胃肠道生物膜——共生或致病的双面派(如何形成、健康相关性和检测、治疗策略)

谷禾健康

胃肠道是众多微生物的栖息地，这些微生物既相互关联又各具特点。部分微生物以自由漂浮的形式存在于管腔中，另一些则聚集和吸附在粘膜或组织表面形成生物膜这一结构。

胃肠道生物膜是基质封闭、高度异质性和空间组织化的多微生物群落，由微生物群体及其包被的细胞外聚合物和基质网组成，它们彼此黏附或者黏附到组织或器官的表面，可以覆盖胃肠道大面积区域。

胃肠道疾病的发生与致病性生物膜有关，例如炎症性肠病、肠易激综合征、消化性溃疡病、胃炎、胃酸缺乏和胃肠道癌症。形成与疾病相关生物膜的细菌菌株包括脆弱拟杆菌、艰难梭菌、致病性和肠粘附性大肠杆菌、活泼瘤胃球菌和幽门螺杆菌。除了引起胃肠道疾病外，致病性生物膜还可能导致肠道微生物群失调、粘液破坏和上皮细胞受损。

生物膜在溃疡性结肠炎和肠易激综合征患者中非常普遍，可以在肠镜检查期间观察到这种生物膜，但许多医师可能还没有意识到它们的生物学和临床重要性。胃肠道生物膜具有保护性的细胞外基质，这使得它们对抗生素耐药性增强，变得难以治疗。

但并非所有胃肠道生物膜都是致病性的，共生生物膜使宿主获取营养效率提高，有助于肠道吸收；能够利用体内老化细胞并产生能量；还能够通过物理结构、化学成分和特定代谢活动，作为对抗环境分子、免疫细胞、捕食性原生动物和其他病原微生物的保护屏障，来限制病原菌的定植和侵袭。这种保护机制有助于维持肠道微生物群落的稳定性和抵抗力。

生物膜有希望作为胃肠道疾病和内窥镜病理检测的新型生物标志物。因此，清楚地了解体内的生物膜，然后对致病性生物膜进行治疗或对共生生物膜进行保护和修复对人体肠道健康甚至全身健康都非常重要。

本文涵盖胃肠道生物膜的形成、外观和检测、生物膜的疾病和临床相关性以及目前的一些治疗方法。未来对生物膜性质、组成和临床相关性的研究将为肠道生理学提供新的认识，并为胃肠道疾病的治疗提供潜在的新选择。

Part.1
了解胃肠道生物膜及其临床影响

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什么是生物膜？

胃肠道微生物的生物膜是由微生物群体及其包被的细胞外聚合物和基质网组成，它们彼此黏附或者黏附到组织或器官的表面，以此在生长过程中适应生存环境，是一种特殊的细菌生存形式。

▸ 肠道粘膜表面三种细菌生活方式

生活在胃肠道表面的微生物可能会采取三种不同的生活方式之一。

生活方式1：它们可以组织成一个交流细胞网络，导致一种群落行为，称为生物膜表型。

生活方式2：它们可以从生物膜中分散，并向管腔或宿主迁移，称为生物膜分散。

生活方式3：或者他们可以作为自由生活、自由漂浮的浮游表型。

细菌生活方式及其与宿主的关系

doi: 10.1038/s41575-020-00397-y.

这些微生物群的生活方式与固有特性(运动，粘附性和代谢)可以影响宿主对它们的不同反应。

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生物膜的构成

生物膜基质主要由水和生物聚合物组成，包括多糖、蛋白质、脂质和细胞外DNA，形成水凝胶状结构。

细菌细胞嵌入该基质中，共同形成生物膜。生物膜使用高效的细菌调节途径，如群体感应、严格反应和第二信使来调节生物膜的组织、结构和行为。

胃肠道生物膜外观和基质组成

Jandl B,et al.Gastroenterology.2024

(A)肠道细菌和生物膜外观；(B)生物膜基质组成

▸ 沿着胃肠道，生物膜的数量和厚度逐渐增加

在整个消化道中，生活在粘膜表面的共生微生物群由沿着纵向(中左)和横向(中右)轴的生物分层的群落组成。从胃到结肠，微生物密度和多样性增加。

粘膜微生物群在消化道形成大小不一的生物膜聚集体，在小肠中有更松散的粘附聚集体，在大肠起始处形成较为密集均匀的生物膜群落，在结肠中形成一个连续的凝胶形成层。在整个消化道中，微生物生物膜与粘蛋白聚集体和食物颗粒密切相关。

胃肠道生物膜表现为(1)具有富含粘蛋白基质的粘膜生物膜;(2)粘蛋白聚集体周围的生物膜簇;(3)粘附在食物颗粒上的生物膜;(4)这些形式的混合版本。

微生物群生物膜遍布胃肠道

doi: 10.1038/s41575-020-00397-y.

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生物膜对宿主的影响

生物膜的一些特性

doi: 10.1038/nrmicro.2016.94.

① 细菌抗生素耐药性增强，消除病原菌更困难

与自由生活的细菌细胞相比，生物膜的一大特点是对抗生素和其他抗菌素的耐药性或耐受性增强。

生物膜可以以一种称为扩散反应抑制的形式，淬灭通过生物膜扩散的抗菌物质的活性，这种抑制形式可能将抗微生物药物的有效浓度降低到不致死浓度。

受基质扩散反应抑制的抗菌剂包括有毒金属，如铜，其与Erwinia amylovora生物膜基质中的多糖络合以保护细菌免受铜胁迫。

生物膜包含大量处于”静止期”的细胞，这些细胞对许多依赖细菌细胞代谢来获得活性的抗微生物药物的敏感性降低。对于处于静止期的生物膜中的细菌，至少有1%对抗生素产生抗药性。随着时间的推移，生物膜中大量的细胞进入静止期。随着生物膜的老化，一些抗生素(万古霉素)的杀伤效率显著降低。

生物膜中细胞对抗菌剂的抗性增强另一种机制是通过水平基因转移抗性基因。例如，对几种抗生素具有抗性的基因质粒很容易转移到大肠杆菌(E.coli)和P.putida中。

doi: 10.1038/nrmicro.2016.94.

生物膜中的细菌对抗生素的耐药性增强，使得临床上治疗一些能够形成生物膜的致病菌感染更加困难。

② 获取营养效率提高，可能有助于肠道吸收

营养获取是所有生物的基本过程，生物膜具有一种非常有效的营养获取策略，超过了自由生活的细菌。

生物膜是复杂的吸附系统，在生物膜的细胞质、细胞壁和基质的胞外聚合物(EPS)中具有不同的吸附机制和结合位点，这意味着生物膜中的细胞可以捕获和积累非常广泛的营养物质，即使浓度很低。这种强大的获取能力使生物膜即使在高度缺营养的环境中也能生长。

doi: 10.1038/s41575-020-00397-y.

注意：强大的捕获能力使有毒物质也更易积累！

但生物膜的吸附不是化合物特异性的，这意味着不仅营养物质，而且有毒物质都可以在生物膜中积累，在胃肠道生物膜中发现了红霉素琥珀酸乙酯、乙酰氨基酚、酸性药物、甾体激素和4-壬基酚合物等化合物。

③ 回收裂解细胞并产生能量，有效利用体内老化细胞

当细胞腐烂和分解时，它们的碎片留在基质中，被存活的细胞作为营养物质“蚕食”。这一过程已经在枯草芽孢杆菌(B.subtilis)生物膜中进行了详细的研究。

结果表明，裂解细胞中的DNA是磷、碳和能量的来源。铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)已被证明能够在生物膜中特异性地产生细胞外DNA酶，利用裂解细胞中的DNA作为营养来源。生物膜可以被视为一个高效的细胞碎片回收利用场。

④ 作为一种保护屏障，有助于人体肠道健康

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。

无论是微生物、膳食分子、污染物还是外来生物，要么可以自由地扩散穿过生物膜并到达宿主上皮，要么被生物膜阻断，生物膜作为一个紧密的屏障。这些腔内化合物可以被生物膜过滤，生物膜只允许某些分子通过，从而起到选择性过滤器的作用。

生物膜中的细菌拥有许多竞争策略，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。

生物膜通过物理结构、化学成分和特定代谢活动，作为对抗环境分子、免疫细胞、捕食性原生动物和其他细菌的保护屏障。这种保护机制有助于维持肠道的稳定性和抵抗力。

⑤ 多微生物相互作用，维持生态平衡

胃肠道表面的微生物群包含古细菌、原核生物和真核生物和病毒。肠道生物膜内的微生物相互作用，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，可能在疾病中起着重要作用(称为失调)。

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。

⑥ 影响药物的活性，可能导致失效或效率提高

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。这种代谢功能对药物的有效性和安全性有重要影响。

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。

胃肠道内的不同环境导致不同的生物膜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。

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生物膜的生命周期

生物膜生命周期

Jandl B,et al.Gastroenterology.2024

生物膜的形成、生长和增殖是生物膜生命周期的关键部分。生物膜生命周期的三个阶段包括以下内容。

(1)起始：细菌使用表面表达的粘附蛋白、鞭毛和菌毛附着在粘膜表面或聚集体(彼此或管腔内容物)，如未消化的食物颗粒或宿主粘蛋白上，形成微菌落。

(2)发育：粘液附着的微菌落开始细胞分裂并建立由胞外聚合物(EPS)组成的EPS基质，该基质具有支持细菌共存和有效通讯的异质化学和物理微环境。

生物膜生长和发育是一个动态过程，其中管腔浮游细菌可以迁移到已建立的生物膜结构中，管腔细菌生物膜聚集体通过团聚膨胀，非表面附着的聚集体附着在粘膜生物膜上。持久性细胞形成于营养缺乏区域，通常位于成熟生物膜的核心，对环境压力和抗菌素暴露表现出高度耐受性。

(3)扩散：胞外聚合物(EPS)基质重塑有助于释放生物膜分散的聚集体，这些聚集体可以在未感染的粘液中定植。由于肠道蠕动，肠道中的扩散方向从近端区域到远端区域发生。分散的生物膜是一种独特的表型，有助于生物膜沿肠道扩展。

Part.2
生物膜的弊端—与疾病的关联

生物膜在肠道和整体健康中发挥重要作用，通过提供物理屏障、维持生态平衡、促进营养竞争和参与代谢过程等机制，有助于维持健康。

但生物膜相关感染在临床上具有重要意义，因为大多数持续性感染源于生物膜。研究发现生物膜与炎症性肠病(IBD)、癌症和胃肠道感染相关，并与分类学组成变化、抗生素耐药性提高以及病原体的生物膜分散有关。

编辑​

doi: 10.1038/s41575-020-00397-y.

研究生物膜在疾病中的作用，可能会为胃肠病学带来重要的临床发现。

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胃肠道感染

人类胃肠道可被各种肠道病原体定植，这些病原体可导致各种疾病，从无症状定植(如幽门螺杆菌)到轻度症状和自限性(如弯曲杆菌、螺旋体门和幽门螺杆菌)，以及潜在的危及生命的慢性感染(如耐药肠球菌和艰难梭菌引起的相关感染)。

◮ 病原体可以形成有害生物膜并释放毒素

多项研究表明，这些肠道病原体(如幽门螺杆菌、肠球菌、艰难梭菌和艰难梭菌)在能够有效形成生物膜。胃肠道感染的动物模型显示出有害生物膜菌落的组织学特征，这些菌落密集堆积并粘附在上皮表面，例如胃中的幽门螺杆菌生物膜，以及大肠中的空肠弯曲菌和艰难梭菌生物膜。

这些病原体在生物膜中可能释放毒素，导致局部组织的炎症和损伤，进而引发发热、溃疡等并发症。

◮ 生物膜内的病原体耐药性更强，导致持续感染

生物膜内的细菌通常对抗生素具有更高的耐药性，治疗效果降低，增加了治疗的复杂性。并且生物膜中的病原体能够抵抗宿主免疫系统的攻击，使感染难以清除，导致慢性或反复感染。

在人类肠道活检样本中，微生物群的组织学和显微镜染色显示存在致密的粘膜相关生物膜覆盖组织(例如胃溃疡中的幽门螺杆菌生物膜和直肠中的螺旋体生物膜)。

虽然研究已经确立了形成生物膜的肠道病原体与感染之间的联系，但生物膜生活方式本身对感染的慢性和持续性尚未得到充分了解，对抗这种情况的生物膜特定战略仍有待充分评估。

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炎症性肠病

越来越多的证据支持炎症性肠病(IBD)特异性粘膜生物膜通过多种途径在宿主组织中引发促炎反应。

◮ 炎症性肠病患者形成生物膜的能力更强

分类差异和粘膜相关微生物群的多样性降低与炎症性肠病相关，具体表现为克罗恩病中普拉梭菌丰度降低，而毒力大肠杆菌丰度增加；同时，溃疡性结肠炎和克罗恩病中肠毒性脆弱拟杆菌和铜绿假单胞菌的丰度也有所增加。

炎症性肠病患者的活检样本中，上皮粘附生物膜的患病率高于健康对照者。与健康组织的微生物群相比，IBD患者的粘膜微生物群在体外产生更大的生物膜。此外，肠球菌和从克罗恩病患者分离的粘附侵袭性大肠杆菌在肠上皮细胞系培养物上形成生物膜的能力更强。

◮ 炎症性肠病相关生物膜的细菌可以作为病原体

此外，来自炎症性肠病相关生物膜的生物膜分散细菌可以在体内和体外成为侵袭性病原体，这一现象可能在IBD的病理生理中起致病作用。

黏液共生微生物(如嗜黏蛋白阿克曼菌和瘤胃球菌科)的丰度改变和释放蛋白酶和糖苷酶的细菌(如卟啉单胞菌、粘附侵入性大肠杆菌和拟杆菌)的生物地理重新定位也可能促进邻近共生微生物进入肠上皮表面。

来自新发儿科克罗恩病患者多个胃肠道位置的样本显示细菌过度生长，包括肠杆菌科、巴氏杆菌科、韦荣氏菌科和梭杆菌科，以及丹毒菌门、拟杆菌门和梭状芽胞杆菌门的丰度降低，与疾病类型相关。

与健康对照相比，上皮粘附细菌越来越多地出现在IBD患者中，IBD患者微生物群产生的生物膜在大小和细胞数量上比健康受试者更突出。

◮ 可能成为炎症性肠病的生物标志物

一项对1426名溃疡性结肠炎(UC)和肠易激综合征(IBS)患者的研究发现，这些患者具有独特的生物膜特征，IBS患者的生物膜发生率为57%，UC患者的发生率为34%，而对照组仅为6%。

此外，生物膜检测呈阳性的患者钙卫蛋白水平较高，生物膜中胆汁酸积聚，这表明炎症和腹泻更严重。在显微镜下，IBD患者来自回肠、升结肠和乙状结肠的活检标本显示细菌浓度显著更高。

随着临床研究的深入，生物膜可能成为内窥镜检查和活检信号易感性及疾病严重程度更具代表性的标志物。

doi: 10.1053/j.gastro.2021.06.024.

◮ 产短链脂肪酸的益生菌抑制病原菌的生物膜

益生菌的突然下降，尤其是那些产生丁酸盐的益生菌，改变了细菌生长模式，从而促进了生物膜的产生。

体外实验表明，短链脂肪酸(SCFA)抑制生物膜的形成，包括大肠杆菌、鼠伤寒沙门氏菌、表皮葡萄球菌和戈登链球菌。并且，随着IBD的进展，SCFA的活跃生产者大大减少。因此，我们认为SCFA是生物膜形成的合理天然抑制剂，有助于解释抗生素治疗对IBD患者的双重影响。

◮ 生物膜的形成使病原菌持续存在，并加速黏膜损伤

在炎症性肠病(IBD)患者活检中经常发现的一种可能病原体是粘附侵袭性大肠杆菌(AIEC)。AIEC可以通过用蛋白酶促进粘蛋白降解来穿透粘液层。然后，它们中的很大一部分通过增加氧化代谢物的使用来竞争肠道中的共生体，这可能会引发慢性炎症和纤维化。一小部分已被证明侵入和复制人巨噬细胞和中性粒细胞，以侵入免疫反应或诱导自噬。

生物膜的形成能力可以将这些过程联系起来。首先，最近的研究显示AICE中的IV型分泌系统(T4SS)在克罗恩病中显著上调，这有助于在上皮细胞表面构建生物膜。

除了粘附和运动外，生物膜还可能与sfa/focDE和ibeA等毒力基因的表达有关。对克罗恩病相关菌株 AIEC LF82 的研究表明，巨噬细胞是生物膜样细菌群落的家园。因此，生物膜的形成使 AIEC 能够在炎症环境中持续存在，加速粘膜损伤，并产生免疫细胞相关的慢性感染库。

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慢性胃炎

在大多数情况下，慢性胃炎是消化性溃疡和胃癌的主要原因。幽门螺杆菌与胃炎在胃恶性肿瘤的发展中存在密切联系。幽门螺杆菌感染是成人慢性胃炎发展的公认病因因素(在90%以上的病例中)。

◮ 生物膜使幽门螺杆菌能在恶劣环境下生存

最初于2006年在消化性溃疡和尿素酶阳性的个体中，在胃粘膜中拍摄了胃幽门螺杆菌生物膜，胃是生物膜生长的理想环境。生物膜中的幽门螺杆菌细胞在长时间的体外培养下经历形态变化，最终进入球状物状态(幽门螺杆菌的休眠状态)，表明生物膜使幽门螺杆菌能在恶劣环境中耐受生存。

虽然在患者中发现的大多数幽门螺杆菌对治疗有反应，但一小部分细菌可能会抵抗它们的作用，导致感染继续。随着抗生素浓度的下降，幽门螺杆菌从球状恢复到螺旋状，重新填充生物膜或引起扩散。

◮生物膜使幽门螺杆菌耐药性增强，不利于彻底根除

在慢性胃炎中，幽门螺杆菌生物膜作为外部因素的物理屏障，它响应降钙素等药物改变其表面结构，从而提高环境适应能力，这可能部分解释了吞噬细胞无法根除在生物膜中发育的细菌的原因。

幽门螺杆菌在处于生物膜状态时对抗生素的耐药性增加，对克拉霉素、阿莫西林和甲硝唑表现出增强的耐药性。

此外，eDNA 可以促进微生物粘附和螯合阳离子以抑制抗生素扩散。除了上述机制外，幽门螺杆菌的表面内毒素和外膜结构可以在免疫系统的恒定压力下通过生物膜形成过程中的基因交换而改变，最终导致幽门螺杆菌疏水性降低，这进一步阻碍了生物膜的药物渗透。

临床信息进一步支持生物膜和疾病发展相关的观点。在幽门螺杆菌患者的治疗过程中，在常规治疗前用生物膜破坏剂N-乙酰半胱氨酸治疗幽门螺杆菌患者导致实验组根除幽门螺杆菌，而常规治疗组没有表现出相同的结果。

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癌症

生物膜与胃、小肠和结肠的癌症发生和发展有关。

◮ 结直肠癌患者中的生物膜比健康人更普遍

在健康的人结肠组织中，通过显微镜可以看到附着在肠上皮上的生物膜。尽管如此，厚的微生物生物膜在结直肠癌患者中比健康人更普遍，在50%的结直肠癌(CRC)患者中观察到粘液侵袭性细菌生物膜，但仅在13%的健康个体中观察到。

有趣的是，在89%的右侧结直肠肿瘤中检测到生物膜，但仅在12%的左侧结直肠肿瘤中检测到生物膜。

结直肠癌患者的生物膜相关微生物群包含多种菌株，包括具核梭杆菌(Fusobacterium nucleatum)、产肠毒素脆弱拟杆菌、产生基因毒素的大肠杆菌和解没食子酸链球菌。

◮ 生物膜通过影响炎症环境或基因诱导致癌

关于生物膜对结直肠癌的临床贡献，使用小鼠模型和人类结肠组织的研究表明，生物膜可以直接致癌，但也可以在炎症环境和遗传易感宿主的背景下参与组织转化。

对无菌小鼠的研究表明，侵袭性生物膜通过改变宿主mRNA或microRNA而致癌，特定类群的贡献对致瘤复制至关重要。具核梭杆菌可以通过在遗传易感个体中募集肿瘤浸润免疫细胞直接促进结直肠癌的发生。

产肠毒素的脆弱拟杆菌可能促进结直肠癌的发生，部分原因是通过分泌金属蛋白酶毒素导致辅助T17(Th17)细胞依赖性反应的过度激活和基因毒性氧自由基的产生。生物膜诱导致癌的其他潜在机制包括多胺(精胺和亚精胺)宿主途径的代谢组学变化，以及对粘膜相关微生物组功能变化。有益的共生微生物被更适应肿瘤微环境的机会性病原体所淘汰。

◮ 其他癌症组织附近也有异常粘附的生物膜

家族性腺瘤息肉病患者在息肉附近也有异常粘附的细菌生物膜，这些生物膜主要由编码大肠杆菌素的大肠杆菌菌株和产肠毒素脆弱拟杆菌组成。有趣的是，在该研究中，这些遗传生物膜的分类组成似乎不同于在散发性结直肠癌或健康宿主中检测到的生物膜(与散发性结直肠癌相比，明显富含黏液侵入性变形杆菌和拟杆菌)。

微生物群诱发的癌症可能不是由单一微生物引起的，而是需要一个复杂的细菌群落聚集在生物膜环境中，其中有益的共生体被病原体(如前面讨论的那些)取代，这些病原体更适应肿瘤微环境，可以发挥关键病原体的致病作用。

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Tips

并非所有肠道生物膜都是致病性的，共生生物膜有几个例子。共生生物膜可以通过竞争肠腔中的空间和营养物质以及释放抑制性代谢物(如乙酸盐或丁酸盐)来限制病原菌的定植和侵袭。

生物膜-宿主相互作用

doi: 10.1038/s41575-020-00397-y.

生物膜的共生性或致病性有时取决于单个基因(例如，翻译促炎或致癌功能)、细菌菌株上具体的生物膜内源性因子或是宿主免疫反应。

doi: 10.1038/s41575-020-00397-y.

知道了生物膜在健康和疾病中的作用后，想必迫切地需要了解目前有哪些方法可检测和控制体内生物膜，并治疗致病性生物膜。那让我们接着往下看。

Part.3
如何检测体内的生物膜

▸ 临床上用内窥镜可以看到生物膜，但不易分辨

目前临床上有经验的医师会在内窥镜检查期间看到生物膜。炎症性肠病(IBD)患者和肠易激综合征(IBS)患者在内窥镜检查下发现普遍存在生物膜。

肠道生物膜在医学界仍然是一个相当新颖的概念，生物膜经常被忽视或被认为是不完整的肠道准备。

区分生物膜和肠道残留物对于指导诊断和治疗至关重要，一般可以通过以下方式进行评估：

(1)如果可以用喷射清洗机轻松去除多余的层，则很可能是残留物；

(2)如果清洁程序很困难并且该层像膜一样粘在回肠壁上，则很可能是生物膜；

(3)由于重力，残留物通常与液体一起积聚在底部，而生物膜通常在整个肠壁周围形成360°附着层。

◮ 内窥镜会对肠道菌群平衡产生一定干扰

内窥镜等一些侵入性的方法，会对肠道菌群产生一定的干扰和影响。

谷禾通过真实案例检测并对比了做肠镜前后的肠道菌群变化：原本肠道内占极高比例的黄色拟杆菌属比例大幅压缩，罗氏菌属几乎消失不见。对应的普雷沃氏菌属以及埃希氏菌属(主要是大肠杆菌)比例快速增加，另外除了这些菌外还有大量的原占比很低的其他菌属出现。

而更大的变化出现在完成肠镜检查后，核心菌属变为埃希氏菌属、韦荣氏球菌属、梭杆菌属和瘤胃球菌属。原来的三大核心菌属占比被压缩到了5%左右。

与抗生素杀死菌群的情况类似，服用泻药将大量菌群排出同样也会导致菌群数量和丰度下降，和抗生素不同的是肠道不同部位的菌可能清除比例存在差异。肠道菌群平衡这项指标明显下降，菌群多样性也随之下降。有益菌减少，有害菌上升（虽然这可能只是暂时的）。

▸ 拓展：其他生物膜检测方法

此外还有一些方法被用于检测及了解生物膜。

聚合酶链反应(PCR)：用于直接在临床样本中检测生物膜形成的病原体。通过扩增特定区域，提供高特异性和敏感性。

荧光原位杂交：结合短荧光标记的寡核苷酸，与目标微生物的特定核糖体RNA结合，通过显微镜分析样本。

宏基因组学：通过分析整个微生物群落的基因组，识别生物膜形成的病原体。宏基因组中有大量的基因信息，对于生物膜描述更准确。

谷禾的宏基因组检测报告中，对生物膜的形成能力进行了分析评估。

刚果红琼脂试验：特别适用于检测金黄色葡萄球菌生物膜生产者。

Part.4
生物膜的控制和治疗

微生物生物膜在胃肠道内稳态的多个方面发挥重要作用。然而，在某些临床情况下，当这些生物膜受到破坏时，需要对其进行保护或修复；或在其他情况下，对于某些附着于上皮的病原体生物膜，则可能需要将其彻底清除。

因此，在开发针对生物膜的治疗性控制策略时，目前的干预措施主要可分为以下几类：(1)抑制细菌粘附；(2)抑制生物膜的形成；(3)清除成熟生物膜。

针对胃肠道生物膜的治疗干预方法

Jandl B,et al.Gastroenterology.2024

▸ 使用药物抑制细菌粘附素的表达

病原体生物膜预防策略主要侧重于抑制细菌粘附。方法包括通过引入细胞表面改变或抑制细菌粘附素表达(如curli或pili)来靶向细菌表面特性，调节生物合成，是抑制粘附的有前景靶点。

菌毛生物发生的小分子抑制剂成功地破坏了这一途径并干扰了细菌表面粘附。例如，黄烷醇杨梅素是一种具有代表性的化合物，可抑制生物膜形成。其他方法包括使用甘露糖苷等抗粘附剂来抑制粘附素的产生并减少胃肠道定植。

抗粘附素的一个关键优点是此类化合物不会影响细菌的活力，也不会根除共生细菌。然而，这种抗粘附策略的大多数体内数据是在肺部感染或伤口感染的动物模型中生成的， 其对肠道生物膜的有效性还有待研究。

▸ 使用抗生素杀死病原菌

也可以使用抗生素直接杀死病原菌，但这可能无法完全根除体内生物膜，并可能导致生物膜的持续存在和耐药性。在这种情况下，细菌虽能存活但不一定生长。

并且这可能为抗生素耐药性的产生提供条件，如通过诱变和自然选择形成的外排泵挤出抗菌剂。肠道作为复杂的多微生物环境，是遗传转移和可变亚群选择的理想场所。生物膜对抗生素治疗的持续耐受可能与慢性胃肠道感染密切相关。

▸ 使用天然化合物抑制生物膜形成

抑制胞外聚合物(EPS)基质的产生是另一种治疗策略。天然产物和小分子可以抑制基质的形成并减少细胞之间的细菌粘附和聚集。

例如，大蒜、肉桂、生姜、银杏、蔓越莓和柑橘类水果的各种提取物具有抗生物膜特性。天然衍生的生物表面活性剂也显示出抗生物膜特性。例如，鼠李糖脂包含一个与烷酸脂肪酸链相连的鼠李糖部分，可以抑制几种病原体的生物膜形成，包括变形链球菌(S.mutans)和血链球菌(Streptococcus sanguinis)。Zerumbone和α-humulene是其他天然产物，通过下调不同的外排泵相关基因和抑制生物膜形成。

氨基酸也显示出有趣的抗生物膜效应。例如，L-半胱氨酸、d-亮氨酸、d-蛋氨酸、d-色氨酸和d-酪氨酸可以单独减少生物膜生长并触发成熟生物膜的生物膜扩散。此外，当与环丙沙星共同给药时，天冬氨酸和d-谷氨酸可以抑制生物膜的形成并分散成熟的生物膜。

▸ 天然抗菌肽消除生物膜和感染

天然来源的抗菌肽(AMP)是另一类重要的抗生物膜药物，因为它们具有巨大的化学、结构和机制多样性，以消除生物膜和感染。

例如，Indolicidin是一种AMP，来源于牛中性粒细胞的细胞质颗粒，可渗透细胞壁而不破坏其完整性以抑制细菌DNA合成。

另一个例子是cathelicidin衍生的人类宿主防御肽LL-37，它可以防止细菌粘附并下调群体感应(QS)的基因。

总体而言，抗菌肽通过调节宿主免疫反应来有效地对抗生物膜。通过β-防御素1的防御素片段修饰进行优化，抗菌肽(AMP)Pam-3的开发，该肽能有效对抗胃肠道致病生物膜，而不会伤害共生菌。但抗菌肽(AMP)的一个缺点是由于酶的快速降解，其肠道稳定性较差。

▸ 使用益生菌形成“保护型”生物膜

另一种对抗胃肠道生物膜的治疗方法包括使用益生菌。

益生菌菌株的理想特性包括对肠道表面的良好粘附和在胃肠道中停留时间长，这是恢复健康的肠道微生物群和促进肠道稳态所必需的。益生菌在肠道粘膜表面形成无害的生物膜，从而可能防止病原菌的(再)定植、生物膜的形成和粘膜屏障的浸润。

例如，益生菌大肠杆菌 Nissle 1917 是治疗由肠致病性或肠毒素性大肠杆菌感染引起的胃肠道疾病的一种有前景的策略，其非致病性表现出优于病原菌株的生物膜形成能力。经过基因工程改造的大肠杆菌 Nissle 1917已被证明能够促进肠道屏障功能和上皮修复，从而增强肠道上皮完整性。

注：一些益生菌对胃肠道疾病显示出有益作用，例如感染性腹泻、抗生素相关性腹泻、肝性脑病、溃疡性结肠炎和肠易激综合征。

此外，某些具有益生菌特性的乳酸菌物种会分泌抗菌、抗粘附和抗生物膜分子，使它们能够对抗病原生物膜的定植。

▸ 使用噬菌体削弱生物膜

噬菌体是感染细菌并最终通过裂解杀死细菌的病毒。它们可以消除医疗设备上的生物膜，并且已经在各种体内感染模型中进行了研究(例如皮肤、肺和骨感染，以及败血症)。T7噬菌体通过基因工程促进糖苷酶的表达，比单独的非酶噬菌体更有效地根除大肠杆菌生物膜。

噬菌体似乎是对抗生物膜感染的有希望工具，但在应用这种工具对抗肠道中有害的生物膜之前，仍有许多问题需要解决。这些问题包括缩小噬菌体的宿主范围(如确定哪种噬菌体对特定菌株的作用更好），了解噬菌体耐药性的风险，确定宿主因子是否会使噬菌体特性失活，以及确定噬菌体制剂在人类中的长期安全性）。

▸ 纳米医学可能成为新型抗生物膜疗法

纳米医学的技术进步也可能有助于开发抗生物膜药物，因为它们解决了药物输送和疗效的挑战。纳米颗粒的大小通常在1-100nm 之间，有望用于治疗应用，尤其是肠道特异性作用。它们可以用作药物载体或直接发挥抗生物膜作用，例如基于银、铁、铜、锌、镁和稀土金属的金属基纳米颗粒。

Part.5
结语

胃肠道生物膜是一种特殊的细菌生存形式，它们彼此黏附或者黏附到组织或器官的表面，以此在生长过程中更适应生存环境。临床上通过内窥镜在回结肠区域下可见，并且在一些炎症性肠病、肠易激综合征以及胃癌和结直肠癌患者中更为常见。

但它不应该仅被视为一种病理性的慢性感染，而且还是微生物生活在粘膜表面的一种普通生活方式。微生物生物膜是许多肠道疾病病理生理的核心，但同时它们也是肠道稳态发展的关键贡献者。

需要充分表征体内肠道生物膜的组成和性质，以便更好地了解疾病相关生物膜与健康生物膜的不同结构和功能特征。这将有助于确定宿主采用何种方式以及如何应对这些生物膜。

这些微生物聚集体会不断相互作用，就像与宿主细胞相互作用一样。未来的研究必须更好地了解肠道生物膜中微生物的多样性和复杂性。通过对粪便微生物的测序可以从一定程度上反映肠道微生物群的表型以及与肠道粘膜组织的相互作用。这对于评估生物膜的病理生理作用至关重要，并可能有助于识别生物标志物以实现早期诊断和干预。这是开发更好的肠道疾病生物标志物和治疗方法的必要步骤。

主要参考文献

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肠道细菌的群体感应如何影响健康和精神状态？

谷禾健康

群体感应（Quorum Sensing，QS）是一种细胞间的通讯机制，广泛存在于细菌、微生物以及某些多细胞生物中。通过这种机制，细胞能够感知周围环境中同类细胞的密度，并根据细胞数量变化调节基因表达和行为，这种现象在细菌中尤为显著。

在胃肠道等竞争激烈且不断变化的环境中，微生物群已经开发出独特的相互交流方法。肠道菌群产生的群体感应分子调节多种细胞功能，例如毒力基因的表达、生物膜的形成、能力和孢子形成，通常仅在细胞数量达到一定密度时启动这些过程。

肠道细菌产生的群体感应分子在肠道微生物组内建立物种和菌株水平结构方面很重要，但也用于与宿主交流。

微生物之间的对话各不相同，范围从种间交流、自我对话或种内交流到来自一个属的细胞对另一个属产生的信号做出反应。无法产生自身通信信号的细胞正在“监听”其他细胞产生的信号，这种现象类似于为“窃听”。

肠道微生物群使用某些代谢物作为群体感应分子与肠上皮细胞（IEC）进行通讯。例如，金黄色葡萄球菌分泌多种毒力因子，这些因子操纵宿主的免疫系统以保护自身的生存。这些生存策略对宿主的影响通常表现为：

• 免疫功能失调
• 神经系统疾病
• 腹泻等消化疾病
• 肠道微生物组的巨大变化

虽然我们目前还不知道哪些群体感应分子与肠道和感觉神经元有最直接的相互作用，但很多证据显示它们会影响我们的生理和心理健康。

例如细菌产生的信号多种多样，包括自诱导剂 (AI)、高丝氨酸内酯(HSL)、喹啉、肽、毒素和蛋白酶。这些信号分子激活细菌细胞壁中的特定受体，并触发细胞质中调节基因表达的传感器。

注：自诱导剂（sAutoinducers）是细菌在群体中相互交流的一种信号分子。它们通过细菌的分泌进入环境，并在细菌密度达到一定水平时被其他细菌重新摄取。它使细菌能够协调其行为，例如生物膜的形成、毒素的产生和其他群体行为。

高丝氨酸内酯（Homoserine Lactones, HSL）是一类特定类型的自诱导剂，主要在革兰氏阴性细菌中发现。当HSL达到一定浓度时，它们会与细菌细胞内的特定受体结合，激活基因表达的调节机制。这种调节可以影响细菌的生长、代谢和致病性等多种生物学过程。

目前，研究很多研究已经建议可以将群体感应分子可用作辅助诊断的生物标志物：

• 炎症性肠病（IBD）
• 肠易激综合征（IBS）
• 结直肠癌（CRC）

未来，应该有可能使用 QS 生物标志物来诊断神经和精神疾病，例如：焦虑和抑郁、重度抑郁症、精神分裂症、双相情感障碍、自闭症、强迫症等。

微生物群体感应(QS)可以被视为微生物群之间的伙伴关系或协议，本文主要分享和讨论了QS在肠道细菌和肠壁中带来的变化，并探讨和总结这些通信可能对中枢神经系统和心理健康产生的影响。

01
细菌间通讯

Interbacterial Communication

革兰氏阴性菌（Gram-Negative Bacteria）

细菌是一类单细胞微生物，它们需要通过各种方式来感知周围环境，并协调自身的行为。革兰氏阴性细菌就利用一类称为自诱导剂 (Autoinducers, AI) 的小分子物质来实现这种细胞间通信。

AHL：细菌间的通用密码

其中最著名的自诱导剂是AHL(N-酰基-高丝氨酸内酯N-Acyl，Homoserine Lactones, AHL)。AHL是一种小的中性脂质分子，由高丝氨酸内酯(Homoserine Lactone, HSL) 部分和4到18个碳原子的酰基侧链组成。

不同细菌产生的AHL可能有不同的酰基侧链长度和取代基，这使得细菌能够区分彼此释放的信号分子。

AHL的合成

AHL的合成需要依赖于S-腺苷甲硫氨酸(S-Adenosyl Methionine，SAM)作为底物，由LuxI或LuxM等合成酶催化产生。有些细菌只有一种AHL合成酶，而另一些细菌则拥有多种AHL合成酶，能够产生多种形式的AHL。

AHL的产生水平受到严格调控，取决于底物的可用性

一些缺乏LuxI型合成酶的细菌会拥有”孤儿”的LuxR型受体，这些受体能够检测到同一环境中其他细菌释放的AHL信号。例如，大肠杆菌(Escherichia coli) 中的SdiA和铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)中的QscR就是这类孤儿受体的代表。

这些LuxR型受体在不同细菌中高度保守，序列同一性可达67%-84%。它们不仅存在于大肠杆菌，还广泛分布于其他肠道细菌，如肠杆菌(Enterobacter)、柠檬酸杆菌(Citrobacter)、克罗诺杆菌(Cronobacter)、克雷伯菌(Klebsiella)、沙门氏菌 (Salmonella) 、志贺氏菌(Shigella) 中。

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大肠杆菌的多种群体感应系统及其生理调控

以致病性大肠杆菌（E. coli）为例，它利用多种QS系统来调控自身的生理过程：

• AI-2信号传导系统：由LuxS酶产生的AI-2分子参与细菌间的交流。
• SdiA信号传导系统：通过抑制细胞分裂的SdiA蛋白，调节细菌的生长。
• AI-3/Epi/NE信号传导系统：参与细菌与宿主之间的通讯，帮助细菌适应宿主环境。
• 吲哚信号传导系统：通过吲哚分子调节细菌的行为。
• 细胞外死亡因子(EDF)信号传导系统：触发毒素-抗毒素系统的激活，影响细菌的生存和致病性。

其中，大肠杆菌的SdiA蛋白可以被铜绿假单胞菌产生的AHL信号分子激活。这种SdiA/AHL复合物能够增强大肠杆菌中与耐酸性相关基因的表达，对于肠出血性大肠杆菌(EHEC)在胃肠道低pH环境中存活至关重要。

此外，大肠杆菌还利用QS系统调控其毒力基因的表达、生物膜的形成、细菌运动性、III型分泌系统的活性，以及毒素和细菌纤毛的产生。

类似地，沙门氏菌的QS系统也参与调节其致病性，影响侵袭性基因的表达、鞭毛形成，以及与拉链侵袭机制相关的基因。

总之，细菌利用这些精细的群体感应系统，能够在复杂的环境中有效地感知周围情况，并协调自身的生理活动，从而增强其生存和致病能力。这种细菌间的通信机制对于理解细菌的生态和致病机制具有重要意义。

革兰氏阳性菌（Gram-Positive Bacteria）

除了革兰氏阴性菌使用自诱导剂(Autoinducer，AI)进行群体感应(Quorum Sensing, QS)外，革兰氏阳性菌也采用了一种独特的QS机制。

革兰氏阳性菌的独特群体感应机制

革兰氏阳性菌使用由5-17个氨基酸组成的小线性或环状寡肽(Quorum Sensing Peptide, QSP)进行细胞间通信。

其中，研究最多的是芽孢杆菌产生的QS系统，包括能力孢子形成因子(CSF)、五肽和七肽SDLPFEH(PapRIV)等。这些七肽是由48个氨基酸的前体肽经过NprB蛋白酶的裂解而形成的。

QSP在细胞膜上的ATP结合盒转运蛋白的帮助下被分泌到细胞外，并与膜结合的受体或细胞质传感器(如Rap、NprR、PlcR和PrgX蛋白)发生相互作用。

QSP系统在细菌中的实例

以金黄色葡萄球菌为例，其辅助基因调节因子(Agr)就是一个编码肽信号分子Agr的四基因操纵子，起到膜结合传感器的作用。Agr调节多种基因的表达，包括毒力因子、蛋白酶和成孔毒素等。

缺失agr基因（Δagr）的金黄色葡萄球菌菌株会形成生物膜，更容易引起慢性感染和菌血症。

另一种革兰氏阳性菌肠球菌也使用Fsr-QS系统，该系统由四个基因位点fsrABDC控制。一旦肽被裂解激活，就会通过跨膜激酶在细胞内进行磷酸化级联反应，从而诱导靶基因的表达。

总的来说，革兰氏阳性菌利用这种基于寡肽信号分子的QS系统，能够感知周围细菌的数量，并协调自身的生理活动，如毒力因子的表达、生物膜的形成等。这种细菌间的通信机制对于理解它们的生态和致病机制具有重要意义。

革兰氏阳性菌使用的群体感应的一般表示

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02
种间交流

Interspecies Communication

自身诱导剂-2 (Autoinducer-2, AI-2)是一种广泛存在于细菌中的信号分子，在细菌间的种间通讯和调节特定生物行为中起着关键作用。

AI-2的的合成途径

AI-2是一种呋喃硼酸酯二酯，既可以被革兰氏阴性菌，也可以被革兰氏阳性菌产生。它的合成受到luxS基因的调控。在这个过程中，首先S-腺苷同型半胱氨酸(SAH)被SAH水解酶(SahH)转化为同型半胱氨酸，然后经过Pfs和LuxS两步反应,形成中间体4,5-二羟基-2,3-戊二酮(DPD)，最终重排成AI-2分子。

AI-2在细菌中的广泛分布

值得注意的是，在超过三分之一的细菌基因组中都能检测到编码luxS同源物的基因，包括大肠埃希菌(Escherichia coli)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、空肠弯曲杆菌(Campylobacter jejuni)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)、艰难梭菌(Clostridium difficile)、芽孢杆菌属(Bacillus)、链球菌属(Streptococcus)、福氏志贺氏菌(Shigella flexneri)、幽门螺杆菌(Helicobacter pylori)、鼠伤寒沙门氏菌血清型、伤寒沙门氏菌血清型、双歧杆菌属(Bifidobacterium)、乳酸菌属(Lactobacillus)、真杆菌属(Eubacterium)、罗氏菌属(Roseburia) 和瘤胃球菌属(Ruminococcus) 。

这表明：

AI-2系统在细菌的种间通讯中扮演重要角色

例如，大肠杆菌、肺炎链球菌等细菌就利用AI-2系统来调节编码细菌素产生的基因表达。

双歧杆菌也使用AI-2信号来对抗沙门氏菌的感染。此外，AI-2还可能参与调节细菌的运动性、生物膜形成等行为。

有趣的是，在肠道微生物群落中，AI-2信号也被用来帮助细菌应对胃肠道中的各种应激条件。研究发现，通过调控AI-2水平，可以在抗生素治疗后帮助恢复肠道微生物的平衡。但这需要谨慎控制，因为AI-2的细胞内水平受到LsrK激酶的调节。

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AI-2在调节肠道微生物群中的应用

一种经改造的大肠杆菌菌株随着 AI-2 的产生增加，导致链霉素抑制的厚壁菌门恢复，并抑制拟杆菌门的生长。从这些发现可以推断，AI-2 可用于在抗生素治疗后恢复肠道微生物群的平衡。如果遵循这种策略，则必须仔细控制，因为 AI-2 的细胞质水平受 LsrK 激酶调节。

厚壁菌门和拟杆菌门种群的变化会改变 SCFA 的水平和组成，进而影响基因表达、细胞因子分泌和调节性 T 细胞诱导。所有这些变化都会影响炎症反应。因此，AI-2 水平的增加可以恢复厚壁菌门和拟杆菌门之间的平衡，并预防或逆转菌群失调、IBD、肥胖、自闭症和压力相关疾病。

利用AI-2来维持肠道微生物平衡，可以但需谨慎

一方面，AI-2确实可以帮助调节肠道细菌的行为，如影响细菌素的产生、生物膜的形成等。但另一方面，高浓度的AI-2也可能上调某些细菌的毒力因子，如增加粪肠球菌噬菌体的释放和基因转移。

在小鼠实验中，AI-2的给药虽然没有影响细胞因子的表达，但却加重了铜绿假单胞菌的肺部感染。这表明，单纯依赖AI-2来维持肠道稳态的做法可能会带来意想不到的后果。

AI-2受体的多样性及其生理影响

目前已经确定了两类AI-2受体，分别是LuxP和LsrB。这两种受体在结构上存在差异，序列相似性仅为11%。它们广泛分布于变形菌门、芽胞杆菌等细菌中。

其他肠道细菌可能也使用类似的受体来感知AI-2信号。有趣的是，有些细菌即使没有这些典型的AI-2受体，也能对AI-2产生反应，这可能涉及其他未知的感知机制。

此外，AI-2信号还可能影响细菌的耐药性等重要生理过程。同时，在结直肠癌相关肿瘤中也检测到AI-2水平的升高，这与肿瘤相关巨噬细胞中TNFSF9基因表达的增加相关。这提示AI-2可能是结直肠癌的一个重要生物标志物，值得进一步研究。

03
细菌王国间通信

Interkingdom Communication

细菌利用复杂的群体感应系统来感知周围环境，并协调自身的生理活动。除了前面提到的自身诱导剂-2(AI-2)外，细菌还使用其他类型的信号分子进行细胞间通讯。

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AI-3信号系统在肠道病原体中的作用

其中，自身诱导剂-3(AI-3)/肾上腺素(Epi)/去甲肾上腺素(NE)界间信号系统在一些重要肠道病原体中发挥关键作用。这种信号系统可以促进鼠伤寒沙门氏菌、啮齿柠檬酸杆菌和肠出血性大肠杆菌(EHEC)等细菌的毒力基因表达。

以EHEC为例，它利用一种双组分QS系统(TCS)来感知和响应这些环境信号分子。该系统由QseBC和QseEF两个TCS组成。当EHEC感知到Epi、NE、AI-3、岩藻糖或乙醇胺等信号分子时，会激活跨膜组氨酸激酶受体，进而激活或抑制相应的反应调节因子。

例如，QseC组氨酸传感器可以激活QseB，QseB则调节鞭毛基因的表达，同时抑制参与岩藻糖代谢和毒力基因表达的fusK/-R基因。

QseC还可以磷酸化KdpE反应调节因子，与Cra蛋白一起刺激LEE操纵子中的基因，从而促进EHEC的黏附和毒力因子的注射。此外，QseC还可以激活QseF，进而诱导志贺毒素的产生。

细菌群体感应系统对宿主免疫的影响

另一方面，铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）产生的 3-oxo-C12-HSL（下图）在上皮细胞和免疫细胞中积极转运，并通过抑制编码紧密连接蛋白(TJ)的基因表达来破坏肠壁的通透性。这导致occludin、tricellulin、ZO-1、ZO-3、JAM-A、E-cadherin、β-catenin的重新排列（错位），并阻止粘蛋白的产生。

这不仅使上皮细胞受到感染，还会激活粘膜免疫系统，导致白细胞增加和促炎细胞因子的积累。此外，3-oxo-C12-HSL 还抑制肿瘤坏死因子 TNF-α 和 IL-12 的产生，导致 T 辅助细胞-1（Th1）反应功能障碍，并刺激 Th2 产生免疫球蛋白 G1。

抑制 Th1 和 Th2 T 淋巴细胞分化会增加细胞因子的产生 ，加剧氧化应激，刺激细胞凋亡并灭活线粒体。这些细菌间通信机制的研究，有助于我们更好地理解和预防细菌性疾病的发生。

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铜绿假单胞菌产生的 3-oxo-C12-HSL诱导各种细胞类型（包括上皮细胞）的细胞凋亡；破坏紧密连接并减少粘蛋白的产生。

3-oxo-C12-HSL与3-氧代-C12:2-HSL对肠壁影响相反

结构相似的 3-oxo-C12-HSL、3-oxo-C12:2-HSL 对肠壁具有相反的作用。

3-oxo-C12:2-HSL不是破坏上皮细胞的稳定性，而是保护紧密连接蛋白occludin和tricellulin以及细胞质ZO-1免受促炎细胞因子（如干扰素-γ γ）、TNF-α和IL-8的侵害。

3-oxo-C12:2-HSL在肠道免疫细胞中的作用及对IBD的潜在影响

除了一些开创性研究外，3-oxo-C12:2-HSL 对人类肠道免疫细胞的影响在很大程度上仍然未知。

在诊断为IBD的患者中，3-oxo-C12:2-HSL的浓度要低得多。这表明 3-oxo-C12:2 HSL 在保护暴露于免疫冲击的上皮细胞中起重要作用。需要进一步的研究来确定 3-oxo-C12:2-HSL 是否可以用于治疗 IBD。这也需要更好地了解 3-oxo-C12:2-HSL 群体猝灭、AHL 裂解和高丝氨酸内酯（HSL）环水解所涉及的过程。

到目前为止，已在人类和其他哺乳动物的GIT中鉴定出三种参与HSL环水解的对氧磷酶（PON1、PON2和PON3）。其中，PON2 最活跃，主要在空肠中表达 。PON1 和 PON3 在诊断为克罗恩病和溃疡性结肠炎患者中的表达水平较低 。

因此，这些胃肠道疾病有可能通过恢复 PON1 和 PON3 水平来逆转。需要深入研究对氧磷酶在 GIT 不同领域中的作用，以及它们在治疗胃病中的可能应用。

04
肠道细胞与细菌信号分子的相互作用

肠道是人体与外界环境直接接触的重要器官，也是细菌与宿主细胞进行密切交流的场所。除了前面提到的自身诱导剂-2(AI-2)和自身诱导剂-3(AI-3)等细菌信号分子外，肠道细胞还能感知和响应其他细菌代谢产物。这些相互作用对维持肠道健康至关重要。

宿主对细菌信号的感知机制

首先，肠道细胞表达一些重要的受体，如：孕烷X受体(PXR)、过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR)，这些受体能够感知细菌代谢物，并调节宿主细胞的基因表达，参与解毒、代谢和炎症反应的调控。

例如，PPARγ可以抑制巨噬细胞的活化，减少炎性细胞因子的产生，从而有助于缓解炎性肠病。

细菌-宿主信号相互作用网络

另一方面，细菌也能感知和利用宿主细胞的信号分子。例如，假单胞菌产生的PQS和HHQ信号分子，能够与淋巴细胞、树突状细胞和巨噬细胞相互作用，抑制宿主的先天性和适应性免疫反应。

作为应对，宿主细胞则通过激活芳烃受体(AhR)来感知这些细菌信号，并启动有益的免疫反应，如IL-22和IL-17的表达。

此外，枯草芽孢杆菌产生的CSF信号分子，能够与肠道上皮细胞表面的OCTN2转运蛋白结合，激活HSP-27，从而促进肠道屏障的完整性。一旦进入细胞，CSF还可以作为一种”报告器”，监测肠道微生物群的变化。

总结下，肠道细胞与细菌之间存在复杂的信号交流网络。宿主细胞通过感受细菌代谢物来调节自身的生理活动，而细菌也能利用宿主信号分子来调控自身的行为。这种跨界的“窃听”行为，体现了宿主-微生物之间精细的相互调控机制，对维持肠道健康至关重要。进一步研究这些相互作用过程，有助于我们更好地理解和调控肠道微生态平衡。

PapRIV

由芽孢杆菌产生的 PapRIV 穿过胃肠道，尽管速度很慢，并进入循环系统，大多数肽（87%）从那里以单向方式穿过 BBB（血脑屏障）。从体外研究中可以推断，PapRIV 激活小胶质细胞，因此可能在肠-脑相互作用中发挥作用。

氨基酸

根据2020比利时一项研究，氨基酸天冬氨酸和脯氨酸在小胶质细胞的激活中起关键作用。apRIV还诱导促炎细胞因子IL-6和TNFα的产生，增加细胞内ROS并刺激阿米巴样细胞的增加。丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）产生的自体诱导肽（AIP）比肺炎链球菌产生的 AIP 更容易穿过（血脑屏障）。

自诱导肽 AIPs

自诱导肽(Autoinducer peptides, AIPs)是细菌用于细胞间通信的一类信号分子。它们在细菌群体感应中起重要作用。

革兰氏阳性菌穿过肠壁产生的AIPs已在Caco-2细胞的体内研究中得到证实。该研究表明，胃肠道中葡萄球菌(Staphylococcus)、链球菌（Streptococcus）、乳酸杆菌（Lactobacillus）和芽孢杆菌（Bacillus）产生的AIPs对肌肉细胞具有促炎和抗炎作用。

这些屏障的穿越似乎取决于肽的结构和大小。信号肽降解过程中产生的可扩散小分子，称为可扩散信号因子(DSF)，也可能起到自诱导剂的作用。

肠道细菌产生的信号由肠壁中的特殊细胞记录（下图），导致身体或心理健康发生暂时或持久的变化。这些细胞通过使用模式识别受体 （PRR）区分本地（地方性）和外来、潜在致病性微生物群产生的信号。

AHL

细菌在生长过程中会产生各种化学信号分子，比如AHL(丙酰基-亮氨酸同系物)。这些信号分子可以被宿主细胞感知到，并引发一些生理反应。

比如，AHL可以增加中性粒细胞的活性，促进成纤维细胞向肌成纤维细胞的转化。这些变化对于组织的修复和再生非常重要。

宿主细胞有一些专门的受体，可以识别这些细菌信号分子。其中包括Toll样受体(TLR)和Nod样受体(NLR)，它们可以感知细菌细胞壁的成分。还有一些G蛋白偶联受体(GPR)，它们可以感知一些与激素相关的信号分子。

这些受体广泛存在于肠道的免疫细胞、上皮细胞和间质细胞等，在调节炎症反应和维护肠道屏障功能中起重要作用。

总的来说，细菌通过释放各种化学信号分子，可以与宿主细胞进行”对话”（下图），影响宿主的免疫反应和组织修复。这种细菌-宿主之间的相互作用，对于维持肠道健康非常关键。我们需要进一步研究这些复杂的交互机制,以更好地理解和调控肠道微生态平衡。

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肠壁中的肠内分泌细胞 （EEC） 检测肠道细菌和微生物代谢物，并通过分泌与免疫细胞反应的肽激素和细胞因子来做出反应。EEC 产生的激素调节肠道屏障功能并与肠神经反应。后者通过迷走神经与中枢神经系统进行交流。

芳香烃受体 AhRs

AhRs 调节免疫反应和发病机制（下图）。大量的AhR由肠上皮细胞和免疫细胞（如先天性淋巴细胞、上皮内淋巴细胞、TH17细胞和Treg细胞）表达，但也存在于肝脏、肺、膀胱和胎盘中。AhR 的关键功能之一是恢复屏障稳态，这是 IBD 中突出的现象。

芳烃受体(AhR) 通路总结

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AhR

芳香烃受体在维护肠道健康中的关键作用

芳香烃受体(Aryl hydrocarbon Receptor, AhR)是一种重要的细胞内受体蛋白，在人体内广泛分布，尤其集中于肝脏、肠道和免疫细胞等组织。

AhR的基本功能

AhR能够感知和结合各种芳香烃类化合物，包括细菌代谢产物、环境污染物等。

当AhR与这些化合物结合后，会进入细胞核内,调控一系列基因的表达，参与解毒代谢、免疫调节、细胞分化等重要生理过程。

AhR与疾病的关联

例如，AhR可以感知细菌产生的PQS信号分子，并激活一些有益的免疫反应，如促进IL-22和IL-17的表达，增强肠道屏障功能，维持肠道微生态平衡。

研究发现，在炎症性肠病(IBD)、代谢综合征或乳糜泻等疾病患者中，粪便中AhR配体的浓度较健康人明显降低，AhR活性也相应降低。而在艰难梭菌感染患者中，则检测到更高的吲哚浓度。

AhR可以被多种细菌代谢产物激活，包括色氨酸降解产物(吲哚、吲哚并[3,2-B]咔唑、吲哚乙酸等)以及假单胞菌产生的2,4-二羟基喹啉、喹诺酮衍生物等。

这些AhR配体的浓度在炎症性肠病、代谢综合征和乳糜泻患者中较健康人有所降低，提示AhR活性的降低可能与这些疾病的发生有关。

AhR在调节肠道屏障和免疫稳态中的作用

AhR参与调节肠道屏障完整性、免疫稳态、上皮内淋巴细胞的产生和存活、炎症反应以及肠道菌群密度等多个关键过程。

通过调节紧密连接蛋白的表达、促进IL-22和IL-10的产生、诱导抗菌肽分泌等，AhR在维持肠道健康中发挥重要作用。

在炎症性肠病患者中，AhR水平降低，尤其是在回肠部位，可能导致ILC1细胞增多，进而促进炎症因子IFN-γ和TNF-α的产生，破坏肠屏障。

AhR配体的来源与饮食影响

色氨酸是AhR配体的重要来源，但人体无法自行合成，需要从饮食中摄取。富含色氨酸的食物包括腰果、向日葵籽、奶酪、鸡胸肉和煮鸡蛋等。

因此，饮食中色氨酸的摄入量可能影响AhR配体的水平，进而影响肠道健康。

05
群体感应可以用于控制微生物感染吗？

耐药菌与群体淬灭技术的兴起

五年前，世界卫生组织公布了一份对目前使用的抗菌剂最具耐药性的病原菌清单。下列物种在名单上名列前茅：

• 鲍曼不动杆菌（Acinetobacter baumannii）
• 铜绿假单胞菌（P. aeruginosa）
• 对碳青霉烯类耐药的肠杆菌
• 产生超广谱β-内酰胺酶(ESBLs)

这促使许多科学家研究使用抗QS疗法（称为群体淬灭（quorum quenching，QQ）来预防或控制细菌感染的可能性。近年来，许多已发表的文章报道了有希望的结果，表明与抗生素共同处理时，可以降低微生物的致病性并且更容易根除。

2020年，天津大学的研究团队发现，可以利用QS信号分子丙酰基-亮氨酸同系物(AHL)来控制革兰氏阴性细菌引起的感染。这种方法的关键是要破坏QS对细菌毒力基因表达的调控作用。

群体淬灭的应用效果与风险

当应用群体淬灭时，粘膜相关病原体减少了约60%，主要是梭菌属（Clostridium）。尽管从感染管理的角度来看很有希望，但这种剧烈的变化可能导致促炎性疾病的发展，如囊性纤维化、硬化症和IBD，以及肠球菌（Enterococcus）和艰难梭菌（C. difficile）细胞数量的增加。

也许最令人担忧的是，在luxS QS系统功能失调或缺失的细菌中，细胞聚集和生物膜形成增加的证据，如幽门螺杆菌、霍乱弧菌(Vibrio cholerae)、放线菌集聚杆菌(Aggregatibacter actinomycetemcomitans)、胸膜肺炎放线杆菌(Actinobacillus pleuropneumoniae)、副猪嗜血杆菌(Haemophilus parasuis)、金黄色葡萄球菌(S. aureus)、表皮链球菌(S. epidermidis)、变形链球菌(Streptococcus mutans)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)。美罗培南和左氧氟沙星刺激鲍曼不动杆菌(A. baumannii)外排泵的表达，促进AHL的释放，导致QS介导的生物膜形成增加。

群体淬灭技术的局限性与挑战

实际应用中也存在一些挑战。有研究报告，使用群体淬灭方法治疗铜绿假单胞菌和金黄色葡萄球菌感染的效果有限，特别是在生物膜相关感染中。这可能是因为QQ会导致细菌群落结构的剧烈变化，反而促进了一些致病菌的生长，如艰难梭菌等。

此外，一些细菌在缺失LuxS等QS系统时，反而表现出更强的细胞聚集和生物膜形成能力，这可能导致难以根除的持久性感染。一些抗生素如美罗培南和左氧氟沙星，也可能通过刺激细菌外排泵表达，促进AHL释放，增强QS介导的生物膜形成。

因此，单纯使用群体淬灭技术可能并不能完全解决细菌感染问题。研究人员建议，在使用群体淬灭疗法时，还需要结合具体的细菌感染情况，评估其与抗生素联合使用的效果。

此外，细菌也可能通过一些机制，如外排泵基因突变，对群体淬灭疗法产生耐药性。这可能导致难以根治的持久性感染。

06
群体感应对中枢神经系统和心理健康的影响

群体感应分子对中枢神经系统的影响研究不足。几种QS peptides（群体感应肽分子，QSP）可通过肠粘膜扩散并进入循环系统，从那里它们可以穿透血脑屏障（BBB）。基于这些发现，QSP 可能在肠道微生物组和大脑之间的交流中发挥关键作用。如果是这种情况，QSP 可能会影响神经发育并引发神经退行性疾病。需要进一步的研究来证实这些发现。

金黄色葡萄球菌外毒素对神经系统的影响

金黄色葡萄球菌产生的外毒素激活转录因子辅助基因调节因子(Agr)A，该调节多种基因的表达，包括毒力因子、成孔毒素(PFT) 和细菌蛋白酶。这些毒素会增加细胞内的钙水平，导致感觉神经元的激活。

金黄色葡萄球菌产生的一种毒素叫做PSMS，它能特异性地结合到宿主细胞表面的一种受体叫做FPR(甲酰肽受体样蛋白)。

FPR与另外两种受体b-防御素和MRGPRX2(mas相关G蛋白偶联受体X2)的配体有结构相似性。这表明，MRGPRX2可能也参与了PSMS引起的皮肤过敏等症状。

此外，FPR在肠道感觉神经节和背根神经节中有广泛表达，并与肠-脑轴(GBA)中涉及群体感应依赖性通路有关。

此外，金黄色葡萄球菌产生的毒素叫做α-溶血素(Hla)，它也能通过增加细胞内钙的转移来激活神经元。与PSMS相比，Hla在细胞膜中形成的孔更小、破坏性也更小。

总之，肠道病原菌类似于金黄色葡萄球菌产生的这些毒素，通过作用于宿主细胞表面的不同受体，如FPR和MRGPRX2，从而引起神经元的激活，导致疼痛、过敏等症状。这些毒素在肠-脑轴通信中也可能发挥重要作用。

根据英国和澳大利亚联合的一项研究结果表明：与PSMS相比，Hla在细胞膜中产生更小、破坏性更小的孔。作者还观察到了 Adam10 的表达，Adam10 是一种在感觉神经元中产生的膜结合金属蛋白酶，Hla 与该酶结合。外毒素在肠脑轴通信中的重要性尚不清楚。

然而，由于金黄色葡萄球菌（S. aureus）与肠易激综合征和食物有关，这些QS分子有可能直接调节肠-脑通讯和肠道反射。

上面这篇研究在6种不同的神经元细胞系上筛选了85个群体感应肽，发现了22个可能对肠脑轴有影响的肽。其中，4 个肽诱导神经突生长，2 个肽抑制神经生长因子（NGF）诱导的神经突生长，8 个肽诱导人 SH-SY5Y 神经母细胞瘤细胞的神经突生长。2 个肽杀死 SH-SY5Y 细胞，6 个肽诱导 IL-6 表达或一氧化氮（NO）产生。

细胞壁成分在肠脑轴中的作用

已经发表了几篇关于细胞壁成分（如脂多糖、多糖和肽聚糖）在神经元激活和肠脑轴中的作用的报道。细胞壁成分还诱导神经肽、ATP 和细胞因子的释放。短链脂肪酸、色氨酸、微量胺和外毒素也具有神经调节剂特性。

5-羟色胺和组胺刺激神经末梢附近的肥大细胞。

阿尔茨海默病(AD)、自闭症谱系障碍(ASD)、多发性硬化症(MS)、帕金森病(PD) 和肌萎缩侧索硬化症(ALS)等神经元疾病与功能失调的小胶质细胞有关。

将患有注意力缺陷多动障碍(ADHD)、阿尔茨海默病和帕金森病的人类粪便移植到小鼠身上，激活了大脑中的小胶质细胞，并加剧了认知和身体损伤。

这些发现以及更多证据表明微生物群失调与神经发育、神经退行性和精神疾病（如自闭症谱系障碍、精神分裂症、阿尔茨海默病、重度抑郁症和帕金森病)之间存在明确联系，促使研究人员更仔细地研究肠脑轴。

有关肠道细菌和神经递质的更多信息，读者可关注谷禾健康以往其他分享文章。

扩展阅读：

肠道菌群检测报告解读——肠道菌群代谢产物包括激素，神经递质等

兴奋神经递质——谷氨酸与大脑健康

07
结 语

胃肠道特殊的环境下生存着海量的细菌微生物，因此它们已经开发出与宿主细胞交流的机制也就不足为奇了。

一些群体感应分子是属特异性的，但少数被革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌使用。Epi 和 NE 等激素以及某些碳水化合物（例如岩藻糖和 EA）激活细菌中的特定受体，进而触发细胞质中的传感器以调节基因表达。

在健康的胃肠道中，这些信号分子对于维持稳态状态很重要。一些 QS 分子，如 3-oxo-C12：2-HSL，保护紧密连接蛋白，在治疗肠漏综合征中可能很重要。

一些 QS 分子刺激肿瘤生长并与特定癌症的发展密切相关，而另一些则与神经系统疾病有关。穿透血脑屏障（BBB）的 QSP 构成了一个值得更多研究的领域，特别是因为肠道微生物组越来越被认为是神经精神病学的关键参与者。

通过更深入地了解肠道细菌产生的不同 QS 系统，未来可能能够开发可用于诊断神经和精神疾病的生物标志物，例如焦虑和抑郁、MDD、精神分裂症、双相情感障碍、自闭症和强迫症。

主要参考文献：

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技术应用分享| 如何利用人工智能挖掘生物医学文献和信息

谷禾健康

生物医学领域每天都在产生海量的研究文献，这些文献就像一座巨大的知识宝库，蕴含着推动医学进步的重要信息。传统上，科研人员需要通过人工阅读和整理这些文献，从中提取重要的生物医学信息，并将其汇总到专业数据库中（如KEGG和Reactome等知识库）。这些知识库就像是精心整理的图书馆，为生物学研究和临床医生的决策提供重要参考。

然而，随着科技发展，生物医学研究论文的数量呈现爆炸式增长。仅靠人工来阅读、筛选和整理这些文献已经变得异常困难，不仅耗时耗力，还需要投入大量人力和财力资源。这就像是要用手工方式来整理一个永远不停增长的图书馆，这项工作变得越来越具有挑战性。

值得欣喜的是，人工智能（AI）技术的快速发展为解决这一难题带来了曙光。现代AI技术，特别是自然语言处理和机器学习算法，可以像训练有素的助手一样，自动阅读和理解文献内容，快速识别关键信息，并将这些信息系统地整理归类。这不仅大大提高了文献知识管理的效率，还能帮助研究人员更好地发现和利用已有的研究成果，推动生物医学研究的创新和发展。

本文将分享人工智能，包括ChatGPT在检索生物医学知识，汇总和撰写文章、回答问题和模仿人类对话的能力的一些方法特点，并强调使用自动程序中管理生物医学实体和关系的巨大潜力，同时注意一些局限性。

01
基于AI的文本挖掘应用

基因、蛋白质和它们之间的关系在生物医学文献中有报道。基于AI的文本挖掘工具利用自然语言处理（NLP）来促进实体识别和关系提取。

AI技术在生物医学文献挖掘中的应用范围

doi.org/10.1515/mr-2023-0011

该图包括两个面板，展示了人工智能(AI)在文本挖掘（左侧）和图像理解（右侧）中的不同方向和应用。

• 左侧面板红色框概述了文本挖掘中涉及的各种任务；
• 右侧面板突出显示了绿色框，表示生物医学文献挖掘背景下的图像理解任务。
• 该图还包括一些蓝框，列举了一些有前途的人工智能进步，旨在解决当前人工智能方法在生物医学文献挖掘方面的局限性。
• 图中的外圈描绘了生物医学文献挖掘中的一些典型AI应用。

命名实体识别

命名实体识别（Named Entity Recognition，NER）是自然语言处理的一个典型任务，它是从生物医学文献中标注和识别生物概念的名称，如蛋白质、基因、化合物、药物、疾病等。

◆ NER有助于从科学文章中提取关键的生物学概念，帮助建立生物本体和知识库

例如，给定句子“BRCA 1中的突变与乳腺癌和卵巢癌的风险增加有关”，NER工具可以将单词“BRCA 1”标记为基因，并将单词“乳腺癌”和“卵巢癌”标记为疾病。

◆ NER的一个主要瓶颈是，同一个生物医学实体可能会使用非标准的缩写和术语

例如，转录因子“C/EBP-β”也被称为“NF-IL6”；蛋白质“Arnt”有时被称为“HIF1-β”。

◆ 一些实体还嵌套其他实体

例如，蛋白质实体“丙氨酸氨基转移酶”含有化学实体“丙氨酸”。

为了解决上述挑战，可以使用生物医学实体链接（也称为实体规范化或实体接地）来将模糊实体映射到来自本体（诸如基因本体）的规范化的唯一标识符。

关系抽取

关系提取（RE）是建立在NER基础上的，它涉及识别先前发现的实体之间的关系。

关系提取专注于揭示连接，例如蛋白质-蛋白质相互作用、基因-疾病关联、基因型-表型关系、化学-蛋白质相互作用和药物-药物相互作用。

关系提取是通过在给定的句子中识别实体对和关系类型来制定的。

典型的文本挖掘技术

基于人工智能的NER方法可以：

学习上下文并对单词语义进行建模，以区分具有生物学意义的概念与其余单词

例如，PubTator被设计用于标记六种类型的生物学概念，包括基因/蛋白质，基因变体，疾病，化学物质，物种和其他生物学出版物的摘要或全文。

传统上，标记的生物实体可以通过执行模糊字符串匹配来映射到它们的标准形式。与此同时，最近的研究在神经网络构建的潜在空间（嵌入）中改进了这种映射。

其他一些基于AI的RE技术采用生物医学句子的上下文表示来检测生物医学实体关系。它们从语义和句法方面以及从多个角度提取和聚合句子的特征以识别关系。沿着这条路线，最近的研究将关系挖掘从句子级别移动到文档级别，以进一步丰富知识提取结果。

预训练模型

基于人工智能的文本挖掘通常依赖于通过自监督学习在大规模Web语料库上预训练模型的鲁棒语义表示。预训练的模型可以用相对较小的数据集针对特定任务进行进一步微调。一些著名的NLP模型包括BERT、T5和GPT。

► BioBERT 是一种广泛使用的特定于领域的语言表示模型，从通用BERT模型开始，在大规模生物医学语料库（PubMed摘要和PMC全文文章）上进行预训练。BioBERT能够扩展到生物医学NER，RE和问答（QA）。

●双向编码器表示：

BioBERT采用双向Transformer架构，利用注意力机制学习输入文本的上下文信息，从而生成高质量的语言表示。这种双向表示方式使得BioBERT在处理复杂的生物医学文本时表现优异，能够更好地理解单词在不同上下文中的含义。

●开放源代码：

项目完全开源，允许开发者和研究人员自由使用、修改和分发。

●预训练模型可用：

提供预训练模型，开发者可以直接用于下游任务，无需从头开始训练。

●易于集成：

兼容Hugging Face的transformers库，方便与其他自然语言处理工具包整合。

► PubMedBERT 是使用PubMed的摘要和PubMedCentral的全文文章从头开始进行预训练。

► SciFive 是一个在大型生物医学语料库上预训练的特定领域T5模型，用于文本理解任务（即，NER、RE和QA）和生物医学文本生成。

它在多种生物医学NLP任务上取得了出色的表现，特别是在问答任务上明显优于BERT系列模型。SciFive的预训练语料选择也具有灵活性，可以根据不同任务需求进行调整。

作为一个文本生成模型，SciFive还可以应用于更复杂的任务，如文档摘要和文章生成等，为生物医学领域的知识获取和内容创作提供支持。

► BioGPT 从头开始使用1500万个PubMed摘要预训练GPT-2模型，以生成生物医学术语的流畅描述。

它可以应用在哪些方面？

● 药物发现：

BioGPT击败了所有以前的语言模型，用于实体（药物，疾病和蛋白质）之间的关系提取。BioGPT可以帮助自动分析不断扩大的科学文献，更好地了解疾病机制并识别潜在药物靶点。

● 精准医疗：

它涉及根据个体患者的基因组成、生活方式和环境因素，为他们的特定需求量身定制医疗。BioGPT可以帮助研究人员从大型数据集中识别基因突变、疾病途径和其他相关信息，从而为患者制定个性化的治疗计划。

● 提高药物安全性：

BioGPT在预测药物相互作用方面击败了其他模型，可以帮助临床医生预测药物组合的潜在副作用并提高药物安全性。

● 临床试验设计和分析：

BioGPT可用于提取和分析临床试验数据，帮助研究人员设计更有效的试验，并更准确地分析试验结果。

●竞争对手分析：

BioGPT可用于分析科学文献和专利数据库，以识别潜在竞争对手并评估竞争格局。

● 科学交流：

BioGPT可用于生成科学文献和其他信息来源的摘要，使业务开发专业人员更容易快速理解和交流关键见解。帮助医疗保健专业人员跟上最新的研究和临床发现。

● 疾病诊断和管理：

BioGPT可用于分析患者数据、医疗记录和科学文献，以帮助更有效地诊断和管理疾病。

基于AI的生物医学文献挖掘方法

doi.org/10.1515/mr-2023-0011

02
基于人工智能的路径图挖掘

除了文本，生物医学文献还以数字的形式包含有价值的知识。研究人员经常使用图表（例如生物学途径）来总结他们在出版物中关于导致生物过程或疾病的分子事件的发现。

基于人工智能的图像理解技术的进步提高了我们从路径图中提取实体和关系的能力，这些能力可用于补充从文本中提取的相同知识。

doi.org/10.1515/mr-2023-0011

从路径图中挖掘生物实体

早期基于AI的方法使用光学字符识别（OCR）技术提取生物医学实体，以从路径图中恢复基因名称。由于非标准缩写和术语的挑战，这种方法需要领域专家手动创建一些实体规范化规则来为基因名称提供基础。一项研究将这种方法应用于过去25年出版物中的通路图，并识别出通路数据库中缺失的数千个基因。

从路径图挖掘生物相互作用

Pathway Curator 旨在从途径图中提取分子实体及其相互作用。

管道集成了图像理解模型和图像处理策略，以捕获图中路径实体的位置，名称和相互作用。

管道可以使用符号识别基因，并使用箭头（用于上调）或T形条（用于抑制）识别基因关系。

技术特点：

• 基于RetinaNet网络模型构建
• 通过大量生物通路图进行训练
• 支持上传单张图片或ZIP文件(最大20MB)
• 集成了图像分析和文本挖掘能力

输出展示：

• 提供多种结果展示形式：基因信息表格、关系信息表格、带标注框的可视化图像
• 支持链接到GeneCard和Uniport等在线基因数据库
• 支持结果下载保存

实用优势：

• 自动化提取过程，减少人工操作
• 比纯文本挖掘更准确
• 显著提高研究效率
• 可提供跨文献的综合视角
• 所有成功预测任务都会存储在数据库中，便于管理和查询

Pathway Curator为生物文献挖掘中的文本挖掘提供了一种补充方法，并在多个出版物中全面了解疾病途径。方法可以扩展到其他RE任务的数字，如microRNA基因和化学蛋白质的相互作用。

03
挑战和前景

尽管人工智能技术，特别是深度学习算法，已经显示出在自动程序中管理生物医学实体和关系的巨大能力，但人工智能技术的一些局限性仍然阻碍着人工文献管理的替代：

1）来自生物医学文献的有限注释数据。由于大量的出版物和使用的表达方式的多样性，为人工智能训练注释足够的生物医学概念和关系是具有挑战性的。在生物医学文献挖掘中，标记数据的数量和质量对AI模型的鲁棒性起着至关重要的作用。

2）当前人工智能从已建立的词汇表中发现对象的能力的局限性。目前，大多数人工智能方法都是建立在预定义的语料库或预先标记的数据集上。这种数据依赖性限制了AI技术挖掘词汇表之外对象的能力。

3）当前人工智能在处理文献不一致性方面的能力有限。生物医学文献包含过时或不正确的陈述，这可能会误导人工智能方法。

人工智能技术的快速发展，特别是深度学习方法，为管理生物医学知识创造了新的机会。OpenAI推出的基于人工智能的聊天机器人（ChatGPT）以其撰写文章、回答问题和模仿人类对话的能力给用户留下了深刻印象。

ChatGPT拥有全面的知识库，可根据用户的要求检索生物医学知识，为生物医学领域更高效、更准确的知识挖掘铺平道路。虽然ChatGPT目前经常提供不正确或不可复制的信息，但不断升级和更好的快速学习技术为更准确和可靠的生物医学知识挖掘提供了潜力。

ChatGPT还可以进行更多的训练/调整，以针对生物医学领域，特别是建立假设，寻找新的药物靶点，并生成新的小分子和抗体。它有望改变掌握知识和技能的方式，辅助医生进行临床决策，减少医疗差错。

几种新的人工智能方法具有很大的潜力，可以从文本和图形两种形式推进文献挖掘。主动学习允许使用新标记的数据迭代地训练模型，这为针对有限的注释数据逐步升级AI模型提供了机会。根据人类反馈的强化学习（RLHF）通过将预测与人类价值观和偏好对齐来增强人工智能算法的鲁棒性和通用性。通过整合人类反馈，RLHF可以提高AI预测的准确性和可靠性，超越注释数据的限制。

此外，针对多模态的对比学习（即文本和图像）使得能够学习相应文本和图像之间的公共（联合）语义表示，例如，一个基因名称’AKT’在文本和图像片段包含’AKT’更好的性能。此外，元学习和少量学习策略也有望将大规模通用语料库上的AI技术建模推广到生物医学特定领域。

在临床实践中，各种临床文件，如电子健康记录（EHR）和病理报告（PR），包含重要的生物医学和病理信息，这些信息可以从应用人工智能技术进行大规模管理中受益。一些研究已经为EHR 和PR开发了基于AI的挖掘工具，这些工具利用与文献挖掘中使用的技术类似的技术来识别诊断实体和非结构化文本和生物医学图像的关系。

整合生物医学文献和临床文档的挖掘结果可以促进临床研究和精准医学。这种方法为未来的医学研究和患者护理带来了巨大的希望。

生物医学文献的快速增长为生物医学知识挖掘带来了机遇和挑战。随着前沿人工智能技术在生物医学文献挖掘中的应用，生物医学研究和临床实践的相关注释、预测和知识库建设步伐将加快。

主要参考文献

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饮食对肠道真菌的影响及其与炎症性肠病的潜在联系

谷禾健康

有这样一些病人：经常性的腹痛、拉肚子、甚至便血、人也日渐消瘦，这很有可能是患有炎症性肠病。

炎症性肠病是一种慢性、非特异性的肠道炎症性疾病，因其顽固无法治愈且需要终身治疗的特点，又称为“绿色癌症”。目前全世界有超过1000万人患炎症性肠病。

在我国炎症性肠病的发病率也呈上升趋势，已经成为常见的肠道疾病，预计2025年患病人数将达到150万，且发病人群偏年轻化。如何预防和治疗炎症性肠病，成为了许多病友和大众关注的重点。

肠道微生物群是一个复杂而独特的实体，在宿主免疫、获取营养物质和强化肠道上皮方面发挥着重要的生理作用。与常见胃肠道疾病的预防、发病机制和进展有关。

虽然肠道微生物群主要由细菌主导，但先进的测序技术已经确定了共生真菌群落，统称为真菌群。大量研究和谷禾的检测数据发现，肠道炎症与微生物组成改变有关，称为肠道菌群失调。微生物群落改变与各种病理疾病有关，例如炎症性肠病(IBD)，但它们作为炎症的原因或后果的作用仍是正在进行的研究主题。

而饮食在预防和管理各种疾病方面起着至关重要的作用，被认为是全身炎症的重要调节剂。近年来，随着饮食与肠道微生物关系的深入研究，我们逐渐认识到饮食不仅塑造了肠道细菌的组成，同样也在悄然影响着肠道真菌群落的结构和功能，包括真菌发酵中涉及的代谢途径和酶。

本文将探讨饮食如何调节肠道真菌群，并分析这一过程与炎症性肠病(IBD)之间的潜在联系，为未来饮食疗法在IBD治疗中的应用提供新的视角和研究方向。

01
炎症性肠病的患病情况和当前疗法

☆ 什么是炎症性肠病？

炎症性肠病(IBD)是一种慢性、非特异性的肠道炎症性疾病。包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)。克罗恩病涉及所有粘膜层，可在胃肠道的任何区域发现，并被细分为穿透性或狭窄性表型。溃疡性结肠炎累及直肠并向近端延伸，涉及粘膜和粘膜下层。

克罗恩病

-主要表现：腹泻、腹痛、大便带血、消瘦、乏力。

-可能还会出现：发烧 、关节痛、关节僵硬、眼睛红肿及疼痛、儿童生长或性发育延迟、皮肤红肿及发痛、口腔溃疡。

–并发症包括：瘘管、狭窄、脓肿、肠穿孔。

溃疡性结肠炎

主要表现：腹泻，多见黏液血便，常常伴发下腹部疼痛尤其以左下腹部疼痛多见。

可能还会出现：腹痛、腹胀、食欲不振、恶心、呕吐、发热、营养不良、关节炎、口腔溃疡。

并发症包括：下消化道大出血，肠穿孔、中毒性巨结肠及癌变。

☆ 炎症性肠病患病率有多高？

近几十年来，炎症性肠病(IBD)发病率逐年上升，目前已成为全球性疾病，具有显著的患者发病率和卫生保健负担。

在全球范围内，IBD的患病人数从1990年的332万例增加到2010年的490万例，增加了47%。据相关数据推测，预计到2025年，全球超过1000万人受到炎症性肠病的影响，我国炎症性肠病患者将达到150万，且以青壮年居多，发病高峰年龄为15至40岁。

注：在欧洲和北美，IBD已经逐步发展为常见疾病。比如在患病率最高的国家，UC和CD的患病率都已高达823/10万。在美国，目前大约有160万UC或CD患者，每年约7万人确诊为IBD。目前中国地区IBD发病率为1.96/10万-3.14/10万左右。

☆ 为什么会得炎症性肠病？

目前暂未明确炎症性肠病的发病机制，可能与多种因素有关：包括遗传因素、感染因素、过度反应的T细胞介导的免疫因素、环境触发因素、生活饮食因素和肠内微生物群因素。

炎症性肠病的日益流行引发了基础科学和临床研究的广泛关注，促使研究者们致力于开发有效的短期和长期治疗方案。这些研究的统一目标是显著减少患者的住院率，并同时提高患者的生活质量，以应对这一日益严重的健康问题。通过不断探索和创新，找到了一些有效的治疗方法，以改善患者的整体健康状况和生活体验。

▸ 药物治疗

抗炎药物短期效果好

炎症性肠病(IBD)的药物治疗是双管齐下的，旨在诱导或维持缓解。包括皮质类固醇和5-氨基水杨酸在内的抗炎药物可以通过多种方式给药，并且在及时诱导活动期病情缓解方面最为有效。

生物制剂可改善长期预后并提高疗效

相比之下，免疫调节剂和生物制剂起效较慢，但可以通过实现长期缓解维持来改变疾病轨迹。生物制剂是基于蛋白质的分子，可以阻断促炎细胞因子。

近年来，生物制剂已成为IBD治疗的基石，有证据表明，在IBD病程早期应用生物制剂可改善长期预后并提高疗效。此外，鉴于生物源化合物耗尽其开放性，生物疗法变得更具成本效益。

注：目前批准了四种不同类别的生物制剂:抗TNF制剂、抗整合素制剂、抗白介素12/23 IgG 1κ制剂和鞘氨醇-1-磷酸(S1P)抑制剂。

生物疗法的出现减少了炎症性肠病(IBD)相关的住院和腹部手术，然而，与IBD相关的总体发病率仍然很高。

▸ 饮食疗法

炎症性肠病(IBD)患者经常询问饮食策略来控制他们的胃肠道症状。饮食调节作为一种非药物疗法，具有显著的益处，其可以调节炎症和促进粘膜愈合并且基本没有副作用。

肠内营养

纯肠内营养(EEN)是一种通过消化道提供全面营养的方法，包括营养全面的流质饮食。在儿科克罗恩病患者中使用纯肠内营养(EEN)显示出与类固醇相似的功效，促进黏膜生长而无相关副作用。

部分肠内营养(PEN)，允许一些食物摄入，比EEN耐受性更好，以克罗恩病排除饮食(CDED)为例。避免或减少动物/乳制品脂肪/蛋白质、小麦和食品添加剂的饮食相结合，允许逐渐重新引入水果、蔬菜和豆类以提高食物的灵活性。

特定碳水化合物饮食

一些针对成年IBD患者的饮食，如特定碳水化合物饮食(SCD)，已经显示出减轻胃肠道症状的前景。SCD限制IBD患者难以吸收的复合碳水化合物，避免食用谷物、淀粉类蔬菜、乳制品、糖和甜味剂以及某些食品添加剂。

地中海饮食

地中海式饮食最近受到了关注，因为它限制较少，但却和SCD一样有效。这种饮食强调水果、蔬菜、坚果、鱼、全谷物、油性鱼和橄榄油，可以减少炎症，同时限制具有促炎症特性的动物脂肪/蛋白质和食品添加剂。

高膳食纤维并不总是有益

虽然膳食纤维通常被认为对健康有益，但一些炎症性肠病患者，尤其是在疾病活动期，对高纤维食物的耐受性降低。

在活动期疾病患者中证明，某些纤维，特别是低聚果糖(FOS)，触发了促炎细胞因子IL-1β。而用来自非IBD或轻度感染患者的微生物群发酵FOS减少了IL-1β的分泌。但这种减少在大多数患有中度或重度IBD患者的微生物群中并不存在，这表明共生微生物群对FOS的发酵不足可能导致异常的免疫反应。

尽管饮食在炎症性肠病(IBD)发病机制中的作用已被认可，但我们对其对IBD进展的影响仍不够深入。目前尚未定义一种能够促进活动性疾病成年患者病情缓解的“IBD饮食”。需要加强对饮食对人类肠道影响的理解，特别是饮食与肠道微生物之间的关系及其在炎症中的作用。

最近的研究表明，肠道微生物群对不同纤维的反应存在相当大的个体间差异。菊粉和欧车前纤维的微生物群组成和功能差异很大，一些个体具有纤维抗性微生物群，而另一些个体具有纤维敏感性微生物群。这强调了个性化饮食建议的必要性，特别是在管理肠道健康和炎症方面。

02
肠道中的真菌及其与细菌的关系

人类肠道内居住着超过100万亿个微生物，包括细菌、古菌、病毒和真菌。这些微生物统称为肠道微生物群。肠道微生物群是一个复杂而独特的实体，与常见胃肠道疾病的预防、发病机制和进展有重要联系。

☆ 真菌虽然只占肠道微生物群的一小部分，但与多种疾病相关

然而，肠道中超过99%的微生物基因属于细菌，真菌只构成了常驻微生物群的一小部分，在不同的身体部位，包括皮肤、泌尿生殖系统、呼吸道和胃肠道，已经鉴定出390多种真菌。

尽管与细菌相比，真菌的多样性和丰度较低，但真菌的组成和功能与多种疾病有关，包括炎症性肠病、结直肠癌和代谢综合征。

☆ 肠道核心真菌群

然而，微生物组的研究主要集中在细菌上，而对真菌等其他重要的微生物组关注不够。真菌是单细胞或多细胞的异养真核生物，具有惊人的分解和获取营养物质的能力。

早期的研究集中在真菌对肠道健康的潜在危害上，随着人类微生物组项目的出现，真菌物种作为具有共生和互利关系的微生物组的必要组成部分获得了证明。

人体肠道内真菌的多样性和丰度较低，但个体之间存在相当大的可变性，然而，一些真菌物种在个体之间是共享的，这表明可能存在肠道核心真菌群落。

为了描述哪些真菌物种是本地的并有助于肠道健康，真菌群落被分为常驻和非常驻物种。常驻物种具有在缺氧的肠道环境中生长的内在能力，包括子囊菌门、担子菌门和接合菌门中的属，例如假丝酵母菌属(Candida)、马拉色菌属(Malassezia)和枝孢菌属(Cladosporium)。

相比之下，非常驻物种是通过非培养技术在肠道中分离出来的，常见的非常驻物种包括酵母属(Saccharomyces)，曲霉属(Aspergillus)，以及青霉菌属(Penicillium)等。非常驻物种通常是外部影响的产物，如短期饮食暴露或环境触发因素。这个亚群占分离真菌种类的三分之二。

念珠菌

常驻真菌中最常报道的是假丝酵母菌(Candida)，假丝酵母菌又称念珠菌。包括白色念珠菌(C.albicans)、热带念珠菌(C.tropicalis)、近平滑念珠菌(C.parapsilosis)，以及光滑念珠菌(C.glabrata)。

具有共生和致病双重特性

白色念珠菌是一种具有共生和致病双重特性，最广为人知的是作为肠道、口腔粘膜、阴道和血液的条件致病菌。它是每年数百万阴道和口腔感染病例的原因，当感染免疫低下的宿主时，导致显著的死亡率。

经历肠道诱导的转变更适合营养吸收

白色念珠菌当暴露于哺乳动物肠道时，会经历“胃肠诱导的转变”,这被认为部分是由于WOR1转录因子，导致更适合短链脂肪酸(SCFA)和N-乙酰氨基葡萄糖营养吸收的表型变化。

白色念珠菌的形态转变机制尚未完全了解，初步研究认为宿主上皮细胞在其中起调节作用。

马拉色菌

马拉色菌属主要以皮肤的定植者和病原体而闻名，也是肠道内第二普遍的真菌种类。其中，M.globosa、M.restricta、M.sympodalis和M.pachydermatis是肠道中最普遍的物种。

马拉色菌经常定植于富含皮脂的区域

几乎所有种类的马拉色菌属不合成脂肪酸，而是依赖外部来源的脂质，这解释了它们在人类皮肤富含皮脂的区域增殖。

在肠道内，脂质可从胆汁盐中获得，胆汁盐由胆汁酸通过肝细胞合成。人们对马拉色菌如何在人类肠道中定植仍然知之甚少，相互竞争的假设包括从人体皮肤间接暴露或由于婴儿期摄入母乳。

在炎症性肠病患者中更多，并可能导致黏膜炎

无论机制如何，马拉色菌都是真菌定植的主要参与者，最近的研究表明它与肠道共生有关。然而，在某些情况下，马拉色菌具有致病潜力，会诱发有害的、异常的免疫反应。

在皮肤上，它与脂溢性皮炎和花斑癣的发病机理有关。与肠道相比，马拉色菌在胰腺导管腺癌组织中的相对丰度更高，通过刺激模式识别受体甘露糖结合凝集素(MBL)与肿瘤发生有关。与健康对照者相比，在炎症性肠病患者中发现的马拉色菌相对比例更高，并且被认为会导致粘膜炎。

酵母菌

酵母菌被认为是人类肠道的非常驻真菌，通常是短暂的定植者和饮食习惯的结果。其中最主要的物种是酿酒酵母。它有助于面包发酵、啤酒酿造，可用作食品添加剂。它在肠道微生物组稳态中的作用经常被忽视。

有助于减轻胃肠道疾病引起的腹泻

最近的研究表明，酵母菌确实可以在肠道中茁壮成长，代谢被称为粘蛋白的高度糖基化蛋白质。布拉氏酵母菌(S.cerevisiae var. boulardii)，为酿酒酵母变种，是一种众所周知的益生菌酵母物种，已知有助于解决各种胃肠道疾病，包括旅行者腹泻和抗生素相关性腹泻。研究表明克罗恩病(CD)患者的结肠通透性降低之后，使用布拉氏酵母菌有助于治疗CD。

➤ 菌群之间的关系

胃肠道承载着一系列微生物，它们共同形成复杂而动态的生态系统。最近，人们开始关注细菌-真菌的相互作用，因为它们与疾病有关。

细菌-真菌存在互惠共生和竞争

细菌-真菌相互作用可能是互利的，然而，建立特定生态位或营养的竞争可能导致细菌和真菌的失衡。有各种各样的机制参与细菌-真菌的相互作用和拮抗作用。

一项研究表明，纤维发酵过程中细菌产生的短链脂肪酸本身具有抗真菌的特性。另一项研究发现细菌细胞壁合成过程中分泌的肽聚糖片段直接结合并灭活白色念珠菌，阻止其从出芽酵母转变为细长的菌丝。

稳定的肠道细菌群有助于抵抗病原真菌

一个稳定多样的肠道细菌群落调节其真菌对应物。在肠道炎症或长期使用抗生素期间，肠道中的细菌数量减少，使其容易受到侵袭性真菌物种的影响。这在一项涉及用万古霉素治疗的小鼠研究中得到强调，该研究显示在没有细菌种类的情况下存在播散性白色念珠菌感染。因此，病原真菌不仅受宿主免疫的调节，还受各种共生细菌的调节。

真菌和细菌相互作用以优化它们的微环境。肠道微生物产生一种称为生物膜的细胞外基质，以防止抗菌因子。体外研究表明，热带念珠菌(C.tropicalis)、大肠杆菌(E.coli)和粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)共生作用，形成比它们单独产生的能力要厚得多的生物膜。

扫描电子显微镜揭示了这三种生物体之间的密切相互作用，粘质沙雷氏菌使用菌毛将大肠杆菌和热带念珠菌连接在一起。

03
IBD患者的肠道真菌群及其对免疫反应的影响

众所周知，炎症性肠病(IBD)患者体内的微生物群发生了改变，以往的研究主要集中在细菌的相对失衡上。IBD患者的细菌生物多样性降低，来自厚壁菌门的细菌相对减少，来自变形杆菌门的细菌相对增加。

炎症性肠病患者的真菌群落主要由子囊菌门和担子菌门的真菌组成，最常见的属包括酵母属、德巴利酵母(Debaryomyces)、青霉属、曲霉属，以及念珠菌属。

☆ 不同IBD表型真菌群落存在差异

炎症性肠病涉及疾病表型的异质性集合。疾病的表型和炎症的程度与独特的菌群特征有关。在克罗恩病(CD)中，与仅发生在结肠的疾病相比，霉菌种群因累及回肠的疾病而异。特别是，保留回肠的CD显示出较高的念珠菌和德巴利酵母菌，而曲霉菌属(Aspergillus)和毕赤酵母菌(Pichia)在回肠受累的CD中的丰度较高。

在疾病发作期间，与对照组相比，担子菌门与子囊菌门的比率增加。在物种水平上，处于活动发作期的克罗恩病患者显示出念珠菌属、Gibberella moniliformis、Alternaria brassicicola和新型隐球菌(Cryptococcus neoformans)的相对丰度更高。

当根据疾病程度分类时，菌群组成的变化在溃疡性结肠炎(UC)中最为突出。直肠炎患者的青霉菌相对丰度最高，随着疾病程度向近端进展呈负相关。与直肠炎患者相比，毕赤酵母菌(Pichia)在左侧结肠炎患者中的比例过高。

☆ 白色念珠菌增加，导致促炎细胞因子释放

随着与炎症性肠病发作相关的独特微生物组特征得到进一步验证，真菌致病因子在促炎状态中的作用逐渐被认可。

与健康对照相比，炎症性肠病(IBD)患者肠道中白色念珠菌的丰度增加。在菌丝形式中，白色念珠菌上调内皮转化酶1(ECE1)基因，导致ECE1蛋白的丰度更高。这种蛋白质经过蛋白水解加工以释放其活性形式，称为念珠菌溶血素。

念珠菌溶血素是一种31个氨基酸的溶细胞肽，以破坏上皮细胞质膜和刺激编码促炎细胞因子的转录因子而闻名。念珠菌溶血素还损害巨噬细胞的功能，对其抗真菌能力产生负面影响。与健康对照相比，一组克罗恩病患者表现出对念珠菌溶血素特异性的IgA介导的反应水平较低。这表明炎症性肠病患者的高免疫原性真菌病原体没有得到充分控制，并可能导致其促炎状态。

☆ 可作为炎症的替代标志物

作为炎症性肠病中真菌分析的副产品，某些物种已被确定为炎症的替代标志物。与同一克罗恩病(CD)患者体内的发炎组织相比，发现酿酒酵母在非发炎组织中的相对丰度更高。活跃发作的克罗恩病患者表现出更高水平的抗酿酒酵母抗体(ASCA)。

抗酿酒酵母抗体(ASCA)也被用于疾病预测，与对照组相比，在后来诊断为CD的患者中发现的ASCA 水平更高。此外，ASCA已被推断为疾病严重程度的预测指标，与ASCA IgG阴性的CD患者相比，ASCA IgG阳性患者的手术干预率更高。

对患有克罗恩病患者进行定期筛查抗酿酒酵母抗体(ASCA)尚未渗透到临床医学的常规实践中，但它作为一种辅助的、无创的疾病活动和严重程度的衡量方法继续显示出前景。

➤ 肠道真菌群对免疫反应有什么影响？

肠道真菌通过先天和适应性免疫系统影响宿主免疫，这是由真菌细胞壁成分和肠道免疫细胞的模式识别受体(PRR)之间的相互作用引发的。

真菌激活先天免疫和适应性免疫

真菌的吞噬作用导致各种免疫反应的激活，以努力控制真菌的定居。当这些调节机制功能障碍或缺失时，真菌定植不受抑制，导致肠道微生物结构紊乱和肠道炎症。

通过几个检查点，先天和适应性免疫系统可以区分共生真菌或致病真菌。鉴于白色念珠菌可作为共生因子或致病因子，通常用于免疫学分析，以帮助区分这些不同的免疫反应。蛋白质相关分子模式(PAMPs)白色念珠菌和其他真菌与肠道单核吞噬细胞(MNPs)上的toll样受体(TLRs)、C型凝集素受体(CLRs)和NOD样受体(NLRs)相互作用。

例如，巨噬细胞甘露糖受体1(MMR)、树突细胞特异性ICAM3抓取非整合素(DC-SIGN)和巨噬细胞诱导型C-型凝集素(MINCLE)识别某些真菌细胞壁上富含甘露糖的结构。常见的MNPs C型凝集素受体包括dectin-1和dectin-2。dectin-1与真菌β-葡聚糖结合后刺激构象变化，暴露其尾部的免疫受体基于酪氨酸的激活基序(ITAM)，随后被SRC家族激酶磷酸化。这一过程使得磷酸化的ITAMs能够与脾酪氨酸激酶(Syk)的SH2结构域结合，激活含有胱天蛋白酶募集结构域的CARD9，并引导Th-17细胞的诱导，动员中性粒细胞进入肠道。

共生和致病形态分别通过不同的免疫途径影响肠道炎症

dectin-1与白色念珠菌或曲霉菌上的β-葡聚糖结合，促进生物活性IL-1β从非活性形式pro-IL-1β通过非经典caspase-8炎性小体激活。重要的是，caspase-8炎性小体的激活不依赖于真菌物质的内化。因此，dectin-1能够在识别外部真菌细胞壁成分后，通过激活IL-1β产生快速有效的反应。IL-1β是IL-1家族的一员，以诱导全身炎症而闻名，同时也能防御外来抗原。作为对真菌识别的反应，IL-1β刺激辅助性T细胞，动员中性粒细胞，并增强吞噬作用，以改善肠道中真菌病原体的清除。

当白色念珠菌处于共生酵母形态时，其负责炎症小体和IL-17通路的PAMPs被隐藏。当它转变为致病菌丝形式时，炎症小体通路和IL-17信号通路被激活。特别是，TLR会分泌细胞因子，如IL-1β、IL-23和IL-6，促进CD4+ T细胞激活进入Th17谱系。Th17细胞则分泌IL-17，招募巨噬细胞、中性粒细胞和抗菌肽，产生有效的抗真菌反应。因此，致病真菌上的PAMPs与宿主树突状细胞上的PRR之间的独特相互作用决定了炎症反应。

共生真菌通过训练免疫系统增加对病原体的抵抗

真菌群在宿主免疫中发挥重要作用。参与真菌识别的巨噬细胞和单核细胞在接触共生真菌(如酿酒酵母)后会获得训练，进一步接触细菌或真菌时，TNF-α和IL-6的产生会增加。

真菌共生菌直接参与稳定肠道稳态，白色念珠菌能够在宿主应激时脱落其致病菌株，保护宿主免受细菌和真菌病原体的侵害。

此外，真菌共生对结肠炎相关的致癌作用也有保护作用。与野生型小鼠相比，真菌耗尽的小鼠在施用氧化偶氮甲烷-葡聚糖硫酸钠(AOM/DSS)后结肠肿瘤发生率更高，而补充外源性IL-18则显著降低肿瘤发生率。因此，真菌共生通过炎症小体途径在预防结肠炎及其相关癌症中发挥重要作用。

04
饮食调节→肠道真菌群

鉴于肠道微生物组的广泛多样性及其对人类健康的独特、多模式影响，优化肠道微生物组以改善健康的机制已成为许多新兴研究的焦点。饮食不仅是胃肠道内许多微生物成分的载体，也是其主要营养来源。因此，饮食调节可以通过微生物群组成和功能的变化间接传播起到促炎或抗炎作用。

例如，以植物为基础的饮食与肠道细菌向更具抗炎性的转变有关，其特征是更高的普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)，直肠真杆菌(E.rectale)和两形真杆菌(Eubacterium biforme)，均为丁酸盐生产者。

注：丁酸盐对人体健康的重要性已经在谷禾之前的多篇文章中有过具体讲述。

相反，以肉类为基础的饮食与更易引发炎症的特征相关，这些特征包括活泼瘤胃球菌属(Ruminococcus gnavus)和柯林斯氏菌物种(Collinsella species)的增加。

然而迄今为止，大多数饮食微生物组研究关注点主要集中在细菌种群的组成和功能变化上。鉴于真菌群落在肠道健康中的重要性，有必要进一步研究饮食调节对这一重要群落的影响。这一更广阔的视角会增强我们对饮食如何针对微生物群的所有关键成员的理解，为它们对肠道健康和疾病的影响提供更全面的见解。

▸ 富含碳水化合物的饮食

可消化的碳水化合物，如单糖、二糖和淀粉多糖，在被身体消化分解为能量并吸收。相比之下，大多数不易消化的碳水化合物或纤维与胃肠道微生物群相互作用，主要在结肠中进行发酵。这个发酵过程产生气体、短链脂肪酸和其他代谢物。

• 念珠菌与近期摄入的碳水化合物呈正相关

研究表明念珠菌与最近的碳水化合物摄入呈正相关。此外，发现高果糖、葡萄糖、麦芽糖和蔗糖的摄入增加了内皮细胞的粘附假丝酵母物种(白色念珠菌，热带念珠菌，以及克柔念珠菌)到上皮细胞。此外，减少饮食中的单糖和淀粉已被证明可以减少肠道中念珠菌的慢性过度生长。

• 高碳水化合物饮食的真菌变化

观察到，与健康的日本人相比，健康的印度成年人的粪便微生物群中含有更高比例的念珠菌和普雷沃氏菌，这可能是由于印度成年人对膳食植物多糖的摄入量较高。

高碳水化合物饮食增加了五个真菌属:

Pleurotus ↑↑↑

Kazachstania ↑↑↑

Auricularia ↑↑↑

Paraphaeosphaeria ↑↑↑

Ustilaginaceae ↑↑↑

并降低了布氏白粉菌属(Blumeria)。

相反，低碳水化合物饮食导致了肠道真菌群落的显著变化，减少了:

Blumeria ↓↓↓

Agaricomycetes ↓↓↓

Malassezia ↓↓↓

Rhizopus ↓↓↓

Penicillium ↓↓↓

增加了Ustilaginaceae。

一些真菌群也可以产生短链脂肪酸，并呈正相关

多项研究表明念珠菌有助于将复杂的碳水化合物发酵成单糖，单糖是其他微生物的能量来源。对猪的研究发现，饮食中碳水化合物含量的差异与不同的真菌种群和短链脂肪酸(SCFA)产量有关。具体来说，低碳水化合物饮食的猪具有较低水平的乙酸盐、丁酸盐和总短链脂肪酸，一些真菌属与这些短链脂肪酸正相关，包括Tomentella，Metschnikowia和Loreleia。

人类研究中膳食碳水化合物调节对肠道真菌的影响

Buttar J,et al.Gut Microbes.2024

因此，膳食碳水化合物的摄入可能会影响肠道真菌种群及其代谢活动，未来的研究应侧重于阐明不同碳水化合物影响真菌群落的确切机制。

▸ 富含蛋白质的饮食

肠道微生物群高度参与蛋白水解发酵，产生短链脂肪酸、支链脂肪酸(BCFA)、气体和有害的腐败代谢物，如氨、胺和硫化氢。

• 真菌对氨基酸的高利用率提高其在肠道中的存活率

一项体外研究发现，氨基酸利用率与真菌生长呈正相关。氨基酸可以作为白色念珠菌的碳源，因为这种真菌物种产生蛋白酶并具有寡肽转运蛋白，使白色念珠菌能够通过代谢途径调节适应不同的环境。

在另一项研究中，发现酿酒酵母(S.cerevisiae)和无冠构巢曲霉(Aspergillus nidulans)使用转运蛋白，如氨基酸-多胺-有机阳离子(APC)超家族和主要促进剂超家族(MFS)来利用氨基酸，这可以提高真菌在肠道中的存活率。

• 高蛋白饮食与念珠菌丰度呈负相关，与酵母菌呈正相关

很少有研究评估富含蛋白质的饮食对人类的影响。研究了影响肠道真菌群落稳态的因素，发现乳制品消费是一种高蛋白食物来源，与念珠菌呈负相关，与酵母菌呈正相关。

▸ 富含脂肪的饮食

膳食脂肪主要在小肠中被消化和吸收，并在小肠中代谢，为身体提供能量和各种脂肪酸。一项人类研究表明，脂肪会影响肠道真菌群落。具体来说，证明了念珠菌与总饱和脂肪消耗量呈负相关。

• 脂肪酸可能抑制真菌的生长

体外研究表明，不同真菌物种将脂肪酸和脂肪醇代谢为碳源和能源的效率差异很大。脂肪酸可以抑制真菌的生长。在专注于食品防腐的研究中，发现饱和脂肪酸、不饱和脂肪酸和氧化脂质具有抗真菌特性。

由于缺乏研究调查脂肪对人类肠道真菌群落的影响，这些饮食成分对肠道真菌群落的影响仍然不清楚。然而，在一项小鼠研究中，与喂食标准食物的小鼠相比，喂食高脂肪饮食的小鼠几种真菌类群有所增加，包括Alternaria, Saccharomyces, Septoriella和Tilletiopsis。

动物模型中饮食调节对肠道菌群的影响

Buttar J,et al.Gut Microbes.2024

虽然膳食脂肪对能量代谢至关重要，但它们对肠道真菌群落的影响还不太清楚。未来的研究还需要深入研究膳食脂肪在塑造肠道真菌群落中的作用。

▸ 饮食习惯和模式的影响

已经发现某些饮食习惯和模式显著影响肠道真菌群落的组成。城市化和饮食习惯的变化会导致中国不同地区人群真菌组成的差异。

这项研究确定了食用酪乳和蓝莓茶与Tetrapissipora blattae、Sugiyamaella lignohabitans、Kazachstania naganishii等的存在之间的相关性。

此外，红茶和猪肉的消费与镰刀真菌属(Fusarium spp.)的四个物种的组成有关。

在另一项研究中，发现杏仁和开心果的摄入与念珠菌和青霉菌属呈负相关。此外，对动物性饮食和植物性饮食进行了比较分析，结果显示动物性饮食组中Neosartorya fischeri（一种源自青霉属的真菌）的丰度更高。

• 素食者体内易出现食源性真菌

研究表明，超过60%的素食者粪便样本中存在食源性真菌，如青霉菌和曲霉菌，以及潜在的致病真菌，如镰刀菌和马拉色菌，但这些真菌类群在食用西方饮食的个体中很少发现。小鼠研究进一步支持饮食调节对真菌群落特征的影响。与标准食物相比，喂食加工饮食的小鼠的总体真菌多样性降低。

• 酵母菌可能随饮食来源进入体内

另一个值得注意的方面是我们的食品中普遍存在常见的肠道真菌，例如酿酒酵母(S.cerevisiae)和汉斯德巴氏酵母菌(Debaryomyces Hansenii)。这些真菌常见于乳制品、面包、果皮(包括葡萄)、普洱茶和奶酪中，因此很难确定这些真菌物种是真的存在于肠道中，还是在自然界中更短暂。

研究发现，食用不含酿酒酵母的饮食导致酿酒酵母水平从基线时的86%大幅降低到无酿酒酵母饮食2天后ITS读数的 0.1%。这表明酿酒酵母的丰度高度依赖于这种真菌物种的饮食来源。

因此，探索特定真菌物种对疾病潜在影响的研究应考虑食物来源的真菌分类群的潜在短暂性。这种考虑很重要，因为它可能会影响这些物种在健康和疾病中的重要性。

• 利于真菌群落稳态和健康的饮食

最近的营养学研究利用Mycobiome 饮食来选择性地改变肠道中真菌的组成。Mycobiome 饮食的特点是消耗瘦肉或植物蛋白、单不饱和脂肪或多不饱和脂肪、富含纤维和抗性淀粉的食物，同时避免加工的高糖食物。

遵循Mycobiome饮食28天导致念珠菌的丰度下降了72.4%，尤其是白色念珠菌和热带念珠菌。此外，Mycobiome饮食增加了一些有益真菌物种的浓度，包括Pichia kluyveri和Galactomyces geotrichum。

这种饮食除了对肠道菌群的有益影响外，还使小肠细菌过度生长患者的细菌过度生长减少，并改善了所有参与者的疲劳、睡眠、腹胀、便秘和腹泻。

▸ 膳食成分的真菌发酵

尽管研究表明，真菌群落随着饮食而变化，但我们对饮食对这些微生物功能潜在影响的了解仍然有限。据了解，细菌和真菌群落都产生代谢物，这些代谢物不仅形成它们自己的群体，而且对其他群落成员和各种宿主细胞群体施加影响。

作为对高纤维饮食的响应，肠道细菌上调功能途径和酶，使纤维发酵产生短链脂肪酸，特别是丁酸。

真菌作为真核生物，表现出与细菌等原核生物不同的代谢特征。真菌具有发酵植物细胞壁的代谢途径和酶，一些真菌种类在食品工业中用于乙醇生产，并通过发酵果胶、纤维素和木质素等纤维产生乳酸和气体。

真菌在降解纤维素纤维方面优于细菌。真菌产生更多的甲烷、乙酸盐和甲酸盐，而细菌产生更多的丁酸盐和丙酸盐。

重要的是要考虑代谢物在调节肠道细菌和真菌之间的作用。代谢物，如胆汁酸，可以影响微生物的相互作用，因为真菌有能力通过胆汁酸的转化对细菌的生存力产生不利影响。

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小贴士

饮食对改变真菌群落组成的影响可能不直接归因于饮食成分对肠道真菌的影响。相反，这些影响可能是间接的，源于肠道细菌的调节，进而影响真菌的组成。

由于阐明饮食如何调节肠道真菌群落背后的机制的证据有限，有必要进行进一步的研究来辨别饮食对肠道真菌群落的直接和间接影响。

05
结语

肠道微生物组是一个复杂而独特的实体，能对环境、饮食和疾病的变化做出反应。它充满了来自各个种群的微生物，通过复杂而动态的关系相互作用。虽然细菌是微生物组稳态中最重要的部分，但真菌在其中也起着不容忽视的作用，参与机会性病原体的调节和原本无法获得的营养物质的发酵。

菌群结构的改变与菌群失调有关，菌群失调是一种与包括炎症性肠病(IBD)在内的各种慢性疾病有关的发炎免疫状态。菌群概况因IBD表型和严重程度而异，菌群标志物有望作为疾病进展的指标。

还需研究饮食对非细菌微生物群的调节作用，以及参与真菌发酵和膳食成分利用的代谢途径和酶的机制。深入了解饮食如何影响肠道菌群的组成和功能至关重要。这些知识将帮助确定饮食疗法是否应该专门针对肠道真菌，从而可能减轻炎症并改善炎症性肠病患者的预后。

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