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生态学的一个长期目标是捕获多种物种相互作用的多样性，生态系统中存在多种物种时产生的不可预测的影响。例如，动物具有多样的微生物群落，它们的组成是可变的，受随机过程控制，这会影响系统的整体行为。许多涉及复杂网络结构的生态研究通常集中于成对相互作用，忽略了涉及三个或更多的分类单元之间的高阶交互作用（higher-order interactions）带来的潜在影响。
高阶交互作用
高阶交互作用（higher-order interactions）：高阶相互作用一直是遗传学领域中相对严格的研究对象，在遗传学领域中，它们被讨论为上位性，或基因和突变之间的非线性相互作用。尤其是高阶上位性，因为这些相互作用包含了理解和研究其他系统甚至微生物中的高阶相互作用的所有复杂性和挑战。
上位性(epistasis)是指某一基因受不同位点上别的基因抑制而不能表达的现象。现也将在群体遗传学和数量遗传学中非等位基因的遗传效应为非相加性时统称之为上位性。也就是位于不同座位上的基因间的非相加性相互作用。
与基因组不同，肠道微生物群是由单个实体或信息群（在这种情况下，是微生物群中的组成类群）之间的相互作用所定义的复杂系统。因此，科学家会预测微生物群中的生物群之间的更高阶相互作用可能是微生物群相关生物表型的基础。
例如一项研究了多物种相互作用对确定群落功能（即淀粉酶表达）的贡献。在存在更高阶的交互作用时，加性无效模型（没有交互作用）在预测社区功能方面的预测能力会降低。但是，通过将行为和人口动力学效应都计入其无效模型，高阶交互确实为社区功能提供了良好的预测。
最近发表的一篇关于此研究的文章，作者利用一种简单的数学方法——Hadamard-Walsh变换，研究了昆虫肠道菌群中的高阶相互作用。以此说明不同环境下肠道菌群之间的高阶相互作用是如何影响宿主表型的。希望能打破仅关注群落水平或两两互作关系的局限性，更多关注三阶、四阶以至多阶的分类群之间的互作关系。
一个由五个核心类群组成的肠道群落中。发现根据宿主特征，三向，四向和五向相互作用占所有可能病例的13-44％。然而，低阶相互作用（2对）仍然占系统中所有观察到的表型的至少一半。Sanchez-Gorostiage等人的工作研究了多物种相互作用对确定群落功能（即淀粉酶表达）的贡献。在存在更高阶的交互作用时，加性无效模型（没有交互作用）在预测社区功能方面的预测能力会降低。但是，通过将行为和人口动力学效应都计入其无效模型，高阶交互确实为社区功能提供了良好的预测。前述研究提供了可如何测量高阶相互作用的示例，并表明它们与理解微生物分类群如何影响某些表型有关。尽管多样性和主体互动的重要性很明显，但据我们所知，还没有研究试图明确区分环境环境中高阶互动的影响。
Hadamard-Walsh沃尔什-阿达玛变换使人们能够量化潜在相互作用的物体或地块之间相互作用的显著程度。它的主要输出是沃尔什系数（Walsh coefficient），该系数传达给定交互的大小(交互有多大)和符号(正交互或负方向)。
该方法以向量的形式实现表型(本研究中指宿主感染风险)值，然后将其重新格式化为Hadamard矩阵(然后通过对角线矩阵进行缩放)。输出的是与分类群之间相互作用的强度相对应的系数的集合。
作者将沃尔什系数以二进制形式重新编码，例如： *B*DE 被编码为 01011
“*”表示不存在的分类群，在这个示例中存在BDE三个分类群，并将这三者之间的相互作用贴上“三阶相互作用”的标签，以此类推零阶即为*****或00000，五阶即为ABCD或11111。对于一个庞大的微生物群落，可以计算三阶相互作用的强度，并将它们与四阶相互作用的强度进行比较。
作者构建了一个昆虫肠道菌群的理论环境。用于研究饮食中不同品质的营养对宿主肠道菌群中寄生虫的易感性的影响。
利用从优质饲料（食物培养基中不含甲基纤维素）到低品质饲料（用甲基纤维素取代食物培养基的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%）的不同资源水平，对不同营养环境对鳞翅目害虫抗寄生性的影响进行了实证研究。
0%的饮食相当于极低质量的营养饮食，而100%的饮食相当于由昆虫的标准食物量组成的高质量饮食。
数据集来自用于生成理论上的适应度地形（fitness landscapes，遗传学算法中的名词，指由一系列基因型组成的三维的地形图）的原始数据。
这些原始数据由5位字符串组成。这些数据集可用于研究群体遗传学的高级课题，比如高阶上位性。数据被定义为字符串(例如，01011或11001)，每个字符串具有对应的“表现型”（ phenotype）值。由此组成了含161个微生物群的昆虫肠道环境。如下图：
图一
图二
数据集是5个分类群(A-D)的存在和缺失(+或-)的组合。这种组合的可能性相当于四种不同昆虫环境中2的5次方=32个分类群的理论组合。
图一表示营养含量的消耗（x轴）与寄生虫含量（y轴）之间的反应关系。
结果显示与其他昆虫微生物区系组合相比，对应于00000(不含分类群) 和11111(存在各种分类群)的两个昆虫肠道最易感染寄生虫。相比之下所有其他昆虫微生物群组合(包括组合00100；11011；11101)，感染的寄生虫含量显著较低。
图二说明了阶级变化与相互作用强度是相关的，比如低阶的如零一二三，它们的相互作用强度也较低，相反，高阶的较高。以及营养含量对相互作用模式的影响，比如营养含量为20%时，可以明显看见五阶分类群的相互作用强度开始上升，四阶的下降。
图三
图四
上图结果表明，高阶微生物群的相互作用限制了寄生虫在营养环境中的入侵。肠道菌群的营养状况对宿主的健康起着重要作用。
使用高阶建模方法能够捕捉到来自复杂生态相互作用的丰富信息，将这些方法应用于实验数据的分析，将会推动微生物群动力学研究。
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参考文献
Deconstructing taxa x taxa x environment interactions in the microbiota: A theoretical examination
Senay Yitbarek, John Guittar, Sarah A. Knutie, C. Brandon Ogbunugafor
bioRxiv 647156; doi: https://doi.org/10.1101/647156
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2020年，深度学习算法AlphaFold2在从原始序列预测蛋白质三维结构方面取得了里程碑式的成果。
宏基因组学产生的大量测序数据，让人们得已窥见未经培养的微生物的生物合成潜力。与初级代谢途径相比，参与次级代谢的酶往往催化不同底物的特殊反应，这些途径为发现新的酶学提供了丰富的资源。
到目前为止，从环境DNA(eDNA)研究中发现新的酶或功能大多数是通过PCR筛选或基于活性位点的筛选方法获得的。作为另一种选择，鸟枪法宏基因组学也具有从eDNA中直接发现新酶的能力，还可以避免由于PCR或活性导向的功能宏基因组学工作流程引入的共同偏差。
最近发表的一篇长综述，为宏基因组学在酶学领域构建了一张宏伟蓝图。文章中比较了发现酶的方法，包括系统发育学、序列相似性网络、机器学习技术等。也讨论了各种实验策略来测试计算预测，包括异源表达和筛选。
除了这些广泛使用的方法，还补充了一些新兴技术如宏组学、单细胞基因组学、无细胞表达系统等方法及建议。这里，我们沿着作者给出的路线，为大家做个导读。
首先作者在文章中明确指出两点，文章中主要关注天然产生的酶，而不包括通过工程或定向进化策略获取的非自然酶。其次是生物合成基因簇(bgc)中编码的细菌酶，因为这些酶是天然产物中研究最广泛的。
另一点宏基因组DNA序列与从微生物分离物中获得的基因组DNA没有本质上的区别。两者都是来自生物系统的核苷酸序列。从结构上讲，宏基因组样本中的BGCs与分离物参考基因组中的BGCs基本上没有区别，除了有时由于组装过程中引入的相邻边界和错误而更碎片化。一些宏基因组BGCs甚至在可培养生物的基因组中具有同源簇。
如下图，使用三层金字塔说明，越往下说明这个类别在宏基因组酶研究中数量更多。
Robinson S Let al., Nat. Prod. Rep., 2021
第一层
即金字塔尖端，指的是识别出全新类型的生物催化剂，也就是说这类酶必须属于没有任何功能特征成员的蛋白质折叠或家族。到目前为止，大多数新发现的酶的例子都来自可培养的细菌和真菌，而不是eDNA和未培养的微生物。也因此，在宏基因组中识别出的蛋白质家族中还存在极大的探索空间。
第二层
指的是基于参考发现的酶，是在已发现的蛋白质家族中对新的反应类型的表征。
第三层
代表了宏基因组酶研究中占比最大的一部分，指发现了具有不同底物种类的酶，或具有不同反应条件的酶，包括温度、pH、盐度或溶剂偏好。
在发现酶的方法中，将鸟枪法宏基因组学测序与功能宏基因组学（活性导向分离和基于PCR方法）之间进行比较。
Robinson S Let al., Nat. Prod. Rep., 2021
活性导向分离方法筛选功能宏基因组文库是宏基因组领域最早发展起来的方法之一，方法核心是鉴定出所需表型的克隆，例如从fosmid、cosmid或人工染色体文库克隆。由于该工作流程不依靠序列同源性，因此对从头发现新酶特别有效。
基于PCR方法的筛选核心是简并引物以扩增编码感兴趣的蛋白质结构域的eDNA基因。基于扩增的常见的生物合成标记物的分析已经被广泛地应用于检测新的BGCs和天然产物。例如，一类全新的钙依赖性抗生素，苹果酸，是通过基于PCR的土壤亚基因组腺苷酸结构域筛选检测到的。
鸟枪法宏基因组学是指直接的、非靶向的eDNA测序。由于不需要PCR扩增和大肠杆菌等文库宿主，所以在鸟枪法测序过程中引入的偏差较少。产生测序数据的速度比构建宏基因组fosmid或cosmid文库快得多。其最大的挑战是从复杂环境样本中足够数量和质量的eDNA和足够的测序深度来检测和纠正个别读数中的错误。关于检测稀有生物的BGCs，可以使用Samplix技术。
这一小节重点介绍了发现酶的三种方法，虽然各有参差，但是殊途同归，依靠这些技术新的酶不断被发现。不容忽视的是应用于鸟枪法宏基因组测序数据的生物信息算法和技术的进步为酶的发现提供了新的途径。但是参与天然产物生物合成的酶是如何帮助从宏基因组数据集中获得要点，以提高我们对未培养微生物的次级代谢功能的认识呢？作者提出一个问题，“是否存在发现酶的温床？”
鸟枪法宏基因组测序完成后，就需要执行下游生物信息分析，使数据可公开存取使用，例如JGI IMG/M、iMicrobe或MGnify这些站点，整合了大量的基因组数据，可以分析可以存储。
这里作者特别介绍了MGnify，MGnify的制作作者强调它是为了“搜索微生物暗物质”而开发的。MGnify的一个好处是能够使用HMMs查询宏基因组，而不是使用基本的基于序列比对的搜索方法，如BLAST或DIAMOND。
虽然这两种方法都是有效且快速的方法，但HMMs对于鉴定更遥远的同源基因特别有用。
（MGnify：https://www.ebi.ac.uk/metagenomics/）
预测蛋白质家族中新的酶功能的计算方法之间的比较
Robinson S Let al., Nat. Prod. Rep., 2021
基于以上的计算方法，整理了作者在文章中列举的一些常用工具：
Robinson S Let al., Nat. Prod. Rep., 2021
无论是用鸟枪法还是功能筛选的宏基因组学发现酶，最后都需要对酶进行表征。
1 质量控制
当选择蛋白质在实验室中进行鉴定时，重要的第一步是质量控制，以去除可能存在测序错误或不能编码全功能蛋白质的嵌合体和截断序列（truncated sequences）。可以根据相似性对蛋白质进行聚类，并自动选择有代表性的序列，比如CD-HIT和UCLUST工具。
根据数据集的大小，可能需要进一步的过滤步骤。
最明显的策略之一是选择在可培养生物体中也存在的宏基因组序列，因为这可以在原生宿主中进行功能表征。其次是从嗜热生物体中选择蛋白质，这些蛋白质往往编码热稳定性更高的酶。还有选择更稳定和表达更好的蛋白质，包括过滤不具有高GC含量、跨膜区或无序区的蛋白质。
作者建议使用多种标准来对需要实验鉴定的蛋白质序列进行排序，通过这种方式，预测工具中的个体偏差可能会被基于集成的方法部分抵消，以确定最有希望的能够表征发现的酶的蛋白质。
2 蛋白异源表达
一旦识别了感兴趣的酶或BGCs，必须设计异源表达的构建。不幸的是，大多数用于功能宏基因组学方法的宏基因组文库准备的载体通常不适用于异源表达。由于Fosmid/Cosmid载体的最大插入大小为45 kb，许多完整的BGCs也没能完全被捕获到宏基因组文库中。
除了经典的限制性内切酶克隆和Gibson组装方法外，人们还开发了新的方法来提高将大型BGCs克隆到异源宿主的效率和方便性。
一种流行的方法是转化偶联重组技术(TAR)，它利用酵母中的同源重组系统将土壤和海绵宏基因组中重叠的eDNA cosmid/fosmid克隆拼接在一起。
3 酶活性的筛选
当感兴趣的酶被表达出来后，就要对它们进行体内或体外的活性分析。酶筛选方法通常在通量（throughput）和通用性（generalizability）之间进行权衡，如下图：FACS（流式细胞荧光分选技术）、NIMS（纳米结构启动质谱技术）、SAMDI-MS[ 结合无细胞蛋白质合成和自组装单层解吸电离（SAMDI）质谱技术]、Microfluidics（微流控技术）、mRNA display（通过体外核糖体翻译，有效地将肽链到自己编码的RNA）。
Robinson S Let al., Nat. Prod. Rep., 2021
对该领域的未来提供一个展望，着重于新兴技术与宏基因组学工作流程相结合，以加速酶的发现。
1 宏组学
将各种宏组学技术(包括宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学)整合到酶发现工作流程中，可以成为一个强大的框架，将基因型与表型联系起来，以产生假说。例如用RNA-Seq分析了一种未知的钼依赖酶DADH在人体肠道中参与多巴胺分解代谢的过程；一项堆肥微生物群落的宏转录组分析结果发现了糖苷水解酶家族中的一个异常酶，这个酶带有exo-1,4-b-xylanase活性等。不同的多组学数据集的整合为酶的发现提供了新途径。
2 单细胞基因组学
单细胞基因组学依赖于微生物细胞的分选，通常采用微流控技术或流式细胞仪(FACS)的方法，然后用高保真聚合酶裂解和全基因组多重置换扩增（MDA）。单细胞基因组学并不依靠于相似细胞的种群是无性繁殖的假设。
因此，单细胞基因组学研究揭示了从海洋浮游植物到癌细胞的各种系统中显著的种群内基因组变异和进化。这一新兴的研究领域需要进一步应用单细胞和空间转录组方法，以更好地了解微生物群落结构和微环境如何影响生物合成基因的表达。
3 微流控
基于微流控的分选方法已被广泛应用于定向进化和蛋白质工程研究，但很少用于挖掘基因组引导酶的发现。最近的一项研究使用光学镊子和微流控技术，根据单个细胞的拉曼光谱对复杂的微生物群落进行分类，这在下游单细胞测序或培养工作中有许多应用。通过对分选的细胞进行下游单细胞测序，活的单个细胞的化学表型可以直接与它们的基因型联系在一起。只是，微流控技术在从宏基因组中发现新的生物合成酶方面的应用目前还没有广泛使用。
4 无细胞系统
无细胞系统为所需DNA序列的快速转录和翻译创造条件，而不受维持细胞生长的限制。与体内表达系统不同，无细胞平台还允许产生有毒的代谢物，这些代谢物通常会杀死异种宿主。为了进一步提高产量，包括mRNA display、MALDI-MS和液滴微流控等筛选方法已经与无细胞平台相结合。对于一些生物合成途径，DNA模板在短短几个小时内就能产生高产量。
5 与序列无关的方法
文中描述的绝大多数技术都依靠基于序列或基于结构的同源性来推断蛋白质功能。然而，当预测“未知的未知因素”时，这些方法往往达不到预期，即重新发现与一个或多个特征蛋白家族没有序列或结构相似性的酶。与序列或结构无关的方法在天然产物研究中也很少使用，因为大多数识别BGCs的计算方法都依靠与常见生物合成结构域的同源性。
decRiPPter是一种基因组挖掘工具，用于检测新的RiPPs和BGCs。decRiPPter算法的核心过滤步骤是使用泛基因组比较来检测分布在分类群内的操纵子，这些操纵子可能参与了次级代谢功能，而不是初级代谢功能。Krousterman等人用DecRiPter分析了1295个链霉菌基因组，鉴定了一个新的RIPP成熟酶家族，催化一种新的肽类天然产物的脱水和环化反应。
1 新的发现往往发生在蛋白质家族的近邻
虽然这不是一个普遍规律，但与已知功能的参考蛋白相比，序列同源性低的蛋白质比序列同源性高的酶更容易适应不同的底物，并催化出新的反应类型。
2 跳出比色测定法的框框，进入未知的蛋白质空间
对2014年1月至2017年3月发现的宏基因组酶进行的荟萃分析发现，>84%属于脂肪酶/酯酶或纤维素酶/半纤维素酶类别。同样，>82%是通过基于活性的筛选发现的。显然，目前的宏基因组筛选方法偏向于工业相关的酶类，这些酶类也可以用标准比色法检测出来。
3 不再局限于大肠杆菌，寻找新的宿主
一项对照研究发现，一般环境细菌中只有30-40%的基因可以在大肠杆菌中表达，只有7%的高GC含量的DNA可以在大肠杆菌中表达。在功能宏基因组学方面，假单胞菌、链霉菌、红球菌、芽孢杆菌甚至古生菌已经被用作文库宿主和具有穿梭载体的多宿主表达系统（multi-host expression systems）。同样，非传统的异源表达宿主(如亚硝型分枝杆菌)已经被开发用于从宏基因组BGCs发现新的酶。
相关阅读：
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参考文献：
Robinson S L, Piel J, Sunagawa S. A roadmap for metagenomic enzyme discovery[J]. Natural Product Reports, 2021.
E. J. Culp, N. Waglechner, W. Wang, A. A. Fiebig-Comyn,Y.-P. Hsu, K. Koteva, D. Sychantha, B. K. Coombes,M. S. Van Nieuwenhze, Y. V. Brun and G. D. Wright,Nature, 2020, 578, 582–587
N. S´elem-Mojica, C. Aguilar, K. Guti´errez-Garc´ıa,C. E. Mart´ınez-Guerrero and F. Barona-G´omez, Microb.Genomics, 2019, 5, 445270
M. G. Chevrette, K. Guti´errez-Garc´ıa, N. Selem-Mojica,C. Aguilar-Mart´ınez, A. Yanez-Olvera, H. E. Ramos- ˜Aboites, P. A. Hoskisson and F. Barona-G´omez, Nat. Prod.Rep., 2020, 37, 566–599.
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在20世纪初，Elie Metchnikoff（著名生物学家，酸奶之父）发现了有益的肠道微生物，该微生物可使肠道健康正常化并延长寿命，后来被称为“益生菌”。益生菌是指“以适当的剂量给予宿主健康有益的活生物体” 。
益生菌是促进健康的微生物，在肠道微生物组学领域也被认为是下一代生物疗法。乳酸菌（Lactobacillus），乳球菌（Lactococcus），芽孢杆菌（Bacillus），链球菌（Streptococcus），双歧杆菌（Bifidobacterium），小球菌（Pediococcus）和丙酸杆菌属（Propionibacterium）是众所周知的益生菌。
酵母（如啤酒酵母，卡里斯伯格葡萄球菌和布拉氏酵母）和真菌（如黑曲霉和米曲霉）也被视为益生菌。
然而，最常见的益生菌属是乳杆菌和双歧杆菌。到2020年3月，乳杆菌属包含261个遗传多样性物种。最近，一群科学家根据全基因组测序将其重新分类为25属。当前分类学分类的更新可能有助于理解益生菌有益健康的机制。
除调节肠道功能外，益生菌还通过其在人体内的生物学机制与多种其他健康益处相关联，例如大脑功能，增强免疫力，降低胆固醇和促进代谢稳态。益生菌可以产生短链脂肪酸，维生素，酶，有机酸和抗菌肽。这些化合物参与人体的生理功能。
《益生菌补充剂市场-2020-2025年全球展望与预测》报告说，人们对免疫健康的关注增加导致COVID-19大流行期间益生菌补充剂的市场增长。
最近关于“益生菌市场-增长，趋势和预测”的报告预测，到2024年，全球益生菌市场将达到768.5亿美元，在2020年至2025年的预测期内复合年增长率为8.15％。
该报告还指出，由于在益生菌强化食品中对显着应用的需求不断增长，细菌市场将以最快的复合年增长率增长。
益生菌通过它们在体内的生物学机制提供各种健康益处。“人类微生物组计划”报告说，人体中其他细菌细胞的数量约为人体细胞数量的10倍。这些细菌还包括有益微生物，它们在维持人类健康方面也起着至关重要的作用。益生菌会产生短链脂肪酸，酶，乳酸，还会分泌杀死致病细菌菌株的抗菌肽。这些细菌素被认为是“天然防腐剂” 。
益生菌也与营养物与病原体竞争，从而抑制在结肠腔框致病细菌粘附，从而改善粘液产生，这反过来又增强了免疫系统刺激肠上皮屏障。
益生菌减少通过胆盐水解酶[毒素]，并通过其它的酶活性提高体内的养分生物利用度。一些益生菌甚至有可能分泌有助于疾病治疗的特定抗癌和抗氧化代谢产物。
内源性补充益生菌可以帮助抗生素治疗后肠道微生物组的补充。与抗生素一起使用或在抗生素治疗后食用益生菌可以预防与抗生素有关的腹泻。
除了增强消化健康，益生菌还与大脑功能有关，有助于治疗肠易激综合征，降低血液中的低密度脂蛋白水平，预防女性的阴道和尿道感染（酵母/细菌），预防胰腺炎和改善胰腺健康，促进呼吸道健康，抑制肿瘤发生，调节免疫反应，促进代谢稳态。
此外，益生菌有助于治疗代谢紊乱，如糖尿病、非酒精性脂肪肝和心血管疾病、癌症、口腔念珠菌感染和牙周炎。
因此需要知道自己缺乏哪些益生菌，以及整齐肠道菌群状况来选择合适的菌株和益生菌属是不同应用的关键。
益生菌的生物学作用可以基于它们的代谢过程进行解释，描述益生菌在人体中的重要性，即益生菌的生理作用。此类影响分为以下几类：
调制
益生菌通过直接或间接影响抑制或激活信号通路调节的信号通路，参与代谢调节。益生菌粘附于肠粘膜进行定植的能力及其与先天免疫反应的相互作用可以调节肠上皮细胞的屏障功能，从而为宿主带来健康益处。这些调节机制有助于对抗病原体，从而提高免疫力（免疫调节），增加抗氧化能力，改善肠道转运，增强神经反射（神经调节），调节血管内皮功能和血压，降低胆固醇水平，保持健康细胞和受损细胞的动态平衡。
合成
益生菌活性的关键方面是合成活性代谢物。如：通过多种机制合成短链脂肪酸（乙酸、丁酸、丙酸），维生素（枯草芽孢杆菌合成B2、K2，B.megaterium 合成B12），菌株特有机制产生的信号分子（唾液乳杆菌LDR0723, BNL1059, RGS1746和CRL1528菌株相关的细胞因子）。
吸收
益生菌可以提高微量营养素的生物利用度及其代谢。铁以Fe2+形式吸收显著；然而，在肠粘膜中，铁与脱铁蛋白结合，脱铁蛋白将Fe2+转化为Fe3+（铁蛋白）。肠道微生物群中的益生菌有助于将Fe3+还原为Fe2+，促进十二指肠对铁的吸收。
摄入乳酸菌可通过胞外酶提高铁的吸收率和相对铁的生物利用度。益生菌在增强钙吸收以及通过结肠发酵改善钙吸收方面起着重要作用。益生菌参与维生素D的合成和吸收。这些例子解释了益生菌在提高人体维生素和矿物质的生物利用度方面的作用。
预防
益生菌的预防机制有助于预防疾病，降低感染、1型过敏、病毒感染和癌症的风险。此外，还有益生菌预防在细菌性阴道病治疗中的作用。重要的是，一些介入性临床试验正在进行，以了解益生菌预防的有效性。一些正在进行的临床试验是益生菌预防微生物组调节和预防严重感染。
益生菌科学涵盖了从微生物学到食品加工的各个方面，并且已在营养保健品和功能食品，牙科保健疗法，皮肤护理，肿瘤学，肠胃病学，免疫学和神经内分泌学等各个领域得到了应用。
通常，益生菌是口服给药的，并且可以以功能性食品，膳食补充剂和药物（药用益生菌）的形式在市场上买到。但人们更喜欢食物而不是补充剂/药物。
粮农组织/世卫组织2002年报告指出，食品中益生菌的生存能力必须足以赋予健康。另外，据报道，益生菌食品应至少含有106CFU / g的活的微生物的生存力。然而，益生菌的稳定性是口服摄入靶向结肠时最需要考虑的问题。有必要在胃肠道（GI）转运过程中维持其生存能力，以提高其功效。
此外，益生菌需要在加工，储存和消化过程中防止各种压力因素的影响。益生菌的不同菌株显示出其能力的变化，例如功能特性，稳定性和功效。益生菌的稳定性可以通过各种策略来改善，例如通过预处理，诱变，选择性压力处理以及通过组学技术进行基因改造等来适应环境和选择。
然而，一些这些方法中的可能改变的益生菌的潜力，并且还遗传修饰的菌株不能很好转化到食品应用。事实证明，封装是保护益生菌以确保其稳定性而不改变天然菌株特性的最佳方法。
益生菌的包封提供了保护作用，这些包封材料通过增强抗逆性来稳定益生菌在加工，储存和作用部位时的稳定性。因此，封装过程也赋予了靶向递送。配方是针对目标给药系统的关键考虑因素之一，可以通过适当设计工艺来开发。
有许多方法可将益生菌输送到结肠的降结肠。例如聚合物/脂质涂覆的，pH控制的，磁性/酶触发的和基于配体受体的递送系统。牛奶，酸奶，奶酪，冰淇淋，蜂蜜，巧克力和发酵食品（大米/水果/蔬菜）是益生菌的天然递送系统。
此外，益生元是支持益生菌递送至结肠（如包封剂），并在所有情况下，不易消化的食物成分，滋养微生物的益生菌。天然的益生元包括生香蕉，洋葱，大蒜，甘蔗，朝鲜蓟，和菊苣和雪莲果[根部]，并且是市售的如抗性淀粉，菊粉，乳果糖，乳糖醇，乳果糖，低聚果糖（FOS），低聚木糖，低聚半乳糖。
通常，微生物的生存能力高度取决于多种因素，如基质，贮存温度，湿度，pH值，和氧水平。包封基质提高了益生菌的抗逆性。因此，当两种益生菌以基质形式组合时，协同合生作用方法可确保共同施用的益生菌的稳定性。同样，这有助于在整个保质期内保持益生菌的潜力。
通过口服途径摄入的益生菌在消化道中会遇到多种压力环境。例如，人类消化系统的pH值是可变的。大约，口腔的pH值为6–7，胃的pH值较低，为1–3，小肠和大肠的pH值在6到7之间。由于胃的低pH条件和小肠的高胆盐含量，维持到达大肠（结肠作用靶点）的益生菌的活性是一个挑战。
因此，在任何功能性益生菌食品的开发过程中，益生菌的适当保护是至关重要的。除人体条件外，其他因素，如：加工温度、封装/基质材料的pH值、产品中的氧气水平、其他竞争细菌的存在以及代谢物的毒性等，都会影响益生菌的生存能力。在这种情况下，在储存期间，产品的温度和水分含量是需要考虑的主要因素。此外，干燥的益生菌的再水化和溶解度行为与它们的生存和复苏有关。
已经开发了各种技术来提高益生菌对外界胁迫的耐受性，从而通过食物基质修饰和采用过程工程方法来增强肠道微生物群的定植。在这方面，食品基质的选择和配方是技术性能和益生菌稳定性的关键考虑因素。
将益生菌封装为粉末制剂可以保护这些活的微生物，提高其稳定性，并在靶向给药方面提供益处。
重要的是，在优化益生菌封装方法的过程中，必须在封装过程前后建立微生物稳定性、功能性、安全性、有效性和靶向能力。
Yohaet al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021
上图解释了根据FAO/WHO指南评估食品用益生菌所涉及的各种筛选部分。为了保持益生菌的特性，封装方法应该考虑以下几个方面。
益生菌的稳定性
提高胶囊化益生菌活力保留率的保证
益生菌的功能性
功能性方面，如抗胃酸、胆盐和消化酶、对潜在病原体的抗菌活性、粘液粘附性、聚集性和其他潜在特性应在封装后保留
安全性和有效性
益生菌菌株应安全、无污染、无毒、包封后保留治疗效果
靶向能力
提高对环境压力的耐受性和靶向结肠的能力，以增强肠道微生物群和有益健康的影响
已经探索了各种技术来封装益生菌（下图）。尽管所有这些方法的重点是保护益生菌的生存能力/稳定性，但每种技术的概念都是独特的，并对产品质量有直接影响。
Yohaet al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021
加工条件被认为是主要因素，是负责保留质量和活力的胶囊益生菌。此外，不同的壁材料已被探索作为保护/涂层剂用于封装益生菌。
它们来源于膳食纤维、多糖、蛋白质和合成聚合物。
通常，选择取决于它们的功能性、成膜能力、稳定性、溶解性、消化率和释放特性。为了获得所需的性能，还可以使用壁材的组合或乳化剂/填充剂的添加。
然而，大多数已建立的益生菌封装方法只考虑了益生菌的生存能力，而没有考虑益生菌的功能或特性。在益生菌的封装/干燥过程中，细胞的表面性质及其功能性会受到影响。这可能会影响益生菌的特性，如聚集（自聚集和共聚集）特性、肠粘液粘附能力、拮抗活性和胆盐水解酶活性。
因此，未来的研究除了探讨微囊化益生菌的生存能力外，还需要探索微囊化益生菌的功能特性，从而更好地关注微囊化益生菌的健康益处。
未封装的益生菌（游离细胞）在高温、高操作压力、剪切应力和低胃pH下失去活力，进而导致益生菌细胞计数和性能的耗尽。
封装过程可以通过将益生菌包埋在保护壁材料/基质中来保护益生菌。益生元材料，如FOS、菊糖和填充材料，如麦芽糊精（MD）、乳清蛋白（WP）、乳清分离蛋白（WPI）、乳清浓缩蛋白（WPC）、海藻酸钠、明胶，并在改善益生菌在不同外部环境中的稳定性方面发挥了重要作用。
下图详述了据报道用于封装益生菌的不同壁材料。
Yohaet al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021
在通过胃肠道的不利和波动条件的运输过程中，包埋可以为益生菌提供显著的保护。
例如微胶囊化对益生菌的贮藏稳定性和贮藏后性能有显著的影响。且胶囊化益生菌的后酸化过程比非胶囊化益生菌慢。
一项关于抗生素与胶囊型益生菌（抗生素敏感型益生菌）合用效果的研究显示，胶囊型益生菌对抗生素耐药病原体的治疗效果有所提高。此外，抗生素治疗可以杀死目标病原体以外的有益细菌；因此，为了滋养肠道微生物，益生菌的补充是必要的。
封装的益生菌有一个由海藻酸钠或其他合适的生物相容性材料组成的保护壳，可以抵御抗生素。生物相容性脂质涂层提供肠道微生物的生物界面超分子自组装，用于增强口服给药和治疗。
研究人员和工业界已经探索了不同的封装方法来封装感兴趣的不同成分。作为公认的优点，胶囊益生菌可以提供更好的范围，有针对性的 “交付”。本节解释了每种技术的概念以及最近在益生菌的封装效率、生存能力和稳定性方面的应用。
下表总结了不同的封装技术。
传统方法
新型方法
Yohaet al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021
益生菌的封装可以保护细胞直至到达结肠的生存能力，从而提高了到达肠道远端（胃肠道下部）后益生菌功能的有效性。益生菌递送的确认可以首先通过体外研究使用模拟的静态体外消化或动态体外消化系统（模拟器）来完成。这些可以为目标交付提供概念证明。此外，需要对益生菌的体内研究来获得对这种益生菌的现实看法以及对健康影响，功效和安全性进行深入研究的需要。
静态体外消化研究
可以在控制温度，pH和连续摇动条件下，使用模拟消化液（例如模拟唾液（SSF），模拟胃液（SGF）和模拟肠液（SIF））进行体外消化研究。尽管如此，这些还是很少地模仿消化过程（下图）。
Yohaet al., Probiotics & Antimicro. Prot. 2021
de Almeida Paula等人评估了在模拟的GI条件下植物乳杆菌的双过程微囊化对益生菌存活的效率。报告说，与游离细胞（25％）相比，微囊化植物乳杆菌中的细胞活力更高（80.4 ％）。
动态体外消化研究
静态模型只能代表胃肠道中的生化过程，但不能提供动态环境，例如对胃的恒定物理力（轴向和剪切力），胃排空，用于肠蠕动的非自愿肌肉的同步收缩，反馈机制，以及餐食和常驻微生物区系的影响。为了解决这些挑战，已经开发了动态体外消化模型。
——Mainville模型（IViDiS）
人类上消化道的动力学模型模拟了上消化道运输的事件。该模型由胃（胃）和十二指肠反应器组成，可用于验证从人，动物和发酵乳制品中分离出的益生菌的存活率。该模型考虑了进餐时胃中存在pH值以及小肠中的胆汁盐的pH值变化。特别是，它证明了膳食以及包封基质对益生菌生存力的影响。
——SHIME®
模拟人肠道微生物生态系统（SHIME®）是计算机控制的模拟人胃肠道模型。该模型由五个反应器组成，这些反应器模拟从胃到大肠的降结肠。胃反应器通过胃蛋白酶消化模拟酸性环境，小肠反应器为消化过程提供胆汁条件，大肠的三个反应器模拟结肠的不同区域（上升，横向和下降），有助于研究结肠的差异。微生物过程。
研究使用SHIME®评估了藻酸盐-壳聚糖微囊化嗜酸乳杆菌的靶向递送，确认了益生菌在目标部位的成功递送。
——SIMGI®
胃肠道模拟器（SIMGI®）是一种多隔室的GI模型，旨在模拟胃，小肠和大肠（具有上升，横向和下降结肠隔室）的消化过程。SIMGI®系统可以处理结肠菌群的增殖。
一项研究补充植物乳杆菌CLC17对多酚代谢的影响。他们将SIMGI®模型用于模拟的GI消化，并通过qPCR（定量聚合酶链反应）和16S rRNA基因序列分析对微生物群组成进行了定量。结果推断该菌株可以成功地在结肠区域的区室中递送。
另一项使用SIMGI®模型研究了纳米银颗粒对人体肠道菌群的影响，并报道纳米颗粒不影响人体肠道菌群的代谢活性。
——ARCOL
人工结肠（ARCOL）是模拟结肠（大肠）消化的单室模型。它可以与任何其他动态上层GI系统一起使用。肠道菌群的组成及其活性可以使用ARCOL模型进行研究。此外，该模型中存在的透析纤维模仿了微生物代谢产物的被动吸收。
——TIM
TNO胃肠模型（TNO）系统具有TIM-1（由胃，十二指肠，空肠和回肠组成）和TIM-2（大肠）两种模型。Marteau等首先研究了使用TIM-1的乳酸菌的存活率，并报道了它可用于验证胃肠道转运过程中益生菌的生存能力。
Cordonnier等使用TIM -1和ARCOL动态仿真器研究酿酒酵母的存活动力学以及CNCM I-3856及其对肠道菌群的影响。结果表明，益生菌菌株在上消化道中具有较高的存活率，而该菌株对结肠条件更敏感。
Venema等使用TNO GI模型（TIM-1系统）研究了多层包被的益生菌菌株（加氏乳杆菌PA 16/8，长双歧杆菌SP 07/3和双歧双歧杆菌MF 20/5）的存活率-胃和小肠的体外模型。他们报告说，胃存活率双歧杆菌和乳杆菌分别以72％和53％的比例被递送到小肠。因此，与未包衣的益生菌菌株相比，益生菌菌株的肠溶衣提供的活细胞递送增加了20–40倍。
——GITS
胃肠道模拟器（GITS）是模拟人类胃肠道状况的单个生物反应器。
Sumeri等使用GITS研究了不同的益生菌（嗜酸乳杆菌La-5，约翰逊乳杆菌NCC533，干酪乳杆菌Shirota和鼠李糖乳杆菌GG）的存活率，并报道了嗜酸乳杆菌La-5和约翰逊乳杆菌NCC533对胆汁盐表现出更高的抗性，而干酪乳杆菌菌株Shirota和鼠李糖乳杆菌GG的生存能力降低。
——GIDS
胃肠道消化模拟器（GIDS）-一种半动态体外胃肠道模型，其模拟“禁食模式”，即空腹消化-添加样品前不含消化液。唾液在喂入胃反应器之前被人工添加到外面，以模拟口腔消化。
Adouard等人专门为益生菌开发了这个模型，并建立了它来评估整个人类胃肠道的益生菌生存能力。GIDS系统为识别到达结肠的目标菌株提供了有效的见解。
定制动态体外消化系统
Moumita等人使用定制的体外GI模型研究了胶囊化乳酸菌的GI耐受性。对游离型和包封型乳酸菌进行了消化，观察到包封型乳酸菌在消化过程中的变化。
嗜酸菌NCIM-2660与游离菌相比表现出更高的抗性。除了封装外，抗应力/耐应力条件与应变有关。设计体外胃肠道模型，观察益生菌菌株在10.25小时（包括2小时胃、0.25小时十二指肠、3小时空肠、4小时回肠和1小时盲肠5个隔室）的释放和活力，并观察益生菌菌株的释放。在SGIF（模拟胃肠液）中，在pH值（6.0–6.5）范围内释放益生菌菌株，因此，在小肠的空肠腔中发现了活性益生菌。
其他动态体外消化系统
Parthasarathi等人开发了一种工程化的小肠系统，以研究肠吸收和灌注过程以及粘膜层的干扰。它由一个与蠕动泵、pH计、供体、受体和缓冲循环室相连的灌注室组成。小动物（大鼠/鸡）的小肠可与该模型相吻合，该模型模拟了精确的体内模型。
Parthasarathi等人在这种工程化小肠系统中使用大鼠小肠来研究生物活性化合物的肠道通透性，并报告所开发的系统非常适合肠道通透性的被动扩散。
利用这种方法研究了纳米胶囊化玉米醇溶蛋白-白藜芦醇的生物利用度，改进后的方法可以推广到益生菌。
其他一些系统，如M.I.D.A.（婴儿消化器官模型）、动态胃模型（DGM）、人类胃模拟器（HGS）、DIDGI® 系统和工程化胃和小肠（ESIN）已被用于评估食物的消化率、溶解特性、营养素的吸收和生物可利用性，包括药物应用。
在BALB/c小鼠中评估了逐层包裹的凝结芽孢杆菌的靶向递送，并报告了逐层涂层可提高益生菌的存活率。此外，他们还利用猪小肠进行了粘液粘附和肠道定植研究，并通过使用活体成像系统（IVIS）软件进行生物发光成像，观察到益生菌在短时间内与肠组织良好粘附。
Coelho Rocha等人通过口服给药研究了C57BL/6小鼠体内微囊化和非微囊化乳酸菌的存活情况，并通过共聚焦显微镜和qRT PCR（定量逆转录-聚合酶链反应）分析了小鼠的肠道切片。结果确保在肠的不同部分存在活的乳酸菌。研究人员观察到，包封乳酸菌和非包封乳酸菌在十二指肠和空肠切片中均有较高的相对表达，而回肠和结肠切片中仅在包封乳酸菌中观察到相对表达。
上述体内研究实例可证实益生菌在作用靶点的递送；尽管如此，还需要证据证明它们的健康主张/功效/健康用途路径。
包囊技术的范围提供了货架稳定的益生菌。然而，监管问题存储期间与在环境条件下益生菌的贮存稳定性产生。市场上的大多数益生菌产品都需要冷藏。但事实上，即使是胶囊形式，也应至少在打开包装后进行冷藏以保持益生菌的效力，因为大气中的潮湿条件会导致代谢发酵或降解。
尤其是在益生菌果汁中，由于高有机酸含量需要冷藏，因此酸性胁迫是一个挑战。
通过选择特定的弹性基因型益生菌（如形成孢子的益生菌）可以克服这一挑战。包封方法与益生菌的选择性菌株一起，即使在非冷藏条件下也将提高货架期。
在应用的基础上，益生菌在各种疾病的治疗中起着至关重要的作用，如本文前面的部分所述。有趣的是，益生菌在病毒感染中的作用-“抗病毒益生菌”是医学界的一个新概念。最近许多研究都集中在使用益生菌的急性呼吸道感染的治疗，考虑到涉及通过肠道-肺轴肠肺串扰科学。
益生菌的免疫调节和预防机制可用于治疗/预防病毒感染。众所周知，肠道益生菌介导的免疫调节通过细胞因子的分泌来上调呼吸道粘膜免疫，从而预防呼吸道病毒感染。
有几个关于益生菌防治呼吸道感染的干预临床试验报道（NCT01782755，NCT03449459，NCT03636191和NCT03683927）。
最近，国家卫生委员会建议益生菌用于COVID-19感染的患者，以维持肠道菌群的平衡并预防继发性细菌感染。此外，已经在我国临床试验注册中心（ChiCTR2000029974）下注册了临床试验，以评估丁酸梭状芽孢杆菌胶囊和凝结芽孢杆菌的有效性和安全性片治疗新型冠状病毒性肺炎患者并研究其作用机制。对益生菌及其新发现的认识不断提高，可能为改善人类健康的解决方案铺平道路，并且封装作用仍然至关重要。
这篇文章阐述了益生菌在人类健康中的作用以及为实现所需益处而对益生菌进行封装的必要性。
通过提供对人类口腔胃肠道的复杂途径和一系列应激环境的理解，来解释对封装的需求。益生菌的封装已被证明具有保护益生菌和促进其靶标递送的潜力。
益生菌的包封，靶向递送以及菌群检测方法以及包封对益生菌的作用等面临的挑战，是益生菌从研究进入商业化所必须解决的。
相关阅读：
参考文献
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谷禾健康
克罗恩病(CD)是一种慢性消化系统疾病，会引起消化道炎症和损害。
该疾病属于称为炎症性肠病（IBD）的一组病症，是一种慢性、免疫介导的肠道炎症疾病，其特征是反复发作的肠道炎症和不可逆的消化道损伤累积。
据Meta分析估计 ，中国克罗恩患病率为每10万人2.29例，发病率为每10万人0.848例，在美国约有780,000人患有克罗恩氏病近年来呈快速上升趋势。目前，在临床上，克罗恩病无法治愈，需要创新的治疗方法和药物控制疾病的进展，减少并发症，提高患者生活质量。
克罗恩氏病无法治愈，但有许多治疗方法可帮助治疗其症状，包括症状缓解和黏膜愈合。但是，很多患者对当前可用的治疗方案效果欠佳。克罗恩病的治疗仍存在巨大的未满足需求。
克罗恩病有几种不同类型，按受影响的消化道面积分类。
结肠结肠炎是克罗恩病最常见的形式，它影响小肠（回肠）和大肠（结肠）的末端。
回肠炎这种克罗恩病仅影响回肠。
克罗恩氏结肠炎又称肉芽肿性结肠炎，这种疾病仅影响结肠。
胃十二指肠克罗恩氏病这种形式的疾病会影响胃部和小肠的始端（十二指肠）。
空肠回肠炎这种克罗恩氏病涉及小肠（空肠）上半部分的炎症。
没有两个人会以完全相同的方式经历克罗恩病。
不同人的症状将取决于肠的哪些部位受到影响，疾病的进展程度以及治疗的效果如何。
大多数患有克罗恩氏病的人在小肠和大肠（结肠）都会发炎，这通常会引起腹泻，腹痛或绞痛。
其他常见的消化系统症状包括直肠出血，恶心或食欲不振，急需排便和便秘。
克罗恩氏病还可能导致体重减轻，疲劳和消化系统以外的症状，例如关节痛，眼睛发红或发痒，以及皮肤发红或起伏不定。
定义克罗恩病的持续炎症和肠壁损伤可导致许多并发症。这些并发症大多数会影响消化系统，但有些可能发生在身体的其他部位。
一种常见的消化系统并发症是肠梗阻，当炎症导致疤痕组织积聚并缩小肠道区域时，会发生肠梗阻。
其他消化系统并发症可能包括肛门撕裂，感染袋，营养不良，甚至结肠癌。
患有克罗恩病的人罹患某些轻度肝病的风险较高，包括脂肪肝疾病，肝炎和原发性硬化性胆管炎（PSC），这种疾病的特征是肝脏的胆管系统发炎。
不太常见的克罗恩氏病会引起身体其他部位的并发症，例如口腔，关节，皮肤和眼睛问题。它也可能在怀孕期间引起问题。
克罗恩氏病是肠易激症的一种形式，这是一个总括性术语，用于描述涉及消化道慢性炎症的疾病。IBD的另一种主要类型是溃疡性结肠炎，其特征在于慢性炎症和结肠和直肠内壁的溃疡。
同样重要的是不要将克罗恩氏病或溃疡性结肠炎等肠易激病与肠易激综合症（IBS）混淆。这两种情况听起来相似，甚至有一些相同的症状，但有很大的不同。
截止目前，克罗恩病的发病机制仍然不明。目前主流的观点认为，肠道上皮细胞，IgA以及肠道菌群为代表的 三大因素是导致克罗恩病发病的主要因素之一。例如中国科学院微生物研究所张福萍课题组发现，致病菌感染对该小鼠的影响要比野生型明显，其炎症性肠病（包括克罗恩病）的表现更加强烈，说明这一敏感基因的突变导致宿主中肠道菌群的平衡被破坏，肠道内环境的稳态发生改变。
诊断克罗恩氏病的第一步是完整的病史，体格检查以及一系列测试以诊断克罗恩氏病并排除可能引起类似症状的其他疾病。这些包括肠易激综合症（IBS），乳糖不耐症和溃疡性结肠炎。
在体格检查期间，医生还可能会检查您的腹部是否有腹胀，肿胀以及疼痛或触痛的斑点。
诊断克罗恩氏病通常需要进行其他检查，其中包括：血液检查，粪便检查，结肠镜检查，上消化道（胃肠道）内窥镜检查，无线胶囊内窥镜检查以及X射线和CT（计算机断层扫描）扫描等影像学检查。
粘膜愈合是治疗克罗恩病的主要目标，但有些病人无法进行整个小肠的内窥镜评估。目前越来越多的科学研究表明克罗恩病与肠道菌群密切相关，且肠道菌群或可用于预测克罗恩病患者的小肠粘膜愈合。
接下来我们分享一下谷禾肠健康道菌群检测在克罗恩病患者预测和治疗用药康复评估方面的案例：
男，46岁 ， 2020年确诊为克罗恩病
2003年怀疑克罗恩，未确诊，经治疗后得到改善，后持续肠镜检查未显示溃疡平时感觉良好，吃多了肚子容易不舒服。2020年因肠道出血住院，肠镜检查发现回盲瓣溃疡，病理检查确诊为克罗恩病，阿达木单抗治疗。治疗前后分别留取粪便进行肠道菌群检查。检测结果如下所示。
治疗前肠道菌群检测评估
治疗前肠道菌群健康总体状况：
总体健康评分：23分（总分100分），其中菌群，慢病和营养状况份值菌比较低
治疗前肠道菌群结果显示肠道菌群II度失调，菌种数量少，只检测124种，远低于这个年龄段人群的菌种数量（造成菌种数量少原因可能是饮食单一，用药或者长期的疾病状态），有益菌不足，有害菌过多，致病潜力高。此外多个菌群评估指标均显示欠佳。
多项病原菌超标，如：
大肠埃希氏菌Escherichia coli、血链球菌Streptococcus sanguinis和痢疾志贺氏菌Shigella dysenteriae超标。
接下来，我们逐一来看这些超标菌的作用。
1. 大肠埃希氏菌
革兰氏阴性菌，于 1885 年首次被发现。
大肠杆菌是条件致病菌，在一定条件下可以引起多种疾病，如腹泻，肠炎，尿路感染，呼吸道感染、菌血症和其他临床感染（如新生儿脑膜炎）。
致病机制
克罗恩病中，粘附侵袭性大肠杆菌对宿主细胞的侵袭作用（下图）。回肠粘膜的异常定植是由粘附侵袭性大肠杆菌与肠上皮细胞相互作用引起的。
Mirsepasi-Lauridsen HC,et al., Clin Microbiol Rev.2019
溃疡性结肠炎中，弥散粘附性大肠杆菌感染（下图）。弥散粘附性大肠杆菌通过细菌识别衰变/加速因子（DAF），癌胚抗原相关细胞黏附分子CEACAM1或CEACAM6（通过Afa / Dr CEA粘附素）来启动其与完全分化的上皮细胞的相互作用。
Mirsepasi-Lauridsen HC, et al., Clin Microbiol Rev. 2019
2. 血链球菌
属革兰氏阳性，无孢子形成的兼性厌氧菌。像其他链球菌一样，血红链球菌的细胞分裂沿单个轴发生，从而形成链球或成对链球菌。血红链球菌是一种共生细菌，广泛分布在口腔中，主要是牙齿表面，口腔粘膜的表面和人唾液。
致病机制
血链球菌最初的附着是由它的毛和粘附素促成的，葡聚糖和eDNA的产生促进血链球菌生物膜的成熟。流行病学研究表明，血链球菌可能抑制龋齿的产生。体外研究表明血链球菌和变形链球菌之间存在竞争，变形链球菌是最常见的致龋物种。
Zhu B,et al., Future Microbiol. 2018
16S rRNA测序结果表明，血链球菌可能与牙周健康有关。与患病的龈下微生物组相比，健康人的血链球菌的丰度显著增加。
然而，体外研究表明，血链球菌也可能促进后续与牙周炎相关的病原体附着。血链球菌与牙周炎相关病原体的相互作用。
这里提示我们“病从口入，牙好身体好”，并不是空话，多数的慢病患者均有口腔或牙周病问题。
3.痢疾志贺氏菌
革兰氏阴性细菌，兼性厌氧，不运动。
痢疾志贺氏菌产生志贺毒素，引起细菌性痢疾或志贺氏痢疾。接触细菌后1至2天开始出现症状。志贺菌病的症状包括：
腹泻（有时带血），发热，肚子痛，粪便稀少，含有粘液，脓液和血液。即使排空也感觉需要排便。与患者描述的症状接近。
炎症性肠炎以及肠道病毒感染在内的多项疾病风险评估显示中高风险，炎症性肠炎分值为0.83
治疗方式
阿达木单抗治疗，同时结合肠道菌群检测结果补充益生菌，调整饮食结构和生活习惯。
|修美乐（阿达木单抗注射液）是目前中国首个可以用于治疗克罗恩病的全人源抗肿瘤坏死因子（TNFi）单克隆抗体。
治疗6个月后肠道菌群检测评估
健康总体评估和肠道年龄：
治疗后肠道菌群总体情况：
治疗后病原菌检测：
治疗6个月后患者无再次出血情况，感觉良好，肠道菌群结果显示肠道菌群基本恢复平衡，有益菌虽仍偏少，但较治疗前增加，有害菌数量较治疗前减少，原来超标的病原降低或者消失。
包括炎症性肠炎在内的多项疾病风险较之前显著下降，炎症性肠炎分值仅为0.38。
其中炎症相关指标显示（治疗后）：炎症指标，白介素6，钙卫蛋白和高敏C反应蛋白均恢复正常。
炎症相关指标前后对比
治疗前：
治疗后：
可以看到明显改善。
我们再看，这些炎症指标发挥什么作用。
白介素6
白介素6 ( IL-6) 是细胞因子网络中的重要成员，是一种功能广泛的多效性细胞因子，炎症反应发生后，IL-6率先生成，产生后诱导产生CRP和降钙素原（PCT）生成。如在发生感染、内外伤、外科手术、应激反应、脑死亡、肿瘤产生以及其他情况的急性炎症反应过程中会快速产生。IL-6参与许多疾病的发生和发展，其血液水平与炎症、病毒感染、自身免疫疾病密切相关，它的变化比高敏C反应蛋白更早。
IL-6分泌或基因表达异常往往可导致一系列疾病的发生，在病理状态下IL-6可大量分泌进入血液循环，检测IL-6对于了解病情、判断预后都有非常重要的意义。
钙卫蛋白
钙卫蛋白是钙卫蛋白是一种来自于中性粒细胞分泌的钙和锌结合蛋白，广泛分布于人体细胞、组织和体液中。
钙卫蛋白是一个相当稳定的蛋白，随着钙的出现而出现，在粪便中不易被酶降解，从而使其可能成为一个方便的肠道炎症监测指标。
目前越来越多的临床和研究认可将钙卫蛋白则体现了黏膜的病变程度，肯定其在炎症性肠病的治疗中具有重要的指导作用。
此外，粪钙卫蛋白目前已经越来越多地用于预测IBD维持治疗期间的疾病复发。内镜检查可以提供客观的黏膜炎症改善结果，但内镜是一种侵入性检查，频繁进行患者难以耐受。粪钙卫蛋白是一种可以准确反映肠道黏膜炎症病变的非侵入性生标志物。
但是注意对于腹泻患者而言，粪便钙卫蛋白正常不能排除药物性腹泻（例如，二甲双胍，质子泵抑制剂引起的腹泻）、胆盐吸收不良或其它腹腔疾病。轻微的结肠炎也可能使钙卫蛋白的检测值升高。
高敏C反应蛋白
阿达木单抗克罗恩病的获批是基于两项关键性临床研究的结果，其中包括一项2期、随机、双盲、多中心研究，评价两组阿达木单抗剂量方案在高敏C反应蛋白升高的中重度活动性克罗恩病中国受试者中的药代动力学、安全性和有效性。
有效性结果证实：与阿达木单抗80/40 mg治疗方案相比，存在中度至重度活动性克罗恩病和hs-CRP水平升高的中国受试者采用阿达木单抗160/80 mg治疗方案治疗后可更快获得临床缓解和临床应答，而且客观疾病指标（hs-CRP和粪便钙卫蛋白）的改善更快。
1. 克罗恩病的早期征兆是什么？
虽然没有两个人会以相同的方式经历克罗恩氏病，但大多数人会出现腹泻和腹痛或绞痛。其他常见症状包括直肠出血，恶心，食欲不振，急需使用洗手间和便秘。
体重减轻，疲劳，关节痛，眼睛发红或发痒以及皮肤发红或起伏也可能发生。
2. 哪些饮食变化帮助控制克罗恩病？
没有克罗恩氏病的单一饮食。但是，您可能要避免的常见诱因包括全谷类，坚果和种子，未加工的水果和蔬菜，辛辣食物，高脂或油腻食物以及含咖啡因和酒精的饮料。
在爆发期间，当症状最严重时，坚持温和，流食类的食物可能会有所帮助。
3. 如果不治疗，会发生什么？
克罗恩病伴发的持续炎症会导致许多并发症。一个常见的消化问题是肠道阻塞，当炎症导致疤痕组织积聚并缩小肠道区域时，就会发生肠道阻塞。其他并发症包括肛门撕裂，感染袋，营养不良和结肠癌。
Tips
不同克罗恩病患者之间的疾病表现和肠道微生物组均不同，治疗结果差异可能也很大，但是本案例让我们看到了菌群监测对于克罗恩病的辅助判别和治疗疗效潜在的应用价值。
肠道菌群真正应用于临床并造福病人需要扎实的临床数据和更多的临床积累。我们会积极探索和与更多临床科室合作，将谷禾多年的菌群检测与临床需求相结合，科学和精准的推进肠道微生态临床应用。
相关阅读：
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谷禾健康
虽然每个人都会老去，但是衰老的速度却不一定相同。生理年龄是每个人的遗传，环境和生活方式的影响。
人的一生，从出生到成年到老年，微生物组在免疫系统成熟，功能和调节中起着基本作用。免疫系统和微生物组形成一种互惠关系。
随着年龄的增长，免疫系统和肠道微生物组的组成和功能都会发生重大变化，这与对传染病的易感性增加有关。
导读
01）免疫衰老的一般标志
02）衰老和肠道微生物组
03）微生物老化的衡量指标
04）微生物老化加快免疫衰老和虚弱
05）肠道微生物组对疫苗反应的影响
06）对抗与年龄相关宿主免疫力下降的营养策略
07）恢复肠道微生物稳态、减少炎症和免疫衰老
08）健康长寿的普适方式
免疫衰老
“免疫衰老”是指在老年人中观察到的功能障碍，免疫反应有缺陷或异常。
与年龄相关的免疫反应的质量和数量的变化导致触发有效抗体和细胞反应抵御感染和疫苗的能力逐渐下降。
衰老的T淋巴细胞生物学研究十分突出，但所有造血源性细胞都显示出衰老的特征，包括功能失调的抗体产生B细胞、抗原呈递细胞、自然杀伤细胞和中性粒细胞。最早的造血祖细胞中也报告了表观遗传学改变，这可能解释了观察到的年龄相关的髓样细胞偏斜。
主要淋巴器官的老化（骨髓和胸腺磨损）、慢性抗原过载（如CMV）、肠道失调或炎症是免疫衰老的驱动因素，这些因素与遗传缺陷、细胞应激和/或细胞衰竭的累积一起，会导致免疫适应度随着年龄的增长而下降。
炎症
炎症是一种高度控制的生理过程，对对抗病原体、清除碎屑和愈合损伤至关重要。
随着年龄的增长，由于基因、环境和生活方式因素的复杂和不断变化的相互作用，促炎和抗炎之间的动态平衡下降。
慢性炎症状态是发病和死亡的一个重要危险因素。包括慢性感染、缺乏运动、内脏肥胖、饮食、心理压力、睡眠不足或肠道失调等多种因素都会引发和维持炎症。
长期暴露于应激源会加速细胞衰老和先天免疫失调，这是炎症的一个主要特征，反映在局部和全身炎症介质与白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子TNF-α 水平持续升高，IL-1β，C-反应蛋白（CRP）在老年人中普遍存在。
尽管先天性单核-巨噬细胞网络的失调可能是炎症的中心，但新的证据表明衰老细胞（包括T细胞和B细胞）通过其衰老相关的分泌表型参与慢性低度炎症的关键作用。
而慢性表达或暴露于炎症刺激可能使预先激活的免疫细胞对进一步的刺激难以耐受，从而导致观察到的老年人感染性疾病的频率和严重程度增加。
因此，先前存在的炎症已被证明是疫苗反应性的一个重要决定因素。
此外，炎症可能通过助长年龄相关疾病（包括代谢综合征、心血管疾病、肌细胞减少症、癌症和神经退行性疾病）而产生多种健康后果，因为大多数（如果不是所有）年龄相关疾病都具有炎症特征。
尽管衰老、炎症和慢性病之间存在着共同性，但生物医学研究继续巨额花费来单独解决这些疾病状态。这就提出了一个具有挑战性的问题，即：
针对慢性低度炎症或引起炎症的机制是否可能减缓衰老及其相关疾病？
虽然临床前研究表明炎症是导致年龄相关疾病和免疫反应性降低的一个因素，但证实这一假设的人类数据在很大程度上是缺失的。
而最近一项CANTOS的研究(Canakinumab Anti-inflammatory Thrombosis Outcomes Study)为老年人带来了巨大的希望。
对10000多名既往有心肌梗死史的稳定患者进行卡那单抗（Canakinumab，一种针对白细胞介素-1β的人单克隆抗体）治疗，可显著降低参与者的全身低度炎症。
重要的是，治疗方案可以预防复发性血管事件和肺癌的发生。虽然这些研究唤起了人们对有效抗衰老疗法的希望，但通过靶向阻断关键炎症介质来减少全身炎症需要在对传染病的易感性方面谨慎平衡。
这些免疫指标包括基于炎症年龄评分的iAGE、依赖于免疫球蛋白糖基化的聚糖生长或南丁格尔健康指数，其中糖蛋白乙酰化的全身炎症预测呼吸道感染、心血管疾病和全因死亡率的长期风险。
随着老龄化社会的健康管理成为一个日益增长的经济负担，这种免疫指标代表了有希望的工具，以确定风险个人的早期药物或营养干预。
为了应对不断变化的环境，肠道微生物通过菌种组成和代谢功能的变化动态响应。这个过程受到宿主免疫系统的严格调控，想象宿主免疫系统是一位建筑师，通过允许共生细菌生长和占据粘膜生态位，同时选择性地消除或中和有害微生物，从而塑造肠道微生物群。
随着年龄的增长，免疫适应度逐渐下降，宿主与微生物动态信号交换的监测受到损害，从而对宿主健康和免疫造成广泛的功能后果（图1）。
图1 模型：微生物老化及其对宿主免疫的相关影响
Nabil Bosco & Mario Noti,Genes & Immunity, 2021
(1) 年龄相关的肠道微生物群落变化和相关的肠道组织功能下降可能加剧炎症
(2) 由全身低度炎症引起的慢性免疫刺激、代谢组和微生物刺激的变化导致免疫衰老
(3) 免疫功能受损(如胸腺退化、造血功能改变)，导致老年人感染风险增加，老年人接种疫苗反应差
在人类中，年龄相关的菌群失调（微生物老化）特征是梭状芽孢杆菌和双歧杆菌数量减少，变形菌门以及肠杆菌科等病原菌数量过多。
肠道微生物群落结构的组装也可能取决于宿主器官的功能。考虑到肠道的组织功能和完整性受到与年龄相关的显著变化，如再生能力、上皮屏障形成、黏液层组成和蠕动的改变，随着我们年龄的增长，粘膜生态位的变化很可能导致了失调状态。
这种肠道完整性的亚临床改变可能会促进微生物向全身部位渗出，全身性低度炎症，慢性炎症的发生和过早死亡。然而，确定人类的因果关系仍然具有挑战性，下文将进行讨论。
虽然，我们已经开始了解细菌的分类组成和多样性是如何随着年龄的变化而变化的，但我们对细菌进化和与宿主适应性相关的功能后果的了解仍然有限。有两种可能的情况：
1 肠道微生物群落结构中与年龄相关的变化是宿主衰老过程中发生的生理组织适应的简单结果
2 与年龄相关的失调是细菌进化的产物，通过使特定菌群逃避免疫监视，直接触发宿主衰老
因此，更好地了解老化的宿主微生物群，对于推进以微生物组为基础的治疗方法来对抗老化和与年龄相关的疾病至关重要。
我们需要先了解这样的概念。
生理年龄：指人达到某一时序年龄时生理和其功能所反映出来的水平，是从医学、生物学角度来衡量的。
肠道年龄：是基于健康人群每个年龄段样本的菌群构成使用深度神经网络模型提取特征菌属并构建的预测模型。
谷禾健康-肠道年龄预测模型图
注: 谷禾报告中的肠道年龄是基于超过6万人群队列的深度学习模型构建的，伴随年龄的变化肠道菌群也会相应的改变。对于0~2岁的儿童，肠道年龄通常偏差小于3个月，3~5岁偏差在6个月以内，6~15岁偏差在1岁左右，16~50岁人群正常肠道年龄的偏差在3岁以内，50岁以上正常偏差在5岁以内。在正常偏差内年龄差异可以理解为年轻或衰老，超出正常偏差的年龄无论是超过或低于都可能是菌群异常或健康状况不佳。
真实年龄与肠道预测年龄在范围内的差异可以反映其肠道菌群的发育和衰老状况。
以下情况可能会导致肠道预测年龄完全偏离真实年龄，包括：肠道菌群紊乱，菌群结构过于单一，近期服用包括抗生素等可能严重干扰肠道菌群的药物，病原菌感染或者处于疾病状态。
肠道菌群失调可以触发先天性免疫反应和慢性低度炎症，导致许多与年龄有关的退化性疾病和不健康的衰老。肠道菌群通过各种生物分子，营养素信号独立途径和表观遗传机制与宿主进行交流。与年龄有关的肠道菌群失调会干扰这些交流，从而影响宿主的健康和寿命。
与年龄相关的肠道微生物组成的改变不仅发生在人类身上，也发生在实验室模型生物身上。这些控制遗传、年龄、饮食和微生物组本身的模型系统提供了强有力的科学证据，表明宿主生理或微生物进化的内在改变足以促进一种失调状态。
这些模式生物已经证明肠道微生物群有潜力有益地调节衰老过程，以促进宿主的健康和寿命。
黑腹果蝇
对黑腹果蝇的研究（一个经常被用来研究微生物动力学、肠道生理中与年龄相关的变化和生物体健康之间相互作用的衰老模型）——已经完美地证明了肠道生态失调不仅是年龄相关肠道屏障功能障碍、系统免疫激活和机体死亡的前兆，而且还预测了这些疾病的发生。
结果表明，在整个生命过程中保持在无菌条件下的果蝇显示出较低的衰老率，这表明在这些模型设置中防止与年龄相关的菌群失调可以限制炎症，改善免疫稳态，促进健康。
非洲绿松石鳉鱼
利用自然短命的脊椎动物非洲绿松石鳉鱼(Nothobranchius furzeri)进一步证实了肠道微生物群在调节衰老过程中的影响。年轻的微生物群的慢性定植在中年鱼，诱导了长期有益的系统效应，导致脊椎动物的寿命延长。将年轻的供体微生物群定植在年老的鱼，与已知产生代谢产物的关键细菌属的存在有关，这些代谢产物既能维持免疫系统健康，又有抗炎作用。
小鼠
年轻小鼠菌群 → 早衰小鼠：特定菌发挥作用
将年轻供体的粪便微生物群移植到早衰小鼠中，可改善后者的健康状况和寿命，并将疣微菌门verrucomicrobia，Akkermansia muciniphila移植到早衰小鼠中，从而充分发挥有益作用。
此外，与年龄相关的Akkermansia muciniphila缺失与肠道完整性受损和胰岛素抵抗相关——这是一个通过微生物组-单核细胞-B细胞轴介导的过程。
除了对宿主代谢的影响，Akkermansia muciniphila还参与了调节抗原特异性T细胞反应和抗体产生来调节宿主免疫功能。
小鼠菌群 → 无菌小鼠：T细胞活化增加
用年轻或年老小鼠的肠道微生物群定植无菌(GF)小鼠。将老年供体微生物组移植给年轻小鼠足以促进肠道炎症、微生物产物向循环的渗漏和慢性低级别炎症的发生。作为全身低度炎症的结果，全身免疫区的T细胞活化增加。
年老菌群→年轻小鼠：巨噬细胞功能失调
另一项研究报告了类似的发现，在年轻的GF接受者中，移植一种老年微生物组可促进全身低度炎症。这些情况下的炎症进一步与巨噬细胞功能失调相关，巨噬细胞是炎症细胞因子的有力来源，其细菌杀灭活性较差。此外，基因或抗体介导的肿瘤坏死因子α(低度炎症的标志性细胞因子)的减少，可以预防年龄相关的肠道失调和相关的全身低度炎症。
年龄相关肠道免疫力下降：增加M细胞可恢复
最近的一项研究强调，年龄相关肠道免疫力下降可以通过操纵肠道微生物组增加M细胞数量来恢复。年老小鼠暴露于年轻的微生物群或鞭毛蛋白刺激都足以观察到这种效应:Peyer’s补丁中的M细胞成熟恢复，增强抗原摄取，年老小鼠肠道IgA反应增加。基于微生物组干预的M细胞修复确实依赖于肠道干细胞功能的改善，这表明修复老年肠道的再生能力可能对提高肠道免疫力有额外的好处。这些发现可能与改善口服疫苗应答或预防老年人胃肠道感染有关。
年龄相关肠道菌群改变影响造血
除了局部免疫调节外，年龄相关的肠道群落结构变化也可能对造血产生直接影响。对小鼠的研究表明，肠道微生物组的改变与造血系统的多谱系改变和多能祖细胞的抑制有关。
鉴于肠道微生物群通过促进造血功能密切参与了细菌感染的控制，与年龄相关的肠道微生物群平衡和多样性的变化可能导致老年人造血功能受损、更易感染和减少疫苗接种应答。然而，为了更好地理解年龄相关的生态失调对造血系统调节的影响，还需要更多的研究来支持这一假设。
总的来说，这些临床前模型系统的发现表明，校正与年龄相关的肠道菌群失调是有益的，为基于微生物组的治疗方法改善免疫系统功能、对抗衰老及相关疾病提供了理论依据。
虽然粪便微生物群移植(FMT)在动物模型中具有抗衰老特性(见上文)，并且FMT已成功用于治疗男性复发性艰难梭菌感染，但在临床环境中提出FMT作为抗衰老策略仍存在一些障碍。更好地了解健康微生物组的特征(包括病毒组和真菌组)对于确保接受者的长期安全至关重要。
尽管我们对整个生命中肠道微生物群的理解取得了很大进步，但在疫苗学上的潜力尚未实现。鉴于微生物组严格调控免疫细胞的发育和功能，它可能最终影响疫苗的疗效。因此，由环境、社会经济、营养或卫生条件引起的肠道微生物群落结构的变化可以解释疫苗应答中的地理异质性。
对微生物群如何促进疫苗应答的机制更好地理解，可能有助于制定新的策略，以减少老年人感染性死亡。
直到最近，表明肠道微生物组影响疫苗接种反应的最佳证据来自使用无菌或缺乏微生物的小鼠的临床前模型系统。
研究人员探讨不同抗生素方案对抗原特异性体液免疫应答的影响，研究了克拉霉素、强力霉素和氨苄西林对小鼠破伤风类毒素（TT）、肺炎球菌多糖疫苗（PPV）、乙型肝炎病毒表面抗原（HBsAg）疫苗和减毒沙门氏菌活疫苗（Ty21a）的一级和二级抗体应答的影响。
有趣的是，抗原和抗生素的特异性反应都受到了影响。
克拉霉素和强力霉素抑制典型的T细胞依赖性和T细胞非依赖性抗体反应，而氨苄西林的效果较差或无效果。
此外，所有三种抗生素，特别是氨苄西林增强了对Ty21a-a减毒细菌粘膜疫苗模型的体液反应。在GF小鼠中进行疫苗接种实验的进一步工作证实了这些初步发现。
到目前为止，现有的研究主要集中在细菌，以及包括病毒、真菌、原生动物和古生菌在内的微生物群的其他组成部分。然而，仍然存在两个重要问题：
(一) 微生物群参与宿主免疫反应(特别是疫苗反应)的机制是什么？
(二) 这些发现对人类的影响是什么?
迄今为止，最令人信服的数据表明，肠道微生物群提供了佐剂的天然来源，能够调节宿主的系统和黏膜疫苗反应。
这一观点最初是在Nakaya等人的系统生物学报告中提出的，他们描述了在非佐剂流感疫苗接种三价灭活疫苗(TIV)后，人类toll样受体-5 (TLR5)的早期(第3天)和瞬时基因上调。TLR5的表达与TIV诱导的血凝抑制(HAI)滴度（滴度是稀释度的倒数）呈正相关。
随后，该研究小组证实TLR5对小鼠肠道微生物分泌的鞭毛蛋白的感应与TIV介导的应答有关。虽然直接给予鞭毛蛋白或有鞭毛的细菌移植可以提供天然佐剂来改善非佐剂流感疫苗的应答，但它不能与其他佐剂或活疫苗如破伤风-白喉-百日咳(Tdap)、黄热病(YF-17D)或重组乙型肝炎抗原(Recombivax HB)配合使用。
除TLR5外，另一种模式识别受体核苷酸结合寡聚结构域2 (NOD2)的特异性贡献，人血清白蛋白(HSA)抗原和霍乱毒素(CTX)佐剂鼻内刺激诱导的粘膜疫苗应答小鼠模型。在GF小鼠、抗生素处理小鼠或基因修饰缺乏NOD2信号的突变小鼠中，HSA特异性IgG反应持续下降。当这些动物接受一种被NOD2或表达MDP的细菌识别的肽聚糖MDP(muramyl dipeptide, MDP)时，HSA特异性IgG反应恢复。
虽然尚未使用人体相关疫苗，但这第二项工作表明，常驻微生物也可以增强用于粘膜疫苗接种方案的CTX的佐剂效果。需要进一步研究揭示肠道微生物群、其细胞壁成分或代谢物作为内源性疫苗佐剂的免疫能力，以放大对特定病原体的适应性免疫应答。
临床前和临床报告均观察到膳食纤维对功能免疫参数的积极影响，包括疫苗应答（表1），进一步支持基于其组成(细菌的性质)和或活性(分泌的代谢物的性质)的肠道微生物群的重要免疫调节潜力。
表1 益生元和/或益生菌临床干预试验探讨老年人免疫相关结果
Nabil Bosco & Mario Noti,Genes & Immunity, 2021
关于纤维消化产生的短链脂肪酸(SCFAs)免疫调节活性的大量文献证明了这一点。这些代谢物在局部或全身释放，参与宿主的一般生理过程。
肠道微生物组组成和功能的动态变化也可以解释疫苗应答中观察到的地理异质性。研究人员还报道了成人和老年人接种流感疫苗后体液免疫反应的显著差异(超过100倍)。
宿主遗传、营养状况、母乳喂养习惯以及卫生条件和/或之前接触过病原体，被提出用来解释疫苗免疫原性的差异。然而，近年来研究宿主微生物群的技术进步为这一领域提供了新的思路。
粪便微生物群特征研究表明，肠道菌群组成可能影响口服脊髓灰质炎、卡介苗、破伤风类毒素和乙肝病毒的疫苗接种效果。
此外，在某些国家的儿童中，小肠细菌过度生长(SIBO)的流行率高。SIBO还可能限制疫苗的性能，因为相关的吸收不良、肠道微生物群和宿主免疫细胞之间争夺关键营养物质以及或通过渗漏的肠道系统释放微生物分子。从南非收集的样本中观察到反应迟钝的全血细胞(标准TLR刺激试验)，并将来自北美和欧洲儿童的年龄匹配样本进行了比较。
上述人体研究仅存在相关性。
最近进行了三项研究，以确定婴儿和成人肠道微生物群失调和疫苗应答之间的因果关系。
在第一个大型(n = 754)和良好对照的研究中，广谱抗生素治疗(阿奇霉素)减少了致病性肠道细菌的流行，但没有改善印度婴儿的口服脊髓灰质炎疫苗接种。
接下来，Harris等人在开放标签试验中使用广谱抗生素(万古霉素)或广谱抗生素(万古霉素、环丙沙星和甲硝唑)治疗66名荷兰健康成人，并研究TT、口服轮状病毒(RV)和多糖肺炎球菌(Pneumo23)疫苗的应答。虽然RV疫苗观察到一些积极的效果，抗生素治疗没有改善TT或肺炎23价反应。
最后，Hagan和他的同事进行了一项研究，22名年轻的成年人接受广谱抗生素(万古霉素、新霉素和甲硝唑)治疗，然后接受TIV疫苗。虽然这种治疗对以前接种过流感疫苗的成年人影响有限，但在11名以前没有接触过流感(接种疫苗或自然感染)的健康个体中进行的第二次试验提供了突破性的发现。那些首次接受抗生素治疗的人的体液免疫反应，特别是对H1N1流感毒株的免疫反应大大减弱。
这些数据证实了早期的小鼠研究，并证明抗生素驱动的生态失调导致了非佐剂TIV引起的疫苗应答的显著改变。用系统生物学方法进行的更深层次的分子图谱也揭示了一种特定的炎症基因特征，即与抗生素治疗相关的更活化的髓系树突状细胞。
合理设计以微生物为内源性佐剂的疫苗在疫苗学领域具有广阔前景。这些方法可能需要个性化和工程可逆性来管理脆弱个体的疗效和潜在并发症。鉴于饮食是塑造肠道微生物群的最有力因素之一，营养干预与益生菌和益生元促进多样化的微生物群来维持健康受到了相当大的关注。
食品的发展是为了促进健康或减少疾病风险，1980年代中期，出现了“功能食品”一词：希望支持以营养为基础的预防性方法，以提高生活质量，减少与老龄化人口相关的医疗成本。
由于肠道微生物与宿主免疫系统的密切相互作用，临床试验研究的提高老年人免疫力的功能食品主要包括益生元(如纤维)、益生菌、两者的结合(即共生)或分泌可溶性代谢物(也称为后生元，如短链脂肪酸)。
随着年龄的增长，免疫适应能力下降，老年人无力抵抗感染，无力对抗原挑战作出反应，大多数这些试验探讨了感染流行程度、严重程度和持续时间或特定的疫苗接种结果。
在已确定的400项临床研究中，研究人员根据其相关性(免疫读数和目标人群为60岁的老年人)保留了31项研究，并将其总结在表1中。
这些研究是在社区居民、疗养院居民或住院患者中进行，这些患者可以服用口服补充剂或需要管饲。
大多数研究(20项研究)是随机双盲安慰剂对照组，考虑经典的混杂因素，如年龄、性别，有时还有医疗条件、营养状况、感染史或疫苗接种史。
预防感染性并发症，特别是危重症或选择性手术患者中艰难梭菌相关腹泻是第二个有意思的领域。
在对老年人进行的13项研究中，6项呈阳性。它们积极的性质也可能表明，疾病预防可以通过人体免疫系统的不同方面来实现。
疫苗挑战研究通常测试适应性免疫系统的功能，但没有解决某些细菌感染中与年龄相关的先天免疫下降的后果。然而，最近在英国23家养老院进行的规模最大的研究，即“益生菌减少养老院居民感染”试验，LGG和BB12胶囊每天服用长达1年，对预防感染没有效果。在感染症状、抗生素使用、住院或死亡率方面没有发现差异。
总的来说，可能有多种原因，研究之间缺乏一致性，如菌株特定差异或剂量，以及益生元性质和数量，或受试者的年龄和医疗条件。
这些研究中没有一项对干预前和干预后的患者微生物群进行了广泛的分析。虽然这些数据可能作为独立报告存在，以描述成分的特性，在未来，对干预前后的人体微生物群和免疫参数进行系统的平行评估是至关重要的，以揭示相关的相互作用或因果关系。
虽然实际年龄是不可逆转的，但随着年龄的增长，与肠道微生物群、炎症和免疫衰老相关的衰老变化是免疫介导的慢性疾病的共同帮凶，这可能是维持免疫和健康的目标。
当消炎药和衰老疗法选择性地消除衰老细胞（衰老抑制剂）或抑制衰老相关分泌表型（衰老表型）时，作为抗衰老疗法的临床试验正在迅速发展（图2），它们的长期使用需要谨慎地平衡对传染病的易感性和潜在的其他副作用。
为什么减少全身低度炎症可以促进疫苗应答，而疫苗学的主流观点是佐剂通过促进局部炎症来改善疫苗应答，这一悖论还需要进一步的研究来解释。
图2 恢复肠道微生物稳态、减少炎症和免疫衰老以支持老年人免疫功能的方法
Nabil Bosco & Mario Noti,Genes & Immunity, 2021
(1)益生菌或益生元或合生元、后生元(如SCFAs)等进行干预可能有助于恢复与年龄相关的肠道微生物组成和功能下降
(2) 补充维生素和矿物质有助于正常的免疫细胞功能。
(3) 消炎药或老年药可能有助于减少炎症，而老年药直接消除老化细胞，燃料炎症。
单独或联合使用可能有助于增强宿主免疫，更好地控制感染，并随着我们年龄的增长产生适当的疫苗接种反应。
鉴于肠道微生物对宿主免疫系统的影响越来越大，可以合理推测，通过个性化营养或补充，恢复与年龄相关的肠道微生物丰富度和功能的下降，可能是一种对抗免疫适应性功能下降的预防措施。
在这种情况下，已在临床环境中测试了能够通过支持肠道屏障完整性或调节炎症过程来增强免疫力的益生菌、益生元、后生元或合生元(表1)。
然而，由于研究、菌株特异性差异或剂量、益生元的性质和数量或受试者的年龄和医疗条件之间缺乏一致性，因此很难验证这种方法在增强与年龄相关的宿主免疫适应性下降方面的有效性。
肠道微生物群是一个有待挖掘的宝藏，衰老学也不例外。正如许多临床前研究所证明的那样，恢复年轻的微生物群可以通过维持免疫和健康跨度来恢复老年宿主的活力。
因此，更好地了解肠道微生物群落结构和相关代谢组的动态变化，这些改变如何影响细胞免疫网络，以及这些通路如何被治疗靶向，将对未来加强甚至恢复老化免疫系统的策略产生广泛的影响。随着人口老龄化的加剧，迫切需要这样的解决方案来支持健康老龄化，减缓不断增长的医疗费用。
健康饮食
Omega-3脂肪酸
随着年龄的增长，神经细胞萎缩，向大脑提供的营养丰富的血液供应减少，Omega-3脂肪酸，尤其是二十二碳六烯酸（DHA）可以促进神经细胞之间的有效电信号传递，减少炎症，甚至可以改善精神集中度并与记忆力丧失作斗争。
较小的脑体积与阿尔茨海默氏症以及正常衰老有关。研究人员发现，血液中omega-3脂肪酸EPA和DHA水平较高的绝经后妇女的脑体积也更大。
富含Omega-3脂肪酸的食物：
鱼类：鲱鱼，沙丁鱼，鲭鱼，鲑鱼，大比目鱼，鳟鱼
绿叶蔬菜： 抱子甘蓝，菠菜，芝麻菜，薄荷，羽衣甘蓝和豆瓣菜
油： 亚麻籽油，正大籽油，鳕鱼肝油和磷虾油
其他：蛋、核桃等
黄酮类化合物
几乎所有的水果，蔬菜都含有类黄酮，具有许多健康益处，包括减少炎症，降低心脏病风险和湿疹症状，对衰老的大脑有益。有研究发现，食用大量浆果（类黄酮含量较高）的老年妇女将记忆力下降的时间推迟了两年以上。
类黄酮含量高的食物：
浆果： 蓝莓，草莓和黑莓
绿叶蔬菜： 菠菜，羽衣甘蓝和豆瓣菜
彩色农产品：胡桃南瓜，牛油果，李子，红葡萄
其他：咖啡，黑巧克力，红酒
维生素E
防止细胞损伤。已有几项研究发现，维生素E可以延缓轻度到中度阿尔茨海默病的进展
富含维生素E的食物：
坚果和种子:杏仁，山核桃，花生酱，花生，榛子，松子和葵花籽
油：小麦胚芽油，葵花籽油，红花油，玉米油，大豆油
绿叶蔬菜：菠菜，蒲公英嫩叶，唐莴苣，萝卜叶
运动
走楼梯：
瑞士一项研究发现，久坐不动的人把乘电梯换成走楼梯，过早死亡的风险可以降低15%。哈佛早期的研究显示，与每周爬楼梯少于10层的人相比，每周能爬35层或更多的楼梯能显著提高寿命。
骑车：
骑自行车上班是一种环保又健康的方式，在一天中挤出锻炼时间在户外，还能节省点油钱。
游泳：
一项数据发现，经常游泳的男性比久坐不动的男性死亡率低50%，游泳者的死亡率也比运动时走路或跑步的男性低。
每天锻炼15分钟：
2011年的一项研究发现，与久坐不动的人相比，每天15分钟锻炼可以平均延长3年的寿命。
保护牙齿
如果牙齿一直很敏感，那么随着年龄的增长，牙齿会越来越容易脱落，这会影响老年生活品质。请保持日常牙科护理的最佳状态，防止蛀牙。
保持良好的生活习惯
保证充足的睡眠：
NIH的数据显示，每晚持续睡眠少于7个小时的成年人患高血压，心脏病，肥胖，糖尿病和抑郁症的风险更高。另外，晚上睡不好会抑制重要激素的释放，这些激素可以修复细胞和组织，抵抗疾病和感染，睡不好会使身体无法自然康复。
尽可能避免吸烟：
戒烟可以减少许多疾病风险。
适当缓解压力：
压力容易让人变老。尝试放弃明显的压力源，适当安排休息时间，
经常锻炼记忆力
记忆就像肌肉一样可以训练；如果充分利用自己的记忆并定期使用它，记忆力可以磨练到老。比如每天尝试做一个填字游戏，以帮助建立和维护词汇量和记忆力。
《阿尔茨海默氏病杂志》上的一项研究显示，吃蓝莓可以增强记忆力和学习能力，喝苹果汁可以通过防止重要的神经递质的衰退来改善记忆力。
选择适宜的养老居住地
可以选择气候宜人的地方居住，良好的空气质量有助于保持健康，环境条件佳也有利于保持好心情。此外尽量选择拥有良好的经济和医疗体系的地方，帮助维持积极长寿的生活。
做好健康管理
定期进行肠道菌群健康检测或其他检查，及时了解自身健康状况，包括哪些风险，需要注意事项等，做好健康管理，享受健康幸福的晚年生活。
相关阅读：
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谷禾健康
骨质疏松——“沉默的杀手”，是一种骨代谢异常的慢性病。别以为骨质疏松很遥远，骨质疏松正无声无息地向年轻人逼近。
肌肉骨骼系统是整个人类健康的重要决定因素。除了充当人体支架外，它还通过生化信号与体内其他器官不断沟通，具有基本的内分泌功能。
人的肠道内有一个复杂的微生物群落，会影响许多调节肌肉骨骼发育和体内平衡的过程。
肠道菌群及其代谢产物与肌肉减少症，骨质疏松症，骨关节炎和类风湿关节炎有关。该领域正在迅速发展，从描述简单的相关性到通过临床试验寻求因果关系。
肠道菌群及其微生物合成代谢产物鉴于其可延展性和对环境刺激的反应，有望为肌肉骨骼疾病的预防和治疗提供新的潜在替代品。
越来越多的证据表明，肠道菌群可以调节骨骼的通透性，激素分泌和免疫反应，并刺激钙和维生素D的吸收，从而在肌肉骨骼系统中发挥作用。
肠道微生物组对肌肉骨骼健康和疾病过程的影响可以是直接的或间接的。
骨代谢依赖于成骨细胞、骨细胞和破骨细胞作用下骨形成和骨吸收之间的平衡。骨质在出生后开始累积，并在成年后达到高峰，此后下降。最高的峰值骨量与降低以后的骨质疏松症风险有关，模拟研究表明，峰值骨量增加10％会使骨质疏松症的发作延迟13年，最大化峰值骨量和强度的措施非常重要。
注：骨质疏松特征是骨骼组织的微结构恶化加剧，骨骼质量低下，最终导致脆性骨折。
微生物组研究在骨骼健康方面的研究越来越热，在2013年至2019年期间，PubMed中出现了435多篇。
宿主的新陈代谢途径，免疫系统和激素环境是骨代谢的重要决定因素。因此，有理由认为肠道菌群在骨稳态中也起着重要的作用。骨质疏松症的风险与肠道微生物组的个体差异有关。
肠道微生物群有助于保持肠道屏障的完整性。肠道微生物群影响钙和维生素D的吸收，免疫系统的成熟，以及雌激素和雄激素等激素的产生和激活。
此外，肠道菌群失调可导致炎症细胞因子的产生，使肠道屏障易位，并对骨产生有害影响。益生菌和益生元已显示出缓解或恢复骨骼健康的潜力。
肠道微生物群可通过宿主免疫、炎症等机制影响关节健康。而对肌肉健康的影响还包括葡萄糖摄入、能量代谢和纤维蛋白合成。
营养与骨骼发育
钙和维生素D是骨骼健康的关键营养素，其消耗或缺乏会导致不利的骨骼并发症。
维生素D
对缺乏症儿童补充维生素D的随机对照试验表明，骨矿物质密度（BMD）有所改善。
维生素D除了直接影响钙吸收外，还通过维持上皮屏障的完整性以及微生物代谢物向宿主的转运来调节肠粘膜的稳态。这种调节也会影响免疫系统的成熟和炎症反应。
关于其与肠道菌群的关系，最近的一项小型干预研究表明，在青春期女孩中大量补充维生素D会导厚壁菌，双歧杆菌和肠球菌的增加，而拟杆菌和乳杆菌减少。
与这些发现一致，维生素D受体(VDR)敲除(KO)小鼠的微生物组中，拟杆菌和梭状芽孢杆菌富集，但乳酸杆菌耗尽。此外，这些小鼠的碳水化合物、蛋白质、脂质和胆汁酸代谢产生的代谢物也发生了变化。
这些研究支持维生素D调控肠道菌群的论点，也支持肠道菌群全基因组关联研究(GWAS)中VDR基因变异的鉴定。
相反，也有证据表明肠道菌群影响循环维生素D的水平。例如，127个个体的临床试验表明，在9周的干预后，补充罗伊氏乳杆菌NCIMB 30242增加了平均循环25-羟基维生素D 25.5%。
除此之外，像浅灰链霉菌Streptomyces griseolus这样的细菌可以像人类代谢酶一样，羟化维生素D3，这是激活维生素D3的必要步骤。
钙吸收
钙是人体内最常见的矿物质。为了达到高峰值骨量，钙的摄入需要充足，特别是在快速生长期间，吸收的钙被保留，而不是通过尿液排出。
一些研究表明，肠道菌群产生的短链脂肪酸（SCFAs）有助于改善人体对钙的吸收，并增加动物模型的骨密度和强度。
这些研究主要集中在食用膳食纤维的优势及其在增加短链脂肪酸以及副杆菌属、双歧杆菌属、拟杆菌属相对丰度方面的作用。
这些研究的重要性在于使用益生元（即诱导有益微生物生长或活动的化合物）或后生元（即活微生物分泌的因子）来纠正钙缺乏，而无需增加富含钙的食物或补充剂。
然而，有研究表明，肠道菌群和钙水平之间的关系不是单向的。补钙可以增加小鼠体内的微生物多样性和双歧杆菌、瘤胃球菌科Ruminococcaceae和阿克曼菌Akkermansia的数量。
此外，在健康男性中补钙和磷，持续8周，会增加粪便样本中梭状芽孢杆菌Clostridium XVIII的比例。
维生素K
研究表明，维生素K通过促进成骨细胞向骨细胞的转化、限制破骨细胞的生成和介导骨钙素羧化过程而与骨健康相关。
然而，最近的一项研究也表明这种维生素与有机或矿物物质的组成和结构的变化有关。通过对小鼠粪便微生物群的宏基因组分析以及对骨组织的纳米化学分析，作者能够确定骨强度受损的小鼠体内微生物产生的维生素K的浓度降低。
膳食纤维
两项大型流行病学研究显示，纤维摄入对骨预后有积极影响。假设纤维对健康的影响至少部分由肠道菌群发酵到SCFAs（乙酸、丙酸、丁酸）来解释。
除了SCFAs的积极作用外，丙酸（C3）或丁酸（C4）的使用还预防小鼠卵巢切除诱导的以及炎症依赖性骨丢失。
丁酸还可以抑制组蛋白脱乙酰化酶，并刺激成骨细胞分化，并随着骨唾液蛋白和骨保护素的增加而增加骨形成。丁酸通过调节细胞介导的WNT10B表达，可刺激骨形成。
从机制上讲，C3和C4诱导破骨细胞的代谢重编程，从而导致糖酵解增强，而不消耗氧化磷酸化，从而降低必需破骨细胞基因TRAF6和NFATc1。
最近，在小鼠牙槽骨中，也观察到破骨细胞分化的减少，以应对SCFAs的作用。与这些结果一致，以富含短链半乳寡糖和长链果糖（scGOS/lcFOS）为饲料的小鼠，肠道菌群作为生产SCFAs的底物，显示出一种改良的骨密度。
激素对骨骼代谢的作用
胰岛素样生长因子1（IGF-1）
IGF-1在调节骨骼发育和出生后生长中起着重要作用。Igf1 KO小鼠出生后生长速度降低，骨骼骨化延迟，而Igf1的过度表达显著增加了雄性和雌性小鼠的桡骨生长。
与无菌（GF）小鼠相比，肠道菌群完整的小鼠血清IGF-1水平更高。与预期一样，GF小鼠的线性生长、股骨长度、皮质厚度和骨小梁减少。给予短链脂肪酸足以增加循环IGF-1。
然而，一项在不同小鼠品系中进行的研究却显示了相反的结果。这些看似矛盾的发现可能由实验对象的特定遗传背景和/或年龄依赖性效应来解释。人类肠道病毒组中的Irdoviradae家族病毒可产生病毒胰岛素/IGF-1样肽（VILPs）。这些肽能够与小鼠和人IGF-1受体结合，并在体外刺激细胞生长。
性激素
在绝经后女性中观察到的雌激素缺乏对骨内稳态产生不利影响，循环雌激素的主要调节因子之一是肠道菌群。
肠道菌群通过分泌雌激素来调节雌激素β-葡萄糖醛酸酶(一种将雌激素解偶联成其活性形式的酶)。当这一过程因肠道菌群多样性降低而受损时，去结合的减少导致循环雌激素的减少。
破骨细胞的过度形成和吸收被认为是雌激素缺乏引起骨质疏松的主要病理改变。此外，雌激素缺乏会增加肠道通透性，使细菌易位，增加进入上皮粘膜的抗原数量，从而导致全身炎症。与正常小鼠相比，由于破骨细胞因子的减少，GF小鼠在雌激素缺乏后骨丢失较少。
此外，基于不同乳酸菌的益生菌降低破骨细胞因子的表达，增加骨组织中OPG的表达，保护小鼠免受卵巢切除（OVX）诱导的骨丢失。据报道，长双歧杆菌Bifidobacterium longum也能减轻OVX大鼠的骨丢失。
此外，通过去除肠道微生物群的抗生素或施用罗伊氏乳杆菌Lactobacillus reuteri来预防肠道渗漏的在糖皮质激素诱导的小鼠骨质疏松症中被证明是有效的。
雄激素，也是骨骼发育和维护所必需的。最近，有研究表明，肠道菌群可以调节远端肠道中的游离睾酮（DHT）水平，DHT是一种有效的雄激素。
但是，有必要进行进一步的研究以弄清肠道菌群是否具有调节肠道外部位雄激素代谢和作用的能力。
微生物群在免疫和炎症中的作用
肠道菌群在免疫系统的成熟中起着核心作用。它参与了循环细胞因子的产生和淋巴样细胞的发展，特别是T辅助淋巴细胞。
随着年龄的增长，特别是在雌激素缺乏的情况下，T细胞增加促炎和促破骨细胞因子的产生，如TNF-α和RANKL。肠道菌群增加这些细胞因子和减少小鼠皮质骨的能力实际上依赖于引起炎症反应的NOD1和NOD2信号。
研究还表明，toll样受体5 (TLR5)的激活，先天免疫系统使用的另一种模式识别受体，促进小鼠破骨细胞的形成和骨丢失。此外，TLR5-KO小鼠出现骨膜扩张，当肠道菌群被破坏时，骨膜扩张趋于正常，这与肠道菌群的中介作用一致。
运动是骨质疏松症管理的另一个重要组成部分，因为体育活动增加骨密度，减少炎症标志物。最近，有人提出，运动可能通过改变肠道菌群来防止骨流失。这是基于一项在小鼠中进行的活动研究的结果，双歧杆菌科成员已知可以减少肠道炎症，与骨密度正相关。
关联研究发现骨质疏松个体(N = 60)的放线菌、Eggerthella、Clostridium Cluster XlVa、乳酸杆菌属与骨密度正常个体(N = 60)相比，骨质疏松个体(N = 61)的大肠杆菌/志贺氏菌和韦荣球菌属Veillonella的丰度较低。各组间多样性指标无统计学差异。
相比之下，另一项研究发现患有骨质疏松症(N = 48)与个体与正常水平的BMD (N = 48)相比，具有更高的菌群多样性和丰富的Dialister和Faecalibacterium。
而两项中国研究，每个大约几百个人，分别报道了双歧杆菌Bifidobacterium、Roseburia、乳酸菌Lactobacillus和Allisonella、克雷伯菌Klebsiella、巨球菌Megasphaera和骨密度之间的相关性。
这些不一致的结果表明，在调查可能的新关联时，使用足够的样本量和控制多重测试的重要性。
基于微生物组的临床试验
在瑞典进行的两项不同的临床试验显示，绝经后妇女使用益生菌后骨质流失显著减少。
第一组，90名绝经后妇女，研究显示，在1年后每日补充乳杆菌reuteri 6475，出现胫骨体积骨密度损失减少(组间平均差异=1.02%;95%置信区间:0.02 – -2.03%)。
第二项研究的重点是腰椎(LS)的骨质流失。
323名绝经后早期妇女完成了试验，其中一半(116)接受了益生菌或安慰剂，12个月。
LS-DXA扫描分别在进食当天和一年后进行。与安慰剂相比，乳酸菌降低了LS-BMD损失(平均差异0.71%，95% CI 0.06至1.35)。在安慰剂组中，LS-BMD损失显著(-0.72%，−1.22至−0.22)，而在乳酸菌处理组中没有观察到骨质损失(-0.01%，−0.50至0.48)。作者的结论是，乳酸菌菌株似乎针对小梁和皮质骨的不同作用机制。
相反，一项对76名健康绝经后的日本妇女进行的临床试验发现，在全髋部给予枯草芽孢杆菌C-3102 24周对髋部骨密度有积极影响(安慰剂= 0.83±0.63%，C-3102 = 2.53±0.52%，p =0.043)。与安慰剂组相比，益生菌的参与者的LS-BMD（腰椎）没有观察到显著的效果。基于微生物组谱，尿I型胶原交联N-末端肽和抗酒石酸酸性磷酸酶亚型5b的测量，作者推测C-3102通过抑制骨吸收和调节肠道菌群改善骨密度。
在一项包括50名健康绝经后伊朗妇女的研究中，与安慰剂组相比，干预组也检测到血清1型胶原交联c -末端肽(CTX)较低。干预组包括25名女性，连续6个月每天GeriLact。GeriLact含有干酪乳杆菌、长双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌、保加利亚乳杆菌、短双歧杆菌和嗜热链球菌。干预组骨特异性碱性磷酸酶(BALP)水平降低也支持骨转换减少的存在。
肠道微生物组对骨骼肌质量和功能的影响
即使肠道-肌肉轴还没有被研究到肠道-骨骼轴的程度，这个领域研究仍在发展。
这一轴可能参与肌肉萎缩疾病的发病机制，通过从饮食营养素，炎症和胰岛素敏感性等调节前合成代谢刺激的转导(图1)。研究表明，无菌和施用抗生素的小鼠骨骼肌质量和物理功能降低。将肠道菌群从常规饲养的小鼠移植到无菌小鼠可导致骨骼肌质量的增加和肌肉萎缩标志物的减少。此外，仅仅使用短链脂肪酸就部分逆转了这些小鼠的骨骼肌损伤。
另一项研究表明，移植直肠真杆菌(Eubacterium rectale)、植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum TWK10)和球囊梭菌(Clostridium coccoides)可以改善幼年无菌小鼠体质、运动性能和能量代谢下降的状况。
同样地，在使用抗生素的小鼠中发现了跑步耐力的降低和离体肌肉疲劳度的增加，这种疲劳度可以通过肠道菌群的自然重新播撒而完全恢复正常。
在人类中，一项小型研究表明，与功能低下的老年人相比，瘦体重更高、身体表现更好的老年人的粪便样本中普雷沃菌属和Barnesiella的含量更高(高功能，N = 18;低功能，N = 11)。高功能个体的人类微生物群定植无菌小鼠导致它们的握力更高。
然而，在高功能人类微生物群和低功能人类微生物群定植的小鼠中，没有观察到总瘦重量或耐力的差异。目前，爱尔兰正在进行一项临床试验，旨在评估凝结芽孢杆菌Bacillus coagulans作为益生菌对肌肉蛋白质合成率的影响。如果补充凝结芽孢杆菌可以在消耗植物蛋白后提高肌肉蛋白质的合成率，那么这可能是一种有效的、环境敏感的策略，可以减少老年人与年龄相关的肌肉质量和身体功能的不良损失。
肠道微生物组对关节的影响
骨关节炎(OA)是世界范围内最常见的慢性退行性关节疾病，也是导致关节残疾的主要原因。目前，OA没有治愈方法。公认的骨性关节炎的危险因素是肥胖和巨噬细胞介导的炎症，两者都与肠道菌群有关(图1)。
原则上，肠道菌群可以减少肥胖的不同机制将对改善OA风险有很大影响。因此，长期高脂肪饮食的小鼠易于发展肥胖介导的骨性关节炎。然而，通过对副干酪乳杆菌亚种paracase M5或益生元低聚果糖的干预可以降低这种风险。
此外，最近的一项小规模研究表明，在含有高细菌LPS(脂多糖)水平的血清和滑膜液中，膝关节囊和滑膜中激活巨噬细胞，导致OA病理恶化。
最近在一项针对老年人的大规模人群研究中发现，链球菌种类的丰富与膝关节疼痛和膝关节炎症增加有关。人体临床试验已经显示了干酪乳酸菌代田株Lactobacillus casei Shirota 和嗜热链球菌Streptococcus thermophilus在膝关节骨性关节炎进展中的积极作用。
肠道微生物组对免疫反应的影响
类风湿性关节炎(RA)是一种自身免疫性疾病，全身性慢性炎症导致关节破坏。在小鼠和人类的RA研究中都观察到口腔和肠道微生物群组成的改变。
在RA病例中发现了几种肠道菌群富集，包括普雷沃氏菌(Prevotella)和不同种类的乳酸杆菌(Lactobacillus)。
此外，口腔微生物群Cryptobacterium curtum已被发现在RA病例中富集。这种细菌能够产生大量瓜氨酸，瓜氨酸在RA中作为一种自身抗原而为人所知。在一项用大鼠进行的研究中，干酪乳杆菌Lactobacillus casei 也能抑制RA的诱导并保护骨骼免受破坏。
肠道菌群在肌肉骨骼研究中呈现了一个新前沿。在研究能够转化为临床之前，仍需克服几个障碍。
1. 16S技术在识别特定菌或评估功能潜力方面的分辨率有限，与宏基因组不同。
2. 大多数微生物组研究样本量太小。
3. 微生物组数据的收集、提取和分析的方法和程序需更多地标准化。
本文总结的有效临床试验很可能为进一步的研究肠道菌群和骨代谢关系，以及新疗法的开发提供动力。
目前对肌肉骨骼疾病的治疗仍有很大的改进空间，肠道菌群是一个转折点，代表着机会越来越多。在肌肉骨骼疾病方面，也可以将其定位为个性化医疗革命的潜在关键驱动力。
相关阅读：
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谷禾健康
导语
微生物在在地球上无处不在，适应了几乎所有可用的生态栖息。 微生物在不同物种和个体之间差异性很大，存在着广泛的微生物多样性。
野生动物之所以能够耐受病原菌的感染和有毒食物的威胁以及抵御多种疾病，可能与其体内或体表生存的微生物密切关联。然而，与已被广泛研究的人类微生物群相比，野生动物的微生物群受到的关注较少。
当宿主有着共同的饮食或共同祖先，尤其是哺乳动物，通常肠道菌群构成也更为相似，不过这种相关性在鱼类、两栖类、鸟类和非脊椎动物中较弱。在许多情况下，肠道微生物都参与宿主的关键生理过程，包括代谢特殊的饮食化合物。
近日，以色列魏茨曼科学研究院Eran Segal团队采用一致的方法从全球四大洲采集了406份动物粪便样品，包括121份养殖样品和285份野生样品。共涉及184个动物物种，包括哺乳类、禽类、两栖类、硬骨鱼类等的物种。这些物种在分类单元、觅食/取食行为、地理分布、性状等方面具有较高的多样性。
使用宏基因组学来分析这180多个物种的肠道菌群，使用从头基因组组装，构建并在功能上注释了5000多个基因组的数据库，其中包括1209种细菌，但是其中75％未知。
在这项研究中组装的1209个基因组的最大似然比的系统发育树。
内有色环和外有色环分别表示细菌门和宿主类别。先前未描述的基因组进化枝为深红色。
一，坚持野外采样。野外采样，尤其对于动物采样存在很多挑战，但是证据表明圈养动物会改变微生物组，而且，过往大量有关哺乳动物的研究大部分来来自于是圈养动物，包括大小鼠。这次大规模全球野外采样，可以扩大和了解动物宿主栖息微生物的机会。
二，要获得广泛的野生动物代表性，需要在全球不同的生态环境采样，并从具有不同特征和喂养方式的多种动物中取样。此外，该研究为每个物种手工制定了特质，包括饮食适应性，活动时间和社会结构，使我们能够系统地研究微生物群组成与宿主表型之间的关系。
三，为未知物种的大规模注释细菌基因组数据库，并确定了与这些动物的性状和分类相关的多种微生物模式，并强调了其潜力作为发现新的工业酶和治疗剂的主要未开发资源。
微生物的组成，多样性和功能含量与动物分类，饮食，活动，社会结构和寿命相关。动物微生物群系是生物功能的丰富来源，可能会对生物技术产生影响，包括抗生素，工业酶和免疫调节剂。
此外，野外动物表现出适应性，例如安全食用腐烂，感染病原体的肉类和有毒植物，可以产生强效毒素、生物发光以及各种疾病和微生物病原体具有特异性免疫力、再生能力并且在某些物种中具有极长的寿命。这些适应性中的某些，例如毒素产生和生物发光至少部分是由生活在动物体内/上的微生物共生体赋予的。该研究构建和功能注释从自然栖息地的野生动物中提取的微生物群的综合数据库可以对动物性状与其微生物群之间联系的进行全面了解。
例如，为了证明在动物微生物群中可以发现新的细菌功能，作者在实验中验证了细菌毒素——食用腐肉的欧亚兀鹫（Gyps fulvus）的MAG中发现的代谢蛋白酶。这些蛋白酶可用作抗菌化合物，具有抗菌活性潜在的应用包括对抗人类食物中毒。
欧亚兀鹫（学名：Gyps fulvus）：体长95-105厘米，尾长24-29 厘米，翼展240-280厘米，体重6-11千克。是一种大型的褐色鹫。栖息在海拔高达2,500米的范围内。主要以山羊、鹿和瞪羚等野生动物，以及人类养殖的绵羊、山羊、牛和马为食。靠灵敏的嗅觉来找寻腐烂的动物尸体，并常常为抢一块肉而争个不停。而且习惯把头伸进动物尸体的腹腔内，啄食内脏和肌肉。分布范围非常广泛，遍布欧洲、中东和北非，也分布于印度、喜马拉雅山脉。在地中海沿岸国家最常见。
这项研究的最大贡献是其丰富的、系统生成的数据集。很容易想象，微生物保护和新出现的抗生素耐药性等不同领域的突破是由这些亚基因组的发现推动的。在欧亚兀鹫微生物群中发现的蛋白酶证明了从野生动物微生物群中进行生物勘探的原理，尽管尚不清楚该案例研究是否应被视为例外或预期的发现。
新发现的食腐肉的欧亚兀鹫（Gyps fulvus）的肠道细菌中的毒素代谢蛋白酶可能在抵抗食物中毒方面有应用。
这项研究仅仅触及了可以用这个数据集检验的假设的表面。未来方向包括：
01 微生物群如何帮助动物降解有毒的植物化学物质。
02 抵御食物中的病原体。
03 从多种食物来源中提取营养的问题。
四，丰富了许多未知物种的细菌门，并发现某些细菌进化枝相对于同一门中的其他细菌具有独特的功能特性。动物种类和已发现的动物种类（共存细菌的特定簇）之间的细菌状况有所不同。动物中这种未被探索的微生物多样性与被充分研究的人类微生物组形成了对比，而人类微生物组在参考数据库中表现得更好。未描述的物种中的富集度最高的是疣状菌属（Verrucomicrobia），这是一个存在于水、土壤和人类肠道中的门，但培养物种相对较少。
确定了多种途径和直系同源物，这些途径和直系同源物在特定的动物性状中显着丰富，并表明功能性景观与这些性状相关。这些功能中的一些功能提示了野生生物微生物群的新角色和特性。绘制野生动物的微生物群落图也可能有助于野生微生物的保护工作。
五，重述了首次通过扩增子测序发现的结果，包括食草动物微生物组比食肉动物微生物组更加多样化。这是一个比较重要的发现，是否说明植物性饮食可以提高微生物多样性？此外，不同动物群体的微生物组编码的遗传途径因宿主饮食、体型和其他特征而不同。
六，野生动物的微生物区系也是动物和人类病原体的天然库，如当前的COVID-19大流行一样，通过对野生生物微生物景观的广泛的基因组集合可以阐明其传播到人群中的时间和途径。
一，使用MAGs（宏基因组组装的基因组）限制了研究其中一些目标的拓展，即保护医学和生态上重要的细菌菌株。有些微生物物种将需要分析未组装的读取、培养或富集技术，而不是本研究中使用的全基因组测序。
二，即使是那些基因组被MAG组装捕获的细菌，这些组装体也倾向于排除“辅助”基因组，即在不同菌株间存在的基因。然而，这些基因往往在适应特定的宿主和环境中发挥作用。例如，抗菌素抗性、致病性和能量收集是经常由移动元件或其他辅助基因编码的性状。
三，Levin等人检测到的大多数非特征微生物在宿主体内的活动，以及它们是稳定地定殖在动物体内还是短暂地通过它们的胃肠道的问题仍然存在。在这个庞大的数据集上测试每个假设需要大量的计算、解释和实验验证。
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谷禾健康
我们知道，SARS-CoV-2感染引起的新型冠状病毒肺炎COVID-19，最常见的症状是发烧和呼吸道不适。也有胃肠道感染的报道，症状包括腹泻、恶心、呕吐、腹痛和食欲不振等。
胃肠道感染SARS-CoV-2或其他病毒后，部分患者可能发生胃肠道微生物群改变。此外，部分新冠肺炎患者可能会接受抗生素治疗，这也可能会扰乱胃肠道稳态。
本文就以下问题，对COVID-19，胃肠道疾病，程度菌群，营养干预之间的联系进行探讨。
腹泻患者粪便样本中病毒RNA阳性率更高？
COVID-19和胃肠道疾病有什么联系？
肠-肺轴在COVID-19的发展中发挥作用？
肠道菌群在其中扮演什么角色？
针对COVID-19不同严重程度的措施？
营养干预是否有效？如何干预？
……
SARS-CoV-2在鼻咽清除后仍能在粪便中呈阳性，并可能继续具有传染性。
Alberca GGFet al., World J Gastroenterol. 2021
COVID-19最常见的胃肠道症状是腹泻、恶心、腹痛和食欲不振。
在病毒性胃肠道感染后，一些患者可能会出现胃肠道微生物群的改变，如变形菌增加、拟杆菌减少。
最近的一份报告确定了COVID-19住院患者肠道微生物群的改变，有益共生细菌减少，条件致病菌增加。
肠道组织和粪便也可能是一个贮存器。最近研究表明，即使鼻咽和口咽拭子检测SARS-CoV-2RNA呈阴性，患者粪便样本中仍然有可能含有SARS-CoV-2RNA.
另有研究指出，腹泻患者的COVID-19症状持续时间延长，而腹泻患者的粪便样本中病毒RNA的阳性率更高。
目前的假设是可能涉及肠道组织上的直接病毒感染和对该病毒的局部免疫反应。实际上，在粪便COVID-19患者中检测到SARS-CoV-2 RNA可能表明粪-口传播。
除了SARS-CoV-2对肠道免疫反应的影响外，COVID-19患者还可能发生细菌共感染和继发感染，也就是说必须使用抗生素。即使COVID-19患者没有细菌共感染，对其抗生素的使用也是在临床上常见的做法。这也可能会破坏胃肠道微生物组。
微生物群受环境因素，食物，药物和感染的影响。根据人体的部位不同，每个微生物群具有独特的特性。许多因素会影响微生物组的组成，例如局部pH值，温度和养分。
微生物几乎可以在人体的每个小生境中发现，但胃肠道是宿主与人体中微生物之间最大的界面。大约有1013-1014胃肠道中的微生物，其基因组含量比人类基因组中更大。
微生物与人类有共生关系。共生微生物对于人类健康，调节许多生理功能，物质降解，代谢产物的产生和免疫反应至关重要。
微生物能激活和刺激T辅助细胞（Th）1、Th2、Th17和T调节细胞（Treg）的分化，从而调节免疫应答。肠道菌群多样性低会增加对局部和肺部疾病的易感性。
微生物组的环境处于不断调节中，受到外部微生物和其他非细菌化合物（例如肠道菌群中的食物和病毒）的调节。微生物群的突然变化会导致共生细菌的失衡和/或条件致病菌增加，增加对疾病的敏感性。
微生物群对于人类免疫系统的发展至关重要，并且可以影响局部和非局部免疫反应，例如肠-肺轴。肠道菌群的改变可以调节呼吸系统疾病的发展。在患有肠道功能障碍的患者，例如已确诊的肠道炎性疾病的患者或肥胖患者中，肠道菌群可能是发生严重COVID-19的次要危险因素。
此外，患有COVID-19的患者可能会出现胃肠道菌群失调，且产短链脂肪酸的细菌减少。
肠道菌群的破坏可以触发与代谢功能障碍，肥胖症，癌症，和神经障碍相关的炎症事件。某些微生物的增加或减少可以增加对先天性免疫受体的刺激，例如核苷酸结合寡聚化域样受体和Toll样受体。该受体的刺激触发几个促炎症信号和细胞因子和趋化因子的产生，它们调节适应性免疫系统，影响局部和全身免疫反应。
微生物群激活免疫细胞上的Toll样受体可在宿主体内产生低度全身性炎症，这与代谢和免疫反应的改变有关。微生物组的改变与疾病的发展有关，例如肥胖，炎症性肠病和癌症。
因此，SARS-CoV-2胃肠道感染和肠道稳态的改变可能与疾病的发展有关，并影响对口服疫苗和药物的免疫应答以及病原体的免疫应答。
一些研究强调了营养物质在调节对SARS-CoV-2或直接抗病毒和/或抗SARS-CoV-2特性的免疫应答中的潜在作用。
营养方面如肥胖，营养不良，和微量营养素缺乏已经假定作为严重COVID-19的危险因素。然而，人类微生物群的组成受到许多因素的影响，包括饮食成分。一些细菌可以发酵不可消化的碳水化合物（益生元），例如可溶性纤维，以产生短链脂肪酸（SCFA）。
短链脂肪酸
短链脂肪酸可以刺激共生细菌的生长和/或活性，并与健康有关。短链脂肪酸可以诱导肠屏障的调节，降低氧化应激，控制腹泻，并调节肠能动性，并且还诱导局部和全身抗炎作用。
短链脂肪酸可诱导抗炎细胞因子的释放，如IL-10，促进Th细胞和炎症性疾病的调节，包括炎症性肠病。
短链脂肪酸分为乙酸，丙酸和丁酸。所有短链脂肪酸都具有潜在的抗炎作用，降低前列腺素E2和炎症因子。
乙酸盐能抑制含有3个炎症小体的NLR家族pyrin结构域的激活；
丙酸盐能抑制组蛋白脱乙酰酶，减轻脂多糖引起的炎症。
丁酸盐具有抗癌和减少肺部炎症的作用。
总的来说，研究表明短链脂肪酸有直接抗炎作用或调节微生物群在局部（肠道）和非局部炎症中具有潜在的抗炎作用。
益生菌
对于胃肠微生物的调节，另一个干预是通过益生菌。益生菌是可以被摄入并与宿主产生有益相互作用的细菌。
一些研究调查对肠道菌群益生菌的作用，但有关它们移植物于共生微生物群的能力的结果相互矛盾。
然而，益生菌产生代谢物可影响共生微生物群，肠屏障，免疫系统。益生菌还可以帮助预防或治疗细菌和病毒感染。益生菌的使用可以提高感染流感病毒的小鼠的存活率。除流感病毒外，研究还显示出对呼吸道合胞病毒感染的有益保护作用。
益生菌在呼吸道病毒感染中的健康益处是由于细胞因子的产生和氧化应激的调节; 因此，它们可能是严重COVID-19期间促炎性细胞因子，趋化因子和氧化应激异常释放的辅助治疗。
最常用的益生菌是乳杆菌，双歧杆菌和肠球菌。尽管有大量研究表明它们具有健康益处，但目前在益生菌菌株之间涉及理想剂量和菌株之间比较的知识尚存在差距。
高纤维饮食
高纤维饮食可以诱导有益菌的繁殖，比如乳酸杆菌属和双歧杆菌属在胃肠道。实际上，高纤维饮食可能增加免疫球蛋白A的生产和调节干扰素-γ和白细胞介素(IL)-10的分泌，这有助控制胃肠道感染。
益生元
益生元可以通过一种称为交叉喂养的机制改变微生物群的组成，当益生元的发酵产物可以被另一种微生物作为底物使用。
益生元可以改变微生物群的另一种机制是通过改变pH值。
发酵产物主要是酸，这可能会导致肠道pH降低，抑制酸敏感细菌（如拟杆菌）的生长并促进产生丁酸的细菌生长。
病毒感染可以改变胃肠道微生物群。一份报告确认了COVID-19患者粪便样本中乳酸杆菌和双歧杆菌的减少。同样，必要或不必要使用抗生素会干扰COVID-19患者的微生物组。
肠道微生物组的改变包括在SARS-CoV-2清除后的30天内，柔嫩梭菌群Faecalibacterium prausnitzii、Eubacterium rectale和双歧杆菌的减少。
COVID-19中的微生物群失调可能与炎症反应有关，并且可能是COVID-19解决后的一个持久性问题，这表明营养干预可能在抑制炎症反应和重建COVID-19患者胃肠道稳态方面发挥作用。
低纤维饮食增加胃肠道感染的易感性
饮食和营养干预可以调节免疫反应，增加或抑制抗病毒反应。西式饮食（低纤维含量）可增加拟杆菌和减少厚壁菌，并与肥胖的发展有关，后者是严重COVID-19的危险因素。
虽然有报告指出肥胖者粪便样本中的短链脂肪酸增加，但短链脂肪酸与控制食欲和增加能量消耗有关。
此外，非常低纤维的饮食可以降低肠粘液的产生，增加胃肠道感染的易感性。
饮食的改变可以改变微生物群的组成。微生物群落处于不断变化之中，并且还受到食物消耗的季节性影响。事实上，减少纤维的消耗可以在短短的1天内改变微生物群，减少短链脂肪酸的产生。
高纤维饮食减少肺部炎症，促进抗炎反应
相反，高纤维饮食增加了肠道微生物群中的厚壁菌和放线菌，并增加了短链脂肪酸的产生，这有助于通过肠-肺轴减少肺部炎症，并通过IL-10的产生和Treg细胞促进局部和全身的抗炎反应。
益生菌治疗减少呼吸机相关肺炎
摄入益生菌可能会稳定或改变胃肠道微生物组，特别是在微生物组受到干扰后，如抗生素使用后或胃肠道感染。
使用枯草芽孢杆菌Bacillus subtilis和粪肠球菌Enterococcus faecalis的益生菌治疗已被证明可减少呼吸机相关肺炎。
鼠李糖乳杆菌Lactobacillus rhamnosus治疗可减少机械通气患者的呼吸机相关性肺炎和艰难梭菌相关性腹泻，使其成为重症监护病房辅助机械通气患者治疗的可能补充。
使用乳酸杆菌治疗可能特别重要，因为呼吸道感染可能导致乳酸菌减少，肠杆菌科增加和肠道IL-17炎症。
调节免疫应答
靶向IL-17被认为是治疗COVID-19的一种方法，因为与中度COVID-19患者相比，重度COVID-19患者的IL-17增加。
IL-17和产生IL-17的辅助性T细胞（Th17）、三型固有淋巴细胞、不变的自然杀伤细胞和γδT细胞参与了COVID-19的免疫应答。IL-17受体表达于许多不同细胞的表面，如中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、上皮细胞、角质形成细胞和成纤维细胞。此外，IL-17可直接影响ACE2、SARS-CoV-2入口受体的表达。
IL-17阻断剂的使用，如针对IL-17A和/或IL-17受体A的单克隆抗体，可能代表了COVID-19的一种可能的治疗选择。尽管如此，IL-17在对抗肺炎链球菌Pseudomonas aeruginosa和铜绿假单胞菌Pseudomonas aeruginosa（呼吸道和肠道感染中常见的病原体）的免疫反应中是一种重要的细胞因子。
继发性细菌感染可发生在SARS-CoV-2感染后的呼吸系统，尤其是有创机械通气患者。IL-17对肠道内稳态尤其重要。因此，抗IL-17治疗应考虑呼吸道和肠道细菌感染易感性增加的可能风险。
增加短链脂肪酸辅助治疗
COVID-19患者也可能出现细胞因子风暴综合征，这可能导致多器官衰竭，并导致死亡或长期后果。在这种情况下，益生菌或益生元治疗通过增加短链脂肪酸在呼吸道感染中的抗炎作用已经被证实。
摄入高发酵纤维饮食、益生菌、口服三丁酸甘油酯（丁酸的前药）或直接服用短链脂肪酸等药物均可增加短链脂肪酸的生产和健康效益。
在这种情况下，摄入益生元和/或益生菌可代表COVID-19患者的显著预防性干预和/或康复。
显然，SARS-CoV-2可以感染胃肠道并影响肠道免疫反应和肠道微生物组。但胃肠道的SARS-CoV-2感染以及COVID-19在胃肠道稳态中的长期后果仍需进一步研究。
目前，尚无针对COVID-19的特异性治疗方法，但已对通过调节免疫应答或通过肠道微生物群进行营养干预的影响进行了研究，这可能是对COVID-19的重要干预和/或恢复的手段。
相关阅读：
参考文献
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谷禾健康
《中华人民共和国生物安全法》于2021年4月15日起正式施行。
《中华人民共和国生物安全法》是生物安全领域的一部基础性、综合性、系统性、统领性法律。其颁布和实施具有里程碑意义，标志着我国生物安全进入依法治理的新阶段。
生物安全风险防控体制
防控重大新发突发传染病、动植物疫情
生物技术研究、开发与应用安全
病原微生物实验室生物安全
人类遗传资源与生物资源安全
防范生物恐怖与生物武器威胁
生物安全能力建设
此次，关于病原微生物实验室生物安全管理章节，明确以下内容：
第四十二条 严格遵守生物安全标准
国家加强对病原微生物实验室生物安全的管理，制定统一的实验室生物安全标准。病原微生物实验室应当符合生物安全国家标准和要求。
从事病原微生物实验活动，应当严格遵守有关国家标准和实验室技术规范、操作规程，采取安全防范措施。
第四十三条 具备条件，符合规范
国家根据病原微生物的传染性、感染后对人和动物的个体或者群体的危害程度，对病原微生物实行分类管理。
从事高致病性或者疑似高致病性病原微生物样本采集、保藏、运输活动，应当具备相应条件，符合生物安全管理规范。具体办法由国务院卫生健康、农业农村主管部门制定。
第四十四条 依法批准或备案
设立病原微生物实验室，应当依法取得批准或者进行备案。
个人不得设立病原微生物实验室或者从事病原微生物实验活动。
第四十五条 实验室分等级管理
国家根据对病原微生物的生物安全防护水平，对病原微生物实验室实行分等级管理。
从事病原微生物实验活动应当在相应等级的实验室进行。低等级病原微生物实验室不得从事国家病原微生物目录规定应当在高等级病原微生物实验室进行的病原微生物实验活动。
第四十六条 高致病性经有关部门批准
高等级病原微生物实验室从事高致病性或者疑似高致病性病原微生物实验活动，应当经省级以上人民政府卫生健康或者农业农村主管部门批准，并将实验活动情况向批准部门报告。
对我国尚未发现或者已经宣布消灭的病原微生物，未经批准不得从事相关实验活动。
第四十七条 加强实验动物和废弃物管理
病原微生物实验室应当采取措施，加强对实验动物的管理，防止实验动物逃逸，对使用后的实验动物按照国家规定进行无害化处理，实现实验动物可追溯。禁止将使用后的实验动物流入市场。
病原微生物实验室应当加强对实验活动废弃物的管理，依法对废水、废气以及其他废弃物进行处置，采取措施防止污染。
第四十八条 定期检查、维护、更新
病原微生物实验室的设立单位负责实验室的生物安全管理，制定科学、严格的管理制度，定期对有关生物安全规定的落实情况进行检查，对实验室设施、设备、材料等进行检查、维护和更新，确保其符合国家标准。
病原微生物实验室设立单位的法定代表人和实验室负责人对实验室的生物安全负责。
第四十九条 建立完善安全保卫制度
病原微生物实验室的设立单位应当建立和完善安全保卫制度，采取安全保卫措施，保障实验室及其病原微生物的安全。
国家加强对高等级病原微生物实验室的安全保卫。高等级病原微生物实验室应当接受公安机关等部门有关实验室安全保卫工作的监督指导，严防高致病性病原微生物泄漏、丢失和被盗、被抢。
国家建立高等级病原微生物实验室人员进入审核制度。进入高等级病原微生物实验室的人员应当经实验室负责人批准。对可能影响实验室生物安全的，不予批准；对批准进入的，应当采取安全保障措施。
第五十条 制定安全应急预案
病原微生物实验室的设立单位应当制定生物安全事件应急预案，定期组织开展人员培训和应急演练。发生高致病性病原微生物泄漏、丢失和被盗、被抢或者其他生物安全风险的，应当按照应急预案的规定及时采取控制措施，并按照国家规定报告。
第五十一条 提高医疗救治能力
病原微生物实验室所在地省级人民政府及其卫生健康主管部门应当加强实验室所在地感染性疾病医疗资源配置，提高感染性疾病医疗救治能力。
第五十二条 企业微生物车间规范管理
企业对涉及病原微生物操作的生产车间的生物安全管理，依照有关病原微生物实验室的规定和其他生物安全管理规范进行。
涉及生物毒素、植物有害生物及其他生物因子操作的生物安全实验室的建设和管理，参照有关病原微生物实验室的规定执行。
生物安全实验室主要分为2类：
病原微生物生物安全实验室和动物生物安全实验室，前者主要用于研究病原微生物，后者用于开展病原微生物感染动物的实验。
CHEN Jiejun.Journal of Biosafety.2018
6.2 BSL-1 实验室
6.2.1 应为实验室仪器设备的安装、清洁和维护、安全运行提供足够的空间。
6.2.2 实验室应有足够的空间和台柜等摆放实验室设备和物品。
6.2.3 在实验室的工作区外应当有存放外衣和私人物品的设施，应将个人服装与实验室工作服分开放置。
6.2.4 进食、饮水和休息的场所应设在实验室的工作区外。
6.2.5 实验室墙壁、顶板和地板应当光滑、易清洁、防渗漏并耐化学品和消毒剂的腐蚀。地面应防滑，不得在实验室内铺设地毯。
6.2.6 实验室台（桌）柜和座椅等应稳固和坚固，边角应圆滑。实验台面应防水，并能耐受中等程度的热、有机溶剂、酸碱、消毒剂及其他化学剂。
6.2.7 应根据工作性质和流程合理摆放实验室设备、台柜、物品等，避免相互干扰、交叉污染，并应不妨碍逃生和急救。台（桌）柜和设备之间应有足够的间距，以便于清洁。
6.2.8 实验室应设洗手池，水龙头开关宜为非手动式，宜设置在靠近出口处。
6.2.9 实验室的门应有可视窗并可锁闭，并达到适当的防火等级，门锁及门的开启方向应不妨碍室内人员逃生。
6.2.10 实验室可以利用自然通风，开启窗户应安装防蚊虫的纱窗。如果采用机械通风，应避免气流流向导致的污染和避免污染气流在实验室之间或与其他区域之间串通而造成交叉污染。
6.2.11 应保证实验室内有足够的照明，避免不必要的反光和闪光。
6.2.12 实验室涉及刺激性或腐蚀性物质的操作，应在 30 m 内设洗眼装置，风险较大时应设紧急喷淋装置。
6.2.13 若涉及使用有毒、刺激性、挥发性物质，应配备适当的排风柜（罩）。
6.2.14 若涉及使用高毒性、放射性等物质，应配备相应的安全设施设备和个体防护装备，应符合国家、地方的相关规定和要求。
6.2.15 若使用高压气体和可燃气体，应有安全措施，应符合国家、地方的相关规定和要求。
6.2.16 应有可靠和足够的电力供应，确保用电安全。
6.2.17 应设应急照明装置，同时考虑合适的安装位置，以保证人员安全离开实验室。
6.2.18 应配备足够的固定电源插座，避免多台设备使用共同的电源插座。应有可靠的接地系统，应在关键节点安装漏电保护装置或监测报警装置。
6.2.19 应满足实验室所需用水。
6.2.20 给水管道应设置倒流防止器或其他有效的防止回流污染的装置；给排水系统应不渗漏，下水应有防回流设计。
6.2.21 应配备适用的应急器材，如消防器材、意外事故处理器材、急救器材等。
6.2.22 应配备适用的通讯设备。
6.2.23 必要时，可配备适当的消毒、灭菌设备。
6.3 BSL-2 实验室
6.3.1 普通型 BSL-2 实验室
6.3.1.1 适用时，应符合 6.2 的要求。
6.3.1.2 实验室主入口的门、放置生物安全柜实验间的门应可自动关闭；实验室主入口的门应有进入控制措施。
6.3.1.3 实验室工作区域外应有存放备用物品的条件。
6.3.1.4 应在实验室或其所在的建筑内配备压力蒸汽灭菌器或其他适当的消毒、灭菌设备，所配备的消毒、灭菌设备应以风险评估为依据。
6.3.1.5 应在实验室工作区配备洗眼装置，必要时，应在每个工作间配备洗眼装置。
6.3.1.6 应在操作病原微生物及样本的实验区内配备二级生物安全柜。
6.3.1.7 应按产品的设计、使用说明书的要求安装和使用生物安全柜。
6.3.1.8 如果使用管道排风的生物安全柜，应通过独立于建筑物其他公共通风系统的管道排出。
6.3.1.9 实验室入口应有生物危害标识，出口应有逃生发光指示标识。
6.3.2 加强型 BSL-2 实验室
6.3.2.1 适用时，应符合 6.3.1 的要求。
6.3.2.2 加强型 BSL-2 实验室应包含缓冲间和核心工作间。
6.3.2.3 缓冲间可兼作防护服更换间。必要时，可设置准备间和洗消间等。
6.3.2.4 缓冲间的门宜能互锁。如果使用互锁门，应在互锁门的附近设置紧急手动互锁解除开关。
6.3.2.5 实验室应设洗手池；水龙头开关应为非手动式，宜设置在靠近出口处。
6.3.2.6 采用机械通风系统，送风口和排风口应采取防雨、防风、防杂物、防昆虫及其他动物的措施，送风口应远离污染源和排风口。排风系统应使用高效空气过滤器。
6.3.2.7 核心工作间内送风口和排风口的布置应符合定向气流的原则，利于减少房间内的涡流和气流死角。
6.3.2.8 核心工作间气压相对于相邻区域应为负压，压差宜不低于10Pa. 在核心工作间入口的显著位置，应安装显示房间负压状况的压力显示装置。
6.3.2.9 应通过自动控制措施保证实验室压力及压力梯度的稳定性，并可对异常情况报警。
6.3.2.10 实验室的排风应与送风连锁，排风先于送风开启，后于送风关闭。
6.3.2.11 实验室应有措施防止产生对人员有害的异常压力，围护结构应能承受送风机或排风机异常时导致的空气压力载荷。
6.3.2.12 核心工作间温度18 ℃～26 ℃，噪音应低于68 dB。
6.3.2.13 实验室内应配置压力蒸汽灭菌器，以及其他适用的消毒设备。
生物安全柜的排风系统中装有高效空气过滤器 （HEPA），它能有效地截留所有已知传染因子， 对于直径 0.3 μm 的颗粒它可以截留 99.97%， 对大于或小于直径0.3μm 颗粒它可以截留 99.99%，并确保从安全柜中排出的是不含微生物的空气。
因此正确使用生物安全柜可以有效地减少由于气溶胶暴露或溅出物所造成的实验室污染以及培养物等交叉污染，减少对环境和人身安全所造成的危害，有效地保护实验室人员的健康与安全，减少职业暴露的发生。
生物安全实验室的关键设备：
·生物安全柜安装位置应避开人流频繁处；
· 安全柜安装的周围和电源处要留出足够的空间；
· 操作人员要经过专业培训方可上岗；
· 操作者必须穿戴紧口长纤维易灭菌的洁净工作服、帽、口罩；
· 操作过程中，台面不能存放过多物品；
· 操作时，操作者的双臂以直线方向缓慢伸入生物安全柜，并至少静止1min，使柜内气流相对稳定后再进行操作；
· 操作者头部、身体严禁伸到操作区内，操作动作应控制在最小程度；
· 应该按照从清洁区、半污染区到污染区的方向进行，防止交叉污染；
·实验完成后，对所有从安全柜取出的器材和物品均要进行严格的消毒处理。
只有了解生物安全柜的性能、结构、防护级别及一些注意事项，正确使用生物安全柜，才能针对自己实验室选择适合本实验室使用生物安全柜，保护实验环境不受污染，有效地减少由于气溶胶暴露或有害气体扩散所造成实验室感染事件的发生，规避感染风险。
《生物安全法》为促进我国生物技术产业发展提供了法律保障，筑牢生物安全法治“防火墙”。
谷禾实验室作为二级病原微生物安全实验室，全面贯彻落实法律规定的重要制度，严格遵守管理规范，防止生物安全风险发生，做好《生物安全法》落地实施“主力军”，让用户更放心的同时，也为国家科研、健康产业的发展，人民幸福安康贡献自己的力量。
参考资料：
《中华人民共和国生物安全法》
病原微生物实验室生物安全通用准则. WS 233—2017
孟宪军, 史志旭. 加强生物安全柜正确使用规避感染风险[D]. , 2010.
谷禾健康
饮食的改变会改变人体的微生物群，对健康造成潜在的影响。根据以往的研究，饮食驱动的微生物群变化不仅可以导致失调，还可以塑造生活史特征，推动人类进化。考虑到环境、健康和进化是相互关联的，那么饮食驱动的微生物群干扰是否会产生超出其对人类健康直接影响的后果？
最近德国科学家指出，饮食结构的变化会导致微生物组宿主基因配置不匹配，从而影响人类的寿命和繁殖成功。 这些失配也可引起可遗传的全功能体(holobiont)应激反应，这促使全生命周期在变化的营养环境中重新建立平衡。
该研究介绍一个前瞻性的模型，其中的微生物组在现代人类适应环境变化中发挥作用。假设饮食变化重新配置了整合人类微生物群中表观遗传控制的平衡健康状态。这种重新配置是一把双刃剑。一方面，它可能通过调节完整生物的生命史特征（如寿命和繁殖）的表达而增加疾病的风险和严重性。另一方面，它有助于重新调整全功能体（holobiont）系统与新的营养环境，利用宿主基因和微生物组之间的不匹配产生的压力。
简单笼统的说，就是该机制框架将两个迄今联系不充分的辩论联系起来：全球气候变化对饮食的影响，以及微生物组，表观基因组和宿主之间的复杂关系。
这些假设的动态不必只与正在进行的气候变化相耦合，也不必只适用于人类全息生物。相反，微生物群-表观基因组-免疫轴中的类似动力学可能是对过去非人为气候变化的反应，并对我们和其他物种的进化轨迹作出了贡献。
气候变化可以通过多种途径影响人类健康。到目前为止，关于气候变化对人类健康的影响的公众关注和科学研究主要集中在气候灾难（例如洪水，热浪和流行病）产生的CO2排放和健康风险上。尽管仍然相对罕见，但随着气候变化，这些灾难预计会变得更加频繁和严重。
在这些事件中暴露于危险条件的风险很高，幸存者可能会遭受长期的健康危机（例如，运动功能丧失）的困扰。随着时间的推移，这些风险会积累。饮食就是其中一种途径。
气候变化和经济发展压力会影响许多影响人类饮食的因素，包括作物产量，耕作方式和饮食习惯。农作物的生产耕作以及烹饪方式可能在正在改变以适应人类的饮食习惯。 气候变化，对饮食有明显影响。 例如，对玻利维亚八个Aymara社区的案例研究发现，农民在介绍他们认为更坚固的农作物的同时，种植了他们认为更易受气候影响的作物，例如块茎旱金莲（一种不一样的土豆）。
饮食变化对人类健康和进化有何后果？ 虽然气候变化与饮食之间的联系在文献中可能已经很好地确立，但饮食变化转化为健康后果并帮助产生新的表型性状的机制仍需要阐明。
饮食摄入可能通过影响寄主的表观遗传学和寄主的微生物组而影响健康。 此外，宿主与微生物组之间存在复杂的表观遗传关系，表观遗传现象可能会影响进化。
在此基础上，德国科学家Francesco Catania和Jan Baedke提出了一个模型，该模型考虑了表观遗传机制与人类微生物组之间的相互作用以及它们与宿主遗传学的串扰。 并且认为，将人类概念化为灵活的生态系统或整体生物可能有助于揭示与饮食有关的变化对人类健康的某些后果，并提供对人类后代的预测历史特征和适应能力。
在该模型中，气候变化引起的饮食变化会通过营养不良增加健康风险。 同时，这些过程促使微生物组重新配置，从而触发跨代对环境变化的适应性反应。 作为实现这些短期和长期影响的关键途径，我们确定了微生物组-表观基因组-免疫轴。
饮食、人类健康和表观遗传学饮食对人类健康有重大影响。不同的饮食和饮食模式可以调节个体间的变异性（例如，增加心血管疾病的风险）。饮食有助于出生体重，这是婴儿和儿童健康以及成人疾病易感性的主要预测因素。饮食也会影响寿命和繁殖。例如‘饮食限制’，在不饥饿的情况下减少食物摄入量可以上调应激反应和先天免疫的相关途径，下调不同物种间生长和繁殖的相关途径。
饮食也可以有长期的影响，代际后果。由于营养不良（即营养过剩或营养不足）导致免疫状态受损的父母的后代本身也经常受到免疫系统的干扰。
此外，为了应对父母饮食能量的增加，后代表现出较高的促炎性和抑制的抗炎性。然而，在某些条件下，饮食的改变也可能对后代的健康产生相反的积极影响。在一个例子中，一组瑞典北部人的孙子孙女经历了几代人的作物短缺器，他们的死亡率和心血管疾病的风险较低，与前几代人相比，这些研究中的一些暗示了饮食对人类健康影响的表观遗传机制。
近年来，微生物组群已成为环境因素（如营养模式）与人类健康之间的一个新中介。人类微生物群包括定植于人类皮肤、胎盘、子宫、精液、肺、唾液、口腔粘膜、结膜，尤其是胃肠道的所有细菌、古细菌、真菌、原生生物和病毒。如果我们将人类视为一个完整的生态系统及其微生物群。那么，微生物群提供了大量的生态系统服务。通过生态系统服务，刺激免疫系统并塑造其发育，有助于神经系统的发育和功能，微量营养素的合成，营养素的消化和吸收，以及能量调节。
这些生态系统服务的可靠性取决于宿主与其微生物组之间的有效串扰，而这种串扰受饮食模式的影响。因此，根据最近的建议，气候变化引起的饮食或生活方式的改变也可能影响宿主的健康状况。
事实上，人类健康状况的变化肠道微生物群（例如，由于在食品生产中越来越多地使用抗生素）与各种疾病的发生和发展有关，如自身免疫疾病，癌症，代谢紊乱和精神障碍，如抑郁症，通过所谓的“肠-脑轴”。然而，这种关系的分子基础以及表型与微生物组的组成和丰度之间联系的范围和强度仍然不清楚。
已经提出了微生物群建立、稳定性和跨代传播的多种进化和生态模型。人类宿主与其驻留微生物群之间的广泛串扰表明它们已经共同进化或可能已经共同适应，即人类微生物群已经与宿主共同进化，适应人类生态系统并发展互利。与此观点一致，在人类生态系统中只有一小部分已知细菌菌群存在 。整体全息图关联也可能反映了一种单方面的适应过程（例如，宿主已适应其微生物，但微生物未适应其宿主）。
但是如何实现微生物组与人类宿主之间的共同进化或单方面的适应或共同适应？
这个问题对于理解饮食对人类健康和进化的影响至关重要。共进化意味着微生物组必须世代遗传和/或忠实获得。但是这是怎么做到的呢？
微生物群的构型在生命的早期就受到很大影响。在成年人中，微生物群保持一定程度的灵活性，这种灵活性可能在一定程度上受到环境条件和因素的调节，如宿主的遗传背景、行为和生活方式、性别和年龄。因此，微生物组分的跨代复发至少在一定程度上依赖于生命早期展开的生物过程。
在人类中，母体环境似乎有助于婴儿肠道的细菌定植。然而，这种母体贡献是部分的，因此不足以保证类似于遗传信息的可靠传播。稳定的（环境遗传的）文化和行为模式可以弥补宿主-微生物群关系的跨代稳定性不足。 例如，稳定的喂养方式，分娩方式和卫生习惯中的文化模式会导致婴儿期相似的微生物连续定居。 与其他动物一样，社会互动和网络可能会打开微生物传播的渠道。
最后，宿主遗传学也可能在微生物组（尤其是肠道）的获取，维持和稳定中发挥重要作用。 基因决定的免疫特性，连同微生物细胞之间的竞争，可能有助于调节和维持给定生态位空间中微生物种群的适当组成和水平。总之，垂直和水平传播以及宿主基因有助于微生物组的跨代稳定性。
宿主表观基因组对微生物定殖的贡献与将表观遗传变化（如DNA甲基化、组蛋白修饰、非编码RNA的调控）与微生物群定殖和功能性联系起来的研究一致。这也与研究改变微生物群表观遗传修饰的报告一致与疾病的发生有关。
宿主表观基因组既可以形成，也可以由获得的微生物群形成。获得的微生物群可以影响宿主的食欲、摄食行为和食物选择，进而影响基因调节和调节免疫反应。
因此，建议微生物群不仅可以通过各种模式和渠道稳定地传播和获取。 它也可以重塑宿主表观基因组。 这种表观遗传重塑会影响后代的发育，从而有效地将当前的环境变化（如饮食变化）与宿主的发育，代谢和免疫过程的未来变化联系起来。
表观和微生物组重塑的这种相互过程可能会在各个世代之间展开，直到整个全功能系统达到平衡状态（宿主－微生物组匹配）为止。
全功能生物的微生物群-表观基因组-免疫轴。（1） 气候变化改变了人类的饮食。（2） 与气候变化相关的饮食变化会影响微生物组（例如，影响微生物多样性、成分或代谢物）、宿主的表观基因组（例如，通过摄入改变基因表达的化合物）和宿主免疫系统（例如，营养不足可延迟对病原体的免疫反应）。（3） 在人体内，微生物群、宿主表观基因组和宿主免疫系统之间的相互作用是广泛而动态的。宿主DNA和环境会影响这种串扰（例如，表观遗传因素标志着微生物定殖的宿主生态位，这一过程也由免疫系统决定）。饮食介导的效应可以使微生物组、表观基因组和免疫系统之间的关系失去平衡，并在世代内和世代间对全息生物特性产生影响。（4） 同时，人类全息生物通过潜在的下游反馈积极地改变其环境（例如，通过文化生态位构建）
扩展上述命题，假设微生物物种的优势和复发及其在人类中的功能部分反映了可以跨代传递生态信息的保守的表观遗传调控过程。这些表观遗传过程可直接（例如，通过生态位特异性基因调控）和/或间接（例如，通过免疫系统的可塑性选择性）指导宿主的微生物定殖。
进一步假设“微生物组表观基因组免疫轴”对与气候变化相关的饮食、饮食习惯和压力相关的营养变化敏感。充分的饮食改变改变了宿主的表观基因组，进而改变了宿主的微生物组。同时，它们影响微生物的定殖过程，并通过这一过程影响宿主的表观基因组。这些动态变化在宿主的基因组成和非基因成分之间产生了不同程度的不匹配，从而产生了两个关键效应和权衡。
首先，全功能体内的生态系统服务可能被破坏，有害表型可能出现。这与通常提出的异常肠道菌群组成与肥胖症、炎症性肠病、和其他疾病之间的联系一致。然而，改变常驻或定植微生物群，如抗生素使用、饮食变化和人为影响也可能产生非疾病表型。
先前的研究表明，一方面，完整生物环境（即导致微生物组分和代谢能力失衡的环境）与生命早期先天免疫系统活性降低以及生命后期适应性免疫系统（AIS）的过度刺激有关。AIS过度刺激可能会增强免疫失火，从而促进自身免疫疾病的发生。
另一方面，AIS过度刺激可能会增强全功能体生物的防御机制，这种机制通常会随着年龄的增长而恶化，从而延长生物的寿命。AIS过度刺激导致的增强的免疫失火预计会降低妊娠至足月的几率。例如，自身免疫性疾病系统性红斑狼疮增加了妊娠丢失、临产前分娩和胎盘功能不全的风险。因此，在增加疾病的风险，饮食相关的改变也可能延长寿命，降低人类的生育成功率。
其次，宿主的基因组成与其微生物组之间的不匹配可能会产生生物内部的压力，这可能会对生物的组成部分施加不同程度的压力。这种压力类似于在宿主-病原体相互作用中或在本地物种和入侵物种之间的生物入侵过程中出现的压力。例如，宿主-微生物组错配可能会触发不期望的免疫反应，从而削弱宿主，同时在本地（即共同进化的）微生物组分受到破坏后，为定植创造生态位空间。因此，这种不匹配代表了获得适应性变化的第一步。
要理解这一进化过程，首先必须注意的是，寄主的基因组成和微生物群之间的不匹配可以由后代遗传。更具体地说，完整生物的表观基因组可能通过表观遗传修饰的直接传递或表观遗传标记的从头诱导从母亲传给胎儿。这些反复出现的表观遗传模式有利于后代完整生物中亲本微生物组群的重新配置。这意味着患有自身免疫性疾病的个体的后代可能通过非基因遗传表现出相同的特征。与此相一致的是，具有适度遗传力和共同环境风险因素的自身免疫性疾病通常会跨代复发。该模型的一个含义是，人类父母和后代寿命之间的正相关部分反映了跨代表观遗传，与先前的观察和其他物种的发现一致。
与上一代相比，根据宿主基因（其中一半遗传自母亲，另一半遗传自父亲）和环境（可能相对恒定或世代不同）之间的不匹配程度，后代完整生物反复出现的生理或免疫反应可能减弱或加剧。
在一个基本不变的环境中，表型性状的代际转换可能是有方向的，并趋向于局部最优。或者，当环境不断变化时，代际转换可能是波动和不规则的。最简单的情况是，代际环境基本不变，遗传变异性很小，全生命体内的压力有助于恢复生命史特征之间的失调前关系（即，生殖成功率的增加以寿命为代价）。
更一般地说，我们假设，人口的平均适合度有一种自然趋势，即在健康平衡中断时反弹（下图）。类似的动态也与“辅助基因流”有关，通过这种做法，合适的基因型被重新定位，以帮助当地人口跟上气候变化的步伐。这种非当地基因型的重新定位可能会导致繁殖抑制，从而降低人口相对于亲本人口的平均适应度。然而，这种健康状况的下降通常是暂时的。当地人口在几代之内恢复，可能获得比引进移民基因型之前更高的平均适应值。
整体人的健康和适应饮食变化的适应能力。 饮食变化会触发宿主微生物组失配，从而扰乱整个节肢动物（例如，在宿主体内触发不良的免疫反应），同时促进其适应性反应（例如，通过为新型微生物定殖创造适当的空间）。 箭头描绘了由于气候变化引起的饮食转变而引发的人类全生命周期的进化轨迹。 在第一阶段（红色箭头）描述了与饮食变化相关的整体全息内应力。 在这里，整体人面临着疾病的易感性，例如过敏性和自身免疫性疾病，这些疾病可能是表观遗传的。 在这种不稳定的健康状态下，整体类人承受着促进获得微生物，遗传和非遗传变异的压力，最终使整体类人达到了新的平衡（绿色箭头）
影响表型状态遗传的表观遗传机制有助于在新环境中建立最佳适应度。除此之外，还可能发生重新建立宿主-微生物和谐关系的基因变化。免疫、生殖和寿命相关的宿主基因是上述许多可塑性的基础。因此，这些基因的变化有助于重建生态失调前的宿主-微生物平衡。事实上，这些基因在人类适应中起着重要作用，是最常见的候选选择目标之一。
遗传变化也可能在全功能体生物的微生物成分中积累。应激诱导的突变提高了微生物的突变率，加速了有益基因变体的出现。此外，微生物组对应激（暴露于有毒物质）的快速适应和抗性细菌的选择可能使宿主的后代产生更高的毒性耐受性。这可能通过不同的微生物传播途径遗传。最后，微生物组对新饮食的适应可能解释了人类食用海藻的原因，]奶牛的草食进化，吸血蝙蝠的嗜血性。例如，有人认为，应对吸血蝙蝠新饮食所需的形态、免疫和生理适应的很大一部分并不是由于宿主的基因组适应，而是由普通蝙蝠功能核心微生物群中基因的正选择驱动的。因此，由于微生物组的适应性变化，全功能体生物可能进化出适应营养挑战的解决方案。宿主基因组的适应性变化可能伴随也可能不伴随微生物组的重组。
总而言之，与饮食相关的生物体内应激可能会促进宿主和微生物群的遗传和非遗传变化，这些变化可能会传染给下一代。虽然这些变化可能会增加疾病易感性，但也可能有助于重新调整宿主和微生物群的利益。宿主与其微生物群之间重新建立的和谐串扰（如果实现）表明了全息生物在新环境中的最佳综合性能。
除了对全基因组方法的扩展之外，该模型还提供了“健康”或“有利”微生物组的操作定义，即微生物联合体，不仅与宿主的生活方式、社会文化和环境环境相协调，而且在很大程度上，以及它的遗传背景。这些联盟不需要由固定物种组成。由于相当多的代谢冗余，具有相同功能的基因分布在许多细菌物种中。这使得一个“健康”的肠道微生物组群能够以多种不同的方式组合起来，并允许在宿主世代间丢失或重新发现微生物类群。这一定义有助于实施“精确”肠道微生物组群调节的最佳治疗策略。
微生物组通常被认为是许多慢性疾病（如自身免疫疾病）治疗干预的有效靶点，前提是改变的微生物组与某种疾病有因果联系，目前减轻与局部疾病相关的健康挑战的医疗干预形式有可能减轻或抑制生物体内的压力。
在该模型支持下，意味着医疗干预也延迟了潜在适应性变异的出现。基于医学干预放松了对疾病相关基因变异的自然选择这一观点，先前也得出了质量上类似的结论。最后，如果模型是正确的，目前未能解释表观遗传微生物背景和代际影响阻碍了我们对许多疾病的理解。通常与癌症等风险增加相关的特定基因变异，只有在与相关（微）环境因素相结合的情况下才可能是重要的。
到目前为止，很少有生物学家认为发育中有机体的微生物群是有偏见和快速适应性变异的潜在来源，尤其是在人类中。
该研究提出的大视野，跨时空观点需要理解全功能生物体既是一个免疫个体，也是一个进化个体。
为了研究这两者之间的复杂纠缠。首先需要掌握人类微生物变异的限度和范围，了解在环境变化面前（肠道）微生物群落的重组是如何广泛和迅速的。
第二个挑战是了解人类群体之间和内部肠道微生物变异性的差异是否会导致对气候变化相关营养挑战的不同健康和进化反应。
最后，为患者量身定制的医疗应用程序的开发不应将人类个体视为与气候变化相关的健康干预措施的唯一目标。相反，全功能生物体的集体应被视为潜在患者。它复杂的内部关系、串扰和权衡需要成为人们关注的焦点。
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