对甲酚——自闭症辅助诊断和干预的关键指标

谷禾健康

在谷禾的检测实践中发现很多自闭症和情绪障碍人群的对甲酚含量很高，并且结合现有文献，有充分的证据认为对甲酚与自闭症存在相关性。

<来源：谷禾健康自闭症儿童检测示例>

什么是对甲酚？对甲酚是人体中特定细菌(例如艰难梭菌、部分梭杆菌、肠杆菌)降解蛋白质中的l-酪氨酸产生的一种酚类化合物。

目前在自闭症谱系障碍(ASD)患者的血液、尿液和粪便中均已发现对甲酚及其人体代谢物对甲酚硫酸盐的水平明显升高，并发现ASD患者的重复刻板行为、交流与认知障碍症状的加重与尿液中对甲酚和对甲酚硫酸盐水平升高密切相关。

分析还发现，尿液中的对甲酚和对甲酚硫酸盐水平能够很好地区分开ASD儿童与健康儿童，有望作为自闭症谱系障碍的生物标志物和客观定量指标。

作为经过肠道代谢和吸收的物质，过量的对甲酚对肠道健康也存在一定的危害。高浓度对甲酚对结肠细胞具有毒性，会抑制细胞的增殖并增加线粒体耗氧量；还与肠道菌群失衡相互促进，促使耐受和产生对甲酚的细菌进一步增长，并损害肠道上皮细胞，导致屏障功能受损。

除了在自闭症中展现出的相关性及对肠道的危害外，过量的对甲酚还可作为一种尿毒症毒素。在慢性肾脏疾病(CKD)中，血浆中对甲酚和对甲酚硫酸盐的显著升高被检测到，在肾小管细胞中，对甲酚和对甲酚硫酸盐增加氧化应激，影响线粒体功能，并导致细胞死亡，加重慢性肾脏疾病进展。并且对甲酚硫酸盐被发现与肾纤维化有关。

对甲酚和对甲酚硫酸盐也被怀疑在CKD相关的不良心血管事件中发挥作用，因为它们影响内皮细胞的增殖和迁移，降低内皮伤口修复的能力，增加内皮细胞的衰老，并与心肌细胞功能障碍相关。

在这种背景下，本文详细讲述了对甲酚及其代谢产物对自闭症、肠道细胞及菌群和外周组织细胞(即肾小管细胞和血管内皮细胞)的影响。此外，我们将回顾最近的证据，探讨肠道微生物群和对甲酚的产生与自闭症之间的关联，以及该化合物在自闭症中可能发挥的机制。

如何检测自身对甲酚水平，并通过饮食或药理手段降低对甲酚或对甲酚循环浓度也是人们所关心的。在本文的最后一个部分，我们列举了当前主要的一些降低体内对甲酚水平或减轻其危害的措施，包括使用克里美净等药物；多食用富含原花青素的水果，减少红肉的摄入；保持平衡的肠道菌群状态；以及一些合生元疗法。降低对甲酚水平还可能有助于改善自闭症、慢性肾脏疾病和相关的心血管障碍。

对甲酚过高的危害

我们发现，当人体中对甲酚浓度过高时，会存在以下的危害：

•可能是介导自闭症的关键因子

•导致肠道菌群失衡

•对结肠细胞具有毒性

•诱导肠道屏障功能的改变

•会加重肾脏疾病

•与心血管功能障碍相关

01
人体中的对甲酚是如何产生的

▼肠道微生物产生的对甲酚

作为栖息在我们肠道中的微生物群落，其就像一个个小型的加工厂，可以产生许多代谢产物。

▸肠道菌群代谢酪氨酸产生对甲酚

人体内的对甲酚主要来源于肠道菌群的代谢。在微生物代谢可用的底物中，肠道微生物群降解未消化(或未完全消化的蛋白质)释放的芳香族氨基酸(苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸)，产生酚类和吲哚类产物。在这些化合物中，酚类化合物对甲酚(4-甲基苯酚)由l-酪氨酸产生。

如下图所示，以梭菌属为代表的细菌可表达脱羧酶，该酶可将酪氨酸的中间代谢产物对羟基苯乙酸和对羟基苯丙酸脱去羧基形成对甲酚和对乙酚。

肠道细菌似乎使用几种酪氨酸衍生的代谢产物，如4-羟基苯丙酮酸、4-羟基苯乳酸、3-(对羟基苯基)丙酸和4-羟基苯乙酸作为对甲酚合成的中间体。

DOI︰10.20059/j.cnki.pps.2023.08.1011

▸艰难梭菌、乳杆菌科等可以产生对甲酚

分析表明，在人类肠道中存在的细菌中，特定的细菌家族，如梭杆菌科、肠杆菌科、梭菌科、拟杆菌科、乳杆菌科和红椿菌科(Coriobacteriaceae)，是强对甲酚生产者，部分双歧杆菌科也可代谢产生对甲酚。

其中以艰难梭菌的对甲酚产量最高，可达其他细菌的10~1000倍。因此，感染艰难梭菌的患者体内可能会出现对甲酚含量升高的情况。

在另一项研究中，通过使用补充有酪氨酸及其代谢物的培养基鉴定产生对甲酚的肠道细菌。发现B.longumsubsp.infantis YIT 4018亚种、艰难梭菌 YIT 10084T、Cl. paraputrificum YIT 10074T和F.necrogenes YIT 10362T具有产生对甲酚的能力。

▸乳酸可以减少对甲酚的产生

艰难梭菌产生对甲酚的能力与其相对于其他肠道细菌的竞争优势有关，从艰难梭菌感染的小鼠模型中可以看出，过量生产对甲酚会影响肠道微生物群的生物多样性。

乳酸是另一种细菌代谢产物，已被证明可以在体外减少细菌对甲酚的产生。利用这一特点，我们推测提升产乳酸细菌的丰度有助于减少对甲酚的产生。

▸高蛋白摄入量会增加对甲酚浓度

在哺乳动物中，饮食中蛋白质摄入量的增加会提高粪便和尿液中的对甲酚浓度，这可能是由于来源于未消化蛋白质的底物l-酪氨酸在细菌代谢活动中的可用性增加。

相反，含有抗性淀粉和麦麸提取物的饮食会减少对甲酚的粪便含量。

▼ 其他对甲酚的来源

人体细胞由于缺乏相关的酶，自身并不会产生对甲酚。

对甲酚除了可经肠道细菌代谢产生以外，石油、颜料、香水、化妆品等日用品中含有对甲酚，对甲酚也是部分食品用防腐剂的原料，因此人体内的对甲酚也可能来源于饮食直接摄入或气体挥发吸入。

02
人体如何代谢对甲酚

对甲酚虽然不是宿主合成的，但在吸收过程中及吸收后可在宿主组织中被修饰。肠上皮细胞吸收对甲酚，产生几种共代谢产物，最终这些产物会在尿液中排出。

▸结肠黏膜结合生成对甲酚硫酸盐

结肠黏膜与硫酸盐和葡萄糖苷酸结合酚类物质的能力已得到证实，分别允许产生对甲酚硫酸盐(p-CS)和对甲酚葡糖苷酸(p-CG)。

在一项研究中，比较了有结肠和没有结肠的血液透析患者血浆中的p-CS水平，表明结肠在p-CS的产生中起着重要作用。从肠道门静脉释放的未代谢的对甲酚由肝脏代谢，主要产生对甲酚硫酸盐，在较小程度上产生对甲酚葡糖苷酸以及其他次要代谢物。

肠道菌群和宿主组织对甲酚代谢的示意图

doi: 10.1007/s00726-021-03064-x.

▸与白蛋白结合保持血液中的含量平衡

对甲酚、p-CS和p-CG以可逆的方式与血浆白蛋白结合，导致血液中结合和游离部分之间的平衡。健康受试者血液中对甲酚的总浓度为9-13µM，而总p-CS的循环浓度为13-15µM。在血液中，游离形式的p-CS浓度平均仅为0.31µM，约占总量的2%。

最后，未与白蛋白结合的对甲酚、p-CS和p-CG会通过尿液排出。志愿者尿液中对甲酚的平均浓度为340µM，个体值之间存在显著差异。这些研究中未报告志愿者的饮食状况，加上个体肠道微生物群组成的差异，可能解释了这种差异。

▸素食者的对甲酚浓度会较低

值得注意的是，一项针对少数食用素食或无限制饮食的健康志愿者的研究表明，素食者的p-CS尿排泄量明显低于无限制饮食者，这可能是因为素食者的膳食纤维含量较高，蛋白质摄入量较低。

在一项针对志愿者的随机、平行、双盲试验中，研究表明，与等热量对照组(不补充蛋白质，摄入相似量的膳食纤维)观察到的微生物群组成相比，补充膳食蛋白质会导致细菌代谢向氨基酸降解转变。

与对照组相比，服用酪蛋白补充剂的组尿p-CS较高，而服用大豆蛋白补充剂的组则没有，这表明膳食蛋白质的来源可能对肠道微生物群对对甲酚的产生或宿主对这种细菌代谢物的代谢产生不同的影响。

▸对甲酚硫酸盐具有神经毒性，与自闭症相关

有临床研究表明对甲酚硫酸盐可能具有神经毒性，是部分神经系统疾病的潜在病因。

目前在自闭症谱系障碍(ASD)患者的血液、尿液和粪便中均已发现对甲酚和对甲酚硫酸盐的水平明显升高，并发现ASD患者的重复刻板行为、交流与认知障碍症状的加重与尿液中对甲酚和对甲酚硫酸盐水平升高密切相关。

我们将在后面的章节中详细讨论对甲酚在自闭症中的作用及其机制。

03
对甲酚对肠道的影响

▸高浓度对甲酚对结肠细胞具有毒性

在体外实验中，浓度为1000µM及以上的对甲酚对人结肠细胞表现出剂量依赖性的遗传毒性。在不同底物的情况下，结合对人类结肠细胞发酵上清液的遗传毒性测试，发现对甲酚是这些上清液中对结肠细胞遗传毒性的最大预测因子。

▸过量的对甲酚减少增殖和线粒体耗氧量

浓度为800µM的对甲酚减缓了人结肠细胞HT-29 Glc−/+的增殖，伴随S期细胞的积聚和细胞分离的轻微增加。在这项研究中，800µM对甲酚的急性处理减少了集落细胞中的线粒体耗氧量。

此外，预处理细胞1天后，基础和最大耗氧量增加，可能抵消了对甲酚对细胞呼吸的不利影响。预处理的细胞中测量到阴离子超氧化物产量增加。在较高浓度(1600和3200µM)下，对甲酚预处理也显示出类似效果，但处理1天后，质子通过线粒体内膜的泄漏增加，降低了线粒体的生物能量代谢效率。

用浓度在800至3200µM之间的对甲酚预处理结肠细胞3天后，细胞内ATP浓度呈剂量依赖性降低。因此，在这个体外模型中，过量的对甲酚被确定为能量代谢的干扰物和对结肠细胞的遗传毒性物质。

对甲酚对结肠上皮的主要作用

doi: 10.1007/s00726-021-03064-x.

▼与肠道菌群失衡相互促进

▸抑制革兰氏阴性细菌的生长繁殖，同时对对甲酚不敏感的菌群具有生存优势

进一步研究发现肠道中的对甲酚水平和肠道菌群失衡存在相互促进的关系。对甲酚可抑制脆弱拟杆菌等革兰氏阴性肠道细菌的生长繁殖，造成艰难梭菌等对对甲酚不敏感的革兰氏阳性肠道细菌具备生存优势，进而导致肠道菌群组成及多样性的改变；而艰难梭菌正是肠道中产生对甲酚最多的细菌，其相对丰度升高又会进一步造成肠道中对甲酚水平升高。

▸过量的对甲酚促使菌群失衡，失衡的菌群进一步升高对甲酚水平

即肠道中过量的对甲酚促使肠道菌群失衡，失衡的肠道菌群又可进一步升高肠道中的对甲酚水平并加剧菌群的失衡。

关于对甲酚及其代谢物对炎症性肠病病因的影响数据很少。一项研究发现，克罗恩病患者尿液中p-CS的含量低于健康对照组，这提出了炎症性肠病患者结肠细胞中对甲酚代谢/解毒可能受影响的假设。

▼诱导屏障功能的改变

▸损害肠道上皮细胞，屏障功能受损

研究发现，对甲酚可通过抑制结肠上皮细胞线粒体呼吸链造成ATP产量减少，并促使结肠上皮细胞产生超氧阴离子引发DNA损伤，导致结肠上皮细胞活性及增殖能力受损，造成结肠上皮细胞层完整性受损、细胞间透过性增加，说明对甲酚可通过损害肠道上皮细胞造成肠道屏障功能受损。

使用人Caco-2结肠细胞单层，1600-6000µM的对甲酚剂量依赖性地增加了细胞之间的旁运输，表明高浓度对甲酚可诱导肠屏障功能的改变。在后续研究中，水果提取物中的多酚混合物阻止了对甲酚诱导的旁运输变化，但植物提取物中化合物发挥作用的机制仍需进一步确定。

04
对甲酚可能是介导自闭症的关键因子

★ 对甲酚是肠道菌群参与自闭症发生的重要介质

过量的对甲酚被怀疑会对中枢神经系统产生有害影响，这种影响可能与自闭症谱系障碍(ASD)的病因有关。对甲酚、对甲酚硫酸盐在自闭症谱系障碍(ASD)患者体内水平升高且与异常行为的程度呈明显的正相关关联，说明对甲酚可能是肠道菌群参与ASD发生发展的重要中介物质。

有什么证据支持尿液和粪便中对甲酚含量升高可能作为ASD早期有价值的生物标志物，并可能在自闭症病因中发挥作用？接下来将介绍对甲酚在自闭症谱系障碍(ASD)中的潜在致病机制及其与ASD病因和生理变化的关系。

▼自闭症患者中对甲酚含量明显升高

▸自闭症儿童粪便和尿液中对甲酚含量高于正常儿童

首先，与年龄和性别匹配的对照儿童相比，自闭症儿童晨尿中对甲酚浓度较高。这些浓度差异在7岁前都能明显检测到。在另一项研究中，8岁以下的自闭症幼儿尿中对甲酚及其共代谢物对甲酚硫酸盐(p-CS)和对甲酚葡糖苷酸(p-CG)含量高于同年龄、同性别的对照儿童，但在大一点的儿童中则没有。

尿中对甲酚和对甲酚硫酸盐的水平与刻板印象和强迫/重复行为有关。另外两项研究也对自闭症儿童和对照组儿童粪便中的对甲酚进行了测量，结果表明自闭症儿童粪便中对甲酚含量高于对照组儿童。

▸额外注射对甲酚会导致焦虑行为及大脑结构发生改变

在小鼠模型中，单次静脉注射1mg/kg的对甲酚可诱导焦虑和运动活动增加。在10mg/kg的较高剂量下，对甲酚加剧了小鼠自闭症的核心症状，并显著减少了小鼠之间的社会互动偏好。此外，研究中进行了脑区特异性神经化学分析，结果表明这些行为变化与大脑某些区域(如杏仁核、伏隔核和背尾状壳核)多巴胺周转量的剂量依赖性增加相关。

值得指出的是，自闭症不应该仅仅被视为一种“脑部疾病”，因为免疫系统和消化道的异常也存在于自闭症。

大鼠腹腔注射对甲酚(30mg/kg)可改变伏隔核和海马体中N-甲基-D-天冬氨酸谷氨酸受体(NMDARs)亚基的表达，表明对甲酚可能损害这些结构中NMDAR依赖的活性。NMDARs在学习、记忆和突触发育中发挥核心作用。

此外，对甲酚在体外抑制少突胶质细胞的分化，这些细胞是中枢神经系统的髓磷脂形成细胞，源自胶质祖细胞。

▼引发多巴胺蓄积，损伤奖赏环路功能

中脑边缘多巴胺奖赏环路的正常激活是形成社会动机和产生奖励行为的基础。奖赏环路的激活可产生愉悦感并促进相关奖赏行为的重复，同时促进社交意向等社会动机的形成；而其激活失常则可能导致重复刻板行为和社会交往障碍等ASD核心症状。

该环路由中脑腹侧被盖区(VTA)的多巴胺神经元通过释放多巴胺，向伏隔核、杏仁核和前额叶皮质等脑区的多巴胺敏感神经元发出投射，从而调节行为动机与奖赏反馈。

目前，临床神经影像学技术已观察到ASD患者中脑腹侧被盖区(VTA)与伏隔核之间的结构性和功能性损伤，并在多种ASD模型小鼠中检测到奖赏环路下游神经元兴奋性降低，提示多巴胺奖赏环路受损可能是ASD的重要潜在发病机制。

▸补充对甲酚后社交缺陷加重、多巴胺及其代谢产物水平升高

研究表明对甲酚可能是诱发自闭症谱系障碍(ASD)的重要机理。ASD模型小鼠在服用对甲酚后，其社交缺陷、刻板行为和焦虑样行为明显加重，且在伏隔核等脑区内多巴胺及多巴胺代谢终产物高香草酸的水平显著升高，提示对甲酚可提高多巴胺在奖赏环路中的蓄积与代谢水平；而健康小鼠在服用对甲酚后不仅既可呈现出社交缺陷和重复刻板行为等AS样表现，其VTA多巴胺神经元的兴奋性和兴奋传导能力也显著降低，表现为神经元动作电位的产生数量减少、自发性兴奋性突触后电流的频率和振幅降低，这一现象符合由血清皮质酮升高所引发的神经生理改变。

DOI︰10.20059/j.cnki.pps.2023.08.1011

▸奖赏环路功能受损、神经元兴奋性受抑制

此外，研究还发现升高血清对甲酚硫酸盐水平可显著提升小鼠的血清皮质酮水平，皮质酮是一种受下丘脑和垂体调控、由肾上腺皮质分泌的激素，通常在机体应激时分泌增加从而升高血糖并使精神紧张。提高血清皮质酮水平会提高应激反应，从而造成社交活动减少等ASD样症状。给予其口服式活性炭AST-120则可同时降低其血清对甲酚硫酸盐水平和血清皮质酮水平。

注释：AST-120是一种口服式活性炭，服用后可通过物理作用非特异性地吸附肠道中的酚类物质及其他芳香族化合物并随着肠道的蠕动排出体外，目前已在临床上应用于肾功能衰竭患者的治疗康复。

以上结果说明，对甲酚在体内被代谢为对甲酚硫酸盐后，可引发肾上腺糖皮质激素分泌增加，进而引发奖赏环路中多巴胺水平异常升高和多巴胺D2受体过度激活，造成奖赏环路功能受损、神经元兴奋性和兴奋传导受抑制，进而导致自闭症相关行为异常。

▸抑制多巴胺β羟化酶活性

此外，体外实验还发现对甲酚可使多巴胺β羟化酶不可逆地失去活性，而该酶是催化多巴胺向去甲肾上腺素转化的关键酶。

这一结果说明对甲酚除了可以通过升高血清肾上腺糖皮质激素提高VTA中的多巴胺水平以外，还可能通过抑制多巴胺向去甲肾上腺素的转化从而进一步导致神经系统及奖赏环路中多巴胺的蓄积以及多巴胺代谢水平升高，继而参与ASD的发病机制。

综上所述，对甲酚可能通过提高肾上腺糖皮质激素的分泌和抑制多巴胺β羟化酶的活性，导致多巴胺蓄积并引发中脑边缘多巴胺奖赏环路损伤，进而参与社交障碍等ASD症状的发生发展。

▼诱发神经炎症，损伤前额叶皮质功能

大脑前额叶皮质负责调控情绪、认知、决策等高级功能，参与威胁性刺激的解析评估、恐惧记忆的储存与消退并调节应激反应。临床研究显示ASD患者前额叶皮质的功能以及与其他脑区的连接性明显降低，小鼠实验表明社交障碍等ASD症状与前额叶皮质中多种神经元兴奋性异常有关，提示该脑区功能异常可能是诱发ASD的重要病因。

▸对甲酚硫酸盐诱发氧化应激和神经炎症

有研究发现对甲酚硫酸盐可在小鼠前额叶皮质中蓄积并诱发氧化应激与神经炎症，造成前额叶皮质神经元和神经干细胞受损凋亡。在服用AST-120后，该小鼠前额叶皮质中对甲酚硫酸盐的水平显著下降，同时前额叶皮质的氧化应激与神经炎症水平明显降低，神经元与神经干细胞的活性损伤得以修复，小鼠行为异常与ASD样症状随之得到改善，说明对甲酚硫酸盐可能通过影响前额叶皮质功能从而参与ASD的发病机制。

▸对甲酚硫酸盐可增加CD68的表达

研究还发现，对甲酚硫酸盐显著增加小鼠前额叶皮质中CD68分子的表达，而前额叶皮质中对甲酚硫酸盐水平的降低伴随CD68表达水平的下降。CD68可激活小胶质细胞，参与脑内免疫应答并介导炎症反应。

多项临床研究表明，ASD患者脑内小胶质细胞密度增加且过度激活，导致的神经系统炎症可能是引发ASD症状的重要因素。这提示对甲酚硫酸盐可能通过间接激活小胶质细胞，导致前额叶皮质的神经炎症与功能损伤，从而引发ASD症状。

▼耗竭谷胱甘肽，促进线粒体氧化应激

▸自闭症患者存在线粒体功能障碍

线粒体是细胞中直接能源物质腺苷三磷酸(ATP)的产生场所，同时也参与细胞的应激反应与自噬凋亡。ASD患者常伴随线粒体功能障碍，临床上已借助脑磁共振波谱成像在ASD患者的多个脑区观察到线粒体功能障碍。

线粒体中的谷胱甘肽能起到解毒和抗氧化的作用，有助于维持线粒体内氧化还原反应平衡，保障线粒体产能功能的正常行使。肠道宏基因组测序显示，在ASD患者的肠道菌群中，谷胱甘肽合成酶及相关通路出现明显缺陷，说明肠道菌群的潜在线粒体保护功能受损；血液学检测显示ASD患者血浆中还原型谷胱甘肽与氧化型谷胱甘肽的比例明显降低，ASD患者有可能存在较为广泛的线粒体功能障碍。

▸耗竭细胞中的还原型谷胱甘肽

体外实验发现，对甲酚和对甲酚硫酸盐可耗竭细胞中的还原型谷胱甘肽，并显著提升胞内氧化型谷胱甘肽的水平。体内实验也发现对甲酚硫酸盐可显著降低小鼠前额叶皮质中的还原型谷胱甘肽水平，而通过服用AST-120降低小鼠体内的对甲酚硫酸盐能有效恢复前额叶皮质中的还原型谷胱甘肽水平。

谷胱甘肽的合成减少与解毒功能减弱是可能造成线粒体功能障碍并引发ASD症状的重要机制。

研究发现，对甲酚硫酸盐可增强细胞对葡萄糖和氧的摄取，提高线粒体的有氧呼吸，但显著降低ATP产量。这是因为对甲酚硫酸盐降低了与氮代谢和酸碱平衡相关的酶(如谷氨酰胺酶和谷氨酸脱氢酶)及抗氧化防御相关酶(如烟酰胺核苷酸转氢酶)的表达，同时激活NADPH氧化酶，导致线粒体能量消耗和氧化应激水平升高，从而引发线粒体ATP产量下降、分裂和凋亡。

上述证据反映了，对甲酚可能通过消耗细胞中的还原型谷胱甘肽、提高线粒体的氧化应激水平，造成线粒体功能障碍和能量代谢失衡，进而参与ASD的发病机制。

▼改变肠道菌群组成，损伤肠道屏障

▸自闭症患者的肠道症状与菌群和行为异常有关

自闭症谱系障碍(ASD)患者常出现腹痛、胀气等肠道不适症状，严重者可长期伴随呕吐、便秘、腹泻等肠道功能紊乱表现，且患者的肠道症状与其行为异常之间存在程度上的显著关联。临床研究发现ASD患者肠道菌群组成失衡，提示肠道菌群失调可能是引发ASD相关行为异常的重要潜在诱因。

研究发现，将ASD患者的肠道菌群移植给无菌小鼠可导致小鼠脑中出现ASD相关基因的可变剪接，并表现出ASD样行为。特定的肠道细菌及其代谢产物能够调节小鼠行为并诱发ASD样表现，而移植健康人肠道菌群则不会引发这些变化。

▸过量的对甲酚导致肠道菌群紊乱及ASD症状

进一步研究发现，长期服用对甲酚的小鼠出现肠道菌群紊乱和社交障碍等ASD样症状。将这些小鼠的肠道菌群移植给健康小鼠后，后者也表现出ASD样症状和肠道中对甲酚水平上升。而将另一健康小鼠的肠道菌群移植给长期服用对甲酚的小鼠，则可降低其肠道中对甲酚水平，缓解VTA神经元兴奋性异常，并改善ASD样行为。

肠道中的对甲酚水平和肠道菌群失衡存在相互促进的关系。即肠道中过量的对甲酚促使肠道菌群失衡，失衡的肠道菌群又可进一步升高肠道中的对甲酚水平并加剧菌群的失衡，这可能是对甲酚参与 ASD发病机制的重要途径。

▸过量对甲酚损害肠道屏障功能

除了肠道菌群失调，肠道屏障功能受损也是ASD患者常见肠道症状的可能原因和潜在诱因。活检结果显示，75%的ASD患者小肠上皮细胞中维持肠道屏障完整性的紧密连接组分表达量减少，说明ASD患者普遍存在肠道通透性增加。这导致肠道中细菌、毒素及外源性蛋白质(包括细菌和食物来源)进入血液，成为引发ASD的潜在病因。

研究发现，对甲酚通过抑制结肠上皮细胞的线粒体呼吸链减少ATP产量，并促使细胞产生超氧阴离子引发DNA损伤，导致结肠上皮细胞活性和增殖能力受损，进而影响细胞层的完整性和增加细胞间透过性。这说明，对甲酚可能通过损害肠道上皮细胞来影响肠道屏障功能，这可能是其参与ASD发病的另一潜在机制。

编者小结

综上所述，对甲酚及其代谢产物对甲酚硫酸盐可能通过四种潜在途径参与ASD的发生发展：

①引发多巴胺蓄积和中脑边缘多巴胺奖赏环路受损；

②导致线粒体功能障碍；

③前额叶皮质神经炎症；

④以及肠道菌群失调和肠屏障功能受损。

DOI︰10.20059/j.cnki.pps.2023.08.1011

05
对甲酚可能加重肾脏疾病

在慢性肾病(CKD)患者中，肾功能障碍的进展与血浆中蛋白结合和水溶性尿毒症溶质的积累有关。在这些尿毒症溶质中，对甲酚及其代谢物对甲酚硫酸盐(p-CS)在很大程度上被怀疑会加重CKD。因为它们与血清蛋白结合的能力很强，容易在血液中积累。

相比之下，血清中另一种对甲酚共代谢物对甲酚葡糖苷酸(p-CG)的蛋白结合程度远低于p-CS。

▸慢性肾病和透析患者血液中对甲酚浓度更高

慢性肾病和血液透析患者血液中的对甲酚和p-CS浓度远高于健康人。在血液透析患者中，总对甲酚的5-7%以游离形式存在，其余为共轭形式。CKD患者的p-CS血药浓度为50-120µM，血液透析患者为110-220µM，其中约7%以游离形式存在。相比健康人，CKD/血液透析患者的对甲酚和p-CS浓度分别高出4-19倍和4-16倍。

并且血液透析患者肾小管分泌对甲酚硫酸盐的清除率显著低于健康人，表明CKD患者的p-CS分泌受损。

对甲酚和p-CS作为尿毒症毒素参与CKD进程。一项针对CKD患者的研究显示，p-CS基线水平可预测CKD进展，而血液透析患者血清中对甲酚的游离浓度与死亡率相关。

▸对甲酚硫酸盐与肾纤维化有关

体外研究和部分肾切除小鼠经对甲酚硫酸盐(p-CS)治疗4周的体内数据表明，p-CS可能与肾纤维化相关。由于肾小管分泌是肾处理p-CS的主要途径，p-CS可能通过诱导氧化应激导致肾小管细胞损伤。

在体外，p-CS浓度为5-26µM时，会以与炎症反应相关的方式改变近端肾小管细胞的基因表达；浓度为5-260µM时，会损害线粒体功能和生物发生。此外，对甲酚在12-52µM时对肾小管细胞具有凋亡作用，而在144-577µM时可诱导细胞自噬死亡。

有趣的是，在接受维持性血液透析的终末期肾病患者中，摄入含有抗性淀粉的饮食8周能够降低血清中对甲酚浓度。此外，在透析患者中，在饮食中补充不可消化的碳水化合物可降低血浆中p-CS的浓度，从而表明这种饮食干预在减少结肠源性对甲酚的产生方面是有效的。

▸不可消化的碳水化合物有助于减轻对甲酚过量引起的症状

未消化的碳水化合物可能通过减少对甲酚在结肠的吸收间接降低其循环浓度。在慢性肾病中，尿素流入结肠后被脲酶活性细菌转化为铵，过量的铵会损伤结肠黏膜，增加通透性，并引起结肠黏液层和吸收性结肠细胞的形态学改变，同时减少短链脂肪酸氧化。

下图总结了对甲酚及其代谢物在过量时对肾细胞的有害影响。低蛋白饮食(0.6-0.8g/kg/天)通常被推荐用于延缓CKD进展和推迟透析治疗，这与高蛋白饮食显著增加肠道微生物群合成对甲酚所需l-酪氨酸正好相反。

doi: 10.1007/s00726-021-03064-x.

06
对甲酚对心血管的影响

对甲酚及其次生代谢物作为尿毒症毒素受到广泛关注，其对心血管系统的有害影响主要来自肾病患者的观察性研究和内皮细胞的体外实验。

▸对甲酚浓度与心血管疾病风险相关

观察研究发现，血清游离对甲酚浓度是慢性肾病(CKD)患者心血管疾病的风险预测因子，而在血液透析患者中，血清游离和总对甲酚浓度与心血管事件相关。

尿中对甲酚硫酸盐(p-CS)的高排泄与CKD患者的心血管事件直接相关。血清游离对甲酚浓度与首次心血管事件的发生和心血管疾病相关，并可能预测老年人心血管疾病的死亡率。

▸不同浓度对甲酚对内皮细胞的影响

内皮功能障碍在心血管疾病发展中起重要作用，几项实验研究测试了对甲酚对内皮细胞生理的影响。

在白蛋白存在下，对甲酚浓度为100-500µM时，剂量依赖性地抑制内皮细胞增殖和伤口修复。浓度为185-739µM时，抑制作用部分源于细胞周期G0/G1期细胞的积累，伴随细胞周期抑制剂p21/WAF1/Cip1表达增强和cyclin D1表达抑制。此外，对甲酚显著增加内皮通透性，并在90-3000µM范围内导致细胞周期G2/M期积累，损害内皮祖细胞增殖和迁移。浓度为92-740µM时，其对内皮祖细胞增殖的抑制与p38和Erk1/2磷酸化的激活有关。

370µM浓度的对甲酚(自由形式或与白蛋白结合)会增加内皮细胞释放内皮微泡。内皮微泡是从活化或凋亡的内皮细胞和血细胞中释放的膜泡，大小为0.1-1.0µm，反映内皮细胞损伤程度。这些由细胞质膜起泡脱落形成的微泡被认为是调节血管生理的活跃细胞信使。内皮微泡释放的增加会降低内皮细胞迁移能力，促进成熟内皮细胞衰老，从而影响内皮修复。

▸影响内皮细胞的生物学和修复

在血液透析患者中，游离血清对甲酚浓度与循环内皮微泡的数量相关。最近有研究表明，对甲酚在230µM浓度下时，可增强内皮细胞中微囊泡的释放；当在92-920µM范围内时，可以激活内皮细胞中的整合素连接激酶。该激酶是整合素信号复合体的关键组成部分，参与血管完整性和血管生成。在体外获得的大量实验证据清楚地表明，对甲酚可能影响内皮细胞的生物学和修复。

下图概述了对甲酚对内皮细胞的影响：

doi: 10.1007/s00726-021-03064-x.

▸对甲酚过量与心肌细胞功能障碍相关

对甲酚在心肌细胞中的作用研究表明，在230-920µM范围内，对甲酚可逆地降低新生儿心肌细胞的自发收缩率，并引发间隙连接分解，说明其过量与心肌功能障碍的关联。

间隙连接在心肌细胞间的电偶联和脉冲传播中起关键作用。此外，相同浓度下，对甲酚还会破坏心肌细胞的粘附连接，可能进一步影响心肌细胞功能。

07
降低对甲酚浓度或减轻对甲酚危害的方法

1
克里美净等药物降低对甲酚水平

▸克里美净降低对甲酚水平并改善自闭症症状

临床研究表明，给12-17岁的自闭症谱系障碍(ASD)儿童服用克里美净(AST-120)，可明显降低受试儿童尿液中对甲酚硫酸盐的水平，同时显著改善了受治儿童的重复刻板行为和社会动机异常等ASD症状，并且未发现明显的不良副作用。

对于具有严重情绪障碍的ASD儿 童 还 可 显 著 降 低 其 焦 虑 和 易 怒 程度。克里美净(又名AB-2004、AST-120)是一种可食用的活性碳颗粒，可非选择性地吸附肠道内的酚类物质及其他芳香族化合物。由于AST-120本 身 并 不 参 与 体 内 生 化 反应，仅起到物理吸附作用，不会被人体所吸收，因此具有良好的安全性。这也从侧面表明临床上降低肠道中对甲酚水平具有改善孤独症症状的能力。

▸阿卡波糖减少对甲酚的生成和浓度

其他研究还发现，小肠α-葡萄糖苷酶抑制剂，如阿卡波糖(Glucobay®)可增加到达结肠的未消化碳水化合物的数量，并可降低蛋白质结合的尿毒症溶质对甲酚的生成和血清浓度。

注：本文不作为医疗建议，药物需在医生建议下服用

2
高纤维，低蛋白饮食调整

▸富含原花青素和多酚提取物的果蔬可预防对甲酚的有害作用

一项研究在暴露于对甲酚的结肠上皮细胞中评估了来自苹果、牛油果、蔓越莓、葡萄或其他含有原花青素和多酚提取物水果的保护作用。

对甲酚会显著增加乳酸脱氢酶(LDH)渗漏并降低 ATP 含量，而在Caco-2细胞中，它显著降低跨上皮电阻并增加葡聚糖的细胞旁转运。蔓越莓和牛油果中提取的原花青素类物质阻止了对甲酚诱导的细胞的改变。

原花青素细菌代谢物减少了LDH泄漏，改善了细胞活力，但未改善细胞内ATP。所有多酚提取物和原花青素细菌代谢物都阻止了对甲酚诱导的屏障功能改变。这些结果表明，含原花青素的多酚提取物和原花青素代谢物可能有助于保护结肠粘膜免受对甲酚的有害影响。

▸增加膳食纤维和抗性淀粉摄入，降低对甲酚水平

已经研究了补充纤维在降低透析前慢性肾脏病 (CKD)患者对甲酚的影响。在血液透析(HD)患者中，纤维补充已被证明可显著降低血浆对甲酚浓度。提供豌豆壳纤维和菊粉可使血清对甲酚减少24%，与低聚果糖和菊粉在HD患者中的效果相似，表明补充纤维对疾病早期患者有潜在益处。

3期和4期CKD患者在补充益生菌和6.6克/天菊粉后，15天和30天内对甲酚减少40%，需要注意的是，益生菌可能也在降低对甲酚方面发挥作用。

该研究支持这样一个结论，即提供高度可发酵的纤维，如菊粉，可能通过抑制蛋白水解和增强糖发酵来减少对甲酚的产生。豌豆壳纤维也可能通过缩短肠道运输时间来帮助减少蛋白水解发酵从而减少对甲酚的产生。

还有研究比较了食用抗性淀粉或表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)对体内对甲酚含量的影响。研究表明，抗性淀粉可以在大鼠模型中有效降低结肠和尿液中的对甲酚水平。

表没食子儿茶素没食子酸酯(EGCG)：这种茶多酚中最有效的活性成分，通过调节肠道微生物群，减少对甲酚生成细菌的含量，从而降低其血浆和尿液浓度。

▸高蛋白和酪氨酸摄入会增加体内对甲酚水平

我们知道，蛋白质中的酪氨酸是对甲酚产生的原料，因此饮食中蛋白质摄入量的增加会提高粪便和尿液中的对甲酚浓度，这可能是由于蛋白质的底物l-酪氨酸在细菌代谢活动中的可用性增加。

3
通过调整肠道菌群，减少对甲酚的产生

▸减少艰难梭菌等产对甲酚的细菌

在人类肠道中存在的细菌中，梭杆菌科、肠杆菌科、梭菌科、拟杆菌科、乳杆菌科和红椿菌科，是对甲酚生产者，部分双歧杆菌科也可产生对甲酚。

其中艰难梭菌的对甲酚产量最高，可达其他细菌的10~1000倍。因此，感染艰难梭菌的患者体内可能会出现对甲酚含量升高的情况。

并且肠道中的对甲酚水平和肠道菌群失衡存在相互促进的关系。对甲酚会抑制一些革兰氏阴性肠道细菌的生长繁殖，并造成艰难梭菌等对对甲酚不敏感的革兰氏阳性肠道细菌具备生存优势，导致肠道菌群组成及多样性的改变；而艰难梭菌正是肠道中产生对甲酚最多的细菌，其相对丰度升高又会进一步造成肠道中对甲酚水平升高。

因此，减少艰难梭菌等产对甲酚的细菌，相当于对“生产机器”进行了阻断，减少了体内对甲酚的产生。

▸产乳酸细菌有助于抑制对甲酚

乳酸是另一种细菌代谢产物，已被证明可以在体外减少细菌对甲酚的产生。利用这一特点，我们推测提升产乳酸细菌的丰度有助于减少对甲酚的产生。

嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)、长双歧杆菌(Bifidobacterium longum)、婴儿双歧杆菌(Bifidobacterium infantis)和乳链球菌(Streptococcus lactis)是常见的产乳酸细菌，一些发酵乳制品及益生菌产品中常有其存在，通过提高其肠道占比可能有助于减少对甲酚的产生。

▸一些粪肠球菌菌株有助于对甲酚的解毒

还有研究发现，粪肠球菌(Enterococcus faecalis)的三个菌株(UTD-1、UTD-2和UTD-3)，能够以很高的速率降低细胞外对甲酚浓度(30μg/ml)，说明肠道分离株粪肠球菌可能是减轻对甲酚危害的潜在候选方法。

▸粪菌移植使肠道菌群正常化也降低了自闭症患者的对甲酚水平

此外，临床研究发现粪菌移植治疗可持续降低自闭症儿童肠道中过高的对甲酚水平，并且可以改善患者的肠道不适以及情绪和行为异常。

同时也进一步提示，菌群失调造成菌群代谢物紊乱继而引发肠道功能失调和菌肠脑轴失衡可能是自闭症的重要潜在病因，对甲酚等菌群代谢物具有作为 自闭症诊断和治疗靶标的潜力。

4
短期合生元治疗有助于降低对甲酚水平

一项初步研究调查了Probinul-neutro®(一种使肠道菌群正常化的合生元)是否可以降低血浆对甲酚浓度并减轻未透析慢性肾脏病(CKD)患者的胃肠道症状。

每包含有冻干细菌(5×10⁹植物乳杆菌、2×10⁹干酪乳杆菌亚种和2×10⁹加氏乳杆菌、1×10⁹婴儿双歧杆菌和1×10⁹长双歧杆菌、1×10⁹嗜酸乳杆菌、1×10⁹唾液乳杆菌和1×10⁹产孢乳杆菌和5×10⁹嗜热链球菌)、益生元菊粉(2.2克;VB Beneo Synergy 1) 和1.3克木薯淀粉。

在两组中观察到对甲酚的相反变化：在接受安慰剂治疗的患者中，观察到但不显著的增加趋势，而在合生元组中显著降低。治疗开始后15天，血浆总对甲酚浓度比基线低约40%，然后一直保持在该水平直到研究结束。

这种影响可能源于共生诱导下肠道中产生对甲酚的细菌减少。益生菌和益生元成分均可调节肠道微生物组，合生元干预可显著降低3-4期慢性肾脏病患者的血浆总对甲酚浓度。

08
总结

自闭症谱系障碍(ASD)患者的肠道菌群及体内对甲酚水平与健康人群相比呈现出显著差异，菌群多样性较低，产对甲酚细菌显著增多，并且对甲酚水平明显偏高。

对甲酚过量可能通过：①引发多巴胺蓄积和中脑边缘多巴胺奖赏环路受损；②导致线粒体功能障碍；③前额叶皮质神经炎症；④以及肠道菌群失调和肠屏障功能受损这几个方式促进自闭症的发展。

对甲酚水平过高还会导致肠道菌群失调和肠道屏障功能受损，菌群失调造成菌群代谢物紊乱继而引发肠道功能失调和肠脑轴失衡及一些代谢物通过“肠漏”进入血液可能是自闭症的重要潜在病因，对甲酚、对甲酚硫酸盐等菌群代谢物具有作为自闭症诊断和治疗靶标的潜力。

此外，对甲酚作为一种“尿毒症毒素”对肾脏和心血管的危害也不容小觑，在肾小管细胞中，对甲酚和对甲酚硫酸盐增加氧化应激，影响线粒体功能，并导致细胞死亡，加重慢性肾脏疾病进展。它还影响内皮细胞的增殖和迁移，降低内皮伤口修复的能力，增加内皮细胞的衰老，并与心肌细胞功能障碍相关。

《黄帝内经》中曾提到，“上医医未病，中医医欲病，下医医已病”。自闭症和慢性肾病一旦确诊，想要完全治愈极为困难，及时并准确地获取体内对甲酚水平和肠道菌群组成，可能是提前预测并预防自闭症和慢性肾脏疾病的一个方法。

谷禾的肠道菌群检测，能够以较为快速且精准的方式，获取人体肠道菌群的组成情况、菌群的多样性和占比以及包括对甲酚、吲哚等重要的菌群代谢物等关键信息。根据这些检测结果和数据，可以更有针对性地制定个性化的治疗方案或预防措施，做到对症下药。这不仅大大提高了治疗的效果，还能减少不必要的治疗手段和药物使用，为人们的健康提供更精准、有效的保障。

注：本账号内容仅作交流参考，不作为诊断及医疗依据。

主要参考文献

Blachier F, Andriamihaja M. Effects of the L-tyrosine-derived bacterial metabolite p-cresol on colonic and peripheral cells. Amino Acids. 2022 Mar;54(3):325-338.

Toft PB, Vanslette AM, Trošt K, Moritz T, Gillum MP, Bäckhed F, Arora T. Microbial metabolite p-cresol inhibits gut hormone expression and regulates small intestinal transit in mice. Front Endocrinol (Lausanne). 2023 Jul 18;14:1200391.

Stewart Campbell A, Needham BD, Meyer CR, Tan J, Conrad M, Preston GM, Bolognani F, Rao SG, Heussler H, Griffith R, Guastella AJ, Janes AC, Frederick B, Donabedian DH, Mazmanian SK. Safety and target engagement of an oral small-molecule sequestrant in adolescents with autism spectrum disorder: an open-label phase 1b/2a trial. (2022) Nature Medicine, Advance online publication.

Chen B, Morioka S, Nakagawa T, Hayakawa T. Resistant starch reduces colonic and urinary p-cresol in rats fed a tyrosine-supplemented diet, whereas konjac mannan does not. Biosci Biotechnol Biochem. 2016 Oct;80(10):1995-2000.

Meijers BK, Claes K, Bammens B, de Loor H, Viaene L, Verbeke K, Kuypers D, Vanrenterghem Y, Evenepoel P. p-Cresol and cardiovascular risk in mild-to-moderate kidney disease. Clin J Am Soc Nephrol. 2010 Jul;5(7):1182-9.

Salmean YA, Segal MS, Palii SP, Dahl WJ. Fiber supplementation lowers plasma p-cresol in chronic kidney disease patients. J Ren Nutr. 2015 May;25(3):316-20.

Vijayasarathy M, Kiran GK, Balaji S, Jabastin J, Bruntha Devi P, Brindha Priyadarisini V. In Vitro Detoxification Studies of p-Cresol by Intestinal Bacteria Isolated from Human Feces. Curr Microbiol. 2020 Oct;77(10):3000-3012.

Chang MC, Chang HH, Chan CP, Yeung SY, Hsien HC, Lin BR, Yeh CY, Tseng WY, Tseng SK, Jeng JH. p-Cresol affects reactive oxygen species generation, cell cycle arrest, cytotoxicity and inflammation/atherosclerosis-related modulators production in endothelial cells and mononuclear cells. PLoS One. 2014 Dec 17;9(12):e114446.

Wong X, Carrasco-Pozo C, Escobar E, Navarrete P, Blachier F, Andriamihaja M, Lan A, Tomé D, Cires MJ, Pastene E, Gotteland M. Deleterious Effect of p-Cresol on Human Colonic Epithelial Cells Prevented by Proanthocyanidin-Containing Polyphenol Extracts from Fruits and Proanthocyanidin Bacterial Metabolites. J Agric Food Chem. 2016 May 11;64(18):3574-83.

微生物共生与致病性：动态变化与识别挑战

谷禾健康

细菌耐药性

抗生素耐药性细菌感染的发生率正在上升，而新抗生素的开发由于种种原因在制药行业受重视程度下降。

最新在《柳叶刀-微生物》（The Lancet Microbe）上，科学家提出了基于细菌适应性、竞争和传播的生态原则的跨学科研究方法，可能开辟新途径来对抗抗生素耐药性感染。

许多兼性细菌病原体使用人类粘膜表面作为其主要储藏库，并在微生物组和宿主的某些病理状态下诱发传染病，以帮助其横向传播到新的宿主生物体。

有益的细菌共生体可以战胜特定的病原体，从而降低病原体传播和引起严重感染的能力。然而，尽管具有临床相关性，但对其自然栖息地中的共生-病原体相互作用的了解仍然很少。

本文将在人类微生物组和宿主生物学背景下讨论细菌病原体和共生体之间相互作用的研究最新内容，为预防和治疗传染病提供一些新视角。

01
人类微生物组完整性作为健康要求

The Gut Microbiome

对人类微生物组完整性作为健康需求的日益认可，正在极大地改变人们对细菌微生物组成员及其相互作用的评价，无论是微生物之间的互动还是与宿主的互动。这种理解的变化使得微生物生态学的原则成为了预防和治疗主要人类疾病的创新方法的核心。

从海量数据中分析推断出的微生物组特征正被考虑作为不同疾病诊断中的生物标志物，这些疾病包括各种类型的癌症，如结肠癌或乳腺癌，以及自身免疫性疾病，如类风湿性关节炎或银屑病。

粪便微生物移植在治疗艰难梭菌感染方面已被有效使用，而补充微生物组成员（例如AKK菌）或微生物组产品（例如短链脂肪酸），已显示出在改善代谢紊乱和癌症的健康结果方面的潜力。

然而，环境与人类相关的微生物生态系统之间存在根本性差异。许多环境微生物组代表了广阔、不受限制的生态系统，通常具有无限的生命周期，对微生物扩散几乎没有障碍。相比之下，与宿主相关的微生物组，如人类肠道中的微生物组，是受限的生态系统，具有较短的生命周期。

与宿主相关的微生物组需要特定的细菌机制来在个体和世代之间传播，并在其首选的生活条件之外暂时持续存在。

此外，宿主将微生物定殖者暴露于环境栖息地以外的压力源中，特别是通过其粘膜免疫系统。

02
微生物共生与致病性：动态变化与识别挑战

Microbial Symbiosis and Pathogenicity

▸ 过去，对共生体和病原体的理解不全面

从历史上看，对与宿主相关的微生物生态系统的研究，曾局限于不同研究团队分别对中性或共生的细菌共生体和有害病原体进行的独立调查。因此，对这些不同组的与宿主相关细菌的当前理解高度不对称，且存在对病原体的强烈偏见，这阻碍了对人类微生物组生态的全面理解。

虽然这些细菌组在自然栖息地中有广泛的相互作用，但关于共生菌和病原体相互作用的实验研究却很少。例如，典型的病原体可以被发现几乎是人类微生物组的驯化成员，而共生菌则可以与病原体勾结，这会像多重微生物感染中那样。

▸ 共生菌和致病菌的区分较复杂

尽管在感染医学中，共生菌和致病菌之间的传统区分仍然是一个重要标准，但在生态学上下文中，这两组微生物固有的属性重叠使得这种区分变得不够充分。

有益的共生现象和对立的致病性代表了细菌行为范围的两个极端（下图），尽管很少有细菌微生物组成员表现出真正的致病行为。多细菌物种或菌株可以根据其环境背景和宿主生理状态动态改变其作为共生体或病原体的能力，这进一步使区别变得复杂。

Maier L, et al. Lancet Microbe. 2024

例如，微生物组失调和宿主免疫缺陷，可以将肠球菌（Enterococcus faecium）从一个几乎无害的肠道微生物组成员转变为血流感染的原因。

单个水平基因转移事件可以改变共生生活方式和致病生活方式之间的平衡，例如，当预测的编码毒素成为肠出血性大肠杆菌或皮肤定植和口咽定植的白喉杆菌的主要毒力因子时。这意味着，原本可能是相对无害的微生物，在获得某些特定基因后，其生物学性质和行为可能发生显著变化，从而增加了其致病潜力。这种基因的转移和表达可以使这些微生物在宿主体内表现出更强的侵袭性和病原性，从而对宿主健康构成更大的威胁。

03
重新定义“感染”：探讨条件性细菌病原体中共生与致病性的动态变化

Redefining “Infection”

条件性细菌病原体之间的共生与致病性的动态变化，这挑战了当前对“感染”一词的使用，这种使用往往不一致。

《柳叶刀-微生物》全体作者建议仅将“感染”这个术语，保留用于由特定器官组织中出现的细菌菌株引起的病理状态。例如下列情况：

• 食源性或水源性志贺氏菌(Shigella flexneri)在结肠中引起腹泻
• 金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)在皮肤中引起脓肿
• 肺炎链球菌(Streptococcus pneumoniae)在肺中引起肺炎

因此，在这篇个人观点文章中，我们也建议将常规引起感染的细菌称为病原体，而不常引起感染的细菌称为共生菌，尽管这些术语有其局限性，并不能适当描述所有类型的微生物与宿主之间的对抗关系。

目前病原体与共生菌之间的界限模糊，也挑战了科赫的假说，该假说提出了特定微生物与相应疾病之间的单一因果关系。然而，实际上，有些疾病是由多种细菌种类的间接效应引起的，当微生物群落失衡而不仅仅是这些种类的存在，导致了一种特定的病理状态，而这种状态目前并不被视为典型的感染。

04
整合微生物学：跨学科研究推动了对细菌病原体与共生菌的全面理解

Understanding of Bacterial Pathogens and Symbiotic Bacteria

微生物组科学，尤其测序技术的快速进展以及新技术的出现，为微生物学开启了一个新阶段，这一阶段的研究将细菌病原体和共生菌整合在一起，超越了简化的研究方法。

为了探究环境变化如何影响细菌微生物组成员的动态行为变化，来自不同背景的微生物学家应当合作，并结合系统生物学、天然产物化学、粘膜免疫学和临床传染病等互补学科的专业知识。这些新方法可能有助于回答一些最相关和明显的问题：

• 为什么只有少数与宿主相关的细菌将大量遗传信息用于操纵和伤害宿主细胞？
• 这些专业病原体表达毒力因子有什么生态优势？
• 为什么一些共生菌在微生物组组成受到干扰或宿主免疫防御受损时，会变成偶发性病原体，导致疾病？
• 目前对生态原则的了解如何用于开发预防和治疗感染的有效方法，尤其是那些由抗生素耐药和难以治疗的病原体引起的感染？
• 微生物组是否可以优化，以促进促进健康的益生菌或特定地解除病原体的武装，同时允许共生菌保持无害？

05
未来受病原体研究启发的共生细菌研究

Future Research on Commensal Bacteria

由于其高度的临床相关性以及培养和操控相对容易，像S. flexneri（志贺氏菌）、S. aureus（金黄色葡萄球菌）和 S. pneumoniae（肺炎链球菌）这样的主要细菌病原体已经被研究了几十年，远超过典型的宿主相关共生菌。相比之下，主要的人类相关共生菌，例如来自属如拟杆菌属、梭菌属（Clostridium）、Cutibacterium，仅被少数实验室研究。

实际上，大多数人类微生物组成员仍然难以培养，并且在遗传上不易处理。在特定情况下可以成为偶发性病原体的一些共生菌，如医院获得性大肠杆菌、粪肠球菌（E.faecium）或表皮葡萄球菌（Staphylococcus epidermidis），已经在一定程度上被研究。但为什么这些特定的细菌比其他更无害的共生菌更频繁地引起侵袭性感染，这一点仍然不清楚（如下表）。

Maier L, et al. Lancet Microbe. 2024

06
共生细菌在人类健康中重要作用及其应用潜力

The Important Role of Symbiotic Bacteria in Human Health

越来越多的证据表明，一些共生细菌对人类健康至关重要。

▸ Blautia producta 抑制粪肠球菌

例如，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)，而Staphylococcus lugdunensis的共生菌则可以抑制并排除金黄色葡萄球菌。

▸ 枯草芽孢杆菌阻止金黄色葡萄球菌

肠道中的枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）释放一种抑制性化合物，可以阻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。

一些共生菌还能产生对宿主有直接益处的化合物，例如促进肿瘤疗法的成功。病原体的研究可以帮助理解这些有益共生菌的生物学特性，并利用它们来对抗细菌感染。

共生菌的许多重要特性在不同菌株间可能会有所不同，这取决于例如获得或丢失移动遗传元素，如编码抗性或适应性特征的基因岛。用于病原体菌株特异性分类的现有方法，如序列分型方案，也可以应用于共生菌。这些方法可以帮助提升当前的诊断策略，达到个性化感染医学的新水平，不仅监测特定有害病原体的存在，还监测如那些保护免受潜在病原体定植的特定有益共生菌的缺失。

07
细菌病原体和共生体的适应和宿主特异性

bacterial pathogens and symbiotes

▸ 共生菌的宿主特异性适应

与许多主要的细菌病原体一样，很多共生菌也特定于特定的宿主物种。这种适应过程导致宿主特异性，可能作为一种策略来增加细菌在与其他适应性较差的微生物竞争中的生存能力。这些基础机制对于病原体来说理解得很少，对于非致病性共生菌来说则基本上是不清楚的。

▸ 共生菌的粘附与持续定殖机制

特定宿主的持续定殖往往依赖于有效地粘附到上皮细胞的结合基序，如表面蛋白、蛋白多糖或糖脂。尽管在许多主要病原体中已经在一定程度上研究了相应的细菌粘附素，但现在才开始探索共生微生物中的这些机制。

▸ 共生菌与宿主免疫系统的相互作用

细菌在上皮表面的生存受到粘膜宿主防御机制的限制，这些机制包括IgA、抗菌肽和脂质以及活性氧和氮化合物的产生。先天和适应性免疫机制，通过感知与微生物相关的分子模式分子或通过粘膜白细胞检测微生物抗原来启动，有助于粘膜免疫过程，导致促炎或抗炎信号和效应分子的释放。

宿主的持续定殖依赖于细菌耐受抗菌免疫效应分子的能力或通过诱导免疫耐受来减少它们的表达。具有对抗菌宿主效应分子增强耐受性的细菌甚至可以诱导和利用抗菌宿主反应来消除更易感的竞争者。

根据宿主免疫反应，与微生物群其他成员的拮抗干扰已在表皮葡萄球菌和鼠伤寒沙门氏菌中得到记录。广泛的研究揭示了主要病原体的免疫逃避机制，但共生菌是否使用类似或不同的策略仍然未知。

▸ 共生菌免疫调节的复杂性及其潜在影响

例如，一些肠道共生菌通过产生非炎症性鞭毛蛋白来钝化先天免疫反应，这些蛋白抑制人类的Toll样受体5，或产生可以在粘膜表面诱导调节性T细胞的短链脂肪酸，以促进免疫耐受。然而，这些潜在的控制机制可能会被干扰，并可能在宿主无法启动耐受并以炎症反应的情况下导致疾病，例如当口腔共生菌异位定殖在肠道时。

doi.org/10.1016/S2666-5247(24)00049-1

总的来说，宿主相关生态系统中的细菌间的相互作用很大程度上依赖于分泌的因子，这些因子可以通过专门的分泌系统以单独的可溶性分子的形式释放出来，或者作为膜囊泡的组成部分释放出来(上图)。

因此，细菌病原体的分泌毒力因子已经被广泛研究。相比之下，共生菌分泌的初级或次级代谢产物或蛋白质介质如何调节与病原体和宿主的相互作用的研究较少。这些研究显示，例如一些共生菌可以释放杀菌素等分子，消灭金黄色葡萄球菌等病原体，或产生营养物促进艰难梭菌等病原体的扩展，由此凸显了宿主相关微生物生态系统中的一个新的复杂层面。

08
探索兼性人类病原体的适应性机制知识

Fitness mechanisms of facultative human pathogens

许多主要的人类细菌病原体不是专性病原体，而是作为常见微生物组成员定植于人类或动物体表面，但不会引起疾病（下表）。

doi.org/10.1016/S2666-5247(24)00049-1

事实上，在大多数兼性病原体的共生生活方式中，急性感染是罕见的。然而，研究主要集中在S.flexneri、金黄色葡萄球菌、肺炎链球菌等病原体的毒力机制上，而在共生行为期间引导这些生物体与其他微生物组成员竞争的适应性的机制仍然被忽视。

从微生物的角度来看，感染是否以及哪些类型确实对细菌有利，或者应该被视为偶然事件，而不利于它们在几代宿主中的长期进化成功，目前尚不清楚。

09
深入理解细菌感染的重要性日益凸显

Importance of a Deep Understanding of Bacterial Infections

现在比以往任何时候都更需要深入理解细菌感染，因为全球抗菌药物抗性和细菌感染的负担日益增加。目前对细菌感染的了解主要限于少数模型病原体，如金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌。相比之下，一些臭名昭著的抗生素抗性细菌种类，根据以下病原体种属的首字母被命名为ESKAPE病原体，包括粪肠球菌、金黄色葡萄球菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、假单胞菌和肠杆菌，这些病原体的研究细节远不够充分。

▸ ESKAPE病原体的持久抗性与适应性进化

抗生素抗性机制在某些情况下可能会给细菌带来适应性的负担，即抗性可能会影响细菌的其他生存能力，但在没有抗生素的环境中，这种抗性通常会消失。然而，一些被称为ESKAPE病原体的细菌已经进化出了一种能力，使它们能够在医疗环境之外保持这种抗性特征。补偿性突变可以帮助这些细菌克服由于抗性而带来的适应性负担，从而促进抗性菌的成功和抗性的传播。

▸ 社区相关的抗性细菌扩散

这就是为什么社区相关的甲氧西林抗性金黄色葡萄球菌（MRSA）和万古霉素抗性屎肠球菌（VRE）等细菌，能够如此有效地在社区中扩散和扩张，甚至以牺牲它们对抗生素敏感的同类为代价，这一现象仍然是科学界未解之谜。这表明这些细菌可能已经发展出了一些未知的机制来维持和增强其抗性，即使在抗生素使用减少的环境中也是如此。这种现象需要进一步的研究来解明其背后的具体机制和因素。

10
细菌传播机制与生态学成功的关系

The Relationship Between Bacterial and Ecological Success

生态学概念在普通微生物学和环境微生物学领域很常见，但尚未广泛应用于对病原菌的理解。

细菌在与其他微生物组成员的竞争中的成功依赖于多种机制，包括利用生长限制性营养物质的能力，从其他细菌那里获取促进生长的共同物质如聚合物水解酶或微量金属捕获剂，抵抗由微生物群体成员释放的抗菌分子，或者附着在少数上皮细胞附着点上。

一个细菌种类或菌株的长期生态成功来自于该种类在特定宿主体内的增殖和向新宿主体传播的综合效应。为了研究一个种类在特定宿主体内的增殖，应采用一系列研究策略，从共生菌的研究到对主要专业和偶发病原体的调查。

细菌有两种主要的传播方式：垂直传播和横向传播。

• 垂直传播就像是遗传，细菌通过父母把自己的基因传给后代。这种方式通常发生在那些与人体和谐相处、形成共生关系的细菌身上。
• 横向传播则像是感冒在人与人之间传播，细菌通过接触等方式在不同个体间传播。这在致病细菌中比较常见。

每个人体内都有大量细菌，它们组成了独特的微生物组。这些细菌有的倾向于垂直传播，有的倾向于横向传播，不同细菌的传播方式和速度是不一样的。

2022年的一项研究就发现，微生物组中的细菌在这两种传播方式的偏好上有所不同。我们已经对一些常见的致病细菌的横向传播有了较多了解，比如幽门螺杆菌、肺炎链球菌、金黄色葡萄球菌等。它们能在人群中快速传播，传播过程也被很好地监测和记录。但目前对这些细菌是如何在人体外存活，又是如何进入新的人体的，还不太清楚。

11
病原体流行扩散与感染特性的关联

The association between the epidemic spread of pathogens

主要病原体的流行扩散很可能与它们引起的感染类型和严重程度有关（下图）。

▸ 感染类型

疾病特性对细菌传播的贡献在引起腹泻的病原体（如志贺氏菌）中最为明显，这类病原体通过污染的污水传播而获益。

其他常见的感染表现可能也具有类似的作用。例如，金黄色葡萄球菌引起的典型感染——化脓性皮肤和伤口感染，会导致大量的S.aureus细胞在体表出现，从而支持通过皮肤接触的宿主间传播。

类似的机制也可以使尿生殖道病原体，如淋病奈瑟菌Neisseria gonorrhoeae在宿主间迅速传播。引起呼吸道感染的病原体，如百日咳博德特氏菌Bordetella pertussis、化脓性链球菌Streptococcus pyogenes或肺炎链球菌S pneumoniae则通过咳嗽或打喷嚏的个体释放的气溶胶传播。

▸ 严重程度

关于疾病的严重程度如何通过支持传播来增强病原体的适应性已有讨论，例如在SARS-CoV-2的背景下，但尚未对细菌病原体进行系统性评估。值得注意的是，大多数专业化的细菌病原体并非人类微生物组的核心成员，它们只是暂时性地定植在人类体内（见表1），这就需要它们具备有效的横向传播机制。

专业人类病原体（如志贺氏菌和淋病奈瑟菌N.gonorrhoeae）的持续定植在人群中较为罕见，或仅在人群的一小部分（如金黄色葡萄球菌）或特定年龄组（如化脓性链球菌或肺炎链球菌）中发现，这表明维持广泛的致病力涉及与其他微生物组成员竞争时的重大适应性负担。

诸如粪肠球菌（E.faecium）和表皮葡萄球菌（ S.epidermidis ）等偶然病原体表达的因子有助于其免疫逃避能力，但几乎不表达任何侵袭性毒素，这可能导致这些病原体在人类微生物组中比大多数专业病原体具有更高的患病率和持久性。

由于偶发性病原体主要在免疫力低下的个体中引起感染，它们也常被称为机会性病原体。然而，这一术语也经常用于诸如金黄色葡萄球菌和肺炎链球菌等专业病原体，这些病原体在免疫力低下的个体中引起的感染类型不同且更为严重（通常是血流感染），而在免疫力正常的个体中则不然。因此，专业病原体有时也可能引起偶发性感染，这种感染并不促进病原体的传播。偶发性人类感染也可以由适应于非人类宿主的病原体如军团菌（Legionella pneumophila）或霍乱弧菌引起，这些病原体只在特定的环境条件下感染人类。

12
综合理解细菌共生体和病原体的适应性可以帮助预防感染

The association between the epidemic spread of pathogens

在自然环境中同时研究共生菌和病原体，可以帮助我们更好地控制微生物，对抗感染以及其他与微生物组相关的疾病。

共生细菌对传染病的影响远比先前假设的要复杂得多。一些共生菌种采用主动防御策略，如释放抗菌肽或通过依赖接触的V型、VI型或VII型分泌系统消除其他细菌，这些系统在针对特定目标物种的特异性上可能有很大差异。此外，共生菌还可以使用更微妙的抑制策略来增加其在抗击病原体定植方面的生态成功，这基于代谢干扰。

共生细菌群落可以以依赖于群落多样性及其与病原体的代谢重叠的协作方式，阻止诸如克雷伯肺炎菌和鼠伤寒沙门氏菌等病原体获取营养物。

病原体的排除可能是由于共生菌释放的金属载体螯合必需的微量金属，或产生抑制性代谢产物而产生的。例如，一些肠道共生菌可以将原生胆酸转化为抑制肠道病原体艰难梭菌C difficile孢子生长的次生胆酸代谢产物。

13
微生物组恢复与粪菌移植治疗的策略及挑战

Challenges in Fecal Microbiome Transplantation Treatment

粪便微生物组移植（FMT）是治疗艰难梭菌感染的一种有效策略。粪便微生物组移植成功至少部分是由于恢复了有益细菌群及其代谢产物，这些代谢产物能抑制艰难梭菌的生长。然而，粪便微生物组移植难以标准化，其对抗其他病原体的效果仍不明确。

目前，临床前和临床试验正在评估使用基于共生菌的生命治疗产品来预防处于风险中的个体被抗生素耐药病原体定植。然而，那些防止病原体定植的共生菌往往比目标病原体更易受抗生素影响，这可能会消除共生菌的有益效果，并在抗生素治疗期间加剧与菌群失调相关的疾病。

因此，研究人员需要平衡使用共生菌治疗产品的风险和好处。深入了解不同共生菌菌株对抗生素的敏感性，以及这些菌株如何与目标病原体相互作用。只有通过深入的研究和严格的监测，才能确保共生菌的治疗潜力得到充分发挥，同时避免不良后果的发生。

系统评估关键共生菌群的抗生素敏感性，并将这些知识纳入个性化的、基于微生物组的抗生素管理方案中，对于最小化广谱抗生素对微生物组的附带伤害至关重要。

除了我们通常使用的抗生素之外，许多针对人类的其他药物也可能意外地影响到人体肠道中的有益细菌。这种药物的副作用在未来的医疗实践中需要被特别注意，特别是对于那些需要同时使用多种药物治疗多种疾病的患者。此外，人体内的微生物群体本身可能是一种新型抗菌剂的重要来源。通过系统地研究和描述这些微生物产生的创新化合物，我们可能会发现新的药物，这些药物有望用于预防或消除病原体在人体内的定植。

14
抗生素治疗中的抗性问题与生态学策略的应用

Antibiotic Resistance Issues in Treatment

在现代医疗中，我们常用的广谱抗生素不仅攻击病原体（引起病症的微生物），还会影响到人体内的有益共生细菌。这种广泛的攻击会导致细菌之间的抗药性基因传递，特别是通过一些可以在不同细菌间转移的元素，如质粒和噬菌体。这种基因的传递可能导致抗生素更难以消灭病原体。

由于这种抗药性基因的传递，需要更好地监控不仅是病原体的抗药性发展，也要监控那些可能是抗药性传播者的共生菌。这样可以更有效地控制病原体的传播和抗药性的发展。

此外，通过理解这些微生物之间的生态关系，可以更好地发现病原体的弱点，从而开发出新的治疗方法。

这些方法不仅限于传统的抗生素，还包括能够利用有益共生菌或宿主防御机制的新型药物。这些新药物的开发需要在模拟真实生态环境的实验模型中进行，比如使用人类挑战模型，这种模型允许我们在受控的环境中测试病原体和治疗方法。

总之，通过更好地理解微生物之间的相互作用和生态平衡，可以开发出更有效的策略来对抗病原体，同时减少对有益共生菌的损害。这种方法有助于限制病原体的传播和疾病的爆发。

主要参考文献：

Maier L, Stein-Thoeringer C, Ley RE, Brötz-Oesterhelt H, Link H, Ziemert N, Wagner S, Peschel A. Integrating research on bacterial pathogens and commensals to fight infections-an ecological perspective. Lancet Microbe. 2024 Apr 9:S2666-5247(24)00049-1. doi: 10.1016/S2666-5247(24)00049-1. Epub ahead of print. PMID: 38608681.