科普

膳食胆固醇通过调节肠道微生物群和代谢产物驱动脂肪肝相关的肝癌

谷禾健康

高脂饮食会诱发肥胖、胰岛素抵抗、葡萄糖耐受不良和脂肪变性,而脂肪性肝炎向纤维化和肝细胞癌(HCC)的进展主要与高膳食胆固醇有关。非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一类代谢疾病,可从脂肪肝进展至脂肪性肝炎,进一步导致肝硬化甚至肝细胞癌(HCC),胆固醇被认为是疾病发展过程中主要的脂毒性分子。

近日,香港中文大学于君团队及其团队研究人员在《Gut》上发表了题为“Dietary cholesterol drives fatty liver- associated liver cancer by modulating gut microbiota and metabolites(膳食胆固醇通过调节肠道微生物群和代谢产物驱动脂肪肝相关的肝癌,DOI:10.1136/gutjnl-2019-319664)”的研究论文,阐述了膳食胆固醇在NAFLD–HCC发生中的作用及其相关的分子机制。这项研究证明了长时间的高胆固醇饮食可以引起小鼠自发性NAFLD-HCC(非酒精性脂肪肝肝细胞癌)。抑制胆固醇可以恢复肠道微生物群,完全阻止NAFLD-HCC的发展。

背景

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是代谢综合征的肝脏表现,包括从单纯性脂肪变性到非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的一系列肝脏病理。NASH可进展为肝硬化、终末期肝功能衰竭和肝细胞癌(HCC)。目前,非酒精性脂肪肝是世界范围内发病率和医疗负担的主要原因。脂肪毒性会导致NASH、纤维化/肝硬化,甚至HCC。在肝脏脂质种类中,胆固醇被认为是NASH发生过程中的主要脂毒分子。肝脏是调节全身胆固醇稳态的中心。膳食胆固醇对血浆和肝脏胆固醇稳态有重要影响。虽然膳食胆固醇在NASH进展中的作用已被论述,但长期胆固醇治疗在自发性和进行性NAFLD-HCC发展的作用和致病基础尚不清楚。一些研究表明,肠道菌群是一个有助于NAFLD发生和其发展为NAFLD-HCC的环境因素。微生物衍生的代谢物,如胆汁酸、短链脂肪酸和三甲胺和它们影响的信号通路可能有助于NAFLD的发展。特别是肠道菌群代谢产物3 -(4 -羟苯基)乳酸,对肝脏脂肪变性和肝纤维化具有共同的基因效应。

实验设计

普通饲料(NC,18%脂肪,58%碳水化合物,24%蛋白质,0%胆固醇);高脂/低胆固醇饲料(HFLC,43.7%脂肪,36.6%碳水化合物,19.7%蛋白质,0.013%胆固醇);高脂/高胆固醇饲料(HFHC,43.7%脂肪,36.6%碳水化合物,19.7%蛋白质,0.203%胆固醇)

如图所示,以上饲料用于随机喂养8周龄雄性C57BL/6野生型同窝出生幼鼠14个月。阿托伐他汀(降胆固醇药)药物被用于喂食HFHC膳食7个月后的小鼠,持续7个月。然后分别在3、8、10和12个月龄处死。

粪移植实验:

取被喂养不同饲料的小鼠的1 g粪便样品用5ml磷酸盐缓冲生理盐水(PBS)混匀,然后将该混悬液2 0 0μL灌胃移植给无菌小鼠。于移植后8、10、14个月各组中随机抽取小鼠处死。

实验结束时,小鼠被禁食,取血清/组织。记录体重和内脏脂肪重量。肝脏被迅速切除并称重,评估表面结节的存在和大小。分离肝肿瘤,在液氮中快速冷冻,并将其保存在−80°C进行进一步实验。肠道菌群分析采用16SrRNA测序,血清代谢物分析采用液相色谱-质谱(LC-MS)代谢组学分析。

主要结果

1.   膳食胆固醇可自发驱动NAFLD-HCC的发生。

A)[endif]喂养HFHC饲料的小鼠在第3、8、10、12、14个月检测的血清AFP水平以及喂养NC和HFLC饲料的小鼠在第14个月检测的血清AFP水平。在第10个月观察到AFP水平升高,在第12个月和14个月,与HFLC或NC饲料喂养的小鼠相比,HFHC饲料喂养的小鼠的AFP水平逐渐升高。

B) [endif]肝脏MRI影像。在第14个月时,喂养HFHC饲料的小鼠出现肝肿瘤,而其余两个没有

C) [endif]依次为小鼠肝脏的大体形态、镜下结构以及Ki67染色的免疫组化图像。HFHC小鼠肝脏切片组织学检查均为肝细胞癌,平均每只小鼠肝细胞癌细胞数为2.7±2.6,最大直径为4.1±5.0 mm。与HFLC喂养的小鼠相比,HFHC喂养的小鼠肝脏切片中Ki-67阳性细胞明显增多,表明HFHC喂养的小鼠细胞增殖增加。

D) [endif]依次为体重,内脏脂肪,肝脏重量,肝脏与体重的比率。随着肝癌的形成,喂养HFHC饲料的小鼠的这些指标的水平显著高于喂养NC饲料的小鼠。同时,喂养HFLC饲料的小鼠也表现出这些指标水平的上升。

E) [endif]依次为血清胆固醇、肝游离胆固醇、肝胆固醇酯含量、糖耐量试验及空腹胰岛素水平。与HFLC和NC相比,HFHC小鼠的这些指标的水平都有所上升。与NC相比,HFLC小鼠的葡萄糖耐量和空腹胰岛素也有所增加。

2.   高胆固醇膳食喂养的小鼠的非肝癌肝组织形成了NASH和纤维化。

A)HE染色后的肝脏切片组织检查。HFHC小鼠出现以脂肪变性和小叶炎症为特征的脂肪性肝炎,而在HFLC小鼠中只观察到脂肪变性。

B)血清ALT和AST水平。HFHC小鼠ALT水平和AST水平显著高于HFLC和NC小鼠。

C) 细胞因子谱法测定喂养NC、HFLC和HFHC饲料的小鼠第14个月的血清IL-6、IL-1抑制因子和IL-1蛋白水平。这些指标的水平均有所上升。

D)在喂养NC、HFLC和HFHC饲料的小鼠第14个月时用ELISA法测定小鼠肝脏促炎细胞因子IL-6、IL-1α和IL-1β蛋白水平,RNA测序测定Cx3cl1、Mcp1、Cxcl10、Mip1β、Mip1α、CCL5、Cxcl16、TNFαmRNA水平。与NASH相关的促炎细胞因子Cx3cl1等在HFLC小鼠肝组织中显著上调。

E) 从上至下依次为天狼星红染色和免疫组化染色。分别观察胶原沉积和α-SmA蛋白。RT-PCR法测定mRNA表达水平。HFHC小鼠的肝组织表现出严重的纤维化损伤,胶原分布面积明显增加。肝星状细胞活化表现为α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)的基因和蛋白水平升高。

F) 肝羟脯氨酸含量。其在HFHC小鼠中含量明显升高。

G) 肝脏的氧化应激检测。喂养HFHC饲料的小鼠的肝脏NAD+/NADH比值和SOD活性显著降低,提示膳食胆固醇可诱导肝脏的氧化应激。

3.   高胆固醇膳食引起小鼠肝脏依次发展为脂肪肝、脂肪性肝炎、纤维化和NAFLD-HCC。

B)从上至下依次为HFLC喂养14个月和HFHC喂养3、8、10、12和14个月小鼠肝脏大体、肝脏肿瘤标志物AFP和GP73的H&E染色和免疫组化染色、天狼星红染色,脂肪变性和炎症的组织学评分以及天狼星红染色定量的肝胶原面积。HFHC小鼠肝脏组织学在3个月时表现为轻度炎症性脂肪变性,8个月时脂肪性肝炎伴纤维化,10、12、14个月时肝癌形成,而HFLC小鼠在3、8、10、14个月时仅表现为脂肪变性而没有进一步发展成肝癌。HFHC小鼠的肿瘤标志物免疫组化染色观察到阳性染色,HFLC小鼠没有。

C)在HFHC膳食控制下的不同时间点的小鼠的最大肝肿瘤的肿瘤发病率、肿瘤数量和最大肿瘤直径。

4. NAFLD-HCC的肠道菌群失调与胆固醇水平相关。

A)14月龄的HFLC和HFHC小鼠之间的肠道微生物的PCoA分析、香浓多样性和丰富度分析,PCoA分析中P<0.001. HFHC小鼠的微生物多样性更低,丰富度更高。

B)14月龄的HFLC和HFHC小鼠的粪便细菌热图。

C)HFHC膳食控制3、8和14个月后的肠道微生物的PCoA和冗余分析。发现HFHC_3m、HFHC_8m和HFHC_14m的小鼠的肠道微生物群落明显聚类,这表明肠道微生物组成随NAFLD-HCC进展阶段的变化而变化。

D)在HFHC饲养3、8 ~ 14个月,用Chao1指数测定微生物群落丰富度,发现其逐渐升高。随着NAFLD-HCC进展,细菌丰富度依次增加。

E)喂养HFLC和HFHC的小鼠肠道菌群的色氨酸代谢能力。HFHC小鼠肠道菌群的色氨酸代谢能力降低。综上,高胆固醇膳食导致肠道菌群失调和微生物色氨酸代谢受损。

F)细菌丰度与小鼠表型的相关性。

G)在59例高胆固醇血症患者和39例健康人的研究中,人血清总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇和高密度脂蛋白胆固醇(横轴)与细菌(纵轴)基因组测序的相关性。双歧杆菌和类杆菌与血清总胆固醇、低密度脂蛋白胆固醇呈负相关,与高密度脂蛋白胆固醇呈正相关。

5. 膳食中的胆固醇通过诱导代谢产物的改变而促进NASH-HCC的进展。胆固醇通过调节宿主血清代谢物,以及至少部分通过增加TCA和降低IPA,促进了NASH-HCC的进展。

A) 主成分排序分析表明,膳食胆固醇含量对血清代谢产物有显著影响

B)HFHC小鼠的具有差异的富集代谢物的通路分析。胆汁酸合成是关键。

C) [endif]血清代谢组学火山图,指示了HFLC和HFHC小鼠的代谢产物的异常值。初级胆汁酸包括牛磺胆酸(TCA)、TUDCA、甘胆酸(GCA)和TCDCA,这些也是HFHC小鼠中异常上调的代谢物。IPA是微生物色氨酸代谢的产物,也是HFHC小鼠中异常下调的代谢物。

D) [endif]HFLC和HFHC饲料喂养3个月的小鼠门静脉LPS浓度和14个月的小鼠结肠组织E- cadherin表达。两者相比,HFHC小鼠门静脉血清脂多糖(LPS)浓度升高,结肠E-钙粘蛋白丢失。提示膳食胆固醇可损害肠道屏障功能

E) [endif]微生物与代谢物的相关性分析。红色呈正相关,蓝色呈负相关。

F) [endif]HFLC和HFHC饲料喂养小鼠肝脏组织中Cyp7a1、Cyp8b1、Cyp27a1和Cyp7b1 mRNA水平。高胆固醇膳食不能改变肝脏中细胞色素P450 (Cyp)7a1、Cyp8b1、Cyp27a1、Cyp7b1等胆汁酸合成酶的mRNA表达。

G)  [endif]油红O染色显示,TCA加重胆固醇诱导的人LO2细胞甘油三酯的积累,IPA抑制胆固醇诱导的肝癌细胞、HKCI-2和HKCI-10细胞甘油三酯的积累。

H) [endif]IPA抑制NASH-HCC细胞系的细胞增殖。

6. 膳食胆固醇调节的肠道菌群通过诱导代谢产物的改变,促进NAFLD和肝细胞的增殖,从而促进胆固醇诱导的NAFLD-HCC的形成。

A)将喂养NC、HFLC和HFHC饲料的小鼠(14个月)的粪便移植到NC条件下的无菌小鼠(G- NC、G-

HFLC和G- HFHC)中。图中为G- NC组、G- HFLC组和GHFHC组灌胃无菌小鼠肝脏的大体形态和组织学检查。G- HFHC小鼠在14月龄时出现一个肝结节,而在8月龄和10月龄时未出现肝结节。组织学检查证实该结节发育不全,有小球状增生,细胞增殖增强。

B) [endif]8、10、14月龄时,G-NC、G-

HFLC和G-HFHC组无菌受体小鼠的肝脏甘油三酯含量、脂质过氧化反应和肝组织学改变。FMT后8、10、14个月,G-HFHC小鼠肝脏脂质积累明显增加,并伴有肝组织损害

C) [endif]G-NC、G- HFLC、G-HFHC组小鼠14月龄时的肝脏IL-6蛋白水平。

D) [endif]肝切片Ki-67染色。可见在14月龄时,G-HFHC小鼠中肝细胞增殖增加。但在FMT后8个月和10个月时肝细胞增殖并未见增加。

E) [endif]肿瘤通路检测。图中直方图向上表示基因表达上调,向下为下调。免疫印迹法验证CDC20(细胞增殖)表达上调。

F) [endif]G-NC、G- HFLC、G-HFHC小鼠肠道微生物群的PCA分析和LDA直方图。在不同的膳食控制下,肠道菌群的差异很大。

G)  [endif]G- HFLC和G- HFHC小鼠血清代谢组学分析。G- HFHC小鼠的IPA较G-HFLC小鼠降低,与喂养HFHC饲料的常规小鼠一致。

7. 降胆固醇治疗完全抑制了高脂血症小鼠NAFLD-HCC的形成。

A)阿托伐他汀治疗喂养HFHC饲料的C57BL/6小鼠的示意图。给小鼠喂食HFHC 饲料7个月,并继续喂食HFHC饲料和阿托伐他汀7个月。(HFHCAt)

B)HFHC小鼠的肝组织HE染色及肝脏大体形态,分别计算了其脂肪变性和炎症的组织学评分。在实验结束时(14个月),阿托伐他汀完全抑制了HFHC饮食诱导的NAFLD-HCC的形成,并改善了NASH的严重程度。

C)从左至右分别为血清胆固醇水平、肝脏游离胆固醇水平、血清甲胎蛋白水平,显著降低。

D) 丙氨酸氨基转移酶(ALT)、血清促炎细胞因子(IL-6、IL-1α、IL-1β、单核细胞趋化蛋白-1、巨噬细胞炎性蛋白-1α和巨噬细胞趋化蛋白-1β)显著降低。

E)阿托伐他汀通过显著减少肝脏胶原沉积和羟脯氨酸含量来改善肝纤维化

F)用NC、HFLC和HFHC饲料喂养的小鼠,在阿托伐他汀治疗或不治疗的情况下,粪便中细菌的Chao1指数和热图。经阿托伐他汀治疗后,HFHC喂养的小鼠肠道菌群丰富度显著恢复。

G)被灌服HFHCAt(阿托伐他汀治疗的HFHC喂养小鼠)粪便的无菌小鼠的肝脏大体形态、组织学检查、甘油三酯和脂质过氧化含量。与G-HFHC组相比,G-HFHCAt组小鼠肝脏组织学有所改善,肝脏甘油三酯和脂质过氧化水平降低。

H)胆固醇诱导的NAFLD-HCC发生机制示意图。胆固醇破坏胆汁酸代谢和微生物色氨酸代谢,导致血清TCA增强,IPA降低,从而促进NAFLD-HCC的发展。

结论

长时间的高胆固醇饮食通过调节肠道微生物群,诱导雄性小鼠NAFLD-HCC自发和进行性发展。胆固醇破坏胆汁酸代谢和微生物色氨酸代谢,导致血清TCA增强,IPA降低,从而促进NAFLD-HCC的发展。降胆固醇治疗完全抑制了膳食胆固醇诱导的NAFLD-HCC的形成。这项研究强调,抑制胆固醇和调控肠道菌群及其相关代谢产物可能是预防NAFLD-HCC的有效策略。

《新英格兰医学杂志》营养不良伴肠病的儿童十二指肠微生物群

谷禾健康

发育迟缓的原因有很多,牵涉到比如母体子宫内生长迟缓、神经内分泌和激素因素、儿童早期腹泻和其他感染频繁、环境肠道功能障碍、环境毒素和遗传因素等。 环境肠道功能障碍(EED)是一种以绒毛萎缩和隐窝增生为特征的获得性小肠亚临床疾病,病因不明,可能占所有发育迟缓病例的40%以上。

近日,美国华盛顿大学医学院Jeffrey I. Gordon团队的发表在《新英格兰医学杂志》研究分析了营养不良伴肠病儿童的十二指肠微生物群(DOI:10.1056 / NEJMoa1916004 ),研究结果研支持生长发育迟缓与小肠微生物群组成和肠病之间存在因果关系,并为开发针对这些微生物对EED的作用的疗法提供了理论依据。

 环境性肠功能障碍(EED)是一种神秘的小肠疾病,被认为与儿童营养不良(一个紧迫的全球健康问题)有关。由于对小肠黏膜和微生物群落直接取样较为困难,因此,难以确定这种疾病的发病率、病理生理特征及其对生长发育迟缓的影响。

 该研究研究组在孟加拉国达卡市贫民窟中招募了110名没有营养干预的生长发育迟缓的儿童,平均年龄为18个月,对80例行活检的儿童进行了内镜检查, 确认的EED以及可用的血浆和十二指肠样品。

 研究组对80例活检证实EED,且血浆和十二指肠样本可用的儿童进行了内窥镜检查。

 研究组量化了从这些儿童获得的十二指肠活检样本中的4077个血浆蛋白和2619个蛋白的水平,确定了从每个儿童的十二指肠抽吸物中回收的微生物群中细菌菌株的水平,还从居住在同一地区的年龄匹配的健康儿童中获得了21个血浆样本和27个粪便样本。用从十二指肠抽吸物中培养出的细菌菌株定殖给孟加拉饮食的年轻无菌小鼠。

*加减值是±SD。 要将α-1抗胰蛋白酶的值转换为每升克,请乘以0.01。
由于四舍五入的关系,百分比总数可能不等于100。  IQR表示四分位距,NA不适用。

  †环境肠道功能障碍(EED)的生物标志物得分是从0开始的连续测量,得分越高表明一组粪便炎症生物标志物(α-1抗胰蛋白酶,髓过氧化物酶和新蝶呤)的水平越高。

在从孩子那里获得的细菌菌株中,一组共有14个分类单元(通常不归类为肠病原体)的绝对水平与线性增长呈负相关(年龄z评分,r = -0.49;  P = 0.003),并且与参与免疫炎症反应的十二指肠蛋白呈正相关。 粪便微生物群中这14个十二指肠分类群的代表与健康儿童的样本显着不同(通过方差的排列多变量分析,P <0.001)。 小肠的肠病在已被从EED儿童获得的培养的十二指肠菌株定殖的gnotobiotic小鼠中发展。

在从儿童获得的细菌菌株中,共有14个类群(通常不被归类为肠道病原体)的绝对水平与线性生长发育呈负相关,与参与免疫炎症反应的十二指肠蛋白呈正相关。

十二指肠蛋白质组成分、十二指肠细菌分类绝对水平与发育迟缓的相关性,粪便微生物群中这14个十二指肠分类群的代表与健康儿童的样本亦存在显著差异。

在从儿童获得的细菌菌株中,共有14个类群(通常不被归类为肠道病原体)的绝对水平与线性生长发育呈负相关,与参与免疫炎症反应的十二指肠蛋白呈正相关。

(EED)的研究儿童中获得的十二指肠细菌将肠病传播到致敏小鼠上。 接受EDD患儿十二指肠培养菌定殖的小鼠进展为小肠病。

菌群最新资讯热评 | COVID-19 消毒剂正在改变微生物群;利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

01 杀菌剂和消毒剂正在改变微生物群落

随着 COVID-19 疫情的发展,相应的抗菌药物耐药性的加速确实令人担忧。疫情下,加剧了抗生素的大规模滥用,不仅用于治疗人类和动物疾病,而且也用于动物食品生产系统。

近日,BMJ发表一篇有关COVID-19的文章,消毒剂正在改变微生物群落。

幸运的是,现有的工具可用于研究抗生素耐药性的出现和蔓延,并作出“耐药”的知情预测。此外,全球和国家的具体行动计划已到位,以减轻抗生素耐药性威胁。

一个令人担忧的问题是,在Covid-19 大流行中,大量使用消毒剂,对人类、动物和环境中各种生态位的微生物群落产生了不可估量的影响。这种做法带来的结果可能是宿主-共生体相互作用中的失调,从而影响宿主的免疫功能新陈代谢生理参数以及对感染性和非传染性疾病的易感性

益生菌、免疫生物制剂、合生元等都是有望治疗失调的药物。但是,由于过度使用消毒剂而引起的问题,在全球范围内已经超出了生物失调的范畴,例如,医院内的致病菌粪肠球菌出现了抗酒精性,最近报道了万古霉素耐药菌株(如超级细菌)。

困境在于,通过使用消毒剂、杀菌剂和抗生素来遏制Covid-19,我们正在给微生物群落造成不可估量的附带损害,“抹去”了不同生态位的几个共生体,并可能为新的威胁制造 “地雷”。

我们需要利用现有的工具和技术,开发新的工具和技术,以便评估对微生物生态系统的损害,密切检查人与动物之间的微生物关系,预测新的威胁,并揭示控制这些威胁的检查点。

希望从使用抗生素、消毒剂和杀菌剂来遏制Covid-19的普遍智慧中学到的所有经验教训,都将引导我们进入一个装备更完善、威胁可控的未来。


02

能否利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

目前,人们对定义微生物群如何在癌症的背景下塑造免疫反应非常感兴趣。 在小鼠和人类中进行的各种研究都将特定的共生物种与不同癌症类型以及接受癌症免疫疗法治疗后的更好(或更坏)结果相关联。

但是,所涉及的机制仍然不确定,甚至存在争议。 在此观点下,《自然评论免疫学》邀请了该领域的六位著名科学家分享他们对该领域关键问题和挑战的看法

  Q1

越来越多的证据表明某些微生物可以对癌症的免疫反应产生正面或负面影响。 您能否评论一下我们对于微生物如何塑造免疫系统从而影响抗肿瘤免疫力机制的理解?

来自B. Brett Finlay 的看法:

毫无疑问,微生物可以塑造免疫系统。它们最深远的影响是在生命的早期,那时它们可以将免疫系统推向过敏性或非过敏性方向时,从而影响对许多免疫介导疾病的敏感性,例如哮喘,食物过敏和湿疹。

在小鼠中也有重要的证据表明,免疫系统的许多方面可以在以后的生命中通过依赖于微生物(如分段丝状细菌)的过程进行改变。

但是,目前严重缺乏对所有这些过程机制的理解。尽管有关于潜在机制的线索,但目前我们还没有从机制上理解微生物如何影响抗肿瘤免疫力。

来自Romina Goldszmid的看法:

我同意 Brett 的看法,不同的非相互排斥的情况下,细菌,其产物和/或其代谢物通过调节免疫系统的组成部分来影响肿瘤免疫。 

细菌及其产物可针对髓样细胞(例如,它们可以激活抗原呈递细胞,从而帮助引发抗肿瘤T细胞反应,调节促炎性细胞因子和活性氧的产生,或调节髓样细胞的免疫抑制活性)。 

细菌也可以作为抗原源,通过分子模拟影响肿瘤免疫反应(也就是说,识别细菌表位的T细胞可以识别在肿瘤细胞上表达的相似表位),或者可以驱动旁观者T细胞活化。 

其他人则提出了一种间接机制,细菌产物可通过这种间接机制诱导肿瘤中的免疫原性细胞死亡并随后进行免疫活化。对于不同的肿瘤类型和不同的治疗方式,该机制可能会有所不同。 

此外,到目前为止,大多数努力都集中在细菌微生物组的作用上,我们对病毒组(病毒),真菌组(真菌)和寄生组(寄生虫)对抗肿瘤免疫的作用了解甚少。

来自Kenya Honda的看法:

多项研究表明,微生物群至少部分通过系统激活CD8+T细胞(尤其是干扰素-γ(IFNγ)+亚群)增强免疫检查点阻断。

从理论上讲,微生物介导的肿瘤浸润IFNγ+ CD8 + T细胞的诱导可能是由多种机制引起的,包括

(1)肠道诱导的CD8 + T细胞的系统循环

(2)细菌抗原或载有细菌或细菌的树突状细胞

(3)细菌代谢物(由微生物群诱导或产生)和/或细胞因子。

根据我们实验室的观察,肠道来源的CD8 + T细胞不太可能迁移到肠道外,在远端组织中全身循环并调节抗肿瘤免疫力,因为IFNγ+ CD8 + T细胞在肠道和肠道外肿瘤中蓄积。在表型上是不同的。 

细菌抗原或负载细菌的树突状细胞的系统性循环也不大可能,因为在不同解剖部位的T细胞受体用途或T细胞的抗原特异性没有重叠。 

最简单,最可能的解释是,肿瘤中CD8 + T细胞的积累是由于微生物群中免疫调节分子和/或代谢产物的循环所致。由于免疫调节似乎独立于主要的先天免疫信号传导途径而发生,因此代谢产物(也许是几种)而不是与微生物相关的分子模式可能负责形成CD8 + T细胞的抗肿瘤免疫应答。

来自Giorgio trinchieri的看法:

微生物群还调节单核细胞衍生的细胞和嗜中性粒细胞的肿瘤浸润。

革兰氏阴性细菌可以响应CpG寡聚脱氧核苷酸(通过脂多糖介导的Toll样受体4(TLR4)信号转导)引发髓样细胞产生免疫调节细胞因子,例如肿瘤坏死因子(TNF)和IL-12。

微生物细胞介导的骨髓细胞引发活性氧的产生会影响铂类化学疗法药物的抗肿瘤功效。

微生物代谢产物(例如短链脂肪酸)和其他微生物产物调节调节性T细胞和细胞毒性T细胞。

在小鼠肝癌模型中,肠道微生物群中存在的梭状芽孢杆菌将原发性胆汁酸转化为继发性胆汁酸,降低了肝脏中原发性胆汁酸诱导的CXC-趋化因子配体16(CXCL16)的表达;因为这种趋化因子吸引具有抗肿瘤活性的自然杀伤性T细胞,这些细菌与抗肿瘤活性降低有关。

常规和非常规T细胞的细菌识别也可能有助于抗肿瘤免疫反应,并可能通过抗原模拟来激活抗肿瘤T细胞。

来自Jennifer wargo的看法:

正如Giorgio所提到的,特定的微生物和微生物群落可能会对癌症的免疫反应产生正面或负面的影响。  对于在肿瘤本身内发现的微生物以及对于肠道菌群中存在的微生物而言,都是如此。 

大量的证据与肠道微生物有关,其中肠道微生物群的多样性增加和组成差异与更有利的抗肿瘤免疫反应有关。

肠道微生物可通过肠道和肠系膜淋巴结水平上的相互作用以及代谢产物和其他循环因子介导的更远端效应来调节抗肿瘤免疫(以及一般的免疫系统)。

在过去的几年中,我们对所涉及的机制有了深刻的了解,但是仍然有很多值得学习的地方,并且存在难以置信的机会来获得进一步的机制见解。

来自Laurence Zitvogel的看法:

有几种独立的机制-有些加成机制,有些不是-当然也不能互斥,这可以解释不同的共生体对肿瘤免疫监视的免疫刺激(或抑制)作用。 我建议这里有四种主要的行动方式,其中一些已经被提及。

一,共生体可以直接为免疫系统提供抗原性和佐剂性。 

二,它们确保上皮屏障的适应性。 

三,共生体调节宿主的新陈代谢。 

四,共生体调节微生物群生态系统(共生共存网络对于体内平衡至关重要)。

已有研究表明,肠道共生体(例如多形拟杆菌或海氏肠球菌)和自身抗原或癌细胞相关抗原出现在自身免疫性疾病和癌症中,这解释了通常维持在肠道中的T细胞池调动,通常维持在肠道内,向远处和肠外炎症性病变发展。

双歧杆菌属或脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和Akkermansia muciniphila可以介导对肿瘤引流淋巴结中存在的树突状细胞产生辅助作用,从而触发1型干扰素或IL-12指纹,这与保护性1型T辅助细胞(TH1细胞)和CD8 + T细胞抗肿瘤免疫反应相关。 

通过直接影响上皮的完整性,抗癌疗法(例如化学疗法,酪氨酸激酶抑制剂或抗CTLA4免疫检查点阻断)调节了微生物群的组成,最终导致肠道上皮细胞(IEC)的凋亡,主要发生在肠道隐窝中。

根据回肠微生物群的组成,IEC的死亡可以是免疫原性或耐受性的,因此可以调节抗肿瘤免疫监测。

与微生物群落从专性厌氧菌转变为兼性厌氧菌有关的失调会导致结肠变形杆菌种类的增加。 这与抵抗免疫检查点的抵抗力相关。  

IECs上微生物依赖的MHC II类表达上调也可引发移植物抗宿主病(GVHD),从而控制某些血液系统恶性肿瘤。

注:移植物抗宿主病(GVHD)是由于移植后异体供者移植物中的T淋巴细胞,经受者发动的一系列“细胞因子风暴”刺激,大大增强了其对受者抗原的免疫反应,以受者靶细胞为目标发动细胞毒攻击,其中皮肤、肝及肠道是主要的靶目标。

  Q2

我们是否即将知道“好”的微生物菌群是什么样子? 而且这也将取决于个体环境吗? 例如,促进抗癌免疫力的微生物群还会增加自身免疫的可能性吗?

这仍然是微生物群领域中的主要问题。我们非常擅长将某些疾病个体中存在的不良微生物群与健康个体中的微生物群区分开来,但要确定“正常”微生物群是什么仍然难以捉摸。

问题的一部分是微生物学家强烈希望定义单个微生物物种或操作分类单位。但是,重点应该真正放在“好”菌群的作用上。物种之间的路径有很大的冗余,这意味着两个物种可以执行相同的功能,因此微生物群落在个体之间存在着主要的异质性。这方面的例子可以在抗癌研究中看到,每项研究都发现与不同的微生物有关。

关于良好的菌群是什么样还没有共识。实际上,在健康个体之间,微生物群组成存在巨大差异。

如果一个人健康,是否应该假设他/她拥有良好的微生物群?考虑到许多因素,例如宿主遗传学,饮食,地理位置和生活方式,这些因素会不断影响微生物菌群的组成和功能状态。

因此对于具有特定病理状况的个体可能有益的微生物菌群可能对另一个个体或个体都不那么有利。 即使是同一个人在不同情况下。所以我会说是的。这肯定是个体环境相关的。

良好的微生物群组成的共性仍然难以捉摸。的确,即使是单一优良菌群的概念也是模棱两可的,因为不同的成分可能有效地保护了不同宿主中的不同生物。 

这是因为细菌可以适应给定的生态系统,该生态系统由宿主衍生因子和微生物群落的其他成员组成,并因此以个体环境相关的方式发挥作用。

微生物诱导的T细胞的免疫学作用类似地取决于环境,因此在个体之间可以不同。

但是,我相信有效促进抗癌免疫力的微生物群并不一定会诱发自身免疫,因为可以在不影响CTLA4和PD1表达或不影响调节性T细胞和自身反应性T细胞频率的情况下实现微生物群介导的效应T细胞活化。 

因此,在我看来,良好或有效的微生物群可以增强针对非自我的免疫反应,包括肿瘤新抗原,而不会破坏免疫耐受性。

微生物群对炎症和免疫力的调节在预防癌症和治疗癌症方面有不同的作用。与抗PD1治疗有效反应相关的细菌种类已被鉴定,但在各种研究中发现不一致。这可能是由于人体肠道微生物群组成的个体差异和环境因素(例如,饮食和地理分布)的影响。

在我们的早期分析中,我们发现在某些情况下,相同的细菌种类可能与抗肿瘤免疫水平和免疫治疗后发生的免疫相关不良事件有关,尽管Laurence的小组已经报道,将抗CTLA4治疗的增强作用与自身免疫诱导分离开来的细菌组成。

现在,已在人类队列中发表了大量研究,证明了癌症类型中反应者与非反应者肠道微生物组的差异性特征。 但是,在所有这些队列中识别出的分类单元之间只有适度的重叠。

一项研究表明,具有 “1型” 肠道微生物组特征,含丰富的“有利”微生物(如瘤胃球菌科)的患者对免疫检查点阻断治疗更有反应。

但重要的是要记住,可能不是特定的分类群驱动,而是微生物群落的整体功能。研究表明,给定微生物群落的功能能力可能比给定微生物群落中微生物的分类学更为重要,从而支持“功能超过系统发育”的概念。

尽管人们可能认为一种促进抗癌免疫力的特定微生物群也可能增加自身免疫的可能性;但有证据却恰恰相反,也就是说,与更好的抗肿瘤免疫反应有关的肠道菌群实际上也与较低的自身免疫可能性有关。同时,较低的微生物多样性与治疗毒性增加有关。

是的,在我看来,我们接近于描述有益和有害的微生物群组成。

不同的肠道细菌群落与良好的健康状况有关;A. muciniphila、瘤胃球菌科和双歧杆菌属与预防胰岛素抵抗、延长寿命或对免疫检查点阻断的更好反应有关。

相比之下,其他的共生厌氧细菌(如Proteobacteriaceae科和肠杆菌科)则利用IEC压力,并具有对免疫检查点阻滞或化学疗法的抵抗力。

在抗PD1或抗PDL1治疗前1个月给药时,抗生素会降低免疫检查点阻断在肾癌和肺癌中的功效,它们会消除有益细菌,包括瘤胃球菌和梭菌科。

然而,如已经提到的,特定的共生菌株是否具有有益或有害作用将取决于个体微环境。

例如,多形拟杆菌表达的肽模拟肌球蛋白重链,它是心肌的组成部分,在自体免疫性心肌炎的背景下,这种共生体可以引发产生致病性IL-17的T辅助细胞(TH17细胞)反应。 

然而,在抗CTLA4的癌症免疫治疗中,多形拟杆菌也可以促进保护性的IL-12依赖性TH1型免疫应答。

另一个例子是鸡肠球菌。当以单药疗法给予小鼠时,某些鸡肠球菌显示出抗肿瘤活性,而其他菌株与小鼠和人体内系统性红斑狼疮的发生有关。

  Q3

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的功效有多可行? 您是否希望有一天将生物药物作为癌症治疗的组成部分?

正在进行大量的改变微生物群的工作,诸如Vedanta之类的公司正在积极地使用确定的活微生物混合物进行临床试验。

本质上,需要替换或增强生态系统,因此用抗生素(以破坏驻留的微生物)或抗炎剂(以允许传入的微生物混合物建立自身)进行预处理可以有所帮助。 

毫无疑问,在接下来的几年中,将有多种微生物混合物被用作治疗疾病的生物。 几个小组正在尝试将其用于癌症治疗,并且根据小鼠的数据,如果可以建立正确的微生物混合物,则很有可能起作用。

可以使用不同的策略:

粪便移植,转移确定的细菌联合体或单个细菌分离物,使用益生元或通过饮食干预来改变现有微生态或个别菌群,以及从整体性改变菌群(使用广谱抗生素)到局部性改变(例如,使用窄谱抗微生物剂或噬菌体)。尚不清楚应单独或组合使用这些策略中的哪一个(如果有)。

然而,鉴于越来越多的证据表明微生物群会影响治疗结果,因此可以预见,考虑微生物群有一天将成为癌症治疗不可或缺的一部分。

来自健康捐献者或治疗反应者的粪便微生物菌群移植(FMT)的初步研究显示出的结果表明,可以合理地控制微生物菌群的组成。 

但是,考虑到FMT的机理和成分的不确定性,我认为由定义好的一组特征良好的细菌组成的微生物疗法既可行,也更理想。 

然而,实现外源细菌菌株在复杂的常驻菌群内的稳定植入可能是具有挑战性的

研究表明,外在因素(例如营养素和抗生素)可以促进稳定的移入(尽管我们将尽可能避免使用抗生素,如下文更详细地讨论)。 补充确定的营养可以为特定的菌群提供食物,因此可以诱导肠道菌群的系统发育和功能重构,从而产生更有利于外源细菌植入的环境。

成人微生物群具有弹性,如果不消除现有微生物群,很难诱导患者微生物群发生重大变化。

但是,在与匹兹堡大学和MD安德森癌症中心合作正在进行的临床研究中,以及我们自己的小鼠研究中,我们有早期证据表明FMT以及影响微生物菌群的饮食变化可能会改善正在接受抗PD1治疗的黑色素瘤患者的抗肿瘤免疫反应。 

我认为,对于改变微生物群的这类方法的广泛临床应用,我们仍然需要更好地了解有利于抗肿瘤反应的物种和微生物群组成以及潜在的机制。

但正如Romina所说,这些很可能最终成为癌症治疗的标准程序。

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的效力当然是可行的。确实,在美国癌症研究协会(AACR)2019年年会上提出的两项研究表明可能是这种情况。 

肠道菌群的调节可通过多种不同的策略来完成,在考虑使用最合适的策略时,必须考虑许多因素(以及相关因素,如治疗期间的饮食)

正如我的一些同事已经提到的那样,在癌症患者中使用FMT并短暂影响宿主微生物群的组成是可行的。 

鉴于在PD1阻断开始后的头6-8周内进行免疫刺激至关重要,我们推测即使同种异体菌群未定植于受体,患者仍将从移植中受益。

然而,采用最佳选择粪便样本的标准(基于尚待确定的最佳成分,或基于健康状况-完全应答者与健康志愿者的比较)仍然是一个难题。

是的,我设想抗癌益生菌将有一天取代FMT,前提是单克隆益生菌或极简生态系统不会导致具有调节生物活性的α多样性降低和菌群补偿性增加(而非免疫刺激性)。

间歇性使用活体生物疗法可能比连续治疗更受青睐。

  Q4

2013年发表的开创性研究表明,微生物群的耗竭削弱了对化学疗法和免疫疗法的反应。这项工作是否引起了我们对癌症患者应如何使用抗生素的重新思考?

这都是抗生素更大问题的一部分-我们现在意识到,它们对癌症患者不再无害。

我们很久以来就已经意识到抗生素耐药性问题,但现在我们意识到它们还以显著的长期影响干扰了微生物群。因为癌症患者接受许多抗生素治疗,这对癌症来说是一个特别的问题。

需要记住的是,不同的抗生素会影响不同的微生物,因此不能将它们混在一起。关于影响免疫治疗的某些抗生素可能会好坏,我们只是不知道。 

当我们定义免疫治疗涉及哪些微生物时,它将有助于指导抗生素治疗及其谨慎使用。

它无疑提高了人们的认识,并促使调查人员仔细观察。

最近对癌症患者的研究发现,在治疗开始前不久或短时间内使用抗生素会降低化疗和免疫疗法的反应率,而其他人则未发现临床影响。

但是,所有这些研究都有一些警告,需要进行大规模的前瞻性临床试验。抗生素在癌症治疗中的使用还带来了其他毒性作用,例如与GVHD相关的死亡率增加,以及自相矛盾的是,接受造血干细胞移植的血液系统恶性肿瘤患者感染的风险更高。及时治疗癌症患者的感染至关重要。

因此,如何在这些患者中使用抗生素以最大程度地减少对微生物群的附带损害是医生面临的挑战,需要进一步研究。

这些研究无疑使我们重新考虑了在癌症中使用抗生素的情况。这些开创性研究发表后,随后的几项研究报道,微生物群多样性是与有效的癌症免疫力相关的最重要的特征之一。 

一直以来,我从临床医生那里听说,抗生素的使用会削弱免疫检查点阻断的功效。临床医生倾向于在特别害怕机会性感染的情况下预防性地使用抗生素,免疫功能低下的患者就是这样。

高度多样化的微生物群具有通过多种机制抑制病原体感染,包括通过营养竞争,抗菌产物的分泌和宿主免疫系统的激活。 

因此,除了可以增强抗癌免疫力的效应菌群外,重要的是要确定抑制病原体入侵的支持性微生物群。 以活菌疗法的形式综合利用这些微生物活性,是一种在不使用抗生素的情况下同时根除肿瘤和对抗机会性感染的有希望的方法。

这些研究大量使用了几乎完全消灭肠道菌群的抗生素混合物,并不代表抗生素的临床使用。

一些研究表明,单一抗生素的施用可能会增强抗肿瘤反应,例如,通过影响胆汁酸的代谢。 用单一抗生素治疗还可以逆转肿瘤相关细菌对药物分解代谢和对免疫抑制性肿瘤微环境的作用。 

但是,许多研究小组的最新发现清楚地表明,在抗PD1治疗前60天使用抗生素治疗会大大降低治疗效果。 这表明在癌症患者中应避免非必要地使用抗生素,并且在使用抗生素后我们应考虑将免疫疗法的启动延迟一定时间。

正如已经提到的,很明显,肠道微生物的有意(或无意)改变可能会影响对免疫检查点阻断的反应。

这包括抗生素的使用,现在有几项研究表明,在癌症患者中开始用免疫检查点阻断治疗之前服用抗生素,会导致生存率下降和对治疗的临床反应较差。

但是,我们对此的理解还不完整,需要做更多的研究以更好地了解影响肠道和其他部位的菌群的抗生素(以及其他药物和因素,例如饮食)如何影响癌症的发展和对肿瘤治疗的反应

根据这些发现,在癌症患者甚至潜在的健康个体中,我们可能需要发展并承担起抗生素管理的新角色。

在12项回顾性研究中,有11项研究表明抗生素对接受PD1或PDL1免疫检查点阻滞治疗的肺癌,肾癌或黑色素瘤患者的临床结果具有负面影响。 

在两个三级学术转诊中心进行的一项前瞻性,多中心队列研究招募了196名癌症患者,这些患者在2015年至2018年之间按常规临床实践(而非临床试验)接受了免疫检查点阻断疗法。

这项研究前瞻性地证实了在常规临床实践中,未经选择的接受免疫检查点阻断治疗的患者,先前(而非同时)抗生素治疗与较差的客观反应和总体生存率有关。

然而,许多问题仍未得到解答,例如用抗生素治疗后微生物群组成的表征,已使用抗生素的持续时间和光谱,以及潜在的混杂因素(例如,较差的体质)。 

许多癌症中心正在考虑如何延迟首次抗PD1或抗PDL1疗法的给药,并缩短抗生素的递送时间。

  Q5

您对益生菌在癌症免疫治疗中的潜在作用有何看法?

尽管某些益生菌在某种程度上可对某些疾病起作用,但在临床试验中很少进行严格测试。

我非常乐观的是,第二代益生菌将会从肠道中分离出,这样它们就能够真正在肠道中定植,这与目前大多数益生菌不同。 这些将是微生物的混合物,而不是单个菌株,以帮助建立新的微生物生态系统。

我相信在不久的将来,人们会发现可以增强癌症免疫疗法的混合物。也就是说,希望我们能够超越微生物而进入影响免疫疗法的分子中,因为这样我们就可以将这些微生物产品用作常规药物,而我们的卫生系统就是为这些药物而设计的。

我们对此必须非常非常谨慎。 人们普遍认为益生菌对人体有好处,但这是相对的,并取决于多种因素,包括本地宿主微生物群,任何潜在的医疗状况和饮食。  “益生菌”一词指的是活微生物,如果给予足够的量,可以为宿主带来健康益处。

但是,没有足够的科学证据证明疗效,也没有任何监管机构(例如美国食品和药物管理局)批准将其用于任何治疗用途; 相反,这些被许可用作膳食补充剂。 例如,非处方益生菌被广泛用于帮助抗生素治疗后恢复肠道菌群。需要注意的是,最近的研究表明,它们可能会产生相反的效果,这突出了仔细研究的必要性。

通常,使用非处方益生菌减轻胃肠道疾病有关,在许多情况下,这与它们的抗炎特性有关。重要的是,尽管研究仍在进行中,但尚未适当评估其在癌症免疫治疗中的作用。

这并不意味着新鉴定的益生菌可能不会对癌症免疫治疗有所帮助,而这些益生菌应该包含具有特定健康效应的安全性和有效性的明确证据的特定菌株(单个或联合体)。

传统的益生菌已被用于通过发酵保存食品。 因此,它们还没有出于特定目的从人的微生物群中合理地分离出来,它们也不一定是正常微生物群的一部分。  

此外,单一菌株的接种不能恢复正常微生物群中通常可见的多样性,并且缺乏强有力,长期益生菌植入的证据。 

因此,我认为常规的益生菌在临床上至多具有中等程度的作用。 从健康的供体或治疗反应者中分离出来的合理设计的微生物联合体可能会更有效。

传统的商业益生菌不太可能使接受免疫治疗的患者受益,因为它们会改变微生物群的组成和多样性,并可能导致营养不良,因此可能产生负面影响。 

但是,某些益生菌含有细菌(例如,双歧杆菌种),它们已在实验动物模型和癌症患者中均显示出,以增强对免疫疗法的反应。 

目前正在使用单一细菌菌株或已被初步确定为促进免疫疗法的细菌组合进行临床试验。一旦我们清楚地确定了有利的细菌种类并定义了它们的作用机制,它们在患者体内的定殖能力以及它们如何与现有微生物群落一起起作用,这种细菌疗法可能具有提高免疫疗法应答率的巨大潜力。

益生菌一词范围很广,是指被宣传为食用时具有健康益处的微生物。目前的非处方益生菌还没有在癌症患者中进行广泛的测试,甚至有证据表明报告服用非处方益生菌的患者在癌症免疫治疗后可能会有较少的多样性微生物群和更糟糕的结果。

临床前模型中的证据表明,大肠癌模型中非处方益生菌的施用与肿瘤发生的增加有关。因此,应警告癌症患者,非处方益生菌可能无益,在癌症治疗中应避免使用。

但是,我们需要把握机会,开发基于新见识而合理设计的下一代益生菌,但要进行广泛的测试以确保功效并证实其主张。

尽管益生菌通常被认为是一种营养素,可以补偿在使用抗生素、化疗和放疗治疗后出现的腹泻副作用,但许多益生菌菌株和制剂的结果是相互矛盾的。

临床前和回顾性研究似乎表明,使用益生菌可能会降低肠道菌群的α多样性,从而损害免疫检查点阻断的全面功效。 

因此,我们仍然需要评估单个微生物菌株如何在肠道中定居,并且需要研究它们对宿主代谢和免疫系统的影响。

在任何广泛和无针对性的使用之前,这些研究需要在来自不同类型癌症患者的本土微生物群的背景下进行。

  Q6

您认为该领域仍面临哪些关键问题和最大争议?

我认为动物模型和人类都有足够的初步证据表明微生物可以影响癌症的免疫治疗。 但是,还有许多其他问题。

这些包括以下内容。 

涉及的机制是什么? 

涉及哪些微生物? 

微生物产生什么分子来影响免疫治疗? 

我们能否开发出一种可靠的微生物群筛查方法,以识别哪些人会从生物素中受益,哪些人会在没有生物素的情况下做出反应?

最后,所有这些信息是否可以用来开发(1)活的细菌混合物和(2)微生物分子,它们可以可靠地用于接受免疫治疗的患者的临床。

对我来说,关键问题是这一切如何运作

一旦我们对系统学有了更深入的了解,就可以解决一些争议(例如,不同的研究人员发现与治疗结果相关的不同细菌类群,以及有关抗生素对反应率的正面和负面影响的报道)。 

另一个重要的问题是它会随着时间变化吗? 微生物群落,宿主免疫系统和癌细胞之间发生的三向相互作用不仅复杂,而且高度动态。这可能意味着在疾病/治疗的整个过程中将需要采用不同的针对微生物菌群的方法。

近年来,我们获得了大量知识; 然而,就我们对这些过程的理解而言,我们可能只是在摸索表面。

大量研究各自确定了不同的细菌,这些细菌可促进癌症患者免疫检查站阻断的功效。 

关键问题是这些细菌是否通过保守的功能途径增强了对免疫检查点的阻断,还是通过简单的机制简单地促进了相同的表型。 

如果保守的代谢途径起作用,则可以将功能上多余的一组细菌一起使用,以克服将单个细菌群落治疗性移植到不同患者微生物群上的可变成功率。

展望未来,我认为我们的主要目标如下:

首先,我们需要通过消除混杂因素(如早期接触,生活方式和地理差异)来预测有利于抗肿瘤免疫的微生物群组成。 

其次,我们需要确定特定的分类单元和/或调节抗肿瘤免疫力的微生物群的代谢途径和产物。 

第三,我们必须表征宿主免疫系统和微生物群之间发生串扰的潜在机制。 

第四,我们应该将这些分析扩展到理解除肠道以外的其他屏障组织的微生物群,确定与肿瘤相关的微生物群的作用,并阐明该微生物群的其他非细菌成分的作用,如真菌、病毒、噬菌体和原生动物。

最后,一旦确定了单个菌株或联合体,我们需要评估它们在患者体内的定殖能力,以及在现有微生物群落生态中以功能状态共存的能力。

我认为,需要考虑三个关键问题:

首先,什么是“完美”的肠道菌群? 同时,这种促进癌症免疫治疗反应的完美微生物群是否也有助于预防癌症的发生呢?它甚至能增强对疫苗的反应并促进整体免疫健康吗? 

第二,肿瘤微生物组的影响是什么? 我们能把这一点作为癌症预防的目标吗?

最后,我们如何协调微生物组学研究?

我认为在“免疫肿瘤学”领域中存在四个主要问题:

首先,我们如何在临床上定义肠道失调并开发适当的工具以进行准确诊断? 

第二,肠道失调是晚期癌症的原因和/或后果吗? 如果答案是肯定的,那么这是对任何一种癌症还是只对特定类型的癌症有效? 

第三,肠道失调是否会导致对癌症免疫疗法的“原发性耐药”? 

最后,我们能通过干预癌症相关的肠道失调来治愈这个问题吗?如果答案是肯定的,那么这种治愈是短暂的还是会产生长期影响?

03

结  语 

微生物群由共生细菌和生活在宿主上皮屏障上的其它微生物组成,影响着大量的生理功能,包括维持屏障的内稳态,调节新陈代谢、造血作用、神经系统、炎症、免疫力等。微生物群也参与了癌症的发生、进展和转移。

不断积累的研究表明,微生物群,尤其是肠道微生物群能够调节机体对癌症疗法的响应以及对毒副作用的敏感性。一旦确定了每一种临床状况所对应的最有利的微生物群组成,如何修改患者的微生物群将是下一步挑战。 

科学家们普遍认为在癌症和其它疾病中靶向微生物群可能会成为精准医疗和个性化医疗的下一个前沿方向之一,肠道微生物群的弹性、稳定性以及它对生理、病理以及环境变化的响应性使得我们能够利用微生物组的组成作为一种生物标志物、一种诊断工具或者一种治疗靶标。尽管通过靶向微生物组实现治疗干预这一研究领域还处在初始阶段,但一些途径已经证明了其可能性。

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参考文献:

BMJ 2020 07 14;370:m2795. Epub 2020 Jul 14.

Covid-19: disinfectants and sanitisers are changing microbiomes.  Department of Veterinary Microbiology, Lajpat Rai University of Veterinary and Animal Sciences, Hisar-125004, India.  doi.org/10.1136/bmj.m2795

Finlay, B. B., Goldszmid, R., Honda, K., Trinchieri, G., Wargo, J., & Zitvogel, L. (2020). Can we harness the microbiota to enhance the efficacy of cancer immunotherapy? Nature Reviews Immunology. doi:10.1038/s41577-020-0374-6 

01

杀菌剂和消毒剂正在改变微生物群落

随着 COVID-19 疫情的发展,相应的抗菌药物耐药性的加速确实令人担忧。疫情下,加剧了抗生素的大规模滥用,不仅用于治疗人类和动物疾病,而且也用于动物食品生产系统。

近日,BMJ发表一篇有关COVID-19的文章,消毒剂正在改变微生物群落。

幸运的是,现有的工具可用于研究抗生素耐药性的出现和蔓延,并作出“耐药”的知情预测。此外,全球和国家的具体行动计划已到位,以减轻抗生素耐药性威胁。

一个令人担忧的问题是,在Covid-19 大流行中,大量使用消毒剂,对人类、动物和环境中各种生态位的微生物群落产生了不可估量的影响。这种做法带来的结果可能是宿主-共生体相互作用中的失调,从而影响宿主的免疫功能新陈代谢生理参数以及对感染性和非传染性疾病的易感性

益生菌、免疫生物制剂、合生元等都是有望治疗失调的药物。但是,由于过度使用消毒剂而引起的问题,在全球范围内已经超出了生物失调的范畴,例如,医院内的致病菌粪肠球菌出现了抗酒精性,最近报道了万古霉素耐药菌株(如超级细菌)。

困境在于,通过使用消毒剂、杀菌剂和抗生素来遏制Covid-19,我们正在给微生物群落造成不可估量的附带损害,“抹去”了不同生态位的几个共生体,并可能为新的威胁制造 “地雷”。

我们需要利用现有的工具和技术,开发新的工具和技术,以便评估对微生物生态系统的损害,密切检查人与动物之间的微生物关系,预测新的威胁,并揭示控制这些威胁的检查点。

希望从使用抗生素、消毒剂和杀菌剂来遏制Covid-19的普遍智慧中学到的所有经验教训,都将引导我们进入一个装备更完善、威胁可控的未来。


02

能否利用微生物群来提高癌症免疫治疗的疗效?

目前,人们对定义微生物群如何在癌症的背景下塑造免疫反应非常感兴趣。 在小鼠和人类中进行的各种研究都将特定的共生物种与不同癌症类型以及接受癌症免疫疗法治疗后的更好(或更坏)结果相关联。

但是,所涉及的机制仍然不确定,甚至存在争议。 在此观点下,《自然评论免疫学》邀请了该领域的六位著名科学家分享他们对该领域关键问题和挑战的看法

  Q1

越来越多的证据表明某些微生物可以对癌症的免疫反应产生正面或负面影响。 您能否评论一下我们对于微生物如何塑造免疫系统从而影响抗肿瘤免疫力机制的理解?

来自B. Brett Finlay 的看法:

毫无疑问,微生物可以塑造免疫系统。它们最深远的影响是在生命的早期,那时它们可以将免疫系统推向过敏性或非过敏性方向时,从而影响对许多免疫介导疾病的敏感性,例如哮喘,食物过敏和湿疹。

在小鼠中也有重要的证据表明,免疫系统的许多方面可以在以后的生命中通过依赖于微生物(如分段丝状细菌)的过程进行改变。

但是,目前严重缺乏对所有这些过程机制的理解。尽管有关于潜在机制的线索,但目前我们还没有从机制上理解微生物如何影响抗肿瘤免疫力。

来自Romina Goldszmid的看法:

我同意 Brett 的看法,不同的非相互排斥的情况下,细菌,其产物和/或其代谢物通过调节免疫系统的组成部分来影响肿瘤免疫。 

细菌及其产物可针对髓样细胞(例如,它们可以激活抗原呈递细胞,从而帮助引发抗肿瘤T细胞反应,调节促炎性细胞因子和活性氧的产生,或调节髓样细胞的免疫抑制活性)。 

细菌也可以作为抗原源,通过分子模拟影响肿瘤免疫反应(也就是说,识别细菌表位的T细胞可以识别在肿瘤细胞上表达的相似表位),或者可以驱动旁观者T细胞活化。 

其他人则提出了一种间接机制,细菌产物可通过这种间接机制诱导肿瘤中的免疫原性细胞死亡并随后进行免疫活化。对于不同的肿瘤类型和不同的治疗方式,该机制可能会有所不同。 

此外,到目前为止,大多数努力都集中在细菌微生物组的作用上,我们对病毒组(病毒),真菌组(真菌)和寄生组(寄生虫)对抗肿瘤免疫的作用了解甚少。

来自Kenya Honda的看法:

多项研究表明,微生物群至少部分通过系统激活CD8+T细胞(尤其是干扰素-γ(IFNγ)+亚群)增强免疫检查点阻断。

从理论上讲,微生物介导的肿瘤浸润IFNγ+ CD8 + T细胞的诱导可能是由多种机制引起的,包括

(1)肠道诱导的CD8 + T细胞的系统循环

(2)细菌抗原或载有细菌或细菌的树突状细胞

(3)细菌代谢物(由微生物群诱导或产生)和/或细胞因子。

根据我们实验室的观察,肠道来源的CD8 + T细胞不太可能迁移到肠道外,在远端组织中全身循环并调节抗肿瘤免疫力,因为IFNγ+ CD8 + T细胞在肠道和肠道外肿瘤中蓄积。在表型上是不同的。 

细菌抗原或负载细菌的树突状细胞的系统性循环也不大可能,因为在不同解剖部位的T细胞受体用途或T细胞的抗原特异性没有重叠。 

最简单,最可能的解释是,肿瘤中CD8 + T细胞的积累是由于微生物群中免疫调节分子和/或代谢产物的循环所致。由于免疫调节似乎独立于主要的先天免疫信号传导途径而发生,因此代谢产物(也许是几种)而不是与微生物相关的分子模式可能负责形成CD8 + T细胞的抗肿瘤免疫应答。

来自Giorgio trinchieri的看法:

微生物群还调节单核细胞衍生的细胞和嗜中性粒细胞的肿瘤浸润。

革兰氏阴性细菌可以响应CpG寡聚脱氧核苷酸(通过脂多糖介导的Toll样受体4(TLR4)信号转导)引发髓样细胞产生免疫调节细胞因子,例如肿瘤坏死因子(TNF)和IL-12。

微生物细胞介导的骨髓细胞引发活性氧的产生会影响铂类化学疗法药物的抗肿瘤功效。

微生物代谢产物(例如短链脂肪酸)和其他微生物产物调节调节性T细胞和细胞毒性T细胞。

在小鼠肝癌模型中,肠道微生物群中存在的梭状芽孢杆菌将原发性胆汁酸转化为继发性胆汁酸,降低了肝脏中原发性胆汁酸诱导的CXC-趋化因子配体16(CXCL16)的表达;因为这种趋化因子吸引具有抗肿瘤活性的自然杀伤性T细胞,这些细菌与抗肿瘤活性降低有关。

常规和非常规T细胞的细菌识别也可能有助于抗肿瘤免疫反应,并可能通过抗原模拟来激活抗肿瘤T细胞。

来自Jennifer wargo的看法:

正如Giorgio所提到的,特定的微生物和微生物群落可能会对癌症的免疫反应产生正面或负面的影响。  对于在肿瘤本身内发现的微生物以及对于肠道菌群中存在的微生物而言,都是如此。 

大量的证据与肠道微生物有关,其中肠道微生物群的多样性增加和组成差异与更有利的抗肿瘤免疫反应有关。

肠道微生物可通过肠道和肠系膜淋巴结水平上的相互作用以及代谢产物和其他循环因子介导的更远端效应来调节抗肿瘤免疫(以及一般的免疫系统)。

在过去的几年中,我们对所涉及的机制有了深刻的了解,但是仍然有很多值得学习的地方,并且存在难以置信的机会来获得进一步的机制见解。

来自Laurence Zitvogel的看法:

有几种独立的机制-有些加成机制,有些不是-当然也不能互斥,这可以解释不同的共生体对肿瘤免疫监视的免疫刺激(或抑制)作用。 我建议这里有四种主要的行动方式,其中一些已经被提及。

一,共生体可以直接为免疫系统提供抗原性和佐剂性。 

二,它们确保上皮屏障的适应性。 

三,共生体调节宿主的新陈代谢。 

四,共生体调节微生物群生态系统(共生共存网络对于体内平衡至关重要)。

已有研究表明,肠道共生体(例如多形拟杆菌或海氏肠球菌)和自身抗原或癌细胞相关抗原出现在自身免疫性疾病和癌症中,这解释了通常维持在肠道中的T细胞池调动,通常维持在肠道内,向远处和肠外炎症性病变发展。

双歧杆菌属或脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和Akkermansia muciniphila可以介导对肿瘤引流淋巴结中存在的树突状细胞产生辅助作用,从而触发1型干扰素或IL-12指纹,这与保护性1型T辅助细胞(TH1细胞)和CD8 + T细胞抗肿瘤免疫反应相关。 

通过直接影响上皮的完整性,抗癌疗法(例如化学疗法,酪氨酸激酶抑制剂或抗CTLA4免疫检查点阻断)调节了微生物群的组成,最终导致肠道上皮细胞(IEC)的凋亡,主要发生在肠道隐窝中。

根据回肠微生物群的组成,IEC的死亡可以是免疫原性或耐受性的,因此可以调节抗肿瘤免疫监测。

与微生物群落从专性厌氧菌转变为兼性厌氧菌有关的失调会导致结肠变形杆菌种类的增加。 这与抵抗免疫检查点的抵抗力相关。  

IECs上微生物依赖的MHC II类表达上调也可引发移植物抗宿主病(GVHD),从而控制某些血液系统恶性肿瘤。

注:移植物抗宿主病(GVHD)是由于移植后异体供者移植物中的T淋巴细胞,经受者发动的一系列“细胞因子风暴”刺激,大大增强了其对受者抗原的免疫反应,以受者靶细胞为目标发动细胞毒攻击,其中皮肤、肝及肠道是主要的靶目标。

  Q2

我们是否即将知道“好”的微生物菌群是什么样子? 而且这也将取决于个体环境吗? 例如,促进抗癌免疫力的微生物群还会增加自身免疫的可能性吗?

这仍然是微生物群领域中的主要问题。我们非常擅长将某些疾病个体中存在的不良微生物群与健康个体中的微生物群区分开来,但要确定“正常”微生物群是什么仍然难以捉摸。

问题的一部分是微生物学家强烈希望定义单个微生物物种或操作分类单位。但是,重点应该真正放在“好”菌群的作用上。物种之间的路径有很大的冗余,这意味着两个物种可以执行相同的功能,因此微生物群落在个体之间存在着主要的异质性。这方面的例子可以在抗癌研究中看到,每项研究都发现与不同的微生物有关。

关于良好的菌群是什么样还没有共识。实际上,在健康个体之间,微生物群组成存在巨大差异。

如果一个人健康,是否应该假设他/她拥有良好的微生物群?考虑到许多因素,例如宿主遗传学,饮食,地理位置和生活方式,这些因素会不断影响微生物菌群的组成和功能状态。

因此对于具有特定病理状况的个体可能有益的微生物菌群可能对另一个个体或个体都不那么有利。 即使是同一个人在不同情况下。所以我会说是的。这肯定是个体环境相关的。

良好的微生物群组成的共性仍然难以捉摸。的确,即使是单一优良菌群的概念也是模棱两可的,因为不同的成分可能有效地保护了不同宿主中的不同生物。 

这是因为细菌可以适应给定的生态系统,该生态系统由宿主衍生因子和微生物群落的其他成员组成,并因此以个体环境相关的方式发挥作用。

微生物诱导的T细胞的免疫学作用类似地取决于环境,因此在个体之间可以不同。

但是,我相信有效促进抗癌免疫力的微生物群并不一定会诱发自身免疫,因为可以在不影响CTLA4和PD1表达或不影响调节性T细胞和自身反应性T细胞频率的情况下实现微生物群介导的效应T细胞活化。 

因此,在我看来,良好或有效的微生物群可以增强针对非自我的免疫反应,包括肿瘤新抗原,而不会破坏免疫耐受性。

微生物群对炎症和免疫力的调节在预防癌症和治疗癌症方面有不同的作用。与抗PD1治疗有效反应相关的细菌种类已被鉴定,但在各种研究中发现不一致。这可能是由于人体肠道微生物群组成的个体差异和环境因素(例如,饮食和地理分布)的影响。

在我们的早期分析中,我们发现在某些情况下,相同的细菌种类可能与抗肿瘤免疫水平和免疫治疗后发生的免疫相关不良事件有关,尽管Laurence的小组已经报道,将抗CTLA4治疗的增强作用与自身免疫诱导分离开来的细菌组成。

现在,已在人类队列中发表了大量研究,证明了癌症类型中反应者与非反应者肠道微生物组的差异性特征。 但是,在所有这些队列中识别出的分类单元之间只有适度的重叠。

一项研究表明,具有 “1型” 肠道微生物组特征,含丰富的“有利”微生物(如瘤胃球菌科)的患者对免疫检查点阻断治疗更有反应。

但重要的是要记住,可能不是特定的分类群驱动,而是微生物群落的整体功能。研究表明,给定微生物群落的功能能力可能比给定微生物群落中微生物的分类学更为重要,从而支持“功能超过系统发育”的概念。

尽管人们可能认为一种促进抗癌免疫力的特定微生物群也可能增加自身免疫的可能性;但有证据却恰恰相反,也就是说,与更好的抗肿瘤免疫反应有关的肠道菌群实际上也与较低的自身免疫可能性有关。同时,较低的微生物多样性与治疗毒性增加有关。

是的,在我看来,我们接近于描述有益和有害的微生物群组成。

不同的肠道细菌群落与良好的健康状况有关;A. muciniphila、瘤胃球菌科和双歧杆菌属与预防胰岛素抵抗、延长寿命或对免疫检查点阻断的更好反应有关。

相比之下,其他的共生厌氧细菌(如Proteobacteriaceae科和肠杆菌科)则利用IEC压力,并具有对免疫检查点阻滞或化学疗法的抵抗力。

在抗PD1或抗PDL1治疗前1个月给药时,抗生素会降低免疫检查点阻断在肾癌和肺癌中的功效,它们会消除有益细菌,包括瘤胃球菌和梭菌科。

然而,如已经提到的,特定的共生菌株是否具有有益或有害作用将取决于个体微环境。

例如,多形拟杆菌表达的肽模拟肌球蛋白重链,它是心肌的组成部分,在自体免疫性心肌炎的背景下,这种共生体可以引发产生致病性IL-17的T辅助细胞(TH17细胞)反应。 

然而,在抗CTLA4的癌症免疫治疗中,多形拟杆菌也可以促进保护性的IL-12依赖性TH1型免疫应答。

另一个例子是鸡肠球菌。当以单药疗法给予小鼠时,某些鸡肠球菌显示出抗肿瘤活性,而其他菌株与小鼠和人体内系统性红斑狼疮的发生有关。

  Q3

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的功效有多可行? 您是否希望有一天将生物药物作为癌症治疗的组成部分?

正在进行大量的改变微生物群的工作,诸如Vedanta之类的公司正在积极地使用确定的活微生物混合物进行临床试验。

本质上,需要替换或增强生态系统,因此用抗生素(以破坏驻留的微生物)或抗炎剂(以允许传入的微生物混合物建立自身)进行预处理可以有所帮助。 

毫无疑问,在接下来的几年中,将有多种微生物混合物被用作治疗疾病的生物。 几个小组正在尝试将其用于癌症治疗,并且根据小鼠的数据,如果可以建立正确的微生物混合物,则很有可能起作用。

可以使用不同的策略:

粪便移植,转移确定的细菌联合体或单个细菌分离物,使用益生元或通过饮食干预来改变现有微生态或个别菌群,以及从整体性改变菌群(使用广谱抗生素)到局部性改变(例如,使用窄谱抗微生物剂或噬菌体)。尚不清楚应单独或组合使用这些策略中的哪一个(如果有)。

然而,鉴于越来越多的证据表明微生物群会影响治疗结果,因此可以预见,考虑微生物群有一天将成为癌症治疗不可或缺的一部分。

来自健康捐献者或治疗反应者的粪便微生物菌群移植(FMT)的初步研究显示出的结果表明,可以合理地控制微生物菌群的组成。 

但是,考虑到FMT的机理和成分的不确定性,我认为由定义好的一组特征良好的细菌组成的微生物疗法既可行,也更理想。 

然而,实现外源细菌菌株在复杂的常驻菌群内的稳定植入可能是具有挑战性的

研究表明,外在因素(例如营养素和抗生素)可以促进稳定的移入(尽管我们将尽可能避免使用抗生素,如下文更详细地讨论)。 补充确定的营养可以为特定的菌群提供食物,因此可以诱导肠道菌群的系统发育和功能重构,从而产生更有利于外源细菌植入的环境。

成人微生物群具有弹性,如果不消除现有微生物群,很难诱导患者微生物群发生重大变化。

但是,在与匹兹堡大学和MD安德森癌症中心合作正在进行的临床研究中,以及我们自己的小鼠研究中,我们有早期证据表明FMT以及影响微生物菌群的饮食变化可能会改善正在接受抗PD1治疗的黑色素瘤患者的抗肿瘤免疫反应。 

我认为,对于改变微生物群的这类方法的广泛临床应用,我们仍然需要更好地了解有利于抗肿瘤反应的物种和微生物群组成以及潜在的机制。

但正如Romina所说,这些很可能最终成为癌症治疗的标准程序。

改变患者现有的微生物群以提高免疫疗法的效力当然是可行的。确实,在美国癌症研究协会(AACR)2019年年会上提出的两项研究表明可能是这种情况。 

肠道菌群的调节可通过多种不同的策略来完成,在考虑使用最合适的策略时,必须考虑许多因素(以及相关因素,如治疗期间的饮食)

正如我的一些同事已经提到的那样,在癌症患者中使用FMT并短暂影响宿主微生物群的组成是可行的。 

鉴于在PD1阻断开始后的头6-8周内进行免疫刺激至关重要,我们推测即使同种异体菌群未定植于受体,患者仍将从移植中受益。

然而,采用最佳选择粪便样本的标准(基于尚待确定的最佳成分,或基于健康状况-完全应答者与健康志愿者的比较)仍然是一个难题。

是的,我设想抗癌益生菌将有一天取代FMT,前提是单克隆益生菌或极简生态系统不会导致具有调节生物活性的α多样性降低和菌群补偿性增加(而非免疫刺激性)。

间歇性使用活体生物疗法可能比连续治疗更受青睐。

  Q4

2013年发表的开创性研究表明,微生物群的耗竭削弱了对化学疗法和免疫疗法的反应。这项工作是否引起了我们对癌症患者应如何使用抗生素的重新思考?

这都是抗生素更大问题的一部分-我们现在意识到,它们对癌症患者不再无害。

我们很久以来就已经意识到抗生素耐药性问题,但现在我们意识到它们还以显著的长期影响干扰了微生物群。因为癌症患者接受许多抗生素治疗,这对癌症来说是一个特别的问题。

需要记住的是,不同的抗生素会影响不同的微生物,因此不能将它们混在一起。关于影响免疫治疗的某些抗生素可能会好坏,我们只是不知道。 

当我们定义免疫治疗涉及哪些微生物时,它将有助于指导抗生素治疗及其谨慎使用。

它无疑提高了人们的认识,并促使调查人员仔细观察。

最近对癌症患者的研究发现,在治疗开始前不久或短时间内使用抗生素会降低化疗和免疫疗法的反应率,而其他人则未发现临床影响。

但是,所有这些研究都有一些警告,需要进行大规模的前瞻性临床试验。抗生素在癌症治疗中的使用还带来了其他毒性作用,例如与GVHD相关的死亡率增加,以及自相矛盾的是,接受造血干细胞移植的血液系统恶性肿瘤患者感染的风险更高。及时治疗癌症患者的感染至关重要。

因此,如何在这些患者中使用抗生素以最大程度地减少对微生物群的附带损害是医生面临的挑战,需要进一步研究。

这些研究无疑使我们重新考虑了在癌症中使用抗生素的情况。这些开创性研究发表后,随后的几项研究报道,微生物群多样性是与有效的癌症免疫力相关的最重要的特征之一。 

一直以来,我从临床医生那里听说,抗生素的使用会削弱免疫检查点阻断的功效。临床医生倾向于在特别害怕机会性感染的情况下预防性地使用抗生素,免疫功能低下的患者就是这样。

高度多样化的微生物群具有通过多种机制抑制病原体感染,包括通过营养竞争,抗菌产物的分泌和宿主免疫系统的激活。 

因此,除了可以增强抗癌免疫力的效应菌群外,重要的是要确定抑制病原体入侵的支持性微生物群。 以活菌疗法的形式综合利用这些微生物活性,是一种在不使用抗生素的情况下同时根除肿瘤和对抗机会性感染的有希望的方法。

这些研究大量使用了几乎完全消灭肠道菌群的抗生素混合物,并不代表抗生素的临床使用。

一些研究表明,单一抗生素的施用可能会增强抗肿瘤反应,例如,通过影响胆汁酸的代谢。 用单一抗生素治疗还可以逆转肿瘤相关细菌对药物分解代谢和对免疫抑制性肿瘤微环境的作用。 

但是,许多研究小组的最新发现清楚地表明,在抗PD1治疗前60天使用抗生素治疗会大大降低治疗效果。 这表明在癌症患者中应避免非必要地使用抗生素,并且在使用抗生素后我们应考虑将免疫疗法的启动延迟一定时间。

正如已经提到的,很明显,肠道微生物的有意(或无意)改变可能会影响对免疫检查点阻断的反应。

这包括抗生素的使用,现在有几项研究表明,在癌症患者中开始用免疫检查点阻断治疗之前服用抗生素,会导致生存率下降和对治疗的临床反应较差。

但是,我们对此的理解还不完整,需要做更多的研究以更好地了解影响肠道和其他部位的菌群的抗生素(以及其他药物和因素,例如饮食)如何影响癌症的发展和对肿瘤治疗的反应

根据这些发现,在癌症患者甚至潜在的健康个体中,我们可能需要发展并承担起抗生素管理的新角色。

在12项回顾性研究中,有11项研究表明抗生素对接受PD1或PDL1免疫检查点阻滞治疗的肺癌,肾癌或黑色素瘤患者的临床结果具有负面影响。 

在两个三级学术转诊中心进行的一项前瞻性,多中心队列研究招募了196名癌症患者,这些患者在2015年至2018年之间按常规临床实践(而非临床试验)接受了免疫检查点阻断疗法。

这项研究前瞻性地证实了在常规临床实践中,未经选择的接受免疫检查点阻断治疗的患者,先前(而非同时)抗生素治疗与较差的客观反应和总体生存率有关。

然而,许多问题仍未得到解答,例如用抗生素治疗后微生物群组成的表征,已使用抗生素的持续时间和光谱,以及潜在的混杂因素(例如,较差的体质)。 

许多癌症中心正在考虑如何延迟首次抗PD1或抗PDL1疗法的给药,并缩短抗生素的递送时间。

  Q5

您对益生菌在癌症免疫治疗中的潜在作用有何看法?

尽管某些益生菌在某种程度上可对某些疾病起作用,但在临床试验中很少进行严格测试。

我非常乐观的是,第二代益生菌将会从肠道中分离出,这样它们就能够真正在肠道中定植,这与目前大多数益生菌不同。 这些将是微生物的混合物,而不是单个菌株,以帮助建立新的微生物生态系统。

我相信在不久的将来,人们会发现可以增强癌症免疫疗法的混合物。也就是说,希望我们能够超越微生物而进入影响免疫疗法的分子中,因为这样我们就可以将这些微生物产品用作常规药物,而我们的卫生系统就是为这些药物而设计的。

我们对此必须非常非常谨慎。 人们普遍认为益生菌对人体有好处,但这是相对的,并取决于多种因素,包括本地宿主微生物群,任何潜在的医疗状况和饮食。  “益生菌”一词指的是活微生物,如果给予足够的量,可以为宿主带来健康益处。

但是,没有足够的科学证据证明疗效,也没有任何监管机构(例如美国食品和药物管理局)批准将其用于任何治疗用途; 相反,这些被许可用作膳食补充剂。 例如,非处方益生菌被广泛用于帮助抗生素治疗后恢复肠道菌群。需要注意的是,最近的研究表明,它们可能会产生相反的效果,这突出了仔细研究的必要性。

通常,使用非处方益生菌减轻胃肠道疾病有关,在许多情况下,这与它们的抗炎特性有关。重要的是,尽管研究仍在进行中,但尚未适当评估其在癌症免疫治疗中的作用。

这并不意味着新鉴定的益生菌可能不会对癌症免疫治疗有所帮助,而这些益生菌应该包含具有特定健康效应的安全性和有效性的明确证据的特定菌株(单个或联合体)。

传统的益生菌已被用于通过发酵保存食品。 因此,它们还没有出于特定目的从人的微生物群中合理地分离出来,它们也不一定是正常微生物群的一部分。  

此外,单一菌株的接种不能恢复正常微生物群中通常可见的多样性,并且缺乏强有力,长期益生菌植入的证据。 

因此,我认为常规的益生菌在临床上至多具有中等程度的作用。 从健康的供体或治疗反应者中分离出来的合理设计的微生物联合体可能会更有效。

传统的商业益生菌不太可能使接受免疫治疗的患者受益,因为它们会改变微生物群的组成和多样性,并可能导致营养不良,因此可能产生负面影响。 

但是,某些益生菌含有细菌(例如,双歧杆菌种),它们已在实验动物模型和癌症患者中均显示出,以增强对免疫疗法的反应。 

目前正在使用单一细菌菌株或已被初步确定为促进免疫疗法的细菌组合进行临床试验。一旦我们清楚地确定了有利的细菌种类并定义了它们的作用机制,它们在患者体内的定殖能力以及它们如何与现有微生物群落一起起作用,这种细菌疗法可能具有提高免疫疗法应答率的巨大潜力。

益生菌一词范围很广,是指被宣传为食用时具有健康益处的微生物。目前的非处方益生菌还没有在癌症患者中进行广泛的测试,甚至有证据表明报告服用非处方益生菌的患者在癌症免疫治疗后可能会有较少的多样性微生物群和更糟糕的结果。

临床前模型中的证据表明,大肠癌模型中非处方益生菌的施用与肿瘤发生的增加有关。因此,应警告癌症患者,非处方益生菌可能无益,在癌症治疗中应避免使用。

但是,我们需要把握机会,开发基于新见识而合理设计的下一代益生菌,但要进行广泛的测试以确保功效并证实其主张。

尽管益生菌通常被认为是一种营养素,可以补偿在使用抗生素、化疗和放疗治疗后出现的腹泻副作用,但许多益生菌菌株和制剂的结果是相互矛盾的。

临床前和回顾性研究似乎表明,使用益生菌可能会降低肠道菌群的α多样性,从而损害免疫检查点阻断的全面功效。 

因此,我们仍然需要评估单个微生物菌株如何在肠道中定居,并且需要研究它们对宿主代谢和免疫系统的影响。

在任何广泛和无针对性的使用之前,这些研究需要在来自不同类型癌症患者的本土微生物群的背景下进行。

  Q6

您认为该领域仍面临哪些关键问题和最大争议?

我认为动物模型和人类都有足够的初步证据表明微生物可以影响癌症的免疫治疗。 但是,还有许多其他问题。

这些包括以下内容。 

涉及的机制是什么? 

涉及哪些微生物? 

微生物产生什么分子来影响免疫治疗? 

我们能否开发出一种可靠的微生物群筛查方法,以识别哪些人会从生物素中受益,哪些人会在没有生物素的情况下做出反应?

最后,所有这些信息是否可以用来开发(1)活的细菌混合物和(2)微生物分子,它们可以可靠地用于接受免疫治疗的患者的临床。

对我来说,关键问题是这一切如何运作

一旦我们对系统学有了更深入的了解,就可以解决一些争议(例如,不同的研究人员发现与治疗结果相关的不同细菌类群,以及有关抗生素对反应率的正面和负面影响的报道)。 

另一个重要的问题是它会随着时间变化吗? 微生物群落,宿主免疫系统和癌细胞之间发生的三向相互作用不仅复杂,而且高度动态。这可能意味着在疾病/治疗的整个过程中将需要采用不同的针对微生物菌群的方法。

近年来,我们获得了大量知识; 然而,就我们对这些过程的理解而言,我们可能只是在摸索表面。

大量研究各自确定了不同的细菌,这些细菌可促进癌症患者免疫检查站阻断的功效。 

关键问题是这些细菌是否通过保守的功能途径增强了对免疫检查点的阻断,还是通过简单的机制简单地促进了相同的表型。 

如果保守的代谢途径起作用,则可以将功能上多余的一组细菌一起使用,以克服将单个细菌群落治疗性移植到不同患者微生物群上的可变成功率。

展望未来,我认为我们的主要目标如下:

首先,我们需要通过消除混杂因素(如早期接触,生活方式和地理差异)来预测有利于抗肿瘤免疫的微生物群组成。 

其次,我们需要确定特定的分类单元和/或调节抗肿瘤免疫力的微生物群的代谢途径和产物。 

第三,我们必须表征宿主免疫系统和微生物群之间发生串扰的潜在机制。 

第四,我们应该将这些分析扩展到理解除肠道以外的其他屏障组织的微生物群,确定与肿瘤相关的微生物群的作用,并阐明该微生物群的其他非细菌成分的作用,如真菌、病毒、噬菌体和原生动物。

最后,一旦确定了单个菌株或联合体,我们需要评估它们在患者体内的定殖能力,以及在现有微生物群落生态中以功能状态共存的能力。

我认为,需要考虑三个关键问题:

首先,什么是“完美”的肠道菌群? 同时,这种促进癌症免疫治疗反应的完美微生物群是否也有助于预防癌症的发生呢?它甚至能增强对疫苗的反应并促进整体免疫健康吗? 

第二,肿瘤微生物组的影响是什么? 我们能把这一点作为癌症预防的目标吗?

最后,我们如何协调微生物组学研究?

我认为在“免疫肿瘤学”领域中存在四个主要问题:

首先,我们如何在临床上定义肠道失调并开发适当的工具以进行准确诊断? 

第二,肠道失调是晚期癌症的原因和/或后果吗? 如果答案是肯定的,那么这是对任何一种癌症还是只对特定类型的癌症有效? 

第三,肠道失调是否会导致对癌症免疫疗法的“原发性耐药”? 

最后,我们能通过干预癌症相关的肠道失调来治愈这个问题吗?如果答案是肯定的,那么这种治愈是短暂的还是会产生长期影响?

03

结  语 

微生物群由共生细菌和生活在宿主上皮屏障上的其它微生物组成,影响着大量的生理功能,包括维持屏障的内稳态,调节新陈代谢、造血作用、神经系统、炎症、免疫力等。微生物群也参与了癌症的发生、进展和转移。

不断积累的研究表明,微生物群,尤其是肠道微生物群能够调节机体对癌症疗法的响应以及对毒副作用的敏感性。一旦确定了每一种临床状况所对应的最有利的微生物群组成,如何修改患者的微生物群将是下一步挑战。 

科学家们普遍认为在癌症和其它疾病中靶向微生物群可能会成为精准医疗和个性化医疗的下一个前沿方向之一,肠道微生物群的弹性、稳定性以及它对生理、病理以及环境变化的响应性使得我们能够利用微生物组的组成作为一种生物标志物、一种诊断工具或者一种治疗靶标。尽管通过靶向微生物组实现治疗干预这一研究领域还处在初始阶段,但一些途径已经证明了其可能性。

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参考文献:

BMJ 2020 07 14;370:m2795. Epub 2020 Jul 14.

Covid-19: disinfectants and sanitisers are changing microbiomes.  Department of Veterinary Microbiology, Lajpat Rai University of Veterinary and Animal Sciences, Hisar-125004, India.  doi.org/10.1136/bmj.m2795

Finlay, B. B., Goldszmid, R., Honda, K., Trinchieri, G., Wargo, J., & Zitvogel, L. (2020). Can we harness the microbiota to enhance the efficacy of cancer immunotherapy? Nature Reviews Immunology. doi:10.1038/s41577-020-0374-6 

被迫改变生活方式对少数族群的微生物群和健康的影响

谷禾健康

现代生活方式通过部分改变微生物组而增加了人类患慢性病的风险。但是,对于少数族群而言,生活方式的改变将对健康产生怎样的影响,这方面的研究并不多。近日,爱尔兰国立科克大学Fergus Shanahan及其课题组的最新研究:Microbiome and health implications for ethnic minorities after enforced lifestyle changes 揭示了由生活方式改变引起的微生物组变化对少数族群健康的影响。这一研究成果发表《Nature Medicine》上。

摘要

生活方式会影响早期的微生物群,这时微生物群已经形成但免疫系统还未成熟。此外,通过对遗传相似的人群和居住在同一地理位置的不同种族的群体的研究,已经将生活方式的影响与遗传和地理因素分开。

爱尔兰旅行者是一个不同种族的亚群体,他们因为2002年的一项立法而结束了游牧生活,这改变了他们的生活方式(从游牧到定居)。

肠道微生物群的比较宏基因组学研究显示,爱尔兰旅行者群体保留了一个与非工业化社会人群相似的微生物群。他们的微生物群与非饮食因素有关,并且和与微生物相关的代谢性疾病的风险成比例的相关。研究结果表明,当少数族群的生活方式被迫改变时,会影响与微生物相关的公共卫生问题。

背景

爱尔兰旅行者占爱尔兰人口的近1%,它们在200到1200年前从定居的社区中分离出来,在2017年获得了单独的种族身份,以表彰他们独特的文化、语言、历史和生活方式。

他们与欧洲的其他游牧民族(分别被称为罗马尼人和罗马人)不同,但在基因上与非游牧定居的爱尔兰人非常相似。

社会经济因素被认为是少数民族健康不平等的主要决定因素。

爱尔兰旅行者的预期寿命自1987年以来一直停滞不前,而非旅行者爱尔兰人的预期寿命却大幅上升。

爱尔兰旅行者的死亡率高于普通人群,这一高死亡率是由多种因素造成的,包括事故、自杀、创伤和心血管疾病、呼吸和癌症死亡。

实验设计

研究对象:

118名成年爱尔兰旅行者,平均年龄39岁((±13岁,sd)。其中男性53人(44.9%),女性65人(55.1%)。

所有参与者都居住在科克市中心30公里半径内的5个地点之一。都进行了饮食评估(通过半定量的155项食物频率调查问卷(FFQ)评估)、世界卫生组织幸福指数(WHO-5)调差问卷填写、个人病史和家族史调查。

在研究开始后的1个月内,没有人服用抗生素,也没有人服用泻药、皮质类固醇、消炎药或抗凝剂。

研究人群的特征:

分组:

irish Travellers:爱尔兰旅行者

Elderly irish community:居住在社区住宅的爱尔兰老年人,非旅行者,137人

Elderly irish long-stay:长期接受家庭护理的爱尔兰老年人,非旅行者,53人

Young irish:青年的爱尔兰人,非旅行者,141人

international  controls/ Global:从鸟枪法宏基因组公共数据集中选取了3481名成人(≥20岁)的宏基因组图谱,作为无疾病对照。这些数据覆盖五大洲的15个不同民族。包括了non-industrialized societies(非工业化群体)和“industrialized”(工业化群体)

non-industrialized-like:爱尔兰旅行者亚群体,下文称类非工业化群体

industrialized-like:爱尔兰旅行者亚群体,下文称类工业化群体

宏基因组数据分析:

采集每个参与者的粪便,提取DNA。用于Illumina NextSeq平台的宏基因组鸟枪法测序。数据预处理后,使用MetaPhlan2进行物种分析,HUMANN2进行基因功能分析。

R3.5.3进行数据的统计分析。分组间的比较使用Mann-Whitney U检验,对于组内比较,采用Mann-Whitney检验,并将丰度差异(Benjamini–Hochberg, P< 0.1) 确定为一组相对于另一组的增加或减少。I-graph包用于网络的分析,Cytoscape可视化。

主要结果

1. 利用PCoA分析不同群体之间的微生物组成差异。发现爱尔兰旅行者有不同于其他队列(非工业化群体和工业化群体)的独特的微生物组成。

a. 爱尔兰旅行者群体与老年和年轻的非旅行者爱尔兰人群体间的PCoA分析。可以看见两者之间有明显的分离。(PERMANOV A F model = 4.86,R2 = 0.01, P = 0.001)

b. 爱尔兰旅行者与其他来自全球的某些地区的宏基因组元数据(international  controls)之间的PCoA分析。在PCoA的第二条轴上能明显看到非工业化和工业化群体之间的分离。(ANOVA,PCoA1:P<2.2*10^-16, PCoA2:P<0.003)

c. PCoA图。微生物群α多样性的两个指数(物种多样性和丰富度)表明,爱尔兰旅行者在工业化和非工业化群体之间处于中间位置。

d. 为了探索c图中处于中间位置的微生物群,研究人员在PCoA坐标上采用了一种基于距离的方法,通过计算每个参与者各自的肠道微生物群与工业化和非工业化人群的中位距离,确定了“中间”(Intermediate)的微生物群。

2. 在旅行者亚群体中确定了类非工业化、类工业化和“中间”的微生物群落

通过计算6种不同的相异距离度量,Bray-Curtis,

Jaccard, Binomial, Manhattan, Canberra 和Spearman,进行PCoA分析,在每个分析情况下都明显出现了分离,红色为类非工业化,暗黄色为“中间”,蓝色为类工业化。

3. 通过对爱尔兰旅行者的饮食模式与其它爱尔兰人队列或爱尔兰旅行者亚群之间的比较研究。结论表示爱尔兰旅行者组之间的饮食差异很小,主要的饮食差异在旅行者和非旅行者爱尔兰人之间,不在旅行者的亚群中。

a.各种常量营养素和微量营养素的平均消耗频率的中位数的热图,横轴为不同队列,纵轴为各营养素,单元格内的值为校正后P值,仅显示P<0.1的情况。

爱尔兰旅行者饮食的主要标志是高脂肪(各种形式)和蛋白质,以及相对较高的视黄醇、氯化物、泛酸、色氨酸、碘、维生素B12和锌。

爱尔兰旅行者的纤维摄入量(由非淀粉多糖反映)低于所有其他组,除了Elderly irish long-stay组。

b.PCoA图展现了不同队列之间基于常量营养素的膳食概况和指定营养素与各队列的关联。爱尔兰旅行者用红色表示。

c. 箱线图显示爱尔兰各队列的健康食品多样性(HFD)的指数值。爱尔兰旅行者的饮食质量明显低于其他组。

d.对爱尔兰旅行者中三个亚群(非工业化组,中间组【Intermediate】,工业化组)的饮食概况进行了PERMANOVA分析,结果显示三组之间的饮食相似。

e、f.  热图显示了爱尔兰旅行者的三个亚群(*Travellers)与另外三个非爱尔兰旅行者队列中五大主要食品的平均消费水平。从图中侧边的聚类看,爱尔兰旅行者亚群之间的差异较小。箱线图指示健康食品多样性指数。

4.利用网络分析,探索非工业化群体和工业化群体的微生物群之间的关联性

使用了international  controls数据集(3481个样本),揭示了两个截然不同的群体(工业化和非工业化),其中蒙古人(Mongolian)和旅行者这两个群体都与工业化和非工业化群体有联系。

在旅行者亚群中观察到了不同的关联性,其中类非工业化群体主要与非工业化群体、“中间”和类工业化群体有关联,而“中间”和类工业化群体又与工业化群体有关联。

4. 爱尔兰旅行者儿童期到成年期生活条件变化与微生物群落的关系,论证了生活条件的变化与微生物群的差异有关

计算了工业化与非工业化微生物群的PCoA坐标与爱尔兰旅行者队列中特定居住地点组(a图横轴坐标名称所示)的样本之间的欧氏距离。然后计算平均距离。

Bean图显示了给定变量在y轴上每个值上的平滑密度分布。对于每个Bean图,在给定值y处的图的宽度指示具有该y值的变量的频率。

Bean图中的P值表示在特定居住地点组内的非工业化和工业化群体之间的中位数距离的成对比较的重要性。Bean图上的P值(颜色分别对应非工业化和工业化群体)表示特定居住地点组间的两两比较的重要性。

从a图中得出结论,在工业化群体中,对比一直住在房子里的旅行者,童年时就住在停歇地的旅行者的微生物群变化更大。

b. 爱尔兰旅行者亚群与非旅行者爱尔兰群体微生物群的比较。Bean图显示了3个爱尔兰旅行者亚群和非旅行者爱尔兰人的微生物群与非工业化和工业化队列的微生物群的平均距离的分布。

5. 与旅行者保留祖先或非工业化微生物群有关的主要的生活方式因素是住房条件、兄弟姐妹数量和动物拥有率。饮食并不是将旅行者的微生物群分成类非工业化的和类工业化的两个组的决定因素。

a.b. 曲线下面积(AUC)为0.82,总体准确率>77%的旅行者中,有8个因素可以解释非工业化的微生物群与工业化的微生物群

c. 有3个因素使爱尔兰旅行者有别于其他爱尔兰人:住房条件(Housing conditions)、兄弟姐妹数量(Number of siblings)和动物所有权(animal ownership)。

d.e.f 在住房条件为停歇地的群体中,保留非工业化类微生物群的旅行者的个体比例明显更高(Fisher’s

exact test, P = 0.004),而这些保留非工业化类微生物群的群体都存在显著的兄弟姐妹数量增加和拥有动物所有权的个体比例增高。

6. 爱尔兰旅行者微生物群的组成变化与基因功能代谢变化有关,而这些功能变化与工业化(西方)社会的慢性病风险的增加有关,如SCFA途径减少、TMA增多。

类非工业化(NI-Like)和类工业化(I-Like)旅行者之间的微生物群功能差异与全球队列(Global)中的微生物群功能差异情况,结果证明这两者是相似的。通过观察功能预测和已知的种水平的功能分析之间的一致性,用来识别具有差异的代谢途径或功能。

图中abcdef分别为丁酸盐、脂多糖生物合成、粘蛋白降解、次级疏水胆汁酸生成、动物碳水化合物、三甲胺转化率。

左边为产物的生产丰度,右边为与该产物相关的KEGG代谢基因的丰度。

生产丰度的变化趋势也反映在与其相关的功能代谢基因的丰富度上。所有P值都经过FDR校正,出了橙色高亮的P值。

TMA被认为是动脉粥样硬化、脂肪性肝病和2型糖尿病的危险因素。血清TMA水平受包括肠道微生物在内的因素调控。

结论

爱尔兰旅行者的微生物群的特征表现为缺乏在非工业化群体中典型丰富的物种,同时又表现出对工业化社会典型丰富的物种的较低的、可变的获取。

旅行者微生物群差异的主要驱动因素是非饮食的生活方式和环境因素。虽然旅行者的饮食是西式的,但他们的生活条件与非工业化社会相似。

与工业化相关的微生物群的功能变化可能使旅行者更容易患上慢性病,包括次级胆汁酸的生成增加,LPS的生物合成增加,TMA转化率增加。产甲烷古菌的丧失,这也是一个特征,预计会导致氢水平和氧化还原通量的改变。

研究人员认为要预防西方的慢性病,需要了解肠道微生物群如何随着现代化的发展而变化。由于环境是宿主与微生物相互作用的一个深刻决定因素,因此在现代工业化社会中拥有一个非工业化的类似微生物群落的这一意义需要引起大家的关注。


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随着高通量技术的发展,我们对微生物的认识逐步深入,微生物在临床以及科研上的应用越来越多,而微生物采样的正确与否直接关系到微生物数据的准确性。

因此,微生物的采样方法就显得格外重要。

首先,我们需要在取样的过程中,注意以下几个方面:

(1) 所有实验用到的取样用具必须是经过灭菌的(如样品袋、取样器、采血管、试管、铲子、匙、刀类工具等)。

(2) 收集样品信息,取样前或取样后应在盛装样品的容器或样品袋上立即贴上标签,每件样品必须标记清楚(例如品名、来源、数量、取样地点、取样人及取样日期等)。

(3) 请尽量将样本分装 3-5 份备份;建议每组取 6 个及以上重复较为合适,至少 3 个重复。

(4) 用到谷禾取样管的实验样品,可以常温运输;如果不用取样管,则必须低温-80℃保存,保存期间切忌反复冻融;低温寄送时请将样品置于泡沫箱中,用干冰寄送。

然而样品种类繁多,不同的样品取样有不同的方案,下面详细介绍每类样品对应的取样方案。

环 境 微 生 物  

普通土壤

(1)去除表面浮土、凋落物等,根据土壤情况,选择是否过2mm筛网,每个样品从3个及以上采样点采集并混合而成,建议将样本分装 3-5 份备份

注:采样时需注意每个采样点的取土深度及采样量应均匀一致,土样上层与下层的比例要相同。

(2)保存于无菌离心管中,置于泡沫箱(冰袋或干冰)中,0°C以下运回实验室;

(3)如果条件不允许立即提DNA,可将样品置于-80°C冰箱中保存,并通过干冰寄送至公司后提取样品总 DNA。

根际土壤

根际,是指受植物根系活动影响,在物理、化学和生物学性质上不同于土体的那部分微域环境。部分研究是针对土壤微生物与植物之间的相互关系,因此需要对根际土进行取样。

(1)  采集植株,去除根周较松散的土,仍附着在根系表面的视为根际土。将植物置于装有冰袋或干冰的保温箱中,避光条件,0℃以下运回实验室;

(2)准备无菌容器,将植物根系部分置于缓冲液(PBS或生理盐水)中震荡,震荡时间和强度依据样本实际情况调整,洗下根际土;

(3)将洗涤液进行高速离心,收集土壤沉淀,若沉淀较少,也可过滤膜,同一样方取样的样本进行多点等量混合;

(4)  将样本分装至离心管中,密封,标记样本信息后液氮速冻,置于-80℃冰箱保存,干冰寄送。

水体沉积物、底泥

采集水底沉积物5~10 g(具体深度依据实验目的确定),保存于冻存管中,标记好样本信息后液氮速冻或置于装有干冰的泡沫盒中,黑暗环境下,尽快运回实验室,-80℃冰箱保存,干冰寄送。

活性污泥

多点取样并等量均匀混合至约10 ml的悬浮污泥样本(5~10 g沉降物),保存至冻存管中,标记好样本信息后液氮速冻或置于装有干冰的泡沫盒中,黑暗环境下,尽快运回实验室,-80℃冰箱保存,干冰寄送。

水 体  

(1) 采集水样应注意无菌操作,以防止杂菌混入。

(2) 根据实验设置,选取适当孔径的滤膜,使用水体抽滤机抽滤 1~100 L 水体(不同水质间差异极大),或抽滤至滤膜上可见明显覆盖物。

对于浑浊水体,建议过滤前静置分离悬浮颗粒物,先用大孔径滤膜过滤一遍,再用小孔径滤膜过滤。

(3) 标记好样本信息后液氮速冻或置于装有干冰的泡沫盒中,黑暗环境下,尽快运回实验室,-80℃冰箱保存,干冰寄送。

注:根据水体中微生物含量不同,取样量有所不同:污水等菌群丰富的水体用量一般为200-1000 ml,湖泊、河流等自然水体一般为 1-2 L,自来水等菌群含量较低的水体则一般为 1-5 L,海洋水体随着地理位置、季节和取样深度浮动较大。

食  品   

包装食品

尽可能取原包装,检验前不要开封,以防污染。

大块冷冻食品,应从几个不同部位用灭菌工具取样,使样品具有充分的代表性;

在将样品送达实验室前,要始终保持样品处于冷冻状态。样品一旦融化,不能再冻,保持冷却即可。

液体食品

通常情况下,液态食品较容易获得代表性样品。

盛放在大罐中的液态食品(如牛奶、奶昔、饮料等),取样时可连续或间歇搅拌;

盛放在小容器的液态食品,可在取样前将液体上下颠倒,使其完全混匀。较大的样品要放在已灭菌的容器中送往实验室。实验室在取样检测之前应将液体再彻底混匀一次。

对于牛奶、葡萄酒、植物油等,常采用虹吸法(或用长形吸管)按不同深度分层取样,并混匀。如样品粘稠或含有固体悬浮物或不均匀液体应充分搅匀后,方可取样。

半固体食品  

用无菌操作开启包装,此类样品无法用吸管吸取,可用无菌勺子从不同部位挖取样品,放入无菌盛样容器。若样品是粉末,应边取边混合。

固体食品

面粉或奶粉等易于混匀的食品,其成品质量均匀、稳定,可以抽取小样品(如100g)检测。但散装样品必须从多个点取大样,且每个样品都要单独处理,在检测前要彻底混匀,并从中取一份样品进行检测。

肉类、鱼类或类似的食品既要在表皮取样又要在深层取样。深层取样时要小心不要被表面污染,同时避免使之暴露在空气当中。

有些食品,如鲜肉或熟肉可用灭菌的解剖刀和钳子取样;冷冻食品可在未解冻的状态下可用锯子、木钻或电钻(一般斜角钻入)等获取深层样品;全蛋粉等粉末状样品取样时,可用灭菌的取样器斜角插入箱底,样品填满取样器后提出箱外,再用灭菌小勺从上、中、下部位取样。

注:

· 注意不要使固体样品过度潮湿,以防食品中固有的细菌滋生。

· 食品如为非冷藏易腐食品,应迅速将所取样品冷却至0℃~4℃;若样品是冷冻的,应保持冷冻状态,低温寄送。

植 物 内 生 菌   

植物内生细菌是植物微生态系统中的重要组成部分,直接对植物组织样本进行测序分析,可以研究植物内生细菌或真菌的多样性。

(1)  根据研究对象选取新鲜植物组织(如果是植物根部,需去除根表粘附土壤);0℃以下运回实验室;

(2)  根据组织大小剪成小块或小段(至少两边不超过0.5cm),在无菌工作台内,用无菌水对植物组织进行洗涤30s;

(3) 表面无菌化处理:  

第一次消毒:75%无水乙醇浸泡1min;第二次消毒:2%次氯酸钠处理3min,转入75%无水乙醇浸泡30s,接着用无菌水漂洗3次;

(4)  进行核酸提取实验或液氮速冻,放置-80℃冰箱保存。干冰寄送。

动物肠道内容物 

(1) 用无菌手术刀挖取(或无菌镊子挤出,也可用无菌生理盐水冲洗出)肠道内容物;

(2) 直接用谷禾取样盒里的棉签沾取约黄豆大小的肠道内容物,将沾取内容物的棉签浸入取样管液体搅拌洗脱内容物进入取样管保存液内;搅拌约30-40s,然后丢掉棉签,将管子盖子拧好,快速摇晃取样管至少30秒;

(3) 观察到管内液体带有明显肠道内容物颜色即取样成功,常温寄送。

人和其它动物粪便 

(1) 使用前请洗净双手,防止杂菌干扰。将取样管取出,拧开盖子。

(2) 用取样棉签沾取少量新鲜粪便(需要量为黄豆一绿豆大小);如粪便较干,可先将棉签在取样管中浸湿后沾取;

(3) 将沾取粪便的棉签浸入取样管液体搅拌洗脱粪便进入取样管保存液内,搅拌约30-40s,然后丢掉棉拭子,将管子盖子拧好,快速摇晃取样管至少30秒;

(4) 观察到管内液体带有明显粪便颜色即取样成功,常温寄送。

注:

· 如3天内使用过抗生素类、质子泵类胃药、阿片类精神药物请停药3天后再检测。

· 感冒、腹泻或其他症状期间不影响取样,拉稀或稀便可以用棉签反复沾取粪便至取样管。

· 如长期便秘无排便可使用开塞露等辅助手段获取粪便样本。

·取样无时间和饮食限制,但是取样前最好正常饮食。

· 完成取样后样本可常温有效存储一周,为保证检测时效请完成取样后尽快送回。

口   腔    

口腔拭子

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等;

(2) 准备一杯清水(约150ml),将清水含入口中,充分洗漱口腔约10秒,重复2-3次。

(3) 将拭子伸入口腔,使拭子头充分接触左侧口腔内壁,上下牙床处粘膜,用适当力度上下擦动并旋转拭子15-20圈。用同样方法在右侧口腔内壁及上下牙床粘膜处进行另一根拭子的采样。

(4) 将拭子置入取样管保存液内,搅拌约30-40s,然后丢掉拭子,将管子盖子拧好,快速摇晃取样管至少30秒;常温寄送。

咽拭子

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等;

(2) 准备一杯清水(约150ml),将清水含入口中,充分洗漱口腔约10秒,重复2-3次。

(3) 将采集对象舌头外拉,使悬雍垂尽可能向外牵引。同时,将拭子越过舌根到咽后壁或者悬雍垂后侧,反复擦拭15次以上,避免接触舌、口腔粘膜和唾液。

(4)  将拭子置入取样管保存液内,搅拌约30-40s,然后丢掉拭子,将管子盖子拧好,快速摇晃取样管至少30秒;常温寄送。

唾液取样

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等;

(2) 准备一杯清水(约150ml),将清水含入口中,充分洗漱口腔约10秒,重复2-3次。

(3) 用舌尖抵住上颚或下颚齿根以富集唾液,向取样管中轻轻吐入唾液,直至液体唾液(非气泡)达到2ml 以上。搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒;常温寄送。

牙菌斑取样

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等;

(2) 准备一杯清水(约150ml),将清水含入口中,充分洗漱口腔约10秒,重复2-3次。

(3) 用棉卷隔湿所采集的牙齿,再以无菌生理盐水冲洗牙面,用无菌挖匙或探针采集窝沟菌斑或唇颊面菌斑;以牙线置于两邻牙之间,紧贴牙面采集邻面菌斑。采集后放入含有保存液的取样管内,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒;常温寄送。

皮   肤 

一、样本筛选

如果受试者存在以下情况,则需剔除:

(1) 采样前7天,脸部,头皮,脖子,胳膊,前臂或者手使用过抗生素或者萜类物质者;

(2) 脸部,胸部,背部或者肩膀有痤疮者;

(3) 头皮,脸,脖子,手臂,前臂或者手上有水泡,脓疱,疮,脓肿,腐烂或者溃疡者;

(4) 在取样部位处有一处水泡,脓疱,疮,脓肿,腐烂,溃疡,藓,伤口,裂纹或者色素及粉红色的皮肤修复区者;

(5) 身上有多处粉色或红色皮肤区域者(暗指牛皮癣或者湿疹患者);

(6) 手掌或者脚掌皮肤增厚或者有裂纹者;

(7) 两周之内,每天使用去屑洗发水都不能清理干净头皮屑者;

(8) 身体一处或者多处有散发型皮疹者。

二、收集方法

(1) 将拭子在无菌生理盐水或清水中浸湿,在实验目的区域擦拭10s;

(2) 样本采集后立即将拭子置入取样管保存液内,搅拌约30-40s,然后丢掉拭子,将管子盖子拧好,快速摇晃取样管至少30秒;常温寄送。

人体其它部位    

组  织    

(1)  取相应部位组织样品,于无菌操作台上解剖,用灭菌剪刀、解剖刀切取指甲盖大小左右组织块;

(2)  将组织块放入冻存管中并盖紧盖子,标记好样本信息。样品液氮速冻后放入-80℃冰箱保存。干冰寄送。

肺泡灌洗液  

(1) 口咽部进行雾化利多卡因麻醉后,滴注120-300mL无菌生理盐水进行BAL液体标本的收集。取样后离心,去掉上清,取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存,干冰寄送;或取沉淀物洗脱置取样管,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒,常温寄送。

肠道灌洗液  

(1) 收集肠道灌洗液,过膜;或者将肠道灌洗液离心,弃上清,取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存,干冰寄送;或取沉淀物洗脱置取样管,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒,常温寄送。

生殖道   

(1) 采用无菌棉拭子,沿着阴道口、阴道中部和后穹窿内腔壁旋转拭子做圆周运动数次。

(2) 擦拭后立即将拭子浸入取样管中的保存液中,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒,常温寄送。

血 液    

(1) 成人10-20ml(儿童1-3ml)全血收集到真空采集管(已加入抗凝剂),上下颠倒两次。

(2) 标记信息,低温保存,干冰寄送。

乳 汁    

(1) 洗净双手,母乳期用无菌水擦拭乳头,取乳汁5-10ml 3管(除掉第一管)。

(2) 低温(-20℃)保存,干冰寄送;或者用拭子沾取乳汁后,立即将拭子浸入取样管中的保存液中,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒,常温寄送。

 腹 水    

(1) 收集腹水10-20ml,离心,弃上清,取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存,干冰寄送;或取沉淀物洗脱置我们的取样管,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒,常温寄送。

胆 汁    

(1) 胆汁样本由十二指肠引流法或胆囊穿刺法或手术中留取胆汁,采集胆汁量为5ml,置无菌管内,离心,弃上清,取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存,干冰寄送;或取沉淀物洗脱置我们的取样管,搅拌约30-40s,快速摇晃取样管至少30秒,常温寄送。

尿 液    

(1) 采集中段尿液40 ml左右。(中段尿:在排尿过程中,弃去前、后时段排出的尿液,以无菌容器收集);

(2) 一般留取清晨第一次尿液,最好憋尿6小时。住院患者可以直接取晨尿,患者将晨尿的中段尿收集至无菌杯中40 ml为宜;门诊患者或健康人等无尿意者,可以适量饮水,在有尿意时尽可能的多憋一段时间,将尿液的中段尿收集至无菌尿杯中40 ml为宜;

(3) 离心,去上清,加入我们的液体保存,常温寄送。

注:

· 应在抗生素使用前或停用抗生素药5天后留尿液标本。

· 对于小便轻度失禁患者或者憋尿时间过长患者,对中段尿比较难控制的情况下,我们可以告知患者在排尿过程中3 s后采集尿液。

·如果是病危或昏迷病人,可由相关医务人员用导尿方法采集尿液,此操作过程中要严格执行无菌操作,避免因导尿不慎而导致的泌尿系统感染。也可以采用经下腹前壁膀胱穿刺取尿培养的方法。

以上是各类样品的取样方法,可供参考。

也许有人问,是否一定要用我们的取样管保存液,能不能用生理盐水或者别的来替代。下面是我们进行的关于保存液的测试:

经测试,使用谷禾取样管保存液,能在-80℃ ~ 65℃ 的条件下保持DNA完整性,室温有效储存长达30天,尽可能保证与新鲜样本具有一致的菌群构成特征。

要想得到较为理想的测序结果,首先样品的质量需要得到保障,当然样本提取、建库、分析对最终结果都会产生一定的影响,而取样同样重要。如果没有取好,后续分析再多,可能也得不到想要的结果。

另外,严谨的研究设计对于获得准确且有意义的结果也很重要,研究设计中应注意考虑混杂因素,如果在不确定的情况下,也可以适当咨询我们的技术顾问,结合我们的经验,给您合适的建议。

当然实验过程中,也可能会受到多种因素的影响,我们会采用阴性和阳性对照,尽可能减少这些不必要的影响。

总之,做好前期的准备工作,包括研究设计,取样等,后续的提取、测序、分析交给我们~ 

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参 考 文 献

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微生物群和微生物组有区别吗?本文带你详细了解它们的前世今生

微生物研究领域在过去的几十年里发展迅速,已经成为一个重大的科学和公众利益的话题。然而我们对“微生物组”一词缺乏一个公认的明确定义。

近日,奥地利格莱兹科技大学Gabriele Berg教授和亥姆霍兹慕尼黑中心Schloter教授究国际专家组成的小组会议讨论关于微生物和微生物组到最新的技术发展和研究结果,明确区分了“微生物群”和“微生物组”两个术语,并就微生物群的组成、微生物群在时间和空间上的异质性和动态性、微生物网络的稳定性和恢复力、核心微生物群的定义进行了全面的讨论,以及功能相关的关键物种以及微生物宿主和微生物群落内物种间相互作用的共同进化原理。

这些宽泛的定义以及所建议的统一概念将有助于今后改进微生物组研究的标准化,并可能成为综合评估数据的起点,从而使知识从基础科学更快地转移到实践中。此外,微生物组标准对于解决与地球健康领域人为驱动的变化相关的新挑战非常重要,对微生物组的理解可能会起到关键作用。

本文是基于2019年3月6日在奥地利图尔恩举行的研讨会的讨论而形成的,该研讨会是Microbiome Support项目的一部分,该项目旨在建立国际研究标准。

研讨会汇集了来自学术,政府和行业团体的领先微生物组研究人员,他们代表了不同领域的专业知识。 在研讨会之前,通过发送在线调查问卷,收集了来自世界100多位专家的建议。调查的结果和随后的研讨会讨论构成了术语“微生物组”的拟议定义的基础,此处介绍了包含微生物组研究规则和基准修订。

01

从微生物到微生物群落的历史

许多技术发明推动了微生物的研究,导致我们对健康和疾病的理解发生了范式转变。

图1 历史回顾

显微镜的发明,让我们得以发现一个全新的未知的微生物世界。

罗伯特·科赫(Robert Koch)对由于微生物感染而导致的人类和动物疾病起源的解释以及病原性概念的发展是微生物学的重要里程碑。

DNA的发现,测序技术,PCR和克隆技术的发展使人们能够使用与培养无关,而是基于DNA和RNA的方法研究微生物群落。

这些新的可能性彻底改变了微生物生态学,因为以高通量的方式进行基因组和宏基因组分析提供了有效的方法来解决单个微生物以及整个自然栖息地中整个群落的功能潜能。

多项综述已强调了结合多种“组学”技术分析宿主微生物相互作用的巨大潜力和巨大潜力。

02

微生物组定义

通常将微生物群落定义为生活在一起的微生物的集合。更具体地说,微生物群落被定义为多物种集合,其中(微生物)有机体在连续的环境中彼此相互作用。  

微生物组的首次定义

1988年,Whipps及其同事研究了根际微生物的生态学,首次定义了微生物组。他们将“微生物组”描述为“微生物”和“生物组”的组合,并在“具有明确的理化特性的合理定义的栖息地”中将“特征微生物群落”命名为“活动剧场”。

该定义代表了微生物群落定义的实质性进步,因为它定义了具有不同特性和功能的微生物群落及其与环境的相互作用,从而形成了特定的生态位。

微生物组的常用定义

但是,在过去的几十年中,还发布了许多其他的微生物组定义。当前最常引用的定义是Lederberg将生态环境中的微生物群落描述为生物体空间或其他环境中的共栖,共生和致病微生物群落。

Marchesi和Ravel集中在对特定环境下的基因组、微生物(和病毒)基因表达模式和蛋白质组以及生物和非生物条件的定义。所有这些定义暗示着宏观生态学的一般概念可以很容易地应用于微生物-微生物以及微生物与宿主的相互作用。

然而,这些为大型真核生物开发的概念在多大程度上可应用于原核生物,这些原核生物具有不同的生活方式,如休眠,表型变异和水平基因转移以及目前尚不清楚的微型真核生物。这就提出了一个挑战,即要考虑一种全新的微生物组生态学概念生态模型和理论体系,特别是在微生物相互之间以及与宿主生物和非生物环境相互作用的不同层次上。 

许多当前的定义未能捕捉到这种复杂性,并且将术语“微生物组”描述为仅涵盖微生物的基因组(下表)。 例如,Merriam Webster发布平台提出了两种微生物组定义:一种描述宏基因组,另一种是微生物群落,但仍然无法将宿主和环境作为微生物组的整体生态成分而不是一个独立的实体来捕获。 

表1 微生物组的定义

修订后的概念框架将使我们能够从对微生物分类的方法转变为更全面的微生物功能及其与环境相互作用的观点。

然而,这将需要跨不同领域工作的科学家之间更多的跨学科互动。关于微生物组的各种观点是Microbiome Support研讨会中讨论的中心部分。

根据在线调查和研讨会讨论中获得的答复,参与者得出的结论是Whipps等人的原始定义仍然是最全面的,它描述了微生物组的复杂性及其生态学和进化生物学的各个方面。 研讨会的参与者讨论了许多关键点,并提出了一些建议,以澄清和修正原始的Whipps和同事的定义。

这些修正案涉及(1)微生物组的成员,(2)微生物组的成员之间以及现有微生物网络内部的相互作用,(3)环境中微生物群落的时空特征,(4)核心微生物群,(5)从功能预测到物种表型,以及(6)微生物组-宿主或环境相互作用和协同进化。 下面将详细讨论这些方面。

03

微生物组成员

微生物群包括形成微生物组的所有活的成员。 下表解释了这两个词源的词源学和差异。细菌,古细菌,真菌,藻类和小的原生生物应被视为微生物组的成员。大多数微生物组研究人员都同意这一定义。  

表2  微生物组/微生物群词源

噬菌体,病毒,质粒和移动遗传元件的整合是微生物组定义中最具争议的问题之一。 参与者在“微生物组定义”在线调查中的评论也证实了这一点。 受访者对病毒和噬菌体是否应属于微生物组这一问题的回答没有给出明确的答案,并且从“无论如何”延伸到“绝对没有”。 

关于来源于死细胞的细胞外DNA(所谓的“遗留DNA”)是否属于微生物组还没有明确的共识。在更广泛的生境分析中,残留DNA最多可占土壤中测序DNA的40%,平均占细菌总DNA的33%,在某些样品中最高比例为80%。 

有意思的是,尽管它非常丰富且无处不在,但遗留DNA对分类学和系统发育多样性的估计影响很小。 当使用特定术语时,微生物组和微生物群之间的清晰区分有助于避免有关微生物组成员的争议(下图)。微生物群通常被定义为存在于特定环境中的活微生物的集合。由于噬菌体,病毒,质粒,病毒,类病毒和游离DNA通常不被视为活微生物,因此它们不属于微生物群。

图2  强调微生物组(微生物群落)及其“活动区”组成的示意图

最初由Whipps及其同事提出的微生物组一词不仅包括微生物群落,还包括微生物的“活动区”。后者涉及微生物产生的所有分子,包括其结构元素(核酸、蛋白质、脂类、多糖)、代谢物(信号分子、毒素、有机和无机分子),以及共存宿主产生的并由周围环境条件构成的分子。因此,“微生物组”术语应包括所有可移动的遗传元件,例如噬菌体,病毒,“遗物”和细胞外DNA,但不属于微生物群(上图)。

此外,在这方面,重要的是要考虑方法方面的差异,以区分DNA与活生物体及其环境(请参阅技术标准章节)。术语微生物组有时也与宏基因组混淆。 然而,宏基因组被明确定义为来自微生物群成员的基因组和基因的集合。

微生物组研究有时关注特定微生物群的行为,通常与明确的假设有关或由其明确证明。虽然越来越多的术语如“细菌组”,“古细菌组”,“霉菌组”或“病毒组”在科学文献中开始出现,但这些术语并非指生物群落(一个具有独特的(微生物)集合的区域生态系统,而物理环境往往反映一定的气候和土壤)作为微生物群本身。因此,最好使用原始术语(细菌,古细菌或真菌群落)。 

与可以单独研究的微生物群落相反,微生物组始终由所有成员组成,这些成员彼此相互作用,生活在相同的栖息地,并共同形成其生态位。 

公认的术语“病毒组”衍生自“病毒”和“基因组”,用于描述由一系列与特定生态系统或全生命周期相关的核酸组成的病毒Shotgun基因组。但是,这里也可以将“病毒基因组”作为语义和科学上更好的术语来建议。

每个微生物组成员应以何种分辨率进行研究?

对于真核生物,在大多数情况下,“生殖单位”是一个适当的水平,可以测量生物的动态,尽管物种定义仍在争论中。 

但是,对于原核生物,尚不存在基于繁殖的定义:当前的物种定义基于生物之间的DNA同源性,例如DNA-DNA杂交揭示的“ 70%以上的DNA相似性”或根据Goris及其同事的建议。 与真核生物相似,微生物菌株或生态型是分类和功能的基础。 此处定义的菌株的稳定性是最关键讨论的问题,主要是由于水平基因转移(HGT)的频繁发生

后者是由诸如质粒,噬菌体和转座子之类的可移动遗传元件从一种菌株转移到另一种菌株而引起的,导致不可避免的基因组变化并严重影响菌株的稳定性。然而,由于微生物菌株之间的本质功能差异,忽略菌株水平可能会导致对数据的误解。

在微生物菌株中定义具有生态意义的种群对于确定其在环境微生物和与宿主相关的微生物群落中的作用很重要。

最近,作为一种解决方案,引入了一种新的衡量最近基因流量的指标,该方法可确定与近亲相邻的,被强基因流不连续性隔开的一致的遗传和生态单位。

04

微生物网络和相互作用

微生物彼此相互作用,这些共生相互作用对微生物组内的微生物适应性,种群动态和功能能力具有不同的影响。这些相互作用可以在相同物种的微生物之间,也可以在不同物种,属,科和生命域之间。 

这些网络中的交互模式可以是积极的(互惠的、协同的或共栖的)、消极的(偏害共栖[包括捕食、寄生、对抗或竞争])或中性的,即对相互作用物种的功能能力或适应性没有(或没有观察到)影响。

微生物生命策略的概念可以影响相互作用的结果。 例如,争夺相同来源的微生物在不同营养水平争夺相同化合物时也可以从彼此受益。复杂微生物生态系统的稳定性取决于同一底物在不同浓度水平下的营养相互作用

重要的是要强调指出,到目前为止,人们对自然界中微生物社会适应的研究还不够。在这里,分子标记可以通过支持自然微生物群系中利他主义者和作弊者等理论来提供社会适应的见解。

次生代谢产物在介导复杂的种间相互作用并确保竞争环境中的生存中起着至关重要的作用。群体感应(QC), 由小分子(如N-酰基高丝氨酸内酯或肽)诱导的细菌诱导细菌控制合作活动,并使它们的表型适应生物环境,从而导致例如细胞间粘附或生物膜形成。

直接种间电子转移(DIET)是大多数厌氧生态系统中交流的重要机制。此外,挥发性化合物还可以作为长距离信使,实现长距离跨界交流。

此外,所谓的“真菌高速公路”是细菌以及水和养分的运输系统,因此可以在构建微生物网络中发挥重要作用。 

尽管有这些例子,但微生物组内的交流和相互作用仍未得到充分研究,将从对所有微生物组成员的代谢相互作用的更多了解中受益。在这里,还原论实验模型和微生物组模型可以帮助鉴定参与复杂相互作用的微生物和分子机制。

细菌的群体行为调控机制

群体效应(Quorum sensing) 是近来日益受到广泛关注的一种细菌群体行为调控机制, 很多细菌有这种能力, 即分泌一种或多种自诱导剂(Autoinducer) ,细菌通过感应这些自诱导剂来判断菌群密度和周围环境变化, 当菌群数达到一定的阀值(quorum , 菌落或集落数) 后, 启动相应一系列基因的调节表达, 以调节菌体的群体行为。

不同类型的细菌具有不同的群体效应调节系统, 很多细菌分泌同一种诱导剂, 以此调控不同种类细菌间的作用行为。群体效应系统在自诱导剂与受体之间存在专一性, 同时又在调节基因和信号传递系统中体现出多样性和复杂性。由于不少人或植物的病原菌的致病机制等受群体效应的调控, 该机制已成为医学等领域的研究热点。

图3 通过微生物共生网络可视化微生物相互作用

生物信息网络和共现分析给出了关于微生物相互作用模式的复杂性的想法,但它们不适合揭示这些相互作用的性质(上图b)。 尽管存在这一限制,但对微生物网络的分析仍使研究人员能够识别中心物种,并探索微生物组内各种类型的物种相互作用的潜力。在微生物共生网络中,中枢物种以与其他物种的连接程度最高的节点(上图b)为代表。

共现分析也可以在不同的规模上应用,例如,群落规模的生态系统之间的共现模式,群落内共生微生物的模块以及嵌套在微生物群落内的模块内共生对。

它们可以与定植抗性联系起来,这决定了异源微生物入侵本地群落的潜力,并且可以被认为是产生假说的重要工具。 但是,特定类型的微生物相互作用的存在及其对种群动态或功能的后果,需要在相关的模型系统中进行测试(上图c)。

此外,技术方法,如使用稳定同位素的交叉喂养实验或荧光原位杂交和共焦激光扫描显微镜(FISH-CLSM)与双重培养分析相结合,对于检验在硅胶中产生的假设非常有用。

微生物相互作用可能是微生物群落内部进化和共同进化动力学的重要基础

微生物群落成员之间的交流产生了一个复杂的景观,其中细胞的适应性或功能不仅取决于单个细胞的遗传潜能和化学环境,还取决于感测到的生物环境。 网络中的中心物种通常被假设为关键物种,这一概念已从宏观生态学转移到微生物组学研究中。

与其他物种相比,基石物种在各种物种相互作用中起着至关重要的作用,并且对生态系统的性能和动态影响更大。 但是,共同关联网络中的枢纽物种不一定充当基石物种。 后者的特征还必须通过适当的方法加以确认和补充。

枢纽和基石分类单元绝对需要对它们的功能有更好的了解; 此外,它们可以集成到计算方法中以联系微观和宏观生态学问题。 如果可以将关键物种视为“指示分类群”,那么另一个术语(已被定义为高度指示特定实验处理或环境条件的那些类群)仍不清楚。 

指示分类群的概念从实践的角度引起了人们的极大兴趣,并从宏观生态学转移到了微生物组研究中,现在被广泛使用,例如,用于评估农业实践对微生物群落的影响或疾病对微生物的影响的研究。 人类微生物群; 如此处所示,可以使用简单且高度标准化的基于qPCR的方法进行分析。

05

考虑微生物群落的时间和空间变化

微生物群落的时间和空间结构问题对于总体上了解微生物组的功能很重要。对于理解特定过程,例如在生物技术和食品加工应用中病原体的暴发,以及预测和控制微生物群落,它也具有重要意义。总的来说,最初针对大型生物描述的大小多样性关系也被证明存在于各种生态系统中的微生物群落中。

微生物组内的时间动态可以从秒或分钟的尺度进行评估,这反映了信使RNA的时间跨度到几个世纪和一千年的尺度,在此期间微生物与其宿主或在特定环境中共同进化。细菌mRNA的半衰期取决于转录的基因,但通常在数分钟的范围内,而古细菌基因的转录本较长,并且已报道了数小时的时间。

重要的是,尽管过去许多作者将微生物活性与rRNA含量联系在一起,但最近的研究表明该概念存在严重局限性,只有mRNA可被视为代谢状态的可靠指标。 在这一时间尺度范围内理解研究的适当维度对于任何微生物组的操作都是至关重要的,例如在人类微生物组研究中的治疗策略或在环境研究中使用生防制剂。仔细考虑感兴趣宿主的具体特征,例如昼夜节律,季节性变化或与宿主生物的生理学相关的生长阶段,可能有助于确定评估时间动态的最佳尺度。

图4 微生物群在时间和尺度上的动态变化

Stegen等建议考虑三类:(i)生物和非生物历史,(ii)内部动力学,和(iii)外部强迫因素作为影响微生物群落时间动态的因素。

大多数自然生态系统的特征是高度的空间结构,这被认为对许多生态系统服务都很重要。 考虑到空间规模,可能意味着要比较远处区域之间的微生物模式,以及相同生境的生存空间之间的区别不明显(图4b)。 

植物多样性与土壤微生物组多样性的相互影响

土壤主要由微团聚体(<0.25毫米)组成,这些团聚体结合土壤有机碳并保护其免受侵蚀,而大团聚体(0.25到2毫米)则限制了氧气的扩散并调节了水的流量。 每个聚集体都具有独特的生态位,并具有其独特的微生物组结构。 实际上,由于在小空间尺度上存在如此众多的生态位,土壤被认为是地球上微生物群落组成最多样化的生态系统。 例如,农业耕作引起的生态位的减少会导致微生物多样性的丧失。 由于植物和耕作在很大程度上影响土壤结构的发展,植物多样性的丧失也对土壤微生物组的生物多样性产生了强烈影响。 

但是,对于“先生鸡还是蛋”的答案尚不清楚(土壤微生物组的变化会引起植物多样性的改变,反之亦然)。微生物群落对宿主的定殖也不均匀。 

众所周知,例如,叶子的根部与根部相比具有不同的菌群,并且根部本身被微生物异质地定殖,沿着根际的长度以及根部表面与根部内部的微生物群不同。

最近,种子微生物群作为核心微生物群从一代到另一代的垂直传播的一种可能模式引起了人们的关注。

与植物相似,人体也不是被微生物均匀地定殖的:每个人体隔室都包含自己的微生物群,甚至来自一个身体部位的微生物群也可能因采样面积而异(例如皮肤微生物群)。

微生物热点和热点时刻通常紧密相连。例如,土壤的特征是存在所谓的微生物热点(包括根际,小球层或碎屑层在内的空间分离)和热时刻(时间动态)。在热点中,活跃代谢微生物的比例是非热点中微生物的2-20倍,与微生物活性较低的部位相比,热点中微生物组结构和功能的时间变化更具动态性。

06

核心微生物群定义

基于共现分析和捕获微生物群落时空动态的实验数据,研究人员寻求定义核心微生物群落。这确实是有帮助的,因为本地微生物群通常非常复杂,包括来自不同王国的数千种物种。 

定义核心微生物群可以帮助区分微生物群的稳定成员和永久成员,这些种群可能是断断续续的,仅与特定微生物组状态相关或仅限于特定环境条件的种群。

Shade和Handelsman提出了第一个建议,他们将核心微生物组定义为来自相似栖息地的微生物群落之间共享的一组成员,以鉴定复杂微生物群中稳定,一致的成分。

当前,核心微生物群主要是根据具有分类学信息的DNA序列来定义的。考虑到基于DNA的分析(主要是标记基因的扩增子测序)的分辨率极限,但是很明显,核心微生物群主要是通过群体的属级鉴别来定义的,并且菌株特异性和功能变异是不考虑的。

功能性核心微生物群包含携带复制子的媒介

相比之下,Lemanceau及其同事提出了一个功能性核心微生物群,该微生物群包含携带复制子(基因)的微生物媒介,而复制子具有对整体生命的基本功能。 

最近,Toju等人提出了核心微生物群的概念,专门用于将农业生态系统管理为物种丰富的社区; 他们将核心定义为“形成相互作用核心的微生物集,可用于在各个植物和生态系统级别优化微生物功能。”

“核心”微生物群似乎保持相当恒定

Astudillo-García及其同事在审视高度多样化的海洋海绵微生物系统时,评估了不同核心微生物群定义的影响。虽然在定义核心社区时必须谨慎,但是,总体结果似乎对核心定义的变化相对不敏感。瞬时微生物群随时间变化,这取决于环境条件,营养的可获得性和/或宿主的生长和健康阶段,甚至昼夜节律。相反,“核心”微生物群似乎保持相当恒定。就时间动态而言,核心微生物群描述了与给定宿主基因型或特定环境持续相关的微生物群落(图4a)。

这一概念的例外情况也被描述过,例如,在最佳适应再次发生水合/脱水循环的微生物组中,不同的细菌群落在循环中发挥了不同的功能:两者均属于核心。类似地,在空间尺度上,例如,考虑在同一地理区域或同一地理区域的一系列土壤中生长的植物,核心微生物群不变(图4b)。

07

从功能预测到表型

研究微生物组的当前可用方法,即所谓的多组学方法,范围从高通量分离(培养组学)和可视化(显微镜)到靶向分类学组成(宏条形码)或解决代谢潜能(功能基因的宏条形码,宏基因组学) 分析微生物活性(代谢组学,代谢组学,代谢组学)(下图)。 

图5 评估微生物功能的方法

基于宏基因组数据,可以重建微生物基因组。 虽然从环境样品中重建了第一个由基因组组装的基因组,但近年来,数千个细菌基因组在没有培养其背后的生物体的情况下被组合在一起。 例如,最近从9,428个宏基因组中重建了全球154,723个微生物基因组。 

然而,由于一方面微生物基因组DNA序列数据的大量可利用性与另一方面确认基因功能的宏基因组学预测所需的微生物分离物的可利用性之间缺少联系,理解仍然受到很大限制。 

宏基因组数据为新的预测提供了场所,但是需要更多的数据来加强序列与严格的功能预测之间的联系。 考虑到一个氨基酸残基被另一个残基取代可能导致自由基功能改变,从而导致给定基因序列的功能分配不正确,这一点变得显而易见。

此外,需要培养新菌株以帮助鉴定从宏基因组学分析中获得的大部分未知序列,对于研究不足的生态系统,这些序列可能超过70%。根据应用方法的不同,即使在经过充分研究的微生物组中,完全测序的微生物基因组中有40-70%的注释基因没有已知或可预测的功能。

另外,目前的估计预测,具有未知功能的域将很快超过已知功能的族。显然需要更经典的微生物学,包括结合使用靶向突变体和微生物生物化学来应对这一挑战。 

从已经发现的具有未知功能的蛋白家族的全面功能表征中获得的好处,远不止于进一步扩展这些家族的列表。尽管长期以来,结合(广泛的)培养和独立于培养的分析相结合的多阶段方法一直是环境和植物微生物学领域的最新技术,但医学微生物学通常并非如此。 近年来,高通量培养组学建立了人类肠道菌群的参考基因组和培养集。

解原核生物的功能多样性非常具有挑战性

因为目前建立的118种门中有85种迄今尚未描述过单一种。最后,原核门的数量可能达到数百个,而古细菌门的研究最少。这个问题需要通过收集尚未培养的原核生物有意义的分类学和功能信息来解决。纯培养中细菌和古细菌的多样性与通过分子方法检测到的细菌和古细菌的多样性之间的差距日益扩大,这导致人们提议主要根据序列信息为尚未培养的分类单元建立正式的命名法。 

原核生物国际命名法的建议修改

根据这项建议,念珠菌属的概念将扩展到密切相关的基因组序列的组,并按照已建立的细菌命名规则公布其名称。对原核生物国际命名法的建议修改引起了以下方面的关注:

(1)命名法的可靠性和稳定性;

(2)技术和概念上的局限性以及参考基因组的可用性;

(3)计算机功能的信息内容预测;

(4)识别微生物多样性的进化单位。 

这些挑战需要克服,以达到一个有意义的分类学尚未培养的原核生物,目前尚不清楚的表型。 在这种背景下,已经做出了巨大的努力来培养来自不同环境的细菌。

Staley和Konopka在1985年确定了“大平板计数异常”,它描述了一个事实,即90至99.9%的细菌物种无法在标准实验室条件下生长。对于某些微生物栖息地,尤其是那些具有较高养分含量和微生物活性的微生物,如肠道微生物群所述,相对于通过测序检测到的分子种类,培养物中可利用的代表性菌株的比例从35%增长至65%

来自其他自然栖息地的微生物种群以及微生物组的真核成员也需要类似的进展。微型真核生物,如原生动物、真菌和藻类的成员,通常可以更好地培养和显微镜下研究;然而,它们的系统发育和分类学更复杂,研究较少。有趣的是,来自不同环境的16S和18srRNA基因的无引物测序表明,在微真核生物中,有大量以前未检测到的类群。

同位素探测技术

除了当前使用的计算机模拟比较和培养方法外,还可以使用一组同位素探测技术直接测试复杂微生物群落中的功能假设。这些方法包括DNA,RNA,蛋白质和脂质稳定的同位素探测(SIP)以及FISH显微放射自显影,FISH-NanoSIMS和FISH-Raman显微光谱学,后三种方法仅提供一种细胞分辨率。 

RACS平台无需培养即可研究微生物代谢途径

最近,开发了一种微流体拉曼活化细胞分选(RACS)平台。在最近的一项研究中,Lee和他的同事在存在氘水的情况下,允许小鼠结肠菌群中的细胞代谢未标记的目标化合物(粘蛋白)。随后,使用RACS平台从复杂的微生物组中选出了活跃地代谢粘蛋白的氘标记细胞,并通过单细胞基因组学和培养方法进行了进一步分析。

这种方法允许以一种新型的无栽培方式将微生物的代谢表型与其基因型联系起来,从而使从微生物的潜能到微生物的功能成为可能(图5)。

尽管取得了一些进展,但这种功能分类平台的产量仍然有限,而FISH和生物正交非标准氨基酸标记(BONCAT)等互补的新技术解决方案将有助于微生物组研究中更迫切需要的以表型为中心的研究。

08

宿主微生物共进化

宿主及其相关微生物之间的密切关系引起了宿主及其相关微生物群共同进化的理论。协同进化是沿袭相互适应的谱系。

一个例子是建立早期的陆地植物,这是由共生真菌联合体促进的,这表明植物自从首次出现在土地上以来就已经与微生物共同进化了。

另一个例子是真核生物。 线粒体和质体是真核细胞中的细胞器,来源于内共生细菌,在整个进化过程中,它们完全取决于宿主,反之亦然。 为了促进对微生物群的全面了解,需要考虑宿主微生物的协同进化(下图)。

图6 对微生物-宿主协同进化的理解从“分离”理论转向整体方法

基于微生物与其宿主之间的相互作用,将微生物分为有益的,致病的和中性的,是广泛引用的Lederberg和McCray关于微生物组定义的一部分。

根据他们的解释,拮抗协同进化包括宿主-寄生虫的相互作用,而当积极相互作用占优势时,则存在互助协同进化。这种积极的相互作用可能演变成专性共生,垂直遗传和代谢协作(上图)。

根据致病微生物,有益微生物和中性微生物与宿主之间的相互作用,对致病微生物,有益微生物和中性微生物进行分类可能对微生物宿主相互作用在调节宿主适应性中起核心作用的研究(例如医学研究)有用。 然而,对致病性数据的解释应谨慎。

对条件致病菌的最新研究表明,宿主与微生物的相互作用不仅取决于宿主,还取决于整个微生物组。自然抑制疾病的土壤表明植物和许多土壤传播条件致病菌的情况类似。

此外,在许多环境研究中,可能没有长时间可利用的特定宿主,这使得划分致病菌和有益菌变得无关紧要。

与其研究一种特定微生物与其宿主之间的相互作用,不如考虑基于全环素理论的整体方法(图6)。 按照这种方法,宿主及其微生物组之间的有益相互作用负责维持整体生物的健康,而疾病通常与微生物失调有关。

在失调的背景下,建立了“病原体组”概念(图6),该概念代表了整合在其生物环境中的病原体,并应用于多种病理系统。这种方法表明,微生物多样性是预防植物和人类肠道疾病的关键因素

尽管进行了众多研究,定义了“健康的微生物群”,但是在未来,平衡和失调之间的界限仍然是一个重大挑战。 

微生物与宿主之间相互作用的另一种有趣解释是所谓的“安娜·卡列尼娜原理” 。声明指出,与列夫·托尔斯泰的格言类似,“所有幸福的家庭看起来都一样; 每个不幸的家庭都会以自己的方式感到不幸。”

与健康的个体相比,菌群失调个体的微生物群落组成差异更大

例如,健康珊瑚的微生物群比患病珊瑚的微生物群更均匀。 同样,最近的一项研究发现,炎症性肠病患者的群落组成和免疫反应的稳定性明显低于健康人。

进化过程和选择压力极大地推动了宿主-微生物的相互作用

因此,区分为人造的,以人为中心的类别可以随时间变化。一个例子是幽门螺杆菌,它是二十世纪初期几乎所有人胃中的优势微生物,在短短100年内几乎消失了。 幽门螺杆菌一方面是消化性溃疡和胃癌的危险因素;另一方面,这种细菌的丢失与儿童时期的哮喘,花粉症或皮肤过敏有关。 

微生物与其预期宿主之间复杂的进化相互作用的另一个例子是病原体的出现,如嗜麦芽单胞菌,这种植物相关起源的细菌与全球人类条件致病菌株没有区别。 总而言之,自然选择被认为有利于塑造群落组成的宿主,从而促进有益的宿主微生物共生,但是许多因素可以使这种动态失衡,从而诱导宿主微生物组内对病原性或拮抗性微生物的选择。

基于计算模型,Lewin-Epstein等人提出,操纵宿主以利他行为行动的微生物可能会受到选择的青睐,并可能在利他主义的广泛发生中发挥作用。

宿主微生物共同进化导致与植物和动物相关的特定微生物群。这种特异性的程度受许多因素影响,并且在系统发生分支之间也有所不同。 对于代表地球上最古老的陆地植物的苔藓而言,其植物特异性异常高。 这种特异性与宿主的地理来源无关,并且从子孢子垂直传递至配子体,反之亦然。 

驯化和育种活动也可以显着影响宿主微生物组

在某些情况下,其程度也超出预期。消失的微生物群系的理论表明,流行的慢性病是由人为微生物群向多样性降低的转变所引起的。考虑到这一点,重要的是重新考虑我们的行为(例如,对家庭环境进行“过度清洁”)并评估作物管理方法(例如育种策略),以避免丧失共同进化的有益宿主微生物相互作用。

09

微生物组研究技术标准

在过去的十年里,面对微生物学领域显著而持续的技术进步,研究界未能为微生物组研究制定一致的标准。这导致了许多缺点,包括缺少实验室间数据交叉比较的可能性,或者在最近的研究中使用“旧”技术生成的数据的实现。

有大量出版物表明DNA提取和加工程序对微生物组的后续分析存在偏差。使用定义的模拟群落一方面可以帮助确定最佳的提取方法,另一方面可以作为内部控制来估计整个工作流程和分析中的可能偏差。

但是,即使将模拟群落实施到分析中也不能解决所有问题,这会给从环境样本中进行微生物群落的分子分析带来偏差。 例如,不能通过将模拟群落应用于土壤来反映土壤微生物对土壤颗粒的自然吸附过程。

此外,在复杂的栖息地(例如土壤)中,多达80%的提取DNA可能包含遗物DNA(死细胞的细胞外DNA以及活细胞的分泌DNA)。这种残留的DNA可能会增加观察到的原核和真菌的多样性,并导致对分类单元相对丰度的估计不准确。

PMA法有效地抑制了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌死亡细胞中DNA的PCR扩增

Nocker等人提出了一种可能的解决方案使用叠氮溴化丙锭(PMA)的方法,该单叠氮化物仅穿透膜受损的细胞,其中光诱导的叠氮化物基团与DNA共价结合; 这种交联有效地抑制了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌死亡细胞中DNA的PCR扩增。该方法已成功应用于微生物组研究,尤其是微生物丰度低和活性低的研究,但这还不是标准。

DNA处理中的一个众所周知的例子是通过分析引物组和引物选择和PCR诱导的选择性扩增或大量未知读物。Karst等人开发的无引物rRNA基因测序方法促进了未知微生物多样性的发现。 

作者建议将SSU rRNA分子的poly(A)尾和逆转录与合成的长读测序结合起来。使用这种方法,他们能够以高通量产生高质量,全长的SSU rRNA序列,而没有引物偏倚,并且在他们的研究中观察到了迄今未描述的多样性中的很大一部分。

对获得的序列数据进行生物信息学分析既不是标准化的,也不是明确表达的偏见。为了进行16S rRNA基因序列的数据评估,可以使用免费软件解决方案和完善的论坛,例如Qiime2Mothur

操作分类单元(OTU)长时间用于分析高通量条形码,例如使用标记基因(如16S rRNA和/或ITS区域)获得高通量测序数据。

另外,可以使用基于精确解析的扩增子序列变体(ASV),低至测序基因区域上的单核苷酸差异水平。立即获得更好的分辨率的好处显而易见,ASV作为具有固有生物学意义的一致标签的状态独立于参考数据库而被确定。可重用性,可再现性和全面性方面的改进足够大,以至于ASV可以取代OTU作为标记物基因分析和报告的标准单元。

为了比较不同的工具和管道,已经进行了一些研究和联合项目,结果表明,根据工具或管道以及所使用的设置,结果存在显着差异。显然,除了足够的测序深度之外,用于注释读段的数据库的选择对结果有很大影响。

此外,通常会自动完成的参数选择(例如截止值,嵌合体过滤等)对结果有很大影响。例如,由于数据评估方法仅允许调查代表性超过1%的分类单元,因此经常忽略稀有分类单元。

然而,这种罕见的分类单元最多占所有微生物的28%,可以代表某些生境中的关键角色,并且可能对构建社区具有重要意义。它们在生物地球化学循环中可能起着过比例的作用,并且可能是微生物组功能的隐性驱动因素。而且,携带抗生素抗性基因的微生物通常属于天然微生物群中的稀有分类群。 在压力条件下,它们为健康和生存提供了保障,并确保了生态系统的可塑性。 

但是,在动物和人类肠道微生物组中,这些方面对于疾病暴发和治疗至关重要,因此在WHO对抗生素耐药性扩散的预测中得到了应用。 

同样,在这里,计算资源仍然是使生物信息学成为微生物组分析瓶颈的问题。Ten Hoopen和他的同事描述说,例如,塔拉海洋微生物群项目的一个子集,已经对原核生物进行了尺寸划分,包括135个样本。对于这些样本的分析,需要248次运行,其中包含288亿次读取,分析输出代表大约10 TB的数据。这项广泛的研究产生了232亿个预测的蛋白质编码序列。为了处理如此大的数据,在过去的10年里出现了几个全球微生物组学项目,如人类微生物组群项目和地球微生物组群项目。

此外,宏数据方面的巨大差距,通过阻碍研究的可比性和综合分析,限制了微生物组分析。确实有一些数据存储库,例如序列读取档案SRA(NCBI)、欧洲核苷酸档案(ENA)或CNGB核苷酸序列档案(CNSA)。然而,在许多情况下,数据只“按要求提供”,这与可查找、可访问、可互操作和可重用(公平)原则相矛盾。即使数据是可用的,宏数据往往缺乏重要的信息,并且没有得到包括实验和统计研究设计信息在内的知识库的充分审查。

Schloss和他的同事发表了一篇综合性的综述,关于识别和克服微生物组学研究中再现性、可复制性、稳健性和普遍性的威胁。因此,迫切需要标准化和开发正确和全面的宏数据存储库平台,如Proctor所示,他开发了人类病原体/载体基因组序列的项目和样本应用标准。Ten Hoopen和他的同事描述了一个设计良好的策略,允许制定和应用标准,并根据公平原则从微生物组研究中获得可比较和可重用的数据。

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微生物研究的未来展望与挑战

在经济学技术进步的推动下,微生物组数据的不断增加,使得我们对微生物组群在提高不同系统的生产力和可持续性方面的潜力的理解有了极大的提高。应用微生物研究的宏伟愿景是改善人类、动物、植物和整个生态系统的健康

一般来说,微生物组可以通过以下方式直接管理:(i)微生物组移植

(ii)具有有益特性的微生物

(iii)微生物群活性代谢物,或通过改变环境条件,使微生物群也将其结构和功能从失调状态转变为健康状态。

在比较人类、动物和种植系统中基于微生物的应用时,可以看到显著的协同作用(下图)。

虽然各个领域还没有很好地联系起来,但所有领域的一致趋势已变得明显。这一趋势涉及到对定制治疗的关注,例如,“下一代”精确农业或个性化药物(下图)。这一概念认识到,并不是所有的个体宿主及其相关的本土微生物群都会以相同的方式对特定的引入微生物、微生物群落移植或代谢物作出反应。

图7 跨领域的微生物组应用趋势

相反,它依赖于对那些特定宿主微生物、环境微生物和微生物相互作用的基本理解,这些微生物在不同的环境中调节微生物组合和功能能力。

Stegen等人在其微生物组管理的概念框架中,建议在不同领域进行更大的串扰,例如,利用环境微生物组学中的特定生态概念来指导优化策略,以操纵人类微生物群,从而改善健康状况。

通过为各种环境和代谢疾病提供有趣的解决方案,人类微生物群正逐渐成为个性化医学的一个关键目标。不仅有助于疾病各个方面的个体差异,也代表了潜在的治疗目标,可通过治疗,饮食变化,使用前,益生元或合生元,与之相对应的生命生物治疗产品来调节物种或物种混合(合成微生物群)和微生物组移植。

植物生物群落路线图

以此类推,植物微生物组被认为是下一次绿色革命(到2030年的科学突破)的关键。结合植物育种,精准农业,农业管理和微生物组研究的系统方法,为在不断变化的世界中改善可持续作物生产提供了强有力的战略。 

跨学科团队将这种方法包含在特定环境中可能影响植物生产的许多生物和地球物理成分,称为“植物生物群落路线图” 。 

特定于物种和栖息地的植物微生物区系对植物整体生物的功能有多个方面,例如(i)种子发芽和生长,(ii)营养供应,(iii)对生物和非生物胁迫因素的抵抗力,以及(iv)产生生物活性代谢物。 由于其对作物健康的重要性,对植物微生物组进行了长期的研究。

此外,在农业领域开发了广泛的微生物组管理策略和产品清单,包括(i)微生物组移植(粪便和生物动力添加剂),(ii)微生物接种剂,(iii)微生物和植物提取物以及(iv)改变环境条件的方法。 

在过去的几十年中,管理密集型农业主要依靠合成化学物质,导致严重的环境和健康问题以及生物多样性丧失。另一方面,对植物微生物组学的研究将支持针对田间特定条件的针对性和预测性管理方法,从而可以提高可持续性。 

种子/根际微生物组对植物至关重要,与我们的食物微生物群紧密相连

与人类肠道微生物组相似,种子/根际微生物组对植物至关重要,种子是下一代微生物的理想靶标。  Pérez-Jaramillo及其同事提出了种子的“回归根源”方法,这为揭示野生亲缘种和古代传家宝品种的种子微生物群提供了一个有趣的机会,以节省有益的种子微生物群用于农业。 

利用农作物野生近缘种的种子微生物群或利用有前途的生物资源,有可能实现植物与其特定种子微生物群之间的匹配共生。 收获后微生物群与我们的食物微生物群紧密相连,也可以针对食品的所需功能特性进行管理,例如安全性和保存性,感官或健康特性。 

这代表了一个相对尚未开发的基于微生物组的应用,它正在受益于食品生态系统中新出现的大量数据。

生活方式-微生物-人类-健康的联系

微生物群的重要性超出了个体宿主的健康。来自不同宿主和生态系统的微生物可以相互作用并相互影响。这些观察结果导致了“健康环境促进健康人类”的口号,支持“One Health”概念。

【注:“One Health”意指多学科共同合作,为人类健康,动物健康,环境健康三者共同成为一个健康整体而进行的工作和努力.“One Health”是一个新的名词,但是这一概念是很早之前已经存在的.2003年4月7日,华盛顿邮报的Rick Weiss引证了兽医博士William Karesh的话“人类和家禽或者野生动物的健康再也不能分开谈论了,世界上只有‘One Health’,所有的问题解决办法需要各个学科的工作人员共同努力,在不同的层面为问题的解决作出贡献.”关于“One Health”,目前国内翻译的名称非常不一致,比如“唯一健康”,“共同健康”,“一体化健康”, “大健康”等,编者在此不做翻译。

引自:Xiao Zheng, 陆家海, Sarah K.White,等. 应用”One Health”策略解决复杂健康问题[J]. 中华预防医学杂志, 2014, 000(012):1025-1029.】

根据世界卫生组织的说法,“One Health”是一种设计和实施方案、政策、立法的方法,以及多个部门进行交流和合作以取得更好的公共卫生成果的研究。“One Health”概念的扩展,包括环境健康及其与人类文化和习惯的关系表明,在社会决策和政策制定过程中,应考虑生活方式-微生物-人类-健康的联系(图7)。例如,城市化与过敏、哮喘和其他慢性病的增加有关。此外,在城市地区观察到总体污染模式,即微生物多样性的显著丧失,这与疾病的发展有关。

Dominguez Bello等人表明,伴随工业化而发生的人类微生物群的变化可能是代谢、免疫和认知疾病急剧增加的潜在因素,这些疾病包括肥胖、糖尿病、哮喘、过敏、炎症性肠病和自闭症。多样性的丧失反过来又与细菌对抗生素的耐药性增加相关,因此,需要实施策略来恢复建筑环境中的细菌多样性。了解不同宿主和栖息地的微生物群之间的复杂联系及其与人类、动物和植物健康的关系,为在One Health概念的背景下进行诊断、治疗和干预提供了创新和整体方法的潜力。

类似One Health,存在着将人类与环境健康联系起来的不同概念;行星健康概念是最流行的概念。许多国家和国际生物经济战略也承认这一主题,在这些战略中,可持续的生物产品生产满足了经济的需求。毫无疑问,要使这些概念成为成功的故事,不仅需要自然科学不同学科之间的相互关联战略,而且需要社会科学和利益相关者的整合。

然而,我们现在所面临的往往是相反的:生物多样性丧失、污染、臭氧消耗、气候变化、生物地球化学循环边界的跨越,都是人类世这个时代的特征。上新世也反映在行星边界概念中。

人类活动已经跨越了九个行星边界中的四个:气候变化、生物圈完整性的丧失、陆地系统的变化和生物地球化学循环的改变。

首先,研究表明,它们改变了整个微生物群落的功能和遗传多样性;然而,关于这些人为因素对不同微生物群落的影响及其对我们地球的影响的更多知识是绝对必要的。在这里,研究人员认识到迫切需要更多的研究,特别是关于环境微生物组和人为驱动变化的机制性见解。

了解海洋和陆生微生物群落及其相互作用可能是找到解决与上流新世相关的巨大挑战的关键。微生物群管理和基于微生物群的高潜力创新的开发在各个应用领域都是有希望的,但同时也应仔细评估这些新的和有前途的技术对环境的影响。

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结 语

基于该领域的最新进展,研究人员建议恢复Whipps等人提出的微生物组术语的原始定义。该定义包含了1988年发表后30年内仍然有效的所有要点,并通过两个解释性句子对微生物群和微生物组进行了区分,并宣布了其动态特征。

微生物组

微生物组被定义为一个具有独特理化性质的、占据合理、明确的栖息地的微生物群落。

微生物组不仅指所涉及的微生物,还包括其活动区,从而形成特定的生态位。

微生物组是一个动态的、互动的微生态系统,在时间和规模上都会发生变化,它整合在包括真核生物宿主在内的宏观生态系统中,对它们的功能和健康至关重要。

微生物群

微生物群由属于不同领域的微生物组成(原核生物[细菌、古生菌]、真核生物[例如原生动物、真菌和藻类]),而“它们的活动区”包括微生物结构、代谢物、可移动遗传元素(例如转座子、噬菌体和病毒)以及嵌入到栖息地的环境条件。

此外,作者认为以下几点对于微生物组研究至关重要:

1.核心微生物群是一组来自相似栖息地的微生物群落之间共享的成员,这对于了解稳定性,可塑性以及在复杂微生物组合中的功能非常重要。

2.从宏观生态学改编的理论可能有助于理解不同环境中微生物组动力学的模式,但需要验证其一般应用。

3.每个微生物组研究的基础都是适当的实验,方法和统计设计。 在设计中应通过以下方式实现空间,时间和发育的整合:(i)根据系统特性选择适当的采样频率,以捕获完整的核心和瞬时微生物区系;(ii)通过考虑系统的适当空间规模 认识到规模的子集也与微生物群评估有关,并且(iii)对于强动力系统,应考虑研究微生物分布的时空连续体,而不是捕获一个特定的矩/空间单位。

4.方法学的进步极大地推动了微生物组的研究。 尽管在这方面取得了所有进展,但是还没有完美的通用方法。技术工具箱将减少每种技术带来的偏差,并从整体上更完整地了解生物系统。

5.微生物功能在生态系统中起着重要作用。 因此,我们建议在微生物组研究中包括几种当前可用方法的组合,以便对微生物功能有更深入的了解。

6. 尽管在过去十年里,我们获得了大量的组学数据,但我们仍然缺乏关于其背后的生物信息。因此,在微生物组学研究中实施更多基于培养的方法需要大力的努力,这样可以描述特定微生物群的生态类型和适应环境的模式。

7.微生物相互作用是微生物群落功能和进化动力学的基础。 因此,我们提倡考虑研究设计中的相互作用。

8.宿主与微生物的相互作用决定了相互适应性,表型和新陈代谢,从而提出了微生物群及其宿主的协同进化理论。 我们建议基于进化的全基因组理论的整体方法。 整体人的疾病状态以生物失调(病原体组)为特征,而尤物病是指平衡的宿主-微生物相互作用(“健康”微生物组)。

9.根据微生物与宿主之间的相互作用,将微生物分为有益的,致病的和中性的是基于人类中心观。确实,宿主和整个微生物组的生理学在很大程度上影响相互作用的结果。

这些澄清和建议的应用将有助于研究人员以整体的方式设计其微生物组学研究,这将有助于开发微生物模型和预测,进而加快我们在生活各个领域设计应用程序的能力。


【参考文献】

Berg et al. Microbiome (2020) 8:103 

人类微生物组正逐渐成为个性化医学的一个关键目标

植物微生物组是下一次绿色革命的关键

我们一直在微生物领域助力科研,也希望为每个人的健康出一份力

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肠道细菌产生的神经递质调节宿主的感觉行为

近日,美国布兰代斯大学Piali Sengupta和Michael P. O’Donnell研究小组发现,肠道细菌产生的神经递质调节宿主的感觉行为(DOI:10.1038/s41586-020-2395-5)。相关论文于2020年6月17日在线发表在《自然》杂志上。该研究结果表明,肠道细菌产生的神经递质模拟了同源宿主分子的功能从而越过宿主调控感觉决定,这促进了宿主和微生物的适应性。

动物与包括微生物在内的多种生物体存在互惠共生关系。过去认为一些细菌产生的具有生物活性的神经递质可以调节其宿主的神经系统的活动和行为。然而这种“微生物-脑”的信号传输机制和它的生理相关性在很大程度上是未知的。在这篇文章中,研究人员通过使用秀丽隐杆线虫为模式生物,结果显示在肠道内定居共生菌普罗维登斯细菌产生的神经调节剂酪胺,绕过了宿主酪胺生物合成的要求并操纵了宿主的感觉行为。细菌产生的酪胺大概率被宿主酪胺β羟化酶转化为章鱼胺。反过来,章鱼胺靶向ASH伤害感受神经元上的OCTR-1章鱼胺受体以调节厌恶性嗅觉反应。研究人员确定了普罗维登斯细菌酪胺生物合成所需的基因,并表明这些基因对于调节宿主行为是必需的。而在普罗维登斯菌的定殖实验中发现,秀丽隐杆线虫在进行食物选择时,优先选择这类细菌,这种选择偏好性需要细菌产生的酪胺和宿主章鱼胺信号。结果表明,肠道细菌产生的神经递质模仿宿主同源分子的功能,以超越宿主对感觉决定的控制,从而促进宿主和微生物的适应性。

秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans,C. elegans)是一种无毒无害、可以独立生存的线虫。其个体小,成体仅1.5mm长,为雌雄同体(hermaphrodites),在20℃下平均生活史为3.5天,平均繁殖力为300-350个。自1965年起,科学家Sydney Brenner利用线虫作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物。进入21世纪以来,已经有六位科学家利用秀丽隐杆线虫为实验材料解开了生命科学领域的重大秘密而获得了诺贝尔奖。2013年12月17日,据国外媒体报道,科学家认为,如果延长蠕虫生命的科学应用到人类身上,人类活到500岁将不只是梦想。秀丽隐杆线虫的两个基因通路,使通过遗传相互作用进行抗衰老治疗的成为可能。

背景

肠道定植细菌和宿主神经系统之间的化学沟通的调节途径大部分还是未知的。秀丽隐杆线虫是近年来出现的一种研究宿主-微生物化学沟通的强大实验系统。野外线虫的主要食物来源于其肠道内定殖的不同的致病菌和非致病菌菌群。接触致病菌会改变秀丽隐杆线虫的嗅觉行为,但肠道内的共生菌是否也能调节宿主行为还不清楚。

实验设计

线虫的制备:

所有的实验都使用的雌雄同体的秀丽隐杆线虫,所有应用于线虫的菌株都保持在在NGM平板上20℃条件下。分别以10

ng/μl注射SRV-11p::octR-1(PMOD110)和SRG-47p::ocTR-1(PMOD111)质粒。以20 ng/μl注射tbh-1p::tbh-1a::sL2::mCherry(PMOD115)质粒。以30 ng/μl注射UNC-122p::mCherry共注射标记,获得转基因菌株。接着将线虫培养在NGM平板上,以获得不同细菌型或基因型的线虫。

 主要的实验:

长时程趋化实验和短时程趋化实验分别用于分析线虫对食物和环境选择的偏好性。响应1-辛醇和2-壬酮的SOS分析用于测定其对100%1-辛醇和100%2-壬酮的反应。肠道细菌细胞的量化、定量测定肠道菌落形成单位、荧光强度测量反应了细菌的变化趋势。通过细菌宏基因组测序得到的组装序列,使用普罗维登斯菌株JUb39 的TyrDC和adcA基因序列blastp比对至Nr数据库初始筛选,然后以粪肠球菌TyrDC和线虫tdc-1基因组序列作为tblastn搜索查询序列,最后使用从这些tblastn查询得到的氨基酸序列构建最终的系统发育树。Metaboseek MS分析软件分析高效液相色谱质谱法数据,并集成代谢网络分析。所有的统计分析都是在原始的、非归一化的数据上进行的。

主要结果:

1肠道细菌改变宿主嗅觉行为。普罗维登斯菌定殖于秀丽隐杆线虫肠道内,定植程度与对辛醇的回避行为正相关。

注:以下的辛醇调节表示为对辛醇的回避行为减少的现象

a. 在长时程趋化实验分析中,秀丽隐杆线虫与这些指定的细菌菌株共培养,对一组有吸引力的挥发性气味表现出强烈的吸引力。纵坐标的chemotaxis index表示趋化指数,在辛醇(1-octanol)和壬酮(2-nonanone)的实验中,与在大肠杆菌OP50菌株共培养的线虫相比,与普罗维登斯JUb39菌株共培养导致线虫对辛醇的回避行为减少,但对壬酮的回避行为不减少。

b.c. Modulation index表示线虫对100%辛醇的调节指数。Dead指用庆大霉素预处理过的细菌。PYb007指从堆肥中的线虫中分离出来的与普罗维登斯JUb39菌株有较远亲缘关系的 Providencia Rettgeri菌株。灰色虚线指在辛醇环境下生长的线虫与在不同环境下独立生长的线虫的对照。正值表示辛醇回避减少。使用庆大霉素预处理过JUb39菌株喂食线虫可以消除辛醇调节。而线虫必须摄取活的JUb39菌株才能诱导辛醇调节。

d.在成年线虫的后肠中使用红色荧光蛋白mCherry标记细菌。箭头指示完好的细胞。星号指示漫反射肠道荧光。虚线指示肠边界。喂食OP50的成虫的肠道只显示弥漫的肠道荧光而喂食JUb39菌株的成虫肠道内通常含有大量完整的杆状细胞,表达mCherry。JUb39细菌倾向于富集在后肠,此外被JUb39菌株定植的线虫没有表现出病原性感染的表型特征(如肛门肿胀),进一步证实JUb39菌株对线虫基本无致病性

g.在OP50或JUb39菌株环境下生长的年轻成虫的头部神经元tph-1p::GFP的荧光报告基因检测。发现tph-1p::GFP的表达没有明显变化。且a图中线虫在细菌含量较低的食物来源B. megaterium菌中的生长并没有改变辛醇调节。由此推断普罗维登斯菌对辛醇的调节不太可能是由于摄食状态的改变。

e.被喂食指定菌株生长的线虫的肠道细菌载量。点表示10条线虫的菌落形成单位中的细菌载量。在喂食JUb39菌株的线虫可以分离出大量的细菌菌落,但在喂食OP50菌株的线虫不能分离出大量的细菌菌落。这表明JUb39菌株很可能活在线虫肠道中。

f.在趋化试验中, 朝1-Octanol(100%辛醇)方向的线虫始终含有更多的肠道细菌。括号中的数字表示线虫的数量。

2. 发现了一种可能性即线虫产生的章鱼胺,而不是酪胺,其对于JUb39菌株介导的辛醇调节是必要的。细菌产生的酪胺在功能上补充了宿主衍生的酪胺在驱动感觉行为决定方面的损失。

a.线虫体内酪胺(TA)和章鱼胺(OA)的生物合成。酪胺通过酪胺β-羟化酶(由TBH-1编码)转化为章鱼胺。

b.线虫对100%辛醇的调节指数。括号内的数字表示至少3个独立日内进行独立化验的次数。发现在JUb39菌株环境下生长的tdc-1和tbh-1突变体线虫都表现出辛醇调节,但tbh-1突变体线虫表现出的辛醇调节减弱。cat-2和tph-1的突变并不影响辛醇调节。WT表示野生型。

c.短程急性回避行为试验SOS分析。评估辛醇反应的单胺能调节。

d.g.使用SOS分析进行了所有的辛醇行为实验。

d图中OP50菌株环境下生长的tdc-1突变线虫比野生型线虫对30%辛醇的反应更快,但在JUb39菌株环境下受到抑制。

g图中tbh-1的突变完全抑制了辛醇的调节,而tdc-1突变的线虫对辛醇的调节一如既往。此外tdc-1和tbh-1双突变线虫的辛醇回避行为与只有tbh-1突变的线虫相似。这些结果表明,缺乏宿主来源的章鱼胺是tbh-1突变线虫辛醇调节减少的原因。红色的P值指示指定基因型对JUb39菌效应大小的影响。

e.f. HPLC-MS进行代谢组成分析和N-琥珀酰酪氨酸的定量分析。喂食OP50菌株的tdc-1突变线虫缺乏N-琥珀酰酪氨酸。而5-羟色胺(N-acetyl serotonin)代谢不变。当喂食JUb39菌株时,这些酪胺衍生的代谢物被恢复。结果表示普罗维登斯细菌与线虫联合产生的酪胺,可以弥补tdc-1突变线虫内源性酪胺产生的不足。

3. 在真核生物和细菌中,生物胺通常由AADC产生。普罗维登斯细菌的多个AADCs产生的酪胺对于调节野生型线虫回避辛醇的行为是必要的,也是理由充分的。

a.从上至下分别描述了乳杆菌的tryDC位点,Morganella菌的adcA位点,对JUb39菌株的tyrDC和adcA位点(分别为ΔtyrDC::cmr和ΔadcA)中设计了缺失。革兰阳性菌肠球菌和乳杆菌的酪胺生成主要是通过位于操纵子的两个基因tyrDC和tyrP介导的,它们分别编码AADC

tyrDC和酪氨酸通透酶。该操纵子可被l-Tyr诱导。全基因组测序证实JUb39菌株和PYb007菌株中均含有tyrDC和tyrP的同源操纵子。在Morganellaceae科的其它成员中也发现了tyrDC同源物。

b.系统发育分析。Morganellaceae科的菌株以前曾被报道在某些条件下产生酪胺,尽管没有可辨别的tyrDC同源物。但在摩根氏菌中鉴定了一个编码AADC的基因(这里命名为adcA),分别位于编码Tyt1家族酪氨酸渗透酶基因上游的操纵子中,与tyrDC肠球菌和人类GAD67有大约29%和27%的序列同源性。在普罗维登斯菌基因组中也存在adcA同源物(包括JUb39),但不与酪氨酸转运蛋白相邻。结论是,普罗维登斯菌编码至少两个可能产生酪胺的AADC,系统发育不一致提示,摩根科植物中的tyrDC和adcA基因可能都是通过水平基因转移而丢失或获得的。

c. 以乳杆菌tyrDC的晶体结构为指导进行蛋白质模拟,结果表明JUb39 tyrDC与乳杆菌tyrDC具有大多数已知的催化位点。JUb39 tyrDC在A600处含有一个替换(乳杆菌tyrDC中的S586),能增强酪氨酸乳酸杆菌对酪氨酸的特异性催化活性。由此推测JUb39 tyrDC可能由酪氨酸产生酪胺。

e.在不同基因型细菌环境下生长的野生型线虫在NGM+0.5%l-Tyr培养基中生长期间对100%辛醇回避行为的SOS测定。h图为在此基础上补充了指定浓度的酪胺。

在单个细菌突变体的培养中,辛醇调节减弱,而野生型线虫在双敲除ΔtyrDC::cmrΔadca基因JUb39菌株环境下生长则取消了辛醇调节。

g.f. N-琥珀酰酪胺的含量测定(f);(g)检测到的其它酪胺衍生物的平均丰度,1指示OP50,2指示JUb59,3指示ΔtyrDC::CmrΔADCA JUb39。与野生型JUb39相比,比较代谢组学分析表明,在双敲除ΔtyrDC::cmrΔadca基因JUb39菌株环境下生长的tdc-1突变线虫不产生N-琥珀酰酪胺或其他酪胺衍生代谢物。

h.在双敲除ΔtyrDC::cmrΔadca基因JUb39菌株环境下生长的野生型线虫在补充酪胺后辛醇调节得以恢复。此外,虽然JUb39菌株环境下生长的野生型线虫不会因为补充酪胺而增加对辛醇的回避行为,但补充酪胺足以诱导在OP50菌株环境下生长的野生型线虫的辛醇调节。

4. 普罗维登斯细菌的酪胺靶向感觉神经元。线虫头部两栖器官中的双侧ASH伤害性神经元表达多种酪胺和章鱼胺受体,这些单胺对辛醇的调节需要一部分受体。普罗维登斯细菌酪胺的产生和宿主章鱼胺的信号都是发生食物偏好所必需的。

a. SOS测定。在ASH神经元表达的章鱼胺受体编码基因中,octr-1而不是ser-3的突变在不改变肠道定植的程度下取消了JUb39菌株介导的辛醇调节。但在ASH神经元表达的octr-1互补DNA完全恢复了辛醇调节。

b. SOS测定。当线虫在添加了酪胺的ΔtyrDC::cmR ΔadcA JUb39菌株环境中生长时,octr-1突变线虫也会缺乏辛醇调节。

c. JUb39菌株和其他普罗维登斯菌株会产生酒精异戊醇,这种酒精在浓缩时对线虫是有害的。线虫在食物选择实验中可能会优先选择对这类酒精产物的回避行为的减少的这些细菌。

d.e. 在指定菌株环境下生长的野生型和突变型线虫对测试菌株JUb39的相对偏好指数,事实上,在JUb39菌株环境下生长的线虫更喜欢JUb39菌株,而在OP50菌株环境下生长的线虫在短期食物选择试验中只显示出对JUb39菌株的轻微偏好,在octr-1和tbh-1突变的线虫中也是如此。

f. JUb39菌株在线虫肠道内产生的酪胺(TA)通过宿主章鱼胺(OA)和octr-1章鱼胺受体发挥作用,以减少ASH神经元介导的对JUb39菌株产生的回避行为,并改变摄食选择。

结论:

研究人员认为,综上所述,肠道普罗维登斯细菌产生的神经递质酪胺可以推翻宿主依赖的酪胺合成,从而调节线虫的多条单胺能途径,改变线虫的行为和生理。研究人员推测,普罗维登斯菌一旦定植于秀丽隐杆线虫肠道内的,就会促进更多的消耗,从而导致细菌稳定的联系和传播。由于普罗维登斯菌是线虫的主要食物来源,这种联系可能是互惠互利的。

这些结果描述了一种途径,即由天然共生细菌产生的神经递质通过补充或补偿关键的宿主生物合成酶的活性来指导宿主的感觉行为决定,从而改变宿主和微生物的适应性。

益生菌的简单入门指南

谷禾健康

拥有健康的肠道菌群可以带来许多健康益处,包括减肥,改善消化,增强免疫功能,皮肤健康以及降低许多疾病的风险[1,2]。益生菌是有益的细菌,食用后会带来健康益处。目前,益生菌通常被当作补充剂服用,用于促进健康的微生物和改善肠道健康。

本文我们主要针对益生菌及其功能做一个详细的介绍。

什么是益生菌?

益生菌是一种活的微生物(酵母或细菌),它有助于我们的健康[3]。当摄入适量的微生物时可提供健康益处。

益生菌哪儿来?

益生菌可以从补充剂以及细菌发酵制备的食物中获取。益生菌食品包括酸奶,开菲尔,酸菜,豆和泡菜。注意不要将益生菌与益生元混淆,益生元是膳食纤维,有助于喂养肠道内已经存在的有益菌[4]。

数十种不同的益生菌有利于健康。最常见的菌包括乳酸杆菌和双歧杆菌。分别包括不同的种,并且每个物种具有许多菌株。

有趣的是,不同的益生菌可以应对不同的健康状况。因此,正确选择一种或多种益生菌至关重要。

一些益生菌产品(称为广谱益生菌或多益生菌)在同一产品中结合了不同的物种。尽管有科学证据,但仍需要对益生菌的健康益处进行更多的研究[5]。

 微生物对肠道的重要性

肠道中复杂的微生物群落称为肠道菌群或微生物群[6]。据估算,你的肠道含有数百种不同类型的微生物多达1000多种,其中包括细菌,真菌和病毒,细菌占绝大多数。

大部分肠道菌群都存在于结肠或大肠中,这是消化道的最后一部分。肠道菌群的代谢活动类似于器官的代谢活动。因此,一些科学家将肠道菌群称为“被遗忘的器官”[7]。

肠道菌群有许多重要的功能。例如生成维生素,包括维生素K和某些B族维生素[8]。

它还可以将纤维转变成短链脂肪酸,例如丁酸,丙酸和乙酸,它们可以喂饱肠壁并执行许多新陈代谢功能[9,10]。还可以刺激您的免疫系统并增强肠壁。这可以帮助防止有害物质进入您的体内并引起免疫反应[11,12,13,14]。

但是并非肠道中的所有菌都是有益的,也有部分有害菌。

研究表明,肠道菌群失衡与多种疾病有关[15,16]。这些疾病包括肥胖,2型糖尿病,代谢综合征,心脏病,大肠癌,阿尔茨海默氏症和抑郁症等[17,18,19,20]。

益生菌和益生元纤维可以帮助调整肠道平衡,确保肠道发挥最佳功能[21]。

对消化系统的影响

益生菌对消化系统的影响已有广泛的研究[22]。有许多的证据表明,益生菌补充剂可以帮助治愈与抗生素有关的腹泻[23,24,25]。

当人们服用抗生素时,尤其是长期服用抗生素,即使在根除感染后很长时间,他们也经常会腹泻。这是因为抗生素杀死了肠道中的许多天然细菌,从而改变了肠道平衡,并使有害菌得以繁衍。

益生菌还可以辅助治疗肠易激综合症(IBS)(一种常见的消化系统疾病),减少气体,腹胀,便秘,腹泻和其他症状[26,27,28]。

还有一些研究指出,它能对炎症性肠病(例如克罗恩氏病和溃疡性结肠炎)的治疗带来帮助[29]。

此外,益生菌可以帮助治疗幽门螺杆菌感染,幽门螺旋杆菌感染会导致溃疡和胃癌[30,31,32,33]。

如果你现在有难以治愈的消化系统问题,则可以考虑使用益生菌补充剂,当然也应该考虑咨询医生。

 调节体重变化 

益生菌可以帮你减少从食物中吸收热量。它们还会影响与食欲和脂肪储存有关的激素和蛋白质。它们也可以减轻炎症,而炎症可以促使肥胖 [34]。

某些益生菌可能会抑制人体从饮食中吸收脂肪,增加粪便排出的脂肪量[35]。换句话说,它们让你从饮食中获取更少的卡路里。

已发现某些细菌(例如来自乳杆菌家族的细菌)以这种方式起作用[35,36]。

益生菌还可以通过其他方式抵抗肥胖:

• GLP-1的释放:益生菌可能有助于释放饱腹感激素GLP-1,从而减少食欲。增加这种激素的水平可能会帮助您燃烧卡路里和脂肪[37,38]。

• ANGPTL4的增加:益生菌可能会增加ANGPTL4的水平。这可能导致脂肪储存减少[39]。

还有很多证据表明,肥胖与大脑炎症有关。通过改善肠道健康,益生菌可减少全身性炎症和防止肥胖等疾病[40]。

但是,目前这些机制研究还需要深入研究,以及扩大样本量。

对减肥的影响

肥胖者与瘦人的肠道菌群不同[41]。动物研究表明,从瘦者身上取菌群,进行粪便移植到肥胖动物,可以使肥胖的动物减轻体重[42,43]。因此,许多科学家认为,肠道菌群对于维持体重很重要[44,45]。

尽管还需要更多的研究,但一些益生菌菌株似乎有助于减轻体重[46]。在一项针对210名腹部脂肪过多的中枢性肥胖患者的研究中发现,每天服用益生菌格氏乳杆菌可在12周内使腹部脂肪减少8.5%[47]。当参与者停止服用益生菌时,他们会在四个星期内恢复腹部脂肪。

证据还表明,鼠李糖乳杆菌乳酸双歧杆菌可以帮助减肥和预防肥胖,当然这需要更多的研究[48]。

相反,也有一些研究甚至发现某些益生菌菌株可能导致体重增加,而不是体重减轻。这包括嗜酸乳杆菌[49]。一项最新研究回顾了4项对照临床研究。结论是,益生菌不能降低超重或肥胖成年人的体重,BMI或体脂水平[50]。

益生菌具有广泛的健康益处。然而,它们对体重的影响是复杂的,并且似乎取决于益生菌的类型。

有助于缓解便秘 

便秘的特征是排便困难,不易通过且频率较低。每个人有时都会经历便秘,但在某些人中,这已成为一个长期的问题。

慢性便秘在卧床的老年人和成年人中最常见,当然也有可能在儿童中发生。此外,一些肠易激综合症(IBS)的人主要表现为持续便秘。这就是便秘型IBS。

常规治疗包括泻药和粪便软化剂。但是,近年来,饮食改变和益生菌补充剂已成为越来越受欢迎的替代方法[51]。

许多研究表明,补充某些益生菌菌株可以减少成人和儿童的便秘[52,53,54,55,56]。在一项比较IBS患儿益生菌和益生元的研究中发现,乳酸杆菌可显着缓解便秘

与益生菌组相比,益生菌组饭后的腹部胀和腹胀少[53]。

其他可能改善便秘的益生菌包括长双歧杆菌,酿酿酒酵母(S.Boulardii)和嗜酸乳杆菌,罗伊氏乳杆菌,植物乳杆菌,鼠李糖乳杆菌和动物双歧杆菌[55,56]。

 有效预防腹泻 

腹泻被定义为比正常情况更频繁发生的,液体散乱到大便。一般是短暂的,但在某些人中可能会变得趋于慢性。

已发现益生菌可以减少因食物中毒和肠胃炎(通常称为“胃流感”)而引起的感染型腹泻的大便频率[57]。

针对34项研究的回顾发现,益生菌可将各种原因引起的腹泻风险降低34%。有效菌株包括鼠李糖乳杆菌GG,嗜酸乳杆菌和保加利亚乳杆菌[58]。

抗生素的使用是腹泻的另一个常见原因。当抗生素疗法杀死引起感染的有害菌时,有益菌也会被一同破坏。菌群平衡的改变可能导致炎症和腹泻。对儿童和成人的研究表明,服用益生菌可以帮助减少因抗生素治疗而引起的腹泻[59,60]。

针对82项对照研究的大型回顾发现,服用益生菌补充剂可使患抗生素相关性腹泻的风险降低42%。但是,该研究没有讨论到最有效的益生菌菌株[60]。

IBS患者中部分人因便秘而挣扎,还有一部分经常腹泻,这被称为腹泻型IBS。研究表明,某些益生菌似乎对腹泻型肠易激综合征特别有效,包括益生菌B.coagulans、酿酒酵母菌以及几种乳酸杆菌和双歧杆菌菌株的组合[61,62,63]。也有一项研究表明,接受酿酒酵母S. boulardii治疗的IBS患者的腹泻没有任何明显改善[64]。(注:酿酒酵母S. Boulardii是法国科学家 Henri Boulard 于1923年从印尼荔枝中分离得到的一种益生菌,是酿酒酵母的亚种)

 可能改善IBS症状 

有时,IBS的主要症状与粪便的稠度或频率无关。取而代之的是,有些人会定期出现腹胀,恶心和下腹部疼痛。

基于19项研究的回顾发现,虽然有人报告服用益生菌后IBS症状有所改善,但总体而言结果因人而异。研究人员无法确定究竟是哪种益生菌最有效[65]。

此外,由于IBS的症状非常多样,因此有时一种症状会改善,而其他症状则不会。例如,一项针对以便秘为主的IBS患者的研究发现,尽管酿酒酵母改善了便秘,但对腹痛或不适感影响不大[66]。

在另一项研究中,腹泻为主的IBS患者服用了一种称为VSL#3的补充剂,该补充剂包含乳酸杆菌,双歧杆菌和链球菌菌株。结果显示,排便频率和一致性没有改善,但腹胀有所改善[67]。

还有一项研究发现,使用VSL#3治疗期间疼痛和腹胀明显减少。研究人员认为,益生菌会导致褪黑素增加,褪黑素是一种参与消化功能的激素[68,69]。

 有利于大脑健康 

肠道与大脑健康之间有着密切的联系。结肠中的细菌将纤维消化并发酵成短链脂肪酸,研究表明,这也可能有益于大脑和神经系统[70]。

一项针对动物和人类的38项研究综述发现,各种益生菌有助于改善焦虑症,抑郁症,自闭症,强迫症和记忆力低下的症状[71]。在这些研究中最常见的菌株是长双歧杆菌,短双歧杆菌,婴儿双歧杆菌,瑞士乳杆菌和鼠李糖乳杆菌。

益生菌似乎对广泛性焦虑与特定原因相关的焦虑有效[72,73,74]。

一项研究发现,喉癌患者在手术前两周服用益生菌后,血液中的压力激素水平降低,焦虑症降低了48%[74]。

在其他研究中,已证明益生菌可以改善健康个体和患有慢性疲劳综合症的人整体情绪并减少其悲伤感[75,76,77]。

服用益生菌补充剂也可以帮助患有抑郁症的人,包括患有严重抑郁症的人[78,79]。在一项为期八周的重度抑郁症患者研究中,服用嗜酸乳杆菌,干酪乳杆菌和双歧双歧杆菌的患者抑郁症明显减少。更重要的是,他们的胰岛素水平和炎性标记降低了[79]。

 改善心脏健康 

服用某些益生菌补品可能有助于降低低密度脂蛋白胆固醇(LDL),提高高密度脂蛋白胆固醇(HDL)并降低血压。

服用益生菌可能有助于降低患心脏病的风险。几项研究发现,酸奶或益生菌补品中的某些细菌可能导致心脏健康指标发生有利变化。其中包括降低“不良” LDL胆固醇和增加“良好” HDL胆固醇[80,81,82,83,84]。

能有效降低胆固醇水平的特定细菌菌株包括嗜酸乳杆菌,长双歧杆菌和罗伊氏乳杆菌。

基于14项研究的分析发现,益生菌可导致LDL胆固醇平均下降,HDL小幅上升和甘油三酸酯下降[84]。

对LDL胆固醇的影响可能有几种过程,包括脂肪代谢的改变和肠道中胆固醇的吸收减少[85]。

另外益生菌也可以帮助降低血压。一项针对九组对照研究的评论发现,服用益生菌的人血压有一定程度的降低。但是,只有每天益生菌剂量超过100亿CFU的疗程超过8周才有显著效果[86]。

 增强免疫力 

服用益生菌可能有助于增强免疫系统,并降低感染和患病的风险。研究表明,服用益生菌补充剂可能会改变肠道细菌的平衡,从而增强人体抵抗过敏,感染和癌症的能力[87]。

特别值得注意的是:乳杆菌GG,卷曲乳杆菌,乳杆菌,两歧双歧杆菌和长双歧杆菌。这些细菌可以降低儿童呼吸道疾病和湿疹的风险,以及成年女性的尿路感染[88,89,90]。

此外,已显示益生菌可减少炎症。在一项研究中,老年人食用加氏乳杆菌,双歧双歧杆菌和长双歧杆菌的混合物或安慰剂,每次食用三周。

服用益生菌制剂后,炎性标志物减少,抗炎性标志物增加,肠道菌群平衡,肠道类型变得更像年轻,健康的人常见的类型[91]。

某些益生菌也可能有助于预防牙龈炎或牙龈感染一项为期14天的研究调查了在接受短乳杆菌或安慰剂治疗时,不刷牙和使用牙线的成年人。安慰剂组的牙龈炎发展更快,这表明益生菌有助于预防感染[92]。

降低某些过敏和湿疹的严重程度

某些益生菌菌株可以降低儿童和婴儿的湿疹严重程度。

一项研究发现,与未添加益生菌喂养的婴儿相比,添加了益生菌补充牛奶的婴儿的湿疹症状有所改善[93]。

另一项研究跟踪了在怀孕期间服用益生菌的妇女生下的孩子。这些孩子在出生后的头两年患湿疹的风险降低了83%[94]。

然而,益生菌与减少湿疹严重程度之间的联系仍然很薄弱,需要做更多的研究[95,96]。一些益生菌还可以减少牛奶或乳制品过敏者的炎症反应。但是,证据薄弱,需要进一步研究[97]。

 促进整体健康 

益生菌还有许多其他好处。

比如炎症:益生菌减少全身性炎症[98];

皮肤健康:有证据表明,益生菌可用于治疗痤疮,酒渣鼻和湿疹以及其他皮肤疾病[99]。

这只是益生菌带来益处的一小部分,因为正在进行的研究表明,其影响健康十分广泛。

除了针对特定的疾病和状况,您还可以服用益生菌以促进整体健康。

一项针对健康成年人的最新研究表明,服用双歧双歧杆菌4周有助于增加短链脂肪酸的产生[100]。

还有一些证据表明,益生菌可以通过延缓随着年龄增长发生的炎症带来的衰老[101,102]。

当然,重要的是要确保您摄取健康的饮食,并保持其他促进健康的行为。不能光指望益生菌保持健康。

此外,尽管益生菌对大多数人来说是安全的,但它们可能会对病情严重或免疫系统受损的人造成伤害[103]。

 安全和副作用 

益生菌通常具有良好的耐受性,并被认为对大多数人是安全的[104]。但是,在开始的几天里,可能会出现于消化有关的副作用,例如胀气和轻度的腹部不适[105]。

调整后,消化会开始逐渐改善。对于免疫系统受损的人,包括那些患有艾滋病毒,艾滋病和其他几种疾病的人,益生菌可能会导致危险的感染[106]。

对于部分特殊疾病的患者,请在服用益生菌补充剂之前咨询医生。

 结 语 

拥有健康的肠道微生物群对健康至关重要,定期检测肠道菌群,分析肠道菌群构成及有益菌的丰度,选择正确的益生菌可以帮助您解决特定的健康问题,并改善整体健康状况和生活品质。

当然,需要注意的是保持健康的肠道不仅仅需要服用益生菌,日常饮食和运动同样重要,因为许多生活方式和环境因素都会影响肠道细菌。


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关于食物消化,避免损害和改善肠道健康的建议(科学支持)

谷禾健康

随着多年来科技的发展与生活脚步的加快,各种慢性疾病开始困扰着我们,且有年轻化的趋势。我们都希望一直能保持健康,那么具体该怎么做?

本文将从食物消化的过程开始,详细讲述如何改善健康。

消化食物过程以及需要多长时间

通常,食物需要24到72个小时才能通过消化道。确切的时间取决于所吃食物的数量和类型。

首先,食物通过消化系统的速度相对较快。在6到8个小时内,食物通过了胃,小肠和大肠。胃排空(2至5小时),小肠转运(2至6小时),结肠转运(10至59小时)和整个肠道转运(10至73小时)。

消化率还取决于你吃的食物类型

·  肉和鱼可能需要长达2天的时间才能完全消化。它们所含的蛋白质和脂肪是复杂的分子,需要更长的时间才能在身体内被分解。

·  纤维含量高的水果和蔬菜可在不到一天的时间内消化。这些高纤维食物通常可以帮助你的消化道更有效地运转。

·  消化最快的是加工过的含糖垃圾食品,例如糖果。身体会在几个小时内排出,很快你就又感觉到饿了。

消化过程中会发生什么

消化是人体分解食物并吸收人体所需的营养的过程。剩下的就是废物,身体会清除掉。

消化系统由五个主要部分组成:口、食管、胃、小肠、大肠。

口 腔

咀嚼时,口腔中的腺体会分泌唾液。这种消化液含有分解食物淀粉的酶,咀嚼是为了将食物弄成一种糊状的团状物,或者更容易吞咽的丸状物。

食 道

吞咽时,食物会向下移动到食道。食道是连接嘴和胃的管道。食管下括约肌下端的肌肉门打开,食物就会进入胃中。

胃中的酸会进一步破坏食物,然后产生混合着胃液和部分消化的食物,称为食糜。这种混合物继续下去,进入小肠。

小 肠

在小肠中,胰脏和肝脏会贡献自己的消化液。胰液分解碳水化合物,脂肪和蛋白质。胆囊中的胆汁可溶解脂肪。维生素,其他营养物质和水穿过小肠壁进入血液。剩余的未消化部分接着往下,进入大肠。

大 肠

大肠从食物中吸收所有剩余的水分和剩余的营养。其余部分变成固体废物,称为粪便。直肠会储存大便,直到要排便为止。

正常的大便每周3次至每天3次。尽管每个人的肠道都是不同的,但是健康的肠道通常会有一定的规律。食物通常需要24到72个小时才能通过消化道。直到六到八个小时后,食物才到达大肠(结肠),然后开始要上厕所。

如果一直没有感觉,可能是便秘。便秘有很多原因,从脱水或低纤维到甲状腺等各种问题,但最好的选择是首先检查饮食和肠道状况。确保你已经喝了足够的水,并在饮食中加入了各种水果和蔬菜,保持肠道状况良好。

我们的肠道负责让我们的身体维持正常工作状态。当我们吃的食物被分解时,肠道会吸收支持我们身体功能的营养物质-从产生能量到荷尔蒙平衡,从皮肤健康到心理健康,甚至消除毒素和废物。

此外,关于免疫系统的70%在肠道中,因此确保我们的消化系统处于最佳状态对于解决我们的许多身体疾病至关重要。

为了使食物在消化系统中顺畅流动并防止腹泻和便秘等问题,可以进行以下选择:

01多吃蔬菜,水果和全谷物

蔬菜,水果和全谷物都是纤维的丰富来源。纤维有助于食物更轻松,更彻底地通过消化系统。

02 限制红肉和加工食品

研究已经表明红肉产生与心脏病有关的化学物质。加工食品可能会导致胃肠道内壁发炎,而胃肠道内壁正是吸收食物的主要位置。你的肠胃可能无法识别你吃进去的可消化食物,更有可能将高果糖玉米糖浆或人造成分等食物识别为“攻击者”,从而引起炎症反应。我们的身体实际上在抵抗这些食物,就好像是感染一样。

因此尽可能食用更多的绿色食品,例如绿色水果,蔬菜和未加工的肉类,可以降低对身体造成的压力。

03 坚持运动

身体运动也会带动消化道运动。饭后散散步可以防止气体和腹胀。运动还可以控制体重,从而降低罹患某些癌症和消化系统其他疾病的风险。

04 保证充足的睡眠

睡眠不足与肥胖有关,肥胖可能导致消化系统出现问题。

05 适当解压

过度的压力会加剧消化系统疾病,例如烧心和肠易激综合症。诸如冥想和瑜伽等缓解压力的技术可以帮助您放松心情。

06 尽量避免引起过敏

我国在2011年4月发布了新的《预包装食品标签通则》,其中增加了食品中可能含有致敏物质时的推荐标示要求。在推荐标示内容部分,特别对致敏物质做了标示的详细规定。对食品及其制品中选用了某些可能导致人体产生过敏反应的配料,宜在配料表中使用易辨识的名称,或在配料表邻近位置加以提示。

例如上世纪80年代, 欧美有不少人发现他们对自己的主食面包过敏。就在于肠胃对面筋蛋白质中的醇溶谷蛋白的过敏反应。于是欧美兴起了轻/无麸质食品。

注:麸质(Gluten)是存在于多种谷物中的一种谷蛋白,亦称面筋蛋白,对中国人来说,就是俗称的“面筋”,它是大麦、小麦、燕麦、黑麦等谷物中的精华物质,具有弹性,能给面食带来“劲道”的口感。

人类的肠道内有超过100万亿种细菌,被称为“肠道菌群”。拥有健康的肠道菌群对于你整体健康至关重要。破坏肠道菌群与许多健康问题有关。

有意思的是,许多饮食,生活方式和其他环境因素都可能对肠道菌群产生负面影响。饮食和生活方式因素,包括不良的睡眠质量,饮酒和缺乏运动,都可能会损害肠道细菌。

做什么会损害肠道菌群

饮食不均衡

由水果,蔬菜和全谷物等各种各样的整体食物组成的饮食会导致肠道菌群更加多样化。实际上,仅改变几天的饮食习惯就可以改变肠道菌群。这是因为您吃的食物提供了有助于细菌生长的营养。富含全食物的饮食可以为肠道提供多种营养,帮助促进各种细菌的生长,从而导致肠道菌群更加多样化。

通常丰富多样的肠道菌群被认为是健康的。肠道菌群缺乏多样性,不利于从感染或抗生素等有害影响中的恢复

不幸的是,在过去的几十年中,许多多样性饮食已经丧失。据报道,全球75%的粮食供应仅来自12种植物和5种动物。有意思的是,研究表明,生活在非洲和南美农村地区的人的肠道菌群要比生活在美国和欧洲的人更为丰富。他们的饮食通常不受西方饮食的影响,富含纤维和多种植物蛋白。

饮食缺乏益生元

益生元可以在通过上消化道时不被消化,却能被肠道菌群发酵,可促进肠道中有益菌的生长和活动。许多食物,包括水果,蔬菜和全谷物,都含有益生元。饮食中缺乏它们可能对您的整体消化健康有害。

益生元含量高的食物包括:

小扁豆,鹰嘴豆和豆类;燕麦;香蕉;菊芋;芦笋;大蒜;韭菜;洋葱;坚果类

一项针对30位肥胖女性的研究发现,每天服用益生菌补充剂三个月可以促进有益菌例如双歧杆菌生长。

益生元纤维补充剂还促进短链脂肪酸的产生。这些脂肪酸是结肠细胞的主要营养来源。它们可以被吸收到您的血液中,从而促进新陈代谢和消化系统的健康,减少炎症并降低结直肠癌的风险。

此外,富含益生元纤维的食物可能会降低胰岛素和胆固醇水平。

饮酒过多

一般来说,饮酒会对肠道细菌产生有害影响。但是,适量食用时,红酒中的多酚含量可能对肠道细菌具有保护作用。酒精会上瘾,大量饮酒会对身体和精神产生有害影响。在肠道健康方面,长期饮酒会引起严重的问题,包括营养不良。

一项研究检查了41名酗酒者的肠道菌群,并将其与10名几乎不喝酒的健康个体进行了比较。酗酒者肠道菌群失调占27%,但在任何健康个体中都没有。

另一项研究比较了三种不同类型的酒精对肠道健康的影响。在20天内,每天喝272毫升的红酒,272毫升的脱醇红酒(一种酒精含量极低的葡萄酒)或100毫升杜松子酒(一种烈酒)。

其中杜松子酒减少了肠道中有益菌的数量,而红酒实际上增加了已知可促进肠道健康的细菌数量,减少了梭菌等有害菌的数量。

适量饮用红酒对肠道细菌的有益作用似乎是由于其多酚含量的缘故。多酚可以逃避消化,并被肠道细菌分解的植物化合物。它们还可以帮助降低血压并改善胆固醇水平。

抗生素的使用

抗生素是用于治疗细菌引起的感染和疾病的重要药物,例如尿路感染等。它们通过杀死细菌或防止细菌繁殖而起作用,并在过去80年中挽救了数百万人的生命。

但是,抗生素的缺点之一是它们同时影响好细菌和坏细菌。实际上,即使是单一抗生素治疗也可能导致肠道菌群组成和多样性的变化。

短期改变

抗生素通常会导致有益细菌(例如双歧杆菌和乳杆菌)的短期减少,并会暂时增加有害细菌(如梭菌)。

长期改变

但是,抗生素也会导致肠道菌群的长期改变。服完一定剂量的抗生素后,大多数细菌会在1-4周后返回,但它们的数量通常不会恢复到以前的水平。

一项研究发现,单剂量抗生素减少了拟杆菌的丰度,并增加了耐药菌株的数量。这些影响可能会持续两年。

尤其是在生命早期使用抗生素可能导致某些个体长期破坏生态系统,这在我们之前的文章里面也有详细阐述。

Thiemann S,et al, 2016

缺乏规律的体育锻炼

体育活动被简单地定义为身体燃烧能量的任何运动。散步,园艺,游泳和骑自行车都是体育锻炼的例子。我们都知道锻炼身体可以带来许多健康益处,包括减肥,解压和降低患慢性病的风险等。

此外,最近的研究表明,体育锻炼也可能会改变肠道细菌,改善肠道健康。较多的锻炼与更多的丁酸以及丁酸产生菌有关(丁酸是一种对整体健康至关重要的短链脂肪酸)。这在我们之前短链脂肪酸的文章中也有详细阐述。

一项研究发现,与体重,年龄和性别相匹配的对照组相比,职业橄榄球运动员的肠道菌群更加多样化,细菌种类增加了一倍。此外,运动员的Akkermansia含量较高,该细菌被证明在代谢健康和预防肥胖中起重要作用。

女性群体中也有类似的报道。一项研究比较了19名经常体育锻炼女性的肠道菌群和21名不常体育锻炼女性的肠道菌群。经常体育锻炼的女性有很多促进健康的细菌,包括双歧杆菌和阿克曼菌属等,这表明经常体育锻炼,即便是在低强度到中等强度,定期进行体育锻炼也是有益的。

抽烟

吸烟会对体内几乎所有器官产生有害影响。戒烟可以增加肠道菌群的多样性,从而改善肠道健康,这种情况会在九周后发生。

烟草烟雾由数千种化学物质组成,其中70种会导致癌症。吸烟会对人体几乎所有器官造成伤害,并增加患心脏病,中风和肺癌的风险。

吸烟也是引起炎症性肠病的最重要的环境风险因素之一,这种疾病的特征是持续的消化道炎症。此外,吸烟者罹患克罗恩氏病(一种常见的炎症性肠病)的可能性比不吸烟者高两倍。在一项研究中,戒烟增加了肠道菌群多样性,这是健康肠道的标志。

睡眠不足

保证良好的睡眠对整体健康非常重要。研究表明,睡眠不足与许多疾病有关,包括肥胖和心脏病。睡眠是如此重要,你的身体拥有自己的昼夜节律。这是一个24小时的内部时钟,会影响您的大脑,身体和激素。它可以使您保持警觉和清醒,但也可以告诉您何时应该入睡。

肠道也遵循日常的昼夜节律。由于缺乏睡眠,或者倒班,或者在深夜进食都会干扰生物钟,可能会对肠道菌群产生有害影响。

2016年的一项研究首次探讨了短期睡眠剥夺对肠道菌群组成的影响。该研究比较了九名男性中两晚睡眠不足(每晚约4小时)与正常睡眠时间两晚(8.5小时)的影响。睡眠不足两天导致肠道菌群发生细微变化,并增加了与体重增加,肥胖,2型糖尿病和脂肪代谢有关的细菌数量。然而,睡眠剥夺对肠道细菌的影响是一个新的研究领域。需要进一步研究以确定睡眠不足和睡眠质量差对肠道健康的影响。摘要:身体有一个称为昼夜节律的24小时内部时钟。睡眠不足会破坏昼夜节律,这似乎对肠道细菌有有害影响。

压力过大

压力过大会增加有害细菌(如梭菌)和减少有益细菌(如乳酸菌),过度应激会降低肠道菌群多样性,改变肠道菌群分布。

我们说健康不仅仅是饮食,体育锻炼和充足的睡眠,还需要适当解压。高压力水平也会对身体产生有害影响。

在肠道中,应激会增加敏感性,减少血液流量并改变肠道细菌。对小鼠的研究表明,不同类型的压力(例如隔离,拥挤和热应激)可以减少肠道菌群多样性并改变肠道状况。小鼠在压力暴露下也会影响菌群构成,导致梭状芽胞杆菌等潜在有害菌增加,而乳酸杆菌(Lactobacillus)等细菌的有益菌减少。

一项针对人体的研究探讨了压力对23名大学生的肠道细菌组成的影响。在学期开始时和学期末进行肠道菌群检测。期末考试带来的高压力导致包括乳酸杆菌在内的有益菌的减少。有关压力与肠道菌群之间关系的研究还很新,目前对人类的研究还很有限。

如何改善肠道健康

健康的肠道菌群富含有益菌,对于整体健康至关重要。有很多方法可以改善肠道健康。饮食健康,多样化的饮食,良好的睡眠和减轻压力的程度,都是改善肠道菌群的好方法。

以下是有关如何改善肠道菌群的一些技巧:

 肠道菌群检测

每个人都有自己独特的肠道菌群,处于自己独特的平衡中。不同的食物将以不同的方式影响我们所有人。也许令你感到不适的食物会使别人充满活力和健康,对你有效的药物对别人无效。

通过肠道菌群检测,可以更科学准确了解自己的肠道健康状况并制定相应的营养计划以满足自身需求。人们会越来越倾向于采用个性化的方式以维持健康。

多吃富含益生元的食物

多吃富含益生元纤维的食物,例如豆类,洋葱,芦笋,燕麦,香蕉等。

食用更多的益生菌

益生菌可能会增加健康的肠道细菌数量。发酵食品,例如酸奶,泡菜,干酪、酒酿、酱油、食醋等都是极好的来源。当然也可以服用益生菌补充剂。

留出充足的睡眠时间

要改善睡眠质量,傍晚之后请尽量不碰咖啡因,尽可能在完全黑暗的环境中睡觉,并进行有条理的睡眠,以便于每天都可以在同一时间入睡和起床。

减轻压力

定期运动,冥想和深呼吸运动可能有助于减轻压力水平。如果您经常感到压力很大,苦不堪言,对任何事物都提不起兴趣,则需考虑去看心理医生。

吃富含多酚的食物

优质食物包括蓝莓,红酒,黑巧克力和绿茶。多酚的消化效率不高,通常会进入结肠,在结肠中被细菌消化。

保证均衡饮食

《美国国家科学院院刊》上发表的一篇关于营养科学的文章指出,营养物质对于维持身体健康至关重要。这包括41种营养素,这些营养素包括14种已知的维生素(维生素A,B-1,B-2,B-6,B-12,C,D,E,K,生物素,胆碱,叶酸,烟酸和泛酸)和16种必需矿物质(钙,氯,铬,钴,铜,碘,铁,锰,镁,钼,磷,钾,硒,钠,硫和锌),以及11种其他物质,这些物质目前尚未归类为维生素,但应该归为维生素,包括两种类型的omega-3脂肪酸和9个氨基酸。

而大多数营养素都藏在我们日常的食物中,我们可以尽可能选择多种类的食物来加以均衡。这些营养素一旦缺乏,就会对健康带来不利影响。

 结 语 

随着现代医学的发展,对疾病的预防开始逐渐成为医学上的重要环节,从预防做起能更多地免受疾病之苦。最后,希望大家从饮食的点滴开始,调整生活方式,找到属于自己的最佳健康状态。


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药到病除?功能性食品到底有没有用?关键还要看你的肠道微生物

谷禾健康

人体肠道微生物群是一个复杂的生态系统,可以调节宿主与环境的相互作用。同样的功能性食品或药物在不同人身上可能存在生物利用度差异许多药物会对人产生不同的影响,举个例子,大约40%的抑郁症患者对抗抑郁药物反应不佳,其中一个重要的原因是个人肠道微生物差异造成的。

之前的文章我们已经知道,用药(例如抗生素)会影响肠道菌群,从而影响健康。但肠道菌群和药物(非抗生素药物)之间的关系更多的是双向作用:肠道菌群不仅受药物影响,肠道微生物可以通过酶作用改变药物结构,改变药物的生物利用度、生物活性或毒性,从而提高药物的疗效和安全性。例如,口服抗病毒药物布里夫定可以被宿主和肠道微生物区系代谢为溴乙烯基尿嘧啶,后者具有肝脏毒性。

此外,用于治疗帕金森病的左旋多巴是微生物影响药物疗效的一个典型的例子:研究表明,代谢左旋多巴药物的酶(TyrDC)是由粪肠球菌驱动的。在粪肠球菌中突变tyrDC可以阻止细菌从左旋多巴到多巴胺的代谢,从而提高药物疗效。

本文综合整理研究文献综合阐述肠道微生物如何影响药物药效功能性食品的生物利用度


首先,我们来了解下,什么是生物利用度?

生物利用度:是指药物活性成分从制剂释放吸收进入全身循环的程度和速度。也就是说吃的功能性食品的成分或者药物成分被生物体特定部位吸收和利用的程度和速度。

口服药物的生物利用度取决于到达全身循环前肠道和肝脏酶的首次代谢程度。然而,口服药物在到达宿主组织之前可能会遇到一个重要部位——肠道微生物群。

最近,肠道微生物群在研究方面取得了巨大进展,肠道微生物群对功能性食品或药物中成分利用的影响可能解释了这种差异。

 肠道微生物如何参与消化吸收

◆ ◆ ◆ ◆

在人类历史上,大量肠道细菌已经在人类肠道内定植。这些微生物由于其丰富的数量和重要的作用被称为人体第二基因组。

肠道微生物群也被发现是能量获取的一个强有力的调节器;因此,已显示出与诸如脂代谢、糖代谢、肠道感染、脑功能、免疫和肿瘤发生等过程的显著相关性。肠道菌群受到遗传和环境因素的影响,当然环境因素更重要。

肠道微生物群可以帮助宿主通过仅由细菌分泌的酶和粪便能量的排泄来消化摄入的食物或药物。 研究表明,主要的代谢反应是由肠道微生物酶进行的,包括β-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖醛酸酶、氮还原酶、硫酸盐酶、硝基还原酶和硝酸盐还原酶。重要的生物转化,包括还原代谢、水解反应、去甲基化、脱氨、脱羟基化、去酰化、脱羧和氧化,被认为是由特定的肠道微生物进行的。

肠道微生物对食物的消化和有益的生物活性物质的合成有重要影响,如短链脂肪酸(SCFAs)和维生素,以及有害分子,如脂多糖(LPSs)、支链氨基酸(BCAAs)、胆汁酸和三甲胺(TMA),TMAN-氧化物(TMAO)的前体。

因此,尽管有些物质对人类健康有直接影响,但许多生物功能是由肠道微生物从食物或药物中转化而来的小生物活性分子发挥的。

异源物质代谢的微生物学机制/通路

肠道微生物群通过催化各种生物转化直接与外源生物相互作用。反过来,许多外来生物抑制微生物生长或造成细胞损伤。

间接相互作用,包括微生物对宿主异种代谢成分的表达和活性的影响。

肠道微生物是药物或食品生物利用度的有效调节者

◆ ◆ ◆ ◆

膳食纤维可直接代谢为生物活性物质,即对提高短链脂肪酸水平具有生物效应的物质,短链脂肪酸可通过富集短链脂肪酸生产者从膳食碳水化合物中获得。另一方面,基于肠道菌群的功能,膳食纤维还可以通过重塑肠道菌群结构来降低TMA、TMAO和LPS的代谢。

重要的是,即使我们发现某些水提取物或功能性食品或药物的粗提取物具有生物效应,这些提取物本身也很有可能不具有生物效应,而肠道微生物群产生的小生物活性物质很可能在这些生物过程中发挥作用

有研究表明,肠道微生物群通过四种途径对生物活性小分子的形成有显著影响。接下来主要来介绍下这四种途径。

肠道微生物通过四种途径提高摄入物质的生物利用度,以促进这些物质的治疗效果。 这四条途径也为随后在寻找功能性食品和新药方面的突破奠定了基础。

一、直接转化

◆ ◆ ◆ ◆

途径1肠道微生物将母体化合物直接转化为有益代谢物

大量证据表明,肠道微生物群可以与不可消化的膳食化合物和草药(如多糖、低聚糖、皂甙和酚类化合物)相互作用,直接将这些分子转化为更活跃的化合物,提高其口服生物利用度。

注:什么是母体化合物?

命名有机化合物时,常把选定为命名主体的化合物也称母体化合物。在系统命名法中,选出最长的碳链的化合物就是母体化合物。

1

 难消化的碳水化合物

碳水化合物包括膳食纤维、多糖和低聚糖,已被证明是许多药物和功能性食品的活性成分。然而,这些化合物在小肠内不易消化。许多研究表明,重要的代谢产物短链脂肪酸是潜在有益菌发酵多糖或低聚糖的主要最终产物。

在一项随机对照临床研究中,膳食纤维能极大地富集乙酸和丁酸产生菌。因此,在干预期间,这两种SCFAs的浓度也随之升高。2型糖尿病(T2DM)的缓解与肠道微生物群的改善、SCFA生成的上调、血清胰高血糖素样肽1(GLP-1)和肽YY(PYY)水平的升高有关。值得注意的是,根据15个SCFA生产商的数学模型,提高一个指数可以预测糖化血红蛋白(HbA1c,一个重要的糖代谢参数)的减少,表明有益肠道细菌产生的SCFAs在缓解T2DM中的重要作用。

药用和食用植物以及海洋生物中的多糖不仅被代谢产生高水平的SCFA,还可以减少代谢综合症或发挥免疫调节功能;此外,这些化合物通过富集产生SCFA的肠道细菌在临床应用中表现出更好的治疗效果。

例如,灵芝多糖可以调节肠道菌群(改变下图中菌群相对丰度),在生物活性中发挥核心作用,提高大鼠肠道SCFAs和分泌性免疫球蛋白a的浓度。高脂肪饮食消耗与血清LPS水平升高有关,也称为代谢性内毒素血症。代谢性内毒素血症诱导肝脏和脂肪组织炎症,激活肝脏TLR4途径。高脂肪饮食消耗还伴随着胰岛素抵抗导致的肝脂肪生成增加,而灵芝水提物减少了代谢改变。

玉竹多糖能使高脂饮食(HFD)大鼠受损肠道菌群组成恢复到正常对照组水平增加产生SCFA的细菌的数量,这与肥胖参数的改善相关。

冬虫夏草多糖能显著提高肠道菌群产生的丁酸盐水平,不仅能改善组蛋白H3乙酰化,介导T(Treg)细胞特异性Foxp3,而且能显著逆转环磷酰胺诱导的小鼠白细胞介素17(IL-17)和IL-21水平的升高。

寡糖对肠道菌群有明显的调节作用,导致各种SCFAs的产生,对代谢紊乱和结肠运动有良好的影响。

例如,低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)和低聚异麦芽糖(IMO)处理增加了SCFA产生菌的水平,包括乳酸杆菌和双歧杆菌。

丁酸等短链脂肪酸能纠正无菌小鼠的运动,可能是通过增加肠神经元的组蛋白H3乙酰化,从而通过增强迷走神经活动减轻便秘。

此外,FOS的摄入促进了胃饥饿素、葡萄糖和胰岛素水平的降低和PYY水平的升高。

低聚木糖(XOS)和菊糖型果聚糖还可以增加双歧杆菌的数量,增加丁酸和乙酸的含量,显著缓解慢性肾脏疾病和溃疡性结肠炎。

因此,虽然含有多糖或寡糖的中草药和功能性食品的生物利用度较低,但有益菌从这两种复杂的碳水化合物成分代谢而来的SCFAs可能是关键的生物活性分子。检测短链脂肪酸水平可能比关注含有这两种复合碳水化合物的草药和功能性食品的生物利用度重要得多。

肠道微生物群主要通过琥珀酸途径、丙烯酸酯途径和丙二醇途径从碳水化合物中生物转化出丙酸等短链脂肪酸。琥珀酸途径是许多拟杆菌合成丙酸的主要途径。琥珀酸途径也存在于黄色瘤胃球菌中,产生琥珀酸,但不是丙酸,琥珀酸是丙酸的前体。乳酸转化为丙酸的过程包括琥珀酸途径和丙烯酸酯途径,这在韦荣氏球菌属(通过琥珀酸途径)和巨球形菌属 /巨球形菌属(通过丙烯酸酯途径)中观察到。大肠杆菌、粪厌氧棒状菌和拟杆菌都可以降解通过丙二醇途径还原糖。

SCFAs可与肠上皮细胞上的G蛋白偶联受体(GPCRs)结合,主要是GPR41(称为FFAR3)和GPR43(称为FFAR2),调节炎症反应,并触发肠激素分泌,主要是GLP-1和PYY。GPR41和GPR43被发现存在于肠细胞以外的其他细胞,如脂肪细胞、内分泌细胞和免疫细胞。血流中的SCFA可以到达这些细胞并与这些SCFA敏感受体结合。

皂苷

已发现许多循环不良的生物可利用的草药在不产生SCFA的情况下发挥药理作用。近年来,越来越多的生物活性分子被肠道微生物群从这些功能性药物中代谢出来。皂苷是具有抗炎和抗癌活性的有价值的生物活性成分。然而,这些分子很难被人体血液吸收,导致在人体组织中的功效很低。

肠道微生物群通过将这些化合物转化为有益的代谢物,为克服皂苷的生物利用度差提供了新的机会。其中甘草酸苷(glycyrrhizin,GL)是从甘草中提取的一种典型的三萜皂苷,具有抗病毒、抗氧化、抗癌、抗炎等多种药理作用,引起了人们的广泛关注。它也是少数几个经过特定肠道微生物群代谢后相对明朗的成分之一。

基于这一发现,甘草次酸3-O-单-D-葡萄糖醛酸(GAMG)是一种比母体化合物GL具有更高生物利用度的代谢物,已在日本食品和制药工业中通过直接生物转化进行商业开发。

当人体口服GL时,不易从肠道吸收到血液中,由于其结构由两个葡萄糖醛酸分子组成,具有强极性。然而,GL的一个末端葡萄糖醛酸可以被来自肠道细菌的β-D-葡萄糖醛酸酶(β-GUS)水解,然后转化为GAMG,GAMG表现出适度的膜通透性和适当的分子极性,可能是由于该分子中的糖结合,导致生物利用度的提高。

肠道细菌,包括真杆菌属GLH、瘤胃球菌属PO1-3和无害梭菌ES24-06,在改变GL的化学结构以产生其他相关的肠道吸收代谢物(如GAMG、3-α羟基甘草次酸[3α-羟基GA]和3-氧代甘草次酸[3-oxoGA])方面发挥着重要作用具有较强的药理活性(下图)。

图  途径1应用前景良好的典型例子:通过调节肠道菌群将母体化合物(如甘草酸)代谢为增值化合物。

Timosaponin AIII(TA)是另一种皂甙类化合物,通过肠道微生物群对TA的糖基部分进行裂解,在肠道内代谢为活性代谢物sarssapogenin(SG),发挥多种药理作用。

有趣的是,与母体化合物(TA)相比,SG具有更高的抗炎作用,主要通过抑制LPS刺激的巨噬细胞中NF-B活化和促炎细胞因子(肿瘤坏死因子α[TNF-]、IL-1 和IL-6)的表达。

人参,其药理活性主要归因于人参皂甙,通常表现出恢复作用,强直性和振兴作用。人参和人参源性三萜皂苷,人参皂苷Rb1,根据肠道细菌Rb1水解电位的不同,在个体患者中表现出不同的疗效。

结果还表明,Rb1作为一种天然前药口服后,不能被天然形式的高吸收以发挥健康效益。Rb1可水解成其活性形式20-O-β-D-吡喃葡萄糖基-20(S)-原人参二醇,通过糖基部分的裂解使Rb1水解肠道细菌,使Rb1到达血浆,从而发挥其强大的抗转移活性。这些研究揭示母体皂甙被脱糖基化为相应的代谢物以发挥生物活性,主要由肠道微生物群分泌的消化酶介导。

2

  酚类化合物

酚类化合物,分为黄酮类非黄酮类,在食用植物中普遍存在。这些化合物具有很强的抗氧化作用,影响人体健康。然而,这些化合物的生物利用度因其巨大的结构多样性而不同。一部分酚类化合物被宿主衍生酶转化为生物活性代谢物,而另一部分酚类化合物不被小肠吸收,可能被肠道微生物群发酵和转化。

2.1  芹黄素-7-葡萄糖苷(A7G)

黄酮是主要的黄酮类化合物,芹黄素是黄酮苷元。芹黄素-7-葡萄糖苷(A7G)是芹黄素的母体化合物,具有抗突变、抗增殖和抗过敏作用。

通过将A7G应用于无菌大鼠和人类微生物群相关的大鼠,Hanske等人结果表明,无菌大鼠的尿液和粪便中A7G代谢物相对较少;无菌大鼠和人类微生物群相关大鼠中A7G代谢物主要分别为芹菜素和3-(4-羟基苯基)丙酸,无菌大鼠血液中检测到的化合物为芹黄素结合物,而在人类微生物群相关大鼠血液样本中检测到的化合物是根皮素。

这些结果表明,人体肠道菌群影响A7G代谢,影响黄酮类化合物的生物利用度。

2.2  花青素

花青素,另一种类黄酮,在以前的研究中被误认为比其他类黄酮亚类生物利用度低得多。最近的研究表明花青素是非常有效的,这些化合物的生物利用度被低估了。大部分摄取的花青素可能到达结肠并被结肠微生物群代谢。通过给回肠造口患者喂树莓、蓝莓和葡萄,发现大约40%的摄取花青素残留在回肠排出物中。

在拥有完整结肠的健康人中,花青素可以进入结肠并被去糖基化。C环的解离导致苷元的分解,这些分子转化为若干酚类成分,并产生附加效应。

2.3 姜黄素

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、抗菌和有益的作用,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和双去甲基姜黄素的。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

以下是非黄酮类化合物。

2.4  绿原酸

作为常见的非黄酮类化合物,咖啡豆中含有丰富的绿原酸(没食子酸),可以防止人体低密度脂蛋白(LDL)的氧化,而LDL在动脉粥样硬化斑块的形成中起着关键作用。

斯大马等人的研究结果表明,绿原酸的吸收主要发生在大肠和小肠。大多数绿原酸完好无损地到达结肠,一些细菌产生一些酯酶来水解酚-奎宁酸键。释放的绿原酸很容易被细菌转化为二氢形式,如二氢铁酸和二氢咖啡酸,然后被结肠上皮吸收。其次,二氢阿魏酸、二氢铁酸硫酸盐等可在高浓度下进入循环。此外,一些其他生物利用度较低的酚类化合物,如迷迭香酸、依地考黄和一些槲皮素衍生物,被结肠微生物群发酵成可吸收和生物活性的酚酸,如羟基苯丙酸、苯丙酸和3,4-二羟基苯乙酸。

这些具有生物活性的微生物代谢物可被循环系统吸收和运输到器官和组织,或在肠腔发挥作用。

上述所有实例都表明,改善肠道微生物群可能是评价母体物质生物利用度的一个良好策略。然而,大量生物利用度较低的功能性食品和药物的代谢产物尚不清楚。此外,在确定提高食品和药物生物利用度的方法时,应考虑到单个肠道微生物的特性。

2.5  硫酸软骨素(CS)制剂

具体来说,口服硫酸软骨素(CS)制剂(一种高分子量的糖胺聚糖)已被用作治疗骨关节炎的药物很长一段时间。遗憾的是,临床试验中需要每天1200毫克才能观察到预期的疗效。CS在小肠的吸收率较低,口服后CS的生物利用度仅为0-13%。CS在胃和小肠中不可降解,口服后主要被结肠微生物群清除或降解。

通过分析6名健康受试者远端胃肠道肠道微生物群对CS的降解情况,研究人员发现每个个体的CS降解菌(多形拟杆菌J1、多形拟杆菌82、卵形拟杆菌E3和哈氏梭菌R4)具有不同的降解效果,但所有的产物都是2-乙酰氨基-2-脱氧-3-O-(β-D-葡萄糖-4-Δ 烯基吡喃糖醛酸)-4-Osulpho-D-半乳糖(Δ-UA-GalNAc4S)。

本研究表明虽然不同个体携带的细菌具有相同的功能,但该物种可能决定药物的降解率,从而导致生物利用度的差异。因此,我们认为,食品或药物的生物利用度不仅取决于物质本身,还取决于个人的肠道功能菌群

二、增加有益菌及其代谢产物

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途径2非母体化合物富集的肠道细菌增加母体化合物的有益代谢产物

一些药物成分,如生物碱(黄连素等)和二甲双胍,不能被肠道菌群转化为短链脂肪酸,但这些化合物可以引发肠道菌群从膳食碳水化合物中产生短链脂肪酸的增加。

我们常见的药物黄连素是从黄连等中草药中提取的一种提取物,以前被认为是治疗腹泻的抗生素药物,最近在治疗2型糖尿病的过程中被发现能提高糖耐量。然而,由于黄连素口服生物利用度较低,其临床疗效难以解释。

与黄连素相比,二甲双胍具有较高的口服生物利用度,二甲双胍治疗代谢性疾病的作用疾病的机制被很好地理解,即通过激活AMP活化蛋白激酶(AMPK)抑制肝脏糖异生。最近的研究表明肠道微生物群对二甲双胍的疗效有重要影响。

来自欧洲分子生物学实验室联合其他众多研究机构的研究人员的一项研究发表在《Nature》,用784个可用的人类基因组数据对抗糖尿病药物二甲双胍进行了详细分析。

他们支持二甲双胍通过短链脂肪酸(SCFA)产生治疗作用的微生物介导,以及已知肠道不良反应背后潜在的微生物群介导的机制,即埃希氏杆菌属的丰度相对增加。

在二甲双胍治疗的控制下,一个在T2D中肠道微生物群移动的统一特征:产生丁酸菌减少。这些反过来又会引起功能性微生物群的变化,部分缓解了二甲双胍引起的变化。

二甲双胍和黄连素对HFD(高脂饮食)引起的肠道菌群组成改变有明显的对比作用。黄连素和二甲双胍富集了可能产生SCFA的细菌,包括支原体菌科的Allobaculum、拟杆菌、Blautia、Butyricicoccus和考拉杆菌属。有趣的是,某些类型的SCFAs甚至可以触发肠道微生物群产生其他类型的SCFAs或有机酸。

向HFD中添加单缬氨酸(MV)和三缬氨酸(TV)不仅可以改善脑中的缬草酸水平,还可以改善脑中的乙酸水平。然而,MV和TV有降低盲肠中乙酸浓度的趋势,提示盲肠中乙酸可以转移到大脑中。

此外,大脑中的乙酸水平与TM7、S24-7家族和rc4-4的丰度呈显著负相关,与盲肠微生物群中的

Anaeroplasma 和 Tenericutes 丰度呈显著正相关。这些结果提示,脑内乙酸水平的升高可能与MV和TV引起盲肠内微生物的改变有关。

总之,一些研究表明,某些药物和功能性食品的提取物生物利用度低,但对宿主健康影响大。非母体化合物可以通过调节肠道微生物群代谢母体化合物而不是对宿主产生直接影响来增强生物效应。

此外,一些生物活性分子的功能有时来源于有益细菌产生的母体化合物的代谢产物,如多糖和低聚糖,而不是母体化合物本身。然而,只有在摄入有益的食物或药物后,才能经常检测到生物活性效应。迄今为止,很少能够确定有益分子是通过肠道微生物群的代谢直接或间接发挥作用。因此,不容易区分途径1和2。研究人员认为有必要通过代谢组学研究和每一种单独的代谢产物与宿主表型的相关性分析来鉴定治疗分子,并试着增加这些分子在血液中的分布。

三、 减少有害菌及有害代谢产物

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途径3通过非母体化合物调节肠道微生物,减少母体化合物中有害代谢物

除了通过调节肠道微生物群来上调有益分子外,下调微生物群对有害分子的吸收也可能有益于人类健康。有害微生物也通过许多可预测的途径与宿主相互作用。

一些食物,如富含红肉的饮食,会诱发肠道微生物群产生有害分子,如TMA(三甲胺)/TMAO(TMA氮氧化物前体)和胆汁酸/胆固醇。越来越多的证据表明,生物利用度低的酚类植物化学物质可以降低有害化合物的水平,主要是通过肠道微生物群的重塑。TMA是由肠道微生物群降解胆碱和左旋肉碱而产生的,它被血液吸收,然后被肝脏的一种含黄素单加氧酶3(FMO3)迅速氧化为TMAO。

白藜芦醇(一种天然酚类化合物)通过重塑肠道微生物群来减少TMA和TMAO的合成。属级分析表明,白藜芦醇增加了拟杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌和阿克曼西亚的相对丰度。同时,白藜芦醇的使用导致普雷沃菌和瘤胃球菌科的相对丰度下降,TMA和TMAO的合成下降。除了天然药物,膳食纤维还通过改变肠道来降低TMAO水平微生物组。

研究表明,饲喂膳食纤维改变了小鼠肠道微生物生态,促进了阿克曼菌、双歧杆菌等的生长,抑制了有害物种的生长,通过重塑肠道微生物群落结构降低了TMA和TMAO的代谢。

此外,食物中的一些生物活性分子,如蒜素,也会影响TMA和TMAO的产生。

脂多糖(LPS)是革兰氏阴性菌的膜成分,是另一类非肠道代谢产物的有害物质。2018年研究结果表明,膳食纤维的摄入抑制了T2DM患者体内潜在有害细菌的生长,降低了LPS水平,但增加了SCFA产生菌的数量。洛佩兹等人提示染料木素作为大豆中的一种膳食生物活性成分,通过增加普氏菌属和阿克曼菌属的数量,对HFD小鼠肠道微生物群有调节作用。这些增加导致循环中脂多糖水平减少和代谢性内毒素降低。

另外,还有很多慢性肾脏病患者肠道微生物群的重建可以减少血液中有害的代谢产物,如由微生物群产生的硫酸吲哚和硫酸对甲酚。

总之,功能成分可以通过重塑肠道微生物群来减少有害肠道代谢物的产生。为了充分了解生物利用度,必须考虑到有害生物可利用分子水平的下降。因此,降低有害分子的生物利用度也可以缓解代谢疾病。在许多情况下,一些功能性食品或药物不仅可以增加有益菌(通常是SCFA产生菌)的数量,而且减少有害菌的数量以改善各种疾病。

四、抑制降解药物生物活性的肠道细菌

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途径4抑制特定的肠道细菌,使母体化合物由非母体化合物转化为非活性形式

在途径1中,我们描述了一组能够将非活性成分转化为高效生物活性和可吸收的化合物。相反,特定肠道细菌对药物或食品中某些功能成分的降解会降低这些化合物的生物利用度。与在途径1中富集有益菌的策略相反,抑制降解生物活性母体药物的肠道细菌的有效方法可能增加这些药物的生物利用度

口服给药后,药物在肠道和肝脏经历首次通过代谢,这主要影响药物的疗效和不良反应。许多药物进入肠道,由肠道微生物群代谢,导致疗效降低。例如,齐默尔曼等人发现在哺乳动物肠道菌群中代表5个优势门的8种细菌,多形拟杆菌和卵形拟杆菌在将BRV转化为BVU方面表现出最高的代谢活性,而BVU则能与其他药物相互作用并引发致命影响。

索里夫定(SRV),在结构上类似于BRV,可以被多形拟杆菌缓慢地转化为BVU。多形拟杆菌还可以参与二硫卓的脱乙酰化反应,生成脱乙酰二硫卓。此外,舒林酸被肠道微生物群还原为硫舒林酸。地高辛在体外可以转化为二氢地高辛和二氢地高辛。这些衍生物导致心脏活动减弱。

一些研究表明,某些化学键可以被特定肠道细菌携带的酶转化。例如,抗炎药物磺胺吡啶的偶氮键被结肠细菌偶氮酶还原成氨基水杨酸和磺胺吡啶。磺胺吡啶在结肠中的吸收会导致一些不良反应,如恶心、皮疹、头痛、头晕和食欲下降。

硝基安定在肠道细菌酶的催化下发生了硝基还原反应,但其产物具有致畸作用。肠道微生物群主要参与一种修饰,其中佐尼酰胺主要通过还原苯并异唑环转化为2-氨磺酰乙酰基苯酚。

另一个例子巧妙地证明了肠道微生物对活性母体药物降解为非活性成分的影响。 氨氯地平是治疗高血压最常用的处方药之一,在胃肠道被吸收,口服后生物利用度约为60%。一些肠道微生物靶向方法已经被开发出来以提高生物利用度。

结果表明,氨氯地平与抗生素合用可增加胃肠道对氨氯地平的吸收。 研究人员发现氨氯地平可以被肠道微生物酶代谢,产生主要的吡啶代谢物,这表明肠道微生物与氨氯地平的代谢有关。 此外,氨氯地平与抗生素的联合给药使氨氯地平人血浆浓度增加到氨氯地平单药组的近两倍。

抗生素的使用可以改变肠道微生物群,导致合用抗高血压药物的代谢变化。这一发现有力地表明肠道微生物群可能影响抗高血压药物的药代动力学。然而,抗生素有引起肠道微生物群失调的相关风险,这限制了抗生素的使用提高氨氯地平生物利用度的化合物。

与氨氯地平单药治疗相比,与植物乳杆菌IS-10506合用能显著提高氨氯地平的浓度。研究人员推测植物乳杆菌IS-10506可以增强红细胞和红细胞压积,导致较低的沉降率和血浆蛋白水平的增加,而血浆蛋白与氨氯地平结合。

此外,益生菌大肠杆菌Nissle 1917的活菌悬液增强了抗心律失常药物胺碘酮在大鼠和嗜酸乳杆菌、乳酸双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌混合培养物中的生物利用度,增加了糖尿病大鼠对抗糖尿病药物格列齐特的生物利用度。有益菌可以限制竞争性机会病原体的扩张。

因此,在我们看来,这种生物利用度的提高可能与由于有益菌的竞争压力而导致的药物降解细菌的数量减少有关

益生元也能调节肠道微生物群。据报道,益生元的使用还可以增强某些母体化合物的吸收。例如,染料木苷和FOS的合用提高了染料木苷的吸收,导致该化合物高效地到达其靶组织,如骨。然而,根本机制尚未得到解释。

另外,肠道微生物可以通过相应的代谢物与肝脏和其他器官的受体相互作用。吲哚是微生物色氨酸代谢产物,已被证明能诱导一些细胞色素P450s,它们负责大多数治疗药物的代谢,并通过芳香烃受体介导的机制在生物利用度和药物相互作用中发挥重要作用肝脏。

此外,抗生素还降低了肝细胞色素P450 3a的表达和酶活性,无论是直接(肠内)还是间接(肝内)影响首次通过代谢,肠道微生物群都可能在这些过程中发挥重要作用。综上所述,这些结果表明抗生素、有益细菌和益生元能够通过抑制药物降解菌的数量来增加某些口服药物的吸收。

结 语

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肠道微生物与药物之间的相互作用是复杂的和双向的:肠道微生物群的组成可以受到药物的影响,但反之亦然,肠道微生物群也可以通过酶促改变药物的结构并改变其生物利用度、生物活性或毒性(药物微生物学)来影响个人对药物的反应。

同样的功能性食品或药物在不同人身上可能存在生物利用度差异,结合肠道菌群健康检测可以了解更多关于自身肠道菌群丰度,未来研究方向或以这样的形式展开:在开药方之前对一个人的微生物群进行评估,他的微生物群需要预先调整以增强药物的效果,或者可能会开出一种不同的药物,这种药物的设计对某些细菌具有更强的耐受性。

另外也可以考虑靶向抑制剂疗法,通过靶向抑制剂来抑制功能性成分的细菌降解以提高药物和食品的生物利用度,当然也需要考虑这两者之间的相互作用以及是否会人体产生副作用。

总而言之,肠道菌群调节将是一种新的策略,用于提高生物利用度、减轻副作用以及开发和设计新型药物。与人类基因不同,肠道微生物群是可修改的,使其成为优化治疗的有吸引力的治疗目标。在癌症治疗中,肠道微生物群也可以间接影响个体对免疫治疗的反应。了解微生物群是如何代谢药物和降低治疗效果的,将开启调节肠道微生物群以改善治疗的可能性。


【附录】

影响肠道菌群的常见药物

质子泵抑制剂(PPI)

质子泵抑制剂是世界上最常用的药物之一,用于治疗消化不良以及与胃酸相关疾病,以及预防非甾体丙氨酸炎性药物引起的胃十二指肠病和出血。

来自荷兰的大规模基于人群的研究表明,PPI是与肠道微生物群多样性减少和分类变化最相关的药物。这项分析表明使用PPI的人群中有高达20%的人,体内菌群的相对丰度发生了改变(或减少或增加)。

在一项分析1827对双胞胎粪便样本的16S数据的研究中观察到,微生物多样性较低,肠道共生菌的丰度也较低。总体而言,PPI使用者粪便样本的分类变化显示,肠道共生菌数量减少,口腔细菌数量增加

一项使用了宏基因组测序的研究表明,PPI与24个分类群和133条代谢通路显著相关。预测的功能变化包括脂肪酸和脂质生物合成的增加,发酵烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)的代谢,L-精氨酸的生物合成和嘌呤脱氧核糖核苷的降解。PPI引起的胃酸降低被认为是观察到的微生物变化的原因,因为它使口腔细菌能够在肠道微生物群中定居,从而导致分类上的同源性变化。

二甲双胍

二甲双胍是一种口服降糖化合物,用于治疗2型糖尿病(T2D)。二甲双胍可以抑制肝脏的糖异生,它的一些有益作用是由肠道微生物群介导的。

在一项对健康志愿者的干预研究中,与接受安慰剂的对照组相比,使用二甲双胍导致了超过80种物种的变化。二甲双胍治疗显著增加了大肠杆菌,降低了肠杆菌丰度。随后,将接受二甲双胍治疗或安慰剂治疗的捐赠者的粪便样本移植到无菌小鼠身上,观察到接受二甲双胍治疗志愿者粪便样本的小鼠血糖水平较低,这意味着肠道微生物群对血糖水平有直接影响。此外,在临床上,服用二甲双胍的患者中有多达三分之一的人报告了腹泻、腹胀和恶心等胃肠道副作用。

二甲双胍和肠道微生物群之间的关系揭示了一种常用药物如何改变肠道微生物群,并解释该药物的部分治疗功能,以及它的一些副作用。

需要注意的是,在对特定疾病或情况进行微生物组研究时,要严格控制混杂因素,如药物使用(包括二甲双胍、抗生素、PPI和其他药物)。

其他常用非抗生素药物

其他常用药物,包括泻药、他汀类药物、抗抑郁药和阿片类药物,也导致了肠道微生物群组成的一些差异。在服用泻药的个体中观察到拟杆菌的数量增加。

在一项对暴露在聚乙二醇(PEG)中的小鼠的独立研究中,发现拟杆菌增加。PEG诱导的轻度渗透性腹泻导致肠道微生物群的长期变化,粘液屏障的短暂破坏,以及随后的先天和获得性免疫反应。

在小鼠身上的发现,泻药的使用很可能对肠道微生物群组成有短期和长期影响,这些影响与粪便浓度和每个样本的细菌数量无关。

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