谷禾健康
你敢相信吗?从粪便中提取出具有强烈粪臭味的物质,当用酒精稀释上千倍后,脱胎换骨变成了一种香味。这就是一种吲哚衍生物——3-甲基吲哚(又名粪臭素)
吲哚,是所有花香类原精的关键成分,这种物质在低剂量1-3%浓度时,具有放松的作用,协同苯基酯,能强效抗痉挛,增添感官愉悦和魅力。然而,如果简单将吲哚等同于香水,未免太少看它的功效。
在谷禾特定肠道菌群检测报告中炎症部分或毒素部分有吲哚这个指标。
<来源:谷禾肠道菌群检测数据库>
<来源:谷禾肠道菌群检测数据库>
很多人可能对与菌群和健康相关的血清素,色氨酸,脂多糖,组胺等指标比较熟悉,但是对吲哚还是比较陌生,实际上吲哚与肠道微生物群和人类健康和生活关系密切,例如,吲哚衍生物可以影响胃肠道的蠕动,可能会影响便秘或腹泻等状况;吲哚及其衍生物已被证明可以加强肠道屏障功能,有助于防止病原体和有害物质进入血液。
事实上,由吲哚衍生而来的各种化学物质,对人体神经调节和抗病原微生物,有极为积极的作用。在人体中存在着许多这样神奇的吲哚类物质。内源性吲哚及其衍生物是源自肠道微生物群的色氨酸代谢物,具有一系列生物活性。
最近的研究表明,吲哚有助于维持人体肠道的生物屏障,主要通过激活AhR和PXR受体来发挥抗炎活性,从而影响免疫系统的功能,显著改善肠道健康(炎症性肠病、出血性结肠炎、癌症结直肠癌),并进一步促进人类健康(糖尿病、中枢系统炎症和血管调节)。
作为细胞间信号分子,吲哚还控制细菌生理学的各个方面,例如产吲哚细菌的孢子形成、质粒稳定性、耐药性、生物膜形成和毒力。相比之下,许多不产生吲哚的细菌、植物和动物产生多种加氧酶,可能会干扰吲哚信号传导。
吲哚还是身体神经系统与内分泌系统正常与否的风向标。所谓的体臭,其实就是人体内吲哚含量增高的表现。吲哚在细菌生理学、生态平衡以及人体健康中发挥着重要作用。
然而,吲哚的毒性影响也不容忽视。过量的吲哚会对情绪和行为产生不利影响,硫酸吲哚酚是一种吲哚衍生物,具有肾毒性和心血管毒性。羟吲哚还可能降低神经元兴奋性。
吲哚与肠道微生物群之间的相互作用以及吲哚对人类健康的影响是一把双刃剑。本文主要讲述了内源性吲哚的生物合成、吲哚对肠道功能及微生物群的影响,为吲哚与疾病的相关性提供了科学依据。
Tennoune N,et al., Microorganisms.2022
吲哚(Indole)是一种有机化合物,是吡咯与苯并联的化合物,又称苯并吡咯。吲哚及其同系物和衍生物广泛存在于自然界,主要存在于天然花油,如茉莉花、苦橙花、水仙花、香罗兰等。
而内源性吲哚及其衍生物是来源于肠道菌群的色氨酸代谢物,具有一系列生物活性。内源性吲哚类物质包括吲哚本身以及吲哚的代谢产物,如吲哚-3-甲酸、吲哚-3-丙酸、硫酸吲哚酚等。
吲哚相关化合物的结构
Lee JH, Lee J.FEMS Microbiol Rev.2010
肠道菌群产生吲哚类物质
细菌蛋白酶和肽酶从可用的膳食中释放氨基酸,包括色氨酸。而色氨酸是吲哚的主要前体。大部分色氨酸在小肠中被吸收,约4%~6%的色氨酸在结肠中被肠道菌群分解代谢为吲哚。
色氨酸作为一种必需氨基酸,主要从富含蛋白质的食物中获取,是唯一含有吲哚的氨基酸。
肠道中的色氨酸通过三个主要途径进行代谢:1) 犬尿氨酸途径(摄入的色氨酸的95%);2)细菌色氨酸代谢(4-6%);
3) 血清素途径 (1-2%)
✦ 肠道菌群主要通过色氨酸酶将色氨酸转化为吲哚
肠道细菌主要通过色氨酸酶(TnaA)的作用将色氨酸转化为吲哚;色氨酸酶TnaA可逆地将色氨酸降解为吲哚、丙酮酸和氨。
值得注意的是,在哺乳动物中,吲哚完全来源于细菌代谢活动,因为宿主细胞不具有产生这种化合物的代谢能力。
色氨酸也可以通过肠道微生物群直接或间接转化为几种吲哚相关化合物,包括吲哚-3-丙酮酸、吲哚-3-乳酸、吲哚-3-丙酸、吲哚-3-乙酰胺、吲哚-3-丙烯酸、吲哚乙醛、吲哚-3-乙酸、3-甲基吲哚(粪臭素)等。
✦ 内源性吲哚产生的机制
大肠杆菌(E. coli)是研究最广泛的吲哚合成生物体,它可以使用多种机制(抑制、转录衰减和反馈抑制)来调节色氨酸代谢中的色氨酸操纵子(Trp operon)和tna操纵子的表达。
在色氨酸缺乏的条件下, trp操纵子的表达升高,而由TnaC(24个氨基酸前导肽,以前称为TnaL)、TnaA(色氨酸酶)和TnaB(通透酶)组成的tna操纵子的表达受到抑制,因为转录终止因子(Rho)依赖性终止发生在tna操纵子中。
结果,当色氨酸水平较低时,TnaA和TnaB的表达以及吲哚的产生受到抑制。在富含色氨酸的条件下,转录终止因子依赖性转录终止被消除,因此吲哚产量增加。
因此,细胞外色氨酸和其他氨基酸直接影响吲哚的产生。
// 拓展:渗透酶通过转运也会影响吲哚水平
此外,三种渗透酶(Mtr、TnaB和AroP)在不同环境的色氨酸转运中发挥不同的作用,因此可以直接影响吲哚的水平。
Mtr通透酶主要负责转运吲哚,而TnaB通透酶对于色氨酸的摄取至关重要。尽管色氨酸的生产成本高昂,但细胞仍然利用色氨酸途径大量生产和分泌吲哚。
由色氨酸产生的吲哚可以通过细胞膜蛋白进行转运。例如,大肠杆菌和霍乱弧菌在丰富的培养基中可以分泌高达0.6 mM的吲哚。
在大肠杆菌中,外排蛋白AcrEF部分负责吲哚的输出,因为AcrEF突变体的吲哚排泄低于其野生型菌株。Mtr通透酶主要负责输入吲哚,因为吲哚不被mtr突变体吸收。
然而,最近有人提出,吲哚由于其疏水性,可能可以直接扩散通过细胞膜。因此,有必要清楚地了解吲哚的进出口情况。
大肠杆菌中吲哚生物合成和吲哚信号传导
Lee JH, Lee J.FEMS Microbiol Rev.2010
人体粪便中吲哚的浓度较高,通常范围为0.25毫摩尔浓度~1.1毫摩尔浓度,但可能由于人群之间肠道微生物群组成的差异以及膳食蛋白质消耗水平不同而存在差异区别。
注:由于吲哚似乎是通过结肠上皮吸收的,结肠中吲哚的浓度可能高于粪便中记录的浓度,远端大肠的浓度高于近端部分的浓度。
尽管大多数生物体都含有色氨酸代谢途径,但只有能编码tnaA的细菌才能合成吲哚。表达色氨酸酶(tnaA)的细菌,例如大肠杆菌(E. coli)、梭菌属(Clostridium spp.)、拟杆菌属(Bacteroides spp.)和普通变形杆菌(Proteus Vulgaris),可催化色氨酸直接转化为吲哚。
✦ 梭状芽孢杆菌代谢产生吲哚-3-丙酸
已经证明吲哚-3-丙酸是由梭状芽孢杆菌(Clostridium sporogenes)产生的。粪臭素(3-甲基吲哚)是由梭菌属和拟杆菌属产生的。
此外,产孢梭菌(C. sporogene)可以将色氨酸转化为吲哚-3-丙酮酸(IPyA),并在吲哚-3-丙酮酸脱羧酶的催化下产生吲哚-3-乙醛(IAAld)。然后,IAAld 被厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门和放线菌门的成员脱羧,产生吲哚乙酸 (IAA)。
✦ 一些病原菌也可以产生吲哚
色氨酸代谢很复杂,许多菌株参与吲哚衍生物的制造。总的来说,数据支持迄今为止有至少85种细菌已被证明可以产生吲哚。
这些细菌包括许多病原菌,例如创伤弧菌、流感嗜血杆菌、多杀巴氏杆菌(pasteurella multocida)、四种志贺氏菌菌株、植物克雷伯菌(Klebsiella planticola)和普通变形杆菌。值得注意的是,一些革兰氏阳性菌株,包括B.alvei和粪肠球菌(E.faecalis)也产生吲哚。
✦ 一些拥有tnaA基因的细菌却无法产生吲哚
有趣的是,一些细菌,如杀鲑气单胞菌(Aeromonas salmonicida)、宋氏志贺氏菌(Shigella sonnei)、克氏耶尔森氏菌(Yersinia kristensenii)和Seudovibrio spp.,已经失去了合成吲哚的能力,尽管这些菌株的染色体上有一个tnaA基因同源物。
例如,与正常志贺氏菌菌株不同,一些在tna操纵子中具有点突变、插入或缺失的志贺氏菌不产生吲哚,这可能是由于某些适应性优势。虽然只是推测,但一些个体可能通过利用当地细菌群体的信号来避免产生吲哚的成本。
其他可以产生吲哚的细菌:
Alkaliphilus metalliredigens
Bacillus alvei
Clostridium novyi
Clostridium limosum
Clostridium tetani
Corynebacterium acnes
Desulfitobacterium hafniense
Nocardioidessp.
Oribacterium sinus
Propionibacterium acnes
Enterococcus faecalis
Symbiobacterium thermophilum
Aeromonas hydrophila
Aeromonas liquefaciens
Aeromonas punctata
Bacteroides thetaiotaomicron
Bacteroides sp.
Brachyspira hyodysenteriae
Burkholderiasp.
Chromobacterium violaceum
Chryseobacterium gleum
Citrobactersp.
Citrobacter intermedius
Citrobacter koseri
Desulfovibrio vulgaris
Edwardsiella tarda
Enterobacter liquefaciens
Escherichia coli
Escherichia fergusonii
Flavobacteria bacterium
Flavobacteriumsp.
Fusobacterium nucleatum
Fusobacterium polymorphum
Haemophilus influenzae
Haemophilus somnus
Haloarcula marismortui
Halogeometricum borinquense
Hyphomonas neptunium
Klebsiella ornithinolytica
Klebsiella planticola
Micrococcus aerogenes
Morganella morganii
Paracolobactrum coliforme
Pasturella multocida
Pasturella pneumotropica
Photobacterium harveyi
Porphyromonas asaccharolytica
Porphyromonas endodontalis
Porphyromonas gingivalis
Prevotella intermedia
Proteus inconstans
Proteus vulgaris
Providencia alcalifaciens
Providencia rettgeri
Providencia rustigianii
Providencia stuartii
Rhizobium leguminosarumbv.trifolii
Saccharomonospora viridis
Shigella boydii
Shigella dysenteriae
Shigella flexneri
Sphaerophorus varius
Stigmatella aurantiaca
Treponema denticola
Vibrio alginolyticus
Vibrio cholerae
Vibrio fluvialis
Vibrio harveyi
Vibrio hollisae
Vibrio mediterranei
Vibrio nigripulchritudo
Vibrio orientalis
Vibrio parahaemolyticus
Vibrio splendidus
Vibrio tapetis
Vibrio tubiashii
Yersinia frederiksenii
Yersinia intermedia
吲哚类物质的生成可能受到环境因素的严重影响,例如膳食成分、肠道微生物群、碳源、温度、pH值以及生理状态。
★ 肠道微生物群和饮食对吲哚生成有重要影响
吲哚类物质是肠道微生物群产生的膳食色氨酸的代谢产物。因此,肠道微生物组成以及饮食模式的变化会影响其产生。
研究发现吲哚-3-丙酸(IPA)与肠道微生物群的α多样性呈正相关,肠道微生物组的组成可以解释大约20%的IPA循环水平的变化。
高纤维和富含多酚的饮食可以提高吲哚含量
多项研究发现,吲哚-3-丙酸的循环水平与纤维摄入量相关,这可能是通过肠道微生物群的变化来解释的。
此外,富含多酚的饮食会导致肾功能正常受试者的血清IPA显著增加,但肾功能受损的受试者不会显著增加。与此相一致的是,饲喂菊粉60天的猪的盲肠和结肠中微生物组组成的β多样性显著增加,同时IPA含量也显著增加。
地中海饮食会导致吲哚-3-丙酸水平升高
不同的饮食结构也会改变吲哚的水平。例如,地中海饮食仅治疗4天后就导致吲哚-3-丙酸水平升高,而快餐(即薯条和汉堡)则引起相反的结果。
此外,正常饮食喂养的同窝小鼠的血浆IPA水平显著高于生酮饮食喂养的小鼠。一项针对117名超重成年人的研究发现,摄入炸肉会降低肠道微生物群落的丰富度,并导致IPA浓度下降。
发酵食品可能会降低吲哚含量
通过对14名健康男性进行随机交叉研究设计,探讨了发酵乳制品对人类血清代谢组的影响。与牛奶组相比,酸奶摄入组餐后血中吲哚-3-丙酸和吲哚乙酸浓度较低。
同样,C反应蛋白水平轻度升高的健康超重男性在接受抗炎膳食混合物后,饮用500mL餐后奶昔(由300mL蛋奶冻、150mL奶油干酪和50mL鲜奶油组成)。受试者在后期表现出吲哚-3-丙酸血浆浓度降低。
总之,我们推测不同的饮食结构会改变肠道微生物的组成,从而导致吲哚类物质产生的个体差异。
• 细胞群体密度影响吲哚分泌
细胞外吲哚浓度取决于细胞群体密度,其中大肠杆菌和霍乱弧菌在指数早期开始产生吲哚。浓度在固定相中达到最高水平(在富集培养基中高达0.6mM吲哚),并在固定相期间稳定维持。
• 碳源影响吲哚产量
其次,有报道称葡萄糖抑制吲哚生物合成。TnaA的分解代谢抑制得到证实,因为tnaA基因的转录在碳限制期间受到抑制。
此外,tnaAB操纵子被大肠杆菌中的分解代谢调节蛋白环AMP复合物激活。因此,当大肠杆菌数量较多且碳源减少时,会产生相对大量的吲哚。
• 温度和pH影响吲哚生物合成
温度和pH也是影响大肠杆菌吲哚生物合成的重要环境因素。温度从30°C转变到43°C会诱导大肠杆菌中tnaAB基因的表达,但大肠杆菌在44.5°C时失去吲哚生物合成的能力。
注:与37°C相比,吲哚信号传导在较低温度(30°C)下对大肠杆菌基因表达、生物膜形成和抗生素耐药性的控制作用更为显著。
此外,低pH值会抑制大肠杆菌中吲哚的产生,而TnaA是pH9.0时最容易诱导的蛋白质之一。
• 生理状态影响吲哚生成
例如年龄、性别以及个体的生理状态都可能影响内源性吲哚的产生。睡眠模式、压力水平和运动习惯等生活方式因素都可能对内源性吲哚的产生产生影响。
此外,特定的健康状况和疾病,如肠道炎症、肝脏疾病等,可能会改变内源性吲哚的生成或代谢。
• 药物的使用也会影响吲哚生成
一些药物可能影响吲哚类物质的生成。例如,一些抗生素和非甾体抗炎药物被发现可以改变肠道微生物群的组成和功能,从而影响吲哚类物质的生成。
此外,一些药物可能直接干扰色氨酸代谢途径,从而影响吲哚类物质的生成。
小结
因此,细胞群密度、碳源、温度和pH等环境条件直接会影响吲哚的浓度;而饮食、药物的使用以及生活方式可能通过影响肠道微生物群或其他器官间接影响吲哚的生成。
肠道屏障的功能与肠道健康密切相关,在健康中发挥着至关重要的作用。肠道屏障将宿主与肠腔中的微生物隔离,并限制微生物和分子从肠腔的运动。
一旦肠道屏障受损,肠道通透性增加,细菌及其产物(如内毒素)将跨膜并激活单核巨噬细胞系统,促进大量炎症因子的产生,如白细胞介素6和肿瘤坏死因子-α(TNF-α),导致慢性微炎症状态。
吲哚对于控制肠道屏障功效至关重要,包括调节炎症和免疫反应、影响上皮通透性、粘液产生和紧密连接(TJ)形成。
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✦ 吲哚减轻非甾体抗炎药引起的肠道炎症
研究了使用吲哚作为非甾体抗炎药肠病的治疗方法。吲哚降低粪便钙卫蛋白浓度以及吲哚美辛诱导的脾和肠系膜淋巴结中中性粒细胞的浸润。
吲哚与吲哚美辛联合使用可减少非甾体抗炎诱导的粘膜转录组变化。粪便钙卫蛋白是肠道炎症的中性粒细胞特异性生物标志物。而中性粒细胞被认为是非甾体抗炎肠病发病的关键因素,可通过释放多种炎症介质引起炎症和组织损伤。
这就说明吲哚能够减轻吲哚美辛引起的小鼠肠道炎症,对非甾体抗炎药肠病具有潜在的免疫调节作用。
此外还发现吲哚减少促炎细胞因子IL-8的产生和趋化因子TNF-α激活的核因子κB(NF-κB)的表达,并诱导抗炎细胞因子IL-10的分泌。
研究表明,共生菌可以限制鼠伤寒沙门氏菌诱导的NF-κB激活,减轻小鼠炎症。因此,吲哚可能是益生菌减少肠道炎症的信号。
✦ 细菌产生的吲哚衍生物增强免疫屏障
吲哚乙酸
卵形拟杆菌(Bacteroides ovatus)产生的吲哚乙酸(IAA)增加了CD103+ /CD11c+免疫群体的丰度,而 CD103+ /CD11c+免疫细胞对于维持肠道免疫稳态和诱导耐受性免疫反应至关重要。
此外,吲哚乙酸与树突状细胞上的芳基氢受体结合并驱动IL-22的产生。在炎症性肠病个体中,IL-22 刺激上皮再生并减少炎症,并且在肠道炎症的调节中发挥关键作用。
注:除卵形拟杆菌外,其他拟杆菌产生的吲哚也可以激活免疫细胞上的AhR,从而产生IL-22。
在脂多糖存在的情况下,肠上皮细胞中表达的Reg4通过增加乳酸菌及其代谢物吲哚乙酸的比例来维持免疫稳态,从而促进肠组织中IL-35 +B调节细胞的产生和积累。这些结果表明吲哚乙酸可以调节IL-35 的产生,并影响肠道免疫屏障。
吲哚-3-乳酸
罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)产生吲哚-3-乳酸(ILA),ILA是Trp的吲哚衍生物,可激活CD4+ T细胞中的AhR并下调转录因子ThpoK,使CD4 + T细胞分化为具有免疫调节功能的CD4+ CD8αα +双阳性上皮内T淋巴细胞(DPIELs)。通过这些机制,吲哚-3-乳酸可以促进肠道屏障功能并减少炎症。
生活在母乳喂养婴儿胃肠道中的婴儿长双歧杆菌亚种也可产生吲哚-3-乳酸,从而显著减弱TNF-α和脂多糖诱导的肠上皮细胞中促炎细胞因子IL-8的增加。吲哚-3-乳酸还增加AhR靶基因CYP1A1和NRF2靶向基因谷胱甘肽还原酶2、超氧化物歧化酶2和NAD(P) H脱氢酶的 mRNA 表达,这可能是母乳喂养婴儿肠道炎症的重要调节剂。
此外,另一项研究表明,婴儿双歧杆菌分泌的吲哚-3-乳酸对未成熟肠道具有抗炎作用。这些数据为生产吲哚-3-乳酸益生菌的生产和饮食建议提供了重要的见解。
吲哚-3-丙酸
吲哚-3-丙酸(IPA)下调肠上皮细胞介导的炎症细胞因子TNF-α,同时上调配体蛋白编码mRNA,从而调节肠道屏障功能,缓解肠道炎症。
吲哚-3-丙酸还通过激活AhR显著诱导肠上皮细胞上的IL-10受体配体结合亚基(IL-10R1)来调节肠道免疫稳态。
IL-10R1是抗炎细胞因子IL-10的受体,IL-10通过IL-10R1发送抗炎信号,抑制多种细胞(包括肠上皮细胞)过度释放促炎介质。这进一步说明了吲哚-3-丙酸对肠道免疫屏障的保护作用。
吲哚-3-醛
乳杆菌(Lactobacillus)产生的吲哚-3-醛(IAld)有助于AhR依赖性IL22转录,IL-22产生者抑制炎症并保护粘膜表面的免疫生理学。吲哚-3-醛可以替代益生菌,在感染或化学损伤期间保护和维持粘膜完整性。
吲哚-3-醛可用作菌群处理和肠道菌群失调期间的支持疗法。乳酸菌还通过IAld诱导的AhR刺激LPL分泌IL-22,从而激活pSTAT3通路并抑制IL-1β和TNF-α分泌,以保护粘膜免疫屏障.
吲哚对肠道免疫的影响
Ye X,et al.Front Immunol.2022
服用非甾体抗炎药时,肠道微生物组以革兰氏阴性菌为主,这种转变会导致肠道损伤。吲哚和吲哚美辛的共同给药可以维持甚至增加厚壁菌门的重要成员,特别是对肠道稳态至关重要的C. cluster XIVa和C. cluster IV。似乎它可以防止拟杆菌的任何增加,这种变化可以减少肠粘膜损伤。
吲哚可通过增殖MUC基因的表达来增加HCT-8细胞对去甲肾上腺素介导的肠出血性大肠杆菌(EHEC)沉降的抵抗力。
吲哚-3-醛(IAld)激活AhR以产生IL-22,IL-22调节粘膜反应,使混合微生物群落存活并抑制白色念珠菌(Candida albicans)定植
✦ 减轻克雷伯菌属的细胞毒性
吲哚调节多种肠道细菌的毒力因子。吲哚增强替利霉素向替利伐林的转化。两者均由克雷伯菌属(Klebsiella spp.)产生,不同之处在于替利伐林是一种细胞毒性降低的吲哚类似物,并且替利伐林与上调孕酮X受体(PXR)反应性解毒基因结合并抑制微管蛋白定向毒性。因此,吲哚以多种方式减轻克雷伯菌属的细胞毒性。
✦ 调节霍乱弧菌和大肠杆菌的毒力基因表达
肠道益生菌代谢产生的吲哚在肠腔内浓度较高,减少了肠道大肠杆菌和啮齿类柠檬酸杆菌(Citrobacter rodentium)致病基因的表达。
吲哚还用作ToxR激动剂,调节肠道内霍乱弧菌(Vibrio cholerae)的毒力基因表达和生物膜产生。吲哚、吲哚甲酸和吲哚乙酸还可下调致病性大肠杆菌菌株的毒力和志贺氏毒素的产生。
此外,吲哚和7-羟基吲哚显著改变铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)的毒力基因表达,从而降低毒力因子并降低集群运动性。
铜绿假单胞菌用7-羟基吲哚治疗后,胃肠道中有更好的清除率。因此,吲哚可能有助于作为针对肠出血性大肠杆菌等病原体的治疗剂。
✦ 增强肠道机械屏障
吲哚通过诱导许多涉及内皮细胞的基因的表达,包括紧密连接、粘附分子连接(AJ)、肌动蛋白细胞骨架和黏蛋白形成,在体外增强内皮细胞的屏障功能。
将人肠上皮细胞系HCT-8暴露于吲哚以测量其基因表达的变化。结果显示,高剂量的吲哚增强了肠上皮细胞HCT-8中与黏蛋白产生、粘膜屏障增强和上皮间抵抗相关的分子谱。因此,吲哚加强了机械屏障。
✦ 增强肠道粘液屏障
吲哚-3-丙酸通过增加MUC2和MUC4以及杯状细胞分泌产物(TFF3和RELMβ)来增强粘液屏障功能。
吲哚-3-丙酸还促进IL-10释放,IL-10的信号转导增强粘液屏障功能并维持上皮细胞的稳态。
细菌中的吲哚-3-丙烯酸(IA)可增强IL-10的产生和MUC基因的表达,而IL-10对于维持杯状细胞中MUC的产生至关重要。因此,吲哚-3-丙烯酸通过 IL-10间接影响粘液屏障。
吲哚通过AhR或PXR调节肠道屏障
Ye X,et al.Front Immunol.2022
研究发现吲哚在细菌中发挥多种生物学作用,包括孢子形成、耐药性、毒力因子、质粒稳定性和生物膜形成等。
吲哚可以作为细菌间的信号分子
事实上,吲哚可以作为一种细菌信号,参与同一物种内以及不同物种之间的通讯。它在细菌生态系统中充当细胞间和细胞内信号。
注:吲哚还诱导了S. aurantiaca的孢子形成。
通过遗传筛选,在大肠杆菌中研究了吲哚作为细胞外信号分子的可能。结果,四个基因(astD、cysK、gabT和tnaB)被证明在稳定期通过自身产生的细胞外信号的积累而被激活。
在后续研究中,吲哚被证实是astD、gabT和tnaB激活所需的细胞外信号分子。
吲哚作为细胞间信号分子存在哪些争议?
吲哚是否是细胞间信号分子一直存在争议。已经提出了对群体感应信号分子要求的许多标准,如下所示:
1.假定的信号必须在特定阶段产生,吲哚主要在固定相中产生。
2.假定的信号必须在细胞外积累并被特定受体识别。吲哚的化学性质是众所周知的,并且在大多数吲哚调节情况下,化学互补被证明,其中吲哚在稳定期积累并且是已知的细胞外信号。该受体由AcrEF输出并由Mtr输入。
3.假定的信号必须累积并产生一致的响应,吲哚已被证明可以控制孢子和生物膜的形成。
4.重要的是,假定的信号必须引起超出信号代谢或解毒所需的生理变化的反应。吲哚已被证明可以控制毒力、生物膜和质粒稳定性,这些与吲哚无关代谢。
因此,根据这些标准,吲哚有可能成为群体感应分子。
由于上述四个标准仅适合规范的群体感应信号,例如AHL,Monds&O’Toole又添加了两个更普遍适用且具有实用价值的标准:
1.表型变化所需的生理相关信号浓度对细胞无毒。大肠杆菌和霍乱弧菌产生高达0.6mM的吲哚,对细胞无毒,并在该生理浓度下控制许多表型。
2.信号网络在社区层面是自适应的。尽管由于进化实验的困难而难以证明,但我们假设细胞间信号吲哚可能对微生物群落有益,尽管吲哚的生产对个体来说成本高昂。
例如,吲哚在产生吲哚的细菌大肠杆菌和霍乱弧菌中增加了质粒稳定性、耐药性。相反,在不产生吲哚的细菌中,吲哚通过干扰群体感应系统,降低了真菌的细胞生长和铜绿假单胞菌的毒力。因此,我们推测产生吲哚的细菌可能利用吲哚来对抗其他细菌和真核生物。
吲哚和tnaA基因也影响病原菌的毒力。色氨酸酶活性与致病性大肠杆菌有关,因为色氨酸酶活性是LEE1启动子完全激活所必需的。
吲哚会增加肠出血性大肠杆菌中毒力相关的EspA和EspB蛋白(LEE4基因产物)的分泌以及附着和消除病变的形成。
在霍乱弧菌中,吲哚和tnaA基因可能通过诱导毒力相关的分泌蛋白来增加对盘基网柄菌(Dictyostelium discoideum)的抗性。
此外,在流感嗜血杆菌分离株中,大多数血清型 (94-100%)呈吲哚阳性,而无害分离株中只有70-75%呈吲哚阳性。结果表明,吲哚的产生是必要的,但不足以对该菌株产生毒力。
值得注意的是,吲哚通过抑制毒素的产生来减轻克雷伯菌属(Klebsiella spp)的细胞毒性,还通过降低细胞运动性和聚集性来减少李斯特菌(L. monocytogenes)的相关毒力。
吲哚还通过改变基因表达来减少铜绿假单胞菌(不产生吲哚的细菌)中毒力因子的产生。
吲哚降低毒力基因的表达
Kumar A,et al.mBio.2019
研究表明,吲哚通过在大肠杆菌中诱导输出基因(mdtEF和acrD)来增加耐药性,其中吲哚通过双组分信号转导系统(BaeSR和CpxAR)发挥作用。
这些双组分信号系统可以用作吲哚传感器。该结果证实了另一项研究,其中吲哚通过BaeSR和CpxAR诱导spy(球形体蛋白Y)基因的表达。
此外,有人认为GadX(AraC型转录因子)、Hfq(sRNA功能的全局调节因子)和RpoS(应激和固定相西格玛S)对吲哚诱导的mdtEF表达是必需的。因此,吲哚可能与多种调节因子相互作用。
增强大肠杆菌的质粒稳定性
吲哚增强大肠杆菌中的质粒稳定性。研究表明,来自大肠杆菌质粒ColE1的小非编码RNA与TnaA结合,有助于防止质粒丢失,而吲哚则延迟细胞分裂。
大肠杆菌中的吲哚还通过抑制gadABCEX、hdeABD和ymgB等耐酸基因来降低耐酸性。大肠杆菌可能会在弱碱性肠道菌群中存在吲哚的情况下关闭耐酸性基因,因为在通过酸性胃存活后不再需要耐酸性蛋白。
降低了运动性
此外,吲哚是一种化学排斥剂,会降低运动性,可能是由于细胞分裂干扰,而肾上腺素和去甲肾上腺素是一种化学引诱剂,会增加大肠杆菌O157: H7的运动性。
此外,吲哚降低细胞对上皮细胞的粘附,而肾上腺素和去甲肾上腺素增加细胞粘附。由于细菌粘附和定植到上皮细胞对于感染很重要,因此假设这也会对细菌毒力产生不同的影响。
吲哚对其他微生物的影响如下所示:
Lee JH, Lee J.FEMS Microbiol Rev.2010
吲哚类物质被肠上皮细胞吸收并扩散到血液中,从而循环到全身并影响各个系统,例如肠道及相关疾病的调节。
谷禾在这里总结了它们对炎症性肠病、出血性结肠炎、结直肠癌、糖尿病、中枢神经系统炎症和血管调节的影响。
Ye X,et al.Front Immunol.2022
炎症性肠病是克罗恩病、溃疡性结肠炎等一组疾病的总称,是临床上重要的慢性胃肠道炎症性疾病。大量研究表明,吲哚对缓解炎症性肠病症状有一定的作用。
✦ 吲哚类物质增加了抗炎细胞因子
炎症性肠病与粘液层有关,炎症性肠病患者的内部粘液层较薄,MUC2糖基化较低。结果表明,吲哚-3-丙烯酸甲酯(IA)处理小鼠结肠球体可显著增加AhR激活和MUC2基因表达。
即使在脂多糖刺激的共培养物存在下,IA仍能保持其对MUC2基因表达的影响并增加IL-10的产生。杯状细胞产生MUC依赖于IL-10。因此,细菌产生的 IA 有可能增加IL-10的产生和MUC基因的表达,这可能对炎症性肠病患者有利。
吲哚对于肠出血性大肠杆菌的发病机制至关重要。出血性结肠炎是一种出血性腹泻,可导致溶血性尿毒症综合征,由人类病原体大肠杆菌O157:H7引起。
✦ 吲哚减少了肠出血性大肠杆菌的定值
根据表面相关EHEC的DNA微阵列研究,吲哚降低了EHEC中与表面定植和致病性有关的基因表达。
吲哚可以被加氧酶氧化,产生新的种间生物膜信号,从而以多种方式影响相同的表型(生物膜产生)。大肠杆菌K-12和肠道内其他共生菌产生的吲哚可能会限制大肠杆菌K-12生物膜的产生,并通过改变SdiA的表达来降低非致病性大肠杆菌的运动性,从而影响EHEC趋化性和粘附力。粘附测定证实,吲哚可在体外减少EHEC与上皮细胞的附着。
总之,吲哚通过改变肠出血性大肠杆菌毒性基因的表达、减少其运动性和生物膜形成以及减少粘附来减轻肠出血性大肠杆菌感染并改善出血性结肠炎。
根据越来越多的数据,肠道吲哚,特别是色氨酸代谢物,似乎在结直肠癌中发挥着重要作用。吲哚刺激AhR,它可以直接作用于肠道干细胞,维持MUC合成并改善肠道屏障功能。
然而,在炎症相关结直肠癌发生模型中,阻断吲哚-AhR信号通路会显著增加TNF-α、IL-1β和IL-6 mRNA水平。
此外,吲哚衍生物色胺会抑制吲哚胺2,3-双加氧酶(IDO1),该酶参与肿瘤免疫耐受。这些发现表明肠道菌群产生的吲哚可能会减缓结直肠癌的进展。
与健康个体相比,结直肠癌患者的吲哚/色氨酸比率较低,犬尿氨酸(kyn)/色氨酸比率较高。在结直肠癌患者中,犬尿氨酸和IDO1的表达增加,吲哚的产生减少。
吲哚产生的下降削弱了对结肠癌的抑制作用。总体而言,有证据表明微生物色氨酸-吲哚代谢途径的改变在结直肠癌的发病机制中发挥着重要作用。
较高的吲哚-3-丙酸血清浓度可降低患2型糖尿病的可能性,并增强胰岛素分泌和敏感性。
研究发现,与喂食对照饮食的大鼠相比,喂食吲哚-3-丙酸饮食的大鼠的空腹血糖水平显著降低。根据其他研究,吲哚可以调节小鼠结肠成纤维细胞释放胰高血糖素样肽-1(GLP-1)。
✦ 吲哚调节胰高血糖素样肽-1的释放
吲哚在短时间内增加GLP-1的释放,在较长时间内减少其分泌。这些作用结果的产生是因为吲哚可以影响L细胞的两个关键化学途径。
在某种程度上,吲哚可以抑制电压门控K+通道,增加L细胞诱导的动作电位持续时间,并导致Ca2+进入大量增加,从而快速促进GLP-1的分泌。吲哚抑制了NADH脱氢酶,随着时间的推移减缓ATP的生成并降低GLP-1的释放。
Chimerel C,et al.Cell Rep.2014
肠道内的吲哚可能还会影响食欲,同时,吲哚-3-丙酸具有强大的抵抗氧化应激的能力,这表明这种代谢物可以保护β细胞免受代谢和氧化应激相关的损伤以及淀粉样蛋白积累。因此,肠道微生物群代谢产生的吲哚-3-丙酸对2型糖尿病具有保护作用。
体外实验发现,吲哚丙酸也是嗜肺军团菌(Legionella pneumophila)生长的强效抑制剂,且抑菌效果随着吲哚丙酸浓度和暴露时间的增加而增强。因此,吲哚丙酸可以抑制细菌引起的肺部炎症。
HIV阳性患者通常更容易感染结核病,这是死亡率增加的重要因素,两种疾病的共同感染可能会因抗逆转录病毒药物和抗结核药物之间的相互作用而使治疗复杂化。
值得注意的是,吲哚丙酸可能是此类治疗中潜在的药物成分。有研究发现,接受抗逆转录病毒治疗的HIV患者体内吲哚丙酸含量显著下降,这是区分HIV感染者与健康人的重要标志物。
这种作用的机制尚不清楚,但部分原因是肠道屏障受损导致脂多糖和脂多糖结合蛋白易位,从而加剧全身炎症反应。此外,接受抗逆转录病毒治疗的HIV患者也容易出现非酒精性脂肪性肝病/非酒精性脂肪性肝炎,进一步说明了吲哚丙酸在各种疾病中的多种治疗潜力。
相比之下,吲哚丙酸是一种小分子代谢产物,具有良好的药代动力学特性,很容易被宿主吸收,充分发挥治疗作用。
未来,吲哚丙酸有望通过其作为抗结核病和抗逆转录病毒药物的补充的潜力来改善某些疾病的现有治疗选择。
吲哚丙酸可以触发孕烷X受体(PXR),一种生物量激活的核受体,存在于包括血管内皮在内的各种组织中,以调节内皮功能。
吲哚丙酸通过PXR调节主动脉和肺动脉导管中激动剂诱导的内皮依赖性松弛。这种调节主要是由于内皮一氧化氮合酶产生的一氧化氮的改变,而内皮一氧化氮合酶受到吲哚丙酸介导的PXR激活的抑制。
然而,破坏肠道微生物群并降低吲哚丙酸丰度的抗生素治疗会通过改变内皮PXR途径来改变吲哚丙酸的血管舒张作用。
而微生物代谢的吲哚丙酸补充可以提高全身吲哚丙酸水平并刺激PXR表达,从而逆转抗生素治疗引起的主动脉和肺动脉中激动剂诱导的内皮依赖性血管舒张的增强。
注:吲哚与血管的相互作用可能会显著改变传统传染病或结肠手术相关的抗生素治疗,导致微生物群落紊乱。
尽管吲哚对于改善肠道甚至全身疾病至关重要,但它们中的一些仍然会产生负面影响,例如硫酸吲哚酚(IS)、吲哚基-β-d-葡萄糖苷和吲哚乙酸。
硫酸吲哚酚是最重要的肾毒性代谢产物之一,其肾毒性已在临床研究中得到广泛证实。此外,一些吲哚类物质还会对胃肠系统、神经系统和心血管系统产生毒性。
越来越多的证据表明吲哚和吲哚化合物对大脑代谢、生理和宿主行为有影响。在拥有产生吲哚的大肠杆菌的大鼠中,吲哚的慢性过量产生已被证明会增强焦虑样行为和抑郁。
另一项研究还发现,给予常规大鼠肠道内吲哚可以激活一个称为迷走神经背侧复合体的大脑核。通过比较与非吲哚产生大肠杆菌菌株或吲哚产生大肠菌菌株单体相关的小鼠,发现肠道微生物群的长期高吲哚产生增加了慢性压力对整体情绪行为不利影响的敏感性。
✦ 可能影响儿童自闭症的发病率
在人类中,一项研究发现,患有自闭症谱系障碍的儿童在大便样本中吲哚水平较健康儿童低,而3-甲基吲哚水平升高。 这两种吲哚与患者中更常见的梭菌属细菌有关。
肠道微生物代谢活性产生的血浆吲哚升高与肝性脑病有关,这是由肝功能障碍引起的神经精神障碍,以及个体意识、行为和个性的变化。
此外,NutriNet-Santé观察性前瞻性研究的结果表明,尿液中吲哚和吲哚化合物浓度与反复发作的抑郁症状呈正相关。这种相关性提出了这样一个假设:肠道微生物过度产生这些化合物可能在人类情绪障碍的出现中起到作用。
硫酸吲哚酚由肠道菌群和宿主共同代谢。肠道菌群用酶分解食物中的色氨酸生成吲哚,然后由门静脉携带至肝脏,在细胞色素P450酶和磺基转移酶的作用下转化为硫酸吲哚酚。
硫酸吲哚酚通过上调IRF1表达、抑制动力相关蛋白1表达并干扰线粒体自噬通量来诱导肠上皮细胞(IEC)损伤。硫酸吲哚酚通过以浓度依赖的方式增加活性氧的释放,在IEC-6细胞中引起氧化应激。
硫酸吲哚酚还抑制NRF2激活,降低抗氧化防御细胞系统并抑制血红素加氧酶-1、NAD(P)H 脱氢酶和超氧化物歧化酶的表达。
在IEC-6细胞中,硫酸吲哚酚处理可显著增加TNF-α的释放、环氧合酶-2和诱导型一氧化氮合酶的产生以及硝基酪氨酸的合成,表明肠上皮细胞是硫酸吲哚酚诱导的肠道炎症的靶点。
与硫酸吲哚酚一起培养的结肠显示出收缩性降低,这表明该毒素可能对结肠平滑肌细胞产生有害影响并导致肠道蠕动受损。
微生物群代谢物硫酸吲哚酚在中枢神经系统疾病的发生中也具有致病作用。众所周知,慢性肾病和心血管疾病常常是由硫酸吲哚酚引起的。此外,肾功能不全会导致尿毒症毒素在大脑中积聚,导致中枢神经系统功能异常。
✦ 损伤神经元和神经干细胞
其次,硫酸吲哚酚可损伤神经元和神经干细胞,损害神经营养因子和神经递质,诱发氧化应激和神经炎症。例如,通过作用于中枢神经系统胶质细胞,硫酸吲哚酚促进神经炎症并表现出促炎作用。
小鼠表现出情绪障碍和神经元退化的行为证据,如焦虑、抑郁和认知功能障碍。这些相应的器质性病变伴随着这些行为变化。这也表明硫酸吲哚酚和中枢神经系统疾病之间似乎存在病理联系。
吲哚对神经和神经精神疾病的影响
编辑
Zhou Y,et al.Neuropharmacology.2023
硫酸吲哚酚对大脑产生有益或有害的影响取决于含量:
通过比较患有抑郁症的志愿者和健康参与者,鉴定出了22种尿液代谢物,并且两组受试者之间的丰度存在差异。患有严重抑郁症的个体尿液中硫酸吲哚酚浓度低于健康人。在志愿者中,血清硫酸吲哚酚浓度与精神焦虑和相关的基于功能磁共振成像的神经特征有关。
在实验性自身免疫性脑脊髓炎的小鼠模型中,每日腹腔注射硫酸吲哚酚(10mg/kg)可调节星形胶质细胞活性,并通过芳基烃受体对中枢神经系统发挥抗炎作用。相反,当大鼠口服较高剂量(100和200mg/kg)的硫酸吲哚酚时,观察到空间记忆受损以及运动和探索活动减少。
另一项研究发现,单次腹腔注射更大剂量(800mg/kg)的硫酸吲哚酚会引起与神经元坏死相一致的大脑组织学变化。硫酸吲哚酚在15-60微摩尔范围内使用时,会诱导原代星形胶质细胞产生自由基氧,并导致海马神经元细胞死亡。在10微摩尔浓度下,硫酸吲哚酚通过氧化应激诱导人星形胶质细胞凋亡。
在慢性肾病(CKD)患者中,硫酸吲哚酚与心血管健康和全因死亡率相关。硫酸吲哚酚是血液透析患者发生心血管疾病的重要因素。在血液透析中,发现游离形式硫酸吲哚酚水平与成纤维细胞生长因子23呈正相关,与C-C基序趋化因子15、补体成分C1q受体、串珠素(Perlecan)、博来霉素水解酶、分化簇166抗原和信号淋巴细胞活化分子家族成员5呈负相关。
这些蛋白质在血管修复和内皮生长中发挥着至关重要的作用。硫酸吲哚酚还可以通过增加血小板过度活跃、提高血浆促凝血水平和产生促凝血颗粒来导致血栓形成和动脉粥样硬化。硫酸吲哚酚通过增加炎症、心脏纤维化、心肌细胞增殖来影响心脏组织。
并且强有力的证据表明,硫酸吲哚酚在肾功能不全的情况下积累时是有害的。硫酸吲哚酚会损害近端肾小管细胞并诱导炎症和纤维化发展。肾脏通过肾小管分泌实现硫酸吲哚酚的高清除率,而硫酸吲哚酚与血浆蛋白结合超过90%,受到蛋白结合的限制,并且血液透析患者的血浆水平相对较高,这也表明与肾脏疾病密切相关。
啮齿动物口服新霉素(一种广谱抗生素)会降低脑内羟吲哚含量,因此表明羟吲哚至少部分源自肠道微生物群代谢活动。
有趣的是,最近在人类粪便样本中发现了羟吲哚,从而证实肠道微生物是这种代谢物的来源。在人类粪便中存在的细菌代谢物中,羟吲哚被发现是主要的芳基烃受体激活剂之一。
大鼠海马切片的体外实验表明,羟吲哚可能与电压门控钠通道相互作用,增加产生动作电位的阈值,从而大大降低神经元的兴奋性。
大胆推测
这些结果说明羟吲哚可能与已知的神经抑制化合物具有一些共同特征,从而能够降低神经元的兴奋性
吲哚及其衍生物可以影响肠道健康甚至是全身其他器官的健康,而过高或过低的水平都可能带来不利影响,导致一些疾病的发生。
调节人体内吲哚水平的机制主要有3种:首先,它可以通过调节与吲哚产生相关的肠道微生物群的丰度来影响吲哚的水平。
先前的研究发现,特定的肠道微生物群成员在色氨酸转化为吲哚的过程中发挥着不可或缺的作用,例如产孢梭菌(Clostridium sporogenes),它已被证明可以通过氧化和还原途径产生吲哚乙酸和吲哚-3-丙酸。在大肠杆菌中也发现了吲哚活性转运蛋白,在乳杆菌中也发现了色氨酸酶的表达,并有助于将色氨酸转化为吲哚。
其次,饮食调整可以增加或减少色氨酸的摄入量,从而间接影响体内的吲哚水平。
最后,直接作用于AHR受体激动剂的药物可能会发挥与吲哚类似的作用。
益生菌可以通过多种机制与体内微生物群相互作用,对宿主健康产生有益影响。
临床试验表明,益生菌可以抵消肠道微生物失衡造成的负面影响,并可导致吲哚产生属及其衍生物的富集,如乳杆菌(Lactobacillus)。在另一项临床试验中,具有抗炎作用的双歧杆菌属在益生菌治疗后的丰度也显著增加。
益生菌还有可能成为神经和精神疾病的治疗辅助药物。在一项针对抑郁症和海马体功能变化的研究中,接受益生菌治疗的小鼠表现出肠道微生物生态失调的显著缓解,以及较低的肠道炎症介质如IL-1β、TNF-α和iNOS的表达水平。此外,情感行为也被检测到与肠道微生物群组成变化相关的显著改善。
益生元是宿主细菌可以选择性利用并提供健康益处的底物。常见的益生元包括低分子量碳水化合物、多酚和多不饱和脂肪酸。
在实验室和临床试验中,益生元(包括菊粉和低聚半乳糖)已被证明可以显著提高产生吲哚的益生菌(例如双歧杆菌和乳酸杆菌)的丰度。在对肠道微生物失衡进行一定纠正后,吲哚作为具有调节作用的配体,对炎症反应具有抑制作用。
合生元是益生菌和益生元的混合物。在大鼠实验中,合生元治疗逆转了肠道微生物特定菌群丰度的变化。
经过合生元(乳杆菌、双歧杆菌、链球菌和菊粉的组合)治疗的患有慢性肾病的大鼠中,肠道中产生吲哚的产气荚膜梭菌的丰度降低至正常水平。此外,合生元治疗可通过改变肠道微生物丰度来有效调节粪便中吲哚及其衍生物的水平。
合生元治疗由于其对吲哚水平的间接影响,可能成为许多神经系统和神经精神疾病的辅助治疗。最近一项针对阿尔茨海默病患者的临床实验表明,在使用合生元后,神经炎症有所减轻。
值得注意的是,合生元干预的改善效果优于单独的益生元或益生菌干预,这表明复合干预的组合更有可能成为临床治疗的实际应用。
粪便微生物移植(FMT)在先前的几项研究中已被证明对缓解胃肠道微生物失调具有不可否认的作用。通过FMT将产生吲哚的益生菌(乳酸杆菌、双歧杆菌等)移植到患者的肠道中,可以改善肠道微生物群。据观察,肠道中产生吲哚的微生物群的丰度增加,吲哚及其衍生物的水平受到间接影响。
吲哚是色氨酸代谢途径上的关键配体,可以调节和抑制神经和精神疾病的炎症。粪菌移植已被证明在各种疾病和临床治疗中对改善患者的肠道生态起着至关重要的作用,它可以通过吲哚在中枢神经系统疾病治疗中间接发挥作用,并被认为是一种潜在的辅助疗法。
肠道微生物通过色氨酸调节吲哚水平。色氨酸是人体必需氨基酸之一,需要完全依赖饮食摄入。
以下是一些富含色氨酸的常见食物:
蛋白质食物:肉类(牛肉、猪肉、鸡肉、火鸡)、鱼类(鳕鱼、鲑鱼、金枪鱼)、贝类(蛤蜊、扇贝)、蛋(鸡蛋、鸭蛋)、豆类(大豆、黑豆、红豆)、奶制品(牛奶、乳制品)等。
蔬菜和水果:菠菜、花椰菜、蘑菇、芝麻、松子、香蕉、菠萝、樱桃、草莓、蓝莓等。
谷物和豆类:燕麦、大麦、小麦、黑米、糙米等。
坚果和种子:核桃、杏仁、腰果、葵花子、南瓜子、亚麻籽等。
研究表明,0.4%膳食色氨酸可显著减少衰老小鼠的神经退行性病变和神经炎症。在此过程中,补充色氨酸可以通过改变肠道微生物组成并增加阿克曼氏菌等有益细菌的丰度来增强肠粘膜屏障功能。肠道菌群产生的吲哚类物质(如吲哚乙酸、吲哚-3-丙酸)显著升高,可以激活AHR,从而抑制神经炎症。
通过血清靶向代谢组学分析和16s rRNA测序对全身色氨酸代谢和肠道微生物组进行了分析,进一步证实了微生物群-肠-脑轴在调节色氨酸饮食产生吲哚的潜在作用。
虽然色氨酸饮食是一种可能的治疗策略,但过多的色氨酸摄入也被证明具有有害作用,应注意适量摄入。
此外,据报道,间歇性禁食还可能通过调节肠道微生物组成来影响血浆吲哚,从而对神经和神经精神疾病的预后产生有益影响。饮食调节可能是改善吲哚含量的一种简单但有效的方法。
最近的综合研究表明,吲哚通过作用于靶细胞来调节炎症反应和细胞生理。近年来,开发吲哚类作用靶点的药物一直是一个重要的研究热点。
吲哚及其衍生物充当AHR的配体,并通过AHR间接调节星形胶质细胞和小胶质细胞的炎症。因此,直接作用于AHR的激动剂也可以作为内源性AHR配体(如吲哚)的替代品,并参与色氨酸AHR介导的炎症抑制途径。
体外合成的AHR配体2-(1′H-吲哚-3′-羰基)-噻唑-4-羧酸甲酯在一项临床研究中被证明具有抑制自身免疫性脑脊髓炎进展的能力。对AHR具有激动作用的药物有可能取代色氨酸代谢产物,并作为外源性AHR配体激活自限制途径和修复神经和神经精神疾病。
除了靶向AHR,影响吲哚作用途径中其他靶点的药物也可能具有治疗作用,这需要在未来进行更多的研究。
由于吲哚是肠道细菌常见的代谢产物,其重要的生物学作用不容忽视。吲哚与肠道菌群的稳态和肠道健康直接相关,吲哚还可以间接影响其他系统和人体的整体健康。
吲哚对人类健康具有有益影响,通过激活免疫细胞释放抗炎因子如IL-22来调节肠道屏障并帮助维持肠道稳态,抑制包括肠出血性大肠杆菌在内的病原菌的定植,以及增加MUC表达以增强粘液屏障功能。
此外,吲哚在调节肠道微生态方面也起着关键作用。它们抑制有害菌株,并以影响基因表达的方式改变肠道致病菌的毒力,这有助于缓解出血性结肠炎等疾病。同时,吲哚及其衍生物在激活AhR和PXR介导的抗炎途径中至关重要。例如吲哚-3-丙酸通过PXR介导肠细胞TNF-α的下调,并上调编码生长抑素的mRNA,以调节炎症中的肠道通透性和肠道屏障功能。这意味着吲哚及其衍生物有前景的治疗途径。
尽管如此,吲哚也是一把双刃剑,少数衍生物也存在一定的缺点。例如,吲哚肝脏代谢产生的硫酸吲哚酚在高浓度时具有肾毒性和心血管毒性,可通过促进氧化应激、炎症等病理变化而导致多系统功能障碍。
吲哚在肠道稳态和人类健康中发挥着至关重要的作用。许多肠道细菌被鉴定为将色氨酸代谢为吲哚。尽管如此,仍可能存在未鉴定的细菌,因此未来需要使用代谢组学和宏基因组学来进一步表征未知的吲哚产生细菌及其相关代谢途径。
不同浓度的吲哚发挥着不同的生理功能。健康成年人的粪便吲哚浓度是已知的,而人类肠道和血液中许多吲哚衍生物的浓度仍然未知。缺乏在不同环境中测定吲哚及其衍生物浓度的定量方法,未来需要开发简单快速的测定方法。
未来仍需进一步研究吲哚与人类健康之间的关系。需要研究多种吲哚组合对宿主生理学的影响,并将这些发现与临床环境相结合,以开发相关疾病的新疗法。
主要参考文献
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谷禾健康
阿尔茨海默
研究表明,慢性低水平的炎症(“炎症衰老”)可能是年龄相关疾病的一个介导因素,而肠道微生物通过破坏肠道屏障可能会促进炎症。
虽然老化和阿尔茨海默病(AD)与肠道微生物群组成的改变有关,但是肠道炎症的具体作用尚不清楚。刚刚,美国威斯康星州阿尔茨海默病研究中心与威斯康星大学医学与公共卫生学院研究人员通过分析中老年人粪便中的钙卫蛋白水平(一种肠道炎症标志物,在肠道屏障完整性出现问题时会出现水平升高的情况),来探讨其与老龄化及阿尔茨海默病病理之间的关系。
研究主要结果:高龄和AD患者中钙卫蛋白水平升高,且AD痴呆患者中钙卫蛋白水平与淀粉样蛋白负荷更高相关。此外,钙卫蛋白水平还与AD患者脑脊液标志物以及即使在认知未受损的参与者中也与较低的言语记忆功能相关。
小编注释:
这项研究的具体操作细节包括钙卫蛋白水平的测量方法、淀粉样蛋白负荷的评估手段(如PET扫描或其他成像技术),以及这两者之间关联的统计显著性。
这项结果支持了肠-脑轴的概念,即肠道炎症可能通过影响全身的炎症状态,进而影响大脑健康和功能。这些发现也提示钙卫蛋白可能是一个有价值的生物标志物,不仅可以帮助诊断AD,还可以在认知正常的年长者中预测未来的认知衰退。
谷禾一直在关注和积累关于肠道菌群与年龄相关的认知衰退以及老化和阿尔茨海默病的研究。未来,我们打算通过生物技术和大数据分析将钙卫蛋白这个重要的生物标志物加入到我们的菌群检测报告中,从而为客户提供更加全面的健康信息,帮助他们在早期识别潜在的认知衰退和神经退行性疾病的风险。
肠道菌群变化→肠道屏障功能下降→“炎症衰老”
肠道菌群可能促成“炎症衰老”,这是一种以慢性低度全身性炎症为特征的状态,且不是由急性因素如感染引起的,然而这一过程的生理机制尚不完全清楚。
随着年龄增长,微生物群组成的变化可能会在肠道内产生炎症环境,导致上皮屏障退化,使得肠腔内的细菌成分例如脂多糖和肽聚糖碎片进入全身循环,引发外周炎症反应。证据支持这一假设中的屏障退化部分,表明肠道通透性随着年龄增长和与年龄相关的疾病而增加。例如,诱发肠道炎症的高迁移率族蛋白1与高龄、慢性炎症标志物、虚弱和营养吸收受损等因素相关。
注:高迁移率族蛋白1(High Mobility Group Protein 1,简称HMG1或HMGB1)是一种非组蛋白质,得名于它们在电泳过程中的高迁移率,这是因为它们相对较小、带电并且在凝胶中迁移得比较快。
HMGB1是细胞内一种非常重要的核蛋白,它参与多种细胞过程,包括DNA修复、细胞分化、细胞死亡以及基因的转录调控。此外,HMGB1也在细胞外发挥作用,可以作为细胞外信号分子,参与炎症反应、组织修复和肿瘤发生等过程。当细胞受到损伤或处于应激状态时,HMGB1可以被释放到细胞外并作为一种炎症介质,促进免疫细胞的活化和炎症反应的发生。
HMGB1的功能异常与多种疾病有关,包括自身免疫疾病、癌症、心血管疾病和神经退行性疾病等。因此,它是医学研究中的一个重要靶标,并且可能成为治疗这些疾病的潜在药物靶点。
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此外,在老年人中,患有炎症性疾病如2型糖尿病和肠易激综合征的个体更常见肠道通透性增高。然而,在健康老年成年人中进行的肠道通透性研究较少,且结果并不一致,因此在年龄相关疾病出现之前,是否会出现增高的炎症和通透性仍不清楚。
肠道菌群失调和肠道炎症可能促进阿尔茨海默病的发病
随着年龄增长相关的神经退行性疾病研究的深入,越来越多的证据表明肠道菌群失调和外周炎症与阿尔茨海默病(AD)有关,并可能促进AD的病理发展。
AD的特征是大脑中淀粉样β蛋白(Aβ)和磷酸化tau蛋白(pTau)的聚集,伴随着小胶质细胞和星形胶质细胞的激活以及相关的神经炎症。肠道菌群失调和肠道细菌衍生的代谢产物与炎症、临床前认知下降和AD诊断有关,但它们与病理之间的机制性关系尚未明确。
最近的研究发现,肠易激综合征(IBS)与发展成AD痴呆的风险较高有关。由于IBS可能通过微生物菌群失调诱发肠道通透性,这也预示了肠道炎症和通透性在AD中可能扮演角色。
参与者来自威斯康星州阿尔茨海默病研究中心(ADRC)的临床核心和威斯康星州阿尔茨海默病预防登记处(WRAP),两个前瞻性队列研究,专门招募中老年人作为研究对象。
在入选时,参与者接受了全面的认知评估、医疗和家族史访谈,以及APOE基因分型检查。参与者还接受了纵向的认知评估和实验室测试,部分参与者进行了腰椎穿刺和/或11C-Pittsburgh compound B (PiB) PET神经影像学检查以量化AD病理程度。
该研究比较有价值的是:这些参与者同时还参与了另一个名为微生物组与阿尔茨海默病风险研究(MARS)的项目。MARS项目的目的是通过收集和分析参与者的粪便样本来研究肠道微生物在阿尔茨海默病发展中可能扮演的角色。研究纳入的参与者是在过去两年内提供了粪便样本,并且完成了认知功能评估和淀粉样蛋白状态的检测的人。这些检测有助于确定他们是否有AD的生物标志物或症状。
临床诊断
根据2011年美国国家衰老研究所-阿尔茨海默病协会(NIA-AA)的工作组制定的诊断标准,确定参与者是否认知无损、患有由AD引起的轻度认知障碍,或是AD痴呆。这个小组可能包括医生、神经心理学家和其他专业人员,共同评估患者的症状和测试结果,以确定诊断。
淀粉样蛋白状态
通过分析脑脊液样本或进行正电子发射断层扫描(PET)神经影像学程序来确定脑脊液样本是在腰椎穿刺过程中收集,而PET扫描则是在与收集粪便样本最接近的时间进行。
淀粉样蛋白阳性的指标
总体 PiB 分布体积比 (DVR) 大于 1.19。
通过专家视觉检查评定的18F-AV45 PET阳性。
脑脊液中Aβ42/Aβ40比值小于0.046。
评定方式
淀粉样蛋白状态的评定是单独根据生物标志物变量进行的,即只看这些特定的测试结果,而不考虑其他可能影响实验的变量。这样做是为了确保评定的准确性,不受其他因素干扰。
简单来说,以上方法根据一系列生物标志物检测结果来确定一个人是否有AD或其前期症状,并且这个确定过程是严格按照既定的科学标准来执行的。
研究者们将参与者按照临床诊断和淀粉样β蛋白(Aβ)的存在与否分为三组:
研究的参与者接受了一系列检测和调查。
常规检查
首先,通过测量身高和体重来计算每个人的体质指数(BMI),并进行了常规血液检查。研究还包括了对参与者APOE基因ε2、ε3、ε4等位基因的分型,这是通过特定的聚合酶链反应(PCR)实验完成的。
APOE风险评分
此外,研究根据阿尔茨海默病神经影像学倡议中经神经病理学确认的病例,计算了一个APOE风险评分,这是一个与阿尔茨海默病风险相关的指标。
问卷调查
在收集粪便样本的同时,参与者填写了问卷,记录了他们目前的饮食习惯、药物使用情况、胃肠疾病和心血管疾病的历史,以及可能影响肠道微生物组成的生活方式因素,例如早期的微生物暴露和目前与家庭宠物或其他动物的接触情况。这些数据的收集旨在帮助研究人员了解这些因素如何可能影响肠道健康和相关疾病的风险。
多种生物标志物测定
在该研究中,研究人员使用罗氏公司的NeuroToolKit研究平台上的高级原型测试来测量多种生物标志物。这些生物标志物包括与阿尔茨海默病相关的标志物(如Aβ42/Aβ40比率、pTau181/Aβ42比率、总tau蛋白[tTau])、神经胶质细胞活化的指标(如YKL-40、GFAP、sTREM2、S100B)、轴突退化的指标(如神经丝轻蛋白[NfL])、突触退化的指标(如神经颗粒蛋白、α-突触核蛋白)以及炎症的指标(如IL-6)。
在这项研究中,脑脊液中的IL-6水平被用作反映全身炎症状态的生物标志物。这些测量有助于研究人员更好地了解与神经退行性疾病相关的生物学过程,以及它们是如何与炎症相互作用的。
两种用于评估认知功能的心理测试:Rey 听觉言语学习测试(RAVLT)和Trail Making Test(TMT)B部分。RAVLT用于评估言语学习和记忆能力,要求参与者在五次试验中记忆并重复一个包含15个单词的列表。RAVLT的得分反映了参与者记忆单词的能力,其中1-5试次的得分是五次尝试中记住的总单词数,第7试次得分是在延迟一段时间后能够回忆的单词数。
TMT B部分评估执行功能,即高级认知处理能力,要求参与者按照数字和字母的顺序连接一系列打印在纸上的图标,测试的得分是完成任务所需的时间。这些测试通常用于评估阿尔茨海默病等认知衰退疾病的早期阶段,并且在分析时会考虑到年龄、性别、教育程度以及淀粉样蛋白(与阿尔茨海默病相关的蛋白)状态等因素。
粪便收集、处理
研究中收集粪便样本的过程。参与者在家里依照特定的方法收集了粪便样本,并记录了收集的时间。然后他们将样本放入有冷冻胶囊的保温盒中,通过隔夜快递发送到威斯康星大学麦迪逊分校。
粪便钙卫蛋白测定
这段话描述了一种测量粪便样本中钙卫蛋白浓度的实验方法。钙卫蛋白是一种标志炎症的蛋白质,其水平可以通过酶联免疫吸附测定法(ELISA)来测定。测量是在450纳米波长下进行的,同时使用620纳米作为参考滤光片。
钙卫蛋白水平的测量
研究者使用两个粪便样本的平均值来估计参与者的平均钙卫蛋白水平,并对数据进行了正向平移(增加了11.3微克/克)和对数转换,以便线性化ELISA测试的结果。
多元线性回归分析
研究者使用多元线性回归来分析钙卫蛋白水平与年龄、AD诊断/淀粉样蛋白积累、全球PiB DVR(一种PET扫描测量)、脑脊液生物标志物水平和认知功能测试分数之间的关系。
模型中的交互作用
在全球PiB DVR模型中,研究者包含了钙卫蛋白水平与疾病阶段之间的交互作用,以探究它们如何共同影响AD。
协变量
在进行模型分析时,研究者考虑了可能影响结果的其他变量(协变量),例如性别和BMI(因为它们与肠道微生物组有关,后者又与炎症过程有关),以及年龄、性别、淀粉样蛋白确认的诊断、APOE基因风险评分(因为它们与AD病理学有关)。
模型构建过程
首先,研究者测试了包含所有潜在协变量的完整模型。如果在完整模型中某些效应不显著,他们会采用模型构建方法来简化模型,并找出真正影响结果的因素。
统计分析工具
研究者使用R语言的lavaan包进行回归分析,采用最大似然估计和Satorra-Bentler校正来调整模型残差的不均匀性。
统计显著性调整
为了控制假阳性发现率(第一类错误),使用了Benjamini-Hochberg方法进行调整。调整后的P值称为Q值。
显著性和子集分析
如果在整个参与者群体中发现某些效应是显著的(Q值小于0.05),研究者会在一个认知正常(CU)的参与者子集中重新评估这些模型,以确认这些发现是否依然成立。
在这项研究中,共有125名参与者(认知正常的淀粉样蛋白阴性79人、认知正常的淀粉样蛋白阳性33人、阿尔茨海默病淀粉样蛋白阳性13人)提供了粪便样本,用以评估钙卫蛋白的水平。
在生物学和临床阿尔茨海默病阶段,各组参与者在性别构成、平均体重指数、粪便样本的布里斯托尔粪便形态学分数以及样本采集与存储的时间间隔上均无显著差异。尽管受教育程度普遍较高,但AD Aβ+组参与者的教育年限明显较低。
1
年龄较大的参与者和阿尔茨海默病淀粉样蛋白阳性的患者中,钙卫蛋白较高
研究结果显示,即使在控制了疾病阶段、性别和体重指数等因素后,年龄的增长仍与钙卫蛋白水平的增加显著相关,意味着年纪越大,肠道炎症的水平越高。这种关联在仅考虑认知正常的参与者时也是成立的。
此外,研究还发现,在未考虑年龄的情况下,患有阿尔茨海默病且淀粉样蛋白阳性的参与者的钙卫蛋白水平显著高于认知正常的淀粉样蛋白阴性和阳性的参与者。这可能表明阿尔茨海默病患者的肠道炎症水平更高。
编辑
A) 所有疾病状态下参与者年龄与粪便钙卫蛋白水平之间的关系
B) 参与者年龄与认知能力下降前粪便钙卫蛋白水平之间的关系。β 系数(多元回归)根据疾病阶段、性别和 BMI 进行控制
钙卫蛋白与疾病状态相关。粪便钙卫蛋白被认为升高至 43.2 μg/g 或 1.6 log(μg/g),由灰色水平线表示并由 ELISA 标准曲线定义。P – 值(多元回归)对于协变量不受控制。
对年龄和AD Aβ+状态与钙卫蛋白水平的关联研究中,通过对钙卫蛋白水平的视觉检查发现,即使年龄因素不显著(P=0.40),部分认知正常Aβ-的参与者(n=10)的钙卫蛋白水平仍高于ELISA的高阈值。
在一项研究中,为了找出认知功能正常但脑内无淀粉样蛋白沉积(Aβ-)的参与者中,为什么有些人的钙卫蛋白水平较高,研究人员对参与者报告的健康状况、药物使用情况、饮食习惯以及其他可能会影响肠道微生物组成的生活方式进行了分析。
在分析的所有因素中,像炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征(IBS)和益生菌使用等的比例在高钙卫蛋白组和低钙卫蛋白组之间没有显著差异。
唯一一个显著的差异是,高钙卫蛋白组中更多的人报告使用了质子泵抑制剂(PPI),这是一类用于减少胃酸分泌的药物。具体来说,有4名高钙卫蛋白水平的参与者报告使用了PPI,这表明PPI的使用可能与高钙卫蛋白水平之间存在某种关联。
2
肠道炎症如何影响大脑中淀粉样蛋白(Aβ)的积累
研究的目的是探讨肠道炎症如何影响大脑中淀粉样蛋白(Aβ)的积累,这种蛋白质积累与阿尔茨海默病 (AD) 有关。研究人员使用了一种名为PiB PET的神经影像技术来衡量大脑中的Aβ负荷,并且测量了粪便中的钙卫蛋白水平,作为肠道炎症的指标。
研究结果表明,在有AD且大脑中有Aβ积累的参与者(AD Aβ+)中,肠道炎症(通过钙卫蛋白水平体现)与大脑Aβ负荷正相关,即肠道炎症越严重,大脑中Aβ的积累越多。这种关系在考虑了年龄、性别、APOE基因风险评分和体重指数(BMI)等因素后仍然显著。然而,在认知功能正常且大脑中有Aβ积累的参与者(CU Aβ+)中,肠道炎症与大脑Aβ负荷之间没有发现显著的关联。
钙卫蛋白与 AD 痴呆相互作用对全局 PiB DVR 的影响
此外,研究还考察了年龄是否会干扰肠道炎症和大脑Aβ负荷之间的关系。结果显示,即使在没有考虑其他变量的情况下,肠道炎症与年龄之间的交互作用也不显著,这意味着肠道炎症与大脑中淀粉样蛋白的积累之间的关系具有病理特异性,而且这种关系不受年龄的影响。
简而言之,这项研究发现,在有阿尔茨海默病且大脑中有淀粉样蛋白积累的人群中,肠道炎症可能会加剧大脑中淀粉样蛋白的积累,但这种关系在认知正常的人群中并不明显,并且这种关系似乎与年龄无关。
这个更直白的解读就是,肠道炎症与大脑Aβ负荷之间存在一定的关联,这种关系具有“病理特异性”,意味着它特定于某种病理状态,可能是指阿尔茨海默病。此外,结果还表明,这种关系在统计学上不受年龄的影响。换句话说,不管年龄大小,肠道炎症与大脑中淀粉样蛋白积累之间的关联性似乎是一致的。
具体来说,“即使在没有考虑其他变量的情况下”这一点表明,研究者在分析数据时没有控制其他可能影响结果的因素,比如性别、遗传背景、生活方式等。即使在这种简化的分析中,年龄和肠道炎症之间的交互作用也没有达到统计学上的显著性,这意味着年龄不是这种关系的决定性因素。
这项研究的发现对于理解阿尔茨海默病的病理机制和潜在的治疗靶标可能具有重要意义,因为它提示肠道健康和大脑淀粉样蛋白积累之间可能存在直接的联系,而这种联系不会随着年龄的增长而改变。
3
脑脊液生物标志物和认知功能随钙卫蛋白水平变化
研究者发现肠道中的钙卫蛋白水平与阿尔茨海默病的一些关键生物标志物之间存在显著关联:具体来说,钙卫蛋白水平较高的个体,在脑脊液中Aβ42/Aβ40的比例较低,pTau181/Aβ42的比例较高,神经丝蛋白(NfL)的浓度也较高。这些生物标志物通常与阿尔茨海默病的病理特征、神经炎症和神经退化有关。
然而,当研究者在统计分析中考虑了多重比较的校正(即考虑了同时检验多个假设可能导致偶然发现显著性的问题)以及调整了参与者的年龄和疾病阶段(这些因素可能影响生物标志物的水平)之后,上述的显著关联消失了。
这表明最初观察到的关联可能不具备统计上的稳健性,或者说这些关联可能是由于其他未考虑的变量造成的,而不是钙卫蛋白直接影响这些生物标志物水平。简而言之,这项研究的结果表明,钙卫蛋白与阿尔茨海默病生物标志物之间的关系可能不像最初观察到的那样强烈或直接。
脑脊液生物标志物与粪便钙卫蛋白相关。 β 系数和 P 值(多元回归)是在不控制协变量的情况下估计的。
炎症性衰老是一种随着年龄增长而出现的持续性轻度炎症状态,它可能与肠道微生物组成的改变和肠壁屏障选择性的减弱有关。这些炎症可能会促进包括阿尔茨海默病在内的多种疾病的发展。为了更好地了解肠道炎症与年龄以及阿尔茨海默病标志物之间的关系,研究人员测量了认知功能正常但脑淀粉样蛋白水平不同(Aβ- 和 Aβ+)的个体以及阿尔茨海默病患者(AD Aβ+)的粪便中的钙卫蛋白水平。
研究发现,肠道炎症的程度与个体的年龄、是否患有阿尔茨海默病、患有阿尔茨海默病个体大脑皮层中的淀粉样蛋白沉积量,以及脑脊液中与阿尔茨海默病和神经退行性疾病相关的生物标志物的水平有关。这表明肠道炎症可能与年龄相关的疾病进程,特别是阿尔茨海默病的发展有关联。
本研究虽然发现肠道炎症可能加剧阿尔茨海默病的发展,但由于采用的是横断面分析,不能排除AD病理发展可能加剧肠道炎症的可能性。然而值得注意的是,即使在认知正常(CU)参与者中,也观察到肠道炎症与记忆功能之间存在关联。
以前的研究已经发现,在克罗恩病和肠易激综合征(IBS)等其他疾病中,认知功能障碍与肠道炎症相关。
本研究排除了这些疾病,因此钙卫蛋白水平普遍低于这些疾病患者。结合以往关于IBS和炎症性肠病(IBD)的研究,作者推测结果显示钙卫蛋白与记忆功能之间的关系,这表明减轻肠道炎症的干预措施可能对老年人的认知功能有益。
本研究发现,即使健康成年人,肠道炎症水平也可能升高。使用质子泵抑制剂(PPI)的参与者中有较大比例的高钙卫蛋白水平。PPI使用与微生物群α多样性降低、包括肠球菌属在内的菌群丰度增高以及包括双歧杆菌属在内的菌群丰度降低相关。
肠球菌属能在大鼠皮层神经元中产生神经纤维缠结表位,而双歧杆菌属在阿尔茨海默病患者与对照组中的丰度不同。双歧杆菌属产生的多种分子可能减轻AD的风险因素,包括可用于降低血压的血管紧张素I转换酶抑制肽,以及有助于维持肠道屏障的短链脂肪酸。除PPI使用外,没有发现与高钙卫蛋白水平相关的疾病趋势。
在健康参与者中识别出升高的钙卫蛋白,可能提供了确定其与后期疾病发展关联的机会,并可能揭示恢复肠道屏障功能的干预点。未来的纵向研究需要确定肠道高炎症是否预示着更大的病理变化和随后时间点加速的认知下降。
本文探讨了年龄、阿尔茨海默病(Alzheimer’s Disease,简称 AD)与钙卫蛋白(一种与炎症相关的蛋白)之间的关系。但是该研究也存在几个局限性:
参考文献:
Heston MB, Hanslik KL, Zarbock KR, Harding SJ, Davenport-Sis NJ, Kerby RL, Chin N, Sun Y, Hoeft A, Deming Y, Vogt NM, Betthauser TJ, Johnson SC, Asthana S, Kollmorgen G, Suridjan I, Wild N, Zetterberg H, Blennow K, Rey FE, Bendlin BB, Ulland TK. Gut inflammation associated with age and Alzheimer’s disease pathology: a human cohort study. Sci Rep. 2023 Nov 14;13(1):18924.
谷禾健康
在研究肠道菌群或复杂微生物样本构成时,“门”(Phylum)是细菌分类的高级分类单位之一。
细菌分类依次为门纲目科属种亚种,最大的分类层面是门,以前写过人群肠道菌群构成主要是以拟杆菌门和厚壁菌门为主,大部分人群占比超90%(个别的变形菌门或放线菌门占比也很高),作为两大“细菌王国”,这两大王国有着不同的生态和代谢属性,又有着相似的营养和生存需求,它们如同天平的两端的砝码,不同的人有着不同倾斜,即使同一个人不同时期不同身体状态下天平的倾斜都不一样。
拟杆菌门被比喻为肠道微生物群落的“多面手”,有超过7000种不同的革兰氏阴性菌组成,主要来自拟杆菌属、副拟杆菌属、普氏菌属和卟啉单胞菌属。它们的脂多糖和鞭毛蛋白与细胞受体相互作用,并通过细胞因子合成增强免疫反应。
拟杆菌门作为多糖降解联盟的成员,尤其是拟杆菌属和普雷沃氏菌属,具有多种可以利用多糖的聚糖和糖苷酶。它们有助于分解膳食纤维和淀粉释放能量,并且它们可能是丙酸盐的主要来源。
拟杆菌门一些细菌的功能还包括胆汁酸的解离。肠道微生物群,特别是肠道拟杆菌,一定程度上也具有使初级胆汁酸解离和脱水并将其转化为人结肠中次级胆汁酸的能力。它们也参与蛋白质分解过程中有毒产物的释放。比如氨,组胺,硫化氢等,这些高浓度的产物会对肠黏膜产生毒性。
该群体的成员具有一些可能有助于抑制炎症的活动,但它们也有可能促进炎症,其中一些已知是机会病原体。
厚壁菌门细菌大多为革兰氏阳性菌,通过短链脂肪酸合成在宿主的营养和代谢中发挥关键作用。
通过其代谢产物,厚壁菌门细菌与其他组织和器官间接连接并调节饥饿和饱腹感。厚壁菌门由大量功能更加多样化的核心细菌组成。从代谢的角度来看,共生梭菌簇 XIVa 和 IV 通过产生短链脂肪酸在宿主和肠道稳态中发挥着重要作用,使肠道通透性正常化,参与脑肠轴调节。许多厚壁菌门的能力与宿主的体重有关。
F/B比率升高或降低被视为生态失调,前者通常与肥胖,代谢障碍相关,这可能与从食物中提取热量增加、脂肪沉积和脂肪生成、胰岛素敏感性受损有关;而后者则与炎症性肠病,抑郁,阿尔茨海默病等相关,这可能与短链脂肪酸尤其丁酸的生成减少,蛋白代谢物组胺,脂多糖累积等相关诱导的免疫炎症反应相关。
目前许多研究工作都集中在识别特定的微生物特征,特别是与肥胖、2型糖尿病和炎症相关的微生物特征。
我们从谷禾肠道菌群检测数据库中随机抽取5万例样本,统计的人群厚壁菌门/拟杆菌门(F/B)比率如下:
可以看出大部分人群的厚壁菌/拟杆菌比率在0.30-1.0之间(谷禾健康数据库随机抽样5万例样本),表明国人大部分人群肠道菌群的构成中拟杆菌占比多一点;同时抽样人群中1/10人厚壁菌/拟杆菌比率大于2.9,表明也有相当一部分人群厚壁菌门占比较高。
一般而言,从出生到成年,厚壁菌门/拟杆菌门的比例不断增加,并随着年龄的增长而进一步改变。该比率在婴儿、成人和老年人之间存在差异。它可能与生命不同阶段细菌谱的整体变化有关。
厚壁菌门/拟杆菌门比率是一个考虑高水平分类等级(即门)的指数,同一群体的受试者之间厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度差异很大。这可能是由于许多与生活方式相关的因素造成的,包括饮食、疾病状态、食品添加剂和污染物、抗生素消耗、体力活动等影响胃肠道微生物群组成的因素。
由于菌群是一个复杂的生态体系,门层面的简单划分只能提供一个最简单的线索,想要了解肠道菌群需要从最主要的核心菌属,常见的有害菌属以及大量功能菌属的构成来更加准确的分析,此外菌群的代谢通路也提供了不同角度的信息。
Wexler AG,et al.Nat Microbiol.2017
大多数健康成人微生物群仅由两个细菌门控制——革兰氏阳性厚壁菌门(许多属)和革兰氏阴性拟杆菌门(主要是拟杆菌属、另枝菌属、副拟杆菌属和普氏菌属)——它们共同构成了微生物中的大多数细菌分类群。
此外还有其他分类群包括变形菌门、放线菌门、梭杆菌门、疣微菌门、产甲烷古菌、真核生物(原生生物和真菌)和其他更短暂的定植者。
健康个体中发现的类群在家庭成员(例如父母及其子女)之间往往最相似,而在不同文化和地理空间(例如西方社会与非西方社会)之间则最不相似。
厚壁菌门(Phylum Firmicutes)是细菌的一个门,大多数具有革兰氏阳性细胞壁结构。然而,一些细菌,如巨球菌属、梳状菌属、月单胞菌属和嗜发酵菌属,具有多孔的假外膜,导致它们被染成革兰氏阴性。
科学家们曾经将厚壁菌门分类为包括所有革兰氏阳性细菌,但最近将它们定义为相关形式的核心组,称为低 G+C 组。与放线菌相反。它们有圆形细胞,称为球菌(单球菌),或杆状细胞(芽孢杆菌)。厚壁菌门缺乏脂多糖,而是向宿主呈现厚厚的肽聚糖层;研究人员已经发现了200多种不同类型的属于厚壁菌门的细菌。
★ 厚壁菌门中有许多有益的菌
厚壁菌门的成员包括许多有益的菌。比如乳酸菌是一种常见于酸奶和其他发酵乳制品中的益生菌,属于该门。这些微生物会产生醋酸盐(另一种促进健康的短链脂肪酸)以及乳酸和抗菌物质,以防止病原体定植。
又比如普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium prausnitzii),又名:普拉梭菌,是人类肠道菌群中最重要的细菌之一,占健康人粪便样本中检测到的细菌总数的5-15%,是丁酸的重要生产者之一,具有抗炎作用,维持细菌酶的活性,保护消化系统免受肠道病原体的侵害。
★ 厚壁菌门中也存在一些致病菌
但是一些致病菌也属于该门。例如,产气荚膜梭菌是一种引起胃肠道感染的细菌。还有金黄色葡萄球菌,它是一些严重感染的常见原因。
丁酸盐是研究最深入的短链脂肪酸之一,是肠道上皮细胞营养的主要来源。丁酸盐的消耗与肠道屏障完整性受损有关。
注:研究支持,长寿、健康的老年人肠道内的丁酸细菌含量明显较高。
人类肠道包含一个非常密集的代谢活跃微生物群落。然而,只有有限数量的肠道细菌为丁酸生产者。人类肠道中大多数丁酸合成细菌分布于厚壁菌门。在厚壁菌门中,毛螺菌科、瘤胃球菌科、真杆菌科和梭状芽孢杆菌科是四个重要的丁酸合成科。
梭菌目的簇 IV、XIVa、XVI 和 I 包含大多数丁酸盐生产菌种。其中两个重要的物种,直肠真杆菌和普拉梭菌分别属于梭菌簇 XIVa 和梭菌簇 IV,占健康成人粪便样本中肠道菌群总数的12-14% 。此外,还有罗氏菌属,粪球菌属,瘤胃球菌属, Anaerostipes ,丁酸弧菌属和梭菌属。
分布在XIVa 簇中的Butyricicoccus pullicaecorum、Subdolicapsulu variabile、Anaaerotruncus colihominis和分布在 IV 簇中的Papillibacter cinnamivorans是其他产丁酸菌种。
据报道,属于韦荣氏球菌科、热厌氧杆菌科 III 的Megasphaera elsdenii和Caldocellum saccharolyticum也能合成丁酸盐。
最近,对人类样本的高通量宏基因组测序表明,Rawsonibactera saccharolyticus是瘤胃球菌科中的一个新物种,并且肠单胞菌AF211编码丁酰辅酶A:用于合成丁酸的乙酰辅酶A转移酶。
许多厚壁菌门细菌可以产生内生孢子,其耐干燥并且可以在极端条件下生存。孢子在细菌生长中起着重要的作用。细菌的孢子是一种休眠状态,可以在不利环境下存活,并在适宜条件下重新发芽成为活跃的细菌。这种休眠状态使得细菌能够在恶劣条件下存活并传播。
★ 内生孢子可以帮助细菌在恶劣条件下存活
内生孢子由细菌的DNA和部分细胞质组成,周围有一层非常坚韧的外层。它们可以在没有营养的情况下生存,并且能够抵抗紫外线、干燥、高温、极端冷冻和化学消毒剂。
厚壁菌门的代谢偏好
科学家发现,人类肠道微生物群虽然独特,但都可以按照几个分类划分下,称为肠型。第三种肠道型,被称为“谷物爱好者” ,通常以瘤胃球菌(厚壁菌门的成员)为主。
肠型往往可以追溯到长期的饮食习惯。顾名思义,具有“谷物爱好者”微生物组类型的人倾向于消耗更多全谷物中的抗性淀粉和膳食纤维。
✦ 高纤维饮食的人体内厚壁菌更丰富
高纤维饮食可以增加厚壁菌门的丰度并减少拟杆菌的丰度 ,从而增加肠道内短链脂肪酸的浓度。
而葡萄籽原花青素显著降低了肥胖大鼠肠道菌群中厚壁菌门的含量,提高了拟杆菌门的含量,显著降低了厚壁菌门与拟杆菌门比值。
✦厚壁菌偏向从膳食蛋白和循环尿素中获取氮
在厚壁菌门成员中,偏好尿素氮的属往往是菊粉的疯狂使用者,即使用菊粉和尿素合成自己的氨基酸。这包括一些脲酶阴性菌属,它们可能通过交叉喂养获得尿素氮。
此外,在厚壁菌中也看到了一些属更喜欢从膳食蛋白质中获得氮,而其他菌属更喜欢循环尿素。
静脉注射尿素以提高循环尿素浓度后,偏好尿素的厚壁菌以及阿克曼菌的丰度大幅增加。
膳食蛋白质和循环尿素是厚壁菌的主要氮原料,而分泌的宿主蛋白质为拟杆菌提供氮。
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如果厚壁菌门过高意味着什么?
可能的原因:
– 不良的饮食习惯
– 生态失调
– 消化不良
– 胃酸过少
– 代谢疾病
可能的治疗方法和注意事项:
– 平衡共生细菌
– 当厚壁菌门含量较高时,考虑主要使用双歧杆菌益生菌和布拉氏酵母菌
– 乳杆菌属和芽孢杆菌属(益生菌中发现)可以提高厚壁菌门的数量
– 优化饮食结构:低脂肪饮食可能有助于厚壁菌门水平正常化
滋养肠道内厚壁菌门的食物
纤维和淀粉,是这些细菌的能量来源。富含水果、蔬菜、豆类和全谷物的饮食也是理想的。
研究表明,地中海饮食与更丰富的厚壁菌门有关,包括普拉梭菌。另一方面,富含动物蛋白、脂肪和糖的西方饮食会对有益的这些细菌产生负面影响。
如果想增加肠道中厚壁菌门的丰度,那么应该多吃高纤维食物。以下是一些可以添加到饮食中的食物,以支持您的肠道微生物组并促进厚壁菌门和丁酸盐的产生:
-苹果
-蒜
-大麦
-菊苣根
-燕麦
-亚麻籽
-洋葱
拟杆菌是肠道生态系统中非常成功的竞争者,表现出相当大的营养灵活性以及对宿主和肠道环境施加的压力做出反应的能力。很难权衡肠道拟杆菌对宿主是否产生负面或正面影响。
拟杆菌是复杂碳水化合物的主要降解者,迄今为止调查的所有生态系统中都普遍发现该属,在土壤以及人类和动物肠道中尤其占主导地位。大多数已测序的拟杆菌基因组编码大量多糖降解酶(CAZymes),表明代谢重点是聚糖降解。
CAZymes 在碳水化合物活性酶数据库中分为类别和家族,其中降解酶存在于糖苷水解酶(GH)、多糖裂解酶(PL)、碳水化合物酯酶(CE)和辅助活性酶 (AA) 类别中。
拟杆菌还通过与免疫系统的相互作用,在激活T细胞介导的反应中发挥作用,从而有助于宿主的整体健康。
✦ 防止特定炎症反应
基于多项研究,发现脆弱拟杆菌通过产生称为两性离子多糖的多糖来激活CD4+ T细胞。CD4+ T细胞的产生会刺激白细胞介素10的释放,从而防止特定的炎症反应和脓肿形成。
肠道免疫保护取决于拟杆菌、白细胞介素36信号和巨噬细胞的发育。拟杆菌的这种作用需要其保守的共生定植因子的多糖利用位点。
✦ 抑制胃肠道中的病原体
与胃肠道中发现的其他一些细菌相比,研究表明拟杆菌门的一些成员对各种抗生素和胆汁等物质具有耐药性,这给了他们竞争优势。
除了这种竞争优势之外,这些细菌还被证明在调节胃肠道中其他正常菌群和病原体的数量方面发挥着重要作用。
拟杆菌可以积极改善肠道环境,使其更适合自身和其他微生物。
✦降低肠道内氧水平从而促进厌氧菌生长
例如,许多编码细胞色素bd氧化酶,据推测该酶可以降低细胞内氧水平,进而降低肠道氧水平,从而允许严格厌氧菌生长,否则这些厌氧菌会被氧气的存在杀死。
这种耐受和降低氧气水平的能力可能有助于拟杆菌传播到新宿主,这可能是它们在哺乳动物中如此广泛传播的主要原因。
✦改变肠道的营养状况
它们还可以通过促进宿主的生理变化来诱导某些食物来源(例如岩藻糖基化糖蛋白)的产生,或通过从糖蛋白中释放岩藻糖和唾液酸残基来改变肠道的营养状况,这些残基可以被其他微生物消耗,包括病原体。
通过比较缺乏自身微生物的无菌动物和与单个拟杆菌属菌株和突变体单相关的无菌动物(出生时无菌但后来被微生物定殖),已经鉴定了许多这些拟杆菌属依赖性的肠道环境变化。
✦拟杆菌拥有多糖利用位点有助于代谢
尽管人们可能会想象肠道中的生命充满了微生物的过多食物选择,但在结肠(细菌密度最高的地方),简单、容易获得的糖大部分已经被消耗或吸收。其中的残留物是复杂的长链多糖,它们不能自由吸收,也不能被人类酶促消化。对于许多细菌来说,这些复杂的多糖同样难以处理,并且无法跨膜运输。
然而,早期研究证实拟杆菌是熟练的聚糖降解剂,具有识别和代谢十多种植物和宿主来源的多糖的不同寻常的能力。拟杆菌属物种通过基因簇来实现这一点,这似乎是拟杆菌特有的,称为多糖利用位点(PUL)。
多糖利用位点可以确定拟杆菌可以占据哪些代谢生态位,甚至可以确定它们在肠道内的生物地理位置。多糖利用位点被如此分类是因为它们的susC和susD的同系物,以及其他成分(糖苷水解酶、多糖裂解酶、糖基转移酶、碳水化合物酯酶),它们对于分解多种植物或宿主来源的聚糖很重要。
肠道细菌的其他谱系,包括革兰氏阳性放线菌,降解和输入膳食多糖的途径远不那么复杂,这在很大程度上是由于缺乏外膜屏障。例如,短双歧杆菌使用多结构域、细胞表面锚定酶(而不是一系列单独的酶),可以结合并降解聚合物,例如淀粉、支链淀粉和糖原。
拓展
比较基因组分析已在每个拟杆菌属中鉴定出数十种不同的多糖利用位点。例如,Bacteroides thetaiotaomicron是第一个对其基因组进行测序的拟杆菌属成员,将其 6.26 Mbp 基因组的近五分之一专用于88个不同的多糖利用位点。
拟杆菌不是同时表达所有多糖利用位点以捕获周围环境中可能存在的任何多糖,而是通过大量SusR样调节因子、混合双组分系统和涉及胞质外 σ/抗的跨包膜信号通路来严格调节其表达。
也许是由于在跨外膜运输之前需要部分降解长多糖链,B. thetaiotaomicron和其他肠道拟杆菌已经成功地将适当的多糖利用位点转录与其相应多糖分解中间体的丰度(而不是丰度)耦合起来。
这使得肠道细菌能够快速适应营养可用性的变化。糖分解物质形成甲酸盐、乙酸盐、乳酸盐、丙酸盐和琥珀酸盐作为主要发酵产物。拟杆菌可能是结肠中丙酸盐形成的主要贡献者。
由于多糖利用位点激活是肠道环境的产物,富含植物源性多糖和糖蛋白的饮食将导致多糖利用位点暂时上调,从而降解这些膳食营养素。然而,当这些底物稀缺时,例如在禁食期间或某些低纤维饮食期间(如高糖、高脂肪的西方饮食),亲糖拟杆菌会改变其转录谱以消耗宿主衍生的聚糖,这些暂时的转换可能是导致某些细菌在婴儿期最初在肠道定殖并在我们一生中持续存在的主要因素。
根据最近使用动物模型的研究,拟杆菌属可以在相对较短的宿主婴儿期主要依靠宿主聚糖生存,但当在多个宿主世代的时间内被迫以低纤维饮食为生时,它们最终可能会灭绝。
有的菌会通过破坏中性粒细胞趋化性等机制帮助逃避免疫系统(例如,伤寒沙门氏菌)和逃避宿主补体系统(例如肺炎克雷伯菌)。
相比之下,拟杆菌使用一种称为相变的过程,以开/关方式控制其荚膜多糖生物合成位点的表达。例如,脆弱拟杆菌从八个生物合成位点产生不同的荚膜多糖,其表达受到可逆启动子区域和反式位点抑制剂的严格调控,限制多个位点的同时表达,从而使脆弱拟杆菌的同基因群体共同表现出广泛的多样性。当脆弱拟杆菌漏入通常无菌的腹膜腔时,可能会发生腹膜炎。
注:绝大多数人类腹膜炎病例都是由脆弱拟杆菌引起的。
目前,拟杆菌门中研究的最充分的,包括拟杆菌属和普氏菌属以及卟啉单胞菌属。
✦ 卟啉单胞菌属可导致急性坏死溃疡性牙龈炎
卟啉单胞菌属的成员作为共生体或机会性病原体生活在人类口腔中。牙龈卟啉单胞菌引起临床上侵袭性牙龈炎,可导致急性坏死溃疡性牙龈炎或扩展到口腔和面部组织,这种情况称为坏疽性口炎或口腔癌。
✦ 普雷沃氏菌也是一种条件性致病菌
普氏菌属是一个大属,包括50多个不同的物种。大多数可以从口腔和肠道中分离出来。普雷沃氏菌属存在于人类中,帮助分解蛋白质和碳水化合物食物。也可作为条件致病菌,引起牙周和牙齿、肠道炎症、类风湿性关节炎、细菌性阴道炎等问题。
大型基因组计划,包括美国国立卫生研究院(NIH)资助的人类微生物组项目(http://nihroadmap.nih.gov/hmp/)和欧盟资助的 MetaHIT 项目 (http://www.metahit.eu)对50多种人类来源的拟杆菌门的拟杆菌和普氏菌分离株进行了测序。
基因组草图可从 Genbank 公开获得,并揭示这些物种拥有多种糖苷酶,这些糖苷酶具有预测的对抗植物和宿主来源的多糖的活性,以及维生素和辅因子合成的许多途径。
拟杆菌门的基因组大小相对较大,例如B.thetaiotaomicron 为 6.26 Mb。迄今为止在拟杆菌属中发现的16S rRNA基因的最高拷贝数为7个(在普通拟杆菌中)。
✦ 拟杆菌的组成和代谢受到饮食调节
在全基因组水平上,拟杆菌属与副拟杆菌属共享超过1000个蛋白质家族的核心,但与卟啉单胞菌属和普雷沃菌属共享较少数量的核心家族蛋白质家族。它们的组成和代谢活动在很大程度上受饮食调节。
拟杆菌与高脂肪和蛋白质的摄入量有关,而普雷沃氏菌与富含植物的饮食(高水平的复合碳水化合物和水果和蔬菜的摄入量)有关。因此,拟杆菌属和普雷沃氏菌属物种在人体内具有其特定的栖息地,因为它们大多数是拮抗的。
厚壁菌门与拟杆菌门之间的比率(F/B)与维持体内平衡有关,该比率的变化可能导致各种病理。
例如,特定厚壁菌门或拟杆菌门物种丰度的增加分别导致肥胖和肠道炎症。尽管人们非常关注 F/B 比率,但应该记住,这一比率可能会受到其他门的增加的影响,但是其他门的菌群失调增加或减少并不一定会改变 F/B 比率。
Stojanov S,et al.Microorganisms.2020
肥胖是一种复杂的、多因素的疾病,其原因包括宿主遗传背景、体力活动减少和食物摄入过多等多种因素。在过去的几十年里,肠道微生物群被认为是有利于脂肪储存、体重增加和胰岛素抵抗的额外因素。
世界范围内的研究正在不断寻找其致病因素。厚壁菌门和拟杆菌门的改变首先在肥胖动物和受试者中被描述,这些动物和受试者表现出厚壁菌门丰度增加,而拟杆菌门却减少了。
✦ F/B 比率较高时相同食物会吸收更多能量
当F与B的比例较高或体重增加和肥胖状态时,这两个细菌门影响我们体重的原因是它们调节我们吸收的脂肪量。想象一下两个人都消耗2000卡路里,但F与B的比例不同。F/B 比率较高的一种会吸收更多的卡路里,因此会比另一种增加更多的体重。因此,重点应该是平衡F与B的比例,一方面防止肥胖,另一方面预防炎症性肠病的发生。
当受试者接受热量限制饮食一年后,他们的拟杆菌门丰度增加,厚壁菌门/拟杆菌门比例正常化,同时体重减轻。这些研究得到了对喂食高脂肪或高纤维饮食的动物的研究的支持,这些研究显示厚壁菌门和拟杆菌门的丰度分别较高。
基于这些结果以及从肥胖动物和人类身上获得的其他结果,有人提出厚壁菌门比拟杆菌更能有效地从食物中提取能量,从而促进有效吸收热量和随后的体重增加。
肥胖双胞胎的微生物组富含编码营养转运蛋白的基因,而瘦双胞胎的微生物组富含编码与碳水化合物代谢相关的酶的基因。
最近发表的一项系统综述显示,大多数研究都支持 F/B 比率增加与肥胖之间的关系。
对肥胖和非肥胖日本受试者的粪便样本进行的一项研究显示,他们的 F/B 比率存在显著差异。厚壁菌门的百分比为 37.0 ± 9.1%(非肥胖者)和 40.8 ± 15.0%(肥胖者),而拟杆菌门的百分比为 44.0 ± 9.8%(非肥胖者)和 37.0 ± 14.0%(肥胖者)。
在61名乌克兰成年人中也报告了类似的结果,其中 F/B 比率与体重指数(BMI)显著相关。F/B 比率≥ 1 的个体超重的可能性比F/B 比率<1 的个体高出23%。
同样,卡塔尔受试者(37名肥胖者和36名瘦者)表现出肠道微生物群的改变;肥胖和瘦受试者的 F/B 比率分别为 2.25 ± 1.83 和 1.76 ± 0.58。在哈萨克族和比利时学童中,肥胖组的F/B比值显著高于对照组。
✦ 肥胖人群与正常人群拟杆菌存在差异
然而,两个拟杆菌属的存在差异:与肥胖组相比,正常组中拟杆菌属的高出20%,而肥胖组中普雷沃氏菌属比正常组高出19%。拟杆菌属和普雷沃氏菌属都属于拟杆菌门。
同一群体的受试者之间厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度差异很大。这可能是由于许多与生活方式相关的因素造成的,包括饮食、体力活动、食品添加剂和污染物、抗生素消耗等影响胃肠道微生物群组成的因素。
这种高度变异性可能解释了在比较正常体重和肥胖受试者之间的微生物群时观察到的矛盾结果,使得很难将厚壁菌门/拟杆菌门比率与确定健康状况联系起来。
重要的是要观察肠道微生物种群结构的整体组成,将其作为肥胖和肥胖相关病理(例如GSD)的指标,而不仅仅是厚壁菌门/拟杆菌门的比率。然而,在我们看来,可以修改这个比率,例如引入表征拟杆菌门底下的拟杆菌属或普氏菌属与梭状芽胞杆菌 XIVa 簇菌的比例。
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F/B 比改变导致肥胖的争议
然而,与这些结果相反,许多研究没有观察到该参数的任何改变,甚至报告肥胖动物和人类中厚壁菌门/拟杆菌门的比例降低。
事实上,在大多数研究中,肥胖患者比瘦受试者表现出更少的细菌多样性,这表明在科、属或种水平上存在其他组成变化,这可能比厚壁菌门/拟杆菌门比率更相关。
✦肥胖增加可能与长期暴露脂多糖有关
关于这一点,代谢性内毒素血症的假说提出,肥胖增加和全身炎症的发展可能是由于长期暴露于脂多糖所致,脂多糖是一种源自革兰氏阴性细菌的促炎分子,它会通过肠腔进入血液。
这一假设与肥胖症中所报道的拟杆菌门丰度下降的情况并不相符,因为该门是肠道微生物群中革兰氏阴性菌的主要群体。
这种差异可以通过这样的事实来解释:来自拟杆菌门细菌的脂多糖的内毒素活性被认为低于来自其他革兰氏阴性细菌(例如属于变形菌门的细菌)的内毒素活性。有趣的是,在肥胖受试者或动物中也观察到变形菌门的增加,并且在无菌小鼠中施用变形菌门成员肠杆菌会导致这些动物出现肥胖和胰岛素抵抗。
✦ F/B比率增加与短链脂肪酸产生无关
另一方面,厚壁菌门/拟杆菌门比例的增加与肥胖个体中观察到的短链脂肪酸产生无关。事实上,据报道,拟杆菌门主要产生乙酸和丙酸,而厚壁菌门则产生更多的丁酸。丁酸盐被认为是一种促进健康的分子,因为它具有增加胰岛素敏感性、发挥抗炎活性、调节能量代谢和增加瘦素基因表达的能力。
结肠中的丙酸盐刺激L-肠内分泌细胞释放GLP-1和 PYY,从而抑制食欲。它还可能到达门静脉循环,主要被肝脏捕获,参与肝糖异生并减少参与脂肪酸和胆固醇从头合成的酶的表达。
乙酸也被吸收并到达全身循环和周围器官,包括脂肪组织、肌肉和大脑。在肝脏中,与丙酸盐相反,它刺激肝脏合成脂质,导致血脂异常。在大脑中,它激活副交感神经系统,分别促进胰腺和胃粘膜分泌胰岛素和生长素释放肽。
这些事件会导致脂肪储存和食欲增加,从而导致肥胖。根据这些结果,醋酸盐通常被认为更容易导致肥胖。肥胖个体中厚壁菌门/拟杆菌门比例的增加意味着这些受试者中丁酸盐的产量较高,丙酸盐和乙酸盐的产量较低,这一发现与这些短链脂肪酸各自的抗肥胖和致肥胖作用部分矛盾。一种解释是,肥胖个体中产生丁酸的细菌减少,并逐渐被属于同一门的其他细菌取代,导致结肠腔中丁酸的产生量降低。例如,葡萄球菌属和罗伊氏乳杆菌的丰度增加(均来自厚壁菌门)
肥胖状态还与A. muciniphila (疣微菌门)丰度较低有关,这是一种粘蛋白降解细菌,有助于稳定肠道屏障功能、分泌抗菌肽和控制炎症。
✦生理及病理状况都会影响肠道微生物群
另一方面,性别、年龄、宿主遗传学的差异。男性和女性的肠道微生物群存在差异,例如男性中拟杆菌-普雷沃氏菌群的水平较高,而女性中厚壁菌门的比例较高。然而,个别研究也发现女性中拟杆菌门的丰度最高。
此外,存在病理状况(糖尿病、心血管疾病、炎症性肠病等)。例如,Oddi括约肌松弛与胆管结石有关,可能是由于肠内容物回流增强改变了微环境所致。
治疗(抗生素、二甲双胍等)通过富集Akkermansia muciniphila以及几种产生短链脂肪酸的微生物群(丁酸弧菌、两歧双歧杆菌等)来改变肠道微生物群组成。
总之,这些导致厚壁菌门/拟杆菌门比率并不是与肥胖相关的微生物群失调的有力标志。
我们建议与肥胖相关的肠道微生物组研究不应该研究肥胖本身的分类标志物,而应侧重于确定用于将患者分层为亚组的分类标志物。引入微生物组患者分层将通过直接操纵患者微生物组来制定个性化治疗决策,从而改善肥胖的管理。
炎症性肠病代表小肠和大肠炎症反应引起的肠道疾病,由两种疾病组成:克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)。
溃疡性结肠炎是由结肠和直肠(从大肠末端开始到肛门结束的腔室)的长期炎症引起的,而克罗恩病是由结肠或回肠(小肠的最后部分)或两者的长期炎症引起的。
✦ 炎症性肠病患者厚壁菌门丰度下降
肠道微生物群会导致这些疾病。具体来说,当厚壁菌门减少或拟杆菌门相对于厚壁菌门增加时(两种情况下肠道菌群失调),就会导致慢性炎症和消化系统疾病,如克罗恩病和溃疡性结肠炎。
一项研究检查了克罗恩病和溃疡性结肠炎患者以及健康对照活检组织中的微生物多样性。观察到厚壁菌门丰度下降;更准确地说,克罗恩病患者中梭状芽胞杆菌类细菌减少,但溃疡性结肠炎患者或健康个体中则没有减少。
相反,与溃疡性结肠炎患者和健康个体相比,克罗恩病患者的拟杆菌丰度显著增加(分别为74.97%、64.31%和67.41%)。
✦肠道微生物变化与炎症性肠病严重程度相关
肠道微生物群的变化也与克罗恩病和溃疡性结肠炎的疾病活动度和严重程度相关。例如,与患有非活动性疾病的患者相比,患有活动性疾病的溃疡性结肠炎患者中厚壁菌门的含量较低。同样,与患有非侵袭性疾病的克罗恩病患者相比,患有侵袭性疾病的克罗恩病患者的厚壁菌门丰度显著降低。
具有抗炎作用的普氏粪杆菌减少
普氏粪杆菌(F. prausnitzii)是一种厚壁菌门物种,在炎症性肠病患者中减少,其减少与克罗恩病术后六个月复发相关。
普氏粪杆菌在体内和体外均表现出抗炎作用。在患有诱导性结肠炎的小鼠中,活普氏粪杆菌(或其上清液)降低了结肠炎的严重程度并纠正了生态失调。此外,普氏粪杆菌对血液单核细胞的体外刺激导致IL-10分泌增加以及IL-12和干扰素-γ(IFN-γ)分泌减少。
拟杆菌在炎症性肠病中增加
相比之下,拟杆菌在炎症性肠病中通常会增加,并与其进展和发展相关。对炎症性肠病患者和健康个体肠道炎症和非炎症区域的粘膜活检显示,炎症性肠病样本中厚壁菌门减少,拟杆菌门丰度增加,而肠杆菌科仅在克罗恩病患者中增加。活检还显示,与非发炎区域相比,发炎区域的细菌失调程度更高。
另一项对克罗恩病和溃疡性结肠炎患者进行粘膜活检和粪便菌群构成的研究证明了肠道微生物群和 F/B 比率的改变。克罗恩病和溃疡性结肠炎患者的F/B比值均较对照组显著降低。
此外,种、属和科的组成也发生了变化。与克罗恩病患者和对照组相比,溃疡性结肠炎患者中拟杆菌和乳酸菌的丰度较高;与对照组相比,溃疡性结肠炎患者中大肠杆菌的丰度也有所增加。相反,克罗恩病患者中球状梭菌减少。
✦ 不同拟杆菌种类与不同炎症性肠病程度相关
不同的拟杆菌与不同程度的炎症性肠病相关。在经过抗生素预处理且存在转化生长因子(TGF)βRII和IL-10R2信号传导缺陷的小鼠系中,在用普通拟杆菌和多形拟杆菌灌胃后观察到严重的溃疡性疾病。
与显示 F/B 比率对肥胖影响不大的研究类似,并不是在所有炎症性肠病病例中都观察到 F/B 比率降低。炎症性肠病患者粪便微生物分析显示,拟杆菌门、厚壁菌门和疣微菌门的丰度下降,而变形菌门、放线菌门和梭杆菌门的丰度增加。在48名克罗恩病患者中,粪便样本中的拟杆菌细菌丰度不到健康个体的10%,梭菌亚群 XIVab(厚壁菌门)也显著降低。
然而,大多数研究表明,拟杆菌因内毒素而表现出促炎特性,并影响细胞因子的产生,从而导致炎症性肠病。此外,厚壁菌门细菌具有抗炎作用,可以缓解炎症性肠病的进展。
2型糖尿病(T2DM)是一种代谢性疾病,其主要原因是与肥胖相关的胰岛素抵抗。然而,其他一些因素,如精神压力、感染和遗传倾向也可能导致糖尿病。
肥胖和糖尿病的特征都是慢性低度炎症状态,并伴有多种炎症介质(例如肿瘤坏死因子和白细胞介素)的异常表达和产生。
最近的研究基于大规模16S rRNA 基因测序、定量实时PCR (qPCR) 和荧光原位杂交 (FISH),显示了肠道微生物群组成与糖尿病等代谢疾病之间的关系。
有人提出,肠道微生物群引导增加肠道对单糖的摄取,并指示宿主增加肝脏产生与胰岛素抵抗相关的甘油三酯。
✦ 2型糖尿病患者中产丁酸厚壁菌门丰度降低
权威研究显示主要的丁酸盐合成菌厚壁菌门在2型糖尿病患者中显著减少。多项人体研究支持这样一个事实:与健康受试者相比,2型糖尿病受试者中合成丁酸的厚壁菌门丰度显著降低。
对这些患者的粪便微生物群分析显示,与正常耐糖受试者相比,新诊断或长期患有糖尿病的受试者中瘤胃球菌科和毛螺菌科等科的丰度有所下降。
还报告了罗氏菌属(Roseburia)和普拉梭菌(Faecalibacter prausnitzii)的丰度在健康对照中比2型或1型糖尿病患者更高。
对粪便样本进行深入的宏基因组学和宏蛋白质组学分析证实,在患有糖尿病前期 (Pre-DM) 或初治2型糖尿病 (TN-T2D) 的个体中,产生丁酸盐的菌含量显著降低。与正常耐糖个体相比, 患有糖尿病前期个体中的普拉梭菌的水平低于正常耐糖个体和初治2型糖尿病个体。
肠道微生物组可以反映整个身体的健康状况。厚壁菌门和拟杆菌门是结肠的主要门,可以影响与肥胖相关的疾病,这些疾病也是乳腺癌的危险因素。
✦ 乳腺癌患者F/B比值比健康人群低很多
因此,研究对乳腺癌患者和健康对照者的血清中提取细菌细胞外囊泡,使用微生物组测序分析厚壁菌门和拟杆菌门。分析乳腺癌的预后因素和血清学检测结果与 F/B 比值的相关性。发现乳腺癌患者的 F/B 比值比健康对照者低三倍。
此外,乳腺癌的危险因素,如空腹血糖,被发现与F/B比值有关。F/B比值可以作为乳腺癌的危险因素,并可能作为解释影响乳腺癌发生的潜在机制的线索之一。
健康对照者和乳腺癌患者中 F/B 的比率
An J,et al.J Clin Med.2023
(a)健康对照组和乳腺癌患者中厚壁菌门和拟杆菌门占总微生物群的比例;(b)健康对照者和乳腺癌患者的F/B比率;(c)F/B比与体重指数之间的关系;(d)F/B比与饮食习惯的关系(*p≤0.05,**** p≤0.0001)。
调查研究发现中国饮食中的动物脂肪和蛋白质含量高于印度饮食中的全谷物和植物性素食。而印度参与者微生物组中拟杆菌的比例几乎是中国参与者的四倍,分别为16.39%和4.27%(p=0.001)。
✦ 动物产品食用较少与拟杆菌数量较多有关
据推测,印度人体内拟杆菌门的丰度较高是由于他们对动物产品的消耗较少;表明饮食中动物产品含量较低与拟杆菌数量较多有关。
对欧洲儿童和布基纳法索儿童的微生物群的比较也显示了由于饮食习惯不同而导致的微生物群组成的差异,欧洲儿童的饮食富含动物蛋白、糖、淀粉和脂肪,纤维含量低。以素食为主的饮食主要由碳水化合物、纤维和非动物蛋白组成。欧洲儿童微生物组富含厚壁菌门和变形菌门,而放线菌门和拟杆菌门在非洲儿童中较多。
✦ 营养不良儿童的肠道微生物多样性较低
研究发现,与同一地区中高收入家庭的健康儿童相比,孟加拉国贫困社会经济地位家庭的营养不良儿童的肠道微生物群多样性较低,其特点是拟杆菌门的相对丰度较低,变形菌门占主导地位。
注:拟杆菌门的存在率较低众所周知,它们可以消化复杂的膳食材料,从而提高从各种食物中提取能量,而潜在致病性变形菌的较高含量可能有助于解释营养不良儿童的健康状况不佳。
✦ 增加纤维摄入量可以增加厚壁菌门的数量
一项研究将西方饮食的美国儿童与食用大米、面包和扁豆等植物性饮食的孟加拉国儿童进行了比较。在食用西方饮食的美国儿童中,厚壁菌门/拟杆菌门的比例减少了三倍。
另一项研究要求参与者增加纤维摄入量并避免西方减肥食品。研究表明厚壁菌门:拟杆菌门比率增加了。
通过分析三名健康受试者6-12个月的肠道宏蛋白质组,进一步证实了这些结果。在这项研究中,参与碳水化合物运输和代谢的蛋白质占检测到的蛋白质的10%以上,构成了所有测试对象中发现的核心宏蛋白质组的一部分。
糖酵解途径尤其引人注目,并鉴定出几种相关酶。在为每个门的每个COG功能类别分配光谱命中后,很明显,厚壁菌门和放线菌门负责活跃的碳水化合物代谢,而拟杆菌门则显示出更多的混合功能。
这些例子反映了将某些门与特定饮食广泛联系起来主要挑战是需要考虑涵盖整个微生物组的微生物的状态和相互作用动态。
✦ 当F/B比率增加时
即更多厚壁菌门,拟杆菌较少。或两者兼而有之,厚壁菌门增长更快。可能导致以下疾病:
-肥胖(BMI较高)
-高血压中的肠道菌群失调
-自闭症谱系障碍
-慢性疲劳综合症
-肠易激综合症
-干燥综合症
-类风湿性关节炎
✦当F/B比率下降时
即厚壁菌门较少,更多拟杆菌。或两者兼而有之,厚壁菌门减少得更快。可能导致以下疾病:
-系统性红斑狼疮
-乳糜泻
-克罗恩病
-老龄化
我们审查评估了饮食干预如何影响微生物组成的相关文章。总体而言得出以下建议供参考:
✦ 增加植物蛋白摄入,避免摄入过量动物蛋白
总体而言,蛋白质摄入量,尤其植物蛋白的摄入与肠道拟杆菌门,细菌多样性呈正相关。乳清和豌豆蛋白可以增加双歧杆菌和乳酸菌的数量,而乳清还可以减少脆弱拟杆菌和产气荚膜梭菌的数量,这两种细菌都是致病性的。
此外,豌豆蛋白被发现可以增加短链脂肪酸水平,短链脂肪酸被认为具有抗炎作用,并在粘膜完整性中发挥作用。然而,一项研究发现,高动物蛋白/低碳水化合物饮食会导致罗氏菌属和直肠真杆菌(这两种有益细菌)减少。动物蛋白可能含有大量脂肪,而脂肪也会影响肠道微生物群。
✦ 尽量摄入不饱和脂肪
当研究人员观察脂肪时,发现并不是所有的脂肪都是平等产生的。在一项研究中,小鼠被喂食猪油或鱼的脂肪。喂猪油的小鼠中拟杆菌属和嗜胆菌属(Bilophila)增加,而双歧杆菌和Adlercreutzia、乳酸菌(乳杆菌和链球菌)和疣微菌属(Akkermansia muciniphila)在鱼油喂养的小鼠中增加。
猪油喂养的小鼠还出现白色脂肪组织炎症和胰岛素敏感性受损。喂食鱼油的小鼠总体表现更好,研究人员得出结论,肠道微生物群促进了高饱和脂肪饮食的整体炎症反应。
✦ 高纤维的饮食可以减少炎症
碳水化合物,包括可消化的(淀粉和糖)和不可消化的(纤维),可能是研究最多的常量营养素,因为它们具有改变肠道微生物组的能力。
人类喂食大量葡萄糖、果糖和蔗糖,双歧杆菌水平增加,拟杆菌减少。相反,当喂食糖精(一种人工甜味剂)时,拟杆菌丰度增加,罗伊氏乳杆菌减少,微生物发生与天然糖完全相反的变化。
纤维被认为是一种不易消化的膳食成分,有时被称为益生元,因为它通过刺激有益肠道细菌的生长而对宿主有益。
来源包括大豆、菊粉、未精制的小麦和大麦、生燕麦和不可消化的低聚糖,例如果聚糖、聚葡萄糖、低聚果糖 (FOS)、低聚半乳糖 (GOS)、低聚木糖 (XOS) 和阿拉伯低聚糖 (AOS)。
低纤维饮食与较低的细菌丰度有关,而富含这些不易消化的碳水化合物的饮食会增加双歧杆菌和乳酸杆菌。较高的纤维摄入量导致促炎细胞因子IL-6和胰岛素抵抗减少。
✦ 发酵食品可以增加双歧杆菌和乳杆菌水平
除了常量营养素和纤维对肠道细菌的影响外,含有乳酸菌的发酵食品(例如发酵乳制品)也被发现可以增加双歧杆菌和乳酸杆菌的水平。
✦ 多酚具有抗氧化活性能够减少一些致病菌
最后但并非最不重要的是多酚,包括儿茶素、黄酮醇、黄酮、花青素、原花青素和酚酸(存在于水果、种子、蔬菜、茶、可可制品和葡萄酒等食品中),被发现可以增加拟杆菌,减少金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和梭菌等致病菌。
拟杆菌门的成员被假设可以降低细胞内的氧水平,从而有利于厌氧菌的生长,从而促进肠道平衡的维持,并且它们被认为是关键的聚糖降解细菌比厚壁菌门等其他类群更能代谢多酚。
多酚可以改变肠道环境,它们可以被肠道细菌分解代谢,将它们转化为多种化合物比原始化合物具有更强的抗氧化活性。
厚壁菌门/拟杆菌门(F/B比率)作为一个指标在很多关于肠道菌群的研究中被提及和表征,从疾病发生进展,到药物饮食干预,涉及肠道菌群的研究,首先会描述细菌门水平的变化,而人类或动物肠道细菌约90%都属于厚壁菌门与拟杆菌门,而它们的比率也被认为是肠道菌群动态平衡的标志。
拟杆菌门主要为革兰氏阴性菌,能激活T细胞介导的免疫反应,降解多糖保护肠道和其他病原菌,厚壁菌门主要为革兰氏阳性菌,尤其产丁酸的菌,但是更容易吸收能量。
但是肠道菌群受到抗生素,药物,年龄以及分析注释数据库等的影响,此外随着肠道菌群研究队列的扩大,以及对菌群构成与不同疾病状态和药物饮食等因素的相关性研究的深入,F/B比率作为一个相对粗放的指标已经无法准确反映复杂的肠道菌群状况。我们需要更加深入和全面的通过菌属甚至菌种的构成变化来解释和分析肠道菌群特征,并进而更准确的解释肠道菌群和健康及生活方式的关联。
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谷禾健康
Eubacterium 通常翻译为真杆菌属或优杆菌属
Eubacterium,革兰氏阳性细菌,属于真杆菌科,厚壁菌门。
Eubacterium 是在健康人结肠中发现的一种重要的肠道细菌,它是人类肠道微生物群的核心菌属之一,并显示出在大部分人群肠道,口腔等部位的广泛定植,对机体有营养代谢和维持肠道平衡有重要的作用。但是少数菌种可与其它兼性厌氧菌造成混合感染,引起人心内膜炎,盆腔炎等疾病。
这个家族的成员很重要,因为许多菌种产生短链脂肪酸,尤其丁酸。短链脂肪酸普遍被认为对维持人体健康具有多种重要作用,例如充当肠道上皮特殊营养和能量组分、保护肠道黏膜屏障、降低人体炎症水平和增强胃肠道运动机能等等。
F.prausnitzii、Eubacterium rectale、Eubacterium hallii、Roseburia gutis和Ruminococcus bromii是人类肠道中产生丁酸的主要物种。真杆菌属的几个成员均产生丁酸盐,丁酸盐在能量稳态、结肠运动、免疫调节和肠道炎症抑制中起着关键作用。
同时真杆菌属成员还被证明在以下过程中发挥关键作用:
胆汁酸和胆固醇转化
参与草酸盐分解代谢
促进抗炎分子的产生
预防气道过敏性炎症
降低胰岛素分泌并增加“健康”脂肪的水平
与下腹部脂肪之间的关联
…
在越来越多的肠道菌群研究中发现,Eubacterium的减少或缺乏与很多疾病相关,比如抑郁和/或疲劳、肥胖、IBD、II型糖尿病、心脑血管、结直肠癌、自闭症、老年肌少症、肠道健康以及肿瘤预后良好和肠道稳态状态等。
该属的多个物种目前被认为是微生物治疗的有希望的目标。事实上,基于谷禾长期的菌群检测实践与肠道微生物科学研究等达成的“共识”表明,肠道真杆菌属(Eubacterium)、罗氏菌属(Roseburia)和粪杆菌属, (Faecalibacterium, 也称为普拉梭菌)等的特定产丁酸盐微生物菌株属于对人类健康有益的菌属,其作用方式与乳杆菌属和双歧杆菌属菌株可能相同。
但是,需要注意的是,Eubacterium属正如下面进一步讨论的一样,很难定义,因为最初分配给该属的几个物种随后被重新分配给现有的或新的属。即使是现在,该属在系统发育上仍然是多样化的,成员可以被分配到几个谱系。认识到这种分类学的变化,我们将包括一些最近重新分配给其他属的前真杆菌属物种。此外,本文也将在很大程度上讨论对真杆菌属的与肠道以及健康相关的信息。
真/优杆菌属(Eubacterium)是人类胃肠道含量较为丰富的菌属,是人和动物口腔与肠道正常菌群的成员。
该属由系统发生学上和表型上不同的物种组成,使真杆菌属成为分类学上独特且具有挑战性的属。该属的特征是包含多种表型多样化的物种,革兰氏阳性,杆状生物属,非孢子形成,这些细菌的特点是坚硬的细胞壁。它们可以是能动的或不能动的。如果能动,它们就有鞭毛。通常单独出现,成对出现,或短链。偶尔与腹部、骨盆或泌尿生殖道的混合感染有关。
该物种是厌氧的,这使得真杆菌属的表型鉴定非常耗时,这可能一定程度抑制了对从粪便中分离的属成员的详细研究。
真杆菌属
Eubacterium
化能有机营养,发酵代谢,有些种利用碳水化合物。发酵葡萄糖或蛋白胨的主要产物通常包括大量的丁酸、乙酸或甲酸并有可测得的H2的混合酸。接触酶阴性,通常吲哚阴性。可能还原硝酸盐,可能液化明胶。
1938年首次提出,常在哺乳动物的口腔和肠道中发现,包括在反刍动物的瘤胃以及在环境中。
该属构成人类肠道微生物群的核心属之一,并显示出在全世界人类肠道的广泛定植,包括亚洲、非洲、澳大利亚、欧洲、南美洲、北美洲等不同人群中,表明该菌属具有高度的特异性和适应性。真杆菌属DNA(G + C)含量约为30~57mol%,代表菌种为黏液真杆菌。
多数物种要求特殊的厌氧培养技术和营养丰富的培养基,菌落通常低凸或平坦。这个属里的有些种在自然界中可被糖乳酸化或可运动。
本属细菌从碳水化合物或蛋白胨中产生有机酸混合物,其可能包括大量的丁酸、乙酸和甲酸。
根据Bergey的《细菌和古菌系统学手册》以及NCBI分类学的最新版本,真细菌属属于厚壁菌门、梭状芽胞杆菌目和真细菌科。
由于该属的定义相当宽松,目前该属中的许多物种不属于严格意义上的属,很可能会及时移至新的或现有的属中。
2020年爱尔兰Cotter 团队提供了该树的更新,以显示该属某些成员与其他密切相关物种之间的系统发育关系(下图)。
真杆菌属的系统发育关系
doi: 10.1080/19490976.2020.1802866
▸ 真杆菌属的重新分类
经过重新分类的真杆菌属的大多数成员被归入厚壁菌门,并广泛分布于其中。例如,E. formicgenerans和E. timidum,它们分别被重新分配到Dorea属和Mogibacterium属。
然而,其他几个成员已被重新分配到其他门;实例包括将真杆菌物种重新分配给Slackia 、Cryptobacterium和Eggerthela等属,所有这些属都属于放线菌门。
值得注意的是,某些E. cylindroides等真杆菌属物种可能同时表现出革兰氏阳性和革兰氏阴性特征,从而在分类学分配中经常实施的基本表型特征中产生歧义;这进一步导致了真杆菌属物种分类的相当大的混乱。
▸ 狭义的真杆菌属
有人提出,狭义真杆菌属的核心基因型仅限于该属的模式种Eubacterium limnosum,以及Eubacterium callanderi 、Eubacterium barkeri和Eubacterium aggregans,当有足够的基因组和系统发育证据支持时,其余物种可能被同化为/重新分类为现有或新属。
为实用起见,迄今为止,成员已根据系统发育特征分为子类别。提议的松散系统发育子类别之一包含E. rectale、E. oxidoreducens、E. ramulus、Roseburia cecicola和R. intestinalis,其中除E. oxidoreducens之外的所有物种都产生丁酸盐并且是糖分解的。
▸ 进一步分类的必要性
后来又有科学家提出了对其中一些物种进行重新分类的有力案例。E. eligens是一种重要的肠道真杆菌,已被发现与Lachnospira pectinoschiza具有相当大的系统发育和表型相似性,并且随着进一步证据的可用性而值得重新分类。
鉴于它们不同的表型和系统发育特征,某些对肠道健康很重要的真杆菌属物种已经或计划进行重新分类。例如,建议将E. hallii重新分类为Anaerobutyricum hallii Comb。
2020年11月,报道了一种类似的新型产丁酸盐和丙酸盐的物种Anaerobutyricum soehngenii。事实上,E. hallii与E. indolis、E. cellulosolvens、E. plexicaudatum、E. ruminantium、E. saburreum、E. xylanophilum、E. uniforme 和 E. ventriosum 一起构成了真杆菌属中有趣的种。
值得注意的是,这一群体的成员在系统发育上或表型上与该属中的其他物种没有亲缘关系,并表现出独特的特征,从而为每个物种创建一个新的属。
▸分类对人类微生物群研究影响大,重新分类需谨慎
此外,最近有人提议将最重要的肠道微生物之一直肠肠杆菌重新归类为直肠Agathobacter。然而,这种重新分类受到其他科学家等人的质疑。认为没有理由重新分类并指出其分类学或系统发育隶属关系的任何变化都将对人类微生物群研究产生重大影响。
可以理解的是,提出的分类学重新分配尚未被普遍接受,事实上,如前所述,在考虑真杆菌属任何成员的分类学分类和报告时必须小心。与属的分类有关的进一步努力应该主要关注基因型,并强调基因组特征。
真杆菌属目前的模式菌种为黏液真杆菌(Eubacterium limosum)。研究较多的是:
饮食是决定肠道菌群组成和多样性的最重要因素之一。就真杆菌属而言,它们在肠道中的存在在很大程度上与膳食纤维摄入量的增加有关,多项研究证真杆菌属对消化抗性复合碳水化合物的利用,并且已被证明随着饮食中蛋白质/脂肪百分比的增加而减少。
E. hallii和E. rectale被证明能够利用证明能够利用补充有抗性碳水化合物的培养基,即长链的果聚糖,如低聚果糖、高性能菊粉。
▸ 地中海饮食增加真杆菌属的数量
多项研究报告称,西方饮食中动物蛋白和脂肪的比例增加且纤维含量低,导致肠道细菌丰度显着下降,包括双歧杆菌和真杆菌属等理想的菌群。涉及地中海饮食的研究也表明,地中海饮食可以增加肠道中真杆菌属(Eubacterium)的数量。
研究显示45岁男性食用富含多不饱和 omega-3 脂肪酸的饮食时,肠道微生物群的变化,包括真杆菌在内的几种丁酸盐菌的丰度急剧增加,表明多不饱和脂肪酸对真杆菌的正向调节。
在衰老过程中,胃肠道会发生变化,包括粘膜屏障和肠神经系统的退化以及肠道运动的改变和胃肠道病变的增加。
▸老年菌群多样性↓,短链脂肪酸生成↓,肠道炎症↑
总的趋势是,老年人的微生物群多样性随着丁酸盐生产者的减少和潜在病原体数量的增加而减少。肠道中短链脂肪酸生成的减少可导致肠上皮细胞粘蛋白分泌受损,从而增加病原体进入肠粘膜的机会, 潜在的肠道炎症。
在老年人中,肠道相关淋巴组织 (GALT) 受损会加剧肠道炎症,导致无法有效控制常驻微生物群并导致肠细胞释放促炎细胞因子和趋化因子;后者驱动效应 TH1、TH2 和 TH17 细胞的分化。
与上面观察结果一致的是,在百岁老人中,在百岁老人中发现了E. hallii、E. rectale 和 E.ventriosum相对比例降低,而来自变形杆菌门的潜在致病细菌增加。
▸ 真杆菌:老年肠道微生物生态系统中的关键物种
后续的研究进行的一项广泛研究强调了真杆菌属的有益作用,其中调查了一大群老年人(n=612),以评估地中海饮食对其肠道微生物群的调节作用。作者报告称,真杆菌(Eubacterium)物种,如直肠真杆菌(E.rectale)和 E.eligens与一些较低虚弱、认知能力提高以及短/支链脂肪酸产量增加的标志物呈正相关。
真杆菌与炎症标志物如IL-2和C反应蛋白呈负相关。此外,网络分析显示,真杆菌属是老年肠道微生物生态系统中的关键物种。然而,与这些一般观察结果相反,其他研究推断出真杆菌属与年龄之间存在正相关。
短链脂肪酸有益于人类健康,它们由不同的结肠微生物群产生,包括来自真杆菌属的几种物种(上图)。
▸ E. rectale 是研究最广泛的真杆菌种之一
它首先从健康的日本-夏威夷男性的粪便中分离出来,被确定为主要的丁酸盐生产者,能够利用复杂的碳水化合物(如纤维二糖和淀粉)进行生长和增殖。
▸ 产丁酸的途径,与真杆菌相关
E. hallii也是人体肠道中的丁酸盐生产者。在肠道中,丁酸可以通过糖酵解从碳水化合物中产生,其中两分子乙酰辅酶A结合形成乙酰乙酰辅酶A,然后逐步还原生成丁酰辅酶 A。
目前已知丁酸CoA最终转化为丁酸的两种不同途径;这通过丁酸CoA:乙酸CoA转移酶途径或磷酸转丁酸酶和丁酸激酶途径进行。丁酰辅酶 A 转移酶途径与丁酸合成基因与直肠真杆菌和Roseburia等物种密切相关。
其他真杆菌种也采用相同的途径,例如E. hallii和E. biforme(现在重新归类为Holdemanella biformis)用于生产丁酸盐。
▸ 丁酸高产的真杆菌属——E. rectale 和 E. hallii
E. rectale和E. hallii随后被确定为肠道中的高产丁酸盐生产者。它们被发现是人类粪便微生物群中最丰富的 10 个成员之一,贡献了从 10 名健康志愿者的粪便样本中检索到的超过 44% 的丁酰辅酶 A:乙酸 CoA 转移酶序列。
瑞士最近的一项队列研究也表明,E. hallii 是婴儿肠道中丁酸的首批生产者之一。
▸ 转化为丙酸的1,2-丙二醇可被E. hallii 代谢
肠道微生物通过糖发酵的两种途径形成丙酸。虽然琥珀酸途径处理大多数戊糖和己糖产生丙酸,但丙二醇途径代谢脱氧糖如岩藻糖和鼠李糖。后者作为膳食(例如人乳低聚糖)或宿主衍生(粘蛋白)聚糖在肠道环境中很容易获得,并且在被各种肠道微生物利用后可以产生 1,2-丙二醇作为最终产物。虽然不能降解脱氧糖,但 1,2-丙二醇可被E. hallii代谢,已证明携带甘油/二醇脱水酶PduCDE,这是1,2-丙二醇转化为丙酸和丙醇并生成一个ATP的关键酶。
1,2-丙二醇转化为丙酸取决于维生素B12的有效性,并发生在称为多面体的小隔间内,以隔离有毒中间体丙醛。
虽然真杆菌属(Eubacterium)可以降解复合碳水化合物,但某些真杆菌属菌株可能缺乏降解特定复合碳水化合物的能力,并依赖于其他肠道微生物产生的代谢产物;然后,这些其他肠道微生物产生的发酵产物可以被真杆菌利用。
▸ 交叉喂养机制在真杆菌属生产短链脂肪酸中的重要性
已在多个实例中得到证明。在这些研究中,真杆菌与双歧杆菌在复合碳水化合物存在下共培养。这些双歧杆菌菌株能够降解阿拉伯木聚糖低聚糖和岩藻糖基乳糖等复合碳水化合物,可产生乙酸盐、乳酸和 1,2-丙二醇,所有这些物质又被真杆菌属吸收和利用,生成丁酸和丙酸。真杆菌属这种交叉喂养的证据。
这不仅强调了肠道微生物与抗性碳水化合物的产丁酸作用之间的协同相互作用,而且强调了肠道微生态整齐的生态互作,不是关注一个菌而是整体的菌群健康状况。同时也突出了真杆菌属在维持肠道健康中的生态作用。
研究已经证实丁酸盐构成了结肠细胞的主要能量来源,促进了它们的增殖、成熟,发育成健康的结肠。事实上,据报道,E. rectale (直肠真杆菌)优先定殖粘液层,从而增加丁酸盐对上皮结肠细胞的生物利用度。
▸ 短链脂肪酸促进肠道完整性
此外,短链脂肪酸已被证明在通过促进肠道完整性和调节免疫反应来调节肠道炎症方面发挥重要作用。短链脂肪酸可以通过上调紧密连接蛋白(例如 claudin-1 和 occludin)以及肠粘蛋白、粘蛋白 2 来改善肠上皮抵抗力。
▸ 短链脂肪酸激活GPCR,抑制HDAC
短链脂肪酸对免疫反应的调节,包括G 蛋白偶联受体 (GPCR) 的激活和组蛋白脱乙酰酶 (HDAC) 的抑制。 短链脂肪酸可以结合至少四种离散的 GPCR——FFAR2(游离脂肪酸受体)、FFAR3、GPR109a 和 Olfr78 作为配体,尽管具有不同的特异性。
▸ 短链脂肪酸抑制促炎细胞因子,上调抗炎细胞因子
一些研究表明,短链脂肪酸可以通过抑制促炎细胞因子(如 IFN-γ、IL-1β、IL-6、IL-8 和 TNF-α)发挥抗炎作用,同时上调抗炎细胞因子例如 FFAR2/FFAR3 依赖性方式的 IL-10 和 TGF-β。
GPR109a 激活结肠巨噬细胞和树突状细胞中的炎性体通路,从而诱导调节性 T 细胞和产生抗炎性 IL-10 的 T 细胞的分化。
doi: 10.1080/19490976.2020.1802866
▸ 短链脂肪酸增加IL-18 的产生
短链脂肪酸在肠上皮细胞 (IECs) 中激活 GPR109a 也可以增加 IL-18 的产生,IL-18 是修复和维持肠上皮完整性的关键细胞因子。丙酸盐和丁酸盐对 HDAC 活性的抑制与 IEC 中促炎细胞因子和趋化因子(如 CXCL8 和 CCL20)的表达下调有关。
短链脂肪酸对 HDAC 的抑制也与 β-防御素和导管素(如 LL-37)的表达增加有关。鉴于如上所述,短链脂肪酸广泛参与调节肠道健康,尤其是丁酸盐,由于肠道中短链脂肪酸分布的改变,涉及短链脂肪酸生产者的肠道微生物群失调具有重大影响。
注:组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase,HDAC)是一类蛋白酶,对染色体的结构修饰和基因表达调控发挥着重要的作用。
炎症性肠病 (IBD) 是胃肠道的严重和慢性炎症,其特征在于两种主要的临床表型:克罗恩病 (CD) 和溃疡性结肠炎 (UC)。克罗恩病涉及上皮壁所有层的透壁炎症,而溃疡性结肠炎仅影响浅表粘膜层。
▸ IBD患者真杆菌属持续减少
一般来说,IBD 反复表现出肠道微生物群失调,其特征是微生物群的多样性和时间稳定性下降。虽然微生物干扰在 IBD 的发病机制或病因中的确切作用仍在阐明,但包括真杆菌属(Eubacterium)在内的丁酸盐生产者的比例在 IBD 受试者中肠道中的持续减少。
▸ IBD患者丁酸水平降低
事实上,与非 IBD、健康个体相比,IBD 患者中梭菌簇 IV 和 XIVa 的丰度减少以及伴随的致病变形杆菌增加构成了 IBD 微生物失调的特征,可以被视为生物标志物。因此,在患有 IBD 的患者中通常会观察到肠道丁酸水平降低,从而导致宿主免疫系统调节不当。IBD 和实验性结肠炎患者肠道中短链脂肪酸水平降低也与调节性 T 细胞功能降低和炎症增加相关。
▸ 真杆菌在IBD中提供了丁酸盐介导的保护作用
用溃疡性结肠炎和克罗恩病患者粪便微生物群的体外研究表明,丁酸盐产生者较少,定植能力和丁酸盐产生能力降低;用已知的丁酸盐产生菌(包括真细菌属)补充IBD微生物群可恢复丁酸盐的产生,并改善上皮屏障完整性和定植能力。
真杆菌的作用在接受抗 TNF-α 治疗的患有 IBD 的儿童中,进一步证明了肠道健康中的丁酸盐-抗炎轴;E. rectale基线丰度较高的患者对治疗更敏感,E. rectale(直肠真杆菌)的存在预示着炎症的成功减轻。
在体外和小鼠模型中已经证明了E. limosum(粘液真杆菌)及其产生的短链脂肪酸对肠道炎症的保护作用。当TNF-α处理刺激时,由E.limsum产生的短链脂肪酸诱导T84结肠细胞生长,并降低结肠细胞IL-6和TLR4的表达,其中丁酸盐是最显著的效应物。此外,与对照组相比,当提供5%的E. limosum时,小鼠在结肠炎诱导时显示出体重和结肠长度的显著保留。这些观察表明,真杆菌属对肠道健康具有丁酸盐介导的抗炎作用,并将其作为炎症性肠道疾病的一种有吸引力的生物治疗药物。
到目前为止,真杆菌属与肥胖的关系仍存在争议,有几份报告表明真杆菌属和肥胖呈正相关。BMI通常被认为是用来衡量肥胖的参数;一些基于BMI的研究也报告了肥胖受试者体内真杆菌的丰度更高。
▸ 为什么肥胖人群真杆菌的丰度更高?
有趣的是,据报道,在接受治疗的肥胖受试者中,粪便短链脂肪酸减少的肥胖个体中总丁酸水平较高,这表明碳水化合物和脂质的同化增强,这可能导致肥胖表型。这一观察结果可以解释肥胖个体中丁酸盐产生菌(包括真杆菌属)的丰度较高。
仔细观察饮食干预研究表明,肥胖受试者中真杆菌属和其他丁酸盐产生者的比例可能主要受饮食影响。在几项研究中,肥胖个体肠道微生物对复合碳水化合物的利用受到限制,一直有报道称真杆菌属的显著减少。
对印度肥胖和非肥胖儿童进行的一项研究没有发现各组间直肠大肠杆菌(Eubacterium rectale) 丰度的差异。
综合来看,目前的证据表明,当通过合理数量的复合碳水化合物的持续供应在肠道时,真杆菌属和其他丁酸盐产生菌在肥胖个体中的比例增加,从而促进肠道中的能量提取。肥胖个体的饮食而非改变的代谢参数也可能驱动丁酸盐产生菌(包括真杆菌属)的生长和增殖。
▸ 肠道微生物群调节肥胖的确切机制仍在阐明中
丁酸盐已被证明可以缓解饮食诱导的肥胖和改善葡萄糖稳态,这使得很难得出线性结论。在推断肠道菌群和肥胖之间的直接关联时必须谨慎,因为对于具有多因素影响的代谢综合征,任何的相关性结论可能会过于简单。我们在检测实践中也发现,菌群可能只能解释60%左右的肥胖,肥胖是一种多因素代谢综合征,还与菌群外的其他很多因素相关。
在几项研究中,真杆菌属和丁酸盐产生菌与胰岛素敏感性呈正相关。最近的独立研究比较了健康和2型糖尿病个体的宏基因组,明确表明肠道微生物群与2型糖尿病病理生理学之间的潜在相关性。
▸ 2型糖尿病患者真杆菌显著减少
一项在中国和欧洲人群中进行的研究均报告了2型糖尿病受试者中丁酸盐产生菌(包括真杆菌属)的显著减少。其他研究表明,在人和小鼠胰岛素抵抗模型中,丁酸盐生产商(包括从瘦个体移植的真杆菌属)具有恢复作用。
▸ 粪菌移植后真杆菌的增加,代谢改善
事实上,粪菌移植后真杆菌的增加与胰岛素抵抗个体的代谢改善相关。当向肥胖和胰岛素抵抗的db/db小鼠口服给药时,已表明E.hallii显著改善胰岛素敏感性和能量代谢。
▸ 2型糖尿病的代谢调节,与菌群代谢产物短链脂肪酸相关
短链脂肪酸对肠道激素的刺激和对食物摄入的抑制,是2型糖尿病个体肠道微生物群调节宿主代谢的可能机制。这种提出的机制与观察结果一致,即与FFAR2受体结合的丁酸盐和丙酸盐可以调节饱腹激素,例如生长素释放肽(促食欲肽)、胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和PYY(促食欲肽) 。
短链脂肪酸对生长素释放肽和 GLP-1/PYY 的相反调节,其中 GLP_1/PYY 上调,生长素释放肽下调,确保减少食物摄入、饱腹感和减少肥胖。 Ghrelin,也与产生丁酸盐的E. rectale呈负相关。
注:Ghrelin,也被称为“饥饿激素”,刺激食欲,在饭前分泌,而 GLP-1 和 PYY 由肠内分泌 L 细胞合成和释放,刺激胰腺 β 细胞分泌胰岛素,减少食物摄入,使能量正常化摄入量和体重减轻。
▸ 直肠真杆菌高丰度与较低的餐后血糖反应呈正相关
一个大型队列(n=800)进行了一项基于机器学习的研究,以便使用从饮食习惯、肠道微生物群、人体测量、身体活动和血液参数中得出的综合特征数据集来预测个体的个性化餐后血糖反应,也支持真杆菌属在胰岛素敏感性中的肯定作用。在他们的研究中,肠道微生物组的72个特征被推断为具有预测性,其中直肠大肠杆菌(Eubacterium rectale)是最强大的特征之一,肠道中较高的细菌丰度与较低的餐后血糖反应呈正相关(n = 430)。
▸ 真杆菌产生的丁酸盐改善胰岛素敏感性和饱腹感
真杆菌产生的丁酸盐也可以通过HDAC(组蛋白去乙酰化酶)抑制介导的胰腺β细胞重编程来改善胰岛素敏感性和饱腹感,从而为2型糖尿病患者提供额外的益处。
▸ 真杆菌产生的短链脂肪酸有助于恢复炎症
据报道,2型糖尿病中存在低度炎症,其中炎症分子在胰岛素靶组织中上调,并导致胰岛素抵抗。例如,TLR4依赖性通过激活胰岛中的巨噬细胞和β细胞产生促炎细胞因子,导致β细胞的调节失调、功能受损和生存能力下降。由真杆菌产生的短链脂肪酸可通过上述机制有助于恢复生理炎症环境。2型糖尿病中其他肠道丁酸盐产生者的持续减少也加强了这种联系。因此,目前的观察结果一致表明,真杆菌属是缓解2型糖尿病的积极贡献者,应被视为一种潜在的治疗方法。
20世纪30年代首次报道了肠道细菌将胆固醇转化为粪甾醇(coprostanol),此后进行了几项研究,以确定能够将胆固醇转化成粪甾醇的细菌。许多已鉴定的微生物最终被归入真细菌属。
▸ 可降解胆固醇的真杆菌:
——Eubacterium coprostanoligenes HL
Eubacterium coprostanoligenes HL (ATCC 51222) 代表了一种这样的细菌,该菌是从生猪污水泻湖中分离出来的,并且由于其降低胆固醇的特性而受到相当大的关注。
尽管随后有报道称多氏拟杆菌 (Bacteroides dorei)、乳杆菌(Lactobacillus sp)和双歧杆菌(Bifidobacterium sp)具有胆固醇利用特性,但这些特性似乎是暂时性的,可能会丢失,从而使Eubacterium coprostanoligenes HL成为唯一可降解胆固醇的可培养肠道分离物。
▸ 肠道微生物群中E. coprostanoligenes 的存在与粪便粪甾醇密切相关
最近,在肠道宏基因组中发现了E. coprostanoligenes 的3β-羟基类固醇脱氢酶同系物,可将胆固醇转化为粪甾醇。
有趣的是,这些肠道甾醇代谢A基因(ismA)被归因于尚未培养的肠道微生物,它们与生命树中的真杆菌物种形成了一个连贯的分支,并可能代表了参与肠道胆固醇降低的新真细菌物种。
▸ Eubacterium coprostanoligenes的胆固醇代谢
doi: 10.1080/19490976.2020.1802866
来自膳食和额外膳食来源的近1克胆固醇每天到达人体结肠,在那里由共生肠道细菌代谢为粪甾醇。与胆固醇不同,粪甾醇在肠道中吸收不良,并被认为对胆固醇代谢和血清胆固醇水平的调节有影响。
发现血浆胆固醇水平与粪便中胆固醇与粪甾醇的比例之间存在反比关系,这一观点得到了证实。因此,胆固醇向共甾醇的转化被认为是人类胆固醇稳态管理的新策略。作为一种延伸,研究了肠道内高度参与粪甾醇代谢的真杆菌属(Eubacterium spp)的降胆固醇作用。
▸ 动物实验发现E. coprostanoligenes降低胆固醇
据报道,喂食E. coprostanoligenes的高胆固醇血症兔子的血浆胆固醇水平降低,消化液中的粪甾醇/胆固醇比值增加。在这些兔子中观察到的效果进一步归因于E. coprostanoligenes降胆固醇,因为E. coprostanoligenes优先在空肠和回肠中定殖,这两个地方都是胆固醇吸收的场所。在无菌小鼠中也发现了类似的观察结果。
代谢组学和宏基因组学联合研究的其他结果已经确定了多种细菌门型,包括 Eubacterium eligens ATCC 27750 发光真杆菌ATCC 27750(p=1.477e-02)与高粪便粪便甾烷醇显着相关。
▸ 肠道菌群的变化与胆固醇转化速率直接相关,从而影响心血管疾病风险
动脉粥样硬化性心血管疾病 (CVD) 发展过程中的关键风险因素包括血液胆固醇水平失衡和血清低密度脂蛋白胆固醇浓度高。事实上,CVD 患者的肠道胆固醇吸收更高。值得注意的是,肠道微生物群的变化与胆固醇转化为粪前列醇的速率直接相关,而胆固醇转化为粪前列醇的效率高与 CVD 风险降低有关。
由于它们的降胆固醇作用,真杆菌属和其他降低胆固醇的微生物可以预防心血管疾病。
事实上,肠道真杆菌属在动脉粥样硬化受试者中,与已动脉粥样硬化标志物(如低密度脂蛋白、胆固醇和白细胞)呈显着负相关。当给小鼠喂食甲硫氨酸-胆碱饮食以诱发非酒精性脂肪性肝炎时,小鼠肠道中的Eubacterium coprostanoligenes 也减少了,其中对肝脏的损害会抑制内源性胆固醇的产生。
胆汁酸 (BA) 是宿主产生的代谢物,来源于肝脏周围肝细胞中的胆固醇。
我们来了解一下肝肠循环。
胆酸 (CA) 和鹅去氧胆酸 (CDCA) 是肝脏中产生的主要 BA,然后与牛磺酸或甘氨酸结合,然后暂时储存在胆囊中;这些胆汁酸随后经过餐后分泌到达肠道。肠道中 95% 的总胆汁酸池被有效吸收并通过门静脉循环回肝脏,这个循环过程被称为肠肝循环。其余的作为肠道细菌代谢的底物,构成胆固醇从体内排泄的关键途径。
胆汁酸可以以多种形式出现,包括初级胆汁酸、次级胆汁酸、共轭或非共轭。肠道微生物群的各种成员都能够转化胆汁酸,从而影响局部胆汁酸库的组成以及宿主生理学的其他各个方面。
有胆汁盐水解酶(BSH)酶的肠道微生物(包括真杆菌属)能够水解共轭胆汁酸中的C-24 N-酰基酰胺键,以释放甘氨酸/牛磺酸部分。
真杆菌对胆汁酸的修饰与肠肝循环
doi: 10.1080/19490976.2020.1802866
▸ 真杆菌参与人体代谢,通过影响胆汁酸的溶解率,影响胆固醇水平
事实上,真杆菌属与其他属(如Roseburia和Clostridium)一起构成了肠道中胆汁盐水解酶的主要储存库。解偶联使BAs的pKa增加到约5,从而使其不易溶解,这反过来导致胆固醇从头合成所损失的胆汁酸的吸收和补充效率低下。
▸ 调节胆汁盐水解酶活性来调节宿主的体重增加和胆固醇水平
胆汁盐水解酶活性广泛分布于肠道微生物群中,因此可以通过调节胆汁盐水解酶活性来调节宿主的体重增加和胆固醇水平。解偶联还通过产生的游离胆汁酸重新捕获和输出共转运的质子,从而帮助胆汁解毒,从而抵消 pH 值。
▸ 肠道细菌转化胆汁酸的方式:生成异胆汁盐
肠道细菌转化胆汁酸的另一种方式是通过C3、C7和C12位羟基的氧化和差向异构化,从而生成异胆汁盐(β-羟基)。
聚合涉及从α构型到β构型的可逆立体化学变化,反之亦然,生成稳定的氧代胆汁酸中间体。这一过程由α-和β-羟基类固醇脱氢酶(HSDHs)催化,可以由含有两种酶的单个细菌物种进行,也可以通过两种物种之间的原合作进行,每个物种贡献一种酶。据报道,包括真杆菌在内的几个物种具有HSDH活性。
▸ 肠道中胆汁酸的细菌转化,真杆菌能够进行
肠道中的细菌 7α-脱羟基酶将初级胆汁酸、CA 和 CDCA 分别转化为脱氧胆酸 (DCA) 和石胆酸 。尽管从数量上讲,7α-羟基化代表了肠道中胆汁酸最重要的细菌转化,但据报道只有少数肠道微生物群的不同成员,如真杆菌和梭菌XIVa 簇能够进行这种反应。
▸ 真杆菌:催化初级胆汁酸7α-脱氢化,对肠道健康有重要影响
对真杆菌菌株 VPI 12708 的研究已经鉴定出由胆汁酸诱导型 ( bai ) 操纵子编码的酶,该操纵子催化初级胆汁酸7α-脱氢化的多步途径。
脱氧胆酸DCA 和 石胆酸LCA 通过真细菌对初级胆汁酸的 7α-脱氢化作用产生属 可对主要通过胆汁酸信号受体表现出来的肠道健康和体内平衡产生重大影响。DCA 和 LCA 都是核激素受体法尼醇 X 受体 (FXR) 的高亲和力配体;DCA 或 LCA 激活肠道 FXR 会上调成纤维细胞生长因子 19 (FGF19) 的表达,后者又与肝成纤维细胞生长因子受体 4 (FGFR4) 结合,随后下调肝细胞中胆汁酸的合成。
胆汁酸诱导的信号通路影响胆汁酸稳态和炎症
doi: 10.1080/19490976.2020.1802866
▸ FXR促进抗炎特性,有助于控制病原体
主要是通过抑制 NF-κB 通路和胆汁酸解毒,通过调节增殖物激活受体 α (PPARα)。据报道,FXR 激活可诱导抗菌肽的表达,从而有助于控制病原体。
▸ TGR5刺激GLP-1和胰岛素分泌,调节炎症反应
TGR5是一种在与胆汁酸相互作用后激活各种细胞内通路的 GPCR,它也以胆汁酸池中最高的亲和力结合 LCA 和 DCA。一旦被激活,TGR5 会刺激肠促胰岛素激素 GLP-1 和胰岛素的分泌,从而促进能量消耗。
此外,TGR5 可以调节炎症反应,这在本质上可以是促炎或抗炎的;BA-TGR5 信号在肠道促炎细胞因子和抗炎细胞因子的复杂平衡中起着关键作用。
LCA 和 DCA 还与孕烷 X 受体 (PXR)、维生素 D 3受体 (VDR) 和组成型雄激素受体 (CAR) 结合,以不同方式影响胆汁酸稳态和胆汁酸解毒。
生产LCA和DCA的真杆菌属是TGR5的高亲和力配体。
胆汁酸信号受体对微生物群诱导的次生胆汁酸的强亲和力,突出了包括真菌属在内的肠道菌群如何通过胆汁酸信号调节胆汁酸稳态、胆汁酸解毒、控制和维持肠道细菌生长、炎症和血糖反应。
▸ 高脂饮食过度刺激->次级胆汁酸的产生↑->促炎
受饮食和其他因素调节的肠道微生物群可导致特定的胆汁酸分布,进而产生重要后果。高脂肪饮食(HFD)(如西方饮食)过度刺激胆汁酸向肠道的排放,导致肠道微生物群失调,并增加次级胆汁酸的产生,特别是LCA和DCA。
DCA和LCA是胆汁酸池中最疏水的,升高的水平可能具有细胞毒性;DCA和LCA产生的有害影响可通过对DNA的氧化损伤、引发促炎反应和增加细胞增殖来破坏结肠上皮的结构和功能。
▸ LCA/DCA的增加间接与真杆菌相关
在喂食高脂肪饮食的小鼠中,LCA/DCA的增加与梭状芽孢杆菌(一种来自XI梭状芽胞杆菌簇的细菌)丰度的增加相关。令人惊讶的是,据报道,真杆菌属的梭状芽孢杆菌簇XIVa是次要的贡献者,尽管它们表现出7-α羟基化性质。
如上所述,这种观察结果与真细菌属一致,真细菌属受到高脂肪饮食(HFDs)的负调节。
高脂饮食引起的肠内继发胆汁酸的重吸收增加,随后转运至肝脏,导致肝脏炎症。由于炎症增加导致FXR信号减少,导致肝胆汁酸转运蛋白功能降低,这会导致持续的肝脏炎症,最终导致肝细胞癌。
肝脏疾病(如肝细胞癌、脂肪酸肝病(FLD)、纤维化和肝硬化)中的生物失调还表现为需氧、促炎、富含BSH的细菌(如肠杆菌和肠球菌)的增加,这也导致继发胆汁酸的产生增加。
▸ 肝病患者粪便真杆菌比例较低
事实上,在非酒精性脂肪肝(NAFLD)患者中,粪便中的初级和次级胆汁酸之间的比率以及血清中结合和非结合胆汁酸的水平更高,而真细菌在肝脏疾病中的比例始终较低。与健康个体相比,患有纤维化和肝硬化的受试者的肠道微生物组真细菌种类(如E. rectale, E. hallii 和 E. eligens )显著减少。
肠道微生物群产生的二级胆汁酸也可能在结直肠癌(CRC)的发展和建立中发挥关键作用。
▸ 结直肠癌患者中真杆菌属显著减少
如上所述,丁酸盐抑制结直肠癌的发生,并且在结直肠癌患者中通常观察到包括真杆菌在内的肠道中产丁酸盐菌的显著减少。几种丁酸盐生产者,包括属于梭状芽胞杆菌簇 XIVa 的真杆菌属,可以通过初级胆汁酸(BA) 的 7-α 羟基化额外产生次级 BA。
据报道,在患有肠道慢性炎症的 IBD 受试者中,二级 BA 水平显着降低,同时粪便结合 BA 增加,梭菌簇 XIVa 显着减少。
次级 BA 水平的降低导致次级 BA 对肠上皮细胞的抗炎作用丧失,从而加剧慢性炎症。尽管 IBD 中丁酸盐生产者和二级 BA 生产者的损失是分开进行的,但这两个群体有很大的重叠,并且都在肠道慢性炎症中被耗尽。
▸ 炎症性肠病患者中真杆菌属显著减少
事实上,最近对肠道宏基因组的生物信息学分析显示,IBD患者中丁酸盐产生者F.prausnitzii和E.rectale的数量显著减少。可以理解的是,这组丁酸和次级胆汁酸产生细菌(包括真杆菌属)的缺失促进了IBD的发展,并可能最终发展为结直肠癌,因为在那里观察到类似的肠道微生物群。
实际上,胆汁酸分布和/或肠道微生物群的调节正被作为肝癌和结直肠癌的新治疗方法。
▸真杆菌改善自闭症儿童症状和肠道问题
我国陆军军医大学的专家,去年在《Frontiers in Cellular and Infection Microbiology》上发表了研究报告,指出真杆菌是通过肠道菌群调整,改善自闭症患儿症状,及肠道问题的重要关键菌群。而且该研究验证了特定细菌,即真杆菌特别是其中的产粪甾醇真杆菌(Eubacterium coprostanoligenes)丰度变化,可以改善患自闭症患儿症状和多种肠道问题,也让调整肠道菌群成为治疗自闭症的新手段。
▸真杆菌可能避免患上痴呆症
来自日本东京工业大学的 Takuji Yamada 团队通过粪便 16S rRNA 基因测序比较了健康、轻度认知功能障碍(Mild cognitive impairment,MCI)和阿尔茨海默病组的肠道微生物组成,发现肠道关键菌株——普拉梭菌 Faecalibacterium prausnitzii(F. prausnitzii)具有保护人避免患上痴呆症的作用,此外,真杆菌属在两组之间也是存在显著差异,普拉梭菌和真杆菌都是产丁酸重要的肠道核心菌,可以推断真杆菌属可能也具有保护人避免患上痴呆症的作用。
▸重度抑郁症的真杆菌水平较低
来自中国和美国三个不同机构的的一组研究人员,最近在《Science Advances》上发表了一项研究,指出了人类肠道微生物组紊乱与重度抑郁症(MDD)之间的联系。研究人员从156名重度抑郁症患者和155名没有重度抑郁症的人中,收集了311份粪便样本进行基因分析,发现重度抑郁症患者的粪便样本中,出现了高水平的拟杆菌属 和较低水平的真杆菌和布氏杆菌(Blautia)。这意味着,重度抑郁症患者可能具有独特的肠道微生物特征,其中真杆菌是重要的菌群特征菌。
常驻微生物群对肠道中特定化合物的代谢转化对人类健康至关重要。人体无法解毒或分解的物质可能会进入肠道,从而导致毒性作用。
真杆菌属已被证明能够在肠道中进行重要的代谢转化,对人类健康产生积极影响,包括将有毒化合物解毒为更良性的形式。
▸E.hallii 将致癌物转化为不可用形式
最近报道了E.hallii的多种有益转化。E.hallii非常擅长将高度丰富的食物衍生杂环芳香胺致癌物2-氨基-1-甲基-6-苯基咪唑并(4,5-b)吡啶(PhIP)转化为生物学上不可用的形式7-羟基-5-甲基-3-苯基-6,7,8,9-四氢吡啶并[3′,2′:4,5]咪唑并[1,2-α]嘧啶-5-鎓氯化物(PhIP-M1)。
▸E.hallii 转化后的显示其作为保护剂的潜力
此外,在模拟的近端和远端结肠菌群存在的情况下,E.hallii的PhIP转化导致其丰度分别增加300倍和120倍,表明其作为保护剂的巨大潜力。
在同一项研究中,还观察到E.hallii能够将甘油代谢为3-羟基丙醛(3-HPA),其在水溶液中以罗伊氏菌素(Reuterin)的形式存在。有趣的是,罗伊氏菌素已被证明对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌、真菌和酵母具有抑制作用,可能通过调节细胞内谷胱甘肽增加氧化应激,从而使其成为治疗的一个有吸引力的靶点。
注:Reuterin是罗伊氏乳杆菌代谢甘油产生的一种特有广谱抗菌物质,它是一种复杂混合物,主成分为3-羟基丙醛,对多种病原微生物均有较强的抑制作用,在生物防腐方面极具潜力
除了生产短链脂肪酸,需要进一步的研究来真正开发真细菌属所能提供的所有潜在益处。
老年肌少症(Sarcopenia)是以肌肉量减少、肌力下降和肌肉功能减退为特征的增龄性疾病。研究表明肠道微生物可以通过参与宿主体内的多条代谢通路来影响宿主肌肉量与肌肉功能。
北京协和医院共招募87名受试者,包括11名肌少症患者、16名可能肌少症(Possible Sarcopenia)患者和60名健康对照受试者发现毛螺菌属(Lachnospira)、真杆菌属和瘤胃球菌属(Ruminococcus)与握力具有显著正相关性(P < 0.05),罗氏菌属(Roseburia)、真杆菌属(Eubacterium)和蓝绿藻菌属(Lachnoclostridium)与五次起坐时间具有显著负相关性(P< 0.01),结果提示这些菌属的降低与肌肉量的减少和功能的降低存在相关性。
Eubacterium
真杆菌属(Eubacterium)是一组系统发育多样的微生物,这一事实使得相关的分类学分配具有挑战性。
但是,该属的许多现任和前任成员都表现出与肠道健康密切相关,并且作为主要的丁酸盐生产者和核心肠道微生物群组成部分,非常重要。
真杆菌在调节炎症、调节免疫反应、维持肠道屏障完整性、调节血糖反应和胆固醇稳态等方面发挥重要作用。在几种临床条件下与有益效果的强相关性促使人们对该属产生了进一步的兴趣,多个物种被考虑作为下一代益生菌/生物治疗剂进行商业尝试。
最值得注意的是,目前国际上已正在创建含有E. hallii菌株的口服制剂作为生物治疗药物,以降低患有代谢综合征的个体的胰岛素抵抗并预防2型糖尿病的发展。
但是,应该警惕的是,我们对所有相关物种的肠道微生物群在多大程度上影响临床状况以及反之亦然的理解仍然有限。可能需要对严格控制的饮食方案进行纵向研究,在长时间内评估肠道微生物群和相关健康参数,谷禾也在积极推进这样的研究合作,以阐明此类因果关系。
关于真杆菌属的体外和体内表征,需要在基因组、代谢组以及最终在生态水平上进行研究。这将使我们能够更好地了解相对未被充分研究的真杆菌属与肠道微生物组的其他成员相互作用(这也是我们非常看重的),比如它们与其他潜在的下一代健康促进微生物(如Akkermansia muciniphila和F. prausnitzii)分离和组合,以确保其在循证肠道治疗中的有效实践(这也是我们非常看重的)。
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谷禾健康
微生物群代表宿主肠道中存在的整个微生物群。肠道内细菌界的“贫富差距”非常大,和人类社会创造的大部分的财富都流向少部分人口的现实类似,只有少数几十种的细菌分布在近乎90%的人群中。换句话说,大部分细菌都只能在特定的环境中生存,只有少数细菌适应能力超强,这可能也是我们需要重点关注的对象。
如果把不同细菌品种看作互相竞争的国家,那么细菌界的“超级大国”就属拟杆菌门和厚壁菌门了。当然它们都不是单独某一种细菌,而是一大类细菌的统称。
然而近年来随着患有肠内外疾病的人群越来庞大,变形菌门也逐渐被关注和研究,变形菌门是含有最丰富细菌的门,麾下包括多种“著名的”病原菌,如大肠杆菌、幽门螺杆菌、克雷伯氏菌、沙门氏菌、志贺氏菌、绿脓杆菌、霍乱弧菌、空肠弯曲菌、鼠疫杆菌、脑膜炎双球菌、淋球菌等,让其备受关注。
事实上,越来越多的数据将变形菌确定为疾病的可能微生物特征。目前主要证据涉及代谢紊乱和炎症甚至癌症。然而,最近的研究表明,在哮喘和慢性阻塞性肺病等肺部疾病中也有作用,有些疾病中变形菌不受控制扩张导致疾病易感和发生。
变形菌(proteobacteria)是细菌中最大、种类最多的一个门,它们在系统发育、生态和致病方面具有广泛的重要性。所有变形菌都是革兰氏阴性菌,外膜主要由脂多糖组成。
图源:esacademic
变形菌门主要是由核糖体RNA序列定义的,名称取自希腊神话中能够变形的神普罗透斯(这同时也是变形菌门中变形杆菌属的名字),因为该门细菌具有极为多样的形状,代谢特征等。
△ 形状:杆状和球菌、弯曲的、螺旋状的、环状的、丝状的和带鞘的细菌都有。
△ 新陈代谢:新陈代谢类型也多种多样,一系列代谢特征包括化学自养(从无机化合物的氧化中获取能量)、化学有机营养(从有机化合物的氧化中获取能量)和光养(从光中获取能量)。
△ 氧气利用:从严格厌氧菌和严格需氧菌到兼性厌氧菌和微需氧菌株的都有,但是大多数变形菌门的成员是兼性厌氧菌。
△ 运动:许多使用鞭毛移动,但有些不能移动或依赖细菌滑动,而一些细菌是不运动的。
△ 生态分布:变形菌门的成员具有极大的可变形态和多才多艺的生理学,这使它们在各种生态位中生存具有竞争优势。已观察到变形菌在不同生境中无处不在。
Shin NR, et al., Trends Biotechnol. 2015
植物 、海水、淡水 ,空气,以及人和动物的身体部位,包括肠道、口腔、皮肤、阴道。尽管存在研究间差异,但健康人口腔微生物群的变形菌相对丰度最高(17.2-36.8%),其次是皮肤(6.8-30.0%)、胃肠道(2.5-4.6%)和阴道(2.3%)。
在系统发育学上,变形菌是根据小核糖体亚单位RNA基因(16S rRNA)的测序定义的。这是一个巨大的革兰氏阴性原核生物门,原线粒体起源于此。
图片来源:Maria Lane,eportfolio
该门主要分为以下几大类:
最初,变形菌包括 α、β、γ 和 δ 四个亚类。ε变形菌 和 δ变形菌 通常被认为是最古老的变形菌群,因为它们包括利用硫化合物进行能量代谢的专性厌氧菌。
α变形菌(Alpha-proteobacteria)
第一类变形菌是α-变形菌。这一类的统一特征是它们是寡营养生物,能够生活在低营养环境中,如深海沉积物、冰川或深层地下土壤。同时α-变形菌是多样化的细菌分支之一,在生活方式、地理分布和基因组大小方面表现出极大的差异。
在 α-变形菌 中有两个重要分类群,衣原体和立克次体,它们是专性细胞内病原体,这意味着它们的部分生命周期必须发生宿主细胞内。由于它们无法合成自己的三磷酸腺苷 (ATP),因此,量需求依赖宿主于细胞。
立克次体属是人类很多严重疾病的病原体。例如,布鲁氏菌属、埃立克体属和立克次氏体。立克次氏杆菌会导致落基山斑疹热,这是一种威胁生命的脑膜炎(包裹大脑的膜发炎)。R. rickettsii 感染蜱,并可以通过被感染的蜱叮咬传播给人类。此外,布鲁氏菌科(Brucellaceae)和巴尔通氏菌科(Bartonellaceae)的细菌是人类病原体。
α-变形菌 还包括固氮细菌,例如固氮螺菌属和根瘤菌属。这两种细菌都使用一种称为固氮酶途径的复杂酶途径将大气中的氮 (N2) 转化为氨 (NH3)。此外,α变形菌还包括硝化细菌。这种类型的细菌将氨和铵 (NH4+) 还原为硝酸盐 (NO3–)。乙酸杆菌属和葡糖杆菌属的变形菌可用于生产乙酸。
β变形菌(Beta-proteobacteria)
与依靠最少量营养物质生存的 Alpha-proteobacteria 不同,Beta-proteobacteria 类是富营养生物,这意味着它们需要大量的有机营养物质。
Beta-proteobacteria 通常在需氧和厌氧区域之间生长(例如,在哺乳动物的肠道中)。一些属包括作为人类病原体的物种,能够引起严重的,甚至可能危及生命的疾病。例如,奈瑟球菌属包括淋病奈瑟菌( STI淋病的病原体)和脑膜炎奈瑟菌(细菌性脑膜炎的病原体)
β变形菌中的亚硝化单胞菌可以将亚硝酸盐还原为亚硝酸盐 (NO2–)。同时,硫杆菌属物种是将硫化氢 (H2S) 和元素硫氧化成硫酸盐 (SO42-) 的细菌,以及用于污水处理的菌胶团(Zoogloea)和Sphaerotilis 。
γ变形菌(Gamma-proteobacteria)
最多样化的革兰氏阴性细菌是γ-变形菌,它包括许多人类病原体。包括几个医学和科学上重要的细菌群,例如肠杆菌科、弧菌科和假单胞菌科。
此外,许多重要的病原体属于这一类,例如:
Richard B. Frankel
△ 铜绿假单胞菌
一个庞大而多样的科,假单胞菌科,包括假单胞菌属。铜绿假单胞菌在该属内,它是一种病原体,可以造成身体不同部位的各种感染。铜绿假单胞菌是一种严格需氧、不发酵、高度运动的细菌。
它通常可能造成伤口和烧伤感染,也可能是慢性尿路感染的原因,并且可能是囊性纤维化患者或机械呼吸机患者呼吸道感染的重要原因。
铜绿假单胞菌感染通常难以治疗,因为该细菌对许多抗生素具有抗性,并且具有形成生物膜的非凡能力。
△ 肠杆菌科
肠杆菌科是属于γ-变形菌 的一大类肠道细菌。它们是兼性厌氧菌,能够发酵碳水化合物。在这个家族中,微生物学家认识到两个不同的类别。
第一类,大肠杆菌,以其原型细菌种类大肠杆菌命名。大肠菌能够完全发酵乳糖(即产生酸和气体)。
第二类,非大肠杆菌,要么不能发酵乳糖,要么不能完全发酵(产生酸或气体,但两者不能同时产生)。
非大肠杆菌包括一些值得注意的人类病原体,例如沙门氏菌属,志贺氏菌,鼠疫耶尔森氏菌。
δ 变形菌(Delta-proteobacteria)
δ-变形菌(Delta-proteobacteria )包括基本好氧的形成子实体的粘细菌和严格厌氧的一些种类,如脱硫球菌属(Desulfococcus)、脱硫线菌属(Desulfonema)、硫酸盐还原菌(脱硫弧菌属(Desulfovibrio)、脱硫菌属(Desulfobacter)、和硫还原菌(如除硫单胞菌属Desulfuromonas),以及具有其它生理特征的厌氧细菌,如还原三价铁的Geobacter和互营菌属(Syntrophus)。
△ 蛭弧菌属:
δ-变形菌还包括蛭弧菌属,Bdellovibrio侵入宿主细菌的细胞,将自身定位在周质中,即质膜和细胞壁之间的空间,以宿主的蛋白质和多糖为食。这种感染对宿主细胞是致命的。
△粘细菌:
粘细菌(“粘液细菌”)是一组主要生活在土壤中并以不溶性有机物质为食的细菌。与其他细菌相比,粘细菌具有非常大的基因组,例如 9-1000 万个核苷酸。
Sorangium cellulosum 拥有最大的已知(截至 2008 年)细菌基因组,有 1300 万个核苷酸。
粘细菌产生许多在生物医学和工业上有用的化学品,例如抗生素。他们将这些化学物质输出到细胞外。
ε变形菌(Epsilon-proteobacteria )
ε-变形菌(Epsilon-proteobacteria) 是革兰氏阴性微需氧细菌(意味着它们在其环境中只需要少量氧气)。多数是弯曲或螺旋形的细菌,如沃林氏菌属(Wolinella)、螺杆菌属(Helicobacter)和弯曲菌属(Campylobacter)。它们都生活在动物或人的消化道中,为共生菌(沃林氏菌在牛中)或致病菌(螺杆菌在胃中或弯曲菌在十二指肠中)。
△ 弯曲杆菌:
变形菌门Epsilon-proteobacteria 中的两个临床相关属是弯曲杆菌属和螺杆菌属,它们都包括人类病原体。
弯曲杆菌可引起食物中毒,表现为严重的肠炎(小肠发炎)。这种由空肠弯曲杆菌引起的疾病在发达国家相当普遍,通常是因为食用了受污染的家禽产品。鸡通常携带空肠弯曲杆菌在胃肠道和粪便中,它们的肉在加工过程中可能会受到污染。
△螺杆菌:
螺杆菌是ε-变形菌的一个属,具有特征性的螺旋形状。它们最初被认为是弯曲杆菌属的成员,但自 1989 年以来,它们独立为自己的属。
螺杆菌属属于ε-变形菌,弯曲杆菌目,螺杆菌科,已经有超过 35 种。已经发现一些菌生活在上胃肠道的内壁,以及哺乳动物和一些鸟类的肝脏中。
该属中最广为人知的物种是幽门螺杆菌,它感染多达 50% 的人口。这种细菌的某些菌株对人类具有致病性,因为它与消化性溃疡、慢性胃炎、十二指肠炎和胃癌密切相关。它也作为该属的模式种。
幽门螺杆菌在胃的高酸性环境中存活的能力有些不同寻常。它产生脲酶和其他酶来改变其环境以降低其酸性。
幽门螺杆菌也有它存在的意义,可能抑制引起结核的细菌(结核分枝杆菌),预防哮喘,克罗恩病,食管反流,腹泻病以及食道癌。
❥ 识别微生物编码的基因,与特征相关联
栖息在哺乳动物肠道中的微生物编码了大量的蛋白质,这些蛋白质有助于广泛的生物功能,从调节免疫系统到参与新陈代谢。
我们从这些微生物中识别蛋白质编码基因并将基因水平与疾病、药物功效或副作用以及其他宿主特征相关联。
例如,与传统的高纤维农业饮食相关的人类肠道微生物群编码了参与纤维素和木聚糖水解的基因家族,而这些基因家族在吃典型西方饮食的人群(年龄匹配)中不存在。
一般编码适应肠道环境所必需的功能的微生物有很强的选择性,在不同宿主中具有大量冗余的基因库。然而,目前的研究和临床很容易忽略健康人类微生物组之间基因丰度的生理意义差异。
❥ 较少丰度的变形菌门,才是是跨宿主丰度变异性最大的基因的主要来源
人体肠道通常由拟杆菌门和厚壁菌门主宰,这些门内的进化枝(尤其是拟杆菌属、普氏菌属和瘤胃球菌科)是最常用于将个体聚集成“肠型”,因为它们解释了最多的分类变异。Bacteroidetes 与 Firmicutes 的比率也被推定为疾病或健康的潜在生物标志物。
有人提出,人类肠道微生物组中可能存在少量“肠型”,每一种都具有不同的分类组成。因此,虽然拟杆菌门和厚壁菌门可能对宿主之间的分类变异贡献最大,但变形菌门的丰度可能会捕获更多的功能变异。
与先前确定的肠型标记分类群相比,变形菌门的水平和可能的 Euryarchaeota 更好地解释了肠道微生物基因功能的人与人之间的差异。
在肠型研究中遗漏了这些不太丰富的门,可能是因为肠型是通过倾向于对高丰度分类群进行更多加权的方法鉴定的,并且肠型是从分类学而非功能数据中鉴定的。这对解释人类肠道微生物群的分类数据具有重要意义。
例如,变形菌门的过度生长与代谢综合征和炎症性肠病有关。通过 TLR5 敲除小鼠测试的肠道炎症关联到变形菌门(超过拟杆菌门和厚壁菌门),并且一些变形杆菌可以在这种背景下诱发结肠炎,可能导致反馈循环。因此,可变基因家族对解释人类肠道微生物群的分类数据具有重要意义。
备注:肠道受体蛋白TLR5参与积极地塑造新生小鼠肠道微生物群落的长期组成,敲除的Toll样受体(TLR5),是免疫系统识别鞭毛细菌(比如变形菌和梭状芽孢杆菌)的关键受体,缺乏它则机体可能不会在感知到细菌鞭毛时对细菌产生免疫应答。
肠道相关微生物群落组成的变化与许多人类疾病有关,但驱动这种不平衡(生态失调)的机制尚不完全清楚。
在肠道菌群失调期间观察到的最一致和最强大的生态模式是属于变形菌门的兼性厌氧细菌的扩张。
变形菌的菌群失调是上皮功能障碍的微生物特征
在肠道稳态期间(左),微生物群衍生的丁酸盐的 β 氧化导致上皮缺氧,从而维持大肠腔内的厌氧状态。反过来,腔内厌氧症导致肠道微生物群内专性厌氧菌占主导地位。
备注:丁酸(Butyrate acid,BA),俗称酪酸,是构成脂肪的一种脂肪酸,含有4个碳原子又称短链脂肪酸。人体的丁酸部分来自于食物中丁酸的吸收,主要的来自结肠厌氧菌的发酵产生。人体结肠产生的短链脂肪酸丁酸占比大部分)。
在肠道菌群失调期间(右),表面结肠细胞通过无氧糖酵解获得能量,从而导致上皮氧合增加,这种上皮功能障碍破坏了管腔中的厌氧菌,从而通过有氧呼吸推动兼性厌氧变形菌的扩张。
健康结肠的厌氧菌导致肠道微生物群的组成以专性厌氧菌为主,而菌群失调通常与兼性厌氧变形菌的丰度持续增加有关,这表明厌氧菌的破坏。
结肠上皮是缺氧的,但肠道炎症或抗生素治疗会增加结肠中的上皮氧合,从而破坏厌氧作用,通过有氧呼吸驱动兼性厌氧变形菌的菌群失调。
肠沙门氏菌(S. enterica)是一种食源性病原体,属于肠杆菌科,变形菌门,可引起小鼠结肠炎。在肠道沙门菌S. enterica诱导的结肠炎期间,肠腔内的氧气可用性增加,这表明结肠中病原体的氧气呼吸依赖性大量繁殖以及随之而来的专性厌氧梭状芽胞杆菌的丰度下降。
同样,结肠隐窝增生由鼠肠道病原体柠檬酸杆菌(肠杆菌科,变形菌门)引发,可提高肠腔内的氧气利用率,从而通过有氧呼吸推动变形菌病原体扩张。
这些观察结果表明,变形菌的菌群失调是上皮功能障碍的潜在诊断微生物特征,建议将变形菌负荷作为生态失调和疾病的潜在诊断标准,所以在谷禾即将更新的肠道菌群检测报告中,我们会加入变形菌门丰度和参考范围这一指标。
大肠中专性厌氧菌的优势可能是宿主环境的氧气限制严重的结果,这反过来又对用于营养物质的分解代谢途径产生重要影响。
避免被上消化道中的宿主酶降解的复合碳水化合物,可以被大肠中的专性厌氧细菌水解并发酵成更小的化合物。专性厌氧菌最终将许多发酵产物转化为短链脂肪酸,其中乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐是最丰富的产物。宿主吸收了大约 95-99% 的微生物产生的短链脂肪酸,它到达血流以影响免疫发育。因此,大肠中专性厌氧菌的优势确保了维持肠道稳态的代谢物的产生。
变形菌是平衡的肠道相关微生物群落中的一个次要成分。然而,由遗传易感性、化学物质或肠道病原体感染引起的肠道炎症会导致小鼠模型中变形杆菌的管腔扩张不受控制。
同样,在患有严重肠道炎症的人类中,包括炎症性肠病、结直肠癌或坏死性小肠结肠炎的患者中观察到变形杆菌的丰度增加。此外,在包括肠易激综合征和代谢综合征在内的低水平肠道炎症条件下观察到大量变形菌。
肠道炎症增加了替代电子受体的可用性,这些电子受体通过厌氧呼吸支持兼性厌氧细菌的生长。肠道炎症过程中产生的活性氧可以将内源性硫化合物氧化为连四硫酸盐,这是一种电子受体,通过连四硫酸盐呼吸作用在鼠结肠中驱动类似肠沙门氏菌和Yersinia enterocolitica(一种属于肠杆菌科,变形菌门的病原体)的管腔扩张 。
一氧化氮由宿主酶产生化学诱导的结肠炎或由遗传易感性引发的结肠炎期间的诱导型一氧化氮合酶(iNOS) 。一氧化氮在肠腔内分解成硝酸盐,从而通过硝酸盐呼吸支持生长,从而增加小鼠结肠中共生大肠杆菌的丰度。类似,宿主衍生的硝酸盐的呼吸有助于在 S. enterica 诱导的小鼠结肠炎期间腔内病原体扩张。
有趣的是,即使在没有明显肠道炎症的情况下,例如在抗生素治疗期间,呼吸电子受体也有助于细菌群落从专性厌氧菌转变为兼性厌氧菌。为了支持这一观点,用链霉素治疗小鼠可将盲肠中的氧化还原电位提高到接近需氧培养液的水平。链霉素治疗通过硝酸盐呼吸和氧气呼吸的结合增加结肠中共生大肠杆菌或致病性肠杆菌的生长。
其他类似研究的结论也表明,氧气,单独或与其他呼吸电子受体结合,是广泛的胃肠道失衡中肠道菌群失调的常见驱动因素。因此,为了开发新的预防或治疗策略,必须了解在肠道菌群失调期间呼吸电子受体的可用性如何升高。
基于这些观察,有人提出变形菌的扩增是肠道菌群失调的微生物特征,而氧气、用药,遗传易感,肠炎驱动了变形菌的扩张,反过来加剧疾病的进展。
宿主遗传因素和外在环境因素,如饮食和生活环境,不断影响肠道微生物群的分类和功能组成。鉴于具有高度稳定性的平衡肠道微生物群与宿主的免疫系统具有共生相互作用,能够抑制变形杆菌失控的扩张,肠道中变形杆菌的大量繁殖可以反映肠道微生物群落结构的不稳定;这种不稳定的结构可以在非疾病状态下观察到(例如,新生儿期 和胃绕道手术后和疾病状态例如,代谢紊乱和肠道炎症)。
Shin NR, et al., Trends Biotechnol. 2015
在新生儿胃肠道的初始定植期间,兼性厌氧变形菌使肠道生态位有利于专性厌氧菌的定植;后者很快被专性厌氧的厚壁菌门和拟杆菌门所取代,它们在健康成年人的肠道微生物群中占主导地位。胃绕道手术导致的胃肠道重排可以改变 pH、胆汁流量和肠道激素,所有这些因素都会影响变形杆菌的丰度。
新生儿肠道中的变形菌
新生儿肠道中的微生物群备受关注,因为它不仅反映了细菌群落的脆弱结构,而且反映了哺乳动物肠道微生物群的真正起源。新生儿肠道中的细菌群落由于其快速的时间变化而不稳定。然而,这种脆弱性与更重要的肠道菌群定植有关,例如严格的厌氧菌。
具体来说,由于新生儿肠道中的氧气丰富,生命第一周的微生物群经常以兼性厌氧菌为主,主要是变形菌属(例如,埃希氏菌属、克雷伯氏菌属和肠杆菌属)。这些兼性厌氧菌通过消耗氧气、改变 pH 值、降低氧化还原电位并产生二氧化碳和营养物质,使栖息地适合严格的厌氧菌定殖。
因此,可以推测变形杆菌在为新生儿肠道准备好接受严格厌氧菌的连续定植方面发挥了作用,这些厌氧菌在健康成人的肠道中含量丰富。
最近对母体胎盘微生物组的一项研究描述了共生细菌群落的存在,其中大肠杆菌的丰度最高。尽管关于胎盘微生物群的活力和起源存在争议,但在母体胎盘中发现的这些有趣的细菌群落与来自母体羊水和新生儿胎粪的细菌群落重叠。
因此,新生儿肠道中的变形菌可能通过胎儿在子宫内吞咽羊水从母体胎盘传播。有趣的是,妊娠后期孕妇肠道中变形菌的比例增加。这意味着母亲微生物群中的这种特定细菌群转移到了新生儿身上。
在新生儿肠胃道中观察到的变形杆菌定植生长的持续时间很可能在母体控制之下。事实上,新生儿微生物群会受到各种母体因素的影响,例如分娩方式、饮食和怀孕期间接触抗生素。
最重要的是,新生儿肠道中变形菌的丰度受喂养类型的影响,这些细菌在配方奶喂养的婴儿中的频率更高,但在母乳喂养的婴儿中很少见。
人乳寡糖 和分泌型 IgA 的产生参与在最初的肠道定植过程中选择性抑制变形菌。因此,越来越多的人认为,及时减少变形菌的丰度是初始微生物定植的正常部分,而这种定植模式的紊乱与新生儿疾病的风险增加有关。
肠道中微生物群和宿主细胞之间的相互作用对于免疫系统的形成和调节至关重要,由于肠腔内有大量外源性抗原,免疫系统必须严格调节其反应以维持与共生菌的共生关系。共生体传递一种信号,诱导宿主免疫的耐受性反应。因此,宿主可以区分有益的本土微生物和有害病原体,并建立健康的微生物群。
变形杆菌的主要分类及其与IBD的关系
Mukhopadhya I, et al., Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2012
为了防止对共生细菌的炎症反应,肠道内的免疫细胞,如单核吞噬细胞(巨噬细胞和树突状细胞)和 CD4 + T 细胞,对微生物刺激反应迟钝或表现出共生反应。
同时,黏膜免疫系统负责清除病原体,这一过程需要积极的促炎信号级联反应。因此,不适当的免疫反应会破坏肠道稳态,引发生态失调,并导致局部和全身炎症和代谢功能障碍。
这种慢性进行性肠道炎症的状态在临床上被诊断为炎症性肠病 (IBD),其中包括溃疡性结肠炎 (UC) 和克罗恩病 (CD)。IBD 的确切病因仍然无法获得,但新出现的证据表明,肠道微生物群成为了这种疾病的主要嫌疑。
许多研究报告了动物和人类各种炎症持续条件下微生物群组成的改变。在这种情况下,通常发现变形菌在疾病中增加,变形菌在肠道炎症中的作用已在各种结肠炎小鼠模型中得到解决,与疾病呈正相关。
例如,使用易发炎症的小鼠模型,即鞭毛蛋白受体 TLR5 缺陷小鼠 (T5KO),发现,进展为结肠炎的小鼠表现出明确的微生物群特征,其特征是变形菌的水平增加,尤其是大肠杆菌属。并且一些作者已将其确定为微生物群不稳定性的潜在标志物,因此易诱发疾病发作。
与变形杆菌属大量繁殖的同时,结肠炎Tlr5-/- 小鼠表现出杂乱无章的结肠粘液层,与非结肠炎Tlr5-/- 同胞相比,感染性病原体的清除延迟。
这些结果表明,短暂不稳定的肠道微生物群,尤其是以变形菌为主的群落,会使遗传易感的小鼠易患慢性结肠炎。
先天免疫反应失调推动变形杆菌生长的假设这反过来又会促进肠道炎症,这一点得到了其他小鼠模型研究的支持,这些小鼠模型具有影响适应性免疫的突变,白细胞介素 (IL)-10 是对本地微生物群产生免疫耐受所需的主要免疫调节细胞因子。
IL-10 缺陷小鼠由于对肠道菌群不耐受而表现出自发性结肠炎。随着结肠炎症的发生和发展,在定植常规微生物群或缺乏特定病原体的微生物群的 IL-10-/- 小鼠中,变形杆菌和大肠杆菌比野生型小鼠多。
在另一项对 IL-10 缺陷小鼠的研究中,富含饱和乳脂的饮食扰乱了肠道微生物群,导致亚硫酸盐还原Delta-proteobacteriumBilophila wadsworthia 大量繁殖。这种病原菌在 IL-10 -/-小鼠中诱导促炎性黏膜免疫反应并促进自发性结肠炎的发生率和严重程度;它还在喂食高乳脂饮食的野生型小鼠中促进葡聚糖硫酸钠 (DSS) 诱导的结肠炎。
除了对结肠炎的易感性与肠道变形菌的相对丰度之间存在正相关性之外,对先天性和适应性免疫系统均缺陷的小鼠的研究提供了支持变形菌在肠道炎症中的致病作用的证据。
来源:谷禾健康肠道菌群数据库
谷禾健康肠道菌群检测大数据也显示,在炎症性肠病,结直肠癌等患者的肠道菌群检测报告中,85%以上的患者显示变形菌门超标或多项变形菌门病原菌超标或占比丰度偏高。
在最近的一项研究中重现了,结肠炎中变形杆菌的显着扩增,该研究比较了患有活动性结肠炎的 TRUC 小鼠的肠道微生物组与因庆大霉素、甲硝唑或抗肿瘤坏死因子 (TNF)-α 治疗而缓解的小鼠的肠道微生物组。
值得注意的是,从 TRUC 小鼠的粪便中分离出的两种肠杆菌科细菌(肺炎克雷伯菌和奇异变形杆菌)即使在没有任何遗传免疫缺陷的受体小鼠中也足以引发结肠炎。
然而,这两种微生物的致结肠潜力并未在无菌 TRUC 小鼠中复制,这表明结肠炎的发病机制需要其他共生成员。口服伤寒杆菌,另一种富含 TRUC 小鼠的变形菌,也会在非结肠炎 TRUC 小鼠中引发结肠炎,这些小鼠具有大量的促炎细胞因子(例如,TNF-α)。
遗传易患结肠炎的小鼠的生态失调与人类 IBD 特别相关,因为与 IBD 相关的风险等位基因或多态性与先天性和适应性免疫成分有关。与小鼠研究相似,两项人类研究表明,与健康受试者相比,IBD 患者肠道微生物群落的特点是微生物多样性低、变形菌门(尤其是肠杆菌科)的产物以及厚壁菌门的减少。
一项人类队列研究发现,核苷酸结合寡聚化结构域 (NOD)-2 风险等位基因剂量与 IBD 患者肠道标本中肠杆菌科的相对丰度呈正相关。
在 UC 患者中,与炎症的中度和轻度阶段相比,在严重阶段观察到的变形杆菌水平显着升高。
在新发 CD 的初治儿科患者和非 IBD 对照受试者之间,回肠和直肠活检(但不在粪便样本中)的粘膜相关微生物组存在明显差异。变形菌的相对丰度增加,包括肠杆菌科、巴氏杆菌科和奈瑟菌科,将 CD 相关细菌群落与健康对照组区分开来。与慢性炎症一致,伴随变形杆菌属优势的肠道微生物群落改变不仅见于传染性病原菌或原生动物寄生虫引起的急性炎症,而且见于实验性和人类结肠炎相关的结肠直肠癌。
最有趣的生物体,通过一个孤立的病例报告与 IBD 有关,该病例报告一名感染这种细菌的小男孩在放射成像上出现回肠增厚,这是克罗恩病的典型表现。
血清学研究表明,与健康对照相比,克罗恩病患者的大肠杆菌抗体数量增加。具体地说,已发现37-55 % 的克罗恩病患者、2-11% 的溃疡性结肠炎患者和 <5% 对照组患者的百分比。
此外,克罗恩病患者中这些抗体的存在与更严重的表型相关,其特征是小肠受累、疾病进展频繁、病程更长和对手术的需求更大,这表明它们可以用作克罗恩病的预后标志物。
饮食被认为是塑造肠道微生物结构的最关键的环境因素之一。
△ 肥胖:丰富的变形菌为特征
累积证据表明,人类和啮齿动物的健康和肥胖个体的肠道微生物群的分类和功能组成存在差异。
此外,肥胖表型通过粪便移植的传播能力表明肠道微生物群落的改变,作为主要触发因素,是因果关系而不是结果。
肠道微生物群的分类组成失衡,称为生态失调,在代谢紊乱中得到充分证明,并被视为厚壁菌门相对于拟杆菌门的相对丰度增加(F:B 比率)。尽管一致的研究结果普遍支持这一概念,但代谢紊乱期间的生态失调通常包括变形菌的患病率增加。
例如,一项对儿童肠道微生物群的研究发现,与低脂肪、高纤维饮食儿童相比,食用高热量、高脂肪、低纤维饮食的欧洲儿童中的变形杆菌数量更多。
这种差异揭示了肠道微生物群落对非洲儿童饮食的适应性,这可以提高他们从难消化的多糖中获取能量的能力。此外,一些导致有害代谢影响的因素,例如食用无热量的人造甜味剂和乳化剂(通常用作加工食品中的添加剂),也会损害血糖控制并诱发变形杆菌繁殖。
特别是,人造甜味剂介导的肠杆菌科和Delta-proteobacteria类相对丰度的升高与 2 型糖尿病 (T2DM) 患者的结果一致,表明葡萄糖稳态和肠道变形菌之间存在联系。相比之下,证明变形菌的丰度与糖尿病表型呈负相关,挑战代谢疾病患者中高丰度变形菌的概念。
为支持代谢紊乱与变形菌属的扩张之间的关系,变形杆菌属的致肥胖潜力已在无菌小鼠的单关联研究中被确定。
在对一名病态肥胖志愿者进行的减肥试验中,肠杆菌科的相对丰度逐渐减少,假设肠杆菌在代谢恶化中具有致病作用。用从肥胖的人类肠道中分离出来的阴沟肠杆菌B29对无菌小鼠进行单菌定植足以诱导肥胖和胰岛素抵抗。
这一发现支持了这样一个假设,即以丰富的变形菌为特征的不稳定的肠道微生物群落可能代表代谢紊乱的主动特征,而不是被动后果。
△ 营养不良儿童:变形菌成为优势菌
营养不良会导致其他健康问题,例如消瘦和夸希奥科病。在发展中国家,营养不良是威胁 5 岁以下儿童生命的疾病。
营养不良的主要病因是在孕期或产后头 3 年由于大量营养素缺乏和微量营养素缺乏导致的慢性能量负平衡。
然而,最近的研究表明,孟加拉国和马拉维营养不良儿童的肠道微生物群落结构和基因含量与营养良好的儿童不同。在这些研究中,在营养不良的儿童中普遍观察到变形菌的优势和肠道微生物群的低多样性,并被认为是肠道微生物群成熟的障碍。
此外,最近的一项研究揭示了肠杆菌科细菌与营养不良下的肠道黏膜免疫球蛋白 A (IgA) 反应之间存在机制上的相互关系,这会引发肠病并中断黏膜免疫的发展和健康微生物群的组装。
鉴于生态失调驱动的选择压力似乎干扰了微生物群的稳定性,变形菌随后借此机会增加了它们的适应性。微生物群落在异常代谢条件下的不稳定性已被解释为对定植的抵抗力受损。
当接种来自肥胖人类供体的培养细菌(“肥胖受体小鼠”)的无菌小鼠与携带来自瘦肉供体的细菌物种(低脂肪、高纤维饮食)的小鼠共同饲养时,它们被瘦肉有效定殖供体来源的细菌菌株及其肥胖表型得到改善。相比之下,瘦小鼠没有被来自肥胖小鼠的外源或外源细菌菌株定殖。
这一发现表明,生态失调的特点是传播能力减弱和对定植的抵抗力。鉴于 kwashiorkor 儿童的肠道微生物不成熟且富含肠道病原体营养不良被认为与对殖民化的抵抗力有缺陷有关。
总的来说,这一间接证据导致了这样一种观点,即肠道变形菌的扩张反映了宿主的能量不平衡和不稳定的微生物群。有趣的是,在非疾病状态下,如新生儿期和胃绕道手术后也观察到肠道微生物群落的不稳定结构和高丰度的变形菌。
与大多数细菌一样,在细胞外环境中对变形菌的初步识别是通过病原体识别受体 (PRRs) 发生的,PRRs 识别微生物相关分子模式 (MAMPs)——一个包括病原体相关分子模式 (PAMPs) 和危险相关分子模式的统称分子模式(DAMP)。
这些信号受体可分为三个家族:
尽管至关重要的是,只有 TLR 家族参与识别肠细胞表面的细菌配体。
存在于变形菌细胞表面的主要 MAMP 是脂多糖 (LPS) 和鞭毛蛋白,它们分别被 TLR4 和 TLR5 识别。其他参与细菌识别的TLR包括检测细菌脂蛋白的TLR2和检测未甲基化 CpG DNA 的细胞内受体 TLR9。
LPS 的产生和鞭毛组装是在原核生物中观察到的两个最动态的过程,这些结构组成的巨大差异反映在不同变形菌家族成员中观察到的先天免疫反应的强度和方向上。例如,弯曲杆菌和螺杆菌属LPS 与大肠杆菌LPS 的不同之处在于具有更长的酰基链和增加的链连接和脂质 A 磷酸基团的修饰。
在许多病原生物体(例如百日咳杆菌和幽门螺杆菌)中观察到脂质 A 锚中的一个或两个磷酸基团丢失,并且已被证明可提供对抗菌肽的抗性。
参与细菌识别的 TLR 的遗传变异与 IBD 相关。2010 年发表的一项荟萃分析表明,TLR4 Asp299Gly 和 Thr399Ile 变体都赋予白人患克罗恩病和溃疡性结肠炎的统计学显着风险。有趣的是,这两种变体都位于 LPS 结合域内 TLR4 的胞外域,并且被认为会影响蛋白质的二级结构。
这些功能变体的存在已被证明会影响 LPS 反应性,并使个体更容易受到革兰氏阴性菌的感染。证据还表明,这些遗传变异的存在可能会影响基础免疫状态。
因此,有理由推测,在 TLR4 基因变异的携带者中,在营养不良事件之前或期间发生的免疫反应改变,可能足以驱动 IBD 发生不可挽回的免疫反应改变。TLR9 中的遗传变异也与 IBD 易感性增加有关。证据不如TLR4那样令人信服,尽管这一警告可能反映了 TLR9 处理来自所有细菌的配体而 TLR4 反映革兰氏阴性菌易感性的事实。
变形菌门是肠道菌群中四个主要门(厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门)中最不稳定变化最快的门。变形菌门作为一线反应者,对环境因素(如饮食)反应敏感。
总的来说,迄今为止的许多研究都支持这样一个概念,即肠道中大量变形菌反映了生态失调或不稳定的肠道微生物群落结构。除了外源性肠致病性变形杆菌外,健康的哺乳动物肠道还含有数种属于该门的共生细菌,作为其天然肠道菌群。
这些细菌在比例较小时似乎是良性的,而在某些肠道环境下,它们会变成可引发炎症反应甚至代谢障碍。
然而,肠道中变形菌的长期富集可能代表不平衡的不稳定微生物群落结构或宿主的疾病状态。因此,时间顺序监测,而不是横断面研究,可能是根据肠道中变形菌的比例确定疾病风险的更好方法。
在健康肠道中,免疫系统严格调节其反应以维持与共生菌的共生关系。这种可能性表明存在正反馈循环。环境或宿主因素(例如低纤维饮食和急性或慢性炎症)破坏体内平衡,具有选择性并导致肠道内大量变形菌的生态失调。由于宿主无法保持共生的变形菌而导致变形菌的不受控制的扩张,在一小部分和微生物群落对定植的抵抗力降低的情况下,可以进一步促进炎症或外源性病原体的入侵。
因此,切断反馈回路的策略可能包括优化肠道微生物群和宿主之间的伙伴关系。鉴于大多数研究已经在与宿主生理学相关的背景下描述了微生物群落状态,因此对于未来的炎症和代谢干预治疗,首先需要判别变形菌的丰度以及是其是否不受控制扩张,另外需要确定变形杆菌大量繁殖的原因以开发有效的治疗方法。
主要参考文献:
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谷禾健康
普雷沃氏菌属存在于人类中,帮助分解蛋白质和碳水化合物食物。也可作为条件致病菌,引起牙周和牙齿、肠道炎症、类风湿性关节炎、细菌性阴道炎等问题。
普雷沃氏菌(Prevotella)是革兰氏阴性菌、非运动性、杆状、单细胞,可在厌氧条件下生长。
Prevotella是一个大属,包括50多个不同的物种。大多数可以从口腔和肠道中分离出来。
普雷沃氏菌有助于分解蛋白质和碳水化合物食物。
普雷沃氏菌可以通过结合或附着在上皮细胞以外的其他细菌上定植,在以前感染的区域产生更大的感染。
普雷沃氏菌的另一种生存机制是天然抗生素抗性基因,防止被消灭(TIGR)。
接下来,我们从肠道、口腔、阴道三个部位,来了解普雷沃氏菌与人体健康或疾病的关系。
普雷沃氏菌通常被认为是一种与健康的植物性饮食相关的菌,在人体中发挥“益生菌”的作用。普雷沃氏菌属的减少与某些疾病相关。
自闭症
被诊断患有自闭症的儿童的普雷沃氏菌属丰度较低。婴儿普雷沃氏菌水平的下降与两岁时的行为问题有关。
过敏
研究人员分析了从2010年到2015年收集的数据,这些数据观察了怀孕36周的母亲以及她们1个月、6个月和12个月大的婴儿的粪便样本。有食物过敏的儿童(58名)与没有食物过敏的儿童(258名)进行了比较。
他们发现,20%没有过敏的婴儿的粪便样本中含有P.copri,而过敏婴儿的粪便样本中只有8%含有P.copri:母亲的粪便样本中含有P.copri,意味着婴儿产生过敏的风险更低。
多发性硬化症
在多发性硬化症患者的肠道微生物群中,缺乏Prevotella histicola。
2019年开展的一项研究表明,单独使用Prevotella histicola治疗转基因小鼠或与多发性硬化药物Copaxone联合治疗,减少了与该疾病相关的促炎症反应。
因此,该菌可能在多发性硬化症(MS)患者中有潜在的治疗作用,多发性硬化症是一种影响大脑和神经的自身免疫性疾病。多发性硬化症患者通常表现为微生物群失衡。
普雷沃氏菌是健康肠道生物群中必不可少的菌。然而,这种细菌是不是越多越好?
答案是否定的。
谷禾健康
无论是什么社会阶层
无论以前的职业是什么
任何人都有可能患上阿尔兹海默症
这种疾病如同橡皮擦一般
逐渐抹掉一个人的记忆
…
在详细了解阿尔兹海默症之前,我们先来看一个动画短片(2020年奥斯卡最佳动画短片提名),该片讲述的是一位患有阿尔茨海默病的艺术家慢慢失去自己记忆的故事。
2020奥斯卡最佳动画短片提名——勿忘我(Mémorable)_腾讯视频
“ 他们彼此搂着对方在旋转中化作了记忆的露珠 ”
“你是我空白世界里最后一处的风景”
…
阿尔兹海默症正在呈指数级蔓延,目前却没有治愈的方法。
本文,我们在了解阿尔兹海默症的同时,也带来了关于阿尔兹海默症研究的新方向——结合肠道微生物群(“肠-脑轴”的阐述)来更深入了解该疾病。
阿尔茨海默氏病(AD)是一种神经退行性疾病,影响全世界超过5000万人,是最常见的痴呆症,临床表现为进行性认知功能减退和功能障碍。AD主要影响老年人(> 65岁),表明衰老是主要的危险因素之一,其中与衰老相关的AD进展被称为散发性AD
AD及其相关痴呆症的发病率在世界范围内呈上升趋势,以前,在高收入国家(西欧和北美),AD患病率最高。 然而,中低收入国家的痴呆症发病率开始增加,预计到2030年,所有病例中的63%发生在中低收入国家中,到2050年,占所有病例的71%。但其病因仍未解决,目前尚无有效的预防或改善治疗方法。
缩略词:
新的证据表明AD患者的肠道微生物群与认知正常的患者不同。肠道内的细菌强烈影响肠-脑轴,肠道微生物代谢物包括短链脂肪酸、促炎因子和神经递质也可能影响AD的发病机制和相关的认知能力下降。
饮食是肠道微生物群最强的调节剂之一,也强烈影响着大脑健康和AD病理学。例如,肥胖和2型糖尿病是AD的潜在危险因素,并且研究已将高脂饮食和高碳水化合物饮食与AD发生的风险联系在一起。 相反,地中海(MD)和生酮饮食与更健康的大脑衰老和较低的AD风险相关。 进一步证实了这一证据,在发展中国家,随着肥胖和糖尿病患者比例的增加,流行病学转变导致AD患病率增加。
因此,通过健康饮食来逆转肠道菌群异常可能有益于大脑并降低AD风险。
· 遗传
尽管尚不清楚AD的病理和影响因素,但仍存在一些遗传突变,例如淀粉样前体蛋白(APP)基因的额外拷贝和21号染色体三体等基因突变,这些突变增强了神经退行性β淀粉样蛋白(Aβ)的表达与家族性AD相关的蛋白质沉积。
· 病理
病理上,细胞外神经原纤维斑块和细胞内高磷酸化tau(pTau)缠结遍布AD大脑皮质实质,尤其是颞叶。深部脑萎缩也可能支持AD的诊断,这些明显的特征长期以来被认为是AD病理的主要因素。
新皮层中pTau的Aβ斑块和神经原纤维缠结的堆积会引起炎症,氧化应激和最终的神经退行性变。 这些症状也可以通过活性氧来介导,活性氧通常通过酶促抗氧化剂来控制。 然而,当抗氧化剂水平降低时,活性氧会引起氧化应激并导致神经退行性变。
大脑中的炎症也与AD患者常见的肠道渗漏有关,免疫系统因子如多形核中性粒细胞能够从肠壁漏出。来自肠道的持续炎症可开始降解血脑屏障,使这些炎症因子进入大脑并引起进一步的炎症。
用于AD诊断的生物标志物包括低Aβ-42和脑内高tau水平,PET上氟脱氧葡萄糖摄取减少,MRI上出现结构性脑萎缩。
AD的临床诊断因患者而异,很难用一系列规定的症状来描述。
需要关注的这10个方面
记忆退化/困难; 问题解决; 熟悉的任务完成; 时间/地点识别; 图像或空间关系的理解; 沟通; 追溯步骤; 判断/人际互动; 工作/社交活动; 情绪/认知
早期症状
记忆:丢钥匙,忘记朋友的名字或最近的一次谈话,在熟悉的地方迷路。
讲话:重复自己的话或努力跟上对话。
视觉:很难看到三维的东西和判断距离。
决策:难以做出决定、解决问题或完成多步骤任务,比如做饭。
方向:对自己的位置、时间和日期感到困惑。
情绪:感到焦虑、沮丧或易怒的。
晚期症状
错觉:
例如,毫无理由地相信有人在偷他们的东西
不寻常的行为:
表现出攻击性或躁动、喊叫或扰乱睡眠模式
行走和说话困难:
卧床不起或坐轮椅,需要24小时护理来帮助进食、饮水和上厕所
由于淀粉样蛋白级联假说的不可理解性,研究正在调查Aβ斑块和pTau作为一个系统的标志物,这个系统从许多末端被破坏。
研究假设β-淀粉样蛋白是一种抗菌肽,由于非有益微生物的大量携带,可能来自炎症导致的血脑屏障降解,因此可能会在AD大脑中积聚。这些淀粉样蛋白是由APP的裂解和toll样受体2激活的髓样分化主要反应途径形成的。
脑淀粉样变性外,肠道中还存在细菌淀粉样蛋白,其三级结构类似于中枢神经系统淀粉样蛋白,并可能在刺激大脑中的免疫系统中发挥作用,因为免疫系统学会了识别肠道中的淀粉样蛋白,然后 大脑中淀粉样蛋白的增强攻击,导致炎症。
饮食(例如高脂饮食)可进一步介导导致AD炎症和神经退行性变的肠道渗漏综合征。 因此,AD的可测量症状具有与肠道菌群相关的复杂原因。
Aβ 斑块和tau缠结假说是AD病理生理学的理想模型。然而,新的研究已经证实AD是系统性功能障碍的一个组成部分,至少部分由慢性、全身性和神经元炎症以及肠道微生物群介导。在这一点上,神经炎症假说建立在肠-脑轴上,它将肠道微生物群活动与神经元健康和功能障碍联系起来(下图)。
AD中肠道微生物群的作用是由微生物代谢物介导的,这些代谢物作用于肠道和周围组织中的局部神经元并向大脑发送信号,和/或从肠道吸收并通过循环到达大脑。例如:单胺类、短链脂肪酸(SCFA)、γ-氨基丁酸(GABA)、β-甲胺基-L-丙氨酸、脑源性神经营养因子、血清素和多巴胺。
Kincaid HJ, et al., Ann Nutr Metab,2021
MCI和AD患者中饮食与微生物组相互作用与大脑和认知健康之间的假定联系的示意图。
AD患者和/或患有轻度认知障碍(MCI)的受试者存在明显的微生物群模式。
随着自然衰老相关的肠道营养不良开始发展并削弱肠道上皮,已经存在的微生物群营养不良会进一步影响大脑的衰老,从而导致肠道渗漏和炎症。
全身性炎症的加剧促使免疫功能受损,使大脑中的β-淀粉样蛋白堆积。这表明,患者通常要到老年时发展为AD,即使在生命早期就存在存在危险因素,如基因突变。
患有MCI和AD的患者在脑脊液中还显示出较高水平的肠道微生物来源的三甲胺N-氧化物(TMAO),这与AD生物标志物(包括pTau,总Tau和Aβ42)相关。
TMAO治疗可通过改善神经元衰老和线粒体功能障碍来降低小鼠的认知功能和衰老迹象。尽管TMAO在AD中的作用机制尚不清楚,但TMAO及其前体是炎症生物标志物,可能与AD相关的肠道渗漏有关。
西方饮食由低纤维、高脂肪和高蛋白食物组成,通常吃富含TMA和胆碱的高脂肪红肉和鸡蛋,从而增加TMAO的产生。这可能部分解释了西方国家AD发病率较高的原因。
此外,TMAO相关的脑损伤和认知缺陷可能由氧化应激增加介导。因为大脑消耗大量的氧气,而且神经元的新陈代谢率很高,所以一般人大脑中的神经元面临更高的氧化应激风险。然而,氧化应激可能是AD病理的原因和后果。
炎症引发氧化应激,从而导致β pTau的积累;然而,在一个破坏性的循环中,反之亦然也是可能的。
此外,氧化应激可导致线粒体功能障碍,肠道微生物源性代谢产物影响线粒体功能。饮食可以调节氧化应激,如高果蔬饮食可以提高认知能力,这与老年人氧化应激的降低有关;而西方饮食不富含水果和蔬菜,这也可能解释了在西方国家AD患病率较高的原因。
肠道微生物群对我们的新陈代谢、免疫和大脑健康至关重要。在健康的稳态条件下,肠道微生物群与宿主保持共生关系,对宿主营养和代谢、对病原体的定植抗性、肠道屏障完整性和免疫调节发挥重要作用。
肠道微生物群对脑部疾病有影响,包括抑郁症、焦虑症、高血压和帕金森病。最近的研究也将肠道微生物群与AD联系起来;然而,值得注意的是,这些研究大多是横断面调查,因此,需要更多的纵向干预研究来确定微生物群和AD病理学之间的偶然联系。
美国北卡罗来纳州科学团队最近报道了MCI患者拟杆菌丰度较低,厚壁菌和变形杆菌(肠杆菌科)丰度较高,此外在属水平上也存在一些差异。其他研究也报道了AD受试者的多样性较低,厚壁菌与拟杆菌比率较低,痴呆患者的拟杆菌比率较低,而与MCI患者和正常受试者相比,AD患者的多样性较低,厚壁菌和变形杆菌比率较高。
一项研究表明,丁酸盐产生菌参与认知功能。有趣的是,该团队还发现MD生酮饮食改善了AD生物标志物,即。MCI患者脑脊液中的淀粉样蛋白和tau蛋白,其中这些变化与肠丁酸盐增加有关。
已经研究了Aβ积累与微生物群的关系。 例如,APP-PS1小鼠是使用最广泛的AD模型,它以年龄依赖的方式展示了Aβ在大脑中的蓄积; 然而,它的微生物群不同于野生型小鼠。 此外,移植有AD微生物群的小鼠倾向于具有更高的Aβ积累。 此外,Aβ聚集可以被微生物群衍生的戊酸酯和丁酸酯抑制。
此外,细菌内毒素也可能与AD-淀粉样变性相关的炎症有关。 例如,脂多糖(LPS)是革兰氏阴性细菌的外细胞壁成分,具有高度促炎性,可以增强大脑中Aβ的积累并引起认知功能障碍。
AD患者的血浆LPS水平较高,新皮质和海马较高。 LPS还可能导致慢性神经发炎,内嗅皮质神经细胞死亡以及海马神经元的突触可塑性受损。 特定的细菌,例如大肠杆菌(Escherichia coli),枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis),鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)和肠沙门氏菌 (Salmonella enterica)也可以产生淀粉样蛋白。 然而,这些并不是人类肠道微生物的典型且一致的’居民’。
此外,AD相关淀粉样变性与细菌淀粉样变性之间的关系仍不清楚。 尽管如此,细菌淀粉样蛋白可能会激活与AD发病机制有关的特定信号通路,这提示肠道菌群可能会加剧与淀粉样变性病相关的炎症。 这些研究通过微生物细胞外成分,促炎因子,毒素,SCFA,淀粉样蛋白和神经递质将微生物群与淀粉样蛋白的积累联系起来。 考虑到迅速兴起的研究,可以预见的是,AD预防和治疗将绕不开针对微生物群的影响。
鉴于AD患者与健康受试者之间微生物群差异的新数据,研究人员已经开始探索调节微生物群的方法,希望能够改善AD病理学。
尽管肠道微生物群可以通过多种方法进行调控,包括使用益生菌、益生元、合生元和抗生素或改变饮食,但饮食是肠道微生物群的最高级调节剂。
以不饱和脂肪、水果和蔬菜以及全谷类为重点的饮食调节可以给AD相关的认知健康带来好处(上图)。例如,MD通过增加血浆类胡萝卜素和降低C-反应蛋白水平,与AD关键区域的脑萎缩减少相关(表明对AD病理学有积极影响)。
此外,炎症减少也是AD的主要症状。食用富含二十二碳六烯酸(一种n-3多不饱和脂肪酸)的鱼制品与降低AD风险有关。富含维生素D3的鱼和富含维生素D的奶制品促进神经生长因子蛋白的分泌,这种蛋白可以防止大脑发炎和衰老。
由于MD对AD的这些改善作用,一项人体试验研究了MD-DASH干预对神经退行性延迟(MIND)饮食的影响,该饮食是MD与DASH饮食(阻止高血压的饮食方法)的结合,富含 水果,蔬菜,全谷类,低脂乳制品和瘦肉蛋白证明,MIND饮食比单独使用MD或DASH更为有效,尽管所有3种饮食均显示出降低AD病理学的益处。
除了某些饮食生活方式外,个别食物还可以带来抗AD病理学的益处。 例如,在小鼠模型中,饮用红酒可防止Aβ肽生成并降低AD风险。具体而言,据报道,适度饮酒可减少轴突末端的GABA能发芽,这可能是AD中神经退行性变的部分原因。 富含类黄酮的食物,例如黑加仑子,葡萄,柑橘和绿茶,已显示出抑制Aβ沉积并防止tau蛋白过度磷酸化的作用,同时改善了AD的其他生物标志物。
具体而言,据报道,适量饮酒可减少轴突终末的GABA能发芽,这可能是AD中发现的神经退行性变的部分原因。富含类黄酮的食物,如黑加仑、葡萄、柑橘和绿茶,已被证明能抑制β 沉积和阻止tau蛋白的过度磷酸化,同时改善AD的其他生物标志物。
虽然大多数研究都在研究健康饮食对改善AD病理的影响,几项研究探讨了直接针对AD肠道细菌的补充剂的使用。
一项随机双盲对照人体试验,研究了12周食用嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)、干酪乳杆菌(Lactobacillus casei)、双歧杆菌 (Bifidobacterium bifidum)和发酵乳杆菌(Lactobacillus fermentum),的益生菌组合的效果,据报道,对认知功能有显著的积极影响,但对氧化应激或炎症没有影响。
一项小鼠实验研究了生物素丁酸钠对早期AD小鼠Aβ水平和行为症状的影响,发现补充丁酸钠12周后Aβ水平显着降低,行为反应增加。
益生菌和益生元的组合合生元也显示出对AD的益处。一项人类研究观察到,AD患者食用开菲尔谷物发酵的牛奶(形成共生物质)90天后,精神能力得到改善,炎症和氧化应激减少。
综上所述,目前有关饮食和补充剂影响肠道微生物群和改善AD是有希望的,但更多的研究是也非常需要。
此外,研究已经通过测试Tramiprosate(一种GABA的类似物)来靶向GABA,并发现它有望增加AD模型和临床试验中Aβ抑制的长期增强作用。5-羟色胺激动剂和再摄取抑制剂曲唑酮(trazodone)也表明,与延缓AD患者认知障碍的相关性是非曲唑酮使用者的2.6倍。
AD在世界范围内迅速增长,但是迄今为止尚无治愈方法,这强调了需要有效的策略,例如饮食因素来调节AD相关的神经炎症并预防或减慢AD的进展。
目前的证据表明,饮食成分的促炎和抗炎能力都可能在AD管理中发挥作用。
富含单糖,饱和/反式脂肪,高级糖基化终产物和加工肉的饮食可能对AD患者的大脑产生促炎性影响,同时可能加速肥胖症,高血压,血脂异常,动脉粥样硬化和2型糖尿病。
相反,富含蔬菜,水果,沙拉,坚果,豆类,浆果,多不饱和脂肪酸,维生素,类黄酮,多酚,益生菌/益生元和全谷物的复杂饮食模式(例如,MD,DASH和MIND)可能有助于预防或减缓认知能力下降和AD进展。
研究表明,肠道菌群通过肠脑轴参与了AD病理。饮食会强烈调节和塑造肠道菌群,这可能是这些饮食模式改善肠道脑轴与AD相关的摄动的潜在机制之一。 对生活方式因素与AD相互作用的机械理解可以阐明生活方式模式的改变与AD患病率增加之间的联系,同时包括微生物群等对于宿主生活方式与健康之间的相互作用至关重要的因素。
对饮食,微生物群,生活方式和痴呆症之间的联系进行解码,将有助于揭示AD病理的潜在机制,同时有助于发现预防/治疗AD和相关痴呆及认知能力下降的新策略。
虽然该疾病目前无法得到根治,也无法逆转,但如果在早期就介入治疗,是可以有效延缓疾病的进程。
音乐
有观察表明,音乐疗法可以极大地帮助许多患有阿尔茨海默氏病的人,2019年3月发表在《神经科学前沿》上的一篇评论发现,音乐疗法可以改善行为,认知和社交功能-帮助缓解焦虑症和抑郁症。
对于许多患有阿尔茨海默氏症的人来说,正确的音乐疗法可以在恐惧和孤独的时候提供安慰、快乐。
“以某种方式、形式对音乐做出反应,无论是身体反应、情感反应、社会反应,还是认知反应”,来自伯克利音乐学院音乐治疗系主任乔伊认为,“我们知道痴呆患者的大脑受损,但对音乐作出反应的那部分似乎是最后消失的部分。”
音乐的镇静作用可以减少日常生活中产生焦虑的事件中的躁动,并使阿尔茨海默症患者及其护理者的过渡不那么令人焦虑。
精油
梅奥诊所称,当吸入精油时,它会刺激嗅觉感受器,嗅觉感受器通过中枢神经系统向边缘系统传递正(或负)信息。边缘系统是大脑控制情绪的部分。
梅奥诊所的从业者不会将精油涂抹在患者身上,而是用于供阿尔茨海默患者吸入。
当然吸入太多也不好。如果周围有太多的气味,就像用扩散器一样,使嗅觉系统饱和,甚至再也认不出这种气味了。所以不能过量使用。
几项小型研究表明,薰衣草精油可帮助改善痴呆症患者的行为并改善睡眠。柠檬香脂可以按摩到皮肤或吸入,在减轻压力和焦虑方面显示出优势。生姜精油缓解恶心症状。
但不推荐使用薄荷精油,较刺激,许多人会对它产生不良反应。
瑜伽
关于瑜伽及其对阿尔茨海默氏病的影响的研究在某种程度上是有限的,还远没有定论,但在阿尔茨海默氏症的护理中加入诸如瑜伽之类的补充方法,可能会有助于缓解该疾病的某些症状。
2018年2月发表在《神经生物学的压力》杂志上的一项研究综述指出,越来越多的证据表明,压力可能会对像阿尔茨海默氏症这样的神经退行性疾病的发展产生有害影响。
瑜伽具有潜在的好处,可以帮助减轻压力,平息躁动并改善整体情绪。
大多数针对阿兹海默症患者的瑜伽都是以缓慢,轻松的方式进行轻柔运动。上课时间通常比一般的瑜伽课短,一般持续10至30分钟。根据个人体能定制,老师从不强迫运动,并鼓励参与者做自己想做的事情。
一篇文章发表在2019年的《大脑可塑性》杂志上,发现瑜伽似乎对负责记忆和信息处理以及情绪调节的大脑关键区域具有积极作用。
游戏
大多数专家似乎都同意游戏本身并不能真正改变疾病的生物学或阻止阿尔茨海默氏症对大脑的破坏性作用。
但有研究人员认为,这使他们增加了进行更多社交互动的机会,这比游戏本身更重要,可以提高生活质量,并可能减少认知能力下降。
发表在2019年8月6日《神经病学》上的一项研究发现,精神刺激活动(例如使用计算机,玩游戏,制作手工艺品和参加社交活动)与年龄相关的记忆力丧失的风险较低或延迟有关。
研究发现,在中老年人参加社交活动,例如去看电影或与朋友外出,或玩填字游戏或纸牌游戏等游戏,发展轻度认知障碍的风险降低了20%。
当然也可能是因为有轻度认知障碍的人没有能力经常降低参加这些活动的机会,因此,需要进一步的研究来调查这些发现。
不同人喜欢玩不同游戏,同一款游戏多次重复也会无聊,以下多款游戏可供参考:
填字、拼图、数独、西蒙、Risk、Azul、Lumosity等。
肠道菌群检测
定期进行肠道菌群健康检测,可以了解该疾病风险,如果能在非常早期的时候及时发现,结合肠道菌群进行多种方式针对性干预(如饮食,益生菌,生活方式的调整等),可能会大大延缓病程。
主要参考文献
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