吃货贴 | 「咸、甜、辣」如何影响肠道菌群？

谷禾健康

You are what you eat

国庆放假除了玩玩玩，当然少不了吃吃吃，把各种一直想吃的都提上日程，应该是对假期最起码的尊重了…

有时候我们喜欢吃的并不是食材本身，而是喜欢融入食材中的“味道”，不知从什么时候开始，我们对“重口味食物”越来越上瘾，而“重口味食物”往往意味着过甜、过咸、过辣……

我们知道饮食可以影响肠道菌群，在之前的文章里也多次提到，诸如食物种类，饮食方式，饮食习惯等对肠道菌群的影响。

之前写过关于饮食对肠道菌群的文章：

间歇性禁食 & 肠道菌群 & 心血管疾病

利用饮食精准干预肠道微生物群

饮食-肠道菌群对心血管疾病的相互作用

正视暴饮暴食、厌食症等饮食失调问题

深度解析 | 炎症，肠道菌群以及抗炎饮食

饮食习惯或将引领新的健康革命

深度解读 | 饮食、肠道菌群与健康

本文试着从不同饮食口味的角度「包括甜、咸、辣」，来了解一下糖、盐、辣椒等对肠道菌群的影响，对健康的潜在影响机制，以及相关食用小妙招。

盐

如果说厨房里只能有一款调料，那一定是盐。盐，号称”百味之王”，同时也是一把”双刃剑”。身体缺不了它，食用不当也会给身体带来很多伤害，例如体重增加，高血压，慢性肾病等。

氯化钠，“盐”，是日常食物的重要组成部分，对身体的体内平衡起着至关重要的作用。

盐参与调节人体内水分的均衡分布，增强神经肌肉兴奋性，为使机体内酸碱平衡和血压正常功能，保证体液的正常循环，参与胃酸的形成，促使消化液的分泌，能增进食欲。

一般成人每天摄入３克食盐就可以维持基本生理需求。2022年颁布的《中国居民膳食指南》中也将食盐摄入量再次严格限制，每人每日食盐摄入量从原先的6克以内改为不高于5克。

过多的盐摄入量，可能给健康带来危害。

高盐饮食给健康带来的危害

饮食中高盐含量会导致肠道免疫系统的变化。血液中含有过多的钠会导致体内免疫细胞产生较少的能量，还会影响机体正常代谢和细胞的渗透压等，引发心脑血管疾病和代谢性疾病，业已知道盐摄入过量是心脑血管疾病的主要风险因素之一。

doi.org/10.1016/j.biopha.2020.111156

◣ 高盐饮食和体重增加相关

或许会有这样的疑惑，盐含的热量极少，为什么会与体重增加有关？

这个问题不在于热量，确实盐一点热量都没有。然而摄入大量的盐会导致体重暂时增加，是因为它会导致身体保留水分。

盐摄入过多会增加口渴感。身体消耗的额外液体被用来稀释身体无法足够快速排出的多余钠。

小鼠研究表明，高盐饮食也可能使身体对瘦素产生抵抗力。

注：瘦素是一种激素，负责防止饥饿，让你感到充实和满足。

高盐饮食也可能间接导致体重增加，因为它们通常与大量的超加工食品有关。高度加工的食物导致摄入更多的热量并增加体重。

当热量相等时，高盐饮食不会比低盐饮食增加或减少更多的体脂。

含盐量较高的食物：零食、薯条、西式快餐、披萨、油炸食品、加工食品、调味品，甚至面包，也含有较高的热量。

因此，如果你的饮食中含有大量这些经过高度加工的食物，那么胃很可能会感觉不到满足感和饱腹感，最终导致摄入更多的热量并增加体重。

◣ 高盐饮食和夜尿症相关

如果你有夜尿症，钠摄入量可能是罪魁祸首。

在一项研究中，当那些夜间排尿频繁且饮食中摄入高钠的人减少了钠的摄入量时，他们报告说夜间上厕所的次数减少了，而良好的睡眠习惯提高了生活质量。

在用餐期间和白天大量喝水可以帮助排出体内的钠，导致夜间小便减少。

◣ 高盐饮食和心血管疾病的关系

说到高盐饮食，就会联想到高血压。

有些人可以吃含钠量很高的食物，但血压水平不会有任何有意义的变化。其他人吃同样的饮食可能会导致高血压，这是为什么呢？

可能与“盐敏感性”有关。“盐敏感性”的人，如果从低钠饮食转向高钠饮食，血压会增加。盐敏感性的潜在原因很多，从遗传到环境。

研究表明，对盐敏感的人比中度敏感的人患高血压的可能性至少高40%.

doi.org/10.1016/j.biopha.2020.111156

临床研究发现，较高的钠摄入量与心血管疾病和相关死亡有关。以下是重点研究：

研究人员测量了来自 32 个国家/地区的 10,000 多名成年人在 24 小时内排泄的钠量（这是盐摄入量的良好替代品）。平均每天接近 4,000 毫克钠。然而，范围很大，从巴西亚诺马莫人的每天 200 毫克到日本北部的 10,300 毫克。盐摄入量较高的人群平均血压较高，并且随着年龄的增长血压升高幅度较大。

两项预防高血压试验 (TOHP) 于 1987 年至 1995 年进行。他们测试了生活方式改变对血压的影响，例如减肥、压力管理、营养补充剂和摄入更少的钠。在每项研究中，在 18-36 个月内减少钠摄入后，血压略有下降。试验结束多年后，研究人员对参与者进行了调查，发现：

平均 10-15 年后，减钠组的 TOHP 参与者心脏病发作或中风的可能性降低 25%。需要手术打开或绕过胆固醇阻塞的冠状动脉，或死于心血管疾病的可能性降低。

参与者饮食中钾与钠的比例越高，患心血管疾病的机会就越低。这表明包括增加钾和降低钠的策略可能是对抗高血压的最有效方法。

◣ 高盐饮食与慢性肾病进展有关

对诊断为慢性肾病的患者进行的一项系统评价发现，每天摄入超过 4600 毫克的高钠盐与慢性肾病的进展有关。

与每天 2300 毫克的适度钠摄入量相比，每天摄入少于 2300 毫克的低钠盐没有显着影响。

一般来说，指南通常建议适度而不是低钠限制以防止慢性肾病的发展。

对于慢性肾病的整体管理，建议每日钠摄入量少于 4000 mg，对于伴有体液潴留或蛋白尿症状的慢性肾病，建议每日钠摄入量少于 3000 mg.

◣ 高盐饮食与骨质疏松症有关

身体通过排尿流失的钙量随着你摄入的盐量而增加。如果血液中钙供应不足，它会从骨骼中流失。因此，高钠饮食可能会产生额外的不良影响，即骨质疏松症。

一项对绝经后妇女的研究表明，两年内髋骨密度的下降与研究开始时24小时尿钠排泄有关，而且与骨质流失的联系与钙摄入量的联系一样强烈。

其他研究表明，减少盐的摄入量会导致钙的正平衡，这表明减少盐的摄入可以减缓随着年龄增长而发生的骨骼中钙的流失。

◣ 高盐饮食可能和胃癌相关

世界癌症研究基金会和美国癌症研究所的结论是，盐和咸的食物都是“胃癌的可能病因”。

高盐饮食通过肠道菌群影响健康

我们吃的东西和其中的盐，在某个阶段到达我们的肠道，是否会影响肠道微生物？

肠道菌群最有可能参与体内盐分的吸收，钠通过钠质子交换剂 3 (NHE3) 在结肠中被高度吸收。在小鼠 NHE-3 缺失时观察到肠道微生物环境的改变和血压的降低。

高盐饮食如何影响肠道菌群变化？

高盐消耗会影响蛋白质的消化并改变肠道菌群的多样性，菌群变化例如：棒状杆菌科的增加，乳酸杆菌的减少，详见下表：

doi.org/10.1016/j.biopha.2020.111156

在大鼠模型中，食盐摄入降低了鼠乳杆菌的丰度，并增加了促炎性脾Th17细胞数量。

反过来想，作为一种益生菌疗法，每天服用鼠乳杆菌可显著减少治疗大鼠的Th17细胞并改善血压。

另一项研究发现，8周的高盐摄入显著改变了小鼠的肠道微生物组成。结果显示，拟杆菌和变形杆菌分别显著减少50.53%和2.96%，厚壁菌显著增加42.77%。

同时，在高盐饮食喂养的小鼠中，发现下肠中的短链脂肪酸水平显著降低，这归因于细菌发酵受到抑制。

饮食中钠的适度减少可以增加循环中的短链脂肪酸，从而增加肠道微生物群。短链脂肪酸水平的增加反过来降低血压并改善动脉顺应性。

以上是高盐饮食带来的危害，然而最近的研究表明高盐饮食也有可能带来某些益处。

高盐饮食可能的潜在价值

▸ 高盐饮食：介导NK细胞和肠道微生物群之间的相互作用，诱导有效的肿瘤免疫

发表在《Science Advances》的一项研究报道了高盐饮食通过抑制PD-1表达，同时增强IFNγ和血清马尿酸水平，诱导自然杀伤（NK）细胞介导的肿瘤免疫。盐与次优剂量的抗PD1抗体联合使用可增强肿瘤免疫。

虽然高盐饮食诱导的肿瘤免疫随着肠道微生物群的减少而减弱，但高盐饮食小鼠的粪便微生物群移植恢复了与NK细胞功能相关的肿瘤免疫。

高盐饮食增加了双歧杆菌的数量，并导致肠道通透性增加，导致双歧杆菌在肿瘤内定位，从而增强NK细胞功能和肿瘤消退。瘤内注射双歧杆菌激活NK细胞，抑制肿瘤生长。

这些结果表明，高盐饮食通过潜在的平移作用调节肠道微生物组，诱导NK细胞依赖性肿瘤免疫。

▸ 高盐饮食：抵消高米饭饮食带来的肥胖影响

一项研究发现，高盐摄入可改善与大米饮食相关的代谢变化，包括粪便微生物群组成的变化。

研究将小鼠分为三组（n  = 9），分别喂食正常饮食（ND）、高米饭饮食（HRD）、补充高盐（HRS）的高米饭饮食12周。

与正常饮食的小鼠相比，喂食高米饭饮食的小鼠厚壁菌门与拟杆菌门的比率（p  < 0.01）和变形菌门与拟杆菌门的比率（p  <0.001）显着增加。然而，高盐摄入减弱了这些影响，尽管变形杆菌的比例没有减少。

高盐摄入降低了高米饭饮食引起的体质量和白色脂肪组织重量的增加。另外，高盐饮食并没有逆转葡萄糖耐量和胰岛素抵抗的增加。

高盐饮食改变了高米饭诱导的微生物组成，高盐饮食调节高米饭饮食诱导的PPAR-γ和脂质代谢相关蛋白表达的增加。

注：PPAR-γ——过氧化物酶体增殖物激活受体-γ

此外，在白色脂肪组织中，高盐饮食可以逆转高米饭饮食诱导的脂联素的减少和PPAR-γ表达的增加。在体外，高氯化钠浓度也显著降低了3T3-L1细胞的分化和调节脂质代谢，而不会引起细胞毒性。

▸ 适度增加盐摄入量对中枢神经系统自身免疫病具有多方面和潜在的有益影响

研究人员用自发 EAE 小鼠模型评估了高盐饮食对启动中枢神经系统自身免疫所必需的早期致病事件的影响。

高盐饮食消耗增加了糖皮质激素皮质酮的循环血清水平。皮质酮增强了脑内皮细胞上紧密连接分子的表达，促进了血脑屏障 (BBB) 的收紧，从而控制了炎症性 T 细胞进入中枢神经系统。

注：需要进一步的研究来证实以上结果，以确保高盐摄入不会加剧高碳水化合物饮食引起的代谢紊乱。

以上高盐饮食带来的益处尚处于动物模型研究阶段，不宜擅自应用在个人健康。

减少盐摄入

• 烹饪时少放盐

调整烹调方法减少食盐摄入量应当注意烹饪时少放盐 ， 控制烹调时和餐桌上的用盐，一家3口每日用盐不宜超过 250 克 ， 也就是全家每日总共用一小汤勺（约８克 )。

• 多吃新鲜食物

大多数新鲜水果和蔬菜天然含钠量低。鲜肉比午餐肉、培根、热狗、香肠和火腿含钠量低。

• 通过其他天然调味品满足口感的需要

习惯咸味的人， 为满足口感的需要，可在烹制菜肴肘放少许醋，提高菜肴的鲜香味，帮助自己适应少盐食物。

或者可以考虑有些时候用无盐香草和香料代替，例如迷迭香、百里香、大蒜粉，辣椒粉等。

• 减少腌制食品的摄入

还要注意减少酱菜 、 腌制食品以及其他咸食品的摄入量。

• 减少速食食品的摄入

从燕麦粥到汤面到土豆，一切都可以以“速食”的形式获得。通常，这些速食食品比非速食食品含盐量高得多。例如，普通即食燕麦片含有近200毫克的盐。

• 食用前增加一个“涮洗”的步骤

例如，添加了盐的冷冻蔬菜可以在蒸或煮之前用漏勺冲洗一下。这个简单的步骤可以减少高达23%的盐量。

糖

糖或甜味食物无处不在，很多人喜欢吃糖或者甜味食物，它在许多人心中占据重要的位置，甜食可能会唤起我们的舒适和美好的回忆。
然而需要注意的是，它让人上瘾的同时，可能会喂养有害菌，有害菌大量增殖的同时有益菌也在减少……
糖，正在悄悄地破坏着肠道菌群原有的平衡。

过量糖摄入的危害

• 影响消化

研究表明腹泻和某些糖的消化不良有关，患有乳糜泻、克罗恩病和慢性腹泻的人在肠道中产生异常高量的粘液，这阻碍了消化，阻止了这些淀粉和二糖的吸收。

• 扰乱肠道菌群

糖摄入可能会扰乱微生物群的平衡，增加促炎性，降低调节上皮完整性和粘膜免疫的能力。

大量摄入添加糖和加工食品，包括典型的西方饮食，都会损害有益菌，使我们更容易受到有害物质的影响。

肠道内层很薄，没有肠道内有益菌产生的保护性粘膜层，一些东西会渗入血液中，这就会导致炎症。

也就是说，持续摄入过量糖可能会带来肠漏、慢性炎症增加和各种健康问题的风险。

• 产生气体

身体无法分解和吸收的多余糖分将留在肠道中发酵。这种糖通过大肠的速度更慢，喂养了有害细菌和酵母，并导致气体的积累。这种气体会导致抽筋、痉挛和疼痛。

• 乳糖不耐受

乳糖是牛奶中的糖分。当身体不能产生分解乳糖所需的酶时，就会发生乳糖不耐症，导致胀气、腹胀和其他消化不适。

同样，高果糖玉米糖浆会抑制消化，因为身体也不能分解它。果糖停留在肠道中，导致胃肠胀气和不适。

• 腹胀

虽然吸收水分是大肠的主要工作，但糖可以将水分吸入大肠，或者至少阻止水分被正常吸收。这可能会导致腹胀或肠道沉重。

• 肝脏损害

消化是由肝脏刺激的。果糖只能由肝脏处理，所以摄入的所有果糖都被一次性送到肝脏，使其超载并造成潜在的损害，进而损害消化。

• 代谢功能障碍

果糖无法刺激胰岛素，而胰岛素又无法抑制“饥饿激素”。结果，饱腹荷尔蒙瘦素也没有被刺激，这导致吃得更多。

这就容易导致体重增加、腹部肥胖、胆固醇升高、血糖升高等各种代谢疾病。

而这些代谢疾病的发生离不开肠道菌群的运作，接下来我们来了解一下，糖是如何通过影响肠道菌群，从而引发代谢疾病的？

糖通过影响肠道菌群引发代谢疾病的机制

一项新的研究发表在8月29日在线出版的《细胞》杂志上，科学家们发现：

糖可能会破坏肠道菌群，从而耗尽关键的免疫细胞，导致肥胖等代谢综合征。

简单来说高糖饮食带来的影响如下：

高糖饮食

↓↓↓

刺激Faecalibaculum rodentium 的生长

↓↓↓

挤走了特定菌群SFB, SFB丢失

↓↓↓

改变了吸收膳食脂肪的方式

↓↓↓

出现“代谢综合征”的特征

注：SFB是小鼠肠道中的特定细菌，即分段丝状细菌。

我们来看下研究过程：

研究人员给小鼠喂食含蔗糖和麦芽糊精的高糖饮食，高糖饮食刺激了Faecalibaculum rodentium的生长，这种细菌基本上挤走了SFB。SFB的突然丢失在小鼠肠道内引发了连锁反应，最终改变了动物吸收膳食脂肪的方式。

吸收脂肪的改变导致小鼠肥胖，并出现“代谢综合征”的特征。代谢综合征如高血压、高血糖和胰岛素抵抗，共同增加了患心脏病、中风和2型糖尿病的风险。

也就是说：SFB在某种程度上可以防止代谢综合征和过度体重增加。那么，SFB是如何发挥作用的？

研究发现，随着小鼠逐渐失去SFB，它们的Th17细胞总数也下降，体重增加，出现胰岛素抵抗和葡萄糖不耐症等代谢综合征的症状。

这里不得不提一下，该过程中重要的细胞——Th17.

SFB会与免疫系统进行“对话”，促进产生一种特定类型的免疫细胞——Th17。

可以这么说，Th17细胞是一种保护小鼠免受代谢疾病影响的“盔甲”。

这些免疫细胞释放影响肠壁的蛋白质，防止多余脂肪被组织吸收进入血液。这些免疫细胞产生的分子可以减缓肠道对‘坏’脂质的吸收，并减少肠道炎症。也就是说，它们保持肠道健康，保护身体不吸收致病的脂质。

当喂食高脂肪、高糖饮食时，小鼠肠道中的Th17细胞发生了什么变化？

小鼠迅速发展出代谢疾病的几个特征(体重增加、葡萄糖不耐受)，并显示出肠道Th17细胞的减少。

更具体地说，研究人员发现Th17水平的下降是由于饮食诱导的肠道微生物群的变化。已知促进Th17的细菌被其他种类的肠道细菌所取代。尤其是糖似乎增加了有害菌的数量，最终降低了Th17的水平。

也就是说，糖通过干扰微生物组分间接破坏了这种盔甲。

研究人员认为，只要动物保持高水平的诱导Th17的肠道细菌，高脂饮食就不会导致负面的代谢效应。

doi.org/10.1016/j.cell.2022.08.005

如果没有健康的肠道菌群，减糖也不能避免疾病

在另一个实验中，研究小组从一组小鼠中去除了SFB，然后喂它们无糖、高脂肪的饮食，发现这些小鼠尽管没有吃糖，但体重也增加了，并患有代谢疾病。那么，是什么导致体重增加呢？

本质上，如果没有健康的肠道菌群，小鼠就不会产生足够的Th17细胞，因此也就缺乏前面所说的“盔甲”。

研究小组发现可以通过两种方式提供这种盔甲：

• 给小鼠喂食富含SFB的益生菌；
• 或直接将Th17细胞注射到小鼠体内。

这表明，如果小鼠的肠道中已经耗尽了SFB，那么减少糖的摄入并不能帮助小鼠避免代谢疾病。

如果把这一发现放到人类身上，那就意味着如果一个人的肠道微生物群已经被破坏，那么减少摄入糖不一定会有帮助。

我们可以想象，一些流行的饮食干预，如尽量减少糖，可能只对微生物群中有某些细菌种群的人有效。

研究人员说，可能需要额外的干预措施来恢复这些人的肠道细菌或Th17细胞。

当然也需要更多的研究来了解类似的机制是否在人体肠道中起作用。

通过以上研究，我们可以大致了解糖对肠道菌群的影响，及带来的危害，因此，一定程度上减少糖的摄入会带来好处。

如何帮助自己控糖？

重新控制饮食习惯，试着对糖说不

当对糖强烈的渴望袭来时，试着忽略它，深呼吸几次，然后问自己：

• 这是我的渴望吗？
• 有没有可能是菌群在搞怪？
• 微生物想操纵我来得到它们自己的糖？

意识到微生物只是利用你来喂养它自己，是很好的第一步，也就是重新控制饮食习惯。

当你减少糖的摄入量时，这些以糖为食的微生物会进入饥饿模式，与此同时，你对糖的渴望会变得更加强烈，可能会“说服自己”去得到它。

编辑​

识别糖的触发因素

有时候会在特定的情况下渴望吃糖。

想想上一次吃甜食是什么时候，是感到有压力吗？疲劳？抑郁？焦虑？压抑？紧张？……

可以把这些糖分触发因素想象成某个按钮。这个按钮一触碰就想吃甜食类食物，每个人的按钮可能不一样，有些人是焦虑，有些人是疲劳…

了解属于你自己的糖分触发因素，会帮助你在渴望到来时安然度过。有意识地关注你的渴望，是减少 对甜食不受控的一个强有力的方法。

喂养健康的肠道细菌

• 食用富含益生元的食物

相对较为健康的做法是多吃真正的食物，并在饮食中加入更多的植物，来自植物的益生元可以喂养我们的微生物群，例如：

菊苣、朝鲜蓟、蒲公英嫩叶、芦笋、大蒜、洋葱、苹果、浆果类、香蕉、菠菜、羽衣甘蓝、胡萝卜、番茄、山药、黄瓜、芝麻菜等。

• 食用富含益生菌的食物

酸奶、泡菜、味噌、开菲尔、康普茶等。

• 避免喂养有害菌的食物

尽可能避免加工和包装食品、含糖食物、酗酒等。

养成良好的生活方式

• 好好吃饭

研究表明，如果你在吃饭时看电视或刷手机看各类小视频等，可能会吃得更快，嚼得更少，吃得更多。

吃饭时，试着把手机放在一边，关掉电视，有意识地彻底咀嚼每一口食物，并真正品尝味道，可能会吃的更少，消化更好。

看到一些新闻或对即将截止的工作任务感到压力，你会很难从膳食中吸收营养。因此，坐下来吃饭之前，试着深呼吸让自己平静下来。

其他还包括：适当运动、规律作息、保持充足的睡眠、适量沐浴阳光，保持良好的心情等方式。

扩展阅读：

菌群多样性是如何形成的，与健康的关系，如何改善？

20种有效改善肠道健康的科学方法

此外，减少糖的摄入并不意味着转向人工甜味剂。经常食用人工甜味剂可能会对微生物群产生负面影响，导致代谢紊乱和肥胖。

扩展阅读：

你的焦虑可能与食品添加剂有关，警惕食品添加剂引起的微生物群变化

辣

现代人的嗜辣程度日益走高，很多人已经到了无辣不欢的境界。
「辣」准确地说并不是一种味觉，可以说是痛觉，是舌、口腔和鼻腔粘膜受到刺激产生的辛辣、刺痛、灼热的感觉。
「辣」让人一边痛不欲生，一边欲罢不能。
「辣」对身体的影响褒贬不一。有人说吃辣上火，腹泻，长痘痘；有人说吃辣抗氧化，助消化，降胆固醇…

辣椒素的吸收部位：

辣椒素在胃和小肠上部被被动吸收的效率超过80%。

吃辣的健康益处

• 支持正常的血液循环，有利于心血管健康，以及降低患心脏病的风险。

• 促进新陈代谢和脂肪燃烧。一些研究表明，随着时间的推移，食用辛辣食物与体重增加较少之间存在联系，因为辛辣香料可能会增加卡路里燃烧。

• 增强消化健康，支持肠道微生物群中的有益菌生长。

• 提供抗氧化剂，包括抗氧化应激的酚类化合物。

• 减少炎症，包括胃肠道，以及影响关节和动脉的炎症。

• 通过表现出抗菌活性来支持免疫功能。

• 可能降低慢性病风险，包括高血压、高低密度脂蛋白胆固醇、二型糖尿病、心脏病和中风。

• 降低某些癌症的风险，包括食道癌和直肠癌等。

• 潜在地降低了过早死亡的风险。在一项研究中，与每周吃少于一次辛辣食物的成年人相比，那些每周吃六到七天辛辣食物的人受益于降低14%的风险总死亡率。

……

看到这里全是吃辣的益处，是不是想赶紧吃吃吃，先别急，这也要看辣的程度。

辣椒素（CAP）是辣椒的主要辛辣成分。

• 在低剂量时，辣椒素具有广泛的生物活性，包括抗氧化、抗肥胖、减轻疼痛和抗炎作用等。
• 在高剂量时，则会引起胃肠道不适，如胃灼热、腹泻、疼痛等症状。

接下来我们来了解一下，不同剂量的辣椒素引起的肠道菌群变化，以及肠道菌群在辣椒素对抗疾病（肥胖，糖尿病等）中的作用。

不同剂量辣椒素引起的肠道菌群变化

一项研究评估了辣椒素对胃肠道健康的影响，并研究辣椒素是否调节短链脂肪酸和肠道微生物群的组成。

以40、60和80 mg/kg的剂量给小鼠施用辣椒素。

高剂量的辣椒素会损害胃肠道组织

对照组小鼠的结肠组织显示出丰富的杯状细胞和具有整齐绒毛的健康隐窝结构；

而辣椒素干预组小鼠显示出炎性细胞浸润，以及隐窝和杯状细胞的丧失。

与对照组中的小鼠相比，用60 mg/kg 辣椒素处理的小鼠显示出产生粘液的杯状细胞的损失；

在80 mg/kg 辣椒素处理的小鼠中，炎症细胞浸润明显。

doi.org/10.3390/foods11050686

辣椒素引起的炎症反应，与剂量有关

辣椒素影响胃和回肠中的抗炎细胞因子水平，但不会导致严重的炎症损伤

炎症反应与胃肠道损伤密切相关。研究表明，辣椒素诱导小鼠胃肠道炎症的主要特征是炎症细胞因子水平升高，尤其是IL-10、IL-1β和TNF-α。

注：IL-10是一种关键的细胞因子，可以减少炎症介质的释放，并显示抗炎特性。

IL-1β和TNF-α是引起粘膜炎症和肠屏障损伤的重要促炎细胞因子。

高剂量辣椒素可能导致空肠和结肠的炎症损伤

结果表明，80 mg/kg 辣椒素干预组可导致所有胃肠组织中IL-10水平降低，空肠和结肠中IL-1β和TNF-α水平升高。

辣椒素调节肠道菌群的组成

多样性下降

与对照组相比，40 mg/kg 辣椒素组的香浓指数显著下降（p<0.001），Chao1指数略有下降。同时，与对照组相比，60 mg/kg辣椒素组显著降低了Chao1指数。

使用加权UniFrac距离的PCoA测量β多样性，揭示了对照组和不同剂量辣椒素组之间的不同菌群。

在门的水平上，对照组小鼠中：

• 优势门为拟杆菌（57.24%）和厚壁菌（37.24%）；
• 其次是脱铁杆菌门Deferribacteres（1.68%）、Verrucomicrobia（1.41%）和变形杆菌属（1.06%）。

与对照组相比，40 mg/kg 辣椒素干预显著降低了拟杆菌的丰度至34.17%，但增加了厚壁菌的丰度（56.64%）（p<0.0001）。

80 mg/kg的辣椒素干预显著降低了拟杆菌的相对丰度，增加了放线菌和变形杆菌的丰度。

变形杆菌的存在是肠道微生物群稳态失衡的标志，与腹泻症状和炎症密切相关。

辣椒组的优势细菌标记物

对照组、40、60和 80mg/kg 辣椒素干预组中分别发现了优势细菌标记物。

差异最大的属包括丁酸杆菌属、乳杆菌属、粪杆菌属、科氏杆菌属_UCG_002、双歧杆菌属、Rikenellaceae_RC9_肠组、拟杆菌属、Alistites属和Dubosiella属。

高剂量增加了：双歧杆菌和粪杆菌的比例

对具有显著差异的选定属的相对丰度进行了分析，表明辣椒素处理以剂量依赖的方式增加了双歧杆菌和粪杆菌的比例，但仅在80 mg/kg 辣椒素干预组中显示出显著变化。

Faecalibacterium被认为是胃肠道疾病的生物指示剂，并与丁酸生成呈正相关。这可能是60和80 mg/kg 辣椒素组小鼠盲肠丁酸水平显著升高的原因。

在辣椒素干预组中，尤其是在40 mg/kg 辣椒素干预的组中，乳酸杆菌和Alistites的相对丰度显著降低。

与对照组相比，40 mg/kg 辣椒素干预显著提高了Dubosiella的比例，但减少了拟杆菌、丁酸单胞菌和Rikenellaceae_RC9_gut_group的丰度。

注：有研究曾报道，Dubosiella可以抑制小鼠的肥胖。

80 mg/kg 辣椒素干预后：Coriobacteriaceae_UCG_002的丰度增加。

注：Coriobacteriaceae_UCG_002可以通过产生必需氨基酸和发酵膳食蛋白而对宿主有利。

辣椒素在对抗疾病中的作用

辣椒素的抗肥胖作用

辣椒素已被证明能够引起饱腹感，减少热量摄入，增加能量消耗，并增强脂肪氧化，这反过来可能导致体重减轻。

厚壁菌/拟杆菌 ↑↑↑↑

大量研究表明，在以辣椒素作为补充的高脂肪诱导小鼠模型中，厚壁菌/拟杆菌的比率会更高。

发现肠道菌群失调可减少拟杆菌，并增强在肥胖人类和动物肠道中观察到的分泌革兰氏阴性病原体的厚壁菌和脂多糖。

AKK菌 ↑↑↑

最近，还研究了辣椒素的抗肥胖作用，与肠道微生物群的变化、喂食高脂肪辣椒素小鼠中变形菌门的减少以及对宿主新陈代谢有益的粘液降解细菌Akkermansia muciniphila 的高丰度有关。

Faecalibacteria ↑↑↑

辣椒素对肠道和微生物群有消炎作用。辣椒素可以增加Faecalibacteria，从而有助于防止肥胖，调节血糖水平，防止肠道炎症。

产丁酸菌 ↑↑↑

此外，饮食中的辣椒素可以诱导产生丁酸盐的瘤胃球菌科和拉氏螺旋菌科的水平增加，但也可以刺激盲肠产丁酸细菌和丁酸盐水平的升高，以抑制结肠CB1受体，并减少LPS的生物合成。

注：丁酸盐的好处：保护肠道内壁，有助于肠漏的愈合，保护大脑和神经系统，它能增强免疫系统，更有效地对抗感染。

刺激微生物群减少饥饿激素——饥饿素

胃内产生的一种肽被称为“饥饿激素”.它是肠道在肠道微生物的帮助下产生的一种激素。它不仅能影响食欲，还能促进身体储存脂肪的能力。

辣椒素通过刺激微生物群向身体发送信号，告诉它减少饥饿素，从而帮助你控制饥饿。

综上所述，辣椒素是一种有效的抗肥胖化合物。补充后，它会激活肠道内的某些受体，称为TRPV1受体。一旦打开，这些受体向身体发送信号，告诉身体增加肠道菌群Akkermansia muciniphila。更高比例的Akk菌促进减肥和调节血糖水平，因此有助于控制糖尿病和肥胖症。

辣椒素抗糖尿病作用

大量体内和体外研究表明，辣椒素在改善葡萄糖代谢方面发挥着重要作用。早些时候已经证明，在糖尿病大鼠中，系统性辣椒素激活可导致辣椒素敏感细胞变性和葡萄糖诱发胰岛素分泌的长期变化。

补充辣椒素（100 mg/kg）的雄性肥胖Zucker大鼠的血浆CGRP水平升高，同时通过辣椒素诱导的感觉神经脱敏改善糖耐量。

新生辣椒素治疗SD大鼠（50 mg/kg）胰岛素介导的糖代谢增加，通过辣椒素诱导的含有神经肽的感觉神经增强体内胰岛素敏感性。

患有糖尿病的雄性Wistar大鼠以1 mg/kg·天的剂量长期服用辣椒素8周，表明辣椒素具有利尿作用，并增加了尿液表皮生长因子水平。含有高酚和辣椒素含量的红辣椒茎（9.7 mg/g，DW）具有较强的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶抑制作用。

所有这些发现表明，辣椒素敏感结构一定参与了调节胰岛素分泌和血糖。

一项随机双盲临床试验表明，含有辣椒素的辣椒补充剂（5 mg/d辣椒素）定期改善妊娠期糖尿病妇女的餐后高血糖和高胰岛素血症以及空腹脂代谢紊乱。

膳食辣椒素通过对肠道微生物群的调节作用影响葡萄糖稳态和肥胖的拟议途径

doi: 10.3390/molecules25235681

辣椒素可降低2型糖尿病小鼠体内乳酸杆菌的丰度（db/db），从而降低胆汁盐水解酶活性（BSHa），增加肠道中结合胆汁酸（BA）的水平，尤其是法尼样X受体（FXR）拮抗剂牛磺酸-β-鼠胆酸（TβMCA）。FXR信号发生改变，肠肝FXR-FGF15轴（FGF15成纤维细胞生长因子15）也受到抑制，导致胆固醇7α-羟化酶（CYP7A1）表达上调，肝BA合成增强。在肥胖糖尿病小鼠中，辣椒素增加Roseburia并抑制拟杆菌和副杆菌的丰度，随后粪便丁酸水平和血浆胰高血糖素样肽-1（GLP-1）增加，血浆总ghrelin和促炎细胞因子减少。

辣椒素通过调节肠-脑（下丘脑）轴，最终针对棕色脂肪组织、白色脂肪组织和小鼠食物摄入量，在高脂饮食喂养的小鼠中发挥抗肥胖作用。辣椒素减少了能够分泌LPS（i）（肠道细菌脂多糖）的革兰氏阴性病原体的数量，如S24_7科成员，并增加了高脂饮食小鼠中产丁酸菌的数量（例如，瘤胃球菌科和Lachnospiraceae），从而增加了粪便丁酸盐。辣椒素可减弱高脂饮食小鼠肠道通透性增加和细菌移位，并抑制肠道大麻素受体1型（CB1（i））的表达。

通过这些途径，辣椒素增加了这些肥胖小鼠的肠道屏障强度，同时减少了肠道菌群改变所产生的高水平LPS（i），从而降低了高水平血浆循环LPS.

TRPV1通道在感觉异常中起着核心作用，并在糖尿病动物模型中显示出高表达水平。

“恶性循环假说”指出，肥胖期间TRPV1对感觉神经的激活可能导致持续的神经肽物质P（SP）和CGRP释放，从而阻止胰岛素介导的葡萄糖摄取，最终导致代偿性高胰岛素血症（下图）。因为CGRP可以减少胰岛素分泌，而SP可以诱导胰岛素抵抗，它们会引发一个恶性循环，从而导致2型糖尿病发病。

而辣椒素作为一种TRPV1激动剂，可能会打破这种恶性循环，并有可能改善胰岛素分泌和胰岛素敏感性。

辣椒素抗肥胖、抗糖尿病和抗高血压的可能机制

doi.org/10.1080/10408398.2021.1884840

抗肥胖机制：

通过磷酸化激活AMPK抑制ACC，抑制ACC降低丙二酰辅酶a浓度，导致CPT-1抑制解除，脂肪酸(FA)氧化增加，减少肌肉内脂质堆积。此外，辣椒素(CAP)没有增加HFD喂养的动物中UCP3的表达，但增加了正常肌肉细胞中的表达，因此影响产热。此外，CAP可能增加PRDM-16的表达，并促进其与PPARγ的相互作用，以及增加PGC-1α的表达来触发BAT分化和WAT褐变，从而增加产热和能量消耗来对抗肥胖。

抗糖尿病机制：

TRPV1在感觉神经上的激活可能导致神经肽P物质(SP)和降钙素基因相关肽(CGRP)的持续释放，从而阻断胰岛素介导的葡萄糖摄取。

抗高血压机制：

CAP诱导TRPV1激活Ca2+内流和PKA介导的内皮一氧化氮合酶(eNOS)磷酸化。此外，通过CAP激活TRPV1，通过增加α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)和SM22α的表达，减少骨桥蛋白(OPN)的表达，抑制PI3K/Akt信号通路，抑制高血压期间血管平滑肌细胞(VSMC)的表型转化，从而减轻颅内小动脉重塑。

辣椒素抗高血压作用

几项动物研究显示了辣椒素或辣椒摄入量与高血压之间的密切关系。

辣椒素对体内血压影响的关键研究综述

doi.org/10.1080/10408398.2021.1884840

一项包含9273名健康成年人的横断面研究表明，女性参与者中高频率的辛辣食物消费与高血压的低风险显著相关，但男性参与者中没有。

在1991年至2011年的中国健康与营养调查中，一项对13670名20-75岁成年人的队列研究表明，每1000人中不食用辣椒或每天食用1-20、20.1-50、> 50.1克辣椒的高血压发病率分别为30.5、33.4、31.9和24.0，表明辣椒食用量与高血压风险呈负相关。

辣椒素抑制高血压的机制可能涉及一些关键酶和不同的信号通路。

包括通过TRPV1激活、PKA活性激活和eNOS磷酸化增加以及p38/MAPK途径释放血管舒张神经肽。此外，抑制PI3K/AKT途径，刺激尿钠排泄和利尿，ACE抑制活性和L型钙2+平滑肌细胞中的通道抑制也涉及抗高血压机制。

因此，食用辣椒素可能是一种潜在的抗高血压干预手段。

辣椒素在炎症性肠病中的作用

克罗恩病患者的回肠粘膜碎片显示，Faecalibacterium prausnitzii的丰度较低，这与6个月后内镜下复发有关。众所周知，Faecalibacterium prausnitzii具有抗炎特性，在外周血单核细胞培养物和结肠炎动物模型中，分别减少促炎细胞因子的产生，并增加抗炎细胞因子IL-10的分泌。

扩展阅读：

肠道核心菌属——普拉梭菌（F. Prausnitzii），预防炎症的下一代益生菌

富含 CAP 的饮食可能对克罗恩病产生有益的影响，因为它们会增加厚壁菌门/拟杆菌门的比例和粪杆菌的丰度，从而将免疫平衡改变为对食物抗原和共生细菌更具耐受性的状态。

辣椒素抗癌症作用

体外和体内研究表明辣椒素对不同种类的癌症具有抗癌作用，如胃癌、结肠癌、前列腺癌、胰腺癌、肺癌、乳腺癌、膀胱癌等。

辣椒素潜在的抗癌机制可能与其对肿瘤细胞凋亡、自噬和转移的影响有关。

辣椒素通过诱导凋亡和抑制血管生成来抑制各种永生化或恶性细胞系的生长。

辣椒素可以通过调节其广泛的分子靶标来调节细胞增殖和凋亡，这些分子靶标包括转录因子、生长因子及其受体、细胞因子、酶和基因。

除了细胞凋亡之外，辣椒素在防止体液细胞转移方面也起着重要的作用。

体内研究评估辣椒素在各种癌症中的抗癌机制

doi.org/10.1080/10408398.2021.1884840

总之，辣椒素的抗癌机制如下图，包括细胞凋亡的激活、细胞生长停滞、细胞自噬以及血管生成和转移的抑制。

辣椒素可能的抗癌作用机制：

• 通过mAPK/JNK途径和hedgehog途径诱导细胞增殖；
• p53途径诱导细胞凋亡；
• AKT/PI3K-mTOR途径诱导细胞自噬发挥。

因此，辣椒素有可能成为一种预防和治疗癌症的新疗法。

辣椒素抗癌的关键机制

doi.org/10.1080/10408398.2021.1884840

CAP通过抑制Akt/mTOR途径抑制Akt磷酸化并诱导自噬。此外，CAP可以增加磷酸酶和张力蛋白同源物(PTEN)的表达，导致己糖激酶-2(hk2)表达的减少，从而抑制肿瘤细胞糖酵解。此外，TPPV1激活了Ca2+内流可以激活MAPK，进而阻断Hedgehog通路，抑制细胞增殖。此外，细胞内GSH水平的降低可能导致ROS的增加，进而激活线粒体死亡途径。CAP可能上调促凋亡基因，包括Cyc、AIF、Bax和裂解的caspase-3和-9，同时下调抗凋亡基因BCl2。P38和JNK MAPK通路以及AMPK/p53通路的激活也参与诱导细胞周期阻滞和凋亡。此外，CAP通过AMPK-SIRT1和AMPK-IκBα信号通路抑制NF-κB p65，从而抑制肿瘤细胞的迁移和侵袭，并引起基质金属蛋白酶-9 (MMP-9)的下调。

辣椒素的认知干预作用

在动物研究中，辣椒素在认知功能中的作用是有争议的。一些研究表明辣椒素具有神经毒性。

然而，辣椒素也被证明对认知功能或老年痴呆症有积极作用。例如，已经证明辣椒素对大鼠大脑中应激诱导的阿尔茨海默样变化具有预防作用。

具体而言，辣椒素可以部分减轻冷水应激诱导的大鼠空间记忆保留缺陷、LTP抑制、树突形态异常和突触相关蛋白丢失。

此外，辣椒素可以降低含辣椒素的高脂饮食喂养的SD大鼠患阿尔茨海默的风险。

关于食用辣椒与认知功能之间关系的流行病学研究有限。

目前，一项针对338名40岁以上参与者的调查表明，高水平的辣椒素饮食可能对中老年人的认知功能和AD血清Aβ水平产生有利影响，中国健康与营养调查（CHNS）在4582名中国成年人中收集了15年的数据，这些数据支持辣椒摄入量与认知功能之间存在正相关。

研究表明，与非消费者相比，那些累积平均辣椒摄入量超过50克/天的人，其总体认知功能的回归系数（和95%CI）为−1.13 (−1.71至0.54），自报记忆力差和自报记忆能力下降的比值比（和95%CI）分别为2.12（1.63–2.77）和1.56（1.23–1.97）.

与食物一起摄入的辣椒素可以通过胃肠道中的非主动过程被迅速吸收。在被运输到门静脉，然后进入人和啮齿动物的全身后，约5%的未改变的辣椒素穿过血脑屏障并进入脑组织。

辣椒素受体TRPV1被证实可增加海马胰岛素信号通路，从而抑制GSK-3β，防止ad相关的tau蛋白过度磷酸化。

此外，自噬在β-淀粉样蛋白的生成和代谢中也起着重要作用，tau的组装及其功能障碍可能导致阿尔茨海默病的进展。

总之，辣椒素可以通过抑制tau蛋白过度磷酸化来减轻阿尔茨海默样神经病理改变和认知障碍，这表明它可能是一种有前途的阿尔茨海默治疗干预方法。

扩展阅读：

阿尔茨海默病de饮食-微生物-脑轴

辣椒素抗抑郁作用

膳食辣椒素可改善LPS诱导的抑郁样行为小鼠的抑郁样行为，如厌恶刺激、快感缺失和绝望等得到缓解。

辣椒素可以恢复抑郁症相关微生物群的异常变化。特别是在属水平上，辣椒素增加了某些关键微生物的相对丰度，如瘤胃球菌、普雷沃菌、 Allobaculum, Sutterella, Oscillospira.

相关分析显示，微生物群落组成的变化与抑郁行为改善、5-HT下降和TNF-α水平密切相关。

注：5-HT是一种代表性的单胺类神经递质，涉及调节几种生理活动和行为，包括与情绪和焦虑有关的活动和行为，并且低水平的5-HT已被证明与抑郁有关。

这些结果表明，膳食辣椒素可以调节肠道菌群的结构和数量，并在预防抑郁方面发挥重要作用。

吃辣小课堂

▸ 健康的辛辣食物有哪些？

• 黑胡椒
• 辣椒粉 (由干的磨碎的红辣椒制成)
• 芥末 (包括芥末籽或粉末和瓶装类型，如第戎芥末)
• 姜黄 (咖喱酱的主要成分，通常与胡椒和红辣椒一起使用)
• 辣根
• 姜
• 红辣椒
• 波布拉诺辣椒
• 塞拉诺辣椒
• 墨西哥胡椒纸
• 哈瓦那辣椒
• 泰国辣椒
• 四川胡椒子
• 辣椒酱 (由辣椒、糖、盐和醋制成的酱)
• 红辣椒酱 (由红辣椒片制成的酱)
• 哈里萨辣酱 (由大蒜、油和红辣椒制成的糊状物)
• 印度鬼椒 (最辣的辣椒之一)

▸ 什么人群不适合吃辣？

虽然辛辣食物不会引起溃疡，但在部分人中也会引发腹痛。

一项研究特别强调，经常食用辛辣食物会引发一些消化不良患者的上消化道症状。对于肠易激综合征（IBS）患者，辛辣食物也会引发症状。

对于炎症性肠病（或IBD-克罗恩病或溃疡性结肠炎）患者，辛辣食物也会引发一些症状。

如果患有肛裂，可能会感觉到烧灼感。一项研究表明，辛辣食物会加重与肛裂相关的症状。

其他患胃酸倒流、胃灼热、腹泻、胃痛、怀孕期间的晨吐或恶心等人群，则需注意谨慎吃辣。

▸ 准备辣椒食物要注意什么？

准备辣椒时要戴手套，或者至少处理完后要彻底洗手。

保护眼睛和其他敏感区域。切辣椒时考虑戴眼镜。洗手前不要揉眼睛、鼻子或嘴巴等部位。

▸ 如何适应辛辣食物？

从微辣的食物开始，每周吃点辣的，舌头会慢慢习惯这种感觉，身体就像对酒精和咖啡因产生耐受性一样，慢慢也会对辣椒素产生耐受性。

▸ 一不小心吃太多辣如何缓解？

——牛奶或酸性饮料中和辣

辣的受不了的时候，可以喝点牛奶缓解，牛奶中的脂肪和蛋白质会中和食物中的香料，如果没有牛奶，可以喝冰水或酸性饮料。

普通的一杯水不会对解辣有帮助，因为水会将辣椒素扩散到嘴里，而柠檬水、橙汁或葡萄汁之类的酸性饮品都可以。

——不同质地的食物分散注意力

不同食物的质地可能会分散你对辣的注意力，吃口卷饼、饼干、面包丁之类的固体食物，它们本身其实并不能对抗辣椒素，但会给舌头一些不同的东西来关注。

——碳水化合物有助于吸收辣椒素

淀粉类碳水化合物会形成一道屏障，使辣椒素更难进入味蕾。

——吃饭的时候用嘴呼吸

每一口之间，慢慢呼气，把辣吹走，让嘴冷却下来。如果真的很痛，想象自己真的把辣椒片吹向空中，可能有助于减轻压力。

——提前吃点抗酸剂来防止胃不舒服

可以提前吃点抗酸剂或吃点小零食，比如三明治或土豆泥来填饱肚子，让辣椒素进入肠道后有所保留。注意不要过量使用抗酸剂，吃太多会扰乱胃产生酸的方式。

——记住熬过15分钟

辛辣食物的辣劲儿只需要15分钟就可以消散。如果感觉嘴巴着火一样，只要提醒自己这种感觉不会永远持续下去，不用害怕。

主要参考文献：

Naqvi S, Asar TO, Kumar V, Al-Abbasi FA, Alhayyani S, Kamal MA, Anwar F. A cross-talk between gut microbiome, salt and hypertension. Biomed Pharmacother. 2021 Feb;134:111156. doi: 10.1016/j.biopha.2020.111156. Epub 2021 Jan 2. PMID: 33401080.

Do MH, Lee HB, Oh MJ, Jhun H, Ha SK, Park HY. Consumption of salt leads to ameliorate symptoms of metabolic disorder and change of gut microbiota. Eur J Nutr. 2020 Dec;59(8):3779-3790. doi: 10.1007/s00394-020-02209-0. Epub 2020 Mar 3. PMID: 32125529.

Czesnikiewicz-Guzik M, Müller DN. Scientists on the Spot: Salt, the microbiome, and cardiovascular diseases. Cardiovasc Res. 2018 Aug 1;114(10):e72-e73. doi: 10.1093/cvr/cvy171. PMID: 30052920.

Na SY, Janakiraman M, Leliavski A, Krishnamoorthy G. High-salt diet suppresses autoimmune demyelination by regulating the blood-brain barrier permeability. Proc Natl Acad Sci U S A. 2021 Mar 23;118(12):e2025944118. doi: 10.1073/pnas.2025944118. PMID: 33723078; PMCID: PMC7999868.

National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine; Health and Medicine Division; Food and Nutrition Board; Committee to Review the Dietary Reference Intakes for Sodium and Potassium. Dietary Reference Intakes for Sodium and Potassium. Oria M, Harrison M, Stallings VA, editors. Washington (DC): National Academies Press (US); 2019 Mar 5. PMID: 30844154.

Ma Y, He FJ, Sun Q, Yuan C, Kieneker LM, Curhan GC, MacGregor GA, Bakker SJL, Campbell NRC, Wang M, Rimm EB, Manson JE, Willett WC, Hofman A, Gansevoort RT, Cook NR, Hu FB. 24-Hour Urinary Sodium and Potassium Excretion and Cardiovascular Risk. N Engl J Med. 2022 Jan 20;386(3):252-263. doi: 10.1056/NEJMoa2109794. Epub 2021 Nov 13. PMID: 34767706; PMCID: PMC9153854.

Rizvi ZA, Dalal R, Sadhu S, Kumar Y, Kumar S, Gupta SK, Tripathy MR, Rathore DK, Awasthi A. High-salt diet mediates interplay between NK cells and gut microbiota to induce potent tumor immunity. Sci Adv. 2021 Sep 10;7(37):eabg5016. doi: 10.1126/sciadv.abg5016. Epub 2021 Sep 10. PMID: 34516769; PMCID: PMC8442882.

Kawano Y, Edwards M, Huang Y, Bilate AM, Araujo LP, Tanoue T, Atarashi K, Ladinsky MS, Reiner SL, Wang HH, Mucida D, Honda K, Ivanov II. Microbiota imbalance induced by dietary sugar disrupts immune-mediated protection from metabolic syndrome. Cell. 2022 Sep 15;185(19):3501-3519.e20. doi: 10.1016/j.cell.2022.08.005. Epub 2022 Aug 29. PMID: 36041436.

Xia J, Gu L, Guo Y, Feng H, Chen S, Jurat J, Fu W, Zhang D. Gut Microbiota Mediates the Preventive Effects of Dietary Capsaicin Against Depression-Like Behavior Induced by Lipopolysaccharide in Mice. Front Cell Infect Microbiol. 2021 Apr 27;11:627608. doi: 10.3389/fcimb.2021.627608. PMID: 33987106; PMCID: PMC8110911.

Wang F, Xue Y, Fu L, Wang Y, He M, Zhao L, Liao X. Extraction, purification, bioactivity and pharmacological effects of capsaicin: a review. Crit Rev Food Sci Nutr. 2022;62(19):5322-5348. doi: 10.1080/10408398.2021.1884840. Epub 2021 Feb 16. PMID: 33591238.

Xiang Q, Tang X, Cui S, Zhang Q, Liu X, Zhao J, Zhang H, Mao B, Chen W. Capsaicin, the Spicy Ingredient of Chili Peppers: Effects on Gastrointestinal Tract and Composition of Gut Microbiota at Various Dosages. Foods. 2022 Feb 25;11(5):686. doi: 10.3390/foods11050686. PMID: 35267319; PMCID: PMC8909049.

温度对免疫代谢调节和癌症进展的影响

谷禾健康

今年夏天的高温相信大家都有所感受，连续数十日的高温让我们感到非常炎热，但随着逐渐入秋，天气也渐渐变冷，我们需要适当地增添一些衣物。

环境温度不仅与我们的生活相关，对人体的健康也有重要影响。最近的研究将环境温度的变化与代谢、肠道微生物以及抗癌免疫反应联系起来。

谷禾将这些研究进行了一些整理归纳，主要讲述环境温度引起的全身代谢变化如何影响抗肿瘤免疫反应。我们还描述了温度变化期间肠道微生物组和免疫代谢之间的相互作用，并涵盖了环境温度调节肿瘤进展的已知机制。

帮助人们认识环境温度对身体的影响，有助于更好地对自己的健康进行管理。甚至可能有助于发现代谢疾病和癌症的治疗新方法。

本文主要分为以下四部分进行讲述

● 环境温度与脂肪代谢

● 不同温度下的免疫反应

● 环境温度对肠道微生物群的影响

● 环境温度与癌症及免疫治疗

01 环境温度与脂肪代谢

环境温度的差异会影响生物体的物理需求、代谢活动和肠道微生物群。

脂肪组织

脂肪组织是指由大量群集的脂肪细胞构成，聚集成团的脂肪细胞由薄层疏松结缔组织分隔成小叶。

葡萄糖和脂质的摄取是癌细胞的基本能量来源，脂肪组织在环境温度变化期间调节能量平衡方面起着重要作用。

脂肪组织包含几种不同类型的细胞，主要分为白色脂肪组织（WAT）和棕色脂肪组织（BAT）。

●白色脂肪组织

白色脂肪组织（WAT）由单泡脂肪细胞构成，通常主要负责以甘油三酯的形式储存脂质，是我们人体最大的能量储存库。

单泡脂肪细胞，细胞中央有一大脂滴，胞质呈薄层，位于细胞边缘，包绕脂滴。

●棕色脂肪组织

棕色脂肪组织(BAT)是指动物体内呈棕色的脂肪组织。其中的脂肪细胞体积较小，胞质中有多个较小的脂滴，并有较多的线粒体。细胞核呈圆形，位于细胞中央。

在寒冷环境中，棕色脂肪组织消耗较快，能产生大量热量、温暖流经其周围的血流，有利于御寒。

利用葡萄糖和脂肪通过解偶联氧化磷酸化（主要由解偶联蛋白-1（UCP-1）介导）产生热量，这一过程称为非颤抖产热。

注：大量的研究表明棕色脂肪组织不仅具有御寒功能，而且还会燃烧多余脂肪和糖分，产生热量，防止体内储存过多的脂肪。

低温下脂肪组织会褐变

在长时间的冷暴露后，棕色脂肪细胞也会出现在白色脂肪细胞中，这一过程通常称为WAT褐变。

由于拥有大量UCP-1阳性线粒体，这些棕色脂肪细胞的产热能力高于白色脂肪细胞。

解偶联蛋白-1（UCP-1）是唯一在棕色脂肪组织(BAT)中表达的解偶联蛋白质,UCP-1的主要功能是参与棕色脂肪组织的产热调节和能量代谢来维持机体的能量代谢平衡。

✦促进WAT褐变的因素

一些因素可以促进WAT褐变，从冷暴露、耐力锻炼和饮食习惯，到通过β3-肾上腺素能受体激活的交感神经刺激，以及微生物群的改变。

冷暴露诱导β3-肾上腺素能受体信号的激活可促进葡萄糖、脂肪酸和富含甘油三酯的脂蛋白从内部贮存器摄取到棕色脂肪组织，然后将其用作非颤抖产热的能量来源。

温度影响下的脂肪组织

热中性区

什么是热中性区？

热中性区是指在环境温度的某一范围内，内温动物耗氧量最低，并且不随环境温度而变化，是代谢的稳定区。小鼠的热中性区在有光照期时为29°C，在黑暗时为33°C。

内温动物——通过自身体内氧化代谢产热来调节体温的动物

因此，20-22°C（室温，RT）的房屋温度对小鼠来说是一个较温和的寒冷环境，通过能量资源的比例分配，以实现产热。

✦热中性区下代谢减弱

由于交感神经活性受到抑制，耗氧量和产热率降低，与室温饲养的小鼠相比，热中性导致脂肪组织“变白”。

在没有解偶联蛋白-1的情况下，热中性会导致小鼠肥胖表型，很可能是由于在此温度下缺乏较高的代谢。

✦棕色脂肪组织比白色脂肪组织代谢更强

与白色脂肪组织相比，即使在温暖温度下处于基础状态，棕色脂肪组织也能增加葡萄糖摄取、乳酸释放和代谢活性。

值得注意的是，经过热中性处理的白色脂肪细胞在冷暴露后可以重新获得产热能力，这一过程部分由不同温度条件下的转录和表观遗传调控介导。

活体细胞类型特异性分析表明，白色脂肪细胞经历了白化诱导的染色质变化，从而能够保护其表观遗传记忆免受先前的寒冷影响。

不过还需要进行进一步研究，以充分了解导致脂肪组织温度驱动变化的细胞机制，以及特定皮下脂肪与内脏脂肪库在肿瘤生长过程中发生褐变的偏好。

温度变化影响的其他器官

温度变化导致不同器官的代谢重编程

Wang H,et al.FEBS J.2022

生物体在不同环境温度下的生物物理需求，包括它们在不同组织和肠道微生物群中的代谢活动都不同。

▷寒冷环境

皮肤神经元感受到的冷刺激会激活交感神经系统，该系统负责棕色脂肪组织中去甲肾上腺素的局部生成。

交感神经系统（SNS）对整体生理功能具有调节意义： 在环境急剧变化时,交感神经系统可以动员机体许多器官的潜力以适应环境的变化。

去甲肾上腺素（NE），它既是一种神经递质，也是一种激素。

冷暴露也会引发肌肉颤抖，从而促进棕色脂肪组织产热。在长时间寒冷暴露期间，白色脂肪组织的褐变也通过各种机制参与生热，包括刺激肝脏FGF21和胆汁酸（BA）。肝脏酰基肉碱代谢的增加有助于肝脏和其他组织中的脂质氧化。

胆汁酸是胆汁的重要成分，在脂肪代谢中起着重要作用。

此外，寒冷诱导的食欲和代谢变化导致肠道微生物群落的厚壁菌/拟杆菌比率发生变化，厚壁菌的数量超过拟杆菌（从室温下的72.6%到低温下的35.2%），粪便和盲肠中几乎没有疣状杆菌门，影响到各种器官。

▷温暖环境

热暴露会导致微生物群发生相反的变化，通过增强多胺的产生，对骨重塑有显著的有益影响。肝脏热适应后，静息耗氧量降低。随着温度的升高，白色脂肪细胞可以经历表观基因重编程。

冷暴露（4oC-18oC）；热中性温度（29°C-33°C）；热暴露(≥34°C）。

建议

谷禾查阅到一项研究比较了温和与炎热环境下的运动脂肪的消耗率。结果显示，热环境显著降低了脂肪氧化率。

可以说，在相对适宜的温度下比高温下运动的减肥效率更好。对于那些试图在运动中增加脂肪氧化的人来说，不建议在高温下运动，同时也可以避免中暑。

02 不同温度下的免疫反应

免疫细胞监测并响应环境代谢线索以及各种内源性触发因素，导致其功能改变。人类和动物研究表明，不同的环境温度可以改变细胞和体液方面的免疫反应。

免疫系统和生物体的致热反应之间的相互作用可以在生命史理论的背景下进行观察，该理论认为生物程序之间资源的优先次序取决于环境。

在恶劣环境中，资源从增长和繁殖项目转移到维护项目。有趣的是，各种维护程序之间也存在资源竞争，其中对寒冷的代谢反应需要与其他耗能高的程序（如免疫反应）进行能量平衡。

不同温度下的免疫细胞

环境温度对小鼠和人类的代谢和免疫影响

Wang H,et al.FEBS J.2022

✦寒冷使活性降低，免疫反应受限

寒冷降低了单核细胞上的主要组织相容性复合物II类（MHCII）并使其活性降低，这反过来又抑制了自身免疫过程中致病性T细胞的启动。

这导致T细胞细胞因子表达减少，从而减轻神经炎症。这些数据表明，由于小鼠免疫系统的能量可用性降低，资源优先用于产热，导致免疫反应受限。

虽然这种竞争对自身免疫有明显的保护作用，但它也可以使寒冷期间对某些病毒感染的易感性增加，这值得进一步研究。

✦热中性环境下增强了免疫细胞

此外，热中性环境增强了免疫细胞在肿瘤微环境中的渗透。这与不断积累的证据一致，即反复寒冷暴露会抑制小鼠的免疫活动，而温暖会激发更大的抗病毒免疫反应。

有趣的是，处于热中性环境的小鼠在骨髓中积累LyG6+单核细胞，但在循环血液中减少，从而对动脉粥样硬化产生保护作用。

注意

虽然这些数据有力地支持了能量资源优先化会限制有利于增加产热的免疫反应的观点，但其作用还不能完全确定。

有证据表明，寒冷环境温度对免疫系统既有抑制作用，又有支持作用，这在一定程度上取决于寒冷暴露的时间长短。

几项研究表明，虽然短期冷刺激会降低人类淋巴增殖反应和Th1细胞因子的产生，但它也会引发炎症反应和免疫抑制特征基因。根据小鼠的数据，长期适应冷暴露会导致抗炎反应，这意味着冷适应期间免疫反应的变化可能具有普遍重要性。

免疫反应与脂肪组织的相互作用

免疫反应同时也会反过来调节瘦鼠和肥胖鼠的脂肪代谢。

抗炎信号的募集与脂肪中的白色脂肪生成密切相关。白色脂肪组织的低度炎症是肥胖的标志，与白色脂肪组织中促炎症（M1型）巨噬细胞的浸润和激活以及褐变能力的降低有关。

✦白色脂肪组织促使巨噬细胞极化

早期的报告表明，冷暴露后，白色脂肪组织被数量增加的嗜酸性粒细胞浸润，这可能会促使巨噬细胞极化，从促炎状态转变为抗炎状态。

白色脂肪组织驻留巨噬细胞可通过几种潜在机制发挥其褐变作用。M1型极化巨噬细胞通过结合整合素α4和血管细胞粘附分子1（VCAM-1）粘附到脂肪细胞，导致持续抑制。

✦巨噬细胞吸收并降解白色脂肪组织

一种称为交感神经元相关巨噬细胞的巨噬细胞亚群吸收并降解白色脂肪组织交感神经末梢网络释放的去甲肾上腺素。交感神经相关巨噬细胞在肥胖中增加，这些细胞摄取去甲肾上腺素的消融增加了褐变。

此外，在热中性状态下，小鼠棕色脂肪组织中巨噬细胞的浸润和相应的促炎细胞因子IFN-γ、TNF-α、IL-1β和IL-6增加。

不同温度下的免疫细胞数量

•冷暴露下免疫细胞数量变化暂不确定

在人类中，每日30–60分钟冷暴露（冷水游泳14°C-18°C）三周后，辅助T细胞（CD4+）和细胞毒性（CD8+）T细胞计数没有显著变化；然而，在同样的间歇性感冒六周后，T淋巴细胞增加。另一方面，短期（20–60分钟）冷暴露导致外周CD4+数量下降。

•室温下T细胞增殖受到抑制

与热中性温度相比，在室温条件下，髓源性抑制细胞（MDSC）通过上调β3-肾上腺素能受体，部分抑制T细胞增殖。

如上所述，冷暴露通过降低单核细胞MHCII的表达来减少T细胞启动。此外，据报道，急性热应激会增加自然杀伤细胞（NK细胞）的数量，；而慢性热应激抑制脾脏NK细胞的活性，并增加Th2与Th1的比值。

髓源性抑制细胞（MDSC）是一类未成熟的免疫细胞，有免疫抑制功能，可强力抑制T细胞

NK细胞是一种细胞毒性淋巴细胞，对先天免疫反应至关重要

✦全身热疗可能会增强免疫作用

小鼠和人类对高温（39°C-43°C）的免疫反应包括上调树突状细胞中的T细胞启动标记物，增强Toll样受体4（TLR4）+巨噬细胞，以及增强淋巴细胞向淋巴的转运。

这种免疫调节伴随着高温后热休克蛋白水平的增加及其与免疫细胞上热休克蛋白受体的相互作用。

热休克蛋白(HSP)是在从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应激蛋白质。当有机体暴露于高温的时候，就会由热激发合成此种蛋白，来保护有机体自身。

在人类癌症患者中，局部热疗不会改变细胞因子水平，然而，全身热疗会升高IL-1、IL-6或TNF-α，表明全身热疗可能对免疫治疗有益。

冷暴露下脂肪组织对免疫的影响

脂肪组织是一个高度代谢活性的器官，储存和释放脂质代谢产物。

•脂质总体成分变化

在对腹股沟白色脂肪组织进行的脂质组学/RNA序列组合分析中，短期（3天）冷暴露导致脂质成分的总体变化：特别是甘油磷脂和鞘脂的富集，以及产热机制、脂肪酸代谢、三酰甘油酯和甘油磷脂合成的转录组学变化。

•氨基酸大幅增加

然而，慢性（10天）冷暴露通过富集三羧酸循环中间产物，导致小鼠棕色脂肪组织和皮下白色脂肪组织中的线粒体葡萄糖氧化，这在内脏白色脂肪组织中未观察到。

短期冷暴露也会改变血浆氨基酸库，导致谷氨酰胺和支链氨基酸大幅增加，如谷氨酰胺含量、脯氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，可以作为棕色脂肪组织产热的能源。

•有助于免疫细胞的激活

此外，研究还指出，其他代谢机制也参与其中，如脂肪酸、肌酸和钙的无效循环对冷适应产热的影响。脂肪组织中的生热诱导脂解可能有助于外周循环和重要代谢器官中免疫细胞的招募和激活。

在瘦个体中，脂肪组织相关巨噬细胞体积小，在脂肪细胞中稀疏分布，但在肥胖个体中，它们积累脂质并聚集。

其他潜在的代谢信号，如脂肪酸、氨基酸、缺氧和脂肪细胞应激，被认为有助于免疫细胞和脂肪细胞在不同温度下的相互作用；不过还需要更多的研究来更好地理解它们的重要性。

03 环境温度对肠道微生物群的影响

人体微生物群分布于身体的各个部位，包括呼吸道、皮肤以及肠胃。

肠道微生物

胃肠道微生物群落丰富多样，主要由放线菌、拟杆菌、厚壁菌、变形杆菌和疣状杆菌门的严格厌氧菌组成，肠道病毒和真菌种类繁多。

✦保护性免疫作用

肠道微生物群除了在食物消化和宿主生理调节中的作用外，越来越多的证据表明，它在增强癌症患者抗肿瘤免疫治疗中的保护性免疫作用。

环境因素对微生物的影响

一些环境因素，如营养素、盐和温度，影响微生物群的组成、定殖和代谢活动。

生命的组成部分天生对温度敏感。温度过高时，蛋白质变性，核酸失去碱基配对，质膜变得过于流动。温度太低时，一切都会变慢：酶工作效率低下，核酸形成不方便的二级结构，质膜变硬。

因此，微生物和其他有机体调整其细胞过程，使其在特定温度范围内生长，并在超出其最佳温度范围时作出响应。

✦环境温度会改变肠道微生物的功能

最近研究表明，环境温度变化会改变肠道微生物组的多种生物功能。反过来，肠道微生物群在多个层面上参与全身代谢。

一方面，适应低温的微生物群增加了营养素的吸收，从而影响从饮食和储存中获取能量，并调节免疫反应。另一方面，它通过调节棕色脂肪组织和白色脂肪组织褐变和产热来影响能量消耗。

✦肠道微生物对温度的适应能力如何？

•具有耐热性

大肠杆菌和其他肠杆菌科成员具有耐热性；该科中的许多物种在比宿主温度低和高的温度下都能较好地生存。

例如，耶尔森氏菌将在接近0°C的温度下继续生长，而实验室大肠杆菌菌株能从大约8°C生长到42°C，并很容易在高达48°C或更高的温度下生长。

•功能灵活

变形菌门被认为是功能灵活的，能对许多环境压力作出反应。此外，这一组的致病成员，如沙门氏菌, 耶尔森氏菌属, 假单胞菌和致病性大肠杆菌，明确响应宿主温度，将其作为上调毒力基因的环境线索。

这些温度响应基因在类似发烧的42℃温度下比在37℃温度下更容易上调，铜绿假单胞菌中的温度响应酶同样显示出在45°C的温度范围内提高效率。

艰难梭菌是另一种主要的人类肠道病原体，在37°C和41°C下在体外同样生长良好。总之，这些观察结果表明肠道病原体既能耐受也能利用宿主温度的变化。

不同温度下的肠道微生物

1

低温

一些实验研究了哺乳动物肠道微生物群对冷暴露和宿主体温过低的反应性。

•厚壁菌和短链脂肪酸增加

长期的寒冷暴露导致A.muciniphila几乎完全枯竭，同时增加了Lachnospiraceae、Clostridiaceae、Ruminococcaceae家族的丰度和短链脂肪酸的相对产量，使其不易受到高脂肪饮食诱导的肥胖的影响。

除了食物摄入量显著增加外，冷暴露还刺激棕色脂肪组织中的脂蛋白加工和胆固醇向胆汁酸的肝脏转化，这有助于微生物群重塑。

•新陈代谢良好

低温小鼠的新陈代谢健康状况也较好，不易受到高脂肪饮食诱导的肥胖的影响，这些特征可以通过将粪便微生物群移植到室温下保存的小鼠中来复制。

2

高温

•肠通透性增加

热应激（>40°C）可导致肠上皮损伤，导致细菌产生的脂多糖的肠通透性增加，从而引发局部和全身免疫反应，并与体重指数增加、胰岛素敏感性受损和脂肪褐变减少相关。

•厚壁菌和短链脂肪酸减少

与在哺乳动物冷应激期间观察到的厚壁菌和短链脂肪酸的丰度增加相反，多项研究表明，肠道厚壁菌随着热应激而减少，肠道微生物群的总体α多样性也随之减少。

令人惊讶的是，在多种宿主中都观察到了这种下降，包括放热动物和吸热动物。总之，这些数据表明，体温对肠壁厚菌的影响是一致的，这是由体温本身或宿主食欲或新陈代谢的保守变化引起的。

•影响随时间积累

此外，在反复的热应激循环后，沙鼠的微生物群落α多样性下降，表明热应激的后果可能会随着时间的推移而积累。

3

适宜温度

•肠道菌群组成发生变化

暴露在温和的温度（34°C）下也会引起肠道微生物群组成的变化。

以下的菌群数量会增加：

Turicibacter ↑↑↑

Akkermansia ↑↑↑

Parabacteroides ↑↑↑

以及下列菌属数量的减少：

Butyricococcus ↓↓↓

Peptococcaceae ↓↓↓

Ruminiclostridium ↓↓↓

•影响免疫反应和肠道稳态

在卵巢切除的老年雌性小鼠（绝经后骨质疏松症模型）中，温热条件下的微生物群移植均能逆转卵巢切除引起的胫骨转录组变化，并增加骨膜骨形成。

这种影响在一定程度上是由多胺的增加所介导的，多胺的产生可以影响骨重塑，但也可能具有免疫细胞功能。除了代谢调节的改变外，热应激诱导的热休克蛋白主要由肠道微生物群诱导，以响应细胞应激。

这些蛋白质作为肠道“看门人”，在免疫反应和肠道内稳态维持中具有若干关键功能，包括变性蛋白质的重折叠和从肠道中清除受损多肽。

免疫热应激和肠道微生物反应

✦体温升高有助于清除感染

为了应对感染和先天免疫刺激，大多数哺乳动物都会发烧：故意提高体温。发烧时，下丘脑通过触发棕色脂肪组织中的非颤动产热，对前列腺素水平升高（受刺激巨噬细胞释放的炎症脂质介质）作出反应，从而通过与低温时相同的基本机制产生代谢热。

即使是体温过高者也会改变他们的行为，在感染期间寻找更高的温度；事实上，感染后体温升高1.5至5°C在动物界非常普遍。核心体温升高的假定进化益处是通过直接抑制微生物生长或在更高温度下刺激免疫反应来限制病原微生物的活动。实验和观察证据都表明，发烧反应确实有助于更快地清除感染。

在抗生素开发之前，热疗甚至被用于治疗人类梅毒症状。

✦发烧会影响肠道微生物

尽管发烧对传染病有影响，但发烧对肠道微生物群的影响知之甚少。

一般来说，先天性炎症反应与肠道蛋白杆菌水平增加和α多样性降低有关，尤其是当炎症变为慢性时。然而，急性发热反应对哺乳动物微生物群的影响相对未知。

最近的一项研究发现，感染新型冠状病毒（SARS-Cov2）的患者的肠道微生物群出现发烧依赖性变化，包括细菌热休克蛋白的增加，这表明发烧温度确实会影响人体微生物群。

注意

虽然上述证据表明温度适应下的微生物群对宿主免疫调节有重要作用，但最近的研究强调，在物种层面上，人类和小鼠具有不同的肠道微生物群组成。在某些情况下，这些差异在家庭层面上也很明显。

例如，在人类中，拟杆菌门主要由拟杆菌科和瘤胃球菌科的厚壁菌门组成。相反，在小鼠中，拟杆菌主要由S24-7家族组成，而厚壁菌则由梭状芽孢杆菌目组成。

根据这些报告，可以设想不同的方法来克服使用小鼠微生物群作为人类替代物的挑战。例如，通过将人类肠道微生物群移植到无菌小鼠中来建立小鼠模型，以及发现小鼠物种和人类微生物群之间的功能同源物。

虽然在动物模型中的研究表明，微生物群在不同环境温度下调节免疫代谢方面起着关键作用，但人类肠道微生物群在这方面的重要性有待进一步研究。

04 环境温度与癌症及免疫治疗

自2008年以来，世界各地新发癌症病例的数量显著增加，但各国和世界各地不同类型癌症之间存在着相当大的异质性。

这些差异可归因于遗传差异、环境因素、寿命以及其他癌症诱因，包括社会行为、经济发展和医疗系统的进步。

环境温度与肿瘤存在联系

环境温度可能通过各种生理过程，如代谢和内分泌变化，以及免疫反应和肠道微生物群的变化，促进肿瘤的发生。

癌症和恶性细胞经历代谢改变，主要通过加速糖酵解代谢获得能量以促进其增殖、存活和迁移。然而，肿瘤微环境和宿主大环境中的葡萄糖缺乏也会导致癌细胞的代谢重编程，如脂质代谢的激活，从而改变肿瘤进展和耐药性。

•癌症中棕色脂肪组织活性较高

积累的证据表明棕色脂肪组织与癌症之间存在联系；然而，关于这是正相关还是负相关，有相互矛盾的证据。癌症患者在正电子发射断层扫描/计算机断层扫描中显示18F氟脱氧葡萄糖（18FFDG）摄取量较高，表明与健康对照组相比，棕色脂肪组织活性较高。

•温暖环境中免疫细胞渗透性更高

研究发现，由于免疫细胞在更温暖的环境中的渗透性更高，居住在室温中的小鼠的癌症生长速度比居住在热中性温度（大约30°C）下的小鼠更快、更具攻击性。

虽然对这些效应的分子解释有待进一步研究，但热疗是一种众所周知的癌症治疗替代策略，因为癌细胞在高达45°C的高温下死亡。然而，由于特殊的副作用（烧伤、水疱、腹泻和呕吐）和治疗效率的限制，这种方法在癌症患者中没有广泛应用。

•寒冷环境可能导致更高的癌症风险

相比之下，另一项研究报告，具有非典型强棕色脂肪组织活性的癌症患者预后更好。在动物研究中，在寒冷条件下饲养小鼠会导致脂肪组织褐变，以支持产热，并增加可能促进癌症的细胞因子分泌。

注意：小鼠在环境温度变化期间被广泛用于人类生物学建模，因为它们拥有与产热相关的一组相似的基因。

然而，人类和小鼠在生理体温调节方面存在差异，部分原因是不同的体型，以及生活温度的差异。人类通常倾向于在热中性区内进行活动，而大多数实验室啮齿动物居住在其热中性区以下，需要更多的能量来产生热量。

当试图将啮齿动物的数据转换为人类数据时，这可能会带来重大挑战，因为小鼠和人类的能量消耗差异反映在免疫系统的功能上。

因此，在试图将小鼠的临床前数据转化为人类的治疗药物时，需要仔细考虑环境温度作为可能有助于机体对抗肿瘤治疗反应的因素。

低环境温度有助于通过分泌谷氨酰胺的巨噬细胞促进肿瘤进展。在肝脏和脂肪组织中，慢性冷应激（>10天）触发转录激活物过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活物和转录因子过氧化物酶体增殖物活化受体，这两种受体在调节肿瘤发生中都起着重要作用。

此外，冷适应导致的代谢活性增加与表观遗传改变有关，表观遗传变化可能导致更高的癌症风险。

与这些报告相反，最近的一项研究表明，冷暴露通过阻碍癌细胞中基于糖酵解的代谢来抑制各种类型的实体肿瘤的生长。具体来说，循环葡萄糖作为肿瘤生长、侵袭和转移的能量来源，对肿瘤糖酵解至关重要。因此，寒冷导致棕色脂肪组织中葡萄糖摄取量的增加，将使其不太适合肿瘤处理。

研究报告称，提供过量的葡萄糖，或删除UCP-1，可以消除冷诱导的肿瘤抑制。这项研究与上述研究之间不一致的原因值得进一步调查，可能部分取决于冷暴露的确切时间和强度、宿主微生物群以及饮食。

癌症的免疫治疗

✦不同温度下抗肿瘤免疫反应功效不同

与热中性的30℃相比，约22℃的标准室温下的慢性(轻度)冷应激会加速肿瘤生长；因此，抗肿瘤免疫反应的功效根据温度而显著不同。

在小鼠模型中，观察到肿瘤微环境和引流淋巴结中的抗肿瘤效应CD8+ T细胞显著增加，而调节性T细胞和免疫抑制细胞在30℃下均减少，这表明仅在22℃下饲养小鼠会导致抗肿瘤免疫反应的显著抑制。

我们还观察到，如果肿瘤在免疫缺陷小鼠中生长，这种作用就会消失，这暗示了适应性免疫反应的作用。

寒冷或温暖环境温度对肿瘤微环境的影响

Wang H,et al.FEBS J.2022

温度诱导的免疫系统重编程可能阻碍或有利于抗肿瘤免疫治疗。

免疫细胞

冷暴露会增加分泌谷氨酰胺的巨噬细胞和促肿瘤细胞因子向肿瘤微环境的渗透，而温暖会促进激活的免疫细胞向肿瘤微环境渗透，如辅助性T细胞、细胞毒性T细胞和NK细胞。

肝脏

在肝脏和脂肪组织中，慢性寒冷诱导的激素和代谢重编程既可以触发肿瘤生长，如FGF21和脂肪酸代谢；或与肿瘤竞争营养物质，如葡萄糖。

然而，在热疗过程中，可以通过野生蛋白变性和激活细胞凋亡选择性地杀死癌细胞。

肠道菌群

此外，温度引起的肠道菌群变化可能有利于抗肿瘤免疫疗法的疗效，例如CDLA-4或抗PD-L1。

✦肾上腺素能应激的程度取决于温度

我们发现房屋温度对免疫疗法(检查点抑制剂抗PD-1)的效果有显著影响。乳腺肿瘤和黑色素瘤在22℃时几乎没有反应，但在30℃时有显著反应。

我们继续证明，当用β-肾上腺素能受体拮抗剂(β-阻断剂)处理小鼠(在22℃时)时，这种差异也消失了，证实了肾上腺素能应激的程度取决于室温。

这些问题对于解释研究肾上腺素能应激作用的实验结果和开发克服应激的策略以改善小鼠对免疫或细胞毒性治疗的反应具有重要意义。

小结

改进免疫监测对于癌症免疫治疗至关重要，因为癌症免疫治疗可以提高免疫介导的癌细胞清除率。肠道微生物群产生多种小分子和代谢物，在人体免疫反应和代谢健康方面发挥着不可或缺的作用。

越来越多的证据支持肠道微生物群在肿瘤生长中的作用，影响抗肿瘤免疫和各种免疫检查点抑制剂抗癌免疫效果的效率，包括环磷酰胺、CTLA-4阻断抗PD-L1功效。

微生物分子，如丁酸盐和戊酸盐，通过增加其mTOR活性和表观遗传重编程，增强细胞毒性T细胞和嵌合抗原受体T细胞的活化。因此，了解由于环境温度变化引起的肠道微生物群变化在多大程度上参与了癌症免疫代谢非常重要。

结语

环境温度变化会影响抗肿瘤免疫反应。温度变化期间肠道微生物组和免疫代谢之间的相互作用也会改变。

虽然最近已经清楚肠道微生物群的改变会导致免疫系统的失调，但这种相互作用的确切性质仍有待确定。

通过脂肪组织和微生物群之间温度介导的相互作用调节免疫反应的机制进行了深入研究，这可能有助于阐明代谢疾病和癌症的治疗方法。

主要参考文献：

Wang H, Ülgen M, Trajkovski M. Importance of temperature on immuno-metabolic regulation and cancer progression. FEBS J. 2022 Sep 24. doi: 10.1111/febs.16632. Epub ahead of print. PMID: 36152006.

Hylander BL, Gordon CJ, Repasky EA. Manipulation of Ambient Housing Temperature To Study the Impact of Chronic Stress on Immunity and Cancer in Mice. J Immunol. 2019 Feb 1;202(3):631-636. doi: 10.4049/jimmunol.1800621. PMID: 30670578; PMCID: PMC6352311.

Chevalier C, Stojanović O, Colin DJ, Suarez-Zamorano N, Tarallo V, Veyrat-Durebex C, Rigo D, Fabbiano S, Stevanović A, Hagemann S, Montet X, Seimbille Y, Zamboni N, Hapfelmeier S, Trajkovski M. Gut Microbiota Orchestrates Energy Homeostasis during Cold. Cell. 2015 Dec 3;163(6):1360-74. doi: 10.1016/j.cell.2015.11.004. PMID: 26638070.

Huus KE, Ley RE. Blowing Hot and Cold: Body Temperature and the Microbiome. mSystems. 2021 Oct 26;6(5):e0070721. doi: 10.1128/mSystems.00707-21. Epub 2021 Sep 28. PMID: 34581596; PMCID: PMC8552956.

Li, X. Y., Wenes, M., Romero, P., Huang, S. C. C., Fendt, S. M. & Ho, P. C. (2019) Navigating metabolic pathways to enhance antitumour immunity and immunotherapy, Nat Rev Clin Oncol. 16, 425-441.

探索有趣的微观世界：微生物的种类、生存、应用

谷禾健康

大千世界多样的微生物，在各自的世界，在自己的方寸空间中生长，跨物种间便有了庞大和渺小。

我们总是善于去观察自己能看到的那些，而忽略肉眼看不到的。微生物存在于任何物理条件允许的地方。湖水在肉眼看来是透明的，但一升水可以容纳十亿个细菌，一克土壤也可以包含超过十亿个细菌。微观世界是一个无穷无尽的迷人之地，里面物种繁多，形态各异。

在地球存在的 46 亿年中，微生物已经在这里生活了至少 37 亿年。在植物和动物出现之前，微生物已经存在超过 30 亿年的时间，可以说它们帮助创造了生物圈，并支持地球上的生命过程。因此，微生物的多样性（从遗传、代谢和生理方面），远大于在植物和动物中发现的多样性也就不足为奇了。

那么，它们是如何生存的？

它们如何创造了这个世界？

它们给我们的生活带来怎样的便利？

……

近年来，微生物生态学出现了爆炸性发展，特别是在分子水平上。本文带大家更好地去认识和了解这个迷人的微生物世界，也能使我们更好地理解微生物在极端环境下的生存状态，帮助我们更好地与它们共存，将它们应用到生活中，并为我们的健康带来益处。

01
极端环境下的微生物

极端环境是指比人类或其他生物体发育的最佳范围环境条件更恶劣的栖息地。

极端环境的特点是各种不利条件，包括高温或低温、高压或低压以及酸性或碱性pH值。

对于一个被认为是极端的区域，必须认为环境的某些条件或方面非常难以让不同的生命形式生存。

一些极端环境的例子包括极地、沙漠、火山区、深海海沟、外太空，以及太阳系中除地球以外的所有其他行星。

一些常见的极端环境包括碱性、酸性、极热或极冷、高盐浓度、没有水或氧气的区域。

不同的极端环境

▸ 极端温度

极端温度可以描述两种极端环境：极冷和极热。

极冷环境是环境温度低于5°C的环境。这些可以在深海，高山峰顶或极地地区找到。

极热环境的特点是环境温度高于45°C。这些环境受到地热活动的影响，如大陆火山区或深海喷口的间歇泉和喷气孔。

▸ 极端pH值

极端环境也可根据其pH值分为酸性或碱性。

极端酸性环境是pH 值低于5的自然栖息地；而极端碱性环境是指pH值高于9的环境。

▸ 高盐环境

高盐环境是离子浓度高于海水（大于3.5%）的环境。

▸ 极端压力

极端压力环境是指处于极端水压力或岩石压力下的环境，例如2000米或以上深度的水生栖息地或地下深处的生态系统。

什么是极端微生物？

Microbe Notes

极端微生物：是由于不同的生理和分子适应能力，能够在极端环境中生存和繁衍的生命体。

注：这些生物在极端生态位、冰和盐溶液以及酸性和碱性条件下茁壮成长。有些可能生长在有毒废物、有机溶剂、重金属或其他几个被认为不适合生命生存的栖息地。

极端微生物可分为两类：需要一种或多种极端条件才能生存的极端微生物；以及即使它们在中性条件下最佳生长，也能耐受一种或多种物理参数的极端条件的极端耐受生物。

极端微生物包括所有三个生命领域的成员；细菌、古细菌和真核生物。大多数极端微生物是原核生物，属于古生菌的比例很高，但一些生物可能是真核生物，例如原生生物（例如藻类、真菌和原生动物）和多细胞生物。

根据它们生长的条件进行分类：嗜热菌和超嗜热菌（分别在高温或非常高温下生长的生物）、嗜冷菌（在低温下生长的生物）、嗜酸菌和嗜碱菌（在酸性或碱性环境中生长的生物）、嗜压菌（在压力下生长最好的生物）和嗜盐菌（在高盐环境中生长良好的生物）。

极端温度下的微生物

▸ 嗜冷菌

嗜冷菌，字面意思是喜冷，是适应低温生长的生物。嗜冷菌成功地克服了低温生长过程中出现的两个主要挑战：首先，低温，因为温度的任何降低都会以指数方式影响生化反应的速率；其次，水环境的粘度。

超过80%的地球生物圈永久低于5°C，适合嗜冷菌的环境非常普遍，其中包括海水、永久冻土、冰川、南极岩石、雪原和极地冰盖。嗜冷微生物已成功地在从深海到山区和极地地区的所有永久寒冷环境中定殖。

原核嗜冷菌对氧气的耐受性各不相同，包括（严格）好氧、（严格）厌氧和兼性厌氧。

除了极端寒冷，许多嗜冷菌还能忍受或在某些情况下需要其他极端环境条件才能生长和生存。例如，深海嗜冷菌可能需要高压才能生长，从而使它们成为嗜压嗜冷菌。

✦利于嗜冷菌生存的结构

蛋白质和酶适宜低温生存

嗜冷菌产生在低温下发挥最佳功能的蛋白质和酶。

已经观察到，平均而言，冷活性酶具有更多量的α-螺旋和较少量的β-折叠二级结构。因为这些β-折叠倾向于形成更刚性的结构，冷活性酶的α-螺旋含量使蛋白质在低温下具有更大的灵活性。

用于增加蛋白质灵活性的另一种机制是通过减少形成多个氢键和盐桥， 并降低构象灵活性的精氨酸和脯氨酸含量的产生。

嗜冷菌还产生抗冻蛋白，这些蛋白能够通过一个大的互补表面与冰晶结合，从而产生热滞后并降低生物体可以生长的温度。

膜的流动性好

嗜冷菌的细胞质膜含有较高量的不饱和脂肪酸，有助于维持细胞膜的半流体状态。

已经提出的增加膜流动性的进一步适应包括增加大脂质头基、蛋白质和非极性类胡萝卜素色素的含量。

一些嗜冷菌的脂质还含有多不饱和脂肪酸，以及具有多个双键的长链碳氢化合物，增加了脂质膜的流动性。

✦嗜冷菌的应用：食品、洗衣去污

在嗜冷菌中，脂酶和蛋白酶具有相当大的应用潜力。酯酶可应用于许多方面，如作为食品的风味改变酶、去污添剂添加物等；蛋白酶也可被大量应用于食品工业、洗衣业以及对X光胶片上银的回收等。

★常见的嗜冷菌

嗜冷菌种最常见的品种有耶氏菌、李斯特菌和假单胞菌（pseudomonas）。

▸ 嗜热菌

嗜热菌是在高于维持大多数生命形式的温度下生长的生物。通常，嗜热菌在高于45°C的温度下表现出最大的生长速率。

高温环境包括陆地和海底环境。世界各地不同的高温栖息地都适合嗜热菌的生长。嗜热菌通常存在于热喷口、温泉和沸腾的蒸汽喷口等区域。

嗜热菌进一步分为不同的组：兼性嗜热菌和专性嗜热菌。兼性嗜热菌可以在高温和中等温度下茁壮成长，而专性嗜热菌需要高温才能生长。

✦利于嗜热菌生存的结构

与嗜冷菌一样，嗜热菌也具有不同的生理和分子适应能力，使生物体能够在较高的温度下生存。

酶和蛋白质更稳定

这些生物体中的酶和其他蛋白质比中温微生物中的酶和其他蛋白质对热更稳定。酶中一个或几个位置的关键氨基酸取代允许它们以符合热稳定性的方式折叠。

此外，某些溶质如磷酸二肌醇和甘油单酯会大量产生，有助于稳定蛋白质免受热降解。

膜稳定性更强

除了酶和细胞的其他成分外，嗜热菌的细胞质膜还需要稳定。嗜热菌通常具有富含饱和脂肪酸的脂质，因此允许膜在高温下保持稳定和功能。

饱和脂肪酸比不饱和脂肪酸形成更强的疏水环境，这也增加了膜的稳定性。

✦嗜热菌的作用：降解有机物、生产酶制剂、用于基因研究

嗜热菌通常存在于堆肥、干草堆和碎木堆等高温环境中，有助于一些有机物的降解。利用嗜热菌对废水废料进行厌氧处理，可提高反应速度，消灭污水污物中的病原微生物。

嗜热菌可用于生产多种酶制剂，例如纤维素酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、菊糖酶等，由这些微生物中产生的酶制剂热稳定性好、催化反应速率高，易于在室温下保存。

此外，嗜热菌研究中最引人注目的成果之一就是将水生栖热菌中耐热的Taq DNA聚合酶用于基因的研究和遗传工程的研究以及基因技术的广泛应用中。

★常见的嗜热菌

嗜热菌的一些常见例子包括Methanosarcina thermophila、Methanobacterium wolfei、Methanobacterium thermoautotrophicum、Archaeglobus profundus、Alicyclobacillus acidoterrestris、A. acidocaidarius等。

▸ 超嗜热菌

超嗜热菌是可以在极高温度（80°C以上）下生存和生长的生物。一般超嗜热菌的最适生长温度为80°C，但它们可以在高于100°C的温度下生存。

大多数超嗜热菌能够承受其他极端条件，如更高的pH值和更高的压力。

注：大多数超嗜热生物存在于温泉和沸腾的蒸汽喷口中，即使是中等嗜热生物也无法生存或繁衍。

超嗜热菌大多属于古细菌组，极少数物种是细菌物种。

✦利于超嗜热菌生存的结构

蛋白质和酶的热稳定性

超嗜热古菌在其嗜热适应过程中使用基于结构的物理机制来增加其蛋白质的热稳定性。

由于结构中盐桥（在氨基酸残基之间桥接电荷的阳离子）数量的增加，提高了超嗜热菌中蛋白质和酶的稳定性。

此外，各种氨基酸的正电荷和负电荷之间的离子键数量的增加也使蛋白质稳定。增加的离子键在蛋白质内部形成了密集的高度疏水性内部，从而阻止了蛋白质在高温下的展开。

醚键使膜更加稳定

大多数嗜热古细菌的膜中没有任何脂肪酸。相反，它们具有带有分支烃链的脂质。这些链由五碳化合物异戊二烯的重复单元组成，通过醚键相互结合。

醚键是更稳定的键，这反过来又稳定了膜以防止热断裂，而支化降低了膜的流动性。膜的整体结构形成了比中温生物的脂质双层更耐热的脂质单层。

★常见的超嗜热菌

超嗜热生物的一些常见例子是Thermoproteus uzoniensis、Staphylothermus marinus、Pyrodictium abyssi、Pyrococcus furiosus、Hypothermus butylicus、Pryococcus woesei、Pyrodictium brockii、Pyrodictium occultum等。

极端pH环境的微生物

▸ 嗜酸菌

嗜酸菌是可以在高酸性条件下（通常在pH2.0）下生存和繁衍的生物。

嗜酸微生物在极低pH值的自然和人造环境中茁壮成长，例如酸性湖泊、酸性硫酸盐土壤、硫化风化层和矿石，以及受金属和煤矿影响的环境。

天然酸性环境：包括火山区、热液源、深海通风口、金属矿区和动物的胃。

研究最广泛的嗜酸菌是氧化还原铁和硫的原核生物。它们可以催化黄铁矿等金属硫化物矿物的氧化溶解，从而严重酸化它们赖以生存的环境（通常pH值低于3）。

✦嗜酸菌的种类

嗜酸生物属于三个领域；古生菌、细菌和真细菌，但古生菌代表了最大的嗜酸生物群。

在生理上，嗜酸菌非常多样化：有需氧菌和兼性厌氧菌、化能自养菌以及不同类型的异养原核生物、光合自养真核生物、捕食性原生动物等。

✦利于嗜酸菌生存的结构

细胞膜的不渗透性

有助于维持嗜酸菌细胞内pH值的适应性之一是细胞膜的不渗透性，它限制了质子流入细胞质。

在嗜酸古细菌中，细胞膜中四醚脂质的存在与对酸性pH值的耐受性之间存在很强的关联。

已经提出减小膜通道的孔径作为维持pH稳态以防止质子进入细胞的另一种机制。另一个是加入了超长链二羧酸脂肪酸，占膜脂肪酸的50%以上。这些专门的机制防止质子进入细胞和膜的酸水解。

细胞质可以缓冲并维持pH稳态

嗜酸菌通过不同机制从细胞质中去除多余的质子来维持pH稳态。

对于酸热芽孢杆菌（Bacillus acidocaldarius）和嗜酸芽孢杆菌（T. acidophilum）等细菌而言，它们能够主动将质子泵出细胞质以维持pH稳态，这一过程与呼吸链有关。

众多质子驱动的二级转运蛋白也可以适应在低pH环境下生存。嗜酸菌细胞质的缓冲能力也是嗜酸菌生理适应的重要手段。这些细胞含有缓冲分子，这些分子含有赖氨酸、组氨酸和精氨酸等碱性氨基酸，这些分子有助于去除质子。

有机酸的降解

通过质子化形式扩散到细胞中，有机酸（如乙酸或乳酸）在低pH值下充当呼吸链的解偶联剂。这些有机酸的降解可能会被异养嗜酸菌用来防止它们的有害影响。

✦嗜酸菌的作用：保持肠道菌群平衡、促进发酵、促吸收、生物湿法冶金

在医学方面，嗜酸菌，是有益的肠内菌之一。可以保持肠道菌群平衡，有效抑制肠道内不良微生物的增生，减少腹泻等问题的出现。

多种嗜酸菌组合在一起还能促进发酵，使身体产生乳酸、醋酸等多种物质。提升钙元素、磷元素利用率和吸收率，维持身体健康。

工业方面，可以利用嗜酸菌将贫矿和尾矿中金属溶出并回收，这种方法称为生物湿法冶金。

★常见的嗜酸菌

嗜酸生物包括乳酸杆菌、硫叶硫杆菌、酸热芽孢杆菌、嗜酸嗜热原体、嗜酸铁原体、嗜酸铁原体、嗜酸硫杆菌、钩端螺旋体、酸杆菌属、硫杆菌等。

▸ 嗜碱菌

嗜碱菌是一组能在pH值极高（9-13）的环境中生存和繁衍的极端微生物，一般最适pH值为10。

嗜碱菌有两种类型；专性嗜碱菌仅在pH高于9的环境中生长，兼性嗜碱菌可在中性pH和碱性条件下生存。

迄今为止，大多数被描述为在碱性条件下生长的生物都是原核生物，包括真细菌的异质集合和一些古细菌的例子。

✦利于嗜碱菌生存的结构

产生酸来促进pH稳态

嗜碱菌通过糖发酵和氨基酸脱氨酶产生代谢酸。酸的产生主要通过增加细胞质氢离子浓度来促进pH稳态。此外，酸的产生，除了防止细胞质碱化外，还可以增加细胞附近氢离子的可用性。

细胞膜减少氢离子的损失

嗜碱菌的细胞膜由次生细胞壁聚合物组成，这些聚合物富含带负电荷的残基，例如天冬氨酸、半乳糖醛酸、谷氨酸和磷酸。

嗜碱菌的细胞膜由约90%的支链脂肪酸组成，这些脂肪酸通过减少氢离子泄漏来帮助实现pH稳态。

高度带负电荷的细胞壁结构与阳离子如氢离子相互作用，可以延缓细胞表面氢离子的快速损失，增强嗜碱菌的生物能。

修复损伤提高耐受

嗜碱菌还采用不同的损伤修复系统来维持功能性生物分子的必要水平，修复细胞质碱化造成的损伤。

伴侣蛋白水平的增加和蛋白质损伤修复酶的释放是一些经过充分研究的机制。已知伴侣参与重折叠由压力展开的蛋白质，从而提高耐受水平。

✦嗜碱菌的应用：生产酶制剂、处理人造纤维废物、洗涤剂添加剂、保健品添加剂

嗜碱菌在发酵工业中，可作为许多种酶制剂的生产菌。例如嗜碱芽孢杆菌产生的弹性蛋白酶适宜作用弹性蛋白，而且在高pH条件下裂解该种蛋白质的活性可以大大提高。

由嗜碱细菌产生的蛋白酶具有碱性条件下催化活力高、热稳定性强之优点，常作为洗涤剂的添加剂。

由嗜碱芽孢杆菌产生的木聚糖酶能够水解木聚糖产生木糖和寡聚糖，因此可用来处理人造纤维废物，而碱性β甘露聚糖酶降解甘露聚糖产生的寡糖可作为保健品的添加剂。

★常见的嗜碱菌

嗜碱菌的一些例子包括嗜碱芽孢杆菌（Bacillus alkaliphilus）, Bacillus pasteurri, Bacillus halodurans, Halobacterium, Clostridium paradoxum, Halomonas pantelleriensis, Alkaliphilus hydrothermalis

极端盐浓度下的微生物

▸ 嗜盐菌

嗜盐菌是一组嗜盐菌，它们的生存和生长需要高盐浓度。嗜盐微生物构成高盐生态系统的天然微生物群落，广泛分布于世界各地。范围从高盐土壤、泉水、盐湖到海洋沉积物。

嗜盐微生物的一般特征是营养需求低，耐高浓度盐，具有平衡环境渗透压的能力。嗜盐菌有两种类型；要求盐浓度为3%或更高的专性嗜盐菌，以及在平均盐浓度和更高浓度下都能存活的耐盐菌。

它们在生理上是多样的；主要是需氧的，以及厌氧的、异养的、光养的和化学自养的。

这些生物存在于三个领域，即古生菌、细菌和真核生物。嗜盐细菌在特定的系统发育亚群中更为丰富，其中大部分属于变形杆菌科的盐单胞菌。

✦利于嗜盐菌生存的策略

为了避免在高盐条件下过度失水，嗜盐菌采用两种不同的策略来增加其细胞质与外部环境的渗透活性，要么产生相容的有机溶质，要么在其细胞质中积累大量盐浓度以达到平衡状态。细胞内的总盐浓度与环境的盐浓度相关。

高盐策略平衡盐浓度

高盐策略是另一种适应技术，可保护嗜盐菌免受盐环境的影响，在盐环境中，嗜盐菌在细胞内积累无机离子，以平衡其环境中的盐浓度。

这一过程涉及氯离子泵，仅在嗜盐菌中发现，将氯离子从环境输送到细胞质中。精氨酸和赖氨酸位于通道的两端，以促进氯离子的吸收和释放。

极端嗜盐菌通过在细胞内浓缩钾离子来维持其渗透平衡。这是通过膜结合质子泵细菌视紫红质、ATP合酶和钠离子逆向转运体的联合作用实现的，其产生了驱动细胞吸收钾离子的电位。

有机盐策略增加耐受性

高盐策略可能不适合在盐度波动的栖息地繁衍生息的中度嗜盐菌的生存。

有机盐策略包括在嗜盐生物中演化出惰性、相容的有机溶质（渗透物）。这些渗透物保护微生物蛋白质在低盐浓度的水中不变性，同时增强它们对外部盐水环境剧烈波动的耐受性。

酶在高盐环境下更能保持活性

高盐环境显著影响蛋白质的溶解度和稳定性，从而影响其功能。

嗜盐菌的蛋白质和酶在其表面上具有较大比例的谷氨酸和天冬氨酸，这导致大量的蛋白质电荷和增加疏水性。

这两种机制对嗜盐酶的适应起作用。由于它们的多极端特性，嗜盐酶比它们的非嗜盐酶更稳定。这些酶在高盐环境、耐热和嗜碱环境中保持活性。

✦嗜盐菌的应用：提高原盐产量，处理废水

嗜盐菌能使提高盐田中的原盐产量；还能处理含盐的有机工业废水；嗜盐菌上的菌紫质蛋白是未来光生物材料。

同时嗜盐生物正被开发为胡萝卜素、相容溶质、甘油和药用表面活性剂的潜在来源。

★嗜盐菌的例子

嗜盐菌对盐的需求分为三组；低 (1-3%盐浓度)、中等 (3-15%盐浓度) 和极端 (15-30%盐浓度)。

轻度嗜盐：Erwinia, Bacillus hunanensis, Halomonas zhaodongensis, Alkalibacterium thalassium

中度嗜盐:Erwinia, Bacillus hunanensis, Halomonas zhaodongensis, Alkalibacterium thalassium

重度嗜盐：Halococcus salifodinae, Halobacterium salinarum, Limimonas halophilia, Lentibacillus kimchii, Sporohalobacter salinus

极端压力下的微生物

▸ 嗜压菌

嗜压菌被定义为在高于大气压的压力下以最佳方式生长和繁殖的生物。

大多数嗜压生物倾向于嗜冷，因此不能在高于 20°C 的温度下培养。嗜压细菌已从世界各地的各种深海环境中分离出来，并在低温和高压下迅速生长。

高压会影响微生物的生存，从而影响细胞的膜结构和功能。深海环境中的高压和低温会降低脂质的流动性，甚至会抑制生物膜的功能。

✦利于嗜压菌生存的结构

膜流动性较低

高压可能会导致形成凝胶状膜，从而降低养分的吸收和加工。

嗜压菌在脂质中产生更高水平的不饱和脂肪酸，并且脂肪酸不饱和程度的增加可以在高压、低温或两者兼有的条件下将膜保持在功能性液晶状态。

降低的流动性使膜具有确定的结构，从而支持细胞的正常功能。

蛋白质灵活性较高

适用于嗜压菌的高压条件会导致抑制其功能的蛋白质的构象变化。为了防止这种变化，嗜压蛋白通常具有较低浓度的脯氨酸残基和较高浓度的甘氨酸残基。

脯氨酸残基具有破坏α-螺旋的环状侧链，而甘氨酸残基具有具有高构象灵活性的小侧链。增加的灵活性可防止α螺旋的破坏并保护此类蛋白质的功能。

✦嗜压菌的作用：生产高压生物反应器

嗜压菌及其嗜压酶可用于生产高压生物反应器，以及食品加工中的高压灭菌。

嗜压菌在揭示海洋环境变迁和元素的地球化学循环中也起重要作用。

★常见的嗜压菌

嗜压微生物的一些常见例子是Shewanellabenthica、Moritella yayanosii、Shewanella violacea、Photobacterium profundum、Moritella japonica、Sporosarcina spp

极端辐射中的微生物

▸ 嗜放射菌

嗜放射性菌是一组能够在极端形式的辐射（如电离辐射、伽马射线和紫外线辐射）中幸存下来的极端微生物。

对放射性物质的研究非常有限，因为它们要与其他行星的外太空等极端环境隔离开来。

这些生物的多样性很低，所有生物都属于古细菌和细菌家族。放射性物质可以是耐辐射的或抗辐射的。耐辐射微生物可以耐受有害辐射一段时间，而抗辐射微生物可以耐受更长的时间。

辐射对中性粒细胞有害，因为它们会因电离而破坏各种重要的生物分子，如DNA、蛋白质和酶。

反过来，非电离辐射会导致形成像超氧化物这样的活性氧物质，然后影响这些细胞的新陈代谢。

✦嗜放射菌的适应方式

对于电离辐射和非电离辐射，嗜放射微生物使用的自适应机制可能不同。

// 电离辐射

电离辐射主要负责生物体基因组中的双链断裂。然而，它也被证明会损害蛋白质和脂质并诱导持续的氧化应激。

因此，电离辐射抗性生物已经开发出所有或不同策略的组合，如新的和适应性DNA修复机制、抗氧化和酶防御系统以及浓缩的类核。

基因组的快速和准确修复对于幸存的电离辐射剂量是必不可少的，这是通过使用核苷酸切除修复途径在放射性物质中完成的。

其他形式的氧化应激预防和耐受机制包括通过消除氧化大分子来清洁细胞，选择性保护蛋白质免受氧化损伤，以及抑制活性氧的产生。

浓缩的类核也被证明可以提高DNA修复的效率和准确性，并限制辐射产生的DNA片段的扩散。

// 非电离辐射

与伽马辐射不同，紫外线辐射通过形成环丁烯嘧啶二聚体以更微妙的方式损害DNA。

为了修复这些DNA损伤，生物体使用光活化基因、核苷酸切除修复、碱基切除修复和同源重组的组合。

这些生物还开发了一套光保护装置，以保护自己免受持续暴露于紫外线辐射。类胡萝卜素、超氧化物歧化酶和氢过氧化物等产品以及通过多倍体进行的基因复制过程可作为光保护装置。

双嘧啶序列数量减少的生物体的基因组组成也提供了对暴露的保护。

✦嗜放射微生物的作用：环境修复

抗辐射微生物是十分重要的生物资源，可以直接作为环境修复特别是核废料的处理工具。

抗辐射微生物中含有丰富的基因资源，具有应用于作物抗干旱研究的潜在价值。

为治疗肿瘤提供了新药物和新方法。

★ 常见的嗜放射菌

嗜放射菌主要有Deinococcus radiodurans, Brevundimonas, Rhodococcus, Halomonas, Herbaspirillum, Hymenobacter, Rhodobacter。

02
微观世界的其他生物

藻类是光合生物，主要存在于淡水或海洋资源中。大多数藻类都含有色素，可帮助生物体生产食物或氧气。

Onview.net Ltd

藻类的结构与植物和动物等其他生物有很大不同。一些藻类是微观的，而一些大型的却有200英尺长。

绿藻门

绿藻，含叶绿素a、叶绿素b，具有与高等植物相同的色素和贮藏物质，因此通常把它们认为是陆地植物的祖先。

绿藻门不同于其他真核藻类，它的储存物质在叶绿体而非细胞质中合成，通常在蛋白核的参与下合成淀粉。叶绿体周围没有叶绿体内质网。

✦显微镜下的结构

在显微镜下，绿藻被视为封闭在以链状排列的隔室中的绿色结构。在每个这样的隔间内，观察到一个大液泡，还可以看到两层细胞壁。

藻类的形状和大小因属而异。一些藻类是能动的，而一些是不能动的。

✦可用作饲料或生化材料，还具有净化作用

小球藻和珊藻富含蛋白质可供人食用和作动物饲料。

绿藻是藻类生理生化研究的材料及宇宙航行的供氧体，有的可制藻胶。绿藻在水体自净中起净化和指示生物的作用。

黄藻门

✦结构

这组藻类几乎没有链状结构的物种，而是呈鼓形、变形虫或梨形结构。

有些物种有毛发状的附属物或鞭毛，有时比生物本体还要长。

一些藻类的形状和大小可能会在其一生中发生变化，具体取决于生命阶段和栖息地。

✦影响水中氧气，造成水体污染

黄藻是一种水生浮游植物，发生的适宜气象条件为气温高、降水少、日照长，它的主要组成物是双星藻、转板藻和水棉三个属的藻类。

这种黄色藻类生长旺盛，大量消耗水内氧气，对鱼类和其他水生植物生长造成影响。黄藻使得鸟赖以生存的食物被覆盖和污染，对在此栖息生存的水禽构成严重危害，也造成水体严重污染，渔业资源遭到破坏。

隐藻门

✦结构

隐藻门是一大类的藻类，大都具有色素体，淡水中常见。细胞大小约为10-50μm，形状扁平，有两个稍微不等长的鞭毛。

该组中的藻类呈逗号形，带有红色或类似的色素。有些种类的细胞膜上可能有凹槽，而另一些则没有。色素通常位于侧面，而细胞核位于液泡附近的中心。

✦能将藻胆素带给宿主

一个特征是能寄生于红藻中，形成一种内共生关系，并把藻胆素带给宿主。

同时隐藻在海洋浮游生物群落中占有一定地位。隐藻喜生于有机物和氮丰富的水体，是我国传统高产肥水鱼池中极为常见的鞭毛藻类。有隐藻的鱼池，白鲢生长好，快，产量高，隐藻是水肥、水活、好水的标志。

红藻门

红藻门是藻类植物的一门。该科多数是多细胞的，少数是单细胞的，该门只有红藻纲一纲，约有760属，4410余种。

红藻纲又分两个亚纲：紫菜亚纲和真红藻纲。该门绝大多数海产，少数生于淡水；分布于世界各地，包括极地。

✦结构

红藻是丝状的，其中身体的特征是具有钙质沉积物的菌体，从而形成固体结构。有机体的颜色范围从粉红色到紫色、红色、黄色、绿色，甚至是白色。

有些物种是光合作用的，因此绿色色素沉积在细胞壁内部。

✦重要经济价值

红藻门的经济价值很高。在红藻类中，紫菜是一种食用藻类，它含有丰富的蛋白质，不仅营养丰富，而且味道鲜美。此外石花菜、海萝等均可食用。

鹧鸪菜和海人草是常用的小儿驱虫药。从石花菜属、江篱属、麒麟菜属植物中提取的琼胶，被应用在医药工业和纺织工业上，并广泛作为培养基。

甲藻

✦结构

由于存在金棕色质体，这些单细胞生物呈现金棕色。它们有凹陷的细胞膜，并展现出游动的能力。

甲藻的细胞核相当大，有可见的染色体。并且有两个从细胞膜突出的不同鞭毛。

注：有些甲藻是肉眼可见的，即使没有任何显微镜也能看到。

✦富集会污染水体

甲藻是具有双鞭毛的单细胞集合群植物，形状不定，常分布于淡水和海水中。

有些甲藻的活动是有害的，它们的生存会带有一些特殊的气味。有的则会形成“赤潮”和“藻花”，使局部海水呈现红色、黄色或棕色。

赤潮：水体中某些微小的浮游植物、原生动物或细菌，在一定的环境条件下突发性地增殖和聚集，引起一定范围内一段时间中水体变色现象。

藻花：又称“水花”，是淡水水体中某些蓝藻类过度生长所产生的现象。

眼虫（裸藻）

眼虫是眼虫属生物的统称，在植物学中称裸藻，也称绿虫藻，是一类介于动物和植物之间的单细胞真核生物。

✦结构

在显微镜下，它们有一个大而细长的绿色结构。形状可能会从一种物种变为另一种。在它们的细胞质中有两到四个带有叶绿体沉积物的鞭毛。

在眼虫中，可以看到外围有一个橙色的斑点，称为有机体的眼斑。

✦环境污染的生物指标

研究眼虫不仅对遗传变异理论的探讨有意义，而且对了解有色、无色鞭毛虫类动物间的亲缘关系，对了解动、植物的亲缘关系都有重要意义。

眼虫也有被作为有机物污染环境的生物指标，用以确定有机污染的程度，另外眼虫对净化水的放射性物质也有作用。

病毒

NIAID (Flickr)

病毒可以被认为是强制性寄生的一种粒子，因为它们不会在活生物体外生长或存活。

✦病毒体型十分微小

病毒的大小范围从直径20nm到200-450nm。与细菌相比，病毒很小。

因此病毒无法用复合显微镜观察，需要使用荧光显微镜或透射电子显微镜等高倍显微镜。

荧光显微镜下的病毒

在荧光显微镜下，病毒呈现出所用荧光颗粒的颜色。

但是依然很难区分病毒的结构，但这种技术对于病毒的定量估计很有用。

荧光染料对某些蛋白质具有特异性，从而使它们能够检测所需的颗粒。

透射电子显微镜下的病毒

透射电子显微镜更适合观察病毒，它们可提供高达1000倍的粒子放大倍率。

通过这种显微镜，可以观察生物细胞内的病毒。与荧光显微镜一样，该技术还利用病毒中蛋白质的特异性染料，从而使病毒可视化。

在观察病毒的结构时，它可能是二十面体或螺旋形。每种病毒的形状和结构各不相同，但成分相似。

所有病毒都有遗传物质，可以是包裹在蛋白质外壳内的DNA或RNA。

在噬菌体病毒的情况下，尾部和尾部纤维也是可见的，并且被发现附着在细菌细胞表面。

结语

通过本文的介绍，相信大家对微观世界有了一定的认识和了解。但是微生物世界远比我们现在所了解的庞大的多。

科学家还在不断地对微生物世界进行探索，识别微生物的种类并了解其结构和作用，有助于构建更好的生存环境，创造更健康的身体。对其研究探索的过程，为农业、医学、工业、生物修复等提供了新的机遇，将对社会产生深远的积极影响。

生命早期肠道微生物群与儿童呼吸道疾病之间的关联

谷禾健康

儿童呼吸系统疾病，包括呼吸道感染、反复喘息和哮喘，是儿童及其以后年龄发病和死亡的重要原因。

而哮喘是其中比较典型的一种，哮喘是全球最常见的慢性疾病之一，是一种复杂的、异质性的免疫介导的紊乱集合，以气道重塑和慢性气道炎症为特征。

▸ 哮喘的危险因素

哮喘的发病机制仍不清楚，但该疾病与多种遗传、环境、感染和营养因素有关。

哮喘的许多危险因素，包括生命早期的抗菌素暴露、配方奶喂养、以及母体接触抗生素怀孕期间，集中在产前和产后早期，儿童过敏性哮喘的发生可能与微生物和免疫发育关键时期的早期肠道微生物群落有关。

动物模型提供的证据表明，生命早期肠道微生物群的组成可能会影响呼吸道免疫以及对哮喘和呼吸道感染的易感性。

在这里我们总结了婴儿（0-12 个月大）肠道微生物群组成与儿童（0-18 岁）呼吸道疾病（即呼吸道感染、喘息或哮喘）之间的关联。

谷禾健康希望通过研究数据，找到更利于儿童健康的菌群数量与种类，有助于为未来的干预研究提供信息和构建更好的健康。

本文主要内容

●生命早期的肠道微生物

●生命早期肠道微生物群对儿童呼吸道疾病的影响

●早期肠道微生物的调理方法

●青少年哮喘的预防与治疗

生命早期的肠道微生物

每个人都可以被视为一个岛屿，由各种栖息地组成，这些栖息地被微生物群落定殖，并遵循创造和塑造当地组合多样性的规则。

不同婴儿身体部位的微生物群组成

Milani C,et al.Microbiol Mol Biol Rev.2017

该图显示了婴儿微生物群组成的关键门在不同身体部位和生命早期不同阶段的相对丰度的全局概览。同心饼图示意性地表示个体间的可变性。

肠道微生物群是体内最大和最多样化的微生物群，包含数十亿细菌（主要生物）、古细菌、真核生物和病毒。

肠道菌群定植从出生时就开始了，在生命的最初几年是高度动态的，在1-3年后趋于稳定。

婴儿肠道的核心生物群

婴儿肠道核心微生物群

Milani C,et al.Microbiol Mol Biol Rev.2017

该图显示了涉及婴儿细菌核心微生物群的基于 16S rRNA 基因的树。树枝的颜色表示婴儿肠道微生物群的六个主要系统发育组。显示树的每个分支的关键婴儿肠道细菌分类群的电子显微镜图像。

相对于成人或年龄较大的儿童（>1岁）的肠道菌群，婴儿肠道菌群的多样性较低，菌群结构通常不稳定且高度动态。

双歧杆菌通常大量存在于婴儿，特别是母乳喂养的婴儿中，因此被认为是婴儿肠道微生物群的关键成员 。

尽管从婴儿肠道微生物群的初始组合到成人肠道微生物群的建立期间，个体水平的差异很大，但婴儿肠道微生物群可分为六种主要类型。

这种婴儿肠道微生物群的类型是根据肠道微生物群的组成和优势菌群的出现来确定的。详细地说，这些主要群体包括以下：

第1类，由肠杆菌目组成；

第2类，由拟杆菌目和疣微菌目组成；

第3 类，包括Selenomonadales以及梭菌目Pseudoflavonifractor、Subdoligranum和Desulfovibrio的成员；

第4类，包括所有巴斯德氏菌目；

第5类，包括大多数梭菌目;

第6类，包括梭状芽孢杆菌属、厌氧菌属和粪杆菌属、乳酸杆菌属和双歧杆菌属。

Bifidobacterium, Veillonella,

Streptococcus, Citrobacter,

Escherichia, Bacteroides, Clostridium

以上这些菌群在不同个体中主导婴儿肠道微生物群，它们在成人肠道微生物群中也很丰富。

婴儿肠道微生物群的其他成员

▸ 梭状芽孢杆菌

梭状芽胞杆菌属的成员最近被重新分类为几个属，它们都属于梭状芽胞杆菌纲。这些物种通常存在于婴儿肠道微生物群中的微生物类群中。

▸ 拟杆菌

拟杆菌属。拟杆菌属的成员是成人肠道微生物群的主要成分，尽管它们也可能存在于婴儿肠道微生物群中，它们的存在似乎受到母乳低聚糖（HMO）的调节，其方式类似于双歧杆菌。

母乳低聚糖（HMO）——是母乳中第三丰富的固体成分（仅次于脂肪和乳糖），含量为5~15g/L，具有调节免疫，帮助大脑发育及调节肠道菌群等功能，有助于婴幼儿成长发育。

在小鼠实验中，已显示拟杆菌属的肠道定植。是宿主免疫系统识别和选择的结果，通过Toll样受体 (TLR) 和其他特定微生物-宿主相互作用。该属的成员被归类为能够代谢宿主产生的聚糖（例如HMO和粘蛋白）以及复杂的植物多糖（例如淀粉、纤维素、木聚糖和果胶）的糖破碎细菌。

●拟杆菌的作用

由于细胞外蛋白酶的作用，拟杆菌属物种通常具有蛋白水解活性。拟杆菌属成员利用的其他关键代谢功能包括胆汁酸的去结合。

在拟杆菌属中，脆弱拟杆菌被描述为可以产生多种荚膜多糖的成员，称为多糖A(PSA)，是肠道菌群定植、宿主-微生物串扰或免疫调节的重要介质。

在各种拟杆菌属物种中，预计荚膜多糖会改变细胞表面的物理特性，并在宿主细菌共生中发挥关键作用。

▸ 韦荣氏球菌和链球菌

韦荣氏球菌和链球菌是婴儿肠道微生物群的一个次要成分。

这些细菌具有糖分解作用，利用其他婴儿肠道细菌(如链球菌和双歧杆菌)的碳水化合物发酵的最终产物(如乳酸)产生丙酸，形成重要的营养链。

这种短链脂肪酸被认为是肠道菌群的有益产物，因为它表现出抗炎特征，影响葡萄糖和能量稳态，增加胰岛素敏感性。

链球菌属的特定成员也构成婴儿肠道核心微生物群的一部分，并且是婴儿肠道中最早建立的细菌之一，可以在出生后的最初24小时内被识别出来。

▸ 乳酸杆菌

已知乳酸杆菌存在于婴儿肠道微生物群中，尽管它们在大肠中的数量低于上述细菌属，但在分娩后不久就存在。

乳酸杆菌的后续研究表明，与阴道分娩婴儿相比，剖腹产婴儿在生命的前6个月内的不同时间点的乳酸菌属检出率显著降低。

▸ 阿克曼氏菌

阿克曼氏菌自生命早期就存在于人类肠道中，但是水平非常低，阿克曼氏菌的存在与肠道完整性相关，已知其相对丰度和绝对数量会随着年龄的增长而迅速增加，特别是在断奶后。

小鼠实验证实了阿克曼氏菌对肠道屏障功能的影响，并证明其给药可防止饮食引起的肥胖。最近，还提供了涉及通过特定菌毛相关蛋白的TLR信号传导的机制解释。

临床、母体、喂养方式和环境因素共同塑造了生命早期的肠道微生物群。 对身体更方面都产生了一定影响。

生命早期肠道微生物群对儿童呼吸道疾病的影响

考虑了生命早期肠道微生物群与儿童呼吸道疾病（包括呼吸道感染）之间的关联，在这里汇总了一些之前对肠道菌群与呼吸道疾病直接关联的研究。

肠道微生物的测量：通常通过收集粪便样本来测量，并且可以从多样性和丰度方面进行广泛描述。多样性描述了社区内不同分类群的数量。

探索哮喘或特应性喘息的研究

Alcazar CG,et al.Lancet Microbe.2022

探索呼吸道感染的研究

Alcazar CG,et al.Lancet Microbe.2022

喘息是与感染、过敏或后来的哮喘诊断相关的呼吸道症状。我们发现较高的α多样性与的喘息之间存在关联，这主要发生在阴道分娩的婴儿中。

高α多样性对哮喘有保护作用

α-多样性是指每个样本检测到的分类群数量，而β-多样性表示样本之间的组成差异。更细微的比较确定了不同分类水平下细菌或真菌的特定相对丰度。

大型研究（>700 名参与者）报告说，高 α 多样性对哮喘和喘息有保护作用。

探索了α-多样性与哮喘或特应性喘息之间的直接关联：与较低的α-多样性相比，生命第一年较高的肠道微生物群α-多样性与1岁时没有特应性喘息显著相关，并且在5岁和6岁时没有哮喘。

一项研究报告称，5周龄时肠道微生物群成熟度增加，肠道微生物群成熟度下降与6-11岁的哮喘高风险相关；还有两项研究报告了12个月时未成熟的肠道微生物群与5-6岁时哮喘风险增加之间存在一定关联。

基于细菌类群组成随时间的变化探索了健康参与者肠道微生物成熟度，并将该微生物群成熟度与儿童呼吸道疾病参与者的微生物群成熟度进行了比较。

总体而言，有证据表明双歧杆菌在3个月前婴儿的粪便中的相对丰度较低，与1岁时的呼吸道感染和4-5岁时的哮喘有关。

在3-12个月时的粪便样本中粪杆菌属、罗氏菌属和瘤胃球菌的丰度较低，与1-6岁时的哮喘和特应性喘息有关。

注意

然而，存在重要的研究限制，包括异质的结果定义和随访时间、残余混杂、小样本量以及异质的生物信息学和统计方法，大多数研究没有报告效果估计。

还有一些研究报告说，在1周龄时，非共生肠道细菌（如克雷伯氏菌和肠球菌）的相对丰度较高与1岁时的呼吸道感染有关； 3 个月时链球菌的相对丰度与 5 岁时的特应性喘息有关；1岁时Rothia或Dialister的高相对丰度与4-5岁时哮喘相关。但是具体作用机制目前还不清楚。

影响哮喘的菌群

▸ 双歧杆菌增强呼吸道的免疫

双歧杆菌属（Bifidobacterium）是出生后4个月内儿童肠道中最丰富的细菌之一。并且已被证明通过体外和体内的表面相关分子和微生物群衍生代谢物调节个体的全身免疫反应。

在哮喘和呼吸道感染小鼠模型中，特定的双歧杆菌已被证明会影响呼吸道疾病的易感性。

一项研究表明，婴儿双歧杆菌的肠道定植可调节Th1和Th2反应之间的平衡，从而减少诱导小鼠模型中特应性哮喘的症状。

Th1（辅助型T淋巴细胞1）主要是增强吞噬细胞介导的抗感染免疫，特别是抗胞内病原体的感染。

Th2（辅助型T淋巴细胞2）Th2细胞的主要效应是辅助B细胞活化，其分泌的细胞因子可以促进B细胞增殖、分化和抗体的生成。

另一项研究报告称，当受到流感病毒的攻击时，与肠道丰度较低的小鼠相比，肠道丰度较高的双歧杆菌和拟杆菌的小鼠通过增强的CD8 T细胞和调节良好的巨噬细胞反应来提高流感存活率，从而防止过多的气道中性粒细胞流入。

▸ 梭状芽胞杆菌降低呼吸道炎症

Faecalibacterium、Ruminococcus、Lachnospira、Roseburia和Veillonella属于梭状芽孢杆菌类，在4-6个月大的儿童肠道中丰度较高。

已经描述了Roseburia和Faecalibacterium的潜在免疫调节机制，它们产生丁酸盐。

丁酸盐——一种在动物和体外模型中具有抗炎特性的细菌代谢物。

研究发现上呼吸道感染与婴儿粪便样本中丁酸梭菌的丰度降低有关。梭状芽胞杆菌可促进调节性T细胞产生并抑制炎症细胞因子，其中一些与人类全身感染有关。因此，丁酸梭菌对婴儿对感染的免疫反应的潜在抑制作用需要进一步研究。

另一项研究表明，给无菌小鼠接种毛螺菌属、韦荣氏菌属、粪杆菌属和罗氏菌可改善这些小鼠成年后代的气道炎症，但是这些细菌在呼吸系统疾病中的机制作用了解还是较少。

▸ 韦荣氏球菌刺激免疫分化

在我们的研究中，韦荣氏球菌，特别是小韦荣氏球菌（Veillonella parvula），与上呼吸道感染呈正相关，尤其是剖宫产婴儿。Veillonella parvula常见于口腔菌群中，它在口腔和肠道生态系统中都可以观察到。

一项针对120名荷兰婴儿的前瞻性研究发现，在1周大的婴儿中使用 16S V4 rRNA 测序发现了大量的韦荣氏菌操作分类单位，这与出生后第一年的呼吸道感染数量增加有关。

在研究中，Veillonella parvula在人体肠道中产生丙酸盐，这可能会刺激产生IL10的调节性T细胞分化；在小肠中，它会诱导产生IL-8、IL-1β、IL-10和 TNF- α37来影响呼吸道以至于全身的免疫。

▸ 棒状杆菌为呼吸道的致病菌

在剖宫产婴儿中，较高的棒状杆菌属（Corynebacterium）物种相对丰度与较高的上呼吸道感染风险相关。

棒状杆菌属物种通常被列为呼吸道中的致病菌。病例系列表明，痰中的假白喉棒状杆菌是肺部感染的驱动因素，一项来自法国的鼻咽微生物组病例对照研究发现，与健康对照组相比，病毒性呼吸道感染患者的假白喉棒状杆菌富集。

其他细菌丰度与呼吸道疾病的关联

在3个月和1岁收集的粪便中，Faecalibacterium、 Roseburia和Ruminococcus相对丰度较低，与1-6岁的哮喘和特应性喘息相关。

3个月时Lachnospira的相对丰度较低，但1岁时的相对丰度增加也与1-6岁时哮喘和特应性喘息相关。

一项研究显示3个月时Veillonella的相对丰度较低与1岁时的特应性喘息相关，而两项研究报告称3个月和1岁时Veillonella的相对丰度较高与5岁时的哮喘和特应性喘息相关。

✦真菌与哮喘的关系

三项研究探索了真菌和哮喘之间的关系。

在一项研究中，在 1 个月大时测量的念珠菌和红酵母菌的相对丰度较高，而马拉色菌类群的丰度较低。

在另一项研究中，3月龄时Pichia kudriavzevii的相对丰度增加，与4-5岁时的哮喘和特应性喘息相关。

第三项研究却发现真菌成熟度与6岁儿童哮喘之间没有关联。

细菌代谢物对哮喘的影响

肠道菌群对哮喘的影响至少部分是由细菌代谢物介导的，这些代谢物可能会影响身体远端的免疫反应。

✦短链脂肪酸降低哮喘致敏性

在人类气道炎症中具有保护作用的最知名代谢物是 短链脂肪酸。1岁时粪便中含有大量丁酸盐和丙酸盐的儿童的特应性致敏性显著降低，并且在3至6岁之间不太可能患哮喘。

✦组胺和氧化脂质影响肺部炎症

与非哮喘志愿者相比，哮喘患者粪便样本中分泌组胺的细菌数量显著高于非哮喘志愿者。

此外，分泌组胺的细菌数量与疾病严重程度相关。然而，在过敏性气道炎症模型中，细菌来源的组胺降低了支气管肺泡液中的总细胞数和肺匀浆中IL-4、IL-5和IL-13的量。

相反，在蟑螂抗原小鼠气道炎症模型中，用12,13-diHOME（一种氧化脂质）对小鼠进行腹腔内治疗会减少肺部调节性T细胞的数量并增加肺部炎症。

建议

越来越多的证据表明细菌在哮喘中的作用，但需要进一步的研究来更清楚地定义所涉及的最重要的物种，并了解哮喘背景下的细菌生态失调是否是疾病的原因或影响。

有必要进行更详细的机制研究，以充分了解生命不同阶段肺和肠道微生物群组成和代谢与特定类型的哮喘炎症之间的复杂关联。

最后，未来的工作应该集中在继续详细描述在哮喘中介导细菌与宿主之间交流的细胞和分子机制。

婴儿早期肠道微生物的调理方法

抗生素

通常用于预防或治疗不一定由特定病原体引起的感染的抗生素可以有效地消耗肠道微生物群。患有 NEC的新生儿感染肠道微生物的风险很高，抗生素通常用于预防或治疗这些感染。

NEC——新生儿坏死性小肠结肠炎（NEC）为一种获得性疾病，是多种原因引起的肠黏膜损害，使之缺血、缺氧，导致小肠、结肠发生弥漫性或局部坏死的一种疾病。

对于儿童炎症性肠病的治疗，使用单一抗生素对有并发症的患者有益，例如瘘管和脓肿，而广泛的抗生素组合可能会改善临床结果。

注意

在幼儿中使用抗生素存在很大风险。大量证据表明，抗生素会影响我们抵抗感染的能力、免疫系统的功能以及我们加工食物的能力。

肠道微生物群的破坏可能导致长期的健康后果，包括维生素产量减少、营养吸收减少以及糖尿病、哮喘、肥胖和感染风险增加。

益生元和益生菌

口服益生元和益生菌是影响生命早期肠道微生物群发育的最常见方法。

益生元被定义为“选择性刺激肠道微生物群中一种或多种微生物属或物种的生长和活性，从而为宿主带来健康益处”的化合物，而益生菌被定义为“赋予宿主健康益处的活微生物”。摄入足量时会对宿主产生健康影响。

目前可用的益生元包括人乳低聚糖、菊粉、低聚果糖和低聚半乳糖；可用的益生菌包括双歧杆菌和乳酸杆菌属。

✦益生元和益生菌的作用

通过调节肠道微生物群，益生元对宿主产生健康影响。益生菌通过对粘膜和上皮的竞争性粘附、粘膜 IgA反应、抗菌物质的分泌、促炎途径的下调、抗炎细胞因子的产生和免疫系统的调节来增强肠道上皮屏障。

最近的研究表明，益生菌可以预防儿科疾病和障碍的进展，包括过敏、胃肠道感染、肥胖，甚至上呼吸道感染。

干预研究进一步表明，益生菌可以减轻某些疾病的严重程度，但对每种疾病的最佳干预仍然知之甚少。

虽然益生菌在某些情况下可以缓解过敏症状，但它们通常不能有效调节肠道微生物的组成。有证据表明，嗜热链球菌和双歧杆菌的组合可有效预防儿童抗生素相关性腹泻。

此外，合成生物学使益生菌和共生微生物的工程具有新的治疗功能。例如，融合蛋白HSP65-6P277的表达减少了非肥胖糖尿病小鼠中1型糖尿病的发病，而在非肥胖糖尿病鼠中口服重组乳酸乳球菌可改善糖耐量并显著减少胰岛素炎。

建议

尽管益生元和益生菌的应用前景不错，但在未来的研究中，应讨论益生菌和益生素的施用时间、不同菌株和菌株组合的效果、工程、安全性以及这些益生菌与益生素组合是否更有效的确定。

饮食调整

营养素可以通过塑造微生物菌群的组成，对婴儿肠道微生物的定植模式产生短期和长期影响。

越来越多的证据表明，摄入的膳食成分与炎症性肠病、2型糖尿病和动脉粥样硬化的发展有关。肠道菌群的最大变化发生在固体食物的引入，这表明饮食应被视为肠道菌群的核心决定因素。

✦饮食疗法

有趣的是，在中医中，早就有“药食同源”的概念。该概念的一个方面是食物是一种药物，适当的饮食或某些食物可以维持身体的平衡和健康，并预防或减轻某些疾病的发展。

在现代医学中，饮食改变越来越被认为是一种通过改变肠道微生物群来改变全身炎症的相对简单的方法。

早期肠内营养 (EEN) 是一种饮食疗法，已被用作儿童克罗恩病的一线疗法，通过用仅由液体营养素组成的配方代替正常饮食成分，旨在使炎症标志物正常化并诱导临床缓解。

✦高膳食纤维可以减轻呼吸道疾病

此外，另一项研究报告称，喂食高纤维饮食的小鼠可以产生独特的肠道微生物群，从而导致短链脂肪酸乙酸酯水平升高。

高纤维或醋酸盐喂养通过减少与人类哮喘和小鼠哮喘模型相关的某些基因在小鼠胎肺中的表达，显著抑制过敏性气道疾病。

此外，发现肠道微生物不仅与哮喘有关，而且还降低了与哮喘严重程度和炎症表型相关的气道微生物群的多样性和群落组成。

抗炎特性

此外，最近的一些研究证明，膳食纤维具有抗炎特性，这可以部分解释纤维对肠道微生物菌群的影响。 使用临床前模型的几项研究表明，可发酵纤维补充剂通过微生物群诱导的特定抗炎代谢物产生的变化来改变疾病结果。

然而，还需要更多的研究来增加我们对不同饮食如何塑造微生物群和改变健康结果的理解。

粪菌移植

粪便微生物群移植（FMT）被定义为将健康供体的粪便悬浮液输注到受体患者的胃肠道中，以恢复肠道微生物群的正常多样性和功能。

粪菌移植的方式：粪便微生物群可通过结肠镜检查、鼻胃管或鼻十二指肠管、灌肠剂或口服胶囊置于患者体内。

由于肠道微生物群宏基因组测序的技术进步以及对其组成和功能的日益了解，粪菌移植近年来引起了越来越多的兴趣和关注。尽管粪菌移植仍然知之甚少，但它不再被认为是一种“替代”和最后的医疗实践，现在作为一种具有生物学合理性的有价值的疗法正在获得主流接受。

此外，这种疗法已被证明能够重建正常运作的微生物群落。通过为患者提供来自合适供体的平衡微生物群，纠正了在艰难梭菌感染 (CDI)发病机制中起重要作用的不平衡肠道微生物菌群。

在一系列关于复发性CDI的研究中，85%接受粪菌移植的患者出现症状缓解。此外，考虑到肠脑轴和肠道微生物之间的相互作用，粪菌移植被认为是治疗某些精神疾病的可能方法，例如自闭症谱系障碍。

建议

然而，粪菌移植的微生物组成尚未完全确定。因此，需要澄清与改善临床结果相关的微生物结构或功能特征，以确定优选的组合。

未来的研究应侧重于确定“健康”微生物菌群的范围以及制定评估最佳组成的标准。

青少年哮喘的预防与治疗

预防

5岁至14岁的哮喘患病率约为10%，使其成为全球儿童时期最普遍的慢性病。尽管下呼吸道感染带来了巨大的健康负担，但目前还没有专门针对它们或儿童哮喘被广泛许可的预防策略，所以暂时只能用一般呼吸道疾病的方法来预防。

✦注意空气卫生

注意室内的清洁和空气流通，因为空气中的灰尘和细菌是哮喘病发的主要致敏原，所以应该勤加打扫，减少空气中的尘埃。尽量减少暴露于空气污染的室内和室外。

✦良好饮食习惯

坚持每天喝水，喝水是排出身体毒素的最佳的方法。在日常生活中注意饮食习惯，一日三餐要按时就餐，少吃油腻。

✦良好生活，避免螨虫

哮喘病人要在日常生活中每天要保持良好的生活态度，放松心情。不要在家里养猫、狗、花、鸟等。经常晾晒被褥、换洗床单，避免螨虫孳生。

✦加强自我管理

对于5岁及以上被诊断为哮喘的儿童或青少年，提供哮喘自我管理计划，包括书面的个性化行动计划和教育。

说明污染会引发或加剧哮喘，并在个性化的行动计划中包含尽量减少暴露于室内和室外空气污染的方法。

注：哮喘好发于青少年和儿童，一旦患病，如防治不当，很容易反复发病，随着发病频度的增加，病情会逐渐加重，必将严重影响生活质量和学习工作能力，给个人家庭和社会造成沉重负担。

治疗

我们结合当前的研究与认知，提出了一些适用于儿童和青少年新诊断哮喘或当前治疗无法控制哮喘的治疗建议。

✦药物治疗

•SABA

β2受体激动剂（SABA）是一类能够分布在气道平滑肌上的β2受体产生支气管扩张作用的哮喘治疗药物。这类药物属于支气管扩张药，是哮喘急性发作（气道痉挛）的首选药物，能够迅速改善哮喘急性发作时的呼吸困难、咳嗽等的症状。

对新诊断为哮喘的儿童和年轻人（5至16岁），可以提供SABA作为缓解疗法。

对于患有哮喘的儿童和青少年（5至16岁），他们很少出现短暂的喘息和正常的肺功能，也可以考虑单独使用SABA缓解疗法进行治疗。

•ICS

吸入性糖皮质激素（ICS）是目前控制哮喘病的气道炎症最有效的药物，以定量气雾剂、干粉剂或溶液吸入。

在哮喘炎症表型中，通常接受高剂量吸入性皮质类固醇 (ICS) 的中性粒细胞性哮喘患者表现出较少的细菌负荷，其中嗜血杆菌和莫拉菌属、变形杆菌门的成员相对富集，而链球菌的相对丰度降低。

ICS已经成为目前哮喘治疗的第一线治疗，对病人是最为重要的治疗，任何哮喘患者，只要诊断正确，都应该接受ICS的治疗，这是一个长期维持治疗，可以起到气管局部抗炎的效果，改善病情，预防哮喘急性发作。

为儿童和青少年（5至16岁）提供儿科低剂量ICS作为一线维持治疗。

就诊时出现明显表明需要维持治疗的症状（如导致夜间醒来）或单独使用SABA无法控制的哮喘也应使用ICS治疗。

✦风险分层

同时使用风险分层来识别预后不良风险增加的哮喘患者，并使用此信息优化他们的护理。

根据诸如不依从哮喘药物、心理社会问题和反复发作的哮喘计划外护理等因素进行风险分层。

总结

总体而言，有观察证据表明，在生命的第一年，肠道共生细菌属的低α多样性和相对丰度与随后的呼吸系统疾病，尤其是哮喘有关。因此在婴儿早期关注和了解肠道菌群状况对于后面哮喘发生和预防非常重要，进一步研究哮喘患者的肠道和下呼吸道微生物群可能有助于开发更有效的方法来预防和治疗哮喘。

主要参考文献

Alcazar CG, Paes VM, Shao Y, Oesser C, Miltz A, Lawley TD, Brocklehurst P, Rodger A, Field N. The association between early-life gut microbiota and childhood respiratory diseases: a systematic review. Lancet Microbe. 2022 Aug 18:S2666-5247(22)00184-7. doi: 10.1016/S2666-5247(22)00184-7. Epub ahead of print. PMID: 35988549.

Milani C, Duranti S, Bottacini F, Casey E, Turroni F, Mahony J, Belzer C, Delgado Palacio S, Arboleya Montes S, Mancabelli L, Lugli GA, Rodriguez JM, Bode L, de Vos W, Gueimonde M, Margolles A, van Sinderen D, Ventura M. The First Microbial Colonizers of the Human Gut: Composition, Activities, and Health Implications of the Infant Gut Microbiota. Microbiol Mol Biol Rev. 2017 Nov 8;81(4):e00036-17. doi: 10.1128/MMBR.00036-17. PMID: 29118049; PMCID: PMC5706746.

Zhuang L, Chen H, Zhang S, Zhuang J, Li Q, Feng Z. Intestinal Microbiota in Early Life and Its Implications on Childhood Health. Genomics Proteomics Bioinformatics. 2019 Feb;17(1):13-25. doi: 10.1016/j.gpb.2018.10.002. Epub 2019 Apr 12. PMID: 30986482; PMCID: PMC6522475.

Barcik W, Boutin RCT, Sokolowska M, Finlay BB. The Role of Lung and Gut Microbiota in the Pathology of Asthma. Immunity. 2020 Feb 18;52(2):241-255. doi: 10.1016/j.immuni.2020.01.007. PMID: 32075727; PMCID: PMC7128389.

Ver Heul A, Planer J, Kau AL. The Human Microbiota and Asthma. Clin Rev Allergy Immunol. 2019 Dec;57(3):350-363. doi: 10.1007/s12016-018-8719-7. PMID: 30426401; PMCID: PMC7449604.

Moroishi Y, Gui J, Hoen AG, Morrison HG, Baker ER, Nadeau KC, Li H, Li Z, Madan JC, Karagas MR. The relationship between the gut microbiome and the risk of respiratory infections among newborns. Commun Med (Lond). 2022 Jul 14;2:87. doi: 10.1038/s43856-022-00152-1. PMID: 35847562; PMCID: PMC9283516.