被迫改变生活方式对少数族群的微生物群和健康的影响

现代生活方式通过部分改变微生物组而增加了人类患慢性病的风险。但是，对于少数族群而言，生活方式的改变将对健康产生怎样的影响，这方面的研究并不多。近日，爱尔兰国立科克大学Fergus Shanahan及其课题组的最新研究：Microbiome and health implications for ethnic minorities after enforced lifestyle changes 揭示了由生活方式改变引起的微生物组变化对少数族群健康的影响。这一研究成果发表《Nature Medicine》上。

摘要

生活方式会影响早期的微生物群，这时微生物群已经形成但免疫系统还未成熟。此外，通过对遗传相似的人群和居住在同一地理位置的不同种族的群体的研究，已经将生活方式的影响与遗传和地理因素分开。

爱尔兰旅行者是一个不同种族的亚群体，他们因为2002年的一项立法而结束了游牧生活，这改变了他们的生活方式（从游牧到定居）。

肠道微生物群的比较宏基因组学研究显示，爱尔兰旅行者群体保留了一个与非工业化社会人群相似的微生物群。他们的微生物群与非饮食因素有关，并且和与微生物相关的代谢性疾病的风险成比例的相关。研究结果表明，当少数族群的生活方式被迫改变时，会影响与微生物相关的公共卫生问题。

背景

爱尔兰旅行者占爱尔兰人口的近1%，它们在200到1200年前从定居的社区中分离出来，在2017年获得了单独的种族身份，以表彰他们独特的文化、语言、历史和生活方式。

他们与欧洲的其他游牧民族(分别被称为罗马尼人和罗马人)不同，但在基因上与非游牧定居的爱尔兰人非常相似。

社会经济因素被认为是少数民族健康不平等的主要决定因素。

爱尔兰旅行者的预期寿命自1987年以来一直停滞不前，而非旅行者爱尔兰人的预期寿命却大幅上升。

爱尔兰旅行者的死亡率高于普通人群，这一高死亡率是由多种因素造成的，包括事故、自杀、创伤和心血管疾病、呼吸和癌症死亡。

实验设计

研究对象：

118名成年爱尔兰旅行者，平均年龄39岁（(±13岁，sd）。其中男性53人（44.9%），女性65人（55.1%）。

所有参与者都居住在科克市中心30公里半径内的5个地点之一。都进行了饮食评估（通过半定量的155项食物频率调查问卷（FFQ）评估）、世界卫生组织幸福指数（WHO-5）调差问卷填写、个人病史和家族史调查。

在研究开始后的1个月内，没有人服用抗生素，也没有人服用泻药、皮质类固醇、消炎药或抗凝剂。

研究人群的特征：

分组：

irish Travellers：爱尔兰旅行者

Elderly irish community：居住在社区住宅的爱尔兰老年人，非旅行者，137人

Elderly irish long-stay：长期接受家庭护理的爱尔兰老年人，非旅行者，53人

Young irish：青年的爱尔兰人，非旅行者，141人

international controls/ Global：从鸟枪法宏基因组公共数据集中选取了3481名成人（≥20岁）的宏基因组图谱，作为无疾病对照。这些数据覆盖五大洲的15个不同民族。包括了non-industrialized societies（非工业化群体）和“industrialized”（工业化群体）

non-industrialized-like：爱尔兰旅行者亚群体，下文称类非工业化群体

industrialized-like：爱尔兰旅行者亚群体，下文称类工业化群体

宏基因组数据分析：

采集每个参与者的粪便，提取DNA。用于Illumina NextSeq平台的宏基因组鸟枪法测序。数据预处理后，使用MetaPhlan2进行物种分析，HUMANN2进行基因功能分析。

R3.5.3进行数据的统计分析。分组间的比较使用Mann-Whitney U检验，对于组内比较，采用Mann-Whitney检验，并将丰度差异(Benjamini–Hochberg, P< 0.1) 确定为一组相对于另一组的增加或减少。I-graph包用于网络的分析，Cytoscape可视化。

主要结果

1. 利用PCoA分析不同群体之间的微生物组成差异。发现爱尔兰旅行者有不同于其他队列（非工业化群体和工业化群体）的独特的微生物组成。

a. 爱尔兰旅行者群体与老年和年轻的非旅行者爱尔兰人群体间的PCoA分析。可以看见两者之间有明显的分离。(PERMANOV A F model = 4.86,R2 = 0.01, P = 0.001)

b. 爱尔兰旅行者与其他来自全球的某些地区的宏基因组元数据（international controls）之间的PCoA分析。在PCoA的第二条轴上能明显看到非工业化和工业化群体之间的分离。（ANOVA,PCoA1:P<2.2*10^-16, PCoA2:P<0.003）

c. PCoA图。微生物群α多样性的两个指数(物种多样性和丰富度)表明，爱尔兰旅行者在工业化和非工业化群体之间处于中间位置。

d. 为了探索c图中处于中间位置的微生物群，研究人员在PCoA坐标上采用了一种基于距离的方法，通过计算每个参与者各自的肠道微生物群与工业化和非工业化人群的中位距离，确定了“中间”（Intermediate）的微生物群。

2. 在旅行者亚群体中确定了类非工业化、类工业化和“中间”的微生物群落

通过计算6种不同的相异距离度量，Bray-Curtis,

Jaccard, Binomial, Manhattan, Canberra 和Spearman，进行PCoA分析，在每个分析情况下都明显出现了分离，红色为类非工业化，暗黄色为“中间”，蓝色为类工业化。

3. 通过对爱尔兰旅行者的饮食模式与其它爱尔兰人队列或爱尔兰旅行者亚群之间的比较研究。结论表示爱尔兰旅行者组之间的饮食差异很小，主要的饮食差异在旅行者和非旅行者爱尔兰人之间，不在旅行者的亚群中。

a.各种常量营养素和微量营养素的平均消耗频率的中位数的热图，横轴为不同队列，纵轴为各营养素，单元格内的值为校正后P值，仅显示P<0.1的情况。

爱尔兰旅行者饮食的主要标志是高脂肪(各种形式)和蛋白质，以及相对较高的视黄醇、氯化物、泛酸、色氨酸、碘、维生素B12和锌。

爱尔兰旅行者的纤维摄入量(由非淀粉多糖反映)低于所有其他组，除了Elderly irish long-stay组。

b.PCoA图展现了不同队列之间基于常量营养素的膳食概况和指定营养素与各队列的关联。爱尔兰旅行者用红色表示。

c. 箱线图显示爱尔兰各队列的健康食品多样性(HFD)的指数值。爱尔兰旅行者的饮食质量明显低于其他组。

d.对爱尔兰旅行者中三个亚群（非工业化组，中间组【Intermediate】，工业化组）的饮食概况进行了PERMANOVA分析，结果显示三组之间的饮食相似。

e、f. 热图显示了爱尔兰旅行者的三个亚群（*Travellers）与另外三个非爱尔兰旅行者队列中五大主要食品的平均消费水平。从图中侧边的聚类看，爱尔兰旅行者亚群之间的差异较小。箱线图指示健康食品多样性指数。

4.利用网络分析，探索非工业化群体和工业化群体的微生物群之间的关联性。

使用了international controls数据集（3481个样本），揭示了两个截然不同的群体(工业化和非工业化)，其中蒙古人（Mongolian）和旅行者这两个群体都与工业化和非工业化群体有联系。

在旅行者亚群中观察到了不同的关联性，其中类非工业化群体主要与非工业化群体、“中间”和类工业化群体有关联，而“中间”和类工业化群体又与工业化群体有关联。

4. 爱尔兰旅行者儿童期到成年期生活条件变化与微生物群落的关系，论证了生活条件的变化与微生物群的差异有关。

计算了工业化与非工业化微生物群的PCoA坐标与爱尔兰旅行者队列中特定居住地点组（a图横轴坐标名称所示）的样本之间的欧氏距离。然后计算平均距离。

Bean图显示了给定变量在y轴上每个值上的平滑密度分布。对于每个Bean图，在给定值y处的图的宽度指示具有该y值的变量的频率。

Bean图中的P值表示在特定居住地点组内的非工业化和工业化群体之间的中位数距离的成对比较的重要性。Bean图上的P值（颜色分别对应非工业化和工业化群体）表示特定居住地点组间的两两比较的重要性。

从a图中得出结论，在工业化群体中，对比一直住在房子里的旅行者，童年时就住在停歇地的旅行者的微生物群变化更大。

b. 爱尔兰旅行者亚群与非旅行者爱尔兰群体微生物群的比较。Bean图显示了3个爱尔兰旅行者亚群和非旅行者爱尔兰人的微生物群与非工业化和工业化队列的微生物群的平均距离的分布。

5. 与旅行者保留祖先或非工业化微生物群有关的主要的生活方式因素是住房条件、兄弟姐妹数量和动物拥有率。饮食并不是将旅行者的微生物群分成类非工业化的和类工业化的两个组的决定因素。

a.b. 曲线下面积(AUC)为0.82，总体准确率>77%的旅行者中，有8个因素可以解释非工业化的微生物群与工业化的微生物群

c. 有3个因素使爱尔兰旅行者有别于其他爱尔兰人：住房条件(Housing conditions)、兄弟姐妹数量(Number of siblings)和动物所有权(animal ownership)。

d.e.f 在住房条件为停歇地的群体中，保留非工业化类微生物群的旅行者的个体比例明显更高（Fisher’s

exact test, P = 0.004），而这些保留非工业化类微生物群的群体都存在显著的兄弟姐妹数量增加和拥有动物所有权的个体比例增高。

6. 爱尔兰旅行者微生物群的组成变化与基因功能代谢变化有关，而这些功能变化与工业化（西方）社会的慢性病风险的增加有关，如SCFA途径减少、TMA增多。

类非工业化（NI-Like）和类工业化（I-Like）旅行者之间的微生物群功能差异与全球队列（Global）中的微生物群功能差异情况，结果证明这两者是相似的。通过观察功能预测和已知的种水平的功能分析之间的一致性，用来识别具有差异的代谢途径或功能。

图中abcdef分别为丁酸盐、脂多糖生物合成、粘蛋白降解、次级疏水胆汁酸生成、动物碳水化合物、三甲胺转化率。

左边为产物的生产丰度，右边为与该产物相关的KEGG代谢基因的丰度。

生产丰度的变化趋势也反映在与其相关的功能代谢基因的丰富度上。所有P值都经过FDR校正，出了橙色高亮的P值。

TMA被认为是动脉粥样硬化、脂肪性肝病和2型糖尿病的危险因素。血清TMA水平受包括肠道微生物在内的因素调控。

结论

爱尔兰旅行者的微生物群的特征表现为缺乏在非工业化群体中典型丰富的物种，同时又表现出对工业化社会典型丰富的物种的较低的、可变的获取。

旅行者微生物群差异的主要驱动因素是非饮食的生活方式和环境因素。虽然旅行者的饮食是西式的，但他们的生活条件与非工业化社会相似。

与工业化相关的微生物群的功能变化可能使旅行者更容易患上慢性病，包括次级胆汁酸的生成增加，LPS的生物合成增加，TMA转化率增加。产甲烷古菌的丧失，这也是一个特征，预计会导致氢水平和氧化还原通量的改变。

研究人员认为要预防西方的慢性病，需要了解肠道微生物群如何随着现代化的发展而变化。由于环境是宿主与微生物相互作用的一个深刻决定因素，因此在现代工业化社会中拥有一个非工业化的类似微生物群落的这一意义需要引起大家的关注。

微生物取样方法大全

随着高通量技术的发展，我们对微生物的认识逐步深入，微生物在临床以及科研上的应用越来越多，而微生物采样的正确与否直接关系到微生物数据的准确性。

因此，微生物的采样方法就显得格外重要。

首先，我们需要在取样的过程中，注意以下几个方面：

(1) 所有实验用到的取样用具必须是经过灭菌的（如样品袋、取样器、采血管、试管、铲子、匙、刀类工具等）。

(2) 收集样品信息，取样前或取样后应在盛装样品的容器或样品袋上立即贴上标签，每件样品必须标记清楚（例如品名、来源、数量、取样地点、取样人及取样日期等）。

(3) 请尽量将样本分装 3-5 份备份；建议每组取 6 个及以上重复较为合适，至少 3 个重复。

(4) 用到谷禾取样管的实验样品，可以常温运输；如果不用取样管，则必须低温-80℃保存，保存期间切忌反复冻融；低温寄送时请将样品置于泡沫箱中，用干冰寄送。

然而样品种类繁多，不同的样品取样有不同的方案，下面详细介绍每类样品对应的取样方案。

环境微生物

普通土壤

(1)去除表面浮土、凋落物等，根据土壤情况，选择是否过2mm筛网，每个样品从3个及以上采样点采集并混合而成，建议将样本分装 3-5 份备份；

注：采样时需注意每个采样点的取土深度及采样量应均匀一致，土样上层与下层的比例要相同。

(2)保存于无菌离心管中，置于泡沫箱（冰袋或干冰）中，0°C以下运回实验室；

(3)如果条件不允许立即提DNA，可将样品置于-80°C冰箱中保存，并通过干冰寄送至公司后提取样品总 DNA。

根际土壤

根际，是指受植物根系活动影响，在物理、化学和生物学性质上不同于土体的那部分微域环境。部分研究是针对土壤微生物与植物之间的相互关系，因此需要对根际土进行取样。

(1) 采集植株，去除根周较松散的土，仍附着在根系表面的视为根际土。将植物置于装有冰袋或干冰的保温箱中，避光条件，0℃以下运回实验室；

(2)准备无菌容器，将植物根系部分置于缓冲液（PBS或生理盐水）中震荡，震荡时间和强度依据样本实际情况调整，洗下根际土；

(3)将洗涤液进行高速离心，收集土壤沉淀，若沉淀较少，也可过滤膜，同一样方取样的样本进行多点等量混合；

(4) 将样本分装至离心管中，密封，标记样本信息后液氮速冻，置于-80℃冰箱保存，干冰寄送。

水体沉积物、底泥

采集水底沉积物5~10 g（具体深度依据实验目的确定），保存于冻存管中，标记好样本信息后液氮速冻或置于装有干冰的泡沫盒中，黑暗环境下，尽快运回实验室，-80℃冰箱保存，干冰寄送。

活性污泥

多点取样并等量均匀混合至约10 ml的悬浮污泥样本（5~10 g沉降物），保存至冻存管中，标记好样本信息后液氮速冻或置于装有干冰的泡沫盒中，黑暗环境下，尽快运回实验室，-80℃冰箱保存，干冰寄送。

水体

(1) 采集水样应注意无菌操作，以防止杂菌混入。

(2) 根据实验设置，选取适当孔径的滤膜，使用水体抽滤机抽滤 1~100 L 水体（不同水质间差异极大），或抽滤至滤膜上可见明显覆盖物。

对于浑浊水体，建议过滤前静置分离悬浮颗粒物，先用大孔径滤膜过滤一遍，再用小孔径滤膜过滤。

(3) 标记好样本信息后液氮速冻或置于装有干冰的泡沫盒中，黑暗环境下，尽快运回实验室，-80℃冰箱保存，干冰寄送。

注：根据水体中微生物含量不同，取样量有所不同：污水等菌群丰富的水体用量一般为200-1000 ml，湖泊、河流等自然水体一般为 1-2 L，自来水等菌群含量较低的水体则一般为 1-5 L，海洋水体随着地理位置、季节和取样深度浮动较大。

食品

包装食品

尽可能取原包装，检验前不要开封，以防污染。

大块冷冻食品，应从几个不同部位用灭菌工具取样，使样品具有充分的代表性；

在将样品送达实验室前，要始终保持样品处于冷冻状态。样品一旦融化，不能再冻，保持冷却即可。

液体食品

通常情况下，液态食品较容易获得代表性样品。

盛放在大罐中的液态食品（如牛奶、奶昔、饮料等），取样时可连续或间歇搅拌；

盛放在小容器的液态食品，可在取样前将液体上下颠倒，使其完全混匀。较大的样品要放在已灭菌的容器中送往实验室。实验室在取样检测之前应将液体再彻底混匀一次。

对于牛奶、葡萄酒、植物油等，常采用虹吸法（或用长形吸管）按不同深度分层取样，并混匀。如样品粘稠或含有固体悬浮物或不均匀液体应充分搅匀后，方可取样。

半固体食品

用无菌操作开启包装，此类样品无法用吸管吸取，可用无菌勺子从不同部位挖取样品，放入无菌盛样容器。若样品是粉末，应边取边混合。

固体食品

面粉或奶粉等易于混匀的食品，其成品质量均匀、稳定，可以抽取小样品（如100g）检测。但散装样品必须从多个点取大样，且每个样品都要单独处理，在检测前要彻底混匀，并从中取一份样品进行检测。

肉类、鱼类或类似的食品既要在表皮取样又要在深层取样。深层取样时要小心不要被表面污染，同时避免使之暴露在空气当中。

有些食品，如鲜肉或熟肉可用灭菌的解剖刀和钳子取样；冷冻食品可在未解冻的状态下可用锯子、木钻或电钻（一般斜角钻入）等获取深层样品；全蛋粉等粉末状样品取样时，可用灭菌的取样器斜角插入箱底，样品填满取样器后提出箱外，再用灭菌小勺从上、中、下部位取样。

注：

· 注意不要使固体样品过度潮湿，以防食品中固有的细菌滋生。

· 食品如为非冷藏易腐食品，应迅速将所取样品冷却至0℃~4℃；若样品是冷冻的，应保持冷冻状态，低温寄送。

植物内生菌

植物内生细菌是植物微生态系统中的重要组成部分，直接对植物组织样本进行测序分析，可以研究植物内生细菌或真菌的多样性。

(1) 根据研究对象选取新鲜植物组织（如果是植物根部，需去除根表粘附土壤）；0℃以下运回实验室；

(2) 根据组织大小剪成小块或小段（至少两边不超过0.5cm），在无菌工作台内，用无菌水对植物组织进行洗涤30s；

(3) 表面无菌化处理：

第一次消毒：75%无水乙醇浸泡1min；第二次消毒：2%次氯酸钠处理3min，转入75%无水乙醇浸泡30s，接着用无菌水漂洗3次；

(4) 进行核酸提取实验或液氮速冻，放置-80℃冰箱保存。干冰寄送。

动物肠道内容物

(1) 用无菌手术刀挖取（或无菌镊子挤出，也可用无菌生理盐水冲洗出）肠道内容物；

(2) 直接用谷禾取样盒里的棉签沾取约黄豆大小的肠道内容物，将沾取内容物的棉签浸入取样管液体搅拌洗脱内容物进入取样管保存液内；搅拌约30-40s，然后丢掉棉签，将管子盖子拧好，快速摇晃取样管至少30秒；

(3) 观察到管内液体带有明显肠道内容物颜色即取样成功，常温寄送。

人和其它动物粪便

(1) 使用前请洗净双手，防止杂菌干扰。将取样管取出，拧开盖子。

(2) 用取样棉签沾取少量新鲜粪便(需要量为黄豆一绿豆大小)；如粪便较干，可先将棉签在取样管中浸湿后沾取；

(3) 将沾取粪便的棉签浸入取样管液体搅拌洗脱粪便进入取样管保存液内，搅拌约30-40s，然后丢掉棉拭子，将管子盖子拧好，快速摇晃取样管至少30秒；

(4) 观察到管内液体带有明显粪便颜色即取样成功，常温寄送。

注：

· 如3天内使用过抗生素类、质子泵类胃药、阿片类精神药物请停药3天后再检测。

· 感冒、腹泻或其他症状期间不影响取样,拉稀或稀便可以用棉签反复沾取粪便至取样管。

· 如长期便秘无排便可使用开塞露等辅助手段获取粪便样本。

·取样无时间和饮食限制,但是取样前最好正常饮食。

· 完成取样后样本可常温有效存储一周,为保证检测时效请完成取样后尽快送回。

口腔

口腔拭子

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等；

(2) 准备一杯清水（约150ml），将清水含入口中，充分洗漱口腔约10秒，重复2-3次。

(3) 将拭子伸入口腔，使拭子头充分接触左侧口腔内壁，上下牙床处粘膜，用适当力度上下擦动并旋转拭子15-20圈。用同样方法在右侧口腔内壁及上下牙床粘膜处进行另一根拭子的采样。

(4) 将拭子置入取样管保存液内，搅拌约30-40s，然后丢掉拭子，将管子盖子拧好，快速摇晃取样管至少30秒；常温寄送。

咽拭子

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等；

(2) 准备一杯清水（约150ml），将清水含入口中，充分洗漱口腔约10秒，重复2-3次。

(3) 将采集对象舌头外拉，使悬雍垂尽可能向外牵引。同时，将拭子越过舌根到咽后壁或者悬雍垂后侧，反复擦拭15次以上，避免接触舌、口腔粘膜和唾液。

(4) 将拭子置入取样管保存液内，搅拌约30-40s，然后丢掉拭子，将管子盖子拧好，快速摇晃取样管至少30秒；常温寄送。

唾液取样

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等；

(2) 准备一杯清水（约150ml），将清水含入口中，充分洗漱口腔约10秒，重复2-3次。

(3) 用舌尖抵住上颚或下颚齿根以富集唾液，向取样管中轻轻吐入唾液，直至液体唾液（非气泡）达到2ml 以上。搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒；常温寄送。

牙菌斑取样

(1) 采样前30分钟禁食、禁烟酒等；

(2) 准备一杯清水（约150ml），将清水含入口中，充分洗漱口腔约10秒，重复2-3次。

(3) 用棉卷隔湿所采集的牙齿，再以无菌生理盐水冲洗牙面，用无菌挖匙或探针采集窝沟菌斑或唇颊面菌斑；以牙线置于两邻牙之间，紧贴牙面采集邻面菌斑。采集后放入含有保存液的取样管内，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒；常温寄送。

皮肤

一、样本筛选

如果受试者存在以下情况，则需剔除：

(1) 采样前7天，脸部，头皮，脖子，胳膊，前臂或者手使用过抗生素或者萜类物质者；

(2) 脸部，胸部，背部或者肩膀有痤疮者；

(3) 头皮，脸，脖子，手臂，前臂或者手上有水泡，脓疱，疮，脓肿，腐烂或者溃疡者；

(4) 在取样部位处有一处水泡，脓疱，疮，脓肿，腐烂，溃疡，藓，伤口，裂纹或者色素及粉红色的皮肤修复区者；

(5) 身上有多处粉色或红色皮肤区域者（暗指牛皮癣或者湿疹患者）；

(6) 手掌或者脚掌皮肤增厚或者有裂纹者；

(7) 两周之内，每天使用去屑洗发水都不能清理干净头皮屑者；

(8) 身体一处或者多处有散发型皮疹者。

二、收集方法

(1) 将拭子在无菌生理盐水或清水中浸湿，在实验目的区域擦拭10s；

(2) 样本采集后立即将拭子置入取样管保存液内，搅拌约30-40s，然后丢掉拭子，将管子盖子拧好，快速摇晃取样管至少30秒；常温寄送。

人体其它部位

组织

(1) 取相应部位组织样品，于无菌操作台上解剖，用灭菌剪刀、解剖刀切取指甲盖大小左右组织块；

(2) 将组织块放入冻存管中并盖紧盖子，标记好样本信息。样品液氮速冻后放入-80℃冰箱保存。干冰寄送。

肺泡灌洗液

(1) 口咽部进行雾化利多卡因麻醉后，滴注120-300mL无菌生理盐水进行BAL液体标本的收集。取样后离心，去掉上清，取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存，干冰寄送；或取沉淀物洗脱置取样管，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒，常温寄送。

肠道灌洗液

(1) 收集肠道灌洗液，过膜；或者将肠道灌洗液离心，弃上清，取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存，干冰寄送；或取沉淀物洗脱置取样管，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒，常温寄送。

生殖道

(1) 采用无菌棉拭子，沿着阴道口、阴道中部和后穹窿内腔壁旋转拭子做圆周运动数次。

(2) 擦拭后立即将拭子浸入取样管中的保存液中，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒，常温寄送。

血液

(1) 成人10-20ml（儿童1-3ml）全血收集到真空采集管（已加入抗凝剂），上下颠倒两次。

(2) 标记信息，低温保存，干冰寄送。

乳汁

(1) 洗净双手，母乳期用无菌水擦拭乳头，取乳汁5-10ml 3管（除掉第一管）。

(2) 低温（-20℃）保存，干冰寄送；或者用拭子沾取乳汁后，立即将拭子浸入取样管中的保存液中，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒，常温寄送。

腹水

(1) 收集腹水10-20ml，离心，弃上清，取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存，干冰寄送；或取沉淀物洗脱置我们的取样管，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒，常温寄送。

胆汁

(1) 胆汁样本由十二指肠引流法或胆囊穿刺法或手术中留取胆汁，采集胆汁量为5ml，置无菌管内，离心，弃上清，取沉淀物。

(2) 用液氮速冻-80℃保存，干冰寄送；或取沉淀物洗脱置我们的取样管，搅拌约30-40s，快速摇晃取样管至少30秒，常温寄送。

尿液

(1) 采集中段尿液40 ml左右。（中段尿：在排尿过程中，弃去前、后时段排出的尿液，以无菌容器收集）；

(2) 一般留取清晨第一次尿液，最好憋尿6小时。住院患者可以直接取晨尿，患者将晨尿的中段尿收集至无菌杯中40 ml为宜；门诊患者或健康人等无尿意者，可以适量饮水，在有尿意时尽可能的多憋一段时间，将尿液的中段尿收集至无菌尿杯中40 ml为宜；

(3) 离心，去上清，加入我们的液体保存，常温寄送。

注：

· 应在抗生素使用前或停用抗生素药5天后留尿液标本。

· 对于小便轻度失禁患者或者憋尿时间过长患者，对中段尿比较难控制的情况下，我们可以告知患者在排尿过程中3 s后采集尿液。

·如果是病危或昏迷病人，可由相关医务人员用导尿方法采集尿液，此操作过程中要严格执行无菌操作，避免因导尿不慎而导致的泌尿系统感染。也可以采用经下腹前壁膀胱穿刺取尿培养的方法。

以上是各类样品的取样方法，可供参考。

也许有人问，是否一定要用我们的取样管保存液，能不能用生理盐水或者别的来替代。下面是我们进行的关于保存液的测试：

经测试，使用谷禾取样管保存液，能在-80℃ ~ 65℃ 的条件下保持DNA完整性，室温有效储存长达30天，尽可能保证与新鲜样本具有一致的菌群构成特征。

要想得到较为理想的测序结果，首先样品的质量需要得到保障，当然样本提取、建库、分析对最终结果都会产生一定的影响，而取样同样重要。如果没有取好，后续分析再多，可能也得不到想要的结果。

另外，严谨的研究设计对于获得准确且有意义的结果也很重要，研究设计中应注意考虑混杂因素，如果在不确定的情况下，也可以适当咨询我们的技术顾问，结合我们的经验，给您合适的建议。

当然实验过程中，也可能会受到多种因素的影响，我们会采用阴性和阳性对照，尽可能减少这些不必要的影响。

总之，做好前期的准备工作，包括研究设计，取样等，后续的提取、测序、分析交给我们~

微生物群和微生物组有区别吗？本文带你详细了解它们的前世今生

微生物研究领域在过去的几十年里发展迅速，已经成为一个重大的科学和公众利益的话题。然而我们对“微生物组”一词缺乏一个公认的明确定义。

近日，奥地利格莱兹科技大学Gabriele Berg教授和亥姆霍兹慕尼黑中心Schloter教授究国际专家组成的小组会议讨论关于微生物和微生物组到最新的技术发展和研究结果，明确区分了“微生物群”和“微生物组”两个术语，并就微生物群的组成、微生物群在时间和空间上的异质性和动态性、微生物网络的稳定性和恢复力、核心微生物群的定义进行了全面的讨论，以及功能相关的关键物种以及微生物宿主和微生物群落内物种间相互作用的共同进化原理。

这些宽泛的定义以及所建议的统一概念将有助于今后改进微生物组研究的标准化，并可能成为综合评估数据的起点，从而使知识从基础科学更快地转移到实践中。此外，微生物组标准对于解决与地球健康领域人为驱动的变化相关的新挑战非常重要，对微生物组的理解可能会起到关键作用。

本文是基于2019年3月6日在奥地利图尔恩举行的研讨会的讨论而形成的，该研讨会是Microbiome Support项目的一部分，该项目旨在建立国际研究标准。

研讨会汇集了来自学术，政府和行业团体的领先微生物组研究人员，他们代表了不同领域的专业知识。在研讨会之前，通过发送在线调查问卷，收集了来自世界100多位专家的建议。调查的结果和随后的研讨会讨论构成了术语“微生物组”的拟议定义的基础，此处介绍了包含微生物组研究规则和基准修订。

01 从微生物到微生物群落的历史

许多技术发明推动了微生物的研究，导致我们对健康和疾病的理解发生了范式转变。

图1 历史回顾

显微镜的发明，让我们得以发现一个全新的未知的微生物世界。

罗伯特·科赫（Robert Koch）对由于微生物感染而导致的人类和动物疾病起源的解释以及病原性概念的发展是微生物学的重要里程碑。

DNA的发现，测序技术，PCR和克隆技术的发展使人们能够使用与培养无关，而是基于DNA和RNA的方法研究微生物群落。

这些新的可能性彻底改变了微生物生态学，因为以高通量的方式进行基因组和宏基因组分析提供了有效的方法来解决单个微生物以及整个自然栖息地中整个群落的功能潜能。

多项综述已强调了结合多种“组学”技术分析宿主微生物相互作用的巨大潜力和巨大潜力。

02 微生物组定义

通常将微生物群落定义为生活在一起的微生物的集合。更具体地说，微生物群落被定义为多物种集合，其中（微生物）有机体在连续的环境中彼此相互作用。

微生物组的首次定义

1988年，Whipps及其同事研究了根际微生物的生态学，首次定义了微生物组。他们将“微生物组”描述为“微生物”和“生物组”的组合，并在“具有明确的理化特性的合理定义的栖息地”中将“特征微生物群落”命名为“活动剧场”。

该定义代表了微生物群落定义的实质性进步，因为它定义了具有不同特性和功能的微生物群落及其与环境的相互作用，从而形成了特定的生态位。

微生物组的常用定义

但是，在过去的几十年中，还发布了许多其他的微生物组定义。当前最常引用的定义是Lederberg将生态环境中的微生物群落描述为生物体空间或其他环境中的共栖，共生和致病微生物群落。

Marchesi和Ravel集中在对特定环境下的基因组、微生物(和病毒)基因表达模式和蛋白质组以及生物和非生物条件的定义。所有这些定义暗示着宏观生态学的一般概念可以很容易地应用于微生物-微生物以及微生物与宿主的相互作用。

然而，这些为大型真核生物开发的概念在多大程度上可应用于原核生物，这些原核生物具有不同的生活方式，如休眠，表型变异和水平基因转移以及目前尚不清楚的微型真核生物。这就提出了一个挑战，即要考虑一种全新的微生物组生态学概念生态模型和理论体系，特别是在微生物相互之间以及与宿主生物和非生物环境相互作用的不同层次上。

许多当前的定义未能捕捉到这种复杂性，并且将术语“微生物组”描述为仅涵盖微生物的基因组（下表）。例如，Merriam Webster发布平台提出了两种微生物组定义：一种描述宏基因组，另一种是微生物群落，但仍然无法将宿主和环境作为微生物组的整体生态成分而不是一个独立的实体来捕获。

表1 微生物组的定义

修订后的概念框架将使我们能够从对微生物分类的方法转变为更全面的微生物功能及其与环境相互作用的观点。

然而，这将需要跨不同领域工作的科学家之间更多的跨学科互动。关于微生物组的各种观点是Microbiome Support研讨会中讨论的中心部分。

根据在线调查和研讨会讨论中获得的答复，参与者得出的结论是Whipps等人的原始定义仍然是最全面的，它描述了微生物组的复杂性及其生态学和进化生物学的各个方面。研讨会的参与者讨论了许多关键点，并提出了一些建议，以澄清和修正原始的Whipps和同事的定义。

这些修正案涉及（1）微生物组的成员，（2）微生物组的成员之间以及现有微生物网络内部的相互作用，（3）环境中微生物群落的时空特征，（4）核心微生物群，（5）从功能预测到物种表型，以及（6）微生物组-宿主或环境相互作用和协同进化。下面将详细讨论这些方面。

03 微生物组成员

微生物群包括形成微生物组的所有活的成员。下表解释了这两个词源的词源学和差异。细菌，古细菌，真菌，藻类和小的原生生物应被视为微生物组的成员。大多数微生物组研究人员都同意这一定义。

表2 微生物组/微生物群词源

噬菌体，病毒，质粒和移动遗传元件的整合是微生物组定义中最具争议的问题之一。参与者在“微生物组定义”在线调查中的评论也证实了这一点。受访者对病毒和噬菌体是否应属于微生物组这一问题的回答没有给出明确的答案，并且从“无论如何”延伸到“绝对没有”。

关于来源于死细胞的细胞外DNA（所谓的“遗留DNA”）是否属于微生物组还没有明确的共识。在更广泛的生境分析中，残留DNA最多可占土壤中测序DNA的40％，平均占细菌总DNA的33％，在某些样品中最高比例为80％。

有意思的是，尽管它非常丰富且无处不在，但遗留DNA对分类学和系统发育多样性的估计影响很小。当使用特定术语时，微生物组和微生物群之间的清晰区分有助于避免有关微生物组成员的争议（下图）。微生物群通常被定义为存在于特定环境中的活微生物的集合。由于噬菌体，病毒，质粒，病毒，类病毒和游离DNA通常不被视为活微生物，因此它们不属于微生物群。

图2 强调微生物组（微生物群落）及其“活动区”组成的示意图

最初由Whipps及其同事提出的微生物组一词不仅包括微生物群落，还包括微生物的“活动区”。后者涉及微生物产生的所有分子，包括其结构元素（核酸、蛋白质、脂类、多糖）、代谢物（信号分子、毒素、有机和无机分子），以及共存宿主产生的并由周围环境条件构成的分子。因此，“微生物组”术语应包括所有可移动的遗传元件，例如噬菌体，病毒，“遗物”和细胞外DNA，但不属于微生物群（上图）。

此外，在这方面，重要的是要考虑方法方面的差异，以区分DNA与活生物体及其环境（请参阅技术标准章节）。术语微生物组有时也与宏基因组混淆。然而，宏基因组被明确定义为来自微生物群成员的基因组和基因的集合。

微生物组研究有时关注特定微生物群的行为，通常与明确的假设有关或由其明确证明。虽然越来越多的术语如“细菌组”，“古细菌组”，“霉菌组”或“病毒组”在科学文献中开始出现，但这些术语并非指生物群落（一个具有独特的（微生物）集合的区域生态系统，而物理环境往往反映一定的气候和土壤）作为微生物群本身。因此，最好使用原始术语（细菌，古细菌或真菌群落）。

与可以单独研究的微生物群落相反，微生物组始终由所有成员组成，这些成员彼此相互作用，生活在相同的栖息地，并共同形成其生态位。

公认的术语“病毒组”衍生自“病毒”和“基因组”，用于描述由一系列与特定生态系统或全生命周期相关的核酸组成的病毒Shotgun基因组。但是，这里也可以将“病毒基因组”作为语义和科学上更好的术语来建议。

每个微生物组成员应以何种分辨率进行研究？

对于真核生物，在大多数情况下，“生殖单位”是一个适当的水平，可以测量生物的动态，尽管物种定义仍在争论中。

但是，对于原核生物，尚不存在基于繁殖的定义：当前的物种定义基于生物之间的DNA同源性，例如DNA-DNA杂交揭示的“ 70％以上的DNA相似性”或根据Goris及其同事的建议。与真核生物相似，微生物菌株或生态型是分类和功能的基础。此处定义的菌株的稳定性是最关键讨论的问题，主要是由于水平基因转移（HGT）的频繁发生。

后者是由诸如质粒，噬菌体和转座子之类的可移动遗传元件从一种菌株转移到另一种菌株而引起的，导致不可避免的基因组变化并严重影响菌株的稳定性。然而，由于微生物菌株之间的本质功能差异，忽略菌株水平可能会导致对数据的误解。

在微生物菌株中定义具有生态意义的种群对于确定其在环境微生物和与宿主相关的微生物群落中的作用很重要。

最近，作为一种解决方案，引入了一种新的衡量最近基因流量的指标，该方法可确定与近亲相邻的，被强基因流不连续性隔开的一致的遗传和生态单位。

04 微生物网络和相互作用

微生物彼此相互作用，这些共生相互作用对微生物组内的微生物适应性，种群动态和功能能力具有不同的影响。这些相互作用可以在相同物种的微生物之间，也可以在不同物种，属，科和生命域之间。

这些网络中的交互模式可以是积极的（互惠的、协同的或共栖的）、消极的（偏害共栖[包括捕食、寄生、对抗或竞争]）或中性的，即对相互作用物种的功能能力或适应性没有（或没有观察到）影响。

微生物生命策略的概念可以影响相互作用的结果。例如，争夺相同来源的微生物在不同营养水平争夺相同化合物时也可以从彼此受益。复杂微生物生态系统的稳定性取决于同一底物在不同浓度水平下的营养相互作用。

重要的是要强调指出，到目前为止，人们对自然界中微生物社会适应的研究还不够。在这里，分子标记可以通过支持自然微生物群系中利他主义者和作弊者等理论来提供社会适应的见解。

次生代谢产物在介导复杂的种间相互作用并确保竞争环境中的生存中起着至关重要的作用。群体感应（QC）, 由小分子（如N-酰基高丝氨酸内酯或肽）诱导的细菌诱导细菌控制合作活动，并使它们的表型适应生物环境，从而导致例如细胞间粘附或生物膜形成。

直接种间电子转移（DIET）是大多数厌氧生态系统中交流的重要机制。此外，挥发性化合物还可以作为长距离信使，实现长距离跨界交流。

此外，所谓的“真菌高速公路”是细菌以及水和养分的运输系统，因此可以在构建微生物网络中发挥重要作用。

尽管有这些例子，但微生物组内的交流和相互作用仍未得到充分研究，将从对所有微生物组成员的代谢相互作用的更多了解中受益。在这里，还原论实验模型和微生物组模型可以帮助鉴定参与复杂相互作用的微生物和分子机制。

细菌的群体行为调控机制

群体效应(Quorum sensing) 是近来日益受到广泛关注的一种细菌群体行为调控机制, 很多细菌有这种能力, 即分泌一种或多种自诱导剂(Autoinducer) ,细菌通过感应这些自诱导剂来判断菌群密度和周围环境变化, 当菌群数达到一定的阀值(quorum , 菌落或集落数) 后, 启动相应一系列基因的调节表达, 以调节菌体的群体行为。

不同类型的细菌具有不同的群体效应调节系统, 很多细菌分泌同一种诱导剂, 以此调控不同种类细菌间的作用行为。群体效应系统在自诱导剂与受体之间存在专一性, 同时又在调节基因和信号传递系统中体现出多样性和复杂性。由于不少人或植物的病原菌的致病机制等受群体效应的调控, 该机制已成为医学等领域的研究热点。

图3 通过微生物共生网络可视化微生物相互作用

生物信息网络和共现分析给出了关于微生物相互作用模式的复杂性的想法，但它们不适合揭示这些相互作用的性质（上图b）。尽管存在这一限制，但对微生物网络的分析仍使研究人员能够识别中心物种，并探索微生物组内各种类型的物种相互作用的潜力。在微生物共生网络中，中枢物种以与其他物种的连接程度最高的节点（上图b）为代表。

共现分析也可以在不同的规模上应用，例如，群落规模的生态系统之间的共现模式，群落内共生微生物的模块以及嵌套在微生物群落内的模块内共生对。

它们可以与定植抗性联系起来，这决定了异源微生物入侵本地群落的潜力，并且可以被认为是产生假说的重要工具。但是，特定类型的微生物相互作用的存在及其对种群动态或功能的后果，需要在相关的模型系统中进行测试（上图c）。

此外，技术方法，如使用稳定同位素的交叉喂养实验或荧光原位杂交和共焦激光扫描显微镜（FISH-CLSM）与双重培养分析相结合，对于检验在硅胶中产生的假设非常有用。

微生物相互作用可能是微生物群落内部进化和共同进化动力学的重要基础

微生物群落成员之间的交流产生了一个复杂的景观，其中细胞的适应性或功能不仅取决于单个细胞的遗传潜能和化学环境，还取决于感测到的生物环境。网络中的中心物种通常被假设为关键物种，这一概念已从宏观生态学转移到微生物组学研究中。

与其他物种相比，基石物种在各种物种相互作用中起着至关重要的作用，并且对生态系统的性能和动态影响更大。但是，共同关联网络中的枢纽物种不一定充当基石物种。后者的特征还必须通过适当的方法加以确认和补充。

枢纽和基石分类单元绝对需要对它们的功能有更好的了解; 此外，它们可以集成到计算方法中以联系微观和宏观生态学问题。如果可以将关键物种视为“指示分类群”，那么另一个术语（已被定义为高度指示特定实验处理或环境条件的那些类群）仍不清楚。

指示分类群的概念从实践的角度引起了人们的极大兴趣，并从宏观生态学转移到了微生物组研究中，现在被广泛使用，例如，用于评估农业实践对微生物群落的影响或疾病对微生物的影响的研究。人类微生物群；如此处所示，可以使用简单且高度标准化的基于qPCR的方法进行分析。

05 考虑微生物群落的时间和空间变化

微生物群落的时间和空间结构问题对于总体上了解微生物组的功能很重要。对于理解特定过程，例如在生物技术和食品加工应用中病原体的暴发，以及预测和控制微生物群落，它也具有重要意义。总的来说，最初针对大型生物描述的大小多样性关系也被证明存在于各种生态系统中的微生物群落中。

微生物组内的时间动态可以从秒或分钟的尺度进行评估，这反映了信使RNA的时间跨度到几个世纪和一千年的尺度，在此期间微生物与其宿主或在特定环境中共同进化。细菌mRNA的半衰期取决于转录的基因，但通常在数分钟的范围内，而古细菌基因的转录本较长，并且已报道了数小时的时间。

重要的是，尽管过去许多作者将微生物活性与rRNA含量联系在一起，但最近的研究表明该概念存在严重局限性，只有mRNA可被视为代谢状态的可靠指标。在这一时间尺度范围内理解研究的适当维度对于任何微生物组的操作都是至关重要的，例如在人类微生物组研究中的治疗策略或在环境研究中使用生防制剂。仔细考虑感兴趣宿主的具体特征，例如昼夜节律，季节性变化或与宿主生物的生理学相关的生长阶段，可能有助于确定评估时间动态的最佳尺度。

图4 微生物群在时间和尺度上的动态变化

Stegen等建议考虑三类：（i）生物和非生物历史，（ii）内部动力学，和（iii）外部强迫因素作为影响微生物群落时间动态的因素。

大多数自然生态系统的特征是高度的空间结构，这被认为对许多生态系统服务都很重要。考虑到空间规模，可能意味着要比较远处区域之间的微生物模式，以及相同生境的生存空间之间的区别不明显（图4b）。

植物多样性与土壤微生物组多样性的相互影响

土壤主要由微团聚体（<0.25毫米）组成，这些团聚体结合土壤有机碳并保护其免受侵蚀，而大团聚体（0.25到2毫米）则限制了氧气的扩散并调节了水的流量。每个聚集体都具有独特的生态位，并具有其独特的微生物组结构。实际上，由于在小空间尺度上存在如此众多的生态位，土壤被认为是地球上微生物群落组成最多样化的生态系统。例如，农业耕作引起的生态位的减少会导致微生物多样性的丧失。由于植物和耕作在很大程度上影响土壤结构的发展，植物多样性的丧失也对土壤微生物组的生物多样性产生了强烈影响。

但是，对于“先生鸡还是蛋”的答案尚不清楚（土壤微生物组的变化会引起植物多样性的改变，反之亦然）。微生物群落对宿主的定殖也不均匀。

众所周知，例如，叶子的根部与根部相比具有不同的菌群，并且根部本身被微生物异质地定殖，沿着根际的长度以及根部表面与根部内部的微生物群不同。

最近，种子微生物群作为核心微生物群从一代到另一代的垂直传播的一种可能模式引起了人们的关注。

与植物相似，人体也不是被微生物均匀地定殖的：每个人体隔室都包含自己的微生物群，甚至来自一个身体部位的微生物群也可能因采样面积而异（例如皮肤微生物群）。

微生物热点和热点时刻通常紧密相连。例如，土壤的特征是存在所谓的微生物热点（包括根际，小球层或碎屑层在内的空间分离）和热时刻（时间动态）。在热点中，活跃代谢微生物的比例是非热点中微生物的2-20倍，与微生物活性较低的部位相比，热点中微生物组结构和功能的时间变化更具动态性。

06 核心微生物群定义

基于共现分析和捕获微生物群落时空动态的实验数据，研究人员寻求定义核心微生物群落。这确实是有帮助的，因为本地微生物群通常非常复杂，包括来自不同王国的数千种物种。

定义核心微生物群可以帮助区分微生物群的稳定成员和永久成员，这些种群可能是断断续续的，仅与特定微生物组状态相关或仅限于特定环境条件的种群。

Shade和Handelsman提出了第一个建议，他们将核心微生物组定义为来自相似栖息地的微生物群落之间共享的一组成员，以鉴定复杂微生物群中稳定，一致的成分。

当前，核心微生物群主要是根据具有分类学信息的DNA序列来定义的。考虑到基于DNA的分析（主要是标记基因的扩增子测序）的分辨率极限，但是很明显，核心微生物群主要是通过群体的属级鉴别来定义的，并且菌株特异性和功能变异是不考虑的。

功能性核心微生物群包含携带复制子的媒介

相比之下，Lemanceau及其同事提出了一个功能性核心微生物群，该微生物群包含携带复制子（基因）的微生物媒介，而复制子具有对整体生命的基本功能。

最近，Toju等人提出了核心微生物群的概念，专门用于将农业生态系统管理为物种丰富的社区；他们将核心定义为“形成相互作用核心的微生物集，可用于在各个植物和生态系统级别优化微生物功能。”

“核心”微生物群似乎保持相当恒定

Astudillo-García及其同事在审视高度多样化的海洋海绵微生物系统时，评估了不同核心微生物群定义的影响。虽然在定义核心社区时必须谨慎，但是，总体结果似乎对核心定义的变化相对不敏感。瞬时微生物群随时间变化，这取决于环境条件，营养的可获得性和/或宿主的生长和健康阶段，甚至昼夜节律。相反，“核心”微生物群似乎保持相当恒定。就时间动态而言，核心微生物群描述了与给定宿主基因型或特定环境持续相关的微生物群落（图4a）。

这一概念的例外情况也被描述过，例如，在最佳适应再次发生水合/脱水循环的微生物组中，不同的细菌群落在循环中发挥了不同的功能：两者均属于核心。类似地，在空间尺度上，例如，考虑在同一地理区域或同一地理区域的一系列土壤中生长的植物，核心微生物群不变（图4b）。

07 从功能预测到表型

研究微生物组的当前可用方法，即所谓的多组学方法，范围从高通量分离（培养组学）和可视化（显微镜）到靶向分类学组成（宏条形码）或解决代谢潜能（功能基因的宏条形码，宏基因组学）分析微生物活性（代谢组学，代谢组学，代谢组学）（下图）。

图5 评估微生物功能的方法

基于宏基因组数据，可以重建微生物基因组。虽然从环境样品中重建了第一个由基因组组装的基因组，但近年来，数千个细菌基因组在没有培养其背后的生物体的情况下被组合在一起。例如，最近从9,428个宏基因组中重建了全球154,723个微生物基因组。

然而，由于一方面微生物基因组DNA序列数据的大量可利用性与另一方面确认基因功能的宏基因组学预测所需的微生物分离物的可利用性之间缺少联系，理解仍然受到很大限制。

宏基因组数据为新的预测提供了场所，但是需要更多的数据来加强序列与严格的功能预测之间的联系。考虑到一个氨基酸残基被另一个残基取代可能导致自由基功能改变，从而导致给定基因序列的功能分配不正确，这一点变得显而易见。

此外，需要培养新菌株以帮助鉴定从宏基因组学分析中获得的大部分未知序列，对于研究不足的生态系统，这些序列可能超过70％。根据应用方法的不同，即使在经过充分研究的微生物组中，完全测序的微生物基因组中有40-70%的注释基因没有已知或可预测的功能。

另外，目前的估计预测，具有未知功能的域将很快超过已知功能的族。显然需要更经典的微生物学，包括结合使用靶向突变体和微生物生物化学来应对这一挑战。

从已经发现的具有未知功能的蛋白家族的全面功能表征中获得的好处，远不止于进一步扩展这些家族的列表。尽管长期以来，结合（广泛的）培养和独立于培养的分析相结合的多阶段方法一直是环境和植物微生物学领域的最新技术，但医学微生物学通常并非如此。近年来，高通量培养组学建立了人类肠道菌群的参考基因组和培养集。

了解原核生物的功能多样性非常具有挑战性

因为目前建立的118种门中有85种迄今尚未描述过单一种。最后，原核门的数量可能达到数百个，而古细菌门的研究最少。这个问题需要通过收集尚未培养的原核生物有意义的分类学和功能信息来解决。纯培养中细菌和古细菌的多样性与通过分子方法检测到的细菌和古细菌的多样性之间的差距日益扩大，这导致人们提议主要根据序列信息为尚未培养的分类单元建立正式的命名法。

原核生物国际命名法的建议修改

根据这项建议，念珠菌属的概念将扩展到密切相关的基因组序列的组，并按照已建立的细菌命名规则公布其名称。对原核生物国际命名法的建议修改引起了以下方面的关注：

（1）命名法的可靠性和稳定性；

（2）技术和概念上的局限性以及参考基因组的可用性；

（3）计算机功能的信息内容预测；

（4）识别微生物多样性的进化单位。

这些挑战需要克服，以达到一个有意义的分类学尚未培养的原核生物，目前尚不清楚的表型。在这种背景下，已经做出了巨大的努力来培养来自不同环境的细菌。

Staley和Konopka在1985年确定了“大平板计数异常”，它描述了一个事实，即90至99.9％的细菌物种无法在标准实验室条件下生长。对于某些微生物栖息地，尤其是那些具有较高养分含量和微生物活性的微生物，如肠道微生物群所述，相对于通过测序检测到的分子种类，培养物中可利用的代表性菌株的比例从35％增长至65％。

来自其他自然栖息地的微生物种群以及微生物组的真核成员也需要类似的进展。微型真核生物，如原生动物、真菌和藻类的成员，通常可以更好地培养和显微镜下研究；然而，它们的系统发育和分类学更复杂，研究较少。有趣的是，来自不同环境的16S和18srRNA基因的无引物测序表明，在微真核生物中，有大量以前未检测到的类群。

同位素探测技术

除了当前使用的计算机模拟比较和培养方法外，还可以使用一组同位素探测技术直接测试复杂微生物群落中的功能假设。这些方法包括DNA，RNA，蛋白质和脂质稳定的同位素探测（SIP）以及FISH显微放射自显影，FISH-NanoSIMS和FISH-Raman显微光谱学，后三种方法仅提供一种细胞分辨率。

RACS平台无需培养即可研究微生物代谢途径

最近，开发了一种微流体拉曼活化细胞分选（RACS）平台。在最近的一项研究中，Lee和他的同事在存在氘水的情况下，允许小鼠结肠菌群中的细胞代谢未标记的目标化合物（粘蛋白）。随后，使用RACS平台从复杂的微生物组中选出了活跃地代谢粘蛋白的氘标记细胞，并通过单细胞基因组学和培养方法进行了进一步分析。

这种方法允许以一种新型的无栽培方式将微生物的代谢表型与其基因型联系起来，从而使从微生物的潜能到微生物的功能成为可能（图5）。

尽管取得了一些进展，但这种功能分类平台的产量仍然有限，而FISH和生物正交非标准氨基酸标记（BONCAT）等互补的新技术解决方案将有助于微生物组研究中更迫切需要的以表型为中心的研究。

08 宿主微生物共进化

宿主及其相关微生物之间的密切关系引起了宿主及其相关微生物群共同进化的理论。协同进化是沿袭相互适应的谱系。

一个例子是建立早期的陆地植物，这是由共生真菌联合体促进的，这表明植物自从首次出现在土地上以来就已经与微生物共同进化了。

另一个例子是真核生物。线粒体和质体是真核细胞中的细胞器，来源于内共生细菌，在整个进化过程中，它们完全取决于宿主，反之亦然。为了促进对微生物群的全面了解，需要考虑宿主微生物的协同进化（下图）。

图6 对微生物-宿主协同进化的理解从“分离”理论转向整体方法

基于微生物与其宿主之间的相互作用，将微生物分为有益的，致病的和中性的，是广泛引用的Lederberg和McCray关于微生物组定义的一部分。

根据他们的解释，拮抗协同进化包括宿主-寄生虫的相互作用，而当积极相互作用占优势时，则存在互助协同进化。这种积极的相互作用可能演变成专性共生，垂直遗传和代谢协作（上图）。

根据致病微生物，有益微生物和中性微生物与宿主之间的相互作用，对致病微生物，有益微生物和中性微生物进行分类可能对微生物宿主相互作用在调节宿主适应性中起核心作用的研究（例如医学研究）有用。然而，对致病性数据的解释应谨慎。

对条件致病菌的最新研究表明，宿主与微生物的相互作用不仅取决于宿主，还取决于整个微生物组。自然抑制疾病的土壤表明植物和许多土壤传播条件致病菌的情况类似。

此外，在许多环境研究中，可能没有长时间可利用的特定宿主，这使得划分致病菌和有益菌变得无关紧要。

与其研究一种特定微生物与其宿主之间的相互作用，不如考虑基于全环素理论的整体方法（图6）。按照这种方法，宿主及其微生物组之间的有益相互作用负责维持整体生物的健康，而疾病通常与微生物失调有关。

在失调的背景下，建立了“病原体组”概念（图6），该概念代表了整合在其生物环境中的病原体，并应用于多种病理系统。这种方法表明，微生物多样性是预防植物和人类肠道疾病的关键因素。

尽管进行了众多研究，定义了“健康的微生物群”，但是在未来，平衡和失调之间的界限仍然是一个重大挑战。

微生物与宿主之间相互作用的另一种有趣解释是所谓的“安娜·卡列尼娜原理” 。声明指出，与列夫·托尔斯泰的格言类似，“所有幸福的家庭看起来都一样；每个不幸的家庭都会以自己的方式感到不幸。”

与健康的个体相比，菌群失调个体的微生物群落组成差异更大

例如，健康珊瑚的微生物群比患病珊瑚的微生物群更均匀。同样，最近的一项研究发现，炎症性肠病患者的群落组成和免疫反应的稳定性明显低于健康人。

进化过程和选择压力极大地推动了宿主-微生物的相互作用

因此，区分为人造的，以人为中心的类别可以随时间变化。一个例子是幽门螺杆菌，它是二十世纪初期几乎所有人胃中的优势微生物，在短短100年内几乎消失了。幽门螺杆菌一方面是消化性溃疡和胃癌的危险因素；另一方面，这种细菌的丢失与儿童时期的哮喘，花粉症或皮肤过敏有关。

微生物与其预期宿主之间复杂的进化相互作用的另一个例子是病原体的出现，如嗜麦芽单胞菌，这种植物相关起源的细菌与全球人类条件致病菌株没有区别。总而言之，自然选择被认为有利于塑造群落组成的宿主，从而促进有益的宿主微生物共生，但是许多因素可以使这种动态失衡，从而诱导宿主微生物组内对病原性或拮抗性微生物的选择。

基于计算模型，Lewin-Epstein等人提出，操纵宿主以利他行为行动的微生物可能会受到选择的青睐，并可能在利他主义的广泛发生中发挥作用。

宿主微生物共同进化导致与植物和动物相关的特定微生物群。这种特异性的程度受许多因素影响，并且在系统发生分支之间也有所不同。对于代表地球上最古老的陆地植物的苔藓而言，其植物特异性异常高。这种特异性与宿主的地理来源无关，并且从子孢子垂直传递至配子体，反之亦然。

驯化和育种活动也可以显着影响宿主微生物组

在某些情况下，其程度也超出预期。消失的微生物群系的理论表明，流行的慢性病是由人为微生物群向多样性降低的转变所引起的。考虑到这一点，重要的是重新考虑我们的行为（例如，对家庭环境进行“过度清洁”）并评估作物管理方法（例如育种策略），以避免丧失共同进化的有益宿主微生物相互作用。

09 微生物组研究技术标准

在过去的十年里，面对微生物学领域显著而持续的技术进步，研究界未能为微生物组研究制定一致的标准。这导致了许多缺点，包括缺少实验室间数据交叉比较的可能性，或者在最近的研究中使用“旧”技术生成的数据的实现。

有大量出版物表明DNA提取和加工程序对微生物组的后续分析存在偏差。使用定义的模拟群落一方面可以帮助确定最佳的提取方法，另一方面可以作为内部控制来估计整个工作流程和分析中的可能偏差。

但是，即使将模拟群落实施到分析中也不能解决所有问题，这会给从环境样本中进行微生物群落的分子分析带来偏差。例如，不能通过将模拟群落应用于土壤来反映土壤微生物对土壤颗粒的自然吸附过程。

此外，在复杂的栖息地（例如土壤）中，多达80％的提取DNA可能包含遗物DNA（死细胞的细胞外DNA以及活细胞的分泌DNA）。这种残留的DNA可能会增加观察到的原核和真菌的多样性，并导致对分类单元相对丰度的估计不准确。

PMA法有效地抑制了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌死亡细胞中DNA的PCR扩增

Nocker等人提出了一种可能的解决方案使用叠氮溴化丙锭(PMA)的方法，该单叠氮化物仅穿透膜受损的细胞，其中光诱导的叠氮化物基团与DNA共价结合；这种交联有效地抑制了革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌死亡细胞中DNA的PCR扩增。该方法已成功应用于微生物组研究，尤其是微生物丰度低和活性低的研究，但这还不是标准。

DNA处理中的一个众所周知的例子是通过分析引物组和引物选择和PCR诱导的选择性扩增或大量未知读物。Karst等人开发的无引物rRNA基因测序方法促进了未知微生物多样性的发现。

作者建议将SSU rRNA分子的poly（A）尾和逆转录与合成的长读测序结合起来。使用这种方法，他们能够以高通量产生高质量，全长的SSU rRNA序列，而没有引物偏倚，并且在他们的研究中观察到了迄今未描述的多样性中的很大一部分。

对获得的序列数据进行生物信息学分析既不是标准化的，也不是明确表达的偏见。为了进行16S rRNA基因序列的数据评估，可以使用免费软件解决方案和完善的论坛，例如Qiime2和Mothur。

操作分类单元（OTU）长时间用于分析高通量条形码，例如使用标记基因（如16S rRNA和/或ITS区域）获得高通量测序数据。

另外，可以使用基于精确解析的扩增子序列变体（ASV），低至测序基因区域上的单核苷酸差异水平。立即获得更好的分辨率的好处显而易见，ASV作为具有固有生物学意义的一致标签的状态独立于参考数据库而被确定。可重用性，可再现性和全面性方面的改进足够大，以至于ASV可以取代OTU作为标记物基因分析和报告的标准单元。

为了比较不同的工具和管道，已经进行了一些研究和联合项目，结果表明，根据工具或管道以及所使用的设置，结果存在显着差异。显然，除了足够的测序深度之外，用于注释读段的数据库的选择对结果有很大影响。

此外，通常会自动完成的参数选择（例如截止值，嵌合体过滤等）对结果有很大影响。例如，由于数据评估方法仅允许调查代表性超过1％的分类单元，因此经常忽略稀有分类单元。

然而，这种罕见的分类单元最多占所有微生物的28％，可以代表某些生境中的关键角色，并且可能对构建社区具有重要意义。它们在生物地球化学循环中可能起着过比例的作用，并且可能是微生物组功能的隐性驱动因素。而且，携带抗生素抗性基因的微生物通常属于天然微生物群中的稀有分类群。在压力条件下，它们为健康和生存提供了保障，并确保了生态系统的可塑性。

但是，在动物和人类肠道微生物组中，这些方面对于疾病暴发和治疗至关重要，因此在WHO对抗生素耐药性扩散的预测中得到了应用。

同样，在这里，计算资源仍然是使生物信息学成为微生物组分析瓶颈的问题。Ten Hoopen和他的同事描述说，例如，塔拉海洋微生物群项目的一个子集，已经对原核生物进行了尺寸划分，包括135个样本。对于这些样本的分析，需要248次运行，其中包含288亿次读取，分析输出代表大约10 TB的数据。这项广泛的研究产生了232亿个预测的蛋白质编码序列。为了处理如此大的数据，在过去的10年里出现了几个全球微生物组学项目，如人类微生物组群项目和地球微生物组群项目。

此外，宏数据方面的巨大差距，通过阻碍研究的可比性和综合分析，限制了微生物组分析。确实有一些数据存储库，例如序列读取档案SRA（NCBI）、欧洲核苷酸档案（ENA）或CNGB核苷酸序列档案（CNSA）。然而，在许多情况下，数据只“按要求提供”，这与可查找、可访问、可互操作和可重用（公平）原则相矛盾。即使数据是可用的，宏数据往往缺乏重要的信息，并且没有得到包括实验和统计研究设计信息在内的知识库的充分审查。

Schloss和他的同事发表了一篇综合性的综述，关于识别和克服微生物组学研究中再现性、可复制性、稳健性和普遍性的威胁。因此，迫切需要标准化和开发正确和全面的宏数据存储库平台，如Proctor所示，他开发了人类病原体/载体基因组序列的项目和样本应用标准。Ten Hoopen和他的同事描述了一个设计良好的策略，允许制定和应用标准，并根据公平原则从微生物组研究中获得可比较和可重用的数据。

10 微生物研究的未来展望与挑战

在经济学技术进步的推动下，微生物组数据的不断增加，使得我们对微生物组群在提高不同系统的生产力和可持续性方面的潜力的理解有了极大的提高。应用微生物研究的宏伟愿景是改善人类、动物、植物和整个生态系统的健康。

一般来说，微生物组可以通过以下方式直接管理：（i）微生物组移植

（ii）具有有益特性的微生物

（iii）微生物群活性代谢物，或通过改变环境条件，使微生物群也将其结构和功能从失调状态转变为健康状态。

在比较人类、动物和种植系统中基于微生物的应用时，可以看到显著的协同作用（下图）。

虽然各个领域还没有很好地联系起来，但所有领域的一致趋势已变得明显。这一趋势涉及到对定制治疗的关注，例如，“下一代”精确农业或个性化药物（下图）。这一概念认识到，并不是所有的个体宿主及其相关的本土微生物群都会以相同的方式对特定的引入微生物、微生物群落移植或代谢物作出反应。

图7 跨领域的微生物组应用趋势

相反，它依赖于对那些特定宿主微生物、环境微生物和微生物相互作用的基本理解，这些微生物在不同的环境中调节微生物组合和功能能力。

Stegen等人在其微生物组管理的概念框架中，建议在不同领域进行更大的串扰，例如，利用环境微生物组学中的特定生态概念来指导优化策略，以操纵人类微生物群，从而改善健康状况。

通过为各种环境和代谢疾病提供有趣的解决方案，人类微生物群正逐渐成为个性化医学的一个关键目标。不仅有助于疾病各个方面的个体差异，也代表了潜在的治疗目标，可通过治疗，饮食变化，使用前，益生元或合生元，与之相对应的生命生物治疗产品来调节物种或物种混合（合成微生物群）和微生物组移植。

植物生物群落路线图

以此类推，植物微生物组被认为是下一次绿色革命（到2030年的科学突破）的关键。结合植物育种，精准农业，农业管理和微生物组研究的系统方法，为在不断变化的世界中改善可持续作物生产提供了强有力的战略。

跨学科团队将这种方法包含在特定环境中可能影响植物生产的许多生物和地球物理成分，称为“植物生物群落路线图” 。

特定于物种和栖息地的植物微生物区系对植物整体生物的功能有多个方面，例如（i）种子发芽和生长，（ii）营养供应，（iii）对生物和非生物胁迫因素的抵抗力，以及（iv）产生生物活性代谢物。由于其对作物健康的重要性，对植物微生物组进行了长期的研究。

此外，在农业领域开发了广泛的微生物组管理策略和产品清单，包括（i）微生物组移植（粪便和生物动力添加剂），（ii）微生物接种剂，（iii）微生物和植物提取物以及（iv）改变环境条件的方法。

在过去的几十年中，管理密集型农业主要依靠合成化学物质，导致严重的环境和健康问题以及生物多样性丧失。另一方面，对植物微生物组学的研究将支持针对田间特定条件的针对性和预测性管理方法，从而可以提高可持续性。

种子/根际微生物组对植物至关重要，与我们的食物微生物群紧密相连

与人类肠道微生物组相似，种子/根际微生物组对植物至关重要，种子是下一代微生物的理想靶标。 Pérez-Jaramillo及其同事提出了种子的“回归根源”方法，这为揭示野生亲缘种和古代传家宝品种的种子微生物群提供了一个有趣的机会，以节省有益的种子微生物群用于农业。

利用农作物野生近缘种的种子微生物群或利用有前途的生物资源，有可能实现植物与其特定种子微生物群之间的匹配共生。收获后微生物群与我们的食物微生物群紧密相连，也可以针对食品的所需功能特性进行管理，例如安全性和保存性，感官或健康特性。

这代表了一个相对尚未开发的基于微生物组的应用，它正在受益于食品生态系统中新出现的大量数据。

生活方式-微生物-人类-健康的联系

微生物群的重要性超出了个体宿主的健康。来自不同宿主和生态系统的微生物可以相互作用并相互影响。这些观察结果导致了“健康环境促进健康人类”的口号，支持“One Health”概念。

【注：“One Health”意指多学科共同合作,为人类健康,动物健康,环境健康三者共同成为一个健康整体而进行的工作和努力.“One Health”是一个新的名词,但是这一概念是很早之前已经存在的.2003年4月7日,华盛顿邮报的Rick Weiss引证了兽医博士William Karesh的话“人类和家禽或者野生动物的健康再也不能分开谈论了,世界上只有‘One Health’,所有的问题解决办法需要各个学科的工作人员共同努力,在不同的层面为问题的解决作出贡献.”关于“One Health”,目前国内翻译的名称非常不一致,比如“唯一健康”,“共同健康”,“一体化健康”, “大健康”等，编者在此不做翻译。

引自：Xiao Zheng, 陆家海, Sarah K.White,等. 应用”One Health”策略解决复杂健康问题[J]. 中华预防医学杂志, 2014, 000(012):1025-1029.】

根据世界卫生组织的说法，“One Health”是一种设计和实施方案、政策、立法的方法，以及多个部门进行交流和合作以取得更好的公共卫生成果的研究。“One Health”概念的扩展，包括环境健康及其与人类文化和习惯的关系表明，在社会决策和政策制定过程中，应考虑生活方式-微生物-人类-健康的联系（图7）。例如，城市化与过敏、哮喘和其他慢性病的增加有关。此外，在城市地区观察到总体污染模式，即微生物多样性的显著丧失，这与疾病的发展有关。

Dominguez Bello等人表明，伴随工业化而发生的人类微生物群的变化可能是代谢、免疫和认知疾病急剧增加的潜在因素，这些疾病包括肥胖、糖尿病、哮喘、过敏、炎症性肠病和自闭症。多样性的丧失反过来又与细菌对抗生素的耐药性增加相关，因此，需要实施策略来恢复建筑环境中的细菌多样性。了解不同宿主和栖息地的微生物群之间的复杂联系及其与人类、动物和植物健康的关系，为在One Health概念的背景下进行诊断、治疗和干预提供了创新和整体方法的潜力。

类似One Health，存在着将人类与环境健康联系起来的不同概念；行星健康概念是最流行的概念。许多国家和国际生物经济战略也承认这一主题，在这些战略中，可持续的生物产品生产满足了经济的需求。毫无疑问，要使这些概念成为成功的故事，不仅需要自然科学不同学科之间的相互关联战略，而且需要社会科学和利益相关者的整合。

然而，我们现在所面临的往往是相反的：生物多样性丧失、污染、臭氧消耗、气候变化、生物地球化学循环边界的跨越，都是人类世这个时代的特征。上新世也反映在行星边界概念中。

人类活动已经跨越了九个行星边界中的四个：气候变化、生物圈完整性的丧失、陆地系统的变化和生物地球化学循环的改变。

首先，研究表明，它们改变了整个微生物群落的功能和遗传多样性；然而，关于这些人为因素对不同微生物群落的影响及其对我们地球的影响的更多知识是绝对必要的。在这里，研究人员认识到迫切需要更多的研究，特别是关于环境微生物组和人为驱动变化的机制性见解。

了解海洋和陆生微生物群落及其相互作用可能是找到解决与上流新世相关的巨大挑战的关键。微生物群管理和基于微生物群的高潜力创新的开发在各个应用领域都是有希望的，但同时也应仔细评估这些新的和有前途的技术对环境的影响。

11 结语

基于该领域的最新进展，研究人员建议恢复Whipps等人提出的微生物组术语的原始定义。该定义包含了1988年发表后30年内仍然有效的所有要点，并通过两个解释性句子对微生物群和微生物组进行了区分，并宣布了其动态特征。

微生物组

微生物组被定义为一个具有独特理化性质的、占据合理、明确的栖息地的微生物群落。

微生物组不仅指所涉及的微生物，还包括其活动区，从而形成特定的生态位。

微生物组是一个动态的、互动的微生态系统，在时间和规模上都会发生变化，它整合在包括真核生物宿主在内的宏观生态系统中，对它们的功能和健康至关重要。

微生物群

微生物群由属于不同领域的微生物组成（原核生物[细菌、古生菌]、真核生物[例如原生动物、真菌和藻类]），而“它们的活动区”包括微生物结构、代谢物、可移动遗传元素（例如转座子、噬菌体和病毒）以及嵌入到栖息地的环境条件。

此外，作者认为以下几点对于微生物组研究至关重要：

1.核心微生物群是一组来自相似栖息地的微生物群落之间共享的成员，这对于了解稳定性，可塑性以及在复杂微生物组合中的功能非常重要。

2.从宏观生态学改编的理论可能有助于理解不同环境中微生物组动力学的模式，但需要验证其一般应用。

3.每个微生物组研究的基础都是适当的实验，方法和统计设计。在设计中应通过以下方式实现空间，时间和发育的整合：（i）根据系统特性选择适当的采样频率，以捕获完整的核心和瞬时微生物区系；（ii）通过考虑系统的适当空间规模认识到规模的子集也与微生物群评估有关，并且（iii）对于强动力系统，应考虑研究微生物分布的时空连续体，而不是捕获一个特定的矩/空间单位。

4.方法学的进步极大地推动了微生物组的研究。尽管在这方面取得了所有进展，但是还没有完美的通用方法。技术工具箱将减少每种技术带来的偏差，并从整体上更完整地了解生物系统。

5.微生物功能在生态系统中起着重要作用。因此，我们建议在微生物组研究中包括几种当前可用方法的组合，以便对微生物功能有更深入的了解。

6. 尽管在过去十年里，我们获得了大量的组学数据，但我们仍然缺乏关于其背后的生物信息。因此，在微生物组学研究中实施更多基于培养的方法需要大力的努力，这样可以描述特定微生物群的生态类型和适应环境的模式。

7.微生物相互作用是微生物群落功能和进化动力学的基础。因此，我们提倡考虑研究设计中的相互作用。

8.宿主与微生物的相互作用决定了相互适应性，表型和新陈代谢，从而提出了微生物群及其宿主的协同进化理论。我们建议基于进化的全基因组理论的整体方法。整体人的疾病状态以生物失调（病原体组）为特征，而尤物病是指平衡的宿主－微生物相互作用（“健康”微生物组）。

9.根据微生物与宿主之间的相互作用，将微生物分为有益的，致病的和中性的是基于人类中心观。确实，宿主和整个微生物组的生理学在很大程度上影响相互作用的结果。

这些澄清和建议的应用将有助于研究人员以整体的方式设计其微生物组学研究，这将有助于开发微生物模型和预测，进而加快我们在生活各个领域设计应用程序的能力。

【参考文献】

Berg et al. Microbiome (2020) 8:103

人类微生物组正逐渐成为个性化医学的一个关键目标

植物微生物组是下一次绿色革命的关键

我们一直在微生物领域助力科研，也希望为每个人的健康出一份力

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肠道细菌产生的神经递质调节宿主的感觉行为

近日，美国布兰代斯大学Piali Sengupta和Michael P. O’Donnell研究小组发现，肠道细菌产生的神经递质调节宿主的感觉行为（DOI:10.1038/s41586-020-2395-5）。相关论文于2020年6月17日在线发表在《自然》杂志上。该研究结果表明，肠道细菌产生的神经递质模拟了同源宿主分子的功能从而越过宿主调控感觉决定，这促进了宿主和微生物的适应性。

动物与包括微生物在内的多种生物体存在互惠共生关系。过去认为一些细菌产生的具有生物活性的神经递质可以调节其宿主的神经系统的活动和行为。然而这种“微生物-脑”的信号传输机制和它的生理相关性在很大程度上是未知的。在这篇文章中，研究人员通过使用秀丽隐杆线虫为模式生物，结果显示在肠道内定居共生菌普罗维登斯细菌产生的神经调节剂酪胺，绕过了宿主酪胺生物合成的要求并操纵了宿主的感觉行为。细菌产生的酪胺大概率被宿主酪胺β羟化酶转化为章鱼胺。反过来，章鱼胺靶向ASH伤害感受神经元上的OCTR-1章鱼胺受体以调节厌恶性嗅觉反应。研究人员确定了普罗维登斯细菌酪胺生物合成所需的基因，并表明这些基因对于调节宿主行为是必需的。而在普罗维登斯菌的定殖实验中发现，秀丽隐杆线虫在进行食物选择时，优先选择这类细菌，这种选择偏好性需要细菌产生的酪胺和宿主章鱼胺信号。结果表明，肠道细菌产生的神经递质模仿宿主同源分子的功能，以超越宿主对感觉决定的控制，从而促进宿主和微生物的适应性。

秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans，C. elegans）是一种无毒无害、可以独立生存的线虫。其个体小，成体仅1.5mm长，为雌雄同体（hermaphrodites），在20℃下平均生活史为3.5天，平均繁殖力为300-350个。自1965年起，科学家Sydney Brenner利用线虫作为分子生物学和发育生物学研究领域的模式生物。进入21世纪以来，已经有六位科学家利用秀丽隐杆线虫为实验材料解开了生命科学领域的重大秘密而获得了诺贝尔奖。2013年12月17日，据国外媒体报道，科学家认为，如果延长蠕虫生命的科学应用到人类身上，人类活到500岁将不只是梦想。秀丽隐杆线虫的两个基因通路，使通过遗传相互作用进行抗衰老治疗的成为可能。

背景

肠道定植细菌和宿主神经系统之间的化学沟通的调节途径大部分还是未知的。秀丽隐杆线虫是近年来出现的一种研究宿主-微生物化学沟通的强大实验系统。野外线虫的主要食物来源于其肠道内定殖的不同的致病菌和非致病菌菌群。接触致病菌会改变秀丽隐杆线虫的嗅觉行为，但肠道内的共生菌是否也能调节宿主行为还不清楚。

实验设计

线虫的制备:

所有的实验都使用的雌雄同体的秀丽隐杆线虫，所有应用于线虫的菌株都保持在在NGM平板上20℃条件下。分别以10

ng/μl注射SRV-11p：：octR-1(PMOD110)和SRG-47p：：ocTR-1(PMOD111)质粒。以20 ng/μl注射tbh-1p：：tbh-1a：：sL2：：mCherry(PMOD115)质粒。以30 ng/μl注射UNC-122p：：mCherry共注射标记，获得转基因菌株。接着将线虫培养在NGM平板上，以获得不同细菌型或基因型的线虫。

主要的实验：

长时程趋化实验和短时程趋化实验分别用于分析线虫对食物和环境选择的偏好性。响应1-辛醇和2-壬酮的SOS分析用于测定其对100%1-辛醇和100%2-壬酮的反应。肠道细菌细胞的量化、定量测定肠道菌落形成单位、荧光强度测量反应了细菌的变化趋势。通过细菌宏基因组测序得到的组装序列，使用普罗维登斯菌株JUb39 的TyrDC和adcA基因序列blastp比对至Nr数据库初始筛选，然后以粪肠球菌TyrDC和线虫tdc-1基因组序列作为tblastn搜索查询序列，最后使用从这些tblastn查询得到的氨基酸序列构建最终的系统发育树。Metaboseek MS分析软件分析高效液相色谱质谱法数据，并集成代谢网络分析。所有的统计分析都是在原始的、非归一化的数据上进行的。

主要结果：

1肠道细菌改变宿主嗅觉行为。普罗维登斯菌定殖于秀丽隐杆线虫肠道内，定植程度与对辛醇的回避行为正相关。

注：以下的辛醇调节表示为对辛醇的回避行为减少的现象

a. 在长时程趋化实验分析中，秀丽隐杆线虫与这些指定的细菌菌株共培养，对一组有吸引力的挥发性气味表现出强烈的吸引力。纵坐标的chemotaxis index表示趋化指数，在辛醇（1-octanol）和壬酮（2-nonanone）的实验中，与在大肠杆菌OP50菌株共培养的线虫相比，与普罗维登斯JUb39菌株共培养导致线虫对辛醇的回避行为减少，但对壬酮的回避行为不减少。

b.c. Modulation index表示线虫对100%辛醇的调节指数。Dead指用庆大霉素预处理过的细菌。PYb007指从堆肥中的线虫中分离出来的与普罗维登斯JUb39菌株有较远亲缘关系的 Providencia Rettgeri菌株。灰色虚线指在辛醇环境下生长的线虫与在不同环境下独立生长的线虫的对照。正值表示辛醇回避减少。使用庆大霉素预处理过JUb39菌株喂食线虫可以消除辛醇调节。而线虫必须摄取活的JUb39菌株才能诱导辛醇调节。

d.在成年线虫的后肠中使用红色荧光蛋白mCherry标记细菌。箭头指示完好的细胞。星号指示漫反射肠道荧光。虚线指示肠边界。喂食OP50的成虫的肠道只显示弥漫的肠道荧光而喂食JUb39菌株的成虫肠道内通常含有大量完整的杆状细胞，表达mCherry。JUb39细菌倾向于富集在后肠，此外被JUb39菌株定植的线虫没有表现出病原性感染的表型特征（如肛门肿胀），进一步证实JUb39菌株对线虫基本无致病性

g.在OP50或JUb39菌株环境下生长的年轻成虫的头部神经元tph-1p::GFP的荧光报告基因检测。发现tph-1p::GFP的表达没有明显变化。且a图中线虫在细菌含量较低的食物来源B. megaterium菌中的生长并没有改变辛醇调节。由此推断普罗维登斯菌对辛醇的调节不太可能是由于摄食状态的改变。

e.被喂食指定菌株生长的线虫的肠道细菌载量。点表示10条线虫的菌落形成单位中的细菌载量。在喂食JUb39菌株的线虫可以分离出大量的细菌菌落，但在喂食OP50菌株的线虫不能分离出大量的细菌菌落。这表明JUb39菌株很可能活在线虫肠道中。

f.在趋化试验中，朝1-Octanol(100%辛醇)方向的线虫始终含有更多的肠道细菌。括号中的数字表示线虫的数量。

2. 发现了一种可能性即线虫产生的章鱼胺，而不是酪胺，其对于JUb39菌株介导的辛醇调节是必要的。细菌产生的酪胺在功能上补充了宿主衍生的酪胺在驱动感觉行为决定方面的损失。

a.线虫体内酪胺（TA）和章鱼胺（OA）的生物合成。酪胺通过酪胺β-羟化酶(由TBH-1编码)转化为章鱼胺。

b.线虫对100%辛醇的调节指数。括号内的数字表示至少3个独立日内进行独立化验的次数。发现在JUb39菌株环境下生长的tdc-1和tbh-1突变体线虫都表现出辛醇调节，但tbh-1突变体线虫表现出的辛醇调节减弱。cat-2和tph-1的突变并不影响辛醇调节。WT表示野生型。

c.短程急性回避行为试验SOS分析。评估辛醇反应的单胺能调节。

d.g.使用SOS分析进行了所有的辛醇行为实验。

d图中OP50菌株环境下生长的tdc-1突变线虫比野生型线虫对30%辛醇的反应更快，但在JUb39菌株环境下受到抑制。

g图中tbh-1的突变完全抑制了辛醇的调节，而tdc-1突变的线虫对辛醇的调节一如既往。此外tdc-1和tbh-1双突变线虫的辛醇回避行为与只有tbh-1突变的线虫相似。这些结果表明，缺乏宿主来源的章鱼胺是tbh-1突变线虫辛醇调节减少的原因。红色的P值指示指定基因型对JUb39菌效应大小的影响。

e.f. HPLC-MS进行代谢组成分析和N-琥珀酰酪氨酸的定量分析。喂食OP50菌株的tdc-1突变线虫缺乏N-琥珀酰酪氨酸。而5-羟色胺（N-acetyl serotonin）代谢不变。当喂食JUb39菌株时，这些酪胺衍生的代谢物被恢复。结果表示普罗维登斯细菌与线虫联合产生的酪胺，可以弥补tdc-1突变线虫内源性酪胺产生的不足。

3. 在真核生物和细菌中，生物胺通常由AADC产生。普罗维登斯细菌的多个AADCs产生的酪胺对于调节野生型线虫回避辛醇的行为是必要的，也是理由充分的。

a.从上至下分别描述了乳杆菌的tryDC位点，Morganella菌的adcA位点，对JUb39菌株的tyrDC和adcA位点(分别为ΔtyrDC：：cmr和ΔadcA)中设计了缺失。革兰阳性菌肠球菌和乳杆菌的酪胺生成主要是通过位于操纵子的两个基因tyrDC和tyrP介导的，它们分别编码AADC

tyrDC和酪氨酸通透酶。该操纵子可被l-Tyr诱导。全基因组测序证实JUb39菌株和PYb007菌株中均含有tyrDC和tyrP的同源操纵子。在Morganellaceae科的其它成员中也发现了tyrDC同源物。

b.系统发育分析。Morganellaceae科的菌株以前曾被报道在某些条件下产生酪胺，尽管没有可辨别的tyrDC同源物。但在摩根氏菌中鉴定了一个编码AADC的基因(这里命名为adcA)，分别位于编码Tyt1家族酪氨酸渗透酶基因上游的操纵子中，与tyrDC肠球菌和人类GAD67有大约29%和27%的序列同源性。在普罗维登斯菌基因组中也存在adcA同源物(包括JUb39)，但不与酪氨酸转运蛋白相邻。结论是，普罗维登斯菌编码至少两个可能产生酪胺的AADC，系统发育不一致提示，摩根科植物中的tyrDC和adcA基因可能都是通过水平基因转移而丢失或获得的。

c. 以乳杆菌tyrDC的晶体结构为指导进行蛋白质模拟，结果表明JUb39 tyrDC与乳杆菌tyrDC具有大多数已知的催化位点。JUb39 tyrDC在A600处含有一个替换(乳杆菌tyrDC中的S586)，能增强酪氨酸乳酸杆菌对酪氨酸的特异性催化活性。由此推测JUb39 tyrDC可能由酪氨酸产生酪胺。

e.在不同基因型细菌环境下生长的野生型线虫在NGM+0.5%l-Tyr培养基中生长期间对100%辛醇回避行为的SOS测定。h图为在此基础上补充了指定浓度的酪胺。

在单个细菌突变体的培养中，辛醇调节减弱，而野生型线虫在双敲除ΔtyrDC：：cmrΔadca基因JUb39菌株环境下生长则取消了辛醇调节。

g.f. N-琥珀酰酪胺的含量测定（f）;（g）检测到的其它酪胺衍生物的平均丰度，1指示OP50，2指示JUb59，3指示ΔtyrDC：：CmrΔADCA JUb39。与野生型JUb39相比，比较代谢组学分析表明，在双敲除ΔtyrDC：：cmrΔadca基因JUb39菌株环境下生长的tdc-1突变线虫不产生N-琥珀酰酪胺或其他酪胺衍生代谢物。

h.在双敲除ΔtyrDC：：cmrΔadca基因JUb39菌株环境下生长的野生型线虫在补充酪胺后辛醇调节得以恢复。此外，虽然JUb39菌株环境下生长的野生型线虫不会因为补充酪胺而增加对辛醇的回避行为，但补充酪胺足以诱导在OP50菌株环境下生长的野生型线虫的辛醇调节。

4. 普罗维登斯细菌的酪胺靶向感觉神经元。线虫头部两栖器官中的双侧ASH伤害性神经元表达多种酪胺和章鱼胺受体，这些单胺对辛醇的调节需要一部分受体。普罗维登斯细菌酪胺的产生和宿主章鱼胺的信号都是发生食物偏好所必需的。

a. SOS测定。在ASH神经元表达的章鱼胺受体编码基因中，octr-1而不是ser-3的突变在不改变肠道定植的程度下取消了JUb39菌株介导的辛醇调节。但在ASH神经元表达的octr-1互补DNA完全恢复了辛醇调节。

b. SOS测定。当线虫在添加了酪胺的ΔtyrDC::cmR ΔadcA JUb39菌株环境中生长时，octr-1突变线虫也会缺乏辛醇调节。

c. JUb39菌株和其他普罗维登斯菌株会产生酒精异戊醇，这种酒精在浓缩时对线虫是有害的。线虫在食物选择实验中可能会优先选择对这类酒精产物的回避行为的减少的这些细菌。

d.e. 在指定菌株环境下生长的野生型和突变型线虫对测试菌株JUb39的相对偏好指数，事实上，在JUb39菌株环境下生长的线虫更喜欢JUb39菌株，而在OP50菌株环境下生长的线虫在短期食物选择试验中只显示出对JUb39菌株的轻微偏好，在octr-1和tbh-1突变的线虫中也是如此。

f. JUb39菌株在线虫肠道内产生的酪胺（TA）通过宿主章鱼胺（OA）和octr-1章鱼胺受体发挥作用，以减少ASH神经元介导的对JUb39菌株产生的回避行为，并改变摄食选择。

结论：

研究人员认为，综上所述，肠道普罗维登斯细菌产生的神经递质酪胺可以推翻宿主依赖的酪胺合成，从而调节线虫的多条单胺能途径，改变线虫的行为和生理。研究人员推测，普罗维登斯菌一旦定植于秀丽隐杆线虫肠道内的，就会促进更多的消耗，从而导致细菌稳定的联系和传播。由于普罗维登斯菌是线虫的主要食物来源，这种联系可能是互惠互利的。

这些结果描述了一种途径，即由天然共生细菌产生的神经递质通过补充或补偿关键的宿主生物合成酶的活性来指导宿主的感觉行为决定，从而改变宿主和微生物的适应性。

益生菌的简单入门指南

谷禾健康

拥有健康的肠道菌群可以带来许多健康益处，包括减肥，改善消化，增强免疫功能，皮肤健康以及降低许多疾病的风险[1,2]。益生菌是有益的细菌，食用后会带来健康益处。目前，益生菌通常被当作补充剂服用，用于促进健康的微生物和改善肠道健康。

本文我们主要针对益生菌及其功能做一个详细的介绍。

什么是益生菌？

益生菌是一种活的微生物（酵母或细菌），它有助于我们的健康[3]。当摄入适量的微生物时可提供健康益处。

益生菌哪儿来？

益生菌可以从补充剂以及细菌发酵制备的食物中获取。益生菌食品包括酸奶，开菲尔，酸菜，豆和泡菜。注意不要将益生菌与益生元混淆，益生元是膳食纤维，有助于喂养肠道内已经存在的有益菌[4]。

数十种不同的益生菌有利于健康。最常见的菌包括乳酸杆菌和双歧杆菌。分别包括不同的种，并且每个物种具有许多菌株。

有趣的是，不同的益生菌可以应对不同的健康状况。因此，正确选择一种或多种益生菌至关重要。

一些益生菌产品（称为广谱益生菌或多益生菌）在同一产品中结合了不同的物种。尽管有科学证据，但仍需要对益生菌的健康益处进行更多的研究[5]。

微生物对肠道的重要性

肠道中复杂的微生物群落称为肠道菌群或微生物群[6]。据估算，你的肠道含有数百种不同类型的微生物多达1000多种，其中包括细菌，真菌和病毒，细菌占绝大多数。

大部分肠道菌群都存在于结肠或大肠中，这是消化道的最后一部分。肠道菌群的代谢活动类似于器官的代谢活动。因此，一些科学家将肠道菌群称为“被遗忘的器官”[7]。

肠道菌群有许多重要的功能。例如生成维生素，包括维生素K和某些B族维生素[8]。

它还可以将纤维转变成短链脂肪酸，例如丁酸，丙酸和乙酸，它们可以喂饱肠壁并执行许多新陈代谢功能[9,10]。还可以刺激您的免疫系统并增强肠壁。这可以帮助防止有害物质进入您的体内并引起免疫反应[11,12,13,14]。

但是并非肠道中的所有菌都是有益的，也有部分有害菌。

研究表明，肠道菌群失衡与多种疾病有关[15,16]。这些疾病包括肥胖，2型糖尿病，代谢综合征，心脏病，大肠癌，阿尔茨海默氏症和抑郁症等[17,18,19,20]。

益生菌和益生元纤维可以帮助调整肠道平衡，确保肠道发挥最佳功能[21]。

对消化系统的影响

益生菌对消化系统的影响已有广泛的研究[22]。有许多的证据表明，益生菌补充剂可以帮助治愈与抗生素有关的腹泻[23,24,25]。

当人们服用抗生素时，尤其是长期服用抗生素，即使在根除感染后很长时间，他们也经常会腹泻。这是因为抗生素杀死了肠道中的许多天然细菌，从而改变了肠道平衡，并使有害菌得以繁衍。

益生菌还可以辅助治疗肠易激综合症（IBS）（一种常见的消化系统疾病），减少气体，腹胀，便秘，腹泻和其他症状[26,27,28]。

还有一些研究指出，它能对炎症性肠病（例如克罗恩氏病和溃疡性结肠炎）的治疗带来帮助[29]。

此外，益生菌可以帮助治疗幽门螺杆菌感染，幽门螺旋杆菌感染会导致溃疡和胃癌[30,31,32,33]。

如果你现在有难以治愈的消化系统问题，则可以考虑使用益生菌补充剂，当然也应该考虑咨询医生。

调节体重变化

益生菌可以帮你减少从食物中吸收热量。它们还会影响与食欲和脂肪储存有关的激素和蛋白质。它们也可以减轻炎症，而炎症可以促使肥胖 [34]。

某些益生菌可能会抑制人体从饮食中吸收脂肪，增加粪便排出的脂肪量[35]。换句话说，它们让你从饮食中获取更少的卡路里。

已发现某些细菌（例如来自乳杆菌家族的细菌）以这种方式起作用[35,36]。

益生菌还可以通过其他方式抵抗肥胖：

• GLP-1的释放：益生菌可能有助于释放饱腹感激素GLP-1，从而减少食欲。增加这种激素的水平可能会帮助您燃烧卡路里和脂肪[37,38]。

• ANGPTL4的增加：益生菌可能会增加ANGPTL4的水平。这可能导致脂肪储存减少[39]。

还有很多证据表明，肥胖与大脑炎症有关。通过改善肠道健康，益生菌可减少全身性炎症和防止肥胖等疾病[40]。

但是，目前这些机制研究还需要深入研究，以及扩大样本量。

对减肥的影响

肥胖者与瘦人的肠道菌群不同[41]。动物研究表明，从瘦者身上取菌群，进行粪便移植到肥胖动物，可以使肥胖的动物减轻体重[42,43]。因此，许多科学家认为，肠道菌群对于维持体重很重要[44,45]。

尽管还需要更多的研究，但一些益生菌菌株似乎有助于减轻体重[46]。在一项针对210名腹部脂肪过多的中枢性肥胖患者的研究中发现，每天服用益生菌格氏乳杆菌可在12周内使腹部脂肪减少8.5％[47]。当参与者停止服用益生菌时，他们会在四个星期内恢复腹部脂肪。

证据还表明，鼠李糖乳杆菌和乳酸双歧杆菌可以帮助减肥和预防肥胖，当然这需要更多的研究[48]。

相反，也有一些研究甚至发现某些益生菌菌株可能导致体重增加，而不是体重减轻。这包括嗜酸乳杆菌[49]。一项最新研究回顾了4项对照临床研究。结论是，益生菌不能降低超重或肥胖成年人的体重，BMI或体脂水平[50]。

益生菌具有广泛的健康益处。然而，它们对体重的影响是复杂的，并且似乎取决于益生菌的类型。

有助于缓解便秘

便秘的特征是排便困难，不易通过且频率较低。每个人有时都会经历便秘，但在某些人中，这已成为一个长期的问题。

慢性便秘在卧床的老年人和成年人中最常见，当然也有可能在儿童中发生。此外，一些肠易激综合症（IBS）的人主要表现为持续便秘。这就是便秘型IBS。

常规治疗包括泻药和粪便软化剂。但是，近年来，饮食改变和益生菌补充剂已成为越来越受欢迎的替代方法[51]。

许多研究表明，补充某些益生菌菌株可以减少成人和儿童的便秘[52,53,54,55,56]。在一项比较IBS患儿益生菌和益生元的研究中发现，乳酸杆菌可显着缓解便秘。

与益生菌组相比，益生菌组饭后的腹部胀和腹胀少[53]。

其他可能改善便秘的益生菌包括长双歧杆菌，酿酿酒酵母(S.Boulardii)和嗜酸乳杆菌，罗伊氏乳杆菌，植物乳杆菌，鼠李糖乳杆菌和动物双歧杆菌[55,56]。

有效预防腹泻

腹泻被定义为比正常情况更频繁发生的，液体散乱到大便。一般是短暂的，但在某些人中可能会变得趋于慢性。

已发现益生菌可以减少因食物中毒和肠胃炎（通常称为“胃流感”）而引起的感染型腹泻的大便频率[57]。

针对34项研究的回顾发现，益生菌可将各种原因引起的腹泻风险降低34％。有效菌株包括鼠李糖乳杆菌GG，嗜酸乳杆菌和保加利亚乳杆菌[58]。

抗生素的使用是腹泻的另一个常见原因。当抗生素疗法杀死引起感染的有害菌时，有益菌也会被一同破坏。菌群平衡的改变可能导致炎症和腹泻。对儿童和成人的研究表明，服用益生菌可以帮助减少因抗生素治疗而引起的腹泻[59,60]。

针对82项对照研究的大型回顾发现，服用益生菌补充剂可使患抗生素相关性腹泻的风险降低42％。但是，该研究没有讨论到最有效的益生菌菌株[60]。

IBS患者中部分人因便秘而挣扎，还有一部分经常腹泻，这被称为腹泻型IBS。研究表明，某些益生菌似乎对腹泻型肠易激综合征特别有效，包括益生菌B.coagulans、酿酒酵母菌以及几种乳酸杆菌和双歧杆菌菌株的组合[61,62,63]。也有一项研究表明，接受酿酒酵母S. boulardii治疗的IBS患者的腹泻没有任何明显改善[64]。（注：酿酒酵母S. Boulardii是法国科学家 Henri Boulard 于1923年从印尼荔枝中分离得到的一种益生菌,是酿酒酵母的亚种）

可能改善IBS症状

有时，IBS的主要症状与粪便的稠度或频率无关。取而代之的是，有些人会定期出现腹胀，恶心和下腹部疼痛。

基于19项研究的回顾发现，虽然有人报告服用益生菌后IBS症状有所改善，但总体而言结果因人而异。研究人员无法确定究竟是哪种益生菌最有效[65]。

此外，由于IBS的症状非常多样，因此有时一种症状会改善，而其他症状则不会。例如，一项针对以便秘为主的IBS患者的研究发现，尽管酿酒酵母改善了便秘，但对腹痛或不适感影响不大[66]。

在另一项研究中，腹泻为主的IBS患者服用了一种称为VSL＃3的补充剂，该补充剂包含乳酸杆菌，双歧杆菌和链球菌菌株。结果显示，排便频率和一致性没有改善，但腹胀有所改善[67]。

还有一项研究发现，使用VSL＃3治疗期间疼痛和腹胀明显减少。研究人员认为，益生菌会导致褪黑素增加，褪黑素是一种参与消化功能的激素[68,69]。

有利于大脑健康

肠道与大脑健康之间有着密切的联系。结肠中的细菌将纤维消化并发酵成短链脂肪酸，研究表明，这也可能有益于大脑和神经系统[70]。

一项针对动物和人类的38项研究综述发现，各种益生菌有助于改善焦虑症，抑郁症，自闭症，强迫症和记忆力低下的症状[71]。在这些研究中最常见的菌株是长双歧杆菌，短双歧杆菌，婴儿双歧杆菌，瑞士乳杆菌和鼠李糖乳杆菌。

益生菌似乎对广泛性焦虑和与特定原因相关的焦虑均有效[72,73,74]。

一项研究发现，喉癌患者在手术前两周服用益生菌后，血液中的压力激素水平降低，焦虑症降低了48％[74]。

在其他研究中，已证明益生菌可以改善健康个体和患有慢性疲劳综合症的人整体情绪并减少其悲伤感[75,76,77]。

服用益生菌补充剂也可以帮助患有抑郁症的人，包括患有严重抑郁症的人[78,79]。在一项为期八周的重度抑郁症患者研究中，服用嗜酸乳杆菌，干酪乳杆菌和双歧双歧杆菌的患者抑郁症明显减少。更重要的是，他们的胰岛素水平和炎性标记降低了[79]。

改善心脏健康

服用某些益生菌补品可能有助于降低低密度脂蛋白胆固醇（LDL），提高高密度脂蛋白胆固醇（HDL）并降低血压。

服用益生菌可能有助于降低患心脏病的风险。几项研究发现，酸奶或益生菌补品中的某些细菌可能导致心脏健康指标发生有利变化。其中包括降低“不良” LDL胆固醇和增加“良好” HDL胆固醇[80,81,82,83,84]。

能有效降低胆固醇水平的特定细菌菌株包括嗜酸乳杆菌，长双歧杆菌和罗伊氏乳杆菌。

基于14项研究的分析发现，益生菌可导致LDL胆固醇平均下降，HDL小幅上升和甘油三酸酯下降[84]。

对LDL胆固醇的影响可能有几种过程，包括脂肪代谢的改变和肠道中胆固醇的吸收减少[85]。

另外益生菌也可以帮助降低血压。一项针对九组对照研究的评论发现，服用益生菌的人血压有一定程度的降低。但是，只有每天益生菌剂量超过100亿CFU的疗程超过8周才有显著效果[86]。

增强免疫力

服用益生菌可能有助于增强免疫系统，并降低感染和患病的风险。研究表明，服用益生菌补充剂可能会改变肠道细菌的平衡，从而增强人体抵抗过敏，感染和癌症的能力[87]。

特别值得注意的是：乳杆菌GG，卷曲乳杆菌，乳杆菌，两歧双歧杆菌和长双歧杆菌。这些细菌可以降低儿童呼吸道疾病和湿疹的风险，以及成年女性的尿路感染[88,89,90]。

此外，已显示益生菌可减少炎症。在一项研究中，老年人食用加氏乳杆菌，双歧双歧杆菌和长双歧杆菌的混合物或安慰剂，每次食用三周。

服用益生菌制剂后，炎性标志物减少，抗炎性标志物增加，肠道菌群平衡，肠道类型变得更像年轻，健康的人常见的类型[91]。

某些益生菌也可能有助于预防牙龈炎或牙龈感染一项为期14天的研究调查了在接受短乳杆菌或安慰剂治疗时，不刷牙和使用牙线的成年人。安慰剂组的牙龈炎发展更快，这表明益生菌有助于预防感染[92]。

降低某些过敏和湿疹的严重程度

某些益生菌菌株可以降低儿童和婴儿的湿疹严重程度。

一项研究发现，与未添加益生菌喂养的婴儿相比，添加了益生菌补充牛奶的婴儿的湿疹症状有所改善[93]。

另一项研究跟踪了在怀孕期间服用益生菌的妇女生下的孩子。这些孩子在出生后的头两年患湿疹的风险降低了83％[94]。

然而，益生菌与减少湿疹严重程度之间的联系仍然很薄弱，需要做更多的研究[95,96]。一些益生菌还可以减少牛奶或乳制品过敏者的炎症反应。但是，证据薄弱，需要进一步研究[97]。

促进整体健康

益生菌还有许多其他好处。

比如炎症：益生菌减少全身性炎症[98]；

皮肤健康：有证据表明，益生菌可用于治疗痤疮，酒渣鼻和湿疹以及其他皮肤疾病[99]。

这只是益生菌带来益处的一小部分，因为正在进行的研究表明，其影响健康十分广泛。

除了针对特定的疾病和状况，您还可以服用益生菌以促进整体健康。

一项针对健康成年人的最新研究表明，服用双歧双歧杆菌4周有助于增加短链脂肪酸的产生[100]。

还有一些证据表明，益生菌可以通过延缓随着年龄增长发生的炎症带来的衰老[101,102]。

当然，重要的是要确保您摄取健康的饮食，并保持其他促进健康的行为。不能光指望益生菌保持健康。

此外，尽管益生菌对大多数人来说是安全的，但它们可能会对病情严重或免疫系统受损的人造成伤害[103]。

安全和副作用

益生菌通常具有良好的耐受性，并被认为对大多数人是安全的[104]。但是，在开始的几天里，可能会出现于消化有关的副作用，例如胀气和轻度的腹部不适[105]。

调整后，消化会开始逐渐改善。对于免疫系统受损的人，包括那些患有艾滋病毒，艾滋病和其他几种疾病的人，益生菌可能会导致危险的感染[106]。

对于部分特殊疾病的患者，请在服用益生菌补充剂之前咨询医生。

结语

拥有健康的肠道微生物群对健康至关重要，定期检测肠道菌群，分析肠道菌群构成及有益菌的丰度，选择正确的益生菌可以帮助您解决特定的健康问题，并改善整体健康状况和生活品质。

当然，需要注意的是保持健康的肠道不仅仅需要服用益生菌，日常饮食和运动同样重要，因为许多生活方式和环境因素都会影响肠道细菌。

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关于食物消化，避免损害和改善肠道健康的建议（科学支持）

谷禾健康

随着多年来科技的发展与生活脚步的加快，各种慢性疾病开始困扰着我们，且有年轻化的趋势。我们都希望一直能保持健康，那么具体该怎么做？

本文将从食物消化的过程开始，详细讲述如何改善健康。

消化食物过程以及需要多长时间

通常，食物需要24到72个小时才能通过消化道。确切的时间取决于所吃食物的数量和类型。

首先，食物通过消化系统的速度相对较快。在6到8个小时内，食物通过了胃，小肠和大肠。胃排空（2至5小时），小肠转运（2至6小时），结肠转运（10至59小时）和整个肠道转运（10至73小时）。

消化率还取决于你吃的食物类型。

· 肉和鱼可能需要长达2天的时间才能完全消化。它们所含的蛋白质和脂肪是复杂的分子，需要更长的时间才能在身体内被分解。

· 纤维含量高的水果和蔬菜可在不到一天的时间内消化。这些高纤维食物通常可以帮助你的消化道更有效地运转。

· 消化最快的是加工过的含糖垃圾食品，例如糖果。身体会在几个小时内排出，很快你就又感觉到饿了。

消化过程中会发生什么

消化是人体分解食物并吸收人体所需的营养的过程。剩下的就是废物，身体会清除掉。

消化系统由五个主要部分组成：口、食管、胃、小肠、大肠。

口腔

咀嚼时，口腔中的腺体会分泌唾液。这种消化液含有分解食物淀粉的酶，咀嚼是为了将食物弄成一种糊状的团状物，或者更容易吞咽的丸状物。

食道

吞咽时，食物会向下移动到食道。食道是连接嘴和胃的管道。食管下括约肌下端的肌肉门打开，食物就会进入胃中。

胃

胃中的酸会进一步破坏食物，然后产生混合着胃液和部分消化的食物，称为食糜。这种混合物继续下去，进入小肠。

小肠

在小肠中，胰脏和肝脏会贡献自己的消化液。胰液分解碳水化合物，脂肪和蛋白质。胆囊中的胆汁可溶解脂肪。维生素，其他营养物质和水穿过小肠壁进入血液。剩余的未消化部分接着往下，进入大肠。

大肠

大肠从食物中吸收所有剩余的水分和剩余的营养。其余部分变成固体废物，称为粪便。直肠会储存大便，直到要排便为止。

正常的大便每周3次至每天3次。尽管每个人的肠道都是不同的，但是健康的肠道通常会有一定的规律。食物通常需要24到72个小时才能通过消化道。直到六到八个小时后，食物才到达大肠（结肠），然后开始要上厕所。

如果一直没有感觉，可能是便秘。便秘有很多原因，从脱水或低纤维到甲状腺等各种问题，但最好的选择是首先检查饮食和肠道状况。确保你已经喝了足够的水，并在饮食中加入了各种水果和蔬菜，保持肠道状况良好。

我们的肠道负责让我们的身体维持正常工作状态。当我们吃的食物被分解时，肠道会吸收支持我们身体功能的营养物质-从产生能量到荷尔蒙平衡，从皮肤健康到心理健康，甚至消除毒素和废物。

此外，关于免疫系统的70％在肠道中，因此确保我们的消化系统处于最佳状态对于解决我们的许多身体疾病至关重要。

为了使食物在消化系统中顺畅流动并防止腹泻和便秘等问题，可以进行以下选择：

01多吃蔬菜，水果和全谷物

蔬菜，水果和全谷物都是纤维的丰富来源。纤维有助于食物更轻松，更彻底地通过消化系统。

02 限制红肉和加工食品

研究已经表明红肉产生与心脏病有关的化学物质。加工食品可能会导致胃肠道内壁发炎，而胃肠道内壁正是吸收食物的主要位置。你的肠胃可能无法识别你吃进去的可消化食物，更有可能将高果糖玉米糖浆或人造成分等食物识别为“攻击者”，从而引起炎症反应。我们的身体实际上在抵抗这些食物，就好像是感染一样。

因此尽可能食用更多的绿色食品，例如绿色水果，蔬菜和未加工的肉类，可以降低对身体造成的压力。

03 坚持运动

身体运动也会带动消化道运动。饭后散散步可以防止气体和腹胀。运动还可以控制体重，从而降低罹患某些癌症和消化系统其他疾病的风险。

04 保证充足的睡眠

睡眠不足与肥胖有关，肥胖可能导致消化系统出现问题。

05 适当解压

过度的压力会加剧消化系统疾病，例如烧心和肠易激综合症。诸如冥想和瑜伽等缓解压力的技术可以帮助您放松心情。

06 尽量避免引起过敏

我国在2011年4月发布了新的《预包装食品标签通则》，其中增加了食品中可能含有致敏物质时的推荐标示要求。在推荐标示内容部分，特别对致敏物质做了标示的详细规定。对食品及其制品中选用了某些可能导致人体产生过敏反应的配料，宜在配料表中使用易辨识的名称，或在配料表邻近位置加以提示。

例如上世纪80年代, 欧美有不少人发现他们对自己的主食面包过敏。就在于肠胃对面筋蛋白质中的醇溶谷蛋白的过敏反应。于是欧美兴起了轻/无麸质食品。

注：麸质（Gluten）是存在于多种谷物中的一种谷蛋白，亦称面筋蛋白，对中国人来说，就是俗称的“面筋”，它是大麦、小麦、燕麦、黑麦等谷物中的精华物质，具有弹性，能给面食带来“劲道”的口感。

人类的肠道内有超过100万亿种细菌，被称为“肠道菌群”。拥有健康的肠道菌群对于你整体健康至关重要。破坏肠道菌群与许多健康问题有关。

有意思的是，许多饮食，生活方式和其他环境因素都可能对肠道菌群产生负面影响。饮食和生活方式因素，包括不良的睡眠质量，饮酒和缺乏运动，都可能会损害肠道细菌。

做什么会损害肠道菌群

1 饮食不均衡

由水果，蔬菜和全谷物等各种各样的整体食物组成的饮食会导致肠道菌群更加多样化。实际上，仅改变几天的饮食习惯就可以改变肠道菌群。这是因为您吃的食物提供了有助于细菌生长的营养。富含全食物的饮食可以为肠道提供多种营养，帮助促进各种细菌的生长，从而导致肠道菌群更加多样化。

通常丰富多样的肠道菌群被认为是健康的。肠道菌群缺乏多样性，不利于从感染或抗生素等有害影响中的恢复。

不幸的是，在过去的几十年中，许多多样性饮食已经丧失。据报道，全球75％的粮食供应仅来自12种植物和5种动物。有意思的是，研究表明，生活在非洲和南美农村地区的人的肠道菌群要比生活在美国和欧洲的人更为丰富。他们的饮食通常不受西方饮食的影响，富含纤维和多种植物蛋白。

2 饮食缺乏益生元

益生元可以在通过上消化道时不被消化，却能被肠道菌群发酵，可促进肠道中有益菌的生长和活动。许多食物，包括水果，蔬菜和全谷物，都含有益生元。饮食中缺乏它们可能对您的整体消化健康有害。

益生元含量高的食物包括：

小扁豆，鹰嘴豆和豆类；燕麦；香蕉；菊芋；芦笋；大蒜；韭菜；洋葱；坚果类

一项针对30位肥胖女性的研究发现，每天服用益生菌补充剂三个月可以促进有益菌例如双歧杆菌生长。

益生元纤维补充剂还促进短链脂肪酸的产生。这些脂肪酸是结肠细胞的主要营养来源。它们可以被吸收到您的血液中，从而促进新陈代谢和消化系统的健康，减少炎症并降低结直肠癌的风险。

此外，富含益生元纤维的食物可能会降低胰岛素和胆固醇水平。

3 饮酒过多

一般来说，饮酒会对肠道细菌产生有害影响。但是，适量食用时，红酒中的多酚含量可能对肠道细菌具有保护作用。酒精会上瘾，大量饮酒会对身体和精神产生有害影响。在肠道健康方面，长期饮酒会引起严重的问题，包括营养不良。

一项研究检查了41名酗酒者的肠道菌群，并将其与10名几乎不喝酒的健康个体进行了比较。酗酒者肠道菌群失调占27％，但在任何健康个体中都没有。

另一项研究比较了三种不同类型的酒精对肠道健康的影响。在20天内，每天喝272毫升的红酒，272毫升的脱醇红酒（一种酒精含量极低的葡萄酒）或100毫升杜松子酒（一种烈酒）。

其中杜松子酒减少了肠道中有益菌的数量，而红酒实际上增加了已知可促进肠道健康的细菌数量，减少了梭菌等有害菌的数量。

适量饮用红酒对肠道细菌的有益作用似乎是由于其多酚含量的缘故。多酚可以逃避消化，并被肠道细菌分解的植物化合物。它们还可以帮助降低血压并改善胆固醇水平。

4 抗生素的使用

抗生素是用于治疗细菌引起的感染和疾病的重要药物，例如尿路感染等。它们通过杀死细菌或防止细菌繁殖而起作用，并在过去80年中挽救了数百万人的生命。

但是，抗生素的缺点之一是它们同时影响好细菌和坏细菌。实际上，即使是单一抗生素治疗也可能导致肠道菌群组成和多样性的变化。

短期改变

抗生素通常会导致有益细菌（例如双歧杆菌和乳杆菌）的短期减少，并会暂时增加有害细菌（如梭菌）。

长期改变

但是，抗生素也会导致肠道菌群的长期改变。服完一定剂量的抗生素后，大多数细菌会在1-4周后返回，但它们的数量通常不会恢复到以前的水平。

一项研究发现，单剂量抗生素减少了拟杆菌的丰度，并增加了耐药菌株的数量。这些影响可能会持续两年。

尤其是在生命早期使用抗生素可能导致某些个体长期破坏生态系统，这在我们之前的文章里面也有详细阐述。

Thiemann S,et al, 2016

5 缺乏规律的体育锻炼

体育活动被简单地定义为身体燃烧能量的任何运动。散步，园艺，游泳和骑自行车都是体育锻炼的例子。我们都知道锻炼身体可以带来许多健康益处，包括减肥，解压和降低患慢性病的风险等。

此外，最近的研究表明，体育锻炼也可能会改变肠道细菌，改善肠道健康。较多的锻炼与更多的丁酸以及丁酸产生菌有关（丁酸是一种对整体健康至关重要的短链脂肪酸）。这在我们之前短链脂肪酸的文章中也有详细阐述。

一项研究发现，与体重，年龄和性别相匹配的对照组相比，职业橄榄球运动员的肠道菌群更加多样化，细菌种类增加了一倍。此外，运动员的Akkermansia含量较高，该细菌被证明在代谢健康和预防肥胖中起重要作用。

女性群体中也有类似的报道。一项研究比较了19名经常体育锻炼女性的肠道菌群和21名不常体育锻炼女性的肠道菌群。经常体育锻炼的女性有很多促进健康的细菌，包括双歧杆菌和阿克曼菌属等，这表明经常体育锻炼，即便是在低强度到中等强度，定期进行体育锻炼也是有益的。

6 抽烟

吸烟会对体内几乎所有器官产生有害影响。戒烟可以增加肠道菌群的多样性，从而改善肠道健康，这种情况会在九周后发生。

烟草烟雾由数千种化学物质组成，其中70种会导致癌症。吸烟会对人体几乎所有器官造成伤害，并增加患心脏病，中风和肺癌的风险。

吸烟也是引起炎症性肠病的最重要的环境风险因素之一，这种疾病的特征是持续的消化道炎症。此外，吸烟者罹患克罗恩氏病（一种常见的炎症性肠病）的可能性比不吸烟者高两倍。在一项研究中，戒烟增加了肠道菌群多样性，这是健康肠道的标志。

7 睡眠不足

保证良好的睡眠对整体健康非常重要。研究表明，睡眠不足与许多疾病有关，包括肥胖和心脏病。睡眠是如此重要，你的身体拥有自己的昼夜节律。这是一个24小时的内部时钟，会影响您的大脑，身体和激素。它可以使您保持警觉和清醒，但也可以告诉您何时应该入睡。

肠道也遵循日常的昼夜节律。由于缺乏睡眠，或者倒班，或者在深夜进食都会干扰生物钟，可能会对肠道菌群产生有害影响。

2016年的一项研究首次探讨了短期睡眠剥夺对肠道菌群组成的影响。该研究比较了九名男性中两晚睡眠不足（每晚约4小时）与正常睡眠时间两晚（8.5小时）的影响。睡眠不足两天导致肠道菌群发生细微变化，并增加了与体重增加，肥胖，2型糖尿病和脂肪代谢有关的细菌数量。然而，睡眠剥夺对肠道细菌的影响是一个新的研究领域。需要进一步研究以确定睡眠不足和睡眠质量差对肠道健康的影响。摘要：身体有一个称为昼夜节律的24小时内部时钟。睡眠不足会破坏昼夜节律，这似乎对肠道细菌有有害影响。

8 压力过大

压力过大会增加有害细菌（如梭菌）和减少有益细菌（如乳酸菌），过度应激会降低肠道菌群多样性，改变肠道菌群分布。

我们说健康不仅仅是饮食，体育锻炼和充足的睡眠，还需要适当解压。高压力水平也会对身体产生有害影响。

在肠道中，应激会增加敏感性，减少血液流量并改变肠道细菌。对小鼠的研究表明，不同类型的压力（例如隔离，拥挤和热应激）可以减少肠道菌群多样性并改变肠道状况。小鼠在压力暴露下也会影响菌群构成，导致梭状芽胞杆菌等潜在有害菌增加，而乳酸杆菌（Lactobacillus）等细菌的有益菌减少。

一项针对人体的研究探讨了压力对23名大学生的肠道细菌组成的影响。在学期开始时和学期末进行肠道菌群检测。期末考试带来的高压力导致包括乳酸杆菌在内的有益菌的减少。有关压力与肠道菌群之间关系的研究还很新，目前对人类的研究还很有限。

如何改善肠道健康

健康的肠道菌群富含有益菌，对于整体健康至关重要。有很多方法可以改善肠道健康。饮食健康，多样化的饮食，良好的睡眠和减轻压力的程度，都是改善肠道菌群的好方法。

以下是有关如何改善肠道菌群的一些技巧：

肠道菌群检测

每个人都有自己独特的肠道菌群，处于自己独特的平衡中。不同的食物将以不同的方式影响我们所有人。也许令你感到不适的食物会使别人充满活力和健康，对你有效的药物对别人无效。

通过肠道菌群检测，可以更科学准确了解自己的肠道健康状况并制定相应的营养计划以满足自身需求。人们会越来越倾向于采用个性化的方式以维持健康。

多吃富含益生元的食物

多吃富含益生元纤维的食物，例如豆类，洋葱，芦笋，燕麦，香蕉等。

食用更多的益生菌

益生菌可能会增加健康的肠道细菌数量。发酵食品，例如酸奶，泡菜，干酪、酒酿、酱油、食醋等都是极好的来源。当然也可以服用益生菌补充剂。

留出充足的睡眠时间

要改善睡眠质量，傍晚之后请尽量不碰咖啡因，尽可能在完全黑暗的环境中睡觉，并进行有条理的睡眠，以便于每天都可以在同一时间入睡和起床。

减轻压力

定期运动，冥想和深呼吸运动可能有助于减轻压力水平。如果您经常感到压力很大，苦不堪言，对任何事物都提不起兴趣，则需考虑去看心理医生。

吃富含多酚的食物

优质食物包括蓝莓，红酒，黑巧克力和绿茶。多酚的消化效率不高，通常会进入结肠，在结肠中被细菌消化。

保证均衡饮食

《美国国家科学院院刊》上发表的一篇关于营养科学的文章指出，营养物质对于维持身体健康至关重要。这包括41种营养素，这些营养素包括14种已知的维生素（维生素A，B-1，B-2，B-6，B-12，C，D，E，K，生物素，胆碱，叶酸，烟酸和泛酸）和16种必需矿物质（钙，氯，铬，钴，铜，碘，铁，锰，镁，钼，磷，钾，硒，钠，硫和锌），以及11种其他物质，这些物质目前尚未归类为维生素，但应该归为维生素，包括两种类型的omega-3脂肪酸和9个氨基酸。

而大多数营养素都藏在我们日常的食物中，我们可以尽可能选择多种类的食物来加以均衡。这些营养素一旦缺乏，就会对健康带来不利影响。

结语

随着现代医学的发展，对疾病的预防开始逐渐成为医学上的重要环节，从预防做起能更多地免受疾病之苦。最后，希望大家从饮食的点滴开始，调整生活方式，找到属于自己的最佳健康状态。

【主要参考文献】

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药到病除？功能性食品到底有没有用？关键还要看你的肠道微生物

谷禾健康

人体肠道微生物群是一个复杂的生态系统，可以调节宿主与环境的相互作用。同样的功能性食品或药物在不同人身上可能存在生物利用度差异许多药物会对人产生不同的影响，举个例子，大约40%的抑郁症患者对抗抑郁药物反应不佳，其中一个重要的原因是个人肠道微生物差异造成的。

之前的文章我们已经知道，用药（例如抗生素）会影响肠道菌群，从而影响健康。但肠道菌群和药物（非抗生素药物）之间的关系更多的是双向作用：肠道菌群不仅受药物影响，肠道微生物可以通过酶作用改变药物结构，改变药物的生物利用度、生物活性或毒性，从而提高药物的疗效和安全性。例如，口服抗病毒药物布里夫定可以被宿主和肠道微生物区系代谢为溴乙烯基尿嘧啶，后者具有肝脏毒性。

此外，用于治疗帕金森病的左旋多巴是微生物影响药物疗效的一个典型的例子：研究表明，代谢左旋多巴药物的酶(TyrDC)是由粪肠球菌驱动的。在粪肠球菌中突变tyrDC可以阻止细菌从左旋多巴到多巴胺的代谢，从而提高药物疗效。

本文综合整理研究文献综合阐述肠道微生物如何影响药物药效和功能性食品的生物利用度。

首先，我们来了解下，什么是生物利用度？

生物利用度：是指药物活性成分从制剂释放吸收进入全身循环的程度和速度。也就是说吃的功能性食品的成分或者药物成分被生物体特定部位吸收和利用的程度和速度。

口服药物的生物利用度取决于到达全身循环前肠道和肝脏酶的首次代谢程度。然而，口服药物在到达宿主组织之前可能会遇到一个重要部位——肠道微生物群。

最近，肠道微生物群在研究方面取得了巨大进展，肠道微生物群对功能性食品或药物中成分利用的影响可能解释了这种差异。

肠道微生物如何参与消化吸收

◆ ◆ ◆ ◆

在人类历史上，大量肠道细菌已经在人类肠道内定植。这些微生物由于其丰富的数量和重要的作用被称为人体第二基因组。

肠道微生物群也被发现是能量获取的一个强有力的调节器；因此，已显示出与诸如脂代谢、糖代谢、肠道感染、脑功能、免疫和肿瘤发生等过程的显著相关性。肠道菌群受到遗传和环境因素的影响，当然环境因素更重要。

肠道微生物群可以帮助宿主通过仅由细菌分泌的酶和粪便能量的排泄来消化摄入的食物或药物。研究表明，主要的代谢反应是由肠道微生物酶进行的，包括β-葡萄糖苷酶、β-葡萄糖醛酸酶、氮还原酶、硫酸盐酶、硝基还原酶和硝酸盐还原酶。重要的生物转化，包括还原代谢、水解反应、去甲基化、脱氨、脱羟基化、去酰化、脱羧和氧化，被认为是由特定的肠道微生物进行的。

肠道微生物对食物的消化和有益的生物活性物质的合成有重要影响，如短链脂肪酸(SCFAs)和维生素，以及有害分子，如脂多糖(LPSs)、支链氨基酸(BCAAs)、胆汁酸和三甲胺(TMA)，TMAN-氧化物(TMAO)的前体。

因此，尽管有些物质对人类健康有直接影响，但许多生物功能是由肠道微生物从食物或药物中转化而来的小生物活性分子发挥的。

异源物质代谢的微生物学机制/通路

肠道微生物群通过催化各种生物转化直接与外源生物相互作用。反过来，许多外来生物抑制微生物生长或造成细胞损伤。

间接相互作用，包括微生物对宿主异种代谢成分的表达和活性的影响。

肠道微生物是药物或食品生物利用度的有效调节者

◆ ◆ ◆ ◆

膳食纤维可直接代谢为生物活性物质，即对提高短链脂肪酸水平具有生物效应的物质，短链脂肪酸可通过富集短链脂肪酸生产者从膳食碳水化合物中获得。另一方面，基于肠道菌群的功能，膳食纤维还可以通过重塑肠道菌群结构来降低TMA、TMAO和LPS的代谢。

重要的是，即使我们发现某些水提取物或功能性食品或药物的粗提取物具有生物效应，这些提取物本身也很有可能不具有生物效应，而肠道微生物群产生的小生物活性物质很可能在这些生物过程中发挥作用。

有研究表明，肠道微生物群通过四种途径对生物活性小分子的形成有显著影响。接下来主要来介绍下这四种途径。

肠道微生物通过四种途径提高摄入物质的生物利用度，以促进这些物质的治疗效果。这四条途径也为随后在寻找功能性食品和新药方面的突破奠定了基础。

一、直接转化

◆ ◆ ◆ ◆

途径1肠道微生物将母体化合物直接转化为有益代谢物

大量证据表明，肠道微生物群可以与不可消化的膳食化合物和草药（如多糖、低聚糖、皂甙和酚类化合物）相互作用，直接将这些分子转化为更活跃的化合物，提高其口服生物利用度。

注：什么是母体化合物？

命名有机化合物时，常把选定为命名主体的化合物也称母体化合物。在系统命名法中，选出最长的碳链的化合物就是母体化合物。

难消化的碳水化合物

碳水化合物包括膳食纤维、多糖和低聚糖，已被证明是许多药物和功能性食品的活性成分。然而，这些化合物在小肠内不易消化。许多研究表明，重要的代谢产物短链脂肪酸是潜在有益菌发酵多糖或低聚糖的主要最终产物。

在一项随机对照临床研究中，膳食纤维能极大地富集乙酸和丁酸产生菌。因此，在干预期间，这两种SCFAs的浓度也随之升高。2型糖尿病（T2DM）的缓解与肠道微生物群的改善、SCFA生成的上调、血清胰高血糖素样肽1（GLP-1）和肽YY（PYY）水平的升高有关。值得注意的是，根据15个SCFA生产商的数学模型，提高一个指数可以预测糖化血红蛋白（HbA1c，一个重要的糖代谢参数）的减少，表明有益肠道细菌产生的SCFAs在缓解T2DM中的重要作用。

药用和食用植物以及海洋生物中的多糖不仅被代谢产生高水平的SCFA，还可以减少代谢综合症或发挥免疫调节功能；此外，这些化合物通过富集产生SCFA的肠道细菌在临床应用中表现出更好的治疗效果。

例如，灵芝多糖可以调节肠道菌群（改变下图中菌群相对丰度），在生物活性中发挥核心作用，提高大鼠肠道SCFAs和分泌性免疫球蛋白a的浓度。高脂肪饮食消耗与血清LPS水平升高有关，也称为代谢性内毒素血症。代谢性内毒素血症诱导肝脏和脂肪组织炎症，激活肝脏TLR4途径。高脂肪饮食消耗还伴随着胰岛素抵抗导致的肝脂肪生成增加，而灵芝水提物减少了代谢改变。

玉竹多糖能使高脂饮食（HFD）大鼠受损肠道菌群组成恢复到正常对照组水平增加产生SCFA的细菌的数量，这与肥胖参数的改善相关。

冬虫夏草多糖能显著提高肠道菌群产生的丁酸盐水平，不仅能改善组蛋白H3乙酰化，介导T（Treg）细胞特异性Foxp3，而且能显著逆转环磷酰胺诱导的小鼠白细胞介素17（IL-17）和IL-21水平的升高。

寡糖对肠道菌群有明显的调节作用，导致各种SCFAs的产生，对代谢紊乱和结肠运动有良好的影响。

例如，低聚果糖（FOS）、低聚半乳糖（GOS）和低聚异麦芽糖（IMO）处理增加了SCFA产生菌的水平，包括乳酸杆菌和双歧杆菌。

丁酸等短链脂肪酸能纠正无菌小鼠的运动，可能是通过增加肠神经元的组蛋白H3乙酰化，从而通过增强迷走神经活动减轻便秘。

此外，FOS的摄入促进了胃饥饿素、葡萄糖和胰岛素水平的降低和PYY水平的升高。

低聚木糖（XOS）和菊糖型果聚糖还可以增加双歧杆菌的数量，增加丁酸和乙酸的含量，显著缓解慢性肾脏疾病和溃疡性结肠炎。

因此，虽然含有多糖或寡糖的中草药和功能性食品的生物利用度较低，但有益菌从这两种复杂的碳水化合物成分代谢而来的SCFAs可能是关键的生物活性分子。检测短链脂肪酸水平可能比关注含有这两种复合碳水化合物的草药和功能性食品的生物利用度重要得多。

肠道微生物群主要通过琥珀酸途径、丙烯酸酯途径和丙二醇途径从碳水化合物中生物转化出丙酸等短链脂肪酸。琥珀酸途径是许多拟杆菌合成丙酸的主要途径。琥珀酸途径也存在于黄色瘤胃球菌中，产生琥珀酸，但不是丙酸，琥珀酸是丙酸的前体。乳酸转化为丙酸的过程包括琥珀酸途径和丙烯酸酯途径，这在韦荣氏球菌属（通过琥珀酸途径）和巨球形菌属 /巨球形菌属（通过丙烯酸酯途径）中观察到。大肠杆菌、粪厌氧棒状菌和拟杆菌都可以降解通过丙二醇途径还原糖。

SCFAs可与肠上皮细胞上的G蛋白偶联受体（GPCRs）结合，主要是GPR41（称为FFAR3）和GPR43（称为FFAR2），调节炎症反应，并触发肠激素分泌，主要是GLP-1和PYY。GPR41和GPR43被发现存在于肠细胞以外的其他细胞，如脂肪细胞、内分泌细胞和免疫细胞。血流中的SCFA可以到达这些细胞并与这些SCFA敏感受体结合。

皂苷

已发现许多循环不良的生物可利用的草药在不产生SCFA的情况下发挥药理作用。近年来，越来越多的生物活性分子被肠道微生物群从这些功能性药物中代谢出来。皂苷是具有抗炎和抗癌活性的有价值的生物活性成分。然而，这些分子很难被人体血液吸收，导致在人体组织中的功效很低。

肠道微生物群通过将这些化合物转化为有益的代谢物，为克服皂苷的生物利用度差提供了新的机会。其中甘草酸苷（glycyrrhizin，GL）是从甘草中提取的一种典型的三萜皂苷，具有抗病毒、抗氧化、抗癌、抗炎等多种药理作用，引起了人们的广泛关注。它也是少数几个经过特定肠道微生物群代谢后相对明朗的成分之一。

基于这一发现，甘草次酸3-O-单-D-葡萄糖醛酸（GAMG）是一种比母体化合物GL具有更高生物利用度的代谢物，已在日本食品和制药工业中通过直接生物转化进行商业开发。

当人体口服GL时，不易从肠道吸收到血液中，由于其结构由两个葡萄糖醛酸分子组成，具有强极性。然而，GL的一个末端葡萄糖醛酸可以被来自肠道细菌的β-D-葡萄糖醛酸酶（β-GUS）水解，然后转化为GAMG，GAMG表现出适度的膜通透性和适当的分子极性，可能是由于该分子中的糖结合，导致生物利用度的提高。

肠道细菌，包括真杆菌属GLH、瘤胃球菌属PO1-3和无害梭菌ES24-06，在改变GL的化学结构以产生其他相关的肠道吸收代谢物（如GAMG、3-α羟基甘草次酸[3α-羟基GA]和3-氧代甘草次酸[3-oxoGA]）方面发挥着重要作用具有较强的药理活性（下图）。

图途径1应用前景良好的典型例子：通过调节肠道菌群将母体化合物(如甘草酸)代谢为增值化合物。

Timosaponin AIII（TA）是另一种皂甙类化合物，通过肠道微生物群对TA的糖基部分进行裂解，在肠道内代谢为活性代谢物sarssapogenin（SG），发挥多种药理作用。

有趣的是，与母体化合物（TA）相比，SG具有更高的抗炎作用，主要通过抑制LPS刺激的巨噬细胞中NF-B活化和促炎细胞因子（肿瘤坏死因子α[TNF-]、IL-1 和IL-6）的表达。

人参，其药理活性主要归因于人参皂甙，通常表现出恢复作用，强直性和振兴作用。人参和人参源性三萜皂苷，人参皂苷Rb1，根据肠道细菌Rb1水解电位的不同，在个体患者中表现出不同的疗效。

结果还表明，Rb1作为一种天然前药口服后，不能被天然形式的高吸收以发挥健康效益。Rb1可水解成其活性形式20-O-β-D-吡喃葡萄糖基-20(S)-原人参二醇，通过糖基部分的裂解使Rb1水解肠道细菌，使Rb1到达血浆，从而发挥其强大的抗转移活性。这些研究揭示母体皂甙被脱糖基化为相应的代谢物以发挥生物活性，主要由肠道微生物群分泌的消化酶介导。

酚类化合物

酚类化合物，分为黄酮类和非黄酮类，在食用植物中普遍存在。这些化合物具有很强的抗氧化作用，影响人体健康。然而，这些化合物的生物利用度因其巨大的结构多样性而不同。一部分酚类化合物被宿主衍生酶转化为生物活性代谢物，而另一部分酚类化合物不被小肠吸收，可能被肠道微生物群发酵和转化。

2.1 芹黄素-7-葡萄糖苷（A7G）

黄酮是主要的黄酮类化合物，芹黄素是黄酮苷元。芹黄素-7-葡萄糖苷（A7G）是芹黄素的母体化合物，具有抗突变、抗增殖和抗过敏作用。

通过将A7G应用于无菌大鼠和人类微生物群相关的大鼠，Hanske等人结果表明，无菌大鼠的尿液和粪便中A7G代谢物相对较少；无菌大鼠和人类微生物群相关大鼠中A7G代谢物主要分别为芹菜素和3-（4-羟基苯基）丙酸，无菌大鼠血液中检测到的化合物为芹黄素结合物，而在人类微生物群相关大鼠血液样本中检测到的化合物是根皮素。

这些结果表明，人体肠道菌群影响A7G代谢，影响黄酮类化合物的生物利用度。

2.2 花青素

花青素，另一种类黄酮，在以前的研究中被误认为比其他类黄酮亚类生物利用度低得多。最近的研究表明花青素是非常有效的，这些化合物的生物利用度被低估了。大部分摄取的花青素可能到达结肠并被结肠微生物群代谢。通过给回肠造口患者喂树莓、蓝莓和葡萄，发现大约40%的摄取花青素残留在回肠排出物中。

在拥有完整结肠的健康人中，花青素可以进入结肠并被去糖基化。C环的解离导致苷元的分解，这些分子转化为若干酚类成分，并产生附加效应。

2.3 姜黄素

作为黄酮类化合物的另一个例子，姜黄素在治疗某些疾病，包括癌症、心血管疾病、糖尿病、肝病和神经退行性疾病方面表现出抗氧化、抗炎、抗病毒、抗菌和有益的作用，受到了广泛的关注。

由于姜黄素结构中含有β-二酮，该化合物具有高的疏水性、低的溶解性和“生物利用度”，因此，每天大量摄入姜黄素，可以观察到对健康的促进作用。不幸的是，大量摄入姜黄素可能会产生有害影响并降低疗效，这会导致限制了姜黄素在疾病预防中的应用。

由肠道细菌产生的姜黄素代谢物具有生物效应，而不是姜黄素的原始形式。

据报道，姜黄素是由人肠道细菌Blautia 菌株MRG-PMF1通过甲基芳醚裂解，转化为去甲基姜黄素和双去甲基姜黄素的。有证据表明，未被吸收的姜黄素可以间接调节结肠微生物群，通过产生额外的生物可利用和生物活性分子（如二氧去甲基姜黄素和二甲氧基姜黄素）对多种疾病产生有益的影响。

以下是非黄酮类化合物。

2.4 绿原酸

作为常见的非黄酮类化合物，咖啡豆中含有丰富的绿原酸（没食子酸），可以防止人体低密度脂蛋白（LDL）的氧化，而LDL在动脉粥样硬化斑块的形成中起着关键作用。

斯大马等人的研究结果表明，绿原酸的吸收主要发生在大肠和小肠。大多数绿原酸完好无损地到达结肠，一些细菌产生一些酯酶来水解酚-奎宁酸键。释放的绿原酸很容易被细菌转化为二氢形式，如二氢铁酸和二氢咖啡酸，然后被结肠上皮吸收。其次，二氢阿魏酸、二氢铁酸硫酸盐等可在高浓度下进入循环。此外，一些其他生物利用度较低的酚类化合物，如迷迭香酸、依地考黄和一些槲皮素衍生物，被结肠微生物群发酵成可吸收和生物活性的酚酸，如羟基苯丙酸、苯丙酸和3,4-二羟基苯乙酸。

这些具有生物活性的微生物代谢物可被循环系统吸收和运输到器官和组织，或在肠腔发挥作用。

上述所有实例都表明，改善肠道微生物群可能是评价母体物质生物利用度的一个良好策略。然而，大量生物利用度较低的功能性食品和药物的代谢产物尚不清楚。此外，在确定提高食品和药物生物利用度的方法时，应考虑到单个肠道微生物的特性。

2.5 硫酸软骨素（CS）制剂

具体来说，口服硫酸软骨素（CS）制剂（一种高分子量的糖胺聚糖）已被用作治疗骨关节炎的药物很长一段时间。遗憾的是，临床试验中需要每天1200毫克才能观察到预期的疗效。CS在小肠的吸收率较低，口服后CS的生物利用度仅为0-13%。CS在胃和小肠中不可降解，口服后主要被结肠微生物群清除或降解。

通过分析6名健康受试者远端胃肠道肠道微生物群对CS的降解情况，研究人员发现每个个体的CS降解菌（多形拟杆菌J1、多形拟杆菌82、卵形拟杆菌E3和哈氏梭菌R4）具有不同的降解效果，但所有的产物都是2-乙酰氨基-2-脱氧-3-O-（β-D-葡萄糖-4-Δ 烯基吡喃糖醛酸）-4-Osulpho-D-半乳糖（Δ-UA-GalNAc4S）。

本研究表明虽然不同个体携带的细菌具有相同的功能，但该物种可能决定药物的降解率，从而导致生物利用度的差异。因此，我们认为，食品或药物的生物利用度不仅取决于物质本身，还取决于个人的肠道功能菌群。

二、增加有益菌及其代谢产物

◆ ◆ ◆ ◆

途径2非母体化合物富集的肠道细菌增加母体化合物的有益代谢产物

一些药物成分，如生物碱（黄连素等）和二甲双胍，不能被肠道菌群转化为短链脂肪酸，但这些化合物可以引发肠道菌群从膳食碳水化合物中产生短链脂肪酸的增加。

我们常见的药物黄连素是从黄连等中草药中提取的一种提取物，以前被认为是治疗腹泻的抗生素药物，最近在治疗2型糖尿病的过程中被发现能提高糖耐量。然而，由于黄连素口服生物利用度较低，其临床疗效难以解释。

与黄连素相比，二甲双胍具有较高的口服生物利用度，二甲双胍治疗代谢性疾病的作用疾病的机制被很好地理解，即通过激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）抑制肝脏糖异生。最近的研究表明肠道微生物群对二甲双胍的疗效有重要影响。

来自欧洲分子生物学实验室联合其他众多研究机构的研究人员的一项研究发表在《Nature》，用784个可用的人类基因组数据对抗糖尿病药物二甲双胍进行了详细分析。

他们支持二甲双胍通过短链脂肪酸（SCFA）产生治疗作用的微生物介导，以及已知肠道不良反应背后潜在的微生物群介导的机制，即埃希氏杆菌属的丰度相对增加。

在二甲双胍治疗的控制下，一个在T2D中肠道微生物群移动的统一特征：产生丁酸菌减少。这些反过来又会引起功能性微生物群的变化，部分缓解了二甲双胍引起的变化。

二甲双胍和黄连素对HFD（高脂饮食）引起的肠道菌群组成改变有明显的对比作用。黄连素和二甲双胍富集了可能产生SCFA的细菌，包括支原体菌科的Allobaculum、拟杆菌、Blautia、Butyricicoccus和考拉杆菌属。有趣的是，某些类型的SCFAs甚至可以触发肠道微生物群产生其他类型的SCFAs或有机酸。

向HFD中添加单缬氨酸（MV）和三缬氨酸（TV）不仅可以改善脑中的缬草酸水平，还可以改善脑中的乙酸水平。然而，MV和TV有降低盲肠中乙酸浓度的趋势，提示盲肠中乙酸可以转移到大脑中。

此外，大脑中的乙酸水平与TM7、S24-7家族和rc4-4的丰度呈显著负相关，与盲肠微生物群中的

Anaeroplasma 和 Tenericutes 丰度呈显著正相关。这些结果提示，脑内乙酸水平的升高可能与MV和TV引起盲肠内微生物的改变有关。

总之，一些研究表明，某些药物和功能性食品的提取物生物利用度低，但对宿主健康影响大。非母体化合物可以通过调节肠道微生物群代谢母体化合物而不是对宿主产生直接影响来增强生物效应。

此外，一些生物活性分子的功能有时来源于有益细菌产生的母体化合物的代谢产物，如多糖和低聚糖，而不是母体化合物本身。然而，只有在摄入有益的食物或药物后，才能经常检测到生物活性效应。迄今为止，很少能够确定有益分子是通过肠道微生物群的代谢直接或间接发挥作用。因此，不容易区分途径1和2。研究人员认为有必要通过代谢组学研究和每一种单独的代谢产物与宿主表型的相关性分析来鉴定治疗分子，并试着增加这些分子在血液中的分布。

三、减少有害菌及有害代谢产物

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途径3通过非母体化合物调节肠道微生物，减少母体化合物中有害代谢物

除了通过调节肠道微生物群来上调有益分子外，下调微生物群对有害分子的吸收也可能有益于人类健康。有害微生物也通过许多可预测的途径与宿主相互作用。

一些食物，如富含红肉的饮食，会诱发肠道微生物群产生有害分子，如TMA(三甲胺)/TMAO（TMA氮氧化物前体）和胆汁酸/胆固醇。越来越多的证据表明，生物利用度低的酚类植物化学物质可以降低有害化合物的水平，主要是通过肠道微生物群的重塑。TMA是由肠道微生物群降解胆碱和左旋肉碱而产生的，它被血液吸收，然后被肝脏的一种含黄素单加氧酶3（FMO3）迅速氧化为TMAO。

白藜芦醇（一种天然酚类化合物）通过重塑肠道微生物群来减少TMA和TMAO的合成。属级分析表明，白藜芦醇增加了拟杆菌、乳酸杆菌、双歧杆菌和阿克曼西亚的相对丰度。同时，白藜芦醇的使用导致普雷沃菌和瘤胃球菌科的相对丰度下降，TMA和TMAO的合成下降。除了天然药物，膳食纤维还通过改变肠道来降低TMAO水平微生物组。

研究表明，饲喂膳食纤维改变了小鼠肠道微生物生态，促进了阿克曼菌、双歧杆菌等的生长，抑制了有害物种的生长，通过重塑肠道微生物群落结构降低了TMA和TMAO的代谢。

此外，食物中的一些生物活性分子，如蒜素，也会影响TMA和TMAO的产生。

脂多糖(LPS)是革兰氏阴性菌的膜成分，是另一类非肠道代谢产物的有害物质。2018年研究结果表明，膳食纤维的摄入抑制了T2DM患者体内潜在有害细菌的生长，降低了LPS水平，但增加了SCFA产生菌的数量。洛佩兹等人提示染料木素作为大豆中的一种膳食生物活性成分，通过增加普氏菌属和阿克曼菌属的数量，对HFD小鼠肠道微生物群有调节作用。这些增加导致循环中脂多糖水平减少和代谢性内毒素降低。

另外，还有很多慢性肾脏病患者肠道微生物群的重建可以减少血液中有害的代谢产物，如由微生物群产生的硫酸吲哚和硫酸对甲酚。

总之，功能成分可以通过重塑肠道微生物群来减少有害肠道代谢物的产生。为了充分了解生物利用度，必须考虑到有害生物可利用分子水平的下降。因此，降低有害分子的生物利用度也可以缓解代谢疾病。在许多情况下，一些功能性食品或药物不仅可以增加有益菌（通常是SCFA产生菌）的数量，而且减少有害菌的数量以改善各种疾病。

四、抑制降解药物生物活性的肠道细菌

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途径4抑制特定的肠道细菌，使母体化合物由非母体化合物转化为非活性形式

在途径1中，我们描述了一组能够将非活性成分转化为高效生物活性和可吸收的化合物。相反，特定肠道细菌对药物或食品中某些功能成分的降解会降低这些化合物的生物利用度。与在途径1中富集有益菌的策略相反，抑制降解生物活性母体药物的肠道细菌的有效方法可能增加这些药物的生物利用度。

口服给药后，药物在肠道和肝脏经历首次通过代谢，这主要影响药物的疗效和不良反应。许多药物进入肠道，由肠道微生物群代谢，导致疗效降低。例如，齐默尔曼等人发现在哺乳动物肠道菌群中代表5个优势门的8种细菌，多形拟杆菌和卵形拟杆菌在将BRV转化为BVU方面表现出最高的代谢活性，而BVU则能与其他药物相互作用并引发致命影响。

索里夫定（SRV），在结构上类似于BRV，可以被多形拟杆菌缓慢地转化为BVU。多形拟杆菌还可以参与二硫卓的脱乙酰化反应，生成脱乙酰二硫卓。此外，舒林酸被肠道微生物群还原为硫舒林酸。地高辛在体外可以转化为二氢地高辛和二氢地高辛。这些衍生物导致心脏活动减弱。

一些研究表明，某些化学键可以被特定肠道细菌携带的酶转化。例如，抗炎药物磺胺吡啶的偶氮键被结肠细菌偶氮酶还原成氨基水杨酸和磺胺吡啶。磺胺吡啶在结肠中的吸收会导致一些不良反应，如恶心、皮疹、头痛、头晕和食欲下降。

硝基安定在肠道细菌酶的催化下发生了硝基还原反应，但其产物具有致畸作用。肠道微生物群主要参与一种修饰，其中佐尼酰胺主要通过还原苯并异唑环转化为2-氨磺酰乙酰基苯酚。

另一个例子巧妙地证明了肠道微生物对活性母体药物降解为非活性成分的影响。氨氯地平是治疗高血压最常用的处方药之一，在胃肠道被吸收，口服后生物利用度约为60%。一些肠道微生物靶向方法已经被开发出来以提高生物利用度。

结果表明，氨氯地平与抗生素合用可增加胃肠道对氨氯地平的吸收。研究人员发现氨氯地平可以被肠道微生物酶代谢，产生主要的吡啶代谢物，这表明肠道微生物与氨氯地平的代谢有关。此外，氨氯地平与抗生素的联合给药使氨氯地平人血浆浓度增加到氨氯地平单药组的近两倍。

抗生素的使用可以改变肠道微生物群，导致合用抗高血压药物的代谢变化。这一发现有力地表明肠道微生物群可能影响抗高血压药物的药代动力学。然而，抗生素有引起肠道微生物群失调的相关风险，这限制了抗生素的使用提高氨氯地平生物利用度的化合物。

与氨氯地平单药治疗相比，与植物乳杆菌IS-10506合用能显著提高氨氯地平的浓度。研究人员推测植物乳杆菌IS-10506可以增强红细胞和红细胞压积，导致较低的沉降率和血浆蛋白水平的增加，而血浆蛋白与氨氯地平结合。

此外，益生菌大肠杆菌Nissle 1917的活菌悬液增强了抗心律失常药物胺碘酮在大鼠和嗜酸乳杆菌、乳酸双歧杆菌和鼠李糖乳杆菌混合培养物中的生物利用度，增加了糖尿病大鼠对抗糖尿病药物格列齐特的生物利用度。有益菌可以限制竞争性机会病原体的扩张。

因此，在我们看来，这种生物利用度的提高可能与由于有益菌的竞争压力而导致的药物降解细菌的数量减少有关。

益生元也能调节肠道微生物群。据报道，益生元的使用还可以增强某些母体化合物的吸收。例如，染料木苷和FOS的合用提高了染料木苷的吸收，导致该化合物高效地到达其靶组织，如骨。然而，根本机制尚未得到解释。

另外，肠道微生物可以通过相应的代谢物与肝脏和其他器官的受体相互作用。吲哚是微生物色氨酸代谢产物，已被证明能诱导一些细胞色素P450s，它们负责大多数治疗药物的代谢，并通过芳香烃受体介导的机制在生物利用度和药物相互作用中发挥重要作用肝脏。

此外，抗生素还降低了肝细胞色素P450 3a的表达和酶活性，无论是直接（肠内）还是间接（肝内）影响首次通过代谢，肠道微生物群都可能在这些过程中发挥重要作用。综上所述，这些结果表明抗生素、有益细菌和益生元能够通过抑制药物降解菌的数量来增加某些口服药物的吸收。

结语

◆ ◆ ◆ ◆

肠道微生物与药物之间的相互作用是复杂的和双向的：肠道微生物群的组成可以受到药物的影响，但反之亦然，肠道微生物群也可以通过酶促改变药物的结构并改变其生物利用度、生物活性或毒性(药物微生物学)来影响个人对药物的反应。

同样的功能性食品或药物在不同人身上可能存在生物利用度差异，结合肠道菌群健康检测可以了解更多关于自身肠道菌群丰度，未来研究方向或以这样的形式展开：在开药方之前对一个人的微生物群进行评估，他的微生物群需要预先调整以增强药物的效果，或者可能会开出一种不同的药物，这种药物的设计对某些细菌具有更强的耐受性。

另外也可以考虑靶向抑制剂疗法，通过靶向抑制剂来抑制功能性成分的细菌降解以提高药物和食品的生物利用度，当然也需要考虑这两者之间的相互作用以及是否会人体产生副作用。

总而言之，肠道菌群调节将是一种新的策略，用于提高生物利用度、减轻副作用以及开发和设计新型药物。与人类基因不同，肠道微生物群是可修改的，使其成为优化治疗的有吸引力的治疗目标。在癌症治疗中，肠道微生物群也可以间接影响个体对免疫治疗的反应。了解微生物群是如何代谢药物和降低治疗效果的，将开启调节肠道微生物群以改善治疗的可能性。

【附录】

影响肠道菌群的常见药物

质子泵抑制剂（PPI）

质子泵抑制剂是世界上最常用的药物之一，用于治疗消化不良以及与胃酸相关疾病，以及预防非甾体丙氨酸炎性药物引起的胃十二指肠病和出血。

来自荷兰的大规模基于人群的研究表明，PPI是与肠道微生物群多样性减少和分类变化最相关的药物。这项分析表明使用PPI的人群中有高达20%的人，体内菌群的相对丰度发生了改变(或减少或增加)。

在一项分析1827对双胞胎粪便样本的16S数据的研究中观察到，微生物多样性较低，肠道共生菌的丰度也较低。总体而言，PPI使用者粪便样本的分类变化显示，肠道共生菌数量减少，口腔细菌数量增加。

一项使用了宏基因组测序的研究表明，PPI与24个分类群和133条代谢通路显著相关。预测的功能变化包括脂肪酸和脂质生物合成的增加，发酵烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)的代谢，L-精氨酸的生物合成和嘌呤脱氧核糖核苷的降解。PPI引起的胃酸降低被认为是观察到的微生物变化的原因，因为它使口腔细菌能够在肠道微生物群中定居，从而导致分类上的同源性变化。

二甲双胍

二甲双胍是一种口服降糖化合物，用于治疗2型糖尿病(T2D)。二甲双胍可以抑制肝脏的糖异生，它的一些有益作用是由肠道微生物群介导的。

在一项对健康志愿者的干预研究中，与接受安慰剂的对照组相比，使用二甲双胍导致了超过80种物种的变化。二甲双胍治疗显著增加了大肠杆菌，降低了肠杆菌丰度。随后，将接受二甲双胍治疗或安慰剂治疗的捐赠者的粪便样本移植到无菌小鼠身上，观察到接受二甲双胍治疗志愿者粪便样本的小鼠血糖水平较低，这意味着肠道微生物群对血糖水平有直接影响。此外，在临床上，服用二甲双胍的患者中有多达三分之一的人报告了腹泻、腹胀和恶心等胃肠道副作用。

二甲双胍和肠道微生物群之间的关系揭示了一种常用药物如何改变肠道微生物群，并解释该药物的部分治疗功能，以及它的一些副作用。

需要注意的是，在对特定疾病或情况进行微生物组研究时，要严格控制混杂因素，如药物使用(包括二甲双胍、抗生素、PPI和其他药物)。

其他常用非抗生素药物

其他常用药物，包括泻药、他汀类药物、抗抑郁药和阿片类药物，也导致了肠道微生物群组成的一些差异。在服用泻药的个体中观察到拟杆菌的数量增加。

在一项对暴露在聚乙二醇(PEG)中的小鼠的独立研究中，发现拟杆菌增加。PEG诱导的轻度渗透性腹泻导致肠道微生物群的长期变化，粘液屏障的短暂破坏，以及随后的先天和获得性免疫反应。

在小鼠身上的发现，泻药的使用很可能对肠道微生物群组成有短期和长期影响，这些影响与粪便浓度和每个样本的细菌数量无关。

【参考文献】

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菌群左右下的免疫力天平——免疫失衡疾病背后的新机制

谷禾健康编辑

刚刚，来自美国耶鲁大学的免疫学专家Martin Kriegel及其同事在自然评论《Nature Reviews》上在线发表了综合评论文章：Host–microbiota interactions in immune-mediated diseases（免疫介导疾病中的宿主-微生物群相互作用）。

以下是文章内容。

宿主-微生物相互作用是免疫系统发展的基础。现代环境和生活方式的剧烈变化导致了这一古老进化过程的不平衡，同时免疫介导的疾病，如自身免疫性、过敏性和慢性炎症性疾病急剧上升。

本文从宿主-微生物免疫相互作用的进化概述开始，探讨了在宿主易感基因的背景下，微生物群如何促进免疫介导疾病的易感、起始和延续的机制。这些机制对未来以微生物群为中心的预防和治疗方法具有启示意义。

阅读本文前，可先浏览下文中名词解释

模式识别受体(Pattern recognition receptors)

先天免疫的关键检测系统，具有不同的类别，能够识别各种进化保守的微生物相关分子模式

Toll-Like 受体 (TLRs)

进化保守的模式识别受体识别表面以及内质体配体。

固有免疫

第一道防线，包括物理、化学和各种上皮和固有免疫反应，这些反应迅速（在数小时内）和专注于发现进化上保守的模式。

适应（获得）性免疫

第二道防线由淋巴细胞使用体细胞重排受体，可以识别任何抗原，最初是缓慢的（在几天内），然后形成免疫记忆。

淋巴集结(Peyer’s patches)

小肠的解剖结构由聚集的淋巴滤泡组成，在肠道相关淋巴组织中充当免疫传感器。

分泌型IgA

在粘液分泌物中发现的免疫球蛋白的主要亚类，通常以二聚体形式存在。

肠系膜淋巴结(Mesenteric lymph nodes (MLNs).)

肠系膜内有组织的次级淋巴器官，含有外周淋巴结的所有免疫成分，但接受来自肠道的引流淋巴。

抗菌肽

在屏障表面分泌小分子，具有抗菌活性，含有微生物和病原体。

核苷酸结合寡聚结构域(NOD)样受体

进化上保守的模式识别受体传感细胞内配体，如细菌肽聚糖。

炎症性肠病(IBD)

溃疡性结肠炎和克罗恩病的疾病谱，由于对肠道微生物、肠道上皮和周围组织的过度免疫反应而影响大或小的肠道

I型糖尿病（T1D）

器官特异性自身免疫性疾病，其特征在于内分泌胰腺，尤其是葡萄糖稳态所需的产生胰岛素的β-胰岛细胞的破坏。

自身免疫性胰腺炎

由于胰腺外分泌组织的自身免疫攻击引起的慢性器官特异性自身免疫疾病，并伴有血清IgG4升高。

系统性红斑狼疮（SLE）

慢性，全身性自身免疫综合症会影响肾脏，皮肤，关节，大脑和其他器官，但很少累及肠道。

自身免疫性肝炎

肝脏的慢性器官特异性自身免疫病，导致免疫细胞介导的肝细胞损伤，并与循环自身抗体有关。

无菌实验

培养或培养生物的环境，其中所有的微生物要么是已知的，要么是被排除在外的(无菌的)。

原发性硬化性胆管炎(PSC)

慢性自身免疫性疾病破坏肝脏外部和内部的胆管，通常与炎症性肠病有关。

病原微生物

菌群中所有可能致病的微生物，在体内稳态下均无害，但可在易感宿主中引起非传染性疾病；区别于易感宿主中引起传染病的机会病原体。

移植物抗宿主病

来自供体（移植物）的免疫细胞对宿主组织的急性或慢性同种免疫攻击。异体移植或干细胞移植后发生移植物抗宿主病。

类风湿性关节炎

系统性风湿性自身免疫病，主要引起广泛的关节内膜炎症（滑膜炎），导致小关节和大关节的软骨和骨质破坏。它还会影响内部器官，例如肺，导致间质性肺疾病。

过敏性皮炎

皮肤炎性疾病，其特征是由皮肤屏障功能障碍和T helper 2细胞倾斜的免疫失调介导的慢性复发性瘙痒性皮疹。

干燥综合征

针对唾液和泪腺的慢性自身免疫性疾病，会导致眼睛和嘴巴干燥以及全身器官受累，并增加淋巴瘤的风险。

肾小球免疫复合物沉积

自体抗体-自体抗原复合物在肾脏肾小球的沉积，可导致肾脏损害和功能损害。

狼疮性肾炎

系统性红斑狼疮的肾脏炎症，由肾小球免疫复合物沉积和间质炎症引起。

亚急性皮肤红斑狼疮

红斑狼疮一种影响皮肤的红斑狼疮亚型，可与全身性红斑狼疮有关，由淋巴细胞浸润和皮肤中沉积的免疫复合物介导。

白癜风

一种T细胞介导的皮肤自身免疫性疾病，表现为由于T细胞介导的破坏而导致皮肤黑色素细胞丢失，随后皮肤脱色

多发性硬化

慢性进行性或复发性自身免疫性神经系统疾病，由于免疫介导的髓鞘破坏引起不同程度的中枢神经系统功能障碍。

模拟表位

模拟蛋白质、碳水化合物或脂类抗原的表位结构的肽序列;蛋白质自身抗原的一个模仿区可以模仿氨基酸的线性或构象延伸

脊柱关节炎

风湿性疾病谱，包括强直性脊柱炎，主要影响脊柱，导致融合或强直性关节炎。

脊椎关节炎还会累及周围关节、皮肤、肠道和眼睛。

免疫系统的进化不仅是为了抵御病原体，而且也是为了耐受进化到与宿主共生的有益微生物。从免疫学的观点来看，这可能是最好的例证，不仅可以抑制病理免疫反应，还可以通过调节性T（Treg）细胞识别自身抗原和普通抗原。因此，在免疫稳态下，免疫系统耐受有益的共生细菌，但在组织破坏或其他稳态扰动期间，可以对这些相同的微生物作出反应。

宿主抗原的自我—非自我鉴别是一个基本过程，是由明确的中心和外周耐受机制建立和维持的（见后面蓝色部分：免疫耐受的机制）。宿主免疫系统如何发展和对微生物群的反应仍然是一个自我—非自我辨别的免疫难题，人们对此知之甚少。

当耐受性机制被破坏时，免疫介导的疾病在遗传易发的个体中发生。这些疾病的特点是免疫介导的组织损伤，要么针对自我抗原（自身免疫），移植或转染抗原（同种免疫），吸入或摄入的无害环境制剂（过敏）或在缺乏特定抗原（自身炎症）的情况下（方框2）。

人们越来越多地了解微生物群直接和间接调节耐受性过程，从而控制炎症反应。这些反应可能发生在屏障表面（例如粘膜上皮）和周围（例如血液和非肠器官），对宿主有可能产生长期影响。因此，微生物群丰度、功能或解剖定位的失调可能导致耐受性的丧失，从而导致炎症和免疫介导的病理的发展。

最近的研究强调了异常的宿主-微生物相互作用如何对免疫介导的疾病的发展和解决产生病理后果。

微生物对免疫介导的疾病的影响超出了微生物自然定植的屏障表面（即肠道、皮肤、肺和其他粘膜表面），延伸到影响非屏障器官的疾病，如肝脏、肾脏、关节、肺、眼睛和大脑。例如，对自身抗原的耐受性可能由于微生物的自身抗原同源物的表达而被破坏，或由于微生物依赖的翻译后修饰而增加自身抗原的免疫原性。在细胞水平上，免疫细胞从肠道向非肠道组织的迁移可能是微生物依赖的。

此外，某些肠道共生体可以在肠道外移位，导致与非肠道组织中免疫细胞的异常相互作用和耐受性的破坏。这些和其他例子正在改变我们对宿主-微生物关系如何影响免疫介导的疾病的理解的范式。

免疫耐受的机制

免疫耐受是由胸腺和骨髓的中枢机制以及次级淋巴器官和免疫激活部位的外周机制建立的。在胸腺中，与主要组织相容性复合物(MHC)I类或II类反应的T细胞被选择存活，分别导致CD8+或CD4+ T细胞的选择，而与自身过度紧密结合的T细胞不被选择存活并通过凋亡而死。

自身抗原由胸腺上皮细胞表达，表达受转录因子(如AIRE和FEZF2)的调控。骨髓中的B淋巴细胞也发生了类似的选择过程。退出外围后，成熟的T细胞和B细胞受到额外的耐受性机制，因为中心耐受性（即去除对自我反应的发育中细胞）是不完整的。明确的直接和间接机制确保逃逸到边缘的自反应性淋巴细胞被抑制或移除。

调节性T细胞积极抑制自身反应性淋巴细胞，这些淋巴细胞也可以通过凋亡（如果对自我过度反应)、无反应(当通过抗原受体接收信号1而没有通过共受体接收信号2时，也称为无反应）来沉默，或者不知道自我抗原是否仅隐藏或表达在免疫特权部位，如眼睛、胎盘或睾丸。

进化论观点

宿主防御病原体是一个基本的生物过程。原始防御反应依赖于生殖细胞编码的模式识别受体，如Toll样受体(TLRs)来识别和响应保守的微生物模式，如脂多糖(LPs)，这些系统是先天免疫的组成部分。

随着多细胞真核生物的进化，选择性压力推动了二次反应的发展，通过体细胞重组和突变，理论上可以识别任何形式的非自身；这些系统统称为适应性免疫。

在脊椎动物中，先天和适应性免疫反应相互沟通，目的是识别和消除非自我，同时尽量减少对自我的损害。随着后生动物免疫系统的进化，耐受有益微生物的需要对这个系统施加了反选择性的压力。经过数千年的选择和反选择，后生动物已经进化出高度专业化的非自我识别系统，消除病原体和对有益微生物的耐受性。

间接证据证明，免疫介导的疾病在当代社会的兴起与宿主与其微生物之间的稳态崩溃有关。

微生物有助于消化、代谢、器官发育、免疫细胞和神经分化，与宿主生理学的古老进化相互联系。某些微生物，如产碱杆菌属（alcaligenes spp），栖息在小鼠、非人类灵长类动物和人类的派尔集合淋巴结（Peyer‘s斑块，Peyer patch）中，以诱导免疫成分(大多数分泌性IgA)，支持它们在上皮屏障之外的定植。产碱杆菌属和其他淋巴组织内的细菌通过诱导组织保护因子来促进关系。

其他，如小鼠分段丝状细菌(SFB)，直接附着在小肠上皮细胞上，诱导胃肠免疫发育和宿主对病原体的保护免疫。在小鼠中，共生细菌也被树突状细胞携带到肠系膜淋巴结(MLNs)，在那里它们局部诱导宿主保护性免疫反应。宿主-微生物共同进化因此导致了局部的、直接的肠道免疫相互作用，在MLNs、Peyer‘s斑块和上皮屏障上，通过先天和适应性免疫反应促进相互作用.

最后，抗生素的出现和卫生水平的提高改变了人类如何遇到外源和共生微生物。在过去的几十年中，宿主-微生物相互作用的这种变化和免疫介导的疾病发病率的增加被认为是相互联系的。这种联系被称为“卫生假说”，并将过去几十年来发达国家免疫介导的疾病的迅速上升与宿主微生物多样性的下降和包括寄生虫在内的病原体的消除联系起来，特别是在生命早期。

对卫生假设的支持来自观察，即在新生儿时期减少微生物暴露（在人类群体中)或无菌状态(在动物中），在生命后期易患过敏和自身免疫性疾病。虽然人类仍然缺乏强有力的证据，但动物研究表明，带有微生物的新生儿定植有助于先天和适应性免疫发育，影响生命后期的炎症控制。因此，卫生假说将早期生命相互作用的破坏与微生物群和免疫介导的疾病如过敏和自身免疫联系起来。

肠道屏障和其他防火墙

防止对微生物产生旺盛免疫反应的最明显的方法是保持上皮屏障。然而，屏障需要有选择性地渗透，使营养物质进入宿主，有益的微生物与免疫细胞相互作用，以促进成熟和分化。

粘膜屏障只含有单层上皮细胞，但被厚厚的粘液层和其他各种物理（例如蠕动）和生化手段(例如分泌型IgA、抗菌肽，如α防御素和c型凝集素，以及溶菌酶)屏蔽。

屏障功能是由复杂的细胞生物学过程维持的，这些过程受到严格的调控。多种微生物信号促进肠道稳态、屏障完整性和免疫成熟，部分是通过先天和适应性免疫信号来实现的。例如，通过TLR途径激活强直性微生物是维持肠道屏障稳态和保护小鼠免受微生物依赖性结肠炎的必要条件。

同样，通过另一个细胞内天然免疫传感器家族的共生信号，核苷酸结合寡聚结构域(NOD)样受体，如NOD1，是小鼠肠道相关淋巴组织成熟和维持所必需的。

此外，与小鼠肠上皮细胞的共生相互作用诱导了血清淀粉样蛋白A等因子，这些因子是肠道t辅助17(Th17)细胞适应性免疫发育所必需的。

然而，影响适应性免疫成熟的共生物质的另一个例子是微生物衍生的短链脂肪酸(SCFAs)促进抗炎环境，以诱导Treg并促进小鼠的屏障稳态。适应性调节机制的丧失、屏障功能障碍或先天免疫缺陷都是免疫介导的肠道疾病的发病机制。

肠道屏障宿主-微生物群稳态的破坏增加了对微生物的旺盛免疫反应的可能性，从而促进炎症性肠病。同样，在这种情况下，对饮食成分的异常反应可能会发生，引发食物过敏和腹腔疾病。导致屏障完整性破坏的确切宿主-微生物相互作用仍有待确定。

先天和适应性免疫反应对肠道共生也可能发生在肠道外的器官。与肠道解剖连接的器官（特别是胰腺和肝脏）最有可能直接受到肠道微生物群及其产物的影响。胰腺从原始肠道的解剖发育导致腹膜后定位和与肠腔的功能连接。这使胰腺特别容易受到肠道微生物易位的影响，在模型中促进1型糖尿病(T1D)和自身免疫性胰腺炎。

同样，肝脏和胆管在解剖学上来源于原始肠管，因此容易受到微生物群的直接影响。肝脏和MLNs都是肠道上皮、血管或淋巴屏障破坏后的“防火墙”，这些屏障容易受到肠道微生物免疫刺激。

因此，解剖上与肠道相连的器官，特别是胰腺和肝脏，可能受到微生物依赖的自身免疫的影响，并作为各种非肠道系统性自身免疫性疾病的放大器。

肠-肝轴在免疫病理中的作用被最近的肠道上皮屏障破坏导致肝脏和全身免疫病理的例子所强调。这些包括从小鼠小肠转运到MLNs、肝脏和随着时间的推移，脾脏的肠球菌，通过各种机制驱动器官特异性和全身自身免疫（图1）。这种细菌在人类中易位的支持表现在系统性红斑狼疮(SLE)和自身免疫性肝炎患者的肝脏活检中存在鸡肠球菌（E. gallinarum）DNA，而且该菌在人原代肝细胞中激活的类似小鼠中的激活途径。

图1 鸡肠球菌易位通过多种机制驱动器官特异性和系统性自身免疫

微生物群与免疫介导疾病之间存在着多种联系。由于自身免疫的共同免疫途径受到影响，相同的致病菌可能在多种无关的免疫介导疾病中引发炎症。

本文描述了一种自身免疫性致病菌（E.gallinarum）及其如何导致免疫耐受中断的例子。所示的鞭毛细菌含有DNA、RNA、噬菌体和代谢产物，它们能介导宿主对内脏器官的某些转位作用。肝脏移位促进与自身免疫性肝病（自身免疫性肝炎和溃疡性结肠炎相关的原发性硬化性胆管炎）相关的器官特异性炎症。

此外，诱导自身抗原（β-2糖蛋白I（β2GPI）和内源性逆转录病毒（ERV）gp70）和先天性免疫刺激（如浆细胞样树突状细胞（pDCs））可促进系统性自身免疫性疾病（系统性红斑狼疮和抗磷脂综合征）。

类似地，T辅助细胞17（TH17）和T滤泡辅助细胞（TFH）在次级淋巴器官中的诱导，通过与抗原提呈细胞或代谢物如芳香烃受体（AhR）配体（和潜在的ATP）的直接相互作用，促进系统性和器官特异性自身免疫。交叉反应反应，如其他共生细菌（见正文）和表位扩散所示，可能有助于RNA和双链DNA（dsDNA）自身抗体由易位的鸡肠球菌（E.gallinarum）诱导。屏障渗漏是由鸡肠球菌通过未定义的途径诱导的，这可能涉及Toll样受体7（TLR7）触发，一种最近被证明改变屏障功能的受体。鸡肠球菌定殖降低小肠紧密连接蛋白（封闭蛋白、连接粘附分子-A（JAM-A）和claudins）的表达。最后，某些鸡肠球菌菌株也具有抗肿瘤活性，这与通过鞭毛蛋白触发TLR5有关。

利用溃疡性结肠炎和原发性硬化性胆管炎（PSC）患者粪便样本，进一步支持细菌易位对人类自身免疫性疾病的影响，这些研究来自于人类器官和小鼠的诊断学研究。在此背景下，一株人肺炎克雷伯菌分离物被证明与其他人类致病菌协同作用，以促进无菌小鼠的PSC。肺炎克雷伯菌破坏人体器官上皮屏障，并在小鼠肠道屏障之外转运，在那里它驱动Th17的炎症反应。

有趣的是，这项研究还确定了鸡肠球菌是一种人体肠道转运的致病菌，这支持了一种观点：即这些转运细菌通过诱导致病性Th17细胞来促进自身免疫性肝病，如自身免疫性肝炎和PSC，从而导致肝胆损伤。

免疫复合物和与内源性逆转录病毒（ERV）的相互作用可介导自身免疫向非易位致病菌定植的器官的系统性传播（下文将进一步讨论）。此外，肠道细菌易位也会影响移植物抗宿主病模型的同种免疫（见后面蓝色部分：免疫介导的疾病类别），这是由肠道微生物衍生的短链脂肪酸调控的。重要的是，宿主-肠道微生物群的相互作用不仅局限于肠-肝轴，而且还会影响其他器官系统，如神经系统。

肠道微生物群的系统影响通过肠-脑轴到达中枢神经系统，这可以影响动物的基本功能，如宿主行为。肠-脑效应是由微生物代谢物、神经递质以及免疫和神经元信号介导的，但还没有发现活细菌向大脑的易位；这一过程需要突破肠道和大脑的障碍。

有趣的是，血脑屏障与小鼠肠道屏障有结构和功能上的相似之处，影响肠道屏障功能的微生物代谢物也改变了小鼠血脑屏障。这些过程可以影响小胶质细胞的发育和功能，并对神经免疫炎症和自身免疫有影响。影响这些系统的确切微生物和代谢物的定义不明确，人类关联研究也很少；然而，新出现的机制将在下文进一步讨论。

免疫介导的疾病类别

过敏性反应

无害的环境或饮食抗原触发2型免疫反应(涉及嗜酸性粒细胞、肥大细胞、2组固有淋巴样细胞、t辅助2细胞和IgE)，导致暴露组织的炎症和损伤。例如过敏性接触性皮炎、过敏性鼻炎、过敏性哮喘和食物过敏。

同种异体免疫

来自同一物种的非自抗原触发免疫反应，即体液（抗体介导）或细胞介导的免疫反应，导致外来组织或器官的细胞毒性和破坏。反之亦然，移植到宿主体内的外来免疫细胞会攻击和损伤宿主组织。例如，移植物抗宿主病、输血反应和器官移植排斥反应

自身免疫性

自我抗原被自身反应性的T和B细胞不适当地靶向，从而逃避耐受机制，导致抗体或细胞介导的组织损伤。自身免疫可分为器官特异性或系统性，根据主要影响一个或多个器官的临床表现。例如，类风湿关节炎、干燥综合征和系统性红斑狼疮（系统性例子)，I 型糖尿病、多发性硬化症和自身免疫性肝炎(器官特异性例子）。

自体炎症

在没有传染性药物的情况下，由于天然免疫细胞激活（中性粒细胞和巨噬细胞）而导致组织损伤后的自身炎症性疾病。与自身免疫相反，损伤发生在没有明显的T和B细胞参与或自身抗体的情况下。自身炎症主要发生在单基因综合征和晶体驱动的疾病，如痛风，但也发生在一些自身免疫性疾病，具有突出的自身炎症成分（特别是炎症性肠病和脊椎关节病）。例如，家族性地中海热和肿瘤坏死因子受体相关周期综合征。

慢性炎症性疾病

广义的定义组织损伤，由于过度的持续炎症，由于先天或适应性免疫回路触发的非传染性刺激（自我或外国）。炎症的易感性与遗传、表观遗传和环境因素有关。例如，慢性自身免疫、同种免疫、过敏或自身炎症引起的疾病。

食物不耐受引起的自身免疫性疾病

不适当的免疫反应的饮食成分在遗传易感性的个人，导致自身免疫反应的自我。这些疾病将与食物不耐受区分开来，而不依赖于免疫反应（例如，酶缺乏引起的乳糖不耐受)或复杂的非免疫超敏反应综合征(例如肠易激综合征）的功能障碍。食物过敏的主要区别是饮食抗原引起的适应性免疫反应类型，例如腹腔疾病。

口腔微生物群

口腔是另一个粘膜部位，携带不同的生态位依赖的微生物群。定植于此部位的共生体对口腔健康和炎症有重要作用。例如，口腔菌群失调导致Th17介导的牙周炎症和骨丢失。

此外，口腔微生物群还与全身炎症性疾病有关。一个在人类风湿病中研究得很好的例子是放线菌群，一种口腔共生菌，通过毒素促进类风湿关节炎自身抗原瓜氨酸化。牙龈卟啉单胞菌是牙周炎的一种公认的致病因子，也与类风湿性关节炎有关，牙齿和关节破坏的相似性表明在侵蚀性类风湿关节炎中具有致病作用。

有趣的是，口腔共生菌也可以在健康的个体中定植，尽管数量很少。然而，一些口腔共生菌包括梭杆菌科和韦荣氏球菌科的成员，在以下几种疾病患者的粪便菌群中显著增加，包括溃疡性结肠炎、PSC、长期质子泵抑制剂、酒精中毒和IBD患者。

利用克罗恩病患者的唾液微生物群和唾液来源的肺炎克雷伯菌分离株足以引起严重的粘膜炎症。同样，Actinomyces massiliensis是一种表达狼疮自身抗原Ro60的同源物的人类口腔共生菌，在患有SLE的个体中被转移到肠道。因此，某些口腔共生菌在肠道中的不适当定植可能触发自身免疫。

皮肤微生物群

广泛的流行病学证据表明，在特应性皮炎和哮喘等特应性疾病中微生物群失调。所有屏障表面，特别是皮肤，都有区域生态位，有独特的菌群，因此可能影响局部和全身的免疫反应。

在出生时，皮肤屏障由Treg细胞主导，需要接触共生物质，以培养对这些微生物的耐受性。小鼠记忆Treg细胞优先积累在毛囊中，这是一个富含脂质的部位，有厌氧菌密集定植，Treg细胞的积累依赖于毛囊的发育和暴露于共生体中。与暴露于共生体后持续的皮肤Treg细胞产生相似，与皮肤病理生物和病原体的相互作用可能促进类似的皮肤驻留效应记忆群体。这些事件可能形成一个区域“经验图”暴露于微生物和环境抗原建立在一生中。

区域失调可能部分解释炎症皮疹的特征性解剖分布，如特应性皮炎。这种区域性的“记忆”也可能存在于肺等粘膜部位，但目前还没有得到充分的研究。早期与人类皮肤微生物群相互作用的重要性体现在观察到，在新生儿窗口期间的皮肤失调，如在剖腹产后的头几周发生的，与日后的过敏和炎症反应的风险增加有关。

早期暴露于保护性皮肤共生体，如表皮葡萄球菌，可启动致敏Treg细胞，导致共生特异性皮肤驻留记忆和效应T细胞，也可促进先天微生物防御和伤口愈合。组织特异性Treg细胞功能的缺失导致Th2细胞介导的伤口愈合途径的结构性激活，导致小鼠特应性皮炎样表型，其特征是过度的皮肤IL-5、IL-13和嗜酸性粒细胞，机制上将卫生假说与人特应性皮炎中Th2异常激活联系起来。

表皮葡萄球菌等保护性人类共生菌缺乏皮肤定植，与金黄色葡萄球菌的生长有关，这加剧了特应性皮炎的皮肤炎症。特应性皮炎的特点是遗传皮肤屏障缺陷，这种缺陷会导致金黄色葡萄球菌的过度生长导致微生物失调。此外，葡萄球菌的不同种类和菌株之间存在着直接竞争。因此，葡萄球菌的生物合成障碍似乎是特应性皮炎中皮肤屏障受损的原因和结果。微生物通过皮肤屏障易位到表皮下隔间来引发炎症的概念已经得到了初步探索，可能会促进特应性皮炎。

特应性皮炎主要与Th2表型有关，尽管某些个体还具有Th17细胞介导的炎症，特别是早期儿童特应性皮炎和高IgE水平的个体。虽然酵母共生马拉色菌在特应性皮炎中的作用存在争议，但皮肤马拉色菌定殖受TH17细胞免疫调节，特应性皮炎患者对马拉色菌有更多的记忆CD4+ T细胞应答，CCR6+ 产生IL-17，CCR6- 产生IL-4和IL-5。共生马拉色菌在其他炎症性皮肤病（如脂溢性皮炎）中有已知的作用, 但也可能导致特应性皮炎患者的炎症。

最近的研究还涉及皮肤共生菌在自身免疫性疾病，如SLE通过抗原在易感人群中交叉反应。患有SLE和干燥综合症的个体通常产生抗进化保守的RNA结合蛋白Ro60的抗体，也称为干燥综合症相关抗原A。

多种常见的共生体，包括人类皮肤共生假丙酸杆菌（原称丙酸杆菌），由于其在物种间的进化保守性，表达与人类Ro60具有高度序列同源性的Ro60同源物。抗Ro60阳性狼疮个体的血清免疫沉淀共生Ro60核糖核酸蛋白和人狼疮T细胞克隆对人和共生Ro60肽和蛋白质都有反应。无菌小鼠定殖于产生Ro60的肠道中，可产生T和B细胞Ro60反应性，并具有模拟狼疮性肾炎的肾小球免疫复合物沉积。

因此，与主要自身抗原的同源交叉反应诱导并维持系统性自身免疫。这一过程也有望驱动局部自身免疫性炎症，如亚急性皮肤红斑狼疮，因为丙酸丙酸杆菌的分布与这种情况下的皮疹分布相似，丙酸丙酸杆菌在亚急性皮肤红斑狼疮患者的皮肤活检中富集。同样，在其他局部皮肤微环境中，对共生体的自身免疫反应可能解释了在多种皮肤病中看到的皮疹的特征模式。

肠道-皮肤轴也可能有助于皮肤自身免疫。白癜风是一种T细胞介导的自身免疫性疾病，导致皮肤黑素细胞丢失和随后的脱色。在白癜风小鼠模型中，口服抗生素氨苄青霉素治疗后，皮肤和头发的加速发病和扩张，而不是新霉素，提示特定肠道细菌群落的改变影响疾病活性。

抗生素对皮肤微生物群影响不大，但改变了肠道微生物群，减少了皮肤中的T细胞数量。同样，新生儿口服抗生素可以通过增加皮肤IL-22产生γδT细胞来促进小鼠模型中的银屑病。这些研究支持肠道微生物在皮肤病中的作用。

皮肤-肠轴也是生物学相关的。在天然免疫刺激(使用TLR7激动剂，咪喹莫特)引起的皮肤银屑病炎症模型中，与无皮肤炎症的对照动物相比，肠道的化学刺激会导致严重的结肠炎。然而，目前尚不清楚这种对肠道的影响是否可能是由于动物舔掉了皮肤。如果未来的对照研究支持这些发现，他们表明，不仅有一个肠道-皮肤轴，皮肤和肠道之间也有交流。此外，机械性皮肤损伤易导致小鼠胃肠肥大细胞扩张，也支持这一模式。

呼吸微生物群和肠-肺轴

肺血—气屏障和定植微生物群也与免疫介导的疾病有关。新生小鼠暴露于室内尘螨过敏原后，气道嗜酸性粒细胞增多，Th2细胞因子释放随着肺中细菌负荷的增加而减少。

在另一种过敏性哮喘模型中，无菌小鼠肺中产生Th2细胞因子IL-4和IL-13的不变自然杀伤T细胞水平也增加。新生小鼠的微生物定植可逆转过敏反应，而成年小鼠则不然。因此，气道高反应性伴Th2细胞偏向，类似于过敏性哮喘，在出生时最强，暴露于不同的区域微生物后减弱。

先天Th2细胞偏见的原因尚不清楚，但可能与我们的进化历史有关，当时Th2细胞的反应对于防止寄生虫和有害环境物质以及组织修复至关重要。除了抑制Th2细胞反应外，儿童早期健康的共生呼吸微生物群对病毒感染有保护作用，这是过敏性哮喘发展的另一个危险因素。

肠-肺轴是另一种使微生物影响免疫介导的疾病的机制。肠道微生物失调与哮喘风险有关，有哮喘风险的新生儿肠道菌群减少的小鼠，新生儿定植对卵清蛋白诱导的过敏性哮喘的保护作用。

肠道微生物代谢物的保护作用，特别是纤维发酵的短链脂肪酸，得到了广泛的研究。肠道微生物衍生的代谢物也会影响远处的器官包括肺，这可能通过降低Th2细胞因子水平和增加Treg细胞的数量来保护宿主免受哮喘的影响。

此外，小鼠母体饮食中的短链脂肪酸被证明对后代的过敏性呼吸道疾病有保护作用，部分原因是胎儿肺中基因表达的改变。相关的人类研究与小鼠模型中的这些发现相一致：粪便中丁酸含量最高的1岁儿童，3至6岁的儿童过敏的风险显著降低。虽然肠道微生物向肺的易位没有直接与哮喘有关，但这可能在机制上是合理的。在败血症的背景下，观察到拟杆菌和肠球菌从下消化道转移到肺。

肠道寄生虫感染是肠—肺轴的另一个潜在介质，通过诱导Th2细胞和IgE，可以部分解释在发达国家很少接触寄生虫的人群中，特应性疾病的高发率。仅儿童钩虫感染与哮喘的未来发展比值为0.5（即概率降低一半）相关。此外，重组钩虫抗炎蛋白2通过诱导Treg细胞对卵清蛋白诱导的气道高反应性有保护作用。

除了直接免疫激活外，小鼠蠕虫感染似乎通过改变肠道微生物群进一步影响哮喘的风险，导致短链脂肪酸产生和肺Treg细胞增加。相关研究表明，蠕虫感染会促进肠道细菌多样性，从而保护人类免受哮喘的侵害。因此，特应性疾病的卫生假设可能与保护性定植和感染有关，后者介导局部和远处组织中的免疫-微生物相互作用。

遗传、环境与微生物

遗传和微生物之间的相互作用

免疫疾病通常是多因素的，并遵循多步骤的发病机制（图 2)。遗传学是慢性免疫介导疾病的基础，但环境触发因素和微生物失调是渗透疾病表型所必需的。明确定义的宿主遗传关联在人类自身免疫中具有特征，最显著的是人类白细胞抗原(HLA)多态性，但在先天性和适应性免疫途径中也有其他基因。

图2 系统性红斑狼疮和1型糖尿病多阶段发病机制研究

a |系统性红斑狼疮（SLE）作为受微生物群影响的系统性自身免疫性疾病的一个范例。通过向内脏器官转移、先天性（I型干扰素和旁观激活）和适应性（自身抗原诱导、T辅助细胞歪斜和表位扩散）免疫机制，启动致病菌促使SLE的发病。特别是，与早期自身抗原如Ro60【以及在一些SLEβ-2糖蛋白I（β2GPI）患者中】的交叉反应，使T细胞和B细胞对过度细胞死亡时释放的自身抗原产生反应。所有这些过程最终导致外周免疫耐受完全丧失，T细胞-B细胞协作，先天性免疫刺激（例如，浆细胞样树突状细胞（pDC）激活），具有I型干扰素特征和免疫复合物的形成。免疫复合物沉积在各种器官，如肾脏、大脑或浆膜。这种恶性循环被作为传播者和引发者的病理生物（例如，鸡肠球菌和罗伊氏乳杆菌）所促进，而一些在狼疮性肾炎（gnavus瘤胃球菌）暴发期间选择性生长。没有显示某些环境因素可以作为传播者（如病毒感染或紫外线（UV）照射）。

b | 1型糖尿病作为受微生物群影响的器官特异性自身免疫疾病的范例。起始的病理生物可能通过脂多糖（LPS）或壁酰二肽（MDP）转移到胰腺淋巴结或提供先天性免疫刺激。微生物群某些成员中的交叉反应抗原可触发对自身抗原的反应（例如，胰岛素特异性葡萄糖-6-磷酸酶催化亚单位相关蛋白（IGRP）和锌转运蛋白8（ZnT8））。

此外，遗传和环境因素会导致胰岛中产生胰岛素的β细胞受到应激，导致抗原的递呈和释放。这些过程共同促进了外周免疫耐受的丧失，包括T细胞与B细胞的协同作用和先天免疫刺激，最终导致胰岛细胞的破坏和胰岛素的分泌减少。随后的高血糖会随着时间的推移导致器官损伤的终止以及肠道屏障功能障碍的增加，这会加剧肠道微生物的移位，从而在可逆期（所谓的“蜜月期”）之后的恶性循环中进行胰岛细胞的破坏。

对于a图和b图，蓝框包含选择的遗传和环境因素，这些因素为自身免疫易感性提供了基础。紫色盒子包含细菌微生物群内疾病的潜在引发者和传播者，重点是病理生物。为了简单起见，此处不包括有益微生物群或其代谢产物的损失。

AIHA，自身免疫性溶血性贫血；APS，抗磷脂综合征；DC，树突状细胞；DLE，盘状红斑狼疮；dsDNA，双链DNA；ERVs，内源性逆转录病毒；GAD65，谷氨酸脱羧酶；HLA，人类白细胞抗原；IAPP，胰岛淀粉样多肽；NETosis，中性粒细胞胞外陷阱激活与释放；PG，肽聚糖；PPIs，质子泵抑制剂；RNP，核糖核蛋白颗粒；SCLE，亚急性皮肤红斑狼疮

双胞胎研究和无症状携带者的风险遗传变异支持额外的因素是需要疾病渗透。在小鼠中测试时，只有罕见的中枢耐受性缺陷被认为独立于微生物群或环境信号；然而，人类单基因表型的严重程度和临床异质性也很可能受到微生物群的调节。

多基因疾病通常被微生物所修饰。先天或适应性免疫基因功能的改变导致依赖于微生物的动物模型中的炎症表型。例如，肿瘤坏死因子-α(TNFα)诱导的蛋白3(NFAIP3，编码蛋白A20)或自噬相关基因ATG16L1对结肠炎易感性的影响。

同样，携带自身免疫驱动的主要组织相容性复合体(MHC)单倍型。在啮齿动物模型中，只有在微生物存在的情况下才会导致肠道和关节炎症性疾病。相反，某些MHC多态性可以选择免疫介导的疾病中的保护性微生物。

此外，TLR7通路，或ATP门控阳离子通道P2X7受体的遗传改变影响宿主免疫和肠道屏障功能，从而增加微生物易位和自身免疫的易感性。这些只是一些选定的例子来说明遗传危险因素在微生物群背景下易患免疫学疾病的各种情况。

环境对自身免疫和微生物的影响

药物

药物特别是抗生素，是明显的“环境”因素，广泛影响人类微生物群。抗生素分别影响自身免疫性和过敏性疾病模型的发生率或严重程度。在人类中，众多研究表明，类似的影响可能发生在某些抗生素上。

重要的是，有一些众所周知的例子，非抗生素药物通过肠道微生物群影响免疫介导的疾病。例如，柳氮磺胺吡啶是一种前药，在风湿病中发挥免疫调节作用之前，需要由肠道微生物群激活。在许多其他药物中，这种转化最近已映射到人类微生物组。

代谢物

此外，肠道微生物产生一种竞争性代谢物，影响对乙酰氨基酚（也称为对乙酰氨基酚）的肝脏代谢，这是一种广泛使用的治疗各种炎症性发热疾病的辅助药物。其他药物已知抗菌活性，但常规用于全身自身免疫性疾病，最显著的是抗疟药物——羟氯喹。目前尚不清楚这种药物是否通过对细菌或真菌微生物的抗菌作用部分作用于宿主，但鉴于其已知的作用模式，这是合理的。

饮食

除了药物外，饮食是一个重要的环境变量，广泛影响免疫系统和微生物群。不同纤维、色氨酸或脂肪酸含量的饮食可以通过各种机制调节免疫介导的疾病。低膳食纤维与能够将膳食纤维发酵成短链脂肪酸的微生物群减少有关，通过G蛋白偶联受体介导的致耐受机制。膳食纤维的增加与短链脂肪酸的产生增加有关，从而导致调节免疫反应，并在各种模型中防止过敏和炎症。

此外，饮食敏感的乳酸菌可以在神经炎症中起保护作用，但也可以通过I型干扰素反应来促进炎症和抗病毒免疫，从而根据I型干扰素的作用来调节自身免疫性疾病，例如促进SLE或改善动物模型中的多发性硬化。在狼疮易发的宿主中，一种致病性的罗伊氏乳酸杆菌菌株被一种高抗性淀粉的饮食所抑制，这种淀粉发酵成短链脂肪酸，限制了罗伊氏乳酸杆菌的生长，降低了肠道的通透性。

纤维和相关的短链脂肪酸一直是免疫介导疾病中宿主-微生物相互作用的主要焦点，其他膳食成分对微生物群的影响还需要进一步研究。例如，盐是一种意想不到的食品添加剂，影响免疫过程。氯化钠的增加与通过称为血清/糖皮质激素调节激酶1(SGK1)的离子通道激活激酶诱导Th17细胞介导的自身免疫有关。重要的是，膳食盐已被证明通过肠道微生物作用于宿主，特别是通过减少小鼠的鼠乳杆菌，这反过来促进Th17细胞的诱导，并加剧多发性硬化症的模型。

紫外线

化学或物理环境因素对宿主-微生物相互作用的影响也得到了初步研究。例如，太阳照射可能具有多向性效应，因为抗菌肽被紫外线(UV)辐射改变。此外，紫外线可能直接作用于皮肤微生物群。有趣的是，人类狼疮相关的同系物自抗原Ro60，由人类皮肤共生丙酸丙酸杆菌表达，在环境细菌中传递对辐射的抵抗力。

吸烟

吸烟类似于紫外线，对宿主和可能的微生物有多向作用。与类风湿性关节炎有关的一个独特的例子是，吸烟瓜氨酸化类风湿性关节炎自身抗原，这一过程也是由口腔致病菌放线菌所致的，如上文所述。吸烟改变的呼吸道微生物群是否有促使类风湿关节炎的发病机制尚不清楚。

卫生和生活方式的差异影响微生物的组成，这反过来又改变了自身免疫性和过敏性。

性激素

最后，应该注意的是，除了这些环境因素外，性激素还会影响肠道微生物，从而影响自身免疫。自身免疫倾向的雌性无菌小鼠从同一小鼠株的雄性小鼠获得一个微生物群，可防止进展为胰岛细胞自身免疫。特定微生物群如何影响小鼠自身免疫的一种可能性是通过血液睾酮水平的适度升高，这反过来影响免疫反应，但不影响女性的生殖发育和健康状况。最终，环境因素、性激素和微生物群之间的联系仍有待在精心设计的、涉及免疫介导疾病个体的纵向研究中评估。

微生物群和免疫耐受

正如前面的章节所总结的，遗传学、表观遗传学和环境因素导致免疫失调和外周耐受的断裂，这反过来又会导致对微生物群的异常免疫反应和失调。这些影响可能在幼儿期发展，也可能在青春期后荷尔蒙变化中触发，那时许多免疫介导的疾病出现了。根据卫生假说，失调菌群也可能被遗传给后代，并可能导致免疫介导的疾病的迅速上升。

图3 免疫介导疾病发病机制中的病理-宿主免疫相互作用

自身免疫性疾病分为肠道相关疾病、非肠道相关疾病和免疫特异性疾病。非细菌性诱因、过敏性或异基因炎症性疾病以及有益共生体的丧失均未显示。

肠道相关器官是肝脏，由血液和肠道微生物代谢产物通过门静脉和胰腺直接供应，接受来自肠道的淋巴引流。

宿主-微生物群的相互作用被几个屏障分开，即肠上皮屏障、肠淋巴屏障（GLB）、肠血管屏障（GVB）、血脑屏障（BBB）和血视网膜屏障（BRB），后两个屏障导致大脑和眼睛的免疫特权状态。其机制包括细菌移位、天然免疫激活、T辅助细胞（TH）歪斜、与自身抗原的交叉反应和翻译后修饰，以及识别微生物抗原和自身抗原的双T细胞受体（TCRs）。

未显示表位扩散和旁观者激活，这可能发生在所有情况下，当病理生物转移到内脏器官。

a| 肠相关器官。鸡肠球菌向肝脏的转移促进了自身免疫性肝炎，并与肺炎克雷伯菌和奇异变形杆菌一起，通过包括TH17分化在内的多种机制导致原发性硬化性胆管炎。鸡肠球菌诱导的肝芳香烃受体（AhR）和内源性逆转录病毒（ERV）也参与了小鼠狼疮性肾炎（一种非肠道相关器官）的系统性抗ERV反应。

Leptotrichia goodfellowii 能与小鼠Ⅰ型糖尿病自身抗原胰岛特异性葡萄糖-6-磷酸酶催化亚单位相关蛋白（IGRP）发生交叉反应。在小鼠Ⅰ型糖尿病中，未定义的微生物群易位到胰腺淋巴结并激活NOD2，而来自微生物群的NOD1配体的易位驱动自身免疫性胰腺炎。

b| 非肠道相关器官。鸡肠球菌和乳杆菌在系统性红斑狼疮模型中向肠系膜淋巴结（MLNs）、肝脏和脾脏转移，从而激活先天性（浆细胞样树突状细胞（pDC））途径。

鸡肠球菌还刺激狼疮患者滤泡辅助因子（TFH）和自身抗体的产生。Ro60直系表达细菌在狼疮患者中引起Ro60自身免疫反应；肠道中的类泰奥托米克龙杆菌、口腔或肠道中的大量放线菌和阿米巴棒状杆菌，除了狼疮外，还可能导致Sjógren综合征，丙酸假丙酸杆菌与亚急性皮肤狼疮皮损通过交叉反应。

gnavus瘤胃球菌在狼疮性肾炎时扩张，可与狼疮双链DNA发生交叉反应。抗磷脂综合征是一种凝血性自身免疫性疾病，鸡肠球菌传染性支气管炎也加重了这种疾病，它诱导肝脏中的自身抗原β2GPI。

口腔牙龈卟啉单胞菌、结肠copri菌和小肠节段丝状菌（SFB）的TH17偏斜均与类风湿关节炎的发病有关。同样，粘附性侵袭性大肠杆菌（AIEC）可导致克罗恩病相关性脊柱炎。在关节炎模型（未显示）中，SFB还使CD4+T细胞向TFH细胞倾斜，并通过携带双TCRs的TH17细胞在同一模型中引发间质性肺病。口腔中的放线菌群通过一种也能激活中性粒细胞的毒素，瓜氨酸化类风湿关节炎中的系统自身抗原。

c | 免疫特权器官。阿克曼菌（Akkermansia muciniphila ）在多发性硬化症中增强TH1反应，并且未定义的微生物群与GDP-l-岩藻糖合酶（一种神经炎症疾病的自身抗原）交叉反应。未定义的小鼠肠道微生物群与TH17细胞交叉反应，识别自身免疫性葡萄膜炎的自身抗原——视黄酸结合蛋白（IRBP）。

重要的是，微生物失调本身通过各种机制引起失调的免疫反应，包括T辅助细胞倾斜、旁观激活、表位扩散、交叉反应和双T细胞受体(TCR)刺激（图3），它们分别作用于疾病的易感性、引发和传播（表1）。

表1 微生物群对非肠道自身免疫性疾病的起始，繁殖和改善的影响

在本节中，我们重点讨论了自身免疫性疾病中发生的免疫机制，尽管它们同样适用于过敏性和同种免疫性疾病。此外，一旦免疫耐受被打破，组织耐受性决定了器官损伤是否会发生。

T辅助细胞倾斜

Th1和Th17细胞反应导致炎症组织损伤。在病原体感染或组织损伤期间，对微生物群的稳态免疫反应可分别向促炎或修复程序倾斜。重要的是，感染过程中的细胞凋亡被证明导致Th17细胞的反应是自发的。此外，某些共生诱导粘膜T细胞向Th1、Th17、T滤泡辅助细胞或细胞毒性CD8+T细胞分化，促进易感宿主的免疫介导疾病。

此外，肠道中的某些辅助性T亚群可以进一步根据共生菌与肠道病原体诱导的细胞因子分泌谱进行功能分离。例如，小鼠SFB在稳定状态下促进IL-10+非炎症Th17细胞，而小鼠肠道致病菌鼠柠檬酸杆菌在肠道感染过程中诱导干扰素γ+炎性Th17细胞。

值得注意的是，当在稳态与炎症过程中由相同的共生物种诱导时，T辅助亚群的分化甚至可能是不同的。阿克曼菌Akkermansia muciniphila在体内诱导小鼠T滤泡辅助细胞和Th17细胞在炎症中的作用。艾克曼菌也能促进人Th1细胞的体外倾斜，并在多发性硬化症患者中富集。这些研究只强调了支持微生物对T辅助细胞倾斜的影响的多个证据之一。

旁观激活

病原体可以在感染过程中以与抗原无关的方式激活自身反应性的T和B淋巴细胞，其途径是产生炎症环境，这种机制被称为旁观者激活。类似的情况可能是微生物群中的致病生物，它们促进促炎症而不是耐受性信号。几种共源MAMPs，如LPS、肽聚糖和其他尚未定义的MAMPs已被证明了能激活先天传感器，核苷酸结合寡聚结构域(NOD)样受体和TLRs，进而导致自身免疫性和炎症性疾病。

表位扩展

病毒和其他溶细胞感染可导致抗原释放和分子内以及分子间表位扩散。在病毒感染或肠道屏障功能改变等炎症条件下，破坏组织的肠道微生物群也可能参与这一机制。例如，鸡肠球菌从肠道转运到内脏，从而诱导RNA和双链DNA的自身抗体，并促进对β2-糖蛋白I和ERV抗原的自身免疫。自身抗原的翻译后修饰是另一种可能促进多个表位靶向性的机制，如口腔致病菌放线菌在类风湿关节炎中瓜氨酸化自体抗原所示。

交叉反应

交叉反应，通常在自身免疫中被称为分子模拟，在统计上很可能是由于来自微生物群的大量抗原。在具有适当MHC单倍型的宿主中，与交叉反应微生物群的持续定殖可代表免疫介导疾病对肠道和远处器官的持续触发。在人类微生物群中编码的自身抗原的同源抗原或非同源基因模拟表位提供了交叉反应抗原，刺激从患者中分离出的自活性T细胞和B细胞。

结合遗传或环境免疫过度激活，这些人类交叉反应的适应性免疫反应被证明在生物模型中介导远距离组织损伤。同样，与人类共栖抗原的交叉反应性与影响非肠道器官的耀斑有关。在这些环境中，细菌易位可能不是非肠自身免疫所必需的，特别是如果淋巴细胞的异常肠道归巢容易导致自身免疫反应的传播，但每当肠道屏障完整性受到损害时，细菌易位很可能起作用。

双T细胞受体

携带TCRs的T细胞可以识别微生物抗原和自抗原，这是在某种情况下肠道共生体如何触发自身免疫的另一个机制。在小鼠中，SFB通过双TCR淋巴细胞诱导遗传倾向关节炎模型中Th17细胞反应，以增强肺自身免疫。人类共生体是否通过双重TCR刺激导致人类自身免疫性疾病尚不清楚。

在克罗恩病相关脊柱炎患者的微生物群中发现的IgA包覆的粘附性侵袭性大肠杆菌，在同一诊断性关节炎模型中促进了系统性同源抗原特异性TH17细胞和自身抗原特异性抗体。

概要和治疗途径

正如前面各节所总结的，新生儿的影响（例如，儿童的分娩方式和抗生素治疗）以及青春期和衰老期间激素的变化影响微生物群，从而有助于发病、慢性和改善免疫介导的疾病随着时间的推移。如前几节所述，新生儿的影响（例如，儿童的分娩方式和抗生素治疗）和青春期和衰老期间的激素变化影响微生物群落，从而随着时间的推移，促使免疫介导疾病的发病和改善。

在这些变化过程中生长出来的某些肠道共生体可以通过降解粘液或IgA或增加肠道上皮通透性降低肠道屏障功能，其他的则使T辅助细胞分化倾向于促炎症表型，还有一些则通过促炎性MAMPs和代谢产物提供先天性刺激和旁观者激活。这些事件导致对交叉反应共生抗原的增强反应，而交叉反应共生抗原是无害的，在健康人群中可能普遍存在。

另外，细菌易位促进进一步的免疫活化，并且根据易位菌株，可促进远处组织的自身免疫病理。所有这些机制都可能协同作用，并涉及多个致病菌或伴随或丧失多种有益菌。

此外，由于环境因素（例如饮食，药物和感染），致病菌的屏障紧密度和向外生长的变化可能解释了慢性免疫介导疾病与致病菌而非因病引发的急性疾病相比的发展过程。并在病原体清除后再次汇出（表2）。所有这些因素都导致了慢性免疫介导疾病的异质性，并需要一种个性化的方法来理解，诊断和治疗这些疾病。

表2 免疫介导疾病及其与传染源的关系及与病原菌的慢性定殖

基于微生物群的个性化治疗

考虑到遗传易感宿主中宿主与微生物群相互作用的复杂性，针对微生物群的疗法在理想情况下是个性化的。

微生物谱分析以及免疫介导疾病个体的遗传图谱可进行风险分层，并选择可能受益于微生物群靶向治疗的患者。粪便微生物群移植和益生菌是相对非特定的方式提供有益的微生物并导致个体间的可变反应。系统地鉴定介导抗炎作用的微生物组中的小分子是可取的，并且是迅速发展的。

除了开发利用细菌代谢产物或联合体的治疗方法外，抑制病理生物以更有选择性地从微生物组中去除免疫原性触发器也很有吸引力。

去除诸如“关键致病菌”之类的持续性诱因可能会导致某些人缓解，或预防易感人群中疾病的发展。取决于致病菌的生理功能，此类干预措施可能会对宿主产生负面健康影响，也可能不会产生负面影响。

因此，去除致病菌的概念代表了个性化医疗的极端要求，并且需要对正确的患者队列进行初步鉴定。一种类似的方式是针对单基因疾病的靶向基因疗法。可以设想几种基于微生物的个性化方法，下面将进行讨论。

靶向微生物群的抗生素

动物研究表明，使用常规抗生素可以改善或预防免疫介导的疾病。也有涉及常规抗生素的罕见病例案例研究。我们需要更有选择性的抗生素，以避免旁观激活，同时也需要制定新的预防抗生素耐药性的行动机制。

然而，即使有针对性地去除，也有可能通过间接改变微生物生态系统而产生意想不到的后果。我们还需要做更多的工作来开发更有选择性的抗生素或替代方法，如原位微生物群落工程。

免疫病原体

预防传染病的疫苗已经彻底改变了医疗保健，延长了数百万人的生命。疫苗方法是安全、持久和有效的。鉴于致病菌与传染源具有相似的免疫靶点，这种方法可能对免疫介导的微生物感染性疾病有用。

然而，根除致病菌的风险在于，它们可能在另一种疾病环境或健康宿主中具有有益的作用。

在动物模型中，肌肉注射抗易位致病菌鸡肠球菌的疫苗在防止易位到内脏和系统性自身免疫方面是安全和有效的。考虑到肠道粘膜的耐受环境，口服疫苗可能更难开发，但可以设想用于非易位共有体，例如肠道中的交叉反应触发，尽管应注意避免触发对交叉反应表位的反应。

肠道微生物的饮食调节

在一个高度控制的环境中，饮食被实验证明是恢复菌群失调小鼠肠道微生物群中的优生状态和抑制致病菌生长的一种简单方法；然而，鉴于个人饮食和反应的多样性，人类的饮食调节需要一种高度个性化的方法。

在实践中可能很难坚持特定的饮食方案，但是实验模型已经显示了饮食干预的明显益处，饮食干预可以改变免疫介导疾病中的微生物群。从理论上讲，将宿主遗传学和微生物组对饮食的反应结合起来，应该能够为患有慢性免疫介导性疾病的人制定个性化的饮食方案，对于患有代谢性疾病的人而言也在不断发展。鉴于人类研究数量有限以及介导治疗反应的因素十分复杂，饮食作为一种治疗方式仍未在实践中使用。

如上所述，各种饮食代谢物和饮食敏感的微生物来源的分子在动物模型中过敏性，神经炎性，风湿性和器官特异性自身免疫性疾病的严重程度或结果。

饮食可以直接影响免疫系统或通过肠道菌群介导宿主效应。饮食还可以加强肠道屏障，从而改善微生物群和宿主之间的界面。在饮食-微生物-宿主相互作用这一复杂领域中，还需要进一步的机理研究。评估定制的饮食调节肠道菌群在预期根据其微生物群落结构做出反应的患者人群中的功效也必不可少。

此外，还应解决饮食引起的肠道微生物群的重组是否持续并具有持久的宿主效应。在健康个体中，肠道微生物群的组成很容易因饮食而改变，一旦停止饮食，便会恢复为原始形态。有趣的是，饮食不仅会迅速影响人类肠道菌群，还会影响肠道病毒，这也可能有助于研究饮食如何影响免疫介导的疾病。

总体而言，特定宿主中饮食与微生物群落相互作用的复杂性和个体间差异使得为免疫介导的疾病制定特定饮食方案具有挑战性。然而，对于那些寻求通过非微生物方法通过肠道微生物组改变其疾病的个体而言，饮食调整将仍然是一种有吸引力的辅助疗法。

噬菌体靶向治疗

病毒以噬菌体为主导，而噬菌体与微生物群的细菌成员共同进化。天然噬菌体和合成噬菌体都可以代表一种针对性强的方法，与抗药性病原体类似，可以消灭免疫介导疾病中的致病菌。例如，针对参与IBD发病机制的肺炎克雷伯菌菌株的噬菌体目前正被生物技术公司评估用于干预。

最近在动物模型中证明了在酒精性肝病中成功地将噬菌体靶向肠球菌。该方法对于其他与免疫介导的疾病有关的肠球菌属也是可行的，它会遵循上面提到的个性化医疗保健模式，特别适合那些易患免疫介导疾病并被“关键病理生物”定植的个体。

还可以构想组合噬菌体疗法，以解决涉及免疫介导疾病的几种不同菌株，例如PSC（其中三个物种协同作用：肺炎克雷伯氏菌，变形杆菌和鸡肠球菌）。与疫苗接种方法类似，噬菌体疗法可能仍然存在理论上的风险，即在不同的情况下去除菌株可能是有益的。然而，这两种方法都比传统的抗生素更有针对性，会导致多种脱靶效应。

展望

自身免疫性真菌

健康人的肠道菌群，即共生真菌群落，其多样性似乎不如微生物群的细菌组成部分，但仍相当丰富。对IBD患者的研究一直显示，真菌多样性总体下降，念珠菌种类过度生长。众所周知，克罗恩病患者会产生高滴度的抗酿酒酵母抗体。这些抗体针对在许多真菌（不是所有）细胞壁中发现的甘露聚糖，并且带有酿酒酵母的无菌小鼠的定植加剧了结肠炎。

值得注意的是，检测真菌抗原的基因突变，如CARD9和CLEC7A与IBD有关。此外，马拉色菌限制性结肠炎与克罗恩病患者的结肠粘膜有关，特别是那些具有CARD9多态性的患者，并且限制性马拉色菌通过CARD9信号加重小鼠的结肠炎。

另外，β-葡聚糖不仅在动物模型中引发克罗恩病，而且还引发不同类型的自身免疫性关节炎；然而，目前尚不清楚分枝杆菌是否是该MAMP的来源。虽然很少被发现，真菌也可能在皮肤或肺生态位中很重要。有证据表明肠道菌群失调在过敏性气道炎症中起作用。这些研究支持了真菌失调在影响气道疾病的肠-肺轴中的作用，该轴已被公认是微生物群的细菌组成。

自身免疫性病毒

人类有一个由单链RNA、双链RNA、单链DNA和双链DNA病毒组成的多样性病毒群。其中许多是噬菌体，但病毒组也包括人和动物病毒，以及通常感染植物、古细菌和真菌的ERV和病毒。

考虑到病毒在宿主细胞内复制的内在要求，病毒是否真的可以被认为是共生的还有待于理解，不过，从多器官系统宿主的角度来看，病毒可以通过促进免疫发育提供益处，影响组织结构和促进对癌症的免疫监测。

有多种动物模型和相关的人类研究发现致病性病毒在自身免疫性中起作用。此外，早期和频繁接触呼吸道病毒与人类哮喘的发展密切相关，尽管病毒是否会引发哮喘，或者TH2细胞的免疫反应是否会增加病毒感染的易感性仍然存在争议。

不同的病毒在保护或加剧免疫介导疾病方面可能有不同的作用，这取决于环境。

跨界合作

微生物群落中不同界并非孤立地行动。新的证据表明，细菌、病毒、真菌、古细菌和真核生物（如蠕虫和原生动物）之间存在着直接和间接的（即通过宿主免疫）越界相互作用。这可能解释了不同人类宿主之间的许多差异。

肠道共生菌在相互作用中促进或防止病毒感染

在小鼠中进行的几项研究表明，肠道共生菌在相互作用中促进或防止病毒感染。这些相互作用可能会超出短暂的病毒感染，从而影响慢性自身免疫和炎性疾病。

例如，在人类克罗恩病中发现的一种常见基因变体ATG16L1，仅在小鼠感染诺如病毒时，才重新表现出小鼠克罗恩病样。鼠诺如病毒还引起IL-10缺陷的肠道炎症，但未引起野生型小鼠的肠道炎症。在这些模型中，病毒引起的肠道炎症均取决于细菌的存在。

饮食-细菌-噬菌体的相互作用可能在调节系统性自身免疫中起作用

另一个新兴的跨界实例涉及基于两项无关研究的罗伊氏乳杆菌内的噬菌体。在TLR7转基因模型中，通过广泛增加浆细胞样树突状细胞和干扰素信号，一株罗伊氏菌与系统性狼疮有关。

如上所述，高抗性淀粉的饮食导致短链脂肪酸的产生，抑制了罗伊氏杆菌，保护小鼠免受疾病侵害。从机理上讲，短链脂肪酸介导的抑制可能是通过一个噬菌体介导的，该噬菌体在罗伊氏乳酸杆菌和其他乳酸菌中产生，以响应微生物群衍生的短链脂肪酸。

噬菌体的溶解循环反过来可以杀死宿主细菌，从而影响宿主的炎症反应。尽管这仍有待正式评估，饮食-细菌-噬菌体的相互作用可能在调节系统性自身免疫中起作用。

肠道菌群与ERV的相互作用可能与全身免疫反应有关

最后，另一个跨界的相互作用源于ERVs在自身免疫中的潜在作用。ERVs和抗ERV自身反应与狼疮等自身免疫性疾病的发病有关。

在狼疮小鼠模型中，ERV糖蛋白gp70的表达导致免疫复合物沉积引起的肾炎，而ERV沉默蛋白的减少与小鼠和人狼疮中ERV表达的升高有关。

肠致病菌鸡肠球菌易位到狼疮易感小鼠的肝脏可诱导肝细胞ERV gp70的表达。口服不可吸收万古霉素可降低鸡肠球菌以及肝脏和血清中的ERV gp70水平。万古霉素同样降低了抗ERV gp70抗体和免疫复合物，导致狼疮性肾炎的严重程度降低，这一表现可由小鼠的ERV gp70免疫复合物介导。

因此，肠道微生物群与ERV的相互作用可能与全身免疫反应有关，这一领域除了淋巴损伤外，还未被广泛研究。

结语

免疫介导疾病中的宿主-微生物群相互作用越来越清楚。在这篇文章中，我们讨论了适用于几种免疫介导疾病的一般机制，并探索了相关的微生物靶向治疗。细胞机制，如跨屏障的病理转位，促进了作用于宿主细胞的分子机制，包括直接免疫激活和与自身抗原的交叉反应以及自身抗原的修饰。

然而，重要的是，宿主遗传倾向、环境和各种不明确的微生物因素决定了哪些共生体在免疫介导的疾病中发展为病理生物。这种对环境的依赖有助于解释为什么某些细菌在一种疾病中可能有益，但在另一种疾病中可能致病，这与宿主因素的众所周知的例子相似（例如，I型干扰素缓解多发性硬化与促进SLE）。

最后，进化压力可能不仅导致慢性疾病，这些疾病是由控制病原体的过程选择的（例如镰状细胞病和抗疟疾），而且还可能导致非传染性疾病，这些疾病的结果是试图遏制共生体。允许共生体越过障碍进入宿主可能有进化上的好处（如宿主防御）。随着易感宿主中宿主-微生物群相互作用的病理结果得到更好的定义，这是一个值得进一步探讨的有趣问题。

参考文献：

Ruff W E, Greiling T M, Kriegel M A. Host–microbiota interactions in immune-mediated diseases[J]. Nature Reviews Microbiology, 2020: 1-18.

COVID-19患者住院期间的肠道菌群变化

谷禾健康

新冠肺炎是一种由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引起的呼吸道疾病，截至2020年5月1日，全球已有330多万人感染，致病和死亡率高，人类生命受到了极大威胁。近日，来自香港中文大学医学院Siew C. NG教授及其团队在国际顶级期刊《Gastroenterology》发表的一篇题为：Alterations in Gut Microbiota of Patients With COVID-19 During Time of Hospitalization （COVID-19患者住院期间的肠道菌群变化），揭示了COVID-19患者住院期间的肠道菌群特征，及其与疾病程度和粪便病毒载量的关联。虽然此项研究样本量有限，而且只包括中/重度疾病的住院患者，但是研究人员认为这些发现表明个体的肠道微生物组结构可能会影响宿主对SARS-CoV-2感染的敏感性和反应。这些数据突出了一个新的概念，即新颖和有针对性的肠道菌群调节方法可能代表着新冠肺炎及其共病的一条治疗途径。

摘要

虽然知道SARS-CoV-2可以感染胃肠道组织，但关于肠道微生物对感染SARS-CoV-2的易感性和感染严重程度的作用却知之甚少。在本文中，研究人员对15名新冠肺炎患者的粪便样本进行了宏基因组测序分析，并比较了6名社区获得性肺炎患者和15名健康对照的微生物数据，用以调查新冠肺炎患者住院期间的粪便微生物群的变化以及感染严重程度与病毒的粪便排出之间的关联。研究人员发现15名新冠肺炎患者与对照组相比，新冠肺炎患者在入院时和住院期间各时间点的粪便微生物群均有明显变化，主要表现为条件致病菌增多，有益共生菌减少。即使清除了SARS-CoV-2(通过咽拭子确定)和呼吸道症状缓解后，耗竭的共生菌和肠道菌群失调仍然存在。就结果而言，粪便微生物群的改变与粪便中SARS-CoV-2的含量和新冠肺炎的严重程度相关。疾病程度与基线时的粪芽孢菌属、多枝梭菌、哈氏梭菌丰度正相关，与普氏粪杆菌负相关；改变肠道菌群的策略可能会降低疾病的严重程度。

背景

来自武汉的早期报告显示，2-10%的新冠肺炎患者有胃肠道(GI)症状，包括腹泻，但最近的一项Meta分析报告称，高达20%的患者有胃肠道症状。研究发现，在近50%的新冠肺炎患者的肛拭子和粪便样本中都检测到了SARS-CoV-2病毒，这表明消化道可能是病毒复制和活动的肺外部位。此外，有研究证明SARS-CoV-2利用血管紧张素转换酶2(ACE2)受体进入宿主，该受体在呼吸道和胃肠道都高度表达。ACE2在控制肠道炎症和肠道微生物生态中起重要作用。肠道中的共生微生物生态系统是动态的，可以受入侵的病毒调节以促进刺激或抑制反应。研究表明，呼吸道病毒感染可能与肠道微生物群改变有关，这使患者容易受到继发性细菌感染。最近对支气管肺泡灌洗液的宏转录组测序显示，SARS-CoV-2感染患者的微生物群以病原菌或口腔和上呼吸道共生菌为主。了解SARS-CoV-2感染背后的宿主微生物扰动，这可能会影响对感染的应对和未来各种免疫干预措施（如疫苗）的有效性。

实验设计

1.受试者筛选

研究涉及15名经实验室确诊感染SARS-CoV-2并因此住院的新冠肺炎患者和6名社区获得性肺炎住院患者（肺炎对照）以及15名健康人（健康对照）。

其中：

新冠肺炎患者是指对RdRp基因的不同区域进行连续两次RT-PCR检测确认。肺炎对照是指在两份呼吸道样本中SARS-CoV-2的PCR检测结果均为阴性。健康对照是指在过去3个月中没有病史或抗生素摄入史的个体，且SARS-CoV-2的PCR检测结果为阴性。

2.粪便样本采集

新冠肺炎患者每周连续采集粪便标本2~3次，直至出院。

“Cov”指新冠肺炎患者；“D0”表示住院后收集第一次大便的基线日期，以下以“D”开始的时间点表示自基线收集粪便后的天数；“+ve throat swab”表示鼻咽/咽喉/混合拭子检测中首次出现SARS-CoV-2病毒阳性结果；“-ve throat swab”表示在连续两次鼻咽/咽喉/混合拭子检测中首次出现SARS-CoV-2病毒阴性结果，患者随后出院。“Symptom onset”表示首次出现症状；

3.样本分析手段

利用RT-PCR检测技术对粪便样品中的SARS-CoV-2定量。再利用宏基因组测序技术对粪便样品进行微生物分析。

主要结果

1. 新冠肺炎患者肠道菌群变化及病程纵向变化。新冠肺炎患者肠道菌群的特点是条件致病菌富集，而有益共生菌减少。并且这种菌群失调在新冠肺炎病程中持续存在，即便是在SARS-CoV-2清除/恢复之后。

15名新冠肺炎患者中，7名未使用抗生素药物[COVID-19(abx-)]，8名在基线（定义为入院后第一次粪便采集之日）接受经验性抗生素使用[COVID-19(abx+)]

A).通过PERMANOVA检验确定脂肪肝、年龄、性别、糖尿病、抗生素使用、高脂血症在肠道菌群组成中的影响大小。结果表示新冠肺炎感染对肠道菌群组成的影响最大（P=0.002，** p<0.01，* p<0.05）

B). 基于Bray-Curtis相异度的NMDS(非度量多维尺度)图观察COVID-19微生物群落的变化。从整个微生物群落水平看，健康对照组和COVID-19(abx-)的粪便微生物群各自聚集，且COVID-19(abx-)的微生物群落更具异质性。新冠肺炎患者伴随着抗生素的使用，其微生物群落组成与健康对照组差异越来越大。

C).新冠肺炎患者在病程中的肠道菌群与健康对照组的不同。Bray-Curtis计算。灰色区域表示健康对照者肠道菌群的Bray-Curtis差异范围，黑色实线表示健康个体之间的中位数差异。“圆点”表示使用了抗生素，“三角形”表示未使用抗生素。总体而言，所有新冠肺炎患者的肠道菌群都保持着稳定，但无论是在疾病进展中还是在SARS-CoV-2清除后，其肠道菌群都与健康对照组明显不同。值得注意的是，患者CoV4在第5天出院，但他在第22天的肠道微生物群与健康人还是持续不同。

上图所示5名新冠肺炎患者的微生物群(CoV1，4，7，11，15)随着时间的推移显示出与健康微生物群更接近，而患者CoV3，5，8，10和12的微生物群随着时间的推移与健康微生物群变得更加不同

2.肠道菌群与新冠肺炎病情严重程度的相关性。肠道厚壁菌门细菌与COVID-19严重程度的相关性突出表明，细菌成员在调节人类对SARS-CoV2感染的反应和感染严重程度方面具有潜在作用。

总共发现23个细菌分类群与新冠肺炎病的严重程度密切相关，其中大部分(15个)来自厚壁菌门。与新冠肺炎疾病严重程度最具正相关的细菌有三种，分别为来自厚壁菌门的Coprobacillus菌属，Clostridium

ramosum和Clostridium hathewayi菌种，且Coprobacillus菌已被证明能显著上调ACE2在小鼠结肠中的表达。与此相反，两种最常见的益菌Alistipes onderdonkii和Faecalibacterium

prausnitzii，它们与新冠肺炎的疾病严重程度呈负相关。“correlation coefficient

Rho”表示Spearman相关系数。

3.拟杆菌物种可能通过阻碍SARS-CoV-2通过ACE2进入宿主，而在抗击SARS-CoV-2感染方面具有潜在的保护作用。肠道Erysipelotrichaceae科可能在增强宿主肠道感染SARS-CoV-2方面发挥作用。

A). 新冠肺炎患者粪便中SARS-CoV-2病毒含量的纵向变化。15名患者中有11名患者住院期间在粪便中检测到SARS-CoV-2核酸，其中5名患者体内的SARS-CoV-2病毒随着时间的推移被清除了。

B).病程期间细菌与粪便病毒含量的Spearman相关分析。在所有粪便样本中，共有14种细菌与粪便中的SARS-CoV-2病毒含量显著相关。4种拟杆菌种包括Bacteroides dorei、Bacteroides thetaiotaomicron , Bacteroides massiliensis和Bacteroides ovatus，与粪便中SARS-CoV-2含量呈显著呈负相关。值得一提的是，这4种物种都与小鼠结肠中的ACE2表达下调有关。Erysipelotrichaceae bacterium

2_2_44A菌种与粪便中SARS-CoV-2含量呈显著正相关。一些研究表明Erysipelotrichaceae科与胃肠道炎症疾病有关。

结论

综上所述，研究发现尽管清除了SARS-CoV-2病毒，但大多数患者仍然在COVID-19中损失了有益的物种，这表明接触SARS-CoV-2感染和/或住院治疗可能对肠道微生物群有更持久的有害影响。在新冠肺炎患者肠道中发现的致病菌中，Clostridium hathewayi的基线丰度越高，新冠肺炎病情越重。而以带有能够抑制结肠ACE2表达的几种拟杆菌与SARS-CoV-2粪便病毒含量呈负相关。这些发现表明个体的肠道微生物组结构可能会影响宿主对SARS-CoV-2感染的敏感性和反应。但此项研究仍具有局限性，研究人员认为最主要的问题是样本量有限，且由于实验设计中只包括中/重度疾病的住院患者，这些发现可能并不适用于所有的新冠肺炎病例，包括轻度或无症状的新冠肺炎。而利用住院后收集的粪便样本进行的微生物群分析并不能代表新冠肺炎发病时真实的基线微生物群，也不能代表发病前的基线微生物群。但研究人员表示他们的研究提供了新冠肺炎会导致长期肠道菌群失调的证据及其与粪便中SARS-CoV-2病毒含量和疾病严重程度的关系。这些数据突出了一个新的概念，即新颖和有针对性的肠道菌群调节方法可能代表着新冠肺炎及其共病的一条治疗途径。

TIPs：

轻度，如果没有肺炎的影像学证据

中度，如果肺炎伴随发烧和呼吸道症状出现

严重，如果呼吸频率≥30次/分钟，呼吸环境空气时血氧饱和度≤93%，或动脉血氧分压/氧体积分数≤300mmHg（1mmHg=0.133kPa）

危重，如果休克或呼吸衰竭需要机械通气或器官衰竭需要重症监护。

如何使小鼠肠道微生物更接近人的肠道微生物

近日，美国加州理工的一项研究表明，当防止啮齿动物食用粪便时，它们的小肠微生物群与人类肠道中的微生物群落更为相似。

越来越多的人研究表明肠道微生物群参与人身心健康的许多方面，因为大多数营养和药物都是在这个位置被身体吸收的。为了研究肠道微生物群，研究人员通常使用小鼠和大鼠，因为这些动物很容易照顾、繁殖迅速，并且与人类有许多生物学上的相似之处。但人类和这些动物之间存在着显著的差异。其中一个差异-实验室啮齿动物吃自己粪便的倾向-可能对与小肠微生物群有关的研究有重大影响。

近日，发表在“Microbiome”杂志上的一项研究中，RustemI smagilov实验室的研究人员发现标准实验室小鼠（消耗粪便）在其小肠微生物群落中与人类相比可能有重要的差异。

研究界几十年来一直意识到实验室啮齿动物消耗粪便，这是一种被称为共养的做法，但尚未理解的是，这种活动实际上是如何影响小肠内的条件的。大多数研究人员通过将老鼠安置在允许粪便通过电线的地板上来解决共生问题。然而，老鼠和老鼠非常擅长吃便便，因为它出来了，因此研究人员怀疑电线地板实际上可能没有那么有效。

在这项研究中，进一步实验室小鼠小肠中的微生物群，以了解当这些小鼠被阻止食用自己的粪便时，微生物群及其功能是否不同，如果这样做会使这些实验室小鼠更类似于人类。为了找出答案，研究小组给老鼠安装了“尾巴杯”-基本上是小老鼠尿布，捕捉动物的繁殖力，防止它们吃。研究人员分析这些尿布症小鼠的肠道含量和微生物群落时，他们发现与标准小鼠相比，小肠的肠道存在显着差异。

Bogatyrev称通过共同预防将粪便细菌带入小肠的过程是“自我重新接种”。通过消耗它们自己的粪便，小鼠将细菌从大肠重新引入小肠，并改变上消化道的状况和微生物群落。

遗憾的是，该研究中Bogatyrev博士和他的同事并未试图确定自我再接种一般如何影响涉及小鼠的研究，但他们怀疑，如果小鼠模型的消化系统的行为不像人类的消化系统，那么可能会对许多研究领域产生广泛的影响。

但是研究人员指出：“一个领域可能是饮食研究。” “如果小肠中有更多微生物，反过来会影响那里的胆汁酸成分，饮食中的营养成分可能会被不同地吸收。例如，脂肪。另一个区域可能涉及益生菌和肠道微生物生态自我再接种可能会在控制给药方案中导致不一致的结果，因为您不知道动物本身如何将益生菌重新引入肠道。

此外，对共同预防至关重要的另一个大领域可能是药物研究。研究人员在临床前模型中使用啮齿动物，所施用的药物通常被小肠吸收，在那里它们可能会受到小肠微生物群的影响。这项工作表明，自我再接种的效果需要经过严格控制排除，这将为未来肠道微生物研究带来很多新发现和机会。

参考文献

1. Said R. Bogatyrev, Justin C. Rolando, Rustem F. Ismagilov. Self-reinoculation with fecal flora changes microbiota density and composition leading to an altered bile-acid profile in the mouse small intestine. Microbiome, 2020; 8 (1) DOI: 10.1186/s40168-020-0785-4

2. California Institute of Technology. “Making the mouse gut microbiome more human-like.” ScienceDaily. ScienceDaily, 13 February 2020.

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科普

摘要

背景

实验设计

主要结果

结论

环 境 微 生 物

普通土壤

根际土壤

水体沉积物、底泥

活性污泥

水 体

食 品

包装食品

液体食品

半固体食品

固体食品

植 物 内 生 菌

动物肠道内容物

人和其它动物粪便

口 腔

口腔拭子

咽拭子

唾液取样

牙菌斑取样

皮 肤

人体其它部位

组 织

肺泡灌洗液

肠道灌洗液

生殖道

血 液

乳 汁

腹 水

胆 汁

尿 液

01

从微生物到微生物群落的历史

02

微生物组定义

03

微生物组成员

04

微生物网络和相互作用

05

考虑微生物群落的时间和空间变化

06

核心微生物群定义

07

从功能预测到表型

08

宿主微生物共进化

09

微生物组研究技术标准

10

微生物研究的未来展望与挑战

11

结 语

什么是益生菌？

微生物对肠道的重要性

对消化系统的影响

调节体重变化

对减肥的影响

有助于缓解便秘

有效预防腹泻

可能改善IBS症状

有利于大脑健康

改善心脏健康

增强免疫力

降低某些过敏和湿疹的严重程度

促进整体健康

安全和副作用

结 语

消化食物过程以及需要多长时间

消化过程中会发生什么

做什么会损害肠道菌群

如何改善肠道健康

结 语

肠道微生物如何参与消化吸收

肠道微生物是药物或食品生物利用度的有效调节者

环境微生物

水体

食品

植物内生菌

口腔

皮肤

组织

血液

乳汁

腹水

胆汁

尿液

结语

结语

结语

三、减少有害菌及有害代谢产物

结语

展望

结语