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肠道微生物组的个体化诊·疗正在来临

谷禾健康

疾病表现、进展和治疗反应的可变性一直是医学的核心挑战。尽管宿主因素和遗传学的变异性很重要,但很明显,在迈向个性化治疗的过程中,必须考虑肠道微生物组具有巨大的遗传和代谢多样性

疾病表现、治疗反应和治疗不良反应个体差异是有效管理疾病和患者安全的主要挑战。这种认知是精准医学的基础,其最简单的形式可以这么说,用个性化方法为合适的患者确定合适的治疗方法,无需反复试验。

将肠道微生物组与人类遗传学区分开来的一个方面是它代表了我们健康的动态组成部分,通过复杂的网络不断与宿主和环境因素相互作用。虽然存在潜在挑战,肠道微生物组的可塑性也提供了一个独特的机会,使其成为精准医学的一个有吸引力的目标。

本文支持使用肠道微生物组作为精准医学工具的当前证据,并建议未来需要将微生物组作为个体化治疗或干预工具的工作。

该研究团队选择了六个广泛的疾病组,这些组具有相对较强的证据表明肠道微生物组的作用。 尽管每个疾病组都有不错的发展,但在考虑临床影响时,不同疾病组的前景和成熟度各不相同(下图)。

01 传染病(艰难梭菌感染)

抗生素诱导的肠道微生物组破坏会促进机会性和医院感染的机制。最常见的院内腹泻感染艰难梭菌为例,强调可能解释临床结果的个体差异的微生物组和病原体特异性特征。

复发性艰难梭菌感染 (CDI) 一直是微生物组研究的中心焦点。CDI 出现最常见的原因是使用抗生素,但矛盾的是,CDI 的一线治疗也包括抗生素。

抗生素对一般人相当有效,但为什么部分患者出现治疗失败,或是成功治疗后复发

这可能与宿主特征(例如高龄)或药物的使用(例如质子泵抑制剂)有关, 以及肠道微生物组中特定病原体的特征有关。

除了宿主因素外,肠道微生物群的破坏也是 CDI 的关键因素。

· 与健康对照个体相比,CDI患者的肠球菌、韦永氏菌、乳杆菌、γ-变形菌属的相对丰度较,而拟杆菌属、毛螺菌科、瘤胃球菌科的含量较

· 在无菌小鼠中建模时,由一系列宿主因素驱动的肠道微生物组的改变增加了对 CDI 的易感性,这是由于氨基酸可用性升高,这是艰难梭菌的有利营养生态位

· 其他小鼠研究已经确定了 CDI 中微生物群衍生抑制因子的丧失以及开放营养位的增加,其中包括短链脂肪酸(特别是戊酸)和次级胆汁酸脱氧胆酸的水平降低,而有机酸琥珀酸、唾液酸和氨基酸的水平增加。这些增加对 CDI 易感性的微生物组驱动因素因人而异,不是每个 CDI 患者都表现出所有这些异常。

除了肠道微生物组,艰难梭菌的菌株变异性,例如毒素产生、代谢和生物膜形成能力的变化,可能会导致不同的结果。

· 一项对约 400 个CDI 患者临床分离株进行全基因组测序的研究发现,大多数疾病复发是由与初始感染相同的菌株引起的,这表明能够在肠道中持续存在的菌株特异性特征可能是相关的。

· 艰难梭菌组织成多细胞生物膜增加了持久性,因为生物膜可以提供针对抗生素的物理屏障,并可以干扰胃肠道的清除。因此,在考虑个体化治疗方法时,将全基因组测序与肠道代谢环境和特定微生物分类群相结合的诊断测试可能会提供更大的分辨力。

▌ 多次复发性CDI的治疗方式之——粪菌移植

目前治疗多次复发性 CDI 或治疗失败的方法包括粪菌移植,其治疗复发性CDI 非常有效(预测粪菌移植失败的主要特征是继续使用抗生素)

长期安全性问题

一个问题是,粪菌移植的长期安全性,目前正在长期注册研究中对其进行调查。

供体粪便的筛查

筛查是否应该使用宏基因组学或病原体全基因组测序来确定抗生素耐药性特征,或者基于培养或 PCR 的病原体筛查是否足够?

两项临床试验说明了基于全基因组测序的方法的有用性,这些试验涉及与供体粪便相关的产超广谱 β-内酰胺酶的大肠杆菌的菌血症病例。粪菌移植的这种安全问题与免疫功能低下的患者尤其相关。

▌ 肠道微生物组——预测CDI治疗结果

除了粪菌移植,还发现肠道微生物组可以预测 CDI 的治疗结果。

在分类水平上,Ruminococcaceae, Rikenellaceae, Bacteroides,Faecalibacterium处理前的丰度与CDI中抗生素的阳性反应有关;在一项包括88例CDI患者的研究中,梭菌科Clostridiaceae, 毛螺菌科Lachnospiraceae, Blautia,粪球菌属Coprococcus, 链球菌Streptococcus, 双歧杆菌Bifidobacterium瘤胃球菌,放线菌与无应答相关。

其中一些菌群还预测了复发感染的风险,而另一些菌群则与艰难梭菌无法在肠道定植有关(图 2)。

肠道微生物组与药物治疗之间的关系

▌ 基于微生物群的其他CDI诊疗方法

对 CDI 的微生物组驱动机制和肠道微生物组在治疗结果中的预后作用的更多了解,加上粪菌移植长期风险的不确定性,导致基于微生物群的 CDI 诊断和治疗方法激增。其中最先进的是复合微生物,它在 II 期临床试验中显示出前景,据报道在 III 期临床试验中取得了成功。

此外,还有几种利用特定细菌和/或代谢物、益生元和噬菌体的方法,这些方法都处于研究的早期阶段。 这些小范围的治疗方式可能会允许基于宿主和宿主微生物组特征的更个性化的治疗方法,从而有可能进一步提高疗效并降低 CDI 治疗的风险

这一进展为 CDI 中未来更精确的基于微生物群的治疗策略的发展带来了希望(表 1)。

表1 肠道微生物在疾病中的研究现状与展望

02 癌 症

肠道微生物组可以从四个不同的角度为个性化癌症生物学领域提供信息:抑制癌症发展、识别新疗法、优化现有疗法和癌症诊断

现有治疗的优化涉及减少不良反应和对癌症疗法反应的预测,从化学疗法和放射疗法到新的免疫疗法。在这里,肠道微生物组在代谢药物以及影响免疫细胞和细胞因子水平中的作用可能导致治疗反应的变化和不良反应的发展

微生物组与癌症有关

可以探索肠道微生物组—免疫系统轴的机制,以阻止癌症的发展并确定新的治疗方法。癌症的发展和疾病进展可以通过微生物及其产物的致癌效应的影响,调节可能促进或抑制肿瘤生长的循环代谢物水平,并诱导炎性和免疫抑制作用。

已经确定微生物群的局部改变与涉及包含共生生物的器官(结肠直肠、宫颈、肺、头和颈部)癌症的发展进展程度相关。

▌ 微生物群与癌症的联系在结直肠癌中最明显

菌群及代谢产物导致炎症 —> 癌症:

微生物及其代谢物与肠道黏膜之间的复杂关系可导致黏膜通透性发生变化,从而增加局部暴露于多种潜在致癌化合物的风险,并可能导致慢性炎症状态。

菌群预测 —> 癌症风险:

另一个机制联系的例子是携带致病岛pks 的大肠杆菌菌株的存在,它编码基因以合成具有遗传毒性的次级代谢物大肠杆菌素,可用于预测结肠癌风险

菌群结构和功能 <—> 癌症:

除了确定的机制特征外,肠道微生物组成和功能属性的差异与较少直接接触器官的恶性肿瘤有关。

如,一项涉及68名胰腺癌患者的研究,与预后较差患者比,肿瘤组织中大量假黄单胞菌Pseudoxanthomonas、Saccharopolyspora、链霉菌Streptomyces 与手术切除后的长期生存率相关。

微生物组和癌症治疗

化学疗法和免疫疗法的反应会受到肠道微生物群在疗效和毒性方面的影响。这种关系可能是由于抗原呈递、炎症反应的诱导和药物化学修饰协同作用。例如,环磷酰胺是一种广泛使用的诱导 DNA 交联的烷化剂,通过调节与特定 T 辅助 17 (TH17) 反应的产生相关的免疫途径部分地发挥其抗肿瘤作用

 肠道微生物群在化疗药物的有效性中发挥重要作用

在一项关于 1 型免疫反应诱导 CpG 寡脱氧核苷酸和 DNA 交联剂奥沙利铂的小鼠研究中,抗生素存在时治疗效果降低,这归因于肿瘤相关骨髓细胞产生的肿瘤坏死因子 (TNF) 减少。这种抗生素诱导的奥沙利铂疗效降低可能是多因素的,因为其治疗效果部分是由肠道微生物群产生的活性氧产生的。

吉西他滨在细菌胞苷脱氨酶作用下的微生物代谢产生2′,2′-二氟脱氧尿苷可降低其治疗效果。

肠道微生物群在决定癌症免疫治疗的有效性发挥重要作用

在人类中,无进展生存期和总生存期的降低在多种癌症类型(非小细胞肺癌、肾细胞癌和尿路上皮癌)中使用抗生素和免疫疗法有关。

  • 特定菌群丰度增加,CTLA4抑制剂疗效改善

使用动物模型进一步研究了这一发现,表明免疫介导机制在抗生素的这些负面影响中发挥作用。 当脆弱拟杆菌属B.thetaiotaomicron、伯克霍尔德氏菌属Burkholderiales丰度增加时,CTLA4 抑制剂易普利姆玛在小鼠中的疗效得到改善,这与IL-12依赖性 TH1 免疫反应的上调有关。

在结肠癌的小鼠模型中,在有长双歧杆菌存在的情况下,CTLA4的阻断效果增强,这是由于治疗导致的黏膜屏障功能下降,促进了肌苷易位增加的免疫激活

  • IL-12在细胞募集中发挥作用,与AKK菌有关

还发现 IL-12 在 CCR9+CXCR3+CD4+ 细胞募集到小鼠上皮肿瘤中发挥作用,这反过来又与人类肠道微生物组中 Akkermansia muciniphila 的丰度升高有关。

  • PD1抑制剂在特定菌群下效果增强

PD1 和 PDL1 检查点抑制剂对黑色素瘤的作用可以在双歧杆菌物种丰度增加的小鼠中增强。

有趣的是,双歧杆菌甚至可能在没有常规治疗的情况下具有抗黑色素瘤作用,因为它在同一小鼠群体中的丰度预处理与肿瘤生长抑制有关。这种效应被认为与突细胞功能的上调有关,导致肿瘤微环境中 CD8+ T 细胞的活性和积累增强。

在一项对 42 名转移性疾病患者的研究中,PD1 抑制剂治疗黑色素瘤的功效在长双歧杆菌、产气柯林氏菌、屎肠球菌的丰度更高的情况下也得到了增强。而在 43 名黑色素瘤患者的独立人类队列中,PD1 抑制剂的疗效增加了微生物组多样性与 PDL1 和 PD1 治疗后癌症存活率的提高有关。

与无反应的患者相比,有反应的患者富含瘤胃球菌科Ruminococcaceae、厚壁菌门、真杆菌Eubacterium 、梭状芽孢杆菌Clostridia、梭菌目Clostridiales、Faecalibacterium prausnitzii .

▲ 肠道微生物群通过多种方式改变药物代谢

化学治疗剂的毒性可能是决定其使用能力的主要因素。肠道微生物群可以通过多种方式改变药物代谢,包括竞争性抑制、肠道微生物的直接代谢作用以及代谢途径相关基因的宿主表达改变,如无菌小鼠中异生物质解毒基因的下调所见。

具体而言,5-氟尿嘧啶 (5-FU)、伊立替康和索拉非尼等抗癌药物的毒性归因于肠道微生物代谢。

  • 5-氟尿嘧啶 (5-FU)

在大鼠模型中,DNA 复制子 5-FU 与病毒 DNA 聚合酶抑制剂索立夫定共同给药时的毒性是由于索立夫定转化的微生物产物溴乙烯基尿嘧啶 (BVU)诱导的 5-FU 代谢降低所致。了解导致 BVU 形成的特定生化途径可以帮助预测这种毒性,为替代治疗方案或 BVU 形成的特定抑制剂的开发提供信息。

  • 拓扑异构酶抑制剂

拓扑异构酶抑制剂伊立替康的给药通常会受到严重腹泻的阻碍,这与细菌 β-葡萄糖醛酸酶介导的无活性伊立替康代谢物的再激活有关; 抗生素治疗已被证明可减少体外活性伊立替康代谢物的产生,服用降低 β-葡萄糖醛酸酶活性的益生菌混合物可改善结肠癌患者的腹泻,而葡萄糖醛酸酶的小分子抑制剂已在临床前小鼠模型中显示出前景。

  • 酪氨酸激酶抑制剂

酪氨酸激酶抑制剂索拉非尼其毒性可能与肠道微生物活动有关,因为肝细胞癌患者服用索拉非尼后的腹泻和手足综合征都与特定的微生物群有关(图 2)。

具体而言,大量的韦荣氏菌、芽孢杆菌、肠杆菌、粪杆菌、毛螺旋体、Dialister 和厌氧菌对手足综合征具有保护作用,大量的丁酸单胞菌和较低水平的柠檬酸杆菌、消化链球菌、葡萄球菌较少的腹泻发展相关。这种作用的潜在机制可能会因药物及其代谢物的肠肝循环而减弱。

一项对接受其他酪氨酸激酶抑制剂帕唑帕尼和舒尼替尼)治疗的转移性肾细胞癌患者的研究表明,与安慰剂相比,健康供体的粪菌移植治疗引起的治疗性腹泻有所改善,进一步表明微生物组的这些改变与这种不良反应有关

▲ 整合微生物群的新疗法

开发基于活性的蛋白质探针来识别负责异生物质代谢的特定微生物途径,有望作为一种诊断工具,并可能使治疗更好分层。

新疗法可以使用细菌菌株或纯化的病原体相关分子模式,作为 Toll 样受体 (TLR) 激动剂来触发低水平 TLR 刺激患者的局部免疫反应 。此外,可影响肿瘤生长的粪便和循环微生物代谢物(短链脂肪酸、次级胆汁酸、维生素和多胺)的水平可用于评估治疗前的代谢健康状况,进而影响下一代生物治疗药物,也许在结合饮食干预

一系列免疫细胞亚群(TH17 细胞、T 调节 (Treg) 1 型细胞、细胞毒性 T 淋巴细胞、CD4+ 细胞、CD8+ 细胞)和细胞因子丰度(TNF、IL-12、IL-22 通过芳烃受体 (AHR) 信号传导 ) 受肠道微生物群变化的影响,并可能被调节以影响癌症免疫监测

此类标志物的测量还可导致对患者免疫健康的评估并提供干预目标。 这些方法需要对大型队列进行详细的个性化多组学研究,然后才能在临床中使用。

迄今为止的研究为肠道微生物群在癌症表型的异质性和对癌症治疗的反应中的作用提供了强有力的支持。 然而,来自人类研究的数据在很大程度上具有关联性,仍然需要跨队列复制。尽管存在这些担忧,但前景仍然乐观,将微生物组整合为癌症治疗策略的一个组成部分似乎是不可避免的(表 1)。

03 肥 胖

超重或肥胖的儿童和成人的数量正在增加。解决肥胖问题的一个主要挑战是由遗传、肠道微生物组、饮食和环境相互作用导致的机制的复杂性,这些机制会导致导致肥胖的生理变化。

微生物组与肥胖有关

2016年发表的一项针对人类微生物组研究的荟萃分析发现,肥胖与样本内丰富度和均匀度较低的α多样性之间存在微小但具有统计学意义的关联。除了 α 多样性之外,在小鼠模型和人体研究的早期微生物群研究中,已经报道了肥胖中厚壁菌门 拟杆菌门的比率升高,但在该研究中没有重复。

▪ 微生物组在传播肥胖表型中很重要

尽管缺乏强有力的组成标记,肠道微生物组在肥胖中的作用得到了菌群移植实验的支持,该实验表明,被与肥胖不一致的同卵双胞胎的粪便定植的无菌小鼠表现出供体的代谢表型

这个前提是进一步加强观察,高脂饮食引起的体重增加的人源化小鼠(用健康人粪便定植的无菌小鼠)可以传播到无菌小鼠,而无需继续喂养高脂饮食。这一发现表明微生物组在传播肥胖表型方面很重要

▪ 肥胖的驱动因素

肥胖几种机制已被归因于肠道微生物,如从饮食能量提取的增加的效率,影响饱腹感和能量摄入,全身性炎症和胰岛素抵抗

肥胖症缺乏一致的成分标志物表明存在大量的功能冗余。事实上,功能水平上的冗余较少,因为几种不同微生物群结构的变化可以驱动一系列生物活性因子的产生变化,如短链脂肪酸、胆汁酸和脂多糖 (LPS),所有这些都与肥胖有关。短链脂肪酸在激素信号传导中发挥作用,例如 5-羟色胺和肽 YY 的释放,它们在饱腹感中发挥作用,表明肠-脑轴参与导致肥胖

虽然在理解肥胖的微生物组驱动机制方面取得了重大进展,但我们还没有足够的分辨力来根据潜在的基于微生物组的机制对肥胖个体进行分层。随着该领域证据的积累,人们可以轻松地设想基于微生物组的个体分层将成为未来肥胖管理个性化策略的一部分。

▪ 益生菌益生元治疗肥胖功效喜忧参半

已经在动物模型中提出了益生菌作为肥胖治疗方案的功效,但人体临床试验的结果喜忧参半,而且鉴于所用益生菌制剂缺乏一致性,目前它们的作用仍不清楚。关于益生元在治疗上的使用,动物模型中再次出现了不错的发现,但就持久减肥而言,在临床试验中还没有任何明确的交叉作用到人类身上。

微生物组和肥胖疗法

肥胖管理的主要治疗方法是饮食、药物(如胰高血糖素样肽 1 (GLP1) 激动剂、奥利司他和芬特明)和减肥手术

饮食可以在短期和长期影响肠道微生物群,随着饮食的短暂变化而发生改变。 更重要的是,饮食的治疗效果还取决于个人的微生物组

将无菌小鼠的肠道微生物组简化为 10 种微生物菌株,证明饮食变化会改变肠道的定植模式及其发酵能力。肥胖患者饮食调整的一种方法是增加水果、蔬菜和低能量密度食物的摄入量,同时减少高营养密度食物的摄入量; 然而,对这种干预的反应是相当多变的。

▪ 饮食干预中基线肠道微生物群的重要性

一项针对 26 名超重或肥胖个体的初步研究发现,在进行此类饮食干预之前,肠道微生物群中糖苷水解酶的高预测丰度与容量饮食干预后体重减轻 <5% 相关,这表明基线肠道微生物群在预测结果方面具有潜在作用。这些发现与餐后血糖反应和脂血的个体差异一致,这归因于肠道微生物群

▪ 减少摄入热量增加通过菌群发挥作用

在 21 名健康个体的人群中,卡路里摄入量的增加与 3 天内人类肠道微生物组的快速改变有关,其中包括正常(>18.5 和 <25)和高 (≥30) BMI 的个体,显示相对增加的相对丰度的厚壁菌和减少的拟杆菌。这些变化与能量收集的增加有关,粪便热量含量降低就是最好的证明。因此,减少热量摄入可能会通过改变肥胖者的微生物群来发挥有益作用。

▪ 不同饮食干预引起微生物可塑性增加

在78名肥胖症患者中,肠道细菌的相对丰度,如反刍真杆菌Eubacterium ruminantium Clostridium felsineum,也与多种不同饮食干预措施引起的微生物组可塑性增加有关。

总之,这些研究表明,某些食物对每个人都“健康”的概念过于简单化,基于肠道微生物组指标的饮食选择可能对体重管理有益

 药物和手术下肠道微生物群的变化

很少有研究在药物和手术治疗肥胖症的背景下检查肠道微生物组。 然而,发现 GLP1 激动剂利拉鲁肽在血糖水平升高的情况下增加胰岛素释放并延迟胃排空,被发现会增加大鼠的厚壁菌门拟杆菌门比率,因此可能至少部分通过继发性变化来推动体重减轻

之前接受过 Roux-en-Y 胃绕道手术(一种用于管理生活方式改变和药物治疗失败的患者的减肥手术)与厚壁菌门相对丰度降低兼性厌氧菌(如变形杆菌)水升高有关,这些变化可能在减肥中发挥作用。

另一种手术——袖状胃切除术,有效减少炎症,并使 23 名术前肥胖患者的肠道微生物组更接近用作对照的健康个体,微生物测定的血浆谷氨酸水平相应恢复,作为肥胖的生物标志物 。

虽然大多数研究结果需要在更大的队列中进行验证并在模型中进行测试,但这些研究强调了微生物组分析在评估当前可用肥胖疗法的功效方面的效用。

 微生物疗法

在基于微生物组的疗法方面A. muciniphila是治疗代谢综合征和肥胖症的有希望的候选者。由于外膜蛋白引起的 TLR 信号传导激活,A. muciniphila 的摄入可改善肠道屏障功能、减少内毒素血症和改善葡萄糖耐量,从而防止小鼠体重增加。32 人的试点数据表明 A. muciniphila 的安全性和有效性,在 3 个月内可适度减轻体重并改善实验室肥胖指标。

同样,被认为是最具遗传性的微生物群之一,特别与人类瘦弱相关的 Christensenella minuta 也被发现可有效治疗动物模型中的肥胖症,并且计划很快开始一项人类随机对照试验 。

虽然强调了一些针对微生物组以减少肠道炎症信号的持续努力,但营养信号的改变和肠脑轴的调节也被证明是有效的策略。这些针对微生物-宿主相互作用的新方法可能是预防和治疗肥胖症的重要组成部分(表 1)。

04 糖尿病

由于对循环代谢物和免疫状态的影响,胃肠道和相关的肠道微生物组可以被视为类似于内分泌器官。因此,它通过影响胰岛素信号参与葡萄糖代谢

微生物组与改变的血糖控制有关

几项研究提供了糖尿病肠道微生物组的横断面分类学变化,导致产丁酸菌丰度和整体微生物多样性降低,但研究结果并不一致。

与来自 Roux-en-Y 胃旁路手术的粪菌移植相比,来自代谢综合征供体的粪菌移植阐明了肠道微生物群与胰岛素抵抗之间的明确关系,导致无菌小鼠的胰岛素敏感性降低。这在另一项人体研究中得到了进一步支持,其中肥胖个体的胰岛素敏感性在干预前从瘦肉供体进行粪菌移植后得到改善。

这突出了微生物群导向疗法在患者中的潜在治疗益处,对这些患者而言,肠道微生物的变化可能会带来更实质性的临床益处

一项人类随机临床试验表明,膳食纤维促进的一组选定的短链脂肪酸产生菌的多样性和丰度增加导致血红蛋白 A1c 水平的改善,这归因于胰高血糖素样肽的增加。

然而,其他潜在的短链脂肪酸生产者减少或不变,这表明并非所有短链脂肪酸生产者都是一样的,更有针对性地恢复特定微生物可能更有益

像这样的未来研究将有助于识别特定的菌群,这些细菌不仅能够发挥功能,而且实际上协同工作以恢复关键功能。总之,这些研究支持肠道微生物组与糖尿病之间的联系,并强调了使用肠道微生物组优化治疗的前景(表 1)。

 微生物群衍生的循环代谢物如何驱动糖尿病的发病机制?

肠道微生物组在胰岛素抵抗或 2 型糖尿病 (T2DM) 中的作用机制与肥胖的机制重叠,例如轻度炎症、胃肠道通透性改变可能导致内毒素血症,以及短链脂肪酸产生和吸收减少,这是符合代谢综合征的概念。短链脂肪酸的变化反过来又会影响各种代谢激素的产生,例如 GLP1 和肽 YY,它们在胰岛素分泌中起作用。

此外,由于微生物 BCAA 生物合成和 BCAA 降解的比例改变而导致的支链氨基酸 (BCAA) 水平升高与人类研究中的早期胰岛素抵抗有关,并且可能是由普氏菌普通拟杆菌驱动的。

在常规小鼠模型中,P. copri 的定植也与胰岛素抵抗相关。另一种微生物代谢物,丙酸咪唑,被发现在 2型糖尿病患者中升高,可直接损害葡萄糖耐量和胰岛素信号传导

▌ 2型糖尿病的治疗方案

2型糖尿病患者主要通过饮食和药物(如二甲双胍、磺脲类和 GLP1 激动剂)进行管理,尽管他们最终可能需要胰岛素替代疗法和/或手术。目前的方法是按顺序尝试治疗方案,尽管个体对每种治疗的反应存在很大差异,并且一些患者可能对饮食或药物没有反应。 微生物组为优化确定治疗策略是否更适合个人提供了重要途径。

▪ 基于微生物组的个体化饮食研究

以色列的一项针对 800 名非糖尿病患者的开创性研究,概述了基于机器学习方法开发个性化饮食建议的潜力,该方法使用测量组合,包括微生物组和宿主特征以及血糖对不同饮食的反应(图 1)。

随后的一项研究在美国中西部 327 名没有糖尿病的人群中验证了这种方法,并证实个人的微生物组可以预测不同膳食后血糖的变化。有趣的是,碳水化合物作为一个整体仍然与增加的血糖反应有关,但这种方法在个体水平上确定了碳水化合物中的主要危害因素,允许他们限制特定的碳水化合物,而不是“一刀切”低碳水化合物饮食。

另一项研究发现,个体的微生物组不仅可以预测血糖变化,还可以预测甘油三酯对不同膳食的反应。

微生物组与糖尿病治疗

治疗糖尿病最常用的药物之一是二甲双胍,它可以抑制肝脏葡萄糖的产生,增加胰岛素敏感性,并增强肌肉和肝脏对葡萄糖的摄取。 二甲双胍的功效似乎至少部分取决于微生物组

 二甲双胍通过菌群改变发挥作用

在动物和人类研究中使用二甲双胍会导致嗜粘蛋白菌以及与短链脂肪酸产生相关的几种细菌种类(例如 Blautia 和 Butyricicoccus)的丰度增加。

A. muciniphila 可以通过肠杯状细胞增殖、胃肠通透性降低和内毒素血症降低以及 TLR 信号传导的刺激来改善血糖控制,如小鼠模型中所见。

丁酸盐通过其对骨骼肌、棕色脂肪组织和胰腺 β 细胞的有益作用,与改善啮齿动物的能量代谢有关。此外,丙酸盐在啮齿动物模型中抑制肝脏糖异生并降低食欲和体重。

二甲双胍与胃肠道不良反应

二甲双胍最常见的副作用与胃肠道不适有关,如疼痛、腹胀和恶心。 一项包括 27 名没有糖尿病的健康男性的研究发现,在开始使用二甲双胍之前,粪便中大量特定属(Sutterella、Allisonella、Bacteroides 和 Paraprevotella)与胃肠道不良反应的发生有关(图 2)。 这一发现表明,除了在二甲双胍疗效中起作用外,肠道微生物群也可能导致其胃肠道不耐受

因此,基于微生物组的分层可以选择可能有良好反应并耐受治疗剂量的患者。支持肠道微生物组在其他糖尿病治疗中发挥作用的数据很少,但在小鼠中施用 GLP1 激动剂利拉鲁肽后,厚壁菌门丰度的减少与血糖控制的改善有关。

鉴于支持二甲双胍给药与 A. muciniphila 和产丁酸盐微生物丰度增加之间存在关联的数据,一项多中心、双盲、随机安慰剂对照试验研究了 76 名2型糖尿病患者以益生菌形式给药这些微生物。与安慰剂相比,接受联合治疗合生元(A. muciniphila、拜氏梭菌、酪酸梭菌、婴儿双歧杆菌、Anaerobutyricum Hallii 和菊粉)的患者有更好的血糖控制趋势,尽管人群少且随访时间短(12 周)尚不清楚这种方法是否对2型糖尿病患者长期有益。扩展这一发现的试验和使用类似的靶向微生物组方法进行糖尿病管理的研究应该有助于在未来进一步推动这种疾病的治疗进入精准医学

05 非酒精性脂肪肝

非酒精性脂肪性肝病 (NAFLD) 是一种与代谢综合征相关的相当严重的发病率,如果不加以控制会进展为肝硬化和终末期肝病。肠道微生物组通过肠-肝轴与肝脏密切相关,微生物产物的解毒是肝脏的一项重要功能。

微生物组与NAFLD

NAFLD还报道了代谢综合征中观察到的肠道微生物群改变及其后果,例如厚壁菌门拟杆菌门的比率升高、能量收集能力增加、肠道通透性增加和低度炎症。NAFLD人类供体粪便转移后,在无菌小鼠中发生脂肪变性,表明微生物组在 NAFLD 中起作用。

与 NAFLD 相关的其他微生物组介导机制包括微生物胆汁酸修饰和对肝脏法尼醇 X 受体 (FXR) 信号传导、内毒素血症和尿毒症毒素(如甲胺和对甲苯基硫酸盐)的产生的相关影响 。

▪ 考虑内源性产酒精

尽管根据定义,NAFLD与饮酒无关,但目前的定义并未考虑乙醇的内源性生产。

来自变形菌门的大肠杆菌和其他肠杆菌科能够内源性地产生乙醇; 因此,这些微生物在肠道中的高代谢活性可能会导致乙醇水平升高,从而导致被认为患有 NAFLD 的患者脂肪变性。虽然说极端情况(称为自动酿酒综合症)很少见,但微生物生产中长期低水平的乙醇可能仍然是一个促成因素。

微生物组和 NAFLD 疗法

二甲双胍通常用于治疗2型糖尿病,但也用于管理NAFLD,动物研究支持二甲双胍在这种情况下的疗效 和人类数据显示肝功能测试有所改善,但组织学反应没有改善。如前所述,对二甲双胍的成功反应似乎至少部分是由肠道微生物组驱动的

粪菌移植

NAFLD 与肠道微生物组之间的机制联系已经导致研究探索潜在的基于微生物群的疗法。粪菌移植在动物研究中显示出前景,初步的人体数据也表明粪菌移植后肝脏脂肪变性和肠道通透性异常的改善。正在进行的临床试验将更好地阐明这些程序的有效性和安全性。

益生菌

益生菌给药在改善脂肪变性和肝脏炎症标志物方面也显示出一些希望。然而,这些益生菌制剂的成分各不相同,这使他们目前的临床建议复杂化 。

一项在无菌小鼠中进行的研究表明,这些小鼠的粪便来自两名溶细胞素阳性的酒精性肝炎患者,表明靶向溶细胞性粪肠球菌的噬菌体具有治疗效果,类似的方法是否也适用于 NAFLD 仍有待观察。其他专注于减轻来自微生物群的肝毒性来源的新型微生物组疗法似乎很有前景,但仍处于早期阶段(表 1)。

06 心血管疾病

心血管疾病 (CVD) 是逐渐上升为主要死亡原因,并且在全球范围内持续上升,2005 年至 2015 年间增长了 12.5%。据估计,通过改善生活方式和饮食可以预防 90% 的心血管疾病。心血管疾病一再与内毒素血症、肠道通透性增加和低度炎症有关,所有这些都可以由肠道微生物组驱动。

微生物组与心血管疾病相关

肠道微生物组研究领域的一项早期进展是确定代谢物三甲胺-N-氧化物 (TMAO) 的血浆水平升高是心血管疾病的危险因素。

▌ 为什么TMAO是心血管疾病的驱动因素?

TMAO 是通过黄素单加氧酶 3 的作用在肝脏中产生的,使用细菌代谢物三甲胺 (TMA) 作为底物。TMA 源自胆碱、磷脂酰胆碱或左旋肉碱的细菌转化。基于动物研究的 TMAO 的机制作用表明,它可能是动脉粥样硬化斑块的主要驱动因素,只有当 TMAO 水平同时增加时,高血浆左旋肉碱水平才与心血管事件的无事件生存率降低相关,这表明 TMAO 可能是人类心血管风险的驱动因素

TMAO 导致心血管疾病的机制

TMAO 导致心血管疾病的机制包括其对泡沫细胞(形成脂肪堆积)和内皮细胞、血管炎症、动脉粥样硬化病变、纤维化以及血小板聚集和血栓形成增强的影响。 已知特定的肠道微生物,包括奇异变形杆菌、变形杆菌、埃希氏菌,可以在体外和动物模型中产生TMA。 然而,由于相当大的菌株间多样性,人类肠道微生物组中负责 TMA 产生的基因的丰度,即 cutC/D 或 cntA,可能比特定分类群的水平具有更大的预测前景。

 不同类型的心血管疾病相关菌群

此外,人类动脉粥样硬化还与肠道微生物群的微生物发酵功能降低以及细菌分类群肠杆菌科和链球菌的丰度增加有关

与降低血压相关的其他微生物群衍生代谢物是乙酸盐和丁酸盐。

产短链脂肪酸者的丰度减少,例如直肠真杆菌、多利亚长链球菌、梭状芽孢杆菌和普氏梭菌,与人类心力衰竭的发生有关。

 饮食是预防和治疗心血管疾病的主要手段之一

由于饮食成分的微生物代谢在心血管疾病发病机制中具有机械作用,肠道微生物组可能是饮食干预有效性的部分原因。

地中海饮食和高纤维饮食

地中海饮食和高纤维饮食似乎都可以预防心血管疾病,一项针对 396 名心肌梗死 (MI) 患者和 843 名作为对照的健康人的病例对照研究发现,不存在P. copri 与降低 18% 地中海饮食后 MI 的风险,而携带 P. copri 与地中海饮食后 MI 的非显著增加相关。

坚持地中海饮食还与一些已知可代谢纤维并产生短链脂肪酸的肠道微生物的丰度增加有关,例如 F. prausnitzii、Eubacterium eligens 、Bacteroides cellulosilyticus

纤维消耗量增加的好处可能与纤维降解微生物或其相互作用伙伴产乙酸盐产量增加有关。乙酸盐参与转录因子 Egr1 的调节,Egr1 反过来调节小鼠的心脏炎症、纤维化和肥大。此外,在进行各种饮食干预之前,产丁酸菌Clostridium sphenoides 的丰度升高与肥胖个体胆固醇水平的更大降低有关,也可能与心血管疾病相关。

西方饮食

与地中海饮食和高纤维饮食相比,西方饮食(大量摄入脂肪和/或加工肉类、饱和脂肪、盐、糖和精制谷物)与心血管疾病风险增加有关,这可能与 双歧杆菌和真杆菌 等肠道微生物的丰度减少。有趣的是,TMAO 前体胆碱、磷脂酰胆碱和左旋肉碱在动物蛋白中普遍存在,这是西方饮食的特征成分。然而,食用红肉等动物蛋白可能仅对携带可产生 TMA 或其他代谢物的微生物一部分个体有害

微生物组和心血管疾病疗法

几种针对心血管疾病的药物治疗的功效和毒性与肠道微生物组有关。

▌ 肠道微生物组的化学多样性如何与人类设计的药物的代谢产生串扰?

这方面的一个关键例子是Eggerthella lenta 菌中存在强心苷还原酶基因,该基因使地高辛失活,地高辛是治疗心律失常的重要药物,通过抑制心肌中的 Na+/K+/ATPase 起作用(图 2)。 这种细菌酶活性很可能是由于底物混杂造成的,而不是由于地高辛暴露于环境而进化出的过程。

由于地高辛的治疗窗很窄,因此在开始治疗之前确定这种细菌代谢途径的存在可以实现更准确的剂量并最大限度地减少不良反应。有趣的是,在小鼠模型中,在大量精氨酸氨基酸和高蛋白饮食减少地高辛失活的情况下,导致地高辛失活的基因受到抑制。

 对他汀类药物不同反应源于肠道微生物群

他汀类药物通过竞争性抑制 HMG-CoA 还原酶起作用,是治疗心血管疾病相关高脂血症最常用的药物,近一半的 40 至 75 岁美国人口有使用指征。有趣的是,通过 LDL 胆固醇水平的不同降低来衡量,对他汀类药物的反应存在显着的个体间差异。这种可变性可能源于肠道微生物组,因为在具有更高肠道微生物多样性的个体和动物模型中观察到更强烈的治疗反应。

此外,在一项针对 100 名总胆固醇水平为 160–400 mg/dl 的个体的研究中,变形菌水平升高与辛伐他汀疗效降低有关,显示出不同的 LDL 反应。 在 64 名高脂血症患者中,如果存在较高水平的CyanobacteriaLentisphaerae,同时存在较低水平的厚壁菌门梭杆菌,另一种他汀类药物瑞舒伐他汀的疗效也会降低。

这些研究表明,可以根据个人的肠道微生物组预测他汀类药物的治疗反应。2020 年发表的一项研究发现,与肥胖相关的拟杆菌 2 (Bact2) 肠型在接受他汀类药物治疗的患者中不那么普遍,这表明他汀类药物具有微生物组塑造作用。 这一发现是否可用于预测未来的治疗结果和直接治疗选择还有待观察。

▌ 益生菌在心血管疾病中的作用

鉴于越来越多的证据支持肠道微生物组在心血管疾病发病机制中的作用,有几项正在进行的临床试验研究益生菌在心血管疾病中的作用。

两个例子包括抗菌利福昔明和益生菌布拉氏酵母菌 的比较以及嗜酸乳杆菌对心力衰竭患者炎症的影响。 这种干预性试验提供了一个宝贵的机会,可以根据从治疗后从患者身上收集的肠道微生物组的纵向信息来研究潜在有益的微生物组重排。

▌ 下一代微生物疗法

基于其中一些突出的发现,下一代微生物疗法似乎有一席之地,可以驱动特定的功能,如乙酸盐的产生或改善屏障功能

另一种方法是开发特定微生物途径的小分子抑制剂,例如最近描述的 TMA 产生酶抑制剂。这些抑制剂可能能够实现更精确的治疗干预,并且可以专门针对具有高 TMAO 水平和功能基因水平的患者,这些患者表明 TMAO 生产能力高

总的来说,认识到肠道微生物组在心血管疾病发病机制和治疗中发挥作用是一项重要进展,为疾病识别、分层和治疗开辟了新途径(表 1)。

07 自身免疫性疾病(类风湿关节炎)

类风湿性关节炎 (RA) 是一种自身免疫性疾病,会导致关节慢性炎症。 几项研究描述了 RA 患者肠道微生物群的改变,这些改变随着疾病的阶段而变化。

微生物组与类风湿性关节炎

目前发现是普雷沃氏菌属的成员与疾病改善相关,强调同一属内的不同物种和/或菌株可以对宿主生理有不同的影响。因此,重要的是解决物种或菌株水平的分类差异,而不是通常将整个属标记为有益或有害

普雷沃氏菌属在类风湿性关节炎发病机制中的潜在作用是基于人类和啮齿动物研究的结果。在体外研究和小鼠中,普雷沃氏菌属已被证明会增加 TH17 反应,这反过来又与关节炎骨侵蚀增加有关。

在人类中,已在受类风湿性关节炎影响的关节的滑液中发现了普雷沃氏菌属。 尽管普雷沃氏菌属似乎是类风湿性关节炎的一个重要决定因素,但据报道其水平在健康个体中随时间变化很大; 因此,需要纵向研究结合宿主表型的评估来更好地了解其在类风湿性关节炎中的作用。

除了肠道微生物群,特定的牙周细菌和牙周病与人类和关节炎小鼠模型中类风湿性关节炎的风险增加有关。 牙龈卟啉单胞菌和聚集放线菌都与针对瓜氨酸肽的自身抗体增加有关,并可能促进类风湿性关节炎的自身免疫。

微生物组和类风湿性关节炎疗法

除了在发病机制中发挥作用外,肠道微生物群也可能在决定对类风湿性关节炎常用药物的反应方面发挥作用。 这些包括疾病调节剂,例如甲氨蝶呤和羟氯喹,以及抗炎剂,例如柳氮磺胺吡啶和非甾体抗炎药 (NSAID)。

▌ 甲氨蝶呤治疗

宿主因素和遗传学未能提供甲氨蝶呤反应的预测模型,但更高的肠道微生物多样性与甲氨蝶呤治疗相关。

一项针对 26 名未接受药物治疗的新发的类风湿性关节炎患者的研究发现,甲氨蝶呤应答者和非应答者存在不同的微生物分类群及其基因。使用机器学习技术开发的基于微生物组的模型预测了在 21 名患者的验证队列中对甲氨蝶呤缺乏反应的高度准确度 (AUC 0.84)。

这一发现归因于肠道微生物群对甲氨蝶呤的直接代谢,因为将药物与患者远端肠道微生物群孵育后的甲氨蝶呤水平可预测临床反应

在另一项研究中,甲氨蝶呤治疗对小鼠模型中特定微生物分类群和通路的影响导致免疫激活降低,从而降低疾病活动性。

这些研究表明,肠道微生物群对甲氨蝶呤的微生物代谢可能在药物疗效中发挥作用,而甲氨蝶呤降低疾病活动的作用本身是由肠道微生物群的调节驱动的。

甲氨蝶呤通过竞争性抑制二氢叶酸还原酶来抑制免疫功能,与肠杆菌的丰度降低有关,但尚不清楚这一发现是否对药物反应有任何影响。 然而,它确实进一步表明甲氨蝶呤影响肠道微生物组结构,并且可以进一步探索微生物组对甲氨蝶呤反应的预测以指导治疗。

甲氨蝶呤本身的不同肠道微生物代谢为细菌细胞内残留的非活性或不可接近的形式,这是肠道微生物组改变甲氨蝶呤功效的可能机制。

肠道微生物也在甲氨蝶呤的毒性中起作用; 已发现脆弱拟杆菌灌胃可预防肠道粘膜炎,在小鼠中使用甲氨蝶呤治疗后,约三分之一接受甲氨蝶呤给药的患者出现了不良反应

羟氯喹

羟氯喹通过减少 TLR 信号传导和 CD154 表达来抑制免疫激活 的功效与肠道微生物 α 多样性相关,具有更高的预处理多样性有利于更大的功效,但尚不清楚是否仅仅是更高的微生物多样性或 导致这种效应的特定细菌的丰度增加

依那西普

与甲氨蝶呤一样,与 TNF 抑制剂依那西普相关的肠道微生物组发生了变化,但在目前的研究中与疗效没有明确的关系。

柳氮磺胺吡啶

5-氨基水杨酸前药柳氮磺胺吡啶在乙酰化后通过肠道微生物群的酶促作用转化为其活性代谢物,因此,其功效取决于肠道微生物群。

非甾体抗炎药和扑热息痛

非甾体抗炎药和扑热息痛相关的不良事件可能与肠道微生物群有关。细菌 β-葡萄糖醛酸酶的活性可导致非甾体抗炎药的毒性,该酶的抑制剂可减少非甾体抗炎药诱导的小鼠肠病。原则上,β-葡萄糖醛酸酶活性的测量可以帮助识别应该避免使用非甾体抗炎药或适合与特定的 β-葡萄糖醛酸酶小分子抑制剂联合治疗的个体。某些细菌可以产生对甲酚它与扑热息痛在肝脏中竞争酶结合,并导致产生肝毒性化合物 NAPQI(图 2)。 因此,对甲酚水平可用于指导扑热息痛剂量,以避免肝毒性副作用

▌ 益生菌治疗

肠道微生物对类风湿性关节炎发病机制的潜在贡献导致了益生菌作为潜在治疗选择的探索。这些努力主要集中在调节免疫系统以抵消类风湿性关节炎中所见的变化,而不是潜在地替代缺失的微生物或机制的策略。

P. histicola 通过抑制抗原特异性 TH17 反应和刺激增加的 IL-10 转录来降低易感 HLA-DQ8 小鼠关节炎的发生率和严重程度。在胶原诱导的小鼠模型中,

干酪乳杆菌的给药与 CD4+ T 细胞减少的促炎分子(IL-1β、IL-2、IL-6、IL-12、IL-17、IFNγ、TNF 和 COX2)有关。 关节炎 。

在45 名成人研究中,凝结芽孢杆菌已被研究作为类风湿性关节炎的潜在辅助治疗选择,与安慰剂相比,给药可改善疼痛和残疾的自我评估并降低炎症标志物

微生物种类对免疫系统的不同影响表明,基于免疫标记的类风湿性关节炎亚型可以帮助选择最有可能对基于特定微生物群的疗法产生反应的患者(表 1)。

08 炎症性肠病

炎症性肠病 (IBD) 是一种慢性炎症,包括克罗恩病和溃疡性结肠炎。IBD 亚型在疾病表型、易感性、进展和对治疗的反应方面的异质性激发了尝试将它们分型而不只是临床表现。 重点一直放在宿主基因和免疫反应上,但暴露组和微生物组越来越被认为是 IBD 个体间变异的重要决定因素。

微生物组与 IBD有关

肠道微生物群在 IBD 中的核心作用是基于观察结果,例如粪便转移后疾病缓解、细菌水平升高的胃肠道区域疾病负担加重、抗生素治疗后患者亚群的改善以及 IBD 特异性的改变肠道微生物群的组成和功能。 此外,在 IBD 患者粪便定植小鼠后观察到与 IBD 相关的炎症通路增强,如 IL-17,突出了其在疾病中的作用。

▪ 克罗恩病和溃疡性结肠炎肠杆菌科增加,产丁酸菌减少

克罗恩病和溃疡性结肠炎的特点是微生物群落结构发生了巨大变化,最一致的发现是变形杆菌门,特别是肠杆菌科的相对丰度增加。特定菌群的丰富性与克罗恩病(大肠杆菌、弯曲杆菌属和鸟分枝杆菌)相关,而特定产丁酸菌的消耗与克罗恩病和溃疡性结肠炎的发病机制有关 。

在克罗恩病患者的回肠黏膜中也发现了粘附侵袭性大肠杆菌,并伴有 TNF 分泌增加,但目前尚不清楚这种细菌是诱发疾病还是其存在是潜在疾病因素的结果。

总体而言,这些菌群变化代表兼性厌氧菌(如变形杆菌)的增加,而牺牲了专性厌氧菌。 这里概述的大多数研究都集中在管腔微生物组上,虽然它在 IBD 发病机制中很重要,但在识别 IBD方面,其鉴别力低于粘膜相关微生物组。

▪ IBD中肠杆菌科增殖与什么有关?

肠杆菌科 在 IBD 中的总体扩张可能是由于肠道营养状况的变化,例如宿主产生的 N-乙酰乙醇胺信号脂质的增加,这可以被肠杆菌科利用。此外,细菌氮代谢与肠杆菌科细菌的增殖有关,通过尿素酶的产生和炎症环境中硝酸盐的可用性,可以促进肠杆菌科的厌氧呼吸。

▪ IBD中变形菌门增殖与什么有关?

变形菌门丰度的增加可能不一定是 IBD 的诱因,可能是宿主遗传易感性以及饮食和环境暴露的综合结果。 然而,变形菌确实含有高免疫原性 LPS,它本身可以引发炎症反应。这种前馈机制可能有助于使炎症持续存在并允许变形菌茁壮成长,同时排除细菌,如 F. prausnitzii,后者在炎症环境中表现不佳。

这一假设部分得到了观察结果的支持,即使用 TNF 抑制剂治疗 IBD 与克罗恩病儿科患者更多样化的肠道微生物组的恢复相关。除了 LPS,其他几种细菌成分和代谢物也与 IBD 相关,例如较高水平的多胺和 ATP 以及较低水平的二级胆汁酸和丁酸盐。

微生物组和 IBD 疗法

肠道微生物组也在预测对现有 IBD 治疗的反应方面发挥作用。更高的治疗前肠道微生物 α 多样性与使用抗整合素疗法维多珠单抗(α4β7 拮抗剂)治疗后更高的缓解可能性相关,这表明微生物代谢在决定疗效方面具有潜在作用。同样,在停止抗 TNF 治疗英夫利昔单抗后,特定的肠道微生物组特征与疾病复发相关。

由于目前的临床实践通常是在达到缓解后很长时间继续生物治疗,因此此类特征可能允许选择可以停止治疗的患者。鉴于对生物药物反应的可变性以及所涉及的成本和发病率,通过微生物组分析预测反应和持续缓解的能力可以简化 IBD 的管理。

这些观察结果推动了基于微生物群的IBD疗法的发展,范围从益生菌和粪菌移植到特定的细菌化合物或代谢物。

F. prausnitzii 是可能的益生菌的一个例子,因为克罗恩病患者术后标本中 F. prausnitzii 丰度的降低与切除后疾病复发的增加有关。F. prausnitzii 已被证明可以通过减少炎性细胞因子的分泌来预防急性结肠炎,这表明它具有抗炎作用,这可能是由于其产生丁酸盐的能力或通过对免疫系统的独立作用。 未来,微生物组的术后分析可以识别可能受益于治疗策略(如 F. prausnitzii )的个体。

同样,粪菌移植在 IBD 中的疗效与供体微生物组的特定特征有关。 毛螺菌科瘤胃球菌属的丰富度与反应相关,表明特定微生物分类群或代谢物在确定反应方面的作用,并为迄今为止在其他粪菌移植试验中观察到的反应变异性提供了可能的解释。

随着更多地了解肠道微生物组在 IBD 中的作用,基于肠道微生物组的亚表型可能会在预测进展以及对特定治疗的反应方面更好地对患者进行分层,并可能导致个性化治疗策略的发展靶向肠道微生物组(表 1)。

09 过敏和特应性疾病

肠道微生物群在免疫教育中的关键作用使其成为过敏和特应性疾病的重要参与者。 微生物群在生命的早期阶段最脆弱,这段时间的变化会对免疫系统产生长期影响。

因此,大多数过敏和特应性疾病微生物组研究都集中在早期生命,目的是确定新生儿的饮食、过敏原暴露和微生物组组成如何驱动过敏性疾病,并确定可以调节以预防这些疾病的特定目标

观察到生命早期的特应性是食物过敏发展的危险因素,并最终在以后的生活中引发哮喘,这表明了这种潜在的干预窗口。 这种联系表明了一个共同的潜在机制,经典地与 CD4 TH2 过度活化结合树突状细胞诱导的 Treg 细胞水平降低有关,所有这些都受到微生物组的影响。 虽然该领域仍处于起步阶段,但强调了一些可能与个性化微生物组变化相关的领域。

食物过敏

食物过敏很可能是由遗传、饮食和共生微生物群之间复杂的相互作用驱动的。 在人类中,在对鸡蛋、花生、大豆、小麦和牛奶等不同类型食物过敏的人群中,已经报道了不同的肠道微生物群变化。 然而,研究之间缺乏一致性使得解释这些变化具有挑战性。

肠道微生物群的作用得到以下观察结果的支持:无菌小鼠对食物的过敏反应敏感,抗生素增加过敏原致敏性,从健康婴儿移植肠道微生物群可以防止小鼠发生食物过敏。

在一项粪菌移植研究中,发现Anerostipes caccae 可以防止对牛奶的食物过敏反应。 另一项粪菌移植研究发现,用 Subdoligranulum variabile 拟杆菌属菌株进行的细菌疗法对小鼠的花生过敏具有保护作用。

具体而言,Treg 细胞通路 MyD88-RORγt 被发现在防止小鼠食物过敏方面很重要,并且被确定在患有食物过敏的婴儿中存在缺陷。Treg 细胞亚群由微生物代谢物丁酸盐诱导,但未发现丁酸盐与本研究中观察到的效应有关。

除了免疫教育,微生物组还可以通过产生或降解来影响过敏原的有效剂量。 特定的牛奶发酵益生菌菌株,如鼠李糖乳杆菌,提高了对牛奶的耐受性,支持在过敏原降解中发挥潜在作用。

因此,通过评估微生物群降解食物的能力,可能能够预测过敏的自发消退或识别可能从基于微生物群的疗法中受益的个体

过敏和哮喘

生命早期肠道微生物群的破坏,例如与剖腹产和在微生物暴露减少的“清洁”环境中长大有关的破坏,与发生特应性和哮喘的风险增加有关。尽管没有一致的人类微生物群特征与特应性和哮喘相关,但微生物代谢物可能直接参与疾病的发展。

发现源自肠道的 SCFA 丙酸盐的循环水平以依赖于游离脂肪酸受体 3(FFAR3)和小鼠树突细胞功能的方式减少肺部炎症。微生物代谢物可能特别参与 TH2 重编程和过度活化,即使并非所有哮喘患者的 TH2 水平都升高

▪ 微生物代谢物——12,13-diHOME

通过一系列代谢组学和微生物遗传学研究确定了一种参与哮喘发展的微生物代谢物,即亚油酸衍生物 12,13-diHOME。发现哮喘风险升高的出生队列中 12,13-diHOME 的粪便水平增加,这与肺部抗炎细胞因子和 Treg 细胞水平降低有关,表明免疫耐受受到阻碍。负责产生 12,13-diHOME 的细菌环氧化物羟化酶可能被抑制作为酶水平升高患者亚组的治疗策略。

已经尝试用特定菌株或群落补充母乳或配方奶,目的是降低日后发生特应性或哮喘的风险

▪ 鼠李糖杆菌

其中一个例子是鼠李糖乳杆菌 GG 的使用,这导致微生物种类增加,这些微生物种类被认为可以促进哮喘高危婴儿的免疫耐受性,尽管在以后的生活中发展为哮喘的进展和疾病的严重程度的评估尚不清楚。

▪ Acinetobacter lwoffii乳酸乳球菌

此外,从农场牛棚中分离出的Acinetobacter lwoffii乳酸乳球菌菌株对小鼠具有很强的过敏保护特性,可以在人类队列中进行研究。

为了更好地了解肠道微生物群在过敏和特应性疾病发展中的作用的时间机制,跟踪临床结果的纵向出生队列是必要的。 总体而言,这些研究可以为未来基于肠道微生物组的过敏性疾病个性化治疗策略提供信息(表 1)。

10 未来寄语

在考虑健康和疾病中的微生物组时,人们非常关注因果关系,但很明显,即使肠道微生物组不是诱发因素,它也会导致疾病。

▪ 需要在多背景下加以考虑

事实上,肠道微生物群很少是疾病的唯一驱动因素,需要在涉及宿主遗传学、宿主生理反应和环境的系统生物学背景下加以考虑

我们需要了解肠道微生物组在使个体易患疾病状态的复杂调控框架中的位置。尽管肠道微生物组与许多疾病有关,但与宿主(表观)遗传学、蛋白质组或转录组等其他变量相比,很难量化这种贡献的相对数量

▪ 需要对易混淆的因素加以研究

描述不同宿主和微生物组因素的贡献的一个主要挑战是难以将宿主和环境因素对微生物组的影响它们对独立于微生物组的宿主生物学的影响区分开来。

由于巨大的个体差异,生活方式、生理和饮食因素等因素可能会与微生物组因素混淆,需要更多这方面的研究。这样不仅有助于进一步了解与健康和疾病相关的微生物组,而且有助于如何提高未来工作的质量,以更好地了解微生物组在精准医学和个性化治疗中的力量

未来对大量表型良好的患者进行的研究将需要多维,包括宿主和微生物多组学以及暴露组,以更好地了解肠道微生物组和其他数据水平对疾病状态或治疗效果的相对贡献。

▪ 纵向分析用于减少变异,建立因果

这些研究还应通过使用纵向抽样来封装时间和人际变化。与横断面研究相比,纵向数据分析已被证明可以减少变异,并可用于建立因果关系。例如,可以通过对初治队列的纵向监测来确定治疗反应背后的变异,以确定可能导致治疗变异的相关微生物组和宿主因素。

▪ 多方法结合识别治疗反应新因素

这种方法与智能体外和离体方法相结合,可以识别导致治疗反应、不良反应和药物代谢的新因素。此类研究还将能够确定肠道微生物组是否可以作为其他宿主相关因素的解读,例如饮食、遗传、年龄和生活方式,并可能简化用于疾病分类和治疗分层的机器学习算法(图 3) 

随着研究数量的增加,可以看到该领域的持续强劲势头我们需要意识到现在仍处于调查的早期阶段,在将微生物组的知识转化为可用于临床以造福患者的可行措施之前,仍然存在重大挑战需要解决。包括缺乏大型临床队列中基于微生物组的标志物的验证、微生物组数据的处理和分析缺乏标准化,以及缺乏对不同疾病状态下微生物组相关机制的个性化理解。

管存在这些缺点和挑战,该领域的快速步伐和过去十年取得的进展令人乐观地认为微生物组迟早会成为临床实践的一部分

随着目前我们正在做的肠道微生物检测日渐明朗,可以开始设想如何将微生物组纳入个性化治疗策略,为每位患者选择最佳策略

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“隐藏高手” 胰腺癌的新出路——微生物

谷禾健康

胰腺癌是致命的癌症之一,其特点是:

难发现(发现多为晚期),病程,发展恶化速度,中位生存期为3-6个月,正所谓 “无声杀手”

胰腺癌为什么难发现?这要从胰腺癌的位置说起。

胰腺位于人体后腹部深处,被胃、肝等层层围绕,且体积小,胰腺癌早期几乎没有不适。普通检查手段较难发现。

随着胰腺肿瘤的生长,出现的许多症状看起来与其他疾病的症状很像,比如:发冷和出汗、发热、腹胀、腹泻、恶心、疲劳、食欲不振、不明原因体重减轻、上背部或上腹部疼痛、手臂或腿部肿胀、黄疸迹象等。这就容易导致误诊。

胰腺癌的发病率近年来呈快速上升的趋势,死亡率排在首位,因此也被称为“癌中之王”。

胰腺癌的诊断难,治愈也难,应对胰腺癌治疗这样的难题,科学界在不断努力中。

胰腺癌独特的免疫抑制微环境是免疫治疗面临的最大障碍,而微生物群的改变也被认为是塑造肿瘤局部微环境并影响免疫治疗的重要因素

科学家发现微生物群在调节代谢和免疫反应中起着关键作用。通过维持相对健康的微生物群类型,提高胰腺癌化疗药物和免疫治疗的有效性,为胰腺癌患者带来新的希望。

接下来,本文详细列举口腔、肠道和胰腺微生物群在胰腺癌发展中的作用的关键信息,讨论不同类型的微生物群,它们在调节药物代谢、耐药性、免疫反应和胰腺癌治疗潜力中的潜在作用,以及相关预防措施。

图源:知易社

一般说的胰腺癌主要是指胰腺导管腺癌,简称PDAC,下同:

01 微生物群与胰腺导管腺癌的关系

从临床和解剖学的角度来看,胰腺与肠道微生物群没有直接的物理联系,因此胰腺被认为是无菌组织。但微生物可以通过消化道中的胆管迁移到胰腺

Pandya Gouri,et al., Semin Cancer Biol, 2021

许多研究表明,口腔、胃肠道、粪便和器官特异性(胰腺)微生物群的组成与PDAC高度相关。

PDAC的口腔、唾液、舌苔微生物群

口腔和唾液微生物群组成的改变与PDAC的风险相关。最近的研究表明,口腔中参与PDAC肿瘤发生的主要致病菌有:

牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)、梭杆菌(Fusobacterium)、缓症链球菌(Streptococcus mitis )、长奈瑟氏球菌(Neisseria elongata ).

牙龈卟啉单胞菌和Aggregatibacter actinomycetemcomitans 与胰腺癌高风险之间的相关性,表明口腔微生物群可能是导致PDAC肿瘤发生的危险因素。据推测,牙龈卟啉单胞菌可能分泌肽基精氨酸脱亚胺酶,通过引起KRASTP53基因突变降解精氨酸代谢

 唾液微生物群 

在胰腺癌患者的唾液样本中,与健康对照组相比,PDAC患者的长奈瑟氏球菌缓症链球菌的水平明显降低,而Granulicatella adiacens的水平明显升高

——作为预测胰腺癌的非侵入性生物标志物

在区分PDAC病患者和健康个体时,长奈瑟氏球菌和缓症链球菌的组合显示出96.4%的敏感性和82.1%的特异性。这项研究的结果表明,唾液微生物群可以作为预测胰腺癌的非侵入性生物标志物。

有研究对胰腺癌患者的唾液样本进行了微生物鉴定,发现纤毛菌Leptotrichia的丰度较,而卟啉单胞菌和奈瑟氏球菌的比例相对较。因此,唾液中纤毛菌Leptotrichia卟啉单胞菌的显著比率(L/P比率)可用作PDAC的预测标记

 口腔微生物组 

PDAC和对照组在相关类群的平均相对比例上观察到差异。

PDAC患者  :高水平厚壁菌门和相关类群,包括:乳杆菌科(Lactobacillales)、嗜热链球菌(Bacillli Streptococcus thermophilus)、链球菌科(Streptococcaceae)

对照组:具有相对较高水平变形菌和相关分类群,包括:γ变形菌(Gammaproteobacteria)、巴氏杆菌科(Pasteurellaceae)、副流感嗜血杆菌(Haemophilus parainfluenzae);β变形菌(Betaproteobacteria),奈瑟氏球菌(Neisseria),黄奈瑟氏球菌(Neisseria flaviscen)

舌苔微生物群 

胰头癌患者优势菌群如下:梭杆菌属Fusobacterium, 纤毛菌属Leptotrichia, 放线菌属Actinomyces, 罗氏杆菌属Rothia, 奇异菌属Atopobium, 棒状杆菌Corynebacterium, 莫拉氏菌属Moraxella, 消化链球菌属Peptostreptococcus, 产线菌属Filifactor, Oribacterium,坦纳菌属Tannerella

对照组优势菌群如下:嗜血杆菌Haemophilus, 卟啉单胞菌属Porphyromonas,Paraprevotella

在健康对照组和胰头癌患者中分别观察到嗜血杆菌、卟啉单胞菌纤毛杆菌、梭杆菌的富集量有显著差异。

类似地,在胰头癌患者中观察到链球菌罗氏菌属相对较的富集,而在肝癌患者中SR1的相对丰度较高。因此,SR1和链球菌可用于区分肝癌和胰头癌

*SR1:SR1 genera incertae sedis

对PDAC与微生物群的变化在多样性组成方面的关联研究非常有限。需要在一个大队列中进一步的调查证实这些发现,从而得出确切的结论。

PDAC的胃肠道微生物群

——肠道微生物群可以直接影响胰腺微环境

给WT小鼠口服荧光标记的粪肠球菌Enterococcus faecalis,有趣的是,在这些小鼠的胰腺中观察到荧光,这表明细菌从肠道向胰腺迁移

在另一项研究中,将抗生素混合物口服给药于PDAC、结肠癌和黑色素瘤的小鼠模型,观察到在所有受试模型中肠道微生物群的减少显著减弱了肿瘤的生长。

几个小组观察到,吸烟是胰腺癌的一个关键风险因素,可导致微生物群的显著变化,特别是在人类的肠道中。吸烟者肠道中厚壁菌门放线菌门减少菌门、拟杆菌门、变形菌门的数量显著增加

——胰腺癌患者和健康对照者粪便样本显著差异

 微生物谱分析  (胰腺癌患者粪便样本,基于属水平的线性鉴别分析)

显著富集普雷沃菌属(Prevotella)、韦荣球菌属(Veillonella)、肠杆菌属(Enterobacter)、克雷伯氏菌属(Klebsiella)、哈氏菌属(Hallella)、月形单胞菌属(Selenomonas)、Cronobacter spp.

显著减少双歧杆菌属(Bifidobacterium)、芽孢杆菌属(Gemmiger)、梭状芽孢杆菌属(Clostridium IV)、Coprococcus、经黏液真杆菌属(Blautia)、Flavonifractor、丁酸球菌属(Butyricicoccus)、厌氧菌属(Anaerostipes)、Dorea spp.

这种粪便微生物群组成的显著差异表明,胰腺癌的胃肠道微生物是独一无二的。此外,本研究的数据表明,与脂多糖(LPS)生产类异戊二烯和亮氨酸的生物合成相关的微生物有显著的富集/定殖,而已观察到产丁酸菌益生菌减少。

 16S rRNA测序分析 

分析PDAC患者和对照的粪便标本微生物群,观察到不同的优势菌:

PDAC患者:变形菌门(Proteobacteria),互养菌门(Synergistetes),广古菌门(Euryarchaeota),Akkermansia,韦荣氏菌科Veillonellaceae,Odoribacter

健康肠道:Clostridiacea,瘤胃球菌科,Ruminococcaceae,毛螺科Lachnospiraceae

除此之外,幽门螺杆菌感染和胰腺癌之间也呈正相关。在胃癌(69%)和胰腺癌(65%)患者的血液样本中,幽门螺杆菌感染率异常高。Meta分析和前瞻性队列研究表明,幽门螺杆菌感染的患者患胰腺癌的风险明显较高。然而,为了明确解决幽门螺杆菌在PDAC的影响,需要进行更多的人群和动物研究。

PDAC的胰腺微生物群

过去几十年科学家一直认为,在胰腺中存在蛋白酶,且胰腺环境是高碱性的,那么微生物无法生存。

胰腺中存在细菌,PDAC患者细菌更多 

用16S rRNA基因特异性PCR对胰腺囊肿液体标本进行分析,发现优势菌:氨基酸球菌属Acidaminococcus, 埃希氏杆菌属Escherichia, 拟杆菌属Bacteroides, 志贺氏杆菌Shigella。这表明胰腺囊液可能是微生物群分析的良好来源。

最近,对PDAC样本进行的16S rRNA荧光探针和qPCR实验都证实,与正常人相比,PDAC患者的胰腺组织中存在细菌(约为正常人的1000倍)。

 PDAC的标本中的主要菌 

对人类PDAC肿瘤标本进行16S rRNA测序,发现了13个不同的门。

PDAC患者:变形菌门 (45 %);拟杆菌门(31 %);厚壁菌门 (22 %);放线菌门 (1%);假长双歧杆菌Bifidobacterium;

·pseudolongum【Kras(G12D)介导的胰腺癌小鼠模型】;假单胞菌属 Pseudomonas;Elizabethkingia;梭杆菌 Fusobacterium

对照组:乳酸菌 Lactobacillus

梭杆菌——预后生物标志物 

PDAC肿瘤内梭杆菌Fusobacterium的定殖与PDAC患者的预后更差相关。这项研究的结果表明,梭杆菌属可以作为PDAC的预后生物标志物。

 耐药患者的组织标本中 γ -变形菌定植 

从耐受”吉西他滨”的PDAC中获得的组织标本中,γ-变形菌门Gammaproteobacteria定植,表明γ -变形菌可能干扰吉西他滨的代谢,并产生耐药性。

 男女患者菌群差异 

男性和女性患者之间微生物群组成的差异,各自的主导菌群如下:

男性患者:A. ebreus,Acinetobacter baumannii 

女性患者:Geobacillus kaustophilus HTA426 ,Escherichia coli 55989 

吸烟与非吸烟差距

此外,吸烟PDAC患者与非吸烟PDAC患者的对比,鲍曼不动杆菌A. baumannii M. hyopneumoniae高度富集,且与不良临床结果相关。这些微生物显示出富集的致癌信号抑制肿瘤和免疫信号

 胰腺癌转移相关菌群 

胰腺组织中微生物群的丰度与患者的转移总生存率相关。M. hyopneumoniae、Sitophilus zeamais、宋内志贺菌Shigella sonnei、肠道沙门氏菌Salmonella enteric高丰度转移呈正相关。

更具体地说,Acidovorax ebreus与PDAC患者的转移和高肿瘤分级相关。

 长期、短期生存的菌群不同 

对长期和短期生存的PDAC患者的肿瘤标本进行了16S rRNA测序,肿瘤内微生物群:

PDAC长期生存者:多样性高;以下菌丰富:Pseudoxanthomonas, Saccharopolyspora, Bacillus clausii, Streptomyces

PDAC短期生存者:拟杆菌,梭状芽孢杆菌

上述数据表明,确定微生物群进入胰腺的机制以及这些微生物与胰腺癌的进展和转移之间的关系还有很大的研究空间。

02 微生物群在新陈代谢中的潜在作用

宿主和微生物群形成共生关系。宿主可以通过其遗传、饮食摄入和生活方式影响微生物群的组成和生物量,而微生物群可以通过分泌微生物代谢物、代谢营养物、合成维生素和消化酶来影响宿主。

细菌成分及其代谢物可以渗透到宿主的体循环中,并被运输到发挥激素样作用的部位。这些生物活性代谢物调节宿主中的信号转导,以调节基因表达调节中涉及的各种途径。

 代谢物对肿瘤的发生有促进和抑制作用 

丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐是主要的短链脂肪酸(SCFAs),由结肠中的粪肠球菌、双歧杆菌和梭状芽孢杆菌 等细菌产生,可发挥抗癌作用。

短链脂肪酸通过与游离脂肪酸受体(FFAR2/FFAR3)结合发挥作用,游离脂肪酸受体通常在癌细胞、基质细胞和肠细胞上表达,刺激G蛋白偶联受体,通过激活致癌途径(包括PDAC的AKT、ERK、mTOR和STAT3)促进肿瘤生长和转移

对微生物代谢物在PDAC和胰腺中刺激FFAR2/3的作用的理解需要进一步详细研究。

改变的微生物群在PDAC免疫反应调节中的作用

Pandya Gouri,et al., Semin Cancer Biol, 2021

体外研究表明,丁酸盐可以减少PDAC细胞的增殖,同时诱导它们向分泌表型分化。

此外,透明质酸与丁酸盐的共轭物显示出在PDAC细胞中诱导细胞抑制作用。据报道,丙戊酸(一种合成SCFA)结合5-FU对PDAC细胞有抑制细胞生长的作用。

PDAC患者多胺代谢失调

在PDAC患者中,益生菌和产丁酸的细菌被大量抑制。细菌可以合成多种多胺,如腐胺、精胺、亚精胺和尸胺。据报道,在PDAC患者中,多胺代谢严重失调。在小鼠模型和患者血清样本中,多胺均上调,并随着肿瘤的进展而进一步增多。

 微生物代谢物可作为非侵入性生物标志物 

罗伊乳酸杆菌Lactobacillus reuteri 在4个月大的KPC(K-rasLSL.G12D; p53R172 H/+; Pdx1-Cre)小鼠肿瘤标本(K-rasLSL)中定殖。罗伊乳酸杆菌参与多胺代谢。与2个月大的KPC鼠血清标本相比,4个月大的KPC鼠血清标本中多胺的浓度显著高。这些结果表明,微生物代谢物可被开发并用作潜在的非侵入性生物标志物,用于PDAC病的诊断,尤其是在肿瘤变得可见和明显之前的早期阶段

脂多糖是与炎症、代谢性疾病和胰腺癌相关的关键因素

在PDAC患者中,脂多糖存在于高度富集的革兰氏阴性菌的细胞壁上。

脂多糖与线粒体的代谢重编程有关,从而有助于糖酵解、活性氧炎症导致肿瘤发生。

脂多糖如何导致免疫抑制?

脂多糖可以有效地与免疫细胞上的toll样受体相互作用,并募集MyD88/TRIF分子来刺激NF-κB和MAPK信号产生炎性细胞因子,从而导致免疫抑制。

代谢产物——脱氧胆酸(DCA)

一些肠道相关细菌代谢原始胆汁并形成脱氧胆酸(DCA)。DCA通过与TGR5 (G蛋白偶联的细胞表面BA受体)结合发挥作用,TGR5反过来刺激PDAC细胞中的EGFR、MAPK和STAT3信号,并进一步导致细胞周期的进展。

代谢产物——熊去氧胆酸

与此相反,熊去氧胆酸通过抑制PDAC细胞系上皮细胞向间充质细胞的转化而显示出抗癌作用。

γ -变形菌科合成酶将化疗药代谢成不活跃形式

肿瘤内细菌属γ -变形菌科,能够合成胞苷脱氨酶(CDD),该酶能有效地将化疗药物吉西他滨代谢成2′,2′-difluorodeoxyuridine(不活跃的形式)。

说到化疗药物,为什么同样的药物治疗,有些人有效,有些人无效?这与微生物会有什么样的联系?

我们将在接下来的章节详细阐述。

03 微生物群在化疗中的作用 

肠道微生物群在改变癌症治疗中药物治疗的疗效方面发挥着既定的关键作用。当然,化疗药物也会使肠道微生物群失调。

二十多年来,吉西他滨单独和/或与化疗剂/药物联合用于治疗PDAC病患者。

引起化疗耐药性——猪支原体

人皮肤成纤维细胞中猪支原体(Mycoplasma hyorhinis)的存在,在体外和小鼠模型中导致了对吉西他滨的抗性,其中它被代谢为其非活性和脱氨代谢物,名为2’,2’-二氟脱氧尿苷。

引起化疗耐药性——γ – 变形菌

除此之外,γ – 变形菌能够通过表达胞苷脱氨酶(CDD)的长形式灭活吉西他滨。分析113个PDAC患者组织样本时,86个样本(76%)显示了γ – 变形菌的存在。

在结肠癌小鼠模型中,γ – 变形菌诱导的吉西他滨耐药可通过联合应用环丙沙星抗生素逆转。表明这种耐药是可逆的。

引起化疗耐药性——大肠杆菌

大肠杆菌可导致几种药物如克拉屈滨、吉西他滨、CB1954、氟达拉滨的原始化学结构发生改变。

在体外和体内小鼠模型中,非致病性大肠杆菌菌株引起了对吉西他滨治疗的化学抗性。

改变微生物群——更好的抗癌效果

最近,FOLFRNOX已被用于针对PDAC患者的多中心试验。结果报告了比吉西他滨更好的长期生存率。在这些试验中,患者腹泻和恶心的发生率很高。表明药物可以改变微生物群以产生更好的抗癌效果。

其他代谢疾病与胰腺癌的相关性

另一方面,肥胖、2型糖尿病和胰腺癌病例增加之间有很强的联系。

在KC小鼠中,高脂肪热量饮食(HFCD)显示完整腺泡的丧失和胰腺上皮内瘤形成的发展。此外,在小鼠模型中,高脂肪热量饮食显示出明显的微生物群组成变化,特别是梭状芽胞杆菌

二甲双胍对这些小鼠的治疗与KC小鼠中PDAC的抑制相关,Akkermansia的定植显著增加,梭状芽胞杆菌的丰度显著减少。二甲双胍通过降低循环中脂多糖的水平来促使HFCD-KC小鼠模型的肠道菌群失调。这可以进一步抑制胰腺中M1巨噬细胞的脂多糖依赖性极化,从而抑制上皮内瘤的形成。

药物联合益生菌抗癌

吉西他滨与益生菌联合给药后,随着波形蛋白和Ki-67表达的抑制,上皮内瘤PanIN的形成明显减少。

鼠伤寒沙门氏菌与吉西他滨和贝伐单抗的组合在PDAC异种移植模型中产生了协同抗肿瘤作用

肠道微生物群在调节化疗反应、将药物代谢成非活性形式,甚至对某些药物产生化学抗性方面起着不可避免的作用,越来越多的临床研究证明了微生物群对化疗的影响。这为癌症患者的治疗目的操控肠道菌群提供了基础。

04 PDAC的微生物群和免疫调节

免疫系统和微生物群之间的健康互动对于健康的生活方式和身体稳态至关重要。微生物群的失调会导致全身炎症和细菌代谢物介导的免疫反应,这可能进一步促进免疫调节,从而促使癌症发生和发展。

在胰腺癌的发展过程中,已经观察到胰腺组织内的微生物群和免疫细胞之间存在复杂的关系癌症免疫可以通过微生物群的存在来改变

菌群与胰腺癌发生的关系

Thomas R M, et al.,Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology, 2019

详见: 微生物,或许是下一个癌中之王(胰腺癌)诊断和干预治疗的新出路

微生物群对免疫系统的影响

当粘膜内层受到任何损伤时,微生物往往会进入肠道固有层,然后迁移到远处的淋巴器官,激活宿主免疫系统。PDAC肿瘤微环境基本上与免疫细胞交织在一起,其中免疫细胞与某些炎症因子一起负责促进肿瘤发生、免疫细胞浸润和疾病进展。

微生物衍生产物或代谢物,如脂蛋白、脂多糖、脂肽、单链或双链DNA,甚至CpG DNA可以有效地结合PPRs以激活TLRs,TLRs通过抑制胰腺癌的免疫反应在炎症和肿瘤发生过程中起关键作用。这与NF-κB和MAPK信号通路的激活有关,导致产生促进肿瘤的细胞因子和其他促炎分子,从而导致癌症的发展。

假长双歧杆菌促进肿瘤发生(TLRs)

假长双歧杆菌Bifidobacterium pseudolongum在肠道和肿瘤区域高度占优势,通过TLR介导的信号传导促进侵袭性肿瘤发生,TLR4和TLR7在PDAC的肿瘤微环境中特别强有力地表达。有研究显示,刺激TLRs会导致胰腺炎,并与K-ras协同促进胰腺癌在动物模型中的发展。

TLR7在人和鼠胰腺癌标本中有强有力的表达,并显示出刺激MAPK、NF-κB、STAT3和Notch信号以增强致癌作用。TLR7阻断可以通过阻止以上通路刺激,从而抑制胰腺癌

肠道微生物群影响抗癌免疫治疗反应

肠道微生物群(脆弱双歧杆菌、双歧杆菌)的组成通过阻断CTLA-4和PD-1影响抗癌免疫治疗反应。

PDAC肿瘤微环境的产生在小鼠模型中具有免疫抑制作用,这归因于特定的肠道和胰腺内微生物。这也证明了随着免疫治疗抗性的增强,癌症进展的增强。

此外,微小核糖核酸与PDAC患者的生长、血管生成、化疗耐药性和转移增加有关。已知某些微生物如幽门螺杆菌鼠伤寒沙门氏菌也能调节上述微小核糖核酸的表达,而这些微小核糖核酸又能调节宿主的免疫反应。

这表明肠道微生物群控制宿主免疫反应,从而提高免疫疗法的有效性,并在与PDAC相关的癌症领域具有巨大的意义。

05 基于微生物的治疗潜力是PDAC患者的希望

微生物具有巨大的潜力,可用于设计不同的治疗方法,以对抗疾病的发展和进展。更具体地说,新出现的证据表明,微生物可能导致人类对恶性肿瘤的易感性,也可能影响对治疗的反应,还可能影响治疗相关的毒性。

用有益菌如拟杆菌和伯克霍尔德氏菌Burkholderiales恢复肠道提高了CTLA-4封闭的治疗效果。

双歧杆菌的存在增强了PDL-1阻断的抗癌潜力。

因此,微生物群的保护和恢复对改善治疗效果至关重要。

粪便微生物群移植(FMT)是一种直接有效的方法。肿瘤小鼠接受了来自短期生存期PDAC患者、长期生存期无疾病证据(LTS-NED)和健康对照组的粪便微生物群,发现肿瘤生长明显减少。这表明,在PDAC鼠模型中,来自长期存活者的FMT比来自短期存活者或没有PDAC的那些接受FMT的人对肿瘤有更好的保护作用

此外,FMT在应对化疗的副作用方面显示出潜力,化疗会导致其他恶性肿瘤如转移性肾细胞癌的腹泻。这表明,用益生菌恢复肠道是一种可行的方法,可以与其他治疗方案一起使用,并且在治疗癌症方面可能非常有效

目前这些研究探索了微生物群的多样性和组成,以及患者的菌群失调,与健康人的差异等,尽管还需要做深入研究,但这个方向的探索对于癌症治疗无疑是很有希望的。

06 关于胰腺癌的预防 

虽然说没有完全避免胰腺癌的特定方法,但以下方法可以降低风险:

■  戒烟

可避免的最重要的风险因素,戒烟有助于降低患胰腺癌风险

■ 维持正常体重

如果你现在正处于超重或肥胖阶段,减肥有助于降低胰腺癌风险;适当进行锻炼

■ 健康饮食

加工过的红肉和含糖饮料也可能增加患胰腺癌的风险。美国癌症协会建议遵循包括大量水果、蔬菜和全谷物在内的健康饮食模式,并限制或避免红肉和加工肉类、含糖饮料和高度加工食品

■ 不酗酒

大量饮酒与胰腺癌有关,也可能患上慢性胰腺炎,后期有发展成为胰腺癌的风险

■  避免使用工作场所化学品

工作场所中的某些化学品会增加患胰腺癌和其他癌症的风险

■ 进行肠道菌群检测

维持一个相对健康的肠道菌群,监测健康状态,降低胰腺癌的风险

07 结语

微生物组是一个新兴的前沿领域,它为胰腺癌的诊断、预后和转移的新生物标志物等提供了新的方向。

微生物治疗的个性化在于每个个体微生物群具有独特性,微生物群又与日常饮食,生活习惯,慢性病等息息相关,通过这些方式的改变使菌群维持或恢复到相对健康的状态,这对于胰腺癌及其他癌症的预防、治疗具有重大意义。

主要参考文献:

G.A. Vitiello, D.J. Cohen, G. Miller, Harnessing the microbiome for pancreatic cancer immunotherapy, Trends Cancer 5 (11) (2019) 670–676. 

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Pandya Gouri,Kirtonia Anuradha,Singh Aishwarya et al. A comprehensive review of the multifaceted role of the microbiota in human pancreatic carcinoma.[J] .Semin Cancer Biol, 2021

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Can Pancreatic Cancer Be Prevented? American Cancer Society. May 31, 2016.

环境对人类微生物组及其对非传染性疾病的影响

谷禾健康

看过往期文章的小伙伴都知道,人体微生物群维持体内的共生关系,促进新陈代谢功能,抵御病原体,训练和发展免疫系统,直接或间接影响我们的大部分生理功能。

每个人都拥有属于自己的独特的微生物组,人与人之间这种显著的个体差异性是疾病易感性差异的潜在来源。

基因是从出生开始确定了,很大程度上伴随着人的一生,微生物组是否也是遗传决定的呢?

2018年的研究显示,家庭中的遗传血统或单个多态性变体在肠道微生物组组成中的作用很小(<2%),而微生物组多样性中超过20%的变异可以从共享的环境因素中推断出来,例如与饮食和生活方式。可见环境是影响微生物组的重要因素。

那么:

影响微生物组环境因素包括哪些?

环境如何对人类微生物组产生影响?

环境如何通过微生物组影响人的健康?

环境对人类微生物组的影响研究会有哪些挑战?

这对理解非传染性疾病的微生物基础带来哪些启示?

本文我们来详细阐述以上问题。

<从广义上考虑环境,涉及宏观环境和微环境,并考虑个人行为,包括吸烟,饮酒和饮食摄入等>

01.

微生物组对非传染性疾病的影响

口腔消化道癌症 

微生物诱发了至少60%的人类口腔消化道癌症,这表明控制微生物相关过程在预防和治疗口腔消化道癌症方面具有巨大的潜力

流行病学研究一致报告口腔疾病与口腔消化道癌症(包括头颈部、食道癌、胃癌和胰腺癌)风险之间的联系。由于口腔疾病具有重要的微生物基础,这些观察导致了口腔微生物组与口消化癌的发生有关的假设。

基于大量人群的队列研究中的病例对照研究发现,用漱口水样本评估的诊断前口腔微生物组与随后发生的头颈部、食道和胰腺消化道癌症的相关。一些研究也明确指出了肠道微生物组梭菌属Fusobacterium和其他菌群与结肠癌之间的联系,以及肠道微生物组与炎症性肠病和结直肠腺瘤之间的联系。

微生物来源的信号通过不同的机制调节癌症的许多特征。一般来说,细菌不能直接诱发癌症;这一过程通常伴随着慢性炎症,并需要致癌信号通路的独立突变

进一步的研究表明,微生物组与宿主之间的交互作用通过调节肿瘤微环境中的先天和适应性免疫功能,对口腔消化道肿瘤发生至关重要。

细菌-癌症模型提出,革兰氏阴性细菌促进致癌作用,因为脂多糖细菌外膜通过Toll样模式识别受体为先天免疫系统反应提供免疫原性刺激,导致由核转录因子NF-κB原瘤细胞因子释放、免疫细胞募集和活性氧释放引起的基因突变。

因此,微生物在形成肿瘤免疫微环境中的作用在癌症的发病机制中具有重要的潜在意义,特别是在口腔消化道。

神经系统疾病 

肠道和中枢神经系统通过肠-脑轴相互作用,调节中枢神经系统功能,包括情感行为、认知表现、疲劳和睡眠

研究表明,肠道微生物组通过影响肠-脑轴,可能在某些神经精神和神经发育障碍中发挥作用,改变行为,并可能影响神经系统障碍的发作和/或严重程度

无菌小鼠和用抗生素治疗的小鼠表现出大量的神经免疫功能障碍和行为缺陷。主要在临床前模型中,肠道微生物组与大脑障碍有关,包括焦虑、抑郁、癫痫以及自闭症谱系障碍。

在人类中,胃肠道病理和神经精神疾病之间相互作用的证据已经在焦虑、抑郁和自闭症等情况中报告;然而,因果关系仍未得到证实。

揭示微生物组介导肠-脑连接的机制可能为靶向治疗肠道提供新的机会,以预防和治疗神经疾病。

点此查看 抑郁症,恐惧,压力和肠道微生物群脱不开的关系

糖尿病 

大量的文献已经为肠道菌群在糖尿病前期2型糖尿病病因学中的作用提供了证据。一份2020年的综述总结了40多项已发表的人类研究。

例如,在糖尿病前期研究中发现,基于肠道微生物群、炎症免疫标志物的分子特征预测了2型糖尿病的发病。

两项开创性研究发现,2型糖尿病患者和非糖尿病对照组的肠道微生物组不同。

随后一项研究表明,2型糖尿病患者的肠道微生物群介导了用于控制糖尿病的二甲双胍的治疗效果

还有研究人员开发了个性化饮食以优化2型糖尿病患者的血糖水平,同时考虑了个性化饮食习惯、体育活动和肠道微生物群。研究人员随后在一项盲法随机对照饮食干预试验中表明,应用这种算法可以改善餐后血糖反应

目前面临的挑战是搞清楚,具体精确到哪些肠道微生物组组成部分,能驱动异质性、多因素、多器官疾病。

肥 胖 

肥胖在全球范围内日益流行,导致过早死亡和许多慢性非传染性疾病。虽然肥胖的根本原因是能量摄入和输出之间的不平衡,但肠道微生物组成是导致体重增加的公认因素,当然还有其他机制,如遗传变异和表观遗传调节。

从野生型小鼠、肥胖小鼠或肥胖人类转移到无菌小鼠的肠道菌群实验表明,在该试验系统中,肠道菌群在体重增加和肥胖中起着关键作用,与肥胖表型的建立有关。这些实验结果引出了这样一个问题:

肠道的微生物组成是否会影响人类体重增加(无论是基因决定的还是饮食诱导的)?

一份早期的小规模人类样本报告与小鼠的研究结果一致,即肥胖状态与厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度增加拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度减少有关。

然而,对人类的研究并没有证实这一特定模式:一些研究发现拟杆菌门(Bacteroidetes)的减少(但没有发现厚壁菌门(Firmicutes)的增加)与肥胖有关,而另一些研究则发现相反或未发现这两种门水平与体重指数(BMI)有关。

此外,研究已经确定了与BMI或肥胖相关的不同属和种水平的分类群。

点击此处查看  体重增长:目前为止我们所知道的一切

未来在动物模型和人类中的下游实验可以确定这些候选菌群是否在肥胖的病因学中起作用,如果是,建议干预肥胖的预防和治疗。

目前也有通过各种治疗方法(如益生菌、益生元、抗生素)改变菌群的潜力,微生物组是预防和治疗肥胖的一个不错的方式。

02.

人类微生物组的环境决定因素

 宏观环境 

 ——毒理和化学环境   

在人体中,消化道和呼吸系统是环境毒物进入和加工的主要途径。在这些器官系统中,人类微生物组丰富的代谢系统具有强大的转化外来生物化学物质的能力,有时与宿主的生物转化模式相反。

宿主代谢酶的典型特征是氧化和结合排泄,而微生物的酶反应主要是还原、水解和去甲基化,生成碳源进一步生长和分裂

环境砷形态心血管疾病和其他健康影响有关;证据表明,口腔消化道微生物组的甲基化能力可能会影响这些毒性。

肠道乳酸菌Lactobacillus对金属(如镉和铅)的固定化可能会影响金属毒性,降低重金属积累

Yu.Let al., chemosphere2020

某些肠道细菌表达偶氮还原酶来代谢潜在致突变的偶氮化合物。个人护理产品中对环境具有持久性的化学物质,如三氯卡班(TCC)和三氯生(TCS)普遍存在,并与啮齿类动物微生物群的潜在变化有关。

肠道微生物群对化学物质(包括内分泌干扰物)的代谢会伴随微生物的失调:改变微生物群落结构,诱导特定细菌基因,改变微生物分子转化。此外,内分泌干扰物可以被吸收并运输到肝脏,然后被结合并通过胆汁分泌排泄回肠道,进一步进行微生物代谢。

酶如偶氮还原酶、酯酶、甲基酶、硫代还原酶、脂肪酶、硝基还原酶、β-葡萄糖醛酸苷酶、硫酸盐酶和β-裂解酶也参与环境化学物质的微生物代谢。

——建筑环境与新兴假说

建筑环境包括人类建造的所有建筑,包括家、工作场所、学校、车辆等。研究人员认识到许多微生物病原体可能存在于建筑环境中。

例如,细菌病原体,如结核分枝杆菌;真菌病原体,如烟曲霉菌Aspergillus fumigatus;致病性病毒,如鼻病毒和流感病毒,以及SARS-CoV-2冠状病毒等,均可通过在建筑环境中直接吸入传播。其他病原体,如艰难梭菌和粪肠球菌,以及诺如病毒和流感病毒,可通过皮肤或黏液接触传播给人,原因是病菌从表面传播。

除了直接的微生物传播,建筑环境中的微生物代谢产物也可能涉及人类健康,包括细菌和真菌毒素、细胞壁的致敏成分和微生物衍生的挥发性有机化合物。

室内空气和表面与灰尘微生物化学产物有关。环境中相对湿度的增加导致灰尘和表面微生物代谢物的增加室内潮湿和发霉条件(例如,可见的霉菌和霉菌气味)与许多不同的疾病状态有关,但建筑环境中微生物及其代谢产物的组成和浓度与疾病之间的联系仍然难以捉摸。

通过靶向细菌16S rRNA测序和宏基因组测序的应用,研究人员对建筑环境微生物生态的复杂性有了更全面的认识,包括可培养和非培养因子的多样性。认识到环境样品中微生物DNA序列的组成可能是由大量的不可活残留物组成的,环境微生物相关DNA表现出丰富的复杂性,反映了人类微生物来源,室内建造环境和人类来源的微生物来源之间的关系特别强。

卫生假说认为,卫生条件的改善可能与自身免疫性疾病的增多有关,这一概念也适用于有益菌暴露的概念。

研究人员研究了人类微生物组和建筑环境微生物组之间的相关关系,重点关注家庭环境,并绘制居住者和他们的家庭之间的细菌共享。这项调查表明,与表面有关的大多数细菌有很大的可能来自该住宅的居住者。暴露于室内灰尘中的复杂微生物群与患哮喘的可能性呈负相关。在另一项研究中,与没有接触到农业环境的儿童相比,接触到农场附近家庭灰尘并在农场积极参与工作的儿童患哮喘的风险有统计学上显著降低

总之,越来越多的证据表明,建筑环境、微生物群和健康之间存在相互关系,但要了解建筑环境中微生物的生态和进化与人类健康之间的关系,还需要做大量的工作。

其他与建筑环境有关的著名假说也出现了。其中一个在文献中越来越流行的假说是野化假说,该假说认为,改变城市绿地使其恢复到更自然的状态,有可能改变环境中的微生物群,进而改变人类微生物群。对人和动物的研究表明,野化可能会影响微生物组和宿主的免疫反应。

除其他环境因素外,2018年的研究表明,吸入颗粒物空气污染会改变肠道微生物组的组成

此外,日光暴露可以调节家庭灰尘细菌群落,这也可能表明阳光和紫外线辐射影响人体微生物群落组成,例如皮肤上的细菌群落。

微生物在皮肤老化中的作用模式

Li Zichao,et al., Front Microbiol, 2020

气候变化和极端高温也可能引发生理变化,可能有利于周围环境、食物或体内的某些微生物群。

此外,在应对将大量微生物菌群与无数已建立和新出现的暴露物结合起来的挑战时,将细菌宏基因组与环境暴露物结合起来的无针对性评估和发现可能是前瞻性研究议程的一部分。

——社会经济环境

较低的社会经济地位与多种与健康有关的行为有关,如获得医疗和牙科护理的机会减少,增加参与不健康行为(如吸烟和酒精依赖),减少对积极健康行为(如健康饮食和锻炼)的参与。低社会经济地位较高的发病率和死亡率以及其他一些健康状况如肥胖、糖尿病和癌症的高发病率相关。

微生物群在调节社会经济地位和健康之间关系中的作用正在研究中。许多与低社会经济地位社区和生活方式相关的特征(例如,加工食品、久坐的生活方式、社会心理压力、暴露于污染物和内分泌干扰物)也与肠道微生物多样性减少有关。

研究已经检验了社会经济地位和社会经济地位群体之间微生物组成的差异。在美国,较高的社会经济地位与肠道微生物群中特定微生物的α多样性和种群丰度相关

更好地理解微生物组在社会经济地位相关疾病易感性中的中介关系需要综合研究,包括调查社区和个人水平的暴露。建筑环境是考虑的一个部分。

 微环境 

——吸烟  

香烟烟雾是大量有毒物质的来源,直接接触口腔和上呼吸道的细菌;这些毒物可以通过抗生素作用、缺氧或其他潜在机制扰乱微生物生态。由于吸烟而失去有益的口腔菌群可导致病原体定植并最终导致疾病;吸烟在微生物依赖性牙周炎的发病和发展过程中所起的既定作用有力地支持了这一论点。

实验室调查发现,与从不吸烟的人(变形菌门11.7%)相比,吸烟人群口腔微生物组的总体多样性降低,变形菌门的相对丰度降低(4.6%) (FDR q = 5.2×10−7)。

当前吸烟者体内三羧酸(TCA)循环和氧化磷酸化等微生物有氧代谢途径相关基因的丰度降低糖酵解等非氧碳水化合物代谢途径的丰度增加

当前吸烟者所消耗的其他途径包括与甲苯、一硝基甲苯、苯乙烯、氯环己烷和氯苯降解有关的某些外来生物降解途径以及细胞色素P450的外来生物代谢。相反,多环芳烃(PAH)和二甲苯降解在当前吸烟者中富集。这些化学物质是香烟烟雾的组成部分,因此口腔菌群降解这些物质的能力的改变可能会对宿主产生毒性后果。

除了创造一个厌氧、酸性和/或选择性有毒的环境,吸烟还被认为对人体免疫有显著的影响,这反过来可以影响宿主阻止病原体殖民的能力。

总之,越来越多的证据表明:

吸烟影响口腔微生物群的整体组成和许多种群丰度;吸烟可促进厌氧口腔环境和具有减少的异种生物降解能力的菌群。

观察性和介入性研究也提示吸烟者肠道微生物组的多样性降低,总的来说,变形菌门、拟杆菌门和梭菌属、拟杆菌属、普雷沃氏菌属呈上升趋势,放线菌门、厚壁菌门和双歧杆菌属、乳球菌属呈下降趋势

可能解释吸烟对肠道微生物组影响的机制包括氧化应激增强、肠道紧密连接肠道粘蛋白组成的改变以及酸碱平衡的改变。一些吸烟引起的肠道微生物组改变类似于炎症性肠病和肥胖等情况下的改变。应该进行进一步的研究来研究这种联系。吸烟会影响肠道微生物群,建议改变其组成。吸烟和肠道微生物组之间的相互作用可能有助于肠道和全身疾病的发展。

——酒精  

酒精摄入可能通过几种方式影响人体口腔微生物群:

首先,口腔细菌和真菌将酒精和膳食糖代谢成致癌的乙醛,与香烟烟雾冷凝液相互作用,产生致癌的亚硝胺,并在实验上促进口腔癌变。无论是在体内还是体外,在吸烟者中,口腔微生物群有更强大的能力从乙醇中产生乙醛

体外和动物实验也指出了口腔微生物群参与口腔癌变的可能机制,包括抑制细胞凋亡,激活细胞增殖,促进细胞侵袭,诱导慢性炎症,以及口腔多菌群中细菌和真菌的合作。

第二,酒精可能对细菌产生直接的细胞毒性作用。动物研究表明,摄入20%的酒精会增加变形链球菌Streptococcus mutans的定植,并显著减少大鼠口腔生物膜中可检测到的细菌种类。

在人类研究,饮用红酒与物种丰度降低以及龈下和龈上菌斑中某些厌氧菌的减少有关,而过量同时使用烟草和酒精与物种丰富度降低以及口腔粘膜生物膜中奈瑟菌Neisseria、Aggregatibacter和梭杆菌Fusobacteria丰度降低有关。

酒精除了直接作用外,还可能通过干扰宿主防御系统间接影响口腔微生物群,从而导致宿主介导的牙周炎

大量以人群为基础的研究表明,每天至少喝一杯标准饮料会增加牙周炎15-27%的风险,并与糟糕的口腔健康有关。有证据表明,口腔微生物群与口腔健康状况密切相关。

酒精和肠道微生物组的研究主要是在大量饮酒的背景下进行的,酒精可能改变肠道屏障功能,导致肠道渗漏产生促炎病原微生物产物,并扰乱肝脏代谢途径

大量饮酒和肝硬化患者的研究表明,拟杆菌门细菌的相对丰度随着变形菌门增加而降低,肝硬化患者中梭杆菌门的独特增加。

大量饮酒与肠道失调有关,而红酒作为膳食多酚的丰富来源,如果适量饮用,可能有利于改变胃肠道微生物群的组成。红酒多酚能显著增加变形菌门(Proteobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度,而杜松子酒则能显著减少这些细菌门。

——饮食  

西方饮食的特点是高脂肪,高糖,大量食用红肉和加工肉类,大量食用精制谷物,而纤维摄入量较低。

许多研究表明,西方饮食与炎症、糖尿病、心血管疾病、肥胖、代谢综合征和癌症有关。而西方饮食有着广泛的生理影响,影响许多不同的细胞类型,如脂肪细胞,免疫细胞和内分泌细胞

这个饮食习惯也与肠道菌群的变化密切相关,其特征是微生物多样性和物种丰富度降低,厚壁菌门增加,拟杆菌门减少。在属水平上,西方饮食显示双歧杆菌和乳酸菌减少,而肠杆菌增加

纤维摄入量,是一个诱人的可改变的饮食因素,因为其假定有益的生物效应。一些研究表明,纤维可以预防2型糖尿病、心血管疾病、结肠癌和肥胖等疾病。纤维加速结肠运输,并可能减少结肠上皮细胞暴露于摄入的致癌物质。

此外,纤维经过微生物群发酵,产生短链脂肪酸如丁酸,对结肠能量代谢和上皮细胞增殖至关重要,在小鼠模型中,通过抑制组蛋白去乙酰化酶,显示出肿瘤抑制活性。因此,人们越来越关注膳食纤维对肠道微生物组成的影响,这可能最终影响一个人患癌症和其他疾病的风险。

高纤维饮食更高的胃肠道微生物丰富度和多样性有关,特别是与普氏菌Prevotella密螺旋体Treponema的丰富度有关,还与炎症信号的减少有关,对肥胖的保护,以及可能减少结肠直肠癌的存在。尽管短期饮食干预试验已经证明,不同数量的纤维摄入量可以在几周内显著改变肠道微生物群的组成,但很少有研究在人类中评估长期摄入纤维的饮食习惯对肠道微生物群的影响。

点此查看 你吃的膳食纤维对你有帮助吗

03.

微生物群、环境和健康

人类微生物组、健康、环境科学的这三个要素每一个都是复杂的,整合具有挑战。环境因素往往是复杂的;要考虑的环境因素众多,更不用说对微生物组的不断深入了解,难以全面把握外部环境如何在疾病发生率和死亡率中起因果作用。在现实生活中,这些因素通常相互影响随着时间的推移是动态变化的

化学毒物经常在混合物中出现,例如,与化妆品和内分泌干扰物的混合物。此外,在整个生命过程中暴露的风险可能随年龄而变化,即易感性窗口。由于这种复杂性,确定直接或间接影响人类健康和疾病的微生物特征仍然具有极大的挑战性。

需要新的方法来充分评价可能影响微生物组和人类健康的现有和尚未确定的因素。前瞻性队列研究是环境和人类健康研究的支柱,特别是因为这项研究设计在建立因果关系的自然时间序列方面很重要,而这在横断面或回顾性研究中往往很难理清。

对粪便样本和人体其他部位样本进行前瞻性收集,以及连续的纵向样本收集也只是在最近才达到一定规模。需要以大量人群为基础的队列,包括不同社会经济地位和地理群体等。

此外,环境和微生物组对健康状况的多维影响,加强了整合其他组学的需要,包括代谢组学、转录组学、基因组学和免疫组学。需要开发相关的数据集成工具和流程。

结语

以上强调了环境中通过影响人类微生物群与非传染性疾病相关的许多因素。必须考虑复杂的相互作用、上游因果因素和多种因果路径。以大数据驱动的技术正为微生物组研究和临床运用带来许多便捷。

随着深入研究,不久的将来我们会对环境,微生物组,健康三者之间的关系有进一步认识,结合公共政策领域,有效地从多方面去实现健康的改善。

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“微观系统网”——微生物生物膜与健康和疾病

谷禾健康

有证据表明,从地球生命的开始,细菌就能够形成固着群落。尽管如此,科斯特顿(Costerton)等人创造了“生物膜”这个术语(Bill Costerton教授是世界著名生物膜专家,他首先在世界上提出了生物膜概念及理论),作为描述表面上各种各样微生物聚集体的一个简单表达,至今还不到50年。此后,环境微生物学家报告了几乎所有自然和工业生态系统中都存在生物膜。

就像在自然界中一样,微生物在人类栖息地中可以定居各种生态位。 称为生物膜的多细胞群落的主要定居形式是在人类组织表面。胃肠道是大量微生物的家园,它们的生活方式相互交织,但并不完全相同

定义

生物膜

微生物在生长过程中为适应生存环境而形成了生物膜。微生物生物膜是由微生物群体及其包被的细胞外多聚物和基质网组成,它们彼此黏附或者黏附到组织或物体的表面。微生物生物膜与微生物的耐药性形成,基因的转移以及疾病发生的持续性感染等都密切相关。

长期以来,与粘膜组织接触的异常有害生物膜与人类疾病有关,包括外科植入物感染、牙龈疾病、导管引起的尿路和肺部感染以及一些肠道疾病。

然而,生物膜表型也有助于肠道内稳态、组织定植抗性、群落稳定性和恢复力、宿主防御成熟、食物消化和化学药物修饰。生物膜的这些有益作用尚未完全纳入我们目前对肠道微生物群的认识。

近年来有几项研究已经在成分、遗传和行为方面明确区分了粪便和粘膜附着的微生物群落。因此,粘膜多微生物群落对于寻找新的疾病生物标志物(例如,结直肠癌CRC和炎症性肠病IBD)尤其重要。

从相关性到这些疾病的潜在病因,将需要对粘膜群落进行进一步的研究,重点放在宿主与其自然生物膜表型下的微生物群之间的相互作用。

01生物膜性质

分类

目前对粘膜和粪便微生物群在微生物结果表明粘膜和粪便微生物群在微生物组成是不同的。粘膜生物膜的需要从粘膜取样推断,而不是粪便样本。

不同生态位的菌群构成也不一样

在人类结肠中,健康人的结肠活检样本被薄薄的生物膜所覆盖,这些生物膜主要由拟杆菌科、乳酸菌科和肠杆菌科组成,位于右升结肠,拟杆菌科和乳酸菌科位于左降结肠

健康成人的口咽组织通常定植有厌氧共生菌属,如:

韦荣球菌属Veillonella, 普氏菌属Prevotella, Leptotrichia 和 梭菌属Fusobacterium 潜在致病菌如 链球菌Streptococcus, 嗜血杆菌Haemophilus 和 奈瑟氏菌属Neisseria。

而在在小鼠小肠中,多糖和氨基酸的代谢有利于兼性厌氧菌,如变形杆菌和乳酸杆菌。小鼠结肠主要是富含梭状芽胞杆菌簇XIVa成员的粘膜群落(如羊肠球菌科和瘤胃科的物种),以及在较小程度上富集于拟杆菌科、肠球菌科和乳酸杆菌科的粘膜群落。

稳定性和弹性

除了分类学方面的考虑,微生物群的稳定性和微生物群的恢复力也是至关重要的。

从生态学的角度来看,生物膜内的这种持久竞争导致了整个群落的稳定,部分原因是可用生态位的划分。在多物种生物膜环境中,细菌之间的相互作用对群落的最终结果功能起着关键作用,因为一些生物体依赖于其他生物体的代谢活性生长

实际上,从人类粪便样本中回收的拟杆菌、梭状芽胞杆菌、梭杆菌、金黄色葡萄球菌、普雷沃氏菌和韦荣氏球菌属的厌氧菌分离物在体外不同地粘附并形成单种生物膜。有趣的是,这项利用肠道相关分类群的研究表明,不会单独形成生物膜的细菌物种可以从与其他形成生物膜的强物种共存的混合生物膜群落中获益。

在抗生素治疗、粪便微生物群移植和益生菌定植后,粘膜相关群落可能在促进微生物群复原力方面发挥关键作用。我们可以期待关于生物膜生活方式在与肠道内稳态相关的微生物群的稳定性和恢复力特性方面的重要发现。

Jean-Paul Motta et al., 2021, Nat Rev Gastroenterol Hepatol

定植抗力

生物膜是一种具有化学成分和特定代谢的物理结构,起着保护屏障的作用,可以抵御环境分子、免疫细胞、捕食性原生生物和细菌。

共栖物种确实拥有许多竞争策略,例如快速生长以获得营养,直接攻击以将其他竞争物种排除在环境之外,从其他竞争物种中获益或剥削其他竞争物种。

这种生物膜诱导的对入侵者的保护作用可以通过肠道微生物群对肠道病原菌的定殖抗性来证明。这种抗性在小鼠体内通过直接机制(如细菌素的产生、短链脂肪酸(SCFA)的产生、胆汁酸的转化和VI型分泌系统的表达)和间接机制(宿主生理和免疫的调节)介导。

共生体也在体内与病原体竞争营养物质、获取金属和封存残余氧。最后,共生菌株(特别是大肠杆菌)的生物膜表型驱动了对占据类似生态位的相关分类群如:为肠聚集性大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的定植抗性。

多微生物和跨生态位相互作用

与胃肠道表面相关的微生物群包含所有4个生命域(古细菌、原核生物和真核生物)和病毒。肠道生物膜内的细菌相互作用,并与人体细胞相互作用。这些跨“区域”的相互作用可能在维持消化系统健康方面起着重要作用,当这些体内平衡相互作用被破坏时,也可能在疾病中起着重要作用(称为失调)。

发生这种情况的机制在很大程度上虽然还不清楚,但是越来越清楚的是,这些微生物群与宿主的相互作用高度依赖于细菌群落作为生物膜结构的性质和空间组织。

02生物地理学

随着测序技术的进步,微生物组成的变异在每个个体之间都可以观察到,在单个人体器官(如消化道)的景观中也可以观察到。利用显微镜和测序方法对小鼠和非人灵长类动物进行的研究表明,在不同的空间尺度和轴上,共生微生物群落确实在整个胃肠道的地理上是分层的

最高的微生物密度通常出现在富含粘液的区域,靠近胃肠上皮和食物颗粒周围,在管腔中形成斑片状聚集体(下图)。因此,肠道生物膜利用形成凝胶的粘液层作为基质在活体中附着。

Jean-Paul Motta et al., 2021, Nat Rev Gastroenterol Hepatol

在微米尺度上,每个微生境都被混合类群的群落所占据,这些类群在物理上相互粘合。这个组织不太可能是随机的,尽管它的生物学重要性还不清楚。

总的来说,小鼠的生物地理学被认为受动态因素的控制,包括运动、粘液流量、胃肠道上皮细胞分泌、对宿主和食物颗粒的亲和力,以及微生物之间的生态相互作用。

粘膜相关微生物群的生物地理、组成和代谢活动也受到每日振荡的影响,这有助于使肠道生理在昼夜节律上同步

现在,重要的工作仍然是精确描述整个胃肠道的微生物微生境,确定每个分类群在粘膜生物膜中的确切位置,以及更好地理解微生物生物地理学对肠道健康的生理贡献(下图)。

Jean-Paul Motta et al., 2021, Nat Rev Gastroenterol Hepatol

生物膜组分诱导宿主反应

肠道生物膜刺激独特的粘膜反应。宿主粘膜防御系统对肠道生物膜的每一个组成部分都有不同的识别和反应,即使这些分子可以隐藏在生物膜基质中。

在体内平衡的背景下,这些相互作用可能在培养宿主防御和塑造肠道生理学方面发挥重要作用。

多糖

生物膜基质可由参与多种结构和代谢功能的多糖家族组成。体外实验证明鼠伤寒生物膜以及其作为一个屏障,以防止非生产者的基质成分从进入已建立的生物膜。

植物乳杆菌Lactobacillus plantarum,  ,伯克霍尔德菌Burkholderia cepacia和肠炎沙门氏菌亚种Salmonella enterica subsp分泌的多糖(也称为胞外多糖)。伤寒降低人和猪免疫细胞在体外的细胞因子产生并抑制趋化性和氧爆发反应和人类结肠组织外植体。 鉴定肠道生物膜在体内自然产生的多糖,并了解宿主对此类成分的反应,可能有助于开发新的疗法,以防止病原性生物膜在粘膜表面生长

蛋白质

基质相关蛋白是体外生物膜基质的重要组成部分,其总生物量与多糖相当。它们具有结构功能,促进细菌扩散,保护宿主介质并参与细胞间的通讯。

作为生物膜生长的特定细菌的基质相关蛋白质组不同于同等浮游生物培养物的分泌体。例如,在生物膜中,毒力蛋白的表达上调,其表达谱在作为单一菌种生长的生物膜和带有白色念珠菌的多菌种生长的生物膜之间不同。

宿主对体内生物膜蛋白质组分的反应可分为先天性和适应性机制。天然反应和抗菌防御蛋白可通过激活甲酰肽受体介导,该受体可识别含有N-甲酰蛋氨酸衍生物的生物膜相关寡肽。

与同一病原体的浮游培养物相比,在生物膜的刺激下,对金黄色葡萄球菌的先天性和适应性免疫反应被证明是不同的,这在小鼠白细胞和兔子中得到了证实。这些研究表明,20种金黄色葡萄球菌生物膜特异性蛋白具有免疫原性,可引起特定的宿主反应

有趣的是,一组微生物胞内蛋白(特别是核糖体蛋白、RNA聚合酶和精氨酸脱氨酶)包裹在体外生长的人肠道多微生物生物膜的生物膜基质中,也可以被肠上皮蛋白酶凝血酶切割。这一发现可能表明生物膜相关细菌利用宿主蛋白酶来切割包裹在生物膜基质中的微生物蛋白。

这种裂解的目的是激活还是降解微生物蛋白质还有待研究。然而,这一观察结果提供了一个潜在的基于蛋白质的生物膜——宿主信号传递的额外例子。

膜泡和疏水化合物

膜泡(也称为外膜泡)由细菌和古细菌释放,是其生物膜基质的重要组成部分。基质相关蛋白主要来源于膜囊泡,如铜绿假单胞菌生物膜。

膜泡的产生依赖于细菌的应激反应。膜泡在体内的假定生物学作用可能是保护分泌的细菌分子不被降解或充当抗菌剂的诱饵。与可溶性分子相比,铜绿假单胞菌膜泡在体外增强了人巨噬细胞的活化。

虽然在肠道生理学的背景下说明的不充分,但生物膜囊泡的研究有望增强我们对肠道生物膜成分对肠道内稳态的贡献的理解。生物膜基质中存在的其他疏水性化合物是糖脂和肽脂。

鼠李糖脂是一类糖脂表面活性剂(如粘蛋白和表面蛋白),存在于变形杆菌生物膜中。它们介导群菌(一种集体运动行为)并增加中的生物膜分散。葡萄球菌在体外产生的肽脂参与其生物膜表面的疏水性。这一过程有助于确定生物膜对环境分子的不可渗透性。

核酸

细胞外核酸在一些肠道相关菌属如大肠杆菌、柠檬酸杆菌、李斯特菌、肠球菌、链球菌、假单胞菌和奈瑟菌作为生物膜基质的结构支架发挥作用。它们促进水平基因转移,并有助于细菌粘附和聚集到表面。

铜绿假单胞菌生物膜基质细胞外DNA中的非甲基化胞嘧啶-磷酸鸟嘌呤(CpG)基序可触发人中性粒细胞TLR9的激活。体外实验证明,铜绿假单胞菌的胞外DNA与多糖结合形成阳离子受限的环境,以保护生物膜不被抗菌肽(AMPs)溶解

致病性变形杆菌(P.aeruginosa和E.coli)分泌的RNA可通过膜泡到达宿主粘膜,抑制小鼠膀胱(尤其是尿路致病性E.coli)、人气道上皮细胞系和小鼠肺(尤其是P.aeruginosa)的免疫应答。

03群体感应

当一个细菌群落达到一个临界值时,细菌可以同步它们的新陈代谢,并参与类似群落的行为,形成生物膜。这种机制被称为群体感应

群体感应由革兰氏阴性细菌中的两亲性小分子和革兰氏阳性细菌中的小肽介导。铜绿假单胞菌衍生的群体感应分子(例如,3-氧代-C12-HSL)可以改变免疫细胞和肺上皮及内皮细胞凋亡的体外细胞因子产生和趋化性。铜绿假单胞菌群体感应分子在肠道中的类似作用有待证实。相反,大肠杆菌通过群体感应途径识别肾上腺素和去甲肾上腺素等肠道激素

阿片类物质(例如内啡肽和强啡肽)也能被小鼠体内的铜绿假单胞菌识别,并作为群体感应分子。有趣的是,去甲肾上腺素增强了短螺旋体粘附和附着于人类肠上皮细胞系的能力,这一特性可以解释人类体内肠螺旋体病期间结肠上皮上生物膜的形成

其他几种肠道相关分类群,如:伤寒沙门菌Salmonella typhi,单核细胞增生李斯特菌Listeria monocytogenes,弗氏柠檬酸菌 Citrobacter freundii,阪崎肠杆菌Cronobacter sakazakii,粪肠球菌Enterococcus faecalis,幽门螺杆菌Helicobacter pylori,空肠弯曲杆菌Campylobacter jejuni,梭杆菌属Fusobacterium spp对人体肠道激素(如去甲肾上腺素)有反应,多巴胺和肾上腺素),直接影响动物模型的感染结果。

总之,宿主和肠道微生物生物膜之间通过群体感应途径存在着明显的跨生态位对话。未来对体内多微生物生物膜的研究将成为“微生物内分泌学”这一朝阳领域。

04影响生物膜的宿主因素

控制生物膜的宿主因素不仅取决于宿主的遗传和免疫状况,而且还取决于生物膜及其亚基因组的分类组成。宿主和/或微生物方面这种微妙平衡的改变可能是肠道疾病的主要驱动因素,并可能解释与许多肠道疾病相关的失调。

宿主-生物膜相互作用的相关因素:对肠道健康和疾病的贡献和意义

Jean-Paul Motta et al., 2021, Nat Rev Gastroenterol Hepatol

为了开发旨在恢复肠道内稳态的改良疗法,确定宿主组织控制粘膜表面肠道生物膜生长的因素和途径非常重要(下图)。

Jean-Paul Motta et al., 2021, Nat Rev Gastroenterol Hepatol

粘蛋白

粘蛋白是上皮杯状细胞分泌的一类高度糖基化的蛋白质。它们是覆盖在肠上皮上的粘液屏障的主要蛋白质成分。这种粘液层的组成和屏障特性在胃肠道的不同部分有所不同(图2)。

共生细菌和病原细菌已经进化出几种机制,使它们能够粘附在粘液上,并相互竞争,利用粘液作为有益的栖息地。空肠弯曲菌和霍乱弧菌等病原体利用粘蛋白作为信号,促进毒力因子的表达,并诱导形成生物膜。

在健康的远端结肠中,粘液层由内层组成,内层致密,无细菌,牢固地附着在上皮上。松散粘附的外层容纳了大多数细菌群落。粘液层可能更紧密地附着于生物膜群落而不是肠上皮本身。因此,体内肠道生物膜可定义为粘液包埋、粘液粘附的微生物聚集体

胃肠道自然含有非溶粘液细菌的分类群。由于粘蛋白的消耗需要大量酶活性的组合,非溶粘液性肠道细菌将共同受益于多微生物生物膜生活方式的代谢特性。最后,人们普遍认为胃肠道中的粘蛋白层阻止病原体以及共生体到达和接触肠上皮细胞。

然而,粘液层的组成,厚度和粘弹性沿胃肠道变化很大。微生物聚集体和上皮之间的接触在上肠道和近端结肠中很常见。体外研究表明,胃源性粘蛋白通过诱导鞭毛运动引起铜绿假单胞菌生物膜的扩散。

下消化道粘蛋白(如MUC2)在肠道生物膜上的确切作用仍有待澄清。虽然粘蛋白在防止生物膜与粘膜表面接触方面的作用在结肠中已被明确确立,但这种粘蛋白也可能对生物膜内的细菌种类有特定(但尚未发现)的作用。

抗菌肽

AMPs是一类广泛分布于自然界的宿主防御肽。它们由真菌、昆虫、两栖动物、哺乳动物和原核生物产生。大多数AMP是阳离子的,这种性质有助于通过破坏膜、形成孔隙、渗透和抑制细菌细胞内分子和酶以及抑制细胞壁合成来杀死浮游细菌。

AMPs在体外对多种药耐药和临床分离的细菌群具有很强的抗生物膜活性。它们通过减少生物膜对表面的粘附力、杀死嵌入的细菌或直接干扰生物膜形成的代谢途径,在体外分散生物膜。

体内实验的研究表明,防御素(例如,人α-防御素6)可以形成称为“纳米网”的自聚合结构,然后可以捕获细菌并防止其与肠上皮细胞物理接触。

有趣的是,这种聚合可以通过不同于肠隐窝和绒毛顶部的氧化还原条件进行微调。总的来说,AMPs可以被认为是对抗有害生物膜的传统抗生素的良好替代品。

硫化氢

硫化氢(H2S)是胃肠道炎症、稳态和修复的介质。肠道共生菌群是H2S的主要来源,其中一些作为能量来源。

此外,一些报告表明,微生物产生的H2S(由硫酸盐还原细菌以及其他肠道菌株,如大肠杆菌、梭状芽孢杆菌和肠杆菌)具有遗传毒性,可能在大肠癌和溃疡性结肠炎的病理生理学中起作用。另外,H2S的局部作用也会对肠道组织产生一些有益的影响。例如,H2S抑制NF-κB的活化,具有抗氧化活性,并抑制caspase-3的裂解,从而限制凋亡。研究还表明,H2S可保护健康的远端结肠生物膜组织。

根据一项体外研究,表明大肠炎患者炎症发作中存在微生物群衍生的H2S 可能与结直肠癌的发生有关。结肠上皮本身也通过胱硫醚-β-合酶、胱硫醚-γ-裂解酶(CSE)和3-巯基丙酮酸硫转移酶产生H2S。

结肠内源性H2S生成已被证明有助于促进健康结肠微生物群生物膜的形成和粘液屏障功能。在结肠炎期间将释放H2S的化合物直接注入小鼠结肠可促进粘液的正常产生恢复健康的微生物群生物膜。

有趣的是,大蒜中富含H2S的膳食化合物在体外对各种病原体(如伤寒杆菌、金黄色葡萄球菌、恶性疟原虫、布氏锥虫和白色念珠菌)具有抗菌、抗真菌和抗寄生虫的特性。

此外,一种释放H2S的抗炎药(Antibe therapeuticals)可降低IBD患者体内生物膜的毒性。然而,如果要在人类身上实现基于H2S的疗法的转化应用,还需要进一步研究H2S在生理肠道生物膜上的确切作用。

免疫球蛋白

肠腔分泌免疫球蛋白(特别是IgA)和微生物毒素并包裹细菌,防止其粘附在上皮细胞上。高亲和力IgA涂层表明炎症细菌的一个亚群,其侵入粘液层的能力增强,激活炎症小体途径,从而导致肠道疾病,如IBD。由于许多其他肠道相关细菌在其生物膜基质(例如,大肠杆菌和铜绿假单胞菌)中产生卷曲或卷曲样淀粉样蛋白,这种新的生物膜特异性免疫疗法有可能应用于多种致病性生物膜

虽然细菌的生长通常受到IgA涂层的损害,但在体外,共生微生物可以被IgA涂层,而不会对其生长产生实质性的改变。事实上,IgA可以促进肠道内的微生物定植,因为肠道细菌(大肠杆菌和幽门螺杆菌)表达识别IgA糖蛋白基因的受体。IgA与这些表面受体的结合确实可以促进细菌与宿主表面的初始粘附,例如在牙菌斑生物膜中。

肠道上皮细胞表面的肠道生物膜形成(如人类细胞系单层所示)也通过向环境中添加分泌性IgA(但不是通过添加IgG)来帮助。相反,体外生物膜的形成是由IgA特异性蛋白酶阻止的。

因此,免疫球蛋白可以对肠道生物膜发挥免疫排斥和免疫包容功能。它们可以促进肠腔中的生物膜表型,同时防止浮游元素或最终生物膜分散元素侵入粘液层,接触并穿过上皮屏障

蛋白酶体

存在于肠腔中的真核蛋白酶,例如从丝光绿蝇蛆中提取的糜蛋白酶,对细菌生物膜的形成具有负面影响。有趣的是,宿主胰蛋白酶样蛋白酶在小鼠泌尿道传播粪肠球菌生物膜的形成。

通过体内方法(小鼠模型)和体外人体肠道微生物群生物膜培养,上皮凝血酶被确定为结肠粘膜表面内稳态生物膜抑制的关键因子。以生物膜的基质相关蛋白骨架为靶点,例如通过蛋白酶引起的酶解,似乎是一种很有希望的方法来控制或根除医学和宿主表面的生物膜。

有趣的是,肠杆菌科如铜绿假单胞菌和大肠杆菌可以释放其生物膜基质中的蛋白酶抑制剂ecotin,以保护其免受中性粒细胞弹性蛋白酶的溶解。胃肠道含有多种来源的蛋白酶,其中许多蛋白酶的产生和活性在疾病条件下发生改变。

肠道生物膜有什么临床意义?

生物膜相关感染的临床相关性很重要,因为人体内绝大多数持续性感染源于生物膜。生物膜特征的改变与IBD、癌症和传染病有关,并与分类组成的改变、生物地理分布、抗生素耐受性或耐药性以及生物膜分散的病理生物出现有关。

生物膜是肠道微生物的一种自然生活方式,不一定是疾病的标志物,因此未来的治疗方向可能侧重于恢复宿主生物膜稳态,而不一定消除粘膜表面的生物膜。由于整个胃肠道的生物膜组织可能会有所不同,因此这些方法也需要区域特异性。

微生物生物膜群落有助于维持整个胃肠道内各个方面的稳态。然而,在某些临床情况下,这些生物膜需要保存或修复时破坏,而在其他上皮附着生物膜可能需要根除。因此,在尝试开发治疗性生物膜特异性控制策略方面花费了巨大的研究努力

05生物膜作为代谢工厂

胃肠道管腔化合物、生物膜和宿主之间的相互作用是复杂的,需要在健康和疾病方面加以考虑。

生物膜可以以多种不同的方式管理胃肠道管腔化合物。管腔化合物,无论是微生物、饮食分子、污染物还是外源性物质,都可以自由扩散穿过生物膜并到达宿主上皮细胞,或者被生物膜阻断,生物膜起着严密的屏障作用。这些管腔化合物也可以通过生物膜过滤,生物膜只允许某些分子通过,从而起到选择性过滤的作用。

消化过程中产生的一些饮食分子、外源物质或污染物也可以通过生物膜工厂进行化学转化(下图),然后产生新的化合物,释放到宿主细胞附近。这些转化生物膜的化合物对宿主是有益还是有害,当然取决于生物膜的组成及其代谢。

最后,宿主和生物膜可能相互竞争的管腔化合物。因为生物膜与管腔的内容物接触更紧密,它可能比宿主有优势。然而,在上消化道,上皮的某些区域似乎与管腔化合物密切接触。

Jean-Paul Motta et al., 2021, Nat Rev Gastroenterol Hepatol

综上所述,可以合理地认为,根据生物膜的组成,更重要的是根据生物膜的代谢,宿主识别的管腔化合物可能具有不同的性质和不同的浓度。当这些分子来源于健康的生态稳定的生物膜时,它们可能是有益的;当它们来源于不健康的不稳定的生物膜时,它们可能是有害的。因此,综合了解生物膜的组成、代谢活性及其空间分布具有重要意义。

06生物膜与饮食代谢

结肠可被视为一个中央发酵器官,参与消化残渣的发生和加工。肠道微生物群可以改变几乎所有种类的膳食化合物,包括复杂的多糖、脂类、蛋白质和植物化学物质(图5)。早期观察表明,在粪便中心、粘液-粪便界面和食物颗粒附着的微生物群落上,细菌的生长存在差异。这些研究为生物膜表型对微生物结肠发酵的贡献提供了有用的信息。

肠道生物膜对未消化碳水化合物复合物(如饮食中的碳水化合物复合物以及与粘蛋白相关的碳水化合物复合物)的代谢可导致SCFA的产生,主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。SCFAs的其他来源是氨基酸,如缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸,它们是由蛋白质分解产生的。

SCFAs在肠道中的生物学作用是多方面的:它们可以作为肠上皮的能量来源,有助于降低肠腔pH值,直接抑制病原菌的生长,促进T调节细胞的分化,改善上皮紧密连接的完整性。有趣的是,在喂食不同纤维来源的模型猪的肠腔中,SCFA的浓度从结肠的近端到远端减少。这一观察结果有些令人惊讶,因为远端结肠的细菌密度高于近端结肠。

生物膜表型为细胞在其环境中代谢氨基酸提供了有利条件,这一特性已在工业生物技术过程中得到利用。蛋白质的微生物代谢可导致最终产物的形成,如多胺(来自精氨酸、赖氨酸、酪氨酸或组氨酸)、H2S(来自蛋氨酸和半胱氨酸)、酚类和吲哚类化合物(来自色氨酸),以及N-亚硝基化合物(亚硝胺和亚硝胺)的产生,它们是动物模型中肠道肿瘤的有效诱导物。

维生素B12(一种用于DNA合成、脂肪酸和氨基酸代谢的关键维生素)和维生素K(一种用于合成凝血级联蛋白酶的关键维生素)是由肠道微生物群落中一小部分分类群合成的。假单胞菌属合成维生素B12的所有维生素体(也称为钴胺素),包括氰钴胺、羟基钴胺素、腺苷钴胺素和甲基钴胺素。

假单胞菌还利用维生素B12在生物膜形成过程中通过氧依赖途径合成蛋氨酸和核糖核苷酸。因此,在人类IBD中观察到的维生素B12的可利用性降低可以部分解释为在炎症过程中蛋白细菌的粘膜丰度增加和氧张力的改变。

维生素K缺乏症在接受大剂量抗生素治疗的人中发生得很快,这种缺乏症与严重的胃肠道损伤(出血和溃疡)有关。枯草芽孢杆菌的生物膜表型有利于体外特定的发酵途径,显著提高维生素k的产量。尽管生物膜对止血和粘膜组织本身的生理学至关重要,但生物膜表型对维生素K产生的贡献仍有待阐明。

07生物膜与药物治疗

治疗药物可改变动物模型和人类肠道微生物群的组成,但肠道微生物群本身也参与药物加工。尽管宿主的新陈代谢通常会将外源物质从体内清除,但肠道微生物可以将这些化合物用作营养和能源

肠道微生物群确实可以直接代谢外源性物质(例如,胺碘酮、他克莫司、地高辛等),从而改变其化学性质、稳定性、生物利用度和潜在的生物效应。因此,由微生物群驱动的外源性物质加工可能会导致不必要的不良反应,导致分子失效,或相反地导致更具活性和效率的分子。这一观察结果对人类使用药物的建议和剂量提出了严重的问题,特别是考虑到其中一些药物由于毒性而必须仔细监测。

越来越清楚的是,肠道微生物群的代谢谱比人类细胞的代谢谱要大。不幸的是,在绝大多数情况下,具体的微生物或微生物群落,以及介导这些反应的酶,都是未知的。此外,胃肠道内的不同生境可导致不同的分类组成以及不同的代谢过程。这一观察结果增加了试图解决微生物群对外源或药物加工的影响的复杂性。

结语

生物膜生活方式在地球上的每一个自然栖息地中都占主导地位,包括胃肠道表面。然而,生物膜在医学上的概念只有50年的历史,不仅应被视为一种病理性慢性感染,而且应被视为一种生活在粘膜表面的微生物的普通生活方式。

微生物生物膜是许多肠道疾病病理生理学的核心,但它们也是肠道稳态发育的关键因素。肠道生物膜的调节可能是新疗法的关键。

我们需要将微生物生态学的重要概念转化为我们目前对肠道生理和宿主-微生物群相互作用的看法。这些概念包括微生物群稳定性、复原力和微生物生物地理学,并要求我们确定它们如何影响胃肠健康。有机会使用生物膜的代谢能力超过浮游生物培养中所描述的,以帮助代谢外来的优势。

未来的研究将有助于更好地了解肠道粘膜生境中多微生物的多样性和复杂性。这一认识构成了开发更好的肠道疾病生物标志物和治疗方法的必要步骤。

为了迎接这一挑战,我们将受益于跨学科的合作,不仅是微生物学家、生理学家和临床医生之间的合作,而且还将受益于与生物物理学家开发临床相关的生物膜模型,生物信息学家分析大数据集,以及微生物生态学家的理论框架来理解这样一个异常复杂的栖息地。

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science | 微生物群在人类遗传适应中的作用

谷禾健康

“ 在人类适应中整合宿主-微生物群的相互作用可以提供新的方法来提高我们对人类健康和进化的理解。”

面对快速的环境变化,生物如何适应新环境是进化生物学中的一个核心问题。

刚刚,来自德国马克斯·普朗克研究所研究人员在science发表了最新文章:

回顾了人类适应新环境的例子,这些例子表明宿主基因和微生物群之间的相互作用。提出宿主机制可以在本地适应过程中替代或补充有益的微生物群功能。寻找微生物群与人类遗传适应性有关的其他例子。

当人类在基因上适应新环境时,他们的微生物群也可能参与这个过程。微生物可以比宿主进化得更快,这使它们能够对环境变化做出快速反应。微生物群还过滤宿主的环境,从而改变宿主的选择性压力。

图1 人类及其微生物的局部适应

举例说明适应性宿主等位基因和适应性微生物群功能之间的相互作用。

01

人类适应中的宿主基因-微生物关联

选择压力的差异,包括饮食、气候病原体暴露,导致了人类群体在性状上的差异,与消化、生理免疫相关。这些差异是由跨多代发生的局部遗传适应造成的,与宿主一生中免疫系统的适应或生理适应是有区别的。

在许多情况下,主要的遗传变异体被确定为如下:

乳糖消化所需的乳糖酶:(由基因区域LCT编码)突变和截短

缺氧诱导因子2α:(由PAS1编码)在高原适应中产生作用

β-珠蛋白基因单倍型或镰状细胞性状:(由血红蛋白编码)在疟疾抗性中产生作用

此外,人类微生物群的组成和功能变化已被广泛描述。Amato等人最近回顾了可能影响人类本地适应性的微生物群的有益功能,例如微生物群增强营养和预防传染病。然而,在人类局部适应过程中,宿主适应性等位基因和适应性微生物群功能之间的特定相互作用仍有待研究。

接下来的两小节,作者详细研究了LCT–双歧杆菌AMY1–瘤胃球菌之间的相互作用。在这些例子中,适应性宿主等位基因和适应性微生物功能是相联系的。

02

宿主基因取代有益菌群功能

婴儿的主要能量来源于乳糖。在上消化道(GIT,下同),宿主酶乳糖酶将乳糖分解成葡萄糖半乳糖。饮食中没有牛奶,乳糖酶的生产就会停止。乳糖酶非持续性LNP(乳糖不耐受)是祖先的条件。

注:由于乳糖酶活性的不同,人群中存在三种基因型,即纯合乳糖酶持续性(LP)、纯合乳糖酶非持续性(LNP)和杂合子(heterozygotes)。LNP是人群中最常见的表型。因乳糖酶的相对或绝对缺乏而导致的以腹泻为主的相关消化道症状的现象称之为乳糖不耐受。LNP是原发性乳糖不耐受的生理基础。

不同大陆的动物驯化(2500年到10000年前)和对非人类牛奶的反复消费导致了强烈的选择压力,使乳糖酶的生产持续到成年,即乳糖酶持久性LP(乳糖耐受)。LP是突变,在有长期放牧和挤奶历史的人群中常见。

宿主和微生物共争乳糖

许多肠道微生物群中常见的微生物可以使用β-半乳糖苷酶来裂解乳糖,然后发酵,乳糖可能被乳酸菌隔离。不管如何加工,微生物利用乳糖的副产物给宿主产生的能量更少。这意味着宿主和微生物在争夺乳糖,宿主有强烈的动机去战胜微生物。

 乳糖耐受——宿主赢 

乳糖耐受宿主胜过微生物,因为乳糖酶在微生物生物量较低的上层消化道中具有活性。

乳糖不耐受——微生物赢

相比之下,乳糖不耐受宿主主要在较低的消化道中获取微生物乳糖代谢的低能量密度产物。

因此,未消化的乳糖进入结肠可以被认为是一种需要微生物酶来处理的纤维形式。

就像结肠中的纤维降解一样,来自发酵的微生物,和它们的发酵产物[短链脂肪酸(SCFAs)]组成,虽然微生物群吸收了乳糖的一部分能量,但乳糖不耐受宿主的另一种选择是完全失去能量来源。

LCT位点的相同变异与肠道微生物群中双歧杆菌的相对丰度有关。

这种关联是迄今为止微生物组全基因组关联研究最一致的信号,该关联取决于牛奶消费量。

乳糖耐受基因型双歧杆菌相对丰度之间的反比关系支持了哺乳动物乳糖酶和细菌β-半乳糖苷酶直接竞争乳糖的观点。

双歧杆菌是重要的乳糖降解菌,可能在产奶动物驯化后和选择乳糖耐受等位基因前帮助成年宿主从牛奶中提取能量。在畜牧业兴起后,乳糖代谢细菌可能在缺乏乳糖耐受等位基因的情况下对宿主的适应性产生积极影响。后来,有益的宿主等位基因出现并取代了微生物群的功能,在一些人群中变得几乎固定。

双歧杆菌(或功能过剩的微生物)产生的β-半乳糖苷酶也可能通过降低LCT基因型之间的适应度差异减轻了对乳糖耐受等位基因的选择压力

此外,如果微生物摄入乳糖能最大限度地减少与乳糖消化不良相关的疾病后果,并促进牛奶摄入,从而带来额外的益处,则微生物群可能会减轻能量权衡并维持人类群体中的乳糖酶多态性。

03

宿主基因募集有益的微生物群功能

乳糖的例子表明,由微生物组和宿主基因组编码的活性可能特别容易受到宿主和微生物组之间竞争的影响。

与乳糖相反,人类饮食中的各种淀粉为宿主提供了一种机会,在较高的消化道中获得一种带有淀粉酶的淀粉,而在较低的消化道中为微生物群消化留下抗性淀粉

事实上,淀粉有许多不同的形式,包括难以被宿主淀粉酶降解的结构,淀粉酶将淀粉分解成葡萄糖亚基。宿主和微生物群分配淀粉底物的程度可能取决于宿主基因型

AMY1基因编码的唾液淀粉酶在口腔中开始淀粉分解为葡萄糖的过程。唾液淀粉酶活性的个体差异与AMY1基因的拷贝数呈正相关,通常在2到15之间。

与AMY1 拷贝数含量低的个体相比,AMY1 拷贝数含量高的个体在食物到达较低的消化道及其微生物群之前,更彻底地消耗了给定饮食中对淀粉酶敏感的淀粉(图2,C和 D)。

图2 宿主基因型和微生物群之间联系的例子

在(A) 乳糖不耐受宿主和(B) 乳糖耐受宿主中,乳糖酶基因型与双歧杆菌相对丰度呈负相关关系。

AMY1基因拷贝数(CN)和瘤胃球菌相对丰度之间的正相关性被描述为(C)低AMY1 拷贝数宿主和(D)高AMY1 拷贝数宿主。

不同类型的糖分以不同的形状和颜色显示。

AMY1 拷贝数为2是祖先的情况:AMY1 拷贝数在人类中的扩展可能是由从淀粉饮食到淀粉饮食的饮食转变所驱动的。

随着农业的发展,唾液淀粉酶水平的提高可能会促进高淀粉饮食人群的健康。与乳糖耐受的进化相似,宿主淀粉酶通过其比微生物发酵产物更大的能量产量而具有适应性优势

具有AMY1高拷贝数的宿主还能从结肠微生物对抗性淀粉的强化降解中获益。

抗性淀粉发酵中的重要属——Ruminococcus

与AMY1低拷贝数个体的肠道微生物群相比,高AMY1拷贝数宿主的肠道微生物群富含瘤胃球菌属Ruminococcus

在AMY1 低拷贝数宿主中,肠道细菌优先发酵淀粉酶敏感型淀粉,宿主不能使用这些淀粉,因为它们的唾液淀粉酶水平较低。

乳球菌,或功能冗余的微生物,可能通过放大AMY1高拷贝数和低拷贝数个体之间的相对适应度差异,增强了对AMY1 拷贝数扩增的选择压力,并可能增强了宿主基因-微生物的关联(图2,C和D)。因此,这种动态可能导致基于宿主基因型的微生物补充。

以上,作者提出宿主机制可以在本地适应过程中替代或补充有益的微生物群功能。接下来的章节,作者寻找微生物群与人类遗传适应性有关的其他例子,其中适应性的遗传基础得到了很好的描述。

04

可能涉及基因-微生物相互作用的人类适应

有新的证据表明,微生物参与了其他几种人类遗传适应(图3),之前在这些适应中,微生物的作用没有得到充分认识。

图3 人类的局部适应性与微生物群有关

(A) 与适应性性状相关的人类基因位点的全球分布。这些符号对应于(B)中的选择因子和/或特征。

向上和向下的箭头分别表示微生物类群相对丰度与阳性或阴性相关的趋势。

微生物群的研究群体与宿主基因位点的研究群体不匹配.

星号和黑体字表示正向选择下与宿主基因位点相关的微生物类群: LCT和双歧杆菌,AMY1和Ruminococcus,PLD1和Akkermansia

4.1  适应饮食变化

乳糖淀粉消耗可能是第一个已知的与饮食相关的基因-微生物相互作用的例子,可以进一步研究其在人类适应中的作用,但其他例子可能会出现。例如,长链多不饱和脂肪酸(LC-PUFAs)是关键的营养物质,可以直接从动物性饮食中获得,或者使用宿主衍生的酶从植物衍生的前体中合成。

脂肪酸代谢相关基因【包括脂肪酸去饱和酶(FADS)、肉碱棕榈酰转移酶1A (CPT1A) 和胰脂肪酶相关蛋白2 (PLRP2)】的正向选择证据与多种人群的饮食适应有关。

FADS基因区域的祖先等位基因与食用植物性食物的人群相关,衍生等位基因与当前和历史上偏爱高脂肪食物的人群相关。属于至少10个门的细菌似乎能合成长链多不饱和脂肪酸

在人类肠道微生物中,植物乳杆菌和其他细菌已被证明能代谢植物来源的前体,并影响多不饱和脂肪酸来源的代谢物在体外和体内的生物利用度。分别通过植物性饮食或动物性饮食富集的人类肠道微生物 。

类似地,酒精脱氢酶1B (ADH1B)位点在人类中显示出正向选择的证据,并与脱脂摄入有关,人们认为这是伴随着农业的发展而产生的。

人和细菌的酶可以将乙醇转化为乙醛;肠道微生物群的变异与饮酒和相关疾病有关。

这些观察表明:

4.2  适应气候相关因素

我们已经适应了自己所在地的气候。生活在高纬度地区的人面临冷胁迫,与温度感应(TRPM8)和能量收获(如FADS和CPT1A)相关的基因与气候相关的适应有关。

气候是参与常见代谢紊乱基因的重要选择压力

人类微生物群也因纬度而异,并可能通过提高从饮食中提取能量和随后储存脂肪的效率来促进与气候相关的适应。微生物群中的一些变异与环境温度宿主体型有关。对小鼠的实验研究表明,仅环境温度的变化就能引起肠道菌群的变化

低温

低温暴露宿主的微生物表现出更高的吸收能力和能量收获能力,以及棕色脂肪组织产生的热量增加。然而,微生物介导的产热和TRPM8多态性在人类中是否相关仍有待确定。

 · Christensenellaceae

人类肠道中最紧密和高度可遗传的分类单元,细菌家族christensenellaceae,它与较低的体重指数(BMI) 和代谢紊乱有关。甲烷菌科、脱水杆菌科 Tenericutes在多个人类群体中也表现出遗传性,并与Christensenellaceae共存。

最近的证据表明,这些菌群之间的代谢相互作用可能会影响宿主对代谢物的利用。

GWASs没有发现显著的宿主遗传变异。这表明,一些明显可遗传的分类群可能具有多基因性质,其中许多基因的影响很小。

 · Akkermansia

Akkermansia是一种微生物降解菌,也与体重指数有关,在多项研究中显示为一个可遗传的分类群。Akkermansia的相对丰度与PLD1 中的宿主遗传变异有关,PLD1是之前与BMI相关的基因。PLD1显示了非洲人群中正向选择的证据,但选择剂尚不清楚。

太阳辐射

生活在低纬度地区的人群面临高水平的太阳辐射,与皮肤色素沉着相关的基因是人类本地适应的典型例子(图3)。

皮肤中的黑色素保护皮肤免受紫外线辐射,其抗菌特性被认为是皮肤色素沉着纬度梯度的替代假设。因此,人类黑素细胞中皮肤色素沉着的增加可以通过暴露于微生物产物如脂多糖来诱导。

Guéniche等人报道了乳酸菌对皮肤的保护作用,紫外线照射后的全身免疫反应。鉴于肠道微生物群在调节皮肤内环境稳定中的新兴作用,进一步的研究可能有助于确定色素沉着基因皮肤肠道微生物之间的潜在相互作用。

高海拔环境

高海拔环境也带来了许多生理挑战,包括缺氧应激,这也可能被微生物群改变。在高海拔环境中,已经鉴定出与氧呼吸和血液循环相关的多种适应性特征和基因,这些特征和基因通常涉及血压的调节(图3)。

最近,肠道微生物群被证明通过产生短链脂肪酸来调节血压,短链脂肪酸有可能在高海拔环境中帮助调节血压。

包括丁酸盐在内的短链脂肪酸的产生影响小鼠缺氧诱导因子的活性,这也是多个人类群体中参与高海拔适应的关键途径。作用于肾素-血管紧张素系统的细菌血管紧张素转换酶(ACEs)的产生也可能改变高海拔环境中的血压。细菌ACEs已被证明能在体外转化哺乳动物血管紧张素。

4.3  适应当地病原体

病原体被认为是人类适应性进化的主要驱动力之一(图3),微生物群与病原体防御和免疫之间的界面已被广泛研究。

人类本地适应的一个典型例子是疟疾抗性的遗传基础,由疟原虫属的几种寄生原生动物引起。皮肤和肠道微生物可能影响疟疾的不同阶段。

相同细胞因子相关基因的遗传变异,包括IL10、IL12、肿瘤坏死因子、干扰素α和干扰素γ,与疟疾严重程度微生物群组成的变异有关。

Ippolito等人总结了微生物群在疟疾抗性中可能扮演的多重角色的几种假说:

1  皮肤细菌产生可改变蚊子媒介吸引力的挥发性化合物

2  由肠道微生物诱导的抗原表达,该抗原表达诱导针对疟原虫传播的保护性抗体

3   影响血液阶段疟原虫感染严重性的微生物群的差异

其他可能受到微生物群和宿主遗传变异组合影响的感染包括霍乱、艾滋病毒蠕虫感染

霍 乱

霍乱毒素针对几个带有显示选择信号的基因的离子通道。已经在人群中鉴定出与霍乱易感性和从霍乱中恢复相关的肠道微生物分类群。实验研究已经确定了提供定殖抗性和抑制霍乱弧菌毒性的细菌分类群。

鉴于在胃肠疾病中离子通道的表达和功能经常被改变,探索微生物群和离子通道基因之间的联系对于治疗或预防腹泻疾病可能是有价值的。

艾滋病毒和蠕虫感染

阴道微生物群在艾滋病毒的获得和传播中起作用,

肠道微生物群与蠕虫相互作用并改变疾病结果。

对研究充分的宿主适应性等位基因和新兴有益微生物群功能之间的相互作用的进一步研究可能会揭示以前未知的抗病机制。

这里提到的所有宿主基因-微生物例子(图3)仍处于研究的早期阶段。但是在每一种情况下,微生物群都有可能通过改变适应性景观来影响宿主的进化。这些微生物可能改变了宿主的环境,导致宿主表型选择压力的改变。

在未来关于适应性宿主基因型和适应性微生物群功能之间关系的研究中,GWASs、候选基因方法或使用基因敲除模型的移植实验可以帮助确定维持有益微生物群功能的宿主遗传机制,并测试微生物群的替代和补充是否是适应性的一般特征。

05

结  语

基因研究已经将越来越多的群体纳入考虑范围,微生物群的特征研究也是如此。但到目前为止,包括宿主遗传学和微生物群的研究,除了少数例外,主要是在西方人群中进行的。

需要将人类基因研究的范围扩大到更广泛的人群和地点,其中包括微生物组成分。这些类型的研究结果将测试当前发现的普遍性,并描述更多微生物介导的适应情况。

还可以进一步研究特定分类群的遗传力,以更好地表征潜在的遗传多态性。遗传性既适用于分类群,也适用于微生物功能,因此通过宏基因组学将与人类遗传变异相关的性状从分类群扩展到功能群,将有助于进一步阐明微生物群在人类适应中的作用

在这里关注的是宿主(主要是人类)的进化,但是微生物也在快速进化以适应它们的宿主环境。在适应性进化的背景下,对宿主基因组和微生物群之间相互作用的更好理解将阐明人类和其他动物及其微生物群是如何适应不断变化的世界的。

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