪便细菌疗法”。

✦粪菌移植的作用

粪菌移植已被证明是比抗生素更有效的复发性艰难梭菌感染 (CDI) 治疗方法。然而,与肥胖不同,从病理学的角度来看,CDI是一种相对简单的疾病,其中肠道微生物群的因果关系是明确的。

在一项对患有胰岛素抵抗的肥胖受试者进行的粪菌移植试验中。受试者接受自己的粪便(自体)或瘦供者粪便(同种异体)。短期内在接受瘦供体粪菌移植的受试者中观察到对胰岛素敏感性有益影响

进一步研究表明基线肠道菌群有利于粪菌移植的成功。在这里,当接受同种异体粪菌移植时,在α-多样性降低的受试者中,粪菌移植成功率更高

总的来说,与那些肠道微生物组组成尚未严重恶化的受试者相比,那些α-多样性较低的受试者有更大的改进空间。

✦其他影响粪菌移植的因素

一项研究,其中包括几个调查不同疾病的粪菌移植队列,显示生态变量(如低α-多样性)与临床变量(如抗生素治疗和灌洗)一起在植入成功中发挥作用

他们进一步表明,通过合并供体样本来增加α-多样性预计不会增加供体菌株的植入,这表明合并供体样本在功能上并不等同于单个高α-多样性供体样本。

对队列进行的分析表明,P.copri对接受同种异体粪菌移植的受试者具有有益的影响。P.copri与BMI、C反应蛋白和空腹胰岛素水平进一步呈负相关

此外,肠道微生物群的变化可能与特定血浆代谢物水平和血浆单核细胞中DNA甲基化的变化有关,为肠道微生物群影响肥胖相关疾病的机制提供了额外线索。

验证细菌植入的生物学工具

最近开发了几种工具来帮助解开粪菌移植中肠道微生物组肥胖之间的关系。

为了验证来自瘦供体的菌株是否已移植到受体中,需要进行菌株跟踪分析。比较了七种不同的生物信息学工具,用于在数据集上进行应变跟踪

减轻肥胖和相关疾病负担有前景的方法

Levin E,et al.Therap Adv Gastroenterol.2022

分析健康瘦供体粪便的微生物组成,以选择具有高 α 多样性(以及其他)的供体,这可以被视为存在复杂的健康相关营养网络的标志。

如果合适,然后将高α多样性供体的粪便转移到肥胖的接受者身上,这可能会减轻低度炎症。在粪菌移植之后,使用菌株追踪在接受者的粪便中追踪肠道微生物群基因组中特定位置的特定SNP的供体菌株验证。

在这里,观察到概率工具在宏基因组测序数据上表现最好。然而,随着最近开发的两种新的应变跟踪工具,这一技术领域仍在快速发展。

其中一个工具是基于物种特异性标记基因中的单核苷酸变体跟踪菌株,另一个是先前发布和改进的进一步构建工具,应用应变跟踪方法。

在接受粪菌移植后调查了受体中的菌株植入,观察到供体和受体特异性菌株可以共存。与此同时,发现肥胖受试者的粪菌移植胶囊会导致微生物群落组成发生变化,从而导致受试者从一种肠型转变为另一种肠型。这随后改变了菌群的代谢潜力。微生物组向供体的转变与α多样性正相关

此外,肠道微生物群组成的变化在治疗后持续26周。本研究结合了多个供体的粪便,并表明一些供体具有用于移植的高效微生物群,这意味着供体粪便的组成和整个营养网络的转移,而不是添加单个分类群的重要作用

07

预防和治疗肥胖的建议

预防肥胖

——鉴于肥胖症如此普遍,并且考虑到治疗的难度,预防尤为重要。

为预防超重和肥胖,人们应该根据自己的营养需求进食和饮水,定期锻炼,定期检查体重

•少吃高热量食物

就营养而言,他们应该少吃高能量密度的食物,多吃低能量密度的食物。由于水分或纤维含量高而能量密度低的食物,如全麦制品、水果和蔬菜,相对来说更能饱腹,能量含量也较低。地中海饮食有助于预防超重和肥胖。

还应减少酒精、快餐和含糖饮料的消费。快餐通常含有高比例的脂肪和糖,因此能量很高。不仅是加糖的饮料,还有果汁和果汁饮料,含糖量也很高

•避免久坐或不活动

经常坐着看电视或上网和类似活动的不活跃生活方式会促进体重增加。在日常活动和休闲活动中进行锻炼具有预防作用。这个目标最好通过每周2小时以上的以耐力为重点的体育锻炼(使用大肌肉群)来实现。

肥胖的治疗方法

✦饮食疗法

为了减轻体重,目标应该是遵循减量饮食,这将产生约500kcal/天的热量缺口,或在个别情况下更多。

每天500至600kcal的能量缺口将使体重减轻,以约0.5kg/周的速度发生,持续12周最多24周。

低碳水化合物饮食在开始时会比其他饮食导致更剧烈体重减轻,但一年后就看不到差异了。过去几年的几项大型研究表明,常量营养素组成(脂肪、碳水化合物和蛋白质的比例)与减肥无关。各种减脂饮食可在1至2年内减掉约4公斤。个人经验、知识和资源比营养关系更重要

✦益生菌帮助减肥

已经证明几种益生菌,单独使用或以共生混合物的形式使用,能够通过物种和菌株特异性机制(例如,肠道微生物群调节、降低胰岛素抵抗、更强的饱腹感)来治疗肥胖

更具体地说,乳酸杆菌和双歧杆菌物种由于其低致病性低水平的抗生素耐药性而已成功用于成熟的肥胖动物模型。

益生菌对减肥作用的一些实验

Abenavoli L, et al. Nutrients.2019

与安慰剂组相比,这些治疗导致不同程度的体重增加减少脂肪累积减少

所以在一些时候,我们可以利用例如乳酸杆菌等益生菌来帮助我们减肥

✦增加运动

有效的减肥需要>150分钟/周的运动,能量消耗率为1200至1800kcal/周。单独的力量训练对于减轻体重作用不大

运动中消耗的能量常常被高估。当使用大肌肉群,强度适中到高,运动时间长时,体重减轻是可以预期的。对照良好的研究和荟萃分析显示,在6至12个月内体重减轻了约2公斤,腹部脂肪减少了约6%.

应该向超重和肥胖的人解释运动的健康益处(代谢、心血管和社会心理),无论体重减轻如何,这些益处都会产生。即使在肥胖个体中,增加运动的健康价值不仅仅体现在体重减轻上。

✦行为矫正干预

在团体或个人中,基于行为方法的干预应成为减重计划的一部分。

干预的主要目的是改变营养运动方面的生活方式,并且可以由合格的非心理治疗师进行。如果伴随超重或肥胖的症状更严重,精神科医生或心理治疗师应参与患者管理,并应支持患者进行饮食治疗锻炼

08

结语

肥胖肠道微生物群以多种方式交织在一起。饮食的类型及其数量会影响能量的可用性并因此影响肥胖,但也会强烈影响肠道微生物组,这反过来又可以放大饮食的致肥胖特性,或另一方面提供各种保护性益处

许多微生物衍生的代谢物,包括短链脂肪酸、胆汁酸、吲哚和其他氨基酸,对健康同样至关重要。过量或缺乏这些,或者更具体地说,在任何这些方式中改变的整体组成,都可能是致肥胖的。

通过本文更好地了解肥胖以及其发病机制与微生物组之间的关系,有助于在日后的生活中更好地应对肥胖,使人人都有一个健康的身体。

主要参考文献

van der Vossen EWJ, de Goffau MC, Levin E, Nieuwdorp M. Recent insights into the role of microbiome in the pathogenesis of obesity. Therap Adv Gastroenterol. 2022 Aug 9;15:17562848221115320. doi: 10.1177/17562848221115320. PMID: 35967920; PMCID: PMC9373125.

Canfora, EE, Meex, RCR, Venema, K, et al. Gut microbial metabolites in obesity, NAFLD and T2DM. Nat Rev Endocrinol 2019; 15: 261–273.

Abenavoli L, Scarpellini E, Colica C, Boccuto L, Salehi B, Sharifi-Rad J, Aiello V, Romano B, De Lorenzo A, Izzo AA, Capasso R. Gut Microbiota and Obesity: A Role for Probiotics. Nutrients. 2019 Nov 7;11(11):2690. doi: 10.3390/nu11112690. PMID: 31703257; PMCID: PMC6893459.

GBD 2015 Obesity Collaborators . Health effects of overweight and obesity in 195 countries over 25 Years. N Engl J Med 2017; 377: 13–27.

Chauhan, S, Jena, KK, Mehto, S, et al. Innate immunity and inflammophagy: balancing the defence and immune homeostasis. FEBS J. Epub ahead of print 26 November 2021.

Beukema, M, Faas, MM, de Vos, P. The effects of different dietary fiber pectin structures on the gastrointestinal immune barrier: impact via gut microbiota and direct effects on immune cells. Exp Mol Med 2020; 52(9): 1364–1376.

人生的镜像-菌群人生,从出生到死亡的菌群演替

谷禾健康

每个人的一生都会经历很多,从出生到长大健康到衰老疾病。你的出生、遗传、家庭环境、很大程度上决定的人生起点,日常的饮食、行为习惯决定你的身体成长,一些不同的选择或意外的事件又会让人生有很多起伏和不同。

每个人的菌群和我们的人生一样也是独一无二的,我们菌群的特点反映着不同人各自生活的烙印。从母亲的腹中开始影响和决定了我们最初的菌群,出生方式、喂养的食物、用药等都决定了我们的菌群基数。当我们开始从喝奶到开始摄入辅食,我们的菌群也同样迎来巨大的演变。当我们生病、感染、运动、饮食、社交、虚弱、衰老这些同样反映在我们菌群的变化和演替上。

相对的,当我们更多的了解我们的菌群,善待和改善它们,同样的变化也会出现在我们的身体和生活中。

越来越多的证据表明,年龄与人类微生物群之间的关联很大,肠道微生物群是许多年龄相关变化的核心,包括免疫系统失调疾病易感性。几个身体部位的微生物组成可以相对准确地预测人类的年龄。

谷禾健康肠道菌群检测数据库中,也有关于肠道年龄预测:

谷禾健康-肠道年龄预测模型图

<来源:谷禾健康肠道菌群数据库>

可以看到,肠道年龄和生理年龄基本是符合的。健康人的肠道菌群年龄恰恰是最符合真实年龄的,与真实年龄差异大意味着肠道菌群出现偏离

健康的人存在多样化且平衡的肠道菌群。微生物群中与年龄相关的变化归因于生理,生活方式和健康状况。这些因素中的每一个都与某些菌群的相对丰度变化有关。

例如,饮食、卫生、兄弟姐妹、宠物、过敏、儿童疾病和抗生素是影响儿童微生物组的一些突出因素。到了成年期微生物群相对稳定,而到了老年期,一些有益菌开始逐渐下降,菌群又向另一个阶段过渡。

在从出生到死亡和分解的每个生命阶段,微生物群落都是身体的动态组成部分。研究微生物群的自然和诱导变化有可能彻底改变我们对人类生物学的理解。

本文介绍了健康人的微生物群在一生中的变化,讨论了从出生时菌群构成,到疾病或抗生素使用时的变化,再到死亡时的微生物扩展的各个阶段,以及这些阶段在身体部位组成(细菌、真菌或病毒)上的差异。了解微生物群与年龄关系的未来研究方向,以此对人体微生物群及基于此的干预有更好的了解。

01
人体内的微生物群

微生物群落存在于人体的每个粘膜表面,人的每个身体部位都有一个独特的生态学。每个人的微生物群像指纹一样,都是独特的

在个体内,特定的身体部位地理位置和个体的年龄与健康微生物群具有强的关系。年龄驱动人类微生物群的α多样性β多样性

在了解各个阶段的微生物群变化之前,我们先了解一个概念:微生物演替。

微生物演替是指微生物群落中一种或多种生物的存在相对丰度绝对丰度变化

在正常或健康衰老期间,微生物演替的三个主要阶段自然发生在人类生活中。

三大不同阶段的微生物群变化

✦初级演替(出生时先锋菌群定植,快速变化直到童年晚期)

第一阶段,初级演替,从先锋物种首次建立群落时开始,随后微生物群落发生快速变化。从出生到童年,变化率降低,许多中间物种存在于出生到童年晚期之间。

初级演替结束于顶级群落的形成,在青春期实现,并在很大程度上持续到成年;该群落的特征是其相对稳定

虽然成年期的微生物群比儿童期更稳定,但仍然存在变异,这引发了关于人类微生物群中是否存在顶级群落的争论。成年微生物群的自然变异存在于小时(昼夜节律)到年(老化)的时间尺度上,但微生物群相对稳定,除非存在干扰,如饮食或药物的改变

✦次生演替(菌群的改变,重建)

下一个阶段,即次生演替,发生在一个先前存在的稳定群落一部分被改变或移除之后,然后群落再生相同的状态或不同的状态。这可以通过抗生素等医疗手段人为实现,也可以通过霍乱弧菌感染等疾病自发实现

人类的次生演替的特征是至少有一段时间的随机过程主导地位。在诱导条件下,如单疗程抗生素,群落遵循类似于初级演替的过程,其中现有微生物群落的一部分充当“微生物记忆”,帮助重建一个类似于以前存在的群落。

这一过程被认为是由核心微生物群驱动的,而不是驱动初级演替的先锋微生物。

✦末期演替(自然衰老和死亡阶段)

最终的末期演替是宿主自然衰老和死亡的一部分。在老年期间,微生物群落再次以更高的变化率,成功产生了一个由更少成员组成的群落,通常变形菌门(也称为假单胞菌)的相对丰度增加,有时占总优势。

研究演替的每个阶段使研究人员能够解决与人类相关的微生物群落是如何形成和维持的。通过了解这些过程,我们可以更好地了解微生物群随着年龄的增长的变化及其与人类健康的关系,了解如何管理微生物群

人类相关微生物群从受孕到死亡的变化

Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022

常驻细菌、真菌和病毒的多样性在人类生命的各个阶段都会发生变化。模拟时钟代表每个微生物群落阶段发育的宿主年龄的相对时间。

免疫印记在出生前通过母亲的微生物群及其代谢物开始(第一栏)。先锋物种的初始定殖始于出生,身体部位特定的微生物群落出现(第二栏)。这些群落的复杂性不断增加,直到它们达到相对稳定的群落结构(第三列和第四列)。

这些微生物群落的次生演替可能来自内部外部扰动(第五栏)。中间微生物重新建立初始群落,并再次达到稳定状态(第六列和第七列)。

在晚年,随着寄主接近自然死亡,群落经历了最后的演替和变化(第八栏)。微生物演替的最后阶段发生在腐败和分解阶段。在此阶段,多样性进一步下降,在最初的24-48小时内,许多人类微生物群结构保持不变,但随后很快开始侵蚀分解(第九栏)。

绿线和蓝线分别显示了微生物演替不同阶段的适应性免疫先天免疫相对强度

不同年龄段的细菌多样性测量

Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022

美国一个肠道项目集中测量了从儿童到老年的人类粪便(a部分)、口腔(b部分)和皮肤(c部分)微生物群的细菌多样性系统发育史,该项目包含21919个粪便、1920个口腔和998个皮肤微生物群样本,带有16S核糖体RNA基因扩增子序列。

α多样性,一种对样本中不同类型微生物数量的定量测量,通过Faith的系统发育多样性(PD)α多样性度量跨年龄测量

UniFrac β多样性主坐标分析,一种用于比较微生物群落相似性的方法,其中空间上接近的点表示相似的样本,空间上远离的点表示不同的样本,按年龄着色。

02
生命早期的“先锋菌群”

✦胎儿时期——菌群及代谢物影响免疫发育

塑造人类微生物群的第一个因素来自胎儿发育过程中的母亲。

胎儿通过胎盘接触到母亲微生物群落产生的代谢物,这些代谢物会影响其免疫系统,并会影响正常微生物群和后期病理学的各个方面。代谢物,如短链脂肪酸(乙酸盐)和其他微生物化合物,可以通过胎盘转移到胎儿体内,并影响免疫发育母亲的饮食和健康也会影响这些代谢物。

胎儿组织中的乙酸盐影响与成人调节性T细胞生成相关的表观遗传印记,其与防止生命后期哮喘的发展相关。

✦出生后——菌群受出生模式,饮食,环境等影响

出生后,微生物群落根据身体部位迅速分化

在最初的时候,先锋物种和未来4年的群落发展可能会受到出生模式妊娠时间的影响。中间群落由饮食影响,如母乳或配方奶粉的消费,以及环境。

最后,饮食和环境再次塑造了稳定的顶级群落。主要由真菌、细菌和病毒组成。

子宫内和生命早期的主要演替

微生物代谢物和配体调节宿主芳基烃受体,这有助于塑造新生儿微生物和免疫发育。母亲使用抗生素和胃肠道相关疾病,如炎症性肠病,也被认为会通过胎儿免疫系统的印记增加后代的病理风险

然而,这些联系仅在非人类实验中研究过。在一个案例中,由患有炎症性肠病的孕妇或其新生儿的微生物群所定殖的无菌小鼠继续发展出异常微生物群和指示炎症性肠病的免疫发育

✦怀孕期间母体的微生物群与免疫系统的变化

在怀孕期间,母亲的微生物群免疫系统也发生了改变。母亲的阴道微生物群变得更加多样化,通常由在其他身体部位发现的许多微生物群组成。

孕期母体免疫系统与胎儿形成协同作用,包括通过胎盘转移IgG抗体

新生儿先锋细菌的定植

关于出生时获得的微生物群是否通过混合来源于阴道和粪便,或者阴道微生物群本身在出生时是否具有多能性,是否是微生物先驱的主要来源,存在一些争议。

无论确切的母体来源如何,这一阶段的特征是先锋细菌种类。包括下列菌群:

  • Lactobacillus
  • Enterobacter
  • Escherichia
  • Bacteroides
  • Parabacteroides
  • Prevotella

然后这些细菌定居在常规身体部位:肠道、口腔和皮肤

许多先锋细菌是兼性厌氧菌,它们会消耗氧气,从而使专性厌氧菌能够在以后的每个环境中定居。起初,新生儿的每个身体部位都相对未分化,但先锋微生物很快开始启动身体部位依赖性微生物多样性的级联,至少在生命的第4到第6周,每个部位的细菌都可以很容易地区分

先锋细菌进驻后,生命早期的微生物群逐渐开始形成。接下来的章节我们来了解生命早期的肠道,口腔,皮肤等各部位的微生物群(包括细菌、真菌、病毒等)。

03
生命早期的各部位微生物群特征

肠道微生物群

✦肠道细菌群——双歧杆菌主导

人类肠道细菌群落的发展已经得到了很好的研究。

双歧杆菌属一直占主导地位,直到在生命的第一年结束时,它们被双歧杆菌、梭状芽孢杆菌和拟杆菌属的组合所取代。拟杆菌属的丰度增加,而双歧杆菌属等物种的丰度相对减少。

双歧杆菌分解母乳低聚糖,开始终生影响免疫系统

最近,一项研究发现,双歧杆菌等细菌含有母乳低聚糖分解代谢所需的基因,与婴儿免疫发育之间存在功能联系。特别是,接受Bifidobacterium infantis EVC001极化初始T细胞的婴儿的粪便水与来自对照组的粪便水平不同,其方式与减少肠道炎症有关。

其他菌属也可降解母乳低聚糖(如拟杆菌、阿克曼菌)

到3-6岁时,肠道细菌群落汇聚到整个成年期持续的顶级群落。这一微生物群是已知的密度最大多样性最强的生态群落之一。通常,在这段时间内,普通健康人中只有两个细菌门占优势:厚壁菌门和拟杆菌门

✦肠道其他微生物群——真菌、古细菌、病毒

在人类肠道发育过程中,对病毒组真菌组古菌组的研究远远少于细菌组。在整个生命周期中,真菌群落所占的总数远远少于细菌组或病毒组。

//真菌群落

真菌群落在生命的最初几天含有大量的RhodotorulaDebaryomyces,接下来的一个月则是CandidaCryptococcusSaccharomyces spp.。

到成年时,主要的真菌属AspergillusCandidaSaccharomyces

//古细菌群落

发育期间肠道的古细菌群落尚不清楚,但古细菌是一些最早移生菌落,但丰度较低

早期定植的古细菌包括MethanosphaeraMethanobrevibacter

// 病毒群落:噬菌体家族在出生后就开始流行

主要由噬菌体组成的病毒群落在出生后的第一周数量众多。噬菌体家族SiphoviridaePodoviridaeMyoviridae在出生后立即流行,主要以溶原形式整合到细菌基因组中。

到生命的第四个月,有尾噬菌体目大量生长,成员更常为裂解型(传染性噬菌体颗粒或主动复制的噬菌体)。

在成人中,CaudoviralesMicroviridae在肠道噬菌体群落中占主导地位,但噬菌体肠道病毒组对个体具有高度特异性,其演替仍有许多未知之处。

与噬菌体不同,感染真核病毒的肠道病毒组主要与儿童和成人的病理相关。最近,在健康儿童和健康成人中也观察到一些感染真核细胞的病毒丰度较低,但其发生时间和流行率尚不清楚

口腔微生物群

✦口腔细菌群:出生后几个月逐渐趋于稳定,牙齿形成后再次转变

出生时口腔细菌群在以下菌属中的流行率很高

  • Streptococcus
  • Gemella
  • Granulicatella
  • Veillonella

在接下来的几个月里,LactobacillusFusobacterium开始流行Staphylococcus的丰度在出生后3个月左右达到峰值,然后稳步下降,让位与更高丰度的GemellaGranulicatellaHaemophilusRothia spp.

牙齿形成后,口腔微生物群再次转变,在成年期具有更高丰度的梭杆菌门, Synergistetes, Tenericutes, Saccharibacteria (TM7), SR1 。

✦口腔其他微生物:成年口腔含产甲烷菌,最常见的噬菌体群是尾状病毒

口腔真菌群落被认为比皮肤和内脏的真菌多样性少Candida spp.是口腔的第一批真菌定植菌。对中级口腔真菌群落知之甚少,但成年人CandidaCladosporiumAureobasidium

AspergillusFusariumCryptococcus spp.的丰度较高

发育过程中的口腔古菌体尚不清楚,但成年口腔中含有许多古菌产甲烷菌,包括甲烷杆菌属。

目前对人类婴儿口腔中病毒的知之甚少。在成年人中,与肠道类似,最常见的噬菌体群是尾状病毒。

口腔病毒群在本质上通常被视为病理性的(例如柯萨奇A病毒、麻疹病毒、红疹病毒和人乳头瘤病毒),并且没有对病毒群落组成进行纵向研究。然而,在无症状和健康成人中也观察到许多真核病毒分类群。

皮肤微生物群

✦皮肤细菌群落:出生时母亲阴道乳杆菌属占据较多,4-5周与成人相似

皮肤细菌群落在出生时含有大量的母亲阴道乳杆菌属。到第4-5周,婴儿皮肤微生物群与成人皮肤微生物群相似,但在青春期继续变得更具位点特异性

StaphylococcusCorynebacterium不同位点PseudomonasEnterobacterEnterococcus,

ProteusKlebsiella特定位点(如腋窝与前臂)。

✦皮肤其他微生物:马拉色菌占比较高,古细菌占4%左右

在皮肤真菌群落中,MalasseziaCandida和 Saccharomyces在生命的前30天最为普遍。对于中间群落的确切组成知之甚少,但成年真菌群落中Malassezia丰度通常很高,估计约占真菌群落总组成的75%至90%

关于皮肤古细菌群落的发育情况了解较少,但古细菌约占成年人菌群的4%。大体上,成年人皮肤古细菌群由Thaumarchaeota门和Euryarchaeota代表。在成人皮肤上也发现了Halobacteriaceae和 Methanobrevibacter

与肠道和口腔不同,健康的皮肤微生物群拥有相对较少的已知病毒多样性,很少有对其进行研究,可能是由于与低生物量样本相关的技术限制。不过,皮肤上有一些自然存在病毒群

以上了解关于生命早期肠道、口腔、皮肤的微生物群,那么哪些因素会给生命早期的微生物群发展带来影响?

影响早期微生物群落发展的因素

在生命的最初几年中,有几个因素塑造并区分了微生物群落的发展。

✦出生方式和母体抗生素的使用

出生方式和母体抗生素的使用是影响人类微生物群落的研究最好最清楚的因素之一。然而,微生物的发育可能会导致独特的结果,即使是在同居的同卵双胞胎中,这可能是由于许多未知或随机的过程。

通过剖腹产和围产期和新生儿抗生素暴露,自然微生物群落的建立过程可能会在所有身体部位受到干扰。这一发现突出了阴道微生物群落重要性,阴道微生物群落自然含有大量Lactobacillus spp.,但在青春期发生改变,对女性健康至关重要

一些最佳样本的婴儿发育研究,通常缩写为DIABIMMUNE ECAM和TEDDY,在婴儿出生后的前2年3年进行了随访,重点关注抗生素使用出生方式影响

在上述所有研究中,阴道分娩的婴儿的拟杆菌属相对丰度高于剖腹产婴儿。

由于缺乏建立微生物群落的天然先锋微生物群导致可变的群落组成被认为是由随机过程而不是确定性过程驱动的,出生模式对微生物群落组成的影响直到生命的第四年仍然可见。

出生模式影响的一个例外是早产,可能是由于在出生后的头几天大量使用抗生素,其特点是无论出生模式如何,微生物发育都不稳定。婴儿微生物群自然发育的这种改变与感染、免疫疾病、肥胖和神经内分泌异常风险增加相关。

✦母乳喂养:母乳低聚糖给菌群带来稳定性

其次,与其他因素相比,母乳喂养对微生物群的发育有很大影响。与母乳喂养相比,配方奶粉的使用导致了更高的多样性更不确定的微生物群落。

例如,考虑到出生时肠道中双歧杆菌科自然优势缺乏某些母乳低聚糖作为主要营养源可能会导致初始定植的不稳定性。然而,微生物群、牛奶代谢组和免疫系统发育的多组学整合是一个活跃且快速发展的研究领域。

除了母乳低聚糖,母乳还含有其他免疫调节化合物,例如革兰氏阴性细菌的脂多糖、分泌性IgA、先天免疫因子、抗菌肽和益生元因子。

最后,所有这些因素都会影响人类免疫发育。微生物相关分子模式识别受体与微生物群衍生分子相互作用,代谢物如短链脂肪酸(与GPR43、GPR41和GPR109相互作用)和次级胆汁酸(与FXR相互作用)直接影响免疫发育

//

这些因素加在一起,有助于形成一个独特的、相对稳定的细菌、真菌和病毒微生物群落,这种微生物群落在人类生命的大部分时间都持续存在

04
成人微生物群的变化

前面章节了解了婴儿期初级演替期间发生的巨大变化,与之相比,成年期微生物群基本上是稳定的(15-65岁),但该群落可能会受到干扰,因此本章节从以下三方面展开讨论:

  • 菌群的自然稳定波动(昼夜节律,饮食,清洁等)
  • 菌群受到某些因素的干扰(药物、疾病等)
  • 微生物群受干扰后的恢复

成年微生物群的自然稳定波动

健康成年人中某些细菌的基因组随着时间推移而进化,表明在次生演替中,功能组成进化以稳定状态发生。

• 昼夜节律影响菌群变化

成人微生物群也会发生自然的短期变化,时间尺度为一天到数月或数年。

短期变化的一个典型例子是微生物群落组成的昼夜节律。与昼夜节律相关的人类基因表免疫激活,以及肠道微生物群中细菌的丰度组成也遵循这种模式。

在小鼠中表现出昼夜循环的细菌家族包括瘤胃球菌科毛螺菌科Muribaculaceae疣微菌科,但对人体的等效周期知之甚少。

青春期和成年生活中的二次演替

Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022

• 口腔和皮肤的微生物群随清洗而变化

在口腔中,整组真菌和细菌的每日振幅刷牙频率一致。在皮肤上,真菌和细菌每天的变化也与洗涤频率一致,并依赖于个人护理产品。

• 饮食会影响肠道微生物群

一个经过充分研究的发生在几周到几年范围内的变化的例子是饮食驱动的肠道微生物群的改变。饮食对微生物群落有很大影响,可以包括群落中的自然可逆变化

例如,坦桑尼亚哈扎部落在旱季食用富含肉类和块茎的饮食,但在雨季食用富含蜂蜜和浆果的饮食,在杆菌等属中表现出较大季节波动

饮食对微生物群形成的巨大影响也可能在人类健康中发挥作用,许多工作致力于了解特定的饮食成分总体饮食模式如何影响微生物群及其对健康的影响

肠道细菌喜欢大量的水果、蔬菜、全谷物、橄榄油等健康食物。研究表明,饮食主要由富含纤维的食物(如地中海饮食)组成的人具有更大的微生物组多样性,并且通常更健康

此外例如,西方饮食中红肉含量高,这与全因死亡率有关。肠道微生物群可能以有害的方式将红肉中富含的左旋肉碱转化为三甲胺,而肝脏则将三甲胺转化为三甲胺氮氧化物,据推测这会促进动脉粥样硬化

肠道微生物群也可以起到保护作用,例如,在红肉被肠道吸收之前将其分解,以防止炎症。除了饮食,还有许多其他因素有助于形成成年微生物群,包括遗传学、地理、宿主因素,如代谢病和药物。

扩展阅读:深度解析 | 炎症,肠道菌群以及抗炎饮食

微生物群受到干扰

• 抗生素对微生物群的影响巨大

由于微生物群的破坏而发生的次生演替已被广泛研究和审查。在破坏微生物群的众多因素中,抗生素最强的,治疗后的恢复率往往各不相同

抗生素治疗后肠道微生物群反弹的能力被认为取决于特定的群落成员,如拟杆菌和青春双歧杆菌。

扩展阅读:抗生素对微生物组及对人体健康的影响

细菌的天敌抗生素,如何用好这把救命的双刃剑?

疾病本身也会破坏微生物群,无论这种变化是由微生物群落内部、宿主还是多种因素共同引起的。

• 疾病破坏菌群

——肠道:炎症破坏菌群

肠道中的许多其他疾病,如炎症性肠病,破坏了微生物群落,但没有达到新的稳定群落组成,而是在没有干预的情况下继续长期不稳定

——皮肤:炎症引起金黄色葡萄球菌大量增殖

在皮肤上,特应性皮炎的特征是免疫介导炎症引起的金黄色葡萄球菌大量繁殖细菌多样性减少。在金黄色葡萄球菌大量繁殖期间观察到马拉色菌属的数量减少,反之亦然,真菌数量增加导致金黄色葡萄菌数量减少,这部分可能是由于真菌产生蛋白酶的能力,蛋白酶消化金黄色葡萄球菌生物膜并降低细菌逃避免疫系统的能力。

——口腔:细菌和真菌间的竞争和协同

口腔中也存在类似的跨界相互作用;例如,真菌白色念珠菌的定殖依赖于细菌生物膜,但同时,PseudomonasStaphylococcus等细菌属分别形成竞争协同关系

这些例子强调了微生物群落的相互作用和演替是如何跨域和与宿主作用的,但由于其高阶相互作用的复杂性质,仍然没有完全理解。

微生物群落的恢复

干扰后微生物群落恢复的障碍导致许多研究人员探索有针对性地恢复微生物群落的干预措施的可能性。微生物群落恢复包括定向重新播种或某些物种的富集耗竭旨在促使微生物群落恢复到接近扰动前的水平。

这可以通过益生菌益生元抗生素或其他药物、从健康个体移植完整的微生物联合体或这些的组合来尝试。

尽管这些疗法在某些特征明确的环境中可以非常有效恢复健康的微生物群落,但它们往往因缺乏与现有群落相互作用的机理知识,或因其仅短暂移植的能力而受到限制

为了解决这些,研究集中在两个领域:

第一个领域涉及更好地了解群落是如何组合的。例如,对人类发育的研究有助于确定微生物群落在发育过程中如何聚集,以及这种聚集在生命后期影响

其次,正在开发新方法,通过探索微生物群落相互作用确定机制,包括计算和实验,包括高通量共培养和微生物群落的基因组编辑。

为了解决瞬时性问题,采用了两种主要方法:

首先,微生物群疗法的短暂和个性化影响是由每个人的微生物群的个体性质决定的。因此,精准医学群落改变的目标定位于每个人独特的微生物群,前景广阔。例如,基于微生物群落组成的个性化营养在盲法随机对照干预中有效地改善了餐后血糖。

另外,超越细菌组,探索病毒组真菌群落及其之间的相互作用,具有巨大的前景。例如,噬菌体疗法已经用于严重的耐药细菌感染,并且对目标细菌菌株具有高度特异性。但大多数此类干预措施仍处于初步研究阶段,且规模成本高昂。

05
老年微生物群的特征

前面章节我们了解了成年微生物群的变化,以及变化后的恢复情况等,成年稳定微生物群在老年时转变为最终群落,本章节来详细了解老年微生物群。

“老年”的确切时间尺度取决于其他几个与宿主相关的因素,如疾病,但迄今为止大多数文献将“老年人”定义为65岁及以上的人。

接近寿命终点的晚期演替

由于生物编程和生命中损伤的累积而导致衰老影响细胞功能的各个方面,微生物群也不例外。随着年龄的增长,肠道微生物群α多样性减少β多样性增加

关于老年微生物群,仍有许多未知之处,而文献也有些矛盾(一项报告称65岁及以上成年人拟杆菌数量增加,与其他研究相矛盾),大多数研究都集中在肠道细菌上。

老年微生物群:年轻优势菌丰度减少

一般而言,肠道中观察到的群落演替是年轻成年人中占优势和普遍的细菌属丰度减少,如BifidobacteriaBacteroidesLactobacillus抵御机会细菌爆发的能力降低

• 皮肤

在65岁及以上的人群中,genera CutibacteriumStaphylococcus的皮肤细菌数量减少,同时观察到的Corynebacterium

• 口腔

在口腔部位,RothiaStreptococcus spp.是核心口腔细菌群落PorphyromonasTreponemaFaecalibacterium spp.的数量持续减少

• 肠道

老年期肠道真菌群落的特征是PenicilliumCandidaAspergillusSaccharomyces spp.的优势度增加

在皮肤和口腔部位的研究很少,但老年期皮肤上的Malasseziaspp.和口腔内的Candidaspp.丰度减少

在肠道噬菌体中,成年期的Siphoviridae主导地位,而老年期的MicroviridaePodoviridae则占主导地位。与肠道细菌、真菌和噬菌体群体相比,真核病毒的多样性在童年后和整个余生中保持不变

研究重点

由于个体之间的高度变异性,老年微生物演替的研究重点主要是比较健康不健康的衰老。

目前尚不清楚微生物群是否在健康衰老中起着机械作用,还是仅仅是其他变量的一个有力指标,如饮食、运动和药物。然而,在那些长寿健康的人中,可以观察到在健康成年人中高度流行的菌群的持续保留方面的共同点。

然而,百岁老人表现出更独特的微生物群,α多样性增加,群落组成的个体间差异更大,使“健康”和“不健康”年龄之间的比较复杂化次生胆汁酸在百岁老人中含量丰富,也可能在健康老龄化中发挥作用。尽管前景看好,但这一研究领域仍处于起步阶段。

扩展阅读:肠道菌群与健康长寿

06
死亡后的微生物群落

• 微生物的演替不会随着个体的死亡而结束

宿主的死亡可以视为微生物群的生态干扰。心脏停止后,组织立即因缺氧而开始分解。细胞功能持续,直到所有剩余的氧气耗尽,二氧化碳不再能够从组织中运输为止。细胞内二氧化碳的积累创造了一个缺氧的酸性环境导致细胞破裂。

细胞成分,例如酶会泄漏到周围环境中,在被称为“自溶”的过程中进一步促进组织分解。自溶通过消除免疫系统松开细胞连接并为微生物群提供营养触发了一系列负责组织分解的微生物过程。

死亡后的微生物群

Martino C,et al.Nat Rev Microbiol.2022

• 死亡后微生物群分解

人类微生物群在死亡后的前24-48小时内相对稳定,具有不同的身体部位微生物生态、年龄的α多样性模式和可识别的个性化皮肤微生物群特征。

在分解的最初几天到几周内,腐败主要由细菌进行,但随着分解的进行,真菌作用增加。然而,在这个过程中,对病毒组的演替功能作用了解甚少。

随后,环境变化促进了微生物的演替,改变了人体和微生物群,不再像活着的个体(除非身体被冷冻)。

由于缺乏宿主生活中先前遇到的环境限制,使得微生物的相对丰度发生了快速变化以及在身体各部位的移动。迁移的细菌群成为从肠道转移到肠外部位的先锋物种,根据身体部位参与初级演替或次级演替。

• 死亡微生物群——生物指示器

死亡微生物群因其对法医调查的影响而引起了越来越多的关注。与多个个体和身体部位相关的一致的时间序列模式证明,死后微生物群可以作为死后间隔的生物指示器

每个尸体的死后微生物群都是独一无二的,并且根据死亡时间、死因、环境、死亡地点和年龄以及开始时身体部位之间的差异,尸体之间的微生物群是不同的

当微生物演替包括群落成员的快速更替时,在分解的早期阶段(即死亡后的前2-3周),死后时间间隔估计更为准确,但在分解的后期阶段(例如骨骼)仍然有用,因为几乎没有证据可以估计死后时间间期。

• 死亡原因与微生物群存在联系

还证明了与死亡原因和微生物群存在的联系。例如,在死于心脏病的个人的口腔微生物群中发现了的Rothia spp.

此外,皮肤微生物群脱落可能通过将个人与他们接触过的物品联系起来,从而有助于追踪证据;然而,这一独特特征能够准确匹配到个体的时间取决于对象的材料和用途。

07
关于微生物群研究中的取样和实验设计

研究设计和样本收集

人类微生物群是动态的。考虑到这一点,设计一种能够捕捉微生物群的时间空间变异性的采样策略非常重要,特别是当这些波动与所提出的科学问题相关时。

✦测量时间不同:多个时间点的样本采集

横断面研究从每个个体收集一个样本,而重复测量研究在多个时间点身体部位收集样本。随着时间的推移,采样频率应该调整到研究人员试图观察的现象。

例如,小鼠昼夜节律研究通常每2-4小时收集一次粪便样本;而在炎症性肠病中,在一周内对患者进行三到五次采样可以改善疾病分类。

在其他应用中,例如研究特定治疗对个体微生物群的影响,这可能与进行“一对一”研究有关,在该研究中,同一参与者被反复检测其微生物群的结果变化;治疗前采集的样本被视为个体水平的对照。

✦测量空间不同:城市化/农村环境不同

同样重要的是要考虑到人口的微生物群高度依赖地理种族

例如,在一个大型中国群体中,一种与年龄高度相关的微生物在一个美国大型群体中根本没有检测到。

另一个具体的例子涉及城市化社会的“建筑环境”;城市化人群通常较少接触环境微生物,更多地使用家用抗菌剂,与来自农村社会的人类微生物群相比,这导致了重大变化

这些考虑因素与微生物群领域尤其相关,因为大多数公共微生物群数据来自城市化的北美和欧洲人。因此,现有数据集的结论可能无法很好地推广到全球人口。

数据生成

从人类微生物群和微生物群研究中生成的测序数据的主要类别是扩增子测序数据和鸟枪测序数据。

✦扩增子测序

在扩增子测序中,对已建立的高变区的PCR产物(扩增子)进行深度测序,从而能够通过与个体“条形码”匹配来识别测量群体成员。

这里有两种选择:要扩增的基因和该基因的哪一部分要扩增。微生物基因组的常见扩增区域包括:细菌的16S核糖体RNA基因、真核微生物的18S核糖体DNA基因和真菌的内部转录间隔区。

每个特定基因中高变区的选择取决于要捕获的特定微生物,但广泛使用的高变区包括来自地球微生物组项目的V4区。

✦肠道微生物群参与人体的调节

在鸟枪测序中,所有微生物DNA都被测序,而不仅仅是PCR产物,从而能够对微生物进行更具体的分类。由于鸟枪测序不依赖于任何标记基因,因此与扩增子测序相比,它对某些微生物的偏向性较小

然而,鸟枪测序的成本要高得多,并且需要更大的计算能力,这使得在不需要提高鸟枪序列分辨率的情况下,扩增子测序具有吸引力。

将测序数据与其他分析配对

结合其他技术进行扩增子或宏基因组测序可以丰富对微生物群和宿主的理解。定量PCR荧光激活细胞分选等技术通过将相对丰度锚定到可靠的绝对丰度测量值,为相对丰度提供了更多的背景。

酶联免疫吸附试验单细胞测序可以通过提供宿主细胞类型或宿主免疫信息与宏基因组测序很好地配对

培养组学使研究人员能够通过实验验证功能或活性的基因组预测,并将微生物转化为益生菌。微生物产生的代谢物或蛋白质,即微生物群的下游效应物,可以分别通过代谢组学蛋白质组学进行探测。

最后,宿主基因组学转录组学越来越多地与扩增子或宏基因组学数据配对,以深入了解宿主基因表达微生物群之间的联系。

元数据收集

最后,从被调查的参与者那里收集数据至关重要。一般微生物群研究的一些重要元数据类别包括口统计、临床信息和饮食信息;然而,使用的确切元数据因研究而异。应采用产生标准化元数据的实践,以便结果可重复使用和再现

结论与展望

本文描述了目前对不同年龄不同身体部位的人类常驻微生物群落组成的研究现状。

人类健康微生物群组成之间存在许多联系,对肠道菌群的干预可能改善健康。侧重于整个微生物群而不是单一物种的富集或消除的干预措施,需要了解这些群落是如何形成维持的。

不同人群年龄,不同部位的微生物群需要依托于大样本数据库的构建,这为微生物群研究的准确性提供了保障。

通过研究人类整个生命周期中的微生物群,我们可以更好地了解这些微生物群复杂的相互作用,以及如何有效地将微生物群推向宿主所需的组成。此外也正应用于除人类健康外的其他领域,如法医学。随着微生物群的相关研究不断突破,将给人类生命健康和生产生活带来巨大的影响。

主要参考文献:

Martino C, Dilmore AH, Burcham ZM, Metcalf JL, Jeste D, Knight R. Microbiota succession throughout life from the cradle to the grave. Nat Rev Microbiol. 2022 Jul 29. doi: 10.1038/s41579-022-00768-z. Epub ahead of print. PMID: 35906422.

Lim, A. I. et al. Prenatal maternal infection promotes tissue-specific immunity and inflammation in offspring. Science 373, eabf3002.

Al Nabhani, Z. & Eberl, G. Imprinting of the immune system by the microbiota early in life. Mucosal Immunol. 13, 183–189.

Helve, O. et al. 2843. Maternal fecal transplantation to infants born by cesarean section: safety and feasibility. Open. Forum Infect. Dis. 6, S68.

Seppo, A. E. et al. Infant gut microbiome is enriched with Bifidobacterium longum ssp. infantis in old order mennonites with traditional farming lifestyle. Allergy 76, 3489–3503.

肠道核心菌属——经黏液真杆菌属(Blautia),炎症肥胖相关的潜力菌

谷禾健康

Blautia (经黏液真杆菌属)

Blautia 是一种最近发现的细菌属,是将几种丰富的胃肠道细菌归类,这些细菌以前属于 Ruminococcus 属。基于表型和系统发育分析,梭菌属和瘤胃球菌属中的一些物种也已被重新归类为Blautia.

Blautia 作为毛螺菌科的一个属,自成立以来,因其对缓解炎症性疾病代谢疾病的贡献以及对特定微生物的抗菌活性而备受关注。最近的几份报告表明,肠道中Blautia菌的组成和变化与宿主年龄、地理、饮食、基因型、健康状况、疾病状态和其他生理状态等因素有关。

研究人员发现:该属中的物种水平在老年患者中经常减少,在结直肠癌患者的黏膜样本中水平降低,在肠易激综合征 (IBS) 患者中水平升高

此外,Blautia与内脏脂肪面积负相关,内脏脂肪面积被认为是心血管和代谢疾病风险的肥胖生物标志物。研究还确定了Blautia luti Blautia wexlerae 的减少与肥胖个体的胰岛素抵抗有关。Blautia菌通过产生细菌素防止病原体的定植,并通过上调调节性 T 细胞和 SCFA 的产生而表现出抗炎特性和维持葡萄糖稳态作用。

Blautia. 图片来源:microbiomology

01
Blautia菌的基本属性和特征

Blautia 属严格厌氧,不能运动,是哺乳动物肠道内重要的核心菌属。Blautia 能够使用氢气和二氧化碳来制造乙酸盐。乙酸是肠上皮细胞的次要能力来源,也是肌肉和脑组织的能量来源,可以抑制病原菌,有抗炎作用。

Blautia菌通常为球形或椭圆形,成对或成股出现,大多数菌株无孢子。Blautia广泛分布于哺乳动物的粪便和肠道中。大多数Blautia菌株的最适温度和 pH 值分别为 37°C 和 7.0。DNA的GC含量约为 37-47 mol%。

培养实验表明,所有Blautia菌株都可以利用葡萄糖,但不同菌株对蔗糖、果糖、乳糖、麦芽糖、鼠李糖和棉子糖的利用能力不同。Blautia发酵葡萄糖的最终产物是乙酸、琥珀酸、乳酸和乙醇,主要生化试验显示卵磷脂、脂肪酶、过氧化氢酶和吲哚的阴性结果。

Blautia菌株的碳水化合物利用特性

Liu X, et al., Gut Microbes. 2021

02
Blautia的物种分类

Blautia属目前根据公布的有效名称物种共计20个,包括:

  • B. Hydrogenotrophica
  • B. coccoides
  • B. wexlerae
  • B. hansenii
  • B. producta

它们最初被错误分类为Ruminococcus、梭菌属或瘤胃球菌属。

文献中报道的Blautia的所有种

Liu X, et al., Gut Microbes. 2021

该属的组成通过增加新的种和品系而不断更新,但总的来说,Blautia中的种仍形成一个相对稳定和连贯的单系分支。

不同物种首次发现的来源不同,但是主要物种都是从人粪便分离出来的。

例如:Blautia hydrotrophica (B.hydrotrophica)Blautia stercoris (B. stercoris) 首先是从人类粪便中分离出来的。

B.hydrotrophica 的代谢途径

Blautia hydrotrophica 是革兰氏阳性、无芽孢、球杆菌状细菌,平均大小为 0.7-0.6 毫米。Hydrogenotrophica,意为以氢为食,是指生物体利用 H2 和 CO2 作为生长能源的能力。它将 H2 和 CO2 代谢形成乙酸盐作为唯一代谢物自养生长。该生物体还能够使用几种不同的有机化合物作为底物异养生长。通过葡萄糖和果糖的发酵,乙酸是主要产物,但也可以形成乙醇、乳酸以及较小程度的异丁酸和异戊酸。

B.hydrotrophica的生存环境

B.hydrotrophica的最佳栖息地pH范围为6.0-7.0,温度为35-37˚CB.hydrotrophica也可能是一种重要的微生物,可替代反刍家畜体内的产甲烷菌,以限制释放的甲烷量。

B.hydrotrophica栖息在哺乳动物的内脏中,有助于分解宿主饮食中原本难以消化的部分,主要是植物材料。膳食多糖和蛋白质的分解是通过微生物群在厌氧肠道环境中发酵完成的。这些微生物群是共生的,这意味着它们的相互作用创造了一个相互关联的食物网。这种代谢食物网的产物是短链脂肪酸,例如乙酸盐、其他有机酸以及 H2 和 CO2 气体。H2 气体的积累实际上可以抑制 NADH 的再氧化,从而减少 ATP 和短链脂肪酸的产生量。据估计,这些短链脂肪酸的代谢产生了人类所需能量的 5%-10% Blautia hydrotrophica在宿主新陈代谢中发挥重要作用,因此更好地了解这些微生物可能会导致能够操纵人体能量平衡。

B. wexleraeB. luti Blautia中最丰富的物种,是人类肠道的主要物种之一。

B. wexlerae 治疗代谢疾病

Blautia wexlerae B. wexlerae ) 是主要的丁酸盐生产者。动物实验表明,丁酸盐可以改善胰岛素抵抗,减少脂肪堆积。因此,这可能是B. wexlerae抗肥胖的机制之一。B. wexlerae治疗代谢疾病方面具有发展潜力。

B. faecis DSM33383 菌株预防管理呼吸道疾病

Blautia faecis也是从人粪便分离出来的,细胞染色呈革兰氏阳性严格厌氧。研究人员已经确定了B. faecis DSM33383 菌株,该菌株降低了 TNF 诱导的肠上皮细胞系 HT-29 产生的 IL-8。在流感后的两个临床前模型中进一步研究了该菌株的作用表明该菌株胃内给药可保护感染了肺炎链球菌的小鼠,并在较小程度上保护鼠伤寒沙门氏菌继发感染。该研究表明,粪杆菌DSM33383 可能是预防和管理呼吸道传染病的有希望的候选者。

B. coccoides参与促炎途径

B. coccoides最初是从喂食高乳糖饮食的小鼠的粪便中分离出来的;Blautia coccoides已通过免疫调节和促炎途径参与多发性硬化,包括与抗原呈递、B 和 T 细胞活化以及补体活化相关的基因的上调

B. hydrogenotrophica,以前称为 Ruminococcus hydrogenotrophicus,是一种在哺乳动物(人类和反刍动物)的肠道内发现的物种。

B. glucerasei从狗的粪便中分离出来。

另外的物种如B. productaB. schinkii甚至从痰液、污水和瘤胃中分离出来。

这些发现表明Blautia在肠道和其他微环境中的生存和进化的重要性。

03
Blautia 与其他微生物的交叉喂养

当细菌从膳食成分中产生的代谢物作为底物支持其他物种的生长时,称为交叉喂养。交叉喂养是肠道微生物群中厌氧菌之间的重要相互作用,可影响其代谢途径并有助于其稳定性和生产力

作为厌氧菌的一个属,Blautia与其他细菌的交叉喂养也在一定程度上有助于代谢调节

Blautia & R. bromii

一项研究发现,通过使用 0.2% 的抗性淀粉作为能量来源,布氏瘤胃球菌(R. bromii)在 RUM-RS 培养基上可以产生大致相等摩尔比的甲酸、乙醇和乙酸。

注:布氏瘤胃球菌(R. bromii)是存在于人类肠道中的降解抗性淀粉的细菌,富含抗性淀粉的饮食可以增加它的丰度。

然而,在淀粉上与产乙酸细菌B. hydrotrophica进行批量共培养导致甲酸消失,乙酸水平增加。产生甲酸的物种和产生乙酸的物种之间的交叉喂养可能在结肠中短链脂肪酸的形成中起重要作用,并有助于大量产生乙酸

Blautia & Dorea

肠易激综合征 (IBS) 患者中观察到 Blautia 菌种水平升高,研究人员推测可能由于由高丰度的Dorea菌产生的较高气体水平Dorea 是一种可以被 Blautia 使用的细菌。

Blautia & B. bifidum

Blautia hydrotrophica消耗 H2和 CO2通过 Wood-Ljungdahl 途径产生乙酸——当与双歧双歧杆菌共存时,该途径显着激活B. bifidum (双歧双歧杆菌)作为一种特殊的碳水化合物发酵物种并产生 CO2,它是 Wood-Ljungdahl 途径中的固定底物。因此,在 Blautia hydrotrophica 中观察到的 Wood-Ljungdahl 途径的变化可能是B. bifidum交叉喂养的结果。

备注:Wood-Ljungdahl 途径又称为厌氧乙酰辅酶 A 途径,存在于产甲烷菌、硫酸盐还原菌和产乙酸菌等化能自养的厌氧细菌和古生菌中。

04
饮食、年龄和地理对Blautia丰度的影响

饮食

饮食是驱动肠道菌群组成和代谢活动的主要因素,不同种类和数量的饮食以及主要营养素之间的平衡对肠道微生物有显着影响。

酒曲通过糖基神经酰胺作为 Blautia coccoides 的益生元

传统的日本烹饪方法和食,其中包含用非致病性真菌酒曲制备的发酵食品,与日本人的长寿密切相关。一项研究报道,酒曲中含有大量的糖基神经酰胺,并表明在小鼠饮食中添加 1% 纯化的糖基神经酰胺作为益生元1周可以提高小鼠肠道中球状芽孢杆菌的丰度,减少液糖水平,并上调其肾腺激素水平。同时发现Blautia coccoides可以将糖基神经酰胺降解为神经酰胺,然后将神经酰胺代谢为脂肪酸鞘氨醇碱,它们被肠道吸收并产生有益作用。

玉米中提取的膳食纤维F-FOP增加Blautia

将从玉米中提取的膳食纤维 (F-FOP) 添加到喂食高脂肪 (HF) 饮食的小鼠的饮食中,显着增加了小鼠粪便中Blautia的丰度。与 HF 饮食的小鼠相比,F-FOPs + HF 饮食的小鼠表现出体重和组织重量的损失,结果显示Blautia的丰度肥胖相关代谢紊乱的标志物呈负相关

低聚果糖、冻干豆浆增加Blautia

在喂食高脂饮食的大鼠中添加 20% 的冻干豆浆会导致大鼠粪便中的Blautia含量增加

在一项研究中,将 30 只雌性大鼠分为六组,分别喂食酪蛋白大豆分离蛋白,每组都含有纤维素、棉子糖或低聚果糖 (FOS)。结果表明,两种来源的日粮蛋白质都可以改变大鼠粪便中乙酸浓度乳酸杆菌的丰度,但无论膳食蛋白质来源如何, FOS都会增加Blautia的丰度

研究还表明,大鼠肠道酸化可能会抑制次级胆汁酸的形成。

omega-3增加Blautia

在另一项研究中,一名 45 岁的男性志愿者每天摄入 600 毫克 omega-3,持续 14 天,该志愿者的整体肠道微生物多样性下降,尤其伴随着粪杆菌丰度的降低Blautia丰度的显着增加

交替饮食和自助饮食增加Blautia

除了食物,人们的饮食方式也会塑造肠道菌群。与普通饮食相比,交替饮食自助饮食可以提高肠道菌群中Blautia菌属和瘤胃球菌的丰度,此外还会引起一些宿主代谢相关参数的变化。随着全基因组测序的发展,未来的研究可以检验各种饮食如何调节Blautia的代谢活动并改善宿主健康。

年龄:老年人Blautia丰度降低

在生命的不同阶段(即从童年到成年再到老年)的过渡期间,肠道微生物群会发生显着变化。使用高通量测序对 367 名 0-104 岁健康日本受试者的粪便样本进行的横断面研究报告称,日本成年人(21-69 岁)的肠道微生物群含有高丰度BlautiaBifidobacterium低丰度Bacteroides。此外,与成年人相比,老年人的微生物组多样性和个体微生物丰度降低,包括Blautia丰度降低。这种现象可能与年龄相关的免疫功能下降(称为免疫衰老)有关,并伴有许多与年龄相关的疾病,包括慢性低水平炎症。

Blautia wexleraeBifidobacterium pseudocatenulatum的丰度在成人型肠道微生物群中显着更高,而在老年肠道微生物群中观察到兼性厌氧菌(如大肠杆菌)的丰度更高。这些发现表明,通过增加会随着年龄增长而减少的菌群,将肠道微生物群从老年人型转变为成人型,可以预防与年龄相关的疾病的风险。

地理位置

最近的一项研究分析了来自亚洲温带和热带地区五个国家的城市或农村地区的 303 名学龄儿童粪便样本中的微生物群落特征。儿童肠道菌群分为普氏菌属(P型)和双歧杆菌/拟杆菌属(BB型)两组。中国(包括台湾地区)、日本等温带地区儿童肠道菌群多为BB型,泰国、印度尼西亚等热带地区儿童肠道菌群多为P型。值得注意的是,Blautia 在 BB 型肠道菌群中显着富集,占总 BB 型细菌组成的 10%,但仅占总P的 5%。

一项研究指出,日本人的主要肠道菌属是双歧杆菌梭状芽孢杆菌。在美国人、中国人、法国人和西班牙人中存在拟杆菌属;在澳大利亚人中是Blautia。据报道,地理位置之间人类肠道微生物多样性的差异在很大程度上与遗传、生活方式和饮食有关。

有趣的是,据报道Blautia在双胞胎遗传中具有很强的分类关联。一项研究收集了七种宿主的粪便样本,包括人类、猪、牛、鹿、狗、猫和鸡,并对 16S rRNA 基因的 V6 区域进行了测序。发现Blautiaoligotypes可以准确识别不同的宿主来源,表明该属具有宿主特异性宿主偏好

05
Blautia 的生理功能

Blautia 对生物活性物质的生物转化

近年来,Blautia对草本植物和功能性食品的生物转化和代谢的研究引起了研究关注。

多甲氧基黄酮 (PMF) 是从山奈柑橘类水果中分离出来的黄酮类化合物,具有抗癌、抗炎、抗病毒和抗凝血等生物学功能。

研究表明,Blautia菌属通过将 5,7-二甲氧基黄酮 (5,7-DMF) 和 5,7,4-三甲氧基黄酮 (5,7,4-TMF)分别转化为具有生物活性的白杨素芹菜素,对芳基甲基醚官能团具有水解作用。该菌还具有去糖基化能力,它可以将异黄酮、黄酮和类黄酮代谢成相应的苷元。

作为黄酮类化合物的另一个例子,姜黄素在治疗某些疾病,包括癌症、心血管疾病、糖尿病、肝病和神经退行性疾病方面表现出抗氧化、抗炎、抗病毒、抗菌的有益作用,受到了广泛的关注。

由于姜黄素结构中含有β-二酮,该化合物具有高的疏水性、低的溶解性和“生物利用度”,因此,每天大量摄入姜黄素,可以观察到对健康的促进作用。不幸的是,大量摄入姜黄素可能会产生有害影响并降低疗效,这会导致限制了姜黄素在疾病预防中的应用。

由肠道细菌产生的姜黄素代谢物具有生物效应,而不是姜黄素的原始形式。

据报道,姜黄素是由人肠道细菌Blautia 菌株MRG-PMF1通过甲基芳醚裂解,转化为去甲基姜黄素双去甲基姜黄素的。有证据表明,未被吸收的姜黄素可以间接调节结肠微生物群,通过产生额外的生物可利用和生物活性分子(如二氧去甲基姜黄素和二甲氧基姜黄素)对多种疾病产生有益的影响。

此外,Blautia sp AUH-JLD56 菌株已被证明可特异性且有效地将牛蒡子苷或牛蒡子苷元生物转化为具有良好自由基清除活性的 (-)-3′-去甲基牛蒡子苷元。 B. glucerasei sp. 产生一种特定的细胞外葡萄糖神经酰胺酶,将葡萄糖神经酰胺水解成功能性物质,对结肠癌具有特定的预防作用。

但是值得提醒的是,Blautia的某些生物转化可能无益,甚至可能有害。某些Blautia物种可以对初级胆汁酸进行 7-α-脱羟基化,并将其转化为次级胆汁酸,如石胆酸脱氧胆酸。这些物质是诱发结肠癌的致癌物,在溃疡性结肠炎、发育不良或癌症患者的粪便中发现这些物质浓度

一般来说,肠道中的细菌代谢不涉及氧气,而是还原和水解,导致形成非极性低分子量产物。在类黄酮转化过程中,Blautia菌种催化的反应包括去甲基化、脱羟基化、O-和 C-去糖基化和 C-环裂解,这可能是由于其相应的酶,如 β-葡萄糖苷酶和 O-糖苷酶。因此,深入开发Blautia对生物转化的探索对于开发用于食品补充剂的新酶和生物活性代谢物至关重要,并为人体肠道微生物组的代谢组学研究提供有价值的视角。

Blautia 和 次生代谢物

次级代谢产物是微生物在生长代谢过程中产生的具有生物活性的化合物,广泛用于抗菌抗癌药物、除草剂、杀虫剂等,也是微生物药物开发的重要来源。如双歧杆菌产生的细菌素对单核细胞增生李斯特菌、产气荚膜梭菌和大肠杆菌等病原微生物具有抗菌活性。

Blautia通常具有生产细菌素的能力。通过antiSMASH数据库对次生代谢物的注释,将74株Blautia菌株注释为7类共261个次生代谢生物合成基因簇(BGCs),包括NRPS、sactipeptide、lanthipeptide、bacteriocin、lassopeptide、betalactone、transat-pks

NRP、sactipeptide、lanthipeptide 通常分布在所有菌株中。NRP 和 PK 是具有多种功能的最丰富的次级代谢产物家族之一,包括参与铁清除的铁载体、提供针对一系列压力因素的保护的色素,以及营养获取、化学通讯和防御反应

备注:antiSMASH数据库可实现基因组与基因组之间的相关天然产物合成基因簇的查询和预测。临床上使用的大部分抗生素和药物均来自植物或微生物的天然产物。近二十年来,基因组数据的不断增加,使通过基因组挖掘来获取化合物的生物合成簇成为可能。antiSMASH是该领域最流行的工具之一。自2011年首次发布以来,antiSMASH已成为次级代谢产物基因组挖掘的标准工具,antiSMASH数据库为许多公开可用的微生物基因组提供预先计算的antiSMASH结果,并允许进行高级跨基因组搜索。

Blautia产生的细菌群具有抑制肠道内病原菌定植的潜力,并且它还可以影响肠道微生物群的组成。研究显示B. obeumB. producta可以抑制产气荚膜梭菌耐万古霉素肠球菌的增殖,使其成为潜在的益生菌,发挥益生菌功能。

06
Blautia的健康特性

肠道微生物群是一个复杂的生态系统,与宿主疾病的发展、药物代谢、免疫系统调节和其他过程有关。Blautia 作为肠道微生物群中的优势菌属,与宿主生理功能障碍具有显着相关性,例如肥胖、糖尿病、癌症和各种炎症性疾病。

肥胖相关疾病

一项研究观察到连续 3 周食用低热量高蛋白饮食的超重/肥胖非酒精性脂肪肝患者的肠道微生物群组成发生变化和Blautia丰度增加。在另一项研究中,无论是否存在非酒精性脂肪性肝炎,肥胖儿童的肠道拟杆菌属丰度较,同时Blautia粪杆菌丰度较

在一项基于人群的横断面研究中,研究人员调查了 20-76 岁日本男性和女性的内脏脂肪积累体重指数与按性别分层的肠道微生物群的关系。发现Blautia是唯一一个其丰度与日本人的内脏脂肪积累呈显着负相关的属,无论性别如何。

Blautia是肠道中常见的乙酸生产者,可通过激活 G 蛋白偶联受体 GPR41 和 GPR43 来抑制脂肪细胞中的胰岛素信号传导和脂肪积累,进而促进其他组织中未结合的脂质和葡萄糖的代谢,从而减轻肥胖相关疾病

Blautia有效减肥组女性肠道菌群中的优势菌属,但在减肥无效组中则不然。在另一项研究中,与健康儿童相比,糖尿病儿童Blautia丰度显着下降。一项横断面研究表明,Blautia,特别是B. lutiB. wexlerae,可能有助于减少与肥胖相关并发症相关的炎症

肥胖组的Prevotella、巨型单胞菌(Megamonas)、梭杆菌属和Blautia显著增加

炎症性疾病

Blautia作为共生的专性厌氧菌属,通过上调肠道调节性T细胞和产生短链脂肪酸,在维持肠道生态平衡和预防炎症方面发挥着重要作用。

IBD患者和健康人的粪便和黏膜菌群分析表明,CD患者盲肠黏膜菌群中Blautia的丰度显着降低。在结直肠癌患者的黏膜粘连菌群中,同样报道了Blautia的丰度降低

霍乱弧菌通常会导致人类腹泻,但人们对病原体的易感性不同,这可能是由人际微生物组变异驱动的。

发现霍乱患者的肠道菌群与健康个体存在显着差异,其中Blautia obeum霍乱弧菌的定植呈显着负相关。进一步研究表明,B. obeum基因组中编码胆汁盐水解酶(BSH)的基因可以降低霍乱弧菌tcpA基因的表达,抑制其定植,缓解腹泻

一项生物标志物分析研究表明,接受异体 BMT 的患者肠道微生物群多样性增加,特别是Blautia共生细菌的丰度增加,与致死性移植抗宿主病的减少总生存期的增加有关。

少数研究也报道了Blautia丰度降低回肠袋-肛门吻合肝硬化的关系。Blautia作为共生的专性厌氧菌属,通过上调肠道调节性 T 细胞和产生短链脂肪酸,在维持肠道环境平衡预防炎症方面发挥重要作用。

上述研究表明,Blautia的丰度与某些疾病呈负相关。然而,与健康个体相比,在肠易激综合征溃疡性结肠炎患者的粪便微生物群中发现了更高丰度Blautia.

尽管Blautia在各种疾病中的潜在机制尚不明确,但 Blautia丰度仍可作为相关疾病早期诊断或治疗的潜在工具。

食欲不振和营养不良

老年人特别容易出现食欲不振和营养不良。这可能部分是由于肠道微生物群老化Blautia属的较丰度可能与营养不良有关,而来自毛螺菌科、瘤胃球菌科 UCG-002、Parabacteroides merdaeDorea formicigenerans 的分类群丰度较与食欲不振相关。食欲不振或营养不良的参与者的粪便乙酸水平降低

Blautia丰度减少可能会增加慢性低度炎症,并降低通过发酵从饮食中摄取的能量。该结论需要进一步的研究支持。

与对照组相比,来自虚弱组的粪便样本下列菌群具有较高的水平:

Akkermansia, Parabacteroides, Klebsiella

而共生属较低水平菌群如下:

Blautia, Megamonas, Faecalibacterium, Prevotella, Roseburia

神经类疾病

自闭症谱系障碍患有功能性肠胃疾病的儿童中观察到几种与粘膜相关的梭菌显着增加,而 Dorea 和Blautia以及 Sutterella的显着减少

此外,帕金森病患者子中发现在属的分类水平上,来自 Blautia、Coprococcus 和 Roseburia 属的推定“抗炎” 丁酸盐产生菌在对照组的粪便中明显多于帕金森病患者。

其他

肌肉减少症是一种症状性病症,其特征是由于骨骼肌质量随着年龄的增长而过度损失,导致肌肉力量和身体机能下降。

肌肉减少症伴随着身体平衡差、步态障碍、使用拐杖和跌倒。研究发现与附肢骨骼肌质量/体重 (ASM/BW)与 ASM/BW 呈正相关BlautiaBifidobacterium可能有助于增加骨骼肌质量

Blautia coccoides可能会通过免疫调节促炎途径参与多发性硬化,包括与抗原呈递、B 和 T 细胞活化以及补体活化相关的基因的上调。与其他疾病一样,在多发性硬化中,肠道菌群失调会增加肠道通透性,从而促进 LPS 的进入

07
Blautia如何调节

如何增加(来自文献,证据不是很充分)

食物:

富含 Omega-3 的食物

糙米

大麦

迷迭香

黄酮类

高谷物饮食

益生元或药物:

二甲双胍

黄连素

小檗碱

红花油

丁酸钠

抗性淀粉(II、IV型)

橙子(果胶/黄烷酮)

葡萄籽多酚/酒

亚麻籽

维生素 D3

益生菌:

枯草芽孢杆菌

布拉酵母菌

德氏乳杆菌

鼠李糖乳杆菌GG

长双歧杆菌 BB

例如:一项研究指出富含阿拉伯木聚糖的麦麸提取物提高Blautia物种的比例 ,这表明有可能设计基于饮食的干预措施,以增加肥胖儿童体内耗尽的这些细菌物种的肠道生态系统。需要对B. lutiB. wexlerae菌株进行临床前和临床干预试验,以明确证明它们对肥胖和糖尿病前期状态的潜在保护作用。

减少Blautia

  • 抗生素:氟喹诺酮和克林霉素
  • 高胆汁酸
  • 饮酒
  • 缺乏乳酸菌

08
小结

人类肠道微生物研究的不能忽略的关注之一是研究核心微生物群。拟杆菌、普雷沃氏菌、瘤胃球菌、经黏液真杆菌属(Blautia)、考拉杆菌、罗伊氏菌、吉米菌、粪杆菌、毛螺菌以及梭菌等是世界代表性人群的核心肠道菌群。在目前谷禾健康超过60万的肠道菌群数据库中,肠道微生物群的几个核心肠道细菌普遍存在于超过90%人群粪便中。

Blautia作为一个重要的核心菌属,在肠道中占比丰度,是短链脂肪酸尤其乙酸主要生产者,对于减肥抗炎均有重要的积极作用。此外,其属下某些菌株分泌的细菌素可以抑制特定病原菌,这对于当下耐药性问题无疑看到了新方向。

但是经黏液真杆菌属(Blautia)作为一种严格厌氧的细菌,需要苛刻的培养条件和严格的操作程序。因此,将属于该属的细菌用作商业益生菌并不容易。相反,Blautia的益生元底物可以用于健康维护。一些食物成分,例如低聚果糖、乳果糖和日本酒曲糖基神经酰胺,均表明可以增加小鼠体内的Blautia丰度。然而,需要注意的是粪便微生物群的益生元作用也会因人而异。

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妇科癌症中的肠道菌群:病因、治疗潜力

谷禾健康

宫颈癌、卵巢癌和子宫内膜癌是最常见的妇科癌症。根据最新的全球癌症数据,女性宫颈癌的发病率和死亡率分别居第四位和第六位,而卵巢癌的死亡率居第五位,居妇科恶性肿瘤之首

此外,随着人类生活水平的提高,肥胖、内分泌失调、环境污染也可能增加妇科癌症的发病率死亡率

研究表明,妇科恶性肿瘤患者在发病前和治疗期间表现出肠道菌群的变化,表明肠道菌群与妇科恶性肿瘤之间存在相关性。深入研究妇科癌症患者的肠道菌群变化,可用于妇科癌症的筛查改善妇科癌症的治疗,改善不良预后。

本文从肠道菌群这个角度出发,介绍肠道菌群绝经后状态以及妇科恶性肿瘤之间的潜在关系,肠道菌群与早期筛查以及治疗方面的关系,此外还描述了益生菌在妇科恶性肿瘤预防治疗预后中的作用。

妇科恶性肿瘤和肠道微生物

健康稳定的肠道菌群会抑制癌症的发展,而失调的肠道菌群对身体的保护作用有限,可能会促进癌症的发展,也会对癌症免疫、化疗疗效和预后产生不利影响

绝经后女性的菌群变化

大多数妇科恶性肿瘤好发于绝经后和老年女性;因此,有必要探讨绝经后女性肠道菌群的变化及相关疾病。

绝经后女性缺乏内源性雌激素会引发一系列问题,例如心血管疾病、骨质疏松症、肥胖、糖尿病、乳腺癌和其他妇科癌症的发病率增加。在绝经过渡期间发现肠道通透性增加;此外,肠道通透性增加炎症发展之间存在关系

✦绝经前后女性的菌群变化

绝经后女性的粪便样本显示出与内分泌失调骨质疏松症相关菌群变化

下列菌群减少

  • Firmicutes ↓↓↓
  • Roseburia spp ↓↓↓

下列菌群增加

  • Bacteroidetes ↑↑↑
  • Tolumonas ↑↑↑

用于对抗这些疾病的激素替代疗法可能会增加雌激素相关癌症的发病率,包括乳腺癌和卵巢癌。因此,有必要分析微生物对雌激素水平的影响,创新微生物辅助疗法减少激素替代疗法的副作用。

先前的研究报道,非卵巢系统性雌激素水平与肠道菌群的丰度α多样性直接相关,并可能通过肠肝循环影响其水平。

由此引发思考,是否可以通过人为干预绝经期和绝经后女性的肠道微生物,从源头上控制疾病,降低疾病的发病率。

此外,绝经后女性的阴道干燥和组织萎缩显著影响生活质量。阴道环境状况的改变可能使病原菌更容易从阴道侵入,导致阴道生态失调和妇科恶性肿瘤。

✦ 卵巢和肠道微生物存在直接相互作用

在一项实验中,将卵巢完整且多产的雌性小鼠的粪便微生物移植到卵巢切除的阴道萎缩小鼠体内,萎缩症状显著改善

这表明卵巢和生殖道状态以及肠道微生物之间存在相互作用。此外,通过粪菌移植改善阴道上皮萎缩症状,可能通过改善阴道上皮萎缩相关的保护作用,对预防妇科恶性肿瘤产生影响

总之,研究绝经后妇女肠道微生物的变化及其在疾病发展和治疗中的作用,将对绝经后妇女的健康生活质量产生前所未有的影响。

宫颈癌与肠道菌群

▸ 宫颈癌

宫颈癌是威胁女性生命和健康的最常见妇科恶性肿瘤之一。目前对肠道菌群与宫颈癌关系的研究主要集中在宫颈癌患者放疗后肠道微生物及相关肠道疾病的变化。

大多数学者对宫颈癌患者的肠道微生物改变持相似观点。然而,肠道生物标志物的研究存在争议,缺乏相关生物学机制的研究。

✦ 宫颈癌患者与健康个体的肠道微生物差异

通过16S rRNA测序比较,学者们注意到宫颈癌患者和健康个体之间肠道微生物差异。根据最新研究,下列菌群是鉴定宫颈癌的潜在生物标志物:

  • phylum Proteobacteria
  • genus Parabacteroides
  • Escherichia Shigells
  • Roseburia

然而,不久之后的另一项研究显示了不同的结果。研究结果将下列菌群确定为预测早期宫颈癌的生物标志物:

  • Prevotella
  • Peptostreptococcus
  • Finegolida
  • Ruminococcus
  • Clostridium
  • Pseudomonas
  • Turibacter

上述研究为未来宫颈癌早期预测和诊断方式的升级提供了未来方向和催化剂。

✦ 短链脂肪酸能抗肿瘤,产短链脂肪酸菌减少

研究人员发现早期宫颈癌患者肠道中产生丁酸盐的细菌RuminococcusClostridium减少了。

微生物代谢产生的丁酸等短链脂肪酸具有良好的抗肿瘤活性影响各种有益的过程,如癌细胞的免疫凋亡

从而提示肠道菌群与癌症发展之间可能通过特定属的存在或缺失以及数量的改变间接联系。需要更多的实验来验证肠道微生物和宫颈癌发生之间的相互关系及其在筛查和诊断中的作用。

卵巢癌与肠道菌群

腹部不适是卵巢癌的标志性症状,且治疗期间胃肠道不良反应明显,因此研究肠道微生物与卵巢癌之间的关系具有重要意义

肠道微生物的失调与卵巢癌的发展密切相关。肠道微生物疾病促进肿瘤生长并导致异种移植小鼠的上皮-间质转化。

✦菌群失调➝肥胖和雌激素失衡➝卵巢癌

肠道微生物的不平衡与肥胖和雌激素水平相关;肥胖和雌激素失衡是卵巢癌发病的危险因素。这表明失调的肠道微生物可能导致肥胖雌激素失衡触发卵巢癌

此外,非肥胖者应调节饮食。高油、高脂肪和高盐的饮食也是不可取的。一项对接受高脂肪饮食的动物的研究报告称,这种饮食可能通过破坏炎症因子的水平来促进卵巢癌的发展。因此,不良的饮食习惯和健康习惯是癌症发生的关键危险因素

✦肠道菌群影响人对铂类药物的敏感性

对卵巢癌治疗的研究表明,肠道微生物会影响人体对铂类药物敏感性化疗会对肠道微生物产生不利影响,例如菌群失调,在患有卵巢癌的患者和动物模型中更为普遍。

此外,与铂类敏感患者相比,铂类耐药患者的肠道微生物菌群失调更为明显,健康相关菌群减少,产乳酸菌的比例增加,包括Coriobacteriaceae和双歧杆菌。

✦失调菌群促进肿瘤生长,降低存活率

除了降低对铂的敏感性外,动物研究还表明,肠道微生物的破坏促进卵巢恶性肿瘤的生长并降低小鼠的存活率。同时也表明肠道微生物的完整性和稳定性调节化疗药物的疗效

胆汁酸等肠道菌群代谢物可以与宿主药物代谢酶相互作用,从而影响药物配置、药代动力学和药效学。

✦肠道菌群及其产物可能有助于治疗卵巢癌

肠道微生物潜在特征的发现可能为未来上皮性卵巢癌的早期检测、治疗甚至预后提供新思路。肠道微生物及其产物也可能有助于治疗卵巢癌。

分离出四株芽孢杆菌从健康人和癌症患者的粪便中观察到细菌产物抑制卵巢癌细胞的增殖,可能是通过引起细胞凋亡,这些细菌产物将来可能被优化为抗癌药物。

✦肠道菌群有利地影响抗癌药物

此外,一项使用小鼠模型的研究发现,抗癌药物对 肠道微生物有一定的作用,导致革兰氏阳性细菌转移到次级淋巴器官并产生免疫反应。这表明肠道微生物群有利地影响抗癌免疫反应的形成和化疗的疗效。

还应注意卵巢癌治疗后肠道微生物的变化。与卵巢癌术前粪便样本不同,术后粪便样本中拟杆菌门厚壁菌门的丰度显著降低,而变形菌门的丰度显著升高。化疗组也有类似的变化。这意味着卵巢癌的治疗对肠道菌群有显著影响,肠道菌群与卵巢癌患者的临床预后之间可能存在潜在的相关性

子宫内膜癌和肠道菌群

▸ 子宫内膜癌

子宫内膜癌是一组子宫内膜上皮恶性肿瘤,最常见于围绝经期绝经后妇女。子宫内膜癌的危险因素包括肥胖、糖尿病和高血压

子宫内膜癌的发病率不仅在绝经前和绝经后妇女之间存在显著差异,而且在不同发展程度的国家之间也存在着差异。欧洲和北美的发病率高于发展中国家。

研究人员推测,子宫内膜癌的发展可能与由于生活质量和人们饮食改善而导致的荷尔蒙异常超重的不良后果有关。

✦ 影响子宫内膜癌的发病因素

肠道微生物失调引起的消化吸收中断可能导致肥胖,肥胖的发生可能导致高血压、糖尿病和激素紊乱。这表明肠道微生物与子宫内膜癌之间存在关系

此外,子宫内膜癌的发病与月经、婚育、吸烟、饮酒等因素有关。不同国家的饮食习惯、婚恋政策和风俗习惯,环境污染,甚至种族差异都可能导致不同的子宫内膜癌发病率。

✦ 肠道菌群能调节女性的全身雌激素水平

由雌激素编码的β-葡糖苷酸酶和β-葡糖苷酸,例如双歧杆菌、梭状芽孢杆菌和乳酸杆菌能够在肠道中发挥作用调节循环雌激素水平,去除通过胆汁排泄的结合雌激素的葡糖苷酸,以获得游离的雌激素分子。

此外,羟基类固醇脱氢酶也广泛存在于人体肠道中,并参与从胆固醇前体合成雌激素的部分还原过程。

尿液和血清雌激素水平与肠道微生物多样性正相关。肠道微生物还赋予外来雌激素样化合物生物活性。例如,肠道微生物能够催化大豆苷元以雌马酚或O-去甲基安果胶的形式代谢。木脂素的有益作用还取决于肠道微生物代谢物肠二醇肠内酯的活性。

因此,除了女性遗传差异和身体条件改变以及环境雌激素暴露的直接影响在激素水平上,由于不良生活方式、饮食抗生素滥用导致的肠道微生物生态失调也间接影响雌激素水平,进而促进子宫内膜癌的发生。

最近关于肠道菌群、肥胖、绝经状态、雌激素和子宫内膜癌之间潜在关系的综述也表明,更年期和肥胖可以通过引起肠道菌群失衡引起的雌激素变化来调节子宫内膜癌的发展。

✦ 肥胖导致子宫内膜癌的风险增加和预后更差

一项研究发现,肥胖妇女的子宫内膜上皮细胞显示出大量甲基化变化,与I期子宫内膜癌存在54个重叠的差异甲基化区域。

这表明肥胖通过影响DNA甲基化并导致相关代谢途径的失调促进子宫内膜癌的发生。肥胖对子宫内膜癌的影响引发了人们的猜测,即减肥手术是否可以通过稳定肠道微生物雌激素水平来帮助改善肥胖,甚至可能在未来促进子宫内膜癌治疗。

一项相关研究报告称,减肥手术会导致肠道微生物发生变化,产生有益的影响,但不会影响激素水平,而且减肥手术与子宫内膜癌发病率之间没有直接关系。然而,深入研究减肥手术在子宫内膜癌中的潜在作用可能会在未来的癌症研究中有前所未有的应用。

影响肠道微生物的因素及其在妇科癌症中的潜在作用机制

Han M,et al.Front Oncol.2022

不健康的饮食、肥胖、雌激素药物滥用和癌症治疗都会影响肠道微生物的体内平衡,共生菌减少,病原菌增加

益生菌在妇科恶性肿瘤辅助治疗中的潜在作用

益生菌是在一定剂量范围内对身体有益的微生物。可以在一定程度上改善肠道微生物的生态失调,进而通过影响雌激素水平、癌症免疫、癌细胞增殖和凋亡、耐药性等对妇科癌症产生有益的影响

益生菌和粪菌移植在妇科癌症中的意义

Han M,et al.Front Oncol.2022

益生菌及其代谢物、基因工程菌株和粪菌移植可以改善肠道微生物环境。肠道微生物环境的改善可以影响雌激素水平提高癌症免疫力和化疗疗效,增加癌细胞的凋亡,减少癌细胞的快速增殖和药物副作用。

鼠李糖乳杆菌

鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosus)是益生菌领域的一个明星属,具有广泛的应用。鼠李糖乳杆菌在癌症中的潜在作用广泛分为以下几部分。

● 鼠李糖乳杆菌帮助恢复肠道屏障功能

首先,鼠李糖乳杆菌通过增强健康肠道通透性相关基因的表达调节肠道菌群的动态平衡,保护粘膜恢复肠道屏障功能,上文也已经提到了肠道菌群对妇科恶性肿瘤的稳态作用

● 鼠李糖乳杆菌调节免疫

其次,关于人的自我保护,鼠李糖乳杆菌潜在地调节免疫,通过激活或抑制细胞因子表达和病原体入侵引起癌细胞凋亡抗炎作用

最终,鼠李糖乳杆菌还可以保护身体免受放射疗法和其他治疗方法的毒性副作用

从分泌物或排泄物中分离的细菌(益生菌特性)

一些研究记录了从人和动物的分泌物或排泄物中分离出的某些细菌的抗癌活性

  • 从人类粪便中分离的Bifidobacterium adolescentis SPM1005-A
  • 从青春期女性阴道分泌物中分离的Lactobacillus plantarum 5BL
  • 从健康人阴道中分离的Lactobacillus gasseri G10和H15

从母乳中分离的三种潜在益生菌菌株:

  • Lactobacillus casei SR1
  • Lactobacillus casei SR2
  • Lactobacillus paracasei SR4

还有从猪肠道食物中分离的Enterococcus faecalis por1

以上这些菌群具有益生菌特性,并且可以通过靶向癌基因、防止癌细胞生长、诱导凋亡或调节免疫应答能力来抑制癌症的发展

细菌代谢物抑制妇科恶性肿瘤的发展

研究发现,从Bacillus thuringiensis 4R2中分离出来的parasporin-2Aa1被蛋白酶K激活诱导来自不同组织的各种人类癌细胞的凋亡,包括子宫内膜癌细胞,但它不影响正常细胞。由于其良好的特性,parasporin-2Aa1可在未来与化疗药物联合使用减少对正常细胞的杀伤。

益生菌混合物和益生菌修饰

益生菌混合物和基因工程益生菌通过靶向免疫系统促进癌症治疗

研究发现,经鼻内给药的Lactococci 被设计为表达HPV-16 E7抗原,可刺激细胞介导(分泌IL-12和IFN-γ)和体液免疫系统(产生E7抗体),以预防HPV相关宫颈癌

此外,口服含有特定鼠李糖乳杆菌、嗜酸乳杆菌和乳铁蛋白RCXTM的益生菌混合物可调节阴道和全身的先天性和适应性免疫反应削弱Gardasella vaginalis诱导的阴道病,并预防由炎症引起的妇科癌症。

与妇科恶性肿瘤相关其他方面的作用

● 雌激素过多或过少都可能影响妇科癌症

雌激素缺乏会影响女性的健康,然而,不适当的雌激素补充也可能导致包括乳腺癌子宫内膜癌在内的疾病。因此,益生菌与激素相关药物联合用药是未来雌激素缺乏研究的热点。

具有选择性雌激素受体亲和力的生物可利用异黄酮在预防治疗因雌激素缺乏引起的骨质疏松症方面具有潜力,同时最大限度地减少或消除其致癌副作用。

● 益生菌调节癌症治疗副作用的预防和管理

通过放射疗法治疗宫颈癌的一种可能的急性副作用是辐射引起的腹泻。许多实验表明,补充益生菌包括乳酸乳杆菌、动物双歧杆菌和嗜酸乳杆菌可以最大限度地降低宫颈癌患者放射引起的腹泻的发生率和严重程度

上述研究大多基于现象,需要深入研究来证明结论的准确性。益生菌在妇科肿瘤治疗中的作用机制研究尚缺乏,有待进一步探索。

结 语

微生物本身没有好坏之分;它们分为对宿主有益和有害的细菌,导致微生物对宿主产生双重作用

菌群失调和病原菌入侵促进癌变,不利于妇科恶性肿瘤的后期治疗。然而,维持菌群稳态益生菌的应用可以抑制癌症

肠道微生物的有效利用对妇科恶性肿瘤的未来具有重大影响。以上研究促进了妇科恶性肿瘤微生物学方面的进步;但是,还存在样本量小和机制研究不完整等缺点。

更多研究应增加样本量,考虑影响结果的所有相关参数,并侧重于研究机制和临床效果,以便更好地延长妇科恶性肿瘤患者的生存时间,提高生存率和生活质量。

附录

关于妇科癌症预防治疗的建议

▸避免或减少肉类、乳制品和饱和脂肪

总体而言,病例对照研究发现,尤其是与红肉相关的子宫内膜癌风险增加。一项研究队列发现血红素铁(在红肉和白肉中都存在)与肝脏消耗和子宫内膜癌之间存在显着关系。对脂肪摄入和子宫内膜癌的剂量反应分析得出结论,将总脂肪摄入量增加 10% 的卡路里会使患这种癌症的风险增加 5%

然而,饱和脂肪摄入量增加 10 克/1000 大卡与更大的风险相关(17%)。也就是说饱和脂肪对增加子宫内膜癌风险的影响是其他类型脂肪的三倍以上

▸避免生的或未煮熟的海鲜

化疗会影响女性的免疫系统和抵抗感染的能力,因此不应食用可能含有细菌的生的或未煮熟的海鲜或肉类,因为受损的免疫系统更难抵抗食源性感染。在手术或化疗期间发生感染可能会导致癌症治疗延误。

▸限制含有丙烯酰胺的食物(油炸食品)

包括国际癌症研究机构在内的多个来源都认为,饮食中的丙烯酰胺是一种“可能的致癌物”。膳食丙烯酰胺是高温烹饪某些淀粉时产生的化学副产物。它存在于深度加工和油炸食品中,例如:薯片、炸薯条、某些加工过的谷类食品和零食等都可能含这种物质。

▸多吃水果、蔬菜

先前的研究表明,蔬菜水果可能与降低风险的程度有关,可达50-60%。在美国癌症协会的癌症预防研究II营养队列(超过41,000名女性)中,蔬菜和水果(分别降低20%25%的风险)对食用这些食物最多的人的保护作用仅在从未使用激素治疗的女性中确定。例如苹果、西兰花、蓝莓、草莓、辣椒等。

尤其是所有的十字花科蔬菜,如西兰花、芥菜和球芽甘蓝,都有抗癌作用。这些蔬菜中存在的一种叫做萝卜硫素的化学物质会产生一种减少肿瘤生长的酶。

另一种化合物 Indole-3-carbinol 在对抗癌细胞方面也很不错。

β-葡聚糖是一种存在于某些蘑菇中的化合物,在抗癌方面很受欢迎。

在水果中,葡萄具有巨大的健康益处。它们含有抗氧化剂,可以防止自由基破坏身体的健康细胞。葡萄皮含有白藜芦醇,这是另一种具有抗癌特性的化合物。

▸避免糖和高血糖指数碳水化合物

研究发现,饮用含糖饮料多的女性患子宫内膜癌的风险要高出 78%。一项荟萃分析比较了饮食中血糖负荷最高的女性与血糖负荷最低的女性,发现前者的风险高出约20%.

▸尽可能吃完整的、未加工的食物

子宫内膜癌主要与体内高水平的无拮抗雌激素有关。包装食品不仅缺乏营养,还含有人造防腐剂和化学物质,以及包装中的塑料,导致雌激素循环增加。

对于子宫内膜癌患者来说,理想的饮食需要包含大量的天然食品,并且应该不含高度加工的食品。糙米、燕麦片、豆类和麸皮全谷物提供足够的纤维,有助于定期排除体内的毒素。

许多非有机食品中的杀虫剂增加体内的雌激素。吃完整的有机食品可能对其预防和管理特别重要。

▸喝咖啡和绿茶

研究发现,喝咖啡量相对较多的女性患子宫内膜癌的风险降低20%,而喝咖啡量高从未接受过HRT治疗的女性,患子宫内膜癌症的风险降低40%

可能是由于咖啡中的咖啡因和其他甲基黄嘌呤能够增加性激素结合球蛋白(SHBG)并增加胰岛素敏感性。

同样,喝绿茶的人患子宫内膜癌的风险在最高摄入量组低近20%。其作用可能包括促进细胞凋亡、细胞周期阻滞、上调谷胱甘肽- s转移酶,使致癌物失活,以及抗雌激素作用。

▸适度饮酒

酒精摄入与子宫内膜癌风险之间似乎存在J型关系。研究发现,与不喝酒或偶尔喝酒的女性相比,每天喝半杯到一杯的女性风险降低4-7%,而每天喝2.5杯或超过2.5杯的女性风险分别高出14%和25%

▸补充维生素

据《营养杂志》报道,每天服用 500mg 维生素 C和 400 国际单位的维生素 E 可以将患卵巢癌的风险降低 68% 。斯坦福大学的科学家说,这两种营养素都有助于关闭为异常细胞生长提供燃料的酶。

▸可能预防卵巢癌的食物

  • 生姜

密歇根大学的研究人员认为,生姜的活性化合物(姜酚)破坏卵巢癌细胞。

  • 番茄汁

番茄汁的细胞壁在加工过程中被分解,更容易吸收。研究人员报告称,每天只需喝八盎司番茄汁就能将患卵巢癌的风险降低一半。

  • 三文鱼

一项针对人体细胞的妇科肿瘤学研究发现,一种仅存在于鱼类中的 omega-3 脂肪酸 DHA 可抑制卵巢癌的生长。

  • 含硒食物

发表在BMC Cancer上的研究表明,含有矿物质硒的食物可能会降低卵巢癌的风险。它在体内充当抗氧化剂,降低破坏细胞的自由基水平。高蛋白食物中很多富含硒,例如瘦肉、鱼(金枪鱼)、虾、豆类、坚果等。

▸其他营养和生活方式建议

限制高能量密集型食物和高盐(或高钠食物)、定期运动和保持健康体重可能会降低癌症风险。

与其他饮食模式相比,遵循植物性饮食提供更高的饮食质量,有助于实现健康体重。

▸疫苗接种

HPV 疫苗可以帮助预防导致大多数宫颈癌病例的HPV 类型的感染,最好在青少年时期就接种。

▸肠道菌群健康检测

随着深入研究体内微生物群妇科恶性肿瘤发生发展的关系,利用菌群预测癌症的早期阶段成为可能。

通过及时调整饮食、生活方式、配合益生菌的使用等干预手段,尽可能避免疾病发展。

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环境污染物通过肠脑轴影响心理健康

谷禾健康

在这个充满压力、紧张和焦虑的快节奏世界中,人人都容易患上许多身心疾病。

根据世界卫生组织 (WHO) 的数据,世界上每 8 人中就有 1 人患有精神障碍,其中焦虑症和抑郁症最为常见。尤其经历疫情,仅2020年,全球重度抑郁症患者增加27.6%(95%不确定区间(UI):25.1-30.3),焦虑症患者增加25.6%(95%不确定区间:23.2-28.0).

情绪健康对身体健康有直接影响,反之亦然。这背后的原因离不开肠道和大脑之间的双向交流,这两者之间的对话主要是由肠道微生物群介导的。

也就是说,肠道微生物群在神经精神疾病的发病机制中起着至关重要的作用。


精神障碍,包括抑郁、焦虑、恐惧、双相情感障碍、精神分裂症和其他精神病、痴呆、以及自闭症和创伤后应激障碍等,都有一系列症状,比如:异常的思想、感知、情绪、行为和人际关系等。

哪些因素会引发精神疾病?

大多数精神疾病是由环境、心理和生物因素共同引起的。遗传、脑损伤、微生物感染、药物滥用、营养不良或暴露于环境污染物都可能在精神障碍的发展中发挥重要作用。

环境污染物影响精神疾病易感性

随着世界各地工业流程和技术的进步,现代文明产生的各种环境污染物已大大增加。人们在日常生活中会接触到各种各样的污染物,这些污染物影响肠道微生物群并操纵肠道和大脑之间的双向交流,从而导致精神或神经系统疾病的易感性。

精神益生菌:有助大脑健康的下一代益生菌

精神益生菌是一种能够影响肠-脑轴的益生菌菌株,对改善微生物群以及缓解中枢神经系统疾病的某些症状具有积极作用。常见的精神益生菌包括:乳酸杆菌、链球菌、双歧杆菌、大肠杆菌、肠球菌等。

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本文讨论了各种环境污染物(重金属、邻苯二甲酸盐、双酚 A 、颗粒物等)如何影响错综复杂的微生物群-肠-脑轴,从而影响神经整体心理健康,总结了精神益生菌如何通过菌群有效缓解多种中枢神经系统疾病的症状及改善心理健康。

本文涉及的专业术语

CNS—中枢神经系统
ENS—肠神经系统
HPA—下丘脑-垂体-肾上腺
GBA—肠脑轴
MGBA—微生物-肠-脑轴
GABA—一种中枢神经系统抑制性神经递质
VN—迷走神经
BDNF—脑源性神经营养因子

01
肠道如何与大脑的情绪,认知等联系起来?

在了解环境污染物如何引发精神疾病之前,我们先来了解一下:微生物群-肠-脑轴。

微生物群-肠-脑轴是如何运作的?

它负责协调肠神经系统(ENS)和中枢神经系统(CNS)之间的双向交流,将外周消化活动与大脑的情绪、行为和认知中心联系起来。

微生物群-肠-脑轴 (MGB) 的双向交流

Singh S,et al., Microorganisms.2022

这种关联受皮质醇和下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)激素、迷走神经(VN)系统和免疫反应等激素的调节。迷走神经是副交感神经系统的主要组成部分,可将肠道信号传递到中枢神经系统并刺激反应。

肠道菌群在肠-脑轴中如何发挥作用?

肠道菌群可以通过多种潜在机制改变大脑功能:

  • 通过迷走神经双向影响 CNS 过程;
  • 通过免疫系统调节;
  • 通过内分泌途径,调节 HPA 轴的活性,包括糖皮质激素的血浆水平;色氨酸代谢;神经递质和神经营养因子的产生、表达和周转。

同时并产生具有神经活性特性的代谢物,例如短链脂肪酸、支链氨基酸、肽聚糖等。

这在我们之前的文章也有详细阐述过:

深度解读 | 肠道菌群和中枢神经系统的关系

微生物群-肠-脑轴如何影响压力、焦虑等?

肠-脑轴的作用已在几个生理过程中得到证实,例如饱腹感、食物摄入以及脂肪和骨代谢、葡萄糖调节和胰岛素分泌

此外,宿主行为受肠神经系统和中枢神经系统与肠脑轴相关性影响。这些系统活动的减少压力或焦虑增加有关

已经确定肠脑轴活性受降钙素基因相关肽(CGRP)的调节。当增加的病原微生物破坏肠道微生物群时,神经元可以产生CGRP并将其释放到肠道中。感染可诱导CGRP的分泌,进而激活宿主防御和降钙素受体的相应免疫反应。

微生物-肠-脑轴的存在表明,通过饮食、宿主衍生代谢物和不同环境污染物改变肠道微生物的组成和数量,可以影响中枢神经系统和肠神经系统,从而影响精神疾病的发生和发展。

菌群代谢产物——短链脂肪酸

有助于调节中枢神经系统

  • 短链脂肪酸保持血脑屏障完整性

短链脂肪酸可以通过单羧酸盐转运蛋白穿过血脑屏障(BBB),通过过度表达紧密连接蛋白并保持血脑屏障完整性

  • 短链脂肪酸有助于调节神经炎症

短链脂肪酸可以调节神经营养因子 (BDNF) 的水平,促进神经发生,影响神经胶质细胞的形态和功能,有利于血清素形成并改善神经元稳态和功能,所有这些都有助于调节中枢神经系统中的神经炎症

短链脂肪酸与这些肠-脑网络的结合可以直接或间接地改变认知情绪精神障碍的病理生理学。

通过调节途径(包括犬尿氨酸途径)改变神经递质活性,以及大脑中短链脂肪酸的可用性和影响的变化,都可能对脑源性神经营养因子(BDNF)功能产生影响,包括中枢神经系统中的神经元存活和分化。

  • 短链脂肪酸改变肠道激素的释放

如肽酪氨酸酪氨酸 (PYY)、胆囊收缩素(CCK)和胰高血糖素样肽-1(GLP-1)从表达游离脂肪酸受体(FF-R)的肠粘膜肠内分泌细胞中的释放。在啮齿动物中,血源性PYY和GLP-1会渗透到大脑中,并对神经递质和行为产生显著影响

每天接触各种环境污染物会影响肠道微生物群损害肠脑轴,它们是如何导致抑郁、焦虑等心理健康问题的?下一章节我们展开讨论。

02
环境污染物对肠道菌群和心理健康的影响

我们知道,人体各类疾病(免疫性疾病、胃肠道疾病和神经行为疾病)可能是由于微生物群的变化而产生的,微生物群失调后致病菌增多,产生毒力因子,如脂多糖,从而引发一系列导致“肠漏”的过程。

所谓“肠漏”,即肠黏膜通透性增加,这可能使细菌、细菌毒素和其他小分子物质泄漏到血液中并引起全身炎症
关于肠漏详见:什么是肠漏综合征,它如何影响健康?

细菌毒素因子和代谢物能够转移到远处的目标区域,例如大脑。激素合成、细菌产生的代谢物、模仿宿主产生的因子和表观遗传突变都是肠道菌群失调影响宿主潜在机制

✦ 环境污染物通过干扰菌群影响宿主

暴露于环境污染物会针对宿主和常驻肠道微生物群,其干扰可能会产生系统性影响,包括通过微生物群-肠-脑轴改变中枢神经系统的功能。

重金属、有机溶剂和空气污染物是研究最多的与人类精神疾病和心理功能有关的人造和天然毒物类型。

重金属

研究人员发现那些生活在土壤中重金属和重金属浓度较高的地区的人,患精神疾病的可能性更高。即使较低的水平也会导致肠道失调对心理健康负面影响

重金属类型:

铅 (Pb)、镉 (Cd )、汞( Hg )等。

重金属可能以四种方式进入人体:

  • 摄入受污染的食物;
  • 从大气中吸入;
  • 饮用受污染的水;
  • 农业、制药业、制造业、住宅和工业区的皮肤接触

▸ 重金属如何对人类健康的不利影响?

在重金属到达大脑之前,初步的环境暴露预计会与肠道微生物群相互作用。

当重金属到达胃肠道系统时,重金属毒性可能由肠道微生物组通过代谢氧化或还原过程介导。另一方面,重金属会引起氧化应激改变肠道屏障的通透性扰乱人体健康的微生物群,导致菌群失调。肠道菌群失调提高了重金属和氧化应激的潜在破坏性影响,这与精神疾病有关

肠道菌群对重金属的吸收和代谢的直接影响

Duan H, et al., Sci Total Environ. 2020

【 铅 】

铅是一种众所周知的神经毒素,它对单胺信号传导 、下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴和其他几个大脑系统的影响与情绪障碍有关

几项动物研究表明,接触铅会导致HPA轴永久功能失调

▸ 重金属导致线粒体功能障碍,与精神疾病有关

在某些精神疾病的病理生理学中,铅和镉等重金属可能导致线粒体生化级联反应发生故障。研究人员记录了 19 例线粒体疾病,这些疾病还伴有抑郁和焦虑等精神问题,确立了线粒体功能障碍和精神疾病之间的联系

乳酸菌产生的支链氨基酸可以穿过血脑屏障,并通过增强线粒体生物合成来改变宿主生理,从而提高对活性氧的抗氧化作用。这就提供了重金属暴露、肠道微生物组和心理健康之间的重要联系。

根据肠道微环境因素,如 pH 值、氧化还原电位、氧气可用性、易感/耐药微生物的流行程度以及微生物群的总体多样性和代谢活动,推测肠道中有害金属的暴露会对常驻菌群产生不同的影响

【 汞 】

汞中毒是第二大常见的重金属毒性。有几起因汞中毒引起的精神疾病的报告。汞的神经精神毒性主要涉及元素汞(Hg2+),它是通过甲基汞通过血脑屏障去甲基化而形成的。

▸ 汞积累可能引发脑损伤

由于大脑是汞的主要靶点,因此其产前暴露会导致人类和实验动物的大脑萎缩、大脑皮层和基底神经节损伤、细胞死亡脑层紊乱和神经胶质增生

由于Me-Hg中毒与年龄有关,因此汞中毒和汞沉积的症状因人在接触时的年龄而有很大差异

▸ 过多接触汞的胎儿存在思维问题

在子宫内暴露于Me-Hg的儿童,可能在认知思维、记忆力、注意力、语言技能、肌肉控制和视觉空间技能方面存在问题

急性Me-Hg暴露也改变了大鼠肠道微生物群的结构,包括脱硫弧菌目、消化球菌科和幽门螺杆菌,所有这些都与特定的神经代谢物有关,如谷氨酸和γ-氨基丁酸 (GABA)。

在成熟的中枢神经系统中,谷氨酸和γ-氨基丁酸分别是主要的兴奋性抑制性神经递质。它们的不平衡可能导致不同的精神和神经问题。

关于谷氨酸与肠道菌群详见:兴奋神经递质——谷氨酸与大脑健康

在鱼类中,Me-Hg处理增加了下列菌群:

Xanthomonadaceae,Pirellula,Cloacibacterium,

Comamonadaceae,Deltaproteobacteria FAC87

所有这些都参与了异生物质代谢金属去除。有机和无机形式的汞通过胃肠道吸收并影响其他系统,包括中枢神经系统,引发心理问题。

【 砷 】

砷,也会导致认知功能障碍易患情绪障碍,主要是通过破坏血清素多巴胺代谢

由于已知有几种肠道微生物有助于这些神经递质的生物合成,因此微生物群中的任何干扰都可能是导致肠脑串扰改变的可能原因

▸ 砷处理小鼠:拟杆菌↑↑,厚壁菌↓↓,短链脂肪酸↓↓

在几项研究中,小鼠肠道微生物群中砷暴露的时间和剂量依赖性变化被确定为拟杆菌门的增加厚壁菌门的减少

研究还发现砷处理促进了与脂多糖产生、多重应激反应、DNA 修复和维生素生物合成有关的细菌基因转录,同时减少了短链脂肪酸生物合成有关的基因转录。

短链脂肪酸减少引起了

慢性炎症、肠道通透性增加、条件致病菌增殖、金属摄入增加和血脑屏障功能障碍增加。

▸ 砷暴露的人类研究:致病菌↑↑ 共生菌↓↓

一项对尼泊尔人的研究发现,砷暴露通过富集挥发性细菌和致病菌,同时消耗肠道共生菌,从而改变了肠道微生物群组成。

此外,代谢组学分析显示了伴随的影响,几种肠道微生物群相关的代谢物在各种生物基质中被破坏。砷暴露不仅使肠道微生物群在丰度方面变化,还在代谢特征功能方面也发生了变化 。

下列菌群因接触砷而发生显著变化,并可能与接触砷引起的疾病直接相关:

  • Deltaproteobacteria
  • Polynucleobacter
  • Saccharomyces
  • Amanitaceae
  • Fusarium
  • Candida

胃肠道上皮内的重金属离子相互作用或积累导致氧化应激、微生物群失调、细胞损伤和兼性厌氧菌丰度增加(包括变形杆菌和杆菌在内)。因此,上皮细胞可利用的氧气量增加,消耗产生短链脂肪酸的厌氧细菌,并降低抗炎和抗氧化代谢物的产生,这可能进一步破坏血脑屏障的完整性减少神经发生,导致大脑功能紊乱

重金属与肠道微生物的相关研究

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

小结

总体而言,重金属暴露会改变微生物组成,从而导致肠道微生物群的代谢改变,从而影响人体新陈代谢。

为了消除外源金属,需要一个稳定有效的肠道微生物群。预计膳食有毒金属缓解治疗可减轻有益肠道菌群的炎症负担,从而减轻精神疾病的发展。

一旦重金属进入人体,一些食物就会与它们螯合。水果和蔬菜提供了大量的抗氧化剂,能够减少重金属的损害。香菜、野生蓝莓、大蒜、柠檬水、小球藻、螺旋藻、咖喱、绿茶、大西洋海藻、大麦草、西红柿和益生菌是可以帮助逐渐去除体内金属的食物或补充剂。

重金属可能存在于:

– 处理过的木材中的防腐剂(砷和铜)

– 家用消毒剂(汞、铜和银)
– 厨具,如锅、锅、刀、汤匙和叉子(铝、铜和铅)
– 油漆(铅、汞、镉、锑)
– 杀虫剂、除草剂和杀菌剂(砷、锑和镉)
– 灭鼠药(铊)
– 鱼(汞)
– 大米(砷)
– 化妆品、染发剂(汞、铅)
– 纹身(汞)
– 地板蜡/抛光剂、织物柔软剂、汞合金填充物(汞)
– 巧克力、汽油、烟草烟雾(铅、镉)
– 罐头食品(铝、铅)
– 发酵粉、面粉、除臭剂、牙膏、胃抗酸剂、铝箔、泻药(铝)
– 自来水(铝, 镉)
– 含铅管道 (铅)

– 空气污染 (柴油机尾气、燃煤厂、钢铁和金属铸造厂、化肥公司)

邻苯二甲酸盐

邻苯二甲酸盐是存在于大量产品中的增塑剂,特别是润滑剂、地板材料和个人护理用品,如洗发水和肥皂。在产品使用和储存过程中,它们的浸出、迁移和氧化会污染各种水源、空气和土壤。

人类通过以下方式暴露于邻苯二甲酸盐:

  • 摄入受污染的食物
  • 呼吸道吸入
  • 皮肤吸收

对多个物种的研究表明,发育中的生物暴露于邻苯二甲酸盐会影响肠道微生物群,降低其多样性,特别是改变细菌代谢物的数量,这可能对健康产生严重影响

✦ 邻苯二甲酸引起菌群失调:罗氏菌属和长双歧杆菌减少

新生儿的肠道微生物群受到早期药物治疗中接触邻苯二甲酸二酯 (DEHP) 的影响,这可能会影响他们以后的免疫反应。当婴儿静脉注射DEHP 时,会出现暂时的肠道微生物失调。DEHP暴露改变了细菌群落的组成和多样性,包括罗氏菌和长双歧杆菌减少

在小鼠中,DEHP暴露会导致肠道微生物群落结构以及粪便代谢物谱雌性生殖毒性的改变。DEHP暴露引起的肠道菌群失调改变了微生物代谢物的水平,例如短链脂肪酸、支链氨基酸和单糖,它们是微生物群-肠-脑轴的重要组成部分。

对319 名在1999 年- 2006 年间在市中心分娩的不吸烟女性进行了研究,其中检测到了四种邻苯二甲酸酯代谢物:

  • DEHP
  • di-isobutyl phthalate-DiBP
  • di-n-butyl phthalate-DnBP
  • butyl benzyl phthalate-BBzP

其中三种邻苯二甲酸酯(DnBP、DiBP和BBzP)与一系列行为问题有关,包括焦虑、抑郁、躯体不适和退缩行为

▸ 产前邻苯二甲酸酯暴露对儿童的神经发育产生负面影响

这些负面影响包括精神运动、认知和行为结果。通过干扰神经内分泌系统,这种污染物可能会损害神经元的分化和成熟,增加行为和认知缺陷的风险

✦ 情绪问题通常与HPA轴有关

它会被邻苯二甲酸盐和双酚A等激素破坏。研究记录了青春期和成年小鼠在围产期暴露与DEHP时的焦虑抑郁行为。在这些试验中,增加焦虑相关行为与功能失调的HPA轴相关,表现为ACTH增加、皮质酮水平降低以及下丘脑GR水平升高。

▸ DEHP暴露后,小鼠菌群代谢物对甲酚上调

在年轻小鼠中,DEHP暴露通过增加合成代谢物前体的物种的丰度,来抑制丁酸盐合成并上调对甲酚的产生,对甲酚是一种与神经发育和行为问题相关的细菌代谢物。这证明了DEHP的神经毒性作用肠道菌群失调之间的联系。

双酚A

双酚A(BPA)是一种内分泌干扰化学品(EDC),用于生产聚碳酸酯塑料。饮食、空气、水和灰尘都是人类接触双酚A的可能来源。

由于双酚A的广泛使用,它的暴露正成为一个值得关注的问题。根据最近对暴露于双酚A的发育或成年动物调查,双酚可以改变一系列物种的肠道微生物群

▸ 双酚A暴露减少了双歧杆菌,AKK菌,导致炎症,引发精神障碍

在一项研究中,肠道变化如下:

  • 变形菌大量增加(一种失调标记物);
  • Akkermansia显著下降(一种与改善肠道屏障功能和减少炎症有关的肠道微生物);
  • 肠紧密连接蛋白表达水平也急剧下降,导致肠道通透性增加和循环内毒素量增加。

小鼠产前双酚A暴露减少了双歧杆菌,双歧杆菌已知具有抗炎特性,这可能导致全身炎症,从而导致各种健康问题,包括精神障碍。

▸ 产前母亲尿液双酚A浓度高的孩子,具有更高水平的焦虑和认知异常

各种实验和流行病学调查已将产前母亲尿液双酚A浓度的增加与儿童行为,空间学习和记忆结果联系起来。

更多的研究表明,通过过度激活HPA轴并破坏其基础和压力诱导,产前暴露于双酚A的动物具有更高水平的焦虑和认知异常,通过减少海马 GR 介导的反馈介导的HPA轴抑制,可能会增加在以后的生活中出现压力相关问题的风险

数据表明,产前双酚A暴露和精神障碍持续增强通过重编程诱导的HPA轴激活联系起来。雌激素EDC已被证明以时间性别暴露依赖的方式影响大脑,尤其是下丘脑。

▸ 双酚A降低短链脂肪酸的水平,诱发炎症,损害认知

根据16SrRNA 扩增子测序分析,暴露于双酚A会导致β多样性的差异,而短链脂肪酸生产者的相对丰度显著下降。双酚A还降低了粪便短链脂肪酸的水平,同时增加了氧化应激 、全身脂多糖水平和肠道通透性,所有这些都是炎症引起的慢性疾病的早期迹象。

根据最近的一项调查,小鼠中双酚A暴露引起的神经毒性可能部分归因于MGBA的破坏。暴露于双酚A的雄性小鼠的结果表明,增加的神经炎症损害了它们的认知功能。神经递质血清素、其前体色氨酸及其代谢物5-羟基吲哚乙酸 (5-HIAA) 的脑、结肠和血清水平在暴露于双酚A后都会降低

▸ 双酚A诱导的肠道菌群变化使粘蛋白、丁酸、血清素降低

随着肠道微生物群的改变,发现结肠中的粘蛋白水平和粘液分泌降低,丁酸水平也是如此。双酚A诱导的肠道菌群变化部分地调节了双酚A对心理代谢健康的负面影响。

双酚A降低了粪便中短链脂肪酸和大脑中血清素水平,以及参与色氨酸代谢的不同类型的微生物,导致神经递质信号发生变化。双酚A改变肠血屏障(GBB)和血脑屏障(BBB)的完整性,这可能与肠道和大脑的生态失调、认知能力下降炎症增加有关。

内分泌干扰物与肠道微生物的相关研究

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

空气污染物

空气污染中最常见的化学物质包括一氧化碳、颗粒物、臭氧、二氧化氮和其他构成固体和液体成分(包括道路灰尘、车辆尾气和风吹土壤)。

▸ 空气污染物影响肠道菌群,诱发炎症,损害神经认知

空气污染已被证明会改变肠道微生物群组成功能导致有害代谢物的产生,调节免疫反应,影响代谢途径,引发局部炎症,最后破坏肠血屏障,所有这些可能会进一步破坏血脑屏障改变大脑功能

空气污染会产生严重的神经认知后果,从行为改变神经退行性疾病,这些后果可能会产生可怕的心理健康后果

研究人员发现了长期和短期暴露于空气污染物(CO、PM10、PM2.5、NO2、SO2和O3)和精神障碍,如注意力缺陷多动障碍、抑郁症、自杀,焦虑和各种行为问题有关

颗粒物与肠道微生物的相关研究

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

▸ 氧化应激升高和促炎细胞因子的产生

对PM、NO2和SO等空气污染物暴露的几项研究在各种动物模型中报告了氧化应激升高促炎细胞因子的产,以及脑组织中抗氧化活性降低导致精神障碍,这意味着空气污染暴露与心理健康问题之间存在关系

▸ 通过血脑屏障或沿嗅觉神经易位到达大脑,引发促炎反应

根据人体尸检发现和动物实验研究,空气污染物,特别是细颗粒和超细颗粒,能够通过血脑屏障沿嗅觉神经易位到达大脑。通过破坏血管调节过程,这些颗粒还可以在大脑中引发促炎反应

通过改变肠道菌群的组成并通过活性氧产生和核因子NF-kB激活在体内引起持续的促炎倾向,空气污染物对肠道菌群产生有害影响。污染物通过破坏结肠上皮细胞中的紧密连接蛋白而导致肠道通透性增加

▸ PM和臭氧:激活HPA轴

PM和臭氧是两种具有不同特性和反应性的常见污染物,已在实验中显示可激活HPA轴释放糖皮质激素应激激素作为神经内分泌应激反应的一部分。这可能通过与肾上腺素能受体的作用相当的受体来调节肠道菌群的组成

根据一项结合多组学和多指标技术进行的流行病学研究,PM2.5可能通过改变肠道菌群、色氨酸代谢、炎症因子和关键HPA轴激素来激活肠脑轴,从而导致神经和心理功能障碍

▸ 空气污染导致的菌群及其代谢物变化

空气污染成分与增加和促炎细胞因子释放到肠道,以及拟杆菌门、厚壁菌门和疣微菌的相对数量发生显著变化,导致体内炎症水平升高,这与几种精神疾病的开始和发展有关

短链脂肪酸的产生在接受治疗的小鼠中也发生了变化,盲肠中的支链脂肪酸(如异丁酸和异戊酸)丰度增加。它还导致丁酸盐耗竭,这与屏障功能的降低对粘膜炎症的更易感性有关

由于微生物代谢物从肠道迁移到体循环,空气污染物引起的肠道通透性增加,可能在增加全身炎症水平方面发挥重要作用,这将对中枢神经系统产生影响并促进精神疾病的发展。

03
以微生物群为目标的心理健康干预措施

考虑到微生物群-肠-脑轴在中枢神经系统功能中的重要性,调节微生物群-肠-脑轴的干预措施是改善心理健康的有希望的方法。

肠道微生物群已成为心理健康的重要渠道前瞻性干预目标。益生菌、益生元、合生元和后生元都可以作为精神益生菌,其中一些是精神障碍的治疗干预措施

精神益生菌

“精神益生菌”:益生菌、益生元和所有微生物群靶向干预措施,它们可以操纵微生物群-肠-脑信号并对情绪、认知和焦虑等神经功能产生积极影响

精神益生菌对心理的积极影响

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

➤ 益生菌

许多研究表明,以合适剂量服用益生菌可以减轻健康人群的压力焦虑抑郁。乳酸杆菌和双歧杆菌是用于精神心理研究最多的菌株。各种益生菌菌株的混合物也可用于产生协同效应提高功效

益生菌会影响血清素、脑源性神经营养因子、多巴胺和中枢神经系统抑制性神经递质的水平。迷走神经和肠神经系统在这方面起着至关重要的作用。益生菌还通过产生包括色氨酸和短链脂肪酸在内的代谢物间接改变中枢神经系统功能。

➤ 益生元

当宿主微生物有选择地利用益生元时,它会给宿主带来健康益处。具有双歧化特性的益生元,如低聚果糖、低聚半乳糖和短链低聚果糖,都已因其心理生物效应而受到研究。

除了这些多酚,Omega-3脂肪酸和母乳低聚糖,如具有益生元特性的 3’唾液酸乳糖 (3’SL) 或 6’唾液酸乳糖 (6’SL),在适量服用时显示出对心理健康的益处

益生元可以通过增加双歧杆菌和减少致病菌来恢复肠道中的益生菌状态,从而潜在地缓解焦虑抑郁心理健康问题

例如,短链脂肪酸对细胞系统的影响是通过免疫系统和内分泌途径以及神经和体液途径介导的。短链脂肪酸激活游离脂肪酸受体并与免疫和肠上皮细胞相互作用,从而影响肠黏膜的安全性功能

在环境方面,它还分别通过分泌白细胞介素和控制小胶质细胞的形态和功能来影响全身炎症神经炎症。它还诱导肠道激素如胰高血糖素样肽1的分泌,这些激素通过迷走神经和全身通路将间接信号传递到大脑。所有这些途径最终都会影响学习情绪记忆

➤ 合生元

合生元正在发展为通过调节肠道微生物群改变情绪和行为的另一种方式。在多项研究中,合生元已被证明可以减轻特定人群的压力焦虑样行为

➤ 后生元

后生元,或故意灭活的全细胞或其成分,通过微生物群的变化、改善肠道屏障功能、调节代谢或免疫反应或神经系统信号传导来提供健康益处

几项关于人类和动物模型的研究表明,后生元具有抗抑郁抗焦虑作用。

对精神益生菌在人体的研究

Singh S,et al.Microorganisms.2022

对精神益生菌的动物研究

Singh S,et al.Microorganisms.2022

精神益生菌的可能作用方式

HPA轴的调节、免疫反应和炎症的调节以及神经激素和神经递质的产生是精神益生菌发挥作用的主要机制

精神益生菌通过恢复肠道中的益生菌状态减轻精神障碍来影响细菌-肠道-大脑的关系。

✦ 精神益生菌调节神经递质,影响情绪

心理、智力、生理和神经元指数的变化是精神益生菌抗精神病作用的特征。精神益生菌可以调节神经递质和蛋白质,例如儿茶酚胺、乙酰胆碱、血清素和脑源性神经营养因子。它们影响情绪、认知表现、学习和记忆,以及维持大脑中的兴奋-抑制平衡。

当肠道中神经递质浓度升高时,血浆色氨酸水平下降,导致肠道细胞将化学物质释放到大脑中,从而缓解精神疾病。通过G-蛋白偶联受体产生主要作用的短链脂肪酸是精神益生菌对双向肠脑轴的另一个重要的拟议作用途径。短链脂肪酸可能通过加强血脑屏障、改变神经传递改变神经营养因子水平帮助记忆巩固来直接影响大脑功能。

精神益生菌的潜在作用模式

Singh S,et al.Microorganisms.2022

✦ 精神益生菌调节激素,改善认知

通过激素途径作用于大脑,影响身体的应激反应系统,即HPA轴,涉及肾上腺和大脑;当这种情况发生时,它会破坏压力荷尔蒙的产生和功能。这很可能是导致认知问题的主要因素

精神益生菌可以通过调节HPA轴来降低糖皮质激素水平。糖皮质激素会破坏肠道屏障功能,降低上皮完整性,将细菌向外移动并引发炎症免疫反应。

✦ 精神益生菌调节免疫系统

精神益生菌可以通过直接减轻促炎细胞因子或通过增加抗炎细胞因子以迂回的方式减少炎症恢复血脑屏障完整性调节免疫系统的功能。管腔外的细菌迁移也可以通过增加促炎细胞成分的水平直接影响炎症

✦ 调节肠脑轴中特定神经化学受体的表达,抗抑郁

一些可以产生中枢神经系统抑制性神经递质、去甲肾上腺素和血清素等神经递质的肠道微生物有:

嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌、大肠杆菌、芽孢杆菌、酵母菌、念珠菌、链球菌、肠球菌。

这些可以通过调节肠脑轴中特定神经化学受体的表达来产生抗焦虑抗抑郁作用。尽管对人类微生物组的研究仍处于初期阶段,但研究结果表明肠道微生物可能会影响人们的认知健康行为情绪

一些能产生神经递质或神经激素的肠道微生物

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

04
精神益生菌在神经系统疾病中的具体应用

生活方式、饮食、衰老和遗传等一系列因素促成了神经退行性疾病的发生和发展。益生菌肠脑轴的影响可以通过影响中枢神经系统来实现。

肠道微生物群对神经系统疾病的影响

Oroojzadeh P,et al.J Mol Neurosci.2022

阿尔茨海默病(AD)

阿尔兹海默病是神经系统疾病中痴呆主要原因。痴呆症通常发生在 60岁以上的人群中。这种疾病没有明确和有效的治疗方法。

研究表明,阿尔茨海默病的主要表现与细胞内Tau 神经原纤维缠结和细胞外淀粉样斑块的产生有关

更好地了解这种疾病所涉及的生理机制可以帮助确定有效的治疗方法

肠道微生物与阿尔茨海默症

鉴于肠道微生物群的损害可能与阿尔茨海默症等神经退行性疾病有关,因此调节肠道菌群是治疗阿尔茨海默症的一种可能方法。

炎症和氧化应激会破坏中枢神经系统中的神经细胞,从而导致阿尔茨海默症。

预防胆碱能神经元破坏以及大脑中乙酰胆碱水平的增加是成功治疗阿尔茨海默症所需要的

已经证明,持续应用D-半乳糖可能会通过增加氧化应激和活性氧物质而导致认知异常和记忆障碍

一些益生菌,包括植物乳杆菌,能够产生乙酰胆碱,并且可以保护由D-半乳糖消耗引起的记忆缺陷。

几种关于益生菌菌株补充的研究:

  • 研究证明,益生菌菌株罗伊氏乳杆菌、 鼠李糖乳杆菌和婴儿双歧杆菌(10^10 CFU/天)在阿尔兹海默症大鼠模型中治疗 10 周有助于减轻炎症和氧化应激。
  • 在临床研究中,测定了含嗜酸乳杆菌(L. acidophilus)、双歧杆菌(B. longum B. bifidum)的益生菌(2 × 109 CFU/day)和联合补充硒对AD患者12周代谢状态和认知功能的影响。结果证实了阿尔兹海默症患者的代谢特征和认知功能得到改善。
  • 在使用了含有嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌的益生菌混合物、双歧杆菌和发酵乳杆菌 (都是 2 × 109 CFU/g)持续12周,证明它们对阿尔兹海默症患者的代谢状态和认知功能有积极影响。

关于阿尔茨海默病与肠道菌群详见:阿尔茨海默病de饮食-微生物-脑轴

阿尔兹海默症与2型糖尿病

阿尔兹海默症的一个重要危险因素是2型糖尿病。胰高血糖素样肽-1(GLP-1)在肠道和中枢神经系统(尤其是脑干)中产生,并与神经保护以及认知功能和葡萄糖代谢有关

GLP-1受体在不同组织(肾、肺、心脏、中枢神经系统等)中表达,可以上调参与脑细胞修复和分化的各种基因的表达。GLP-1还可以促进高血糖状态下的胰岛素分泌

以前的研究表明,GLP-1在中枢神经系统中作为神经保护因子,可诱导神经细胞增殖/凋亡,改善学习和记忆,降低Aβ斑块沉积,保留多巴胺能神经元,刺激神经再生。

▸ GLP-1工程益生菌减少记忆障碍

研究人员研究了GLP-1工程益生菌(Lactococcus lactis MG1363)口服给药后对AD小鼠模型的影响。脂多糖和1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(MPTP)分别诱导记忆障碍运动功能障碍

结果表明,工程菌株能够通过两种信号通路减少记忆障碍运动功能障碍。此外,工程益生菌降低了病原体的丰度,并增加Akkermansia muciniphila的丰度。

还观察到炎症反应下调、阻断NF-κB信号和 MAPKs/PI3K/AKT。已确定GLP-1和GIP(葡萄糖依赖性促胰岛素多肽)作为神经保护因子对2型糖尿病治疗的有效性

探讨GLP-1/GIP/胰高血糖素三位一体治疗(30天)对AD小鼠认知行为的影响。结果表明,该治疗通过减少认知障碍和病理变化对阿尔茨海默病产生有益影响。

小结

总的来说,这些信息阐明了在阿尔兹海默症中用益生菌操纵肠道微生物群可以改善葡萄糖代谢受损、延缓阿尔兹海默症进展并减少神经炎症,从而有利于胰高血糖素样肽1的作用。

帕金森病 (PD)

帕金森病是第二种常见且主要的神经退行性疾病。该疾病与突触核蛋白积累多巴胺能神经元的进行性丧失有关,并以运动和非运动症状为特征。肠道功能异常的非运动症状主要是体重减轻、胃轻瘫、便秘和排便功能障碍

目前,在治疗帕金森病时,服用精神生物药物备受关注。报告说,食用益生菌混合物对释放多巴胺的神经元提供有效保护,并随后减少小鼠的运动功能障碍恶化。

✦ 补充益生菌能改善帕金森病的相关症状

研究确定了益生菌副干酪乳杆菌对帕金森病大鼠运动障碍的影响,并且与对照组相比,有益生菌的大鼠运动障碍更少

在一项临床研究中,评估了含有的L.casei Shirota发酵乳对帕金森病患者5周的效果,并报告了腹胀减少、便秘减少和腹痛减少

每天一次服用含有多种益生菌菌株和益生元的发酵乳,持续4周,并报告改善了帕金森病患者的便秘

每片使用60毫克两种益生菌:嗜酸乳杆菌和婴儿双歧杆菌,每天两次,持续3个月,40名帕金森病患者腹痛和腹胀缓解

报告称,在接受8×10^9 CFU/天益生菌12周的帕金森病患者中,过敏反应降低,丙二醛水平降低,谷胱甘肽水平升高

关于帕金森与肠道菌群详见:肠道微生物与帕金森以及相关影响因素

多发性硬化症 (MS)

多发性硬化症是一种涉及中枢神经系统的自身免疫性疾病,其中髓鞘覆盖的轴突被破坏

遗传环境因素以及病毒感染被认为是多发性硬化症发展的主要风险因素。然而,这种疾病的确切原因尚不清楚

✦益生菌可以改善多发性硬化症

越来越多的证据表明,益生菌可以通过改变肠道微生物组、抑制炎症通路和调节免疫系统来改善多发性硬化症患者的免疫系统。

评估了含有发酵乳杆菌、干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌和双歧杆菌的益生菌菌株的效果对接受益生菌混合物12周的多发性硬化症患者的心理健康残疾代谢状况的影响。

证明益生菌菌株增加了多发性硬化症小中抗炎细胞因子包括IL-4、IL-5、IL-10的表达,并减少了促炎 IFN-γ和IL-1β的分泌。

自闭症谱系障碍 (ASD)

自闭症谱系障碍是社会交流、感觉运动行为和有限兴趣方面的一系列缺陷。

自闭症谱系障碍的表现始于儿童早期。自闭症患者表现出胃肠道症状。自闭症儿童的胃肠道功能障碍通常与攻击性行为易怒睡眠障碍有关

✦益生菌对自闭症的有益影响

报告了益生菌对自闭症患者行为和胃肠道表现的有益影响。使用含有嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌和长双歧杆菌的益生菌菌株治疗孤独症儿童3个月后,双歧杆菌乳酸杆菌数量增加,体重减轻,胃肠道症状改善

此外,接受益生菌菌株1个月的自闭症儿童的自闭症核心症状有所改善,腹部症状有所减轻

扩展阅读:自闭症,抑郁症等与维生素缺乏有关

抑郁症和焦虑症

抑郁症和焦虑症是常见的疾病之一。这两种疾病大多同时发生。抗抑郁药、抗焦虑药和催眠药通常用于治疗。临床上,抑郁与下丘脑-垂体-肾上腺失调之间存在关联

研究表明,健康个体和重度抑郁症患者的肠道微生物群是不同。重度抑郁患者双歧杆菌和乳杆菌减少,同时梭菌、链球菌、克雷伯菌、颤杆菌和Allistipes增加

胃肠道细菌通过迷走神经通路激活压力回路。长期暴露于压力源会导致去甲肾上腺素的长期分泌,这会改变肠道微生物群并使肠道对细菌和毒素更具渗透性,然后是HPA轴的压力反应。

✦益生菌能降低压力改善焦虑

研究了益生菌菌株B. breve CCFM1025对粪便微生物组成和脑神经系统改变以及皮质酮、细胞因子和短链脂肪酸的血清水平的影响。总体而言,抑郁和焦虑样行为减少了。

研究指出,益生菌菌株B. longum 1714 能够降低压力水平改善健康志愿者的记忆力

评估了鼠李糖乳杆菌HN001对423名孕妇产后焦虑和抑郁表现的影响,并指出益生菌治疗组的抑郁状况显著降低

益生菌菌株L. plantarum 299v降低犬尿氨酸水平并增强重度抑郁症患者的认知功能。然而,其他调查并未报告接受益生菌的患者与对照组在焦虑和幸福感评分方面有任何显著差异。

有学者指出益生菌菌株长双歧杆菌NCC3001可以提高肠易激综合征患者的生活质量,并可以减少这些病例的抑郁症。

关于抑郁症与肠道菌群详见:抑郁症,恐惧,压力和肠道微生物群脱不开的关系

失眠和精神分裂症

失眠

充足的睡眠是影响生活质量的关键因素。肠道菌群通过微生物-肠-脑轴影响宿主的精神状态睡眠状态

宿主的昼夜节律和睡眠质量取决于微生物组谱和代谢特性。益生菌被认为可以改善睡眠健康。GABA 是一种抑制性神经递质,能够通过减少焦虑来促进放松

L.brevis DL1-11 是一种具有高GABA生产能力的益生菌菌株,其改善小鼠睡眠的潜力已得到证实。

关于睡眠与肠道菌群详见:肠道菌群与睡眠:双向调节

精神分裂症

精神分裂症是一种慢性衰弱性疾病。研究表明,肠道微生物群的破坏会增加全身炎症。因此,神经炎症会导致精神分裂症

精神分裂症患者通常患有营养状况受损、压力反应高、炎症状态增加和乳糖不耐症。具有抗炎和免疫调节特性的益生菌可能有助于减轻精神分裂症患者。

✦ 益生菌减轻精神分裂症症状

报道了丁酸梭菌、粪链球菌和肠系膜芽孢杆菌的益生菌混合物可以减轻精神分裂症的症状。研究表明,益生菌菌株B. lactis Bb12 亚种的组合B. lactis Bb12 GG鼠李糖乳杆菌菌株可以减少精神分裂症患者的肠道障碍。

研究了鼠李糖乳杆菌菌株GG动物双歧杆菌乳亚种在慢性精神分裂症的可能免疫调节作用。报告称,血管性血友病因子浓度显著降低,同时脑源性神经营养因子、巨噬细胞炎性蛋白-1β、单核细胞趋化蛋白-1和RANTES(受激活、正常T细胞表达和分泌的调节)水平升高。因此,精神分裂症患者服用益生菌补充剂可能会改善胃肠道渗漏

B. lactis Bb12有助于使男性患者的白色念珠菌抗体水平和白色念珠菌相关肠道不适正常化

糖尿病神经病变(DN)

糖尿病性神经病变是一种与轴突萎缩、脱髓鞘疾病、再生能力下降、神经元炎症和周围神经病变有关的营养性神经退行性疾病

糖尿病神经病变可通过神经元肠脑轴、门静脉(调节中枢神经系统中的能量代谢)和外周神经元传导丧失改变血糖调以及肠道葡萄糖吸收不良

2型糖尿病的特征是葡萄糖代谢失调,导致空腹和餐后高血糖。胰岛素和胰高血糖素分泌和功能受损是这种疾病的主要原因

▸ 胰高血糖素样肽1(GLP-1)

GLP-1是肠细胞响应葡萄糖而分泌的一种肠促胰岛素激素,用于2型糖尿病治疗。它通过特定受体激活肠道神经元并调节肠道转运增加胰岛β细胞的增殖,增强葡萄糖依赖性胰岛素分泌,减少胰岛α细胞的胰高血糖素分泌。

因此,它会降低2型糖尿病患者的血糖和食物摄入量。当 GLP-1被激活时,它会向迷走神经传递一个神经信息,该信息通过肠脑轴参与血糖调节。GLP-1 还具有神经保护神经源性潜力,研究表明它在来自背根神经节的神经元的原代培养物中诱导轴突。因此,它可以有效地治疗糖尿病神经病变

✦ 益生菌增强胰岛素分泌,改善肠神经系统

研究发现益生菌通过上调G蛋白偶联受体 、胰高血糖素原和转化酶原活性,通过葡萄糖触发的GLP-1 分泌来增强胰岛素分泌。

已经确定,当无菌小鼠被健康的肠道微生物群稳态定植时,肠神经系统和迷走神经的神经元活动得到恢复,但糖尿病小鼠的肠道微生物群却没有。

研究发现用罗伊氏乳杆菌喂养大鼠9天可以通过靶向肠道感觉神经中的钙依赖性钾通道来改善肠神经系统。

一些乳酸杆菌菌株(L. farciminis, plantarum, fermentum)可以产生一氧化氮作为神经递质,它能够影响神经元对GLP-1和葡萄糖代谢的反应。

✦ 益生菌降低胰岛素抵抗,增加抗氧化能力

研究了GLP-1在2型糖尿病大鼠体内,白藜芦醇和益生菌作用。给大鼠喂食各种益生菌,包括植物乳杆菌、保加利亚乳杆菌、干酪乳杆菌、婴儿双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌,剂量为 50 × 10^9 4周。发现与糖尿病组相比,这些益生菌和白藜芦醇可以降低葡萄糖和胰岛素抵抗(p  < 0.001),并增加GLP-1以及总抗氧化能力(p  < 0.001)。

发现两种菌株,L. kefiranofaciens M 和 L. kefiri K可以通过诱导GLP-1分泌,抑制细胞因子产生(促炎和炎症因子),增加IL-10的产生,改变肠道菌群向LAB和双歧杆菌的方向发展,减少产气荚膜梭菌和大肠菌群,从而降低小鼠模型中T1D的进展。

这些结果揭示了益生菌在增加GLP-1水平中的作用,这可以随后缓解高血糖症,并可能被认为是糖尿病治疗的潜在候选者。

关于2型糖尿病和肠道菌群详见:2型糖尿病如何做到可防可控?肠道菌群发挥重要作用

神经性厌食症(AN)

神经性厌食症是另一种重要的精神障碍,与严重的体重减轻、精神合并症、对肥胖的恐惧和饮食限制有关。

根据对肠脑相互作用的深入了解以及益生菌对该轴的积极作用,可以为神经性厌食症治疗提供几种新的治疗策略。

✦ 益生菌改善神经性厌食症中的胃肠道不适

分析了益生菌对神经性厌食症患者的疗效,并通过分析血清和粪便样本测量了体重指数、心理/神经心理参数。他们报告了神经性厌食症中肠道微生物群落的正调节,以善体重增加胃肠道不适炎症减少

通过低聚果糖1.67g/天和益生菌(Saccharomyces boulardii 5×10^8 CFU)干预评估益生菌对神经性厌食症的影响。饮食限制后,与健康状态相比,总微生物群代谢物减少,但补充低聚果糖和布拉式酵母通过改变以下菌群来恢复微生物群落。

  • Bifidobacterium
  • Bacteroides spp
  • Roseburia
  • Clostridium
  • Clostridium histolyticum
  • Phascolarctobacterium faecium

研究显示了两种饮食(酸奶或牛奶)的积极作用,包括保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌,它们能够诱导IFN-γ产生对抗儿童腹泻和神经性厌食症患者的感染

值得注意的是,抗生素和25%的药物可能会影响微生物群,患者需要基于益生菌治疗来实现主要目标,如能量收集、体重增加、降低肠道通透性、炎症过程以及肠道微生物组群的改变等。

益生菌的作用主要是增强肠道健康。食用含有益生菌的健康食品在预防中枢神经系统疾病和通过调节肠道微生物群控制相关症状方面具有重要作用。这种效应通过微生物群-肠-脑轴发生,可以整合到临床试验中。

富含精神益生菌的食品

酸奶、开菲尔、豆豉和泡菜等发酵食品富含益生菌。一些益生菌产生活性神经元化合物或充当载体。一些双歧杆菌和乳酸杆菌菌株分泌γ-氨基丁酸 (GABA)。此外,对健康人的粪便样本进行分析,发现拟杆菌属、副拟杆菌属和埃希氏菌属物种能够调节产生GABA的途径。

GABA的功能障碍与抑郁和焦虑有关。GABA 是乳酸菌 (LAB) 的分泌代谢产物之一。它是哺乳动物中枢神经系统中抑制性传播的主要介质。食品工业通过生产含有能够产生 GABA 的益生菌物种的功能性食品,在减少抑郁和焦虑方面发挥着关键作用。

开菲尔颗粒含有Acetobacter aceti, L. fructivorans, Acetobacter sp., Enterococcus faecium, Leuconostoc spp., L. delbrueckii delbrueckii, L. fermentum, L. kefiranofaciens, Candida famata, Candida krusei.

益生菌菌株L. helveticus发酵乳中分离得到,可以改善老年人和中年人的认知功能。

用短乳杆菌L. brevis BJ20浓缩发酵海带, 以确定其对老年人体质和短时工作记忆的影响。研究人员说,食用这种发酵食品可以为老年人的痴呆症提供保护机制。

由于包括牛奶、乳制品和豆制品在内的发酵产品的广泛使用,其他研究表明,含有干酪乳杆菌的发酵乳可以改善学生的情绪、增加粪便中的血清素降低压力水平,瑞士乳杆菌影响认知功能。

含有发酵乳杆菌、干酪乳杆菌混合物的发酵牛奶降低了小鼠的亚硝化应激参数。含有B. lactis BB12和L. acidophilus LA5益生菌的酸奶可显著增强整体健康并减轻焦虑、抑郁和压力。

使用含有短乳杆菌L. brevis FPA 3709的发酵黑豆浆能够产生 GABA 在小鼠中显示出抗抑郁活性。

结语

个体微生物组会受到宿主条件环境的影响。肠道微生物群的紊乱会对宿主的生理反应整体健康产生巨大影响

大量证据表明,环境污染物微生物群相互作用,而微生物群在肠脑轴中发挥着关键作用。长时间处于污染环境下,肠道生态失调,对宿主造成系统性长期的影响

精神益生菌控制中枢神经系统疾病症状方面具有有效的特征,或将辅助治疗各类疾病。然而神经精神类疾病病情复杂,原因不一,有些益生菌也并不一定对所有患者有效,通过肠道菌群检测,可以了解个体肠道菌群,从而有针对性地采取相关干预措施。

主要参考文献

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Oroojzadeh P, Bostanabad SY, Lotfi H. Psychobiotics: the Influence of Gut Microbiota on the Gut-Brain Axis in Neurological Disorders. J Mol Neurosci. 2022 Jul 18:1–13. doi: 10.1007/s12031-022-02053-3. Epub ahead of print. PMID: 35849305; PMCID: PMC9289355.

Liu, L.; Huh, J.R.; Shah, K. Microbiota and the gut-brain-axis: Implications for new therapeutic design in the CNS. eBioMedicine 2022, 77, 103908.

Long, D.; Liu, M.; Li, H.; Song, J.; Jiang, X.; Wang, G.; Yang, X. Dysbacteriosis induces abnormal neurogenesis via LPS in a pathway requiring NF-κB/IL-6. Pharmacol. Res. 2021, 167, 105543.

Duan H, Yu L, Tian F, Zhai Q, Fan L, Chen W. Gut microbiota: A target for heavy metal toxicity and a probiotic protective strategy. Sci Total Environ. 2020 Nov 10;742:140429. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.140429. Epub 2020 Jun 25. PMID: 32629250.

Briffa J, Sinagra E, Blundell R. Heavy metal pollution in the environment and their toxicological effects on humans. Heliyon. 2020 Sep 8;6(9):e04691. doi: 10.1016/j.heliyon.2020.e04691. PMID: 32964150; PMCID: PMC7490536.

膀胱癌、炎症和微生物组

谷禾健康

膀胱癌主要是老年人的疾病,约75%的新诊断发生在65岁以上的患者,约45%发生在75岁以上的患者。膀胱癌对男性和女性的影响比例为3:1,但随着年龄的增长,男性和女性的发病率显著增加

年龄增长与膀胱癌的发病率和死亡率升高有关。高龄还与慢性炎症标志物升高以及肠道和尿液微生物群紊乱有关

老年人膀胱癌发病率和死亡率增加的一个原因可能是,微生物组中与年龄相关各种变化,引起全身代谢变化,导致免疫失调,具有潜在的致癌作用

膀胱癌患者的肠道尿道微生物群可能失调,尽管这些变化的影响尚不清楚。

提高对免疫系统、肠道和尿液微生物群的年龄相关改变的理解,可能有助于深入了解老年人膀胱癌发生发展的风险。在膀胱癌患者中,提高对微生物群的认识也可能为治疗干预提供潜在的靶点。

目前的数据支持炎症免疫微生物失调可能是已知的与衰老相关的膀胱癌发病率增加的原因,但需要在这一领域开展工作,以直接检验这一假设,以及更好地了解肠道中微生物成分的组成,膀胱癌期间膀胱和膀胱肿瘤微生物组及其对免疫系统的影响

从这个角度出发,本文讨论了炎症免疫衰老癌症之间的杂联系。研究了表明老龄化和炎症可促进膀胱癌发展的数据,老龄化如何导致或促进多个区域的菌群失调,以及菌群失调如何影响对膀胱癌治疗的反应。

本文主要从以下几个方面讲述

  • 年龄增长是膀胱癌的风险因素
  • 膀胱癌与衰老和免疫
  • 衰老、炎症、肠道菌群和膀胱癌
  • 短链脂肪酸、衰老与微生物群
  • 环境、衰老和肠道菌群
  • 尿液和膀胱微生物群
  • 与微生物和年龄相关的治疗及反应

本文出现的专业名词缩写

非肌肉浸润性膀胱癌——NMIBC

肌肉浸润性膀胱癌——MIBC

肿瘤坏死因子——TNF

损伤相关的分子模式——DAMPs

病原相关的分子模式——MAMPs

血清中性粒细胞:淋巴细胞比值——NLR

免疫组织化学——IHC

肠血管屏障——GVB

01
年龄增长是膀胱癌的主要风险因素

高龄不仅与患膀胱癌的风险增加有关,还与发生侵袭性肿瘤有关,这些肿瘤复发和发展为侵袭性疾病的可能性增加

这些数据很复杂,因为“年轻”和“老年”的定义在研究中高度可变,可以作为连续或分类报告变量。此外,癌症特异性生存率增加背后的原因可能是多因素的,但仍然包括这样的事实:年轻患者通常比老年患者的肿瘤侵袭性更小级别更低

 非肌肉浸润性膀胱癌:年轻患者肿瘤侵袭性更小,级别低,不易复发

年轻患者,如年龄小于30岁的患者,其乳头状、低级别Ta、非肌肉浸润性膀胱癌(NMIBC)的发病率高于年龄大于30岁的患者,其肿瘤通常较小、单发且不太可能复发。

尽管数据表明年轻患者和老年患者的肿瘤分期相似,即使按年龄<30岁或>30岁分组。膀胱癌基因表达数据的荟萃分析结果表明,在多个肿瘤亚型中,年轻化与激活成纤维细胞生长因子受体(FGFR)突变率增加相关,这一发现与Ta肿瘤相关,Ta肿瘤比高级别肿瘤具有更有利的预后。

在晚期膀胱癌中,与FGFR激活突变相关的有利结果丢失,因为FGFR3在化疗背景下可能与较差的结果相关。

在对肿瘤亚型的同一荟萃分析中,与老年患者相比,年轻患者的肿瘤中claudin的表达水平比老年患者,claudin是一种肿瘤转移的反向标记物。

 肌肉浸润性膀胱癌:发病率随年龄增长而增加

相比之下,在普通人群中,肌肉浸润性膀胱癌(MIBC)的发病率随着年龄的增长而增加。85岁以上的患者中有30%以上发生MIBC,而10岁以下的患者中有23%发生MIBC。

随着年龄的增长,肿瘤抑制因子TP53、APC和PTEN12突变的可能性增加,这在MIBC中很常见,并与不良预后相关。

最后,随着人类年龄的增长,他们通常会累积共病虚弱指数增加,这导致了与年轻患者的总体预后差异,特别是与使用根治性膀胱切除术的手术干预有关。

有证据表明,当仔细选择时,许多老年患者是手术治疗的合适人选,但老年患者较不积极的治疗也会影响预后。

所有这些数据都广泛支持这样一种观点,即年轻患者的膀胱癌出现在疾病的较低阶段,临床上侵袭性较低,最终,年轻患者比他们的老年对手更有可能存活

膀胱癌中与年龄和微生物组相关的变化

衰老过程中,炎症系统肠道和尿道中的微生物都发生了大量的变化。

 膀胱癌

•老年患者的膀胱癌预后比年轻患者,年轻患者通常表现为低级肿瘤。

•在膀胱癌亚型中,年轻患者比老年患者表达FGFR3突变的比例更高,连接蛋白水平也更高

•在膀胱癌亚型中,老年患者更有可能发生肿瘤,肿瘤抑制蛋白p53, APC和PTEN突变

•在24个月的随访点,老年患者(80岁以上)的非肌肉浸润性膀胱癌患者对卡介苗的反应低于年轻患者(61-70岁) (39%对61%的绝对反应率)

 肠道微生物组

• 老年个体(90岁以上)β-多样性较年轻个体减少,α-多样性没有变化

• 老年个体(90岁以上)与年轻个体相比肠道中以下菌群丰度增加:

Akkermansia ↑↑↑

Escherichia ↑↑↑

Bifidobacterium ↑↑↑

Christensenellaceae ↑↑↑

• 老年个体(90岁以上)与年轻个体相比肠道中以下菌群丰度降低:

Faecalibacterium ↓↓↓

Bacteroides ↓↓↓

Lachnospiracae ↓↓↓

• 百岁老人(100岁)比非百岁老人群体有的Akkermansia,通常与改善健康状况有关

关于AKK菌详见:AKK菌——下一代有益菌

 尿液微生物群

• 70岁及以上的个体与年轻个体相比尿道中:

saccharofermentans ↑↑↑

Proteiniphilum ↑↑↑

Jonquetella ↑↑↑

Parvimonas ↑↑↑

• 70岁及以上的男性比年轻男性有的细菌属

• 70岁及以上的男性比年轻男性体内的细菌总数要少

• 与年轻女性相比,70岁以上的女性在细菌种类或数量上没有差异

 肠道上皮屏障

• 与4或12月龄小鼠相比,21月龄小鼠血清脂多糖增加肠道通透性增加相关

• 在老年小鼠模型中,IL-6和肿瘤坏死因子随肠道通透性线性增加

• 与10岁及以下的狒狒相比,18岁及以上的狒狒IL-6、IL-1β和IFNγ水平显著升高

• 18岁及以上的狒狒与10岁及以下的狒狒相比,occludin、claudin和紧密连接分子减少

• 与年轻人相比,老年人的短链脂肪酸(如丁酸、丙酸、乙酸)水平较低,这些脂肪酸被认为可以保持粪便中的肠道-上皮完整性

02
膀胱癌与衰老和免疫

先天适应性免疫系统衰老过程中都出现失调

衰老主要通过两种途径导致免疫系统失调事件:

  • 先天免疫系统的慢性低水平刺激
  • 适应性免疫减弱

在膀胱癌患者中,先天免疫活性的血清和组织标志物升高预后较差,可能与肿瘤生长有关

适应性免疫系统在膀胱癌中的作用尚不清楚,基于所研究免疫细胞的差异、其相对丰度和抗原肿瘤标记物的存在,结果相互矛盾。

先天免疫系统和适应性免疫系统都可能影响膀胱癌的进展,与衰老相关的免疫系统变化会对肿瘤清除产生有害影响

先天免疫、膀胱癌和衰老

衰老:免疫系统逐渐破坏、炎症增加

随着年龄的增长,细胞分解的无菌产物的积累,包括代谢废物,如细胞游离DNA或错误折叠或氧化的蛋白质,以及异常分布的病原相关的分子模式(MAMPs),如脂多糖(LPS),长期激活先天免疫系统

当衰老伴随着其他对人类健康有害的问题,如营养过剩、慢性惰性感染、癌症或肠道失调时损伤相关的分子模式(DAMPs)和错误折叠蛋白的积累会加速,并导致免疫系统中与衰老相关的破坏。

这种破坏至少部分是由巨噬细胞和中性粒细胞中的细胞信号传导介导的:巨噬细胞上进化保守的toll样受体(TLRs)识别升高的内源性MAMPs和DAMPs。

在衰老过程中,MAMPs和DAMPs在组织中积累,检测它们诱导IL-6、IL-8和tnf等细胞因子的表达,导致先天免疫活性升高,并从常驻免疫细胞向组织释放活性氧(ROS)。

临床前癌症模型支持这一观点,即局部炎症的增加导致细胞因子的产生和导致DNA损伤的局部活性氧水平的增加,并可能会在某些肿瘤中刺激肿瘤生长和进展

异常的DNA修复和增强的炎症也与老年小鼠中与肿瘤形成增加相关的DNA损伤有关。

先天免疫信号升高——膀胱癌不良预后

临床上,先天免疫信号升高似乎与NMIBC和MIBC患者的不良预后相关。这种作用不仅限于膀胱癌,因为肿瘤相关的巨噬细胞(TAMs)和肿瘤浸润性中性粒细胞(TINs)可能促进结直肠癌和肺癌的发生。

在膀胱癌中,使用免疫组织化学(IHC)对296个肿瘤的泛巨噬细胞标志物CD68和泛T细胞标志物CD3的组织芯片分析表明,巨噬细胞与T细胞的比例是不良生存的最大预测因子

CD163+TAMs的存在:复发率增加

一项对13项来自人类膀胱组织的meta分析结果显示,CD163+TAMs的存在与复发率增加相关,而CD68+TAMs的存在与复发率无关

值得注意的是,这一发现可能与这些巨噬细胞的炎症状态有关,因为CD163是抗炎巨噬细胞的标志,与肿瘤免疫逃逸相关。相比之下,CD68并不能描述巨噬细胞的炎症状态,并由大多数巨噬细胞亚型表达。

TINs水平升高:预后不良,生存率较差

对102个人膀胱癌肿瘤的免疫组化分析表明,TINs水平的升高NMIBC复发率的升高和较差的总生存率呈正相关

此外,在MIBC患者中,TIN水平升高与总生存期降低化疗反应不良相关。然而,所有这些研究都使用了免疫组化相关分析,限制了推断因果关系的程度。

由于肿瘤浸润免疫细胞的测量需要在组织中进行评估,因此确定系统性炎症标志物是否可以作为组织相关炎症蛋白或细胞的替代物是有用的

NLR高分与无复发和无进展生存期相关

系统性炎症的一个指标,血清中性粒细胞:淋巴细胞比率(NLR),可以预测NMIBC和MIBC的疾病复发和进展

在MIBC中,两项回顾性研究结果显示,NLR评分大于3.0和2.5的患者5年无复发较差(HR 1.49;95% CI 1.12-2.0),总体(危险比1.67;95% CI 1.17-2.39)和无病生存期(危险比1.946;95% CI 1.03-3.66)高于NLR评分较低的患者。

在NMIBC中,对6项回顾性研究的荟萃分析结果显示,NLR高分与无复发和无进展生存期相关

在一项对899例NLR分界点为2.7的MIBC患者的大型回顾性研究中,年龄的增加与NLR评分的增加相关,年龄的增加免疫功能障碍的增加有关

免疫变化在 NMIBC 中任何年龄都可能很重要

NMIBC的研究结果大部分显示膀胱癌患者的年龄NLR评分之间没有显著的相关性,但仍显示NLR可以预测结果,这表明在NMIBC中,无论年龄如何,免疫改变可能都是重要的,年龄、NLR和预后之间的联系在MIBC中比在NMIBC中更强

一项针对NMIBC患者的单一前瞻性研究发现,校正年龄后,NLR与无复发和无进展生存期之间的差异消失,这表明年龄主要决定因素,应与NLR状态一起测量和校正,这进一步复杂化了高龄、NLR和膀胱癌预后之间的潜在关系。

当考虑到先天免疫系统在肿瘤微环境中的潜在致瘤作用时,显然,需要进一步的研究来确定膀胱局部先天免疫信号是否与系统性免疫失调相关,这可以很容易地测量和潜在地用于预后。

年龄、NLR和预后在MIBC中的相关性似乎比NMIBC更强,这并不奇怪,因为MIBC由于侵袭组织而被认为是更具有炎症性的疾病。

先天免疫调节膀胱癌:活性氧产生,增强致癌性

来自小鼠模型的数据支持先天免疫调节膀胱癌的观点。在膀胱癌模型中,与仅用亚硝胺(BBN)治疗的小鼠相比,致癌物n-丁基-n(4-羟基丁基)亚硝胺(BBN)和膀胱内脂多糖治疗的小鼠体内活性氧浓度肿瘤发生增加正相关

脂多糖注射促进了大鼠模型膀胱癌的形成,支持了先天免疫激活增加有助于肿瘤发展的观点。

脂多糖激活的中性粒细胞增强大鼠尿路上皮细胞系的恶性转化,这与脂多糖在其他肿瘤中的致瘤作用的数据一致,表明先天免疫系统产生的活性氧可以通过氧化应激和基因突变促进肿瘤的形成

在缺乏铜/锌超氧化物歧化酶的老年小鼠中进行的研究结果表明,与年龄匹配的对照组相比,这些小鼠在肝癌模型中活性氧水平致癌性增加,这支持了先天免疫系统不受控制的活性氧产生可增强致癌性的观点。

先天免疫系统与免疫疗法的复杂作用

在治疗上,炎症抑制剂,如塞来昔布,可以阻断促炎前列腺素的形成,减少大鼠膀胱癌模型中的肿瘤数量体积,并减少体外细胞系中的细胞增殖

在膀胱癌小鼠模型中,先天免疫系统似乎也调节了卡介苗的反应;在膀胱癌小鼠原位模型中,中性粒细胞减少消除了卡介苗介导的免疫治疗的反应。

这些数据表明,先天免疫系统的作用可能是复杂的,因为它可能需要通过启动免疫反应对卡介苗免疫疗法作出适当反应,但如果不加以检查,也会促进癌症的进展,这取决于肿瘤微环境肿瘤的状态

值得注意的是,这种效应在本研究中归因于中性粒细胞,但这一结论是在发现用于消耗中性粒细胞的抗体也会消耗单核细胞之前得出的,因为该抗体识别单核细胞上的LY6C和中性粒细胞上的LY6C和LY6G。

因此,单核细胞也可能影响模型中免疫治疗的疗效,突出了改善治疗结果的另一个潜在调控靶点。事实上,区分中性粒细胞和单核细胞在膀胱癌中的作用可能是增强患者免疫治疗了解疾病进展的一种手段。

总之,这些数据支持这样一种观点:

在多种实体肿瘤类型中,与衰老相关的异常先天免疫导致了致瘤前表型

然而,目前还缺乏利用解决潜在机制的转化模型来理解浸润肿瘤的先天免疫细胞在膀胱癌中的作用。这些模型是有根据的,因为阻断中性粒细胞募集也可以减少肿瘤的生长其他肿瘤的转移进展,如乳腺、结肠和肝脏。

通过使先天免疫系统的慢性激活正常化,减少老年先天免疫过度刺激的新方法可能是减缓膀胱肿瘤发病率和复发的潜在手段,特别是在炎症指数自然增加的老年患者中。

适应性免疫、膀胱癌和衰老

先天免疫反应可以在老年时被长期激活,但适应性免疫的组成部分,如初始CD4和CD8 T细胞,由于免疫衰老而数量下降,这是由细胞衰老引起的免疫细胞随时间的变化,整体多样性下降

随着年龄增长,老年人适应性免疫反应受损,肿瘤的感知和清除能力下降

随着个体年龄的增长,他们的初始T细胞逐渐减少,T细胞受体多样性减少,T细胞上的共刺激效应分子CD28的水平也比年轻的T细胞上的CD28低。这些变化损害了老年人的适应性免疫反应

随着适应性免疫反应的下降,肿瘤的感知和清除能力也在下降。这些改变在很大程度上导致了观察到的免疫差异。

将适应性免疫细胞蛋白(如CD3和CD8)和肿瘤浸润淋巴细胞(TILs)浓度与临床结果相关联的尝试产生了相互矛盾的结果。

免疫组化分析显示,肿瘤突变负担增加的膀胱肿瘤CD8效应因子评分相应增加,T细胞浸润增强。对膀胱切除术后MIBC肿瘤的研究结果,支持CD3+或CD8+ TILs的增加与生存率的提高相关的观点。

MIBC中TILs的存在是否受年龄的影响尚不清楚。在一项对>50岁患者的MIBC膀胱切除术样本的研究中,没有发现患者的年龄、性别或T细胞标记CD4、CD8或CD56存在相关性。

然而,从更广泛的免疫衰老和衰老意义上来说,所使用队列中的患者的年龄范围相当有限,并没有在特定年龄组之间进行比较。

在更有针对性的比较队列(<40岁和>80岁)中,需要了解免疫衰老的变化如何影响免疫治疗,以提高对膀胱癌中衰老对适应性免疫的影响的理解。

衰老与基础先天免疫活动增加有关,数据表明,在人类组织和小鼠模型中,先天免疫细(如中性粒细胞)的增加肿瘤形成促进剂

然而,尽管T细胞在肿瘤免疫中的非常重要,但是适应性免疫反应在衰老和肿瘤发生中的作用仍不清楚。还需要确定炎症如何促进膀胱癌的决定性实验。

03
衰老、炎症、肠道菌群和膀胱癌

肠道微生物群

人体的肠道微生物组估计有超过1000种不同的细菌和100万亿个单独的细菌细胞。

这些不同菌群的代谢产物通过一层肠细胞、肠道粘液和微折叠免疫细胞与全身循环分离。肠道微生物的产物被腔细胞摄取后,运输到全身,对全身免疫系统产生广泛影响

由肠道菌群组成的变化引起的宿主和肠道菌群间稳态的破坏,是菌群失调,会导致炎症、肿瘤进展和肿瘤对乳腺癌、肺癌和结直肠癌治疗的反应。

菌群失调如何影响免疫

菌群失调破坏肠道屏障,导致释放促炎症的MAMPs,如脂多糖和未甲基化的CpG DNA,加速年龄相关的免疫系统失调

肠道物质的泄漏也发生在肠道血管屏障(GVB)。对肝脏疾病的研究表明,酒精性和非酒精性脂肪性肝炎等情况可破坏肠血管屏障,导致微生物物种的全身传播

我们知道,衰老会导致上皮完整性屏障的破坏,因此,除了肠道-上皮完整性的丧失外,肠血管屏障的完整性的丧失可能是肠道功能障碍中微生物或微生物组分系统性传播的一个尚未被充分研究的方面。据推测,这些物质的泄漏会以对人体健康有害的方式广泛影响免疫力

膀胱癌中的微生物群及其的潜在联系

Martin A,et al.Nat Rev Urol.2022

多种微生物群可能会影响或被膀胱癌的形成所改变,包括肠道微生物群的改变、尿液微生物群的改变和上皮基质界面的改变。

与健康人相比,膀胱癌肠道微生物群的变化包括PrevotellaClostridium丰度降低

膀胱癌患者尿微生物组中以下菌群的丰度高于健康人群:

  • Acinetobacter ↑↑↑
  • Anaerococcus ↑↑↑
  • Sphingobacterium ↑↑↑
  • Fusobacterium ↑↑↑
  • Facklamia ↑↑↑
  • Campylobacter ↑↑↑

同时以下三个菌群的丰度较健康人群偏低:

  • Serratia ↓↓↓
  • Proteus ↓↓↓
  • Roseomonas ↓↓↓

肠道微生物群失调与癌症

肠道失衡与结直肠癌之间的正相关已经得到了很好的证实,但是肠道失衡在多大程度上影响其他肿瘤的进展,包括膀胱癌,还不清楚。

此外,肠上皮完整性的破坏在多大程度上是由肠道菌群的非共生变化驱动的,反之亦然,这一点也存在争论。

膀胱癌患者:普雷沃氏菌、梭菌属减少,丁酸水平降低

一项研究包括26名膀胱癌患者和16名年龄匹配的健康参与者通过定量PCR分析证明,普雷沃氏菌梭状菌群显著减少 。

在同一研究中,膀胱癌患者粪便中的丁酸盐(一种短链脂肪酸)水平降低,而血清中的脂多糖水平升高。鉴于丁盐酸的抗肿瘤作用以及脂多糖和其他与肠道功能障碍相关的MAMPs的促肿瘤作用,这些数据表明微生物群的变化可能是疾病发生的相关因素

迄今为止只进行了这种单一的、小规模的试验。这些发现是否代表肠道失衡、炎症和膀胱癌发生之间的潜在因果联系,或仅是相关的,还需要进一步的研究来确定。

需要在临床前模型中采用直接介入方法来了解短链脂肪酸在肠道失衡和膀胱癌的作用,更重要的是,需要进行更大规模的试验,在膀胱癌患者的分子水平上调查肠道功能障碍,以验证任何发现。

需要进一步调查来确定,这些发现是否代表肠道菌群失调、炎症和膀胱癌肿瘤发生之间的潜在因果关系。

年龄相关的失调机制和对系统性炎症标志物的影响

Martin A,et al.Nat Rev Urol.2022

衰老饮食都可以影响肠道微生物群,导致微生物失调肠道上皮细胞的破坏

这种分解导致微生物相关分子模式(MAMPs)的释放增加和短链脂肪酸(SCFAs)的产生减少,并可导致体循环中MAMP和细胞因子的炎症增加。

大多数研究的结果都认为,当肠道菌群失调发生时,肠上皮细胞的分解通常与之相关,尽管特定细菌亚群的变化及其与肠上皮细胞的相互作用并不完全清楚。了解这些变化对于确定哪些菌群可能对免疫系统产生负面的全身影响非常重要。

首先出现的问题是菌群失调上皮破裂,这一点很复杂,因为它们之间可能有着不可分割的联系,因此,一个或另一个的刺激可能会促成这两个事件。

长寿老人:促炎菌和抗炎菌平衡

对健康百岁老人肠道菌群的研究,为通过恢复肠道健康进行治疗干预提供了潜在的途径。这一观点得到了一项研究的支持,该研究显示,健康状况良好的30-100岁人群的微生物含量具有很强的相似性,这表明存在健康的微生物组,并可能对不符合这一类别的患者进行调节。

到目前为止,结果还没有表明任何特定细菌种类的丰度与长寿是绝对相关的。

相反,尽管老年人有效对抗感染的能力明显下降,但长寿的人会形成促炎和抗炎细菌的平衡

对27项研究的系统综述结果表明,长寿个体在β-多样性(微生物环境间的多样性程度)方面与年轻个体存在差异;然而,通常不会观察到 α 多样性的差异,即每个微生物系统的多样性程度。

总的来说,8项研究涉及百岁老人,4项研究比较了高龄人群和59-85岁人群,4项研究中有2项报告了高龄人群和低龄人群微生物环境多样性程度的差异,而没有研究发现α-多样性的差异。

▸ 老年人的菌群丰度

与年轻个体相比,老年人至少有两个菌群的丰度更高:

  • Akkermansia
  • Chistensenellaceae

与此同时下列菌群的丰度更低:

  • Prevotella
  • Faecalibacterium
  • Bacteroides

然而,研究设计存在相当大的差异,关于哪些菌群构成良好的健康,以及老年人存在哪些变化仍未确定的一致意见。

▸ 长寿老人:AKK菌丰度高

值得注意的是,在系统综述中,Akkermansia在高龄人群(99岁以上)中最常见,这可能与此相关,因为该菌在适当水平时与肠道通透性降低内毒素血症减少对癌症治疗的免疫反应改善有关。

阿克曼菌(Akkermansia,简称AKK菌)还促进Treg分化,限制肠道功能障碍高脂饮食模型中细胞因子的产生,并通过类似机制预防衰老相关炎症。没有保留阿克曼菌的患者可能会增加疾病发展的风险,包括膀胱癌,或者可能对化疗反应不好。

▸可能存在:AKK菌促进健康的“正确”水平或必要的平衡

抗生素的使用与免疫治疗的不良结果相关,矛盾的是,与不使用抗生素的患者相比,许多服用抗生素的患者AKK增加,而且,AKK高水平的存在与总生存率呈负相关(使用抗生素的患者P  = 0.011,不使用抗生素的患者P  = 0.018)。

然而,AKK只是可能对微生物功能至关重要的许多不同实体之一,单一实体治疗不太可能像基于平衡微生物组的更强大的改变(如粪菌移植)那样有效。

肠道菌群随年龄并发疾病的变化可能是膀胱癌的危险因素,可通过直接给予益生元和益生菌或通过粪菌移植减轻

04
短链脂肪酸、衰老与微生物群

▸ 短链脂肪酸

短链脂肪酸(SFCAs)由肠道细菌产生,是肠细胞的主要能量来源,是G蛋白偶联的游离脂肪酸受体配体。作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂,可通过预防致瘤前表观遗传变化直接限制肿瘤生长

短链脂肪酸主要存在于肠道中,但它们也可能对治疗膀胱癌有用。在体外,短链脂肪酸在很大程度抑制先天免疫系统。

抗肿瘤作用

由于它们的多种作用和潜在的抗肿瘤活性,产生有益的短链脂肪酸可能是肠道维持健康环境的一种手段,也可能有助于预防结肠癌

丁酸盐减少癌细胞生长,帮助维持健康的上皮屏障

由于癌细胞与非恶性细胞之间代谢的Warburg效应型变化(有氧糖酵解),丁酸盐通过氧化代谢和能量产生促进非恶性细胞的生长,但减少癌细胞的生长,因为癌细胞不能有效代谢丁酸盐,丁酸盐在细胞核中积累,在细胞核中发挥组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用。因此,丁酸盐可以帮助维持健康的上皮屏障

百岁老人肠道菌群中的短链脂肪酸水平上调

在一项研究中,80-99岁的老年人群中健康的老人总短链脂肪酸浓度升高;另一项研究结果显示,与老年患者相比,百岁老人的肠道菌群中产生短链脂肪酸的代谢途径(如乙酸和丙酸)表达水平上调

除了存在一些与短链脂肪酸产生相关的细菌外,与小于80岁的人群相比,老年人粪便中的细菌数量通常减少。短链脂肪酸水平随着年龄的增长逐渐下降,而百岁老人开始恢复Akkermansia水平。

粪菌移植期间补充Akk菌可能有助于短链脂肪酸的保留

另一项研究的结果表明,在粪菌移植期间用巴氏消毒Akkermansia治疗小鼠,会导致肠道中短链脂肪酸的形成短暂增加,因此,如果这项技术能够完善,在粪菌移植期间补充Akkermansia或其他产生短链脂肪酸的细菌可能有助于改善短链脂肪酸的保留,并预防或治疗癌症

在脂多糖处理的骨髓源性巨噬细胞中,丁酸、丙酸和乙酸均以剂量依赖的方式降低IL-6和IL-12的产生。丁酸和丙酸也会降低脂多糖处理单核细胞中单核细胞趋化蛋白-1的表达

通过这些作用,短链脂肪酸可能缓和过度的免疫激活,促进免疫调节。

抗炎作用

短链脂肪酸体外作用似乎具有抗炎作用,但其对膀胱癌适应性免疫系统的作用尚不清楚。

特别是丁酸盐,通过诱导调节性T细胞产生IL-10和激活 FAS 介导的T细胞凋亡,下调适应性免疫反应

短链脂肪酸高可能影响免疫治疗效果

丁酸盐和丙酸盐均通过抑制抗原呈递细胞产生IL-12抑制CD8+T细胞活化,全身水平的短链脂肪酸高与转移性黑色素瘤细胞毒性T淋巴细胞抗原4(CTLA4)免疫治疗的不良结果有关。

直接通过短链脂肪酸或间接通过前列腺素E2下调T细胞对免疫治疗和顺铂化疗均有不利影响,因为传统的肌肉浸润性膀胱癌新辅助顺铂化疗会刺激效应T细胞。因此,降低T细胞的疗效也可能改变化疗

这些观察结果可以部分解释在肿瘤床上升高的前列腺素E2表达与不适当抑制免疫反应化学耐药性有关

总之,这些发现表明短链脂肪酸在宿主免疫功能中参与发挥抗炎作用,尽管这一假设可能过于简单化,短链脂肪酸还可以刺激中性粒细胞趋化,因此可能有其他重要的调节作用。

然而,文献强烈支持短链脂肪酸的抗肿瘤作用,尤其在结直肠癌中,可能是因为短链脂肪酸在结肠中的浓度增加,以及介导丁酸差异效应的代谢变化,对癌细胞具有直接作用

衰老过程中,维持体内稳态需要抗炎促炎信号,而短链脂肪酸除了自身具有抗肿瘤作用外,还可能是调节这一系统的一种手段。这些发现已经在体外和体内观察到,但迄今为止没有研究将人类短链脂肪酸水平与膀胱癌结果直接相关。

鉴于与肠道和全身短链脂肪酸水平相关的多种影响,短链脂肪酸可能充当免疫调节剂,因此,塑造使短链脂肪酸产生正常化的微生物含量,是增强或促进免疫治疗的潜在手段。

肠道微生物群的变化可能成为膀胱癌和其他癌症的治疗靶点。应该在这些群体和其他群体之间进行更广泛的比较,以了解哪些类型的微生物生态系统对人类的健康和寿命最有益。

05
环境、衰老和肠道菌群

当前的数据支持这样一种观点,即与年龄相关的微生物群变化可能最终影响疾病进展结果治疗反应等因素。

衰老在肠道微生物变化中的作用尚不清楚;此外,一些证据表明,环境因素对肠道微生物群有实质性的影响

环境是微生物组的主要影响因素

一项包括来自中国同一小区域的1000多名极健康个体的研究结果表明,当研究人员试图控制总体健康时,30至100岁的个体粪便微生物群组成几乎没有变化,虽然在30岁以下的个体和30岁以上的个体中发现了相当大的差异。

通过主成分分析评估,30-100岁非常健康的个体的粪便微生物群高度一致,支持了其他研究的结果,这些研究表明环境,而不是年龄或遗传,是微生物组的主要影响者

值得注意的是,该研究的入选标准具有极高的选择性,通过严格的生活方式分析,几乎99%的患者被拒绝入选;选择标准包括吸烟状况、饮酒、饮和其他与肠道功能障碍相关的因素。

因此,尽管这些数据表明年龄是肠道微生物群变化的促成因素,但这一观察结果可能仅与这些高选择性标准所代表的一小部分人有关。然而,本文提出了一个假设,即衰老本身可能不如与衰老相关的饮食变化或生活方式变化重要。

动物模型:年龄、肠道健康和全身炎症之间的联系

在小鼠、狒狒和果蝇模型中,肠道菌群的变化与年龄有关,并与肠道屏障完整性的破坏有关

在小鼠中,用荧光素异硫氰酸酯(FITC)标记的葡聚糖测量肠道通透性,其血清水平IL-6肿瘤坏死因子(TNF)水平一起随年龄线性增加

肠道菌群组成——肠道屏障功能障碍

在果蝇中,观察到老年果蝇肠道中细菌组成的改变和细菌总负荷增加,与年轻果蝇相比,肠道中不可吸收蓝色染料(肠道屏障功能障碍的替代品)浓度也相应增加。

结肠完整性的破坏——年龄

在狒狒中,结肠完整性的破坏与年龄有关,与10岁以下的狒狒相比,年长的狒狒(年龄≥18岁)结肠组织的免疫组化分析显示封闭蛋白(occludin)、连接蛋白(claudin)和紧密连接粘附分子减少,同时大分子辣根过氧化物酶(肠通透性的另一标志)在结肠上皮的通量增加

此外,18岁狒狒的结肠活检中IL-6、IL-1βIFNγ水平高于10岁灵长类动物。

肠道功能障碍——细菌成分的全身释放

另一项比较21月龄小鼠与4或12月龄小鼠肠道通透性的研究结果显示,老年小鼠血清FITC-右旋糖酐水平的增加与体循环中脂多糖水平的增加相关,将肠道功能障碍细菌成分的全身释放联系起来。

LPS 和其他 MAMP 与 IL-1β、IL-6 和 TNF 等细胞因子的增加密切相关,提供了肠道菌群失调、慢性炎症和肿瘤发生之间可能的机制联系。

所有这些数据都支持这样的观点,即肠道功能障碍随着年龄的增长而增加,与其他哺乳动物的饮食或生活方式的变化无关,但由于适当控制人类饮食的复杂性,尚未在人类中进行评估。

免疫功能障碍——衰老——微生物群

衰老过程中,循环细胞因子的增加在具有14个月或以上老年动物的微生物群的小鼠模型中加剧,将免疫功能障碍与衰老和微生物群联系起来。

相比之下,无菌小鼠在衰老过程中通常不会表现出,老年特异性无病原体小鼠所表现出的循环细胞因子的增加,并且在很大程度上可以防止衰老相关炎症和巨噬细胞功能障碍,除非它们再次暴露于微生物群。

衰老——肠道通透性——炎症——菌群

将无菌小鼠暴露于14月龄动物的菌群中,比无菌小鼠暴露于幼龄小鼠的菌群中更能促进肠道通透细胞因子释放

这一机制依赖于肿瘤坏死因子,使用抗肿瘤坏死因子拮抗剂治疗可以改善衰老引起的微生物群的变化。因此,由肠道功能障碍介导的MAMP或DAMP释放与老年炎症表型之间发生了实质性的相互作用,从而导致炎症系统的慢性全身激活

为了将这些发现转化为膀胱癌,除了了解局部微生物群(包括尿液微生物群和肿瘤本身)之间的联系外,还需要进一步了解膀胱癌背景下的肠道微生物群。

06
尿液和膀胱微生物群

到目前为止,对尿液微生物群的研究还缺乏一个关于什么是正常尿液微生物群的明确共识:由于收集方法的差异和相对较小的样本量,目前关于健康尿液微生物群的定义存在很大差异。

目前对尿液和膀胱微生物群及其改变的了解有限。局部微生物环境的失衡与多种上皮性癌症的肿瘤进展有关,包括乳腺癌、宫颈癌和子宫内膜癌。

健康膀胱的微生物群

健康的尿液微生物群

目前的初步研究一致认为,健康成年志愿者的尿液微生物中至少包含四种细菌种群:乳酸菌链球菌是尿液微生物中最稳定存在的属,与年龄和采样方法有关,而厚壁菌门不动杆菌门是两性尿液微生物中最丰富的门。表明这些是该人群中最有可能构成健康尿液微生物组的成分。

女性尿液中乳酸杆菌种类的含量高于男性

根据对健康志愿者进行的两项独立研究的结果,尿液微生物群性别差异很明显。研究表明,女性尿液中乳酸杆菌种类的含量高于男性尿液中的含量。

我们还不清楚这一观察结果与癌症的关系,但这一发现的一个潜在的重要方面是,男性与女性泌尿系统微生物群的差异或女性泌尿系统微生物群的个体间差异可能与女性泌尿系统感染的流行有关,或她们膀胱癌发病率降低,因此可能会影响膀胱的整体微环境。

菌群在不同年龄的差异

在同一项包括23名健康成年人的研究中,下列四种菌群仅在>70岁的个体中发现:

  • Jonquetella
  • Proteiniphilum
  • Parvimonas
  • Saccharofermentans

此外,在男性中,属的数量会随着年龄的增长增加,而细菌总数减少性别年龄差异影响尿液微生物群

尿液微生物:个体间差异极高

研究结果还表明,个体间差异极高,限制了更深入的分析。由于这种高变异性,对泌尿系统微生物的调查缺乏类似的大型多种族和多种族肠道微生物群研究的力量,因此饮食基因、男性和女性短期或长期激素变化的重要性,以及泌尿系统微生物的卫生还没有确定。

需要大型的多中心的多种族的、具有共识方法论和清晰统一的分析管道的研究来完善该领域的假设并产生共识。

疾病下的尿液微生物群

多项研究报道尿失禁、间质性膀胱炎和泌尿生殖系统癌患者尿液微生物群落的物种多样性相对丰度存在差异

健康人群与膀胱癌人群的微生物组差异

在膀胱癌方面,一项包括12例膀胱癌患者和11名年龄匹配的志愿者的研究结果显示,与健康成年人相比,膀胱癌患者富集了以下四种菌群:

  • Fusobacterium
  • Actinobaculum
  • Facklamia
  • Campylobacter

与间质性膀胱炎和慢性前列腺炎等疾病相比,使用Simpson指数测量的健康成人和膀胱癌患者之间的物种多样性(α-多样性)在种或科水平上没有总体差异,这表明膀胱癌的尿液微生物群可能不像其他炎症性疾病状态那样受影响,尽管这一观察结果可能是因为该研究力量不足。

然而,在特异性操作分类单元(OTUs)水平上进行差异分析,可以减少测量参数的数量,从而识别差异,表明相互关联的物种可能在肿瘤发生中发挥作用。

一项针对31名膀胱癌男性的研究结果显示,与18岁匹配的健康个体相比,下列三种菌群的丰度增加:

  • Acinetobacter ↑↑↑
  • Anaerococcus ↑↑↑
  • Sphingobacterium ↑↑↑

同时下列几种菌群降低

  • Serratia ↓↓↓
  • Proteus ↓↓↓
  • Roseomonas ↓↓↓

由于个体数量少,这些研究不足以完全确定特定细菌种群的变化。对于尿液微生物菌群研究在多大程度上反映了膀胱内的微生物群也知之甚少。

Andolfi C, et al., Bladder Cancer. 2020

关于膀胱肿瘤微生物组的研究仅限于两项研究。两者的结果都表明,肿瘤与非恶性组织中的 α 多样性导致物种丰富度相对降低。一项研究发现,膀胱微生物组的门(如厚壁菌门和放线菌门)的相对丰度与之前在其他研究中报道的尿液微生物组值相似。

联合测量来自同一患者尿液和膀胱肿瘤样本的微生物群目前在文献中还没有。这些因素支持了对肿瘤分级或分期与泌尿系统微生物组之间差异的调查,以及使用更大的患者队列进行明确的、多机构的、控制良好的研究的必要性。

肠道菌群和尿液菌群是否存在联系?

尿液微生物群的影响尚不完全清楚,衰老和肠道生态失调导致的免疫失调的直接影响可能会增加膀胱癌的发病风险。

然而,没有研究直接比较同一患者的尿液微生物群肠道微生物群的变化。需要进行研究来评估与衰老和炎症相关的肠道生态失调是否也发生在泌尿系统的微生物群水平上,或任何其他含有微生物的解剖部位。

如果存在潜在的机制,尿液微生物的失调可能是衰老、炎症、失调膀胱癌风险之间的联系。

系统性炎症、尿路上皮增生与膀胱癌之间的假设联系

Martin A,et al.Nat Rev Urol.2022

衰老引起的炎症变化以及肠道上皮完整性的降低可导致循环促炎介质水平的增加,例如细胞因子和微生物激活分子模式 (MAMP).

LPS介导的toll样受体4 (TLR4)激活可导致骨形态发生蛋白4 (BMP4)、音猬因子 (SHH)、WNT -β-catenin和STAT3通路的激活,促进尿路上皮的增殖。BMP4、SHH、WNT -β-catenin和STAT3通路在膀胱癌中调控异常,但还没有研究直接将LPS或MAMP介导的BMP4、SHH、WNT -β-catenin和STAT-3的激活与膀胱癌的发生联系起来。当转化发生时,带有肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)和肿瘤浸润性中性粒细胞(TINs)的尿路上皮的慢性炎症阻止了适当的免疫反应和肿瘤清除,并可能通过释放细胞因子、生成活性氧(ROS)和促进免疫抑制环境进一步加剧肿瘤的形成。PGE2,前列腺素E2.

尿道上皮-基质界面对炎症和癌症的反应

由尿路上皮细胞和局部感染性细菌引起病原相关分子模式(MAMPs)驱动和损伤相关分子模式驱动炎症可能是年龄肠道上皮破坏和在许多膀胱肿瘤中发现的先天免疫信号之间的一种机制联系。

脂多糖增加炎症因子的释放

在体外人类和小鼠模型中,来自尿路致病性大肠杆菌的脂多糖通过TLR4信号通路增加尿路上皮细胞中IL-6、IL-8和PGE2细胞因子的释放。

此外,脂多糖激活尿路上皮细胞上的电压门控钾通道,介导IL-6释放。脂多糖通过磷酸化途径激活巨噬细胞和泌尿黏膜中的TLR4,这与膀胱癌的发展和化疗耐药有关

STAT3促肿瘤

免疫组织化学(IHC)分析发现,与非侵袭性发光型肿瘤相比,局部侵袭性肿瘤中STAT3磷酸化水平升高,抑制STAT3可降低膀胱癌细胞系的增殖。在小鼠中,阻断尿路上皮细胞中的 STAT3 可降低膀胱癌的发生和侵袭性。

IL-8和PGE2促肿瘤

脂多糖介导的尿路上皮IL-8和PGE2增加在膀胱癌中也具有促肿瘤作用。在经尿道膀胱肿瘤标本切除的新鲜冷冻组织中,与非侵入性肿瘤相比,浸润性肿瘤中IL-8和基质金属蛋白酶9水平升高

前列腺素E2促肿瘤

此外,前列腺素E2增加高级别膀胱癌细胞系的增殖,在接受吉西他滨和顺铂标准化疗方案治疗的小鼠中使用塞来昔布抑制前列腺素E2,产生了持续的治疗反应,并通过消除患者来源的肿瘤异种移植模型中CK14+细胞的形成克服了化疗耐药性

这些研究表明尿路感染期间脂多糖相关炎症膀胱癌进展之间存在多种趋同途径。

尿路感染后信号通路的改变

重要的是,对尿路感染的生理尿路上皮反应受到音猬因子重组蛋白(SHH)、骨形态发生蛋白4 (BMP4)和WNT -β-catenin信号通路的高度调控,这些信号通路在恶性转化过程中经常发生改变

尿路感染后的尿路上皮再生是由尿路上皮基底层分泌SHH的干细胞增殖驱动的。感染后,下游SHH信号通路通过BMP4和WNT-β-catenin信号通路诱导尿路上皮和基质细胞增殖终末分化

这种作用在前列腺素合成抑制剂治疗后被逆转。

这些再生途径中的每一个的丧失或改变都与膀胱癌发生有关。在 BBN 小鼠模型中,SHH 阳性基底细胞是膀胱癌的主要祖细胞。SHH 的丧失和进展为膀胱癌可能是通过 BMP 基质信号传导的丧失而发生的。

免疫组化分析显示,与非恶性尿路上皮黏膜相比,在人膀胱癌肿瘤中观察到WNT糖蛋白活性升高。这一发现在小鼠模型中得到了进一步的支持,在功能获得突变体中β-连环蛋白的构成性激活导致了12周后30%的小鼠发生低级别膀胱肿瘤。

有趣的是,在具有构成型活性β-连环蛋白的小鼠中,肿瘤的发生是性别依赖的,45%的雄性小鼠发生肿瘤,而雌性小鼠只有3%,这最终与雄激素受体(AR)信号有关。

在人类和普通小鼠模型中都发现了膀胱癌的性别二态,但其原因是多因素的,也与表观遗传机制中的染色体差异有关

这些发现呈现了尿路上皮在响应急性脂多糖介导的炎症反应和尿路上皮癌的发展之间呈现出许多重叠特征。

年龄相关的肠屏障破坏,诱发炎症;免疫系统变化,增加肿瘤风险

然而,尿路感染与膀胱癌风险的增加并没有特别的关联。当与衰老和肠上皮完整性丧失相结合时,由于与年龄相关的肠屏障破坏,长期暴露于基底尿路上皮层的脂多糖或其他损伤相关分子可能会诱发慢性膀胱炎症,并增加细胞周转,以及与年龄相关的免疫系统变化增加肿瘤转化的可能性。

慢性膀胱炎症诱导的肿瘤转化可能是女性特有的一种机制,因为尿路感染在女性中更为突出,而膀胱癌在男性中更为常见

关于衰老相关炎症、微生物群和膀胱癌发生的研究仍然不完整,需要更多的假设检验来确定这些不同实体(衰老、微生物功能障碍、炎症改变)在这一过程中导致的具体变化和肿瘤相关结果。

研究肠道和尿液微生物群对浅表性癌症治疗反应的影响,可能为微生物群和膀胱癌进展提供额外的见解。

07
与微生物和年龄相关的治疗及反应

新的证据表明,浅表膀胱癌治疗受到肠道尿道微生物群的影响。

目前,高级别非肌肉浸润性膀胱癌的一线治疗是细菌疫苗株卡介苗。卡介苗的疗效随着年龄的增长而降低,早期数据表明,疗效还受尿微生物中变形菌群丰度的影响

一项包括1106例患者的卡介苗干扰素膀胱内治疗的II期多中心试验的数据表明,年龄在61-70岁的患者在卡介苗干扰素治疗后的无癌生存期优于80岁或以上的患者(3 年无癌生存率为 65%对 47% ,P  = 0.036)或卡介苗单药治疗(3 年无癌生存率 55% 对 32%,P  < 0.003)。

令人惊讶的是,在这项研究中,小于50岁的患者的预后较差;然而,在多变量分析中,年龄仍然是反应的独立危险因素。

在一项包括805名Ta、T1或CIS高分级患者的独立研究中,年龄为>70岁的患者的无癌生存期低于年龄<70岁患者(37% 对 27%,P  = 0.005)。

在接受益生元或益生菌治疗的个体中,非肌肉浸润性膀胱癌复发减少。最后,肠道菌群介导了实体肿瘤(如黑色素瘤)中对PD1治疗的反应,这可能与晚期膀胱癌中免疫治疗具有共同机制。

卡介苗

关于卡介苗抑制肿瘤复发的机制尚不清楚,一种假设是卡介苗诱导膀胱内的局部促炎性先天免疫反应,进而刺激对卡介苗和肿瘤抗原的适应性免疫反应

在治疗后的前3年,由于未知的原因,卡介苗未能阻止肿瘤复发的患者占30%,年龄可能是无反应的原因之一。

年龄越大,卡介苗疗效越差

接受卡介苗治疗后,61-70岁的患者中有61%在24个月时无复发,而>80岁的患者中有39%无复发。

这些结果得到了另一项研究的支持,该研究表明70岁以下(27%)和70岁以上(37%)患者5年后无病生存率的绝对差异为10%;然而,这两个年龄组中与年龄相关死亡风险没有报道。

因此,年龄可能是非肌肉浸润性膀胱癌复发的独立危险因素,但与年龄相关的免疫系统衰退是否相关尚不清楚

卡介苗应答取决于多种因素,不止年龄

在一项小型研究中,31名卡介苗应答者与32名卡介苗无应答者进行了比较,结果表明,肿瘤PDL1状态而不是T细胞PD1状态是卡介苗应答的决定因素,这表明卡介苗的总体应答可能取决于许多不同的因素,而不仅仅是年龄。

尿液微生物群也可能在卡介苗反应中起作用

在一项包括31例接受卡介苗治疗的高危非肌肉浸润性膀胱癌患者的研究中,观察到卡介苗应答者和无应答者在OTU水平上的尿液微生物群差异

卡介苗治疗6个月后无病的患者比复发患者尿厚壁菌门(如乳杆菌和变形杆菌)丰度更高

鉴于非肌肉浸润性膀胱癌中益生菌和饮食的潜在保护作用,对卡介苗有反应的人群中乳酸杆菌丰度的增加尤其引人注目。

年龄、免疫状态和尿液微生物组与卡介苗反应之间的确切联系尚未确定

考虑到有相当多的非肌肉浸润性膀胱癌患者最终会进行膀胱切除术,对年龄相关卡介苗反应降低的机制进行更好的了解,将对评估复发风险改善对现有治疗的反应非常有益。

饮食和益生菌

在日本,肠道微生物组长期以来一直是浸润性膀胱癌治疗的目标,部分原因是发酵乳制品中广泛使用的乳酸菌,以及报道的小鼠口服乳酸菌制剂的抗肿瘤特性

 乳酸杆菌

乳酸杆菌与膀胱癌复发减少或低发病率相关

一项包括138名患者的双盲随机对照试验结果显示,口服干酪乳杆菌制剂与安慰剂相比,男性和女性浸润性膀胱癌复发减少

这些结果得到了一项病例对照研究的支持,该研究包括180名膀胱癌患者和445名年龄和性别匹配的健康志愿者,他们有10-15年的发酵牛奶的习惯摄入史(发酵奶是高脂肪的天然来源),每周1-2次乳酸杆菌(OR 0.46,95 % CI 0.27–0.79)或3-4次乳酸杆菌(OR 0.61,95% CI 0.38–0.99)与膀胱癌发病风险的降低有关

这些发现得到了一项前瞻性试验结果的进一步支持,该试验包括202例经尿道膀胱肿瘤切除术后的浸润性膀胱癌患者,他们被随机分为两组,一组接受六次膀胱内表阿霉素治疗,另一组接受六次膀胱内表阿霉素治疗,外加每日3克干酪乳杆菌口服制剂,为期1年。

接受表阿霉素加每日制剂乳酸杆菌的患者3年无复发生存率为74.6%,而单独表阿霉素组仅为59.9% 。

这些研究没有调查粪便微生物组是否发生了变化,因此可以推断因果关系的程度有限。需要通过研究确定益生菌相关的变化,以及这些变化如何影响膀胱癌相关结果,来验证这些发现。

乳酸杆菌与肠道黏膜炎症减少有关

然而,在葡聚糖硫酸钠诱导的小鼠结肠炎症模型中,乳酸杆菌种类肠道黏膜炎症减少有关。

在体外实验中,唾液乳杆菌降低肠上皮细胞系中TLR受体的激活,导致上皮细胞之间紧密连接的组装增加,可能减少系统性脂多糖和慢性炎症

还需要在膀胱癌动物模型中进行更多的研究,以直接确定全身的病原相关分子模式水平是否也与全身炎症相关。

扩展阅读:如何调节肠道菌群?常见天然物质、益生菌、益生元的介绍

 萝卜硫素

除了乳酸菌,萝卜硫素也可能在恢复肠道屏障健康降低膀胱癌发展风险方面发挥保护作用。

萝卜硫素饮食的小鼠丁酸水平增加

用亚硝基胺(BBN)治疗的小鼠和喂食高萝卜硫素饮食的小鼠丁酸水平增加,但与单独用亚硝基胺治疗的小鼠相比没有表现出增加的存活率。

肿瘤发生时间延长,发病率降低

然而,有趣的是,饲喂西兰花提取物(萝卜硫素的主要来源)的大鼠在暴露于亚硝基胺8周后,与未接受西兰花提取物的大鼠相比,肿瘤的发生时间延长了24周,其膀胱肿瘤发病率降低了58%.

重要的是,口服西兰花提取物导致小鼠在喂食12小时后尿液中生物活性异硫氰酸盐(包括萝卜硫素)的浓度比血清中70% 。

这些化合物也会干扰亚硝基胺的代谢,由于它们在尿液中积累,其功能主要是通过改善肠道健康还是直接作用于尿路上皮细胞的其他机制尚不清楚。需要新的研究来调查它们对肠道健康、随后的炎症和微生物差异的影响,以改进对确切机制的定义。

总之,这些研究的结果表明,改变饮食,无论是口服乳酸杆菌萝卜硫素,都可以降低膀胱癌的风险。这两种方法都与血清中细菌脂多糖浓度的降低相关,脂多糖是小鼠模型中肠道炎症的系统性标记物。

然而,关于乳酸杆菌或萝卜硫素在多大程度上诱导与治疗反应相关的肠道或尿液微生物组的积极改变,目前还缺乏数据

粪菌移植和PD1免疫疗法

菌群失调对PDL1-PD1轴的影响是一个有趣的话题。2016年首次批准PD1抑制剂用于顺铂难治性晚期膀胱癌。

总的来说,阿克曼菌Akkermansia、肠球菌、梭状芽孢杆菌、瘤胃球菌、粪杆菌和双歧杆菌的丰度增加与肺癌、肾癌和黑色素瘤等癌症对PDL1治疗的反应改善有关。

在转移性黑色素瘤患者中,研究中定义的患者粪便中“有益”与“无益”OTU数量的增加与抗PD1治疗反应的改善呈正相关

PD1响应者粪菌移植的小鼠有更强的抗肿瘤反应

在对肠道微生物组和免疫治疗反应的三项独立研究中,从PD1治疗反应者到无菌小鼠的粪便移植产生了比无菌小鼠更强抗肿瘤反应

在一项研究中,研究了转移性黑色素瘤患者肠道微生物组和肿瘤微环境之间的相关性,以评估肿瘤微环境的发现是否可以预测对PD1免疫疗法的治疗反应。

对肿瘤活检的免疫组化分析显示,对PD1免疫治疗反应良好的患者,其肿瘤床上的CD8+ T细胞密度更大,调节性T细胞更少

此外,响应者的物种多样性瘤胃球菌科细菌的相对丰度高于无响应者。考虑到准确定义和匹配供体材料的重要性,必须了解粪菌移植如何改善抗免疫抑制分子或抗PDL1治疗的反应。

鉴于这些变化,作者得出结论,为 FMT 和其他微生物疗法准确匹配和定义微生物群可能需要额外的匹配,如年龄性别,并准确定义理想的供体-宿主关系。

总之,这些发现强烈表明,在PD1免疫治疗的情况下,肠道微生物群可能会影响对癌症的全身免疫反应

所有关于肠道微生物组和对PD1抑制剂的反应的初步研究都比较了相对物种丰度和处理反应。这种方法不能解释细菌总负荷的变化以及体循环中代谢物浓度的潜在差异。

微生物组是否通过直接的抗原相互作用对免疫系统产生影响,或者微生物组的代谢产物,包括潜在的有益成分和潜在的有害成分,是否间接地影响免疫系统,目前尚不清楚

这种区别很重要,因为如果微生物组的主导作用是通过体循环中的代谢物间接发生的,那么微生物组可以被广泛地认为是一个更大的代谢产物网络的代表。

在这个模型中,许多不同的细菌组合有可能创造一个治疗性代谢网络,这与结果一致,表明促炎和抗炎成分健康的老龄化都是必要的。

如果微生物组主要通过直接的免疫原性相互作用发挥作用,使免疫细胞对抗特定抗原,那么某些细菌种群的丰度至关重要的。

结 语

膀胱癌的发病率衰老密切相关。在老年患者中常见的炎症导致先天免疫系统失调持续激活与活性氧表达和细胞因子释放相关的细胞。

年龄相关的肠道微生物组变化可能有助于防止老年患者肿瘤的发生和肿瘤的治疗,但这些变化是否在功能上与老年患者的致瘤性炎症特征有关还有待确定

许多膀胱癌患者以及其他尿道疾病患者与健康人群相比,尿液微生物群出现紊乱。需要更多大样本的基础研究,来确定膀胱癌或尿道疾病相关的菌群变化机制,从而更好地帮助治疗疾病。

附录:可能预防膀胱癌的措施

没有确定的方法可以预防膀胱癌。但可以做一些有助于降低风险的措施。

饮食

虽然说没有一种食物本身可以绝对防止患癌症。但研究表明 ,富含各种水果、蔬菜、豆类、全谷物和其他植物性食物的饮食可以降低患多种癌症的风险,包括膀胱癌。

绿叶蔬菜

根据BCAN的数据,研究人员将每份蔬菜与膀胱癌风险减少10%联系起来。绿叶蔬菜含有抗氧化剂,抗氧化剂修复细胞损伤,同时还具有抗炎特性,甚至可以帮助预防癌症。例如:西兰花、卷心菜、南瓜、小麦胚芽、菠菜、羽衣甘蓝等

水果

研究人员还认为水果可以降低10%的膀胱癌风险。柠檬、橙子、葡萄柚和酸橙等柑橘类水果具有抗氧化特性,可以起到保护作用。其他还包括浆果,梨,苹果等。

BCAN 表示,每天喝一杯茶,患膀胱癌的风险降低 6%,对动物的研究表明,多酚化合物会阻碍膀胱肿瘤的生长。绿茶中含有表没食子儿茶素-3-没食子酸酯,具有抗癌特性。

注意:红肉等加工食品中的化学物质会加剧膀胱癌的病情,此外还应避免酒精,零食等。尽可能均衡、健康地饮食。

天然补充剂

西兰花芽丸、绿茶或姜黄素补充剂已经成为接受膀胱癌治疗的流行天然补充剂。然而,研究未能提供它们对人类有益的结论性证据。

在膀胱癌治疗期间服用姜黄素补充剂似乎可以使小鼠的肿瘤减小。

西兰花芽提取物对膀胱癌细胞的体外生长有抑制作用。

维生素E

据MayoClinic称,大量摄入富含维生素E的食物可以降低膀胱癌恶化的风险。

硒是指一种具有抗氧化特性以防止细胞损伤的矿物质。因此,专家认为通过食用富含硒的食物可能帮助控制膀胱癌。如巴西坚果、核桃和燕麦片等。

生活方式

限制场所

化工场所包括橡胶、皮革、印刷材料、纺织,油漆,铝,芳香胺、砷,染料,地毯,美发,打印等行业,接触时间过长可能患膀胱癌的风险更高,如在这些行业工作,尽可能遵守安全规则,做好防护措施。

尽可能减少吸烟

吸烟的人患膀胱癌的可能性至少是不吸烟的人的 3 倍。

多喝水

多喝水可能降低患膀胱癌的风险。如果喝白开水有困难,可以在水中加入新鲜柠檬片等来保持水分。

注:本账号内容仅作交流参考,不作为诊断及医疗依据。

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