环境对人类微生物组及其对非传染性疾病的影响

谷禾健康

看过往期文章的小伙伴都知道，人体微生物群维持体内的共生关系，促进新陈代谢功能，抵御病原体，训练和发展免疫系统，直接或间接影响我们的大部分生理功能。

每个人都拥有属于自己的独特的微生物组，人与人之间这种显著的个体差异性是疾病易感性差异的潜在来源。

基因是从出生开始确定了，很大程度上伴随着人的一生，微生物组是否也是遗传决定的呢？

2018年的研究显示，家庭中的遗传血统或单个多态性变体在肠道微生物组组成中的作用很小（<2％），而微生物组多样性中超过20％的变异可以从共享的环境因素中推断出来，例如与饮食和生活方式。可见环境是影响微生物组的重要因素。

那么：

影响微生物组环境因素包括哪些？

环境如何对人类微生物组产生影响？

环境如何通过微生物组影响人的健康？

环境对人类微生物组的影响研究会有哪些挑战？

这对理解非传染性疾病的微生物基础带来哪些启示？

本文我们来详细阐述以上问题。

<从广义上考虑环境，涉及宏观环境和微环境，并考虑个人行为，包括吸烟，饮酒和饮食摄入等>

01.

微生物组对非传染性疾病的影响

口腔消化道癌症 

微生物诱发了至少60%的人类口腔消化道癌症，这表明控制微生物相关过程在预防和治疗口腔消化道癌症方面具有巨大的潜力。

流行病学研究一致报告口腔疾病与口腔消化道癌症(包括头颈部、食道癌、胃癌和胰腺癌)风险之间的联系。由于口腔疾病具有重要的微生物基础，这些观察导致了口腔微生物组与口消化癌的发生有关的假设。

基于大量人群的队列研究中的病例对照研究发现，用漱口水样本评估的诊断前口腔微生物组与随后发生的头颈部、食道和胰腺消化道癌症的相关。一些研究也明确指出了肠道微生物组梭菌属Fusobacterium和其他菌群与结肠癌之间的联系，以及肠道微生物组与炎症性肠病和结直肠腺瘤之间的联系。

微生物来源的信号通过不同的机制调节癌症的许多特征。一般来说，细菌不能直接诱发癌症；这一过程通常伴随着慢性炎症，并需要致癌信号通路的独立突变。

进一步的研究表明，微生物组与宿主之间的交互作用通过调节肿瘤微环境中的先天和适应性免疫功能，对口腔消化道肿瘤发生至关重要。

细菌-癌症模型提出，革兰氏阴性细菌促进致癌作用，因为脂多糖细菌外膜通过Toll样模式识别受体为先天免疫系统反应提供免疫原性刺激，导致由核转录因子NF-κB原瘤细胞因子释放、免疫细胞募集和活性氧释放引起的基因突变。

因此，微生物在形成肿瘤免疫微环境中的作用在癌症的发病机制中具有重要的潜在意义，特别是在口腔消化道。

神经系统疾病 

肠道和中枢神经系统通过肠-脑轴相互作用，调节中枢神经系统功能，包括情感行为、认知表现、疲劳和睡眠。

研究表明，肠道微生物组通过影响肠-脑轴，可能在某些神经精神和神经发育障碍中发挥作用，改变行为，并可能影响神经系统障碍的发作和/或严重程度。

无菌小鼠和用抗生素治疗的小鼠表现出大量的神经免疫功能障碍和行为缺陷。主要在临床前模型中，肠道微生物组与大脑障碍有关，包括焦虑、抑郁、癫痫以及自闭症谱系障碍。

在人类中，胃肠道病理和神经精神疾病之间相互作用的证据已经在焦虑、抑郁和自闭症等情况中报告；然而，因果关系仍未得到证实。

揭示微生物组介导肠-脑连接的机制可能为靶向治疗肠道提供新的机会，以预防和治疗神经疾病。

点此查看 抑郁症，恐惧，压力和肠道微生物群脱不开的关系

糖尿病 

大量的文献已经为肠道菌群在糖尿病前期和2型糖尿病病因学中的作用提供了证据。一份2020年的综述总结了40多项已发表的人类研究。

例如，在糖尿病前期研究中发现，基于肠道微生物群、炎症和免疫标志物的分子特征预测了2型糖尿病的发病。

两项开创性研究发现，2型糖尿病患者和非糖尿病对照组的肠道微生物组不同。

随后一项研究表明，2型糖尿病患者的肠道微生物群介导了用于控制糖尿病的二甲双胍的治疗效果。

还有研究人员开发了个性化饮食以优化2型糖尿病患者的血糖水平，同时考虑了个性化饮食习惯、体育活动和肠道微生物群。研究人员随后在一项盲法随机对照饮食干预试验中表明，应用这种算法可以改善餐后血糖反应。

目前面临的挑战是搞清楚，具体精确到哪些肠道微生物组组成部分，能驱动异质性、多因素、多器官疾病。

肥 胖 

肥胖在全球范围内日益流行，导致过早死亡和许多慢性非传染性疾病。虽然肥胖的根本原因是能量摄入和输出之间的不平衡，但肠道微生物组成是导致体重增加的公认因素，当然还有其他机制，如遗传变异和表观遗传调节。

从野生型小鼠、肥胖小鼠或肥胖人类转移到无菌小鼠的肠道菌群实验表明，在该试验系统中，肠道菌群在体重增加和肥胖中起着关键作用，与肥胖表型的建立有关。这些实验结果引出了这样一个问题：

肠道的微生物组成是否会影响人类体重增加（无论是基因决定的还是饮食诱导的）？

一份早期的小规模人类样本报告与小鼠的研究结果一致，即肥胖状态与厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度增加和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度减少有关。

然而，对人类的研究并没有证实这一特定模式：一些研究发现拟杆菌门(Bacteroidetes)的减少(但没有发现厚壁菌门(Firmicutes)的增加)与肥胖有关，而另一些研究则发现相反或未发现这两种门水平与体重指数(BMI)有关。

此外，研究已经确定了与BMI或肥胖相关的不同属和种水平的分类群。

点击此处查看  体重增长：目前为止我们所知道的一切

未来在动物模型和人类中的下游实验可以确定这些候选菌群是否在肥胖的病因学中起作用，如果是，建议干预肥胖的预防和治疗。

目前也有通过各种治疗方法(如益生菌、益生元、抗生素)改变菌群的潜力，微生物组是预防和治疗肥胖的一个不错的方式。

02.

人类微生物组的环境决定因素

 宏观环境 

 ——毒理和化学环境   

在人体中，消化道和呼吸系统是环境毒物进入和加工的主要途径。在这些器官系统中，人类微生物组丰富的代谢系统具有强大的转化外来生物化学物质的能力，有时与宿主的生物转化模式相反。

宿主代谢酶的典型特征是氧化和结合排泄，而微生物的酶反应主要是还原、水解和去甲基化，生成碳源进一步生长和分裂。

环境砷形态与心血管疾病和其他健康影响有关；证据表明，口腔消化道微生物组的甲基化能力可能会影响这些毒性。

肠道乳酸菌Lactobacillus对金属(如镉和铅)的固定化可能会影响金属毒性，降低重金属积累。

Yu.Let al., chemosphere2020

某些肠道细菌表达偶氮还原酶来代谢潜在致突变的偶氮化合物。个人护理产品中对环境具有持久性的化学物质，如三氯卡班(TCC)和三氯生(TCS)普遍存在，并与啮齿类动物微生物群的潜在变化有关。

肠道微生物群对化学物质(包括内分泌干扰物)的代谢会伴随微生物的失调：改变微生物群落结构，诱导特定细菌基因，改变微生物分子转化。此外，内分泌干扰物可以被吸收并运输到肝脏，然后被结合并通过胆汁分泌排泄回肠道，进一步进行微生物代谢。

酶如偶氮还原酶、酯酶、甲基酶、硫代还原酶、脂肪酶、硝基还原酶、β-葡萄糖醛酸苷酶、硫酸盐酶和β-裂解酶也参与环境化学物质的微生物代谢。

——建筑环境与新兴假说

建筑环境包括人类建造的所有建筑，包括家、工作场所、学校、车辆等。研究人员认识到许多微生物病原体可能存在于建筑环境中。

例如，细菌病原体，如结核分枝杆菌；真菌病原体，如烟曲霉菌Aspergillus fumigatus；致病性病毒，如鼻病毒和流感病毒，以及SARS-CoV-2冠状病毒等，均可通过在建筑环境中直接吸入传播。其他病原体，如艰难梭菌和粪肠球菌，以及诺如病毒和流感病毒，可通过皮肤或黏液接触传播给人，原因是病菌从表面传播。

除了直接的微生物传播，建筑环境中的微生物代谢产物也可能涉及人类健康，包括细菌和真菌毒素、细胞壁的致敏成分和微生物衍生的挥发性有机化合物。

室内空气和表面与灰尘和微生物化学产物有关。环境中相对湿度的增加导致灰尘和表面微生物代谢物的增加。室内潮湿和发霉条件(例如，可见的霉菌和霉菌气味)与许多不同的疾病状态有关，但建筑环境中微生物及其代谢产物的组成和浓度与疾病之间的联系仍然难以捉摸。

通过靶向细菌16S rRNA测序和宏基因组测序的应用，研究人员对建筑环境微生物生态的复杂性有了更全面的认识，包括可培养和非培养因子的多样性。认识到环境样品中微生物DNA序列的组成可能是由大量的不可活残留物组成的，环境微生物相关DNA表现出丰富的复杂性，反映了人类微生物来源，室内建造环境和人类来源的微生物来源之间的关系特别强。

卫生假说认为，卫生条件的改善可能与自身免疫性疾病的增多有关，这一概念也适用于有益菌暴露的概念。

研究人员研究了人类微生物组和建筑环境微生物组之间的相关关系，重点关注家庭环境，并绘制居住者和他们的家庭之间的细菌共享。这项调查表明，与表面有关的大多数细菌有很大的可能来自该住宅的居住者。暴露于室内灰尘中的复杂微生物群与患哮喘的可能性呈负相关。在另一项研究中，与没有接触到农业环境的儿童相比，接触到农场附近家庭灰尘并在农场积极参与工作的儿童患哮喘的风险有统计学上显著降低。

总之，越来越多的证据表明，建筑环境、微生物群和健康之间存在相互关系，但要了解建筑环境中微生物的生态和进化与人类健康之间的关系，还需要做大量的工作。

其他与建筑环境有关的著名假说也出现了。其中一个在文献中越来越流行的假说是野化假说，该假说认为，改变城市绿地使其恢复到更自然的状态，有可能改变环境中的微生物群，进而改变人类微生物群。对人和动物的研究表明，野化可能会影响微生物组和宿主的免疫反应。

除其他环境因素外，2018年的研究表明，吸入颗粒物空气污染会改变肠道微生物组的组成。

此外，日光暴露可以调节家庭灰尘细菌群落，这也可能表明阳光和紫外线辐射影响人体微生物群落组成，例如皮肤上的细菌群落。

微生物在皮肤老化中的作用模式

Li Zichao,et al., Front Microbiol, 2020

气候变化和极端高温也可能引发生理变化，可能有利于周围环境、食物或体内的某些微生物群。

此外，在应对将大量微生物菌群与无数已建立和新出现的暴露物结合起来的挑战时，将细菌宏基因组与环境暴露物结合起来的无针对性评估和发现可能是前瞻性研究议程的一部分。

——社会经济环境

较低的社会经济地位与多种与健康有关的行为有关，如获得医疗和牙科护理的机会减少，增加参与不健康行为(如吸烟和酒精依赖)，减少对积极健康行为(如健康饮食和锻炼)的参与。低社会经济地位与较高的发病率和死亡率以及其他一些健康状况如肥胖、糖尿病和癌症的高发病率相关。

微生物群在调节社会经济地位和健康之间关系中的作用正在研究中。许多与低社会经济地位社区和生活方式相关的特征(例如，加工食品、久坐的生活方式、社会心理压力、暴露于污染物和内分泌干扰物)也与肠道微生物多样性减少有关。

研究已经检验了高社会经济地位和低社会经济地位群体之间微生物组成的差异。在美国，较高的社会经济地位与肠道微生物群中特定微生物的α多样性和种群丰度相关。

更好地理解微生物组在社会经济地位相关疾病易感性中的中介关系需要综合研究，包括调查社区和个人水平的暴露。建筑环境是考虑的一个部分。

 微环境 

——吸烟  

香烟烟雾是大量有毒物质的来源，直接接触口腔和上呼吸道的细菌；这些毒物可以通过抗生素作用、缺氧或其他潜在机制扰乱微生物生态。由于吸烟而失去有益的口腔菌群可导致病原体定植并最终导致疾病；吸烟在微生物依赖性牙周炎的发病和发展过程中所起的既定作用有力地支持了这一论点。

实验室调查发现，与从不吸烟的人(变形菌门11.7%)相比，吸烟人群口腔微生物组的总体多样性降低，变形菌门的相对丰度降低(4.6%) (FDR q = 5.2×10−7)。

当前吸烟者体内三羧酸(TCA)循环和氧化磷酸化等微生物有氧代谢途径相关基因的丰度降低，糖酵解等非氧碳水化合物代谢途径的丰度增加。

当前吸烟者所消耗的其他途径包括与甲苯、一硝基甲苯、苯乙烯、氯环己烷和氯苯降解有关的某些外来生物降解途径以及细胞色素P450的外来生物代谢。相反，多环芳烃(PAH)和二甲苯降解在当前吸烟者中富集。这些化学物质是香烟烟雾的组成部分，因此口腔菌群降解这些物质的能力的改变可能会对宿主产生毒性后果。

除了创造一个厌氧、酸性和/或选择性有毒的环境，吸烟还被认为对人体免疫有显著的影响，这反过来可以影响宿主阻止病原体殖民的能力。

总之，越来越多的证据表明：

吸烟影响口腔微生物群的整体组成和许多种群丰度；吸烟可促进厌氧口腔环境和具有减少的异种生物降解能力的菌群。

观察性和介入性研究也提示吸烟者肠道微生物组的多样性降低，总的来说，变形菌门、拟杆菌门和梭菌属、拟杆菌属、普雷沃氏菌属呈上升趋势，放线菌门、厚壁菌门和双歧杆菌属、乳球菌属呈下降趋势。

可能解释吸烟对肠道微生物组影响的机制包括氧化应激增强、肠道紧密连接和肠道粘蛋白组成的改变以及酸碱平衡的改变。一些吸烟引起的肠道微生物组改变类似于炎症性肠病和肥胖等情况下的改变。应该进行进一步的研究来研究这种联系。吸烟会影响肠道微生物群，建议改变其组成。吸烟和肠道微生物组之间的相互作用可能有助于肠道和全身疾病的发展。

——酒精  

酒精摄入可能通过几种方式影响人体口腔微生物群：

首先，口腔细菌和真菌将酒精和膳食糖代谢成致癌的乙醛，与香烟烟雾冷凝液相互作用，产生致癌的亚硝胺，并在实验上促进口腔癌变。无论是在体内还是体外，在吸烟者中，口腔微生物群有更强大的能力从乙醇中产生乙醛。

体外和动物实验也指出了口腔微生物群参与口腔癌变的可能机制，包括抑制细胞凋亡，激活细胞增殖，促进细胞侵袭，诱导慢性炎症，以及口腔多菌群中细菌和真菌的合作。

第二，酒精可能对细菌产生直接的细胞毒性作用。动物研究表明，摄入20%的酒精会增加变形链球菌Streptococcus mutans的定植，并显著减少大鼠口腔生物膜中可检测到的细菌种类。

在人类研究，饮用红酒与物种丰度降低以及龈下和龈上菌斑中某些厌氧菌的减少有关，而过量同时使用烟草和酒精与物种丰富度降低以及口腔粘膜生物膜中奈瑟菌Neisseria、Aggregatibacter和梭杆菌Fusobacteria丰度降低有关。

酒精除了直接作用外，还可能通过干扰宿主防御系统间接影响口腔微生物群，从而导致宿主介导的牙周炎。

大量以人群为基础的研究表明，每天至少喝一杯标准饮料会增加牙周炎15-27%的风险，并与糟糕的口腔健康有关。有证据表明，口腔微生物群与口腔健康状况密切相关。

酒精和肠道微生物组的研究主要是在大量饮酒的背景下进行的，酒精可能改变肠道屏障功能，导致肠道渗漏，产生促炎病原微生物产物，并扰乱肝脏代谢途径。

大量饮酒和肝硬化患者的研究表明，拟杆菌门细菌的相对丰度随着变形菌门的增加而降低，肝硬化患者中梭杆菌门的独特增加。

大量饮酒与肠道失调有关，而红酒作为膳食多酚的丰富来源，如果适量饮用，可能有利于改变胃肠道微生物群的组成。红酒多酚能显著增加变形菌门(Proteobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的丰度，而杜松子酒则能显著减少这些细菌门。

——饮食  

西方饮食的特点是高脂肪，高糖，大量食用红肉和加工肉类，大量食用精制谷物，而纤维摄入量较低。

许多研究表明，西方饮食与炎症、糖尿病、心血管疾病、肥胖、代谢综合征和癌症有关。而西方饮食有着广泛的生理影响，影响许多不同的细胞类型，如脂肪细胞，免疫细胞和内分泌细胞。

这个饮食习惯也与肠道菌群的变化密切相关，其特征是微生物多样性和物种丰富度降低，厚壁菌门增加，拟杆菌门减少。在属水平上，西方饮食显示双歧杆菌和乳酸菌减少，而肠杆菌增加。

纤维摄入量，是一个诱人的可改变的饮食因素，因为其假定有益的生物效应。一些研究表明，纤维可以预防2型糖尿病、心血管疾病、结肠癌和肥胖等疾病。纤维加速结肠运输，并可能减少结肠上皮细胞暴露于摄入的致癌物质。

此外，纤维经过微生物群发酵，产生短链脂肪酸如丁酸，对结肠能量代谢和上皮细胞增殖至关重要，在小鼠模型中，通过抑制组蛋白去乙酰化酶，显示出肿瘤抑制活性。因此，人们越来越关注膳食纤维对肠道微生物组成的影响，这可能最终影响一个人患癌症和其他疾病的风险。

高纤维饮食与更高的胃肠道微生物丰富度和多样性有关，特别是与普氏菌Prevotella和密螺旋体Treponema的丰富度有关，还与炎症信号的减少有关，对肥胖的保护，以及可能减少结肠直肠癌的存在。尽管短期饮食干预试验已经证明，不同数量的纤维摄入量可以在几周内显著改变肠道微生物群的组成，但很少有研究在人类中评估长期摄入纤维的饮食习惯对肠道微生物群的影响。

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03.

微生物群、环境和健康

人类微生物组、健康、环境科学的这三个要素每一个都是复杂的，整合具有挑战。环境因素往往是复杂的；要考虑的环境因素众多，更不用说对微生物组的不断深入了解，难以全面把握外部环境如何在疾病发生率和死亡率中起因果作用。在现实生活中，这些因素通常相互影响，随着时间的推移是动态变化的。

化学毒物经常在混合物中出现，例如，与化妆品和内分泌干扰物的混合物。此外，在整个生命过程中暴露的风险可能随年龄而变化，即易感性窗口。由于这种复杂性，确定直接或间接影响人类健康和疾病的微生物特征仍然具有极大的挑战性。

需要新的方法来充分评价可能影响微生物组和人类健康的现有和尚未确定的因素。前瞻性队列研究是环境和人类健康研究的支柱，特别是因为这项研究设计在建立因果关系的自然时间序列方面很重要，而这在横断面或回顾性研究中往往很难理清。

对粪便样本和人体其他部位样本进行前瞻性收集，以及连续的纵向样本收集也只是在最近才达到一定规模。需要以大量人群为基础的队列，包括不同社会经济地位和地理群体等。

此外，环境和微生物组对健康状况的多维影响，加强了整合其他组学的需要，包括代谢组学、转录组学、基因组学和免疫组学。需要开发相关的数据集成工具和流程。

结语

以上强调了环境中通过影响人类微生物群与非传染性疾病相关的许多因素。必须考虑复杂的相互作用、上游因果因素和多种因果路径。以大数据驱动的技术正为微生物组研究和临床运用带来许多便捷。

随着深入研究，不久的将来我们会对环境，微生物组，健康三者之间的关系有进一步认识，结合公共政策领域，有效地从多方面去实现健康的改善。

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主要参考文献：

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认识肠道微生物及其与高血压的关系

谷禾健康

肠道的内部环境作为外部环境和宿主之间的接口，不断受到宿主的消费习惯的挑战。在管腔一侧，微生物能够附着并定植于该空间，而在宿主一侧，胃肠道充当体内免疫细胞的最大隔室。

从解剖学上讲，肠道由不同的部分组成。十二指肠，空肠和回肠代表小肠（SI），它比由结肠和直肠组成的大肠（LI）占据更多的物理空间。与人类相比，啮齿动物的盲肠增大，盲肠囊是连接小肠和大肠的盲端囊。在小鼠中，盲肠充当了共生微生物的大贮藏库，这些微生物参与了无法通过其他方式裂解的纤维的发酵。  盲肠在小鼠中的作用很重要，因为它是短链脂肪酸（SCFA）产生的主要途径，去除盲肠会导致胃肠道远端部位炎症的增加 。在人类中，该部位微生物的体积远小于小鼠，但该隔室在兼性厌氧发酵中仍起着重要作用。

值得注意的是，共生微生物的组成和丰度在不同的胃肠道区域是不同的，例如，成年小肠中的微生物丰度低（<105个微生物/ mL），在结肠中则增加到1012。小肠和大肠具有独特的生理功能。 虽然十二指肠和空肠参与消化，营养吸收和运动过程，但大肠具有三个主要功能：吸收水和电解质，产生和吸收维生素以及形成和运输排泄的粪便。肠道不断暴露在食物颗粒和食物抗原，生理或机会性微生物群衍生的代谢产物以及其他免疫调节刺激。 胃肠道内的免疫细胞不仅对肠道内的抗原刺激作出反应，而且还显示出扩散到全身的远端器官，表明它们在全系统炎症稳态中的重要性。

微生物无处不在。 他们自我组织，在原本无法居住的生态环境中创建了复杂的生态系统，迅速适应了他们的环境。宿主依赖微生物组实现几种基本的共生功能，例如启动免疫系统和生产必需的维生素，以及从食物中获取能量。 肠道微生物群（定义为人类体内的微生物分类群）现在被认为是内分泌器官，可产生可在宿主中充当效应子的代谢产物，从而触发局部微环境或远端的靶器官系统（如心脏，肾脏，脉管系统）的反应和大脑。

肠腔内壁衬里是抵抗细菌感染的生理屏障，可以与毒素结合。此外，粘液是细菌的营养来源，因此会影响具有在粘液层中生存和扩展能力的微生物的定殖。Akkermansia muciniphila（AKK菌） 和Citrobacter rodentium （柠檬酸杆菌）能够降解粘蛋白，而后者在纤维缺乏期间会增殖。结肠粘液层完整性的丧失会增加宿主对病原体的敏感性。 在健康条件下，紧密的上皮层可防止病原微生物的入侵，而某些刺激物（如炎症性疾病或西餐）可导致肠道通透性和所谓的肠道渗漏综合征的发展。

随着高通量测序技术和代谢组学的建立以及高性能计算和人工智能的发展，人们逐渐破译生活方式，饮食，药物治疗和肠道微生物组之间的相互关系。每个人肠道微生物组随时间推移相对稳定，并与周围环境平衡共存。但是诸如抗生素，肠道感染以及饮食或生活方式变化等扰动都会引起短暂或持续的变化。

01 肠道免疫与高血压

在过去的几十年中，实验和临床研究表明，先天性和适应性免疫系统的细胞在高血压，靶器官损害和心血管疾病（CVD）的发病机理中起着关键作用。促炎性效应记忆T细胞和 T辅助细胞亚型T辅助细胞17（Th17；产生IL-17）和1型辅助细胞（产生IFN-γ）促进高血压和心血管靶器官损伤，而调节性T细胞（Tregs）通常产生大量的抗炎性IL-10可以减轻血管，心脏和肾脏的损害。

此外，γδT细胞和髓样来源的抑制细胞在高血压的发病机理中也起着重要作用。 已经证明可以改变几种T细胞亚型激活状态的树突状细胞会增加盐反应性高血压，并提示其在菌群失调与血压（BP）之间的相互作用中发挥作用。

细菌可以直接或通过其产生的代谢产物与参与心血管的不同免疫细胞发生反应。例如，分段丝状细菌或Bifidobacterium adolescentis（青春双歧杆菌）可诱导Th17细胞，而Lactobacillus murinus（鼠乳杆菌）及其色氨酸代谢产物吲哚3乳酸则可抑制Th17细胞。 和SCFA丁酸盐是结肠中Treg的杰出诱导剂。

图  肠道微生物与宿主免疫相互作用

在宿主和微生物组方面均可发现肠道空间变异性。内腔和组织相关内容的相对水平在此处进行了说明，表明这两种功能的区域专业化。 已知肠道中的内腔含量在微生物负荷，微生物种群以及所产生的微生物产生的代谢产物方面有显着差异。尽管在整个胃肠道中的种群和区域规格都受到微生物的影响， 根据管腔内物质含量的变化，宿主免疫系统同样具有区域特异性。

这里显示的是免疫细胞，这些细胞在免疫稳态过程中表现出空间动态。  

02 肠道菌群与高血压

高血压的发病机制涉及多种因素，包括遗传、环境、激素、血液动力学和炎症等。越来越多的证据表明，肠道微生物群在高血压的发生和发病机制中起着重要作用。胃肠道是人体内最大的免疫细胞库，代表着环境和宿主的交汇点。因此，生活方式因素的形成和调节的微生物组，影响着高血压疾病形成和发生的风险。一个被广泛研究的例子是膳食纤维的消耗，能导致短链脂肪酸的产生，并有助于抗炎免疫细胞的扩张，从而防止高血压的进展。饮食干预如禁食也被证明通过微生物群影响高血压。

图 血压与肠道菌群的关系

摄入的食物被肠道微生物群转化为小的代谢物。食物抗原、微生物产生的代谢物以及微生物本身都有助于免疫稳态。干扰宿主和微生物群之间的共生关系可通过免疫系统直接或间接导致血压变化和相关的心脏、血管或肾脏损害。

在过去的十年中，许多关于肠道微生物组和高血压的作用的证据已积累起来。多项针对人体的横断面研究表明，肠道微生物组与血压或高血压之间存在关联。高血压患者或血压较高的患者，α多样性降低，肥胖，高胰岛素血症和血脂异常也已观察到。 许多人类肠道微生物组研究报告了革兰氏阴性菌群较高的菌群之间的相关性，包括克雷伯菌，副细菌，脱硫弧菌和普氏菌，尽管并非所有研究都能确定这种模式。

来自HELIUS队列研究（城市环境中的健康生活）的研究表明，克雷伯菌属和链球菌属与血压呈正相关。此外，与高血压小鼠相比，从高血压人类供体接受粪菌移植的GF小鼠出现了与其供体相似的肠道菌群，以及8周后收缩压和舒张压升高。它从2个血压正常的供体那里接受了粪菌移植。

此外，还有几种有价值的啮齿动物高血压模型分析了肠道微生物组和血压的作用。自发性高血压大鼠存在失调，与正常血压WKY（Wistar-Kyoto）对照大鼠的微生物群存在显著差异。自发性高血压大鼠的肠道通透性和菌群失调也可能可通过使用降压药治疗大鼠来补救。

肠道微生物组与高血压之间的联系不是物种特异性的。 例如，在小鼠和人类中高盐处理都会减少乳酸杆菌属。  值得注意的是，未治疗的高血压患者中盐的适度降低能够降低血压并改善动脉顺应性。改善的临床结果伴随着8种循环SCFA的增加（包括2-甲基丁酸、丁酸、己酸、异戊酸和戊酸 ）。此外，已证明益生菌乳酸菌处理可通过恢复吲哚3乳酸水平（抑制微生物色氨酸代谢）抑制Th17细胞并减轻盐敏感性高血压。

已显示，Lactobacillus coryniformis可以改善血管功能和胰岛素敏感性。Lactobacillus（乳杆菌）治疗不仅可以改善心血管疾病，还可以改善实验性自身免疫性疾病的结局。 对益生菌对高血压的作用进行调查的随机对照试验的系统评价表明，如果以足够高的剂量使用至少8周，含乳酸杆菌的益生菌是有效的。

03 饮食方式影响肠道菌群

在人类中，肠道中的核心微生物群落是稳定的，并且仅在响应诸如肠道感染，整体旅行或药物治疗等主要扰动时才发生变化，从而导致肠道微生物组发生短暂或持续的变化。 肠道菌群不仅对某些饮食刺激的比例具有反应性，而且还可能在时空环境中做出反应。

目前，我们对特定饮食变化影响炎症，自身免疫和心血管疾病易感性的确切机制的理解还很模糊。 使用经过微生物组组成和功能训练的机器学习算法可提供令人兴奋的机会，以促进更好地预测对营养刺激的反应。

新兴的研究表明，饮食因素（高盐或高纤维）和生活方式干预（盐分限制或热量限制）会影响微生物群落的结构和功能，这对免疫细胞活化和血压具有重要意义。西方人的生活方式通常涉及每天进食几顿主餐，并导致细菌多样性下降，某些食物喂养细菌的过度生长，以及随之而来的其他食物为底物的细菌的抑制。因此，菌群产生的代谢产物发生了转移，从而促进了炎症，最终可能导致肥胖症和动脉粥样硬化等疾病的发展。

从历史上看，餐食通常是新鲜烹制的，但如今，人们更经常食用通常含盐量更高的加工食品。这种生活方式通常会导致较高的盐摄入量 而不是医学指南或专家的建议。为减少心脏代谢疾病的风险，通常应节食健康的饮食和运动。 大多数建议的重点是将富含饱和脂肪，糖，盐和卡路里但纤维含量低的西方饮食改变为更健康的地中海式阻止高血压饮食方法，以实现最佳营养，平衡和降低盐摄入量，尽管合规性是一个重大挑战。

04 微生物群衍生短链脂肪酸

SCFA是最典型的微生物群代谢产物之一，它是在不易消化的纤维发酵过程中产生的。 乙酸，丙酸和丁酸是3种高丰度的SCFA。 膳食纤维是由≥3种单体组成的膳食碳水化合物的统称，如非淀粉多糖，抗性淀粉，菊粉，果胶，β-葡聚糖和低聚糖。 这些纤维状化合物中的大多数都被拟杆菌、厚壁菌和放线菌门微生物消化。Bifidobacterium adolescentis, Eubacterium rectale, Eubacterium hallii, Faecalibacterium prausnitzii ，Ruminococcus bromii 通常在大肠中定居，并具有消化纤维以生产SCFA的酶。

大肠的丙酸和丁酸水平比小肠高约4倍。SCFA在结肠中迅速吸收，而丁酸在很大程度上被用作向结肠上皮细胞提供能量的燃料。肠道SCFAs与门静脉血相比要高得多，而门静脉SCFAs较高，其次是肝脏血液，外周血最少，这表明SCFAs基本上被肝脏吸收。肝中丙酸的摄取是糖异生，脂肪生成的前体，以及蛋白质合成，而乙酸盐进入循环系统并被多个组织代谢，并且是胆固醇合成的底物。

SCFA可以与G蛋白偶联受体Gpr41（G蛋白偶联受体41），Gpr43（ 小鼠中的G蛋白偶联受体43），Gpr109a（G蛋白偶联受体109 A），Olfr558（嗅觉受体558）和Olfr78（嗅觉受体78），也称为FFARs（游离脂肪酸受体）。FFARs存在于各种组织中，包括血管和肾脏，并参与调节丙酸、乙酸和丁酸的血管反应性。

Gpr41和Olfr78似乎都参与了血压的调节，尽管它们似乎促进了相反的作用。Olfr78激活后会诱导肾素分泌。与此相符的是，Gpr41敲除小鼠为高血压，有趣的是，醋酸盐以前曾用于血液透析缓冲液，但由于其降压作用而被大量废弃，这与SCFA在大多数情况下降低血压的观点一致。

纤维本身已被建议在一定程度上塑造微生物组成。

关于血压，纤维的刺激作用增加了SCFA生产者Faecalibacterium prausnitzii和Eubacterium rectale以及乳杆菌属的丰度。一项具有里程碑意义的研究表明，与传统上纤维含量高的未加工饮食的非洲儿童相比，食用西方饮食的欧洲儿童SCFA水平显着降低，Firmicutes与Bacteroidetes（F/B）比率高。自该研究以来，高F/B比率通常被用作肠道生态失调的替代指标，虽然也已知一些Firmicutes细菌产生有助于健康微生物组的微生物代谢物。

同样，实验工作通常依赖于F/B比作为疾病标志物。自发性高血压大鼠和易中风的自发性高血压大鼠显示F/B比率增加，这支持了这可以作为肠道生态失调的标志物的概念。

05 血压和短链脂肪酸

各种实验或临床研究已证明益生元高级纤维或后生SCFA治疗对血压的影响。研究报道丙酸在麻醉小鼠中诱导了急性的剂量依赖性降血压反应，这是由Gpr41介导的。益生元纤维不仅可以预防心血管疾病，而且这些营养素的缺乏可能是导致高血压和心血管疾病的危险因素。 还发现在低纤维饮食中添加益生元乙酸盐，丙酸盐或丁酸盐可改善血压并减少靶器官损害。

此外，GF小鼠的粪菌移植表明，与抗性淀粉相比，饮食中的肠道微生物组缺乏抗性淀粉。高纤维情况不仅在血管紧张素II攻击后导致较高的血压，而且还导致了心脏和肾脏损害的发病机制。

德国一项研究测试了在有和没有动脉粥样硬化的高血压小鼠中口服丙酸治疗的特性。在这两种模型中，丙酸治疗均能降低全身和局部炎症反应，血压以及心脏损害。丙酸的治疗作用是由Treg细胞介导的。但是该研究指出丙酸的降血压作用不是急性的，而是随着时间的推移而发生，提示SCFA的抗炎特性间接促进了血管表型的改善。Th17细胞和Th17与Treg的平衡介导SCFA在血压调节中的作用。

关于SCFA在血压中的作用的人类研究非常少见。对微生物群组成和高血压的一些研究表明，SCFA的生产者为Ruminococcaceae spp，Rothia或Roseburia spp. 与较低的血压相关。

在一项小型干预试验中，生物素丁酸酯（600 mg / d），益生素菊粉（10 g / d）以及这两者的组合均降低了代谢综合征患者的舒张压。在HELIUS队列中，将机器学习算法应用于微生物组数据可确定Roseburia spp解释对血压的最大绝对影响，甚至在调整混杂因素（包括使用药物）后，丰度也使收缩压降低4.1 mmHg。

相反，血压较高的患者的粪便SCFA水平较高。这种正相关与以前的研究一致，但似乎与血压与胃肠道内微生物SCFA生产者之间的负相关性相矛盾。 但是，粪便中的SCFA含量不一定反映肠道内的SCFA含量，而是反映肠道中产生的SCFA含量而宿主无法吸收的。

自发性高血压大鼠的实验工作支持了这一观点，表明实验性高血压会减少结肠丁酸对宿主的吸收。此外，AT1（血管紧张素II型1型）受体阻滞剂坎地沙坦（一种经常用于治疗高血压的药物） 已发现自发性高血压大鼠可以增加乳杆菌的丰度和粪便SCFA水平，改善肠道完整性并降低血压。

坎地沙坦治疗改善了重度肥胖受试者肠道中丁酸生成基因的缺失。总之，在HELIUS队列中，基于肠道微生物群组成的机器学习模型分别解释了收缩压和舒张压变异性的4.4%和4.3%。

纤维来源的SCFAs不仅影响血压，而且在其他心血管疾病和自身免疫中也起着关键作用。例如，用醋酸盐，丙酸盐或丁酸盐进行生物后处理可改善急性肾损伤。肾脏保护与局部和全身炎症反应减少，氧化性细胞应激和细胞凋亡。在多发性硬化症动物模型中，T细胞介导的中枢神经系统炎症性疾病丙酸盐增加了肠道和脾脏中抗炎Tregs的频率，这伴随着临床症状的改善。

高纤维摄入量和增加的SCFA浓度也被证明可以保护中枢神经系统。值得注意的是，多发性硬化症患者可以从丙酸盐治疗中获益。短期丙酸盐治疗导致显着和持续的富集功能正常的Tregs，同时1型辅助细胞和Th17细胞同时消耗。此外，补充SCFA或高纤维摄入对类风湿性关节炎（一种关节慢性炎症性疾病）的预后有积极影响。丙酸酯可增加骨量，并且发现SCFA通过增加Treg的数量刺激骨形成。

06 SCFA与免疫系统相互作用

从机制上讲，SCFA可以影响不同的免疫细胞群。 例如，发现丙酸和丁酸处理后中性粒细胞产生的炎性细胞因子较少。丁酸还可以减少氧化应激和吞噬能力。

SCFA通过减少树突状细胞成熟并抑制CD4和CD8T细胞增殖来调节炎症过程。与乙酸盐相反，丁酸盐或丙酸盐通过HDAC（组蛋白脱乙酰基酶）抑制作用影响骨髓前体细胞的树突状细胞成熟。此外，丁酸可促使M1巨噬细胞分泌更少的炎性细胞因子，增加抗炎细胞因子IL-10的分泌。

SCFAs还引起人单核细胞和T细胞中抗炎标记的表达。 例如，丁酸抑制金黄色葡萄球菌刺激的人单核细胞中IL-12的产生并增强IL-10的分泌。

最近，研究证明了丙酸会降低Th17细胞分化的速率。还发现丁酸盐还通过Gpr43增加1型辅助细胞分化细胞中IL-10的分泌，由SCFA驱动的IL-10诱导激活STAT3（信号转导子和转录激活子3）和mTOR（雷帕霉素的机械靶标），从而上调转录因子B淋巴细胞诱导的表达成熟蛋白。

此外，SCFA最深入研究的特性之一是它们在诱导抗炎Treg中的作用。丁酸和丙酸可增加鼠和人Treg的分化并增强其抑制能力。除丁酸外，丙酸（而非乙酸）通过HDAC诱导外周新生Treg细胞形成。值得注意的是，Clostridia（梭菌）是共生微生物的主要类别，它介导了诱导性结肠Tregs，这与Clostridium butyricum（酪酸梭状芽胞杆菌）诱导Tregs并减少Th17细胞从而减轻实验性自身免疫的症状的发现是一致的。

07 禁食：新的血压控制策略

越来越多的证据表明，禁食是控制代谢性疾病和炎性疾病的有效工具。热量限制会影响微生物组的基本原理令人兴奋。 然而，仍然缺乏关于人类的可靠数据。

一项研究关于10天定期禁食对15名健康男性的粪便微生物群的影响。禁食导致Lachnospiraceae和Ruminococcaceae菌减少。一项小型的人体试验研究表明，斋月禁食影响了健康受试者的微生物组，丰富了一些SCFA生产者。

在一项临床研究中，35名代谢综合征患者接受了5天的禁食，然后进行了3周的DASH饮食，也被译为「得舒饮食」，字面意思是防止高血压的饮食方法饮食。

对照组仅接受DASH饮食。禁食后接着DASH饮食降低血压，需要抗高血压药物和干预后3个月的体重，并改变影响SCFA生产者的肠道微生物群。队列对血压反应性的分层显示，空腹组中存在的免疫细胞变化在血压反应者中比在无反应者中更明显。

此外，禁食组的免疫移位与DASH组观察到的变化根本不同。观察到干预后禁食组中血压响应者特异性微生物组的变化（F.prausnitzii，拟杆菌和厚壁菌的富集；放线菌的消耗）。值得注意的是，丁酸盐生产者F.prausnitzii的富集甚至在禁食后3个月仍然存在。血压反应者和无反应者不仅对禁食反应不同，而且在基线时的丙酸合成能力不同。

将机器学习算法应用于基线免疫组或16S微生物组数据，预测模型通过重新分析调查禁食和血压影响队列（Mesnage数据集）证实，队列中显着的长期血压下降预计准确率约为70%，进一步支持这些发现可能是普遍化的想法。重要的是要强调，上述研究建立了微生物组和血压之间的关联，以应对禁食。禁食对许多患者来说是一项艰巨的挑战。能够操纵负责响应禁食的血压变化的机制将具有高临床效用。

禁食是热量限制的一种极端形式，在不同的文化和宗教习俗中起着重要的作用。 大量的热量限制不仅影响宿主的健康和生理，还降低了血压。生活方式和饮食引起的微生物群及其代谢产物的扰动可直接影响上皮细胞和免疫细胞的稳态。但是我们对营养，微生物群和微生物产物，免疫系统与宿主健康或疾病之间的联系仍处于‘婴儿期’。

08

小鼠与人类的差异障碍和转化

宿主-微生物组相互作用对人类健康和疾病显然有影响。模型系统经常用于基础和临床前高血压研究，以研究疾病的发病机制和进展。小鼠和大鼠模型非常有用，可以提供人类队列研究无法获得的信息。然而，在模型系统中研究人-宿主-微生物组相互作用存在许多障碍。

差 异 

01 胃肠生理学和形态学有许多方面，这在人类和啮齿动物物种之间是截然不同的。盲肠可能是人类和啮齿动物不同物种形成的最明显的例子，以及小鼠结肠粘液层的薄度。

02 小鼠和人类对炎症应激物的基因组反应是明显不同的，这可能与宿主特异性或微生物组特异性特征或两者的组合有关。

03 居住在胃肠道的微生物在小鼠和人类之间通常也是不同的。人和小鼠只有约15%的细菌谱系。虽然它们在属或门的水平上可能具有可比性，但物种特异性变化通常在高血压中具有临床重要性。

04 已知在每个微生物进化枝内，成员物种之间共享功能特性的程度例如，厚壁菌作为进化枝特别代谢不一致，当考虑到普遍使用F/B比率作为生态失调的标志物时，这再次提出了一个问题。

05 由于人类微生物组随时间的相对稳定性，实验室小鼠在这方面与人类不同。

06 小鼠和人体免疫组成和建立不同，人类免疫系统的强劲发展，需要接触各种真菌，病毒，微生物等，而GF小鼠与人或大鼠微生物的定殖不会诱导免疫成熟，只有小鼠特异性微生物能够诱导完全的免疫能力。

07 啮齿动物模型的嗜食性已被认为对微生物组具有独特的影响，这可以通过使用单一住房策略来避免，尽管这会诱发小鼠的应激反应，增加一个额外的混杂因素。

许多研究人员试图通过使用人类微生物定殖小鼠或野外捕获的小鼠来规避物种比较问题。这提出了两个重要的挑战，应该加以考虑。

一，存在宿主与其微生物之间相互作用的相互排斥的问题。事实上，这种相互作用的重要性在最近的一项研究中得到了证实，该研究表明GF小鼠与人或大鼠微生物的定殖不会诱导免疫成熟，只有小鼠特异性微生物能够诱导完全的免疫能力。有几点差异在小鼠和人体免疫组成之间注意到，这可能与免疫微生物组轴有关，例如，与小鼠（10%–25%）相比，外周血中性粒细胞的比例约为人类的两倍（50%–70%）。此外，CD8+T细胞在成年人非淋巴组织中的分布远高于无特定病原体的小鼠，这可能对细胞内感染或癌症的进展有影响。

二，尽管野外捕获的小鼠比实验室培养的无特定病原体的小鼠更准确地概括人体生理，可能与临床试验结果的一致性更高，对疾病的抵抗力更强。但是在科研研究和临床上应用大规模野外捕获老鼠的可能性会受到限制。

因此，在未来动物研究中，整个领域的程序标准化，例如使用同窝对照和可能影响微生物组的条件的稳健记录是必不可少的。要注意笼养，用品和饮食等因素可能会对结果产生重大影响。此外，采样时间，地点也尽量一致。

值得注意的是除了不同胃肠道区域的空间动态外，从粘膜和管腔空间取样的微生物组在小鼠和人类中是独特的。由于胃肠道是免疫细胞极化和微生物产生的代谢物吸收的作用部位，许多人质疑粪便取样是否正确研究宿主-微生物组界面的途径。粪便代表该系统的排泄产物。

然而，粪便取样是检查微生物组的最常见和实际适用的方法，特别是对于需要非侵入性方法的纵向研究。粪便的收集无疑有助于我们理解宿主-微生物组的相互作用。尽管怀疑局部产生的微生物副产物的相关性是重要的，特别是影响代谢物对循环的摄取并影响胃肠免疫细胞的活性，但是该隔室的测量是不发达的。在间质液中的作用部位鉴定微生物产生的化合物的能力可能提供对宿主-微生物组动力学的不同观点。

总之，尽管在解释微生物组数据时需要谨慎，但是，高血压中微生物组-宿主界面的研究是一个有前途且正在迅猛加速的研究领域。随着各种技术的进一步发展，针对微生物组领域的以药理学和辅助诊断方式为中心的方案可能会在不久的将来出现。

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