谷禾健康
传统中医在数千年的疾病预防和治疗中,融合了临床实践经验和理论,视人体为复杂系统,以整体观和辨证施治为特征。目前中医面临的主要挑战包括揭示人体复杂系统的生物学基础,阐明中医术语及其关系,并根据中医理论推动精准医学的发展。
随着生物信息学、系统生物学和计算生物学等跨学科领域的兴起,现代医学的研究范式已从“还原论”转向“整体论”,诊断和治疗策略也从“单病、单靶点和单药物”转为“多靶点和系统调控”,强调系统生物学在分析复杂疾病机制中的重要性。
中医网络药理学(TCM-NP)在这一背景下产生,是传统与现代医学、信息科学和系统科学的跨界创新成果,其特征与中医整体观和辨证施治原则高度一致,已经成为传统医学研究的前沿和热点领域。
近期发表在《Briefings in Bioinformatics》上的一篇文章,详述了中医网络药理学(TCM-NP)的发展及其在人工智能(AI)术下的应用。TCM-NP作为一种新兴的跨学科领域,结合AI方法和多组学数据,提供了理解传统医学的新视角。
文章将涉及的AI方法框架分为三部分:网络关系挖掘(Network relationship mining)、网络靶点定位(Network target positioning)和网络靶点导航(Network target navigating),并介绍了它们在揭示中医寒/热综合征的生物学基础和临床价值方面的应用。
通过网络拓扑分析,研究揭示了不同中草药在寒/热综合征相关网络模块中的分布模式,指导了中医方剂的精准使用。此外,文章强调了开发深度可解释网络关系推理框架的重要性,以提高模型的可解释性和特征学习能力。
方法框架
doi: 10.1093/bib/bbad518.
图中展示了中医网络药理学(TCM-NP)的网络靶点概念及其关键方法框架。中药/复方与中医证候/疾病的关系体现在中药/复方对疾病相关分子网络模块的调控作用上。
从方法论角度看,基于人工智能的潜在网络靶点识别可分为“网络关系挖掘”、“网络靶点定位”和“网络靶点导航”三个方面。
接下来将概述TCM-NP中涉及的基于AI的方法的进展,下表是TCM-NP涉及的代表性AI算法/数据资源。
TCM-NP涉及的代表性AI算法/数据资源
doi: 10.1093/bib/bbad518.
doi: 10.1093/bib/bbad518.
图中展示了网络关系挖掘框架,从已有的知识、文献和组学数据中挖掘表型、细胞、分子和药物之间的网络关系。这些方法可分为单层和多层网络构建,用于揭示不同生物层次间的互联关系。
▷ 从已有的知识挖掘网络关系
从先验知识中挖掘网络关系,这些关系主要涉及疾病/证候层面、生物分子层面和药物/方剂层面。
在药物/方剂层面,主要运用自然语言处理技术从已有知识中挖掘与疾病/证候相关的临床症状关系,通过中医临床诊断治疗理论,不仅可以通过挖掘临床表型条目推断临床症状的相似性,还可以推断证候与表型之间的关系。
药物/方剂层面的成分结构相似性关系主要从PubChem、ChEMBL、CDCDB和DrugCombDB等数据库中挖掘,方剂中草药及其属性关系则从ETCM、HERB和TCMBank等数据库中获取。在分子层面,蛋白质相互作用(PPI)、信号和转录调控关系主要从STRING、KEGG和BioGRID等数据库挖掘。
中医“辨证施治”理论根据患者不同的证候和表型特征提供治疗方案,因此存在证候/表型与草药/方剂疗效之间的关系,如从SymMap数据库或文献共现分析中挖掘。
值得关注的是宏观和微观对象之间的关系,包括从HIT、TCMGeneDIT、DrugCentral和DrugBank等数据库中挖掘的化合物或天然产物与其相关的分子靶点之间的关系。这些从文献或公共数据库中挖掘的网络关系为从系统角度理解中医提供了生物学基础,并为运用AI方法开展深入的方法论分析奠定了数据基础。
▷ 从组学数据中挖掘网络关系
从组学数据中挖掘网络关系,以转录组学为例,挖掘潜在关系的常见方法是使用经典机器学习算法,如统计分析或回归,构建共表达网络。
例如,有研究者应用基于机器学习(ML)的策略,结合基因共表达模式和网络拓扑特征,构建了寒热证候的分子网络,并识别出一系列证候相关的生物标志物。
▷ 网络关系分析与表达
对多层网络关系的分析也推动网络关系的挖掘。在疾病/证候相关的网络关系分析中,不同表型组成的网络模块的相似性被评估,以研究相同疾病下不同证候或相同证候下不同疾病的界限,例如表型层级与疾病/证候层级之间的关系。
临床表型网络(CPN),研究证候的交叉边界和症状的共现。在草药/方剂相关的网络关系分析中,可通过整合草药靶点关系评估相同方剂内不同草药网络模块的相似性,也可以评估方剂和其临床干预证候的网络模块的相似性。
此外,对疾病/证候和草药/方剂的网络分析表明,多层级的网络节点具有模块化特征,且不同层级的网络模块之间存在类似关系。这一规律为“网络靶点”理论提供了重要启示,也是中医网络药理学方法学发展的基础。
doi: 10.1093/bib/bbad518.
该图展示了网络靶点分析框架,主要涉及使用经典的机器学习方法和基于深度学习的方法,对包括表型、细胞、分子和药物在内的多层生物网络进行解剖,以实现网络靶点的定位和导航分析。
▷ 解决疾病/综合征相关基因预测问题
主要解决两个问题。第一个问题是基于AI的网络分析模型解决中医证候的基因预测问题,证候可以视作个性化的临床表型特征,对个性化临床表型相关基因的预测是实现个性化诊断和治疗的重要途径。
基于生物网络的表型/证候相关基因预测算法核心思想是利用“多层模块关系”法则,基于网络拓扑特征进行预测。传统的机器学习方法,如回归和随机游走(RW),最先应用于表型/证候的基因预测。CPHER算法是具有代表性的算法之一,提供了宏观和微观生物网络相关AI算法研究的范例,并成功应用于复杂疾病的机制分析。
以CIPHER算法为灵感,一系列基于网络的证候相关表型或临床相关症状的基因预测算法被提出,例如PTsGene结合中医临床表型与实验结果建立了中医症状-基因数据库,实现了高精度的疾病-证候基因预测。
近年来,随着GNN学习算法的提出,将表型-分子网络视为复杂图结构进行学习和推断已成为热门,并取得了优异表现。例如,CIPHER-SC融合单细胞信息建立多层生物网络,通过图卷积神经网络实现疾病基因预测。
▷ 解决中草药化合物的靶点预测问题
第二个问题是解决中草药化合物的靶点预测问题,提高预测准确性。类似于疾病/证候的基因预测,准确预测草药/方剂及其化合物相关靶点也是揭示中药药理学的前提。
DrugCIPHER药物-靶点预测算法是一个代表性算法,通过基于网络的回归分析实现了化合物相关靶点的高精度预测。与传统机器学习方法相比,深度学习模型能够整合大量异质信息,如药物相似结构、疾病治疗信息和药物活性,从而进行更复杂的药物-靶点预测任务。
中医药有“多成分、多靶点和系统调节”的显著特点。解读中医生物学基础的另一关键挑战是从生物网络的角度理解各种中医术语之间的关系,即网络靶点导航,包括疾病-证候关系、草药/方剂-疾病关系、方剂的配伍及其成分的协同作用。
▷ 疾病-证候关系
关于疾病-证候关系,表型和证候都是对复杂人体的临床描述。从宏观角度,通过分析疾病相关表型与证候相关临床特征的网络拓扑相似性,可以揭示疾病与证候之间的关系。
例如临床表型网络(CPN),为个性化的中医诊断和治疗提供了基础。从微观角度,可以通过基于疾病表型和证候特征进行基因预测或组学数据分析,然后构建相似性度量和相关分析,来实现疾病诊断与证候辨别的整合。
例如,挖掘寒热证候与神经-内分泌-免疫(NEI)生物网络之间的关系,分析脾虚证候的生物学基础及其与消化系统疾病的关系,分析冠心病(CHD)中PBS证候的生物学基础并建立诊断标志物,以实现“同病异治”。
▷ 草药/配方—疾病关系
关于草药/方剂-疾病关系,主要指在特定疾病或证候上下文中,基于网络的草药/方剂精准推荐。通常,基于AI的方剂推荐方法通过先验知识中的宏观信息推断草药/方剂模块与特定症状/证候之间的关系。随着多组学和微观层次网络分析的积累,通过整合草药/方剂-靶点网络与疾病/证候-基因网络,可以作出更精准的推荐。例如智能方剂推荐系统FordNet整合多层信息,是宏观和微观信息结合的代表性工作。
此外,通过草药/方剂-靶点网络与疾病/证候-基因网络的模块间关联分析,还可以发现中药方剂的新适应症。例如,利用基于网络药理学的方法研究能与多个靶点结合良好的中药候选物,并成功找到治疗阿尔茨海默病的最佳中药方剂。
▷ 草药/方剂相关成分的药理作用
通过挖掘草药/方剂中多成分的作用机制,以及应用AI方法挖掘方剂的配伍规律,实现了对草药/方剂模块间草药-草药关系的分析。
中药方剂相关作用机制(MoA)的研究框架包括:识别中药方剂中的活性成分;构建中药方剂所干预的疾病/证候网络;基于疾病/证候相关网络发现中药方剂活性成分的网络靶点。
目前,该框架已广泛应用于多种方剂的作用机制分析。通过识别草药-草药关系进一步建立方剂的关联规则,探索方剂的配伍规律。研究者建立了一个基于距离的互信息模型(DMIM)来测量草药之间的相互作用,构建了草药网络,从而识别出许多方剂中草药之间的有用关系。
doi: 10.1093/bib/bbad518.
图中展示了在中医网络药理学中,寒热证候及其草药的构建、分析和应用,通过收集和解析与寒热证候相关的多组学数据,首次构建了寒热证候相关的分子网络,以促进胃病的精准诊断和治疗。
▷ 通过中医网络药理学揭示寒热证候的生物基础
在寒热证候的模型中,以患者的一系列临床特征为特征,揭示证候相关的生物基础涉及理解与宏观临床特征相关的微观生物分子。
早在2007年,研究人员首次利用文献挖掘和网络拓扑分析方法在NEI系统背景下构建了寒热证候的分子网络。研究表明,寒证相关的子网络主要由激素相关因素组成,而热证相关的子网络则以免疫相关因素为主,这两个网络通过神经递质相连。
该研究开创了运用中医网络药理学方法揭示中医证候生物基础的先例。随后,研究人员通过结合CIPHER网络靶点定位算法和寒热证候相关的转录组学数据,揭示寒热证候涉及代谢-免疫调节的不平衡网络,并识别出证候相关的生物标志物,包括寒证相关的LEP和NOS1以及热证相关的CCL2。这些发现表明,可以通过中医网络药理学方法论来解决寒热证候的生物基础问题。
▷ 指导中药方剂的精准使用
另一方面,通过网络靶点导航分析,即分析寒热证候相关分子网络与寒热草药靶点网络之间的拓扑关系,揭示不同寒热草药的作用机制,指导中药方剂的精准使用。
通过网络拓扑分析发现,寒证相关草药往往富集于热证相关网络模块,而热证相关草药则富集于寒证相关网络模块,这种分布模式与中医“温寒凉热”的原则一致。
此外,将网络分析与实验验证相结合,还可以揭示方剂的药理机制,指导患者的个性化治疗。例如,基于胃炎寒热证候相关生物网络,研究团队揭示了治疗胃炎的两种代表性中药方剂——胃复春(WFC)和墨洛丹(MLD)的不同作用机制,其中WFC侧重于调节炎症路径,而MLD则侧重于抑制脂肪酸代谢,这将有助于临床实践中胃炎的精准治疗。
综上所述,多模态数据与AI技术的整合是网络药理学方法中的重要研究方向和热点。基于AI的网络整合分析主要包括三个方面:多组学数据的整合、组学数据与先验知识的整合以及多源异构生物网络的整合。
第一方面主要涉及使用生物网络数学表示组学数据中的多层次信息,如细胞-细胞、细胞-分子和分子-分子关系。未来,随着多组学数据的积累,预计会出现与中医相关的整合算法。
第二方面,基于网络的先验知识与组学数据整合对于减少噪声和有限样本的影响至关重要,贝叶斯网络是常用的AI模型,将知识派生关系视为先验分布,组学派生关系视为后验分布。近年来,几种深度学习模型,包括迁移学习,被用于整合先验知识和组学数据之间的关系。
第三方面,尽管不同生物网络可能代表异构信息,但它们可以建模为邻接矩阵,从而在统一的AI算法下进行整合,这为从网络药理学角度整合异构生物网络提供了可能性。
参考文献
Zhang P, Zhang D, Zhou W, Wang L, Wang B, Zhang T, Li S. Network pharmacology: towards the artificial intelligence-based precision traditional Chinese medicine. Brief Bioinform. 2023 Nov 22;25(1):bba
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危重病人|肠道
对于重症患者来说,肠道是一个脆弱的器官,胃肠道 (GI) 功能障碍很常见,胃肠道功能障碍可能表明病情危重。据报道,重症监护病房 (ICU) 中近 50% 的患者入院时肠细胞受损。
在重症患者中,患有胃肠道功能障碍的患者比没有胃肠道功能障碍的患者死亡率更高。因此,监测重症患者的胃肠道状况非常重要。
长期以来,人们一直假设肠道是危重疾病的“发动机”。孤立地看,肠道的每个组成部分都会因危重疾病而严重受损,导致局部和远处器官受损。胃肠道稳态失衡是全身炎症发病和进展的重要因素,最终可导致多器官衰竭和死亡。
与此同时,危重患者往往病情不稳定,伴有多器官损害。他们处于由内分泌、免疫、神经和炎症机制介导的严重应激状态。由于药物、危重疾病、手术、精神压力或正常饮食中断等各种因素,使得危重患者的肠道承受着巨大的压力。
重症患者的致病事件包括肠系膜灌注不足、肠道运动失调和肠道屏障失效,导致管腔底物易位;随后是局部和全身免疫反应的加剧。这些事件可能引发肠道、循环系统细胞,肝脏、胰腺和肺等其他器官之间的病理性相互作用。例如,肠道和肝脏之间存在相互作用,肠道和肝脏通过胆道、门脉和体循环进行双向交流。然后,毒性因子可以通过门脉血流和肠系膜淋巴离开肠道,导致远处器官损伤。
在急性中毒的情况下,致命并发症的发生概率会随着血管内皮功能障碍初始水平的增加而上升。导致中毒的一些体液因素是由正常肠道菌群产生的代谢产物。在健康人中,这些代谢产物几乎无法突破肠道屏障(IB,即分隔肠食糜和血液的结构系统)。然而,肠道菌群代谢产物漏入血液与多种慢性疾病的发病机制密切相关。
在重症疾病中,肠道菌群的直接或间接损伤会导致继发性肠道菌群功能障碍,这为细菌代谢物和细胞成分以影响疾病结果的剂量进入血液创造了前提条件。这些物质混合物的组成取决于肠道菌群的构成,而每个人的肠道菌群构成是个体化的,这种多样性可能是急性疾病并发症不可预测性的一个决定因素。
与此同时,肠道菌群是免疫系统发育和调节的关键,影响宿主对感染的易感性和反应。肠道菌群失调和肠道通透性增加会促进致病微生物过度生长和肠道病原体相关分子模式 (PAMP) 易位至淋巴系统和门脉系统,削弱人体对感染或损伤的防御能力,并加重器官损伤。
因此,与健康状态相比,危重疾病会极大地改变肠道的所有元素——上皮、粘液、肠道屏障、免疫系统和微生物群及其代谢物。肠道损伤反过来会导致局部和远处损伤以及多器官功能障碍综合征。目前已有几种针对病原菌群的治疗方法,虽然这些方法目前都不是 ICU 的标准治疗方法,但已显示出很大的效果潜力,值得我们了解和进一步去证实。
本文我们来了解一下危重疾病患者的肠道,包括细胞凋亡、肠道通透性过高、肠道菌群变化等带来的影响,重点关注所涉及的病理生理机制和相关治疗干预措施。
本文目录
01 为什么要关注重症监护患者的肠道?
全身性应激、胃肠衰竭
02 危重疾病中的肠道
03 危重疾病中的肠道菌群失调及影响因素
ICU患者微生物群的变化
危重疾病中微生物群不稳定的病因
其中药物对微生物群的影响
04 肠道损伤和肠道菌群改变的后果
免疫不平衡、感染以及感染并发症、多重耐药菌
05 急重症患者的肠-器官轴
急重症患者的肠-器官轴
胆汁酸引起的肠道损伤
胰酶引起的肠道和肠道外损伤
肠肺连接:肠系膜淋巴
肠-脑轴:谵妄
06 肠道菌群产生的有毒代谢物
脂多糖LPS、氨、TMAO
吲哚硫酸盐、吲哚乙酸盐
对甲酚硫酸盐、 单胺、其他
07 机体危急状态下的急性肠道缺氧
胃肠道平滑肌痉挛、胃肠停滞
急性循环障碍、急性脑功能不全
08 机体危急状态下如何保护肠道和肠道屏障
系统性肠炎保护手段
紧急保护肠炎的手段
预防和干预措施
09 结语
全身性应激,如重大创伤、烧伤或手术,会扰乱肠道平衡,导致绒毛上皮脱落、肠细胞功能障碍、肠道屏障丧失以及肠腔成分易位到血液循环。
在轻度全身性炎症中,例如在心脏直视手术中,内毒素(脂多糖 LPS)从肠腔漏入血液循环。
另一方面,无论在全身炎症反应综合征还是新生儿脓毒症患者中,肠道菌群都会转向致病菌种的重大转变,同时微生物多样性也会降低。
革兰氏阴性菌(如大肠杆菌、克雷伯氏菌、肠杆菌属)和革兰氏阳性菌(如葡萄球菌、肠球菌、链球菌属)均在新生儿、婴儿和成人的菌血症或脓毒症中发挥作用。
因此,肠道屏障受损可导致细菌易位和菌血症,从而导致全身炎症,在易感患者中,可导致脓毒症、感染性休克和循环衰竭,伴或不伴有多器官功能障碍综合征 (MODS)。
Zhang X et al. Crit Care. 2022,13;26(1):213.
简称:IEC,肠上皮细胞;DAMP,损伤相关分子模式;LSEC,肝窦内皮;PAMP,病原体相关分子模式。
脓毒症期间肠道屏障受损和肝脏免疫功能的复杂相互作用
肠道屏障的破坏:
在脓毒症期间,多种机制导致肠道屏障破坏,包括 IEC 凋亡、黏液层改变和细胞间连接破坏,从而导致肠道 PAMP 通过淋巴管、门脉循环或胆道易位到肝脏。
肝脏的免疫防御:
肝脏对免疫防御的调节至关重要,肝窦内皮细胞、巨噬细胞、星状细胞和肝细胞等效应细胞可立即识别和对抗病原体、清除细菌并释放细胞因子。
不适当免疫反应或过度炎症的影响:
当发生不适当的免疫反应或过度炎症,肝脏中 DAMP 水平高且促炎细胞因子产生时,肝窦的正常结构被破坏,这些细胞通过凋亡和自噬受损,导致细菌清除功能障碍和代谢紊乱。
结果,肠道屏障进一步受损,肠道菌群失调加剧,远端器官因 PAMP 和 DAMP 扩散和全身炎症而受损。
以下章节将讨论肠道局部事件的作用、肠肝轴的重要性、胆汁和胰腺酶的贡献以及肠肺联系。
上述有害事件并非总是悄无声息的,可能会带来临床定义不明确的胃肠道衰竭。其症状包括:
急性胃肠道损伤的分级系统
最近提出了一种急性胃肠道损伤的分级系统,严重程度依次为:
胃肠道衰竭的早期诊断具有挑战性
因为多达50%的危重患者可能出现肠内喂养问题,包括呕吐、胃排空延迟、腹泻。由于肠内营养对肠道屏障有益,肠外喂养可能会导致胃肠道生理进一步恶化。
胃肠道衰竭与临床结果的关联
肠道功能障碍和胃肠道衰竭与重症监护病房 (ICU) 住院时间延长和死亡率增加有关。ICU 入院第一天出现3种或3种以上胃肠道症状(胃残留量高、肠鸣音消失、呕吐、腹泻、肠胀气和胃肠道出血)的患者死亡率会增加3倍。
胃肠道衰竭的生物标志物
为了辅助诊断胃肠道衰竭,血浆或尿液中肠道脂肪酸结合蛋白 (I-FABP)、肠道菌群监测、肝脏脂肪酸结合蛋白 (L-FABP) 和回肠胆汁酸结合蛋白 (I-BABP) 和/或瓜氨酸的水平会有所帮助。
总之,这些数据进一步支持了肠道屏障功能障碍与全身炎症之间的关联,如下图所示。
胃肠道衰竭过程中的致病事件
de Jong PR, et al., Crit Care. 2016 18;20(1):279.
在稳态条件下,小肠中的潜在毒性成分被限制在管腔内,而肠细胞则允许跨上皮屏障吸收营养物质,例如短链脂肪酸。
在重症患者中,如果遭受严重创伤或烧伤或接受手术,维持肠道屏障的保护机制会因循环和神经内分泌失调而失效。这会导致胃肠道衰竭,并伴有口服不耐受、胃肠道出血或肠梗阻等临床症状。
胃肠道衰竭是一种进行性临床综合征,其早期主要出现胃肠道症状,随后可能会出现肠外紊乱,例如急性呼吸窘迫综合征 (ARDS)、肝功能衰竭、胆囊炎、胰腺炎或肾功能衰竭。胃肠道衰竭与组织层面上皮脱落、绒毛缩短和小肠炎症细胞浸润有关。
急性胃肠道损伤 (AGI) 的定义与分类
2012 年,欧洲重症监护医学会 (ESICM) 腹部问题工作组将急性胃肠道损伤 (AGI) 定义为危重患者因急性疾病导致的胃肠道功能障碍,并建议对 AGI 严重程度进行四级分类,但主要依赖症状和体征,不足以诊断潜在疾病。
AGI的生物标志物及其临床有效性
一些生物标志物,例如血肠脂肪酸结合蛋白 (i-FABP)、D-乳酸 (D-la) 、脂多糖 (LPS),肠道菌群以及黏蛋白等已被提议作为肠道屏障功能和检测 AGI 的可能标志物。然而,它们在 AGI 诊断和分类中的临床有效性仍不清楚。尚无研究评估过这些生物标志物在不同 AGI 严重程度等级的危重患者中的作用。
肠道屏障的现代概念
在 10 年前,“肠道屏障” 一词就被用来表示肠粘膜上皮。如今,“肠道屏障” 一词还包括与粘膜下层的血液和淋巴毛细血管的上皮、黏蛋白和内皮相关的共生细菌。
肠道屏障的组成元素
未被肠壁毛细血管网络吸收的物质在进入血液的过程中必须克服其他肠道屏障元素,这些元素包括:
黏蛋白层与上皮细胞的功能
厚度为150微米的黏蛋白层由水合糖蛋白组成,将上皮细胞与侵蚀性环境——食糜分隔开来。在粘膜缺血期间,黏蛋白的形成受损,这对微生物密度高的结肠最为危险。
通常情况下,共生的需氧细菌会从小肠和结肠上皮细胞的顶端表面排斥致病微生物,向上皮细胞提供必要的底物。
厚度为20微米的上皮细胞单层的主要功能是选择性吸收食糜中的物质。
胃肠道粘膜的吸收表面积
由于小肠中的绒毛和大肠中的隐窝的存在,胃肠道粘膜的吸收表面积接近200平方米。通常,物质吸收主要通过跨细胞途径进行。细胞间运输的比例大概与粘膜表面积的比例相当,大约为0.1%。
细胞间接触的结构与重要性
两种类型的细胞间接触(紧密连接和粘附连接)由肌动蛋白组成,通过将相邻细胞的浆膜与其细胞骨架连接起来,提供上皮的强度。细胞间接触是多种外来物质的生物靶标,随着这些外来物质破坏作用的增加,细胞间运输的重要性也会增加。
健康人的肠道屏障对生活在肠道中的细菌不渗透。肠道微生物(大肠杆菌,拟杆菌)等的DNA仅在肠道屏障受损时才会出现在血浆中。需要从体内排出的物质通过被动扩散从胃肠道食糜中进入血液。
菲克扩散第一定律(理解肠道物质吸收的基础)
它们的吸收大致可以用菲克扩散第一定律来描述,该定律表明:
物质通量密度(J)与膜两侧的浓度差(Ci – C0)和膜的渗透系数(D)成正比。
这一定律在生物学中用于解释物质如何通过生物膜进行吸收和扩散。
Ivnitsky, JJ, et al. 2022. J Evol Biochem Phys 58, 1075–1098.
注:J = D(Ci – C0)
J:物质通量密度,单位为mol m^-2 s^-1,表示单位时间单位面积上通过的物质量。
D:膜的渗透系数,单位为m s^-1,表示物质通过膜的难易程度。
Ci和C0:分别是膜两侧(上皮侧和内皮侧)的物质浓度,单位为mol m^-3。
生物利用度和影响因素
肠道微生物产生的毒性废物的生物利用度随着(Ci – C0)或D的增加而增加。
(Ci – C0)的增加意味着食糜中这些物质的浓度增加,从而增加了它们被吸收的可能性。
D的增加意味着膜的渗透性增加,这可能是由于胃肠道上皮和血管内皮的状态改变,例如炎症或损伤。
食糜水压对物质吸收的影响
由于气体形成增加或平滑肌痉挛导致的食糜水压增加,可能会增加物质的吸收率。这可能是由于压力增加导致物质更容易通过肠道屏障进入血液。
食糜中形成的部分物质能够穿过上皮,进入粘膜下层的血液和淋巴毛细血管网络,进一步进入门静脉系统和胸导管的血管中。通常,这是主要的路径。另一部分物质则通过腹膜的内脏层和壁层,进入胸导管的淋巴管或下腔静脉系统的血液毛细血管网络。
大肠中由于没有连续的纵向肌层,这一过程的腹膜扩散得以促进,而这些肌层集中在狭窄的结肠带(taenie coli),因此不构成扩散的障碍。
注:腹膜扩散是指物质通过腹膜从一个部位扩散到另一个部位的过程。腹膜是覆盖腹腔内部器官的一层薄膜。
研究表明,氨和细菌脂多糖(LPS)能够通过腹膜扩散进入血液。这意味着这些物质可以穿过腹膜,从肠道区域移动到全身循环系统。参与腹膜扩散的物质在进入全身循环过程中可以避免在肝脏中的首过代谢。
在门静脉高压(通常由于肝脏疾病引起)会减慢物质从肠道扩散到门静脉系统的速度。这会导致更多的物质通过腹膜扩散到其他区域。因为腹膜扩散被用于通过腹膜透析进行解毒。
注:避免首过代谢:在肝脏中,许多物质会在第一次通过时被代谢掉(这叫做首过代谢)。但是,通过腹膜扩散的物质能够避开肝脏的首过代谢,直接进入全身循环。这使得这些物质更快速地在体内发挥作用。
综上所述,腹膜扩散是一种重要的生理过程,对在特定情况下的物质交换和解毒有重要作用。
因此,肠壁的功能是维持胃肠道食糜和血液之间物质的浓度梯度,对这些物质的选择性吸收。
肠上皮细胞凋亡与危重疾病
小鼠在盲肠结扎穿刺和感染假单胞菌肺炎后,肠上皮细胞凋亡均上调。值得注意的是,通过过表达 B 细胞淋巴瘤 2 (Bcl-2) 来预防肠道细胞凋亡可提高这两种模型中的生存率。相反,脓毒症会导致隐窝增殖大幅减少。
危重疾病对肠道细胞迁移的影响
危重疾病也会减慢沿隐窝/绒毛轴的向上迁移,导致绒毛长度明显缩短。其中背后的分子决定因素很复杂,在坏死性小肠结肠炎中缺乏 TLR4 的小鼠中迁移速度更快,但在缺乏 TLR4 的脓毒症小鼠中迁移速度更慢。
此外,阻断磷酸化粘着斑激酶 (P-FAK) 会导致肠细胞迁移进一步减慢,而肠道特异性 Bcl-2 的过度表达可防止脓毒症引起的肠细胞迁移减慢。
危重疾病还会诱发肠屏障通透性过高
这种过高在脓毒症发作后 1 小时内开始,并持续至少 48 小时。
屏障功能受损是由紧密连接和相关蛋白的变化所介导的,导致管腔内容物外流,并可能损害远处器官。从机制上讲,脓毒症会导致紧密连接蛋白-2 和连接粘附分子 (JAM)-A 增加,而紧密连接蛋白-5 和闭合蛋白则减少。闭合小带 (ZO)-1 也会根据模型系统而不同地减少。
MLCK在肠屏障功能中的作用
肌球蛋白轻链激酶 (MLCK) 磷酸化肌球蛋白调节轻链,导致肌动蛋白-肌球蛋白环收缩,增加旁细胞通透性。
MLCK 激活常见于细菌感染,抑制 MLCK 可提高脓毒症小鼠模型的存活率,并改善烧伤小鼠模型的屏障功能和紧密连接重排。值得注意的是,在存在癌症或长期饮酒等慢性合并症时,肠道上皮和屏障功能的改变会加剧。
黏液层的保护作用
黏液还通过阻止细菌和消化酶与肠道上皮接触,在宿主防御中发挥关键作用。黏液的疏水性可显著降低带正电荷的水溶性毒性分子穿过表面的能力。
危重疾病对黏液层和肠道通透性的影响
危重疾病会导致黏液层受损,进而导致上皮细胞功能障碍。缺血/再灌注会导致黏液层疏水性丧失,肠道通透性改变。
此外,创伤/出血性休克后,大鼠黏液和绒毛高度损失减少,上皮细胞凋亡和通透性过高增加。值得注意的是,H2阻滞剂可减少肠道黏液的产生,并导致体外屏障功能障碍。
肠道淋巴假说认为,来自肠腔的有害介质通过肠系膜淋巴到达肺部,在那里造成组织损伤。
多项研究支持这一假说,结扎肠系膜淋巴管可以减少肺损伤,减弱危重病啮齿动物模型中的中性粒细胞活化,提高生存率。此外,注射创伤出血引起的肠系膜淋巴可诱发肺通透性过高和肺损伤。
与此相辅相成的是危重病的肠肺轴。小鼠脓毒症后,肺部群落以肠道相关细菌为主,生态分析显示肠道可能是肺部细菌的来源。这与ICU急性呼吸窘迫综合征患者肠道特异性细菌的丰富性相一致。
在危重疾病发作的数小时内,微生物群的密度和组成会发生剧烈变化,有益健康的微生物群会转变为促进疾病的致病微生物群。
大量新出现的数据表明,危重疾病与微生物群之间存在联系。
重症监护领域最大规模的研究调查了美国肠道项目的1000多名患者,包括 115 名ICU患者在转入ICU和转出ICU后48小时内或转出ICU第10天后的皮肤、舌头和粪便中的微生物群。
转入ICU时,粪便和皮肤的 α 多样性 (组内) 显著降低:
重症患者的肠道微生物群失调
doi: 10.1080/19490976.2024.2351478
微生物群多样性的显著受损
一项针对 34 名 ICU 患者的前瞻性研究显示了互补结果,该研究显示与 15 名健康对照者相比:
一项针对 14 名脓毒症 ICU 患者的小型研究也观察到微生物群多样性的丧失,其中 35% 的患者粪便中只有 1-4 个细菌类群。
致病菌增加
总体而言, ICU 中变形菌占主导地位,厚壁菌数量减少,而脓毒症患者中肠球菌、葡萄球菌和肠杆菌的数量均增加。值得注意的是,在基础条件下,肠道微生物群内的分类群在时间上相对稳定,尽管可能受到饮食和环境因素的影响。
相反,在 ICU 患者中,向致病菌的转变几乎立即发生。在儿科 ICU 患者中也观察到了菌群失调的进展
通常情况下,下列菌群占主导地位:
一些在正常肠道菌群组成中发挥积极作用的菌群减少,如产生丁酸的关键菌属:
多项研究报告称,双歧杆菌丰度减少,该菌在维持免疫调节和营养吸收方面发挥着重要作用。
最近的研究比较了几个危重病人的微生物群组成,发现了一些人际差异,如多样性和丰富度降低。
病因是多方面的:
宿主内在因素
危重疾病本身会导致肠道菌群发生重大变化,这可能是由宿主环境的整体变化引起的。宿主内在因素包括循环休克、全身性酸中毒、粘膜血流改变、炎症等。
值得注意的是,细菌可以通过表达祖先或新获得的基因在危重疾病环境中变得具有新的毒性。
治疗对微生物群的影响
ICU 患者接受的许多治疗都会产生脱靶效应,直接改变微生物群。已证明会影响微生物群的药物包括抗生素、质子泵抑制剂和阿片类药物。
营养成分
碳水化合物、脂质和蛋白质改变会影响微生物群。
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营养方式
途径(肠内/肠外)会改变健康状态下的微生物群。肠外营养后拟杆菌增多,屏障功能受损,这可以通过肠内营养补充来逆转。
微生物-微生物相互作用的改变
有一种假设认为,在危重病期间,定植抗性(Colonization Resistance, CR)机制的破坏有助于病原菌的扩张。
当肠道中的厌氧发酵菌减少,同时肠杆菌科细菌增加时,这可能表明定植抗性的稳态机制受到了干扰。厌氧发酵菌通过产生短链脂肪酸、降低肠道pH值、维持厌氧环境和抑制炎症来抑制肠杆菌科细菌的生长。
像粪肠球菌这样的其他常见ICU病原菌也会在急性疾病期间因定植抗性机制的破坏而受到影响。例如,在接受了造血干细胞移植的个体中,抗生素治疗与万古霉素耐药性粪肠球菌(VRE)的肠道过度生长有关,VRE是院内感染的常见原因。
导致危重疾病中菌群失调的因素
doi: 10.1080/19490976.2024.2351478
抗生素对微生物群的双刃剑作用
由于入院患者病情危急,重症监护病房经常使用抗生素。最近对肠道菌群作用的理解取得进展,凸显了这些药物的潜在有害影响,因为这些疗法针对的是致病菌,但也针对构成我们菌群的共生菌。
抗生素的影响是多因素的
它取决于抗生素的固有特性(类别、药代动力学和药效学特性)和使用方式(如剂量、持续时间、给药途径)。
举例:克林霉素对微生物群的特定影响
克林霉素改变细菌多样性,并有利于固有耐药微生物 (如艰难梭菌、肠球菌或肠杆菌)的生长,成为促使感染艰难梭菌 (CDI) 的主要危险因素。
其他类别抗生素的影响
同样的方式,大环内酯类、糖肽类或氟喹诺酮类已被证明可以显著改变肠道菌群的组成。
利福昔明 (通常用于肝性脑病) 似乎对微生物多样性的影响有限,而有利于有益细菌的生长。
SDD和SOD对肠道菌群的影响
由于其直接作用于微生物群而具备特殊地位,选择性肠道去污(Selective digestive tractdecontamination,SDD) 或选择性口咽去污 (SOD) 在危重病人中经常被使用,可用于改变微生物群。和未治疗的患者,接受SDD治疗患者的主要变化是肠杆菌科细菌减少了,肠球菌增加了,以及对厌氧菌的影响。相反,SOD似乎对微生物群的影响有限。
非抗生素药物对肠道菌群的潜在影响
通过分析荷兰1,135暴露于各种常用药物患者的肠道微生物群,研究得出非抗生素药物也可能影响肠道微生物群。其中,质子泵抑制剂,二甲双胍,非甾体类抗炎药或他汀类药物对肠道菌群组成的影响达到可检测水平。
重症监护特异性治疗对微生物群的影响
在除了所有被提到的因素外,许多重症监护特异性治疗,如人工喂养、机械通气、质子泵抑制剂和血管升压药也可能导致微生物群失调。其中,阿片类药物,这种有助于减慢肠道蠕动,被广泛应用于 ICU患者的药物可能通过增加肠球菌和葡萄球菌种类而调节微生物群,并有利于它们的菌群异位,如脓毒症的小鼠模型。
微生物群是免疫发展的基石
一方面是肠道粘膜免疫,另一方面是全身免疫。事实上,许多结构(如派尔集合淋巴结)都参与免疫调节,例如通过免疫球蛋白A (IgA),它构成了主要的肠道免疫成分,可能针对某些肠道微生物群。
肠道微生物群改变可能导致免疫系统失调
小鼠粘膜 IgA 浓度降低与γ-变形菌(包括肠杆菌)数量增加有关,而γ-变形菌数量增加与促炎特性有关。同样,IgA 的缺失会导致多形拟杆菌诱导促炎状态。
微生物群对T细胞(Th17)的影响
微生物群的改变也会对T细胞产生影响,特别是 TH17细胞,这些细胞参与抗菌防御并对肠上皮细胞起作用,从而产生抗菌肽。
SARS-CoV-2感染与微生物群的关系
在SARS-CoV-2感染的情况下,微生物群的特殊修饰是与促炎症状态相关的:瘤胃球菌和梭状芽胞杆菌属的存在与炎症标志物的阳性、阴性、特异性相关。
后来的研究证实了这些观察结果,发现不具代表性的肠道细菌与免疫调节特性和重症患者高浓度的血浆细胞因子以及生物标志物密切相关。然而,少数危重病人和大部分接受抗生素治疗的患者的存在,这些观察结果的普遍性受到限制。
通过对粪便样本的病毒转录活性分析,这些标记为SARS-CoV-2高传染性的特征的种群具有更广的细菌丰度并有更强进行核苷酸、氨基酸和碳水化合物的合成和新陈代谢的生物能力。相比之下,标记有低传染性的粪便样本具有较高产生短链脂肪酸的细菌丰度。
危重病人预后与医疗保健相关感染
在许多其他场景中,危重病人的预后与医疗保健相关的感染情况密切相关,后者发生率可能高达25%,这对生存或发病率的影响有显著差异。
特定细菌携带与感染风险
直肠携带特定的可培养细菌,特别是在ICU患者中检测到的肠杆菌或肠球菌属似乎与随后感染相同微生物的患病率有关。
这些观察结果被近期一个在ICU患者中进行的研究所证实,研究发现咽喉或直肠携带超广谱beta-内酰胺酶的肠杆菌(ESBL-E)是发生ESBL-E呼吸机相关性肺炎的一种危险因素。
口腔和口咽微生物群的变化
特别是在非机械通气患者中,改变口腔和口咽微生物群存在的大肠杆菌、铜绿假单胞菌或金黄色葡萄球菌会导致非特异性医院获得性肺炎 (HAP) 风险增加。
肠道微生物群的多样性与感染
粪便菌群多样性改变在ICU患者中很常见,也可能增加感染率。首先,在动物研究中,肠道微生物群似乎有一个对感染的直接保护作用,特别是肺炎链球菌肺炎。
肠道菌群失调与危重病医院获得性感染联系
doi : 10.1080/19490976.2024.2351478
共生厌氧菌的丧失导致肠道屏障完整性的破坏,以及对病原菌类群的定殖抗性受损。致病菌(如肠杆菌科)的扩张,加上上皮屏障完整性受损和全身免疫功能障碍,使得肠道致病菌(通过易位和传播)以及由于全身免疫防御受损而导致的其他病原体能够发生侵袭性感染。
呼吸机相关性肺炎(VAP)
呼吸机相关性肺炎 (VAP) 是ICU患者中常见的医院并发症,肠道细菌可能在VAP的发病机制中起作用。这些细菌可以定植于口咽微生物群,然后通过机械通气进入呼吸系统,可能导致感染。
肠道微生物组与呼吸系统微生物组的关系
最新研究表明,肠道微生物组对呼吸系统微生物组有影响。在急性呼吸窘迫综合征患者中,肠道中拟杆菌属的增加可能与呼吸系统的微生物群变化有关。
在机械通气的病人中,与发展成为呼吸机相关性肺炎的患者相比,那些没有发展成呼吸机相关性肺炎的人似乎呈现出不同的微生物群。同样在感染情况下,改变的肠道微生物群似乎对处在危重情况下的宿主预后有影响。
选择性肠道去污(SDD)的临床应用
在动物研究中,无菌或抗生素治疗的小鼠 (即诱导菌群失调) 似乎更多易患严重结肠炎。在ICU患者中,选择性肠道去污(SDD)的使用与更好的患者结局有关,特别是在抗生素耐药率低的ICU中,但这些观察结果尚未在ICU中确认对于中度到高度抗生素耐药的患者是否有益,以及与静脉使用头孢菌素无关。
肠球菌属与ICU患者短期预后
一项主要研究发表的文章最终表明,一个ICU入院时的优势肠球菌属与短期预后相关。ICU患者肠道菌群的多样性与肠道菌群肠球菌的丰度密切相关,这肯定了肠球菌的意义,可能是一种菌群失调的标志物,也与其高相对丰度导致更差的结局有关。
此外,最近对接受异基因治疗造血细胞移植患者的研究显示,饮食可能会通过改变其他肠球菌属的丰度来影响菌群失调的严重程度,而这可能会引起移植物抗宿主病(GVHD)。
多重耐药菌(MDRO)成了重症监护机构日益加重的负担。
微生物群与定植抗力
定植抗力:未发生改变的微生物群似乎是一个对抗微生物耐药的关键因素,因其有对抗外源性细菌的能力,包括具有抵抗力的细菌。
耐药菌与抗生素的使用相关
研究证实,肠道耐万古霉素肠球菌的浓度与抗生素使用(这些抗生素有显著的抗厌氧菌活性)显著相关,从而改变细菌的保护屏障并促进耐药微生物增殖。
微生物群对多重耐药菌的抑制作用
在动物模型中,梭状芽胞杆菌可减缓艰难梭菌感染,布劳特氏菌Blautia和梭状芽胞杆菌可以抑制耐万古霉素的肠球菌、乳酸杆菌、梭菌目和厌氧李斯特菌感染。
抗生素与细菌抗药性
几项研究分析并证实了给予抗生素后,细菌的抗药性增加,抗生素的使用改变增殖防御、应激、以牺牲敏感细菌,选择多重药耐药菌,如肠杆菌 (包括产生广谱β-内酰胺酶的大肠杆菌)或万古霉素耐药肠球菌属。
β-内酰胺酶菌株的影响
产生β-内酰胺酶菌株的高浓度定植也可能有影响:最近的一项动物研究表明,这些先前定植的菌株经过全身治疗后可能使肠道内的抗生素失活,因此保护微生物群免受菌群失调,这些观察为旨在保护微生物群的解决方案发展铺平了道路。
肠道去污(SDD)与细菌耐药性
作为抗生素治疗的一种特殊形式,肠道去污 (SDD) 似乎不会增加ICU细菌耐药性的出现,这看起来与直肠较低的耐药革兰阴性菌载量似乎是矛盾的。一些观察指出,SDD在ICU患者离开ICU后出现的细菌耐药性有关。
耐药微生物的临床影响
较高的相对丰度耐药微生物在微生物群中具有重要的临床影响,因为它们在促进感染的发生,直肠细菌移位和脱落,在高浓度大便中的MDRO与环境污染有关,并可能在MDRO传播中发挥重要作用。
门静脉是从脾脏和胃肠道到肝脏的主要高速公路,约占肝脏血液供应的 70%。这种解剖位置使肝脏成为清除全身性细菌感染和维持免疫系统稳态的中心位置。
肝巨噬细胞(KC)在肝脏免疫中的作用
肝巨噬细胞(KC,Kupffer Cells)位于肝窦内壁,是第一个遇到来自肠道的细菌或微生物产物的巨噬细胞群。
晚期肝病患者的KC功能受损及其后果
全身性感染是这些患者死亡的主要原因。许多此类感染是由肠道细菌易位引起的,通常导致菌血症,在更严重的情况下,会导致脓毒症。
细菌易位
细菌易位可通过分析肠系膜淋巴管或门静脉血样来证明。
在一项经典研究中,对接受开腹手术的创伤患者进行门静脉取样,血培养未发现细菌易位的证据。更灵敏的方法,如大肠杆菌β-半乳糖苷酶免疫染色或电子显微镜或分子测序,为大多数患者的肠系膜淋巴结(MLN)细菌易位提供了直接证据。
肠-肝串扰机制
人类和动物模型研究均提供了更多关于肠肝串扰机制的细节。
菌血症会增加自发性细菌性腹膜炎的风险,五分之一的住院肝硬化患者会发生自发性细菌性腹膜炎。
微生物驱动的炎症也会加重肝病。例如,结肠微生物群的改变与肝硬化并发症肝性脑病患者的内毒血症和炎症有关。
肠道菌群失调与肝脏疾病
肠道细菌失调也可能导致肝移植术后感染和器官排斥。事实上,大鼠急性肝排斥伴有肠道微生物群改变、肠道屏障完整性受损、细菌易位、血浆内毒素水平升高以及全身炎症反应。
肠道菌群失调还可引发肝脏局部炎症,促进中度肝病进展为脂肪性肝炎。
最近的一项研究表明,肠道巨噬细胞中微生物依赖性的趋化因子受体 CX3CR1 的激活对于维持肠道稳态和屏障完整性至关重要,因此对于控制脂肪性肝炎进展至关重要。
晚期肝病导致的循环异常与肠道损伤的恶性循环
由于晚期肝病通常会导致循环异常(门静脉高压、内脏血管扩张),这些事件可能形成恶性循环。肠道屏障受损会导致细菌易位,从而导致肝脏炎症和肝功能障碍,导致循环异常加剧,造成进一步的肠道损伤。
全身性炎症中的肠-肝串扰
DOI: 10.1186/s13054-016-1458-3
肝脏的防御功能
除了肝脏作为次级防火墙外,胆道分泌物和胰腺外分泌物也有严格的区域划分。胆汁酸和胰酶通过胰管排泄,促进脂质、碳水化合物和氨基酸的消化和吸收。
胆汁酸的合成与转化
初级胆汁酸在肝脏中合成为胆固醇的衍生物,例如胆酸和鹅去氧胆酸。这些胆汁酸在肠道菌群中转化成次级胆汁酸、脱氧胆酸 (DCA)、石胆酸和熊去氧胆酸 (UDCA)。
胆汁的释放与肠肝循环
胆汁在十二指肠细胞餐后产生的胆囊收缩素 (CCK) 刺激下释放到十二指肠腔内。胆汁酸与膳食脂质一起被重吸收,并通过肠肝循环返回肝脏,而饱和的消化酶通常会被排泄和消除。
胆汁酸对肠道屏障的影响
胆汁酸可能为蛋白酶突破肠道屏障并引起全身炎症反应铺平道路。重要的是,不同类型的胆汁酸对肠道屏障有不同的影响。例如,胆酸、DCA和鹅去氧胆酸在体外对肠上皮屏障表现出破坏作用,而熊去氧胆酸 (UDCA)则并非如此。
饮食与肠道屏障的关系
上皮细胞暴露于与高脂饮食相对应浓度的DCA会在体外和体内破坏上皮屏障。相反,低脂饮食中常见的DCA浓度不会影响上皮完整性。在这种情况下,肠内营养与完全肠外营养对危重患者肠道屏障的影响是高度相关的。
完全肠外营养增加肠道通透性,除胆汁酸的作用外,还可能涉及多种机制。
肠内喂养对肠道屏障的综合影响
其他研究表明,富含脂质的肠内喂养对实验性休克中的肠道屏障具有保护作用,而胆囊收缩素 (CCK) 受体拮抗剂可逆转这种保护作用。这些数据表明肠内营养对肠道屏障具有内在的保护作用。
因此,尽管肠内喂养会刺激肠腔内胆汁酸的释放,从而可能损害上皮内壁,但其对肠道屏障的有利作用似乎占主导地位。
胰腺酶对危重患者的局部和全身作用最近重新受到关注。
胰腺酶的消化功能
外分泌性胰腺的腺泡细胞分泌多种酶,这些酶在十二指肠腔内激活后可降解蛋白质(胰蛋白酶原、糜蛋白酶原、羧肽酶、弹性蛋白酶)、脂质(胰脂肪酶、磷脂酶)和糖(胰淀粉酶)。导管细胞产生碳酸氢盐 (HCO3− )。这种胰液是在胆囊收缩素 (CCK) 刺激下分泌的。
肠缺血期间胰腺酶的影响
在肠缺血期间,这些蛋白酶可能导致保护性粘液层和上皮紧密连接的降解,导致肠道通透性增加和肠壁丝氨酸蛋白酶渗透。这首先由胰管结扎得到证实,此举可减轻出血相关休克实验模型中的肠屏障破坏。防止胰酶内流进入肠腔可减少黏液层降解、降低对内皮细胞的毒性并降低循环中性粒细胞的活化。
胰酶在体内的毒性作用
当黏液层已受损时,胰酶(包括胰蛋白酶、糜蛋白酶、弹性蛋白酶、淀粉酶和脂肪酶)在体内的毒性作用会增强。相反,在肠上皮细胞 (IEC)单分子膜上增加黏液层可减轻胰蛋白酶对肠屏障的破坏作用。
活性蛋白酶易位与多器官衰竭的关系
重要的是,活性蛋白酶易位至循环系统与多器官衰竭风险增加有关,这很可能是由肠道局部自身消化过程引起的,该过程释放组织或微生物因子,从而引发全身炎症反应。
药物抑制胰腺酶的潜在益处
这些数据表明,药物抑制胰腺酶可消除这些病理生理事件,改善危重疾病的循环紊乱。
最近的一篇论文在三种大鼠实验性休克模型(出血性休克、腹膜炎和内毒素休克)中证明了这一概念,重点是丝氨酸蛋白酶。所有休克模型都会导致肠壁蛋白酶活性增加。
蛋白酶抑制剂的应用与效果
腔内注射蛋白酶抑制剂(ANGD、氨甲环酸和抑肽酶)可显著减少小肠和远处器官(心脏、肺)的组织损伤,这与显著提高生存率相关。
值得注意的是,需要直接侵入性地施用蛋白酶抑制剂才能在肠道内产生较高的腔内浓度,这限制了其直接应用于临床实践。或者,通过肠内喂养持续输送蛋白酶抑制剂已被证明在一例脓毒症休克病例中是成功的。
总之,这些数据表明,在肠道缺血条件下,胰腺酶可介导危重患者的有害局部和全身影响,如下图所示:
DOI: 10.1186/s13054-016-1458-3
肠道、体循环和远端器官之间的直接解剖学联系由来自肠道的淋巴管提供。进食后,肠系膜淋巴富含脂质(乳糜微粒)、脂溶性维生素和各种其他亲脂性大分子。这些传入淋巴管从肠绒毛尖端流向肠系膜淋巴结,最终流入胸导管、心脏和肺循环。
肠系膜淋巴结在免疫反应中的作用
在这个网络中,肠系膜淋巴结是腔内抗原被抗原呈递细胞(巨噬细胞、树突状细胞)过滤和吸收的部位,这些细胞可以指导适应性免疫反应。这种特殊粘膜免疫系统的细胞参与者在肠系膜淋巴结和固有层之间穿梭,并被肠道共生菌群分隔开来。
该过程所涉及的机制之一是分泌性 IgA 在粘液层中的沉积,这是对胃肠道异常大量细菌负荷的一种适应。
肠系膜淋巴与肝脏网状内皮系统的关系
肠系膜淋巴避开了门脉循环,从而绕过了肝脏的网状内皮系统,即由肝脏巨噬细胞介导的二级防火墙。
任何未经过滤的管腔成分,如内毒素和胰酶,以及离开肠系膜淋巴结的局部产生的细胞因子和激活的免疫细胞,都能够直接泄漏到血液循环中。
肠系膜淋巴与急性肺损伤的关系
来自肠系膜淋巴的细胞毒因子将首先通过肺循环。对肺内皮的直接毒性作用可导致急性肺损伤,最终导致 “急性呼吸窘迫综合症”(Acute Respiratory Distress Syndrome),这被称为肠-淋巴-肺轴。
肠系膜淋巴引流的作用
消除肠系膜淋巴引流可以防止由于出血性休克导致的内皮通透性过高和肺损伤。这意味着肠系膜淋巴在一定程度上参与了肺损伤的病理过程。
肠系膜淋巴液成分的研究
但是几乎所有关于肠系膜淋巴液成分的研究都是使用动物模型进行的(下表)。
DOI: 10.1186/s13054-016-1458-3
值得注意的是,研究指出细菌或其产物不是肠系膜淋巴液毒性成分的原因:
致病因素可能包括,急性期蛋白和促炎脂质介质,尤其是脂肪酶产生的游离脂肪酸(FFA)。这些成分的细胞毒性与FFA与蛋白质的比率有关,通过补充白蛋白可以逆转这种作用。
注意白蛋白的双重作用
白蛋白在休克后的肠系膜淋巴中大量上调,这是控制脂质细胞毒性的潜在补偿机制。然而,糖基化的白蛋白与内在的细胞毒性相关,因此白蛋白对肺损伤既可能有保护作用,也可能有害。
整体来看,这些发现提示肠系膜淋巴中的特定蛋白质和脂质成分在休克后对肺损伤有复杂的影响,为理解其毒性机制提供了新的视角。
谵妄是一种非特异性的急性神经功能障碍状态,表现为波动性意识模糊和认知障碍。在 ICU 中,谵妄与死亡率增加、通气和住院时间增加以及幸存者的长期认知障碍有关。
虽然对谵妄的发病机制了解甚少,但最近的研究强调了肠道菌群失调和肠脑轴异常的潜在作用。与未患谵妄的老年人相比,患有谵妄的老年人的肠道菌群组成存在显著差异,肠杆菌科细菌与意识障碍和谵妄严重程度有关。
一项孟德尔随机化研究表明,脱硫弧菌科、脱硫弧菌目、Candidatus Soleaferrea的存在会增加谵妄的风险,而草酸杆菌科、Holdemania属、Ruminococcus gnavus 属、Eggerthella 属的存在会降低谵妄的风险。
注:
Holdemania属参与肠道丁酸的产生,在维持肠道稳态和抵抗炎症方面发挥着作用。
草酸杆菌科在草酸的分解代谢中起着重要作用,草酸代谢失衡会对机体造成严重损害,如引发肾脏疾病、全身和局部炎症、心脑血管并发症等。
这些对谵妄发生率的影响的具体机制以及肠道微生物群内的相互作用需要进一步研究。
肠道菌群的双重作用:正常的肠道菌群能够合成人体必需的物质,同时也可能生成有毒物质。在特定条件下,这些有毒物质可以引发全身性的病理过程。这一假说已经存在了一个多世纪,现已被证实。
研究的快速增长:过去十年中,关于肠道轴(如肠肝轴、肠脑轴)以及肠道微生物群的研究数量呈指数级增长。这表现在相关出版物数量的显著增加,尤其是在PubMed上,从2010年至2019年,这些关键词的出版物增长倍数分别是12倍到61倍不等。
下面将讨论具有全身毒性的细菌来源物质以及含氮营养物质(蛋白质、氨基酸、氨基醇、磷脂)和脂多糖的降解产物。
脂多糖(LPS)的特殊作用
肠道微生物产生了大量的LPS,即使在健康个体中,血液中也可能检测到LPS。LPS通过多种途径穿过小肠和结肠,大多数情况下通过门静脉到达肝脏。
内毒素水平
成人结肠食糜中革兰氏阴性细菌脂多糖混合物(称为内毒素)的含量为 2.5 g/L。在血浆中,它要低 9 个数量级:10 ng/L 左右,这是巨噬细胞和内皮细胞炎症激活的阈值。
LPS水平在不同疾病中的变化
该值在牙周炎、糖尿病、肝硬化和阿尔茨海默病中适度增加,在脓毒症中达到 500 ng/L。血浆中内毒素水平升高可定义为内毒血症。
内毒素与TMAO
血浆内毒素和 TMAO 水平呈正相关。在血浆中,内毒素既以具有生物活性的游离形式存在,也以与血液蛋白的复合物形式存在,这在实验室研究中并不总能检测到。
内毒素的生物学效应
内毒素具有明显的内皮毒性,表现为氧化应激、糖萼破坏、白细胞粘附、血管痉挛和血栓形成以及血脑屏障通透性增加。血液中内毒素含量是脓毒症的典型特征,会导致细胞因子风暴和脓毒症休克。
不同细菌LPS的促炎特性
大肠杆菌脂多糖的促炎特性比普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)和多氏拟杆菌(Bacteroides dorei)脂多糖强得多。
LPS的转运途径
小肠:旁细胞途径、网格蛋白介导的内吞作用、微胞饮和脂筏介导的内吞作用、杯状细胞相关抗原通道和乳糜微粒途径。
结肠:网格蛋白介导或囊泡介导的蛋白质转运途径。
脓毒症对LPS转运的影响
肠道屏障受损会导致大量LPS进入体循环,引发不受控制的免疫炎症反应。
LPS的处理和解毒
肝脏通过清道夫受体(SR)吞噬LPS。
酰基水解酶(AOAH)和碱性磷酸酶负责解毒。
AOAH去除脂质A部分的二级脂肪酰基链,控制LPS毒性。
血浆中的LPS结合蛋白
LPS结合蛋白(LBP)、CD14、杀菌/通透性增加蛋白(BPI)和脂蛋白。
LBP主要由IEC和肝细胞产生,促进LPS与免疫细胞的相互作用。
LPS诱导的信号通路
TLR4信号通路包括:MyD88依赖性、非依赖性和IFN-β依赖性通路。
这些通路导致细胞因子增加和细胞损伤。
保护机制
高浓度的LBP和可溶性CD14,可能有助于限制LPS的有害反应。
BPI在肠上皮中表达,可能作为一种保护机制。
健康影响
内毒素会引起血栓素依赖性肺血管收缩,在较高浓度下(脓毒症休克的典型症状)会引起全身血管扩张和肺动脉高压。内毒素血症会增加血脑屏障对内毒素和其他物质的通透性,增加肺毛细血管的通透性,引起非心源性肺水肿,并损害肝脏和肾脏的功能。
LPS 激活的 TLR4 信号通路概述
doi.org/10.1186/s13054-022-04090-1
LBP 和 CD14 促进 LPS 识别,由 TLR4 和 MD-2 受体复合物介导。TLR4 信号激活分为 MyD88 依赖性、MyD88 非依赖性和 TRIF 依赖性通路,介导促炎细胞因子 (TNF-α、IL-6 等) 和 I 型干扰素基因的激活。
IL,白细胞介素;LBP,LPS 结合蛋白;LPS,脂多糖;
MD-2,髓系分化-2;MyD88,髓系分化因子 88;
TLR4,Toll 样受体 4;
TRIF,Toll/IL-1R 结构域含衔接子诱导 IFN-β;
TNF,肿瘤坏死因子
胃肠道中氨的产生
胃肠道占体内产生的氨的至少 2/3。在肠细胞中,氨形成的主要机制是谷氨酰胺酶反应,而在大肠中,则是细菌的代谢活动:氨基酸和含氮碱基的脱氨作用,以及从血液扩散到粘膜腔面的尿素的水解。
肠道菌群与氨的产生
与结肠粘膜相关的微生物的尿素分解活性是肠道菌群产生的氨的一半来源。大鼠大肠食糜中的氨含量是小肠的三倍:分别为 45 和 15 mmol/kg。
氨的循环与肝脏的作用
氨从肠食糜中通过门静脉和经腹膜扩散进入全身循环。在一天中,健康人约有4克氨从肠道进入血液(主要通过门静脉)。
注:门静脉是一条主要的静脉血管,负责将肠道以及胃、脾、胰腺的血液,输送到肝脏。其主要功能是从胃肠道收集富含营养物质的血液,并输送到肝脏进行处理、代谢和解毒。门静脉系统在维持体内生理平衡和代谢稳定方面起着重要作用。
由于在肝脏中被中和,肝静脉血浆中的氨浓度比门静脉血浆中的氨浓度低2-3倍,而且显著低于源自结肠的肠系膜静脉血浆中的氨浓度。也就是说,肝脏在处理氨方面起到了显著作用。
动脉血浆中的氨浓度
动脉血浆中的正常氨浓度([NH3] + [NH4+])为30 µM。
氨的神经毒性及其症状
随着氨浓度的增加,逐渐出现神经毒性。早期的研究(I.P. Pavlov的实验室)表明,高水平的氨会导致毒性症状。
具体症状:
注:共济失调(Ataxia)是一种影响个人协调和控制运动功能的神经系统障碍。它通常表现为不稳的步态、手部和身体的协调性差、精细运动能力下降以及平衡困难。
大肠中的氨池
体积和浓度:大肠食糜的平均体积为0.4升,氨的含量为5.7–39.0 mM。
总氨量:大肠内总氨池为2.3–15.6毫摩尔。
氨的潜在扩散
假设均匀分:如果这些氨均匀分布在血液(5升)、淋巴液(2升)和大肠食糜中,会显著提高血液中的氨水平。
严重后果:这种分布将导致血液中的氨含量增加到311–2108 µM,远远超过昏迷阈值(200 µM),导致严重的神经毒性乃至昏迷。
总结来说,肝脏在保持氨浓度在安全范围内起到了关键作用。如果氨从肠道中大量扩散到血液中,可能会导致严重甚至致命的神经毒性反应。因此,理解氨的代谢和扩散过程对于预防和处理氨中毒具有重要意义。
氨的细胞内扩散与pH关系
氨以非离子形式NH3进入细胞。在pH = 7.36时,这对于正常血浆是典型的(考虑到氨的碱性常数pKa = 9.15,t = 37°C),NH3形式的比例约为1.6%。在细胞质中,pH较低,这导致即使在血液中氨含量正常的情况下,氨也会扩散进入细胞。在代谢性酸中毒或气体性碱中毒时,血浆和细胞质之间的pH差异增加,从而加剧了沿 NH3浓度梯度向细胞供应氨。在这些情况下,即使没有高氨血症,也有可能出现毒性作用。
氨对血管内皮细胞的毒性作用
氨不仅对神经系统有毒性作用,还对血管内皮细胞具有毒性。
引起氧化应激和NO积累:导致细胞内自由基和反应性物质的增加。
增加细胞通透性:使内皮细胞的膜更容易让大分子物质通过,这可能会破坏血脑屏障的完整性。
引起星形胶质细胞肿胀:氨处理的内皮细胞培养基可以引起星形胶质细胞的肿胀,这可能与脑水肿的形成有关。
破坏细胞外基质和增加旁细胞通透性:高浓度氨会破坏细胞外基质,进一步增加内皮细胞单层的旁细胞通透性。
这些影响表明,在高氨血症情况下,氨不仅直接影响神经元,还可能通过破坏血管内皮细胞,间接导致脑水肿和其他脑部病理变化。这为理解氨毒性在多个层面的影响提供了重要的见解。
氨与TLR4的激活
在内皮细胞中,氨激活了负责对内毒素炎症反应的Toll样受体4(TLR4),这导致氧和氮自由基的过度产生,内皮细胞肿胀,以及其对参与肝性脑病病理过程的物质的通透性增加。
高氨血症导致脑小动脉扩张
高氨血症导致了依赖于内皮细胞的一氧化氮介导的脑小动脉扩张,这可能在急性肝功能衰竭中导致颅内压增加和脑水肿。
氨对血脑屏障通透性的影响
静脉注射乙酸铵到兔子体内增加了血脑屏障(BBB)对聚乙二醇PEG400的通透性,慢性肝性脑病患者的血脑屏障通透性也增加了。
因此,这些机制表明,氨对血管内皮和脑部环境的多重负面影响,这对于理解肝性脑病和其他高氨血症相关脑病的发生和发展十分重要。这些发现强调了有效管理氨水平和保护血脑屏障的重要性,以预防相关脑损伤。
三甲胺-N-氧化物的形成与功能
三甲胺-N-氧化物(TMAO) 是一种对人类来说很基本的氨衍生物,其有用功能(作为渗透压物质)在海洋动物中得以保留。它是在肝脏中由梭菌、大肠杆菌、肠杆菌、不动杆菌、变形杆菌在结肠腔内氧化三甲胺(L-肉碱、胆碱、卵磷脂或甜菜碱的分解产物)而形成的。
血浆中TMAO的浓度与影响因素
血浆中三甲胺的浓度比 TMAO 的浓度低 38 倍。健康人血浆中 TMAO 浓度的数据在 6 个月内每天摄入1.5克L-肉碱的情况下从 0.17-34.62 μM 不等。它还会随着肠道菌群中 Gammaproteobacteria比例的增加而增加。
饮食与TMAO的关系
当小鼠被转移到富含胆碱的饮食中时,其血液中的 TMAO 含量会增加。无菌 (无细菌) C57BL/6J 小鼠即使接受富含胆碱的饮食,其血液中也缺乏 TMAO。将这些小鼠转移到非无菌环境中会导致其血液中出现 TMAO。
TMAO的全身毒性及其表现
TMAO 的全身毒性表现为全身炎症。在评估血液中 TMAO 水平升高引起内皮氧化应激的能力时,有相互矛盾的数据,既存在也不存在此类迹象。
体外实验显示,TMAO 具有诱发血管痉挛的能力。血浆三甲胺氧化物 (TMAO) 水平升高与心血管疾病 、肝脂肪变性、肾纤维化和血栓形成有关,并且会增加房颤血栓栓塞的风险。
一些研究表明,循环系统疾病与三甲胺水平有关,而与三甲胺氧化物 (TMAO) 无关。
调节TMAO水平的方法
口服抗生素可阻止补充卵磷脂或肉碱后血液TMAO水平上升。
肠道菌群的作用
特定肠道菌株的移植可以显著改变TMAO水平和血液凝固特性。
研究显示,非血栓性小鼠的肠道物质移植不会影响无菌小鼠的TMAO水平,而促血栓性小鼠的移植则会增加TMAO和凝血。
因此,血液中高浓度的TMAO 和/或三甲胺会增加全身炎症、血管痉挛、血栓形成、肝损伤和肾损伤的风险。
吲哚是色氨酸的代谢物,在大肠中,梭菌将其代谢为 3-吲哚丙酸,乳酸杆菌将其代谢为吲哚-3-醛,以及许多表达色氨酸酶但不代谢吲哚的细菌相互竞争。在后一种情况下,游离吲哚进入肝脏,在那里被酰化形成吲哚硫酸盐和吲哚乙酸盐。与分别具有神经保护和免疫调节特性的 3-吲哚丙酸酯和吲哚-3-醛不同,吲哚硫酸盐和吲哚乙酸盐具有内皮毒性。
它们在血液中的积累与慢性肾衰竭和心血管疾病风险有关。正常情况下,血浆中硫酸吲哚酚的含量为 10−7-2.4×10−6 Mol,慢性肾衰竭时血浆中硫酸吲哚酚的含量为2.5×10−4-5.0×10−4 Mol。
对甲酚硫酸盐的形成与来源
对甲酚硫酸盐是在大肠上皮细胞和肝细胞中通过对甲酚的硫酸化形成的,对甲酚是芳香族氨基酸酪氨酸和苯丙氨酸脱氨和脱羧的产物,在拟杆菌科、双歧杆菌科、梭菌科、梭杆菌科、毛螺菌科、乳酸杆菌科、卟啉单胞菌科、葡萄球菌科、瘤胃球菌科和韦荣球菌科的细菌参与下形成。每天,大肠中都会形成 50-100 毫克对甲酚。
对甲酚硫酸酯在慢性肾衰竭中的影响
对甲酚硫酸酯在慢性肾衰竭患者血浆中浓度为 116–568 μM,而正常浓度为 15–35 μM,具有内皮毒性。肺水肿患者血液中对甲酚硫酸酯含量增加。给小鼠施用对甲酚硫酸酯可增加肺毛细血管通透性,激活白细胞,增加自由基氧物质的产生,并导致细胞死亡和间质性肺水肿。
吲哚硫酸盐、吲哚乙酸盐和对甲苯磺酸盐的肾脏清除率
吲哚硫酸盐、吲哚乙酸盐和对甲苯磺酸盐的肾脏清除率较低,因此在肾衰竭时会在血液中蓄积。正常情况下,这些物质的血浆池中 95–97% 以与白蛋白的复合物形式存在。
在肾功能不全时,它们以游离形式存在的含量会增加,同时伴有内皮毒性的增加。表现为炎症、血管痉挛、缺血、血栓形成、组织胰岛素抵抗和多器官衰竭的发展,以及现有疾病心血管并发症风险的增加。
单胺的形成与肠道细菌的作用
单胺是在肠食糜中由氨基酸在可诱导脱羧酶的作用下形成的,其中一些脱羧酶依赖于磷酸吡哆醛。肠道细菌的脱羧酶活性最高。在新生儿的肠食糜中,单胺含量微不足道,但随着细菌在胃肠道的定植而增加。
微生物群与单胺的形成
微生物群从 L-酪氨酸形成对酪胺和对章胺,从 L-色氨酸形成色胺和血清素,从组氨酸形成组胺。进入门静脉系统的单胺量通常不超过肝脏中和它们的能力,主要通过结合。在内皮功能障碍中,肝脏中单胺合成增强和(或)结合受损,导致血液中单胺含量升高。
单胺的血管收缩作用
酪胺、色胺、章鱼胺和血清素在释放到血液中时,具有血管收缩作用。章鱼胺输注会导致猪出现过度换气和肺静脉-动脉分流增加的低氧血症。
血液中血清素的积累会导致血清素综合征
其症状包括心动过速、动脉高血压、高热、血液凝固增加,严重的情况下还会出现横纹肌溶解症和多器官衰竭。
组胺会导致支气管痉挛,参与炎症的发病机制,增加血液粘度,并损害微循环。
单胺的全身生物活性与急性中毒并发症
肠道菌群产生的单胺的全身生物活性的特点是它们对血液循环、肺部气体交换过程、血液凝固和(或)炎症的影响。这决定了单胺参与急性中毒并发症发病机制的可能性,即:心血管疾病、脓毒症、凝血病和继发性急性肺损伤。
直接肠毒性物质
乙醇、多种霉菌毒素、砷和重金属盐均具有直接的肠道毒性。
非甾体抗炎药的应用
非甾体抗炎药因其特殊毒性可用于急性胃肠炎的实验模型。类似地,葡聚糖硫酸盐和2,4,6-三硝基苯磺酸盐用于急性结肠炎的实验模型。
霉菌毒素的作用
某些霉菌毒素通过增强内毒素的作用加剧肠炎的炎症损伤,例如,霉菌毒素T-2和脱氧雪腐镰刀菌烯醇能增加肠炎时对聚乙二醇PEG 4000的通透性。
肠黏膜通透性增加的原因
除了外来化合物或其代谢产物直接损伤肠道上皮和血管内皮,急性中毒中常见的急性缺氧、胃肠道平滑肌痉挛和胃肠道淤滞也会增加肠黏膜通透性。
机体危急状态下的急性肠道缺氧是由外部呼吸和血液循环障碍引起的。在急性严重中毒中,此类状态包括外毒性休克,在没有呼吸支持的情况下,呼吸中枢抑制、神经肌肉阻滞和支气管阻塞综合征。由于血液循环集中,胃肠道比维持身体生命活动的最重要器官(即大脑、肺和心脏)经历更深的缺氧。
▸ 急性肠道缺氧的原因:
• 外部呼吸和血液循环障碍
• 外毒性休克
• 呼吸中枢抑制、神经肌肉阻滞和支气管阻塞综合征
▸ 缺氧对肠道的影响:
• 肠细胞特别容易受到ATP氧化再合成中断影响
• 可导致炎症、溃疡和出血
• 增加肠内皮通透性
▸ 缺氧的实例:
• 高原反应中的肠道损伤
• 运动中的气体缺氧导致细胞因子水平升高和肠通透性增加
• 溶血性贫血和急性失血中肠通透性增加
▸ 细胞毒素的作用:
• 抑制能量代谢酶或解偶联氧化磷酸化
• 加剧生物组织的能量不足状态
• 破坏结肠上皮细胞对大肠杆菌的屏障功能
▸ 氧化磷酸化的重要性:
大肠粘膜中氧化磷酸化活性更高的小鼠对某些损伤具有更强的抵抗力
▸ 小肠 vs 大肠:
• 小肠的黏膜下毛细血管丛比大肠发达
• 大肠对缺血性损伤更敏感
▸ 缺氧对黏膜的影响:
• 减少肠道黏蛋白的形成
• 导致黏膜发生炎症变化
总的来说,缺氧对肠道健康的重要影响,以及各种因素(如毒素、能量代谢变化)如何加剧这种影响,从而导致肠道功能障碍和相关健康问题。
胃肠道平滑肌痉挛是胆碱酯酶抑制剂和血清素类药物中毒的特征性症状之一,但也可能是血液循环集中引起的急性缺氧反应,或肠杆菌产生的血清素对肠道平滑肌产生痉挛作用的结果。
大肠的血清素刺激除了自身平滑肌痉挛外,还伴有微血管动脉痉挛。有人提出了肌肉痉挛-缺血-疼痛三联征是肠易激综合征中肠易激通透性增加的一个因素的假说。在急性中毒中,肠易激对此类变化的反应可能相似。
▸ 胃肠停滞的危害
在复苏和重症监护室患者中,胃肠停滞是一个潜在的致命并发症,常见于阿片类药物、胆碱能拮抗剂和血清素激动剂的毒性作用下。这种情况也典型地发生在伴有昏迷的严重中毒和烷基化物质急性中毒时。
▸ 肠道菌群的影响
在停滞状态下,肠道菌群产生的有害物质通过肠壁的通透性增加。停滞加剧了细菌生长而未被清除,导致肠腔内毒性物质特别是氨的浓度升高,氨的细胞毒性作用加剧对结肠细胞的损伤,进一步减少黏蛋白的产生。
▸ 继发性肠炎功能障碍
继发性肠炎功能障碍:急性疾病中会出现继发性肠炎功能障碍,这是由于直接损伤、胃肠停滞、缺氧和胃肠组织平滑肌痉挛导致的。此功能障碍增加了肠道对菌群代谢物和细菌成分的通透性。
▸ 毒性物质和内毒血症
继发性肠炎功能障碍结合肠道菌群毒性物质产生的增加和气体形成,促进了毒性物质进入全身循环并可能导致内毒血症,这在急性严重疾病中形成了一个恶性循环。
总之,胃肠停滞和继发性肠炎功能障碍在疾病恶化中扮演重要角色,尤其是在急性毒性和严重病患中,需要密切监测和适当处理。
严重的内毒素血症和高氨血症是休克的典型症状。在脓毒症、创伤性和出血性休克中观察到血液中内毒素水平升高。在实验中,通过给动物施用内毒素可以重现脓毒症休克。
因心脏骤停而入住重症监护室的患者血浆中的氨浓度比有自主循环的患者高 4.8 倍。在胰岛素和热休克期间,狗和兔子的血浆和脑组织中的氨含量会增加很多倍。通过给动物施用铵盐,可以重现胰岛素和热休克的主要症状。
失血性休克时,内毒血症的来源是肠道。内毒血症的发生分为三个阶段:
1)肠道组织和门静脉血液中低分子量和中等分子量物质含量增加;
2)体循环中这些物质含量开始增加;
3)门静脉和颈动脉血液毒性达到同等程度。
急性脑功能不全(ACI)
这是由弥漫性脑损伤引起的急性中枢神经系统功能障碍。ACI常发生在严重中毒的情况下,临床表现包括意识模糊、运动障碍、分解代谢加速以及中枢性急性呼吸和循环障碍。虽然其特征性不强,但它是危及生命的状态。
发病机制:ACI的发病机制尚不完全清楚,可能与急性缺氧及随之而来的介质混乱有关。
细菌代谢物的影响:细菌代谢物(如内毒素和氨)参与了急性脑梗死的发病机制。高氨血症与急性肝衰竭、脑水肿和颅内压升高有关,并可加剧缺氧的影响。
实验研究:在动物模型中,高氨血症通过加重血液和脑中的氨和谷氨酰胺积累,促进了与氨盐中毒症状相似的神经系统疾病的发展。
内毒素的作用:内毒素增加动物对急性脑缺氧的敏感性。实验表明,内毒素可以加剧脑损伤,特别是在缺氧条件下。
复杂病理状态的参与:文献数据表明,内毒素和氨可能在脓毒症、急性循环系统疾病、第二性急性肺病变以及急性脑功能不全等多种病理状态的发病机制中发挥作用,复杂化急性中毒。
总之,急性脑功能不全是一种复杂的病理状态,细菌代谢产物如内毒素和氨在其发病机制中可能发挥了重要作用,特别是在加剧中毒和缺氧条件下的神经损伤和代谢紊乱。
全身炎症中肠道与其他器官之间的直接和间接相互作用
DOI: 10.1186/s13054-016-1458-3
小肠腔内成分可通过门静脉 ( PV ) 和肝脏扩散到血液循环中。这包括促炎成分,例如脂多糖 ( LPS )、细菌 DNA、全细菌、其他细菌产物和游离脂肪酸 (FFA)。
肠腔内的毒性成分,包括 FFA、磷脂酶 A2 ( PLA 2 ) 的炎症产物、促炎细胞因子(例如IL-17)和损伤相关分子底物,例如高迁移率族蛋白 1 ( HMGB1 ),可通过肠系膜淋巴到达肺循环。来自肝脏的胆汁酸,包括胆酸、DCA 和鹅去氧胆酸,会介导对肠上皮细胞的细胞毒性作用。
肝脏巨噬细胞 (KC) 中的 STAT3 信号在稳态条件下保持耐受性,而 KC 在全身炎症中会产生高水平的促炎细胞因子,对肺实质产生毒性作用。
最后,胰腺产生的活性丝氨酸蛋白酶、弹性蛋白酶和脂肪酶可导致肠道组织局部组织破坏和免疫细胞激活,从而加剧全身炎症反应。
对胃肠道和全身炎症系统之间密切关系的基本了解有望在未来为危重疾病带来更有效的治疗方式。
肠道上皮完整性和通透性
目前尚无针对重症患者床边肠道上皮、通透性或黏液的治疗方法。但已有多种临床前策略可能成为未来的潜在目标。例如,在盲肠结扎和穿刺或肺炎假单胞菌感染后,表皮生长因子(EGF)改善肠道细胞凋亡、增殖和通透性,即使在脓毒症发作 24 小时后开始使用也是如此。
肌球蛋白轻链激酶(MLCK) 的膜通透性抑制剂可改善小鼠急性酒精中毒和烧伤后的肠道通透性并防止 occludin 和 ZO-1 减少。使用黏液替代物也可以预防创伤/出血性休克引起的肠道损伤。
选择性消化道净化 (SDD) 针对的是致病性肠道细菌,与益生菌和FMT相反。多项研究和荟萃分析表明,SDD 可有效降低来自低抗生素耐药性环境的死亡率。SDD 仍然存在争议,因为理论上人们担心它可能诱导多种药物耐药性。
上皮屏障靶向治疗
由于 claudin-2 在门控旁细胞通道形成和紧密连接TJ通道调节中的作用,它可能是调节上皮屏障的理想治疗靶点 。事实上,调节 TJ 通道门控动力学和蛋白质分子间相互作用可能对炎症相关屏障失效(如 occludin S408 去磷酸化)具有治疗价值。然而,还需要更多的研究来确定调节门控活性以用于治疗目的的药理学方法。
此外,microRNA-155 可减轻脓毒症小鼠的炎症和肠道屏障功能障碍,通过抑制 NF-κB 信号传导降低 TNF-α 和 IL-6 水平。
针对肠道微生物群
可以通过增加“有益健康”的细菌、减少“致病”的细菌或防止细菌毒力因子的改变来靶向微生物群。许多方法已在患者身上尝试,结果各不相同。
益生菌是活的非致病性微生物,有助于保护肠道屏障,抑制病原体传播,最大限度地减少细菌移位,并预防感染。
尽管如此,一项流行病学调查中的基因组分析发现,在 ICU 患者中,有 6 例独立的事件发生益生菌从胶囊转移到血液,导致菌血症。
益生元是不可消化的膳食成分,其中大部分由不可消化的寡糖组成,可特异性地促进有益肠道微生物群的发育和代谢,改善肠道菌群的平衡,有益于人体健康。在小鼠脓毒症模型中,补充纤维素与全身炎症部分减少有关,这表明微生物具有生存益处。
粪便微生物移植 (FMT) 可挽救由脓毒症患者病原体引起的致命脓毒症,这与产丁酸拟杆菌的扩散、病原体清除的改善以及通过干扰素调节因子 3 恢复宿主免疫力有关。FMT 可能是治疗脓毒症的一种选择;然而,供体筛查是必要的,以防止可能导致不良感染的细菌扩散。此外,重要的是要考虑 FMT 在不同患者群体中的优势和风险。
材料选择
一个完全不同的策略是使用吸收性材料来防止肠源性毒素和细菌产物进入血液循环和肝脏。事实上,针对高钾血症和高磷血症的阳离子交换树脂已显示出疗效。
不可吸收的纳米孔碳降低了接受胆管结扎的大鼠的门静脉压力和肝脏生化标志物,从而降低了内毒素诱导的肝脏巨噬细胞刺激。因此,通过针对肠肝轴,吸附材料是脓毒症的一种可能的治疗策略。
高密度脂蛋白(HDL)
作为一种潜在的治疗方法,一项研究表明,HDL 能够中和 LPS,并通过小鼠体内 SR-BI 介导的 LPS 摄取加速 LPS 清除。HDL 颗粒上的大量载脂蛋白 (Apo) 在清除内毒素、预防感染方面发挥着至关重要的作用。
例如,当LPS与Apo AI或Apo E结合时,对 LPS 的炎症反应会受到抑制,但 Apo AII 和 Apo CI 与 LPS 结合会增强炎症。
一项对 63名严重脓毒症患者的研究表明,第 1 天 HDL 水平 < 20 mg/dL 和 Apo AI < 100 mg/dL 与总体和脓毒症相关的 30 天死亡率增加、重症监护病房住院时间延长以及医院内获得性感染有关。
重组 HDL 输注可减轻大鼠肺、肝和肠道中内毒素诱导的组织学组织损伤。此外,小鼠的 111-铟细菌标记突显了 HDL 摄取可能促进肝脏细菌清除的可能性。因此,HDL 可能是未来脓毒症预防和治疗的重要目标。
肠内给药聚乙二醇结合磷酸盐
目前尚无临床治疗手段可以防止细菌中新毒力因子的诱导。然而,基础研究表明,细菌感知腔内磷酸盐和磷酸盐缺乏在诱导毒力方面起着关键作用。因此,腔内(而非静脉内)磷酸盐的充足有可能诱使细菌“相信”患病宿主是健康的。临床前数据表明,肠内给药聚乙二醇结合磷酸盐可提高小鼠腹腔内脓毒症的存活率 。
总之,系统性肠炎保护措施包括纠正肠道菌群的组成,旨在抑制其细胞毒性物质的形成和炎性细胞因子的产生。继发性肠炎功能障碍的紧急预防包括消除胃肠道器官的缺氧和炎症,以及使用药物保护粘膜免受食糜的侵害。
危急状态处理
在身体处于危急状态时,治疗需要纠正病理机制,包括胃肠道的急性缺氧。早期氧疗可能有助于预防内毒症,与其急性缺氧会增加氨的毒性作用相辅相成。
抗缺氧剂的使用
包括氙气、一氧化氮 (II)、氢气和硫化氢在内的气体混合物可作为氧疗的重要补充。这些混合物具有神经保护作用,并可能对心脏有益。
炎症的管理
消除炎症是治疗的一重要部分。如氢化可的松在一定剂量下可以预防败血症模型中的大鼠功能障碍和内毒血症。
益生元的作用
益生元对肠炎具有保护作用,尤其是那些能够在肠粘膜上形成保护屏障的物质(如果胶和单宁酸明胶),可以防止微生物群产生的有害物质进入血液。
益生元屏蔽作用时间
这种屏蔽作用在小肠吸收剂运输期间发挥,其保护作用时间在服药后10-48分钟至160-288分钟之间。
整体而言,益生元、氧疗、抗缺氧剂及抗炎药物共同构成了一套应对肠炎及相关危机状态的综合治疗方案。
ICU 患者的主要微生物群变化和恢复菌群失调的可用方法
doi.org/10.1186/s13613-021-00976-5
预防菌群失调的有前景的方法正在出现,并在ICU中有潜在的应用。
◆ β-内酰胺酶使用
在患者接受β-内酰胺类抗生素治疗时,服用这种酶以分解在肠道中的抗生素,从而减少其对肠道有益菌的破坏。
应用场景:尤其适用于接受广谱抗生素治疗的患者,以预防艰难梭菌感染(CDI)和其他与菌群失调相关的疾病。
在接受β-内酰胺类药物治疗的患者中使用β-内酰胺酶显示出对微生物组完整性的保护作用。利巴克酰胺酶是一种具有上述作用的药物。它来源于地衣芽孢杆菌的β-内酰胺酶,可水解肠道中残留的头孢曲松和其他β-内酰胺残基,具有优异的耐受性和不变的药代动力学。
在动物研究中,使用利巴克酰胺酶可防止抗生素给药后微生物多样性的改变。作为Ambler B类β-内酰胺酶,利巴克酰胺酶在体内不受β-内酰胺酶抑制剂(如他唑巴坦或舒巴坦)的影响。在 I 期研究表明利巴沙姆酶耐受性良好之后,最近发表的首项 II 期研究似乎证实,静脉注射头孢曲松后,利巴沙姆酶辅助治疗降低了 CDI 风险。
◆ 吸附活性炭使用
服用吸附性非特异性活性炭,它能在结肠中捕捉和中和抗生素,从而保护肠道微生物群。
应用场景:适用于需要长期抗生素治疗的患者或者在医院环境下接触多重耐药菌的患者。
另一种从消化道中消除抗生素以避免其影响的创新可能性是使用吸附性非特异性活性炭,口服给药并中和结肠中的残留抗生素,而不会改变回盲部向上的消化吸收。如:DaV-132 已在 I 期临床试验中进行了测试,受试者为接受一天阿莫西林治疗的健康受试者,在接受较长疗程莫西沙星治疗的患者中,DaV-132 显示出很高的抗生素吸收能力(> 99%)。最近,这种治疗方法显示出降低艰难梭菌感染动物死亡率的潜在迹象;针对艰难梭菌结肠炎高风险患者的研究正在进行中。
◆ 合理使用抗生素策略
通过选用窄谱抗生素、适当缩短抗生素疗程和采用降阶梯治疗方案来减少抗生素对肠道的影响。
应用场景:医院和诊疗机构,特别是在重症监护单位和其他高风险环境中应用。
截至今天,这种预防抗生素相关菌群失调的方法是由抗生素管理推动的,即尽可能优先选择对肠道影响较小的药物和剂量。
研究表明,即使短暂接触广谱抗生素也会增加耐药性的风险。换句话,即使没有确凿证据证明降阶梯治疗对细菌耐药性的出现有特定影响,从广谱抗菌药物降阶梯至窄谱或生态影响较小的药物仍然是重症患者需要考虑的重要事项,正如国际指南中提到的那样。
到目前为止,大多数医生都是以减少抗菌谱为基础进行降阶梯治疗,但这并不是其对肠道菌群影响的唯一决定因素。例如,亚胺培南的抗菌谱非常广,但其对肠道菌群的影响尚未证实。在为患者确定合适的抗生素时,仍然需要精确的数据来考虑与菌群相关的因素。
◆ 益生菌和合生元使用
补充有助于维持肠道健康的特定益生菌菌株,或结合使用益生元来促进这些有益菌的生长。
应用场景:在抗生素治疗期间或之后使用,以帮助恢复和维护肠道菌群的平衡。
在ICU中,这些疗法的使用发表了迄今为止最大规模的益生菌荟萃分析(2700名重症患者)后得到了澄清。该研究纳入的试验使用了许多益生菌:主要是布拉氏酵母菌、乳酸杆菌属和双歧杆菌属。重要的是,使用益生菌与感染率降低(尤其是呼吸机相关性肺炎 VAP)和抗生素使用减少有关,但与生存率提高无关。在这项荟萃分析中,植物乳杆菌显示出对减少感染的显著作用。
最近一项涉及 2653 名危重患者的大型前瞻性安慰剂对照试验未能证明预防性使用益生菌对这些患者有益以避免 VAP 。但这些结果需要在其他研究中证实,尤其是益生菌应经过精确的安全性评估:益生菌中含有的乳酸杆菌属与少数脓毒症、肺炎、脓肿或感染性心内膜炎病例有关。
预防性摄入益生菌似乎可以降低艰难梭菌相关腹泻的发生率及其副作用;迄今为止,益生菌预防也并不总被推荐 。此外,益生菌在其他情况下还与负面影响有关。
2008 年的一项研究表明,益生菌与因急性胰腺炎入院的重症患者较高的死亡率有关,从而强调使用益生菌并非没有副作用,而且目前不可能给所有重症患者使用益生菌。
益生元是细菌用来调节微生物群组成的外在特定底物,而合生元(益生元和益生菌的组合)也是控制危重患者菌群失调的潜在选择。在上述荟萃分析中,单独使用益生菌和合生元在感染发生方面没有差异。正如最近的一项荟萃分析所述,合生元疗法和益生元可能在预防院内感染等事件方面发挥作用。迄今为止,评估合生元在危重患者中的应用的 RCT 结果不一致,未能证明辅助合生元疗法对感染发生的明显益处。
新一代益生菌目前正在开发中。它们与现有抗生素的不同之处在于,它们已经过识别、选择,并仔细分析了体外证明的特定特性。益生菌在许多其他潜在适应症中得到了研究,但在脓毒症情况下的数据仍然缺乏,也许由于抗生素的使用,这一点更为重要,只有少数研究且样本量较小。
因此,结合肠道菌群检测技术辅助临床判别,有助于益生菌、益生元的合理使用。
◆ 粪便微生物移植 (FMT)
将筛选过的健康供体的粪便通过结肠镜、灌肠或者胶囊等方式移植到患者的肠道内,以重建多样化的微生物群。
应用场景:多用于治疗复发性艰难梭菌感染,也在研究应用于其他病症如多重耐药菌携带者、某些炎症性肠病等。
粪便微生物移植 (FMT) 是一种将健康捐赠者的粪便引入患者的胃肠道 (GI) 以重建肠道微生物群并治疗与菌群失调相关的疾病的过程。
由于 FMT 粪便几乎包含来自健康供体的所有细菌、病毒、真核生物和代谢物,与益生菌中包含的单一或少数几种细菌菌株相比,它可能提供一种更全面的方法来逆转菌群失调和恢复微生物群。然而,它引入了从供体传播有害微生物(包括病原体)的风险,这可能对本已脆弱的人体宿主造成有害影响。
为了减少和预防与输注粪便物质相关的任何不良事件,潜在捐献者已经规定按照 FMT 临床实践共识会议的要求接受医学访谈和详尽检测。获得的移植物可以冷冻,这不会明显降低疗效,之后可以通过多种方式给药:经典的给药方式是上、下途径,但为了患者的依从性,现在更倾向于冻干或冷冻药丸。
在 ICU 中,可以考虑 FMT 的其他适应症,如脓毒症和多器官衰竭的辅助治疗:很少有病例报告描述 FMT 用于原因不明的脓毒症休克并伴有大量腹泻的危重患者,或抗生素相关性腹泻患者。然而,在 ICU 中进行 FMT 面临着若干挑战。与干细胞一样,自体或异源 FMT 是两种可用的技术;然而,在 ICU 中,考虑到危重患者的微生物群在早期发生变化,似乎很难考虑自体 FMT,因此似乎只有异源 FMT 可行。此外,由于这两种技术都难以获得粪便移植,因此在常规实施 FMT 时需要考虑许多因素。
这些方案的实施需要根据个体患者的病情、治疗阶段以及总体健康状况来量身定制,同时与医疗专业人士密切合作以确保安全性和效果最佳。
危重疾病对肠道的影响是多方面的,包括上皮细胞损伤、粘液层变化、免疫系统紊乱、微生物群失调等。肠道损伤反过来会导致局部和远处损伤以及多器官功能障碍综合征。
针对病原菌群的治疗方法,如益生菌、益生元和粪菌移植等,虽然尚未成为ICU的标准治疗,但已显示出改善肠道屏障功能和调节肠道菌群的潜力。
除了微生物组之外,不同患者之间的临床变量也存在很大的异质性,这可能会影响患者对 ICU 中微生物疗法的反应。年龄、性别、合并症和导致危重疾病的潜在诊断等因素需要与微生物群表型一起考虑。
例如,已知患者的基本因素(如生物性别)会与微生物组相互作用,研究发现,男性和女性的肠道微生物群落存在差异,这些基于性别的微生物组差异会影响疾病免疫反应的性别二态性。
因此,需要进一步研究以理清重要的患者因素(例如性别、微生物群失调和疾病发病机制)之间的关系,以便在重症监护的异质领域中满足个性化精准微生物疗法的需求。
健康和危重疾病状态下的肠道
doi.org/10.1186/s40560-019-0372-6
a)在健康状态下,肠道干细胞在隐窝 (灰色和橙色) 中增殖,分裂成子细胞,并以单细胞层向上迁移到绒毛顶部。大多数上皮细胞是肠细胞 (白色和橙色),但也有杯状细胞、肠内分泌细胞和簇状细胞。上皮被连续的粘液层 (灰色) 包围。这可作为管腔微生物 (红色和绿色) 的屏障,这些微生物也可被分泌性 IgA (浅红色) 识别。通透性也通过紧密连接介导,其中上皮细胞之间的复杂机制可作为选择性屏障,允许溶质和水通过,但阻止较大分子的移动。
b)在危重疾病状态下,增殖减少,细胞凋亡增加,导致绒毛长度缩短。粘液层受损,不再均匀。随着紧密连接的变化导致高渗透性,肠道屏障功能受到损害,细菌能够易位(红色杆状体代表固有层中的细菌)。
在我们的日常,尤其临床实践中,需要应用敏感、非侵入性且易于测量的早期肠道损伤生物标志物(例如瓜氨酸、肠道菌群特征、肠道脂肪酸蛋白和连蛋白等)。
肠道菌群检测和生物标志物的应用为我们提供了新的视角和工具,以更好地理解和应对危重疾病中的肠道损伤。随着对胃肠道和全身炎症系统的研究的深入和治疗方法的创新,有望在未来为危重疾病患者带来更有效的治疗策略,指导重症患者的早期药物干预,以恢复或预防肠道损伤并改善其预后,提高生存率和生活质量。
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谷禾健康
这篇文章总结了关于肠道微生物群(GM)在糖尿病中的作用的研究现状与结论,内容来自《Diabetes》、《Diabetes Care》和《Diabetologia》最近举办的一次国际专家论坛,该论坛在2023年的欧洲糖尿病研究协会年会上举行。论坛参与者包括在肠道微生物组和代谢领域的领军研究人员,其中既有临床医生,也有基础科学家。
讨论主要分为四个主题:流行病学、生理学和病理生理学、技术和方法以及临床应用。他们得出的结论如下:
肠道微生物群参与2型糖尿病的病理生理过程。微生物产生的代谢物与疾病有正面和负面的关联,而且最近通过人类的孟德尔随机化研究,发现了肠道微生物功能(如丁酸盐生产基因)与葡萄糖代谢之间的机制联系。
肠道微生物群的高度个体化特性是研究的一大障碍。需要大型队列和深度测序的方法来稳健地评估关联性和因果关系。
由于单次采样对于捕捉糖尿病个体内肠道微生物群的动态变化有些困难,建议未来需要要对个体多次重复测量的研究,就是要增加纵向队列的研究。
未来还需要大量研究来确定这些不断扩展的知识如何应用于糖尿病的诊断和治疗。新技术和改进的计算工具将对实现这一目标很重要。
研究小组承认,对肠道菌群在代谢疾病中的作用的理解存在许多差距,这并非糖尿病领域所独有,而是反映了更广泛的需求。开展更多控制良好的前瞻性和回顾性人体研究,并在机制上跟进模型系统研究,改进计算工具,将有利用将目前的微生物组数据应用于未来糖尿病的诊疗。
Perspectives
1)
肠道菌群与糖尿病之间的流行病学关联
肠道微生物群是人体最大且最复杂的微生物群落,它连接着我们的外部和内部环境。对肥胖症和心血管代谢疾病(包括2型糖尿病)中肠道微生物群进行流行病学研究的动机源于啮齿动物研究,这些研究证明了肠道微生物群、脂肪性和葡萄糖耐受性之间的联系。
在人类研究中,流行病学研究观察到肥胖症患者的微生物多样性降低,但通过对小型队列进行16S rRNA基因测序或全基因组宏基因组学分析的荟萃分析,并未发现普遍适用的与肥胖相关的肠道微生物特征(换句话说,微生物与疾病的研究需要大队列和大数据库)。
然而,一项对以色列和美国34057名个体进行深度测序全基因组宏基因组学的大规模肠道微生物研究显示,肠道微生物与表型之间存在一致的关联,并且基于微生物组数据训练的机器学习模型对体重指数(BMI)和糖化血红蛋白(HbA1c)的预测准确性可以在不同队列间复制。
通过对训练队列进行子采样,发现随着队列规模的增加,预测准确性也随之提高,约7500-10000个体的样本量可以获得可重复的结果(目前谷禾糖尿病模型使用了9989个样本队列)。这一发现强调了在人类肠道微生物横断面研究中使用大型队列(包含数百名个体)和深度测序组学的必要性,以充分代表人群中的个体异质性以及地区和人口统计学变异。
Byndloss M, et al.Diabetes Care.2024
胃肠道(GI)沿线的微生态和生理差异反映了各种环境因素的变化,这些变化依赖于物理、营养和生物学的宿主因素。这些因素导致肠道不同区域的细菌及其生理功能的适应和差异,通过可能影响葡萄糖代谢和糖尿病风险的多向交互产生效果。
以下是影响不同区域微生物数量和组成的主要因素:
pH值:从胃(pH1.0–4.4)到小肠(pH 5.5–7.0),然后更为渐进地到达结肠,在那里由于复杂碳水化合物(纤维)的微生物发酵,pH值可能再次下降(pH5.5)。在粪便中pH值再次升高(可达pH7.8)。
肠道蠕动:在小肠中,肠道通过时间较短,肠蠕动更为强烈,而在大肠中则不然。
肠道上皮细胞:小肠的泛素细胞分泌抗菌肽(AMPs),充当天生防御屏障以减少细菌定植;而M细胞从肠腔中捕获细菌。
氧气浓度:从小肠到大肠,氧气水平逐渐降低。
膳食营养:主要在小肠中由宿主酶消化和快速吸收蛋白质、脂肪和简单碳水化合物,因此限制了细菌对这些营养物质的获取;而部分未消化的膳食残留(例如复杂碳水化合物和部分水解的蛋白质/氨基酸)则积聚在大肠,为细菌提供营养。
宿主糖基:它是由杯状细胞产生的粘液层的一部分,在大肠中远比小肠厚,也是肠道细菌的营养来源,支持其生长。
胆汁酸:分泌至小肠,抑制和有利于某些参与其代谢和再循环的特定细菌的生长。
以上所有生物和非生物因素影响生态条件,使得细菌群体可以在向肠道最远端部分移动时更加密集(从十二指肠的每克102–104个细菌到回肠的107–109个,以及结肠的1011–1012个),并导致细菌组成的差异,其中兼性厌氧菌优先在小肠定殖,而严格厌氧菌在大肠内的微生物中占主导地位,包括丁酸盐生产者。
因此,为了在种族/民族、生活方式和其他人口特征差异之外识别疾病特异性的微生物特征,重要的是在大型人群中进行研究,并将来自不同研究的健康个体/对照参与者作为参考;这些方法已被证明可以提高疾病预测准确性。
2)
肠道微生物代谢与葡萄糖稳态的关联
多项观察性研究报告了肠道微生物群与2型糖尿病之间的关联。在全球流行病学研究中发现,2型糖尿病和糖耐量受损/空腹血糖异常患者的肠道微生物组成发生了一致的改变,这些改变在代谢综合征中也存在,主要特征是微生物多样性降低和产生短链脂肪酸(SCFA)丁酸盐的细菌丰度减少。一些研究还观察到机会性病原体的增加。
最近,粘液降解菌Ruminococcus gnavus被确定为代谢综合征多个特征的预测因子,包括低度炎症、腰围增大、血清甘油三酯升高、糖化血红蛋白升高和高密度脂蛋白胆固醇降低。然而,正如对不同疾病(包括胃肠道和代谢性疾病)肠道菌群改变的荟萃分析所指出的,这些特征中的几个并非疾病特异性,可能代表了一般的肠道菌群的失调。
与葡萄糖代谢和2型糖尿病相关的肠道微生物代谢物和信号分子,肠道微生物群的结构蛋白和分泌蛋白参与调节免疫反应和炎症,正如F. prausnitzii(普拉梭菌)分泌的蛋白质(微生物抗炎分子[MAM]),它能够抑制核因子-κB(NF-κB)通路。另一个例子是A. muciniphila(AKK菌)的外膜蛋白Amuc_1100,它能改善肠道屏障并降低炎症。
①短链脂肪酸
肠道菌群生成短链脂肪酸(SCFAs),SCFAs调节几个过程,包括肠道蠕动和pH值、肠道屏障免疫反应以及通过影响糖异生、胰岛素敏感性和胰岛素分泌的途径来调节系统代谢。
此外,SCFAs调节免疫细胞功能,增强肠道屏障,并刺激肠神经的信号传导。其中丁酸盐还为结肠细胞提供主要能量,并通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPARγ)增加结肠细胞的β-氧化(β-ox)。
然而,人类研究显示,2型糖尿病患者粪便或血液中不同SCFAs的水平存在广泛变异,这可能是由于方法学局限性造成的。支持SCFAs在调节葡萄糖代谢中作用的最强有力证据来自动物研究和最近一项使用孟德尔随机化统计方法的人类研究(参见下文)。
②胆汁酸
胆汁酸是两性分子,可介导膳食脂肪和脂溶性维生素的吸收。这些分子也被认为是调节脂质、葡萄糖和能量代谢的主要参与者。因此,在2型糖尿病和其他肥胖相关疾病中发现了胆汁酸池的改变,并被认为可能是2型糖尿病病理生理学的潜在贡献因素。
12α-羟基化胆汁酸水平的增加和6α-羟基化胆汁酸水平的降低与胰岛素抵抗有关,并在2型糖尿病患者中出现。胃旁路手术后观察到6α-羟基化胆汁酸水平增加,可预测2型糖尿病的缓解。
干预研究也调查了胆汁酸在人类代谢中的潜在重要性。在减肥手术后,系统性胆汁酸水平升高以及肠道信号激发GLP-1释放的现象得到了验证,尤其是餐后增加被认为特别重要。
然而,在一些进行过胆囊切除术的个体中发现胆汁酸反应过度,并与GLP-1和胰岛素反应的进一步增强相关联。在2型糖尿病患者中,已证明二甲双胍通过减少脆弱拟杆菌的丰度来改善葡萄糖代谢,这与肠道中甘牛胆酸水平的增加和法尼醇X受体(FXR)的抑制有关。
然而,对肠道微生物群与胆汁酸之间直接相互作用及其与2型糖尿病及相关疾病的发展和治疗的关联的理解仍然有限,还需要更多的人体研究来探索。
③色氨酸代谢物
肠道菌群色氨酸代谢物,如吲哚丙酸(IPA)和吲哚丙烯酸(IA),通过孕烷X受体(PXR)改善肠道屏障,并通过肠道免疫细胞上的芳香烃受体(AHR)进行信号传导,增加白介素-22(IL-22)的产生,从而调节免疫和代谢反应。
④其他代谢物
在血液中,IPA和IA还提供抗氧化和抗炎功能。研究还表明,3-吲哚丙酸(色氨酸的代谢产物)的循环水平升高与胰岛素分泌和敏感性改善以及2型糖尿病风险降低相关。
咪唑丙酸和支链氨基酸(BCAAs)通过激活雷帕霉素复合体1(mTORC1)的机制型靶标来损害胰岛素信号传导。
肠道菌群还产生乙醇,与脂肪肝病和胰岛素抵抗有关。
肠道微生物群产生的氨基酸代谢物也与2型糖尿病相关(前两个图)。研究表明,3-吲哚丙酸(色氨酸的代谢产物)的循环水平升高与胰岛素分泌和敏感性改善以及2型糖尿病风险降低相关。
此外,在存在胰岛素抵抗和2型糖尿病的个体中,血浆组氨酸代谢的细菌产物——咪唑丙酸水平增加。来自肠道菌群对芳香氨基酸代谢的这些代谢物和其他一些代谢物也与欧洲和美国独立队列中的心血管事件风险和死亡率有关。
肠道菌群还产生乙醇,与脂肪肝病和胰岛素抵抗有关。
Byndloss M, et al.Diabetes Care.2024
3)
肠道菌群或其代谢产物和降糖药物治疗的关系
支持肠道微生物群在2型糖尿病中作用的证据已通过观察性和干预性研究得到加强。这些研究表明,二甲双胍使用者的肠道菌群中多种细菌物种的相对丰度发生了变化。
二甲双胍使用者肠道菌群发生显著变化
在多个涉及接受二甲双胍治疗个体的队列研究中,发现大肠杆菌(Escherichia coli)的相对丰度升高,而Intestinibacter bartlettii的丰度降低。
此外,最近一项大规模宏基因组研究发现,接受二甲双胍治疗的个体中Escherichia marmotae增加,而Romboutsia timonensis减少。
随机试验和对未使用药物的个体的研究为这些肠道菌群差异在2型糖尿病中的因果效应提供了支持。这些研究表明,肠道菌群组成的变化转化为丙酸盐和丁酸盐产生的增加以及胆汁酸池的调节,这可能介导了二甲双胍降血糖效应的一部分。
然而,肠道菌群也可能是约30%服用二甲双胍的个体经历短暂或持续肠道不适的原因(例如,通过一些大肠杆菌属种增加气体产生)。
Byndloss M, et al.Diabetes Care.2024
肠道微生物代谢物参与二甲双胍的作用机制
肠道微生物代谢物参与二甲双胍的作用机制,包括通过胆汁酸受体FXR和TGR5进行胆汁酸信号传导,以及生产短链脂肪酸,这些都调节了内分泌细胞(K细胞和L细胞)中胰高血糖素样肽-1(GLP-1)、胃抑制多肽(GIP)和肽YY(PYY)等促胰岛素分泌激素的释放。
其他与二甲双胍作用相关的肠道菌群依赖机制包括通过钠-葡萄糖共转运蛋白1(SGLT1)改善葡萄糖感知和提高肠道屏障功能(例如,恢复紧密连接和增加产粘蛋白的杯状细胞)。
然而,肠道菌群通过表达二肽基肽酶-4(DPP-4)同工酶,可能降低GLP-1活性并影响降糖药物的疗效。
其他降糖药物与肠道微生物群的关联
关于其他口服降糖药物,研究表明二肽基肽酶4(DPP-4)抑制剂和α-葡萄糖苷酶抑制剂对肠道微生物群和微生物代谢物有影响,但钠-葡萄糖共转运蛋白2(SGLT2)抑制剂、噻唑烷二酮类和胰高血糖素样肽1(GLP-1)受体激动剂的影响较不明确。
迄今为止,大多数涉及SGLT2抑制剂的研究都是在小鼠模型中进行的,少数现有的人体研究结果存在矛盾,无法清楚地区分SGLT2抑制剂的效果与之前或同时使用二甲双胍治疗或同期生活方式改变的影响。
GLP-1受体激动剂可能通过激活上皮内淋巴细胞GLP-1受体产生抗炎作用,进而可能有助于调节肠道微生物群。尽管需要更多研究,但现有证据表明肠道菌群可能介导一些降糖治疗的益处,某些益生菌或益生元可能通过影响肠道微生物或其功能进一步改善这些药物的降糖效果。
需要进一步的干预和转化研究来确定药物诱导的肠道菌群变化是否在介导健康效应中起因果作用,并揭示潜在机制。
重要的是,肠道菌群还可能影响降糖药物的效果,例如通过表达人类DPP-4的同源物,这可能降低GLP-1的活性并影响葡萄糖代谢(下图)。由于细菌DPP-4同源物似乎对一些靶向人类DPP-4的药物具有耐药性,因此可能需要抑制细菌同工酶来改善当前药物的代谢反应。
4)
孟德尔随机化在阐明因果关系中的作用
肠道微生物群能够通过多种方式影响和与宿主健康互动,因果关系的方向通常是双向的甚至是多向的。肠道微生物群特征在不同层次(如群落、物种、途径、基因和代谢物)能影响宿主表型(例如改变肥胖的风险),同时,表型的发展(如肥胖)又可以反过来改变肠道微生物群。
孟德尔随机化(MR)是一种统计方法,利用与暴露相关的人类遗传变异体来区分疾病结果的因果效应、混杂、反向因果关系或其他因素导致的关联。为了应用MR研究肠道微生物与2型糖尿病的联系,所研究的肠道微生物特征需要受到一个或多个强烈的人类遗传变异体的影响,以便在工具变量分析中用作工具。
尽管已经有若干全基因组关联研究针对不同的肠道菌群特征(如肠道细菌分类群的相对丰度和人类粪便微生物代谢物)进行,但研究其在2型糖尿病中的因果作用的大型MR研究仍然有限,且尚未在重复研究中得到证实。
部分鉴定出与粪便短链脂肪酸(SCFA)水平相关的人类遗传变异体,并报告了肠道菌群丁酸盐生成潜力(即负责肠道丁酸盐生成的基因)与口服葡萄糖耐量测试中胰岛素反应改善之间的潜在因果联系。这些作者还发现异常的粪便丙酸水平与2型糖尿病风险增加之间存在因果关系。
另一项MR研究报告称,2型糖尿病和肾脏疾病提高了血浆中肠道菌群依赖的代谢物三甲胺氧化物(TMAO)的水平,并提出此前观察到的较高TMAO水平与心血管疾病风险升高的证据可能是由于混杂或反向因果关系,而非因果效应。
另一项近期研究则表明某些细菌属与2型糖尿病之间可能存在因果联系。考虑到MR(如多效性和与弱工具变量相关的问题)及肠道菌群研究(如方法学差异、个体间异质性和个体内可变性)的局限性,需要进行大型高质量研究,以评估使用MR的宿主遗传变异体模拟特定肠道菌群特征(无论是特定细菌物种、属还是代谢产物)的能力,以理解与2型糖尿病发病机制的因果关系。
Relationship
▸ 膳食纤维摄入量较少可能导致2型糖尿病
膳食纤维摄入量减少与2型糖尿病风险增加有关;因此,新的糖尿病管理饮食建议鼓励多食用加工程度低的植物性食物,如全谷物、蔬菜、全水果、豆类、坚果和种子。
饮食是肠道生态系统的驱动因素,微生物可及碳水化合物促进菌群多样性和短链脂肪酸生成,从而减少炎症并支持肠道屏障的维持。
就肠道菌群和葡萄糖代谢而言,增加纤维摄入量与不同菌种水平的增加有关,例如Prevotella copri(现已更名为Segatella copri)。研究还表明,纤维对 HbA 1c的有益作用可能是由特定的基线肠道菌群组成和纤维促进的短链脂肪酸产生菌的多样性介导的。
▸ 肠道微生物的特定成分会影响其宿主反应
然而,即使在控制良好的饮食干预中也会观察到不同的影响,而且鉴于肠道菌群的个体间差异很大,对肠道菌群的饮食反应是高度个性化的。
精准营养或“个性化”营养是一个不断发展的领域,它基于识别可用于设计饮食干预措施的个体特定反应预测特征。利用关于肠道菌群成分的个人数据以及血液生物标志物和饮食习惯等其他信息,机器学习方法已被用于预测标准化膳食后的血糖反应,其准确度高于其他预测方法。
这些研究表明,肠道微生物的特定成分会影响其宿主的特定反应(即在不同细菌存在的情况下,对饮食的反应不同)。因此,肠道菌群至少在一定程度上决定了人类代谢的异质性。肠道菌群可改变且代谢活性高,为更精确的生活方式干预和新疗法提供了可能性。
知识差距、挑战和机遇
目前已有数个大型的高质量参考基因组目录 ,它们为人类研究中肠道微生物的分类和功能表征提供了极大的便利。然而,这些数据库并非没有局限性。
对于流行病学分析而言,肠道菌群数据充满了挑战,包括个体间和个体内巨大的变异性、高维性(即观察到的肠道菌群特征的数量可能大于样本和受试者的数量)和稀疏性(即肠道菌群特征,如物种,仅在部分样本中检测到)。
在种群水平上,肠道菌群由数千个相互作用的物种组成,每个物种在不同宿主之间以及在同一宿主内随时间推移都具有遗传多样性;然而,常见的分析往往忽略了这种非独立性、微生物之间复杂的加性与相互作用效应,以及肠道菌群的可修改性和波动性。然而,最近的一些分析表明,不同细菌物种的个体内变异和对宿主生理的适应模式不同。
其他挑战与肠道微生物群可能影响和响应的大量表型和环境因素有关。大规模群体研究的重要性在人体遗传学中已被无可置疑地证明;大多数多基因性状已知受许多具有小效应的遗传变异影响,但这些变异可以汇总成具有临床重要性的强大多基因风险评分。
类似地,大规模宏基因组研究结果表明,单一的细菌物种可能与人类表型存在低效应大小的关联,或以低丰度存在。因此,需要大样本量以获得足够的统计能力和涵盖个体间变异性,以获得可复制的结果和高预测准确性。
为了更好地理解肠道菌群变异和动态对2型糖尿病的长期影响,前瞻性研究至关重要。在目前发表的少数前瞻性研究中,肠道菌群特征与中国地区多样人群中发生的2型糖尿病事件和西班牙一项临床试验的子集相关,这些研究均使用16S rRNA基因测序。
在一个拥有18年随访的大规模芬兰基于人群的队列研究中,肠道菌群特征也与2型糖尿病有关,使用的是浅层宏基因组测序。然而,在这些研究中,发生病例的数量有限,分析的分辨率也有限。
例如,Faecalibacterium prausnitzii是下一代益生菌最有希望的候选者之一,但也有其他有希望的候选者,如Akkermansia muciniphila和P. copri。关于F. prausnitzii,已在人体肠道中发现了几种潜在亚种,它们具有利用复杂多糖的不同功能潜力 。
与此观察一致,大型宏基因组学研究也发现了几种F. prausnitzii 亚种,但仅其中一部分亚种与 BMI 呈负相关。就P. copri 而言,已发现其与宿主代谢表型(如内脏脂肪和葡萄糖反应)呈正相关和负相关。
这些不一致的发现可以部分地用种内和种间多样性来解释。例如,这些差异可能将同一物种内的菌株定义为共生菌或致病菌,如脆弱拟杆菌和艰难梭菌的情况,这取决于该菌株是否编码毒力因子。
Perspectives
在进化过程中,哺乳动物必须适应充满微生物、病毒和真菌的世界。在无菌的宫内环境中,哺乳动物在出生期间和出生后立即暴露于潜在的有害微生物中。进化创造了实质性的屏障,包括胃肠道运输过程、免疫球蛋白A (IgA) 、粘液、上皮层、内皮屏障、淋巴结和肝脏,所有这些屏障阻止微生物易位进入体内,但为微生物生态系统创造了最佳储存库。上消化道中的微生物数量较少。同时,大肠内微生物密度和丰富度较高,从小肠到大肠,pH值和有氧/厌氧条件发生生理变化,大肠内为厌氧条件。
1)
微生物的基本功能
肠道微生物除了对哺乳动物造成潜在的有害威胁外,还为哺乳动物提供必需功能,包括训练免疫系统、保护其免受病原体的侵害(即抗定植)、代谢功能、营养物质供应(如维生素)、肠道蠕动和外来生物的解毒。
同时,微生物和宿主在小肠中竞争营养物质,微生物产生的常量营养素副产物被提供给宿主。
营养物质(即纤维)和哺乳动物代谢物(如葡萄糖醛酸苷、粘液多糖和胆汁酸)通过微生物代谢进行发酵或转化。微生物代谢以及微生物细胞的死亡和周转形成了外周血中微生物代谢物池,其中约30%的外周血代谢物与肠道菌群及其代谢物有关。
这些微生物代谢物被G蛋白偶联受体(GPCR) 或芳烃受体(AHR)等受体识别,或被哺乳动物酶(如 TMAO)进一步加工,通过表观遗传修饰调节哺乳动物基因表达,对代谢健康产生影响。
2)
不可消化纤维及其代谢物的作用
不可消化的碳水化合物是大肠中特定细菌的能量来源,这些细菌含有宿主所缺乏的酶,这些酶可以代谢这些纤维并促进SCFA的产生。大量研究表明,外源性短链脂肪酸(尤其是丙酸和丁酸)对糖尿病样表型的啮齿动物模型有益。然而,1型和2型糖尿病临床试验的证据尚不明确。
在结肠中,短链脂肪酸(SCFA)通过与GPCR和游离脂肪酸受体2和3结合激活肠内分泌细胞(EEC),诱导肠道肽(主要是GLP-1和肽YY)的释放。为了支持这一发现,啮齿动物和人类补充益生元可以改善葡萄糖耐量和胰岛素抵抗,并且与肠道肽水平升高有关 。
在一项研究中,高纤维饮食改善了2型糖尿病患者的葡萄糖耐量,这种效果与粪便丁酸水平和循环GLP-1水平升高有关。GLP-1通过增加胰岛素分泌、促进胰岛素敏感性和减少肝葡萄糖生成来调节葡萄糖稳态。
此外,短链脂肪酸(SCFA)对于维持整体肠道健康和肠道屏障至关重要,因为丁酸是结肠细胞的主要燃料来源。相反,丁酸减少会促使结肠细胞进行无氧糖酵解,从而增加上皮氧合,破坏结肠的厌氧环境。
3)
肠道菌群在肠道屏障功能中的作用
肠道微生物在肠道屏障功能中起着至关重要的作用。肠道屏障受损会导致肠漏,从而引发低度全身性炎症,这是肥胖和糖尿病的特征。尽管这些机制主要在实验模型中进行研究,但导致全身性炎症的一个潜在机制是来自革兰氏阴性细菌细胞包膜的脂多糖(LPS)内毒素增加,也称为代谢性内毒血症。
肠道菌群失调会导致促炎反应,影响葡萄糖稳态
脂多糖(LPS)可以作用于全身特定的病原体相关分子模式 (PAMP) — Toll 样受体 4 (TLR4) — 从而引发促炎免疫反应,从而对葡萄糖稳态产生负面影响。一系列研究表明A. muciniphila通过作用于 TLR4 和肠道屏障,在介导肠道微生物改变对全身炎症的一些影响方面发挥潜在作用;
然而,关于其在代谢疾病中介导葡萄糖代谢作用的证据较少 。然而,还需要更多的研究来确定TLR4以外的 PAMPs 对代谢物的感知是否与调节宿主-微生物串扰和人类肠道屏障完整性有关。
与此同时,在肥胖个体的肠道中观察到促炎性巨噬细胞的积聚、CD8αβ T 细胞浸润和 IgA+ 免疫细胞减少 ,导致胰岛素抵抗。肠道菌群调节策略可以减轻高热量饮食对肠道免疫的不利影响。例如,减少促炎性巨噬细胞的比例并增加 3 型先天淋巴细胞和调节性 T 细胞与改善葡萄糖代谢有关。
尽管如此,了解驱动肠道微生物与免疫相互作用的精确分子机制及其在人类中的应用也需要未来进行广泛的研究。
Progress
在微生物组领域,将现象学与实际生物学区分开来需要工具和方法来识别机制,以解析微生物组是否是代谢疾病的驱动因素或提供治疗机会。在这里,我们讨论了推动该领域发展的最有希望的技术发展。
模型系统
在比较研究肠道微生物与代谢疾病之间关系的模型系统时,必须同时考虑传统模型(例如无菌和无菌小鼠)和新兴技术(例如器官芯片和非鼠类GF模型,如斑马鱼和猪)。
无菌模型有利于研究肠道菌群与特定疾病的关联
无菌动物已被广泛用于研究人类肠道微生物在肥胖和糖尿病中的作用。这些动物出生时没有任何微生物群,可以在没有微生物组的情况下对干预措施进行研究。因此,我们可以深入了解微生物组是否对给定的生物过程必不可少。
通过将整个肠道菌群(通过供体粪便)或特定的分离菌株定植到无菌小鼠体内,建立无菌疾病模型。研究表明,将肥胖和2型糖尿病患者粪便中的微生物接种到无菌动物体内后,无菌动物成功复制了疾病表型,这为肠道菌群与代谢疾病的关联提供了证据。
此外,从患有病态肥胖和糖尿病的人的肠道中分离出一种过度生长的产生内毒素的细菌阴沟肠杆菌B29,它在无菌 C57BL/6J 小鼠中诱发了肥胖、脂肪肝和胰岛素抵抗,而这些小鼠对高脂饮食引起的代谢缺陷具有抵抗力。敲除B29菌株中产生内毒素的基因或C57BL /6J小鼠中的Tlr4基因可预防代谢缺陷,强调了特定肠道细菌和宿主反应在代谢疾病的发生和发展中的因果关系。
然而,某些关于肠道微生物小鼠的概念一直流传,而这些概念只是研究一种基因型的结果。例如,GF C57BL/6J 小鼠对饮食诱导的肥胖具有抗性,而 GF Swiss Webster 小鼠则不能;因此,由于大多数 GF 小鼠研究都使用 C57BL/6J 小鼠,因此 GF 小鼠通常必须比传统小鼠吃得更多才能维持体重,这已成为事实。这些模型对高脂饮食的不同反应凸显了遗传背景在研究结果中的重要性。
其他GF模型(如猪和斑马鱼)的存在补充了 GF 小鼠的使用。在开发与人类微生物群相关的无菌模型时,GF 猪和仔猪比小鼠能提供更多与人类相关的见解,尽管饲养它们所需的空间对于许多机构而言过于宽裕,或限制了研究只能使用少数动物。另一方面,无菌斑马鱼已被证明可用于研究肠道微生物和不同宿主细胞发育阶段 。
鱼体的透明度、在不同细菌存在下荧光标记和成像不同细胞类型的能力,以及饲养和繁殖斑马鱼的便利性,都有利于研究特定问题。这些模型不能完全复制人类生理学,但它们允许在严格控制的条件下进行纵向和侵入性采样,这在探究机制问题时非常重要。
器官芯片利于研究人体组织内的相互作用
器官芯片(如肠道芯片)提供了更多与人类相关的系统,因为它们可以直接从人体组织或血液来源的诱导性多能干细胞中获得,这些干细胞保留了宿主的遗传特征,因此,它们使我们可以在受控环境中研究复杂的人体组织和细胞相互作用。
最近的研究已经证明了在半厌氧环境中将微生物群接种到肠道芯片中的能力,目前许多研究小组正在测试在这些芯片上接种日益复杂的群落的效率。虽然肠道芯片模型缺少一些关键的细胞类型,如免疫细胞,但重大进展包括能够连接不同的器官芯片,如肠道芯片和神经元芯片,以模拟肠脑相互作用。利用器官芯片研究微生物组的创造性方法将继续涌现,并可能填补重要的空白,补充动物模型。
了解细菌基因和功能
对细菌全基因组进行测序和组装的能力是一种非常强大的方法,可用于识别菌株的谱系和相关性,以及识别可能与人类健康或疾病相关的特定细菌表型所涉及的假定途径。如果我们思考已从基因改造小鼠研究中阐明的人类疾病机制,就不难想象在细菌中进行同样研究可以获得的大量信息。敲除和操纵细菌基因的能力并不是什么新鲜事。
近80年的细菌遗传学研究已经阐明了病原体如何在肠道上皮中定植并分泌毒素从而导致霍乱等疾病,它们如何相互共享信息以适应不同的环境,以及营养选择如何驱动它们在宿主中的组成。大肠杆菌可以被认为是 C57BL/6 小鼠的细菌版本;其基因定义明确且易于改造,而且它已经成为在特定环境下测试改造效果的主力。然而,共生肠道细菌的多样性远不止大肠杆菌;因此,研究人员正在积极寻求对肠道j基因的更深入了解,例如使用拟杆菌和梭菌作为代表性生物 ,因为大量人类和小鼠研究已经证明了这些生物在健康和疾病中的重要作用。
人工智能等先进计算工具通过预测蛋白质的三维结构,为细菌基因组中未注释部分提供了新的见解,AlphaFold2 等技术极大地推进了这一任务。通过分析这些结构,研究人员可以根据它们的形状和结合位点推断出可能的功能。这些潜在作用可以通过生化和微生物学研究中的实验验证来证实。这些知识,特别是关于蛋白质如何影响代谢途径的知识,对于将微生物活动与糖尿病等健康状况联系起来至关重要,有助于深入了解疾病机制和潜在的治疗靶点。
无参考数据分析
目前,微生物组测序分析中依赖数据库的方法最关键的问题是它们在检测新型或研究不足的微生物方面存在局限性。当使用基于已充分表征的细菌的参考基因组的数据库分析微生物群落样本时,不匹配的序列会被忽略或错误分类。
这一过程导致对微生物生态系统的看法出现偏差,可能会遗漏在健康和疾病(包括糖尿病)中发挥重要作用的关键成分。因此,推进微生物组研究需要开发和使用能够发现和表征这些代表性不足的微生物实体的方法。
从宏基因组测序数据中从头组装基因组是微生物组研究中一种强大的方法,该方法涉及直接从测序读取构建基因组,而不依赖于参考数据库。
该方法使用先进的计算算法将样本中的 DNA 片段拼凑在一起,从而可以识别来自各种生物体的遗传物质,包括那些以前未测序或编目的生物体。通过组装这些基因组,研究人员可以发现新物种并揭示新的基因功能,从而大大扩展我们对微生物多样性及其在包括人体在内的各种环境中的潜在作用的理解。
对于16S测序来说,由于其经济和丰富的样本积累,对于构建疾病的大数据库来说存在很大的优势,虽然16S分辨率没有宏基因组高,但是通过方法和技术的弥补,可以大大提供16S的预测精准度。
例如谷禾健康结合宏基因组数据和已有的菌群构成数据,通过算法可以大大提高扩增子数据的物种分辨率。此外病毒、真菌、寄生虫和部分16S难区分的病原菌目前通过增加靶向引物进行tNGS的方式来实现,大大拓展了二代测序微生物多样性检测领域的涵盖范围。
这种方法在揭示微生物生命的全部范围方面特别有用,包括可能在健康和疾病中发挥关键作用的物种或基因。
了解小肠微生物群
小肠是营养吸收、肠肝循环和承受肠道激素刺激的主要部位;因此,深入了解人体这一部位的微生物功能至关重要。然而,我们对人类微生物组的大部分了解都基于粪便样本和结肠微生物群,因为即使使用现代内窥镜检查方法,获取小肠微生物群也很困难。
最近的进展使用了创新方法,例如可摄入的胶囊,它可以对整个胃肠道中的肠道物质进行取样。由于每个胶囊都由肠道中不同的 pH 值触发,因此这种方法可以提供肠道群落的微生物图谱。这些工具正在进一步完善和商业开发,以用于诊断和研究。但需要注意的是,样本采集到胶囊内后,微生物有可能继续生长,因此不能准确地代表原生微生物群落。
此外,这些胶囊和其他胶囊都是为空腹状态下的取样而开发的,因此对餐后反应的研究仍然有限,尽管这些反应对于全面了解微生物对葡萄糖代谢调节的贡献可能很重要。解决这些问题对于确保使用此类设备进行微生物组研究的可靠性和准确性至关重要。
同工酶和小分子筛选
微生物组研究中,同工酶和小分子筛选对于识别可以作为治疗目标的特定细菌产物至关重要。微生物同工酶是具有不同分子结构但催化与宿主酶相同反应的酶。筛选这些产物可以揭示微生物代谢的变化,这些变化可能会影响健康并可能干扰药物治疗,例如细菌 DPP-4 同工酶的情况。
小分子筛选专注于识别微生物产生的生物活性化合物 。这些化合物可对宿主的病理生理学产生显著影响。通过识别特定的同工酶和小分子,研究人员可以针对它们进行降解或增强,从而为糖尿病等疾病提供潜在的治疗策略。
Treatment
如上所述,目前尚未发现针对1型或2型糖尿病的诊断性和广义的粪便微生物群分类学特征。因此,未来的研究应转向在大规模前瞻性人群中进行菌种和菌株水平的研究,并在可能的情况下,重点研究胃肠道肠道微生物的功能分析,特别关注稳定同位素前体,以研究不同胃肠道区域重要微生物代谢物的生成和底物通量。
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高纤维饮食和基于短链脂肪酸的治疗
关于基于肠道菌群的糖尿病疗法,高纤维饮食已被证明可有效控制1型和2型糖尿病患者的血糖水平并降低胰岛素抵抗。尽管膳食纤维通过肠道菌群直接起作用的方式仍有待证实,但这些试验强调了将肠道菌群调节策略纳入糖尿病干预试验的潜在重要性,特别是对于生产有益代谢物(如 SCFA)而言。
但是,如上所述,口服短链脂肪酸(丁酸盐)补充剂的干预试验并未显示在1型或2型糖尿病患者的血糖控制或其他糖尿病调节标志物上 ,可能是因为给药部位与内源性产生不同。对于其他短链脂肪酸,包括丙酸盐和乙酸盐,数据太少,无法得出关于对代谢调节的可能影响的任何结论。
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传统益生菌和新一代益生菌
用于糖尿病的益生菌疗法可分为传统益生菌,特别是乳酸杆菌和双歧杆菌菌株,它们历来被用于发酵食品或补充剂中以促进健康,以及下一代益生菌,它们是最近被鉴定为人类肠道菌群成员的新菌种菌株。这些菌株与健康有关,但在疾病环境中存在会减少。
传统益生菌
关于传统益生菌,一项关于益生菌(双歧杆菌、乳酸杆菌和唾液链球菌菌株)的开放标签试验发现,益生菌对1型糖尿病患者的兄弟姐妹的1型糖尿病易感性和进展有益。
针对新发1型糖尿病的前瞻性随机对照试验 (RCT) 正在进行中(NCT03961854、NCT03961347、NCT04769037 和 NCT05767450),一项规模较小的试验显示,其对长期 1 型糖尿病仅有中等效果。
在2型糖尿病中,最近的一项荟萃分析描述了这些益生菌菌株在代谢控制和降低胰岛素抵抗方面具有一定功效。
新一代益生菌
关于下一代益生菌,在人体中产生的数据较少。例如,尽管特定菌株(例如Akkermansia)与健康的代谢表型相关,但使用A. muciniphila的 RCT 干预并未发现强烈的代谢影响。
这一发现可能是由于这些测试菌株与代谢综合征缺乏因果关系、通过胃后活力降低、剂量不足或引入人体肠道时缺乏定值。
由于小肠对1型和2型糖尿病的病理生理学都很重要,因此需要进一步分析1型和2型糖尿病患者的小肠微生物群,并研究确定的下一代益生菌菌株组合作为糖尿病的可能干预措施。然而,这种努力应该考虑细菌菌株的植入条件、对其他细菌成员的生态或功能依赖性、以及功能上的潜在冗余。
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供体粪菌移植
在完成针对特定菌株组合的研究之前,供体粪菌移植(FMT)可能有助于了解调节肠道菌群的效果以及这种调节对糖尿病病理生理和潜在可逆性的影响。
最近发表了一项研究,探新鲜粪菌移植在维持残余β细胞功能和抑制新发1型糖尿病患者自身免疫方面的功效。其他针对 2 型糖尿病和胰岛素抵抗的研究显示,FMT 对胰岛素抵抗和非酒精性脂肪肝疾病有适度影响 ,而一项研究表明对这些参数没有影响。
此外,微囊供体 FMT 和纤维补充的联合干预显示出对葡萄糖代谢有益的影响,这表明干预设计不仅需要合成菌株联合体,还需要饮食支持(例如纤维来滋养菌株)。最后,评估生活方式干预后自体 FMT 是否有助于防止体重反弹的研究发现,饮食引起的低丰度细菌变化可能是维持减肥效果的原因,这可以指导更精准的干预措施,减少伦理负担,降低传播疾病的风险。
总体而言,与针对性菌株或代谢物的干预措施相比,供体 FMT 是一种更为分散的方法。此外,现有数据集中的粪便物质给药方式(胶囊与新鲜 FMT)、肠道 pH 值(例如由于抗酸药)和结肠转运时间存在差异,并且施用的粪便微生物群的数量似乎也会影响供体细菌菌株的植入。
关于糖尿病和基于肠道菌群的疗法的试验结果,使用随时间动态测量葡萄糖代谢(例如混合餐测试或连续血糖监测)可以更好地了解在 FMT 和施用确定的菌株组合期间肠道微生物、饮食和葡萄糖稳态之间的相互作用。
对小肠微生物组的研究仍不足,但对肠道微生物的新认识越来越多地将其与人类糖尿病联系起来。对人类 FMT 的干预研究已经能够从因果关系中分离出关联,并且确实显示出一些临床益处,虽然平均而言相对较小的治疗效果和伦理问题阻碍了这种治疗方法在糖尿病临床护理中的广泛实际应用。
因此,还需要在多民族队列中对肠道菌群和糖尿病之间的前瞻性关联进行更多研究。与此同时,还应探索合成的肠道菌群衍生的细菌菌株或群落和工程系统在糖尿病中靶向肠道输送已识别代谢物的治疗潜力。
Perspectives
在过去二十年中,肠道微生物的改变与糖尿病患者的异常葡萄糖代谢和脂肪变性有关。流行病学研究中的较大样本量现已开始显示肠道菌群与肥胖或2型糖尿病相关的人类代谢特征之间的相关性的大小和可能的一致性;然而,对于1型糖尿病,情况就不那么明朗了。
未来的研究应更严格地考虑糖尿病药物与种族和饮食摄入之间的相互作用。此外,近年来,人们对肠道菌群的功能有了更多的了解,而不仅仅是其成分,这些信息与之前关于特定代谢物(包括短链脂肪酸、支链氨基酸和胆汁酸)与肥胖和糖尿病之间联系的报告非常吻合。
关于肠道菌群成分,只有少数研究探讨了噬菌体和真菌的作用以及这些菌落与细菌菌株在糖尿病中的相互作用。显然,未来的研究还需要关注小肠微生物群的功能,以及开发足够的生物信息学流程和正确组装基因组。
我们还必须考虑到,迄今为止的大多数数据都是在小鼠研究中产生的,由于小鼠和人类在饮食、遗传和寿命方面存在巨大差异,其与人类糖尿病的相关性需要进一步证实。尽管如此,在人类糖尿病环境中对单一菌株和粪菌移植的人体干预研究表明,存在一系列临床代谢效应(与药物更一致的效果相比),但没有严重的副作用。
总之,经过近二十年的研究,我们仍然必须期待未来的努力,以阐明肠道微生物研究对人类糖尿病的临床诊断和治疗适用性。
主要参考文献
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谷禾健康
肠球菌属(Enterococcus)是厚壁菌门中一种革兰氏阳性球菌,常成对或短链出现,大部分物种无鞭毛,没有明显的荚膜。
其耐受性非常好,可在10至45°C的温度范围内生长,pH值范围4.6–9.9内生长,对胆汁盐也具有耐受性。目前,肠球菌属包含四十多种已知菌种,可以存在于各种环境中,包括人类、动物和昆虫的消化系统,食物、水源、土壤和一些植物中。
但在35-37°C下生长最佳,因此非常适合在人体肠道内定植。人体肠道中常见的肠球菌是粪肠球菌(E.faecalis)(90-95%)和屎肠球菌(E.faecium)(5-10%)。而粪肠球菌也是其模式菌种。
肠球菌可以发酵多种底物,包括葡萄糖、甘油、乳酸、苹果酸、柠檬酸、氨基酸和许多α-酮酸。能量产生的主要途径是葡萄糖通过糖酵解途径同质生成l-乳酸。粪肠球菌还可以通过降解粘蛋白来获取能量。
肠球菌具有“多种面孔”,其的健康益处可能是由于能够产生具有抑菌活性的“肠素”(细菌素),对李斯特菌、金黄色葡萄球菌等具有抑制作用。
进而可被用作天然的食品生物防腐剂。一些特殊的肠球菌株还被用作益生菌,具有不同有益特性:如刺激免疫力、抗炎活性、降胆固醇作用以及预防/治疗肠易激综合征和抗生素引起的腹泻,减少鼻窦炎患者的复发等。
然而,就像一枚硬币的两面,尽管它们具有促进健康的特性,但它们也具有有害特性。肠球菌也被视为机会性病原体,其表现出复杂的毒力机制,能够在各种宿主组织中定植,并对许多抗生素具有耐药性,包括四环素、β-内酰胺类药物、氟喹诺酮类药物、头孢菌素、磺胺甲噁唑/甲氧苄啶等,还可能导致耐药性的传播。
它们能够从胃肠道转移到各种组织和器官,进而造成感染或疾病。目前,肠球菌是革兰阳性菌中仅次于葡萄球菌属的重要医院感染病原菌,其感染最常见的为尿路感染,其次为腹部和盆腔等部位创伤和术后感染、败血症、心内膜炎和脑膜炎。此外由于其具有耐药性,所以感染治疗起来会更困难。同时,在心力衰竭、房颤、肥胖和炎症性肠病患者中发现了肠球菌属丰度的增加。
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形态
肠球菌属(Enterococcus)是一种革兰氏阳性、不生芽孢的兼性厌氧菌,细胞呈球形或卵圆形,大小约在0.6~2.0μm×0.6~2.5μm,呈单个、成对或短链状排列。
大部分物种无鞭毛,但极少部分菌株可以通过稀少的鞭毛而运动。没有明显的荚膜。在35-37°C下生长最佳,因此非常适合在人体肠道内定植。
注:DNA G+C 含量(mol%):35.1–44.9
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发现历史
“肠球菌”一词最早于1899年提出,用于描述具有致病能力的肠道共生菌。由于形态和生化上的相似性,肠球菌曾被归为链球菌属。
1970年,基于生化和培养特性分析,建议将其归为独立的肠球菌属。1984年,这一建议得到广泛接受,并在1986年版《伯杰氏系统细菌学手册》中出现。
2009年,基于16S rRNA基因相似性提出肠球菌科,包括肠球菌属(Enterococcus) 、迷走球菌 (Vagococcus)、Tetragenococcus和Melissococcus。迄今为止,肠球菌属已包含五十多个物种。
肠球菌的发现历史
doi: 10.1128/CMR.00058-18.
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常见物种及分布
肠球菌(粪肠球菌和较少的屎肠球菌)在出生后7-10天内定植于大多数健康母乳喂养婴儿的消化系统中。这些微生物主要来自母亲生殖道的生理菌群,但肠球菌也会动态地定植于剖宫产新生儿的胃肠道。
这些菌种对胆汁盐表现出抵抗力,这使它们能够穿过人体消化系统并在大肠中定植。成年人也会从某些食物中获得各种肠球菌种,例如猪肉、家禽和凝乳酶奶酪。
▸ 粪肠球菌为模式菌种
粪肠球菌(Enterococcus faecalis)是肠球菌的模式菌种。人体肠道中主要存在以下两种肠球菌:粪肠球菌(E.faecalis)(90-95%)和屎肠球菌(E.faecium)(5-10%)。人体中较少见的菌群还有E.casseliflavus、E.gallinarum和E.raffinosus。肠球菌很少从阴道和口腔中分离出来,如果发现,极有可能是病原体感染。
粪肠球菌(Enterococcus faecalis)
粪肠球菌(Enterococcus faecalis)是一种革兰氏阳性菌,它不能形成孢子,但对恶劣的环境条件相当耐受,在肠道免疫中起重要作用
粪肠球菌是人类肠道的正常居民,存在于大约90-95%的人中。这种细菌通常是生命早期定植于人类胃肠道的首批微生物之一,在肠道免疫系统的发育中发挥着重要作用。
Enterococcus faecalis T-110:这种粪肠球菌菌株与枯草芽孢杆菌TO-A和丁酸梭菌TO-A结合使用作为益生菌(B10-THREE)。这三种菡株一起可以减少手术患者的术后感染并缩短急性腹泻患儿的住院时间。
Enterococcus faecais YM0831:一项交叉研究发现,对健康人类受试者单次施用该菌株可显著改善血糖对蔗糖耐量试验的反应。
▸ 肠球菌的常见种
临床上分离率最高的是粪肠球菌(E.faecalis),其次是屎肠球菌(E.faecium)。除此之外,还有以下的菌种:
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鸟肠球菌(E.avium)
酪黄肠球菌(E.casseliflavus)
坚忍肠球菌(E.durans)
鸡肠球菌(E.galinarum)
芒地肠球菌(E.mundii)
恶臭肠球菌(E.maladoratum)
希拉肠球菌(E.hirae)
孤立肠球菌(E.solitarius)
棉子糖肠球菌(E.raffinosus)
假鸟肠球菌(E.pseudoavium)
粪肠球变异株(E.faecalis var)
Enterococcus gallinarum
Enterococcus gilvus
Enterococcus haemoperoxidus
Enterococcus hawaiiensis
Enterococcus hermanniensis
Enterococcus hirae
Enterococcus inusitatus
Enterococcus italicus
Enterococcus lactis
Enterococcus lemanii
Enterococcus malodoratus
Enterococcus moraviensis
Enterococcus mundtii
Enterococcus olivae
Enterococcus pallens
Enterococcus pernyi
Enterococcus phoeniculicola
Enterococcus plantarum
Enterococcus pseudoavium
Enterococcus quebecensis
Enterococcus raffinosus
Enterococcus ratti
Enterococcus rattus
Enterococcus rivorum
Enterococcus rotai
Enterococcus saccharolyticus
Enterococcus silesiacus
Enterococcus sp.
Enterococcus sp. 2011_Ileo_MS_B2
Enterococcus sp. C6I11
Enterococcus sp. SI-4
Enterococcus sulfureus
Enterococcus termitis
Enterococcus thailandicus
Enterococcus ureasiticus
Enterococcus ureilyticus
Enterococcus viikkiensis
Enterococcus villorum
Enterococcus xiangfangensis
environmental samples
▸ 粪肠球菌和屎肠球菌是人体肠道中常见的肠球菌物种
肠球菌种的分布会因环境、人类和动物而异。粪肠球菌和屎肠球菌在人类胃肠道中最为常见,人类粪便中的粪肠球菌数量为每克105至107个,屎肠球菌的数量为每克104至105个。
▸ 其他动植物中的肠球菌
牲畜中分离出的屎肠球菌和粪肠球菌丰度低于从人类粪便中分离出的。家畜中常见的肠球菌有屎肠球菌(Enterococcus faecium)、盲肠球菌(Enterococcus cecorum)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、Enterococcus hirae和耐久肠球菌(Enterococcus durans);相比之下,鹑鸡肠球菌(Enterococcus gallinarum)和鸟肠球菌(Enterococcus avium)是罕见的。
粪肠球菌(Enterococcus faecalis)是狗和猫的直肠和扁桃体中常见的一种。而鸽子肠中最常见的是柱状肠球菌(Enterococcus columbae),其次是盲肠球菌(Enterococcus cecorum)。
此外,在爬行动物、蜗牛、采蜜昆虫、白蚁中也发现了肠球菌。肠球菌还可以从食物、植物、土壤和水中分离出来。虽然这些细菌被认为只是植物菌群的临时组成部分,但在良好的条件下,它们可以在植物表面繁殖。从植物中分离出粪肠球菌、屎肠球菌、海氏肠球菌(Enterococcus hirae)、Enterococcus mundtii、Enterococcus casseliflavus和硫肠球菌)。
它们通常从花中分离出来,而不是从芽或叶中分离出来。这表明昆虫可能参与了肠球菌的传播。
▸ 一些食物中也存在肠球菌
肠球菌是许多食物中常见的一部分,尤其是那些动物来源的食物,如牛奶和奶制品、肉类和发酵香肠。它们通常被认为是食品的二级污染物,通常在其腐败中起作用,尽管某些菌株对成熟和香气有积极的影响。
然而,随着某些类型奶酪的开发。肠球菌甚至被用作某些产品中的益生菌培养物。
另一方面,已经证明在发酵剂和食物肠球菌菌株中存在毒力因子,以及毒力决定因素向发酵剂菌株的转移。
▸ 一些具有致病性的肠球菌
以下是临床中发现具有致病性的常见肠球菌物种:
Enterococcus avium
Enterococcus gallinarum
Enterococcus faecium
Enterococcus faecalis
Enterococcus raffinosus
Enterococcus durans
Enterococcus columbae
Enterococcus villorum
Enterococcus dispar
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生存条件
▸ 肠球菌的耐受性非常好,但人体肠道温度最适宜生长
肠球菌可在10至45°C的温度范围内生长,但大多数物种在35-37°C下生长最佳。许多(但不是全部)品种能在42°C甚至45°C以及(缓慢地)在10°C下生长。
粪肠球菌和屎肠球菌均可在60°C的高温下存活 30 分钟。
▸ 肠球菌耐高盐、高碱、高胆汁、干燥
肠球菌可在pH值范围4.6–9.9内生长,最适pH值为 7.5。它们还可耐受40%(w/v)胆汁盐并在其中生长。粪肠球菌可在6.5% NaCl 中生长,并具有阳离子稳态,这被认为有助于其抵抗pH值、盐、金属和干燥。
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代谢
肠球菌可以发酵多种底物,包括葡萄糖、甘油、乳酸、苹果酸、柠檬酸、氨基酸和许多α-酮酸。能量产生的主要途径是葡萄糖通过糖酵解途径同质生成l -乳酸。
由于肠球菌可以利用多种糖源,因此它可以在多种环境中生存。在肠道中,粪肠球菌的大部分能量来自未吸收糖的发酵。粪肠球菌还可以通过降解粘蛋白来获取能量,粘蛋白是一种由肠道杯状细胞产生的高度糖基化的碳水化合物。
注:能量也可以通过一些氨基酸的降解获得,如精氨酸、酪氨酸、丝氨酸、苯丙氨酸等。
▸ 在不同环境条件下,可代谢产生不同的物质
在有氧条件下,葡萄糖代谢为乙酸、乙酰和CO2。在pH 5.0-6.0时,丙酮酸被粪肠球菌转化为乳酸,但在中性或微碱性的pH下,丙酮酸以2:1:1的比例转化为甲酸盐、乙醇和醋酸盐。
在营养缺乏的情况下,丙酮酸转化为乙醇和醋酸盐。粪肠球菌通过诱导的特异性苹果酸酶代谢苹果酸。葡萄糖酸盐被磷酸化为6-磷酸葡萄糖酸盐,然后异化为乳酸盐和二氧化碳。
粪肠球菌能将甘油氧化为乙酸、二氧化碳和少量过氧化氢和微量乙酰甲基甲醇;将棘皮酸水解成甘氨酸和苯甲酸。
▸ 肠球菌还具有的代谢通路
卟啉和叶绿素代谢
丙酸代谢
蛋白质输出
嘌呤代谢
嘧啶代谢
丙酮酸代谢
RNA降解
核黄素代谢
次级胆酸生物合成
链霉素生物合成
苯乙烯降解
硫代谢
牛磺酸和亚牛磺酸代谢
硫胺素代谢
色氨酸代谢
缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成
缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解
维生素B6代谢
β-丙氨酸代谢
2-氧代羧酸代谢
丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢
氨基糖和核苷酸糖代谢
精氨酸和脯氨酸代谢
精氨酸生物合成
抗坏血酸和醛糖酸代谢
不饱和脂肪酸的生物合成
生物素代谢
丁酸代谢
C5-支链二元酸代谢
氯代烷和氯代烯烃降解
氯环己烷和氯苯降解
柠檬酸循环(TCA循环)
芳香族化合物的降解
果糖和甘露糖代谢
半乳糖代谢
谷胱甘肽代谢
甘油脂代谢
甘油磷脂代谢
甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢
糖酵解/糖异生
乙醛酸和二羧酸代谢
6
毒力
肠球菌作为一种条件性致病菌,与其致病性有关的特性包括毒力因子和抗生素耐药菌株的增加。
毒力因子是一种效应分子,这些因子有助于其在宿主体内定植和引起感染,会增强微生物致病能力。肠球菌的毒力因子在其致病性中起着重要作用。
▸ 肠球菌能够产生的一些毒力因子
肠球菌中最常见且描述最详尽的毒力因子是聚集物质(agg、asa1)、溶细胞素(cyl)、明胶酶(gelE)、细胞外表面蛋白(esp)、粘附于胶原蛋白(ace、acm)和粘连样心内膜炎抗原(efaAfs和efaAfm)。
粪肠球菌和屎肠球菌主要毒力因子
Sangiorgio G,et al.Pathogens.2024
毒力因子的具体作用机制
聚集物质(agg和asa1)是诱导肠球菌菌株表面蛋白的毒力因子,可在细菌结合过程中促进聚集体的形成,并介导与上皮细胞的特异性结合以进行定植以及携带毒力特性和抗生素抗性基因的质粒的交换。
此外,聚集物质可以与细胞外基质蛋白结合,如I型胶原、纤连蛋白和血小板反应蛋白。agg基因增加肠球菌表面的疏水性,诱导胆固醇定位于吞噬体并延缓与溶酶体囊泡融合。不过迄今为止,agg决定簇仅存在于粪肠球菌菌株中。
溶细胞素(或β-溶血素)是一种具有双重功能的蛋白质细菌素/溶血素,是肠球菌中研究最多的毒力因子。它是一种肽类毒素,能够通过在细菌靶细胞的细胞质膜上形成孔隙来裂解细胞 。由产生溶细胞素的肠球菌感染引起的死亡频率比不产生溶细胞素的肠球菌感染引起的死亡频率高5倍。
明胶酶是一种胞外锌金属内切肽酶(EC 3.4.24.30),参与明胶、胶原蛋白、β-胰岛素、血红蛋白、酪蛋白和其他生物活性肽的水解。明胶酶能够裂解纤维蛋白并损伤宿主组织,从而使细菌迁移和扩散,这使得其与肠球菌特别是粪肠球菌的毒力有关。此外,这种蛋白酶在生物膜的形成中起着重要作用。
细胞外表面蛋白(esp)是一种与细胞间粘附(特别是粘附于真核细胞和逃避宿主的免疫反应)有关的致病基因决定簇。该基因可促进定植,位于肠球菌属内高度保守的染色体区域,在屎肠球菌中最常见。
efaA毒力基因与心内膜炎密切相关。最为人所知的是粪肠球菌的efaAfs和屎肠球菌的efaAfm。
总体而言,屎肠球菌菌株中这些毒力因子的发生率低于粪肠球菌菌株。毒力最高的肠球菌种是在临床中的分离株,其次是食品分离株,然后是发酵剂菌株。
许多因素会影响肠球菌种的毒力,例如:
(1)在胃肠道(正常的栖息地)定植的能力;
(2)粘附于多种细胞外基质蛋白的能力,包括血小板反应蛋白、乳铁蛋白和玻璃粘连蛋白;
(3)粘附于尿道上皮、口腔上皮和人胚肾细胞的能力。
大多数感染被认为是内源性的,细菌通过肠道上皮细胞易位,然后通过淋巴结引起感染,从而扩散到体内的其他细胞。
7
耐药性
肠球菌对常用抗生素的耐药性是另一个重要的毒力特性,这极大地增强了肠球菌的致病性,使其成为可能引起感染的条件性致病菌。
▸ 肠球菌对许多常用抗生素具有耐药性
肠球菌对许多β-内酰胺类药物、氟喹诺酮类药物、林可胺类药物、头孢菌素、磺胺甲噁唑/甲氧苄啶和低浓度氨基糖苷类药物具有天然耐药性。
肠球菌还可以通过质粒或转座因子从其他微生物获得耐药性,对氯霉素、红霉素、四环素、青霉素、氨苄西林、大环内酯类、氨基糖苷类(如庆大霉素、卡那霉素、链霉素)和糖肽类药物尤其是万古霉素表现出耐药性。
▸ 对万古霉素具有耐药性的肠球菌会造成严重的健康后果
万古霉素耐药菌株会带来严重的健康问题,一项报告了7066例由肠球菌引起的菌血症病例,所有病例中有28%是抗生素耐药性的。万古霉素耐药肠球菌(VRE)的死亡风险为75%,而感染敏感菌株的患者死亡风险为45%。
数据显示,在从血液中分离的肠球菌中,2%的粪肠球菌和60%的屎肠球菌分离菌对万古霉素具有耐药性。
万古霉素耐药肠球菌(VRE)对临床医生来说是一个挑战,因为这种抗生素传统上被认为是治疗肠球菌感染的“最后手段”,因为它经常被用来替代过敏患者的青霉素、氨苄西林和氨基糖苷类药物。
因此,人们开始评估新药作为万古霉素的替代候选药物,例如喹奴普丁和达福普汀、恶唑烷酮和达托霉素。
▸ 其他动物和环境中也存在耐药性肠球菌,并可能影响人体
在世界各地的食用动物和环境中都发现了其他抗生素耐药性肠球菌。事实上,从牛(80%)、鸡(62-64%)、猪(57%)、动物源性食品(如白肉和红肉) 、未煮熟的食物(如生菜)、污水中分离出的肠球菌(粪肠球菌、屎肠球菌和鸡肠球菌)中观察到了较高的庆大霉素、卡那霉素、链霉素、四环素和糖肽耐药性。
肠球菌抗生素耐药性的主要机制
Sangiorgio G,et al.Pathogens.2024
总体而言,在所有这些不同的宿主和环境中都出现了高抗生素耐药性,表明耐药基因在菌株间存在传播。
8
细菌素
细菌素是核糖体合成的、细胞外释放的抗菌肽,对一些细菌物种有抑菌活性。
▸ 肠球菌能够产生具有抑菌活性的肠素
肠球菌产生的细菌素被称为“肠球菌素”,对其他肠球菌和菌群具有抑菌活性。肠球菌素分为四类:
(I类)羊毛硫抗生素肠素,如溶细胞素;
(II类)非羊毛硫抗生素肠素 ,有三个亚类,如肠素A(II-1类)、肠素Q(II-2类)和肠素B(II-3类);
(III类)其次是环状肠素,如肠素AS-48;
(IV类)高分子量肠素,如肠溶素A。
注:大多数已知的肠素属于II类。
肠球菌产生的细菌素
doi: 10.1099/mic.0.026385-0.
▸ 肠球菌素对李斯特菌、金黄色葡萄球菌等具有抑菌活性
已从乳制品、发酵肉以及蔬菜和植物中分离出产”肠球菌素”的肠球菌。它们对李斯特菌(Listeria)、梭菌(Clostridum)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)有抑菌活性。
E. faecium RZS C5 是一种天然奶酪分离物,具有抗李斯特菌特性。来自E. faecalis S-47的肠素 EJ97也表现出抗李斯特菌特性,浓度为20 AU ml−1时,6小时后细菌数量减少 ,24小时后完全抑制。
肠素 AS-48(由E. faecalis A-48-32 产生)可抑制罐装水果和蔬菜中冷藏和高温条件下凝结芽孢杆菌(Bacillus coagulans)细胞的生长。细菌素对抗革兰氏阴性菌的活性并不常见,但来自E. mundtii的细菌素 ST15已被证明可有效对抗一系列革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌,包括不动杆菌(Acinetobacter)、芽孢杆菌(Bacillus)、梭菌(Clostridium)、克雷伯氏菌(Klebsiella)、乳酸杆菌(Lactobacillus)和假单胞菌(Pseudomonas)。
▸ 肠球菌素如何发挥抑菌作用?
细菌素的杀菌作用被认为是由于细胞膜的通透性。细菌素的随机卷曲肽与细胞膜接触后形成螺旋结构,该结构融入并跨越膜,从而产生孔隙。这种作用方式已在肠素P中观察到。由此产生的孔隙导致K+离子泄漏、膜电位耗散和抑制氨基酸吸收。ATP 驱动的细胞吸收K+和细菌素介导的K+释放的循环会导致细胞死亡,从而抑制一些菌种的定值。
9
与其他菌的互作
肠球菌作为一类广泛存在于人类和动物肠道中的微生物,它们与肠道微生物群中的其他成员之间存在着复杂的相互作用。以下是谷禾通过查阅相关文献对肠球菌与其他肠道微生物群相互作用的总结:
▸ 屎肠球菌可以抑制李斯特菌、伤寒沙门氏菌等
屎肠球菌(Enterococcus faecium)是一种在人体中广泛存在的细菌,它能够产生一种名为肠球菌素的抗菌物质,这种物质具有广谱抗菌活性,可以抑制如植物乳杆菌(Lactobacillus plantarum)、单核细胞增生李斯特菌(Listeria monocytogenes)以及伤寒沙门氏菌(Salmonella paratyphi)等细菌的生长。
除此之外,一些研究表明肠球菌还可以抑制Peptoclostridium的生长与活性。
注:肠球菌因为这一特性可作为生物防腐剂,它们通过抑制病原菌和降解菌的生长,确保了产品的质量和安全。与传统的化学防腐剂相比,肠球菌素等具有更佳的生物相容性和环境友好性。
▸ 抑制肠球菌的细菌
Blautia producta 的共生菌株通过产生特定的抗菌化合物,可以抑制并排除粪肠球菌(E.faecium)。
此外,肠道中的枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)释放一种抑制性化合物,可以阳止金黄色葡萄球菌的定植能力,或抑制肠球菌(Enterococcus faecalis)的毒力因子表达。
肠球菌(Enterococcus)是人类微生物群的天然组成部分。它们常定植于下消化道,口腔和生殖道中较少见。
★ 肠球菌是人体共生菌之一
人体肠道中约有106至107个肠球菌,结肠中发现的肠球菌高达1%,其中大多数是粪肠球菌(105-107 CFU/克粪便)或屎肠球菌(104 -105 CFU/克粪便)。
除了粪肠球菌(E. faecalis)和屎肠球菌(E. faecium)外,还经常分离出盲肠肠球菌(E. cecorum)和坚忍肠球菌(E. durans),偶尔也会检测到干酪肠球菌(E.caseliflavus)、海氏肠球菌(E. hirae)、鸡肠球菌 (E. gallinaroum)和鸟肠球菌(E. avium)。
参与营养物质代谢、激活免疫细胞
由于肠球菌在人体微生物群中存在大量,这表明它们可能在消化道中发挥重要作用。作为共生菌,它们参与营养物质(碳水化合物、脂质和蛋白质)的代谢,以及维持其生存环境的pH值,合成对正常功能很重要的维生素和其他代谢物,防止腐败细菌的定植和扩散,并对人体免疫系统(体液免疫和细胞免疫)产生影响。
研究发现,粪肠球菌(E.faecalis)可以起免疫调节作用,负责激活CD4、CD8(CD 分化簇)细胞和B淋巴细胞。
同时肠球菌还会影响肠道淋巴系统(肠道相关淋巴组织,是负责产生分泌性免疫球蛋白A(sIgA)的免疫器官)。sIgA 是肠道屏障的重要组成部分,它可以防止微生物粘附到上皮细胞上、中和细菌毒素、覆盖和凝集微生物,并具有抑菌作用。
作为一种益生菌
一些肠球菌菌株(如屎肠球菌M74和屎肠球菌SF-68)已被证明可作为一种安全有效的益生菌制剂。例如FortiFlora®和Cernivet®(含屎肠球菌SF68)和含粪肠球菌的Symbioflor®1。
• 缓解肠易激综合征和抗生素引起的腹泻
肠球菌益生菌可用于治疗或预防某些人类疾病,特别是在治疗腹泻方面。研究发现屎肠球菌(E.faecium strain SF68)可以缓解肠易激综合征症状和接受抗生素治疗的慢性肺结核患者的腹泻发病率,并预防了粘膜炎(可能是维生素缺乏的后果)。
使用屎肠球菌SF68 治疗腹泻被认为是抗生素治疗的替代方案。临床研究还显示,屎肠球菌对治疗儿童和成人肠炎有效, 对屎肠球菌SF68 治疗肠炎的“双盲”对照研究表明,腹泻持续时间和大便正常化时间显著减少。
• 减少鼻窦炎患者的复发
使用肠球菌还可以治疗慢性和复发性上呼吸道感染、鼻窦相关的慢性疾病(慢性鼻窦炎)。
一项双盲、安慰剂对照研究调查了157名患有慢性复发性鼻窦炎的患者在使用细菌免疫刺激剂(由人粪肠球菌细菌的细胞和自溶物组成)治疗期间急性复发的发生情况,并与使用安慰剂的患者进行了比较。结果表明,在使用粪肠球菌制成的免疫刺激剂后,复发的发生率(50次)约为安慰剂下观察到的复发次数(90次)的一半。
目前,粪肠球菌的益生菌制剂(有时富含大肠杆菌和乳杆菌)被推荐用于治疗鼻窦炎或支气管炎以及普通感冒等疾病。
注:在德国,粪肠球菌(DSM 16431) 以 Symbioflor 1的商品名作为药物出售,推荐用于治疗急性和复发性鼻窦炎或支气管炎。
• 一些菌种能产生丁酸,具有抗炎作用
已发现E. durans M4-5 能产生丁酸、短链脂肪酸 (SCFA),其可诱导显著的抗炎作用并有助于肠道上皮的完整性。
• 降低胆固醇水平
研究发现肠球菌(例如E.faecium M-74、E.durans KLDS)还具有降低胆固醇水平的特点。这些细菌产生一种水解酶,可催化胆汁酸解离过程,帮助胆固醇整合到细菌细胞壁中,或在酸性环境中帮助沉淀。
• 抗癌、免疫调节作用
此外,一些肠球菌还表现出抗诱变、抗致癌和免疫调节作用。
最近,菌株E. durans LAB18s还被推荐用作膳食硒补充剂的来源,而E.faecium LCW 44和E.durans 6HL 分别被证实对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有很强的抑制作用。
益生菌E. faecium M-74 可用于治疗患有髓性白血病患者的胃肠道并发症。在小鼠模型中发表的另一份报告表明,海氏肠球菌(Enterococcus hirae)有助于形成抗癌免疫反应。
在食品中的益处
• 改善发酵乳制品的质地和口感
肠球菌存在于未经处理的牛奶、奶酪、肉类和植物产品(发酵蔬菜)等食品中。在食品工业中,精选的肠球菌菌株有助于改善发酵乳制品的香气、质地和口感。
肠球菌菌株可以将蛋白质降解为肽和氨基酸,分解柠檬酸盐,并产生具有脂解和蛋白水解特性的芳香物质。它们具有蛋白水解、脂解以及柠檬酸和丙酮酸代谢的能力,因此被用作乳制品的发酵剂。
• 一种天然的食品防腐剂
此外,肠杆菌通过产生肠素来抑制腐败微生物的增殖,这些细菌素可用作食品防腐剂。
由于它们对热处理(烹饪、巴氏灭菌或发酵)具有耐受性,因此它们也可用作食品生产中的天然防腐剂和卫生指标。
在养殖业中的作用
益生菌制剂也用于养殖业,以预防或治疗肠道疾病,或作为生长促进剂。
• 免疫调节作用、防止腹泻
例如,一些肠球菌益生菌被纳入饲料添加剂类别,用于稳定单胃动物和反刍动物消化道的微生物群落。屎肠球菌NCIMB 11181 和屎肠球菌DSM 7134 菌株已获批准作为牛和猪的饲料添加剂。益生菌屎肠球菌SF68®和粪肠球菌Symbioflor 1 也用于预防或治疗猪、家禽、牲畜和宠物的腹泻。屎肠球菌SF68对幼犬肠粘膜和消化系统发育具有免疫调节作用。
• 促进生长、提高代谢效率
此外,肠球菌对动物的生长和健康特征具有积极影响。用肠球菌益生菌属喂养猪,发现能减少肠道病原体。同样,给断奶后小猪口服屎肠球菌NHRD IHARA可提高血清和粪便中的IgA水平,改善小猪的生长。研究还表明,屎肠球菌能促进鸡的生长、肠道形态和盲肠微生物群的稳态。据报道,屎肠球菌还能提高肉鸡的代谢效率,降低炎症反应。
• 抑制水生病原体,改善鱼类生长
另一方面,许多研究表明肠球菌在水产养殖中具有有益作用。一些研究报道了屎肠球菌对水生病原体具有广泛的抑制作用,包括Yersinia ruckeri、哈维氏弧菌(Vibrio harveyi)、无乳链球菌(Streptococcus agalactiae)和维氏气单胞菌(Aeromonas veronii)。
此外,许多试验发现了将屎肠球菌添加到饲料中以改善鱼类生长和刺激免疫反应的功效。
肠球菌属(Enterococcus)普遍存在于人类及动物肠道内。正常情况下,肠球菌被认为是一种无害的共生菌,甚至被认为对许多胃肠道和全身疾病有积极作用。
然而,当与宿主的共生关系被破坏时,肠球菌可引起一些感染或疾病。目前,肠球菌是革兰阳性菌中仅次于葡萄球菌属的重要医院感染病原菌,其感染最常见的为尿路感染,其次为腹部和盆腔等部位创伤和术后感染、败血症、心内膜炎和脑膜炎。此外由于其具有耐药性,所致感染治疗困难。
注:目前几乎所有的院内肠球菌感染都是由粪肠球菌或屎肠球菌引起的。其中,粪肠球菌是致病性最强的菌种,但屎肠球菌的重要性日益增加,因为它通常对抗菌药物的耐药性更强。
肠球菌血流感染
肠球菌血流感染(BSI)与高死亡率相关。最近一项对加拿大医院的大型调查研究显示,住院患者肠球菌BSI发病率为每100000人 6.9 例,其中大多数病例由粪肠球菌引起(每100000人4.5例)。
• 肠球菌血流感染的死亡风险很高
在瑞士, 2008年至2014年间肠球菌血流感染发病率有所增加(每100000人9至14例),总体而言,院内肠球菌BSI的死亡率相当高,为25%至50%。
大多数肠球菌性血流感染病例被认为是肠球菌从肠道易位到血液所致。其他感染途径包括静脉注射、心内膜炎、尿路感染和脓肿。
肠球菌血流感染的死亡危险因素包括病情严重程度、患者年龄以及使用第三代头孢菌素或甲硝唑。
研究发现,感染溶血性、庆大霉素耐药粪肠球菌菌株的患者与感染非溶血性、庆大霉素敏感菌株的患者相比,三周内死亡风险增加5倍。
2
尿路感染
肠球菌是从尿路感染中分离出的最常见的革兰氏阳性菌,2011年至2014年期间,国家医疗保健安全网络报告了超过 20000 例病例。在这些病例中,超过50%是由粪肠球菌引起的,其次是“其他肠球菌种”(约30%)和屎肠球菌(约 20%)。
最令人担忧的是,约85%的屎肠球菌分离株对万古霉素具有耐药性,并且耐药分离株的比例每年都在增加。
3
心内膜炎
在肠球菌引起的感染中,感染性心内膜炎(IE)是治疗难度最大的感染之一。肠球菌占所有IE病例的10%至20%,其中大多数是由粪肠球菌引起的。
在感染性心内膜炎中,细菌在心内膜定植会导致组织内出现赘生物,并在细菌周围形成生物膜状基质,免疫系统或抗生素都难以穿透这些基质。
4
根管治疗失败
粪肠球菌(E. faecalis)是根管治疗失败的一个重要原因,部分原因是它对许多消毒剂和抗菌剂具有耐药性。
• 根管治疗常用的消毒剂无法完全杀灭粪肠球菌
在导致根管治疗失败的慢性和持续性根尖周围病变病例中尤其如此,24%~77%的病例中分离出粪肠球菌。氢氧化钙是根管治疗常用的消毒剂,已证实其本身无法完全杀死粪肠球菌,其他消毒剂如柠檬酸也是如此。
粪肠球菌能在根管内长时间耐受饥饿,并通过牙槽骨和牙周膜的血清复苏。获得充足食物后,粪肠球菌利用SprE和GelE蛋白酶及胶原结合蛋白Ace与牙本质结合并形成生物膜,进而影响根管治疗的效果。
注:一旦感染,最有效的治疗方法包括用次氯酸钠或洗必泰溶液长时间冲洗根管。在初始过程中使用洗必泰或次氯酸钠冲洗被认为是预防粪肠球菌感染根管和防止失败的最佳选择。
5
组织挫伤
肠球菌感染在宿主体内引发病理变化。这可能由宿主的炎症反应,或是粪肠球菌分泌的毒素、蛋白酶及有毒代谢副产物直接造成的组织损伤引起。
• 肠球菌脂磷壁酸具有炎症性
肠球菌脂磷壁酸(LTA)与多种生物过程有关,LTA的一些特性包括调节宿主的免疫反应和介导肠球菌粘附于宿主细胞。
研究发现肠球菌的LTA与革兰氏阴性菌的脂多糖一样具有炎症性。肠球菌结合物质(EBS)(至少部分源自 LTA)缺陷且蛋白质粘附素AS缺陷的粪肠球菌菌株在注射到兔子体内会诱发临床疾病症状。
• 肠球菌溶细胞素和蛋白酶对细胞具有一定毒性
肠球菌溶细胞素和两种蛋白酶(一种是锌金属蛋白酶(明胶酶)、一种是丝氨酸蛋白酶)是会导致疾病严重程度的分泌因子。溶细胞素的存在还被证实会促进粪肠球菌在血液中的出现。
这种毒素它既具有细菌素活性,又会对多种哺乳动物细胞类型有毒性。
使用兔眼内炎模型获得了由细胞溶素引起的病理损伤最直接和定量的证据。感染后24小时 β 波反应减弱和视网膜结构完全破坏明确证明了细胞溶素在组织病理学中的作用。
在无菌大鼠模型中,一种蛋白水解(Gel+)菌株表现出致龋活性,而三种非蛋白水解菌株几乎没有致龋性。
• 产生过量的过氧化氢造成细胞损伤
除了分泌蛋白外,粪肠球菌和屎肠球菌还被证明会产生有毒的氧代谢物,从而导致细胞或器官损伤。
一项研究表明,所检测的绝大多数(87/91)粪肠球菌菌株产生超氧化物(O2–),而屎肠球菌分离株产生超氧化物的频率较低。经研究推测,氧自由基的膜损伤作用可能会增强附近肠上皮细胞的细胞损伤。此外,细胞外超氧化物和过氧化氢的产生会损害结肠上皮细胞 DNA。
6
食源性肠球菌的危害
肠球菌的威胁不仅存在于临床感染。由于卫生条件差造成的污染导致食品中存在肠球菌也具有一定危害。粪肠球菌或屎肠球菌是造成手工和传统奶酪污染的最常见原因,但也发现了其他菌种(E.casseliflavus、E.durans、E.hirae和E.gallinarum)。
例如,从散装牛奶储罐中分离出E. casseliflavus和粪肠球菌。禽肉在加工过程中也可能被粪肠球菌和屎肠球菌污染,这种情况很常见。
• 对抗生素的耐药性会通过被肠球菌污染的食物传播
抗菌药物的广泛使用促进了耐药微生物的出现和传播。食物链是耐药性在环境和人类之间传播的关键因素。
人们发现临床材料和食物之间的细菌耐药性特征相似。最常见的是,这些细菌菌株对链霉素、红霉素、四环素和利福平表现出耐药性。
从即食食品中分离的肠球菌菌株中检测到氨基糖苷类、四环素类和大环内酯类药物的耐药基因水平转移。
研究显示,携带耐药基因的食源性肠球菌数量众多可能会显著降低抗生素治疗肠道感染的有效性。由于其高度适应能力,食物中的肠球菌会暂时或永久地定植于消化道,这增加了基因转移至肠道菌群的危险。
• 肠球菌会导致食物腐败
肠球菌也会导致食物腐败。它们会产生酪胺、组胺、苯乙丙氨酸、尸胺和腐胺等热稳定性胺,这些胺可引起过敏反应或中毒。
7
肠球菌在其他疾病中的丰度变化
通过查阅相关文献和谷禾的数据库,我们还发现肠球菌和以下疾病的联系:
• 移植物抗宿主病
一些细菌如肠球菌(Enterococcus spp.)与移植物抗宿主病(GVHD)高风险有关。
• 心力衰竭和房颤患者中丰度增加
与对照相比,心力衰竭患者肠道菌群中的肠球菌属(Enterococcus)丰度增加,在心脏病变患者中也观察到肠球菌属和肠球科的升高。
较多的基因和属种表明房颤患者体内可能存在多种有害细菌过度生长。瘤胃球菌(Ruminococcus)、链球菌(Streptococcus)、韦荣氏球菌(Veillonella)和肠球菌(Enterococcus)等在房颤患者中更为富集。
• 肥胖和炎症性肠病中肠球菌数量增加
肥胖是一种慢性代谢性疾病,引起肥胖的因素众多,如遗传因素、环境变化、生活和饮食习惯等,其中肠道微生物群的影响越来越受到人们的重视。
在属的水平上,分枝杆菌属、粪杆菌属、拟杆菌属、副拟杆菌属、粪杆菌属、毛螺菌属等显著减少,而梭菌属、芽孢杆菌属、布劳氏菌属、肠球菌属(Enterococcus)、萨特氏菌属、克雷伯氏菌属、柯林氏菌属、普雷沃氏菌属和乳酸杆菌属显著增加。
而在活跃期炎症性肠病与某些菌群的数量过多有关,如:
肠杆菌科(Enterobacteriaceae) ↑↑↑
梭杆菌属(Fusobacterium) ↑↑↑
咽峡炎链球菌(Streptococcus anginosus) ↑↑↑
肠球菌(Enterococcus) ↑↑↑
• 可能存在一定的致癌作用
肠道微生物群中的几种菌,这些细菌除了它们的致病性之外,还被可能对结肠直肠癌具有致癌作用,包括幽门螺杆菌、肝螺杆菌(Helicobacter hepaticus)、牛链球菌(Streptococcus bovis)、大肠杆菌、脆弱拟杆菌(B. fragiis)、败血梭菌(Clostnidium septicum)、粪肠球菌(Enterococcus faecalis)、具核梭杆菌(F.nucleatum)和牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis),这些细菌都显示出潜在的致癌作用。
此外,肝外胆管癌患者体内也检测到大量肠球菌(Enterococcus)。
• 百岁老人肠球菌属含量较低
研究发现,与100岁以下人群相比,百岁老人体内肠道细菌(如拟杆菌属、脱硫弧菌属、瘤胃球菌科、乳杆菌、嗜粘蛋白阿克曼氏菌、发酵短杆菌属)含量较高,而Faecalibacter、普雷沃氏菌属、克雷伯氏菌属、链球菌属、肠杆菌属、肠球菌属含量较低。因此,我们推测肠球菌的丰度过高可能不利于健康。
肠球菌属(Enterococcus)是一种革兰氏阳性、兼性厌氧球菌,广泛存在于胃肠道中,在阴道或口腔中较少见。粪肠球菌(Enterococcus faecalis)和屎肠球菌(Enterococcus Faecium)是人类中最常见的菌种。作为共生菌,肠球菌定植于消化系统中并参与营养物质代谢及调节人类的免疫系统。
肠球菌还因其生物特性(酶和蛋白水解活性)而被用作食品发酵的发酵剂,或因其产生的抗菌细菌素(称为肠素)而被用作天然的食品生物防腐剂。一些特殊的肠球菌株还被用作益生菌,具有不同有益特性:如刺激免疫力、抗炎活性、降胆固醇作用以及预防/治疗肠易激综合征和抗生素引起的腹泻,减少鼻窦炎患者的复发等。
然而,就像一枚硬币的两面,尽管它们具有促进健康的特性,但它们可能具有有害特性。由于肠球菌菌株表现出复杂的毒力机制,使其能够在各种宿主组织中定植,并对许多抗生素具有耐药性,可能会导致耐药性的传播,肠球菌也被视为机会性病原体。
它们能够从胃肠道转移到各种组织和器官,进而造成感染或疾病。目前,肠球菌是革兰阳性菌中仅次于葡萄球菌属的重要医院感染病原菌,其感染最常见的为尿路感染,其次为腹部和盆腔等部位创伤和术后感染、败血症、心内膜炎和脑膜炎。此外由于其具有耐药性,所以感染治疗起来会更困难。同时,在心力衰竭、房颤、肥胖和炎症性肠病患者中发现了肠球菌属丰度的增加。
需要更深入地了解具体肠球菌种的健康益处、毒力特性,尤其是抗生素耐药性的增加,以便充分认识到肠球菌在改善健康和致病方面的复杂性。
通过深入理解肠球菌与宿主之间的微妙平衡,我们可以更好地利用这种微生物来促进人类健康,并开发新的治疗策略来对抗相关疾病。
主要参考文献
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谷禾健康
自闭症谱系障碍 (ASD) 是一种神经发育障碍,其特征是社交沟通和行为障碍,经常伴有兴趣或活动受限和重复的模式。遗传和环境都与自闭症有关。
近年来,多种类型的研究都将肠道菌群与自闭症的病因联系起来。前面我们的文章有提到,肠道微生物群影响宿主健康的许多方面,包括免疫系统控制、肠道激素调节和神经传递。它会改变摄入的药物及其代谢、毒素清除以及多种影响宿主的物质的产生。肠道菌群可以通过“肠-脑轴”的相互关系直接或间接地影响大脑。
近期研究表明,肠道微生物群可以通过中间细胞因子和代谢物诱发神经炎症。炎症偏差是肠道微生物群影响自闭症患者肠脑轴的潜在病因候选者。
神经炎症因素会导致肠道屏障完整性丧失、小胶质细胞激活和神经递质失调,从而导致自闭症。它强调了神经炎症中间体与自闭症患者肠道微生物群改变相关的潜在作用。具体而言,脑源性神经营养因子、钙卫蛋白、S100B、RANTES、嗜酸细胞趋化因子等细胞因子以及一些代谢物和微小RNA已被视为病因生物标志物。
了解肠道和大脑之间的相互作用,微生物群和神经炎症生物标志物的变化,是理解自闭症谱系障碍的病因、诊断、预后和治疗的基础背景。目前,自闭症谱系障碍的诊断是基于临床症状的,这可能会导致延误。基于与肠道微生物群相关的神经炎症过程的生物标志物可能是一种更客观精确可行的自闭症谱系障碍检测方法。
本文我们来详细了解一下神经炎症生物标志物在自闭症谱系障碍的发病机制和潜在诊断试验中的作用,还概述了益生菌及其他营养干预措施用作自闭症儿童的治疗策略及孕妇的饮食建议。
深入了解自闭症的复杂病理机制,结合生物标志物监测、肠道菌群管理和营养干预,或将为受影响的个体及其家庭提供更有针对性的支持和干预措施。
近 20 年前,有人提出了肠道菌群与自闭症之间的潜在关联。尽管自闭症的确切病因尚不完全清楚,但现有文献表明,自闭症患者存在肠道菌群失调和神经炎症。
自闭症的肠道菌群
总体而言,自闭症人群表现出菌群失调的迹象,与健康对照组相比,下列菌群和许多其他微生物的丰度有所不同:
拟杆菌门 / 厚壁菌门
普雷沃氏菌
梭菌属
乳杆菌属
双歧杆菌属
粪杆菌属
链球菌属
肠杆菌科
疣微菌属
梭杆菌门
大肠杆菌
肠球菌属
阿克曼菌属
考拉杆菌属
肠道菌群失调的识别与炎症途径
最近也有研究指出,自闭症儿童的肠道菌群失调和炎症可通过宿主粪便 DNA 特异性甲基化来识别。患有菌群失调的自闭症患者的炎症和免疫途径显著丰富,包括IL-2、IL-6 和 IL-12 的产生以及 Toll 样受体 (TLR3) 信号通路的激活。
多项研究一致证实了早期的发现,即菌群失调在各种神经退行性和神经精神疾病中会引起神经炎症。
自闭症儿童微生物组改变的潜在影响
doi.org/10.1016/j.bbr.2024.115177
菌群失调:免疫信号通路中断与自闭症严重程度
NLRP3炎症小体、1型干扰素和NF-κB信号通路等免疫信号通路的中断是菌群失调可能导致的后果之一。Th17/Tregs比例发生改变,巨噬细胞极化、TNF-α、IL-1β、IL-18、IL-6 失衡也是可能的。
另一方面,炎症和免疫失调已被证明与自闭症的发展和/或严重程度有关。先前对自闭症病例的研究表明,TNF-α、干扰素-γ、IL-2、IL-4、IL-5、IL-6、IL-8、IL-17、IL-10 等炎症标志物的水平升高。
神经炎症生物标志物与微生物交替和自闭症行为的关联研究
doi.org/10.1007/s10753-024-02061-y
关于自闭症患者肠道微生物组成和代谢物与炎症,这三个因素之间的确切关系需要进一步研究。总体而言,肠道菌群似乎通过炎症在自闭症中发挥关键作用。
一些研究已将蛋白质和肽类生物标志物作为自闭症早期诊断的研究对象。S100 钙结合蛋白 β 亚基 (S100B) 在星形胶质细胞和其他神经外细胞(包括EGC)中表达。
注:EGC,enteric glial cells,肠神经胶质细胞,EGC是肠神经系统的重要组成部分。它调节肠道稳态、参与维持肠黏膜屏障功能,调控炎症反应,在消化及非消化系统疾病中发挥着重要作用。
S100B对神经元的影响取决于浓度
浓度在几纳摩尔剂量下可产生营养作用,在微摩尔水平下可产生毒性。
S100B 促进神经炎症
细胞外蛋白 S100B 与促炎细胞因子协同作用,在较高浓度下可作为细胞因子,从而显著促进神经炎症。
自闭症 S100B 显著升高
尽管存在争议,但多项研究发现与健康人相比,自闭症患者的 S100B 显著升高,支持该因素在 ASD 的病因和发展中可能发挥的作用。
外周 S100B 浓度升高的来源可能是受损的神经元或 EGC。
在最近的一项研究中,血浆 S100B 水平与粪便钙卫蛋白浓度(胃肠道炎症状态的客观标志物)之间的相关性表明,不仅脑星形胶质细胞,还有 EGC 也可能参与自闭症的病理生理学。
肠道微生物群与S100B的相互作用
有一种假说认为,自闭症患者肠道胶质细胞衍生的 S100B 表达的改变可能是由微生物群改变、肠道屏障破坏甚至致病菌引起的,这些因素共同诱发肠道炎症并将 EGC 转化为反应性 EGC。
另一项小鼠体内研究表明,肠道微生物群的多样性随着 S100B 水平或口服给药而增加。
厚壁菌门(包括乳杆菌)和拟杆菌门(包括Barnesiella和丁酸杆菌属)均受 S100B 水平的影响。然而,在一组自闭症儿童中观察到拟杆菌门水平较高,而厚壁菌门水平较低。可以考虑研究 S100B 作为自闭症诊断和治疗中的潜在生物标志物。
BDNF(脑源性神经营养因子) 是神经生长因子家族(神经营养因子)的蛋白质成员。BDNF 在突触前位点(调节神经递质释放)和突触后位点(增强离子通道功能)中都发挥着关键作用,因此它通常会影响神经可塑性,从而影响行为相关疾病。
BDNF与自闭症病理生理学的关联
多种神经系统疾病都存在 BDNF 水平异常,包括精神分裂症、抑郁症甚至自闭症。最近的研究显示,与对照组相比,自闭症患者的 BDNF 水平发生了改变,这表明 BDNF 可能在自闭症病理生理学中发挥作用。
与重度自闭症相比,轻度表型患者的 BDNF 水平相对较高,强调了该因子可能具有保护作用。自闭症患者脑内抗凋亡信号通路中 BDNF 的下调是自闭症病理生理的可能机制之一。
作为神经保护剂的 BDNF 表达减少可能是由炎症因子(包括 IL-1β 和 TNF)升高引起的;因此,它可能在神经炎症中起负调节作用。
肠道菌群与BDNF的相互影响
自闭症患者肠道菌群失调可能通过免疫失调和释放穿过血脑屏障的炎症因子(如 IL-1β)导致这种炎症状态。
还需要进一步研究了解自闭症患者肠道微生物改变的诱导和改变,是否可以通过 BDNF 水平进行监测和控制。
受激活、正常 T 细胞表达和分泌的调节,RANTES(CCL5)和嗜酸细胞趋化因子(CCL11)是由多种细胞释放的促炎趋化因子,包括血细胞、成纤维细胞、内皮细胞、上皮细胞、神经元和神经胶质细胞。
详情展开如下:
RANTES
RANTES是一种重要的趋化因子,属于CC亚家族的β趋化因子。它由多种细胞类型表达和分泌,包括T细胞、单核细胞、NK细胞、上皮细胞和血小板等。
RANTES的主要功能是通过与其特异性受体结合来诱导白细胞向炎症部位迁移,从而在炎症反应中起关键作用。
这些受体包括CCR1、CCR3、CCR4和CCR5。RANTES不仅能够促进T细胞的活化和增殖,还能调节Th1/Th2细胞效应平衡。
嗜酸细胞趋化因子
嗜酸细胞趋化因子是一类属于CC趋化因子家族的小细胞因子,主要作用是选择性地募集嗜酸性粒细胞。
这些因子在多种组织中表达,并通过与特定受体结合来诱导嗜酸性粒细胞向特定位置迁移。主要包括CCL11、CCL24和CCL26。
不仅在过敏性疾病如哮喘和过敏性鼻炎中发挥重要作用,还参与了其他炎症反应和肿瘤的发展。
RANTES和嗜酸细胞趋化因子在自闭症中的神经炎症作用
自闭症儿童的血浆中 RANTES和嗜酸细胞趋化因子水平明显较高。由于RANTES和嗜酸细胞趋化因子充当促炎介质,它们的升高意味着两者都在 自闭症中发挥神经炎症作用。
尽管Shen等人报告 RANTES 或嗜酸细胞趋化因子与自闭症的行为模式之间没有显著相关性,但Han 等人和 Hu 等人分别发现 RANTES 和嗜酸细胞活化趋化因子与自闭症相关。此外,其他研究表明这两个因素的增加都与自闭症相关。
肠道菌群诱导RANTES介导的炎症
早期研究发现,NOD 样受体家族含有吡啶结构域的 6-肠道菌群轴以及随后的 IL-6 和 TNF 释放是肠道菌群失调与 RANTES 介导的免疫失调之间的可能联系。
关于基因编码的表达,已发现肠道菌群可以操纵嗜酸细胞活化趋化因子的表达水平。在这方面,接受抗生素治疗的小鼠的微生物组发生了改变,嗜酸细胞活化趋化因子升高,小胶质细胞结构不同。
小胶质细胞是中枢神经系统中的常驻免疫细胞,是抵御病原体和损伤的第一道防线。它们不断探测大脑环境,寻找感染、损伤或疾病的迹象。小胶质细胞对全身炎症信号特别敏感。TNF-α和IL-6等促炎细胞因子水平升高可激活小胶质细胞,使其从静息状态转变为活化状态。
激活的小胶质细胞可以吞噬细胞碎片、死细胞和病原体,并释放细胞因子和趋化因子来协调免疫反应。它们在中枢神经系统中发挥双重作用:促进炎症以抵御威胁,并在威胁过去后促进组织修复和炎症消退。慢性小胶质细胞活化与神经炎症有关。
粪菌移植与行为改善
此外,研究发现,小鼠的嗜酸细胞活化趋化因子水平在粪菌移植后发生了变化。关于肠道微生物群与自闭症的关系,在自闭症小鼠中,通过肠道微生物群移植,研究人员观察到焦虑样行为和重复性行为得到改善,而 RANTES 和嗜酸细胞活化趋化因子的水平得到改善。
这些结果表明,RANTES 和嗜酸细胞活化趋化因子在中枢神经系统突触传递和发育中起着重要作用,它们的水平与小鼠的微生物群结构有关。
特定菌群与趋化因子水平呈负相关
研究发现,梭菌科、丹毒丝菌科、普氏菌科、CandidatusArthromitus、变形杆菌属与 RANTES 和嗜酸细胞活化趋化因子的水平呈负相关。
通过益生菌改善
体内外用和口服益生菌治疗已报告与RANTES有关的菌株,包括副干酪乳杆菌SGL04、植物乳杆菌SGL07、发酵乳杆菌SGL10、短乳杆菌 SGL12裂解物以及鼠李糖乳杆菌GG有关。
同样,含有嗜酸乳杆菌、鼠李糖乳杆菌 GG和双歧杆菌的益生菌也改变了动物体内嗜酸细胞活化趋化因子基因的表达。
总的来说,这些研究的重要发现表明肠道菌群通过 RANTES和嗜酸细胞活化趋化因子的炎症因子在自闭症发病机制和严重程度中的潜在机制。
细胞因子粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子 (GM-CSF) 驱动髓系造血细胞生物学的许多方面,包括存活、增殖、分化和功能活动。它还通过树突状细胞和 T 细胞功能影响免疫系统。GM-CSF 可引发中枢神经系统慢性炎症,并作为神经元生长因子刺激神经元和神经胶质细胞分化。
GM-CSF在自闭症中的复杂作用
一些早期研究认为自闭症患者的 GM-CSF 水平较低,但随后的研究在自闭症患者大脑中发现 GM-CSF 水平较高。
研究发现,在同时出现胃肠道症状的自闭症儿童中,GM-CSF-IL-1α、TNF-α 和干扰素-α 的水平较高。自闭症中 GM-CSF 水平的变化可能表明炎症过程可能与发育和神经免疫障碍有关。
Takada 等人的共培养实验结果首次表明,GM-CSF 诱导的巨噬细胞可抑制自闭症个体神经元的树突状生长。这种现象是通过促炎细胞因子IL-1α和TNF-α的分泌介导的,并可能导致更严重的行为影响。
肠道菌群与GM-CSF的关联
有趣的是,GM-CSF 水平随着肠道菌群的变化而变化,且主要与 IL-17a有关,IL-17a 是一种与 自闭症患者行为症状严重程度相关的细胞因子。
不同种类的肠道细菌与 GM-CSF 有关,包括副拟杆菌、普氏菌、链球菌、梭菌、罗伊氏乳杆菌、卷曲乳杆菌、粪肠球菌、布劳特氏菌、丁酸单胞菌、罗斯氏菌、Anaerotruncus、Blautia。一项重要发现表明,肠道菌群代谢物(如短链脂肪酸)可能会改变 GM-CSF 水平。
一项研究表明,使用含有长双歧杆菌、保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌的益生菌可增加神经免疫因子 GM-CSF。
总之,肠道菌群改变导致 GM-CSF 神经炎症因子的变化,为了解自闭症患者发病机制提供了思路。
高迁移率族蛋白 1 (HMGB-1) 是 HMGB 蛋白家族中最丰富的成员之一,具有许多潜在作用。作为核蛋白,它在DNA调控活动中起关键作用。作为一种细胞外因子,它在免疫细胞对炎症作出反应时主动释放,也会被坏死或受损细胞被动释放。
HMGB-1的多功能性和在炎症中的作用
HMGB1 具有多种膜受体,称为病原体识别受体,其中 TLR4、TLR9 和晚期糖基化终产物受体 (RAGE) 是主要受体。通过与这些受体的相互作用,HMGB1可促进细胞炎症。HMGB1 可以穿过血脑屏障,促进神经突生长和细胞迁移,或介导损伤后的神经炎症。
HMGB-1与自闭症严重程度的相关性
已知自闭症患者血浆中的HMGB-1水平会升高,并且与自闭症的严重程度呈正相关。
另一种有效的炎症分子——表皮生长因子受体与自闭症儿童的症状严重程度有关,而 HMGB1 水平与之相关。
肠道功能障碍与HMGB-1水平的联系
研究发现,自闭症患者的 HMGB1 水平较高与胃肠道功能障碍较高有关,这可能意味着肠道是发病机制的一部分。
类似的研究表明,粪便中的HMGB1水平与自闭症儿童的胃肠道体征严重程度相关,这与自闭症相关的菌群失调有关。伴有肠道炎症的微生物群失调可导致单核细胞的激活,上调 HMGB1 的排泄,从而形成促炎反馈回路。
扩展阅读:炎症回路和肠道微生物
HMGB-1与自闭症行为表现的关联
较高水平的 HMGB1 和 TLR4 也与小鼠的自闭症样行为有关,可能是通过激活 HMGB1/TLR4 信号级联实现的。
自闭症儿童血清中 TLR4 水平升高,并且与他们的多动评分呈正相关。这进一步强调了炎症因子在自闭症行为表现中的作用。
HMGB-1在神经炎症中的作用机制
HMGB1/RAGE/TLR4 轴的激活会导致白细胞浸润到神经细胞中,从而引起持续的中枢神经系统炎症。有研究表明,神经炎症与自闭症的发生密切相关,其机制是激活炎症小体系统。此外,HMGB1 可以与内源性分泌性 RAGE 结合,导致血浆 RAGE 水平下降。这可能通过干扰神经肽催产素从外周到大脑的运输,导致自闭症的病理生理。
益生菌和肠道菌群改变对自闭症患者 HMGB1 水平的影响可以强化这一想法,并可以进一步研究。HMGB1 可能通过神经炎症在自闭症发病机制中发挥关键作用,并可以指导治疗策略。然而,它是自闭症病理生理学中一个非常潜在的因素,尚未明确阐明,需要更多研究。
骨桥蛋白 (OPN) 是一种可溶性促炎细胞因子,在自身免疫性神经炎性疾病中发挥着明确的作用,同时也是控制骨组织生物矿化的非胶原骨基质的组成部分。
OPN的功能多样,根据其位置和环境,OPN 参与局部炎症、细胞粘附、免疫反应、趋化性和防止细胞凋亡。
OPN在免疫调节中的作用
Heilmann 等人认为 OPN 可以在急性炎症期间激活免疫系统、减少组织损伤并刺激粘膜修复,同时在慢性情况下促进 Th1 反应并增强炎症。
OPN与神经系统疾病的关系
OPN 与多发性硬化症和阿尔茨海默病等神经心理疾病的发病机制有关。CD11c + 细胞表达分泌性磷蛋白1 及其编码蛋白 OPN 与阿尔茨海默病的认知障碍和常见神经病变有关。
注:CD11c+ 是一种在多种免疫细胞上表达的分子,主要与树突状细胞(DCs)相关。CD11c+ 标记物在免疫系统中具有重要的生物学功能。例如,在炎症性关节炎模型中,CD11c+ 树突状细胞的存在与疾病的严重程度呈负相关。
OPN在自闭症研究中的发现
有研究发现血清中 OPN 水平升高与病情严重程度有关,表明 OPN 在神经炎症和大脑特异性自身抗体的产生中的作用。他们的发现可以支持 OPN 是自闭症机制中重要神经炎症因子的观点。
在代谢紊乱中,人们讨论了 OPN 与肠道微生物群之间可能存在的相互作用。然而,OPN 与肠道微生物群在神经系统疾病(尤其是自闭症患者)中的作用尚未得到研究,这可能是未来研究的一个潜在目标。
钙卫蛋白是一种与钙结合的蛋白质,主要存在于中性粒细胞中,中性粒细胞是一种白细胞,在炎症和细胞损伤时会增加。
粪便中的钙卫蛋白可以指示肠道炎症,并可作为生物标志物。
钙卫蛋白与自闭症
考虑到肠道炎症在自闭症发展中可能发挥的作用,许多研究已经研究了自闭症患者中钙卫蛋白水平的关联,但结果并不一致。
一些报告显示,自闭症患者及其亲属的钙卫蛋白水平可能高于对照组。
钙卫蛋白与炎症及自闭症的关联
钙卫蛋白水平也与巨噬细胞炎症蛋白 1β 的较高表达呈中等相关性,而巨噬细胞炎症蛋白 1β 与自闭症诊断观察计划的沟通分量表和总分相关,表明它可能在微生物-神经元串扰中发挥作用。不太可能的是,一些研究发现自闭症患者和对照组之间的钙卫蛋白水平没有统计学上显著差异,因此,有和没有胃肠道症状的自闭症患者的钙卫蛋白水平没有明显变化。
钙卫蛋白水平与肠道菌群的关系
Laghi 等人的研究表明,钙卫蛋白水平较高与肠道中普雷沃氏菌较多和阿克曼氏菌减少有关,表明这些细菌可能分别具有炎症或保护作用。
益生菌疗法对自闭症患者的影响
Santocchi 等人发现益生菌疗法(包括 多种链球菌、双歧杆菌、乳杆菌)对自闭症患者的适应功能有有利影响,但对有或无胃肠道症状的钙卫蛋白水平没有明显影响。这表明益生菌对自闭症患者的影响比减少肠道炎症更为复杂,钙卫蛋白作为可能的神经炎症介质的作用应得到进一步研究。
总体而言,钙卫蛋白研究的异质性可能是由于试验个体的多样性、所用方法的准确性以及对微生物群改变和钙卫蛋白的同时研究不足造成的。但我们仍然可理解宿主微生物群失调和炎症诱导的钙卫蛋白会触发导致自闭症方面的神经炎症机制。
doi.org/10.1007/s10753-024-02061-y
在自闭症患者中,许多肠道微生物衍生的代谢物尤为突出,例如复合多糖或代谢氨基酸,它们可以作为神经递质。其中几种代谢物最近被讨论作为自闭症的早期诊断生物标志物。
特定菌群与短链脂肪酸的生产
肠道微生物通过一组重要的代谢物来调节宿主的生理机能,这些代谢物是短链脂肪酸,主要构成乙酸盐 (AA)、丁酸盐 (BTA) 、丙酸盐 (PPA)。
自闭症患者短链脂肪酸研究不一致
与某些研究不同,其他研究报告称自闭症患者的 乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐水平高于对照组。这些肠道菌群相关的短链脂肪酸在宿主的炎症反应中表现出相互冲突的促炎和抗炎作用,可能是由于结合受体和局部浓度的差异。一些动物研究表明,补充微生物代谢物乙酸盐和丁酸盐可以逆转社会行为表型。
相反,在大鼠脑室内注射丙酸盐会诱发自闭症样症状,包括反应性神经胶质增生。丙酸盐可通过调节自闭症中的 PTEN/AKT 通路导致神经胶质增生、神经回路紊乱和神经炎症反应。
短链脂肪酸在自闭症和肠道微生物群中的意义
doi.org/10.1016/j.bbr.2024.115177
由于关于自闭症患者短链脂肪酸水平的发现数据不一致且尚待研究,因此需要进一步研究来验证短链脂肪酸在自闭症病理生理学中的潜在作用。它们可能被视为自闭症患者神经炎症生物标志物和肠道微生物群改变的指标。
COX1 和 COX2
脂质是大脑的主要成分,脂质代谢物是大脑发育和体内平衡的调节分子。作为脂质介质的主要脂质代谢物是前列腺素 (PG) 和白三烯 (LT),它们分别由花生四烯酸 (AA) 和其他不饱和脂肪酸在环氧合酶 (COX) 和脂氧合酶 (LOX) 的代谢下代谢。
已知 PGE2 信号在大脑形态形成中发挥作用,COX2/PEG2 信号受损与 MIA 模型中的自闭症发病机制有关。COX 通路涉及两种限速酶,COX-1 和 COX-2。
用于诱导 MIA 的内毒素和 MIA 模型中产生的炎症介质(IL-1β、IL-6、TNF-α、IFN、AA)均可诱导 COX-2。此外,有证据表明 COX-2 介导 N-甲基-D 天冬氨酸 (NMDA) 神经毒性。
COX2 和 自闭症
先前的研究使用自闭症患者的外周血单核细胞作为小胶质细胞的替代品,观察到在先天免疫刺激下上述细胞因子的产生增加。这种增加发生在有微生物感染后行为症状和认知功能波动史的自闭症患者中。有趣的是,自闭症患者血浆中的 COX-2 和 PGE2 升高,同时 α-突触核蛋白水平降低。因此,阻断 COX-2 可能有助于减轻自闭症患者的神经炎症和随后的神经元损伤。另一方面,脑中 COX-2 的上调可能具有神经保护作用,部分调节脑血流。
关于 COX-2 抑制剂在 ASD 患者中的临床试验数据很少。只有一项随机、双盲、安慰剂对照试验研究了 COX-2 抑制剂塞来昔布对 ASD 患者行为症状的疗效。
该试验将塞来昔布作为利培酮的辅助治疗,持续 10 周;使用异常行为检查表 (ABC) 评估行为症状。发现ABC分量表的易怒、嗜睡和刻板行为有显著改善。
当使用塞来昔布控制病毒性流感等综合征引起的 自闭症行为症状恶化时,也经常观察到 COX2 抑制剂塞来昔布减轻行为症状。吡格列酮具有多种抗炎作用,包括抑制小胶质细胞上 COX-2 的表达。吡格列酮对创伤性脑损伤有有益作用。
综上所述,COX-2抑制剂可能对有COX2激活迹象的自闭症患者有益,尤其是在急性和/或亚急性期。
自闭症患者中犬尿氨酸代谢产物的变化
例如,自闭症的患者尿液中神经毒性色氨酸代谢物的浓度增加。有报道称,自闭症患者中犬尿氨酸代谢物的靶分子 NMDAR 亚基的多态性 ,以及其他色氨酸代谢物的水平改变。
据报道,大约三分之一的自闭症患者具有高循环 5-HT 水平,这主要反映了肠道产生并储存在血小板中的 5-HT。5-HT 水平的变化可能与肠道 5-HT 代谢的变化和/或肝脏和肺部 5-HT 清除率的变化有关。然而,高血清素血症和特征性 ASD 行为症状之间的关联尚未得到一致证实。
同样,抑制 5-羟色胺再摄取转运蛋白 (SERT) 作用的选择性 5-羟色胺再摄取抑制剂 (SSRI) 对 自闭症患者并没有普遍有益的作用。这些发现表明,其中存在复杂的潜在机制。
有趣的是,对主要致病成分和生物内表型(包括血液中 5-羟色胺水平)的分析发现,与自闭症患者的免疫功能障碍有关。在同一研究人群中,免疫成分对表型变异的贡献最大;这些结果支持免疫激活对自闭症受试者血清素代谢的影响。
色氨酸影响大脑功能的 4 种不同途径
doi.org/10.1016/j.biopsych.2023.10.018
色氨酸[A]、血清素[B] 、犬尿氨酸[C]、吲哚[D]。其中三种途径依赖于肠道微生物代谢,而另一种途径中,色氨酸通过体循环到达缝核,无需微生物修饰。
自闭症与血清素代谢物研究的总结
SERT多态性与自闭症
米诺环素对色氨酸代谢的影响
当色氨酸代谢物的复杂稳态受损时,米诺环素可能对特定情况有效,从而导致犬尿氨酸代谢物的毒性作用恶化。将米诺环素用作自闭症患者的治疗选择需要谨慎选择自闭症患者。
miRNA 在神经系统中的作用
超过 60% 的人类基因受微小 RNA (miRNA) 控制,微小 RNA 是一种小型非编码 RNA,长度约为 18 到 24 个核苷酸,可作为表观遗传调控因子。miRNA 可改变大脑的可塑性和神经元的发育,其失调会导致多种神经系统疾病,包括自闭症。miRNA 已充分证实其可调控多种细胞和生理过程,包括造血、免疫反应、炎症。此外,miRNA 还受宿主-微生物群相互作用的影响,并在菌群失调和诱发炎症中发挥关键作用。
miR-146a 是自闭症中失调最严重的miRNA
一项深入研究发现,自闭症患者中存在过度表达的 miRNA,它们可能通过失调的炎症基因在神经发育受损中发挥作用。
此外,一些研究还发现,miRNA 通过与调节炎症小体表达的 3′-UTR 基因相互作用直接或间接激活炎症小体。具体而言,动物研究表明 miR-146a 的增加或减少可能是自闭症的潜在原因。
一项产后临床研究比较了自闭症和健康对照者的 miRNA,证实 miR-146a 是自闭症中失调最严重的 miRNA。
miR-146a 和 miR-155 在自闭症中的作用
另一项使用体外模型和死后人脑组织的研究也发现,早在儿童时期即可在自闭症患者脑中检测到 miR-146a 过表达。肠道菌群-宿主相互作用的变化可能诱导 miR-146a,从而促进神经炎症途径。值得注意的是,miR-146a 诱导的核因子 κB 增强了肠-脑轴的炎症信号通路。
研究表明,脆弱拟杆菌、鼠李糖乳杆菌 GG、嗜酸乳杆菌、保加利亚乳杆菌和大肠杆菌Nissle 1917与 miR-146a 表达相关。
另一项研究表明,miR-146a 对某些炎症细胞因子表达至关重要,其在大脑中的缺失会导致 miR-155整体补偿性上调。蛋白质羰基化增强和半胱氨酸硫醇水平降低是氧化应激介质激增导致神经炎症通量升高的额外指标。
miR-146a和miR-155如何与慢性炎症相关?
多项研究已将 miR-146a 和 miR-155 与慢性炎症所指的各种病理状况联系起来。一种可能的解释是,肠道毒素(如 LPS)能够穿过血脑屏障并进入体循环,可能激活 NF-kB-miRNA-146a-miRNA-155 信号通路。该通路会将来自微生物组的致病信号传递到大脑,这可能会扰乱先天免疫反应并导致神经炎症。
肠道菌群失调也可能改变 miR-155
一项研究增加了证据表明,自闭症儿童的杏仁核、额叶皮质和小脑中的 miR-155 表达增加。miRNA-155 参与细菌脂多糖对 TLR 的激活、肿瘤坏死因子-α 和 IL-6 的激活以及对树突状细胞上细胞因子信号传导抑制因子 1 的调节。这些活动,加上微生物群失调的变化,可以使 miRNA-155 成为肠脑轴和自闭症神经炎症机制中的候选角色。
早期研究发现,发酵乳杆菌、唾液乳杆菌、鼠李糖乳杆菌GG、嗜酸乳杆菌、德氏乳杆菌、双歧杆菌和大肠杆菌 Nissle 1917 等益生菌可以改变 miR-155的水平。
miR-181在自闭症中的潜在影响
研究发现自闭症患者的 miR-181 上调,预计会影响自闭症相关的神经连接蛋白 1基因。神经炎症和免疫失调是与 miR-181 家族相关的众多生理过程中的两种。
另一方面,一些研究表明肠道菌群可以调节小鼠的 miR-181。还有研究显示,鼠李糖乳杆菌和德氏乳杆菌益生菌会影响炎症疾病中 miR-181a 的表达。此外,来自肠道菌群的代谢物可能影响不同状态下的 miR-181表达。总之,这些证据强化了 miR 介导肠道微生物群可能通过自闭症中的神经炎症过程发挥作用的论点。
生酮饮食对miRNA及自闭症的影响
一项小型介入性随访研究,分析七名儿童包括在生酮饮食之前和生酮饮食 4 个月之后收集的血液和粪便样本。经过 4 个月的随访发现,生酮饮食 导致促炎细胞因子(IL-12p70 和 IL-1b)和脑源性神经营养因子 (BDNF) 的血浆水平下降。肠道微生物群的变化、肠道中丁酸激酶表达的增加以及血浆中 BDNF 相关 miRNA 水平的变化。这些队列研究结果表明,生酮饮食可能通过减少炎症、逆转肠道微生物群失调以及影响与大脑活动相关的 BDNF 通路对自闭症社交能力产生积极影响。
生酮饮食诱导的神经炎症变化的拟议间接途径
doi.org/10.3390/nu16101401
益生菌可以通过各种机制影响宿主的健康。据最近的研究,它们可以作为治疗工具,通过恢复肠道菌群的健康平衡、调节组织中的神经递质水平以及减少肠道炎症来治疗自闭症。
动物模型显示,益生菌显著改变了大鼠的社交和情感行为以及血液中 IL-6、IL-17a 和 IL-10 等细胞因子的水平。另一方面,只有少数试验从炎症调节和免疫系统调节方面评估了益生菌对自闭症的影响。
益生菌在炎症和自闭症管理中的作用试验
doi.org/10.1007/s10753-024-02061-y
有研究评估了婴儿双歧杆菌与牛初乳产品联合用于自闭症儿童的情况。一些患者出现胃肠道症状和异常行为的频率较低,可能是由于TNF-α和 IL-13 减少所致。
益生菌对自闭症儿童炎症标志物和症状的影响
有研究表明,粪便中TNF-α水平与自闭症严重程度之间存在很强的相关性,表明胃肠道炎症和通透性可能通过炎症途径参与自闭症。他们可以通过补充益生菌(包括乳酸杆菌、双歧杆菌和 链球菌)显著降低自闭症儿童粪便中的TNF-α水平。
在患有胃肠道问题的自闭症儿童亚组中,益生菌治疗组的一些胃肠道症状、适应性功能和感觉状况比安慰剂治疗组有较大改善。
益生菌混合物的应用
目前尚无针对自闭症核心缺陷的药物。因此,迫切需要为自闭症患者开发新的药理学方法。总体而言,这些发现表明益生菌可能是一种有前途的治疗方法,因为它们对自闭症症状有有益的影响。考虑到免疫系统功能障碍与行为异常之间存在关联,以及肠道微生物群可能通过炎症介质对 自闭症产生影响,建议在益生菌给药期间检查神经炎症变量,并确定改变这些变量的最有效配方。
无麸质和无酪蛋白饮食
研究发现,单纯的无麸质饮食对自闭症儿童的症状、行为或智力能力没有显著影响。
当无麸质饮食结合其他干预措施(如维生素、矿物质、必需脂肪酸、肉碱、硫酸镁浴、消化酶和无酪蛋白、无大豆饮食)时,观察到在非言语智力能力和自闭症症状方面有显著改善。
改良的生酮无麸质饮食
一项研究评估了补充MCT的改良生酮无麸质饮食对自闭症症状的影响,为期3个月的干预导致自闭症核心特征显著改善。
低FODMAP饮食
一项实施低FODMAP饮食的研究在自闭症儿童中未发现行为问题的显著差异。
适合自闭症谱系障碍儿童的饮食模式
doi.org/10.1002/fft2.380
a)无麸质/无酪蛋白(GFCF)饮食可以使肠黏膜组织正常化,恢复肠上皮细胞对半胱氨酸的吸收,提高谷胱甘肽水平,增加甲基供体,防止甲基化抑制;
b)生酮饮食(KD)可以优化肠道菌群结构,降低厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌的丰度,调节组蛋白去乙酰化酶活性,增加脑神经元轴突的密度;
c、d)低发酵寡糖-双糖-单糖-多元醇(FODMAP)饮食可以通过激活toll样受体修复受损的结肠屏障,同时调节肠道菌群以恢复肠道稳态。
必需脂肪酸补充
多项研究调查了ω-3脂肪酸补充对自闭症症状、发展年龄和营养状况的影响。综合分析显示,ω-3脂肪酸补充显著改善了干预组的刻板行为、多动、社交沟通、非言语智力能力、发展和营养状况。
肉碱
肉碱补充在自闭症患者的一年营养计划中显示出改善非言语智力能力和症状的效果。
萝卜硫素
萝卜硫素是一种存在于十字花科蔬菜中的膳食异硫氰酸酯,是一种营养保健食品。几项研究探索了萝卜硫素在自闭症治疗中的潜力,报告显示在行为和生化标志物方面有所改善。
多项研究调查了维生素补充对自闭症患者症状严重程度和生活质量的影响。
维生素A
维生素A补充对自闭症症状有显著缓解作用,特别是通过增加血清中的维生素A水平来改善社交响应性。
维生素D
维生素D补充在减少多动、减轻易怒方面有效,并可能与ω-3联合使用时进一步改善自闭症症状。
矿物质
锌的补充被认为可以增强自闭症患者的认知-运动功能。
肌肽
肌肽补充对自闭症儿童的睡眠障碍有积极作用,但对自闭症症状的严重程度影响不大。
益生元
一项针对 30 名自闭症儿童的为期 6 周的研究表明,益生元干预显著减轻了胃肠道不适并改善了排便,但对睡眠或胃肠道症状没有显著影响。研究发现,韦荣球菌科和双歧杆菌减少,拟杆菌属和普拉梭菌增加。
一项为期 12 周的小规模试点研究针对 8 名患有 自闭症和胃肠道合并症的儿童,发现益生元补充剂可显著减少异常行为(嗜睡、多动、刻板行为和易怒)并改善胃肠道症状,这可能是由于肿瘤坏死因子α 和IL-13 的产生减少所致。
doi.org/10.1016/j.rasd.2024.102352
近期研究表明,孕妇饮食中某些营养素含量高与患自闭症的风险增加有关。
在这些饮食因素中,孕妇饮食中水果和蔬菜上的农药残留可能是导致胎儿神经发育异常的重要暴露因素。
孕妇蛋白质营养不良和高咖啡因摄入量均与胎儿发育受限和后代患自闭症的风险增加有关。
每日盐的摄入量也可能是一个条件性危险因素。具体而言,盐摄入量增加对身体免疫系统和肠道微生物群有显著影响,导致肠道稳态失衡和炎症的发生,进一步通过菌-肠-脑轴导致神经发育异常。
母亲怀孕期间不良的饮食模式会增加后代患自闭症的风险。例如,高能量、高密度饮食和西式饮食均可导致自闭症发病率增加。
与这些不良饮食因素相反,怀孕期间摄入足够的维生素和 omega-3 多不饱和脂肪酸与后代自闭症发病率较低相关。
此外,增加孕妇膳食中的锌含量可以预防与自闭症相关的社交缺陷和焦虑症状。除了避免上述与孕期不良饮食有关的潜在风险因素外,患有糖尿病、肥胖或高血压等潜在风险的孕妇应特别注意每日膳食摄入量。
肥胖孕妇的饮食建议
基于人群的流行病学调查发现,母亲肥胖和怀孕期间体重大幅增加均与后代患自闭症的风险增加有关。
膳食纤维摄入不足会导致肠道中的短链脂肪酸水平异常。高膳食纤维干预和短链脂肪酸疗法可以缓解由此产生的后代的认知和社交功能障碍。高纤维饮食可能减少突触损伤和小胶质细胞缺陷,降低后代神经发育障碍风险。所有母亲无论胖瘦,都应在怀孕期间避免高脂肪饮食,以降低后代患精神疾病的风险。
动物研究表明,母鼠的高脂饮食选择性地促使雄性子代脑内免疫细胞过度消耗5-HT,从而导致神经系统异常。
孕期高脂、高糖饮食可能导致炎症介导的神经发育障碍,增加自闭症风险。肥胖女性在孕期应限制脂肪和糖摄入,增加膳食纤维摄入,以降低后代精神疾病风险。
糖尿病孕妇的饮食建议
众多研究发现母亲孕期患糖尿病与子代罹患自闭症风险增高显著相关。
短暂性高血糖可能引发持续性表观遗传改变和紧密连接蛋白表达抑制,伴随活性氧产生和超氧化物歧化酶(SOD)表达的抑制。动物研究显示,高血糖可诱导子代杏仁核中活性氧产生和SOD表达抑制,诱导自闭症样表型。
母亲糖尿病介导的氧化应激可能导致消化道功能障碍、肠道通透性增加、肠道微生物组成改变和神经元基因表达抑制,最终导致后代出现自闭症表型。母亲糖尿病可能抑制造血干细胞SOD表达、诱导炎性细胞因子,导致子代自闭症患者免疫功能紊乱。
妊娠期糖尿病女性应控制碳水化合物摄入,适量摄入具有抗糖尿病作用的食物,如洋葱和苦瓜。传统植物,如葱属、苦瓜属和荆芥属植物,含有抗糖尿病功效成分,可能有助于控制血糖。
维生素B6和维生素D的补充对降低后代罹患自闭症风险和改善糖尿病相关并发症有益。矿物质如锌和铬有助于保护糖尿病患者免于产生胰岛素抵抗。
妊娠高血压孕妇的饮食建议
妊娠期高血压与后代神经发育障碍和自闭症风险增加有关。
DASH饮食是一种有效的降低血压的饮食干预措施,通过增加粗粮、蔬菜、蛋白质、纤维素、钙和钾的摄入,并限制食盐摄入,可以显著降低血压。高质量的DASH饮食还与降低后代焦虑、行为缺陷和神经发育障碍的风险相关。
补钙和增加膳食钾的摄入也有助于预防妊娠高血压。此外,高血压的发病与肠道菌群有关,通过增加南美油藤的摄入量,可以缓解高血压。
类风湿性关节炎孕妇饮食建议
母亲类风湿性关节炎也与后代患自闭症的风险增加有关,可能通过炎症或免疫机制导致自闭症的发展。目前尚无特定的饮食模式来预防这种风险,但食用具有抗炎症或自身免疫反应的食物,如含有酚类和三萜类化合物的水果和蔬菜,可能是一种潜在的替代方案。
需要进一步研究来探索孕期饮食与菌群和炎症之间的联系,并开发有效的预防策略。
扩展阅读:深度解析 | 炎症,肠道菌群以及抗炎饮食
鉴于自闭症病理生理的复杂性和不明确性,近年来人们对炎症机制和免疫失调的作用进行了研究。自闭症中的失调途径在病因上也可以追溯到肠道微生物群失调。
这些变化可能通过释放的代谢物、BDNF的神经信号通路和神经炎症生物标志物(包括 S100B、HMGB-1、OPN、miRNA、RANTES、嗜酸细胞趋化因子和 GM-CSF)与自闭症症状和严重程度有关。
本文强调了介质作为触发机制和桥梁作用,一方面是肠道微生物群失调引起的炎症,另一方面是自闭症中枢神经系统神经炎症过程。益生菌作为恢复自闭症微生物群的适用治疗选择,表明肠道微生物群的相关性和潜在的有益影响。
然而,考虑到微生物群改变类型、神经炎症介质的巧合、干预时间长度以及自闭症年龄和症状等个体差异,评估个体肠道菌群状况以及不同益生菌及其他配方的功效对于自闭症的干预至关重要。
随着对微生物群与自闭症关系的深入理解,一个多维度的临床视角逐渐显现。我们可以通过分析微生物群的变化、相关的代谢产物、神经炎症介质以及它们与自闭症患者中枢神经系统的相互作用,在临床上描绘出自闭症的发展轨迹,这些研究的整合可能有助于我们构建一个综合的框架,用于自闭症的早期识别、干预和长期管理。
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谷禾健康
众多的文献和谷禾之前写过的文章都阐述了微生物群与人类健康密切相关。这种联系甚至可能在还未出生的时候就已经开始形成。微生物群的存在和活动从母体怀孕前到幼年的过程中,持续地参与和调节着人体的各种生理功能,从而在每一个生命阶段都扮演着至关重要的角色。
在受孕之前,男性和女性生殖道中的微生物就具有关键作用,它们可以在受孕期间产生影响。例如女性阴道、子宫颈内膜、子宫、输卵管和卵巢中的微生物群,其特征是生物量低,并且与生殖和子宫健康相关。精液微生物群可能会干扰受孕和早产。据报道,怀孕期间典型的精液细菌(如嗜酸乳杆菌)的存在率较高与早产有关,而另一种常见的精液细菌——卷曲乳杆菌(Lactobacillus crispatus)被确定为具有保护作用。
在怀孕期间,母体微生物的变化与所经历的生理和激素变化同步。阴道微生物多样性降低,乳杆菌成员增加,潜在地加强了它们的免疫保护功能,而较低水平的乳杆菌与早产风险增加相关。妊娠三个月后肠道中促炎的微生物更丰富,产短链脂肪酸的微生物减少。同时妊娠期口腔微生物群的特征是活菌数量增加,同时致病菌水平较高。需要注意的是,口腔生态失调与妊娠期糖尿病、先兆子痫和胎儿紊乱的风险增加相关。
此外,母婴间的垂直传播与婴儿健康相关。一些有益菌种(双歧杆菌、乳杆菌)可以从母亲传播到婴儿体内并定植。但与此同时,一些抗生素抗性基因也会随着微生物的转移,从而使新生儿对一些药物具有耐药性,这将不利于一些新生儿疾病的治疗。
因此了解从受孕到生命最初几年期间关键的微生物群非常重要。本文总结了有关人类生殖微生物群的现有证据,以及生命早期的微生物集群,重点是对婴儿发育和健康结果的潜在影响。
研究还发现:包括特定益生菌和其他益生菌混合物在内的一些饮食策略可能会成为潜在的工具,调节母婴微生物群,并在整个生命周期中实现健康结果。
★ 生命早期的微生物群对代谢和免疫非常重要
生命的前1000天(即从怀孕到出生后的前2年)对于先锋微生物在人体内的定植以及免疫系统的发育和成熟都是至关重要的。因此,这一时期被认为是一个“关键时期”,在此期间,任何事件都将对代谢、免疫和微生物行为产生关键影响,从而影响人类健康。
而对逐步形成的新生儿微生物群的任何改变和破坏都有可能在短期和长期增加个体患病的风险和倾向。
▸ 阴道微生物群
母体微生物群是新生儿最相关的产前和产后微生物来源。
阴道微生物群是一个复杂的生态系统,大约由200多种细菌组成,最主要的阴道种群是乳杆菌(Lactobacillus),在阴道中已检测出超过20种乳杆菌,占细菌群落的近70%。以及其他不太丰富的细菌,如普雷沃氏菌属、链球菌属、拟杆菌属和韦荣氏球菌属。
✦ 阴道微生物群主要分为五种类型
阴道微生物群主要分为五种类型,它们在组成和丰度方面都不同,每个类型都会以一种细菌为主导:
卷曲乳杆菌(CSTI),加氏乳杆菌(CSTII),惰性乳杆菌(CSTIII),多元组(CSTIV表现出较低的乳杆菌属丰度)和詹氏乳杆菌(CSTV)。
阴道微生物群会因地理位置、种族和卫生条件而异。例如,在美国的非裔美国人和西班牙裔妇女中CSTIV的丰度较高,这些成员在维持低pH值和代谢物分泌中起重要作用,以防止病原体在阴道中定植。
✦ 阴道微生物群会随激素水平、分娩、母乳喂养而变化
越来越多的研究证据表明阴道微生物群是阴道健康的重要生物标志物。然而,阴道微生物群并非一成不变。事实上,阴道微生物群显示出时间动态变化,有些群落发生变化,有些则相对稳定,这取决于核心菌群。
最近一项涉及比利时3345名妇女(18-98岁)的研究显示,阴道微生物群与激素变化(雌激素水平和避孕药的使用)正相关。
相反,阴道微生物群与分娩和母乳喂养等因素呈负相关。此外,同一项研究表明,富含阴道加德纳菌(Gardnerella)、普雷沃氏菌属(Prevotella)和拟杆菌(Bacteroides)的阴道微生物群与更年期、月经卫生和避孕药具使用有关。
▸ 子宫、输卵管的微生物群对生殖健康也有影响
女性生殖系统含有对女性健康有影响的细菌,这些细菌也存在于阴道之外。先前的几项研究表明,女性上生殖道(UFRT)中存在微生物群,包括子宫颈内膜、子宫、输卵管和卵巢,其特征是生物量低,并且与生殖和子宫健康相关。
✦ 子宫内膜也以乳杆菌为主,但与阴道菌群有所不同
子宫内膜微生物群的特征是大量乳杆菌(Lactobacillus),其次是加德纳菌(Gardnerella), 普雷沃氏菌属、Atopobium和Sneathia,这也在阴道中发现。然而,似乎子宫内膜细菌群与阴道中的细菌群有些不同,这表明这两种微生物群是相关的,但并不相同。
✦ 输卵管中的菌群
此外,输卵管中也有一些细菌定居,如乳杆菌属、葡萄球菌属、肠球菌属、普雷沃氏菌属和丙酸杆菌,与假单胞菌属。
▸ 男性生殖道的微生物群
之前很少有人研究男性生殖道中的微生物群。最近的研究显示,精液中存在微生物群,其中芽孢杆菌门(Bacillota)是最主要的门,其次包括拟杆菌门、假单胞菌门和放线菌门,其中最常见的属有乳杆菌属、普雷沃氏菌属、Gillisia、棒状杆菌属和加德纳菌。
✦ 男性的生殖道微生物群对生育健康有一定影响
阴道加德纳菌在阴道微生物群中的优势可能与男性炎症有关,这或与阴道定植/感染有关。有人认为,男性和女性生殖微生物群之间存在联系,影响生育、生殖健康和妊娠。
事实上,之前的大多数关于精液微生物组研究都集中在不孕不育问题上,突出了微生物特征和多样性的差异。据报道,男性微生物群受到包括环境在内的不同因素的影响。此外,精液微生物群可能会干扰受孕和早产。据报道,怀孕期间典型的精液细菌(如嗜酸乳杆菌)的存在率较高与早产有关,而另一种常见的精液细菌——卷曲乳杆菌(Lactobacillus crispatus)的优势已被确定为具有保护作用。
总之,女性和男性的生殖微生物组与生殖健康密切相关。研究显示,微生物可作为生物标志物,有助于开发诊断和治疗不孕症的新工具。
生殖过程发生在“微生物环境”下,这些微生物及其代谢物需得到更多关注,因为它们与孕前阶段密切相关。
在怀孕期间,妇女的生理和代谢有所变化,以便为胎儿提供最佳子宫内环境,促进其健康发育。妊娠期间的内分泌、免疫和代谢变化,会营造一种促炎状态,反映在阴道、肠道和口腔的微生物群变化中。
研究微生物标志物与妊娠结局之间的关系,有助于预防和调整与妊娠并发症相关的不利微生物变化。
▸ 阴道微生物群
据报道,怀孕后阴道微生物多样性降低,而乳杆菌成员增加,潜在地加强了它们的保护功能。
✦ 较低水平的乳杆菌与早产风险增加相关
就个别物种而言,卷曲乳杆菌与来自足月妊娠的样本相关。进一步证明,病史包括反复尿路感染的妇女表现出早产风险增加。在足月分娩和早产分娩之间,已经观察到阴道微生物群在组成、稳定性和多样性方面的差异。
加特纳菌(Gardnerella)、Atopobium和Uraplasma spp.的存在,以及较低水平的乳杆菌成员或较高水平的白色念珠菌的存在,已被发现与早产风险有关。
因此,在妊娠期间检测阴道微生物组内的异常可以用作预测早产可能性的微生物生物标志物,特别是在妊娠前三个月检查阴道微生物组。
最近的一项研究报告称,无抗生素的阴道微生物群移植(VMT)和供体移植解决了复发性流产后的阴道生态失调问题。这些研究表明,VMT是一种潜在的治疗具有不良生育和妊娠结局的严重阴道生态失调的方法,然而,还需要进一步的研究。
▸ 肠道微生物群
虽然在妊娠的前三个月期间,肠道微生物群的组成保持稳定,并且类似于孕前微生物群,但是从妊娠的前三个月结束起,其组成发生了根本的变化。
✦ 妊娠三个月后促炎的微生物更丰富,产短链脂肪酸的微生物减少
这些变化反映了更具促炎性的特征,包括妊娠晚期假单胞菌门(肠杆菌科成员)和放线菌门(主要是双歧杆菌成员)的增加,以及短链脂肪酸(SCFA)生产者的减少。
肠道微生物群与多种妊娠表型有关,包括体重增加、轻度炎症和胰岛素抵抗。
✦ 怀孕期间的饮食、营养、抗生素的使用会影响后代的微生物
已经有研究广泛证明,怀孕期间暴露于抗生素会改变母亲的微生物生态系统,从而改变后代的微生物生态系统。怀孕期间使用抗生素会增加阴道内葡萄球菌物种,此外,肠道以外的其他区域的潜在微生物转移可能与过敏和肥胖的风险增加有关。
此外,微生物群在怀孕期间受到母亲的饮食和营养状况的影响,也对其后代的微生物群组成产生影响。人体研究表明,妊娠期女性肠道微生物群的变化易受孕前母体最大体重指数(身体质量指数)的影响,也易受妊娠期体重增加的影响。较低的双歧杆菌属物种在超重和肥胖的母亲以及在怀孕期间体重增加过多的母亲中观察到。
另一项研究报告了怀孕期间体重状况的类似变化和较低水平的拟杆菌物种,以及更丰富的葡萄球菌和大肠杆菌物种在超重孕妇中被发现。
母体肠道微生物群的这种变化可能与通过阴道分娩出生的新生儿的肠道定植过程的差异有关。
▸ 口腔微生物群
怀孕还会引起口腔微生物群的变化。比较孕妇和非孕妇口腔中几种物种的丰度时,已经报道了显著的差异。
✦ 怀孕时口腔中的微生物数量增加,致病菌水平也较高
妊娠期口腔微生物群的特征是活菌数量增加,同时致病菌水平较高,例如牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis),Aggregatibacter actinomycetemcomitans和假丝酵母(Candida genus)。
✦ 口腔生态失调与妊娠期并发症存在一定关联
越来越多的证据表明口腔感染和与妊娠并发症(包括早产)之间的联系。还有证据表明,妊娠期口腔生态失调与妊娠期糖尿病、先兆子痫和胎儿紊乱的风险增加相关。
这些数据表明,口腔微生物群在孕产妇和新生儿结局中也起着关键作用,包括妊娠并发症、早产风险和早期胎儿/新生儿微生物定植。
越来越多的证据表明了细菌从母亲到孩子的垂直传播。垂直传播是一个显著的过程,其中细菌菌株在母亲和新生儿之间交换。
研究人员探索了各种母体菌群来源,包括粪便、母乳、阴道微生物群和皮肤,以揭示这些关键细菌菌株的来源。影响婴儿肠道定植的关键因素包括出生时的胎龄、分娩方式、产前暴露、遗传、抗生素的使用和是否纯母乳喂养。
▸ 特定的垂直传播——例如双歧杆菌
双歧杆菌属(Bifidobacterium)是从母亲传播到婴儿肠道的最常见的微生物,主要传播源是母乳和粪便,出生时的胎龄、出生地、分娩方式和抗生素使用等变量可能会影响双歧杆菌的状态。
✦ 双歧杆菌等菌属从出生时自母亲传播到婴儿体内并定植
已知胃肠道微生物的早期正常定殖有助于免疫系统的发育,并有助于通过调节环境来维持体内平衡。
一项纵向研究表明长双歧杆菌(B.longum)和B. Brief的菌株似乎从出生到4个月一直存在于婴儿的微生物生态系统中。
通过宏基因组测序,我们深入了解了母体肠道到婴儿肠道的传播,外部因素的影响——地点、出生模式和抗生素的使用,每个因素都在形成婴儿微生物群中发挥作用。
双歧杆菌属物种表现出持久性和适应性。与母乳中发现的生物活性化合物(如母乳低聚糖)一起,在支持婴儿肠道微生物群和免疫系统的成熟方面发挥着至关重要的作用。
▸ 抗生素抗性基因转移
双歧杆菌等有益菌可以由母亲传递给婴儿并定植,与此同时,一些带有抗生素抗性基因的微生物也在母体到婴儿之间转移。
抗生素抗性微生物(ARMs)分布广泛,在人、动物之间传播,并通过动物性食物传播。它们携带抗生素抗性基因(ARG),整个细菌群体中的ARG组被称为抗性组。
✦ 耐药病原体可能从母体转移至新生儿体内
生命早期,尤其是围产期和产后,是婴儿肠道微生物群和免疫力发育的关键时期。此外,婴儿的免疫系统尚未成熟,因此他们特别容易获得和携带耐药病原体。这导致每年估计有214000名新生儿因抗生素抗性病原体引起的脓毒性感染而死亡。
婴儿肠道中抗生素耐药微生物菌株的主要来源尚不确定;虽然母体微生物群是主要来源,但其他个体和环境也是相关的,并可能导致婴儿耐药性。微生物在出生、哺乳和密切接触期间从母亲传播给后代。
✦ 母乳喂养、剖腹产等因素影响抗性基因的转移
各种围产期因素,如剖腹产、抗生素暴露、早产和母乳喂养会影响微生物从母亲到婴儿的垂直传播。一些研究阐明了抗生素抗性基因(ARG)在新生儿出生后不久就存在,表明ARMs的最初定殖发生在出生后不久,可能来自与母亲或医院环境的接触。一些研究表明,母亲向婴儿传播耐药细菌,包括各种抗生素耐药菌株,如大肠杆菌, 链球菌等。
众所周知,母乳喂养对婴儿健康有益,为婴儿提供营养和细菌。然而,对于发育中的婴儿来说,母乳似乎是耐药细菌和精氨酸的来源之一。在人乳中发现了耐药菌株。宏基因组分析揭示了母乳中高水平的精氨酸和遗传元素,类似于婴儿对母乳的抵抗力。这表明母亲通过抗性细菌的转移在发展婴儿的肠道抗性中起作用。
需要更多的研究来了解耐药细菌在母体与婴儿间的垂直传播,以理解其对婴儿最初肠道定植的影响。这种更深入的理解将有助于开发控制抗生素耐药基因在母婴之间传播的策略。
在出生时,除了来自环境的微生物之外,新生儿还会遇到来自阴道和母体肠道的数量巨大、种类繁多的微生物。
新生儿中的微生物群定植是一个与健康密切相关的敏感、动态过程。早期多样的微生物建立和特定短链脂肪酸的产生对免疫系统的成熟至关重要。
▸ 最早的新生儿微生物群
✦ 母体与婴儿之间的微生物接触最早可能始于子宫收缩时
不同的研究报告了通过培养依赖性和独立性方法确定的第一次粪便中存在细菌,即胎粪。一些研究人员认为,微生物接触可能最早始于子宫收缩和胎膜破裂期间,从而解释了胎粪中细菌的存在。
首个微生物群由变形菌门(Pseudomonadota)和芽孢杆菌门(Bacillota)的物种组成,如肠杆菌科(Enterobacteriaceae)和肠球菌科(Enterococcaceae)。
此外,还发现了其他菌属,包括双歧杆菌属、拟杆菌属和普雷沃氏菌属。与7天新生儿微生物群相比,首次通过的胎粪微生物群显示出更高的微生物多样性和丰富性,这表明新生儿出生时大量接触微生物,但只有少数能够在肠道中定植并持续存在,以便在出生后的第一年逐步进化。
▸ 影响新生儿微生物群的因素
肠道微生物群会随时间进化,变得更加多样。因此,新生儿定植是一个脆弱的、动态的和逐步的过程,它会受到许多母婴因素以及环境因素的影响。
其中,最相关的因素包括:孕龄、分娩方式(阴道分娩与剖腹产)、地点(医院与家庭)、喂养方式(母乳、混合膳食或婴儿配方奶粉)以及产妇健康状况、遗传、药物、接触异生物质或物理化学制剂的环境、兄弟姐妹、宠物以及人与人之间的水平微生物传播等。
✦ 抗生素的使用
分娩期抗生素预防可能会改变出生后第一周的肠道微生物群,包括放线菌的减少以及假单胞菌属和杆菌属比例的稳步增加。
另一项研究报道,分娩期间施用的抗生素也可以改变新生儿的口腔微生物群,从而导致在抗生素治疗后假单胞菌门的丰度更高。这可能会对儿童发育产生重要影响。
此外,据观察,在妊娠中期和晚期接受抗生素治疗的儿童患肥胖症的风险增加了84%,这可能是由于肠道微生物的变化引起的。
✦ 早产影响婴儿的肠道微生物群平衡
此外,有几项研究报道早产婴儿的微生物群是不平衡的。例如,已有研究表明,与足月婴儿相比,早产胎粪微生物组导致无菌小鼠粪便移植后免疫功能改变、生长受限和激素水平变化。
然而,早产儿有其他合并症,因为他们大多数是通过剖腹产出生的,在出生时和住院期间暴露于抗生素;他们也用母乳喂养,并在新生儿重症监护室呆了更长时间,这些因素可能都会影响早产婴儿的肠道微生物群。
✦ 母亲的健康状况也会影响婴儿的微生物群
也有越来越多的证据表明,子宫内炎症导致围产期并发症增加。婴儿健康和微生物群的母婴传播之间的关联可能受到诸如母亲糖尿病等因素的驱动、特应性疾病、饮食,身体质量指数和围产期抗生素使用。
研究人员观察到患有妊娠期糖尿病(GDM)前期的母亲所生婴儿的胎粪中含有丰富的细菌,这些细菌通常在成年糖尿病患者中观察到。母亲的高脂肪饮食影响婴儿微生物群,表现为拟杆菌属显著减少。
此外,婴儿微生物群影响免疫系统发育的分子机制尚未完全了解,尽管有越来越多的证据表明肠道微生物群在儿童期和成年期的疾病和健康中具有免疫调节活性。
✦ 顺产的婴儿微生物群与母亲肠道微生物更相似
先前已经证明,阴道出生的新生儿具有类似于阴道和肠道母体微生物群的微生物群,富含乳杆菌和普雷沃氏菌,尽管也存在其他细菌,如肠杆菌科,包括埃希氏菌属或克雷伯菌属。
而通过剖腹产出生的新生儿呈现出与口腔、皮肤和环境微生物群相似的独特微生物群。母体肠道似乎也是早期定植细菌的重要来源,因为在经阴道分娩的新生儿中,已发现72%的肠道细菌来自母体肠道,相比之下,经剖腹产出生的受试者中只有41%来自母体肠道,已显示双歧杆菌属在新生儿肠道定植过程中作为先锋细菌的成员,剖腹产出生的婴儿表现出拟杆菌属的延迟定植和多样性降低。
✦ 母乳喂养有助于母亲的微生物群在婴儿中定植
出生后,母乳喂养既支持了微生物的肠道定殖,又促进了免疫系统的成熟。据报道,母乳喂养和配方奶粉喂养的新生儿微生物群之间存在差异。
此外,母乳喂养的停止,而不是补充和固体食物的引入,对婴儿微生物群产生了关键影响。传统上,母乳被认为是无菌的。尽管如此,证据表明,母乳样本中存在活微生物,包括葡萄球菌和链球菌,是最丰富的微生物群,其次是乳酸菌、双歧杆菌和某些假单胞菌(Pseudomonas和Acinetobacter)。
最近的一项研究表明,婴儿肠道中27.7%的细菌来自母乳,10.3%来自乳晕皮肤,从而突显了母乳喂养对婴儿肠道微生物群的潜在影响。
此外,母乳和婴儿肠道之间共享的微生物和病毒种类也有被发现。
饮食是塑造我们肠道微生物群的一个关键因素。因此,建议进行饮食和营养咨询以及营养补充,以便在孕前和妊娠阶段达到适当的营养状态。最近有报道称,怀孕期间以及随后的母乳喂养期间,母亲的饮食对母亲和婴儿的微生物群都有重要影响。
★ 地中海饮食有助于改善母婴的健康水平
母亲的蛋白和纤维摄入量会影响母乳成分,如微生物群、脂质、母乳低聚糖(HMO)和microRNA表达谱。地中海饮食(MD)被证明在怀孕期间能够改善母婴健康结果,包括生长受限、胎儿和新生儿大脑发育、儿童神经发育。
妊娠期地中海饮食,主要是水果、蔬菜和豆类的摄入量增加,红肉的摄入量减少,与Acidaminoacaeae家族水平以及短链脂肪酸生产者的丰度较高有关。
植物蛋白、纤维和多酚的摄入量增加与瘤胃球菌属(Ruminococcus)、Christenselacae科、Dehalobacterium和真/优杆菌属(Eubacterium)以及短链脂肪酸生产菌的存在增加有关。
✦ 饮食不仅改善肠道微生物,对阴道、口腔微生物也有影响
大多数关于饮食-怀孕-微生物群的可用数据都集中在肠道微生物群上,但据报道,增加水果、维生素D、纤维和酸奶的摄入量与女性阴道卷曲乳杆菌(L.Crispatus)有关;纤维摄入与较高的异质性相关。
有限的证据表明饮食对阴道微生物群和妊娠结局的影响。在这种情况下,仍需确定哪些食物、食物成分、营养素和其他膳食化合物会影响围产期妇女的微生物群(肠道、口腔和阴道),以及对母婴结局的潜在影响。
对围产期饮食干预的研究兴趣日益增加,以及在怀孕期间使用益生菌、益生元和共生体来调节微生物群和促进“有利的微生物垂直传播”。有一些证据表明,在怀孕和哺乳期间服用益生菌可以起到保护作用,而益生元和其他益生菌的证据较少。
值得注意的是,脆弱和敏感人群需要特殊的安全性考虑,包括安全性和与妊娠、哺乳和婴儿期相关的不良反应的潜在报告。
▸ 益生菌对生育能力的影响
补充乳杆菌有利于重建阴道菌群平衡
阴道感染会影响乳杆菌的平衡,导致可能影响生育能力的细菌的生长。因此,补充乳杆菌应有助于重建平衡。
一项涉及健康女性的体外受精研究显示,在阴道定植卷曲乳杆菌(L.Crispatus)后,受孕结果很有希望。
补充益生菌有助于提高精子质量
在不孕症和辅助生殖医学的病例中,已报道了精液微生物群组成的差异,使用益生菌可能在精液特征和质量参数方面具有有益的效果。研究已经显示出Lacticaseibacillus rhamnosus CECT8361和B.longum CECT7347在弱精子症男性中,补充为期六周可以改善精子质量参数和活力,并降低DNA片段和活性氧(ROS)水平。
另一方面,有报道称,共生菌(Flortec, Lacticaseibacillus paracasei B21060 和阿拉伯半乳聚糖、低聚果糖和l-谷氨酰胺)对少弱畸形精子症患者精液质量和数量具有一定的改善作用。
此外,系统综述和荟萃分析表明,益生菌有利于精子活力。然而,关于益生菌对接受辅助生殖的女性的功效,存在相互矛盾的证据。这表明需要更多临床研究来证明益生菌对生育能力的影响。
▸妊娠期使用益生菌降低疾病风险
孕期服用益生菌为减少母婴健康风险提供了方案。现有研究主要集中在早产风险、减少生殖器感染、妊娠期糖尿病(GDM)和先兆子痫前期等方面,这些往往被视为次要健康结果。
益生菌有助于改善孕妇生殖器感染
孕妇经常患有复发性尿路感染(UTIs)、外阴阴道念珠菌病(VVC)和细菌性阴道病(BV)。这些问题与不利的母婴妊娠结果有关,包括早产风险和胎儿生长受限。益生菌已被提出作为治疗BV和UTI的预防性替代品,通过维持或恢复阴道微生物群或防止病原体在尿道定植。
先前的研究表明,益生菌组合,即嗜酸乳杆菌、乳双歧杆菌(B.lactis)和长双歧杆菌(B.longum),对孕妇B组链球菌(GBS)定植具有潜在的治疗作用。
此外,最近的研究表明益生菌菌株在治疗妊娠期GBS感染方面的有效性,其中一项临床研究报告称,补充鼠李糖乳杆菌GR-1和罗伊氏乳杆菌RC-14被证明对治疗GBS感染有效。
最近一项涉及36名GBS阳性女性的研究报告称阴道共生菌显著增加,对阴道GBS有影响。而一项对18项研究的系统综述和荟萃分析表明,抗生素和益生菌显著降低了细菌性阴道病(BV)的复发率,提高了治愈/缓解率。其他报告益生菌对阴道炎影响的研究也显示了类似的结果。
✦ 降低先兆子痫的风险
最近一项涉及70149名孕妇的研究发现,益生菌(嗜酸乳杆菌[LA-5],乳双歧杆菌[Bb12]还有鼠李糖乳酸杆菌GG [LGG])显著降低先兆子痫的风险。
这项研究还强调了“时机”(即何时进行益生菌干预)的相关性,因为在怀孕前或怀孕早期食用益生菌没有观察到任何影响。孕晚期(而非孕前或孕早期)摄入益生菌牛奶与降低先兆子痫风险显著相关(调整后的 OR:0.80(95% CI 0.68 至 0.94)p 值:0.007)。孕早期(而非孕前或孕晚期)摄入益生菌与降低早产风险显著相关(调整后的 OR:0.79(0.64 至 0.97)p 值:0.03)。
然而另一项系统综述报告称,与安慰剂相比,益生菌会导致肥胖受试者的先兆子痫风险增加。肥胖与先兆子痫的风险较高有关。因此,需要更多的研究来确定弱势群体中与益生菌相关的风险。
预防妊娠期糖尿病,改善胰岛素敏感性
鼠李糖乳杆菌(L.rhamnosus)GG和乳双歧杆菌(B.lactis)BB12与饮食相结合已被证明可以预防妊娠期糖尿病(GDM),降低血糖浓度和改善胰岛素敏感性。
另一种益生菌菌株,鼠李糖乳杆菌(L.rhamnosus) HN001菌株能够降低GDM的患病率,特别是在中老年妇女和那些以前患有妊娠期糖尿病的妇女中。
最近的一项系统综述包括30多项在怀孕期间进行的研究,表明益生菌干预对改善血糖控制、降低低密度脂蛋白胆固醇(VDL)和甘油三酯以及减少炎症标记物的潜在作用。
益生菌补充剂可能会降低妊娠期糖尿病(GDM)的发病率,并有助于控制健康孕妇和超重和肥胖妇女的血糖参数。
最近的荟萃分析显示,益生菌将GDM发病率降低了33%,当使用多种菌株益生菌组合时,效果更好。一项系统综述和荟萃分析还报告称,摄入酸奶(活微生物)可以降低GDM的风险,并降低空腹血糖。
减少产后压力和抑郁
越来越多的数据显示益生菌对抑郁、焦虑和情绪的潜在用途。一项研究(系统综述和荟萃分析)显示,益生菌在减少孕妇和哺乳期妇女的焦虑和抑郁方面具有积极作用。
其他研究报告了益生菌和对照组在抑郁评分方面没有差异,然而,在总体精神健康评分方面,报告了焦虑的降低。
▸ 出生后使用益生菌的有益作用
文献中有数据和研究表明特定益生菌的有益作用,例如布拉氏酵母菌,鼠李糖乳酸杆菌GG(LGG),罗伊氏乳杆菌和动物乳双歧杆菌(Bb12)。
婴儿早期使用益生菌的主要目标是:
1)预防腹泻和感染;
2)预防过敏;
3)预防坏死性小肠结肠炎和早产儿迟发性败血症、预防婴儿绞痛。
此外,一项系统综述强调了灭活益生菌的潜在益处,灭活益生菌在生命的早期和敏感期以及敏感人群是一种安全的替代品,如早产儿和儿科人群。
产后使用益生菌的另一个例子与患有乳腺炎的女性有关,包括感染性乳腺炎和葡萄球菌乳腺炎。
在探索微生物群与人类健康之间的复杂关系时,我们发现,从受孕到生命最初几年,微生物群在每一个生命阶段都扮演着不可或缺的角色。母体的微生物环境不仅影响着怀孕过程中的生理变化,还直接关系到婴儿的健康和发育。通过了解这些微生物的作用,我们可以更好地认识到早期干预的重要性,尤其是通过饮食和生活方式的调整来优化母婴微生物群。
随着科学研究的不断深入,我们有望开发出更有效的策略,以促进母婴健康,预防潜在的健康问题。未来的研究将继续揭示微生物群的奥秘,帮助我们在整个生命周期中实现更好的健康结果。
主要参考文献
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认识免疫疗法
免疫疗法是一种利用人体自身的免疫系统来对抗疾病的方法,尤其是在癌症治疗中,它通过激活或增强免疫系统来识别和攻击癌细胞。这一疗法的核心在于激发免疫系统对肿瘤细胞的特异性反应,从而达到治疗目的。
免疫疗法具有高度的选择性和靶向性,能够减少对正常细胞的伤害,降低传统化疗和放疗的副作用。免疫疗法的种类多样,包括单克隆抗体、免疫检查点抑制剂、肿瘤疫苗、过继细胞疗法等。
肠道微生物群与癌症治疗之间的关联已经成为癌症研究领域的热点。多项研究表明,肠道微生物群的组成和功能与癌症患者的免疫疗法反应性密切相关。肠道微生物群不仅在维持肠道健康中起着关键作用,而且在调节全身免疫反应、影响药物代谢和毒性反应中也扮演着重要角色。例如,某些特定的肠道细菌在调节免疫检查点抑制剂的疗效中起到关键作用,而抗生素的使用可能会干扰这一过程,影响治疗效果。
本文我们来了解肠道微生物组对 ICI (免疫检查点抑制剂) 疗效的影响,讨论了微生物组与先天和适应性免疫细胞相互作用以改善 ICI 反应的机制,微生物组衍生的代谢物和分子介导的抗肿瘤免疫反应对 ICI 的机制,同时也包括操纵肠道微生物组以提高 ICI 疗效的治疗策略和正在进行的临床试验。
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首先了解下关于免疫疗法相关的一些关键知识和问题:
免疫疗法利用人体自身免疫系统对抗疾病主要通过以下几种方式:
免疫检查点抑制剂(ICI):
免疫检查点抑制剂通过阻断 PD-1 或 CTLA-4 等蛋白质,解除对免疫细胞的抑制,使免疫系统能够更有效地识别和攻击肿瘤细胞。
过继性细胞免疫治疗:
从患者体内提取免疫细胞(如 T 细胞),在体外进行基因修饰或培养扩增,使其具有更强的识别和攻击肿瘤细胞的能力,然后再回输到患者体内,发挥抗癌作用。
例如,CAR-T 细胞疗法就是通过对T细胞进行基因改造,使其表面表达能够特异性识别肿瘤抗原的嵌合抗原受体(CAR),从而增强对肿瘤细胞的杀伤能力。
肿瘤疫苗:
包括预防性疫苗(如预防某些病毒感染引起的癌症,如 HPV 疫苗预防宫颈癌)和治疗性疫苗。治疗性疫苗通过向患者体内引入肿瘤相关抗原,刺激免疫系统产生针对肿瘤细胞的特异性免疫反应。
单克隆抗体治疗:
利用人工制备的单克隆抗体特异性地结合肿瘤细胞表面的靶点,直接杀伤肿瘤细胞或通过标记引导免疫系统攻击肿瘤细胞。
总之,免疫疗法旨在激发、增强或调节人体自身的免疫系统,使其能够更有效地识别和消除异常细胞,从而达到治疗疾病的目的。
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免疫功能是一把双刃剑,过强或过弱都会危害人体健康,因此,需要对患者进行免疫功能的监测和评估。
人体免疫可以从三个层面进行探讨:
在免疫细胞中,淋巴细胞谱系与髓样细胞谱系,各占半壁江山,共同抵抗外界对人体的侵袭。
淋巴细胞是构成免疫系统的主要细胞类别,占外周血白细胞总数的 20%-45%,成年人体内约有 1012 个淋巴细胞。
淋巴细胞可分为许多表型与功能均不同的群体,如 T细胞、B细胞、NK细胞等,T 细胞和 B 细胞还可进一步分为若干亚群。淋巴细胞不同亚群的比例、数量以及功能会直接影响机体的免疫状态。
一,T淋巴细胞(简称T细胞)
起源于骨髓造血干细胞,在胸腺素及胸腺微环境影响下分化成熟为T细胞,故T细胞又称胸腺依赖性淋巴细胞。
T 细胞主要参与细胞免疫,表达CD3抗原,其中,T 细胞又包括辅助T细胞(Th)和细胞毒性T细胞(Tc),它们分别表达 CD4 和 CD8。
T淋巴细胞亚群的临床意义
它能反映机体当前的免疫功能、状态和平衡水平,并可以辅助诊断某些疾病,对分析发病机制,观察疗效及检测预后都有重要意义。
例如:CD4+/CD8+ 比值是指在血液中,CD4+ T细胞的数量与CD8+ T细胞数量的比率。这个比值对于评估免疫系统的健康状况非常重要。
CD4+/CD8+的其他临床应用场景
——器官移植
跟移植前相比,器官移植后CD4+/CD8+明显增加,则可能发生排斥反应。
——肿瘤病人
在肿瘤病人外周血中T淋巴细胞亚群数值都有异常,其特征是患者体内 CD3+细胞、CD4+细胞明显减少,而 CD8+细胞明显增加;CD4+/CD8+比值显著降低,说明肿瘤患者的细胞免疫功能处于免疫抑制状态,患者对识别和杀伤突变细胞的能力下降,形成了肿瘤的生长转移。
——再生障碍性贫血与粒细胞减少症
患者的外周血 CD4+细胞数减少,CD8+细胞数增多,CD4+/CD8+比值明显下降。
二、B/NK 淋巴细胞的临床意义
B 细胞主要参与体液免疫,表达 CD19 抗原;NK 细胞表达 CD16 和/或 CD56,在机体中不依赖抗原刺激自发地发挥细胞毒效应。淋巴细胞在免疫应答中起核心作用。
NK 细胞(CD3-CD16+和/或CD56+)能够介导对某些肿瘤细胞和病毒感染细胞的细胞毒性作用。
注:以上内容参考自 赛欧细胞
2007~2013 年
小鼠研究表明肠道菌群可以刺激抗肿瘤免疫反应。
2015年
两项临床前小鼠研究首次将肠道菌群与 ICI 反应联系起来。
2018 年
小鼠和人类研究表明,肠道菌群的组成和多样性可以预测对 ICI 免疫疗法的反应。将对 ICI 有反应的患者的粪菌移植到无菌或抗生素治疗的小鼠中,可以改善肿瘤控制并改善对 ICI 的反应。
2019~2020 年
前瞻性研究证实,非小细胞肺癌(NSCLC)、肝细胞癌 (HCC)、黑色素瘤、肾细胞癌 (RCC) 患者的肠道菌群与 ICI 结果之间存在显著相关性。
在非小细胞肺癌 (NSCLC) 和肾细胞癌 (RCC) 中,细菌多样性较高的患者对抗 PD-1 疗法更敏感。对ICI 无反应者进行 FMT 后口服补充Akkermansia muciniphila 可恢复抗 PD-1 治疗反应 。
在黑色素瘤患者中,肠道菌群的多样性和组成与抗 PD-1 治疗反应呈正相关。大多数情况下,对 ICI 有反应的患者肠道中粪杆菌和瘤胃球菌科的丰度较高,其外周CD4 + T 细胞和 CD8 + T 细胞数量增加。另一项针对转移性黑色素瘤患者研究表明,长双歧杆菌、产气柯林斯菌(Collinsella aerofaciens)、屎肠球菌(Enterococcus faecium)在有反应患者的基线粪便中更为丰富。
回顾性研究表明,抗生素与生存率下降和对 ICI 的反应减弱有关,支持抗生素引起的菌群失调与 ICI 疗效不佳之间存在因果关系。
2021 年
两项临床试验发现,ICI反应者的FMT联合抗PD-1疗法克服了黑色素瘤患者对 PD-1 阻断的耐药性。
肠道菌群和 ICI 疗效的时间表
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
以上是肠道菌群对调节免疫检查点抑制剂(ICI)免疫治疗外,肠道菌群还可以影响细胞免疫转移(ACT)免疫治疗、CpG寡核苷酸(CpG-ODN)免疫疗法和基于细胞的免疫疗法。
ACT疗法
抗生素暴露降低了小鼠的ACT疗法疗效,而通过给予细菌脂多糖(LPS)来影响治疗效果,通过toll样受体4信号(TLR)传导恢复了治疗效果。另一项研究表明,肠道菌群通过增加CD8α+ DC的丰度和上调IL-1来维持ACT疗法的治疗效果。
注:过继性细胞转移(Adoptive Cell Transfer, ACT)疗法,是一种利用患者自身的免疫细胞进行癌症治疗的方法。它涉及从患者体内分离出T细胞,然后在体外进行改造,使其能够识别并攻击肿瘤细胞,最后再输回患者体内。包括TIL、TCR-T以及CAR-T等几种治疗方法。
CpG-ODN免疫疗法
在CpG-ODN免疫疗法中,肠道菌群激活TLR4,直接或间接启动肿瘤相关骨髓细胞对CpG-ODNs的TLR9依赖反应。CpG-ODN的有效性在无菌和暴露抗生素的小鼠中被削弱,影响了肿瘤坏死因子(TNF)和IL-12的产生。
注:CpG-ODN免疫疗法是一种利用CpG寡脱氧核苷酸(CpG ODN)来激活和调节免疫系统的治疗方法。它通过激活多种免疫细胞如自然杀伤细胞(NK细胞)、单核/巨噬细胞、树突状细胞(DC)、B细胞和T细胞等,来增强机体的免疫反应。
基于细胞的免疫疗法
肠道菌群介导的胆汁酸代谢增加了肝脏中CXCR6+自然杀伤T(NKT)细胞的丰度,并在肝细胞癌中发挥抗肿瘤作用。
总之,肠道菌群在调节免疫治疗方面发挥着重要作用,影响细胞免疫转移和各种免疫疗法效果,并通过不同机制影响治疗效果。这些研究揭示了肠道菌群对免疫疗法的关键影响,包括调节免疫细胞活性和相关信号通路,进而影响肿瘤治疗的效果。
★ 毛螺菌科(Lachnospiraceae)
不可切除肝细胞癌(HCC)患者在接受抗PD-1药物治疗后,有客观临床反应的患者的粪便样本中Lachnoclostridium富集,且与胆汁酸等特定细菌代谢物的高浓度相关。类似的现象也在对抗PD-1治疗有反应的黑色素瘤患者中观察到。Lachnospiraceae的某些菌株与改善无进展生存期(PFS)相关。
★ 瘤胃球菌科(Ruminococcaceae)
Ruminococcaceae家族的共生菌通过降低肠道通透性促进宿主健康,并在产生短链脂肪酸如乙酸和丙酸中起重要作用。
临床研究表明,瘤胃球菌属在多种癌症类型中与ICI治疗反应性正相关,但其对ICI毒性的潜在影响及通过SCFA直接影响ICI效果的证据有限。不同瘤胃球菌属对ICI治疗反应的影响各异,表明需要进一步研究以开发基于肠道菌群组成的治疗反应预测生物标志物。
★ 颤螺旋菌科(Oscillospiraceae)
Faecalibacterium与ICI反应性:观察研究表明,Oscillospiraceae特别是F. prausnitzii的丰度与黑色素瘤患者对ICI的反应正相关,并减少不良事件。
Faecalibacterium刺激Tregs增殖并释放抗炎细胞因子如IL-10和IL-33,有助于维持肠道内抗炎因子平衡。
Faecalibacterium可能通过诱导CTLA-4+ Tregs的扩增增强抗CTLA-4治疗的效果,并作为增强疗效的辅助剂。
Faecalibacterium衍生的效果与免疫细胞频率增加相关,可能增强抗PD-1治疗的疗效,但研究结果存在差异。
★ 乳酸杆菌科(Lactobacillaceae)
乳酸菌作为共生菌具有免疫调节特性,常用作益生菌,临床前研究表明其能增强小鼠对anti-CTLA-4的反应,可能作为ICI治疗成功与否的生物标志物。
乳酸菌增强免疫应答:乳酸菌与小鼠树突细胞共培养可促进细胞成熟,增强免疫反应,提高IFN-γ和Granzyme B的产生,增加肿瘤中的CD8+ T细胞浸润,减缓肿瘤生长。
乳酸菌与PD-1抑制剂的协同效应:乳酸菌ZW18和L. reuteri的补充可优化肠道菌群组成,增强抗PD-1治疗的效果,通过不同机制提高CD8+ T细胞的活性和肿瘤组织中的IFN-γ表达。
★ 拟杆菌门
系统性抗生素治疗可能破坏其与厚壁菌门的比例,拟杆菌门增多,引起肠道菌群失衡和抗肿瘤免疫的负面影响。
负面影响:研究发现,拟杆菌门的丰度与黑色素瘤患者对免疫治疗的反应率呈负相关,高水平拟杆菌属与较差的ICI治疗反应有关。
拟杆菌门的增多可能抑制外周细胞因子反应,并促进免疫抑制细胞如Tregs和骨髓源抑制细胞的频率,从而影响ICI治疗的效果。
正面影响:尽管拟杆菌门的整体丰度与不良的ICI治疗反应相关,但某些物种如B. caccae、B. fragilis、B. thetaiotaomicron在转移性黑色素瘤患者中可能具有免疫刺激效应。
尽管拟杆菌门的某些物种对宿主免疫系统有益,但整体丰度与ICI治疗效果呈负相关。特定拟杆菌属的加入可能通过促进效应免疫反应来增强ICI治疗的效果,但需要更多研究来验证这一点。
★ 疣微菌科(Akkermansiaceae)
积极作用:Akkermansia muciniphila是一种在人体和动物消化系统中丰富的菌种,能分解黏蛋白,其丰度在对anti-PD-1/PD-L1治疗有反应的多种癌症患者中较高,有助于增强免疫反应和提高治疗效果。
增强免疫应答:A. muciniphila通过刺激树突细胞释放IL-12,减少免疫抑制Tregs的招募,增强Th-1相关免疫反应,与无进展生存期(PFS)相关。
注:该菌能通过其细胞膜中的脂质二酰基磷脂酰乙醇胺调节TLR1-TLR2分子途径,并在宿主代谢调节中发挥关键作用。
尽管A. muciniphila通常与正面的临床结果相关,但一些研究显示其在肠道微生物群中的主导地位可能预示着对anti-PD-1阻断的反应较差。
作为预测生物标志物和治疗策略:A. muciniphila的积极效果使其成为预测ICI治疗反应的潜在生物标志物,其口服给药在临床前模型中能将无反应者转变为有反应者,但剂量是关键因素。
★ 红蝽菌科(Coriobacteriaceae)
研究发现,对anti-PD-1治疗有反应的黑色素瘤患者中C. aerofaciens的丰度更高,且带有响应者菌群(包括C. aerofaciens)的无菌小鼠显示出更强的T细胞激活,导致增强的anti-PD-1效果和减缓的肿瘤生长。
C. aerofaciens的增加不仅促进T细胞激活,还通过提高IL-17A和CXCL1及CXCL5趋化因子的产生来促进炎症环境,同时减少紧密连接蛋白的表达,增加肠道通透性,这些免疫调节效应提示C. aerofaciens对ICI活性的重要性需要进一步探索。
★ 双歧杆菌科(Bifidobacteriaceae)
多项研究表明,双歧杆菌科的存在与增强的免疫介导的肿瘤抑制和ICI治疗的疗效相关。双歧杆菌与多种癌症(包括肾细胞癌、结直肠癌、黑色素瘤、非小细胞肺癌和三阴性乳腺癌)中ICI治疗的有效性增强有关。
双歧杆菌通过改变树突细胞的功能、促进CD8+ T细胞浸润、增加干扰素-γ的产生等机制,提高抗肿瘤反应。
双歧杆菌产生的肌苷通过T细胞特异性腺苷2A受体A2AR信号传导增强抗肿瘤能力,双歧杆菌通过抗原交叉反应,使表达特定新抗原的肿瘤对T细胞介导的破坏更加敏感。
双歧杆菌的这些特性使其成为潜在的预测ICI治疗反应的生物标志物,并且其作为单一治疗或与ICI治疗结合的策略在临床前模型中显示出前景。
临床前和临床研究中不同细菌对 ICI 治疗效果的积极和消极影响
doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101487
细菌种群与ICI治疗结果之间的关联
doi.org/10.1016/j.xcrm.2024.101487
注:癌症患者中绿色高亮细菌的存在或高丰度与不同癌症类型对ICI治疗的积极反应相关,而非应答患者中红色高亮细菌的流行率更高。
TNBC,三阴性乳腺癌;HCC,肝细胞癌;NSCLC,非小细胞肺癌;RCC,肾细胞癌;GI,胃肠道;CRC,结直肠癌;mCRPC,转移性去势抵抗性前列腺癌。
研究表明,肠道菌群调节 ICI 反应,有必要详细探索特定细菌种类和微生物代谢物对 ICI 的作用机制。
肠道菌群可调节先天性和适应性免疫,并影响 TME 中的抗肿瘤免疫反应。如下表,特定细菌种类在免疫背景下影响TME 以提高 ICI 疗效的复杂机制。
肠道菌群调节先天免疫、适应性免疫和肿瘤抗原,以改善 ICI 反应。
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
■ 树突状细胞
双歧杆菌、十一种菌株及其代谢物和脆弱拟杆菌促进树突状细胞成熟或活化,随后活化 CD8 + T 细胞和 Th1 细胞。
树突状细胞 (DC) 是一组特殊的抗原呈递细胞,在 T 细胞活化和抗肿瘤免疫中起着至关重要的作用。肠道菌群抗原或含有免疫调节剂的代谢物可用于动员和激活树突状细胞 ,逆转未成熟树突状细胞诱导的免疫耐受。
例如,口服双歧杆菌可增加树突状细胞 (DC) 活化,进而支持改善肿瘤特异性CD8 + T细胞应答,并恢复抗 PD-L1 疗法在肠道菌群“不利”的小鼠中的治疗效果。
11 种菌株与 ICI 相结合,可强力诱导干扰素 (IFN) γ + CD8 + T 细胞,以依赖于固有层 cDC1 和主要组织相容性复合体 (MHC) I 类的方式抑制肿瘤生长。
脆弱拟杆菌通过触发树突状细胞成熟和刺激 IL-12 依赖性 Th1 细胞免疫反应,增强了 CTLA-4 阻断的抗肿瘤作用。
此外,万古霉素介导的肠道微生物组成调节通过增加 cDC1 和上调 IL-12,提高了抗肿瘤特异性效应 T 细胞的活性。
■ NK细胞
植物乳杆菌增加 NK 细胞活化;
高盐饮食增加肠道通透性和肿瘤内双歧杆菌的定位,并增强 NK 细胞活化以诱导抗肿瘤免疫。
NK 细胞可以调节TME 中的DC 和 CD8 + T 细胞丰度并影响对 ICI 的反应。越来越多的研究发现 NK 细胞和肠道菌群之间的相互作用。
注:NK 细胞也被称为自然杀伤细胞,是一类重要的淋巴细胞,主要起着免疫监视和细胞毒灭活的作用。这些细胞在体内寻找并摧毁受感染或变异的细胞,帮助维持身体的免疫功能。NK 细胞是免疫系统中的重要组成部分,对抗病毒感染和肿瘤细胞具有重要作用。
具有高微生物多样性的 NSCLC 患者在 PD – 1 阻断反应中具有更高丰度的独特记忆 CD8 + T 细胞和外周 NK 细胞亚群。
植物乳杆菌有效增加天然细胞毒受体(NCR)蛋白的表达并促进 NK 细胞活化以触发先天免疫。
次优剂量的 PD-1 阻断联合高盐饮食显著抑制了小鼠的肿瘤生长。
高盐饮食的双重作用
研究发现,高盐饮食会导致肠道通透性增加,以及双歧杆菌在肿瘤内部的定殖(即定居和繁殖)。这些变化会促进自然杀伤细胞(NK细胞)的活化,进而增强身体对肿瘤的免疫反应,从而发挥抗肿瘤作用。
由于高盐饮食与慢性炎症、心血管疾病和自身免疫性疾病有关,因此食用高盐饮食被认为是一种不健康的生活方式。免疫系统会转向促炎作用,然而,这种不良副作用被发现对肿瘤免疫有益。
高盐饮食增加了肠道的通透性,有利于双歧杆菌进入肿瘤部位,刺激自然杀伤细胞(NK细胞)并激活T细胞,导致肿瘤细胞的破坏并增加苯甲酸盐水平。肿瘤细胞通过程序性细胞死亡受体蛋白L1逃避破坏,L1与PD受体结合并使T细胞失活。
尽管抗PD-1疗法可以恢复T细胞功能,但由于某些肿瘤的PD-1分泌功能,它并非对所有肿瘤都有效。通过测量苯甲酸盐水平可以指导抗PD-1疗法的效果。高盐环境提供了一种避免肿瘤细胞检查点抑制的途径,通过干扰免疫介导的炎症,这可以通过调节盐水平被用作治疗方式。
总之,高盐饮食是一把双刃剑,但通过影响肠道微生物组和其他细菌产物,在肿瘤免疫中有希望的作用,需要进一步研究以揭示其潜在的好处。
■ 单核细胞/巨噬细胞
喂食高纤维饮食、用产生 cdAMP 的A. muciniphila单定植或从 ICI 反应者转移粪便菌群可触发单核细胞-IFN-I-NK 细胞-DC 级联;
双歧杆菌以 STING 信号和 IFN-I 依赖的方式促进基于 CD47 的免疫治疗;
脆弱拟杆菌诱导巨噬细胞表型极化为M1。
IFN-I (I型干扰素)和单核吞噬细胞水平的偏差导致免疫失调和免疫抑制性 TME。微生物诱导的 IFN-I 信号传导介导从先天免疫到适应性免疫的转变(上图)。
注:I型干扰素是一类干扰素,包括多种干扰素如IFN-α和IFN-β等,在免疫系统中起着重要的调节和抗病毒作用。
微生物衍生的干扰素基因刺激物 (STING) 激动剂(如 c-di-AMP)诱导肿瘤内单核细胞发出 IFN-I 信号传导,从而使单核吞噬细胞转向抗肿瘤巨噬细胞 (Macs) 并引发单核细胞-IFN-I-自然杀伤 (NK) 细胞-DC 串扰。
喂食高纤维饮食、用产生 cdAMP 的A. muciniphila进行单定植或从 ICI 应答者转移粪便微生物群可改善抗肿瘤反应和 ICI 疗效。
类似地,研究显示双歧杆菌优先定植于肿瘤部位,以 STING 信号和 IFN-I 依赖的方式促进基于 CD47 的免疫治疗。
脆弱拟杆菌诱导巨噬细胞表型极化为M1,并上调细胞中 CD80 和 CD86 的表达,促进先天免疫。
■ CD8 + T 细胞
双歧杆菌、肠球菌、粪杆菌、瘤胃球菌和梭菌目促进 CD8 + T 细胞浸润至肿瘤组织;
厚壁菌门和放线菌门可提高ICI 应答者外周血CD56 + CD8 + T 细胞的活化;
11 种菌株可增加体循环中效应 IFNγ + CD8 + T 细胞的比例。
多项研究已证实,特定肠道菌群可在体循环或 TME 中 诱导 CD8 + T 细胞(上图)。例如,具有相对丰富的有益菌群(包括梭菌目、瘤胃球菌科或粪杆菌)的黑色素瘤患者,其抗原呈递增加,外周血和 TME 中的效应 CD4 + T 细胞和 CD8 + T 细胞功能改善,从而改善了 ICI 的抗肿瘤功效。
临床试验的证据表明,厚壁菌门和放线菌门在 FMT 与 PD-1 阻断反应者联合治疗中富集。FMT 和 PD-1 阻断联合治疗可刺激外周血单核细胞 (PBMCs) 中的粘膜相关不变 T (MAIT) 细胞和 CD56 + CD8 + T 细胞,并上调肿瘤部位 CD8 + T 细胞上人类白细胞抗原 (HLA) II 类基因 CD74 和 GZMK 的表达。
同时,FMT 联合 PD-1 阻断治疗后,难治性转移性黑色素瘤中的肠球菌相对丰度增加,导致肿瘤内 CD8 + T 细胞浸润增加和肿瘤细胞坏死。
此外,双歧杆菌和 11 种菌株也可以增加依赖树突状细胞 (DC) 的 CD8 + T 细胞的丰度,以提高 ICI 治疗效果。
■ CD4 + T 细胞
B. pseudolongum和脆弱拟杆菌刺激 Th1 免疫反应;
A . muciniphila触发CCR9+CXCR3+CD4+T 淋巴细胞募集到瘤床;
粪杆菌可增加 CD4 + T 细胞比例。
在小鼠模型中,B. pseudolongum主要通过肠道微生物代谢物肌苷促进 Th1 转录分化和抗肿瘤免疫反应,从而提高 ICI 疗效。
脆弱拟杆菌通过促进固有层树突状细胞的动员来刺激 IL-12 依赖的 Th1 免疫反应,从而恢复对 ICI 的免疫反应。
FMT无反应小鼠口服补充A. muciniphila可通过触发 CCR9 + CXCR3 + CD4 + T 淋巴细胞募集到瘤床来恢复抗 PD-1 反应。
注:瘤床(Tumor Bed)是指在肿瘤手术切除后,原有肿瘤所在的部位,包括切除肿瘤组织后的创面以及周围组织。瘤床的特征和变化对于肿瘤的预后和治疗效果起着重要作用。
在人类患者中,粪杆菌增加了外周血中的 CD4 + T 细胞比例和血清 CD25 的产生,并降低了外周血中的 Treg 细胞比例,从而诱导了伊匹单抗的长期临床益处。
注:伊匹单抗(yervoy)是首个免疫检查点抑制剂,于2013月由FDA批准上市,用于治疗转移性黑色素瘤或无法手术切除的黑色素瘤。伊匹单抗是一种抗CTLA-4抗体。
CTLA-4表达于T细胞表面,是第一个用于临床研究的Chemicalbook抑制性受体靶点。CTLA-4在T细胞活化阶段发挥抑制功能:T细胞活化后,CTLA-4在T细胞表面上调表达,一方面与CD28竞争性结合共刺激分子B7,另一方面传导抑制性信号来终止细胞活化,CTLA-4在维持免疫系统内稳态中起至关重要的作用。
肠道菌群通过提供肿瘤交叉抗原来增强肿瘤细胞的免疫原性,从而改善 ICI 的疗效,包括抗原表位 TMP1 和抗原表位 SVY。
肿瘤免疫原性降低是肿瘤细胞抵抗T细胞杀伤的重要机制。
一方面,肠道菌群可以通过作用于肿瘤细胞表面的UBA6,直接增强肿瘤细胞的先天免疫原性,从而增强ICI反应。
另一方面,肠道菌群可以通过提供肿瘤交叉抗原来间接增加肿瘤细胞的免疫原性,从而促进ICI的疗效。已鉴定出肠道微生物表达的抗原与肿瘤细胞之间存在一些交叉反应性(上图C ) 。
Enterococcus hirae 基因组中的抗原表位尾长卷尺蛋白1(TMP1)与蛋白酶体亚基β4型(PSMB4)肿瘤抗原具有高度相似性。它们同时激活CD8 + T细胞,提高PD-1阻断疗法的疗效。
已证明共生菌短双歧杆菌表达的抗原表位SVYRYYGL(SVY)与肿瘤表达的抗原表位SIYRYYGL(SIY)相似,导致SVY特异性T细胞识别SIY并抑制肿瘤生长。
肠道微生物群及其代谢物对免疫疗法影响的机制
doi.org/10.1186/s40164-023-00442-x
肠道微生物群调节抗肿瘤免疫的主要方式之一是通过代谢物。肠道微生物群合成或转化大量代谢物,这些代谢物是可以从肠道中的原始位置扩散的小分子,影响局部和全身抗肿瘤免疫反应,从而促进 ICI 疗效。
这里进一步讨论不同肠道菌群代谢物的机制以及肠道菌群特征的其他特征介导抗肿瘤免疫反应。
肌苷是人体正常代谢产物,生理状态下参与核酸代谢、能量代谢和蛋白质合成,能激活免疫细胞、刺激新陈代谢。以往研究表明肌苷具有免疫抑制作用。而近年来更多研究发现肌苷可以重编程肿瘤微环境 (TME),改善ICI治疗的反应性。目前的研究表明,肌苷主要通过以下机制影响ICI疗效。
肠道微生物代谢物肌苷促进ICI疗效的潜在机制
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
肠道菌群A. muciniphila和B. pseudolongum的嘌呤代谢物肌苷,与ICI联合治疗可发挥协同抗肿瘤作用。
A) 肌苷增加肿瘤细胞的免疫原性
肌苷通过增强肿瘤抗原呈递和激活IFNγ及TNFα信号通路,提升肿瘤细胞的免疫原性,使免疫细胞更易识别并杀死肿瘤细胞。此外,肌苷还能通过抑制UBA6酶,增强T细胞介导的细胞毒作用,从而提高免疫检查点抑制剂(ICI)的疗效。
B) 肌苷促进免疫细胞活化
肌苷可能通过作用于肠癌、膀胱癌和黑色素瘤小鼠模型中T淋巴细胞上的A2AR,增强ICI疗效。它通过肌苷-A2AR-cAMP-PKA信号通路刺激cAMP反应元件结合蛋白(pCREB)的磷酸化,从而上调IL12Rβ2和IFNγ转录,促进Th1细胞分化和在TME中的聚集。
ICI 与肌苷联合使用的体内抗肿瘤作用需要共刺激物,例如 CpG 和 IL-12。肌苷还可以增强植物血凝素 (PHA) 介导的免疫反应,提高肿瘤抗原水平,并增强 T 淋巴细胞分化和增殖。此外,肌苷通过激活巨噬细胞刺激B淋巴细胞分化和抗体产生,发挥抗病毒和抗肿瘤作用。
C) 肌苷为CD8 + T细胞提供了替代碳源
肌苷可以在葡萄糖受限时作为CD8 + T细胞的替代碳源,缓解肿瘤细胞对CD8 + T细胞能量代谢的限制。
注:T 细胞通过嘌呤核苷磷酸化酶(PNP)将肌苷代谢为次黄嘌呤和磷酸化核糖。肌苷的核糖体亚基进入中央代谢途径,为糖酵解途径和戊糖磷酸途径(PPP)提供 ATP 和生物合成前体。
结肠厌氧菌从未消化和吸收的碳水化合物或肠道上皮细胞分泌的糖蛋白中产生短链脂肪酸 (SCFA)。
肠道微生物衍生的短链脂肪酸与实体瘤的纳武单抗或派姆单抗治疗之间的关联已得到证实。
注:纳武单抗OPDIVO(nivolumab)具有免疫检查点抑制活性和抗肿瘤活性,用于先前有过治疗的晚期鳞状NSCLC患者。
派姆单抗(Pembrolizumab),是一种人源化单克隆抗体,主要用于治疗多种实体瘤和淋巴瘤。
研究发现,短链脂肪酸是重要的物理和化学屏障,可刺激潘氏细胞和杯状细胞产生 AMP 和粘液,从而维持肠粘膜屏障的完整性。
短链脂肪酸在复杂的肠道微生物免疫和代谢网络中发挥关键作用,影响免疫细胞和肿瘤细胞的活性(下图)。
肠道菌群代谢物SCFAs增强ICI疗效的潜在机制
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
A) SCFAs抑制癌细胞增殖并诱导癌细胞凋亡
Faecalibaculum rodentiumPB1和H. biformis的代谢产物SCFAs中的丁酸,可抑制HDAC的活性和钙调神经磷酸酶介导的NFATc3转录因子的激活,从而阻断肿瘤细胞的增殖。
A . muciniphila产生的丙酸通过GPR43激活细胞周期抑制剂p21并下调IAP抑制剂,从而抑制癌细胞增殖,诱导细胞凋亡,提高ICI的抗肿瘤作用。
B) SCFAs改善抗肿瘤免疫反应
丁酸可以通过IL-12信号诱导CD8+T细胞中ID2的表达,直接增强CD8 + T细胞的抗肿瘤细胞毒作用。
SCFA 中的戊酸和丁酸促进 IFNγ 和 TNFα 等效应分子的表达,增强 CTL 的抗肿瘤作用。
C) SCFA为免疫细胞提供能量
SCFA 通过调节糖酵解、TCA 循环和 β-氧化等代谢途径,为 B 细胞、记忆 T 细胞和效应 T 细胞提供能量,从而增强 ICI 疗效。
漆树酸能调节抗肿瘤免疫反应
在前瞻性研究中,对接受 ICI 治疗的黑色素瘤患者粪便细菌的代谢组学分析显示,Bacteroides caccae显著富集,ICI 反应组的漆树酸水平大幅升高(62 倍,P < 0.01)。
注:漆树酸是一类具有生物活性的有机化合物,主要存在于腰果壳液中(Cashew Nut Shell Liquid, CNSL),也可以在其他漆树科植物中找到。这类化合物以酚类结构为特征,并具有多种生物学和药理学活性,包括抗菌、抗病毒、抗氧化和抗炎作用。
漆树酸激活先天免疫
漆树酸通过磷酸化丝裂原活化蛋白激酶 (MAPK) 触发巨噬细胞中的经典活化途径,从而激活先天免疫。
漆树酸促进适应性免疫反应
漆树酸还能诱导中性粒细胞胞外陷阱( NET) 的产生,从而促进巨噬细胞、NK 细胞和 T 淋巴细胞产生肿瘤浸润免疫细胞,从而调节适应性免疫和抗肿瘤免疫。
临床前模型中,漆树酸的抗肿瘤作用
在乳腺癌模型中,漆树酸增加了肿瘤浸润的NK细胞和CTL的水平,并诱导了肿瘤细胞的凋亡(下图)。
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
一些研究显示,肠道菌群代谢物,如次级胆汁酸或色氨酸,具有免疫抑制作用(上图5D、E)。
例如,胆汁酸代谢物3-氧化石胆酸和丰富的肠道代谢物异石胆酸可以抑制Th17细胞的分化。
此外,次级胆汁酸3β-羟基脱氧胆酸在DCs中表现出较弱的免疫刺激特性,从而诱导Foxp3的表达,增加Tregs的数量,促进免疫逃逸。
喂食次级胆汁酸或胆汁酸代谢细菌Clostridium scindens能减弱NKT细胞介导的肝脏选择性肿瘤抑制。
IL-2通过激活STAT5-5-羟色氨酸(5-HTP)-AhR轴,诱导CD8+ T细胞的耗竭,并强烈表达色氨酸羟化酶1。
色氨酸代谢物有效促进乳腺癌肿瘤细胞的运动和迁移。
在接受纳武单抗治疗的黑色素瘤和肾细胞癌患者中,血清中犬尿氨酸/色氨酸比值的增加与总体生存率的降低有关。
非小细胞肺癌患者中,低血浆色氨酸代谢物-3-羟苯甲酸水平与延长的无进展生存期(PFS)显著相关。
肽聚糖(PG)和多糖(PSA)
肠球菌(Enterococcus)表达和分泌同源NlpC/p60 PG水解酶SagA,可以促进先天免疫传感蛋白NOD2的表达,并增强ICI抗肿瘤效力。此外,以NOD1依赖的方式识别源自微生物的PG可以促进系统性先天免疫。
Leuconostoc mesenteroides NTM048或脆弱拟杆菌产生的PSA作为免疫刺激剂,能够增强粘膜屏障并影响系统性免疫反应。PSA可被小肠中的DCs识别,并激活CD4+ T细胞分泌细胞因子,促进T细胞增殖,改善Th1/Th2细胞失衡,并促进淋巴组织形成功能。
TLRs(如TLR9及其激动剂CpG-ODN)在病原体识别和免疫反应启动中起着重要作用。艰难梭菌毒素A结合的DNA激活了TLR9信号和先天免疫反应。
外膜囊泡(OMV)
由细菌自然分泌的微生物来源外膜囊泡(OMVs)可以重新编程肿瘤微环境,并已被开发用于肿瘤免疫治疗剂、细菌疫苗、佐剂和药物递送载体。
OMVs表达肿瘤抗原,诱导先天免疫反应和抗原特异性T细胞介导的抗肿瘤免疫;生物工程改造的OMVs可表达多种肿瘤抗原,触发协同抗肿瘤免疫反应。
带有磷酸钙(CaP)外壳的OMVs能促进细胞毒性T细胞渗透和M2型巨噬细胞向M1型极化,有效改善免疫抑制性TME。此外,全身给药的细菌OMVs能特异性靶向并积聚在肿瘤床中,随后诱导产生抗肿瘤细胞因子CXCL10和IFN-γ,有效增强抗肿瘤免疫反应。
免疫检查点抑制剂(ICI)治疗在杀死肿瘤细胞的同时可能扰乱宿主的免疫平衡,导致免疫相关性结肠炎、肺炎,甚至危及生命的心肌炎。
多项研究表明,肠道微生物群在免疫相关不良事件(irAEs)中的作用是一把双刃剑。
一些肠道细菌的保护作用
小鼠模型验证了双歧杆菌、脆弱拟杆菌和伯克氏菌可在抗CTLA-4治疗的背景下改善肠道免疫病理学。
一项前瞻性研究显示,拟杆菌门的增加和参与多胺运输及维生素B生物合成的微生物基因途径与治疗转移性黑色素瘤患者ipilimumab造成的结肠炎的抵抗性有关。
注:Ipilimumab是一种单克隆抗体,主要用于治疗某些类型的癌症,如黑色素瘤、肾癌等。其作用机制是通过阻断细胞毒性T淋巴细胞抗原-4(CTLA-4),从而增强免疫系统对癌细胞的攻击能力。
另一些肠道菌群与ICI引起的高风险毒性有关
在接受抗PD-1治疗的黑色素瘤患者中,Lachnospiraceae 和Streptococcus 的富集与irAEs的增加有关。
肠道菌群的双重作用
有趣的是,不同的肠道微生物基线可能同时与良好的抗癌反应和ICI引起的毒性有关。在26名接受ipilimumab治疗的转移性黑色素瘤患者中,基线时富含Faecalibacterium和Firmicutes的患者易同时发生免疫治疗引起的结肠炎和增强的ICI敏感性,称为ICI背景下的疗效-毒性耦合效应。
肠道菌群作为预测生物标志物
肠道微生物如拟杆菌,也可用作预测接受联合CTLA-4和PD-1阻断治疗的晚期黑色素瘤患者ICI治疗毒性的生物标志物。
肠道菌群的重构与治疗毒性
通过重构肠道微生物组和增加结肠黏膜中Tregs比例,FMT这种治疗方式已在两例患者中显示出对免疫治疗引起毒性的有益效果。
这些研究表明,肠道微生物组对ICI引起的毒性具有复杂的正负作用。在充分筛选和操控肠道微生物组以增强ICI反应和减少irAEs之前,还需要更多证据。
了解肠道微生物群及其代谢物对抗肿瘤免疫和免疫治疗反应的生物机制,对于合理调控微生物活动以提高免疫检查点抑制剂(ICI)的疗效至关重要。下面介绍了结合肠道微生物群与ICI的治疗策略。
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
粪菌移植(FMT)治疗指的是将个体的全部肠道微生物群进行移植,通常从ICI响应者中获取。
FMT制剂可以通过口服冻干胶囊或通过结肠镜或胃镜直接给药。FMT最初用于治疗对传统疗法耐药的艰难梭菌感染。
FMT增强抗肿瘤效果
近年来,多项研究表明,FMT可以增强ICI的抗肿瘤效果并克服对免疫治疗的耐药性。
FMT的应用是逆转ICI免疫治疗耐药性和减少irAEs的一种新方法。
FMT与ICI治疗结合的临床试验
目前,一些评估FMT与ICI治疗结合的安全性和有效性的临床试验正在进行中。
武汉大学人民医院肿瘤中心陈永顺教授团队与善泰健康合作的题为”Fecal microbiota transplantation plus tislelizumab and fruquintinib in refractory microsatellite stable metastatic colorectal cancer: an open-label, single-arm, phase II trial (RENMIN-215) “前瞻性临床研究结果在线发表于《eClinicalMedicine》上。
注:《eClinicalMedicine》是LANCET(柳叶刀)的高端金色子刊,医学类一区TOP期刊,影响因子15.1。
该研究对至少二线系统治疗失败的微卫星稳定型(MSS)晚期结直肠癌患者进行了创新性治疗。
从2021年5月10日至2022年1月17日,共纳入20名患者。中位随访时间为13.7个月。该方案耐受性良好,无因不良反应导致死亡。通过“三联疗法”(肠道菌群移植 + PD-1单抗 + 靶向药)有效延长难治型结直肠癌患者的生存期,粪便中双歧杆菌丰度较低、毛螺菌科丰度高和外周血中扩增的 TCR 可能是预后预测和风险分层的宝贵分类因素。
这一突破性的临床研究成果具有重要的科研价值和临床应用前景,同时也充分证明了善泰健康坚持采集山区儿童供体制备优质肠道菌群的价值。
一些评估FMT联合ICI治疗安全性和有效性的临床试验正在进行中(下表)。
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
FMT治疗的安全性考量
尽管FMT治疗在接受ICI治疗的患者中显示出有前景的结果,但其长期安全性仍存在担忧。
2019年报道的两项独立临床试验中,两名患者在接受来自同一供体的FMT后,感染了产超广谱β-内酰胺酶(ESBL)的大肠杆菌,其中一名患者死亡。这一研究促使美国食品药品监督管理局发布安全公告,警告FMT治疗的感染风险。
一项对供体粪便中多药耐药生物进行检测的回顾性队列研究显示,在66名受试者中,有6人(9%)在任何时间点检测出多药耐药生物。
因此,应定期筛查供体粪便,以严格限制可能导致不良感染事件的生物的传播,这对于免疫缺陷患者尤为重要。进一步的临床研究,对于更好地理解供体FMT的来源、移植程序和受体表型,对于成功的ICI-FMT联合治疗至关重要。
益生菌是指“当以适当剂量给予时,对宿主健康有益的活微生物群”。早期针对癌症患者的临床试验主要评估益生菌如何改变微生物群组成或调节抗肿瘤免疫。
一项针对乳腺癌患者的临床试验评估了益生菌(13种有益菌株)对TME中CD8+ T细胞浸润的影响(NCT03358511)。
接受益生菌(乳双歧杆菌和嗜酸乳杆菌)治疗的CRC患者在肿瘤、黏膜和粪便中有更多的丁酸盐生成细菌(NCT03072641)。
另一项试验表明,接受益生菌治疗的患者结肠黏膜中的IL-1b、IL-10、IL-23A mRNA水平较低(NCT01895530)。
益生菌作为免疫佐剂的作用
特定肠道微生物,如双歧杆菌、Akkermansia、肠球菌、粪杆菌、Ruminococcaceae,在ICI免疫治疗中起着免疫佐剂的作用。
多项临床试验正在评估益生菌与ICI联合使用的安全性和有效性。例如,MRx0518(粪肠球菌胶囊)主要依靠自由鞭毛蛋白激活TLR5和NF-κB信号通路,发挥抗肿瘤作用。
EDP1503是一种基于双歧杆菌的癌症免疫治疗新佐剂。临床试验(NCT03775850)显示,EDP1503与帕姆单抗联合使用是安全且耐受良好的,生物标志物研究发现,EDP1503通过上调CD8+ T细胞/Treg细胞的比例发挥作用。
doi:10.1186/s13045-022-01273-9
随着细菌基因工程技术的发展,通过改造肠道微生物群或其代谢物来改善免疫检查点抑制剂(ICI)的抗肿瘤反应变得可行。与FMT相比,基因工程药物具有特异性。
基因工程细菌的临床前模型应用
目前,经过基因改造的营养缺陷型和可诱导性大肠杆菌、双歧杆菌、李斯特菌和沙门氏菌已被用于静脉内、肿瘤内和口服给药途径的临床前模型中,显示出抗肿瘤效果。
利用工程菌作为药物载体
利用多种菌株(包括沙门氏菌和梭菌)在固体肿瘤中的靶向特性,使它们成为递送和诱导免疫刺激剂、延缓肿瘤生长和转移的理想载体。
工程化细菌的临床试验进展
SYNB1891是一种基于大肠杆菌生物学设计的双重固有免疫激动剂,被改造后表达STING激动剂CADPR,可刺激IFNs表达并实现抗肿瘤效果。正在进行临床试验以探索SYNB1891联合阿替利珠单抗在晚期实体瘤中的安全性和有效性。
工程化益生菌增强T细胞活性
L-精氨酸通过调节T细胞代谢来增强T细胞存活和抗肿瘤活性。
工程化益生菌大肠杆菌Nissle 1917菌株在肿瘤部位定植,并持续将代谢产物氨转化为L-精氨酸。在小鼠中,该菌株的肿瘤内注射增加了细胞内L-精氨酸浓度,触发肿瘤内CD4+ T细胞和CD8+ T细胞浸润,并在与抗PD-L1联合使用时产生协同抗肿瘤效果。
这些结果表明,工程化微生物治疗能够通过代谢调控肿瘤微环境,以增强免疫治疗的疗效。
通过调控肠道微生物群来增强免疫检查点抑制剂(ICI)疗效的治疗策略还包括调整饮食和生活方式、摄取益生元和避免使用抗生素。
肿瘤治疗疫苗的开发
利用肿瘤交叉抗原和肠道微生物来源的免疫激活剂,开发新的肿瘤治疗疫苗,如Ty21a、JNJ-64041809、VXM01。这些疫苗的开发为增强ICI疗效提供了新的途径。
微生物衍生药物的应用
EO2401是一种结构上与肿瘤相关抗原相同的微生物衍生多肽药物,EO2401联合纳武利尤单抗的临床试验正在胶质母细胞瘤和肾上腺皮质癌患者中进行。
口服微生物群衍生化合物(如噬菌体和微生物代谢物)可能比完整或特定活菌移植更加实际和精确。噬菌体作为一种治疗策略,可以调节肠道微生物群、免疫系统和肿瘤微环境。
短链脂肪酸戊酸(VPA)是一种微生物来源的代谢物。评估VPA与ICI联合使用在实体瘤患者中安全性和有效性的临床试验已经在进行中。
菌群影响ICI疗效的准确性
肠道菌群对肿瘤ICI治疗的影响是多方面的,甚至是双向的。未来研究需要准确分类针对免疫细胞或通路的有利和不利的菌群特征,并充分了解它们在不同肿瘤微环境中的作用。
提高治疗策略的精准度
了解菌群-代谢物-免疫轴有助于直接操纵来自肠道菌群的特定免疫刺激代谢物或化合物,而不是整个或独特的活菌移植,以改善ICI反应。其他促进抗肿瘤免疫反应的菌群衍生分子的作用可能成为未来ICI临床前或临床研究的方向。
肠道菌群作为预测有效性的生物标志物
患者的菌群数据可以与其他已知的相关预测标志物(如PD-L1表达和肿瘤突变负荷)相结合,以预测免疫治疗的潜在疗效或不良事件。
提高临床试验的有效性
在人体临床试验中,需要全面监测影响肠道菌群的因素,如饮食、益生菌、抗生素、药物、心理健康、宿主免疫系统、宿主遗传学、地理因素、肿瘤类型和分期等。
整合微生物学、遗传学、免疫学、代谢组学、分子病理学和流行病学的多层次多维度研究设计将成为未来个性化癌症治疗的一部分。
通过这些策略和研究方向,我们可以更深入地理解肠道微生物群在抗肿瘤免疫治疗中的作用,并开发出更有效的治疗方案。
肠道微生物组与免疫调节
肠道微生物组与先天性和适应性免疫细胞发生相互作用,增强先天性免疫细胞的中间效应,增强适应性免疫细胞的抗肿瘤作用,增加肿瘤细胞的免疫原性,从而重新编程TME的免疫力并改善ICI反应。
微生物代谢物与ICI效率
微生物衍生的循环代谢物调节多种人体生理,并从其在肠道中的原始位置扩散,介导局部和全身抗肿瘤免疫反应,从而促进ICI效率。
肠道微生物组与ICI相结合的治疗策略
例如适当的抗生素选择、益生菌摄入、FMT和细菌基因工程,可能为肠道微生物组及其代谢物成为ICI的优良佐剂提供新的可能性。进一步了解ICI与肠道微生物组协同作用的机制并准确识别免疫刺激和免疫抑制菌株或途径,有望开发更有效的ICI联合治疗策略并推进精准医疗策略。
肠道微生物群在癌症治疗中的应用前景广阔
首先,肠道微生物群的特性有望用于早期检测和预后评估。通过分析患者的粪便样本,可以评估其肠道微生物群的组成,预测对特定免疫疗法的反应性,从而为临床医生提供个性化的治疗方案。
其次,肠道微生物群的调节可能成为提高治疗效果的策略。例如,通过益生菌/益生元的补充、饮食调整或粪便微生物群移植,可以优化肠道微生物群的组成,增强免疫系统的抗癌能力。
肠道微生物群在癌症治疗中的作用日益受到重视,其在预测治疗反应、优化治疗策略和开发新型抗癌药物方面具有巨大潜力。
未来的研究需要进一步深入探索肠道微生物群与癌症治疗之间的具体作用机制,以及如何在临床实践中有效利用这些发现,为癌症患者带来更好的治疗效果和生活质量。
附录:
免疫疗法的治疗效果如何评估?
免疫疗法的治疗效果可以通过以下多种方式进行评估:
肿瘤大小和数量的变化
通过影像学检查,如 CT、MRI 等,观察肿瘤的大小、数量以及是否有新的病灶出现。这是评估治疗效果的常见指标之一。如果肿瘤缩小或消失,通常表明治疗有效。
肿瘤标志物水平
某些肿瘤会产生特定的蛋白质或生物标志物,检测血液中这些标志物的水平变化可以辅助评估治疗效果。
症状改善
患者的症状,如疼痛、呼吸困难、乏力等的减轻或消失,也可以反映治疗的效果。
生存时间
包括无进展生存期(PFS),即从治疗开始到肿瘤出现进展或患者死亡的时间;总生存期(OS),即从治疗开始到患者死亡的时间。较长的 PFS 和 OS 通常表示治疗效果较好。
免疫细胞的活性和数量
通过检测血液中免疫细胞(如T细胞、NK细胞等)数量、活性和表型,了解免疫系统的状态,评估免疫疗法对免疫系统的激活和调节作用。
免疫相关指标
如细胞因子水平、免疫检查点分子的表达等,也可以作为评估免疫治疗效果的参考。
患者的生活质量
通过问卷调查等方式评估患者在身体功能、心理状态、社会功能等方面的生活质量改善情况。
需要注意的是,免疫疗法的效果评估可能较为复杂,有时可能会出现假性进展或延迟反应等特殊情况,需要综合多种评估指标和患者的具体情况进行判断。
免疫疗法可以用于哪些癌症的治疗?
免疫疗法目前已被广泛应用于多种癌症的治疗,以下是一些常见的例子:
随着研究的不断深入,免疫疗法的应用范围还在不断扩大,有望为更多癌症患者带来希望。
免疫疗法的治疗周期一般是多久?
免疫疗法的治疗周期并没有一个固定的标准,会因癌症类型、患者个体情况、治疗方案以及治疗反应等多种因素而有所不同。
一般来说,免疫治疗可能需要持续几个月到几年不等。
对于某些癌症,如黑色素瘤,可能需要进行几个月的初始治疗,然后根据治疗效果和患者的耐受性,决定是否继续维持治疗。维持治疗的周期可能会持续数月甚至数年。
在肺癌的治疗中,免疫治疗的周期也会因病情和治疗方案而异。有的患者可能需要持续治疗 2 年左右,而有些情况下可能会更长。
对于一些治疗效果显著且耐受性良好的患者,医生可能会建议长期使用免疫治疗药物以防止癌症复发。
需要注意的是,医生还会定期评估患者的病情、治疗效果和不良反应,从而调整治疗方案和治疗周期。
免疫疗法治疗效果和患者耐受性有哪些关系?
免疫疗法的治疗效果和患者的耐受性密切相关。
首先,患者对免疫治疗的耐受性好,能够按计划完成治疗疗程,这有助于药物充分发挥作用,从而提高治疗效果。如果患者因耐受性差而频繁中断治疗或减少药物剂量,可能无法达到理想的治疗浓度和作用时间,影响对肿瘤细胞的抑制和杀灭效果。
其次,耐受性不佳可能导致严重的不良反应,如严重的免疫相关炎症等。这些不良反应不仅会影响患者的生活质量,还可能需要使用大量的药物来控制,这些药物之间的相互作用有时会干扰免疫治疗药物的疗效。
另外,耐受性差可能使患者心理负担加重,产生焦虑、恐惧等不良情绪,影响患者的治疗依从性和信心,进而间接影响治疗效果。
相反,良好的耐受性能够让患者保持积极的心态,更好地配合治疗,有助于增强免疫系统的功能,提高免疫治疗的效果。
总之,患者对免疫疗法的耐受性在很大程度上影响着治疗效果,而治疗效果的好坏也会反过来影响患者的耐受性和治疗依从性。
免疫疗法的优势和劣势
免疫疗法与其他传统疗法(如手术、放疗、化疗)相比,具有以下优势和劣势:
优 势
长期效果:免疫疗法有可能产生持久的免疫记忆,一旦有效,其疗效可能持续较长时间,甚至实现长期的肿瘤控制或治愈。
全身性治疗:能够激发全身性的免疫反应,不仅可以作用于局部肿瘤病灶,还可以对转移灶发挥作用,减少肿瘤复发和转移的风险。
低毒性:相比化疗等方法,免疫治疗的全身性副作用通常较轻,对正常细胞的损伤相对较小,患者的生活质量相对较高。
适用范围广:对于一些晚期或转移性肿瘤,以及传统治疗方法无效的患者,免疫疗法仍可能有一定的效果。
当然,免疫疗法也可以与其他治疗方法(如化疗、放疗或靶向疗法)结合使用,从而增强治疗效果。
劣 势
起效较慢:免疫治疗发挥作用通常需要一定的时间,不像手术能迅速切除肿瘤,也不像化疗有时能较快地缩小肿瘤体积。
个体差异大:不同患者对免疫治疗的反应差异较大,部分患者可能疗效不佳。
价格昂贵:免疫治疗药物的研发和生产成本较高,导致治疗费用昂贵,给患者带来较大的经济负担。
潜在的免疫相关不良反应:虽然相对较轻,但仍可能出现免疫相关的炎症反应,如免疫性肺炎、免疫性肝炎、免疫性肠炎等,需要密切监测和及时处理。
预测疗效困难:目前还缺乏准确可靠的方法来预测哪些患者能够从免疫治疗中获益,导致治疗的选择存在一定的盲目性。
随着研究的不断深入和技术的进步,免疫疗法的优势有望进一步扩大,劣势也有望逐渐得到改善。在实际治疗中,医生会根据患者的具体情况,综合考虑各种疗法的特点,制定最适合的个体化治疗方案。
免疫疗法的适用人群有哪些?
免疫疗法的适用人群主要包括以下几类:
晚期癌症患者
对于一些晚期癌症,如晚期黑色素瘤、非小细胞肺癌、肾癌、膀胱癌等,在传统治疗方法效果不佳时,免疫疗法可能成为一种有效的治疗选择。
具有特定基因突变的患者
例如携带微卫星高度不稳定(MSI-H)或错配修复缺陷(dMMR)的实体瘤患者,往往对免疫治疗有较好的反应。
肿瘤突变负荷(TMB)高的患者
TMB 高通常意味着肿瘤产生了更多的新抗原,更容易被免疫系统识别,免疫治疗效果可能更好。
部分血液系统恶性肿瘤患者
如某些类型的淋巴瘤等。
一线治疗后复发或进展的患者
在其他治疗方案失败后,免疫疗法可能为他们提供新的治疗机会。
然而,并非所有癌症患者都适合免疫疗法。医生会综合考虑患者的身体状况、肿瘤类型、基因突变情况等多种因素,来判断患者是否适合接受免疫治疗。同时,在治疗过程中也会密切监测患者的反应和副作用,以便及时调整治疗方案。
哪些人群不适合免疫疗法?
以下人群可能不适合免疫疗法:
自身免疫性疾病控制不佳的患者
如患有严重的类风湿关节炎、系统性红斑狼疮等,免疫治疗可能会加重自身免疫反应,导致病情恶化。
器官功能严重障碍的患者
例如存在严重的心肺功能不全、肝肾功能衰竭等,可能无法耐受免疫治疗带来的潜在副作用。
处于急性感染期的患者
身体正在对抗严重的感染,此时进行免疫治疗可能会进一步影响免疫系统的平衡,加重感染或影响治疗效果。
怀孕或哺乳期妇女
免疫治疗可能对胎儿或婴儿产生潜在的不良影响。
对免疫治疗药物成分过敏的患者
这会引发严重的过敏反应,危及生命。
患有精神疾病或无法配合治疗和随访的患者
免疫治疗需要患者密切配合治疗和定期随访,以监测疗效和不良反应。
对于每个患者是否适合免疫疗法,需要医生根据患者的具体情况进行综合评估和判断。
免疫疗法有哪些不良反应?
免疫疗法的副作用是一个重要的问题,因为它们可能会影响患者的生活质量和治疗效果。
免疫疗法的副作用包括疲劳、发热、恶心、呕吐、腹泻、皮疹、瘙痒、呼吸困难、头痛、肌肉疼痛、关节疼痛等。需要对这些副作用进行评估和管理。
免疫疗法可能会引起多种不良反应,免疫疗法的副作用可以分为两类:
与免疫疗法直接相关的副作用包括免疫相关不良事件(irAE)和免疫检查点抑制剂相关不良事件(ICI-AE)。
皮肤反应:如皮疹、瘙痒、白癜风等。
胃肠道反应:如腹泻、结肠炎、恶心、呕吐等。
内分泌系统紊乱:可能导致甲状腺功能异常(甲状腺功能减退或亢进)、垂体炎、肾上腺功能不全等。
肝脏毒性:表现为转氨酶升高、肝炎等。
肺部问题:如肺炎、咳嗽、呼吸困难等。
心血管系统不良反应:如心肌炎、心包炎、心律失常等,严重情况下可能危及生命。
关节和肌肉疼痛:可能出现关节炎、肌痛等症状。
神经系统症状:头痛、头晕、外周神经病变等。
这些不良反应的发生机制主要与免疫系统被过度激活,攻击自身正常组织和器官有关。不过,并非每个接受免疫治疗的患者都会出现不良反应,且不良反应的严重程度因人而异。在治疗过程中,医生会密切监测患者的身体状况,以便及时发现和处理这些问题。
免疫疗法在治疗周期内需要注意什么?
在免疫疗法的治疗周期内,需要注意以下几个方面:
饮食方面:保持均衡的饮食,摄入富含蛋白质、维生素和矿物质的食物,以增强身体的抵抗力。避免食用过多油腻、辛辣和刺激性食物。
作息规律:保证充足的睡眠,规律作息,避免过度劳累,有助于维持免疫系统的正常功能。
按时复查:按照医生的要求定期进行血常规、肝肾功能、肿瘤标志物等检查,以及影像学检查(如 CT、MRI 等),以便及时监测治疗效果和发现可能出现的不良反应。
关注身体变化:留意自身的身体状况,如是否出现发热、咳嗽、皮疹、腹泻、关节疼痛等异常症状。若有不适,及时告知医生。
用药管理:严格按照医嘱用药,不可自行增减药量或停药。
心理调节:保持积极乐观的心态,避免过度焦虑和紧张,可以通过适当的运动、与家人朋友交流等方式缓解心理压力。
避免感染:注意个人卫生,勤洗手,避免去人员密集、容易感染的场所。
运动适度:根据自身身体状况,进行适量的运动,如散步、瑜伽等,但避免剧烈运动和过度劳累。
告知医生其他用药:如果在治疗期间需要使用其他药物,包括保健品、中草药等,应提前告知医生,以防药物相互作用影响免疫治疗效果或增加不良反应风险。
主要参考文献
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谷禾健康
饮食在塑造肠道微生物群的组成、功能和多样性方面起着关键作用,各种饮食对肠道内微生物群落的稳定性、功能性和多样性有着深远的影响。了解不同饮食对微生物群的深远影响至关重要,改善代谢和肠道健康,预防和减缓由饮食不当引起的特定饮食相关疾病的发生。
在生命早期,分娩方式、喂养、饮食和环境等因素会塑造肠道微生物群。在成年期,虽然微生物群趋于相对稳定,但外界因素,尤其是饮食,会大大影响其组成和功能。营养素、微生物群和免疫系统之间的这种复杂相互作用是维持体内平衡和防御外部病原体的重要调节机制。
精准营养承认每个人对饮食的代谢反应会有所不同,因此针对人群健康的广泛饮食指南在个人层面上并不理想。一些大规模研究已开始将微生物组概念纳入精准营养,发现纳入肠道微生物组组成的预测模型远远优于仅基于宿主、饮食和身体活动因素的预测模型。
比如从控制体重来说,我们常常关注卡路里的摄入与消耗,却可能忽略了肠道菌群层面的理解。不同人群可以选择不同的方式,高纤维饮食可以促进产生短链脂肪酸的肠道细菌的生长,这些短链脂肪酸不仅有助于维持肠道健康,还可能通过调节食欲和能量代谢等方式来帮助控制体重。
鉴于测序和机器学习等方面技术的最新进展,极大地提高了人们对饮食及其对微生物群影响的理解。在此基础上,本文讨论了常见整个饮食方式(如地中海饮食、高纤维饮食、植物性饮食、高蛋白饮食、生酮饮食、西方饮食、间歇性禁食、热量限制饮食等)影响肠道微生物群的机制,还包括生命早期和成年期肠道微生物群相关的饮食相关慢性疾病,临床实践中用于缓解或预防疾病进展的特定饮食等。
微生物组研究成果的迅速扩展使多种长期营养原则变得复杂,同时也为干预提供了新的机会。更深入地了解饮食、宿主和微生物之间的因果关系,可以为开发精准营养和基于微生物组的疗法提供新的视角。
饮食对肠道微生物群的组成和功能有相当大的有益或负面影响。
下图是常见饮食方式对肠道菌群的影响,这在后面我们会详细展开阐述。
全膳食的常量营养素组成及其对肠道菌群的影响
doi.org/10.1038/s41579-024-01068-4
当膳食纤维到达肠道时,会经过肠道微生物群的发酵,产生如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐等短链脂肪酸(SCFA)。这些短链脂肪酸随后进入门脉循环,对宿主健康产生一系列积极影响。
激活GPCRs
短链脂肪酸激活G蛋白偶联受体GPCRs 41和43,这是它们发挥作用的初步机制。
触发肠道激素分泌
激活的受体进一步触发胰高血糖素样肽(GLP)和肽YY(PYY)等肠道激素的分泌。
注:GLP1和PYY在调节食欲、减缓胃排空和促进饱腹感方面起着关键作用。
增强肠道屏障功能
SCFAs通过增加粘液分泌和降低肠腔pH值来增强肠道屏障功能,保护肠道内壁,防止有害病原体进入血液。
抗炎与免疫调节作用
SCFAs具有抗炎和免疫调节作用,有助于维持整体肠道健康,并降低胃肠道疾病的风险。
肠道微生物群对纤维的分解及其对屏障功能和免疫力的影响
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在肠道中,膳食蛋白质经过肠道微生物群的代谢,这与拟杆菌属的增加有关。这导致产生各种代谢产物,包括短链脂肪酸、支链脂肪酸(BCFAs)和吲哚。
支链脂肪酸可以激活 GPCR41 和 GPCR43,从而触发 GLP1 和 PYY 等肠道激素的分泌。此外,BCFAs 可以增加粘液分泌并降低腔内 pH 值,从而增强肠道屏障功能并保护肠道内壁。
肠道微生物群对蛋白质的代谢以及SCFA和吲哚对人类健康的后续影响
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SCFAs、BCFAs、GLP1 和 PYY 等肠道激素、粘液分泌和腔内 pH 对人体健康的影响,包括改善胃肠功能、调节食欲、减少炎症、改善胰岛素敏感性和脂肪酸氧化,从而促进整体肠道健康。
当膳食PUFAs到达肠道时,它们会被肠道微生物群代谢。这一过程增加了特定细菌的丰度,如双歧杆菌属和产丁酸菌。因此,产生了各种代谢产物,如短链脂肪酸,例如丁酸盐。
PUFAs可以减少促炎的肠杆菌属(Enterobacterium)的丰度,从而减少炎症并改善肠道屏障功能。这可能导致内毒素和IL-17的产生减少,进而减少炎症并改善对人类健康的影响。由PUFA代谢产生的未代谢SCFAs进入系统循环,在其中发挥免疫调节作用。它们可以通过改善胰岛素敏感性、减少炎症和改善肠道渗漏症内毒素血症来增强抵抗肥胖的能力。
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多酚类物质被肠道细菌代谢,因此被分解成生物活性微生物代谢产物。多酚已被证明可以增加肠道腔中有益细菌的丰度,如双歧杆菌、Akkermansia、乳酸杆菌属。这些细菌在维持肠道屏障功能、调节免疫系统、促进肠道稳态和抑制病原菌生长方面起着至关重要的作用。
此外,多酚在肠道内表现出显著的抗炎和抗氧化作用。多酚代谢的副产物,缺乏酚类的代谢产物,在系统循环中被吸收,在那里它们发挥显著的免疫调节作用。例如,这些代谢产物已被证明可以通过减少炎症和氧化应激,以及改善内皮功能,从而改善肺部、大脑和心脏功能,增加周围血流。
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肠道微生物组的差异性影响
不同肠道微生物群对宿主能量状态的贡献存在差异,与肥胖相关的肠道微生物组特征可能会加剧宿主的表型。
遗传性肥胖小鼠及其瘦弱的同窝小鼠在肠道微生物组成上存在差异,从ob/ob供体获得的肠道微生物群受体增加的体脂,比从遗传性瘦弱供体获得的微生物群受体多。
将适应高脂高糖(HFHS)饮食的小鼠肠道微生物群与适应低脂高植物多糖饮食的小鼠肠道微生物群进行移植,一致地增强了接受控制饲料的无菌受体小鼠的脂肪积累。
这些研究表明,无论是由遗传还是饮食驱动的肥胖表型,都可以通过肠道微生物群传播。
肠道微生物组与营养不良
患有夸希奥科病(kwashiorkor)的儿童的肠道微生物群表现出发育不良的特征,并通过在无菌小鼠中定植后与健康对照相比,损害了营养吸收,从而在因果上对营养不良有所贡献。
肠道微生物群的变化也已被证明有助于极低热量饮食(VLCDs)和Roux-en-Y胃旁路手术后的快速减重。
例如,对超重或肥胖的绝经后妇女进行每天800千卡的极低热量饮食,导致肠道微生物群的变化和改善的代谢表型,如体重减轻和减少的脂肪量,这些变化可以在接受了节食前后肠道微生物群的无菌小鼠受体中重现。
肠道微生物组的能量缓冲作用
与低消化性饮食相关的更高营养流入结肠可以以一种增强其对宿主能量状态贡献的方式改变肠道微生物群,表现为接受低消化性饮食条件的微生物群的无菌小鼠受体体重增加和脂肪量更多。
在这个宿主-微生物组生态共生的例子中,宿主的营养吸收较低被肠道微生物群衍生的代谢产物及其下游效应所部分缓冲,例如增加宿主的能量摄入。这样的能量缓冲在能量受限条件下可能有助于宿主的代谢健康,但在能量过剩条件下也可能妨碍体重管理。
肠道微生物组的环境和饮食依赖性
肠道微生物群对宿主能量平衡的贡献可能依赖于环境和饮食背景,即使不通过饮食操纵宿主能量平衡也是如此。
来自肥胖不一致的人类双胞胎的无菌小鼠受体通常模仿了它们供体的代谢表型,但是当差异性定植的受体动物共同饲养时,来自瘦弱供体的微生物群侵入了来自肥胖供体的微生物群,结果是两者都保持了瘦弱。
当共同饲养的受体动物被喂食高脂肪和低水果蔬菜的饮食时,与瘦弱相关的微生物群的传播性被破坏了。
这些复杂的相互作用强调了饮食对宿主-微生物组代谢相互作用的影响有时可能难以追踪。
肠道微生物通过其代谢产物影响健康
短链脂肪酸可以被各种宿主组织转化为ATP,其中:
SCFAs具有多样的信号功能,影响能量平衡。
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SCFA通过各种方法影响能量摄入,包括乙酸盐穿过血脑屏障,介导调节性神经肽的表达,丙酸盐和丁酸盐结合肠内分泌L细胞中的GPR41和GPR43受体,刺激GLP-1和PYY的释放,以及通过迷走神经的肠脑信号传导,乙酸盐与SCFA混合物可能不同地介导这些信号传导。
SCFA通过促进棕色脂肪组织的产热、白色脂肪组织的米色和骨骼肌的线粒体呼吸来影响能量消耗。SCFA还可以影响脂肪生成和脂肪分解的动力学,据报道,丁酸盐促进脂肪分解,而乙酸盐和丙酸盐促进脂肪生成。
此外,肠道微生物组可以使宿主肝脏分泌的牛磺酸或甘氨酸结合的初级胆汁酸(T/G-1°BA)脱偶联和脱羟基,产生调节宿主能量代谢各个方面的非偶联初级胆汁酸和次级胆汁酸。未结合的初级胆汁酸通过法尼醇X受体(FXR)发出信号,抑制CYP7A1,CYP7A1是初级胆汁酸合成的限速步骤,对饮食脂肪吸收具有潜在的下游影响。次级胆汁酸激活TGR5,促进棕色脂肪组织的产热、白色脂肪组织的米色和胰腺β细胞的胰岛素产生。
肠道微生物胆汁酸代谢也可能通过对厌食素GLP-1的对比作用来影响能量摄入,2°BA激活的TGR5信号促进L细胞分泌GLP-1,1°BA活化的FXR信号在小鼠中显示出抑制GLP-1活性。这些多效性效应强调了对SCFA和胆汁酸的看法正在发生变化,从能量收获的载体转变为能够对宿主能量状态产生净积极和净消极影响的代谢调节因子.
地中海饮食(MD)强调摄入大量未加工的全植物性食品、橄榄油、乳制品、适量家禽和鱼类,以及少量红肉。
降低癌症死亡率及糖尿病风险
一项对美国25,315名女性的前瞻性研究显示,那些坚持地中海饮食模式的人在25年的随访期间全因死亡率降低了23%。这项研究还显示,较高的地中海饮食摄入量与20年随访期间未来2型糖尿病风险降低30%相关。地中海饮食模式可能还对癌症有保护作用。实际上,高度遵守这种饮食与普通人群中的癌症死亡率降低、癌症幸存者的全因死亡率降低,以及降低发展结直肠癌、头颈癌、呼吸、胃、肝和膀胱癌风险有关。
增加产丁酸菌
两项干预研究将地中海饮食与特定分类特征联系起来,增加Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia丰度,减少Ruminococcus gnavus、Collinsella aerofaciens、Ruminococcus torques丰度。这些因饮食而导致的微生物组变化与短链脂肪酸产量的增加和代谢副产物(如乙醇、对甲酚和二氧化碳)产量的减少有关。
地中海饮食与特定功能途径有关
之前研究用宏基因组测序分析了307名男性长期饮食信息的微生物组数据。结果显示,地中海饮食与36条功能途径有关,这些途径大多类似于植物性饮食,具有丰富的微生物功能,用于SCFA发酵和膳食纤维降解。对地中海饮食的坚持显示出与特定功能途径的正相关,如用于果胶分解的d-果糖醛酸降解途径和用于半纤维素分解的甘露聚糖降解途径。地中海饮食的坚持和降低心血管疾病风险在P. copri水平较低的个体中更为明显。
地中海饮食plus版——更积极的变化相关
最近,DIRECT-PLUS研究包括294名肥胖或血脂异常的参与者,发现与地中海饮食相比,绿色地中海饮食与更显著的组成变化相关。绿色地中海饮食是地中海饮食的增强版,它增加了植物性食品的摄入量,减少了红肉的摄入,并且每天还摄入富含多酚的绿茶和Mankai水生植物。
这种饮食在微生物组成和多样性上产生了更大的变化,包括增加普雷沃特氏菌的丰度和支链氨基酸降解酶(异亮氨酸降解),减少双歧杆菌和支链氨基酸生物合成酶(缬氨酸和异亮氨酸生物合成)。这些变化与体重和心代谢指标的积极变化相关联。
膳食纤维对人类健康至关重要,它有助于降低长期体重增加,低纤维摄入量会增加患2型糖尿病和结肠癌的风险。
高纤维饮食会改变肠道微生物的组成,包括显著增加乳酸杆菌属和双歧杆菌属的丰度。
断奶后饮食变化,引起代谢复杂多糖的菌增加
不同的膳食纤维组分对肠道微生物的影响各不相同。例如,母乳喂养的婴儿表现出更高丰度的适应于利用人乳寡糖(HMOs——母乳中大量存在的不可消化的益生元糖类)的双歧杆菌。断奶后,肠道微生物组成会发生明显变化,这主要归因于饮食组成的改变。这导致能代谢更复杂多糖的拟杆菌门和厚壁菌门的扩张。
超重个体:改善菌群预防代谢疾病
在超重的个体中,阿拉伯木聚糖低聚糖的干预增加了普雷沃氏菌和直肠真杆菌(Eubacterium rectale)的丰度,伴随着代谢组学特征的有利变化,可能有助于预防代谢性疾病。
全谷物和小麦麸皮:双歧杆菌、乳杆菌↑↑
在31名志愿者中补充全谷物和小麦麸皮,导致双歧杆菌属和乳酸杆菌属的水平增加。全谷物消费者中的增加更为明显;两组都经历了总胆固醇的降低。
燕麦:厚壁菌门↑ 拟杆菌门↓ 心血管疾病风险↓
来自燕麦的高分子量β-葡聚糖减少了厚壁菌门,增加了拟杆菌门,并伴随着心血管疾病风险标志物的减少。
抗性淀粉:影响短链脂肪酸产生
以IV型抗性淀粉形式的膳食纤维对肠道微生物群的组成和功能以及丁酸盐或丙酸盐的产生了不同的影响。
简单碳水化合物在小肠中吸收,而复杂碳水化合物如膳食纤维则经历结肠微生物发酵,从而产生短链脂肪酸。人类只产生非常有限的用于碳水化合物降解的碳水化合物活性酶(CAZymes),因此依赖于肠道微生物群间接代谢几种膳食纤维。低纤维的饮食与肠道微生物群中减少的CAZyme储备相关。
短链脂肪酸的健康益处
包括前面文中提到过的,通过GPCRs传递信号,以及刺激肠道内分泌细胞分泌饱腹感激素(GLP-1和肽YY)。这影响了食欲调节,并调节了调节性T细胞的功能,以及脂质和葡萄糖代谢,在调节宿主能量代谢和结肠稳态中发挥关键作用。
丁酸盐作为结肠细胞的能量来源,通过肠细胞(巨噬细胞和树突状细胞)介导抗炎特性,并增强粘液产生,这突出了其在优化肠道吸收和肠道屏障功能中的作用。
短链脂肪酸与GPCRs及其他细胞的作用和互动不仅限于肠道,还扩展到外周组织、器官和免疫细胞。在小鼠模型中的报告表明,SCFAs和高纤维饮食可能在降低1型糖尿病、2型糖尿病、哮喘和压力的风险,减少脂肪酸合成和脂肪分解方面发挥作用,从而减轻体重并增强神经认知发展。SCFA的吸收导致肠腔pH值降低,这抑制了对pH敏感的病原体如梭菌纲和肠杆菌科的生长,并增加了营养素吸收。
全谷物中的不可溶纤维影响肠道传输速率和细菌发酵
两项随机对照交叉试验涉及50名超重或有代谢综合征风险的个体,表明全谷物饮食增加了粪便中的丁酸盐和己酸盐,改善了血脂水平,减少了炎症标志物,并与精制谷物饮食相比改善了体重减轻。产短链脂肪酸的菌与结肠传输时间显示出负相关关系。这进一步有助于调节肠道微生物组成和多样性,从而缓解各种肠道疾病,如肠易激综合症、炎症性肠病、结直肠癌和胃癌以及便秘。
微生物群与人类健康之间的相互作用强调了采取整体方法和更大规模的人类研究的必要性,以便深入认识饮食碳水化合物、肠道微生物群组成和疾病易感性之间复杂的关系。
植物性饮食富含多酚类、宿主可消化和不可消化的碳水化合物,并发挥益生元和后生元的双重效应。素食饮食导致形成独特的细菌环境,这一点从细菌功能能力的转变中得到证实。
素食者:拟杆菌↑ 普雷沃氏菌属↑
例如,素食者表现出低肉碱降解但增加氮同化。与杂食者饮食相比,这些饮食促进了拟杆菌门和普雷沃氏菌属的丰度,尽管由于微生物个体差异和研究方法的不一致性,研究结果有时会出现矛盾。
某些属或种的对比水平可以归因于饮食快速与逐渐转变对微生物造成的压力、健康与不健康饮食成分的存在,以及各种生物活性化合物的来源。例如:
植物性饮食的这些特性使其在预防和管理慢性疾病,如心血管疾病、2型糖尿病和某些癌症方面显示出潜力。然而,需要更多的研究来充分理解植物性饮食对肠道微生物组的具体影响,以及这些变化如何影响宿主的健康和疾病风险。
多酚类物质的吸收:少量在小肠,大量在结肠
多酚类物质,分为类黄酮和非类黄酮,是植物的次级代谢产物,存在于水果、蔬菜、谷物、葡萄酒、茶、咖啡等食物中。
少量的多酚类物质(5%~10%)在小肠中被吸收,主要是那些具有单体和二体结构的多酚。吸收后,苷元在肠细胞内经历生物转化,然后在肝细胞内继续转化。这些代谢产物通过循环系统运输到肾脏和肝脏等器官,并最终随尿液排出。
大部分多酚类物质(90%-95%)在回肠和结肠中与肠道微生物发生作用,它们促进双歧杆菌、Akkermansia、乳杆菌等物种的丰度,从而提供显著的抗炎和抗病原体特性,以及心血管保护作用。
最近一项涉及超过2万名成年人的随机对照试验表明,食用富含多酚的可可提取物减少了心血管疾病导致的死亡。然而,心血管疾病的发生并没有减少。
多酚类物质的抗菌和抗病原体特性
多酚类物质可以通过几种机制抑制细菌生长,包括结合并改变细胞膜的功能特性。它们还展现出对食源性病原体的抗菌活性,并以剂量依赖性方式作为群体感应抑制剂和抗菌剂。
肠道微生物群代谢多酚
肠道微生物群双向调节并代谢多酚类物质,将它们转化为更具生物活性的微生物代谢产物,并提高其相对于原始化合物的吸收。
代谢产物的健康益处
研究表明,食用生物活性微生物代谢产物对人类健康有益处。例如:
多酚类物质对肠道微生物群的调节
多酚类物质可以通过改变肠道微生物群的组成和影响各种微生物酶的功能,调节肠道微生物代谢产物,包括短链脂肪酸、TMAO、多巴胺、脂多糖、胆汁酸。
这最终可以通过多种方式引起多酚类物质诱导的宿主反应,例如,作为调节肠道酸碱平衡的调节器。多酚类物质对肠道微生物群的调节已被证明支持肺功能、中枢神经系统功能和肠道屏障完整性的稳态。
植物和动物源食物类型不同,对菌群影响有差异
植物和动物源性食物中蛋白质和脂肪类型的不同导致了肠道微生物组成和代谢组的差异。例如,基于动物的饮食导致耐胆汁细菌种类的丰度增加,如Alistipes、Bilophila,同时减少了厚壁菌门的丰度,降低了支链氨基酸(BCAAs)的水平,并增加了SCFAs和二甲基硫化物。
其他植物化合物,如纤维、萜类和类胡萝卜素,也已显示出健康益处。个体在从饮食多酚中产生酚类衍生代谢产物的量上的差异归因于每个人肠道微生物组的独特组成。
因此,分析多酚代谢产物可以作为一种有价值的方法,以更深入了解生物活性化合物效应,并为理解个体间的显著多样性提供全面的认识。
每日蛋白质摄入量超过1.5克/千克体重的饮食通常被认为是高蛋白饮食。这种饮食通常用于运动员或为超重人群减肥时所推荐。
蛋白质的消化和吸收
饮食中的蛋白质主要由宿主的蛋白酶分解,但每天有12-18克的蛋白质可到达大肠并被微生物群代谢。
不同类型的复杂蛋白质具有不同程度的可消化性,以及不同的氨基酸组成。
参与蛋白质分解的菌群
一些细菌物种参与蛋白质分解,并在高蛋白饮食者的肠道微生物群中富集,主要是拟杆菌属、芽孢杆菌属(Bacillus)、梭菌属(Clostridium)、Phocaeicola、丙酸杆菌属(Propionibacterium)、梭杆菌属(Fusobacterium)、乳杆菌属、链球菌属。
其他细菌可以直接利用氨基酸,并从蛋白质分解中受益,形成交叉喂养的相互作用。
蛋白质分解细菌使用多种酶
蛋白质分解细菌使用多种外肽酶、蛋白酶(包括金属、丝氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酸和天冬酰胺蛋白酶)和内肽酶来释放短肽和游离氨基酸。
氨基酸代谢产生短链脂肪酸
大多数氨基酸被发酵成短链脂肪酸:
部分发酵产物可能带来的健康危害
其他发酵产物包括可能的炎症化合物,如来自芳香族氨基酸(例如色氨酸)的吲哚和酚类化合物,以及氨、胺、有机酸和气体(即由含硫氨基酸半胱氨酸和甲硫氨酸产生的硫化氢,以及二氧化碳)。
值得注意的是,这些最终产物中的一些可能与疾病有关。吲哚和吲哚相关化合物可以到达肝脏并转化为硫酸吲哚酚,这是一种对肾脏有害的有毒代谢产物,并参与内皮功能障碍。此外,硫化氢可能具有致突变性,并可能在炎症中发挥作用,增加结肠癌的风险。
生酮饮食是一种极低碳水化合物、适量蛋白质和高脂肪的饮食模式,模拟了禁食期间的代谢反应,这种状态下循环酮体水平升高。
注:酮体是脂肪酸衍生的分子,当葡萄糖可用性受限时作为替代能量来源。这些酮体(KBs)包括β-羟基丁酸(βHB)、乙酰乙酸和丙酮,主要在肝脏中产生。
生酮饮食长期以来一直作为治疗癫痫的饮食疗法,并且越来越多的研究表明这种饮食在治疗阿尔茨海默症、肥胖症、癌症等各种疾病方面的益处。
注:传统的长链甘油三酯生酮饮食遵循脂肪(克)与蛋白质和碳水化合物总和的4:1比例。变体包括中链甘油三酯生酮饮食、改良阿特金斯饮食和低血糖指数治疗,每种方法都有稍微不同的宏观营养素比例。
在人类中,诱导生酮状态需要严格限制碳水化合物摄入(5%–10%千卡/天),适量蛋白质摄入(30%–35%),和高脂肪摄入(55%–60%)。
生酮饮食的潜在风险和副作用
生酮饮食(利于拟杆菌门) ≠ 高脂饮食(利于厚壁菌门)
典型的高脂饮食通常会增加厚壁菌门的丰度并减少拟杆菌门;然而,生酮饮食的效果不同。
——超重成年人
在涉及17名超重成年人的研究中,为期4周的生酮饮食显示在人肠道中放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门的大量减少。具体来说,有益的双歧杆菌的19种物种减少了,而拟杆菌门丰度增加。这些变化部分是通过宿主产生酮体诱导的。
——癫痫儿童
在涉及12名严重癫痫儿童的为期3个月的研究中,遵循生酮饮食的儿童显示健康促进和消耗纤维的双歧杆菌属、直肠真杆菌(E. rectale)和Dialister属的丰度大幅减少。相反,儿童显示拟杆菌属和大肠杆菌属的丰度增加,后者部分归因于大肠杆菌(Escherichia coli)的增加。
生酮饮食对肠道微生物组的影响
临床前研究也表明,肠道微生物组的组成在响应生酮饮食时发生了显著变化,最明显的是:
酮体βHB↑ 双歧杆菌↓
一项分析生酮饮食对肠道微生物组组成的变化的潜在机制的研究报告了在人类和鼠类受试者中,双歧杆菌属和酮体β-羟基丁酸(βHB)之间的显著负相关,也就是说,随着βHB水平的增加,双歧杆菌属的水平会降低。
来自人类、啮齿动物和细胞培养的数据支持β-羟基丁酸抑制NLRP3炎症体的能力。高水平的酮体可以降低血压并增加血管功能。循环酮体水平的增加还可以减少心脏炎症和心力衰竭的可能性。酮体也可能通过刺激胰岛素受体,通过诱导AMP激活蛋白激酶(AMPK)和下调mTOR来改善胰岛素敏感性。高水平的酮体可能减少食欲,从而使体重减轻。
生酮饮食→双歧杆菌↓→减少诱导Th17→促炎降低
将生酮饮食者的粪便微生物群移植到无菌小鼠中,研究揭示了肠道TH17细胞的变化。
注:Th17细胞是一种辅助性T细胞亚群,其主要特征是能够产生多种促炎细胞因子,如IL-17、IL-21和IL-22等。
双歧杆菌属对肠道TH17细胞的有强烈诱导作用,而生酮饮食改变肠道菌群(双歧杆菌降低)也减少了诱导Th17的能力,可能导致这些细胞的促炎性降低,从而影响肠道和脂肪组织的炎症状态,
然而,由于有益的肠道微生物群的减少和促炎性及病原性肠道细菌的促进,需要进一步的研究来了解生酮饮食对宿主健康的长期影响。
西方饮食的特点是高热量含量,富含动物蛋白、饱和脂肪、简单糖和超加工食品,同时纤维、水果和蔬菜的摄入量不足。
西方饮食:多样性下降,拟杆菌为主
与其他饮食相比,西方饮食与肠道微生物组多样性的显著降低有关,其肠道特征转向以拟杆菌属为主的肠道特征。其他丰富的物种属于Ruminococcus、Faecalibacterium、双歧杆菌属、Alistipes、Blautia、Bilophila。
由于纤维摄入较少和不同的微生物组成,相关的微生物群产生的短链脂肪酸较少。
红肉中胆碱→TMAO→多种慢病相关
红肉中的特定化合物,如胆碱和肉碱,也可以被肠道微生物群转化为三甲胺,然后在肝脏中转化为与慢性疾病相关的三甲胺-N-氧化物(TMAO)。
加工食品和添加剂的影响
加工食品包含各种添加剂、防腐剂和乳化剂,能够直接或间接与肠道微生物群相互作用。
非营养性人造甜味剂,如低热量或饮食食品和饮料中的糖精、三氯蔗糖和阿斯巴甜,对微生物组多样性和组成的潜在长期影响尚不清楚。
其他添加剂,如卡拉胶(一种从红海藻中提取的增稠剂或凝胶剂,存在于许多加工食品中,如乳制品),已知会促进肠道炎症和破坏粘液层,导致肠道微生物组的变化。
人工食品色素,如糖果和烘焙产品中的Allura Red AC,赋予颜色并通过与肠道细菌的相互作用改变硫的稳态。
一些防腐剂,如加工肉类中的硝酸钠,也可以调节肠道微生物组的组成,而乳化剂,如羧甲基纤维素(一种存在于酱汁中的增稠剂)和聚山梨醇酯-80(一种存在于酱汁和烘焙食品中的乳化剂和稳定剂),直接冲击肠道微生物组的组成和功能。
详见我们之前的文章:
你的焦虑可能与食品添加剂有关,警惕食品添加剂引起的微生物群变化
糖,功能糖,代糖,如何从健康角度看这些肠道菌群的“甜蜜伙伴”
总体而言,西方饮食与慢性炎症的激增有关,导致与饮食相关的疾病,包括肥胖和其他非传染性疾病。
过去50年中,一种受到极大关注的饮食疗法是日常热量限制(CR),它被定义为在保持充足营养的同时,将饮食摄入量减少至低于维持体重所需的能量水平。观察性、临床前和临床试验的发现表明,CR可能将寿命延长1-5年,同时改善生活质量。
最严格的CR随机试验来自国家老龄化研究所资助的CALERIE(减少能量摄入长期效应综合评估)联盟。CALERIE研究包括CALERIE第一阶段(三项为期6至12个月的CR小规模试点研究)和CALERIE第二阶段(一项大型、多中心、为期2年的CR随机试验)。
注:这些研究招募了体重正常且健康状况良好的成年人。每项试验中实施的CR程度不同,但通常涉及日常能量摄入量减少10%至30%,同时确保其他关键营养素的充足摄入。
CR的健康益处
CALERIE研究的发现显示,短期和长期CR都可以减少体重、皮下脂肪、内脏脂肪和肝内脂肪含量。
CR减少了微生物表达的酶
这些酶能够使脂多糖A生物合成,从而限制了脂多糖(LPS)的产生,并以药理学上已知能刺激脂肪细胞褐化和减少内脏脂肪的方式抑制了LPS-TLR4途径。
将经过CR调节的与对照肠道微生物群移植到未经处理的无菌小鼠中,导致体重和体脂肪的增加减少,胰岛素敏感性提高,UCP1+(即褐/产热)脂肪细胞增加,这表明CR诱导的肠道微生物组变化在这些效应中起到了因果作用。
Dorea弱预测了CR诱导的体重减轻
人类的CR研究报道了肠道微生物组组成和功能的多种变化,但据所知,还没有研究表明这些变化是代谢益处的基础。
最近一项随机对照试验比较了147名超重或肥胖成年人中12周间歇性与持续性CR的效果,发现体重减轻与细菌相对丰度、群落α多样性或循环微生物代谢产物(例如短链脂肪酸)的变化之间没有关联。尽管如此,基线微生物组组成——特别是Dorea的相对丰度——弱预测了CR诱导的体重减轻。
超重人群日常热量限制后相关菌群变化
同样,一项涉及80名超重或肥胖成年人进行14周CR的前瞻性研究发现,体重减轻5%或以上与Collinsella和Christensenellaceae的丰度正相关,与大肠杆菌/志贺菌属、克雷伯菌属、巨球形菌属(Megasphaera)、Sellimonas、乳杆菌属的丰度负相关。
微生物组特征与特定代谢健康标志物之间的关联
如Akkermansia和Christensenellaceae与基于HOMA-IR的胰岛素敏感性之间的关系。需要额外的功能研究来测试这些微生物组特征与代谢反应之间的联系是因果关系还是其他生理状态的共线性结果。
解决开始和维持饮食模式重大转变挑战的一个潜在解决方案来自于一组数据,即间歇性禁食可以导致显著的体重减轻。
最常见的间歇性禁食形式是时间限制性进食(TRE),它涉及将进食窗口限制在4-10小时内,并在一天剩余的14-20小时内禁食。
TRE的做法
在进食窗口期间,个人不需要计算卡路里或以任何方式监测食物摄入,这种简单性可能解释了近期TRE受欢迎度的上升。在禁食窗口期间,个人被鼓励大量饮水,也可以消费无能量饮料,如不加添加剂的茶和咖啡。当肥胖成年人将进食窗口限制在每天4-10小时时,他们通常会将能量摄入减少200-550千卡/天,这种能量限制程度与日常CR(热量限制)相当。
TRE的减重效果
随机对照试验显示,TRE在降低体重和改善一些心血管健康标志物方面是有效的。体重通常在2-12个月的TRE后减少3%-5%,减少主要来自脂肪质量和内脏脂肪质量的减少,而不是瘦体重。
然而,并非所有关于人类TRE的研究都报告了体重减轻。有研究表明,3个月的8小时TRE(下午12点至晚上8点的进食窗口)对肥胖成年人的体重与无干预对照组相比没有影响。
注:然而,这项研究是在自由生活的参与者中进行的,他们在试验期间与研究团队的接触很少。
当进食窗口较早时,降血压效果才较为明显
即使实现了减重,也不是所有受试者都表现出代谢改善。血压通常在2-12个月的TRE后降低5-10毫米汞柱,但这些效果通常只有在进食窗口设在一天中较早的时候(即下午2点前)才会被注意到。早期进食窗口可能通过促进钠尿(通过肾脏在尿液中排泄钠)来降低血压,因为当盐分摄入转移到一天中较早的时候,由昼夜节律系统调节的钠排泄会增加。TRE似乎并不影响低密度脂蛋白胆固醇、高密度脂蛋白胆固醇或甘油三酯水平。循环炎症标志物,如C反应蛋白(CRP)、白细胞介素-6(IL-6)和肿瘤坏死因子-α(TNF-α),也不受TRE影响,尽管数据有限。
TRE改善血糖效果明显(早点吃,进食时间短)
临床试验发现,TRE在改善前驱糖尿病和肥胖个体的空腹胰岛素和胰岛素敏感性方面表现出相当一致的效果。TRE还改善了葡萄糖耐受性并减少了血清葡萄糖波动。这些改善更常见于早期进食窗口(即在下午3点前吃完所有食物)和较短的进食窗口(4-6小时)。
在2型糖尿病成人中,TRE改善了糖化血红蛋白水平,与每日CR相当,并且没有增加低血糖的风险。
TRE如何改善糖调节?
来自人类试验的数据显示,身体在TRE期间经历了代谢转换。
肠道微生物群发挥作用
在小鼠中,时间限制性喂养(TRF)通过恢复肠道细菌相对丰度的昼夜变化,减轻高脂高糖(HFHS)饮食的影响。
这些变化在远端小肠(回肠)最为明显,并与促胰高血糖素基因Gcg的表达增加和GLP-1的血浆水平升高相对应。
经抗生素处理和无菌小鼠的研究支持肠道微生物群在昼夜GLP-1释放中发挥因果作用,但具体的微生物效应因子仍不清楚。
一个概念验证来自于肠道共生菌Akkermansia muciniphila的研究,它分泌一种84kDa的蛋白质(P9),足以通过与细胞间粘附分子2(ICAM-2)相互作用诱导GLP-1的分泌。
需要更多的工作来理解参与TRE的糖调节和其他有益效应的微生物群的全范围,以及它们的临床相关性。
TREplus版:肠道菌群变化更显著
值得注意的是,最近的一项临床研究比较了CR与能量匹配的TRE加蛋白质plus(定义为每天四次均匀间隔的餐食;TRE-P)方案在超重或肥胖成年人中的效果,发现TRE-P与肠道微生物组组成的更显著变化相关,包括之前与减重和蛋白质消费有关的类群的丰富,如Christensenellaceae。此外,在TRE-P干预期间,体重减轻高与低的参与者之间观察到肠道微生物组组成和功能能力的差异,但这些微生物组变化是否对TRE-P诱导的代谢改善有因果贡献仍不清楚。
母乳是大量生物活性化合物的来源,包括人乳寡糖(HMOs)、免疫球蛋白G(IgGs)、免疫细胞和微小RNA(miRNA),其中一些可以影响婴儿的肠道微生物群。与配方奶相比,母乳喂养会导致粪便钙保护素和β-防御素2等炎症标志物水平更高,这反映了随着促炎血清细胞因子减少,免疫成熟的过程。
双歧杆菌和拟杆菌利用HMOs,因此占主导地位
HMOs被双歧杆菌属(包括Bifidobacterium breve、Bifidobacterium bifidum、B. longum、B. infantis、Bifidobacterium pseudocatenulatum)以及拟杆菌属物种利用,导致这些物种在母乳喂养的婴儿肠道中占主导地位。
这可能会改变宿主中微生物与代谢产物之间的关系,如降低的肌苷水平与长双歧杆菌丰度增加之间的相关性所证明的,这表明其可能在婴儿的免疫和神经发育中发挥作用。
HMOs作为益生元发挥作用
乳铁蛋白和溶菌酶具有抗菌特性,能够调节对感染的保护。
肠道中由HMO利用形成的SCFAs被宿主用作能量来源。
非母乳喂养的肠道菌群
非纯母乳喂养的配方奶喂养婴儿拥有更高丰度的链球菌属、肠球菌属、韦荣球菌、梭菌属,并表现出在更多碳水化合物代谢途径上的功能能力差异,这证明了饮食对肠道微生物组的重要性。
较短的母乳喂养时间,菌群多样化
较短的母乳喂养持续时间与早期生活中高度多样化且类似成人的微生物组成相关联。
母乳中的HMOs调节婴儿肠道微生物群,并提供若干健康益处,如长期保护免受过敏、特应性皮炎和肥胖的影响,以及增强肠道屏障功能。同样,引入辅食会导致肠道微生物群的变化,这些变化促进了碳水化合物的利用、维生素的合成和外源性物质的降解,结果是厚壁菌门和拟杆菌门中的微生物水平增加。
最近的研究报道,涉及脂肪和糖摄入的孕妇饮食干预改变了婴儿肠道微生物组的功能,而另一项研究则报告没有关联。
小鼠实验:母亲孕期低纤维饮食,幼鼠呼吸感染的严重程度增强
最近的研究显示,在怀孕期间接受低纤维饮食的小鼠在后代中经历了延迟的浆细胞样树突状细胞和调节性T细胞扩增的扰动,导致呼吸感染的严重程度增强。同样,在无纤维饮食的小鼠中,幼崽中的比例较低的Akkermansia muciniphila、固有淋巴细胞和TH17细胞,而缺乏AKK菌属且被喂食纤维的小鼠显示出减少的固有和适应性RORγt‐阳性免疫细胞亚群。
小鼠实验:富含发酵食品,减少新生儿结肠炎症
另一项在母猪和小鼠上进行的研究表明,富含发酵食品的母亲饮食影响了新生儿肠道微生物群的发展,并通过p38丝裂原激活蛋白激酶和c-Jun氨基末端激酶激活的caspase 3的磷酸化减少了结肠炎症。母亲饮食对婴儿长期健康影响的程度需要进一步研究。
肠道微生物群在调节宿主代谢方面发挥着关键作用,微生物组成的某些变化和多样性的减少与多种代谢性疾病发病率的上升有关。
肥胖与肠道菌群有关
利用无菌啮齿动物模型,研究人员已经建立了肠道微生物群与肥胖之间的联系。将肥胖小鼠的肠道微生物群定植到无菌小鼠体内,导致体重和胰岛素抵抗显著增加,而当无菌小鼠被喂食西式饮食时,肥胖的发展则不存在,这突显了肠道微生物群在肥胖中的作用。然而,其他几项同意微生物群在能量稳态中的作用的研究未能显示其在肥胖发展中的决定性作用,并指出需要更多的研究来探索这种复杂的关系。
2型糖尿病和肥胖的个体的肠道菌群特征
患有2型糖尿病和肥胖的个体通常表现出产丁酸菌减少,乙酸盐及促炎物种增加,这些与胰岛素抵抗性升高有关。在肥胖小鼠上进行的研究支持肠道微生物群在2型糖尿病中的作用。双歧杆菌属、拟杆菌属、Faecalibacterium、Akkermansia与2型糖尿病负相关,其中双歧杆菌增加了胰高血糖素样肽-2(GLP-2)的水平,从而改善肠道通透性并减少代谢性内毒素血症。
注:二甲双胍,一种常见的2型糖尿病药物,与肠道微生物群相互作用,可能通过调节葡萄糖稳态和短链脂肪酸的产生来介导其抗糖尿病效应。
饮食、肠道微生物组、代谢性疾病
doi.org/10.1038/s41579-024-01068-4
注:红色箭头表示饮食脂肪可以通过何种作用机制对宿主健康产生下游影响,最终导致CVD风险。此外,蓝色箭头显示了主要存在于动物产品中的胆碱如何引起CVD风险。
心血管代谢疾病的个体的肠道菌群变化
特征是增加的肠杆菌科(Enterobacteriaceae)物种和减少的拟杆菌属以及抗炎的F. prausnitzii。肠道微生物群的这些变化与更具炎症性和较少发酵性的肠道环境有关。
TMAO
三甲胺-N-氧化物(TMAO),一种由肠道细菌从饮食化合物产生的代谢产物,与动脉硬化、血小板聚集和血栓形成有关。
在小鼠和人类的研究表明,饮食因素影响TMAO水平,某些情况下抗生素降低了TMAO,而杂食饮食增加了它。TMAO水平升高与心力衰竭患者的高死亡率相关。然而,结果并不一致,一些研究表明某些饮食成分如左旋肉碱和富含TMAO的食物可能有助于预防动脉粥样硬化,这引发了关于饮食、微生物组和宿主遗传学在动脉粥样硬化发展中复杂相互作用的问题。
增加的饮食脂肪可以影响FXR和TGR5等胆汁酸受体的激活,它们在脂质和葡萄糖代谢中发挥重要作用。这些途径的调节失常可能导致心血管疾病的发展。
由于微生物组改变导致的能量稳态的微小变化可能具有长期效应,在代谢性疾病中发挥作用,既是因果因素也是促成因素。此外,它们可以作为使用微生物组靶向治疗改善这些状况的目标。
饮食在肠道疾病的病理生理学中起着关键作用,特别是炎症性肠病、肠易激综合症和结肠癌。
肠易激综合征
过敏、食物不耐受、微生物群组成的转变、轻度粘膜炎症和肠道通透性的增加可能促成了肠易激综合症的表现。
研究发现,类似于病原性肠易激综合症的人类微生物组表现出拟杆菌门的丰度减少,以及厚壁菌门和与氨基酸及碳水化合物代谢相关的基因丰度增加。
饮食成分与炎症性肠病风险
饮食也可以改变炎症性肠病(包括克罗恩病和溃疡性结肠炎)的肠道微生物群落组成,影响短链脂肪酸和纤维等物质的代谢,这反过来又可能促成疾病的发生。
动物蛋白、乳制品、碳水化合物和多不饱和脂肪酸等食物成分与发生炎症性肠病的风险有关。
动物蛋白与炎症性肠病的机制
一个将炎症性肠病与动物蛋白联系起来的机制涉及小肠中的氨基酸和血红素吸收不良,导致产生酚类和氢气等有害副产物。这通过抑制丁酸盐的产生和减少肠道屏障中的二硫键,促成了炎症性肠病的发病机制。
高脂肪饮食也与炎症性肠病强烈相关
在实验模型中,高脂肪饮食可以破坏肠细胞间的结合蛋白功能,从而改变粘液层的组成和肠道微生物群。
持续且控制不当的炎症性肠病,以及由于不良饮食模式(如西方饮食)导致的慢性胃肠道炎症,是影响结肠炎相关结直肠癌风险的主要外部因素。这些因素影响免疫反应、肠道组织平衡和肠道微生物组。
doi.org/10.1038/s41579-024-01068-4
注:增加的动物蛋白(绿色箭头)和低纤维(紫色箭头)饮食可能对生理功能和宿主健康产生下游影响。
增加红肉消费可导致胆碱水平升高,由于血红素吸收不良,在小肠中产生更多的氢气和苯酚。这反过来可以减少胃肠道中的丁酸盐生产,导致炎症增加。同样,饮食中纤维摄入减少可能通过增加TH17的产生,同时减少Treg和短链脂肪酸产生,对肠道健康产生负面影响。这种不平衡最终导致胃肠道内慢性炎症加剧。肠道内长期的慢性炎症可能大幅增加发展成炎症性肠病的风险。
饮食在散发性结直肠癌中的作用
研究发现,低纤维、高脂肪饮食与Fusobacterium nucleatum有关。拟杆菌属通过激活E-钙粘蛋白-β-链球蛋白信号、表观遗传变化和改变肿瘤微环境等机制与结直肠癌有关,从而促进恶性转变。同样,诸如产毒脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)等致癌细菌被假设通过直接与结肠上皮细胞相互作用和改变局部微生物群组成来触发结直肠癌的发病。
人类肠道是真菌和病毒群的栖息地,分别称为肠道真菌组和病毒组。尽管这些群落只占肠道中总微生物的0.1%-1%,但它们都受到饮食的影响。
婴儿肠道真菌组中,酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)是优势物种,断奶后被其他酵母属(丝孢酵母属Cystofilobasidium、曲霉属Ascomycota、单孢子酵母属Monographella)取代。
城市居民的肠道真菌组成包括酿酒酵母和较少的产短链脂肪酸菌,农村居民则有更多样化的真菌物种。
念珠菌属(Candida species)与富含碳水化合物的饮食相关,与富含蛋白质的饮食负相关。
母乳喂养和配方奶喂养婴儿的肠道病毒组组成差异由肠道微生物群变化和母乳垂直传递病毒引起。
高脂饮食与Siphoviridae病毒丰度减少和Microviridae噬菌体丰度增加有关。
无麸质饮食则与相反的变化有关,Siphoviridae在Microviridae之上,占主导地位。
肥胖和1型及2型糖尿病患者的病毒组成也发生变化,高脂饮食喂养小鼠的粪便病毒移植降低肥胖风险。
肠道耐药组,赋予微生物抗微生物药物耐药性的所有基因或遗传物质的集合,随着细菌微生物组和病毒组的变化而变化。
一些研究报告γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)属拥有丰富的抗生素抗性基因(ARG)储备。
配方奶喂养的婴儿ARG负荷更高,与细菌组成有关。
纯素和鱼素食饮食个体肠道中的微生物组成不同,但他们的耐药组档案并没有显著差异,表明耐药组主要由抗微生物药物暴露而非饮食塑造,可能的例外是含有特定防腐剂的食物。
需要进行详细的饮食干预研究,以了解饮食是否可以减少ARG的负担。
地中海饮食在缓解和管理多种疾病方面已被证明是有效的,包括心血管疾病、2型糖尿病、炎症性肠病、肠易激综合症、认知能力下降和抑郁症。此外,对这种饮食的调整,如MIND饮食,已成功降低阿尔茨海默病的风险并减缓认知能力下降。同样,DASH(阻止高血压的饮食方法)饮食已证明在治疗高血压方面有效。
特定的碳水化合物饮食在临床实践中用于治疗炎症性肠病的症状。特定的碳水化合物饮食在儿童和成人队列中已证明其有效性,并已与改善的临床参数和炎症标志物相关联。然而,使用这种饮食时必须保持营养控制,以避免营养不足和体重下降。
对于肠易激综合症的治疗,通常使用低发酵性低聚糖、二糖、单糖和多元醇(低FODMAP)饮食,有50%~80%的患者有积极的临床反应。
在41名患者中进行的为期四周的低FODMAP饮食研究显示,从类似病原性肠易激综合症的肠道微生物组向健康相关的肠道微生物组发生了组成和功能上的转变。
同样,研究表明,坚持低FODMAP饮食,双歧杆菌(Bifidobacterium adolescentis)方面表现出显著降低,这种细菌会破坏肠道屏障功能并改变紧密连接的完整性,从而支持低FODMAP饮食的积极效应是通过肠道微生物群介导的假设。
无麸质饮食目前是治疗乳糜泻的方法,研究已证实这种饮食在缓解胃肠道症状方面的有效性。采用这种饮食方案与肠道微生物组成和肠道微生物途径的改变有关。
最近一项研究分析了乳糜泻患者的小RNA和宏基因组测序数据,研究结果显示,采用无麸质饮食改变了miRNA和微生物群落的轮廓。该研究还揭示了乳糜泻患者中的miRNA-细菌关系和特定的分子模式,表明可能存在用于监测无麸质饮食依从性和评估肠道炎症状态的生物标志物。
对于慢性肾病的管理,推荐采用低蛋白饮食,目的是减缓进入终末期肾病的进展,并推迟对肾脏替代治疗的需求。
综述表明,极低蛋白饮食可能有效减少4期或5期肾病的发生。然而,仅采用低蛋白饮食并未影响终末期肾病的发展。
此外,五篇文章的系统综述和元分析发现,低蛋白饮食增加了拟杆菌科、乳酸菌科、咽峡链球菌Streptococcus anginosus的丰度,同时减少了Roseburia faecis和Bacteroides eggerthii的丰度。但是,在没有微生物多样性和丰富度的整体构成变化的情况下,这些主要在物种和科水平上的变化似乎不足以影响代谢或临床结果。
用于管理2型糖尿病的血糖指数饮食,因其对肠道微生物群的影响及其在影响疾病发展和严重程度方面的潜在作用而受到关注。
这种饮食包括消耗低血糖指数的碳水化合物(例如,豆类、燕麦和小麦),促进血糖水平逐渐且持续上升。尽管关于这种饮食对肠道微生物群影响的研究有限,但小鼠研究表明,它与因摄入大麦而增加的乳酸杆菌属、普雷沃特氏菌属和纤维降解S24-7细菌的丰度有关,或因摄入全谷物燕麦而增加的双歧杆菌属和乳酸杆菌-肠球菌属(Lactobacillus-Enterococcus)有关。
肠道微生物组在人体生理学中的中心作用彻底改变了我们对健康的看法,并日益渗透到营养研究和建议中。
目前,全球饮食指南普遍达成共识,但不幸的是,这种均质性也延伸到了微生物组,只有少数几个国家(例如美国和南非)明确考虑了饮食-微生物组相互作用。
很多文章已经讨论了肠道微生物组知识如何与当前的营养指南相结合,为包含微生物组的精准营养提供了机会,并广泛考虑了将微生物组科学纳入研究、教育、政策和公共卫生沟通的更广泛问题。
几乎所有方面的人类营养最终都需要根据饮食-微生物组相互作用对人类健康的直接和间接后果重新评估。
这里强调微生物组知识挑战营养科学的三个原则:
宿主卡路里≠宿主-微生物组卡路里
由美国化学家威尔伯·奥林·阿特沃特(Wilbur Olin Atwater)在19世纪末提出的阿特沃特系统,用于估算食物中各种营养成分的热量值,反映了食物中的平均化学能量减去粪便、尿液、分泌物和气体中排泄的平均分数。
阿特沃特系统估算热量含量的方法存在三个关键疏漏:
1、食物基质效应
没有捕捉到更广泛食物基质的效果,如植物性宏观营养素在细胞壁或亚细胞结构中的封装。
2、饮食诱导的热生成
没有捕捉到消化的代谢成本,这基于宏观营养素含量、餐食的可口性和食物加工而变化。
3、宿主与微生物组的卡路里区分
只在很小程度上区分了对人类可利用的卡路里和对肠道微生物组可利用的卡路里。
营养学领域长期以来一直合理地关注那些被吸收进入人体组织的饮食成分,因为这些成分有潜力直接影响健康。然而,大量证据表明肠道微生物组对饮食消化性很敏感,并且饮食引起的肠道微生物组的变化可以在不同情况下因果地塑造宿主的健康和疾病,这日益凸显了未吸收营养素的重要性。
未吸收营养素的重要性
与被吸收的营养素不同,未吸收的营养素可靠地到达结肠中最密集的微生物群落。此外,随着消化液在胃肠道内向下推进,未吸收的营养素会因为被吸收的营养素和水分的消失而浓缩。因此,可以预期,未吸收的营养素在塑造肠道微生物组及其对健康和疾病的下游影响方面,可能比被吸收的营养素具有更大的影响力。
饮食与肠道微生物组的相互作用
目前研究主要关注食物入口时的状态,而未充分考虑小肠末端的消化残余物。
虽然历史上对回肠消化性的描述依赖于体外模型或复杂的体内模型,例如插管动物、回肠造口术后的人类患者、健康人体中的侵入性鼻-回肠或结肠插管,以及在血浆中检测同位素标记的营养素,但受微生物组启发的新方法可能证明是有希望的。
深入理解饮食-微生物组相互作用的新视角
例如,基于DNA的饮食底物表征——一种称为DNA metabarcoding的技术,可能与基于DNA的微生物组分析相结合,研究特定排泄样本中直接的饮食-微生物组相互作用。可以在动物模型中或使用新的可吞咽装置在人体中执行对饮食和微生物组信号的双重表征,这些装置能够在由pH变化确定的胃肠道间隔处采样消化液。
许多食品物质已根据美国食品药品监督管理局(FDA)基于动物毒理学试验和/或过去在人类中广泛使用且未产生已知有害影响的基础上,被授予“通常认为安全”(GRAS)的认定。
潜在健康影响
然而,GRAS评估通常并未考虑这些物质对肠道微生物组的影响,或者通过微生物组介导的间接健康效应的潜力。
专注于宿主组织的危险通过发现乳化剂如卵磷脂和人造甜味剂如糖精等GRAS物质在饮食相关水平下可能通过影响肠道微生物组诱导肥胖和胰岛素抵抗的情况得到了说明。
牛磺胆酸可能通过菌群与肠道病理的关联
GRAS化合物牛磺胆酸及其化学成分,GRAS化合物牛磺酸和胆酸,可能与肠道微生物组相互作用,促进肠道病理。具体来说,由Bilophila wadsworthia细菌在牛磺胆酸的脱结合过程中释放的牛磺酸产生遗传毒性的硫化氢,同时释放的胆酸作为微生物产生促炎的次级胆汁酸脱氧胆酸的基质。因此,补充牛磺胆酸的饮食导致了B. wadsworthia的增长和易感基因型(IL-10−/−)小鼠中结肠炎的发展。
肠道微生物组可能转化为更有害的形式:杂环胺的肠肝循环
此外,肠道微生物组可能使用其广泛的酶库将饮食化合物或宿主代谢产物转化为更具有害的形式。例如,细菌β-葡萄糖醛酸酶有助于致癌的杂环胺(如IQ,2-氨基-3-甲基咪唑[4,5-F]喹啉)的肠肝循环,这些物质通过肝脏的葡萄糖醛酸化被解毒。
在暴露于IQ时,常规小鼠比无菌小鼠显示出更多的DNA加合物和DNA损伤。单核子大肠杆菌携带功能性与非功能性uidA基因(编码β-葡萄糖醛酸酶)的大鼠表现出增加的结肠遗传毒性,与这种化合物排泄的多个峰值相结合,这与肠肝循环一致。
三聚氰胺污染+肠道微生物组→肾脏病理
肠道微生物组还与由饮食污染物三聚氰胺引起的肾脏病理有关,三聚氰胺是一种用于许多食品制备工具的塑料添加剂。体外和体内实验表明,存在于一些婴儿肠道中的克雷伯菌可以将三聚氰胺转化为三聚氰酸,三聚氰酸现在已知与三聚氰胺形成不溶性的肾脏聚集体。
有益效应
另一方面,肠道微生物组对未吸收的饮食化合物的生物转化可能有助于有益效应,这些效应如果只关注饮食对宿主的直接影响则可能被忽视。
对抗乳腺癌的保护作用
例如,植物衍生的饮食木脂素(如全谷物、种子、豆类和坚果中发现的)的肠道微生物生物转化被认为是它们对抗乳腺癌的保护作用的基础。一组肠道细菌类群(例如,Eggerthella lenta、Blautia producta、Gordonibacter pamelaeae和Lactonifactor longoviformis)将饮食木脂素松香转化为具有抗癌作用的雌激素模拟物enterodiol和enterolactone。
因此,与无菌动物相比,在化学诱导乳腺癌时,能够从饮食木脂素前体产生enterodiol和enterolactone的细菌群落定植的无菌大鼠显示出较少的肿瘤数量和较小的肿瘤大小。
扩展阅读:
肠道菌群有助于饮食解毒改变疾病风险
例如,肠道细菌Oxalobacter formigenes参与草酸盐的分解,草酸盐是一种螯合饮食毒素,通过结合游离金属阳离子,有助于肾结石和肾衰竭。缺乏O. formigenes与高草酸尿症的风险增加有关,其在大鼠中的施用以剂量依赖性的方式减少了饮食诱导的高草酸尿症。
在探索肠道微生物群与饮食之间错综复杂的关系后,我们不难发现,这个微小的生态系统对我们的健康有着深远的影响。从调节能量平衡到影响免疫功能,从塑造情绪到预防疾病,肠道微生物群的作用远远超出了我们的想象。
当然,饮食也只是众多生活方式因素之一,例如身体活动、环境暴露和睡眠,这些因素都会影响宿主的能量平衡和肠道微生物群。此外,药物的广泛使用已经显著改变了饮食干预的背景。例如,GLP-1 激动剂延迟胃排空,这对消化有着深远的影响,包括肠道微生物代谢可用底物的变化。
即使仅考虑饮食,现在也非常清楚,肠道微生物影响宿主代谢的多种途径,加上关键的饮食和微生物组相关代谢物(如短链脂肪酸、次级胆汁酸等)的多效性作用,使预测特定饮食或微生物组特征的代谢影响变得复杂。
实现基于微生物组的精准营养方法需要对人类进行实验研究,以测量整个生物体水平的综合影响,涵盖地理、性别、种族和年龄等各种因素,以及更大规模的横断面研究,针对饮食成分、肠道微生物组结构和功能以及宿主健康之间的特定联系。
这些数据将受益于机器学习的快速发展并将人工智能与实施精准医疗方面的结合起来。随着技术的进步和数据的积累,肠道菌群检测有望成为精准营养和个性化医疗的重要组成部分,帮助我们更好地管理健康,预防疾病,并提升生活质量。
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谷禾健康
丁酸弧菌属(Butyrivibrio)是人体的重要菌属,属于厚壁菌门毛螺菌科,毛螺菌科包括了人体很多重要的菌属,与健康紧密相关。该菌最早于1956年被发现,其革兰氏染色呈阴性,但具有非常薄的革兰氏阳性细胞壁结构。
丁酸弧菌属严格厌氧,不产生孢子。目前已知该菌属包含60多种菌株,溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)为其的模式菌种,能够发酵多种糖和纤维。该菌对植物结构(主要是半纤维素)的降解具有特别重要的作用。因此该菌常见于牛和其他反刍动物(如绵羊、山羊、驯鹿)中,可能与经常摄入纤维有关。该菌也存在于人体的胃肠道中,并且研究发现其丰度与纤维摄入量相关。
丁酸弧菌是一种重要的丁酸生产者,其主要通过代谢可溶性多糖以及植物纤维来产生丁酸盐。而丁酸盐具有多种健康益处,会影响维生素的合成,有助于维持肠道上皮,发挥抗炎、抗氧化作用,以及对其他器官的正常功能也存在一定影响。此外,丁酸弧菌通过蛋白质分解(氨是其最主要的氮源)调节体内的氨水平,还能产生细菌素影响其他菌,例如可以抑制多种革兰氏阳性病原菌,以此来调节人体免疫。
由于丁酸弧菌能够产生丁酸盐,目前认为其是一种对人体有益的菌属。并且已经有一些研究发现在病原体感染、2型糖尿病、白塞氏病、婴儿胆汁淤积症、肺动脉高压、银屑病关节炎、肥胖和代谢紊乱、阿尔兹海默病患者中丁酸弧菌(Butyrivibrio)的丰度显著下降。
丁酸弧菌对抗生素比较敏感,因此在使用一些广谱抗生素时可能也会降低其丰度,但是对四环素具体耐药性。由于丁酸弧菌主要代谢纤维和多糖等物质,通过补充富含儿茶素、花青素、原花青素、咖啡酸、绿原酸和芦丁等多酚类物质的水果和蔬菜,或是使用合生元疗法如共同施用枯草芽孢杆菌和L-丙氨酰-L-谷氨酰胺可以提高丁酸弧菌的丰度。
▼1
丁酸弧菌(Butyrivibrio)一般为弯杆状,末端呈锥形或圆形,大小约为0.3~0.8μm×1.0~5.0μm,它们以单链或短链或长链的形式出现,呈螺旋状排列。成对的细胞可能以“S”形排列,有时呈丝状。
不同菌株之间存在相当大的差异。一些菌株的细胞几乎是纺锤形的,而另一些菌株的细胞非常弯曲,可以形成由2到4个细胞组成的螺旋。Butyrivibrio crossotus直径往往比Butyrivbrio fibrisolvens大。
溶纤维丁酸弧菌的电子显微镜照片
Sewell et al.2008.
✦ 革兰氏染色阴性,但细胞壁属革兰氏阳性类型
丁酸弧菌染色为革兰氏阴性,但缺乏与革兰氏阴性菌相关的三层外膜结构。一些菌株具有非典型的,非常薄的革兰氏阳性细胞壁结构。与正常革兰氏阳性菌壁(约30-50nm)相比,薄壁(约12-20nm)可能是菌株染色反应呈革兰氏阴性的原因。
丁酸弧菌菌株的肽聚糖含有乳酸、葡萄糖胺、丙氨酸、谷氨酸和中氨基戊酸。这些成分符合二氨基苯甲酸直接交联结构。此外,一些丁酸弧菌中还含有少量的甘氨酸和天冬氨酸,表明这些氨基酸可能存在反应。
✦ 菌落的特点
许多丁酸弧菌菌株在含复合碳水化合物琼脂培养基上生长时,表面菌落直径为2至4mm,完整,微凸,半透明,颜色为浅褐色至白色。
一些菌株会产生具有丝状边缘的粗糙菌落,可能代表菌株产生很少的细胞外多糖物质。相比之下,CF型菌株产生大量的胞外多糖,菌落呈粘液状,可见菌落中冒出气泡。
在含纤维素的培养基中,消化纤维素的菌株被纤维素降解区包围,降解区大小和消化程度(通常较弱)都是可变的。当使用含有天然木聚糖的培养基时,也会出现类似的观察结果。
▼2
丁酸弧菌属(Butyrivebrio spp.)是牛和其他反刍动物(如绵羊、山羊、驯鹿)瘤胃中的常见菌,在喂食饲料含量高的动物中数量可观,通常是数量较多的细菌物种之一。它们也存在于这些动物的盲肠和结肠中。
除了反刍动物,丁酸弧菌也存在于各种其他哺乳动物的胃肠道中,并已从兔子、马、人类和猪的粪便或盲肠内容物中分离出来。
还应该注意的是,丁酸弧菌可以在动物以外的环境中生存,并且已经从Napier草食厌氧消化器中分离出菌株。
▼3
通常只有少数细胞表现出运动性。表现出以快速或强烈的振动运动为特征的平移运动。运动是通亚极性鞭毛进行的,鞭毛附着在腋下。
✦ 运动性与生长条件相关
在分离菌株中缺乏运动性通常是由于所采用的培养条件。报道了15株菌株在瘤胃液-葡萄糖-纤维素二糖培养基中生长时不活动,但如果去除纤维素二糖并降低葡萄糖浓度,则所有菌株都可以活动。大多数菌株生长迅速(2小时或更短时间内翻倍),并产生大量酸。由于产酸造成的低pH值可能会抑制运动,也会抑制生长。
▼4
丁酸弧菌是一种严格的厌氧菌,存在于各种家畜和人类的胃肠道系统中。最佳生长温度是37°C,在30°C以下或45°C以上时很少生长或不生长。
它们具有发酵代谢的能力,能够代谢多种碳水化合物,能够利用各种半纤维素和木聚糖。大多数菌株可以降解淀粉和果胶,但很少有菌株可以在纤维素上生长。大多数菌株可以发酵各种可溶性糖、双糖或低聚糖,形成丁酸盐、乳酸盐和醋酸盐。
▸ 代谢多种糖类产生丁酸盐、乙酸盐等产物
几乎所有菌株都能发酵15到20种不同的可溶性碳水化合物,包括葡萄糖、麦芽糖、蔗糖、果糖、纤维素二糖、木糖和阿拉伯糖。
许多研究都集中在特定模式菌株的碳水化合物代谢上。在溶纤维丁酸弧菌ATCC 19171和CE 51中,葡萄糖培养的细胞干物质产量和生长速度高于木糖培养。在后一种培养中,更多的碳被转化为代谢物,而较少的碳被转化为细胞物质。
当同时提供葡萄糖和木糖时,溶纤维丁酸弧菌ATCC 19171和86同时使用两种糖,菌株X1和CE 51表现出典型的先使用葡萄糖生长,而菌株X2D62先缓慢使用木糖直到耗尽,然后快速使用葡萄糖。
此外,菌株CE 51也发生了磷酸烯醇丙酮酸依赖性的葡萄糖磷酸化。溶纤维丁酸弧菌菌株49能迅速水解淀粉,产生葡萄糖、麦芽糖、麦芽糖三糖、麦芽糖四糖和麦芽糖戊二糖。
溶纤维丁酸弧菌发酵葡萄糖的最终产物包括甲酸盐、丁酸盐、乙酸盐以及不同数量的乳酸盐和琥珀酸盐。
然而,菌株之间有相当大的差异:菌株D1和A38显示产生少量乳酸,而菌株49和菌株37产生大量乳酸,但这可以被抑制,而乙酸的存在会产生丁酸盐。
▸ 代谢和降解植物纤维
丁酸弧菌可以利用植物细胞壁的各种成分,丁酸弧菌在各种植物降解中的作用已被广泛研究。
溶纤维丁酸弧菌与其他瘤胃细菌共培养能够降解大麦秸秆、高粱秸秆、苜蓿干草和紫菜干草、棉花秸秆、小麦秸秆和苜蓿。
在不同来源果胶利用的比较研究中,溶纤丁酸弧菌对柑橘果胶的利用效果最好,对甜菜果胶的利用效果优于苹果果胶和苜蓿果胶。与生长在l-阿拉伯糖和d-葡萄糖上的培养物相比,生长在果胶上的溶纤维丁酸弧菌787产生了更多的乙酸和更少的丁酸、乳酸、琥珀酸和氢。
但丁酸弧菌的代谢也被其中一些化合物所抑制。例如,溶纤丁酸弧菌菌株49的生长受到酯连接的阿魏酰和对香豆醇基的限制。酚酸-碳水化合物复合物的生长限制因其水解碳水化合物键的能力而异。
▸ 氨为大多数丁酸弧菌的氮源
大多数丁酸弧菌能以氨为唯一氮源;许多菌株也可以使用尿素。一些菌株还可以使用氨基酸混合物或更复杂的氮源(胰酶、酪蛋白水解物、蛋白胨)。然而,当这些化合物以限制生长的浓度提供时,氨比等量的肽或氨基酸氮支持更多的生长。
多肽不是必需的,但在含氨培养基上经常刺激生长。并且不同的丁酸弧菌可能所需的营养物质不同,据报道菌株E14生长需要蛋氨酸,菌株S2生长需要脂肪酸。添加维生素/酪蛋白水解物混合物或酵母提取物可以刺激菌株TC33在含有葡萄糖的澄清瘤胃液中的生长。最快速的生长是通过添加叶酸、吡哆胺.2HCl和酪蛋白酶解产物的组合获得的。
▸ KEGG 通路
氨基酸的生物合成
抗生素的生物合成
次生代谢产物的生物合成
不饱和脂肪酸的生物合成
生物素代谢
丁酸代谢
2-氧代羧酸代谢
丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代谢
氨基糖和核苷酸糖代谢
氨酰-tRNA生物合成
花生四烯酸代谢
精氨酸和脯氨酸代谢
精氨酸生物合成
抗坏血酸和醛糖酸代谢
C5-支链二元酸代谢
碳代谢
阳离子抗菌肽(CAMP)耐药性
柠檬酸循环(TCA循环)
氰氨基酸代谢
半胱氨酸和蛋氨酸代谢
D-丙氨酸代谢
D-谷氨酰胺和D-谷氨酸代谢
DNA复制
芳香族化合物的降解
脂肪酸生物合成
脂肪酸降解
脂肪酸代谢
叶酸生物合成
果糖和甘露糖代谢
半乳糖代谢
谷胱甘肽代谢
甘油脂代谢
甘油磷脂代谢
甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢
糖酵解/糖异生
乙醛酸和二羧酸代谢
组氨酸代谢
肌醇磷酸代谢
柠檬烯和蒎烯的降解
脂多糖生物合成
赖氨酸生物合成
赖氨酸降解
甲烷代谢
不同环境中的微生物代谢
单环内酰胺生物合成
烟酸和烟酰胺代谢
氮代谢
非核糖体肽结构
新生霉素的生物合成
泛酸和辅酶 A 的生物合成
戊糖和葡萄糖醛酸相互转化
磷酸戊糖途径
肽聚糖生物合成
苯丙氨酸代谢
磷酸转移酶系统(PTS)
聚酮糖单元生物合成
卟啉和叶绿素代谢
丙酸代谢
蛋白质输出
嘌呤代谢
嘧啶代谢
丙酮酸代谢
RNA降解
RNA聚合酶
核黄素代谢
硒化合物代谢
淀粉和蔗糖代谢
链霉素生物合成
硫代谢
硫磺中继系统
牛磺酸和亚牛磺酸代谢
萜类化合物主链的生物合成
硫胺素代谢
色氨酸代谢
酪氨酸代谢
缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的生物合成
缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解
万古霉素耐药性
维生素B6代谢
β-丙氨酸代谢
▼5
丁酸弧菌于1956被首次发现,当时只提出了一个物种,即溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens),这也是丁酸弧菌的模式菌种。
目前主要的丁酸弧菌有三个菌种,溶纤维丁酸弧菌(Butyrivibrio fibrisolvens)、Butyrivibrio crossotus和Butyrivibrio hungatei。
▸ 溶纤维丁酸弧菌为模式菌种
溶纤维丁酸弧菌细胞呈革兰氏阴性,但细胞壁很薄,具有革兰氏阳性的超微结构。葡萄糖培养基中的生长变化从均匀的浑浊到絮状或粒状沉积物。37°C时生长良好,一般在45°C时生长,但在30°C时生长较慢。在22以下或50°C以上时没有生长。
溶纤维丁酸弧菌是正常瘤胃菌群中的一种非致病性成员,并且能够产生丁酸盐,被认为对人体健康有益。
DNA的G+C (摩尔%)是42
模式菌株:ATCC 19171
菌株将葡萄糖或纤维素二糖作为能量来源,氨基酸混合物和铵盐作为氮源,矿物质,B族维生素和半胱氨酸等营养物质也会影响生长。氨基酸混合物通常促进生长,醋酸酯也能刺激生长。
▸ Butyrivibrio crossotus
Butyrivibrio crossotus是从人类粪便或直肠内容物中分离出来的,目前还不知道是否具有致病性。
细胞形态与属描述中呈现的相同,只有少数菌株在厌氧培养的血琼脂板上生长。除非存在可发酵的碳水化合物,否则在蛋白胨酵母提取物肉汤中生长很差。
最佳生长温度是37°C,在30°C时生长缓慢,有些菌株可以在45°C时生长。
DNA G+C (摩尔%):37
模式菌株:ATCC 29175
▸ Butyrivibrio hungatei
Butyrivibrio hungatei,以美国微生物学家罗伯特·e·亨盖特(Robert E. Hungate)命名,他在20世纪60年代分离出了类似的菌株。
细胞形态与属描述相同,由单极或近极鞭毛运动的。可以在39°C无氧环境生长,但在25°C时无法生长,在45°C时生长受限。
色氨酸、尿素和明胶不被利用。不表现出显著的纤维水解或蛋白水解活性,主要利用寡糖和单糖作为生长底物。
可以产生α-半乳糖苷酶、α-阿拉伯糖苷酶、苯丙氨酸芳基酰胺酶和亮氨酸芳基酰胺酶。未检测到淀粉酶、木聚糖酶、β-内切葡聚糖酶、层粘连酶、果胶水解酶、蛋白酶或DNA酶活性。
DNA G+C (摩尔%):44.8
模式菌株:JK 615 (= DSM 14810 = ATCC BAA-456).
▸ 丁酸弧菌的其他菌种
对丁酸弧菌菌株16S rDNA基因的系统发育研究揭示了12种rRNA类型,形成了三个不同谱系。下图给出了这些组的详细视图。
不同丁酸弧菌群的详细组成
DOI: 10.1002/9781118960608.gbm00640.
核糖体RNA1 – 7型形成第一组,其中rRNA 1型(包括溶纤维丁酸弧菌型菌株)是最外围的。16S rDNA序列与2-7型rRNA序列相似性为93-94%,与2-7型rRNA序列相似性为96-98.5%。
除溶纤维丁酸弧菌外,至少报道了13个不同的丁酸弧菌基因型群,下面给出了属于这些组的菌株的概述。
根据遗传信息将菌株划分为不同的丁酸弧菌群
DOI: 10.1002/9781118960608.gbm00640.
目前已知的致病菌种有以下几种:
Butyrivibrio sp AE3009
Butyrivibrio sp XPD2006
Butyrivibrio sp NC2007
▼6
▸ 对大部分影响细胞壁合成的抗生素敏感
溶丁酸弧菌菌株对高水平的萘啶酸(一种DNA旋切酶抑制剂,30-500 μg/ml)具有耐药性。它们通常对许多其他抗生素敏感,特别是那些影响细胞壁合成的抗生素,如β-内酰胺类、头孢菌素和杆菌肽。5株瘤胃溶纤丁酸弧菌对离子载体和蛋白质合成抑制剂非常敏感,但对阿霉素不敏感。
它们对碳水化合物代谢抑制剂和解偶联剂相对不敏感,对盐碱霉素、金霉素和杆菌肽的敏感性各不相同。
▸ 对四环素具有耐药性
溶纤维丁酸弧菌中存在两种类型的四环素耐药基因:一种是非传染性的,其序列与肺炎链球菌tet(o)相同;另一种是传染性耐药基因tet(W)。该基因的DNA GC含量高于其他溶纤丁酸弧菌基因,类似的序列也存在于其他瘤胃厌氧菌中,表明最近在瘤胃细菌之间发生了属间转移。
▼7
许多溶纤维丁酸弧菌菌株(从羊、鹿和牛中分离出的菌株超过50%)具有抗菌活性,可能是由于它们产生不同的抑制化合物。
▸ 可以产生一些细菌素
来自牛瘤胃的溶纤维丁酸弧菌菌株JL5产生一种细菌素,这种细菌素可以抑制多种革兰氏阳性菌,如专门氨基酸发酵的粘连梭菌和嗜氨梭菌,并可能在体内调节氨的产生中发挥作用。
此外,菌株AR10的细菌素样活性是由于单个肽与先前报道的细菌素没有同源性。菌株OR79产生类似细菌素的活性,具有广谱活性。氨基酸序列比较表明,这些分子代表一种新型抗生素。
▼8
丁酸弧菌通过代谢植物纤维素和其他碳水化合物,产生丁酸等短链脂肪酸,为宿主提供能量。同时,丁酸弧菌还能影响其他菌株的生长,包括促进和抑制作用。以下是丁酸弧菌对其他菌株生长影响作用的总结:
▸ 可以增强以下菌属的生长:
Bacteroidales
Bacteroides
Odoribacter
Peptococcaceae
Bacteroidales
Bacteroides
Odoribacter
Peptococcaceae
Bacteroidales
Bacteroides
Odoribacter
Peptococcaceae
▸ 可以抑制以下菌属的生长:
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Bifidobacterium
Coriobacteriales
Adlercreutzia
Collinsella
Porphyromonas
Prevotella
Clostridium
Clostridiales incertae sedis
Clostridiales Family XIII. Incertae Sedis
Blautia
Coprococcus
Dorea
Lachnospiraceae
Ruminococcaceae
Ruminococcus
Dialister
Campylobacteraceae
Erysipelotrichaceae
Bifidobacterium
Coriobacteriales
Adlercreutzia
Collinsella
Porphyromonas
Prevotella
Clostridium
Clostridiales incertae sedis
Clostridiales Family XIII. Incertae Sedis
Blautia
Coprococcus
Dorea
Lachnospiraceae
Ruminococcaceae
Ruminococcus
Dialister
Campylobacteraceae
Erysipelotrichaceae
Bifidobacterium
Coriobacteriales
Adlercreutzia
Collinsella
Porphyromonas
Prevotella
Clostridium
Clostridiales incertae sedis
Clostridiales Family XIII. Incertae Sedis
Blautia
Coprococcus
Dorea
Lachnospiraceae
Ruminococcaceae
Ruminococcus
Dialister
Campylobacteraceae
Erysipelotrichaceae
▸ 受到以下菌属的抑制作用
Bifidobacterium
Coriobacteriales
Adlercreutzia
Collinsella
Bacteroidales
Bacteroides
Porphyromonadaceae
Odoribacter
Parabacteroides
Porphyromonas
Prevotella
Rikenellaceae
Alistipes
Turicibacter
Streptococcus
Clostridiales
Catabacteriaceae
Clostridium
Clostridiales incertae sedis
Peptoniphilus
Clostridiales Family XIII. Incertae Sedis
Lachnospiraceae
Blautia
Lachnospiraceae
Coprococcus
Dorea
Eubacterium
Lachnobacterium
Lachnospira
Roseburia
Lachnospiraceae
Peptococcaceae
Ruminococcaceae
Ruminiclostridium
Acetivibrio
Eubacterium
Faecalibacterium
Oscillospira
Ruminococcus
Acidaminococcus
Dialister
Phascolarctobacterium
Veillonella
Rubrivivax
Alcaligenaceae
Oxalobacter
Bilophila
Desulfovibrio
Campylobacteraceae
Enterobacteriaceae
Escherichia
Erysipelotrichaceae
Erysipelotrichaceae
Holdemania
Akkermansia
丁酸弧菌(Butyrivibrio)是一种重要的微生物,广泛分布于人体和反刍动物的胃肠道中,对胃肠道生态系统的健康和功能发挥着至关重要的作用。
在众多生理功能中,产生丁酸盐等短链脂肪酸和共轭亚油酸的能力尤为关键。以下是对丁酸弧菌产生丁酸盐进而对健康影响的总结性描述:
▼1
✦ 维持肠道厌氧环境,减少病原体的定值
结肠细胞利用丁酸产生能量,从而增加上皮氧消耗。因此,产丁酸细菌的存在有助于维持肠道的厌氧环境,从而进一步防止机会性需氧病原体(如沙门氏菌和大肠杆菌)的定植。
✦ 产生具有广谱抗菌活性的肽
丁酸还调节cathelicidins的产生,cathelicidins 是一种参与哺乳动物先天免疫并对潜在肠道病原体表现出广谱抗菌活性的多聚阳离子肽。
✦ 增强巨噬细胞的抗菌活性
丁酸通过抑制 HDAC 来调节固有层中的结肠巨噬细胞,并限制促炎性IL-12和IL-6的产生,以及脂多糖刺激的巨噬细胞产生的抗菌一氧化氮。
丁酸通过代谢物增强巨噬细胞的 GPCR 独立的抗菌活性,一项研究表明,在微生物丁酸存在下生长的巨噬细胞上调了抗菌蛋白钙卫蛋白的表达,但降低了抗炎 IL-10 的表达。此外,微生物丁酸可显著增强巨噬细胞消除潜在病原体(如肠道沙门氏菌和柠檬酸杆菌)的能力。
因此,丁酸可增强肠道对侵入性病原体的防御能力,而不会引起组织损伤性炎症或过度反应。
产丁酸的微生物群在肠道中的动态作用
Singh V,et al.Front Microbiol.2023
▼2
体外和体内研究表明,丁酸生产者参与维生素生物合成,特别是维生素B复合物的生物合成。维生素B复合物是各种代谢活动中必需的辅助因子,也与调节宿主的免疫稳态有关。
健康的肠道屏障对于维生素的吸收至关重要,许多脂溶性维生素(如维生素A、D、E和K)需要通过肠道吸收才能进入血液循环。丁酸盐通过促进肠道健康,间接地支持了维生素的吸收过程。
▼3
肠上皮是一种单层结构,外覆黏液层,是抵御肠道病原体的第一道防线。肠上皮细胞通过紧密连接相互连接。肠上皮含有分泌黏液的杯状细胞,这些细胞通过分泌黏液提供屏障保护,黏液还充当免疫球蛋白IgA和抗菌肽的储存器。
✦ 增强粘液的形成
丁酸弧菌是人体肠道中的重要丁酸生产者,它通过增加杯状细胞分化与粘蛋白糖基化相关的基因表达来增强粘液形成。
临床研究表明,霍乱患者口服抗性淀粉(一种丁酸前体)后迅速康复。此外,肠道细菌产生的丁酸会加速肠道上皮细胞中线粒体依赖的氧消耗,从而稳定 缺氧诱导因子(HIF)。丁酸本身也会抑制降解 HIF 的 HIF-脯氨酰羟化酶。稳定化的HIF调节紧密连接蛋白claudin-1、MUC2表达和抗菌肽β防御素-1的生成。
✦ 调节肌动蛋白结合蛋白
丁酸还通过诱导抗炎细胞因子 IL-10RA 依赖性抑制 claudin-2 蛋白来加强肠上皮细胞屏障,而 claudin-2 蛋白在紧密连接处形成旁细胞通道并增加肠道通透性。
最近的一项研究还证明了丁酸在调节肌动蛋白结合蛋白突触蛋白(SYNPO)中的作用,该蛋白在肠上皮紧密连接中表达,对肠屏障完整性至关重要。
✦ 促进肠道蠕动,缓解便秘
另外,肠道中的丁酸一方面可以促进胃肠肌肉的收缩能力,增强胃肠的蠕动;另一方面还可以促进神经递质的传递,以此来促进胃肠蠕动,缓解便秘问题。
▼4
✦ 肠道炎症患者中的丁酸弧菌减少
在小鼠中开展的结肠炎研究证实,产生丁酸的丁酸弧菌群减少,肠道中丁酸水平降低,这导致了需氧肠杆菌科细菌的扩张,这是肠道菌群失调的常见标志。
研究表明,溃疡性结肠炎患者肠道中产丁酸的丁酸弧菌数量减少。另一方面,据报道, 丁酸弧菌的培养上清液对小鼠模型中的IBD(克罗恩病) 和结肠炎有效。
✦ 增强IL-10抗炎细胞因子,减少促炎细胞因子
微生物丁酸作为配体参与抗炎反应,通过芳烃受体(AhR)和各种G蛋白偶联受体(如GPR109a、GPR43 和 GPR41)来减轻炎症并维持肠道稳态。
AhR和GPR是转录因子,激活后可控制各种免疫调节剂的转录机制。AhR通过增强抗炎IL-10分泌B细胞和Th2细胞,同时减少促炎Th1和Th17细胞,发挥抗炎作用。
丁酸激活的GPR109a促进Treg细胞分化,增强产生抗炎IL-10的Th2细胞和血浆IL-10水平,进而抑制促炎性IL-17。GPR43降低CD4 T 细胞增殖并限制促炎性细胞因子(如IL-17和IL-22)的分泌。
▼5
✦ 提高谷胱甘肽的水平
生物体处于应激状态时,体内积累大量未能被消除的活性氧,破坏氧化还原平衡,导致DNA、脂质和蛋白质受到破坏,机体物理屏障受损。丁酸能够提高细胞内谷胱甘肽(一种内源性抗氧化剂清除剂)的水平。
一项首次利用人体研究丁酸盐对于氧化作用影响的实验开展,结果表明丁酸盐处理结肠后,促进了肠粘膜中还原性谷胱甘肽表达通路的进行,还原性谷胱甘肽的含量显著提高。
✦ 影响酶促抗氧化系统
丁酸还可以通过影响酶促抗氧化系统达到抗氧化作用。在日粮中添加适量丁酸钠,其血浆中超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的含量显著高于对照组,并且增强了机体免疫能力。然而丁酸对于机体的抗氧化作用从根本上说是源自对基因和蛋白的调控。
Nrf-2是抗氧化反应基因的重要调节因子,肠道内的丁酸通过静脉门转移到肝脏,在肝脏中激活Nrf-2并通过AMPK激活或抑制HDAC诱导Nrf-2在细胞中的表达;另外,丁酸还可以抑制Keap1蛋白(Nrf-2的一种胞质抑制因子)的表达,以此维持氧化还原平衡。
▼6
丁酸生产者丁酸弧菌与各种肠器官轴相关,例如肠脑、肠肺、肠肝、肠道、肾脏和肠心脏轴。在这种复杂的关系中,丁酸弧菌充当微生物调节剂,并通过其代谢物丁酸盐发挥作用。
✦ 与精神状态如抑郁相关
如前所述,丁酸充当AhR的配体,使丁酸生产者成为肠脑轴中的相关群落。研究已经确定了产生丁酸的丁酸弧菌的抗抑郁作用以及它们在抑郁症个体中的减少。
✦ 丁酸盐的减少与肺部疾病风险增加相关
研究还证实了肠肺轴,因为研究发现肠道菌群失调与哮喘和肺部疾病的发生密切相关。据报道,婴儿肠道微生物多样性降低会增加哮喘和传染性呼吸道疾病的风险。特别是,肠道中产丁酸菌丰度的减少与过敏症和哮喘风险的增加密切相关。
此外,在流感等病毒感染期间,丁酸盐通过GPCR41受体增强肺中的Ly6C-单核细胞,这些单核细胞分化为替代激活的巨噬细胞(AAM),通过限制中性粒细胞进入呼吸道,减轻肺部的免疫病理反应。
✦ 产丁酸菌株可抑制肝脏炎症和氧化应激
肠道微生物群也参与肠肝轴,因为肝脏大约70%的血液供应来自肠道,甚至在慢性肝病期间门静脉和肝循环中存在较高的微生物脂多糖(LPS)水平。丁酸可维持肠道屏障的完整性,并抑制LPS的流入。在小鼠研究中,发现以三丁酸甘油酯形式的丁酸补充剂可有效缓解酒精引起的肝损伤。
酒精引起的菌群失调会显著减少厚壁菌门和毛螺菌科的成员,其中产丁酸的属(如Butyrivibrio)的数量较少。一项基于大量人类群体的研究(n =1148)也发现,产丁酸的丁酸弧菌菌株可抑制非酒精性脂肪肝病(NAFLD)中的氧化应激和肝脏炎症指标。
✦ 减少心血管疾病风险,降低血压
蛋白质发酵的代谢物,如胆碱、磷脂酰胆碱和肉碱,被肠道微生物代谢为三甲胺,三甲胺在肝脏中通过含黄素的单加氧酶(FMO)进一步转化为氧化三甲胺(TMAO)。已知 TMAO 会导致慢性肾病(CKD)并诱发心血管疾病,如动脉粥样硬化和冠心病。
而丁酸可以通过刺激含 apoA-IV 的脂蛋白的分泌,通过逆向胆固醇转运降低循环胆固醇。此外,丁酸还能增强肠道分泌胰高血糖素样肽-1(GLP-1),从而降低血压。
近年来的研究表明,肠道微生物群的平衡与疾病或健康状况密切相关,丁酸弧菌在不同疾病中的丰度会发生变化。
我们通过查阅和整理相关研究,将丁酸弧菌(Butyrivibrio)在不同疾病中的丰度变化总结在下面。
感染患者中的丰度较低
丁酸盐产生菌水平较低与人群严重感染风险增加存在关联。因感染住院的参与者中,Veillonella和链球菌的相对丰度更高,而丁弧菌相(Butyrivibrio)对丰度较低。未因传染病住院的受试者具有较高水平的专性厌氧菌,如Butyrivibrio。
2型糖尿病患者中的丰度较低
几种细菌(如Butyrivibrio和Faecalibacterium)和参与纤维降解的酶(如木聚糖酶EC3.2.1.156)与纤维摄入呈正相关,与流行的2型糖尿病(T2D)呈负相关。
通过对一项11394名参与者的队列研究发现,膳食纤维摄入量与丁酸弧菌(Butyrivibrio)和普拉梭菌(Faecalibacterium)等肠道细菌,以及吲哚丙酸和3-苯基丙酸等代谢产物相关,这些细菌及代谢产物又与较低的2型糖尿病风险关联。
在白塞氏病患者中丁酸弧菌减少
在患有白塞氏病(BD)的患者中,放线菌门、乳杆菌科和双歧杆菌属的肠道微生物群相对丰度增加。而超巨型巨单胞菌、丁酸弧菌、婴儿链球菌和Filifactor属的相对丰度显著减少。
Eggerthella lenta、Acidaminococcus物种、Lactobacillus mucosae、Bifidobacterium bifidum、Lactobacillus iners、Streptococcus物种和Lactobacillus salivarius的相对丰度在白塞氏病患者中显著增加。而与BD患者相比,正常个体中Megamonas hypermegale、Butyrivibrio、Streptococcus infantis和Filifactor物种的相对丰度显著增加。
在PICRUSt的功能注释分析中,研究发现白塞氏病患者中普遍存在戊糖磷酸途径和肌苷单磷酸生物合成的基因功能。数据表明白塞氏病患者中的肠道微生物改变了核酸和脂肪酸的合成。
婴儿胆汁淤积症中丰度降低
本研究结果显示,在属的水平上,婴儿胆汁淤积症(IC)组婴幼儿的瘤胃球菌属、丁酸弧菌属、产粪真杆菌属、粪杆菌属、毛螺菌科的丰度均显著降低。先前的研究表明,瘤胃球菌和丁酸弧菌参与胆汁酸羟基的氧化和熊去氧胆酸的生成,而产粪真杆菌属中含有胆盐水解酶(BSH),影响胆汁酸的代谢。
差异菌属与代谢物的相关性分析进一步显示,瘤胃球菌和丁酸弧菌与α-亚麻酸呈负相关,且研究发现IC患者的差异代谢物中α-亚麻酸代谢产物和亚油酸代谢产物含量丰富。亚麻酸的代谢产物二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)通过提高ALT和AST活性,减轻肝细胞炎症反应和肝脏脂肪沉积,从而减轻儿童非酒精性脂肪性肝病的症状。
但婴儿胆汁淤积症(IC)患者肝细胞功能受损,影响亚麻酸在肝脏的代谢和DHA的合成,导致代谢产物蓄积,可能加重肝细胞异常炎症反应。
婴儿胆汁淤积症患者应早期加强肠内营养和氨基酸摄入
因此,婴儿胆汁淤积症(IC)患者应早期加强肠内营养和氨基酸摄入,减少长链脂肪酸摄入,增加短链和中链脂肪酸摄入比例,改善肝功能和营养状况,减轻肝脏负担,促进营养吸收和肠道菌群稳态的逆向调控。
肺动脉高压患者中减少
肺动脉高压(PAH)是一种以肺血管压力和阻力升高为特征的疾病,是由肺小动脉的增殖、外源性和纤维化重塑引起的。
在PAH患者肠道菌群中,产生三甲胺(TMA)/氧化三甲胺(TMAO)的细菌增加,但产生丁酸盐和丙酸盐的细菌减少,具体包括粪球菌(Coprococcus)、丁酸弧菌(Butyrivibrio) 、真杆菌(Eubacterium)、阿克曼氏菌(Akkermansia)、拟杆菌(Bacteroides)和毛螺菌(Lachnospiraceae)。
代谢紊乱和肥胖人群中减少
研究发现肥胖与宿主肠道菌群组成存在关联。肥胖患者肠道中微生物多样性降低、厚壁菌门与拟杆菌门比值(Firmicutes:Bacteroidetes)增加。
而较低的丁酸弧菌丰度与代谢紊乱和肥胖有关。这暗示了丁酸弧菌可能在体重管理和代谢健康中发挥作用。较高水平的丁酸弧菌可能有助于防止体重增加。
银屑病关节炎患者中减少
纽约大学的研究人员发现,银屑病关节炎患者的特定细菌类型水平较低,包括阿克曼氏菌、瘤胃球菌和丁酸弧菌。
阿尔兹海默症患者中减少
阿尔茨海默病除了其他清醒症的思维之外,海默组中丁酸合成细菌的种类(例如丁酸弧菌属Butyrivibrio和真细菌属 Eubacteria)有所减少。
✦ 补充多酚、儿茶素、花青素等益生元
补充益生元对丁酸弧菌丁酸生产者有积极影响,因为它们将益生元代谢为丁酸。不可消化的膳食纤维通常用作益生元,但其他生物活性分子,如多酚,也可以作为益生元产生丁酸。多酚干预显著增加了丁酸生产者如丁酸弧菌和瘤胃球菌科成员的丰度。
在其他多酚中,儿茶素、花青素和原花青素作为益生元的影响更为明显,因为它们增加了丁酸弧菌和粪杆菌属的丰度。
据报道,咖啡酸、绿原酸和芦丁等其他酚类化合物也能增加微生物丁酸的产生。此外,不同益生元的微生物可及性在丁酸生产者之间也存在差异;因此,施用不同的益生元可以选择性地丰富特定的丁酸生产者。
以下食物中含有较多的多酚等物质:
水果:颜色较深的水果当中多酚含量比较高,如樱桃、李子、蓝莓、草莓、李子等,平时可以多吃这些水果补充多酚类物质;
蔬菜:蔬菜中含有一定的多酚,比较常见的有卷心菜、香菜、胡萝卜、洋葱、菠菜等,紫甘蓝中的多酚含量偏高,适当吃能为机体补充多酚类物质,还能身体提供维生素等多种营养,维持身体健康;
全谷类:比较常见的粗粮食物,包括小麦、黑麦、燕麦等,里面都有多酚的成分,平时适当吃对身体健康有帮助,能快速补充多酚;
豆类:比如黄豆、豌豆等,里面含有天然的类黄酮成分以及多酚,都是对人体有益的营养物质;
其他食物:包括坚果类,如核桃、山核桃、栗子、亚麻籽等,里面的多酚化合物属于天然植物代谢物,进入人体之后能发挥一定的作用。黑巧克力中也含有多酚类物质,主要是可可豆中的天然多酚含量比较高。
✦ 补充合生元也能促进丁酸弧菌的丰度
除益生元外,还可以使用合生元疗法来促进肠道产生丁酸。合生元含有益生元和益生菌的组合,它们的协同作用比单独使用益生元和益生菌更为突出。
用枯草芽孢杆菌DSM 32315 和L-丙氨酰-L-谷氨酰胺进行合生元治疗可以增加主要丁酸生产菌,如普拉梭菌(F.prausnitzii)和丁酸弧菌(Butyrivibrio),从而增加丁酸水平。
另一项研究报道了在富含纤维的酸奶中使用合生元后,产生丁酸的丁酸弧菌丰度增加。
丁酸弧菌属(Butyrivibrio)是一类在人体肠道微生物群中占有重要地位的细菌,它们属于革兰氏阴性厌氧菌,能够产生丁酸,作为肠道细胞的主要能量来源,促进肠道屏障的完整性,调节免疫反应,以及抑制炎症。
在谷禾的大人群数据库中,丁酸弧菌属的检出率为35.58%,表明它在人群中的分布较为普遍。然而,在某些疾病状态下,该菌的丰度可能会降低,这可能与疾病的发生发展有关。例如,肠道炎症性疾病、肥胖、糖尿病等情况下,丁酸弧菌属的丰度可能会受到影响。
丁酸弧菌属的代谢特性使其能够利用纤维素和氨,这意味着富含纤维的食物(如蔬菜、水果、全谷物)和高蛋白食物(如肉类、豆类)可能有助于增加其丰度。此外,多酚类化合物(存在于许多植物性食物中)也可能对丁酸弧菌属的生长有积极影响。
在谷禾的检测报告中,如果能够看到丁酸弧菌属的丰度高低,结合相关的研究和文献,可以进一步了解其在健康中的作用和生理代谢机制。例如,高丰度的丁酸弧菌属可能与更好的肠道健康、更低的炎症水平和更稳定的肠道屏障功能相关。
总之,丁酸弧菌属作为人体重要的产丁酸菌之一,其丰度的变化可能与多种健康状况有关。通过饮食调整和生活方式的改变,可能有助于维持或增加其在肠道微生物群中的丰度,从而促进肠道健康。
主要参考文献
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16s 测序
几十年来,16S rRNA基因一直是基于序列的细菌分析的基石。
16S rRNA 基因是识别复杂群落中微生物的快速有效标记,因此已被用于人类微生物组计划 (HMP) 、地球微生物组计划 (EMP) 和人类肠道宏基因组学 (MetaHIT) 等研究。
该基因的一大优势在于,其分析方法不依赖于样本中细菌的可培养性,可以确定样本中所有细菌的相对丰度。此外,它能够同时对数百至数千样本进行并行测序,并在采样后最短两天内即可获得结果。
基于二代测序的16S可变区域和基于纳米孔测序的全长的16S核糖体RNA (rRNA)测序,是微生物基因组学的核心技术,广泛应用于针对16S rRNA基因特定区域的细菌和古细菌群落分析。
二代测序平台和华大DNBSEQ测序平台(特别关注V4或V3V4区域),以及基于纳米孔技术的全长16S测序,是该领域的两种主要方法。这些方法在功能、应用和局限性上存在显著差异,为微生物多样性和分类学提供了互补的见解。
二代测序平台以其高通量和高碱基准确性闻名,能够高效生成约300至500个碱基对(bp)的短读段,通常覆盖16S rRNA基因的1-2个区域。这种读段长度和分类分辨率之间的平衡使其成为土壤、水体及人类微生物组等多种环境和临床研究的可靠选择。
基于二代测序的16S 可变区具备更低的成本,更高的通量,但因其序列较短,在种水平的分辨率并不高。不过由于其已应用于大量的研究,因此有着广泛的研究样本数据和队列积累,对于基于16S菌群数据的疾病和代谢机器学习和模型更为适合。
同时,改善引物的通用性和减少单分子错误提升16S rRNA测序效率。以人体肠道菌群应用为例,谷禾结合宏基因组数据和已有的菌群组成数据,通过算法大幅提高了V4区数据的物种分辨率,达到约70%的种注释比例。此外,谷禾还通过增加靶向引物,针对病毒、真菌、寄生虫及部分难以区分的16S病原菌开发tNGS方法,从而显著扩展了二代测序在微生物多样性检测领域的应用范围。
基于纳米孔测序的全长16S rRNA基因测序,尤其是采用牛津纳米孔技术(Oxford Nanopore Technology, ONT)进行的测序,能够覆盖所有高变区(V1-V9)。该技术在物种层面上提供了更高的分类学分辨率,适用于病原体的快速诊断和鉴别。然而,这一技术同样面临序列准确性较低的挑战,并且需要为长读段数据分析量身定制先进的生物信息学工具。此外,由于全长扩增对样本质量的要求较高,该方法可能不适合某些低丰度或高度污染的样本。
当前,高通量测序数据的爆炸式增长,促使对新的生物信息学工具及数据管理和分析策略的开发。这种快速扩展推动了分类学方法和下游分析技术的改进,进一步巩固了测序技术在现代微生物学研究中的核心地位。随着人工智能(AI)技术的发展以及大量微生物测序数据的积累,结合特定领域的菌群数据与AI可为微生物群落外的疾病和代谢等问题提供新的见解。长期以来,通过二代测序积累的大量样本和数据,已成为其重要的应用优势。
细胞中有三种重要的 RNA:
核糖体RNA 是细胞中发现的分子,参与细胞器蛋白质的合成,扩散到细胞质中。这有助于将 mRNA中包含的信息翻译成蛋白质。
编辑
这些分子是在核仁中产生的,核仁看起来像是细胞核中一个密集的区域,其中包含编码 rRNA 的基因。这些编码的 rRNA 大小不一。至少每个核糖体包含一个大 rRNA 和一个小 rRNA。
核仁中的这两个 rRNA 与核糖体蛋白结合,形成核糖体的大亚基和小亚基。要知道,核糖体蛋白是在细胞质里合成的,然后一路移动到细胞核,就在核仁里进行亚组装。紧接着这些亚基又被送回细胞质去完成最终的组装。
注:-50S是核糖体中较大的亚基,-30S是核糖体中较小的亚基。S是用来描述核糖体亚基的相对大小和沉降速度的单位。
古细菌和细菌中发现的 rRNA 有所不同,因为古细菌和细菌在真核细胞发育之前,就已从共同的前体中分离出来。
16S rRNA 是编码细菌核糖体小亚基 RNA 的 DNA 序列。
16S rRNA 的功能
16S rRNA 是一种参与制造原核核糖体小亚基的 rRNA;它们是 30S 亚基(原核核糖体)的组成部分。
一般来说,它具有与较大亚基中的 rRNA 类似的结构功能,将核糖体的蛋白质保持在固定位置。它们还参与通过与较大亚基中的 23s rRNA 相互作用来促进小亚基与较大亚基的融合。古细菌、细菌、叶绿体和细菌中的小核糖体单元含有 16S。
关于 16S 中的“S”
16S 中的“S”是沉降系数,该指数表示大分子在离心场中的下沉速度。
16S rRNA的基因特性
16S rRNA 基因是与细菌基因组中看到的 rRNA 编码细菌相对应的 DNA 序列。
这些是特异性的,高度保守的;它们的基因序列足够长。
细菌包含大约 1 到 几十个16S rRNA 拷贝,因此检测极其敏感。16S rRNA编码基因的大小接近1500bp,包含50个功能结构域。
在原核生物中,核糖体 RNA 如下:
16S rRNA 基因的内部结构
16S rRNA基因内部结构包括保守区和可变区,不同细菌的通用引物可按保守区制定,特定细菌的特定引物可按可变区制定,16S rRNA不同区域的信息在种间存在变异,使得识别具有特异性。
16S rRNA 在蛋白质合成中的作用
它们与 23S 相互作用,帮助整合两个核糖体亚基 (50S+30S)。3’端包含一个反向 SD 序列,用于结合 mRNA 的 AUG 密码子(起始)。16S rRNA 的 3′ 末端与 S1 和 S21 的组合被认为与蛋白质合成的起始有关。
核糖体蛋白的固定可作为支架。因此,它们在确定核糖体蛋白的位置方面具有结构作用。
它稳定 A 位上准确的密码子-反密码子配对,从而在腺嘌呤残基的 N1 原子和 mRNA 骨架的 2′OH 基团之间形成氢键。
随着PCR技术的进步和核酸研究技术的持续进步,16S rRNA基因检测技术已成为最广泛使用的菌群丰度识别和检测工具。
该技术可用于更快更准确地识别、分类和发现病原体。
一般rRNA基因测序涉及以下步骤:
在分子技术中使用核糖体RNA的一些好处是:
16S rRNA 扩增子测序能够区分细菌或古细菌微生物物种,已成为研究微生物组结构和多样性的“指纹”。
海量数据集表明,不同类型的栖息地中微生物组结构存在很大差异,导致微生物分布不均。例如,厚壁菌门和拟杆菌门在人类肠道菌群中占主导地位,而变形菌门和蓝藻则在自然环境中普遍存在。不同的微生物在16S可变区上对扩增灵敏度和核苷酸序列可识别性有各自的偏好。因此可以通过优化变异区选择、测序策略和读长等配置来进一步改进基于16S的分析。
WGS、三代全长测序
近年来,鸟枪法全基因组测序(WGS)和第三代全长16S rRNA扩增子测序技术使得在物种和菌株水平上对微生物组进行注释成为可能,同时对生物量、测序成本、分析时间和存储空间的要求也提高了1到2个数量级。
更重要的是,由于大量的微生物组已通过16S扩增子测序进行调查(数千项研究产生了超过500,000个样本,存储在Qiita、MSE和NCBI等开放存储库中),其中一些难以重新取样或重新测序(例如纵向队列样本或从深海沉积物中收集的样本)。因此,对16S扩增子短读序列在分析中的应用进行全面评估以及不断更新和优化,对于先前数据的可重复使用具有重要意义。
16S rRNA扩增子在微生物组研究中的独特价值与再利用潜力
2023年,有研究模拟扩增子产生和密切参考分类注释的整个计算机模拟过程,以衡量使用 16S rRNA 基因进行微生物组分析的性能。研究超过 35,000 个物种的基因组和相应的 16S 片段,研究发现扩增后的短读测序可以接近全长 16S rRNA 基因,与参考数据库进行序列比对,在物种水平分类中达到 73% 的准确率。
DOI: 10.1128/spectrum.00563-23
而且,发现16S V4区515F/806R引物组扩增效率最高,为81.72%(511,460个引物中有417,965个引物,如上)。
数据库方面
RefSeq表现出比其他两个数据库更好的比对率和精确度(在物种水平上)。而Greengenes和Silva的精度低主要是因为参考数据库中的注释不一致、不完整,例如一些分类单元与国际原核生物命名法规(ICNP)不匹配,大量序列缺少种甚至属级别的注释。此外,研究发现16S较长序列测序虽具有精度优势,但也存在因末端合并失败和测序错误率较高而导致的灵敏度损失。
最佳扩增区域
此外,以厚壁菌门和拟杆菌门为主的人类肠道微生物组的最佳扩增区域是V4,但对于富含变形菌门和酸杆菌门的河流样本,V3区域效果更好。下面列表还包含只考虑性能而不考虑每个生境测序成本的替代方案,例如对于土壤,V4-V5 PE 250 bp序列在物种水平上的精度比V4 SE 150 bp序列更高,但也使成本更高(下表)。
DOI: 10.1128/spectrum.00563-23
扩增子可变区对β多样性模式的影响最大
详细的 alpha 和 beta 多样性分析还展示了从多种方法中得出的分类学概况。16S V1、V3、V4 和 V5 区域的组成与实验设计和 WGS 相似,而 V6 和 V7 与其他配置表现出巨大的差异。
结果表明,扩增子可变区对β多样性模式的影响最大(Adonis R2 = 0.69,P < 0.01),其次是拷贝数校正(Adonis R2 = 0.15,P < 0.01),序列读长(Adonis R2 = 0.14,P < 0.01)和测序类型(Adonis R2 = 0.12,P < 0.01)。
编辑
Zhang W et al.,2023 Microbiol Spectr.
因此,通过合适的测序策略,扩增子可以在物种水平上以低成本提供接近WGS的可靠微生物组分析。
扩增子二代测序
二代测序,尤其是使用 Illumina 的 Novaseq 或华大基因的DNBseq 系统,由于其高碱基调用准确性和吞吐量,已成为微生物分析的基石。
二代测序系统产生的300~500bp读长,足以覆盖 V4 区域的 515-806 片段,该区域以其可重复性和分类准确性而闻名。尽管有这些优势,V4 区域的长度有限也可能是一个缺点。
为了缓解这种情况,测序方法通常采用经过修改的定制引物或增加测序深度等方法来提高保真度,此外新的靶向测序方案也使得二代测序平台成为更具成本效益的方案。
优化和减少偏差
尽管有这些优点,二代测序和纳米孔测序技术都有其局限性,包括由不同的引物组和测序平台引入的偏差。例如,研究表明,纳米孔平台上的 V3-V4 区域引物可能表现出物种依赖性偏差,这可能并不适合所有类型的微生物群落。针对这些问题,研究人员通过调整PCR循环次数、引物组和生物信息学工作流程来优化测序方案,从而提高微生物群落分析的可靠性和准确性。
16S全长测序
相比之下,纳米孔测序,尤其是使用牛津纳米孔技术 Oxford Nanopore Technologies (ONT) 平台,可以对全长 16S rRNA 基因进行测序,涵盖所有高变区 (V1–V9)。虽然单碱基准确度较低,但综合来看物种分辨率更高。ONT MinION 等设备的便携性、成本效益和实时测序功能使其成为快速现场应用的理想选择,例如诊断细菌感染和监测传染病爆发。
尽管纳米孔测序具有这些优势,但它也面临挑战:相对测序和建库成本更高,通量较二代测序更低,尾端数据质量的下降以及缺乏专门用于分析纳米孔 16S 序列的生物信息学工具和方案。对样本要求更高,可能不适合部分低丰度或较多污染的样本。
多项比较研究表明,纳米孔技术可以在物种水平上识别微生物组成,其结果与二代测序等其他测序技术的结果非常相似,同时还可以识别出更多的细菌种类。
总体而言,在实际应用中,选择二代测序还是纳米孔测序取决于具体的研究和应用目标。
克服挑战和限制
16S rRNA 测序虽然功能强大,但也存在一些固有的挑战和局限性。一个主要问题是由于细菌和古细菌 DNA 从极少量扩增而导致的污染,使其容易受到有害环境细菌的影响。此外,与宏基因组测序方法相比,16S rRNA 测序的成本效益和可及性是以数据较少为代价的。为解决这些问题而做出的努力促成了新技术和新策略的开发。引入唯一分子标识符 (UMI) 为测序深度问题提供了潜在的解决方案。解决引物通用性和减少单分子错误也是提高 16S rRNA 测序效率的关键。
针对人体肠道菌群应用
谷禾结合宏基因组数据和已有的菌群构成数据,通过算法可以大大提高扩增子数据的物种分辨率。此外病毒、真菌、寄生虫和部分16S难区分的病原菌目前通过增加靶向引物进行tNGS的方式来实现,大大拓展了二代测序微生物多样性检测领域的涵盖范围。
高通量测序数据的爆炸式增长,要求开发新的生物信息学工具和数据管理和分析策略。这种快速扩展导致了分类学方法和测序数据下游分析的改进,进一步巩固了测序技术在现代微生物学研究中的作用。随着AI和大量微生物测序数据的积累,特定领域的菌群数据结合AI可以提供菌群之外的疾病和代谢等问题的答案,长久以来二代测序积累的大量样本和数据变成一种重要的应用优势。
主要参考文献:
Zhang W, Fan X, Shi H, Li J, Zhang M, Zhao J, Su X. Comprehensive Assessment of 16S rRNA Gene Amplicon Sequencing for Microbiome Profiling across Multiple Habitats. Microbiol Spectr. 2023 Jun 15;11(3):e0056323.
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