科普

肠道尿路病原体丰富度是细菌尿和尿路感染发生的危险因素

尿路感染又称为泌尿系统感染,是尿路上皮对细菌侵入导致的炎症反应,通常伴随有菌尿和脓尿。尿路感染波及面广、诱因复杂以及人体各器官互为影响,让尿路感染形成反复发作、反复治疗,反复用药,最后导致菌群失调,霉菌感染,致使病情更加复杂。

近日,美国纽约威尔康奈尔医学院的一项关于大样本人群尿路感染的研究成果“Gut uropathogen abundance is a risk factor for development of bacteriuria and urinary tract infection(肠道尿路病原体丰富度是细菌尿和尿路感染发生的危险因素)”在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)(doi: 10.1038/s41467-019-13467-w )。

该研究证实大肠杆菌和肠球菌粪便相对丰度的增加与相应生物体未来发生菌尿的风险增加有关。大多数样本中同一受试者的尿液和粪便标本中都存在泌尿系致病基因,如FimH和抗生素耐药基因。该研究结果支持未来可以通过调节肠道微生物群作为预防尿路感染的新策略,特别是在反复尿路感染的情况下。

摘要

研究的主要重点是调查肠道微生物群与发生菌尿或尿路感染(UTI)的风险之间的关系。研究人员使用16S rRNA基因深度测序对168例肾移植受者的510个粪便样本进行肠道微生物谱分析,并对一部分粪便样本和尿液上清液样本进行宏基因组测序,评估了成对大肠杆菌尿液和粪便标本中存在的泌尿系致病基因和抗生素耐药基因。研究人员得出,1%大肠杆菌肠道中相对丰度是大肠杆菌菌尿和UTI的独立危险因素,1%肠球菌肠道中相对丰度为是肠球菌菌尿的独立风险因素。菌种分析在同一受试者的肠道和尿液中发现的物种之间建立了紧密的应变水平对齐。研究结果支持肠道微生物群-UTI轴,表明调节肠道微生物群可能是预防UTI的一种潜在的新策略。

背景

尿路感染(UTI)是世界上最常见的细菌感染之一,而大多数泌尿系统细菌感染的来源通常被推定为肠道。肾移植受者是研究UTI发病机制的独特人群,因为他们经常被诊断为菌尿(尿培养阳性,无临床症状)和UTI(尿培养阳性,有排尿困难、尿频、尿急或发热的临床症状)。尿路感染的发病机制很复杂,肠道尿路致病菌污染尿道周围空间被认为是第一步,随后是尿道和膀胱的定植。在一项对26名肾移植受者的初步研究中,我们进行了一系列肠道微生物菌群分析,我们报告了肠球菌丰度和肠球菌尿路感染之间的联系。在最近的另一项针对UTIs和非UTIs儿童的病例对照研究中, UTIs患儿大肠杆菌的相对丰度明显高于UTIs。这两项研究都评估了UTI发生时肠道菌群是否与UTIs相关,但没有评估肠道菌群是否为菌尿和UTI发生的危险因素。

实验设计

样本采集:

168例肾移植受者在移植后3个月内的510份连续粪便标本,在移植后第1周、第2周、第4周和第12周以及腹泻发作期间以及UTI发作期间收集粪便标本。常规尿培养在每次常规门诊时进行(第一个月每周两次,第二个月每周一次,第三个月每两周一次,最多每月一次至6个月)。其中102名受试者出现菌尿(≥10000集落形成单位[cfu]/mL),归为菌尿组。66名受试者在移植后的前6个月内未出现菌尿症,归为无菌尿组。

测序方法:

对510份粪便标本进行V4-V5高变区16S rRNA基因深度测序,以评估肠道微生物区系与未来细菌尿和UTI发展的关系。在一组有菌尿的受试者中,提取其尿上清液中的游离DNA,通过鸟枪式宏基因组测序评估成对粪便样本,以评估菌株相似性、泌尿致病基因和抗生素耐药基因。

统计分析:

使用双尾Wilcoxon秩和检验比较连续变量的分布;双尾Fisher精确检验比较分类变量的分布;Cox回归风险模型来估计特定有机体的相对粪便丰度是否与同一生物体的菌尿的发展相关,其中粪便相对丰度作为一个随时间变化的协变量,其中假设丰度值直到微生物丰度值第一次超过阈值时才超过;多变量Cox回归风险模型用于评估之前分析过的临床变量以及终末期肾病的原因和计算的群体反应性抗体状态。使用类似的Cox回归风险模型来估计抗生素类别是否与肠球菌或大肠杆菌的相对丰度作为时间依赖性协变量的发展有关。

主要结果

1. 评估了与菌尿相关的五个最丰富的肠道菌属相对丰度和各自菌尿组的时间动态。菌尿组中的肠道中大肠杆菌和肠球菌相对丰度显著高于无菌尿组中的。

图中使用了1%相对丰度的临界值,这是LOESS曲线的上限。肠道细菌的相对丰度在y轴上(对数标度),移植后粪便标本采集的天数在x轴上。红色的点表示菌尿组,该点反映属于相应的细菌组的一个样本,蓝色的点,反映相应的无菌尿组。95%置信区间(灰色)的拟合曲线是按群体状态创建的。使用Wilcoxon秩和检验进行肠道细菌相对丰度的组间比较。a图表示大肠杆菌状况,b图表示肠球菌状况,c图表示克雷伯氏菌状况,d图表示葡萄球菌状况,e图表示链球菌状况。

2. 1%大肠杆菌肠道中相对丰度与大肠杆菌菌尿的未来发展相关(HR2.8,P=0.002)。1%肠球菌肠道中相对丰度与肠球菌菌尿的未来发展相关(HR:2.4,P=0.01)。

采用Cox比例风险模型评价肠道菌群丰度与菌尿大肠杆菌或肠球菌未来发展的关系。1%的大肠杆菌或肠球菌相对丰度被评估为时间相关的协变量。对所有特征进行单变量分析,并在多变量分析中进一步分析与菌尿中菌株显著相关的特征(P < 0.10)。粗体文字是与菌株未来发展相关的特征。

3. 菌种分析中发现大肠杆菌、粪肠球菌、屎肠球菌这三种菌株,在部分同一受试者的粪便样本和菌尿样本中密切相关。在对大肠杆菌相关的尿路感染致病基因和抗生素耐药基因的评估中发现在配对的尿液和粪便标本中都存在这些基因。这支持来自相同受试者的尿液和肠道大肠杆菌菌株的相似性。

成对的尿便标本中的菌种分析、泌尿致病基因和抗生素耐药基因分析。a、b、c图为分别基于大肠杆菌菌株、粪肠球菌菌株、屎肠球菌菌株比对构建的系统发育树,并在x轴上记录了菌株之间不同的序列比例。每个点代表一种来自尿液或粪便标本的菌株,不同的颜色代表不同的受试者。d图为使用HUMAnN219测定细菌基因后,对尿路致病性大肠杆菌相关基因(x轴)的相对丰度进行估算,y轴为大肠杆菌相关尿标本和配对粪便标本。e图为使用MEGARES抗生素耐药数据库上的Bowtie2确定抗生素耐药基因(x轴),并估计这些基因的表达水平。y轴为大肠杆菌相关尿液标本和配对粪便标本。丰度以蓝色强度、对数比例表示。

结论

证明了大肠杆菌和肠球菌粪便相对丰度的增加与相应生物体未来发生菌尿的风险增加有关。大多数样本中同一受试者的尿液和粪便标本中都存在泌尿系致病基因,如FimH和抗生素耐药基因,进一步支持了菌株比对分析,即肠道中的大肠杆菌与同一受试者尿液中的大肠杆菌相似。虽然,研究中无法评估移植前和移植后肠道微生物群的变化,因为只有5名受试者在移植前提供标本。但结果数据依然支持尿路致病性菌株在肠道丰度的增加是菌尿和尿路感染发展的危险因素。这些结果进一步支持了未来关于调节肠道微生物群作为预防尿路感染的潜在新策略的研究,特别是在反复尿路感染的情况下。

一文涵盖:宝宝大脑发育差异背后肠道菌群的故事

原创:谷禾健康

导读

我们知道肠道微生物群是一个庞大且复杂的微生物生态系统。之前的文章我们讨论过肠道菌群与中枢神经系统,肠道菌群与社会行为等主题。今天要讨论的主要内容如下:

首先介绍已知的微生物群的发育轨迹,并提出:微生物群-肠-脑轴中存在“敏感时期”或“关键窗口”,对神经认知发育有影响。具体而言,假设这些微生物在这些时期的信号对于在整个生命周期内沿着轴建立适当的通信至关重要。因此,在特定的发育窗期内,微生物群的缺失或破坏将对特定功能或整个系统的管理产生不成比例的影响。

然后根据人类和非人类动物的研究为这一假设提供证据,研究微生物群与神经发育之间相互作用的潜在机制,最后讨论了未来发展过程中对微生物-肠-脑轴的研究所面临的挑战。

微生物群的发展

利用最新的测序技术,一个关于肠道微生物群在整个生命周期内如何发展以及这如何影响宿主的更清晰的画面开始浮现。微生物是否在子宫内定植是目前争论的热点。很明显,微生物群在出生时就迅速繁殖。

这种最初的播种和随后的微生物群落的发展取决于许多因素,但是有明显的成熟期。至少在阴道分娩的婴儿中,大多数早期肠道定植者是从母体微生物群传播的。在最初几天过后,微生物群数量和多样性缓慢增加,从主要是需氧或兼性菌转向更多的厌氧菌。早期的微生物群似乎倾向于提取营养物质,以支持宿主大脑和身体的快速发展。

随着婴儿从纯母乳喂养或配方奶粉摄入转向固体饮食,断奶时微生物群的发展又出现了一次快速爆发。根据一些研究,断奶后微生物群中会出现一段相对稳定的时期。然而,其他研究结果表明,在整个童年中期甚至青春期都存在着持续的变化和可塑性。这些调查显示了一种从童年中期逐渐发展到成人的模式。

有趣的是,微生物群的变化周期与其他身体系统,特别是大脑的快速发展时期一致。这种平行发展很可能是生物相关的,我们假设这些发育窗对应于微生物-肠-脑轴的敏感期。

敏感期

敏感时期(通常与“关键时期”和“临界窗口”同义)被定义为特定的发育窗,在此期间,系统表现出高度的可塑性,并且对某些环境线索特别敏感。这些提示(也称为“预期输入”)用于以高效的方式调整系统。

 微生物-肠-脑轴发育的敏感期

假设来自微生物群的信号对于某些功能是必需的,就像预期的输入来校准微生物-肠-脑轴。因此,在特定发育窗期内,微生物群的缺失或破坏将对特定功能产生不相称的影响,这些功能与破坏的时间窗相关,并可能对整个系统的调节产生不相称的影响。

图:许多因素影响微生物群的发育,因此可能改变微生物群-内脏-脑轴的发育轨迹

此外,外部线索,如饮食变化和暴露于环境微生物,可被视为发展中的微生物群的预期输入(见上图)。多个敏感期可能发生在整个微生物-肠-脑轴的发展过程中,正如神经发育每个领域内有多个敏感期(见下图)。

图:敏感期,或高度可塑性的关键窗口,在人类发展过程中以级联的方式出现,多个关键窗口为每个功能域(上轴显示)。微生物的峰值可塑性的时间框架(在出生后早期,断奶时,可能再次在青春期;下轴)与这些轨迹重叠,并且也与神经发育障碍(黑色显示)的峰值相一致。注意,与大脑相比,微生物群在发育期后表现出相对较高的持续可塑性。

微生物群本身似乎对生命早期的破坏特别敏感。尽管它的组成在整个生命过程中仍有一定程度的可塑性。

有人假设,肠道中早期的殖民者或“创始物种”对微生物群的最终稳定组成有着不相称的影响。微生物群成熟轨迹的性质也使其在发育过程中对外界影响的反应更灵敏。出生后的微生物群是相对不稳定的,在成熟过程中获得稳定性,可能是由于微生物群多样性增加。

微生物群不稳定的时期也发生在发育的后期断奶时有明显的变化,青春期可能出现未充分研究的过渡(上图)。鉴于缺乏对婴儿期后微生物群发育模式的纵向研究,这两者之间很可能存在其他敏感时期。

还有证据表明,微生物群在发育过程中对肠-脑轴特别有影响。最近的研究发现,断奶时微生物群自然成熟的过程对免疫系统的发育至关重要,免疫系统是关键的肠道-大脑途径之一。断奶引起微生物群组成的突然变化,伴随着一种炎症激活的高峰,称为“断奶反应”。使用几种合理的方法改变断奶或抑制断奶反应,证明这种对断奶反应发育适当时间的干扰导致免疫系统的病理印记,增加了各种炎症反应的风险,以响应随后的免疫挑战。

更进一步进入微生物群-肠道-大脑轴,现在有几个例子支持微生物学调节大脑和动物行为的关键窗口的想法。

在不同年龄段,无菌的啮齿动物被“正常”(“正常”即来自特定的无病原体动物)的微生物群重新定殖的研究表明,在恢复无菌缺陷方面,断奶后再定殖比在出生后定殖更有效,至少对于大脑免疫功能和行为的特定方面而言,断奶后是更有效的。例如,在断奶时重新定殖,而不是在成年后4周后重新定殖,可以使无菌小鼠的社会缺陷逆转。然而,在无菌动物中的其他功能即使在断奶时也不能通过再定殖来恢复,这意味着微生物群对这些功能的影响的窗口在断奶时已经关闭了。

为支持敏感期假说,对儿童期抗生素暴露的两项研究报告称,在生命的第一年接触抗生素,而不是在以后的时间点,对认知发展有负面影响。

微生物调节神经认知发育的证据

行为和认知发展

人类研究

两项研究,包括最近对芬兰一个大型队列的调查,观察到微生物群组成非常早期的性格之间复杂的、性别特定的关系,包括外向性、调节能力和恐惧反应。

预测童年焦虑?

胃肠道不适与微生物群的破坏有关,已经被证明可以预测整个童年时期的焦虑,即使是最初的焦虑也是如此。在患有身体疾病的儿童群体中,微生物群调节心理或行为结果的证据是有限和混合的。然而,有一些研究表明,调节微生物群可以改善神经发育障碍的症状(见微生物群和神经发育障碍一节)。

关于人类的认知发展:有一项研究直接测量微生物群和认知表现,这是正在进行的北卡罗来纳大学早期大脑发展研究的一部分。在这组89名婴儿中,1岁时粪便微生物群的组成预测了2岁时马伦量表早期学习综合指数(全球认知指数)的认知表现。这种影响是由接受和表达语言领域的差异所驱动的。1岁时α多样性较低也预示着认知能力的较高,表现为α多样性与2岁时的整体早期学习综合、表达性语言量表和视觉接受量表呈负相关。

出生后第一年接触抗生素影响智商甚至发育?

最后,已经有了一些初步的人类发育研究,检查了与早期生命微生物群相关的神经/认知和行为结果。据报道,出生后第一年使用抗生素对小学期间的总体智商和阅读能力有不利影响。早期接触抗生素也会导致更大的行为困难,更多的对立行为,以及多动症和抑郁症症状。然而,由于研究人员没有直接检查微生物群,也没有收集抗生素使用原因的数据,因此很难确定这些拟议的微生物群——认知和微生物群——行为关系的强度

随后,该研究小组对两种益生菌进行了安慰剂对照试验,这两种益生菌在怀孕期间和生命的前两年都有应用。在该样本中,抗生素使用率很高(前两年为80%,各治疗组之间相似),益生菌对11岁儿童的认知和行为结果没有显著影响(Slykerman等,2018),尽管早期使用抗生素的效果得到了复制(Slykerman等人,2019)。然而,这项研究又有几个局限性;没有理由选择益生菌菌株、剂量或给药方法,也没有对整个治疗过程中的微生物群进行测量(在这一研究领域常见的问题)。

最近在新生儿重症监护室(NICU)对早产儿进行的一项研究也检查了在妊娠期间给母亲或NICU住院期间给婴儿使用围产期抗生素的效果。在这项排除脓毒症确诊病例以减少感染的混杂效应的研究中,围产期抗生素使用与4-5岁时注意力问题增加相关服用抗生素的儿童在脑电图(EEG)上表现出更高的delta功率,这是在ADHD中观察到的一种模式,被解释为发育迟缓

最后,在新生儿重症监护病房(NICU)期间,鼓励父母和婴儿之间进行身体接触(从而传播微生物)的干预措施降低了行为和神经改变的风险(Firestein等人,2019年)。除了这一对人类发育结果的微生物群调节的初步证据外,还有更多的研究使用动物模型来探索认知和行为发育的不同方面。

 动物-社会行为和认知

也许微生物调节动物模型认知和行为的最有力证据来自于对社会互动的研究。

小鼠

无菌啮齿动物通常表现出社交能力和社会刺激记忆的缺陷。在发育过程中抗生素耗尽后也观察到类似的效果,而某些益生菌种类的给药可以增强各种自闭症小鼠模型的社会行为和炎症引起的社会退缩。

果蝇

在果蝇中,发育中和成熟个体都依赖微生物群衍生的挥发性化合物作为社会信号,影响食物和交配偏好。这让人想起上述在人类婴儿身上观察到的微生物群组成和外向性之间的联系。因此,社会行为和跨物种观察到的微生物群之间存在着强有力的关系。有人假设,这种关系有一个进化基础,由宿主和微生物群落的社会互动的共同利益驱动。也就是说,社会互动鼓励微生物向不同宿主繁殖和转移,同时增加任何特定个体微生物群的多样性,对满足宿主的营养和健康需求具有潜在的好处。

之前的文章有详细介绍肠道微生物群调控社会行为的生物学途径。

点此处详细查看微生物群和社会行为

动物-学习和记忆

无菌动物研究表明,在没有共生微生物群的情况下饲养的啮齿动物表现出夸大的条件性恐惧反应,但在成年后的自发交替测试中,恐惧消失、物体识别记忆和工作记忆方面出现了的损害。青春期或成年期服用抗生素对新目标任务有类似影响,损害识别记忆

抗生素给药对空间记忆性能的影响更为复杂,一项发展性研究发现,尽管有其他证据表明抗生素会慢性损害成年大鼠的空间记忆,但早期抗生素治疗并未改变成年大鼠的空间记忆。这些差异可能归因于抗生素方案和啮齿动物种类的差异;进一步的发育研究将有助于理解这种差异。

饮食或益生菌干预有希望恢复?

饮食干预在减少压力或其他微生物群干扰对整个生命周期学习和记忆结果的影响方面显示出了希望。

成年啮齿动物中,益生菌补充被用于逆转压力、感染或抗生素治疗后的空间记忆缺陷,甚至在空间记忆、物体识别记忆和长期恐惧记忆方面为健康动物提供益处。

青春期饮食中添加ω-3多不饱和脂肪酸和维生素A可恢复慢性社会不稳定应激后盲肠微生物群的组成和新的物体识别障碍。

发育早期,特定的益生菌菌株(鼠李糖乳杆菌和瑞士乳杆菌)拯救了暴露于早年母体分离应激的幼鼠条件恐惧行为的预期发育模式。压力大的婴儿表现出更持久的恐惧记忆,在恐惧消失后更容易复发,但这两种行为异常都可以通过益生菌治疗逆转。值得注意的是,益生菌治疗甚至可以有效防止这些应激性行为改变的代际传递。

大脑发育

形态学

关于微生物群在人类大脑结构发育中的作用的研究仍然很少。

成年人中,聚类分析确定了与不同白质和灰质特征相关的不同微生物群组成,包括右海马、左伏隔核、右枕前沟和小脑的区域体积差异。微生物群中的α多样性也与肥胖成人的下丘脑、尾状核和海马的微观结构有关,而特定的放线菌门的相对丰度与下丘脑、丘脑和杏仁核的微观结构变量相关

儿童中,只有一项研究检测了大脑结构和肠道微生物群,报告了1岁时α多样性与2岁时左中央前回、左杏仁核和右角回体积之间的正相关。同样的研究还报告了基于微生物群聚类分析的特定区域脑容量差异。

在新生儿重症监护病房早产儿粪便微生物群移植研究中采用了一种更具实验性的方法。与高生长菌群的受试者相比,在NICU中生长不良的婴儿微生物群定植的无菌小鼠在神经元分化、少突胶质细胞发育和大脑皮层髓鞘形成的标记方面表现出大脑发育延迟的迹象。来自低生长婴儿的微生物群也影响各种神经传递途径,增加神经炎症,同时降低生长激素的循环水平。

在微生物群衰竭的动物模型中,同样可以观察到大脑结构发育的如此广泛的变化。

无菌小鼠的大体形态发生改变,包括杏仁核和海马体的扩张。无菌小鼠的形态在神经元水平上也有区域特异性差异,杏仁核和导水管周围灰质的神经元肥大,但扣带回前部皮质和海马的神经元较短、较不复杂。这些结构差异,至少在海马,可能与观察到无细菌和抗生物素治疗小鼠海马神经发生率的增加有关。与微生物群落相关的脑结构变化不仅限于神经元结构;菌和抗生素诱导的微生物群落耗竭也会导致小胶质细胞成熟和髓鞘形成水平,而白质完整性与饮食诱导的大鼠肠道微生物群变化有关。

功能和活动

成人中,几项脑成像研究表明,益生菌能够改变大脑对情绪刺激的反应,而某些微生物组分与大脑活动的不同模式相关。微生物群的代谢功能(特别是苯丙氨酸、阿多胺前体的合成)与未患多动症的幼年成人在奖赏预期期的腹侧纹状体活动减少有关

据所知,只有两项研究发表在去年,这两项研究都发表在儿童大脑功能或活动的微生物调节上。

首先,在睡眠的1岁儿童中评估了各种大脑网络的功能连通性。肠道微生物群α多样性与杏仁核-丘脑、扣带回前皮质-右前岛叶和补充运动区-左顶叶三个独立网络的功能连通性相关。此外,后一组与2岁时的认知评估表现相关,可能为先前描述的微生物群与认知表现之间的关联提供了部分机制。

第二项研究是最近在5到11岁的儿童中进行的一项试验,这些儿童暴露在早期的逆境中(孤儿院的养育)和管理控制。在这个队列中,某些菌群的水平与前额叶皮层对情绪面孔的激活相关。这些分类中的一些在有早期逆境史的儿童中不太常见,支持他们认为微生物群在早期创伤经历和神经发育和心理风险改变之间起着联系作用的想法。

动物研究。本研究很好地拟合了动物早期应激模型中的观察结果。在母性分离后,一种已知会扰乱微生物区系的早期应激啮齿动物模型,大鼠幼犬表现出条件性恐惧反应的加速成熟。在压力期间的益生菌补充足以逆转对这两种行为的影响前额叶皮层的激活

在压力环境之外,在各种动物模型中,微生物调节大脑功能或活动的证据基础越来越强。例如,对无菌动物杏仁核的转录组分析揭示了差异基因表达、外显子使用和RNA编辑。

最近的一项关于在缺乏微生物群的小鼠中消除恐惧的研究发现,内侧前额叶皮层的基因表达、神经元活动和树突棘重塑发生了显著变化。此外,有许多关于通过操纵微生物群而改变各种神经递质系统的报告,特别是关于5-羟色胺和BDNF(脑源性神经营养因子)。这项工作与脑形态学的研究一起,强调了微生物群对大脑发育的深远影响。

深入挖掘机制:微生物对神经发育的影响途径

目前,微生物-肠道-脑轴内存在许多已知的通信途径,包括迷走神经、HPA轴、脊髓、免疫系统和代谢产物的外周传输等。这些已在其他地方详细阐述。在这里就提供一个简短的和简单的概述,其中一些路径与一个具体的发展重点(见下图)。

微生物群-内脏-大脑轴由多个通道组成,允许微生物群和大脑之间双向交流。在发育过程中,一些关键的通路包括营养提取、免疫信号和屏障功能,以及沿脊髓、迷走神经和下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)的神经和激素信号。

之前的文章有详细介绍微生物群与大脑之间的通讯途径。

多种直接(如迷走神经)和间接(如短链脂肪酸、细胞因子和关键的膳食氨基酸,如色氨酸、酪氨酸和组氨酸)途径,通过肠道微生物群可以调节肠-脑轴。

点此处详细查看肠道微生物群在神经系统疾病中的作用

代谢和养分利用率

也许解释微生物群对神经发育的调节作用的最简洁的假设是,微生物群是生长中的大脑必需营养和能量的关键来源。当然,众所周知,微生物群将原本不易消化的食物成分转化为具有营养或生物价值的产品,营养本身是一种公认的认知结果调节器。

母乳喂养是一种影响微生物群成熟的饮食因素,长期以来一直被认为可以改善认知结果,尽管最近的数据表明,这种影响在很大程度上是由诸如母亲智力或教育水平等混杂变量造成的。

另一方面,特定营养素缺乏和总体饮食质量低都与认知发展的长期负面影响有关,并且对易受伤害人群的营养干预已经被证明可以改善儿童期的认知结果。有人认为,这些影响需要从发展中的微生物群的角度来考虑。

为了支持这一论点,最近对荷兰小学生进行的一项队列研究发现,学龄前饮食与代谢表型之间关系的强度取决于微生物群的组成

儿童营养不良延缓了微生物的成熟,从营养不良的儿童身上移植到啮齿动物或猪身上的粪便菌群表明,这种改变的菌群在与营养不良相关的发育迟缓和代谢问题中起着因果作用。在这两种动物模型中,通过补充唾液酸化的牛奶低聚糖来解决这些微生物依赖性问题。这些化合物通常存在于母乳中,作为微生物群的益生元,在营养不良儿童的母亲母乳中含量较低。

最近的另一项“微生物导向补充食品”试验发现,与传统食品治疗相比,在动物模型和营养不良儿童中都有很好的效果。

营养物的可利用性、微生物群和代谢发展之间似乎存在着重要的相互作用,通过喂养微生物群,微生物群可以喂养发育中的身体和大脑。

屏障功能

在微生物群和大脑之间,有两大屏障:胃肠道屏障和血脑屏障(BBB)。这些屏障的通透性与微生物来源的代谢产物和神经递质在微生物-肠-脑轴之间的传递特别相关;膜的渗透性越强,传递的信号就越多。这两个障碍有惊人的相似之处。

关于两个屏障:

首先,两者主要功能是防止入侵病原体和毒素。

第二,它们具有一些广泛的结构相似性,由一个细胞层组成,该细胞层与免疫细胞(尤其是肠屏障的T细胞、大脑的小胶质细胞)一起构成主要的物理屏障,这些细胞可以抵御病原体(尽管也有明显的结构差异,包括胃肠道粘膜层的存在)。

第三,尽管这些结构边界以及在这些关键界面上分离内外环境的重要性,但这两个屏障都不是完全不可穿透的。相反,两者对某些生物和化学元素都有选择性的渗透性。在健康状态下,这允许来自胃肠环境的营养物质或信号分子流入血液和/或在大脑和身体之间传递。然而,如果这些受到严密监管的系统崩溃,屏障通透性的增加会导致各种病理形式的脆弱性。

第四,这两种障碍在出生后仍在继续发展,在早期的发展阶段被认为是最易受伤害的。

最后,至少在动物模型中,胃肠道和血脑屏障都是由微生物群调节的。微生物群密切地调节胃肠道的发育,无菌动物在肠屏障中表现出深刻的结构和功能改变。这些变化包括紧密连接蛋白和mRNA(claudin-1和clauddin)的表达改变、微绒毛拉长和粘膜层丢失,所有这些都可能导致肠通透性的增加。

微生物群也与BBB的发展有关。无菌动物的血脑屏障通透性显著增加,从子宫开始一直持续到成年。无菌动物BBB完整性的丧失伴随着紧密连接蛋白(claudin和claudin-5)表达的减少。成年后,无菌动物的肠道和BBB通透性都可以通过再电离恢复,表明屏障功能和肠道微生物群之间存在着终生的联系

之前的文章有详细介绍血脑屏障如何连接菌群和大脑。

点此处详细查看肠道菌群和中枢神经系统的关系

免疫系统

越来越多的文献正在探索“神经免疫轴”作为其自身的双向网络或作为微生物-肠-脑轴的一个组成部分。

除了调节屏障功能之外,炎性信号通过多种机制改变神经活动,包括与HPA轴和迷走神经的相互作用以及细胞因子在脑中的直接作用。

细胞因子是由许多不同类型的细胞产生的,包括大脑中的胶质细胞和神经元,也可以在外周分泌后通过血脑屏障进行主动转运中枢神经系统中的细胞因子水平可以改变各种神经递质系统的代谢(包括5-羟色胺、多巴胺和谷氨酸)。以这种方式,异常的细胞因子水平可以扰乱许多重要神经回路的功能,包括那些与动机和情绪有关的神经回路

某些细胞因子还可以作为生长因子和/或激活涉及各种基本细胞功能(生存、迁移、增殖、分化、凋亡)的基因途径,这些功能在发育过程中特别容易受到破坏。因此,异常细胞因子的产生(例如,孕期母体感染或过敏)是神经发育障碍的危险因素。因此,我们可以得出结论,适当的细胞因子信号和免疫功能对神经发育至关重要

 将神经免疫轴延伸到肠道微生物群中

胃肠道是人体最大的免疫界面,暴露于肠道微生物是训练免疫系统辨别有害和无害刺激并随后对这些不同元素产生适当反应的重要环节。无菌动物在先天免疫和适应性免疫方面都表现出深刻的变化,而特定的共生细菌可以调节体外和体内不同类型T细胞的成熟和平衡

微生物群操作可改变细胞因子的循环和中枢水平以及小胶质细胞发育。此外,人们日益认识到免疫/过敏敏感性与微生物群-肠-脑轴的改变之间的联系。最后,为了与敏感时期假说保持一致,微生物-免疫相互作用和神经-免疫相互作用似乎也有关键的窗口。

 下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴

研究微生物群在脑发育中的作用的一项开创性研究集中于下丘脑-垂体-肾上腺(HPA)轴应激反应。

研究表明,成年无菌小鼠对束缚应激具有夸张的HPA反应,包括升高的ACTH(促肾上腺皮质激素)和皮质酮水平。这种影响可以通过分别与特定的益生菌或病原菌定殖而减弱或加剧。健康小鼠通过粪便微生物群转移的再吸收也减弱了HPA应激反应。

根据敏感周期假设,这种策略仅在6周龄时才有效。在发育过程中所经历的压力方面,微生物群在母体分离模型中已被证实介导了早期生活应激的影响。在这些行为方面,无菌小鼠不受母体分离的影响。用特定细菌(鼠李糖乳杆菌和瑞士乳杆菌)治疗也能有效地逆转母体分离应激对发育过程中糖皮质激素产生的影响,无论是在基础条件下还是在急性应激下。

迷走神经

迷走神经被认为是微生物群信号到达大脑的最直接途径

胃肠道迷走神经传入的信号到达终纹核,终纹核通过投射到其他脑区(包括许多与行为相关的区域,如下丘脑、杏仁核、腹侧被盖区)充当“中继站”。

迷走神经损伤将阻止某些益生菌的行为影响。最近的研究表明,在一个孤独症基因小鼠模型中,断奶时的迷走神经切断阻止了益生菌治疗对社会行为的拯救。

临 床 意 义

上述迹象表明,在早期发育过程中,微生物-肠-脑轴的敏感性,对宿主健康具有长期影响,对各种临床状况都有影响。在这里将关注神经发育障碍。

微生物群与神经发育障碍

在自闭症谱系障碍(ASD)的研究中发现了微生物群在任何神经发育障碍中作用的最具体证据。有很大一部分患有自闭症的人报告患有共同的胃肠道问题。

一些观察研究报告了自闭症儿童和神经型对照组之间的微生物群差异。新的实验研究证实了ASD症状和微生物群之间更具因果关系,尽管所有的研究都是小规模的,因此在解释时必须谨慎。

将少量自闭症患者的粪便微生物群移植到无菌小鼠体内,导致自闭症症状各方面的相似。三项开放标签的试点研究已经证明,从健康供者体内移植抗生素、益生菌或粪便微生物菌群,作为减轻ASD症状严重程度的策略,具有良好的效果。

另外三项研究使用双盲、安慰剂对照设计来评估不同的微生物群干预措施。对3至16岁患有自闭症的儿童进行为期12周的益生菌治疗的初步试验受到了高辍学率的困扰,但仍表明该治疗对肠功能和行为症状也有一定的益处

饮食干预中观察到胃肠道和行为症状的类似益处,该干预评估排除性饮食是否有益生菌的补充作用

饮食和益生元都导致了与粪便代谢物含量相关的微生物群组成的改变。有趣的是,只在接受排除饮食和益生元的组中观察到行为变化,而胃肠道症状的变化是由排除饮食驱动的。最后,对出生后6个月补充益生菌的初步试验(N=75)发现,治疗具有预防作用,可降低13岁时患自闭症的风险。

除了降低患自闭症的风险外,产后益生菌治疗(鼠李糖乳杆菌GG)还降低了患多动症的风险。长期以来,饮食一直被认为是导致多动症症状的一个因素,而青春期的西式饮食(富含加工过的肉类、精制谷物、脂肪和糖)与多动症症状有关。许多饮食干预措施已在多动症中试用,取得了不同程度的成功,最有效的是排除人工食物染料的消除饮食。

之前的文章有详细介绍肠道微生物群和饮食模式之间的关系。

点此处详细查看饮食、肠道菌群与健康

更直接的微生物群研究表明,与年龄匹配的健康对照组相比,患有多动症的个体具有不同的微生物群特征。使用假设驱动的方法,确定沿多巴胺途径的微生物群预测功能的变化与基于奖励的任务期间的活动相关。这些发现表明,值得进一步评估多动症的微生物群、饮食和症状学之间的联系,特别是在儿童期

微生物群与精神分裂症之间较复杂

最后,关于微生物群在精神分裂症中的作用有很多猜测。这种关系尤其难以理清,因为抗精神病药物的使用几乎无处不在,众所周知,它们会改变微生物群。尽管如此,一些研究已经发现精神分裂症患者口腔和粪便微生物群的差异,包括与症状严重程度相关的特定分类群。将患者的粪便菌群移植到无菌小鼠体内,可引起小鼠的过度活跃和夸大的惊吓反应以及海马谷氨酸能功能的改变,但未改变社会行为或前脉冲抑制。在人类中,益生菌干预至今还没有显示出对这种复杂的神经发育障碍的症状严重性有任何影响。

从动物到人类研究的过渡

目前的研究还没有达到可以在临床环境中推荐使用基于微生物群的药物或诊断的阶段,缺乏对人类特别是儿童的研究。如上所述,证据表明微生物群与神经认知和心理发展之间存在联系,但除少数例外。

对这样一个包含多个器官的复杂全身系统的研究本身就提出了许多挑战。

首先,交互的复杂性要求每个系统中的专家之间的协作。需要胃肠病学家、儿童心理学家/精神病医生、微生物学家和生物信息学家的投入,设计实验并确保正确分析数据。

第二,这个多系统问题使每个系统内的物种差异复杂化,这就给动物模型结果的翻译增加了障碍。在跨物种的微生物-肠-脑轴的每一个组成部分上也有明显的差异。在试图预测模式物种中微生物群的研究将如何转化为人类时,考虑神经发育不同方面的特定发展轨迹是很重要的。

另一个值得进一步关注的因素是性别的影响。当然,神经发育障碍的患病率存在明显的性别差异,自闭症、多动症和精神分裂症在男性中更为常见。有研究表明,与雌性相比,雄性动物的早期微生物群破坏的影响更为显著。

男孩中,通过饮食干预也显示出更大的改善。另一方面,男孩的微生物群组成与性格之间的关联性更强。因此初步发现男性可能更容易受到微生物群操纵对神经发育的影响,这与观察到的神经发育障碍的性别差异模式一致。

在选择操作人体内微生物群的方法时,需要更多地考虑益生菌、剂量滴定(尤其是交叉开发)、给药方法的选择,和目标人群。

结 语

这一领域已经开始缩小我们在理解允许沿着微生物-肠-脑轴沟通的途径方面的差距。需要对性别差异、临床人群和前瞻性纵向队列进行研究,以评估微生物群对神经心理学和临床结果的动态贡献。基于微生物-肠-脑轴的潜在敏感期的证据,着眼于早期发育的研究可能是一种富有成效的方法,用于利用微生物来治疗心理或认知问题的潜力。

参考文献:

Caitlin S. M. Cowan,Timothy G. Dinan,John F. Cryan. “Annual Research Review: Critical windows – the microbiota-gut-brain axis in neurocognitive development”.The Journal of Child Psychology and Psychiatry,2019

谷禾健康是谷禾面向健康领域的品牌,通过无创采集微量粪便样品,常温快递运输至谷禾检测中心,经全自动化样品处理和提取后大规模高通量测序获取菌群基因数据并进行分析解读,凭借全球领先的样本积累和业界独有的人工智能算法实现了基于肠道菌群的疾病预测和系统健康风险评估, 以及肠道菌群,病原物感染,重金属污染以及营养物质和激素代谢水平等在内的综合健康风险提示,并提供精准个性化的健康管理方案。公司成立于2012年,总部位于杭州,拥有优秀的研发团队和独立实验室,经过多年的积累,已完成近6万例临床肠道菌群样本检测,并构建了超过20万各类人群样本数据库。

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肠道微生物群在神经系统疾病中的作用

原创:谷禾健康

刚刚,来自爱尔兰 APC 微生物组研究所(APC Microbiome Ireland,简称APC)的APC John F Cryan,教授和 Timothy G Dinan教授在 Lancet Neurol《柳叶刀神经病学》上在线发表了综合评论文章:The gut microbiome in neurological disorders(肠道微生物群在神经系统疾病中的作用)。

小贴士:带你了解一下APC

APC (APC Microbiome Ireland) 微生物组研究所在肠道学术和产业方面都颇具国际影响力,集产学研一体,尤其是关于微生物组相关的生物医药和功能食品研发。其在微生物组研究和肠道相关疾病研究中可以排进全球前五,在益生菌研究和细菌素研究中名列第一。

APC 长期致力于微生物组的转化应用研究,在多个领域的产业化方面,包括食品、制药、婴儿营养、医疗食品、诊断、运动营养,以及动物健康等取得进展。

以下是文章内容。

摘 要

在过去10年中,对肠道微生物群在调节大脑功能方面的作用的研究迅速增加,尽管主要是在动物模型中。

越来越多的临床和临床前证据表明,微生物群可能是神经系统疾病(包括阿尔茨海默病、自闭症谱系障碍、多发性硬化症、帕金森病和中风)的一个关键易感因素。横向临床研究正在支持改变微生物组成的概念,这有助于此类疾病的病理生理学。

然而,这一领域尚处于起步阶段,鉴于微生物组分受饮食和运动等多种因素的影响,对这些数据的解释往往很困难。需要对人体进行纵向研究和随机对照试验,以发现靶向微生物群是否能产生新的治疗策略。系统生物学方法在将此类数据与来自神经疾病临床队列的基因组和代谢组学数据集整合也很重要,可以帮助指导个体化治疗选择。

微生物-肠-脑轴

人们认为,当婴儿在分娩期间接触到母体微生物时,肠道的定植主要是在出生时开始的。早期生活中的各种因素可能影响这种定居,包括分娩方式、母乳喂养、早产、环境、宿主遗传学、抗生素暴露和母体感染、压力或肥胖。

在整个生活中,饮食可能对微生物群的组成产生最大的影响。

越来越多的研究调查了患有特定神经障碍个体与健康年龄匹配个体的微生物群组成。然而,这些研究仅仅提供了一个时间上的快照,纵向队列研究是有必要的。实验模型对于推动人类微生物群-肠-脑轴向前移动的研究是必不可少的。

利用人类微生物群的潜在途径

(A)对患者组和对照组的微生物群进行评估,并确定组成(有哪些细菌)和代谢组(他们正在做什么)的差异。注意,粪便样本通常用于微生物组分析,结肠细菌不是小肠微生物组的可靠替代物。

(B)在临床前和临床试验中使用人类微生物组的三种潜在方法,以研究疾病的机制和潜在治疗的效果

动物实验探索机制:动物可以通过粪便微生物群移植来实现人性化,粪便物质取自人类,用于在啮齿类动物的肠道中重新填充与人类捐赠者相似的成分。这样可以在啮齿动物中重建与供应者人类相似的表型,为在人类中很难研究的机制提供了一种临床前的方法。功能分析可以通过一系列的动物行为测试,以及分子和成像技术进行的体外测试来完成。

粪便移植:如果存在微生物组分的差异,粪便微生物组移植可从对照个体或明确的细菌联合体进行。已报道了一些有前途的临床研究,包括自闭症谱系障碍患者的研究。

饮食干预:可实施选择性饮食、益生元或益生菌等。然而,这主要是在动物模型中进行的研究,现在有必要验证通过选择性饮食,益生元或益生菌对人体进行微生物组靶向的效果。

微生物群与神经发育

越来越多的关注是理解微生物-肠-脑轴在神经发育过程中的作用。

微生物群与大脑之间的通讯途径

多种直接(如迷走神经)和间接(如短链脂肪酸、细胞因子和关键的膳食氨基酸,如色氨酸、酪氨酸和组氨酸)途径,通过肠道微生物群可以调节肠-脑轴。

它们包括神经活性途径,包括神经递质和神经活性代谢物;免疫途径(包括细胞因子);短链脂肪酸和微生物代谢物;神经途径(迷走神经、肠神经系统和脊神经);下丘脑-垂体-肾上腺轴内分泌途径

微生物群可以在动物和人的肠道局部合成神经递质(即GABA、去甲肾上腺素和多巴胺),这是重要的交流途径。神经活性细菌代谢物,以及来自饮食的代谢物,可以调节大脑和行为的方式仍在被阐明,包括影响上皮细胞改变肠屏障功能、肠内分泌细胞释放激素和树突状细胞调节免疫和小胶质功能,在衰老和神经系统疾病中起着重要作用。

然而,所涉及的确切的分子信号传导途径尚未明确。红色箭头表示免疫系统受到腔内容物的刺激,产生负面影响(宿主免疫激活)。

然而,对婴儿的研究很少,大部分是横向研究的。在一项对89名婴儿的研究中,2岁时的认知功能(用马伦早期学习量表评估)与1年前的微生物群组成显著相关

在39名婴儿的队列中,微生物群α-多样性(一个描述样本内变异性的统计数据)也与支持运动区和下顶叶之间的功能连接有关。重要的是,这种功能联系也与2岁时的认知结果有关。

微生物群在神经发育中作用的最有力证据来自对无菌小鼠(即完全没有微生物群的小鼠)的研究。在这些模型中,基本的神经过程,如发育、髓鞘形成、神经发生和小胶质细胞的激活,已经被证明在很大程度上依赖于微生物群的组成。

动物模型中的微生物群、神经发育和神经免疫功能

无菌小鼠的大脑无法正常发育;无菌小鼠缺乏微生物群会导致许多与各种神经系统疾病相关的神经生物学变化,包括应激依赖小鼠的行为依赖性改变、无菌小鼠海马体积减少和髓鞘形成减少。

研究报告显示前额叶皮质髓鞘形成增加,海马体神经发生增加,各种神经递质浓度改变,树突树状结构改变。

功能上,无菌小鼠已经表现出微生物群与脑信号在社交能力、内脏疼痛、免疫功能、应激敏感性和恐惧和焦虑反应中的参与

来自无菌小鼠的小胶质细胞是神经炎症的重要调节因子,表现出不成熟的表型,对细菌相关分子模式(如脂多糖)没有有效的反应。

无菌小鼠也显示血液-脑屏障的通透性增加。血脑屏障完整性的降低可能会使免疫细胞和细菌成分转移到大脑并影响神经炎症。

无菌小鼠对实验性自身免疫性脑脊髓炎、转基因介导的β-淀粉样斑块形成、α-突触核蛋白形成和生酮饮食诱导的癫痫保护作用也有抵抗力。

年轻大鼠(如产后4-13天)使用抗生素的研究也表明,微生物群在塑造与侵略性和内脏痛相关的神经发育轨迹方面也起着关键作用。。

微生物群和衰老

肠道微生物群与大脑老化之间的关系也备受关注,因为许多神经系统疾病都发生在老年人身上。

年龄在65岁以上的178名爱尔兰Eldermet研究表明,肠道菌群的组成与总体的健康、虚弱和免疫功能指数相关。这项研究表明,微生物的多样性越大,健康结果越好。

值得注意的是,饮食的多样性与肠道微生物的多样性相关,人们吃加工食品,平淡的食物(通常是在养老院)减少了微生物的多样性,而饮食中富含水果和蔬菜的人肠道微生物群的多样性更多。因此,肠道微生物群的多样性是健康老龄化的潜在标志

一项小型12周、双盲、随机化、安慰剂对照研究,没有随访,将36名健康的韩国人(20名男性和16名女性;60-75岁[SD4·14])分为益生菌饮食组(n=26)和安慰剂组(n=10)。这项小型研究表明,与服用安慰剂的个体相比,使用一种特定的细菌菌株(乳酸杆菌IDCC3801)使认知疲劳测试的每种形式都有所改善。

小鼠研究表明,与年龄相关的行为缺陷与微生物群的变化是同时发生的,并且可以通过针对微生物群的饮食干预(益生素菊粉)来改善与年龄相关的神经炎症

此外,微生物群还被证明调节微胶质细胞的活动,其具有在衰老和神经变性中的关键作用。

微生物群和神经疾病

看看微生物群在神经系统疾病中的作用的证据,其中在临床或动物研究中显示了肠道微生物群的作用是关键的。

下面的表格总结了人类对微生物群及其在神经系统疾病中的作用的研究,包括研究的固有局限性。根据微生物群如何影响参与健康神经发育和衰老的关键大脑过程,构建了微生物群与每种疾病之间的关系。从最有证据的疾病开始,以新生领域的描述结束

多发性硬化

鉴于肠道微生物对免疫系统的发育和成熟至关重要,那么要说这些微生物群与多发性硬化(一种免疫介导的神经系统疾病)的发病机制有关也并不奇怪。

横向研究主要显示,与无自身免疫疾病的健康儿童相比,在患有多发性硬化的儿童中,在2年内多发性硬化的儿童与年龄为18岁的健康儿童相比,在2年内多发性硬化的儿童中观察到细微的、离散的分类变化,而不是多尺度差异(描述不同样本之间的变异性的统计)。

两项研究将多发性硬化患者的微生物群移植到两种不同的实验性自体免疫性脑脊髓炎模型中,这是一种经过充分验证的多发性硬化症动物模型。这些研究强调了产生白细胞介素 IL10 的 CD4 T 细胞在肠道微生物群免疫调节作用中的重要性。

在无细菌的小鼠中的早期研究也表明,这些小鼠对发育实验性自身免疫性脑,特别是抵抗正常小鼠的粪便微生物群移植而逆转。此外,胃肠道中存在特异性的革兰氏阳性丝状菌,激活Th17细胞,显著影响实验性自身免疫性脑脊髓炎的严重程度。

多发性硬化症是一种脱髓鞘疾病,来自无菌小鼠和抗生素临床前研究的汇集数据表明,微生物群在调节小鼠前额叶皮质髓鞘生成中起作用。

血脑屏障完整性的丧失也是多发性硬化症的一个特征,而无菌小鼠的研究表明,微生物群在调节血脑屏障方面至关重要

此外,短链脂肪酸或产生短链脂肪酸的菌群的饮食管理可以逆转血-脑屏障完整性的损失。饮食引起的微生物群组成的变化也被认为是实验性自身免疫性脑脊髓炎的表现。

越来越多的证据支持微生物群是神经炎症的关键调控者,然而,需要进一步的研究来了解这种关系如何有助于多发性硬化的病理生理学。

自闭症谱系障碍

自闭症谱系障碍的一个重要且常被忽视的特征是与胃肠道症状有明显的共病性。

许多横向研究显示自闭症谱系障碍患者的微生物群组成发生了改变。然而,这些研究大多相对较小且不均匀,并不总是考虑饮食,也不能监测疾病进展的变化。动物研究有助于提供一个机械的理解微生物群如何可能在自闭症谱系障碍中发挥作用。

无菌小鼠在社会行为上有缺陷,重复行为增加表明,正常的社会发展需要适当的微生物组成。将来自自闭症谱系障碍捐赠者的肠道微生物群移植到无菌小鼠体内,发现患有自闭症谱系障碍患者的微生物群的定植足以诱导老鼠自闭症行为

经流行病学证实的自闭症谱系障碍环境危险因素动物模型(包括母亲暴露于抗惊厥剂丙戊酸盐、孕妇暴露于孕期炎症和孕妇肥胖)报告了微生物群组成的改变。使用单一的细菌菌株,无论是脆弱的细菌或乳酸菌,可以逆转许多行为和胃肠道变化报告在人类研究和动物模型的自闭症谱系障碍。

此外,一些肠道微生物群落易受万古霉素的影响,而万古霉素能促进炎症状态,这与自闭症谱系障碍有关。

一项小型生物群转移治疗定义的微生物群的小规模试验研究表明,自闭症谱系障碍患者的治疗效果良好。

与治疗前相比,接受微生物转移治疗的自闭症谱系障碍儿童的腹痛、消化不良、腹泻和便秘明显减轻与自闭症谱系障碍相关的行为显著改善,自微生物转移点起至少持续了两年。作者还指出,在治疗后,患者的细菌多样性显著降低,双歧杆菌、普雷沃氏菌和脱硫弧菌丰度显著增加。

帕金森病

α突触核蛋白,是大脑帕金森氏病病理学的标志性蛋白质聚集体,也已在帕金森综合症患者的粘膜和粘膜下神经纤维和神经节中被发现,一些临床前证据甚至表明α-突触核蛋白可以通过迷走神经将肠道中的蛋白转运到大脑。淀粉样蛋白可由菌群产生,并已被证明可增加老年大鼠的α-突触核蛋白病理学。

迷走神经特别适合作为从肠道到大脑的信号管道,可以通过小分子或大分子(如α-突触核蛋白的朊样移位)的运输,也可以通过电信号在神经元上传递

越来越多的研究显示帕金森病患者的微生物群组成发生了变化。然而还需谨慎,因为这些数据主要来自于小群体,不能提供纵向视角。

当小鼠通过粪便微生物群移植与帕金森氏病患者的微生物群进行殖民时,它们会出现运动障碍和神经炎症,这是帕金森氏病的两个标志性症状。此外,当小鼠接受抗生素治疗时,其行为学症状改善。本研究提示短链脂肪酸是帕金森病动物模型神经炎症过程的驱动因素。

阿尔茨海默病

一些研究表明阿尔茨海默病可能是由微生物引起的。淀粉样蛋白可能在大脑中起抗菌肽的作用得到了精辟实验证据的支持。

然而,要证明阿尔茨海默病患者的神经炎症和神经变性有感染的原因,这在逻辑上和道德上都是很有挑战性的。

与帕金森病一样,肠蛋白与认知健康之间的关系得到了越来越多的关注,表明淀粉样蛋白样蛋白可由菌群产生,并增加迷走神经切断的老年大鼠的α-突触核蛋白的病理学。然而,在帕金森病患者中的确认是突出的。

横向研究表明,阿尔茨海默病患者粪便样本中与炎症介导有关的大肠杆菌和志贺氏菌类群与健康人相比有所增加。此外,阿尔茨海默病患者的微生物群变化与未刺激和未离心血液中的促炎细胞因子浓度有关。

促炎性大肠杆菌和志贺氏菌数量增加,抗炎性大肠杆菌数量减少可能与认知障碍和脑淀粉样变性患者的外周炎症状态有关,提示微生物群失调与全身炎症之间存在联系,后者可能引发或加剧阿尔茨海默病患者大脑中的神经变性。

需要注意的是,这些结果来自于小规模的研究,需要在更大的队列中进行纵向研究,以评估微生物群参与阿尔茨海默病的进展及其因果关系。

对无菌小鼠的精液研究表明,当微生物不存在时,淀粉样斑块的形成和神经炎症明显消失。同样,用抗生素混合物对转基因小鼠进行长期治疗可减少海马区淀粉样斑块周围的小胶质细胞和星形胶质细胞积聚,并减少不溶性淀粉样蛋白β斑块。

这些研究共同强调了微生物群在调节阿尔茨海默病的关键分子成分中的作用

中风与脑损伤

横向研究报告了与健康、无症状对照个体相比,中风患者的微生物组成失调。肠道菌群代谢产物三甲胺N-氧化物与主要不良心血管事件、妊娠糖尿病、和阿尔茨海默病的风险增加相关,表明通过肠道微生物群的调节治疗疾病治疗的可能性。

在临床前模型中,脑缺血与改变的微生物群组成和胃肠动力和屏障通透性的功能性作用有关。

此外,将中风模型的粪便微生物菌群移植到无菌小鼠中,或将中风患者移植到经过抗生素处理的小鼠中,均加重了缺血性脑病引起的脑损伤体积和功能性缺损。

在缺血性损伤前使用广谱抗生素与小鼠预后明显恶化有关。抗生素诱导的微生物群失调还导致炎症性 IL-17 γδ T 细胞的转运减少和 IL-17 相关的趋化因子表达减少。因此,肠道微生物群似乎影响中风后神经炎症的程度,通过调节肠道T细胞向大脑的运输

在脑缺血再灌注损伤的动物模型中,给药一种特殊的细菌——丁酸梭菌,具有神经保护作用

外伤性脑损伤后微生物群组成发生了改变,丁酸梭状芽孢杆菌在这种损伤的小鼠模型中显示出神经保护作用。

已将重点放在开发富含益生元或益生菌的饮食中,以对抗与创伤性脑损伤相关的一些共病,但需要更多的临床试验来了解这种干预的治疗潜力。

癫痫、肌萎缩性侧索硬化和亨廷顿病

与其他疾病相比,与癫痫、肌萎缩性侧索硬化和亨廷顿病相关的微生物群证据要少得多。不过这些领域的研究人员和临床医生也开始关注微生物群在这些疾病中调节生理和行为的潜力

癫痫:

无菌小鼠的研究表明,微生物群参与了癫痫发生的关键脑区的突触变化,生酮饮食被证明改变了患有癫痫的婴儿(表)和动物的微生物群。

同时也表明生酮饮食的有益作用取决于微生物群。随后的研究可能会更加强调微生物群作为癫痫介质的潜在作用。

肌萎缩侧索硬化:

肌萎缩侧索硬化小鼠模型提示肠道微生物群的改变与该病的发病有关。

例如,与健康小鼠相比,这些模型中产生丁酸的细菌的相对丰度较低,这与肠道通透性的改变有关。然而,人类的横向研究尚未发现微生物群与肌萎缩性侧索硬化疾病进展之间的任何关系。

亨廷顿病:

亨廷顿病患者体内微生物群变化的数据很少,可能是因为这种疾病主要被视为一种遗传性疾病。然而,内在因素(例如,蛋白质同质化的变化、线粒体功能紊乱和不受控制的皮质激素输入)和外在环境因素(例如,种族、地理区域、喝茶和烟酒)可以缓和亨廷顿病的进展。

一项代谢组学研究表明,与对照组相比,在一组患有先天性和早期亨廷顿氏病的患者血清中发现来自肠道微生物群的代谢物改变。

然而,有必要进行更多的研究,以充分了解肠道微生物群及其代谢物在发病、发病过程中的影响。

结论和未来

大量的基础研究表明,微生物群对大脑功能的正常发育和维持具有重要意义。从临床和动物研究中也积累了证据,表明微生物群在神经疾病中起作用。

支持微型生物群作用的最强证据是帕金森病、多发性硬化、和孤独症谱系障碍,在阿尔茨海默病和中风中的作用越来越高。

然而,这仍然是很早的事情,需要谨慎,避免过度解读这些数据。需要更好的控制和精心设计的研究。

为了从纯粹的相关观察研究,转向因果和功能性结果,需要更多地强调使用益生菌菌株、益生元和可能的粪便微生物移植疗法的介入方法。这些研究在设计上应该是纵向的,而不仅仅是横向的,以提供一个时间因素来确定微生物群是一种潜在的疾病生物标志物。

人脑成像和脑电图研究已经检查了微生物菌群变化对健康志愿者大脑功能的影响。这些研究使用有针对性的微生物群干预来支持良好的认知健康,以改善微生物-肠-脑轴的靶向,并为新疗法的发展铺平道路。

当然也需要进一步的研究来了解这些研究在多大程度上可以转化为神经系统的研究。


附 录

APC相当关注饮食-菌群-宿主之间的相互作用

以下是APC发表的部分文章:

【益生菌】一种特定的短双岐杆菌益生菌株可用于减少阿司匹林引起的小肠损伤

Mortensen B, Murphy C, O’Grady J, et al. Bifidobacterium breve Bif195 Protects Against Small-intestinal Damage Caused by Acetylsalicylic Acid in Healthy Volunteers[J]. Gastroenterology, 2019.

【老年】饮食和健康状况,影响老年人的肠道菌群

Claesson M J, Jeffery I B, Conde S, et al. Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly[J]. Nature, 2012, 488(7410): 178.

【生物精神病学】FOS+GOS帮小鼠抗抑郁和焦虑

Burokas A, Arboleya S, Moloney R D, et al. Targeting the microbiota-gut-brain axis: prebiotics have anxiolytic and antidepressant-like effects and reverse the impact of chronic stress in mice[J]. Biological psychiatry, 2017, 82(7): 472-487.

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研究速递|微生物群衍生的肽模拟物可导致致命的炎性心肌病

近日, 国际顶级方法学期刊《Science》发表了一篇由瑞士免疫生物研究所的研究成成果:Microbiota-derived peptide mimics drive lethal inflammatory cardiomyopathy(微生物群衍生的肽模拟物可导致致命的炎性心肌病),此项研究表明针对遗传易感性心肌炎患者或通过抗生素进行检查点抑制剂治疗的易感患者的微生物群可能会减轻疾病的严重程度,这可能有助于预防可能致命的炎症性心肌病后遗症。

摘要

心肌炎可通过肌球蛋白重链6特异性 T 辅助细胞 (TH)1 和 TH17 细胞的慢性刺激发展为炎症性心肌病。然而,控制心脏特异性 T 细胞心脏毒性编程的机制仍然难以捉摸。

研究人员使用自发性自身免疫性心肌炎的小鼠模型,表明心肌炎向致死性心脏病的进展依赖于由共生拟杆菌肽模拟物在肠道中留下印记的心肌肌球蛋白特异性 TH17 细胞。通过抗生素治疗成功地预防了小鼠的致死性疾病,以及在人心肌炎患者中观察到的拟杆菌特异性 CD4+T 细胞和B细胞反应显著升高,都表明来自共生细菌的模拟肽可以促进遗传易感性个体的炎症性心肌病。通过操纵微生物群抑制心脏毒性 T 细胞的能力,从而将炎症性心肌病转变为可靶向的疾病。

背景

心肌炎期间的急性免疫激活与针对肌球蛋白重链 6 (MYH6) 的自身免疫反应的产生有关。随后的MYH6 特异性辅助性 T 细胞 (TH)1 和 TH17 细胞的慢性刺激诱发炎症性心肌病。

自身免疫性和慢性炎症性疾病的进行性是由遗传易感性和独特的环境条件决定的。炎症性心肌病的易感性可与 HLA-DQB1* 多态性有关,而病原体感染使患者易患主要组织相容性复合体(MHC)II类限制性T细胞,这是由于心肌细胞的死亡和自身抗原的过度呈递导致的。

另外,微生物成分的抗原模拟也可能导致这些疾病。为了评估心脏特异性T细胞是否与微生物组成发生交叉反应,研究人员使用了在其 CD4+T 细胞(TCRM)的 95% 以上的表达 MYH6-特异性T细胞受体的转基因小鼠。

主要结果

1、自身免疫性心肌炎向扩张型心肌病的微生物依赖性转变。微生物群的存在促进了心脏特异性CD4+T 细胞中 TH17 表型的印记,并有利于髓样细胞在 TCRM 小鼠心肌中的积累。

图A. TCRM 小鼠在 SPF(无特定病原体动物)或 GF 条件下的存活率。所有 TCRM 小鼠都发生了自发性自身免疫性心肌炎,约 50% 的小鼠在 SPF 条件下发展为致命性心肌病,但是缺少共生菌群的 GF 条件下小鼠则会发展为致命性心肌病的结果。

图B. 12 周龄的 SPF 条件和 GF 条件下的 TCRM 小鼠的心脏大体病理。标尺(4mm)

图C. 12 周龄 TCRM 小鼠在 SPF 条件和 GF 条件下的心脏组织学分析。使用 HE 和 EVG 染色。标尺(100mm)

图D. SPF 和 GF 条件下 4 周龄和 12 周龄 TCRM 小鼠的组织病理学疾病严重程度。圆点表示单个小鼠的值,线条表示中间值。ns 表示无显著统计学意义。

图E-G. 在单个小鼠中测定的 SPF 和 GF 条件下 TCRM 小鼠和转基因阴性对照组 (Tg-) 的超声心动图参数,射血分数 (图E),缩短分数 (图F) 和收缩左心室内径 (图G ,LVID sys)。尽管有低水平的心脏炎症,但 GF TCRM 小鼠的心脏功能正常。

图H-Q. 从 4 周 (CoH 4 wk) 或 8 周 (CoH 8 wk) 开始, GF 条件下 TCRM 小鼠被转移到 SPF条件下,并与 SPF 条件下 TCRM 小鼠同住,直到分析。作为比较,使用 GF 或 SPF 条件下的TCRM小鼠。(图H)前瞻性生存分析,箭头指示转移到SPF条件的年龄。(图I)组织病理学疾病进展。心脏浸润细胞计数:CD45+ 细胞(图J),肌球蛋白特异性 CD4+T 细胞 (图K),白细胞介素-17-(图L),IFN-g- 产生心脏浸润 MYH6 特异性 CD4+T 细胞 (图M)。转移后 GF TCRM 小鼠显著加剧心脏炎症。

图N-Q. 用流式细胞术分析心脏浸润髓细胞亚群。(图N)SPF 条件下 TCRM 小鼠心脏中CD11b+ ly6g 细胞的典型t-分布随机相邻嵌入 (t-SNE) 图;(图O)炎症性单核细胞;(图P)MHCII 巨噬细胞;(图Q)CD11b-CCR2- 驻留在心脏的巨噬细胞。共生菌群的存在增加了TH1和TH17 心脏特异性 CD4+ T 细胞的比例,并促进了炎症性骨髓细胞在心脏组织中的积累。

2、MYH6特异性CD4+T细胞与肠道微生物群的相互作用。心脏特异性的CD4+T细胞可以塑造结肠微生物群落,并且不同的细菌群落(在本例中为拟杆菌)提供了可以激活MYH6特异性CD4+T细胞的模拟肽。

图A. 流式细胞术分析来自 SPF 或 GF 条件下 TCRM 小鼠的心蛋白过滤 MYH6 特异性细胞中的整合素 α4β7 和 CCR6。心脏浸润的 CD4+TCRM 细胞在 SPF 条件下的肠归巢受体表达明显高于GF条件。

图B,C. 荧光染料 CFSE 标记的 TCRM 细胞过继转移到 Rag1–/–小鼠后的定位和增殖。(图B)在过继移植后第 3 天对结肠补片进行共聚焦显微镜分析,比例尺(100mm),DAPI(4′,6-diamidino-2-phenylindole)。(图C)MYH6 特异性细胞的增殖。用流式细胞术对指定的器官和指定时间点的荧光染料 CFSE 稀释进行定量。条形表示平均值。nd(不可检测);LN(淋巴结);LP(固有层);MedLN(纵隔淋巴结)

图D,E. 通过 16SrRNA 测序,转基因阴性对照组 (Tg-)、SPF TCRM 和 GF TCRM 小鼠在 SPF条件下 4 周龄时的粪便细菌组成。(图D)主成分分析。(图E)指示的细菌纲和科的相对丰度下的热图。提示 GF TCRM 小鼠获得了 SPF TCRM 小鼠的微生物群落。

图F-H. MYH6 特异性 CD4+T 细胞交叉反应性。(图F)用 MYH6、拟杆菌的 b-gal 肽或阴沟肠杆菌的半胱氨酸水解酶衍生肽进行再刺激后,通过 CFSE- 稀释法测定 TCRM 小鼠的 CD4+ T细胞体外增殖。

图G,H. SPF TCRM 小鼠经 MYH6 或拟杆菌的 b-gal 肽体外再刺激后,心脏和结肠浸润,表达 Vb8 的 CD4+T 细胞产生细胞因子。

图I-L. GF TCRM 小鼠被 B.theta 野生型 (B.theta WT) 或缺失 β-半乳糖苷酶 BT1626 基因(B.theta DB-gal) 的 B.theta 所克隆。对心脏浸润细胞(图I)和对心脏和结肠中 MYH6 特异性细胞因子产生细胞(图J)的流式细胞术分析。带有 B.theta β-gal 的 TCRM 小鼠的重新定殖减少了心肌中免疫细胞的积累,并显著降低了心脏和结肠中肌球蛋白特异性 TH17 细胞的活性。

图K,L. 通过细菌流式细胞术 (K) 和来自单个小鼠的汇集数据来确定 IgA 结合的粪便细菌。SSC,侧边散射;PE,藻红蛋白。在 B.theta β-gal 中缺乏交叉反应表位导致单克隆 TCRM 小鼠的 IgA 反应显著降低。

3、TCRM模型中抗生素治疗对致死性心脏病和免疫反应性的影响。心脏特异性CD4+T细胞与肠道中的微生物成分特异性地相互作用,从而影响系统的免疫反应性。

图A,B. 断奶后小鼠用广谱抗生素组合[磺胺多辛,甲氧苄啶和甲硝唑 (S+T+M) ] 治疗后,TCRM 小鼠的存活率 (A) 和疾病严重性 (B)。在 20 周龄的小鼠中测定疾病的严重程度。圆点表示单个小鼠的值,对应纵轴刻度表示平均疾病严重程度。

图C. 通过定量聚合酶链反应定量粪便中的 B.theta,广谱抗生素不仅降低了粪便样本中的B.theta 水平,而且在过继转移后第 28 天显着改善了心脏病(图D)

图E,F. 接受各种抗生素治疗的 RAG1- /-受体心脏中 CD45+ 免疫细胞 (图E) 和表达 Vb8 的CD4+T 细胞 (图F) 的积累显着减少。

图G. 心脏浸润性MYH6特异性 Vb8+CD4+T 细胞的细胞因子产生。

图H. 用酶联免疫吸附试验 (ELISA) 测定抗 B.theta,B.distasonis,B.vulgatus 和 E.cloacae 的特异性 IgG 反应的热图。抗生素治疗降低了 B.theta 特异性 IgG 抗体水平,但该治疗对针对B.distasonis,B.vulgatus 或 E.cloacae 的 IgG 抗体反应有不同的影响。

4、人类心肌炎患者对拟杆菌和心肌肌球蛋白抗原的免疫反应性。人类的炎症性心肌病至少部分是通过源自肠道微生物群的细菌肽模拟物激活心脏特异性 Th 细胞来驱动的。

图A. AMITIS 队列患者入院时及诊断后不同时间点血清中 B.theta 特异性 IgG 抗体与健康人血清的比较分析。红框和黑框分别表示抗 B.theta 抗体水平高或低的患者。圆点代表个体抗体水平,线条代表平均值, A=吸光度。与健康对照组相比,这些患者显示出明显升高的 B.theta 特异性 IgG 反应。

图B. AMITIS 队列患者在指定时间点的射血分数 (EF%) 和 C-反应蛋白(CRP) 值 (图C)。心肌炎患者的临床改善伴随着抗 B.theta 血清反应性的降低。

图D. 来自 AMITIS 队列的心肌炎患者在初次就诊时具有针对 B. theta 的或低或高 IgG 抗体的综合临床评分,如图A 所示。圆点表示抗-β1-AR 抗体阳性总和的个体临床评分,CRP值≥16和EF≤40,而线条代表中位数临床评分。

图E. AMITIS 队列和健康对照中针对 B.theta,B.distasonis,B.vulgatus 和 E.cloacae 的特异性 IgG 反应的热图。在心肌炎患者和健康对照组之间,IgG 抗体对其他拟杆菌种类的反应性没有差异。

图F. 入院时来自 Micro-DCM 队列患者的血清 B.theta 特异性 IgG 水平。

图G. 抗菌 IgG 反应性的热图。与健康对照组相比,抗 B.theta IgG 抗体明显升高。

图H. 热图代表了计算机预测的 MYH6614-629 肽或 B. theta b-gal11-25 肽与流行的 HLA-DQ 等位基因的结合。

图I. 用人 MYH6614-629 肽或 B. theta b-gal11-25 肽刺激 HLA-DQB1 * 03 健康志愿者(n = 10)或 Micro-DCM 队列患者(HLA-DQB1 * 03,n = 9;其他 HLA,n = 8)后,对外周血单核细胞的 IFN-γ 酶联免疫斑点分析(ELISPOT)与健康对照相比,患者外周血 T 细胞对MYH6和 β-gal 肽的干扰素-g(IFN-g) 反应性显着提高(图4I)。

图J. 具有指示的 HLA-DQB1 等位基因的心肌炎患者和健康人中 MYH6- 或 β-gal IFN-g 产生细胞之间的相关性。圆点代表个体主体。r,Pearson相关系数;r2,决定系数。与健康对照相比,MYH6 和 β-gal 肽反应性之间存在高度显著的相关性,表明心脏特异性 CD4+T 细胞与人心肌炎患者的细菌肽发生交叉反应。

图K,L. 粪便微生物群移植(FMT)后4周,对前 GF 受体小鼠的心脏浸润 CD45+ 免疫细胞(K)和CD4+T细胞(L)进行计数。免疫细胞的积累仅在接受来自 B.theta 阳性患者移植的TCRM小鼠受体的心脏中显著增加。

结论

总体而言,在肠道中引发的交叉反应性 CD4 + T 细胞可进入心肌并加剧由嗜心病毒或亚临床性心肌梗死感染引起的损害。同样,在免疫检查点抑制剂治疗期间对自身和交叉反应性 T 细胞失去控制可能是共享特定 HLADQA1* / B1* 等位基因的患者潜在致死性心脏炎症的原因。因此,针对遗传易感性心肌炎患者或通过抗生素进行检查点抑制剂治疗的易感患者的微生物群可能会减轻疾病的严重程度,这可能有助于预防可能致命的炎症性心肌病后遗症。

视频 | 肠道菌群科普小课堂

全新打造科普小课堂之

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生动直观为您呈上

健康科学相关知识

肠道菌群

首先,肠道菌群是什么?

究竟扮演什么样的角色?

人类肠道菌群是如何形成?

与疾病之间又有什么联系?

No. 1

https://v.qq.com/x/page/z0324rg0854.html

来自:腾讯视频, 2016.08.27

肠道菌群建立

人的菌群是如何建立并发展的?

为什么说怀孕母亲

和新生宝宝的微生物组非常重要?

它是如何对母亲和宝宝产生影响?

宝宝又是如何建立自己的肠道菌群?

No. 2

https://v.qq.com/x/page/u3006r5vo0h.html

来自:腾讯视频, 2019.10.10

母体子宫内菌群存在与否?

关于微生物群是何时以及如何建立的,

研究人员提出了两种相反的假设?

详见视频。

No. 3

https://v.qq.com/x/page/f3018t8bxmb.html

来自:腾讯视频, 2019.11.08

肠道菌群的影响

肠道菌群如何影响大脑

改变一个人的精神状态,改善焦虑?

和抑郁症,自闭症有什么样的联系?

关于抗生素的使用是否会影响到

儿童的肠道菌群以及大脑发育呢?

No. 4

https://v.qq.com/x/page/k0893wse9ft.html

来自:腾讯视频, 2019.07.02

肠-脑轴

肠道菌群和你的大脑之间有着密切的关系

它们是如何影响的你的健康?

No. 5

https://v.qq.com/x/page/c0889zmh5um.html

来自:腾讯视频, 2019.06.25

肠道菌群对免疫系统有什么影响?

肠道菌群和癌症之间的关系

肠道菌群受什么影响?饮食?

改变的肠道菌群会引起什么反应?

No. 6

https://v.youku.com/v_show/id_XMTY2MDI3NDY5Ng==.html?spm=a2h3j.8428770.3416059.1

来自:优酷视频, 2016.07.27

食物消化——粪便形成

食物消化过程

  前方高能预警  

本视频第一视角带你观看

食物进入体内后的运动轨迹

No. 7

https://v.qq.com/x/page/n05309up1jb.html

来自:腾讯视频, 2017.07.27

  前方高能预警  

粪便形成过程

食物经过消化获取营养后,

剩余的废料和水,

从小肠进入直肠。

怎么形成粑粑排出?

什么情况引起便秘?

。。。

No. 8

https://v.qq.com/x/page/o05305zh7pp.html

来自:腾讯视频, 2017.07.27

肠镜相关知识

肠镜是什么?

仪器是怎么样的?

如何进行肠镜检查?

检查过程需要多长时间?

肠镜有哪些不适?是否会痛?

哪些症状表明需要进行肠镜检查?

来看看你需要了解的所有肠镜知识。

No. 9

https://v.qq.com/x/page/r05303w8449.html

来自:腾讯视频, 2017.07.26

肠道菌群检测

肠道菌群健康检测是怎么做的?

这背后有什么样的技术支撑?

No. 10

https://v.qq.com/x/page/q0870ckhmi3.html

来自:腾讯视频, 2019.05.15

以上几个科普小视频,

看完之后是不是有了更多的认识? 

你还想了解什么知识?

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可用于分析微生物与代谢产物之间相互作用的人工神经网络

谷禾健康 原创

最近, 国际顶级方法学期刊《Nature Methods》发表了由加利福尼亚大学圣地亚哥分校儿科、加州大学计算机科学与工程系 、加州大学合作质谱创新中心以及加利福尼亚大学圣地亚哥分校微生物群创新中心 多学科合作研究的最新成果:“Learning representations of microbe–metabolite

Interactions(可用于分析微生物与代谢产物之间相互作用的人工神经网络)”,此项研究恢复微生物与代谢物之间关系的能力,并证明了该方法如何发现微生物产生的代谢产物与炎症性肠病之间的关系。

摘要

研究人员表示,整合多组学数据集对于微生物组研究至关重要。但是,推断整个组学数据集之间的交互具有多种统计学上的挑战。文章中通过使用神经网络(https://github.com/biocore/mmvec)来解决了此问题,其能够在存在特定微生物的情况下估算每个分子存在的条件概率。研究人员以已知的环境(沙漠土壤湿润生物结壳)和临床(囊性纤维化肺)实例为例,展示了这一方法恢复微生物与代谢物之间关系的能力,并证明了该方法如何发现微生物产生的代谢产物与炎症性肠病之间的关系。

背景

虽然已经有广泛的努力来开发整合多组学数据的方法,但一些概念上的挑战限制了整合不同组学数据的技术,例如,将微生物测序和非靶向质谱联系起来。因此,需要新的方法来处理不同的数据类型。为此,研究人员提出了“mmvec”(微生物-代谢物载体),一种神经网络,可以从单个微生物序列预测整个代谢物丰度曲线。通过迭代训练,mmvec可以学习微生物和代谢物之间的共现概率。微生物-代谢物相互作用可以通过标准的降维界面进行排序和可视化,从而产生可解释的结果。

主要结果

1.使用模拟囊性纤维化生物膜的数据集,将mmvec与Pearson’s、Spearman’s、SPIEC-EASI、SparCC和proportionality方法进行基准比较。证明了mmvec优于所有旨在推断成对微生物-代谢物丰度数据集之间相互作用的现有工具。

图a.两个微生物和多个分子之间的相互作用被模拟成单分子动力学和扩散过程,(发酵剂由θf表示,铜绿假单胞菌由θp表示)从推导的微分方程模拟的微生物和代谢物的绝对丰度,图b. 为图a.中绝对丰度的比例。这里模拟了五种代谢物,即糖(SG)、抑制剂(I)、酸(F)、铵(P)和氨基酸(SA)

图c. 在每种微生物的前100个代谢产物中,使用 F1 score、precision(精确率)和recall curves(召回率)比较了mmvec与Pearson’s、Spearman’s、SparCC、SPIEC-EASI(生态关联的稀疏逆协方差估计与统计推断)、比例度量(φ和ρ)。图中表示mmvec和SPIEC-EASI的随机表现(Random)优于其它所有工具,其中mmvec表现最好。

图d.从绝对丰度和从所有基准测试方法获得的相对丰度的系数比较。图中显示mmvec是唯一对比例偏差具有鲁棒性的方法。这对于保持绝对丰度和相对丰度之间的一致性至关重要,否则可能导致虚报假阳性和假阴性。

2.沙漠土壤生物润湿事件,测试mmvec是否可以解决微生物-代谢物相互作用中无法解释的差异。结果是mmvec解决了阴道分枝杆菌释放的体外验证代谢物与环境样品的测序和质谱分析之间的冲突发现。

图a. 阴道分枝杆菌-代谢物相互作用的比较,根据Spearman‘s和mmvec估计(n = 19个样品)。由阴道分枝杆菌释放的所有经实验验证的代谢物都被标记。所有与生物润湿实验结果和体外实验结果相矛盾的代谢物都用红色突出显示。Spearman‘s标记的13个标签中有7个具有负相关性,表明这些分子被阴道分枝杆菌消耗而不是释放。

图b.经实验验证的分子在不同统计方法中的检测率的基准比较。mmvec具有相当高的真阳性率。

图cd. 阴道分枝杆菌(c)和4-胍丁酸(d)在生物润湿事件后的比例

MMVEC和Spearman‘s之间的冲突结果可以用生物润湿后微生物生物量的增长(c)和可用资源(d)的转移来解释。

3. 囊性纤维化患者的肺粘液微生物组研究,进一步验证mmvec是否可以检测已知的微生物-代谢物相互作用。结果表明mmvec可以可靠地识别由铜绿假单胞菌产生的所有经实验验证的感兴趣的分子

图a.依据mmvec在囊性纤维化数据集中估计的条件概率做的双标图。箭头代表微生物,圆点代表代谢物。x轴和y轴表示由mmvec (n = 138个样本)估计的微生物代谢产物的条件概率的奇异值分解(SVD)的主成分(PCs)。点之间的距离量化了代谢物之间的共现强度,较小的距离表明代谢物有很高的共现概率。箭头尖端之间的距离可以量化微生物之间的共现强度。箭头的方向性可以用来确定哪些微生物可以解释代谢产物的共现模式。绿色箭头表示推测的囊性纤维化病原体,黄色箭头表示已知的厌氧菌。只有铜绿假单胞菌产生的已知分子被标记。mmvec清楚地分离了厌氧菌和病原体,左侧是已知的厌氧微生物,右侧是显著的病原体。

图b.从mmvec学习到的第一主成分与代谢物在氧梯度上的对数倍数变化之间存在负相关 ( Pearson‘s r=−0.59,P=1.8×10−44,n=442个分子)。Pearson‘s法未发现氧梯度与第一微生物主成分之间的这种相关性(r=0.11,P=0.16,n=138个分子)。

图c. 第一主成分与样本数量的关系,其中分类群是该样本中最丰富的分类群。

图d. 铜绿假单胞菌和链球菌最丰富的样品的热图(log ratio t test = 6.51, P = 4.4 × 10−8, n = 49 个样本)。这提供了证据表明,在本研究的背景下,代谢组学特征在很大程度上受到最丰富的微生物的影响。

图e. 与铜绿假单胞菌和链球菌共生的前100个代谢物分子的热图。图中表示仅是预测铜绿假单胞菌代谢物谱就可以解释这些样品中10%的代谢物变异(r = 0.319, P = 1.18×10−11,n = 442个分子)。

4. 胆汁酸研究。证明mmvec能够在复杂的生物系统中进行探索性分析,并简化特定代谢物的微生物来源的发现

图a. 微生物共生模式的可视化,其中点之间的距离近似于微生物之间的Aitchison距离,它量化了微生物发生的情况。较小的距离表明微生物具有很高的共生概率。微生物根据它们与HFD(高脂肪饮食)的关联被着色,这是通过多项式回归用差异丰度分析估计的。mmvec的使用显示了与HFD相关的不同微生物群

图b. 微生物-代谢物相互作用的双图,代谢物根据它们与HFD的关联而着色。HFD关联性通过多项式回归的差异丰度分析进行估计。点之间的距离近似代谢物之间的Aitchison距离,箭头间距近似微生物之间的Aitchison距离。表明mmvec根据饮食对质谱数据进行了清晰的分层。

5.炎症性肠病中微生物-代谢产物的相互作用。结果表示mmvec能够确定IBD研究中对代谢物丰度最强的微生物贡献,并发现了在最初的研究中被遗漏的一种微生物(Propionibacterium)

图a.和图b.分别为在三种菌属Klebsiella,Roseburia和Clostridium bolteae存在的情况下,推断各种胆汁酸(a)和肉碱(b)的条件概率的热图

图c.从宏基因组的概要文件和C18负离子模式LC-MS中学习到的微生物-代谢物相互作用的多组学双图。微生物(箭头)和代谢物(球体)根据多项式回归估计的差异着色。Klebsiella似乎与IBD密切相关,而Propionibacterium有强烈的负相关。

图d. 前300条边缘的网络,只有包含Klebsiella和Propionibacterium的边缘可见。

结论

作者表示,鉴于这些发现,目前的方法仍有局限性。目前还不清楚如何使用共现概率来获得相互作用的统计意义。同样,还不能计算每个微生物-代谢物相互作用强度的置信区间,还需要理论工作来处理连续值的输入。

Tips:文章末尾有关于mmvec算法的推导公式。

根除幽门螺杆菌后肠道菌群、抗生素耐药性及代谢参数的长期变化

原创:谷禾健康

这是一项在台湾九个医疗中心进行的多中心、开放标签、随机试验。

单位:台北大学医学院

期刊: LANCET INFECTIOUS DISEASES 《柳叶刀·传染病》(IF: 27.516)

摘要

在 2013 年 7 月 17 日至 2016 年 4 月 20 日之间筛查了 5454 名患者,其中 1620 名被随机分配到治疗组(每组 540 人)。显示三联疗法、联合疗法和铋四联疗法对肠道微生物群、抗生素耐药性和代谢参数的明显短期和长期影响。研究发现,在根除H pylori(幽门螺杆菌)后1年,肠道微生物群的短期扰动和大肠杆菌抗生素耐药性的短期增加得以恢复。

然而,肠道微生物群的恢复速度和程度因治疗方案的不同而不同。三联疗法对肠道微生物群的干扰较小,而铋四联疗法导致大肠杆菌的抗生素耐药性轻微增加。虽然体重指数和体重有微小的增加,但胰岛素抵抗和甘油三酯浓度降低,表明根除 H pylori 后潜在的有益代谢效应。

背景

根除幽门螺杆菌感染可减少消化性溃疡的复发和胃癌的发生。三联疗法(质子泵抑制剂( PPI )、阿莫西林和克拉霉素),联合疗法( PPI 、阿莫西林、克拉霉素和甲硝唑)和铋四联疗法( PPI 、铋、四环素和甲硝唑)是根除幽门螺杆菌最常用的方案。然而,在广泛使用抗生素作为预防胃癌的措施方面存在一些问题和障碍,包括抗生素耐药性的出现、肠道菌群的扰动以及根除幽门螺杆菌后代谢综合征的发展。

一些小规模的研究表明,短疗程的三联疗法可能导致肠道微生物群的长期失调,然而,不同的根除方案对肠道微生物群、抗生素耐药性和代谢参数的短期和长期影响未见报道。

研究设计

对受试人群的筛选

符合条件者: 组织学、培养、快速尿素酶试验和血清学中至少有两项阳性检测结果的成年患者(>20岁)或只有一次尿素呼气试验阳性的无症状患者。

不符合条件者(满足其中一个即为不符合):胃切除病史,曾做过 H pylori 根除治疗,具有研究药物的禁忌症或过敏性反应,严重的并发性疾病或恶性肿瘤,孕妇或哺乳期妇女,以及不能给予知情同意的患者。

方案设计

符合条件的患者被随机分配接受三种方案中的一种

三联疗法 14 天(T14,阿莫西林 1 g,克拉霉素 500 mg,兰索拉唑 30 mg, [每日两次])

联合治疗 10 天 (C10,阿莫西林 1 g,克拉霉素 500 mg,甲硝唑 500 mg,兰索拉唑 30 mg, [每日两次])

铋四联疗法 10 天(BQ10,三重柠檬酸 30 mg,四环素 500 mg[每日四次],甲硝唑 50 mg [每日三次],兰索拉唑 30 mg[每日两次])

药敏试验和生理指标试验

所有患者至少在治疗结束后至少 6 周和 1 年后使用 C-UBT 确定 H pylori 状态,并在 C-UBT 前至少停用 PPI 和组胺-2 阻滞剂 2 周。

在基线(治疗前)、第 2 周、第 8 周和根除治疗后 1 年收集粪便样本进行粪便微生物菌群分析和培养及药敏试验。粪便样本在 35℃下用血琼脂-伊红-亚甲基蓝混合平板进行培养。通过基质辅助激光解吸电离 Biotyper 系统鉴定的大肠杆菌和K肺炎菌落被提交进行传代培养和药敏试验。在根除治疗后的基线、第 8 周和 1 年分别测量体重、身高、腰围和臀围以及血压。空腹血糖、总胆固醇、高密度脂蛋白、低密度脂蛋白、甘油三酯、胰岛素和糖化血红蛋白 (HbA1c),分别在根除治疗后的基线、第 8 周和 1 年后测定。

分析方法

使用 χ² 检验或 Fisher’s 检验对分类数据进行分析, Student’s t 检验或方差分析检验对连续数据进行分析。采用 McNemar 试验,通过配对样本,分析根除治疗前后抗生素耐药性的变化。SPSS 用于统计分析。16s rRNA(V3-V4)高通量测序。α 多样性代表微生物生态系统中物种的丰富度(即有多少不同的物种)和均匀性(即相似的丰度或某些物种占主导地位)。PCA分析用于基于其相似性矩阵来可视化样品的聚类。加权UniFrac 距离矩阵上的 PEARANOVA (一种用于比较生物群落,占观察到的生物体丰度的距离度量)是通过原始数据的不受限制排列与 9999 随机排列来计算的,并用于分析两组之间微生物区系的不同。Kruskal­Wallis 和 Wilcoxon 检验用于分析群体之间和群体内的生态相似性。

主要结果展示

根除治疗前后三种方案的差异性比较

1. 基线(治疗前)时,三个治疗组之间的 α 多样性( p= 0.50,图 A ) 和 β 多样性( 图 E )没有显着差异。

2. 在接受三联疗法、联合疗法和铋四联疗法的患者中,在第 2 周(图B,F)、第8周( 图C,G )和 1 年( 图D,H )的 α 多样性和β多样性有显著差异。

3. 随着时间的推移,α 多样性表示微生物群有恢复的趋势,但与第 8 周时(图C)接受三联疗法的患者相比,同时接受联合治疗( p=0·0081 )和铋四联治疗法( p=0·0004 )的患者的α多样性仍然显著降低。与 1 年时(图D)接受三联疗法治疗的患者相比,接受联合治疗( p=0.013 )和铋四联疗法( p=0.014 )的患者 α 多样性仍然显著降低。

治疗前、治疗 2 周、8 周和 1 年每个方案内 α 多样性(A,C,E)和 β 多样性(B,D,F)变化

1. 图 A-B,与基线相比,三联疗法后的第 2 周物种丰富度(α 多样性)显著降低(p=0·0002),粪便微生物群结构(β 多样性)有显著差异(p=0.0010)。但在第 8 周和 1 年后 α 多样性(p=0·14,p=0·81)和 β 多样性(p=0·92,p=0·44)均恢复到基线水平。

2. 图 C-D,与基线相比,联合疗法后的 α 多样性在第 2 周(p=5·1×10−¹⁵),第 8 周(p=0.0001)和 1 年时(p=0.019)显著降低,β 多样性也有显著差异(p=0·0001,p=0·013)。然而,β 多样性似乎在 1 年后恢复(p=0.064)

3.图E-F,与基线相比,铋四联疗法后的 α 多样性在第 2 周(p=7·6×10−³),第 8 周(p=2·1×10−⁸)和 1 年时(p=0·0010)显著降低,β 多样性也有显著差异(p=0·0001,p=0·0002,p=0·029) 

三联疗法、联合疗法和铋四联疗法对肠道微生物群、抗生素耐药性和代谢健康参数的明显短期和长期影响

与基线相比,三联疗法 14 天(T14)、联合治疗 10 天(C10 )和铋四联疗法 10 天(BQ10)组在第2周、第8周和1年在属水平上的丰度发生了显著变化。大肠埃希菌对青霉素衍生物、头孢唑林、头孢美唑、氟喹诺酮类、庆大霉素和甲氧苄啶-磺胺甲恶唑的耐药率在第 2 周的 T14 和C10 组瞬时增加,在第 8 周和 1 年恢复到基础状态。虽然体重和体重指数略有增加,但在 T14、C10 和 BQ10 后 1 年,代谢参数有明显改善,胰岛素抵抗、甘油三酯和低密度脂蛋白降低,高密度脂蛋白增加。总体而言,在 T14、C10 和 BQ10 之后的第 8 周和第 1 年,代谢综合征的患病率没有明显变化。

Fuso = 梭杆菌  Pro = 蛋白杆菌  FIR = 厚壁菌 BAC = 拟杆菌

AMP = 氨苄青霉素SAM = 氨苄西林 – 舒巴坦TZP = 哌拉西林 – 他唑巴坦

cfz = 头孢唑啉CMZ = 头孢美唑CIP = 环丙沙星LVX = 左氧氟沙星GEN = 庆大霉素TMP/SMX = 甲氧苄啶 – 磺胺甲恶唑

BMI = 体重指数bw = 体重 HOMA – IR = 胰岛素抵抗的稳态模型评估HDL = 高密度脂蛋白TG = 甘油三酯MS = 代谢综合征,代谢综合征是根据修订后的国家胆固醇教育计划成人治疗小组III分类定义的

Reinfection/recrudescence = 再感染 / 复发

结论

Hpylori根除治疗在短期和长期不会增加代谢综合征的患病率。

根除幽门螺杆菌治疗的长期安全性与肠道微生物群、抗生素耐药性和代谢健康参数有关。虽然在H pylori根除治疗后立即出现短暂的肠道微生物区系变化,但这些变化大部分在8周后消失并恢复到治疗前水平,当然是在1年前。然而,恢复的速度和程度因方案而异。同样,虽然大肠埃希菌和肺炎克雷伯菌对某些抗生素的耐药性患病率在三次和联合治疗后立即瞬时增加,但在第8周和1年时耐药性患病率恢复到治疗前的水平。

值得注意的是,经过铋四联疗法后,大肠杆菌的抗生素耐药率没有显着增加。根除治疗后8周和1年代谢综合征的患病率没有显着变化。虽然体重指数和体重略有增加,但胰岛素抵抗和甘油三酯浓度降低,表明根除H pylori后存在潜在的有益代谢效应。这些结果共同支持H pylori根除疗法的长期安全性。

微生物群和社会行为

原创:谷禾健康

你可能听说过

肠道微生物群会影响大脑的生理和行为

但你是否清楚

肠道微生物群究竟是如何调节社会行为?

研究微生物群和社会行为之间的关系可以为我们带来什么?

近日发表在Science期刊上的一篇最新综述或许可以帮助你进一步了解微生物群和社会行为之间的关系。

肠道微生物群与中枢神经系统之间的双向通路,即微生物-肠-脑轴,影响动物王国中各种复杂的社会行为。一些动物已经进化出了它们自己与肠道微生物群的独特关系,这可能有助于它们与同种动物间的互动。肠道微生物群与社会行为之间的关系可能有助于解释在自闭症谱系障碍(ASDS)等情况下观察到的社会缺陷,并可能引领开发新的治疗方法。

微生物-肠-脑轴与社会行为的关系

背景

微生物群-肠-脑轴

研究表明,胃肠道微生物可以通过多种途径向大脑发出信号,包括免疫激活微生物代谢产物肽的产生迷走神经的激活以及肠道内各种神经递质和神经调节剂的产生。这种双向途径被称为微生物群-肠-脑轴。

虽然对肠道微生物在自然种群中的功能和生态影响的研究正在增加,但从进化的角度来看,目前尚不清楚微生物与社会大脑之间的关系是为什么和何时出现的。跨物种分析可以帮助我们理解人类的社交能力。

进展

社会行为

社会行为可以定义为只有当动物出现在一个群体中时才能观察到的行为。

社交性包括一系列复杂的互动行为,这些行为可以是合作的、中立的,也可以是敌对的。

社交能力可以促进互利的结果,如分工、合作照顾和增强免疫力,但社交能力也能促进消极结果,包括冲突、侵略和胁迫。

了解调节社会行为的内在和外在因素,对于揭示个体和种群如何繁衍生息,对于确定某些动物物种为什么进化成比其他物种更善于交际,对于阐明社会行为障碍的潜在病因,都是很重要的

1973年,Konrad Lorenz等人在哺乳动物的遗传起源、发展和社会行为模式的启发方面的突破性研究获得了诺贝尔奖,为评估影响社会行为的各种内在因素和外在因素提供了基础。

从那时起,人们在理解行为方面取得了巨大的进步,尤其是社会行为,已经成为生物学研究中最有趣、最复杂的领域之一。

社会行为由多个相互连接的大脑边缘区域控制

临床前和临床影像学研究有助于描绘人类和其他哺乳动物社会行为的神经回路。社会行为受几个皮质下前脑结构控制,如前额叶皮质(PFC)、前扣带皮质(ACC)、杏仁核(AMG)、海马体(HIPP)和下丘脑室旁核(PVN)构成一个完整网络的一部分,以促进这种复杂的行为。

对这些大脑区域中任何一个的损伤或功能障碍都会引起社会行为的不安。事实上,AMG和PFC等区域的神经生物学已经被证明在自闭症谱系障碍(ASDs)等社会大脑疾病中发生了改变。

动物界的研究

对宿主微生物相互作用的新认识导致人们前所未有地关注动物体内的微生物世界,包括无脊椎动物(如白蚁、蜜蜂、黄蜂)和脊椎动物(鸟类、鬣狗、人类)。

开创性的研究已经确定了胃肠道微生物群对健康的影响,微生物群在从早期到成年的神经发育过程中发挥作用,并影响神经传递、神经炎症和动物行为等神经过程。微生物产生的信号可能直接或间接地改变大脑功能,并且由于动物是在微生物世界中进化的,这些信号可能在整个进化过程中影响了动物的大脑。

动物界微生物群与社会行为的关系

对社会物种和非社会物种的微生物群组成的研究表明,在许多动物物种中都存在相同的细菌门。然而,不同的物种以不同的方式利用它们的相关微生物群,以促进各种形式的社会互动

对无脊椎动物和脊椎动物物种的观察表明,饮食和免疫等因素会产生选择压力,从而推动微生物群与社会行为之间的关系。

虽然微生物群可能通过调节肠脑轴而影响内源性行为,但一些动物物种可能已经进化成利用共生细菌来介导相同物种的成员之间的通信。例如,鬣狗从它们的气味腺体中产生一种有气味的糊状物,其中含有发酵细菌,这被认为是为了促进同种动物之间的社会凝聚力。动物和微生物群之间的这种复杂的关系提出了这样的假设:微生物可能影响着社会大脑和行为的进化,以此作为传播它们自己的遗传物质的手段。

肠道微生物群调控社会行为机制

越来越多的证据表明,在动物界观察到的许多行为反应可能在动物生命的不同阶段受到肠道微生物群的调节,在这个范式中,越来越强调阐明肠道微生物群与大脑交流的机制

代谢产物

胃肠道中的细菌发酵和代谢导致神经递质短链脂肪酸(SCFAs)等代谢产物的产生。SCFAs可能通过与迷走神经上表达的游离脂肪酸受体(FFAR)结合和激活,间接影响脑的生理和行为。

此外,它们在胃肠系统局部抑制组蛋白脱乙酰酶的能力可能间接影响各种介质对大脑的信号传导。

迷走神经

迷走神经最近被证明与肠内分泌细胞形成突触联系,这有助于通过谷氨酸能神经传递将营养信号传递给大脑

迷走神经纤维富含5-HT3、Toll样受体4(TLR4)、游离脂肪酸受体(FFARs)和肠肽受体等受体;因此,它们是从肠腔向大脑传输信号的理想场所。

迷走神经切断术研究提供了经验证据,证明迷走神经是微生物群与大脑沟通的另一条途径。

免疫机制

肠道微生物群与免疫系统之间的联系是另一个被高度探索的途径,共生细菌可以通过这种联系对大脑生理和行为施加影响,在革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌细胞壁上表达的细菌肽聚糖能够通过激活在大脑(中枢神经系统插件)中表达的特定病原体识别受体,如PGLYRP2,影响社会行为的发展。

嗅觉机制

微生物群还可以通过排泄代谢物影响社会行为,代谢物充当嗅觉信息素。小鼠尿液中分泌的三甲胺可通过激活嗅觉受体(嗅觉系统插件)促进小鼠的社会凝聚力通过这些不同的途径,肠道微生物群已经被证明可以调节多种中枢生理过程,如神经炎症、5-羟色胺转换、髓鞘形成和亲社会激素催产素的分泌,从而提供了肠道菌群如何影响社会行为的机制性见解。

暴露于应激源后,促肾上腺皮质激素(ACTH)从垂体前叶(垂体内叶)释放,并刺激应激激素糖皮质激素的释放。

糖皮质激素影响新陈代谢和介导免疫激活等全系统效应。共生细菌暴露于糖皮质激素会降低它们的相对丰度。此外,在慢性应激条件下,糖皮质激素释放增加与肠道微生物多样性和丰富性降低有关。

社会大脑受到多种生物和环境因素的影响

社会行为受多个相互关联的大脑区域(如下丘脑、杏仁核、前扣带皮质和前额叶皮质)支配,这些区域受多种外在和内在因素(如性别、遗传和表观遗传机制以及环境)的影响,这些因素都可能直接影响社会行为,也可以相互结合来塑造这种行为。例如,宿主遗传可以影响宿主胃肠道微生物群的组成,从而影响肠道菌群对社会行为的相对贡献。此外,饮食、精神药物和环境等外在因素也会影响微生物群的组成,从而间接地改变行为。

以微生物群为基础的干预治疗社会行为缺陷的临床和临床前研究自闭症谱系障碍

微生物群与社会失调之间的联系表明,瞄准微生物群可以改善社会行为缺陷。基于微生物群的策略已经证明了在各种临床前模型中改变社会行为的潜力,一些初步证据表明对人类的影响。

ASD,自闭症谱系障碍;ATEC,自闭症治疗评估清单;CFU,菌落形成单位;PBS,磷酸盐缓冲生理盐水;FOS,低聚果糖;GABA,g-氨基丁酸;GOS,低聚半乳糖;poly(I:C),聚肌苷:多胞苷酸;Shank3,SH3和多个ankyrin重复结构域3

展望

了解影响整个动物王国社会行为的发展和规划的因素不仅对重新思考大脑生理和行为的演变很重要,而且还有助于更深入地了解人类社会大脑的紊乱[包括自闭症谱系障碍(ASD)、社会恐惧症和精神分裂症]。

微生物群与这些疾病之间联系的证据正在增加,临床前和新出现的临床数据提出了这样的假设,即通过饮食或活的生物治疗干预以微生物为目标可以改善这类神经发育障碍的相关行为症状。需要进行更大规模的临床试验,以确认这种干预措施的有效性,然后才能被认为是神经发育障碍的一线治疗方法。

虽然目前肠道菌群和神经发育障碍之间的联系是一个有趣的研究领域,但微生物群在动物社会行为进化中的任何作用都不会取代其他因素。相反,它为这些复杂行为的产生增加了一个额外的视角。

参考文献

Sherwin E, Bordenstein S R, Quinn J L, et al. Microbiota and the social brain[J]. Science, 2019, 366(6465).

独特的代谢生态位使菌株能够植入肠道菌群

谷禾健康  

菌株的定植一直是一个重要问题,无论是婴幼儿的早期定植还是希望通过菌群干预改变菌群构成或益生菌补充的方式实现益生菌的定植。但是受原有菌群互作和环境影响,如何提高菌株定殖效率和改善定向增殖效果存在很大困难。通过独特的营养代谢特征使用稀有营养系统可实现控制菌种移植,并且不受原菌群结构影响。通过改造菌株,可以精准的通过营养系统来实现有效可控的定制对基于菌群的生物疗法具有重要意义。

来自斯坦福大学医学院微生物学与免疫学系和 Novome Biotechnologies 公司的研究人员在 一项研究中指出,独特的代谢生态位能使菌株植入肠道菌群,相关研究成果发表在Nature期刊。

通过控制海洋多糖、卟啉和一种含有用于卟啉利用的罕见基因簇的外源性拟杆菌菌株来产生独有的代谢生态位。对外源性菌株给予专有的营养,使得外源性菌株在具有不同肠道微生物群落的小鼠中以可预测的丰度有效的植入,这种针对性的饮食支持足以克服同基因菌株的优先排斥,并使菌株替换成为可能。

他们演示了将 60 kb 的卟啉利用位点转移到幼稚的类杆菌菌株中,并通过改变卟啉的剂量,对肠道内的应变丰度进行多个数量级的精细调控。最后证明了这个系统能够将一个新的菌株引入结肠隐窝生态系统。这些数据强调了营养有效性对形成微生物区群成员的影响,扩大了在复杂微生物群背景下进行广泛研究的能力,并对肠道中基于细胞的治疗策略有意义。


Niche ( 生态位 ):是指一个种群在生态系统中,在时间空间上所占据的位置及其与相关种群之间的功能关系与作用。生态位又称生态龛。表示生态系统中每种生物生存所必需的生境最小阈值。

Bacteroides ovatus(卵拟杆菌):能够利用膳食果聚糖和海洋多糖(marine polysaccharide)

GFP ( 绿色萤光蛋白 ):在细胞生物学与分子生物学中,绿色萤光蛋白(GFP)基因常用做报告基因 (reporter gene)。绿色萤光蛋白基因也可以克隆到脊椎动物(例如:兔子)上进行表现,并拿来映证某种假设的实验方法。通过基因工程技术,绿色萤光蛋白 (GFP) 基因能转进不同物种的基因组,在后代中持续表达。现在,绿色萤光蛋白 (GFP) 基因已被导入并表达在许多物种,包括细菌,酵母和其他真菌,鱼(例如斑马鱼),植物,苍蝇,甚至人等哺乳动物的细胞。

Priority Effects ( 优先效应 ):在信息呈现顺序中,首先呈现的信息比后来呈现的信息在印象形成中有更大的权重


研究背景

高度竞争和动态的肠道微生物群的微生物组成的变化可以影响宿主生物学的许多方面。尽管肠道微生物组成对人类健康很重要,但控制共生菌株入侵现有复杂群落的规则还没有得到很好的解释。常驻菌株往往排除了与其类似的入侵菌株,在某些情况下,被现有菌株占据的生态位可以被类似的入侵菌株利用。无法预测或控制粪便微生物移植的结果表明,需要对影响新菌株是否能够整合到预先存在的复杂微生物群的因素进行基本了解。

饮食是形成社区成员和功能的主要力量。拟杆菌属的成员通过其多糖利用位点 (PULs) 编码的机制,大量利用饮食来源的微生物可获得的碳水化合物 (MACs)。假设特定的 MACs 可以作为一种杠杆,通过它可以调节不同的社区中定植菌株密度。

拟杆菌种具有有趣的定殖行为,其中早期定殖者将排除具有挑战性的同源菌株,这种现象被称为优先效应。假设这种行为可以通过向具有挑战性的菌株提供特殊营养来克服,从而创造一个独一无二的代谢生态位。

罕见拟杆菌属菌株对卟啉的消耗是通过水平转移的 PUL 实现的,PUL 来源于海洋细菌。

方法

  • 菌株:

废水处理设施的主要废水中分离出来的 NB001(利用卟啉的B.ovatus)和 NB004 (原始的B.stercoris)

  • 细菌培养和菌株分离:

所有细菌的生长都是在37°C的厌氧条件下进行的,在富培养基(胰蛋白胨-酵母-葡萄糖12)中进行生长,不添加抗生素。

所有细菌的生长都是在 37°C的厌氧条件下进行的,在富培养基(胰蛋白胨-酵母-葡萄糖12)中进行生长,不添加抗生素。使用过滤器消毒)中生长 24 小时,在1:200的新鲜培养基中继代培养并生长 24 小时,并在 BHI-BA 上连续稀释。将单个菌落挑选到 SMM 中进行生长确认、低温储存和下游分析。

  • 全基因组测序与分析:

使用 PureLink 基因组 DNA 迷你试剂盒 (Invitgen) 从 NB001 和 NB004 中提取基因组 DNA。基于 Geneious 进行基因注释和比对,NB001 的全基因组测序显示了一个与先前描述的卟啉 PUL 高度同源的基因簇。

  • 卟啉PUL转移和基因敲除 

使用质粒 pWD034 敲除了预测对海藻 MACs 生长至关重要的8个基因。

基于基因注释和赋予 PUL 能力的移动元件的序列比对,设计了三个不同大小的最小PULs(20kb,40kb和60kb)。获得具有短长度和中等长度 PUL 的 B.thetaiotaomicron

通过敲除卟啉利用基因,验证了完整的 PUL 对卟啉体外特异性生长的要求

  • 小鼠实验:

无菌小鼠 (Germ-free) 或限制性植物 (RF) 8-16 周的常规雄性或雌性小鼠被安置在隔离器中。选择大小足以产生统计显著性的样本,在断奶时将动物分组。通过口服 108 c.f.u将所有拟杆菌属菌株接种到无菌或RF小鼠中,用健康人类供体的粪便样本将小鼠人性化 (Hum-1、Hum-2)。在 NB001 导入前一周,小鼠被喂养缺乏 MAC 的食物。NB001 导入7天后,小鼠切换到定制饮食,菊粉或海藻作为唯一可用的 MAC。RF小鼠在水中以指定的百分比给予卟啉。

  • 16S rRNA 分析DNA

从粪便样品中提取 16S rRNA 分析 DNA,并在 16S v4 区域( 515F,806R )进行扩增。使用Qiime1.9 来分析所得到的 Illumina 产生的测序读数。数据被分类到具有最低读数 ( 16384 )的样品,并且通过 UCLUST 和通过 Greengenes13.8 数据库的分类分配执行OTU注释。

主要结果

生态位有效性因微生物群而异,可通过添加可以通过添加一种特殊营养物质来调节。 (privileged nutrient)

a图实验设计方案将具有三种不同肠道菌群的小鼠(rf)或人类(hum-1,hum-2)定植NB001。NB001在粪便中被追踪7天,小鼠被切换到含有菊粉(in.)或富含卟啉海藻的特殊多糖周。

b图为未添加特殊营养物质时定植菌株(NB001)在粪便中的密度。

c图为添加富含菊粉(in.)营养物质时定植菌株(NB001)在粪便中的密度。

d图为添加富含卟啉(por.)营养物质时定植菌株(NB001)在粪便中的密度。

cd图中通过颜色阴影区分在饮食中添加特殊营养物质之前和之后粪便中NB001的密度。

通过KruskalWallis检验查看组间差异显著结果,“*”表示有显著差异,“n.s.”表示无显著差异。灰色阴影框表示检测的限度。

获得特殊营养素可以调节种群大小并克服NB001(PUL+)同基因菌株的优先排斥

Total(可培养厌氧菌总数)

ab 图,被NB001(PUL+)菌株定植的常规小鼠与缺乏MAC食物喂养或富含MAC食物喂养的常规小鼠,在同样给予卟啉后,菌株丰度发生了变化。绿色阴影为给予卟啉的时间周期。

c 图,被NB001(PUL-)菌株定植的常规小鼠与富含MAC食物喂养的常规小鼠在给予卟啉后,菌株丰度没有变化。

d-f 图,常规小鼠进食富含MAC的饮食后,用PUL定植6天,第6天用PUL+进行挑战。

d 图,在没有给予卟啉的情况下,挑战菌株(PUL+)被现有菌株(PUL-)排除了。

e 图,在给予卟啉的第8天,挑战菌株(PUL+)取代了现有菌株(PUL-)。

f 图,挑战菌株(PUL+)与现有菌株(PUL-)在连续3天的卟啉脉冲后稳定共存。

对种群大小的控制是可以设计的,并且具有高度的可调性

c 图,将含有中等长度 PUL 的 B.thetaiotaomicron 菌株在常规小鼠中定植,喂养富含 MAC的食物和添加了1%卟啉的饮用水,展示了添加卟啉前后的菌株丰度变化

d 图,将含有中等长度 PUL 的 B.thetaiotaomicron 菌株在常规小鼠中定植,喂养富含MAC的食物和添加了1%卟啉、0.1%卟啉或0.01%卟啉的饮用水,表现出对卟啉的精细调节(绿色阴影部分)可以影响菌株的丰度。

e 图,图像为宿主的近端结肠,表达GFP标记的NB001菌株在常规小鼠中定植,给予0.01%的卟啉(左)或1%的卟啉(右)

对卟啉的使用使结肠隐窝定殖成为可能

将表达 RFP 标记(红色)的野生型 B.thetotaomicron 引入无菌小鼠体内,7天后再引入表达GFP 标记(绿色)的含有中等长度 PUL 的工程化 B.thetotaomicron 挑战菌株。

a 图 表示在没有给予卟啉的情况下,挑战菌株被从结肠隐窝群体中剔除了。

b 图 表示,当重新给予卟啉时,可以重塑结肠隐窝群体。

c 图 表示在有或没有卟啉的饮食中结肠隐窝中细菌的定量(每组3只小鼠,每只小鼠统计100个隐窝细菌)。双侧t检验,p=0.0395(*)。误差条表示标准差。

总结

利用全基因组测序注释结果改造菌株中的基因,使用小鼠进行动物实验,结合16S rRNA测序监测不同专有营养的给予对定植菌株丰度的影响。对数据使用 KruskalWallis 进行差异检验。研究了一种使用稀有营养系统对控制菌种移植的有效途径,不依赖于背景菌群,并将给予专有营养作为菌种融入肠道群落的关键调控因子。

工业化时代进程下的微生物群落变迁

谷禾健康  

随着现代社会飞速发展,尤其是在医药、食品和卫生等方面都在飞跃,那么在这样条件下微生物群落的变化对人类健康带来哪些影响? 

近日,来自美国斯坦福大学微生物学与免疫学系及人类微生物研究中心的 Justin L. Sonnenburg 和 Erica D. Sonnenburg 在 science 上面发表文章,就工业化对人体肠道微生物群的影响展开讨论,向我们展示了工业化时代新的生活方式驱动的微生物群变化对人健康的有利影响,同时也指出了某些可能被忽略的影响以及应采取的措施。

首先,我们知道每个人都是一个生态系统,由数以千计的物种和数万亿的成员组成,而这些成员大多数是肠道中的微生物群。微生物群与免疫系统、中枢神经系统和新陈代谢之间存在着密切的联系。

肠道微生物群已经与人类共食了数百万年,经历了数十万代。从非工业化环境迁移到工业化环境,人们的微生物群组成的变化与生活方式改变的时间和严重程度相对应。

我们现在处于工业化世界,人们的微生物群是人类从未经历过的结构。这里我们根据时期划分两种类型:“传统”微生物群,“工业”微生物群。相对于“传统”微生物群,“工业”微生物群似乎具有较低的微生物多样性,种类和功能发生重大变化。

处于工业化时代的人们,从刚出生的时候,微生物群定殖的过程就开始受到许多因素的影响,包括出生方式(自然分娩或剖腹产)、营养(母乳或配方奶粉)、饮食(工业生产食品)、环境(卫生习惯)、感染和抗生素使用等。

肠道微生物群反映了传统和工业人群的生活方式

图注:(A)通过Bray-Curtis主成分分析分离的多个研究中肠道微生物群的聚集性16S rRNA计数的差异性。A上图:第一个主成分解释了18个人生活方式的22%的变化,从委内瑞拉的未接触美洲印第安人(上)到完全工业化的澳大利亚、美国、加拿大和爱尔兰人(下)。 A下图:菌在科水平的相对丰度揭示了消失类群的整体模式,这与工业化社会是负相关的,比如拟杆菌科和韦荣菌科。 

(B)热力图修改自 Jha等,显示种属随着生活方式的变化而变化,包括同一个地址位置(尼泊尔)作为觅食者、定居觅食者或农业学家的个体与美国的工业化个体的比较。 

(C)模型修改自Jha等,随着生活方式迁移,菌群损失和/或减少与增益和/或增加的关系。不同的菌群丰度变化模式对应着随着人口从觅食向城市化转移而转变生活方式的特定方面。该模型还可以反映工业化人类从觅食(智人大约20万至30万年前出现)到农业(1万至2万年前开始)再到工业化(100至200年前开始)的历史进程。 

我们不能忘记使用抗生素、增加卫生设施和医疗生产来根除病原微生物的企图是如何挽救了无数人的生命的(特别是在紧急医疗保健方面)。技术和医学的进步具有不可否认的好处,如西方饮食和婴儿配方奶粉,增加了便利性,提高了人类的生产力,满足了日益增长的人口的食品需求。但需要注意的是,在我们并未了解微生物群之前,这些技术已经开始广泛运用

随着工业生活方式在全球的普及,人类微生物群的变化可能是非传染性慢性疾病同时传播的核心,而且很难逆转。在工业化人群中微生物群的变化可能对健康没有影响,也有可能是导致人类免疫系统失调的主要原因,从而导致慢性炎症。非传染性疾病,如中风、心脏病、一些癌症、慢性肾病、糖尿病和痴呆,所有这些都是由慢性炎症引起的,这些疾病可能与世界范围内的工业化生活方式的扩大有关。

一个关键的障碍是确定工业化引起的微生物群变化对人类健康的影响。这种影响的严重程度可能取决于许多因素的具体情况,包括健康状况、饮食、人类基因型和生活方式。可能需要分离和归档对工业化敏感的菌株,以便能够对这些微生物进行更详细的研究。

建议以可持续性和保护为重点来看待微生物生物多样性可能是保障人类健康的一种重要方法。如果我们要与我们的内部微生物世界保持一种可持续的关系,就必须确定一条可持续的医疗实践、饮食和卫生的前进道路,同时铭记微生物群的重要性和脆弱性。

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