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肠道微生物在天然产物生物转化中的潜在作用

谷禾健康

什么是天然产物?

天然产物是指动物、植物、昆虫或微生物体内的组成成分或其代谢产物以及人和动物体内许多内源性的化学成分,是自然产生小分子。值得注意的是,天然产物来源中,植物来源占85%以上。

谷禾在这里主要介绍植物来源的天然产物,包括营养素药物。它们很容易与肠道微生物群相互作用,因为它们的成分复杂,在肠道中的停留时间长。通常,外源物质在小肠中的停留时间为1-6小时,在结肠中的停留时间为1-3天。特定的肠道微生物分解和转化天然产物,产生丰富的代谢物功能化合物,具有宿主本身无法合成的生理活性。

天然产物在食品药品、保健品领域均有运用。天然产物是极为重要的新药来源。近年来临床应用的药物,三分之二左右源自天然产物、天然产物衍生物以及天然的生物大分子,几乎涵盖了疾病治疗的各个方面。这在防治癌症传染类疾病领域中的表现尤为明显。

天然产物在临床上得到了广泛的应用,其特点是多组分、多靶点、药效学物质多、作用机理复杂、生理活性多样

对于口服天然产物,肠道菌群与临床疗效密切相关,但这种关系尚不明朗。肠道微生物在酶系统多样性引起的天然产物的转化和利用中起着重要作用。黄酮类化合物、生物碱、木酚素和酚类等有效成分不能通过人体消化酶直接代谢,但可以通过肠道微生物产生的酶转化,然后加以利用。因此,重点是通过肠道微生物群进行天然产物的代谢

本文介绍了肠道微生物群及其对天然产物各组分生物转化的影响的研究,并强调了所涉及的常见菌群反应类型药理作用和研究方法。为临床疾病防治中的应用提供理论支持,以及日常的选择健康的药物提供一定的参考,并为基于肠道生物转化的天然产物研究提供新思路。

基于肠道微生物的天然产物的生物转化和代谢

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

01
天然产物转化中的关键肠道菌群

★人体肠道中的微生物

肠道微生物群由1000-1250种细菌组成,这些细菌以各种形式与人类相互作用,例如共生和寄生,这种相互作用通过微生物代谢物作为信号分子极大地影响人类健康

肠道微生物构成了一个动态多样化的微生态系统,这是抵抗致病细菌的天然屏障。肠道微生物具有丰富的酶系统,包括葡萄糖苷酶,还原酶,裂解酶,转移酶等,并大大扩展了人体内的代谢反应池。

✦肠道菌群影响口服给药的效果

口服给药是药物递送的首选途径,口服药物占市场最畅销药物的大部分。近年来,肠道微生物群对天然产物口服给药稳定性的影响受到广泛关注。

肠道具有丰富的细菌,有助于正常的消化功能,其中健康受试者中约98%的肠道微生物可分为四个门,厚壁菌门(Firmicutes)拟杆菌门(Bacteroidetes)变形菌门(Proteobacteria)放线菌门(Actinobacteria)

一些肠道微生物如大肠杆菌,双歧杆菌,真杆菌,乳酸杆菌,拟杆菌和链球菌参与天然产物的生物转化,其部分代谢物有利于肠道吸收并发挥显著的药理作用

关键肠道微生物对天然产物的生物转化

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

大肠杆菌

大肠杆菌(Escherichia coli,又叫大肠埃希氏菌,是一种革兰氏阴性,无孢子,兼性厌氧细菌,主要栖息在脊椎动物的肠道中。

✦水解黄芩苷而具有抗炎抗氧化作用

部分大肠杆菌可以产生糖苷酶参与外源物质的转化,从而产生其有益作用。例如,E.coli HGU-3产生β-葡萄糖醛酸酶,水解黄芩苷中的糖苷键以产生黄芩素

在相同剂量下,黄芩素比黄芩蒿素更有效地抑制组胺诱导的抓挠行为,并通过抑制Nrf2-ARE和NF-κB信号通路而具有抗炎抗氧化作用。

✦在脂肪肝变性中有治疗益处

一些大肠杆菌菌株具有较高姜黄素转化活性E.coli DH10B的高表达NADPH依赖性姜黄素/二氢姜黄素还原酶(CurA)将姜黄素还原为二氢姜黄素(DHC)和四氢姜黄素(THC),其全基因组序列已经确定。

NADPH是一种辅酶,叫还原型辅酶Ⅱ,学名烟酰胺腺嘌呤二核苷酸,在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用,具有重要的意义

二氢姜黄素和四氢姜黄素通过调节SREBP-1C和PPARα的mRNA和蛋白质表达水平来降低细胞中的甘油三酯水平,并以依赖性方式衰减肝脏脂肪生成;二氢姜黄素和四氢姜黄素在肝脂肪变性中比姜黄素具有新的治疗益处

✦水解肉桂酸后有抗氧化和抗癌特性

E.coli Nu, E.coli MCE.coli WC-1具有肉桂酰酯酶活性,可通过水解共轭羟基肉桂酸和游离羟基肉桂酸酯释放羟肉桂酸,在体外和体内均显示出抗氧化抗癌特性。

目前,对大肠杆菌的遗传和生化特征的良好理解可能有助于体外合成具有各种健康活性的天然产物衍生物。

双歧杆菌

双歧杆菌(Bifidobacterium是属于放线菌门的广泛而丰富的属,是人类肠道微生物群的首批定植者之一。人类肠道中最常见的双歧杆菌包括青春期双歧杆菌,B.angulatum, B.bifidum, B. breve, B.catenulatum, B.dentium, B.longum, B.pseudocatenulatumB.pseudolongum,占成人微生物组的10%,它们与宿主健康有关

✦预防急性肝损伤

某些种类的双歧杆菌可以通过表达阿魏酰酯酶产生酚酸。例如,动物双歧杆菌的阿魏酰酯酶可以将绿原酸(CHA)水解成咖啡酸(CAA)。咖啡酸可以通过增加Nrf2转录来预防对乙酰氨基酚诱导的小鼠急性肝损伤。

✦调节胆汁酸和降低胆固醇

部分双歧杆菌的参与促进了黄烷酮,糖苷和皂苷在肠道中的代谢B.longum R0175中的β-葡萄糖苷酶和去甲基化酶通过环裂解和脱甲基作用促进3-(3′-羟基苯基)丙酸和3-苯丙酸的产生。

B.longum SBT2928水解六种主要的人类和两种动物胆汁盐。因此,双歧杆菌可以调节胆汁酸代谢并降低体内胆固醇水平。

✦抗肿瘤和提高免疫

此外,B.breve ATCC 15700产生β-葡萄糖苷酶,在人参皂苷Rd的C-3和C-20位置裂解糖苷,生成脱糖基化的人参皂苷

人参皂苷主要存在于人参马铃薯药材中

人参皂甙的作用和功能是抑制肿瘤细胞的生长,诱导肿瘤细胞死亡,研究肿瘤的活性功能,肿瘤的异常逆行分化,提高人体免疫功能

这些天然产物具有潜在的益处,代谢特征使双歧杆菌成为共生发展的主要候选者。

真杆菌

真杆菌(Eubacterium)菌株的属是革兰氏阳性菌,它是人类肠道微生物群的核心属之一,并显示出在人类肠道的广泛定植。

一些真杆菌产生糖苷酶,还原酶等,并参与外源性物质的代谢

✦抗炎抗氧化

E. ramulus是研究最广泛的类黄酮降解肠道细菌之一,它在人体肠道中很普遍。广泛存在于人体肠道中。来自E. ramulus的查尔酮异构酶和黄烷酮/黄烷醇裂解还原酶降解某些类黄酮产生查尔酮二氢查尔酮

二氢查尔酮及其代谢物具有抗炎抗氧化作用,可以下调促炎细胞因子的分泌,并挽救脂多糖诱导的氧化磷酸化。

✦降解黄酮类化合物

研究了E.ramulus strain wK1对槲皮素和木犀草素的降解,发现静止细胞和酶制剂通过2,3位双键的还原和随后的环分裂将这些黄酮转化为3,4-二羟基苯基乙酸和3-(3,4-二羟基苯基)丙酸。

来自E.ramulus strain wK1的根皮素水解酶将邻近根皮素芳香A环的C-C键水解为3-(4-羟基苯基)丙酸和间苯三酚。

E.cellulosolvens ATCC 43171T可通过释放的葡萄糖部分的发酵促进类黄酮和葡萄糖苷的去糖基化。

注意:葡萄糖苷的去糖化仅由细菌酶催化。

✦预防气道过敏性炎症

Eubacterium L-8将甘草酸(GL)水解为18β-甘草次酸(18β-GA)。18β-甘草次酸通过抑制NF-κB磷酸化和增强Nrf2/HO-1通路来预防气道过敏性炎症。

NF-kB——核因子κB,参与细胞对外界刺激的响应,在细胞的炎症反应免疫应答等过程中起到关键性作用

Nrf2/HO-1信号通路已成为细胞抗氧化应激的主要防御机制之一

这些代谢转化体现从真杆菌中获得的各种益处。然而,还需要进一步的体内研究,以最大限度地发挥真杆菌属的潜在益处。

乳杆菌

乳酸菌属(Lactobacillus)属于厚壁菌门,可以平衡微生物群落并保护胃肠粘膜。一些乳杆菌属富含代谢酶,如α-鼠李糖酶,单宁酶,没食子酸酯脱羧酶等,它们转化外源性物质

✦抗炎、抗氧化作用

L. rhamnosus NCTC 10302具有β-葡糖苷酶和α-鼠李糖苷酶活性,通过水解,环裂变和脱氢将橙皮素7-O-葡萄糖苷和柚皮素-7-O-芸香糖苷转化为各自的糖苷元和3-(苯基)丙酸。

L. plantarum表达单宁酶水解没食子酸酯,具有短脂肪醇取代基的原儿茶酸酯和复杂的没食子单宁以产生没食子酸。没食子酸通过抑制MAPK/NF-κB途径并激活Akt/AMPK/ Nrf2途径,在脂多糖诱导的炎症氧化应激中起保护作用

MAPK是信号从细胞表面传导到细胞核内部的重要传递者。

Akt,蛋白激酶B,又称PKB或Rac,在细胞存活凋亡中起重要作用

✦预防代谢紊乱

观察到,没食子酸邻苯三酚是由L.plantarum WCFS1中没食子甘氨酸代谢酶降解没食子甘肽而产生的。这项研究意味着益生元-益生菌相互作用在预防饮食诱导的代谢紊乱方面的潜在作用。

✦改善骨质疏松

具有大豆苷元还原酶活性的Lactobacillus sp. Niu-O16。二氢大豆苷元抑制NF-κB活化和MAPK磷酸化,从而改善骨质疏松症。

L.caseiL.plantarumL.acidophilus影响白藜芦醇苷到白藜芦醇的去糖基化。这种转化对于提高白藜芦醇苷的生物利用度生物活性非常重要。来自L.reuteriL.helveticusL.fermentum的阿魏酰酯酶水解绿原酸以释放咖啡酸。

这些发现为乳杆菌在促进健康的制药和食品应用中的作用开辟了新的视角。然而,潜在的转化机制值得进一步研究。

拟杆菌

拟杆菌属(Bacteroides)的成员是革兰氏阴性专性厌氧菌,占结肠中细菌总数的25%,在人类肠道细菌组中起着多种作用。在临床中经常检测到拟杆菌物种,例如脆弱拟杆菌,B.distasonisB.ovatusB.thetaiotaomicron

✦抑制炎症反应

拟杆菌属拥有一系列水解酶,并通过转化外来物质参与与其微生物邻居的物种间关联。体外共孵育实验表明,某些拟杆菌物种参与类黄酮的生物转化

Bacteroides sp. 45表达α-L-鼠李糖苷酶和β-芦丁糖苷酶,用于将芦丁水解成槲皮素3-O-葡萄糖苷,槲皮素和白花青素。

槲皮素3-O-葡萄糖苷比其他形式的槲皮素吸收得更好,并且可以通过抑制NF-κB和MAPK信号通路来抑制结肠炎小鼠的炎症反应

Bacteroides sp. 54将槲皮苷代谢为羟基槲皮素去甲基槲皮素。槲皮苷也被α-L-鼠李糖苷酶降解为槲皮素,并通过Bacteroides sp.45进行进一步的环裂解以产生3,4-二羟基苯甲酸。

β-葡萄糖醛酸酶由拟杆菌J-37表达,将甘草酸代谢为18β-甘草次酸。

天然产物在拟杆菌作用下进行生物转化,产生具有不同功能活性的代谢物。了解人体内天然产物的整个过程以评估其对人体健康的影响是很重要的。

链球菌

链球菌属(Streptococcus)是革兰氏阳性菌,呈球形或卵形,通常成链排列或成对排列,广泛存在于人类粪便鼻咽中。

宏转录组学分析表明,磷酸转移酶系统主要由链球菌表达,这表明这些细菌是小肠中可用碳水化合物的主要利用者

✦抗癌、抗过敏作用

Streptococcus LJ-22表达β-葡萄糖醛酸酶将甘草酸代谢为18β-甘草次酸-3-O-β-D-葡萄糖醛酸(GAMG)。GAMG对脂多糖诱导的RAW264.7细胞具有抗过敏活性

甘草酸和甘草次酸均有一定的防癌抗癌作用。甘草次酸可抑制原癌细胞的信息传递和基因表达.甘草酸对多种恶性肿瘤均有抑制作用。甘草次酸还具有抗病毒感染的作用,对致癌性的病毒如肝炎病毒,EB病毒及艾滋病毒的感染均有抑制作用。

此外,单宁酸被Streptococcus gallolyticus subsp.Gallolyticus(SGG)的单宁酶降解以产生邻苯三酚。SGG可能通过消除单宁酸对肿瘤细胞的毒性来促进结直肠癌的发展。因此,有必要进行进一步的体内研究,以确定消除这些单宁酸降解微生物是否可以支持结直肠癌的有效治疗。

✦降低血压,抗氧化

S.thermophilus GIM 1.321很高β-葡萄糖苷酶生产能力,用于将果实花青素降解为绿原酸,咖啡酸和阿魏酸。

CAA和CHA(10/15毫克/千克/天)的施用可以降低血压并发挥抗氧化作用。

链球菌菌株可能是肠道中的共生、致病和机会性病原体,需要更多关于其对人类健康影响的信息。更好地了解链球菌如何代谢天然产物,可以调节肠道微生物组以提高治疗效果

经黏液真杆菌属

经黏液真杆菌(Blautia)属物种严格无氧,不可移动,通常为球形或椭圆形,广泛存在于哺乳动物的肠道和粪便中。越来越多的证据表明,经黏液真杆菌的益生菌特性对天然产物的生物转化有影响

✦影响生物转化

在类黄酮生物转化过程中,Blautia催化的反应包括甲基化,去糖基化以及环裂解,其可能被相应的酶催化,例如O-糖苷酶β-葡萄糖苷酶

研究表明,Blautia sp. MRG-PMF1菌株分别将5,7-二甲氧基黄酮和5,7,4-三甲氧基黄酮转化为生物活性白杨素和芹菜素,对芳基甲基醚官能团具有水解能力Blautia sp. MRG-PMF1还具有去糖基化活性,并且发现各种异黄酮,黄酮和黄酮被代谢成相应的糖苷元。

✦去甲基产物具有抗炎、抗癌、抗氧化能力

Blautia sp. MRG-PMF1在菌株进一步代谢具有雌激素作用的去甲基香菜素。该菌株还可以催化姜黄素以产生具有抗炎抗癌特性的去甲氧基姜黄素

此外,Blautia sp. AUH-JLD56能够单独生物转化牛蒡子苷或牛蒡子苷元,制成具有更好抗氧化能力的去甲基化产物。

最近,关于Blautia对草本植物和功能性食品的生物转化代谢研究越来越多。探索Blautia的生物转化对于开发新的和生物活性代谢物具有重要意义

02
天然产物的微生物代谢

复杂的微生物酶催化肠道中天然产物的代谢,产生有利于宿主利用/排泄的亲脂性和低分子量代谢物。与人类遗传学不同,肠道微生物组的特征是可改变的,使其成为优化治疗的潜在治疗靶点。

口服天然产品进入消化道后,首先会接触大量肠道微生物及其产生的活性酶。因此,天然产物的肠道生物转化可能发生在通过肝脏的第一次传递效应之前,也可以被运输到肝脏进行修饰/结合,然后排泄到肠道,与肠道微生物反应形成一系列代谢产物

因此,与健康或疾病相关的特定菌株特定代谢途径特定酶的组合对于确定肠道微生物对宿主的影响非常重要。

水解

✦水解提高生物活性和生物利用度

某些天然产物具有高分子量低脂溶性,并且它们难以在肠道中被人体吸收并且具有低生物利用度。通过肠道微生物介导的水解,它们的物理性质发生了变化,它们的生物活性和生物利用度大大提高

大多数糖苷具有低活性,被认为是“天然前体药物”。在与肠道微生物相互作用后,糖苷的糖基被去除,然后,糖苷部分被肠细胞吸收以发挥生理作用。水解反应是进一步转化所必需的,产物(例如糖)参与促进肠道微生物的生长和存活。

肠道微生物对天然产物的水解反应

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

✦类黄酮

类黄酮是天然酚类化合物,大量存在于水果蔬菜中。肠道微生物可能是黄酮类化合物(糖苷形式)功效的部分原因,由于存在水溶性糖成分,其生物利用度较低

具有3羟基黄酮碱和平面环体系的黄烷醇构成了一类重要的黄酮类化合物。异鼠李素-3-O-新橙皮苷首先被Escherichia sp.23脱糖基化为异鼠李苷-3-O–葡糖苷,去糖基化成苷元异鼠李甙。

•肠道酶代谢比肠道微生物更快

肠道微生物和衍生酶共同控制通过体外测定确定的淫羊藿类黄酮的代谢。在目前的研究中,肠道酶代谢类黄酮的速度比肠道微生物更快

来自Bacteroides thetaiotaomicron VPI-5482的α-L-鼠李糖苷酶可以水解淫羊藿定C的α-1,2糖苷键以产生芸香苷。

芸香苷,又叫芦丁。具有抗炎抗氧化抗过敏抗病毒等功效。

•肠道酶在水解中起着重要作用

E. ramulusClostridium saccharogumia将花青素-氰苷3-葡萄糖苷转化为氰苷。人类肠道酶如β-葡糖苷酶在汉黄芩苷水解成汉黄苷素中起着关键作用

茶氨酸菌素A是红茶中发现的一种生物活性儿茶素二聚体,通过人类粪便微生物群脱乙酰产生茶氨酸霉素C。

•空间位阻会限制酶降解

观察了黄烷醇的代谢差异,结果表明,在肠道微生物发酵过程中,空间位阻可能限制细菌酶降解部分黄烷醇环。

在肠道微生物的作用下,许多其他类黄酮也会发生水解反应。值得注意的是,考虑到类黄酮的结构差异,肠道微生物对类黄酮的降解程度差异很大,从而影响其生物可利用性。需要进一步研究肠道代谢在类黄酮生物利用度吸收中的作用,以及可能的细菌类黄酮相互作用活性

✦萜类化合物

萜类化合物是具有抗癌抗炎神经保护作用的最大一类天然产物。部分萜类化合物也可被肠道微生物水解。

萜类化合物广泛存在于自然界,是构成某些植物的香精、树脂、色素等的主要成分。如玫瑰油、桉叶油、松脂等都含有多种萜类化合物。另外,某些动物的激素维生素等也属于萜类化合物。

肠道微生物也可以水解部分萜类化合物。京尼平苷在Eubacterium sp. A-44表达的β-葡萄糖苷酶的作用下产生京尼平。芍药苷在β-葡萄糖苷酶的作用下转化为PM-I,该酶由L. brevis脆弱拟杆菌(B. fragilis表达。通过与大鼠厌氧肠道微生物群孵育,芍药苷也被脱糖并脱苯基为小分子量的白花苷和酰基白花苷。

•肠道微生物中的酶促进水解作用

研究证明,几种具有酯酶的双歧杆菌物种可以在体外将白芍苷水解为苯甲酸。体外研究表明积雪草苷被糖苷键水解酶逐渐去糖基化,并产生相应的苷元。柴胡皂苷B1在β-葡萄糖苷酶和β-D-聚焦酶的作用下逐渐水解为原柴胡皂素和柴胡皂甙A,由Eubacterium sp. A-44表达。

除上述化合物外,萜类人参皂苷Rh2、阿迪普西洛苷I、罗汉果苷III和具栖冬青苷也可在肠道微生物的作用下发生水解反应

肠道微生物在萜类化合物代谢中起着重要作用,其代谢产物对肠道微生物组和人体健康的影响有待进一步研究。

✦其他化合物

具有极低生物利用度的尿石素只有在来自Gordonibacter urolithinfaciensGordonibacter pamelaeaeEllagibacter isourolithinifaciens的鞣酸酶作用下水解成鞣花酸和尿石等衍生物时才能发挥药理作用

尿石素——存在于水果坚果中的一类化合物鞣花单宁的天然代谢产物

从大黄中提取的蒽醌糖苷被肠道微生物水解为蒽醌苷元。Sennoside A是大黄提取物的主要成分,通过Bifidobacterium sp. strain SEN的β-葡萄糖苷酶代谢为大黄蒽酮。

大黄蒽酮具有泻下攻积、清热泻火、解毒、活血祛瘀、利胆退黄等功效。

在肠道微生物表达的羧酸酯酶(CE)的作用下,二酯二萜生物碱(DDAs,如乌头碱)水解C-8和C-14的酯键,产生毒性较小的单酯二萜生物碱。生物碱东莨菪碱、类固醇化合物白头翁皂苷D和半胱氨酸在肠道微生物的作用下也会发生水解反应

小结

水解反应是肠道微生物代谢天然产物的重要步骤,是生物活性表达和进一步生物转化所必需的。

应重点关注参与该反应的特定微生物,以充分了解天然产物的最终命运及其对人体健康的影响,并为个性化治疗提供依据。

甲基化和去甲基化

肠道微生物可以通过亲核取代反应表达转移酶并在两种底物之间移动官能团。

肠道微生物将甲基添加到外源物质中需要化学活化的辅底物,如乙酰辅酶A、三磷酸腺苷或腺苷甲硫氨酸,而去甲基化需要可以进行亲核催化的辅因子。

甲基化修饰可以优化天然产物的生理活性,去甲基化可以释放极性基团以进一步结合和排出体外,并为肠道微生物的生长提供碳源

下图显示了肠道微生物作用下天然产物的甲基化去甲基化以及带来的影响。

肠道微生物对天然产物的甲基化和去甲基化

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

✦类黄酮甲基化后具有抗癌活性

类黄酮甲基化修饰可以在类黄酮结构中的C-2,C-3,C-4,C-5,C-6,C-7和C-8位置进行,甲基化类黄酮的生物利用度大大提高

甲基化类黄酮具有显著的抗癌活性和对肝脏代谢的抵抗力。在大鼠口服芦丁后,在粪便样品中检测到许多甲基化代谢物,如甲基芦丁,甲基异槲皮素和甲基槲皮素硫酸盐。

作用过程

甲基化的异黄酮类化合物在E.limosum ATCC 8486的作用下进行去甲基化以产生大豆苷元和染料木黄酮。异氧杂环丁酚通过苌香产生去甲基化产物8-异辛基柚皮素。橙皮苷,5,7-二甲氧基黄酮,黄腐酚和5,7,4′-三甲氧基黄酮也可以在肠道微生物的作用下进行去甲基化反应。

✦生物碱具有抗癌性和抗病毒活性

生物碱是含氮化合物,由海洋和陆地生物生物合成,它们具有抗癌性抗病毒活性

绝大多数生物碱分布在高等植物,尤其是双子叶植物中,如毛茛科、罂粟科、防己科、茄科、夹竹桃科、芸香科、豆科、小檗科等。

在肠道微生物表达的酶的作用下,苦木中的主要生物碱成分准碳质酮被甲基化为准碳质碱丁基。异喹啉生物碱巴马汀通过体外厌氧培养产生去甲基产物,如哥伦比亚胺、药根碱、去甲基小檗碱和去甲基小蘖碱。通过离子阱电喷雾电离串联质谱法证明了肠道微生物对乌头碱的甲基作用,并产生了去甲基乌头碱。

✦木酚素可以抗炎防心血管疾病

膳食木酚素是植物雌激素,主要存在于种子坚果,豆类和蔬菜中。

木酚素在微生物作用下的一些转化

牛蒡苷可由Eubacterium sp. ARC-2菌株去甲基化为二羟基内酯和其他产物。从人类粪便细菌中分离出一种名为Lautia sp. AUH-JLD56的细菌,该物种可以有效地将牛蒡苷或牛蒡苷元转化为去甲基化代谢物3′-去甲基牛蒡苷(3′-DMAG)。

Secoisoolaricinol是亚麻籽中最常见的木脂素之一,可在Blautia productaGordonibacterLactonifactor longoviformis的存在下去甲基,形成肠内酯和肠二醇。

芝麻素通过甲基化、去甲基化和肠道微生物的其他反应代谢为哺乳动物木脂素内酯和肠二醇。罗汉松树脂酚和连翘脂素也可以去甲基化以产生内酯。水飞蓟宾A和B被人类粪便微生物群去甲基为去甲基水飞蓟宾A和脱甲基水飞蓟宾B。

✦其他化合物

多酚化合物姜黄素被Lautia sp. MRG-PMF1去甲基化,以产生代谢物去甲基姜黄素(DMC)和双去甲基姜黄素(bDMC)。二氢异铁酸的去甲基化产物,如二氢咖啡酸,也在粪便代谢物中获得。

研究发现,甲基化反应发生在甘草皂苷22β-乙酰氧基甘草酸糖链的内部和外部葡萄糖醛酸残基处,产生22β-乙氧基甘草酸甲酯。

丹参素,萜类化合物,二苯乙烯类化合物和类固醇化合物在肠道微生物的作用下经历甲基化去甲基化

小结

甲基化和去甲基化反应是肠道微生物代谢的重要途径。甲基化能引起染色质结构、稳定性及蛋白质相互作用方式的改变,从而控制基因表达。去甲基化则诱导了基因的重新活化表达

然而,介导这种反应的基因/酶尚未完全确定,还需要进一步的实验研究。

氧化还原反应

肠道微生物可以表达许多氧化还原酶并通过调节各种官能团转化天然化合物,如烯烃、羧酸衍生物、硝基、氧化物和a,b不饱和羧酸衍生物,这些官能团影响体内天然产物的活性

下图显示了肠道微生物作用下天然产物的氧化还原反应。

肠道微生物对天然产物的还原和氧化反应

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

✦类黄酮

黄酮类化合物大豆苷元在Clostridium sp. strain HGH6Lactobacillus. sp. Niu-O16的作用下还原为二氢大豆苷元和进一步的四氢大豆苷元。还原产物二氢染料木黄酮是由染料木黄酮在人类粪便细菌的作用下产生的。

通过分析,在厌氧条件下与槲皮素一起孵育,在大鼠肠液培养液中鉴定出脱氧代谢物山奈酚和双键氢化还原产物西叶素等化合物。

Flavonifractor plautii ATCC 49531中发现了黄酮还原酶,该酶特异性催化黄酮/黄烷醇C环的C2-C3双结合的氢化作用,并在黄酮类化合物整个生物降解途径的初始步骤中起作用。

去甲黄腐酚,一种查尔酮化合物,被分枝杆菌还原为去甲-α,β-二氢黄腐酚

•药理作用

黄酮类化合物分布广泛,具有多种生物活性

1.黄酮类化合物具有抗自由基抗氧化作用;2.防治心血管疾病方面均具有良好的效果;3.抑菌抗免疫作用;4.对动物激素的调节作用

✦生物碱

•小檗碱具有杀菌消炎的功效

由肠道微生物产生的硝酸还原酶催化生物碱中的醚和配位键反应。小檗碱(BBR)作为黄连的主要成分,可以通过肠道微生物表达的硝基还原酶还原为二氢小檗碱,这种还原产物具有很高的极性

二氢小檗碱可以在肠道中被吸收,然后被氧化成原型小檗碱进入血液。二氢小檗碱在肠道中的吸收率是小檗碱的五倍。同时还发现,肠道微生物可以通过氧化将小檗碱转化为氧小檗碱。

小檗碱的功效和作用主要就是起到杀菌消炎的作用,抗菌谱比较广,主要用于治疗各种肠道感染菌痢等。

•其他生物碱产物

血红素是小檗碱的一种新代谢产物,可能是一种值得探索的生物活性剂。黄连碱是一种天然的原小檗碱生物碱,具有与小檗碱相同的母体结构。口服黄连后,C-O键打开并断裂,随后发生还原反应,生成氢化小檗碱。阿南酰胺被小鼠和人类肠道微生物群还原为二氢阿南酰胺,生物利用度更高

✦苯丙酸

•咖啡酸具有抑菌、抗病毒作用

咖啡酸(CAA)作为食品和饮料中的主要膳食多酚,在酯化后很容易进入结肠并与肠道微生物群发生反应。

苯丙酸通过C4双键还原脱氢作用转化为3-羟基苯基丙酸,然后通过体外肠道微生物的β氧化迅速转化为3-苯基丙酸。苯丙酸也可以脱羟基化为间香豆酸或氢化为二氢咖啡酸。

咖啡酸片具有较普遍的抑菌效果,可用于抑菌、抗病毒。除此之外,还具有中枢兴奋解毒凝血等作用。

丹参素是丹参的主要单体酚酸,通过肠道微生物群进行脱氢和脱氧,生成3-苯基-2-羟基丙酸、3-(3,4-二羟基苯基)-2-丙烯酸(咖啡酸)和3-(3,4-二羟基苯)丙酸。

✦其他化合物

甘草次酸通过盲肠中的Ruminococcus sp. po1-3的3β-羟基类固醇脱氢酶生成3-氧代甘草次甲酸。

•通便作用

番泻甙是一类天然蒽醌衍生物和二聚糖苷,首先被β-葡萄糖苷酶水解生成番泻甙-8-O-单糖苷,然后在体内被链球菌还原为具有通便作用大黄蒽醌

二萜类白藜芦醇被Slackia equolifaciensEggerthella lentaATCC 4305还原为二氢白藜芦醇。

此外,二酮姜黄,类固醇化合物地高辛和其他化合物马兜铃酸也可以在肠道微生物的存在下减少。肠道微生物黄酮还原酶硝基还原酶具有特殊的催化选择性,填补了肠道微生物转化途径的关键空白。

然而,介导肠道微生物减少的特定基因和酶尚未完全确定。

其他反应

肠道微生物对天然产物的其他反应

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

如图中所示,肠道微生物也通过环分裂、硫化、芳构化和其他反应转化天然产物

龙胆苦苷是一种天然的环烯醚萜苷,可通过肠道微生物β-葡萄糖苷酶水解为龙胆醛,然后通过N-杂环反应水解为含氮化合物。

京尼平丙酮醇的部分开环导致肠道微生物形成二醛。奎宁酸可以在肠道微生物存在下芳香化为马尿酸

原花青素B2和A2与人类肠道微生物体外发酵,获得了主要的水解和环裂解代谢物,即苯甲酸、2-(3,4-二羟基苯基)乙酸和5-(3,4-二羟基苯)-γ-戊内酯。

口服木犀草素后,在大鼠粪便样品中检测到硫酸盐和氢还原代谢物。由肠道微生物促进的大豆苷元转化为雌马酚是另一个有趣的例子。

木犀草素,多以糖苷的形式存在于多种植物中,具有镇咳祛痰作用。

雌马酚的作用:1.抗氧化,雌马酚属于多酚类物质,可作为氢/电子受体,清除自由基;2. 免疫调控,雌马酚的免疫保护作用可能是有其抗氧化作用所介导的,涂抹雌马酚对皮肤免疫保护作用。

SesA是一种来自Sinomonas sp.no.22的芝麻素代谢酶,通过环裂解催化亚甲基从芝麻素或芝麻素单儿茶酚转移到四氢叶酸,产生芝麻素一儿茶酚或二儿茶酚和5,10-亚甲基四氢叶酸酯。

萜类化合物,类黄酮,苯酚生物碱和脂肪酸都可以在肠道微生物的作用下进行生物转化反应,产生活性代谢物

这些研究证明了各种肠道微生物组的巨大代谢潜力。天然产物的肠道微生物代谢及其在宿主健康中的作用应该是未来研究的重点。

小结

本节总结了来自单个反应的肠道微生物群介导的天然产物的生物转化

但是,观察到一些限制。首先,考虑到肠道微生物的复杂性和肠道微生物酶的多样性,天然产物在肠道中经历复杂的转变。单个反应只能描述一定的新陈代谢过程。可以通过激活/抑制这一过程来优化治疗

此外,考虑到肠道微生物含有各种潜在的多功能酶,可以预期肠道微生物会有更多的生物转化反应被天然产物所低估。

为了阐明肠道微生物代谢如何影响人类健康,研究人员应该将功能基因联系起来。

除了调节肠道微生物对天然产物的处置外,天然产物对肠道微生态学的调节作为潜在的功效机制很重要

03
肠道微生物转化的贡献

越来越多的肠道微生物群研究逐渐揭示了大多数天然产品的高药理作用低口服利用率之间的关系。大多数糖苷具有复杂的母体结构,很难被肠细胞吸收,从而限制了它们的组织特异性生物可及性。

这些化合物通过依赖于微生物/肠道微生物酶的降解反应转化为小分子代谢物/独特代谢物,从而对宿主产生广泛影响。肠道微生物还作用于膳食酚类物质,产生有助于宿主健康的功能代谢物。

促进治疗效果

✦增强抗肿瘤、抗炎、降脂作用

肠道微生物的生物转化促进了天然产物的治疗效果。人参皂苷对化合物K(CK)的典型代谢模型已被广泛报道,具有增强的抗肿瘤抗炎降脂作用

人参皂苷的生物转化和代谢物化合物k的功效

编辑​

Zhao Y,et al.Front Microbiol.2022

1 —降脂

在20μM时,化合物K通过激活AMPK减少人肝细胞癌细胞中的肝脂堆积

2–抗癌

在50μM时,化合物K通过上调半胱天冬酶-3,半胱天冬酶-8,半胱天冬酶-9和环磷酸腺苷依赖性蛋白激酶来抑制胶质母细胞瘤细胞的生长

3–减弱炎症

化合物K通过自噬诱导和调节NF-κB、p38蛋白和JNK/MAPK信号来减轻巨噬细胞炎症和泡沫细胞形成。

✦姜黄素可以抑制炎症

姜黄素代谢物的生物利用度取决于微生物群依赖性。例如,去甲基姜黄素增加PPARγ表达,导致自噬和核转录因子κB抑制,随后抑制脂多糖诱导的炎症

PPARγ——是一种过氧化物酶体增殖物激活受体

MAPK——即AMP依赖的蛋白激酶,是生物能量代谢调节的关键分子

去甲基姜黄素通过抑制炎症因子的分泌和MAPK和NF-κB途径的激活来减轻体内和体外的炎症反应。由于在其原型苯环结构中不存在甲基,去甲基姜黄素的化学稳定性增加,从而解释了姜黄素的强大有益作用

姜黄素来源:姜黄素是从植物根茎中提取,主要来源于生姜,然后就是那些植物中,胡萝卜、番茄以及辣椒,咖喱,芥末中也含有一些姜黄素。

✦尿石素具有抗炎和神经保护等作用

值得注意的是,尿石素A(UA)是一种天然化合物,由肠道微生物从摄入的鞣花单宁和鞣花酸中产生,具有显著的抗炎神经保护作用。

在1μM时,尿石素A足以降低聚(I:C)诱导的RAW264.7细胞中肿瘤坏死因子和MCP-1的产生,并使TLR3/TRIF信号失活。尿石素A提高高脂饮食小鼠的全身胰岛素敏感性降低肝脏白细胞介素1β水平。

MCP-1,是一种由星形胶质细胞分泌的促进炎症蛋白质

Toll样受体3(TLR3)是TLR家族的成员,介导I型干扰素、促炎细胞因子趋化因子的转录诱导

尿石素A通过降低皮层和海马体中白细胞介素6、白细胞介素1β和肿瘤坏死因子的水平来改善小鼠的认知障碍,并抑制神经炎症

小结

这些研究强调了鉴定天然产物微生物代谢的重要性。此外,许多体外药理活性测量应与微生物代谢产物一起进行,微生物代谢产物实际上与体内的生化受体相互作用

降低毒性

肠道微生物的组成,结构,功能和代谢物已成为天然产物发挥有益作用降低毒性的潜在目标。

例如,肠道微生物可以通过羧基酯酶催化双酯型二萜生物碱的C-8和C-14的酯键水解,或催化C-8的酯交换以产生毒性较小的单酯二萜烯生物碱。

大肠杆菌的地高辛还原型菌株含有强心苷还原酶,它可以还原地高辛环上的α和β-不饱和内酯,并将其代谢为活性较低的二氢地高辛,从而抑制其可能的心脏毒性

地高辛,主要用于心脏类疾病的治疗,对心脏的作用表现为正性肌力作用,减慢心率抑制心脏传导

然而,这种能力是有限的,并且50%的地高辛可以通过肠道微生物转化而失活强心苷还原酶可能是地高辛失活的有效生物标志物,其表达可以被精氨酸抑制。

•饮食可能调节微生物代谢活动

饮食可以解释地高辛还原的个体间差异,并可能调节体内微生物代谢活动。相比之下,有毒化合物可以由肠道微生物产生。桦木素在来自肠道微生物的β-葡萄糖苷酶的作用下水解成致癌性重氮甲烷。

建议

应开发微生物肠道酶的小分子抑制剂,以在这个复杂的栖息地的特定转化中发挥调节作用。肠道微生物群转化的代谢物与前体物质之间的毒性差异值得进一步研究。

此外,过量的药物可能导致肠道微生物失衡不良反应,不同剂量的天然产物对肠道微生物新陈代谢的影响也需进一步研究。

生物转化的技术

考虑到肠道微生物可以增加宿主对药物或天然产物的复杂和可变反应,这一过程值得研究。

生物转化的方法

(1)肠液转化。转化产物的大规模制备可以通过肠液生物转化来实现;

(2)与宿主微生物群的样品一起孵育。原型药物和代谢物的类型和数量可以使用该方法检测。它具有准确表示个体的整个肠道微生物组的优点;

(3)代表性菌株的孵育。该方法具有高通量潜力,这对于大规模药物研究很有价值,并有助于有益代谢物的工业生产。

✦模型分析有利于认识微生物代谢

器官微生理系统,胃肠道类器官的各种预测/计算工具可能有助于提高我们对未来微生物代谢的理解。

此外,在动物模型中已经研究了天然产物代谢与肠道微生物之间的关系,其结果可用于研究代谢物的分布形式。无菌/抗生素处理的动物与传统动物进行了比较,以证明肠道微生物在天然产物代谢中的关键作用

这种方法的局限性在于人类和啮齿动物之间存在固有的胃肠道和微生物差异。在临床试验中从受试者收集的粪便进行详细微生物群代谢物分析可以全面反映天然产物在体内的代谢过程,并用于解释个体差异。

✦增加测序技术的应用

增加测序技术的应用,以研究微生物的转录活性代谢谱。通过使用单细胞法,可以表征肠道微生物的生理结构,以确定其代谢活性。

转录组测序技术(RNA-Seq)可以直接分析人体肠道中具有强代谢活性的微生物的基因表达谱。

单细胞方法,宏转录组学和宏基因组学的组合已被用于鉴定和表征肠道微生物群的活性亚群,并确定它们对天然产物的代谢反应。

04
结论与未来展望

肠道微生物群是编码各种代谢酶的基因库。大多数天然产物的生物活性潜在健康益处的激活极度依赖肠道微生物作为底物加工工厂。

了解微生物如何独特地调整天然产物以及这些代谢物对宿主健康的影响。已经得出以下结论:

(1)肠道微生物可以改变天然产物;

(2)天然产物可以调节肠道微生物组成和丰度;

(3)肠道微生物可以介导天然产物的多组分协同作用。

此外,肠道微生物的巨大可塑性个体间差异是值得注意的。因此,需要提高对肠道微生物对天然产物代谢的生理,化学和微生物贡献的理解,以帮助解释天然产物反应的个体差异,并为个性化治疗提供支持。

确认生物转化中极其参与的象征性功能及其物质基础将有助于探索天然产物肠道微生物群之间相互作用的治疗模式

主要参考文献

Zhao Y, Zhong X, Yan J, Sun C, Zhao X, Wang X. Potential roles of gut microbes in biotransformation of natural products: An overview. Front Microbiol. 2022 Sep 29;13:956378. doi: 10.3389/fmicb.2022.956378. PMID: 36246222; PMCID: PMC9560768.

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生命早期肠道微生物组和疫苗功效

谷禾健康

疫苗是公共卫生领域最伟大的成就之一,每年可预防数百万儿童疾病和死亡病例。然而,许多疫苗的功效在地理社会经济不同地区的婴儿之间可能存在很大差异

有研究发现,肠道微生物组成的差异已成为解释免疫结果差异的主要因素之一。

在本篇文章中,谷禾总结了各位学者的研究。关于肠道微生物群对生命早期免疫的影响,重点关注微生物群中具有促进健康免疫调节特性的两个重要成员:双歧杆菌拟杆菌

此外还罗列了一些具有免疫刺激特性的微生物产物、与宿主的相互作用以及它们对婴儿疫苗反应功效的影响。

通过本文,可以让大家更好地了解肠道微生物对免疫接种的影响,让人们更有针对性地选择免疫接种,更好地保护我们的健康。

本文出现的专业名词

疫苗是指用各类病原微生物制作的用于预防接种的生物制品。其中用细菌或螺旋体制作的疫苗亦称为菌苗。疫苗分为活疫苗和死疫苗两种。

常用的疫苗:常用的活疫苗有卡介苗,脊髓灰质炎疫苗、麻疹疫苗、鼠疫菌苗等;常用的死疫苗有百日咳菌苗、伤寒菌苗、流脑菌苗、霍乱菌苗等。

免疫球蛋白(Ig)——指具有抗体活性或化学结构,与抗体分子相似的球蛋白

辅助T细胞(Th细胞)免疫反应中扮演中间过程的角色:它可以增生扩散激活其它类型的产生直接免疫反应的免疫细胞

调节性T细胞(Tregs)是维持机体免疫耐受的重要因素之一,通过主动调节的方式抑制存在于正常机体内潜在的自身反应性T细胞的活化与增殖,从而调节机体的免疫力

G蛋白偶联受体(GPCRs)是一大类膜蛋白受体的统称

Toll样受体(TLR)是参与非特异性免疫(天然免疫)的一类重要蛋白质分子,表达在巨噬细胞、树突状细胞和上皮细胞表面,可识别多种类型的病原体相关分子模式或损伤相关分子模式

01
肠道微生物与免疫接种

胃肠道微生物

人类胃肠道微生物群由细菌、病毒、古生菌和真菌组成的复杂群落,其组成沿胃肠道长度变化

微生物定植在出生时开始,并在整个生命过程中不断变化,生命的前1000天是生态系统结构最脆弱最不稳定的时期。

✦胃肠道微生物对健康至关重要

胃肠道微生物群有助于粘膜全身免疫系统的成熟,抵抗病原体定植,消化膳食成分,并提供微量营养素。

胃肠道微生物群的结构功能紊乱与各种疾病有关,包括代谢紊乱、神经退行性疾病,过敏,自身免疫性疾病,和癌症。

值得注意的是,影响微生物组的因素与影响疫苗免疫反应的因素相似,强调了免疫与胃肠道微生物群之间的相互关系

生命早期微生物特征

在生命早期,影响胃肠道微生物群发育的其他因素是分娩方式,早产,营养(母乳与配方奶),早期使用抗生素或益生菌和卫生等。

✦ 分娩方式对早期微生物群的影响

在出生期间和出生后,婴儿会接触到促进免疫系统成熟的环境抗原微生物,其性质取决于分娩方式

●阴道分娩

阴道分娩的婴儿暴露于母体阴道和粪便微生物群中,导致微生物分布以埃希氏菌乳酸杆菌拟杆菌双歧杆菌为主。

●剖宫产分娩

相比之下,剖宫产分娩的新生儿与母体皮肤和医院微生物的接触更多,并且经常被链球菌葡萄球菌肠球菌定植。

✦早期用抗生素对免疫系统发育有负面影响

早期使用抗生素治疗会对这种最初的定植和随后的免疫系统发育产生负面影响。这些早期生活障碍会在短期内导致感染风险增加。从长远来看,与免疫和代谢相关疾病(如特应性)的风险增加有关。

因此,在正确的时间由正确的微生物定殖对于有效建立免疫防御和稳态至关重要。

✦母乳喂养对肠道微生物群有益处

母乳喂养提供了抗菌肽母体抗体先天免疫因,它们促进了对新生婴儿的被动保护,并提供了塑造婴儿微生物群的关键膳食成分

人乳寡糖可增强双歧杆菌的定殖和持久性(占总微生物群落的80%),这在以配方奶喂养的婴儿中不太明显(5-30%)。

人乳寡糖(HMOs)是人类母乳中仅次于乳糖和脂肪的第三大固体成分,有助于预防人类细胞、组织和小鼠中的链球菌感染。

人乳寡糖的微生物代谢导致短链脂肪酸的产生,短链脂肪酸被与膜结合的特定G蛋白偶联受体识别,由免疫细胞在全身胃肠道中表达,是关键用于发展免疫耐受性。母乳还直接通过母乳微生物组引入微生物,从而进一步播种婴儿肠道。

断奶和从母乳或以配方食品为基础的营养过渡到固体食物推动胃肠道微生物群的重大变化,双歧杆菌种类减少,并引入了瘤胃球菌、阿克曼氏菌和普雷沃氏菌。

胃肠道微生物组对疫苗免疫的影响

✦疫苗效果存在差异

许多许可疫苗的功效在人群之间存在差异,在某些情况下,转化为几乎没有效果。

许多内在因素导致疫苗反应的这种变异性,包括年龄遗传(占受者之间变异的 20-40%)、贫血和性别

此外,广泛的外部因素会极大地影响疫苗接种结果,包括疫苗成分免疫方案,预先接触病原体和慢性炎症,暴露于母体抗体,营养状况和地理位置等。

✦肠道微生物有助于促进免疫

人们越来越认识到婴儿胃肠道微生物群在疫苗免疫中的作用。胃肠道微生物群已被证明可通过多种机制促进对疫苗的体液细胞免疫反应的有效刺激。

肠道微生物群的免疫调节

Jordan A,et al.Lancet Microbe.2022

微生物群刺激对于产生免疫球蛋白 (IgA) 的B细胞发育和成熟、通过促进IgA类别转换的记忆浆细胞以及生发中心的发育至关重要。此外,通过介导浆细胞样树突状细胞产生I型干扰素,微生物群增强了抗原特异性T细胞反应。

肠道微生物群和免疫系统之间的共生关系,以及遗传和环境影响,可以解释个体对疫苗的免疫反应的可变性

抗生素引起的新生小鼠微生物组紊乱,以及使用免疫缺陷的无菌幼崽,导致对不同佐剂和减毒活疫苗的体液反应受损,其特征是Th1和Th17反应降低,IgG和IgM生产。

注:辅助性T细胞1(Th1)主要为对抗细胞内细菌及原虫免疫反应

辅助性T细胞17(Th17)是一种新发现的能够分泌白介素17的T细胞亚群。

IgG是免疫球蛋白G,是免疫球蛋白中的一种,来源于浆细胞,具有抗病毒抗菌免疫调节的功能。

IgM是免疫球蛋白M,由于B淋巴细胞在抗原如病毒或细菌等病原微生物等的刺激下转化为浆细胞,产生能与相应抗原发生特异性结合的抗体,而形成免疫球蛋白

值得注意的是,在通过施用特定的鞭毛大肠杆菌菌株或粪便微生物群转移来恢复微生物群后,这种损害是可逆的

某些细菌科、属和物种的丰度与人类对疫苗的免疫反应差异有关,无论是正面的还是负面的。

  • 一项研究观察到,在孟加拉国婴儿对全身卡介苗、破伤风、乙型肝炎疫苗和口服脊髓灰质炎疫苗的应答中,放线菌呈积极作用,如果肠杆菌科占主导地位,则呈现负面影响。
  • 针对2岁孟加拉婴儿的后续研究表明,生命早期的双歧杆菌的高丰度与卡介苗、破伤风和脊髓灰质炎疫苗呈正相关,在15周和2岁时都有CD4+T细胞反应和可检测的IgG和IgA。

// 不同地区间的研究

对来自加纳、巴基斯坦、孟加拉国和荷兰的接种轮状病毒疫苗的有反应和无反应儿童的微生物谱比较研究表明,与同一队列的无应答者相比,来自不同低收入和中等收入国家的应答者的微生物群组成与荷兰婴儿微生物群更为相似(即梭菌群XI和变形菌的丰度更高,拟杆菌门的数量更低)。

小结

由于胃肠道微生物组在激活抑制免疫反应以及随后对疫苗免疫的影响方面具有多因素作用,因此研究不同的微生物群调节干预措施以最大限度地提高疫苗效力

02
调节肠道微生物增强免疫保护的方式

益生元、益生菌和抗生素

益生元——指一些不被宿主消化吸收却能够选择性地促进体内有益菌的代谢和增殖,从而改善宿主健康有机物质

益生菌——通过定殖在人体内,改变宿主某一部位菌群组成的一类对宿主有益的活性微生物

✦益生元和益生菌对疫苗免疫有积极作用

对小鼠接种流感和霍乱疫苗的研究报告表明,不同的益生元与疫苗接种后的全身免疫反应之间存在正相关,与双歧杆菌乳酸杆菌的丰度增加以及短链脂肪酸的产生有关

已经研究了它们对疫苗接种反应的影响。系统评价总结了26项使用益生菌对人类进行干预研究的结果,以提高17种不同疫苗的功效,其中一半的研究显示出积极的结果。

婴幼儿使用益生菌效果更好

与成人相比,在新生儿和幼儿(0-16 周龄)中使用益生菌乳酸杆菌双歧杆菌菌株的试验显示成功率更高,接种流感、白喉、轮状病毒和脊髓灰质炎疫苗后对体液免疫影响最大

然而,不同研究(包括使用的细菌菌株)的设计缺乏一致性,因此难以得出可靠的结论。

✦抗生素对疫苗的影响暂不明确

抗生素——指由微生物(包括细菌、真菌、放线菌属)或高等动植物在生活过程中所产生的具有抗病原体或其他活性的一类次级代谢产物,能干扰其他生活细胞发育功能的化学物质。

人体研究调查了抗生素介导的微生物耗竭对流感、脊髓灰质炎、轮状病毒、破伤风和卡介苗免疫反应的影响。没有观察到疫苗免疫原性改善或显著降低,这与抗生素使用、微生物群紊乱和免疫介导疾病的增加有关。

总之,某些细菌种类与婴儿疫苗应答者的体液或细胞免疫呈正相关或直接诱导增强。双歧杆菌是增强疫苗接种反应的良好候选者,也是健康早期肠道微生物群的关键成员

其他可以刺激先天适应性免疫反应的核心肠道微生物群成员,如拟杆菌属,也正在成为疫苗研究中的新型微生物群疗法

扩展阅读:抗生素对微生物组及对人体健康的影响

双歧杆菌和拟杆菌的免疫调节

✦ 双歧杆菌减少炎症

在小鼠肥胖模型中,给予假链状双歧杆菌通过恢复调节性T细胞 (Treg) 和B淋巴细胞的平衡状态来减少全身炎症,并降低促炎细胞因子白细胞介素IL-17A和肿瘤坏死因子TNF的浓度。

白细胞介素——指在白细胞或免疫细胞间相互作用的淋巴因子,它和血细胞生长因子同属细胞因子。两者相互协调,相互作用,共同完成造血和免疫调节功能。

肿瘤坏死因子——血清中出现一种能使多种肿瘤发生出血性坏死的物质。

类似的免疫稳态特性已归因于双歧杆菌菌株,其通过体外刺激树突状细胞,诱导Th17谱并增强Treg细胞从幼稚淋巴细胞的分化。

双歧双歧杆菌DSM 20082裂解物刺激外周T细胞可增加CD8+ T细胞的细胞毒活性,而对CD4+ T细胞活性没有任何影响

尽管支持这些免疫调节特性的机制尚不清楚,但已经提出了几个目标。

包括膳食发酵产物(例如,在人乳寡糖和其他复合碳水化合物代谢后),导致产生短链脂肪酸(即乙酸盐)和其他代谢副产物,这些副产物直接与宿主免疫细胞受体相互作用促进其他共生体的交叉喂养细菌,如拟杆菌属和大肠杆菌。

长双歧杆菌亚种产生免疫调节化合物蛋白质,如细胞外蛇毒蛋白,它不可逆地灭活促炎蛋白酶。

双歧杆菌MIMBb75之前已经证明其表面有肽聚糖水解酶TgaA,它通过启动白细胞介素-2生成和单核细胞衍生的树突状细胞激活促进调节性T细胞扩增。

●双歧杆菌增强了免疫抗病毒反应

在新生仔猪中,长双歧杆菌AH1206菌株增强了肠道IL-10的产生,而动物双歧杆菌亚种乳酸Bb12、婴儿双歧杆菌MCC12和短双歧杆菌MCC1274促进了免疫成熟和免疫稳态。

更重要的是,MCC12和MCC1274 菌株在接种轮状病毒疫苗后增强了B细胞和抗病毒反应,表明双歧杆菌的免疫改变特征对某些菌株具有特异性

●放线菌和双歧杆菌对人体免疫反应起促进作用

在人类中,几项研究强调了高丰度放线菌门和某些双歧杆菌菌株与对不同疫苗的免疫反应增加之间的正相关关系。

孟加拉婴儿胃肠道微生物组中高浓度的婴儿长双歧杆菌亚种与CD8+ T 细胞和CD4+ T 细胞反应增加以及接种卡介苗、破伤风和乙型肝炎疫苗后IgG滴度升高相关

接种卡介苗、破伤风和乙型肝炎疫苗后,IgG滴度更高,在口服脊髓灰质炎疫苗接种后,双歧杆菌丰度高的中国婴儿表现出脊髓灰质特异性IgA应答增加。在疫苗补充研究中,B.longum BB536显示通过诱导干扰素-γ分泌来增强婴儿的Th1反应。

干扰素-γ——免疫干扰素,是由有丝分裂原刺激T淋巴细胞产生的。干扰素是一种高效的抗病毒生物活性物质,又是一种具有广泛免疫调节作用的淋巴因子。

扩展阅读:如何调节肠道菌群?常见天然物质、益生菌、益生元的介绍

✦拟杆菌影响疫苗免疫反应

拟杆菌属是婴儿期肠道定植的主要属,并且在整个成年生活中占主导地位。某些物种和菌株具有重要的互惠作用,从产生抗菌分子到通过分解不同聚糖提供营养

关于拟杆菌和疫苗的反应性,存在相互矛盾的结果:

在加纳进行的轮状病毒试验发现,疫苗应答与拟杆菌门丰度呈负相关,而对巴基斯坦婴儿的一项类似研究显示,疫苗应答者中拟杆菌门的浓度增加

观察到尼加拉瓜婴儿的疫苗反应者和无反应者中不同拟杆菌菌株的丰度存在差异

注:由于样本量小,这些发现在多次调整后没有统计学意义,强调需要进行更大规模的研究来探索这些关联。

考虑到拟杆菌在诱导稳态免疫启动中的突出作用,可以预期拟杆菌和疫苗反应之间存在联系。

Bacteroides thetaiotaomicron中独特的寡糖结构具有佐剂特性,以依赖CD4+ T 细胞的方式诱导由乙型肝炎病毒疫苗引发的乙型肝炎病毒抗原特异性抗体浓度升高,这表明这种寡糖可作为大肠杆菌中毒性更大的脂多糖的替代佐剂

03
不同微生物产物的免疫刺激特性

短链脂肪酸

短链脂肪酸是由肠道微生物群的不同成员通过发酵膳食复合碳水化合物(包括母乳或益生元中的碳水化合物)产生的。

短链脂肪酸在其一元羧酸碳链中含有少于六个碳原子,其中醋酸盐 (C2)、丙酸盐 (C3) 和丁酸盐 (C4) 最为普遍。它们是水溶性的,可以直接被不同的细胞吸收转运相互作用,包括肠上皮细胞、交感神经元和免疫细胞。

✦ 短链脂肪酸的多种益处

它们提供许多有益的健康影响,包括肠细胞的能量来源、加强上皮屏障、改变代谢过程、抑制肠道病原体生长、离子吸收的介质,以及作为肠道和全身免疫调节途径中的信号分子

双歧杆菌和拟杆菌产生的乙酸,以及拟杆菌产生的丙酸盐,将在下面更详细地讲述。

●作为主要能源

乙酸盐可以酶促转化为乙酰辅酶A,并被许多不同的微生物群成员用来生产丁酸盐,并作为三羧酸循环中的主要能源

●激活调节免疫细胞,增强疫苗反应

T细胞中细胞内乙酰辅酶A的增加会激活mTOR,从而驱动Th1和Th17 T细胞的分化。乙酸盐还可以激活B细胞、T细胞亚群、中性粒细胞、巨噬细胞、树突细胞和肠上皮细胞上表达的G蛋白偶联受体43(GPR43),导致固有层调节性T细胞增殖,和调节自身抗体的产生和边缘区B细胞。

mTOR是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,对激素、生长因子、营养物质,能量和压力信号做出反应,是细胞代谢,生长和存货的中心调节因子。

GPR43的激活影响中性粒细胞趋化性和脱粒,以及脂肪组织中巨噬细胞产生肿瘤坏死因子。此外,缺乏GPR43的树突细胞无法诱导B细胞的类别转换。

没有产生短链脂肪酸的胃肠道细菌的小鼠的浆细胞分化减少,并且在稳态和病原体特异性抗体反应方面存在缺陷。乙酸盐可通过在体外增强针对霍乱毒素的抗原特异性IgA和IgG的产生以及刺激浆细胞分化所必需的树突状细胞中的信号分子来增强疫苗反应

●改变巨噬细胞浓度

丙酸盐诱导小鼠调节性T细胞的分化增殖以及白细胞介素10的表达。丙酸盐激活GPR15和GPR43还通过组蛋白去乙酰化酶6和9的表达以及抑制 NF-κB信号传导来增加结肠调节性T细胞的浓度。

丙酸盐激活GPR41会改变骨髓造血功能,导致巨噬细胞和树突状细胞前体浓度升高,并扭曲Th2分化。

✦短链脂肪酸是流感疫苗的潜在佐剂

一项调查短链脂肪酸对甲型流感病毒感染影响的研究揭示了短链脂肪酸(包括丙酸盐)通过激活GPR43来限制感染严重程度和伴随的肺炎球菌二重感染的重要作用。

GPR43被认为是甲型流感病毒进入的辅助受体

这意味着短链脂肪酸与该受体的结合抑制了病毒的进入和复制,这表明流感疫苗具有潜在的佐剂特性。

扩展阅读:你吃的膳食纤维对你有帮助吗?

胞外多糖

胞外多糖是一些特殊微生物在生长代谢过程中分泌到细胞壁外、易与菌体分离、分泌到环境中的水溶性多糖,属于微生物的次级代谢产物。

胞外多糖是单糖寡糖簇,包括形成同多糖或杂多糖的葡萄糖、果糖、半乳糖、岩藻糖和鼠李糖。

✦改变代谢物环境浓度,提供保护

这些可以分泌到肠道环境中或与亲本细菌的细胞壁有关。胞外多糖的表达增强了对宿主细胞的粘附,提供了对消化和环境压力的保护,并促进了生物膜的形成和胃肠道中的长期定植。

来自不同双歧杆菌菌株的胞外多糖可以被其他微生物发酵,从而改变代谢物环境和短链脂肪酸浓度。胞外多糖可以通过巨噬细胞和树突状细胞表面表达的特定模式识别受体(如TLR1、TLR2或TLR6)被识别为微生物相关分子模式

✦促进抗炎反应

受体的激活,取决于胞外多糖的化学物理特性(例如,分子量或电荷),导致产生不同的促炎和抗炎细胞因子谱,并以菌株特异性方式分别分化幼稚T细胞。

脆弱拟杆菌的表面多糖A可激活巨噬细胞上的Toll样受体2,并诱导调节性T细胞的扩增和抗炎白细胞介素10的产生,从而在病毒感染期间促进强烈的抗炎反应

TLRs是一种模式识别受体家族,在先天免疫反应中起着重要作用。

✦增强对病毒的抵抗力

此外,多糖A激活结肠树突状细胞的Toll样受体2和肿瘤坏死因子分泌,增强了对病毒感染的天然抵抗力。

来自长双歧杆菌BCRC14634的胞外多糖被证明可增强巨噬细胞产生白细胞介素,与同基因的胞外多糖阴性突变体相比,来自B.longum亚种longum 35624的胞外多糖显示通过抑制促炎细胞因子产生来抑制促炎性Th17细胞的扩增。

在某些情况下,胞外多糖的存在与免疫沉默效应和逃避适应性B细胞反应有关,如在短双歧杆菌UCC2003中观察到的。

此外,这种双歧杆菌菌株和胞外多糖的存在也与较低丰度的促炎IFN-γ、肿瘤坏死因子和IL-12相关。

研究表明,青春双歧杆菌IF1-03通过增加巨噬细胞分泌IL-10来增加抗炎免疫反应,增加调节性T细胞浓度,这需要通过细胞外信号调节激酶或丝裂原活化蛋白激酶和NF-κB途径激活Toll样受体2和信号转导。

值得注意的是,在青春芽孢杆菌IF1-11产生的胞外多糖的情况下观察到相反的效果,它模拟巨噬细胞分泌高浓度促炎性白细胞介素6、白细胞介素-17A 和转化生长因子-β,以及少量的白细胞介素10,随后将T细胞偏向Th17细胞。

转化生长因子-β(TGF-β)是属于一组新近发现的调节细胞生长分化的TGF-β超家族

小结

这些研究展现了依赖于菌株的胞外多糖的免疫调节能力。以前使用乳酸杆菌的工作衍生的胞外多糖表明它们可以作为新型疫苗佐剂。因此,在特定疫苗接种后需要进一步测试关注拟杆菌和双歧杆菌相关胞外多糖的作用。

细菌细胞外囊泡

细菌细胞外囊泡是球形的膜衍生结构,大小从10纳米到 400 纳米不等,其中包含来自母细胞膜和周质的各种成分。

✦功能和分布

根据其膜组成结构进行区分,其含量受环境因素(如培养条件或营养胁迫)的影响。这种影响可能导致DNA、RNA、脂多糖、酶、肽聚糖、毒素、信号分子、代谢物和毒力因子的数量质量差异

细菌细胞外囊泡并不局限于胃肠道,并且已在血液中检测到,它们可以从那里轻松进入不同的组织,包括大脑。

一项研究详细概述了不同的细菌膜外囊泡、它们的特性、功能和潜在应用。由共生细菌产生的细菌膜外囊泡有助于复杂微生物群落成员之间的合作和共养相互作用,并作为胃肠道微生物群成员与宿主之间跨界串扰的中介。

✦促进免疫反应

细菌细胞外囊泡可以激活免疫细胞并促进针对囊泡本身和亲代细胞的免疫反应。

膜脂、蛋白质(包括与微生物相关的分子模式)、危险信号和胞外多糖可以结合并激活模式识别受体和toll样受体,触发上皮细胞以外的不同免疫反应

来自脆弱拟杆菌的囊泡携带荚膜多糖A,它激活黏膜下树突状细胞上的Toll样受体2,细胞外囊泡随后以肌动蛋白依赖性方式内化,导致白细胞介素10浓度增加和T细胞极化偏斜向调节性T细胞分化。

发现表明源于拟杆菌的胞外囊泡以物种特异性的方式在人类粘膜血液树突状细胞诱导白细胞介素10依赖性免疫调节反应。

✦为疫苗提供了多种可能性

细菌细胞外囊泡的非复制性及其内在的佐剂性热稳定性以及对低pH值和酶降解的抵抗力,为疫苗设计和交付提供了多种可能性。

它们可以在不注射的情况下直接给药至粘膜部位(例如胃肠道和呼吸道),从而降低给药成本并降低与肠外分娩相关的潜在不良反应的风险

此外,含有免疫原性成分的细菌细胞外囊泡可以促进强烈的先天性适应性免疫反应,并提供大量针对传染病的保护

✦呈递抗原,降低毒性

来自病原菌的细菌细胞外囊泡已成功用于疫苗制剂,一些针对霍乱弧菌和B Neisseria meningitidis的细胞外囊泡疫苗已获得许可,其中B Neisseria meningitidis疫苗显示出针对淋球菌的潜在跨物种保护作用

其他研究表明,由微生物群成员产生的细菌细胞外囊泡,包括生物工程细菌细胞外囊泡,已被用于传递病原体的抗原。

源于拟杆菌的、表达不同鼠疫耶尔森菌抗原的细菌细胞外囊泡在体内诱导特异性强免疫反应,包括血清IgG和粘膜IgA,它们能够清除鼠疫感染

来自突变的非致病性大肠杆菌的细菌细胞外囊泡对抗原特异性T细胞反应具有佐剂特性,并降低了毒性。

总 结

人类肠道微生物群正在成为疫苗反应性的重要决定因素,其中双歧杆菌拟杆菌能够影响免疫个体疫苗免疫反应。

这两个属是发育中的健康婴儿肠道微生物群重要组成部分,但极易受到早期生活干扰的影响,例如剖腹产、配方奶与母乳以及抗生素的使用。

专注于这些促进健康的菌群,并利用它们的免疫调节特性,可能会导致更安全的方法来增强婴儿免疫力疫苗效力。使用整个细菌或其产物和代谢物来调节免疫反应的新策略是可能的,例如在癌症中观察到对免疫检查点抑制剂的反应增强

未来展望

对来自健康婴儿微生物组关键菌株及其产物代谢物有更深入的了解和表征,可以催生新一代安全、无针和经济的疫苗促进疗法。关键特征,如剂量、疫苗设计和给药时间,将是重要的考虑因素。

主要参考文献:

Jordan A, Carding SR, Hall LJ. The early-life gut microbiome and vaccine efficacy. Lancet Microbe. 2022 Sep 8:S2666-5247(22)00185-9. doi:

10.1016/S2666-5247(22)00185-9. Epub ahead of print. PMID: 36088916.

Praharaj I, John SM, Bandyopadhyay R, Kang G.

Probiotics, antibiotics and the immune responses to vaccines.Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2015; 37020140144.

Ciabattini A, Olivieri R, Lazzeri E, Medaglini D.

Role of the microbiota in the modulation of vaccine immune responses.Front Microbiol. 2019; 101305.

Hill DL, Carr EJ, Rutishauser T, et al.Immune system development varies according to age, location, and anemia in African children.Sci Transl Med. 2020; 12eaaw9522.

Parker EPK, Bronowski C, Sindhu KNC, et al.Impact of maternal antibodies and microbiota development on the immunogenicity of oral rotavirus vaccine in African, Indian, and European infants.Nat Commun. 2021; 127288.

肠道核心菌属——考拉杆菌属(Phascolarctobacterium),与减肥相关?

谷禾健康

Phascolarctobacterium,考拉杆菌属,专性厌氧革兰氏阴性细菌,可产生短链脂肪酸,包括乙酸盐和丙酸盐,并可能与宿主的代谢状态和情绪有关,在人体胃肠道大量定植。

每个人都有可能具有与其他人不同的个体特异性微生物遗传成分,并且可能从童年到成年持续存在。Phascolarctobacterium属物种在较长的时间内显示出相对较高的个体内稳定性。一项调查中国南方1-80 岁健康个体研究发现,随着年龄的增长(1至60岁),该菌数量逐渐增加,维持在高水平,但随着年龄继续增加老年人(> 60岁)的其数量反而减少)。

来自梅奥临床医学中心的研究人员研究发现比较容易减肥的人体肠道内考拉杆菌属水平较。该菌除了减肥同时也是肠道菌群动态平衡关键调节因素。

01

简介

Phascolarctobacterium 多形棒状杆菌,0.5 × 2.0 µm 至 0.5 × 5 –20 µm。在琥珀酸的存在下,小棒会变成带有多个分支的细长和碎片状的棒。革兰氏染色阴性、不运动、不形成孢子的化学有机营养物。丙酸是琥珀酸发酵的主要终产物。富马酸盐抑制其生长。在 30–37°C 时生长最快

系统发育上属于韦荣菌科,厚壁菌门。到目前为止, Succiniclasticum ruminis是最近的系统发育邻居。

DNA G + C 含量(mol %):41.4–42.3 ( Tm )

主要存在于人体肠道内,我们根据谷禾数据库认为其是基石核心菌

目前报告的3个物种如下:

Phascolarctobacterium faecium

Phascolarctobacterium succinatutens

Phascolarctobacterium wakonense

其中,Phascolarctobacterium faecium P. faecium)最早是从以有毒桉树叶为食的动物考拉中分离出来的,它可能与肠道菌群的解毒有关。因此,P. faecium可能在人体胃肠道中发挥有益作用。该菌种是一种专性厌氧和革兰氏阴性细菌,不形成孢子、不运动、分解酶,属于厚壁菌门。

它在普通琼脂上生长不良,但在培养基中添加琥珀酸盐可促进其生长。表明其利用生长需要琥珀酸

虽然在人类胃肠道的样本中经常检测到与P. faecium密切相关的未培养菌落,但文献中尚未描述从人类胃肠道中分离出Phascolarctobacterium和扩大培养物,从而限制了Phascolarctobacterium faecium相关的功能研究和临床应用。

Phascolarctobacterium wakonense从普通狨猴 (Callithrixjacchus) 粪便中分离出,他们不仅利用了琥珀酸,还利用了丙酮酸。补充丙酮酸后,他们同时产生丙酸和乙酸,而琥珀酸仅产生丙酸。

肠道菌群的遗传特异性可用来做宿主的“微生物指纹”。

研究发现人体肠道菌群的遗传特征比其相对丰度更具有个体特异性。其中Phascolarctobacterium succinatutens 的鉴别准确率达到了88%

02

哪些因素会影响其丰度

饮食模式

一项调查中国南方1-80 岁健康个体研究发现,随着年龄的增长(1至60岁),该菌数量逐渐增加维持在高水平,但随着年龄继续增加,老年人(> 60岁)的其数量反而减少。作者指出这种现象可能与饮食习惯有关。

考拉杆菌属专注于利用其他细菌产生的琥珀酸盐,同时,琥珀酸的主要生产者拟杆菌属和副拟杆菌属的丰度因高脂饮食增加,并且与体重正相关

老年人1岁以下个体消耗脂肪相对较少,体重相对较低,这可能导致拟杆菌属和副拟杆菌属减少,可用于考拉杆菌属的琥珀酸盐减少

已发现体重和脂肪量与Phascolarctobacterium丰度呈负相关,因此可以帮助预测肥胖风险

与年轻人相比,老年人群的体育锻炼较少,这可能是Phascolarctobacterium减少的另一个原因。

高脂饮食组富含拟杆菌属和Phascolarctobacterium,在人体肠道微生物群中,拟杆菌属产生乙酸和琥珀酸作为主要代谢产物。琥珀酸在肠道中的过量积累会导致腹泻,而利用琥珀酸的细菌的存在可能对人类有益。因此,Phascolarctobacterium可能和拟杆菌,尤其Bacteroides thetaiotaomicron(常栖息在人类肠道中,能够消化多糖)等菌存在共生

此外,除了Phascolarctobacterium,研究发现高脂肪饮食更有可能导致大量产生丙酸和乙酸的细菌物种,如奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)和韦荣氏球菌 (Veillonellaceae)。

淀粉类食物、谷物和奶制品,与较高Phascolarctobacterium 相对丰度。

一些小样本证据显示:

菊粉、岩藻多糖、中等剂量木糖醇可以增加Phascolarctobacterium 的丰度,但是低聚果糖的补充会降低Phascolarctobacterium。

此外,小檗碱二甲双胍可以显着增加这种菌,这反过来可能有助于这两种药物对宿主的有益作用。

与其他菌互作

人体肠道中存在多种微生物,其中一些被认为是相互作用的。大多数这些相互作用涉及细菌代谢物。考拉杆菌属Phascolarctobacterium几乎不用碳水化合物进行生长,而是使用琥珀酸盐作为底物。研究发现Bacteroides thetaiotaomicron产生的琥珀酸支持Phascolarctobacterium菌的生长和伴随的通过琥珀酸途径产生丙酸

丙酸生产的三种不同生化途径包括琥珀酸、丙烯酸酯丙二醇途径。拟杆菌属拥有琥珀酸途径,该途径也存在于Phascolarctobacterium。然而,由于缺乏延胡索酸还原酶,推测P. faecium JCM 30894 无法产生琥珀酸,这是琥珀酸途径的关键代谢物。因此,产生琥珀酸的细菌(如拟杆菌属)共存对于考拉杆菌属是必不可少的。

此外,从琥珀酸到丙酸的转化反应之一涉及甲基丙二酰辅酶 A 变位酶,它需要维生素 B12 。Bacteroides thetaiotaomicron 一些菌株缺乏维生素 B族 所需的上游基因12生物合成。

此外,发现Phascolarctobacterium与颤螺菌属一般呈正相关

在一项对 314 名中国健康青年样本的队列研究中,9 个核心属中的 8 个,包括Blautia、Clostridium、Ruminococcus、Faecalibacterium、Subdoligranulum、Roseburia、Coprococcus、Bacteroides,彼此之间呈显著正相关,而核心属Phascolarctobacterium与其他八个核心属呈负相关。综合谷禾数据库和相关研究结果:

环境条件

考拉杆菌属(Phascolarctobacterium),这些细菌与他们的种族/地理生活方式有关。通过对来自9个省份与自治区、7个民族的20个健康年轻人群的314名居民粪便进行16SrRNA测序,发现厚壁菌门、拟杆菌门、变形杆菌门和放线菌门是4种最主要的细菌门,其中,来自厚壁菌门的考拉杆菌属在人群中丰度占比较高

人体肠道微生物群是可塑的,与周围环境密切相关。医务人员在日常工作中不断与患者接触,并暴露于医院环境中,这种高风险的接触与暴露使很多病原微生物成为医务人员手部微生物群的一部分而被携带

万献尧教授团队2021年发表在《Clin Microbiol Infect》上的研究评估了医务人员与非医疗人员肠道微生物组的变化。与非ICU工作人员相比,ICU工作人员肠道内Phascolarctobacterium丰度显著增加

疾病状态

而与健康人相比,早期肝癌患者中,考拉杆菌属(Phascolarctobacterium)和瘤胃球菌属(Ruminococcus) 明显减少

重度抑郁、阿尔茨海默病(AD)、自闭症等疾病中发现Phascolarctobacterium高富集尽管疾病组内异质性也较高,因此,有必要开展大人群队列和临床验证该菌对于神经类疾病的发生和发展贡献情况。

在参与一项小型研究的复发缓解型多发性硬化症(RRMS) 患者中确定了肉类消费与其如何影响肠道细菌、免疫细胞谱和新陈代谢之间的关系。发现许多与多发性硬化症和多发性硬化症患者残疾严重程度与肠道4种细菌产气柯林氏菌、Coprococcus come、Phascolarctobacterium succinatutensSutterella wadsworthensis正相关

Phascolarctobacterium属的减少结肠炎症的存在有关。

03

健康特性

阻止艰难梭菌定植

宿主免疫在肠道微生物群介导的对艰难梭菌感染 (CDI) 的定植抗性中发挥重要作用。研究发现人类微生物群相关小鼠中的 IL-22 信号传导调节宿主糖基化,这使得消耗琥珀酸的细菌Phascolarctobacterium 能够生长。在肠道微生物群中,Phascolarctobacterium降低了琥珀酸的可用性,这是艰难梭菌生长的关键代谢物,因此阻止了艰难梭菌的生长

Phascolarctobacterium有助于肺癌的免疫治疗

免疫检查点阻断(ICB),特别是PD1/PDL1轴的阻断,为非小细胞肺癌(NSCLC)的治疗开辟了新的标准。然而,尽管临床护理取得了重大进展,但许多患者仍然对这些疗法无效。PD-L1 表达和肿瘤突变负荷等生物标志物与 ICB 疗效相关Phascolarctobacterium在具有临床益处的患者富集,并与延长的无进展生存期相关,而Dialister在进展性疾病患者中的代表性更高,其较高的相对丰度与无进展生存期和总生存期降低相关,具有独立的预后价值多变量分析。

有助于减肥

研究发现,比较容易减肥的人体肠道内考拉杆菌属(Phascolarctobacterium水平较高,因此该菌也用来预测肥胖指标。而难以减肥的人体内则小类杆菌属(Dialister)水平较高。此外,在代谢综合征女性中观察到的Phascolarctobacterium属的丰度高于代谢综合征男性

04

结语

无论健康的核心细菌是如何定义的,以及群体研究中的鉴定结果有多么不同,可以肯定的是,普遍和优势的核心细菌对于宿主肠道稳态和健康至关重要。因此,重要的是发现一个全面的核心微生物群概况,以定义健康的肠道微生物群并指导它们对宿主健康的干预。

考拉杆菌属作为我们东方人肠道的核心菌属 ,其丰度高低对于维持健康和情绪等非常重要,后续期待更多关于该菌的深入研究信息。

主要参考文献:

Wu F, Guo X, Zhang J, Zhang M, Ou Z, Peng Y. Phascolarctobacterium faecium abundant colonization in human gastrointestinal tract. Exp Ther Med. 2017;14(4):3122-3126. doi:10.3892/etm.2017.4878

Watanabe Y, Nagai F, Morotomi M. Characterization of Phascolarctobacterium succinatutens sp. nov., an asaccharolytic, succinate-utilizing bacterium isolated from human feces. Appl Environ Microbiol. 2012 Jan;78(2):511-8. doi: 10.1128/AEM.06035-11. Epub 2011 Nov 11. PMID: 22081579; PMCID: PMC3255759.

Ogata Y, Suda W, Ikeyama N, Hattori M, Ohkuma M, Sakamoto M. Complete Genome Sequence of Phascolarctobacterium faecium JCM 30894, a Succinate-Utilizing Bacterium Isolated from Human Feces. Microbiol Resour Announc. 2019;8(3):e01487-18. Published 2019 Jan 17. doi:10.1128/MRA.01487-18

Bhandarkar NS, Mouatt P, Majzoub ME, Thomas T, Brown L, Panchal SK. Coffee Pulp, a By-Product of Coffee Production, Modulates Gut Microbiota and Improves Metabolic Syndrome in High-Carbohydrate, High-Fat Diet-Fed Rats. Pathogens. 2021 Oct 22;10(11):1369. doi: 10.3390/pathogens10111369. PMID: 34832525; PMCID: PMC8624503.

Zheng YH, Xu Y, Ma HX, Liang CJ, Yang T. Effect of High-Fat Diet  on  the Intestinal Flora in Letrozole-Induced Polycystic Ovary Syndrome Rats. Evid Based Complement Alternat Med. 2021 Jun 25;2021:6674965. doi: 10.1155/2021/6674965. PMID: 34257691; PMCID: PMC8257354.

肠道菌群与蛋白质代谢

谷禾健康

↑出现以上症状,可能是身体缺乏蛋白质的信号

★ 蛋白质有多重要?

蛋白质不仅是构建人体组织的主要原料,而且对新陈代谢至关重要膳食蛋白质及其代谢产物氨基酸是人类的必需营养素

蛋白质提供能量,调节代谢;我们的皮肤、骨骼、毛发都有它的参与;当然免疫系统也少不了它。

 肠道菌群参与蛋白质代谢

肠道微生物群介导蛋白质代谢宿主免疫反应之间的相互作用,在代谢过程中发挥重要作用。

小肠细菌能代谢部分氨基酸,进而影响宿主整体氨基酸的代谢。大肠拥有更丰富的菌群和更长的蠕动时间。

一方面,进入大肠的氮营养素影响大肠菌群的代谢和群落结构;另一方面,大肠菌群也能广泛参与氮营养素的代谢与利用,生成许多代谢产物,进而影响人体健康

因此,本文详细讨论蛋白质对人体的影响,肠道菌群与蛋白质的相互作用,肠道微生物群代谢产物的影响,文末有人体对蛋白质的需求量及相关食物补充说明。

我们先来看一下蛋白质的消化分解过程。

蛋白质的消化分解

小肠上皮细胞消化膳食蛋白质,然后吸收氨基酸和肽是一个高效的过程。高可消化的蛋白质可能部分逃脱小肠的消化,大量的含氮物质可能从小肠转移到大肠。未消化的蛋白质和多肽通过肠道微生物和残留的胰腺蛋白酶进行蛋白水解,产生大量的微生物代谢物。

胃肠道中的蛋白质分解代谢物

Zhao J, et al., Curr Protein Pept Sci. 2019

这些微生物代谢物中有些是中间产物,有些是最终产物。大量的最终产物主要是短链脂肪酸、氨、多胺、硫化氢、酚类和吲哚类化合物

这些细菌代谢物中的一些可以被运输到结肠细胞,并根据其在腔内的浓度对这些上皮细胞产生有益或有害的影响。一些细菌代谢产物被输送到门脉血,对肝脏和周围器官组织产生各种生理作用(这些代谢物在健康中发挥的作用详见本文后面章节)。

肠道微生物群在膳食蛋白质分解代谢中作用

宿主饮食对肠道微生物群的分布和活性有很大影响。膳食蛋白质或氨基酸调节可作为调节发酵细菌的一种方法。

在研究不同动物蛋白质来源(牛肉、鸡肉和鱼类)对人类粪便微生物群的影响的研究中,与牛肉蛋白孵育2天后,产气荚膜梭菌的数量显著增加双歧杆菌的数量显著减少

微生物分泌的酶直接降解分解蛋白

肠道微生物群在促进氨基酸调节以及氨基酸消化和吸收过程中的分泌方面起着至关重要的作用。

蛋白质的转换主要发生在肠道中,结肠细菌降解内源性或外源性蛋白质的效率较高

拟杆菌属(Bacteroides)、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)和链球菌属(Streptococcus)在蛋白质水解过程中发挥着重要作用。

粪便微生物群与结肠微生物群具有不同的蛋白水解活性。粪便微生物的活性仅在球状蛋白质的蛋白质水解方面较

发酵过程中,复杂蛋白质首先被各种细菌肽酶、蛋白酶和内肽酶切割,释放出游离氨基酸和短肽。氨基酸和短肽然后进行发酵。蛋白质发酵产生支链脂肪酸(2-甲基丁酸酯、异丁酸酯、异戊酸酯)、有机酸、气体(H2和CO2)以及微量酚、胺、吲哚和氨。

Yadav M, et al., Arch Microbiol. 2018

肠道微生物参与氨基酸代谢

一些菌群可能在肠道中的氨基酸代谢中发挥重要作用,例如梭杆菌属、拟杆菌属和韦荣球菌,Megasphaera elsdeniiSelenomonas ruminantium.

肠道内的梭菌属细菌(赖氨酸或脯氨酸利用的基础细菌)是氨基酸发酵的关键驱动因素,而消化链球菌属细菌是谷氨酸或色氨酸利用的关键驱动因素。

其他例如瘤胃细菌,Selenomonas ruminantium, Megasphaera elsdenii, Prevotella ruminicola, Misuokella multiacidas, Butyrivibrio fibrisolvens, Streptococcus bovis等含有极为活跃的二肽基肽酶和二肽酶。

微生物从头合成氨基酸

肠道微生物群产生氨基酸方面也起着关键作用,这包括从头生物合成

例如,一些体外研究项目表明,瘤胃细菌种类,如Streptococcus bovis,Selenomonas ruminantium, Prevotella bryantii,在生理肽浓度存在的情况下参与氨基酸的从头合成

Lin R, et al., Amino Acids. 2017

体内研究还表明,微生物衍生的赖氨酸(一种必需氨基酸)被吸收并并入宿主蛋白质。在无菌和常规化大鼠体内,将15NH4CL中的15N并入赖氨酸的比较表明,检测到的所有15N赖氨酸均来自微生物来源。在后续研究中,这些研究人员确定约75%的微生物15N标记的赖氨酸被小肠吸收

此外,其他体内研究项目表明,微生物衍生的赖氨酸被吸收并整合到宿主蛋白质中。与动物研究相一致,六名健康男性的样本以15NH4Cl的形式口服15N与标记肠道微生物来源的微生物蛋白和苏氨酸有关,这些微生物来源存在于活体门静脉血流中。

对18岁以上的人样本进行了检查,这些人被提供了氮充足的饮食,并发现微生物衍生的赖氨酸和苏氨酸游离血浆赖氨酸和苏氨酸库有显著贡献。

此外,Gill等人报告说,大肠中微生物群的富集是通过与必需氨基酸(EAA)生物合成相关的基因进行的,该生物合成基于人血浆池产生的前体。

蛋白质或氨基酸摄入对肠道微生物的影响

膳食蛋白质是均衡饮食重要组成部分。人类无法合成多种氨基酸,因此这些氨基酸必须从食物中获取以维持健康。胃肠道微生物群组成和功能的差异可能是由于膳食蛋白质的变化。

进入结肠的蛋白质量和尿液中检测到的发酵代谢物量取决于蛋白质的消化率,蛋白质消化由蛋白质水平来源共同作用决定。

当进展到结肠的远端部分时,碳水化合物被消耗,pH值增加,蛋白质发酵变得更加有效。在消化过程中,蛋白质摄入量增加总是与消化率相对降低有关,通常会导致更多可发酵的大量营养物质进入结肠。

不同形式蛋白对肠道微生物群影响不同

蛋白质来源主要来自植物动物来源,每种类型都具有独特的消化率不同的降解模式,具体取决于所涉及的微生物。结肠中的细菌属参与蛋白质代谢,主要包括可能致病的拟杆菌属、大肠杆菌属和梭菌属抑制这些潜在病原体通常与通过减少肠毒素有害微生物代谢物的释放来恢复微生态系统平衡有关。

考虑到蛋白质来源在消化中的作用,动物来源的蛋白质,如乳品和动物蛋白的消化率普遍高于植物蛋白。然而,酪蛋白的热分解显著降低了蛋白质的消化率,增加了蛋白质的发酵程度。下面就详细来看蛋白质来源如何调节肠道微生物群。

植物蛋白

与动物蛋白相比,植物蛋白通常具有较低的蛋白质消化率,因为植物细胞壁不能消化。大豆和花生蛋白都在调节肠道有益细菌组成方面有积极的作用。

添加20%花生蛋白的饲粮改变了大鼠肠道菌群多样性,增加了双歧杆菌,降低了肠杆菌和产气荚膜梭菌的数量。增加的双歧杆菌有助于产生更多的微生物代谢物,包括乙酸和乳酸,导致肠道pH值降低抑制有毒代谢物,如胺和苯并吡咯。

大豆已被广泛应用于人类和动物,它可以改变肠道微生物的组成,增加了埃希氏杆菌属和丙酸杆菌。系统发育分析显示,埃希氏杆菌属与志贺菌的同源性最高,两者都能在不损害肠道黏膜的情况下调节盐和水的代谢。但大豆中含有的抗营养因子会对生产性能产生负面影响,限制了其在非反刍动物中的应用。

植物蛋白被用于动物饲料行业,因为它的价格普遍低于动物蛋白,并且在食品安全方面具有一些优势。

动物蛋白

与植物蛋白相比,动物蛋白对于牲畜来说是高度易消化的酪蛋白、脱脂奶粉和鱼粉通常用作猪的饲料,它们可以被消化成丰富的蛋白质底物并在到达大肠之前被吸收。这些动物蛋白的代谢特性有利于宿主健康,特别是,对环境应激导致仔猪断奶后腹泻预防作用及一些植物蛋白中的抗营养因子。

酪蛋白可以近端肠道中的宿主酶消化,从而减少大肠中细菌的降解。具体而言,酪蛋白可以增加乳杆菌和双歧杆菌,并减少粪便中葡萄球菌、大肠菌群和链球菌的数量。此外,酪蛋白可以调节直肠真杆菌和Marvinbryantia formatexigens的减少。

补充脱脂干牛奶可以增加总厌氧菌和需氧菌,而膳食鱼粉可以减少需氧菌,包括大肠菌群,并增加厌氧菌的数量,如乳酸杆菌属。

此外,动物蛋白的特点是 短链脂肪酸减少,肠道 pH 值和氨浓度增加

显然,蛋白质来源对肠道微生物群的影响并不一致,需要更多的研究来评估不同蛋白质类型对蛋白质消化率和代谢以及肠道微生物群组成的影响。

蛋白质摄入量与肠道菌群

膳食蛋白质的浓度是影响蛋白质发酵和肠道微生物组成的主要因素。

更高的水平和未消化的蛋白质会导致致病微生物的增加,从而增加代谢疾病的风险。

Zhao J, et al., Curr Protein Pept Sci. 2019

未被小肠吸收的残留含氮化合物将被转移到远端肠道,并被该位置微生物代谢。微生物代谢物的数量和种类均受膳食蛋白质摄入量的影响

有些微生物代谢物是有毒的,例如硫化氢、氨和吲哚化合物,并可能对宿主健康产生负面影响。有些代谢物是参与宿主各种生理过程的生物活性分子。

此外,由于肠道微生态系统的稳态破坏和有益菌的减少,高浓度的蛋白质补充会导致潜在病原体数量增加。膳食蛋白质改变的肠道微生物群,通过调节肠道屏障功能、肠道运动和免疫系统来影响宿主代谢。

结肠中过量蛋白质发酵影响肠道微生物群变化

未消化蛋白质的增加与蛋白质摄入水平高、蛋白质消化率相对降低和氨基酸组成不平衡有关。结肠中多余蛋白质的降解始于细菌蛋白酶和肽酶将蛋白质水解成较小的肽和氨基酸。这些含氮化合物会影响肠道微生物群,尤其是结肠。

稍低蛋白浓度有助于减少大肠杆菌,但蛋白浓度过低会增加潜在致病菌

相对低浓度的膳食蛋白质会减少致病菌增殖的底物量。例如,人类饮食中低浓度的蛋白质导致粘膜表面的大肠杆菌群落减少。在较低蛋白质条件下肠道微生物的变化会产生毒性较小的含氮细菌代谢物,例如多胺。

然而,当饮食中蛋白质的浓度过低不能满足宿主的基本需要时,就会增加潜在病原体的丰度,减少有益菌的数量。

具体来看一项关于蛋白浓度变化对肠道菌群影响的研究。

断奶动物

蛋白水平适量:

断奶动物饲喂100-200g/kg的膳食蛋白质时,粪便中需氧菌和厌氧菌的数量会增加,这些蛋白质水平会导致肠道中乳酸杆菌的增加以及大肠菌群和葡萄球菌减少

蛋白水平过高:

然而,当膳食蛋白质水平大于 200 g/kg 时,致病菌数量会增加,例如大肠菌群、链球菌和芽孢杆菌。

蛋白水平过低:

低浓度的膳食蛋白质会减少产丁酸菌(这些菌群是抗癌和其他肠道疾病的抗炎剂),包括乳酸杆菌、双歧杆菌、saccharolytic(糖酵解菌)。

成年动物

成年动物中,在蛋白质水平的微小变化下,肠道微生物群相对稳健。例如,当成年动物分别用 190 g/kg 和 150 g/kg 蛋白质喂养时,粪便样本中的细菌数量几乎没有差异

在成年动物中,只有当蛋白质水平发生重大变化时,才能观察到微生物群的变化。

低蛋白饮食还与低浓度的氨血浆尿素氮和回肠食糜中的短链脂肪酸含量有关。肠道中的不是来自宿主脲酶活性,而是来自蛋白水解和微生物活动。因此,回肠食糜中低浓度的氨可能表明蛋白质代谢降低

蛋白质发酵产物对肠道微生物的影响

大部分膳食蛋白质在小肠中消化,但蛋白质摄入过多会导致结肠输入量增加。结肠中多余蛋白质的降解始于蛋白质被细菌蛋白酶和肽酶水解成更小的肽和AA,这些蛋白酶和肽酶在中性至碱性pH下更为活跃。这些残余蛋白质不仅提高了肠道pH值,而且还可供结肠微生物进一步代谢。

然而,碱性pH有利于病原体增殖,对肠道健康不利。此外,由于向肠道微生物群过量供应膳食蛋白质而导致的蛋白质发酵也被视为肠道疾病发展的一个因素。

虽然有报道称结肠蛋白输注过多会产生有害影响,仍有一些争议,但似乎较低量的蛋白到达远端肠道可能会降低腹泻的发生率,并抑制病原菌的增殖,特别是在应激情况下,如感染高压。

蛋白质的发酵通常与蛋白质发酵细菌以及潜在致病菌的生长有关。通过培养基分析,至少拟杆菌属和丙酸杆菌以及各种杆菌被鉴定为蛋白水解细菌,其中一些细菌的基因组中携带丝氨酸和其他蛋白酶的基因。

氨基酸为细菌提供代谢底物

饮食和内源性来源的蛋白质和氨基酸对于肠道微生物群的生长和存活是必要。

蛋白质水解后,释放的肽和氨基酸被宿主和胃肠道中的细菌用于各种代谢活动,虽然一些细菌缺乏使用细胞外氨基酸的特定转运体。

胃肠道中许多细菌的理想氮源氨基酸和NH3,可能是因为它们缺乏必要的肽转运蛋白。然而,如瘤胃前置杆菌等细菌利用肽作为氮的唯一来源。这些肽最初被输送到瘤胃前置杆菌的细胞中,然后直接使用或水解成FAAs。通常,肽、氨基酸和NH3可用于细菌细胞成分的生产或通过各种途径分解代谢。这些过程可能对身体产生有利或不利的影响。

蛋白质摄入与肠道屏障

肠道是一个具有高度蛋白水解活性的部位,主要由微生物群介导。这些蛋白水解代谢物以及肠道微生物(可通过蛋白质水平改变)通过调节紧密连接蛋白Zonulin在调节肠粘膜屏障中发挥重要作用。

Ma N, et al., Curr Protein Pept Sci. 2017

肠道微生物通过调节紧密连接蛋白ZO-1和ZO-2的表达来影响肠道上皮屏障。研究表明,在高蛋白饮食(HPD)中增加双歧杆菌可有效缓解结肠上皮细胞膜屈曲,上调ZO-1表达,有利于紧密连接修复。

相反,低蛋白饮食(low-protein diet, LPD)或正常蛋白饲粮(normalprotein diet, NPD)通过降低肠上皮通透性,降低大肠杆菌水平,从而上调ZO-1的表达。抑制大肠杆菌生长也可上调ZO-2的表达,从而保护肠上皮细胞,修复上皮屏障

连蛋白Zonulin是唯一已知的细胞间紧密连接生理调节剂,可能是微生物群和紧密连接蛋白之间的一种可能的调节剂。

Zonulin可逆且快速地调节肠道通透性,其在遗传易感个体中的上调可能导致免疫介导的疾病。其释放将由细菌数量的变化触发。

在上皮细胞中结合其受体后,该复合物导致紧密连接的开放并增加肠道通透性。

研究人员选择了4种细菌菌株作为兴奋剂,包括3种大肠杆菌菌株和1种沙门氏菌菌株,它们都是病原体,HPD增加。它们都释放了Zonulin并改变了细胞旁通透性。同时,观察到ZO-1从紧密连接复合物重新分布到细胞单层。

此外,不同的细菌会导致不同水平的Zonulin分泌,这会在不同程度上改变肠道屏障功能,反映微生物和肠道之间的急性调节。

氨基酸不均衡会诱发肠道问题

膳食蛋白质中的氨基酸可通过调节肠道微生物群组成间接影响肠道形态。此前有研究报道,低赖氨酸玉米蛋白会导致肠道绒毛高度降低,隐窝深度加深,提示肠道黏膜的损伤是由于饲粮中氨基酸比例失衡所致。

小肠上皮细胞可将氨基酸和其他营养物质吸收到血液和器官中,营养不良对肠道微生物群的干扰和影响可能导致肠道形态受损

断奶时观察到的腹泻可以通过低蛋白质水平和平衡氨基酸组成来缓解。然而,饮食中氨基酸的不平衡可能损害肠道形态,增加腹泻风险。因此,饮食中氨基酸失衡会抑制蛋白质吸收,导致肠上皮增生。

注意蛋白过敏或不耐受诱发的肠道问题

大豆中的粗蛋白质相对较高,约为40%,主要由球蛋白组成,球蛋白由伴大豆球蛋白和大豆球蛋白组成。这些球蛋白具有免疫原性热稳定性

大豆蛋白补充剂中抗原复合物的形成,如大豆球蛋白、β-伴大豆球蛋白和免疫球蛋白抗体,可能是刺激过敏反应和腹泻的原因。大部分膳食蛋白质在消化后降解肽和氨基酸

然而,还有一种可能性是,其他分子如一种抗营养因子,可以通过肠上皮细胞进入血液和淋巴。大豆中具有抗原活性的抗营养因子可刺激宿主的免疫应答。

免疫反应由具有IgE分泌的T淋巴细胞介导,其对肠道形态具有负面影响,导致绒毛损伤隐窝细胞增殖

此外,上皮细胞中消化酶活性的降低可能与吸收功能失调和肠道微生物群组成多样性减少有关。

由于其抗原性,膳食大豆蛋白可能有利于病原体增殖,这些抗原也可能是对粪便微生物群一致性产生不利影响的因素。

对大豆蛋白的超敏反应可能导致对病原体过度生长更高易感性,主要包括蛋白质代谢细菌以及肠致病性大肠杆菌。

大豆蛋白和其他植物蛋白通常含有抗营养因子,包括可溶性非淀粉多糖含量升高,可能增加断奶仔猪腹泻的发生率。

在大豆蛋白质代谢过程中,会产生各种毒素,如组胺、尸碱和腐胺,这些毒素会破坏肠壁增加肠上皮细胞的通透性。当病原体在管腔内定植时,可能发生肠道微生态失调

大豆蛋白被认为是一种相对健康的蛋白质来源。大豆经加工处理后,抗原活性有所降低,抗营养因子显著降低。Pepsin-hydrolysate conglycinin (PTC)是一种治疗后从球蛋白中提取的小肽,具有降低高血压、抗氧化和免疫刺激等药理和生理活性。

伴大豆球蛋白是大豆贮藏蛋白的组分之一,经消化和酶处理后以PTC的形式发挥作用。PTC可以抑制病理性大肠杆菌的生长,无时间依赖性,并且在 大肠杆菌E. coli O138激发后也被激活以预防疾病。

伴胰球蛋白-胃蛋白酶水解物参与调节肠道微生物群落平衡维持肠道完整性。当肠道微生态系统的稳态受到干扰时,生物活性肽可在预防与肠道疾病相关的疾病中发挥重要作用。PTC还通过产生胃蛋白酶介导的双歧杆菌生长刺激肽促进双歧杆菌的生长。然而,PTC对E. coli O138的抑制作用的潜在机制尚不清楚,需要进一步的研究来阐明。

酪蛋白与肠道微生物群

酪蛋白具有特殊的氨基酸组成,可以诱导肠道氨基酸转运蛋白基因的转录水平。肠道微生物群的组成和功能也受到氨基酸平衡改变的影响。

CAT1

阳离子氨基酸转运蛋白(CAT1)参与赖氨酸和精氨酸的转运。研究表明,对十二指肠和回肠中的CAT1没有显著影响。相反,与空肠中的膳食玉米醇溶蛋白相比,补充酪蛋白的CAT1表达水平更高。

因此,可以合理地得出结论,酪蛋白可促进赖氨酸和精氨酸的积累,这与补充酪蛋白的赖氨酸含量高于膳食玉米醇溶蛋白的报告一致。

肠道中赖氨酸和精氨酸的变化可能有助于酪蛋白对肠道微生物群的影响。CAT1的表达随着饮食中赖氨酸水平的增加而上调

EAAC1

兴奋性氨基酸载体1(EAAC1)参与天冬氨酸和谷氨酸的转运,其作用类似于CAT1。EAAC1在十二指肠中的表达水平被膳食玉米醇溶蛋白下调,而在空肠和回肠中,补充酪蛋白的EAAC1表达水平高于玉米醇溶蛋白或大豆蛋白。

PePT1

此外,肽转运蛋白1(PePT1)的表达也受到不同蛋白质来源的调控。与植物蛋白相比,膳食酪蛋白在所有肠段都有更高的PepT1表达。

因此,具有平衡氨基酸组成的膳食酪蛋白可以促进氨基酸和肽转运蛋白的表达。这种表达可以加速功能性氨基酸在肠道环境中的运输

赖氨酸、天冬氨酸和谷氨酸在管腔中的浓度受不同蛋白质来源的不同处理的影响。这些变化可以影响特定代谢物的衍生和转化途径,改变生理功能,改变肠道内的微生态平衡。

氨基酸还通过合成细菌蛋白质以及与肠道微生物群的相互作用对微生物组成起重要作用。

菌群发酵蛋白质主要副产物

短链脂肪酸

短链脂肪酸(SCFA)是细菌在大肠内代谢的最终产物,主要成分为乙酸、丁酸和丙酸。短链脂肪酸的基质主要来自膳食纤维抗性淀粉

然而,未消化的蛋白质也是短链脂肪酸产物的底物。膳食蛋白质在大肠中释放的几种氨基酸是短链脂肪酸合成的前体。肠道微生物可以从甘氨酸、丙氨酸、苏氨酸、谷氨酸、赖氨酸和天冬氨酸中产生乙酸盐。

谷氨酸和赖氨酸可以合成丁酸,丙氨酸和苏氨酸可以合成丙酸

短链脂肪酸产物的数量和形态主要取决于营养物质的底物可得性、肠道菌群组成和肠道传递时间。短链脂肪酸是已知的氧化和使用作为燃料的结肠上皮。

此外,SCFA可以靶向游离脂肪酸受体(FFAR)配体转运到结肠肠细胞,FFAR代谢感知的激活在调节肠道脂肪沉积和营养物质吸收中发挥重要作用。

短链脂肪酸与肠道血流相互作用,促进5-羟色胺的释放,这可能受到肠道-脑内分泌轴的调节。这有助于增加肠道运动和离子转运,从而改变肠道菌群组成和免疫防御

SCFA参与多种生理过程,在维持肠道完整性、葡萄糖稳态和食欲调节中发挥重要作用。除了为结肠细胞提供能量外,丁酸盐也是SLC5A8的底物。该蛋白编码基因抑制组蛋白去乙酰化酶的活性,而组蛋白去乙酰化酶是一种表观遗传调节因子,在多种肿瘤中诱导细胞凋亡。丁酸可以通过上调宿主防御肽的表达来刺激中性粒细胞群体,有利于破坏病原体,增强抗病能力。

氨在大肠中以毫摩尔浓度存在。与远端结肠相比,近端结肠的特点是pH值低,碳水化合物含量高。因此,从升结肠到降结肠,氨浓度升高,这与远端结肠的蛋白质代谢率高于近端结肠是一致的。

大肠中的氨浓度主要是与氨基酸脱氨尿素水解有关的微生物代谢物。肠道菌群可利用氨,氨可被上皮细胞吸收。尿素在肠道内的水解是通过细菌脲酶活性进行的。

虽然幽门螺杆菌的脲酶活性已经得到了充分的研究,但关于其他大肠微生物的脲酶活性的信息却很少。最近的一项研究报道,部分氨被谷氨酰胺合成酶的活性与l -谷氨酸缩合,使谷氨酰胺合成。这是一种可能的机制,以控制氨细胞内浓度在结肠细胞。

硫化氢 (H2S)

硫化氢(H2S)是蛋氨酸、半胱氨酸等含硫氨基酸发酵产生的一种微生物代谢物。H2S也来源于无机硫酸盐和亚硫酸盐添加剂的还原,以及肠道磺胺类物质的分解代谢。

肠道微生物能够通过脱硫酶从半胱氨酸碳链中获得能量。甲硫氨酸可转化为α-酮丁酸酯、氨和甲硫醇。这些代谢物归因于一个特定的分类组的细菌,包括大肠杆菌、肠沙门氏菌、梭菌和产气肠杆菌,通常在大肠中发现。

肠杆菌、肠球菌、肠链球菌、梭杆菌和真细菌能够发酵含硫氨基酸。

多胺

多胺是由精氨酸、鸟氨酸和蛋氨酸等氨基酸前体的结肠细胞产生的聚阳离子分子。从结肠癌中分离出来的结肠上皮具有高的多胺合成能力,这可能是由于肿瘤细胞持续有丝分裂需要高的多胺。

肠道微生物可鸟氨酸、精氨酸、赖氨酸、酪氨酸和组氨酸等氨基酸前体产生腐胺、胍胺、尸胺、酪胺和组胺等多种多胺

多胺参与细菌细胞的生长、增殖、分泌和运输活动。大肠生态系统中能够产生多胺的大肠细菌有多种,包括拟杆菌属(Bacteroides)、乳杆菌属(Lactobacillus)、Veillonella、双歧杆菌属(Bifidobacterium)和梭状芽胞杆菌属(Clostridium)。因此,肠道菌群组成影响结肠多胺分布和分配的因素之一。

苯酚和吲哚

结肠中苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸等芳香族氨基酸可被特定的肠道微生物代谢为酚类和吲哚类化合物。

然而,芳香氨基酸的代谢与结肠微生物群的特定组分之间的相互作用还没有充分的研究。一些代谢产物如酚和吲哚,被怀疑为共致癌物和结肠癌促进剂

已知发酵芳香氨基酸的厌氧菌包括大肠中的拟杆菌、乳酸菌、双歧杆菌、梭状芽胞杆菌和胃链球菌。与结肠中的其他氨基酸相比,芳香氨基酸在细菌中代谢缓慢。它们可以生产一系列的酚类和吲哚类化合物作为最终产品,如对甲酚、吲哚、酚和粪臭酚。

据报道,酪氨酸可产生苯酚和对甲酚,而苯乙酸和色氨酸在人体浆发酵过程中分解为吲哚乙酸盐和吲哚

在一项研究中,远端结肠中的酚类化合物浓度增加,表明大肠远端区域的氨基酸代谢较高。吲哚和酚类代谢物的浓度取决于细菌产生率和结肠吸收率之间的平衡。酚类化合物似乎大部分被结肠内容物吸收。它们在从管腔转移到血液和肝脏的过程中部分代谢,最后通过尿液排出。

对无菌和常规小鼠血浆代谢物的对比分析表明,无菌小鼠的色氨酸和酪氨酸水平至少增加了1.5倍。涉及这些芳香族氨基酸的细菌代谢产物包括硫酸吲哚氧基、硫酸苯酯、硫酸对甲酚和苯丙酰甘氨酸,仅在常规小鼠中发现。

关于酚类和吲哚类化合物对结肠上皮细胞的影响知之甚少。体外实验表明,苯酚会降低屏障功能的完整性。需要注意的是,当苯酚浓度高于1.25 mM时,它会损害结肠上皮细胞。

如果蛋白质摄入过量,或者肠道里消化蛋白质的菌群构成不理想,那么蛋白质发酵发生的胺,硫化氢,苯酚等肠道毒素过量积累,会诱发肠道炎症,便秘,腹胀等问题,因此正确摄入适量优质蛋白对于维持肠道菌群和身体健康很重要。

蛋白质摄入要因人而异

实际上,我们摄入的一些蛋白质可以转化为葡萄糖,特别是当蛋白质的消化速度快且人体糖原储存量低时,有些蛋白质可以被微生物群发酵,特别是当蛋白质的消化速度慢时。

每个人对蛋白质的需求量各不相同,比如经常运动人群和久坐人群对蛋白质的需求量不一样,孕妇、老人、儿童、肥胖等群体都有各自不同的需求。当然,每个人的不同状态对蛋白质的需求量也都不同,比如爬山的一天,和在家刷剧的一天,也是不一样的。

因此,我们说最佳每日蛋白质摄入量取决于你的身高体重、健康状况、目标、身体活动水平。

素食主义者对蛋白质的需求较高,因为植物蛋白在生物利用度上通常不如动物蛋白。植物蛋白消化率为 60-80%,而动物蛋白消化率超过90%.

注意植物蛋白的较难消化吸收

因为植物含有抑制蛋白质消化和吸收的抗营养物质,如胰蛋白酶抑制剂、植酸盐和单宁。虽然烧熟后确实降低了抗营养物质的浓度,但并不能完全消除它们。

另外,植物性蛋白质也含有限制性氨基酸,这些氨基酸是必须氨基酸但数量太少,以至于不够蛋白质的合成所需。

注:限制性氨基酸是指食物所含必需氨基酸的量与动物所需的蛋白质必需氨基酸的量相比,比值偏低的氨基酸。比如说一种食物里特别缺少某一种氨基酸,即使其它的氨基酸含量很高,因为这个氨基酸导致它的各个氨基酸比例不平衡。人体对这种食物的吸收依然不理想,这种氨基酸就叫限制性氨基酸。

结合不同的植物性蛋白质可以帮助弥补它们各自的不足。

摄入蛋白注意其氨基酸构成

比如说,赖氨酸是最常见的限制性氨基酸,特别是在谷类中,如小麦和水稻坚果往往也含有赖氨酸作为限制性氨基酸。另一方面,豆类含有足够的赖氨酸,可以弥补,但缺乏硫氨基酸,如蛋氨酸和半胱氨酸。

蛋白质能否被人体吸收利用,还应该考虑蛋白质的氨基酸组成

因此,了解一下评估蛋白质的另一个标准:氨基酸的组成。

氨基酸组成

蛋白质由氨基酸组成,身体可以合成其中一些氨基酸,而另一些则不能。

需要但不能合成、需要从食物中摄取的九种氨基酸被称为必需氨基酸(EAA)。

氨基酸:成人的需求和不同食物的含量

World Health Organization. Protein and Amino Acid Requirements in Human Nutrition

人群范围蛋白质摄入量如何?

使用谷禾检测人群,基于肠道菌群分析营养膳食摄入构成,图中给出了蛋白质占总能量摄入的占比,正常比例在10~20%范围。可以看出0~3岁蛋白质占比较高,3~15岁蛋白质占比较低,80~100岁比例又进一步下降。

<谷禾健康肠道菌群检测数据库>

结 语

蛋白质代谢与肠道菌群密切相关。膳食蛋白质在小肠中被蛋白酶和众多肽酶代谢,膳食蛋白质释放的氨基酸可用于肠道微生物合成蛋白质。这反过来又促进了饮食、微生物群和宿主之间的氮循环和利用。

不同的细菌有不同的代谢能力,依靠我们摄入的营养物质繁殖生存,其中拟杆菌属(Bacteroides)、梭状芽胞杆菌属(Clostridium)、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、乳酸杆菌属(Lactobacillus)和链球菌属(Streptococcus)在蛋白质水解过程中发挥着重要作用。通过肠道菌群检测评估的蛋白质摄入水平显示不同人蛋白质摄入及营养占比差异很大,过高或者过低均伴随肠道菌群问题,包括过低导致潜在病原体数量增加,有益菌减少,同时导致部分氨基酸缺乏,过高又导致例如大肠菌群、链球菌和芽孢杆菌增殖,蛋白质发酵产生的副产物如,腐胺,苯酚,硫化氢等增诱发便秘,腹痛等健康问题。

除了蛋白质的摄入量,不同的蛋白形式,如植物蛋白,乳蛋白、动物蛋白以及蛋白质与其他营养摄入的相对比例构成,如膳食纤维、抗性淀粉、脂肪、微量元素等的比例都会影响肠道菌群进而反过来影响其消化降解,改变氨基酸的合成和代谢,最终影响宿主营养代谢健康。

总之,我们提倡膳食平衡,没有特殊情况不建议盲目补充蛋白粉等,建议从膳食结构调整保证营养均衡,从而使各种营养都能达到生长发育和身体健康的生理需要量,这同时要关注肠道菌群状况,因为他们是相辅相生。

常见食物中氨基酸含量见附录。

附录

供人类食用的植物性食品中总氨基酸的含量

(肽结合氨基酸加上游离氨基酸) mg/g

Amino Acids in Nutrition and Health, 2021

人类动物性食品中总氨基酸的含量

(肽结合氨基酸加上游离氨基酸)mg/g

Amino Acids in Nutrition and Health, 2021


主要参考文献:

向上滑动阅览

Abdallah A, Elemba E, Zhong Q, Sun Z. Gastrointestinal Interaction between Dietary Amino Acids and Gut Microbiota: With Special Emphasis on Host Nutrition. Curr Protein Pept Sci. 2020;21(8):785-798.

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Ma N, Tian Y, Wu Y, Ma X. Contributions of the Interaction Between Dietary Protein and Gut Microbiota to Intestinal Health. Curr Protein Pept Sci. 2017;18(8):795-808.

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肺炎克雷伯菌

谷禾健康

肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae),也称弗里德兰氏杆菌,最早是由德国微生物学家和病理学家Edwin Klebs卡尔·弗里德兰德于1882年描述的。

01 肺炎克雷伯菌简介

肺炎克雷伯菌是一种革兰氏阴性不运动的,包囊的杆状芽孢杆菌,存在于人类和非人类灵长类动物的鼻咽和胃肠道中。属于克雷伯氏菌属和肠杆菌科。兼性厌氧的,氧化酶为阴性,并从乳糖产生酸和气体。它是一种肠内细菌,在5%的健康人的肠道中可见。也可以驻留在皮肤和口腔中。

肺炎克雷伯菌可以自然存在于健康个体的肠道和呼吸道中,具有健康免疫系统的人很少发生感染疾病。

肺炎克雷伯菌的扫描电镜观察 

图源:Janice Carr/Centers for Disease Control and Prevention (CDC)

肺炎克雷伯氏菌在人宿主中有两个主要的定植渠道:上呼吸道和肠道。肺炎克雷伯菌建立定植必须与这两个位置的微生物群和免疫系统建立的防御系统抗衡

表达多种致病性因子,包括多种粘附素,荚膜多糖,铁载体和脂多糖,可逃避宿主防御。例如,荚膜多糖(K抗原)可防止吞噬作用;染色体上携带的多种抗生素抗性基因等。

科学分类

  • 界: 细菌界 Bacteria    
  • 门: 变形菌门 Proteobacteria    
  • 纲:  γ-变形菌纲 Gammaproteobacteria    
  • 目:  肠杆菌目 Enterobacterales    
  • 科:  肠杆菌科 Enterobacteriaceae    
  • 属:  克雷伯氏菌属 Klebsiella

Trevisan 1885 emend. Drancourt et al. 2001    

02 肺炎克雷伯菌的人群分布

首先我们先来看看,肺炎克雷伯菌这种菌在人群中的分布情况究竟是怎样的?

我们从谷禾健康2019年近期检测人群肠道菌群样本抽取1.3万例样本,人群共计13358人,涵盖0~103岁人群。

其中肺炎克雷伯氏菌丰度占比超过1%的人群有3765例,占比28.2%。

谷禾健康肠道菌群数据库

肺炎克雷伯菌可以逃避人体的正常保护机制。除了攻击肺和膀胱等器官外,它还引发炎症反应,从而加剧发烧和发冷等症状。

接下来我们详细了解一下,克雷伯菌感染后会有哪些症状。

03 克雷伯菌感染的症状

在新的和旧的灵长类动物中,这种细菌都与脑膜炎,腹膜炎,败血病和肺炎有关。肺炎克雷伯菌是引起肺炎的人类呼吸系统的主要病原体之一。

当细菌直接进入人体内时,通常会发生克雷伯菌感染。一旦它们进入体内并在免疫系统的防御中幸存下来,它们就会影响各种器官。疾病的症状通常取决于感染开始的位置

感染包括泌尿道、血液、脑部等。克雷伯菌的感染迹象和症状会随感染部位的不同而不同

肺部感染

这类肺炎的主要症状是发烧和发冷,由于咳嗽,可能还会感到胸部不适,呼吸急促,疲倦。如果疾病已经蔓延很多,那么可能还会遇到一些其他症状,例如咳嗽时痰液浓稠,带血,通常被称为“黑加仑果冻痰”

像肺炎球菌一样,克雷伯菌属感染肺部一般会产生大叶性肺炎有黏液状的“粘液样”外观,并且上叶的原因不明。感染会导致血性坏死,微脓肿和空腔形成。部分克雷伯菌属还会产生慢性坏死性肺炎,并伴有疤痕和肺部解剖结构扭曲。

鼻部感染

感染克雷伯氏菌会导致鼻粘膜的恶臭消散(萎缩)。

克雷伯氏菌鼻硬膜炎可引起鼻硬化症,是鼻子和喉咙的破坏性结节性炎症

眼部感染

如果肺炎克雷伯菌(K. Pneumonia)感染了血液,那么它有可能会传播到眼睛并引起严重的感染,称为眼内炎。它主要引起眼睛的白色部分发炎

在较早阶段,这种感染会导致眼睛发红和轻度至重度疼痛。除了不适,还可能会从眼睛排出白色或黄色粘液。

当感染处于晚期时,会导致视力模糊和畏光。如果不加以治疗,细菌还会扩散到大脑中,并引起其他健康并发症。

血液感染

当肺炎克雷伯菌进入血液并对其进行感染时,通常会发生细菌血症。症状可能包括发冷,发烧,发抖,肌肉酸痛,疲劳和嗜睡。可能还会出现意识变化。败血症可作为反应发生。

脑膜炎

在某些由肺炎克雷伯菌引起的眼内炎中,微生物从患者的眼睛传播到大脑,并引起细菌性脑膜炎。但是,已知这种肺炎克雷伯菌很罕见,通常发生在老年人中。

当一个人患有这种类型的感染时,他们会突然发高烧,脑膜(大脑周围的保护层)感染可引起头痛,脖子僵硬,背部疼痛,疲劳。由于急性疼痛,许多人也会感到恶心和畏光的感觉。在极少数情况下,脑膜炎会引起癫痫发作。

如果不及时治疗,在某些情况下也可能导致患者死亡。

尿路感染

当肺炎克雷伯氏菌细菌进入人的尿道(包括肾脏,尿道和膀胱)时,会引起严重的尿路感染(UTI)。

起初由克雷伯菌引起的泌尿道感染通常不显示任何明显的体征。但是,随着感染的增加,开始出现许多严重的症状。

这可能会导致尿频排尿灼热感,膀胱急迫和尿失禁。其中,尿频是最常见的一种。它还可能引起发烧、小腹和骨盆区域的疼痛或不适。

这种感染通常发生在使用导尿管一段时间的患者中。通常,它在老年妇女中更为常见。

伤口感染

如果肺炎克雷伯菌通过瘀伤进入,可导致伤口愈合延迟,发红,脓液和疼痛,发烧,疲劳。

那么它也可以感染体或皮肤的软组织。这种类型的感染发生在那些因手术和受伤导致开放性伤口的人中。

可能会感到非常恶心,但是医生不一定能马上知道感染这种菌,肺炎克雷伯菌的感染通常以与其他感染相似的症状为特征。要经过诊断测试才能确认。

化脓性肝脓肿

肺炎克雷伯菌还可以感染肝脏,并在其中引起脓性病变,它被称为化脓性肝脓肿。这种类型的感染更常见于患有糖尿病一段时间或已经服用抗生素多年的人。

患有化脓性肝脓肿的人可能出现

轻度至重度发烧、呕吐(有血或无血)、急性腹泻、经常感到恶心、右上腹部轻度疼痛。

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克雷伯菌亚种及来源

  • K. pneumoniae (肺炎克雷伯菌); 
  • K. granulomatis; 
  • K. mobilis; 
  • K. ornithinolytica;  
  • K. oxytoca; 
  • K. ozaenae; 
  • K. planticola; 
  • K. rhinoscleromatis; 
  • K. singaporensis;  
  • K. terrigena; 
  • K. trevisanii; 
  • K. variicola

克雷伯菌的其他种类包括产酸克雷伯氏菌植物肺炎克雷伯菌与肺炎克雷伯菌一起可引起人尿道和伤口感染。肺炎克雷伯菌的罕见亚种会引起特别严重的疾病。

K. ozaenae

是一种罕见的人类病原体,很少引起严重感染,被认为是萎缩性鼻炎的病因(萎缩性鼻炎:以粘液脓性分泌物、粘膜结痂和恶臭为特征)。K. ozaenae菌血症是一种罕见的临床问题。在文献中,只有十二病例报告。

K. rhinoscleromatis

可导致缓慢进展的疾病,称为鼻硬化症。在首次临床表现时,患者最初可能处于疾病的第一阶段(鼻炎),伴有鼻塞、结痂和恶臭。随着疾病进展到肉芽肿阶段,患者开始出现更明显的鼻塞、畸形、鼻衄、嗅觉障碍。

K.oxytoca

与新生儿菌血症有关,尤其是在早产儿和新生儿重症监护病房中。从新生儿菌血症患者中分离出来。

K. planticola

已从诸如小麦,水稻和玉米(玉米)等植物的根中分离出了K. planticola和某些肺炎克雷伯氏菌菌株,它们在其中起着固氮细菌的作用。

K. variicola

变栖克雷伯菌K. variicola于2004年被发现,它也存在于多种植物中,包括水稻,香蕉和甘蔗。这种细菌还已经从医院环境中分离出来,在医院中它可能像其他克雷伯菌一样,是一种条件致病菌。

Alfred Pasieka/science Photo Library 

05 肺炎克雷伯菌的传播和易感因素

肺炎克雷伯菌通常通过触摸,唾液交换和其他接触方式从一个人传给另一个人。没有被这种细菌感染的人也可以将其传播给另一个人。

它们还可以通过其他一些医疗设备传播,例如输尿管和静脉导管,呼吸机等。但是,肺炎克雷伯菌不能通过空气传播。

克雷伯菌肺炎通常发生在由于年龄,酒精滥用或糖尿病等导致免疫功能低下人群。常出现在酒精中毒或慢性肺部疾病等患者中,并且通常以医院感染的形式出现。

此外,易感因素包括营养不良,接触程度,不卫生的环境和遗传易感性等

具体易感因素如下:

1.开放性伤口

克雷伯氏菌微生物可以通过开放性伤口从一个人传播到另一个人。因此,如果有开放性伤口,那么受到这些感染的风险增加近35%。

2.酒精

酒精除了会使人醉,还会影响人的免疫系统并降低其整体能力。如果一周中的每一天几乎都喝酒,那么免疫系统可能会弱,从而增加感染肺炎克雷伯菌的风险。

3.癌症药物

通常用来治疗癌症的药物会降低人体免疫力。因此,细菌更容易在体内生长并引起感染。

4.服用抗生素

抗生素药物会降低免疫力。如果长期服用抗生素,那么感染克雷伯菌的风险就会大大增加。

5.肾衰竭

如果患有肾脏方面的疾病,那么患克雷伯氏菌感染的风险也较高。肾脏衰竭是又一个可能增加感染克雷伯菌感染的机会的原因。

6.年龄

已知衰老是最主要的因素之一,它会降低我们的免疫系统的能力。因此,肺炎克雷伯菌引起的感染通常在65岁以上的人群中更为普遍。

7.慢性肝病

肝脏有助于清洁血液中的废物成分,从而使免疫系统保持健康有活力。但是,如果一个人患有慢性肝病,肝脏就不能很好地清除血液中的废物。会降低免疫力,更容易感染细菌。

以上原因是较为常见的,当然还有一些其他原因,比如:

长时间使用皮质类固醇;  器官移植;  慢性阻塞性肺疾病;糖尿病;

使用受感染的输尿管导管;  进行重大的手术;  使用被感染的呼吸机。

06 肺炎克雷伯菌的诊断

医生可能进行病史检查,也会使用影像学检查来诊断感染(例如肺炎等),但肺炎克雷伯菌的诊断主要基于实验室检查

通常,由该菌引起的肺炎,脑膜炎,伤口感染和任何其他部位感染会感到恶心。医学评估通常着重于确定感染的原因并寻找并发症的征兆,例如脓肿。

 病 史   

医生会问是否发烧,恶心,咳嗽,呼吸困难,疼痛不适以及睡眠情况。可能还会问与患有类似疾病的人的接触情况。

 体 检   

检查将包括对体温,嗓子,呼吸音的评估,以及对腹部压痛的评估。将检查任何伤口或疼痛的皮肤区域是否发红,肿胀或发热。

影像学检查

这是最常见的检查之一,医生通常会要求患者进行这些检查以定位疾病的位置和传播。假如医生怀疑肝脏有病变,那么他会要求检查。

肺炎克雷伯菌通常会影响右上肺叶,并导致形成空腔以及引起脓液的组织死亡。这些会在胸部X射线上比较明显,这就是成像检查的原因。

根据症状可能还需要对腹部,膀胱,大脑或骨骼进行影像学检查。

诊断测试  

医生可能还需要取样,包括血液,粪便,尿液并进行微生物检测,具体取决于怀疑的感染。

甲痰样品可以检测细菌性肺炎。

检测是否有败血症可能需要血液样本

如果怀疑细菌性脑膜炎可能需要腰椎穿刺

如果伤口被感染,需要对感染区域的一小部分样本进行检测。

如果是腹泻,可能会送检粪便样本

以上样本会被送至实验室进行培养或测序,以便识别传染性细菌(及其对抗生素的敏感性)。

07 肺炎克雷伯菌的治疗及预防

抗生素治疗

如果患者感染了非耐药性肺炎克雷伯菌,通常会用抗生素治疗。可以口服或静脉注射。

医生可能会考虑的抗生素包括:

阿扎坦(aztreonam);

喹诺酮类;

第三或第四代头孢菌素,例如罗芬(头孢曲松);

碳青霉烯类,例如Primaxin(亚胺培南/西司他丁);

青霉素,例如佐辛(哌拉西林-他唑巴坦)

治疗持续时间因抗生素而异,但大致范围可能是2-14天。

此外,一定要告诉医生是否对青霉素过敏,青霉素过敏者无法服用某些抗生素。

# 抗生素耐药性 #       

肺炎克雷伯氏菌是革兰氏阴性杆菌,包裹在厚多糖胶囊中。

某些肺炎克雷伯菌已经进化,尽管可以通过单药治疗(包括青霉素或类似抗生素)有效地治疗某些克雷伯菌感染,但是对这些药物产生抗药性的生物的出现仍需要开发新的治疗方法。例如,肺炎克雷伯菌对β-内酰胺抗生素有抗性,β-内酰胺类抗生素包括碳青霉烯,青霉素和头孢菌素。

耐药性是由生物体合成称为碳青霉烯酶的酶的能力引起的,该酶会水解构成这些药物抗菌活性基础的β-内酰胺环。结果,耐药的肺炎克雷伯菌感染通常需要与结构多样的药物(例如β-内酰胺抗生素和氨基糖苷)联合治疗。

 手 术 

如果有脓肿,可能需要通过外科手术将其引流。根据脓肿的位置,这可能需要在诊所进行小手术,或者可能需要在医院进行外科手术。

通常,排脓后至少还需要几天的抗生素治疗。

其他治疗新方向——微生物群

肺炎克雷伯菌感染治疗有难度,因为大多数临床分离株均表现出对几种抗生素的抗性,从而导致治疗失败和全身性传播的可能性。

好消息是,国际顶级微生物学期刊《Nature microbiology》研究发现,成熟的微生物群推动了不同免疫防御程序的发展,从而在上呼吸道和肠道限制肺炎克雷伯氏菌在这些生态位内的定植。

肠道免疫保护取决于拟杆菌、白细胞介素IL-36信号和巨噬细胞的发育。拟杆菌的这种作用需要其保守的共生定植因子的多糖利用位点。相反,在上呼吸道,变形菌门通过IL-17A增强免疫力,但是肺炎克雷伯氏菌通过包囊IL-17A来克服这些防御进而有效定植

最终发现肺炎克雷伯氏菌的宿主间传播主要发生在其肠道贮存器中,而产生共生定植因子的拟杆菌足以通过IL-36阻止宿主之间的传播。

点此了解更多:

探索微生物前沿| 拟杆菌预防肺炎克雷伯菌定殖和传播

附录:预防感染肺炎克雷伯菌

有必要遵循所有预防措施,尤其是手部卫生。克雷伯氏菌主要通过人与人之间的接触传播,保持手部清洁是防止细菌传播的最佳方法

身体健康的人感染的几率较低,但是住院病人或免疫力低下者需要非常注意,勤洗手:

在准备食物或食用食物之前洗手;

使用浴室后洗手;

咳嗽、打喷嚏或擤鼻涕后洗手;

更换伤口敷料和绷带前后洗手;

在医院接触床头柜、床栏、门把手、遥控器和电话等表面后洗手。

早期诊断/治疗有助于降低发病率。

 主要参考文献:

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