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大肠杆菌:越是寻常,越接近生命的真相

谷禾健康

很多人第一次听到大肠杆菌,想到的往往是腹泻、污染、致病株、食物安全。这当然没有错。但如果我们对它的理解只停留在这里,反而会错过一个更值得追问的事实:为什么这样一种栖居于肠道、看似平常的细菌,会反复出现在现代生命科学最关键的问题之中?

它太普通了。普通到几乎不像一个能够承载重大问题的对象:它住在肠道里,个体微小,结构简单,既不神秘,也不壮观。但科学史有时恰恰如此耐人寻味——真正改变我们理解世界方式的,未必总是那些最复杂、最稀有、最令人惊叹的生命形式;相反,往往是那些足够平常、足够稳定、也足够能被反复检验的对象,最终把最深的规律慢慢显露出来。大肠杆菌正是这样一种存在。

在相当长的一段时间里,人们借助它理解代谢、遗传、信息如何在细胞中储存和传递;后来,又借助它去追问另一些更根本的问题:变化从哪里来,适应如何积累,进化究竟能不能被直接观察

某种意义上,大肠杆菌角色的变化,也映照着生命科学自身重心的变化:从解释生命“由什么构成”,走向理解生命如何在时间中改变自己”。如果没有大肠杆菌,我们今天看待生命的方式,恐怕会是另一种样子。

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为什么偏偏是大肠杆菌?

法国科学家雅克·莫诺说过一句很有名的话:

“对大肠杆菌成立的事情,对大象往往也成立。”

这句话听起来夸张,其实点出了生物学的一个核心事实:生命虽然形态万千,但很多底层规律是共通的。

从细菌到人类,从果蝇到大象,遗传、突变、选择、适应,这些机制并不只属于大型动物。区别在于,有些生命更适合被研究,而大肠杆菌恰好就是其中最理想的一种:

  • 生长快、繁殖快
  • 培养简单、成本低
  • 实验可重复
  • 适合做大规模平行比较
  • 还能长期冷冻保存

这些特性使原本难以直接追踪的生物学过程,被压缩到可观察、可比较、可回溯的时间尺度中。你很难在实验室里追踪一群大象几万代的变化,但你可以让一群大肠杆菌在培养瓶里经历漫长演化。

也就是说,大肠杆菌的价值不只在于方便使用,还在于它显著降低了研究生命规律的实验门槛。科学并不总是从最复杂的对象出发,往往恰恰相反:先在最容易建立因果关系的系统中,识别那些足够稳固的规律。

它不仅推动了分子生物学,也改变了我们理解进化的方式

在很长一段时间里,大肠杆菌几乎就是实验生物学的代名词。

研究者借助它去理解:细胞如何利用营养,基因如何控制代谢,DNA 如何储存信息,信息又如何转化为蛋白质和功能。可以说,现代分子生物学最重要的一批基础知识,很多都与大肠杆菌密切相关。

但真正值得注意的是,大肠杆菌的角色并没有停留在这里。它并不是只在一个时代回答一种问题,而是在不同阶段不断被重新赋予新的研究意义。最初,它帮助人们理解生命的分子机制;后来,它又进入了另一个更难的问题:生命如何变化,变化有没有方向,进化究竟是不是一种能够被直接观察的过程。

也就是说,大肠杆菌角色的变化,某种程度上也对应着生命科学研究重心的变化:从结构与机制,走向历史与过程。

细菌到底会不会像动植物那样进化?

今天看,这似乎是个不需要问的问题。

但在20世纪前半叶,它并不是共识。很多科学家并不确定:细菌究竟有没有像动植物那样稳定的遗传系统?它们的变化到底是随机发生、再被环境筛选,还是环境需要什么,它们就会定向长出什么?

真正改变这一认知的,是 1943 年卢里亚和德尔布吕克做的著名实验——波动实验

这个实验要回答的问题非常关键:

大肠杆菌的抗性,是在遇到噬菌体之后“被逼出来”的,还是在此之前就已经随机出现了?

答案是后者。

更直观地说:如果抗性是细菌遇到噬菌体后才现造出来的,那么不同培养瓶里最后出现的抗性菌数量应该差不多;但实验看到的是巨大的瓶间差异——有的瓶里抗性菌很多,有的几乎没有。这种“波动”只能由一种情形解释:抗性突变早在遭遇噬菌体之前就已随机出现,只是刚好落在了不同的时间点。

也就是说,突变先随机发生,环境再进行筛选。

这场争论表面上讨论的是抗性从何而来,本质上却是在回答一个更深的问题:生物变化究竟由需求驱动,还是由随机变异经由选择形成方向。波动实验的意义就在于,它把细菌明确纳入了达尔文式进化的框架之中。自此,大肠杆菌不再只是实验工具,它也成了理解进化本身的证据。

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微生物世界,从来不是静止的,是持续重排的系统

如果说波动实验解决的是“变化从哪里来”,那么后来的研究进一步显示,问题还不止于此。变化一旦出现,它如何在群体中扩张、替代和沉积,同样构成进化过程的一部分。

后来,科学家又在大肠杆菌身上观察到另一个重要现象:选择性扫荡

简单说,一个细菌群体里会不断出现各种突变。大多数没什么影响,有些有害,少数有益,极少数突变则能够提高适应度。一旦某个突变让细菌长得更快、活得更好,它所在的谱系就会迅速扩张,最终压过其他谱系。

这意味着,微生物世界从来不是一潭静水。它充满竞争、替代、短暂共存和不断洗牌。进化并不只发生在漫长的地质历史中,它也发生在看似平静的实验培养瓶里。

这件事,其实和肠道里的现实非常像。

我们常把肠道菌群理解成一张“好菌、坏菌”名单,但真实情况更接近一个不断变动重组的生态系统:资源在变,环境在变,宿主状态在变,谁占优势、谁退场,也会跟着变。

伦斯基实验:进化如何进入可观察、可回溯的范围

如果说早期工作证明了细菌也遵循达尔文式进化逻辑,那么理查德·伦斯基启动的长期进化实验(LTEE),则进一步把进化研究推进到了另一个层次。

1988 年,伦斯基用同一祖先株建立了12个平行大肠杆菌种群,在相同条件下每天传代,并定期冻存样本。这个设计看上去朴素,却有极强的方法论意义。它不仅允许研究者比较不同平行种群在相似环境中的演化路径,也允许他们把过去某一代的细菌重新复活,与后代直接比较。

这套设计最厉害的地方在于:它把原本只能“推测”的进化,变成了可以比较、重复、甚至回放的过程。

传统的进化研究很多时候只能比较结果,较难处理“如果重来一次,会不会一样”这样的反事实问题。

而在LTEE中,平行种群相当于多次重复起点相同的进化过程,冻存样本则提供了一种可以回调历史的技术条件。进化因此不再只是事后的历史叙述,而逐渐成为可测量、可比较、可检验的实验过程。

8 万多代之后,大肠杆菌告诉了我们什么?

这项实验到今天已经持续了 8 万多代,它带来的启发远不只是几组数据,而是对进化过程本身的重新理解。

第一,进化有随机性,但并非毫无方向。
突变是随机的,但自然选择不是。在相似环境里,不同种群常常会出现相似的适应方向。这说明进化不是完全无序的漂流。

第二,适应是持续积累的过程。
适应度会提高,但提高方式并不总是线性的。所谓“越来越适应”,不是一句抽象口号,而是可以被测量、比较和追踪的过程。

第三,新功能真的可以演化出来。
长期实验中,大肠杆菌展现出了新功能起源的证据。这说明生命中的“创新”并不是神秘跳跃,而可能是长期积累、历史偶然与自然选择共同作用的结果。

第四,进化不仅有结果,也有路径。
随着基因组技术的发展,科学家得以看到:哪些突变出现了,哪些被保留下来,哪些谱系彼此竞争,哪些曾短暂共存后又消失。

于是,进化不再只是“最后谁活下来”的故事,而变成了一门可以拆解过程的科学。

回到肠道:为什么今天还要重新理解大肠杆菌

讲到这里,问题又回到了起点:这一切和肠道中的大肠杆菌有什么关系?

关系非常直接。

因为大肠杆菌从来就不只是实验室里的模式生物,它本来就是肠道生态的一部分。它提醒我们:菌群不是一份静态名单,而是一个不断变化的生态系统。

在多数健康人肠道中,大肠杆菌通常并不是丰度最高的成员,但它常常是对扰动较为敏感的成员之一。饮食改变、抗生素使用、炎症水平上升、环境变化,都可能使其迅速波动。因此,它往往更像一个生态信号,而不只是一个菌名。

更重要的是,同样叫大肠杆菌,不同菌株之间差异很大。有些菌株是稳定共居者,有些则可能携带毒力因子或耐药基因,在特定条件下转变为机会致病菌。

决定其角色的,不只是名称,而是菌株背景、基因组成、生态位以及它与宿主、与其他微生物之间的关系。

这也意味着,理解菌群不能停留在“有什么菌”,还必须进一步追问:它是什么菌株,具有什么功能,处在怎样的资源和选择压力之下,又如何嵌入整个生态网络之中。所谓“好菌”和“坏菌”,很多时候只是过于简化的分类语言。

为什么科学总会一次次回到大肠杆菌?

真正伟大的模式生物,不是只回答一个时代的问题,而是能在不同阶段承载不同层次的提问。

大肠杆菌最初帮助人们理解代谢与遗传,后来帮助建立分子生物学,再后来,它又成为研究进化、适应、创新和历史偶然性的理想系统。

今天,当生命科学越来越重视生态系统、动态过程和宿主—微生物相互作用时,大肠杆菌又一次被重新放回新的问题框架之中。

从这个意义上说,大肠杆菌的重要,恰恰不在于它罕见,而在于它太寻常。

它是肠道里的普通居民,也是实验室里的经典模型;它看似微不足道,却一再帮助人类逼近生命最深的规律:变化如何产生,差异如何保留,竞争如何展开,系统如何在时间中形成今天的样子。

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结语

如果说,有些生物之所以重要,是因为它们庞大、复杂、或罕见;那么大肠杆菌的重要,恰恰来自它的平凡。

正是这样一个住在肠道里的常见细菌,帮助科学家证明了随机突变与自然选择的逻辑,推动了分子生物学的发展,也让进化第一次在实验室里变得可追踪、可比较、可回放。

它既属于肠道,也属于整个现代生物学的历史。

而它真正提醒我们的,也许并不只是某一种细菌的特殊命运,而是生命系统本身的基本事实:

生命从来不是静止的存在,而是一个持续变化、持续竞争、持续适应的过程。

参考文献:

Lenski, R.E. The changing roles of Escherichia coliNat Microbiol 11, 2–3 (2026). https://doi.org/10.1038/s41564-025-02230-1

老年多病共存中的肠道菌群:解析代谢—免疫—屏障轴如何重塑药物反应

谷禾健康

随着全球人口老龄化加速,老年人多病共存多重用药已成为常态,这给药物疗效和安全性带来了巨大挑战。

多药联用本身在控制多重危险因素、降低心脑血管事件方面具有明确获益;很多研究指出,多种药同时使用,住院、药物不良反应与全因死亡等风险往往显著上升。更棘手的是,在老年多病共存背景下,传统以单药证据为核心的处方逻辑,在面对真实世界的系统扰动时发现,同样方案,有人获益明显,有人疗效不足,甚至在疗效不佳的同时不良反应频发

过去我们多从肝肾功能衰退、体成分变化、血浆蛋白结合率下降、受体敏感性改变,以及药物—药物相互作用来解释这种不确定性。但近十年的研究逐渐揭示一个被低估的关键变量:肠道菌群。

肠道菌群不仅能直接参与药物的转化、活化或灭活,还可通过代谢物谱改变炎性衰老屏障变化,沿着“代谢—免疫—屏障”三轴形成相互强化的级联反应,从而在药代动力学与药效学层面共同放大疗效波动与毒性风险

基于此,本文围绕肠道菌群失调这一关键因素,阐述其通过”代谢—免疫—屏障“三轴相互作用,在老年多病共存与多重用药的临床背景下,对药物吸收、代谢和疗效的影响机制,并从代表性药物和治疗场景出发,阐明临床防治要点,为后续高质量试验设计与标准化评价体系的建立提供一些思考。

01
老龄化、多病共存与肠道菌群失调的三角困局

我们正处在一个不可逆转的全球老龄化时代。根据联合国的预测,到2050年,全球65岁以上的人口将占总人口的16.3%

老年人普遍多病共存

世界卫生组织(WHO)将多病共存定义为”同一人体内存在两种或两种以上慢性疾病“。这听起来像是一个简单的数学叠加,实则是复杂的生物学重构

流行病学数据显示,老年人群多病共存的患病率从15%-43%不等,且呈指数级增长。在我们国内,随着疾病谱从传染性疾病向慢性非传染性疾病转型,”高血压+糖尿病+冠心病+脑卒中“的组合已成为老年内科门诊的标准配置。

多药联用的益处和风险

为了管理多种慢性病,患者往往需要服用多种处方药。多药联用本身并非坏事。对于控制多重危险因素、预防心脑血管事件具有明确获益。但当药物数量超过5种时,风险陡然上升,例如住院率增加、药物不良反应增加、全因死亡风险上升。

在老年多病背景下,传统以单药证据为核心的处方逻辑,面对真实世界的系统扰动时,疗效与安全性的方差显著增大

多病共存遇上多重用药,药物的疗效和安全性变得极不确定。药物之间可能相互作用,而复杂的生理状况也让药物反应变得难以预测。这正是当前老年医学面临的核心难题之一。

传统观点认为,老年药代动力学改变主要源于肝肾功能衰退、脂肪/肌肉比例变化、血浆蛋白结合率下降。但近十年的研究揭示,肠道菌群构成了药物代谢的第三维度,在多药联用的老年人群中,这一维度的变异可能是疗效不确定性的最大来源

肠道菌群:老年患者用药难题的关键一环

近年来的研究逐渐明确,肠道菌群不仅与消化相关,还深度参与免疫调控、代谢稳态与屏障维护。在老年人群中,其临床意义被进一步放大,原因主要有三点:

-个体差异更大

老年人因咀嚼/吞咽能力、胃肠动力、饮食结构与营养摄入能力变化,微生物群组成在个体间波动更明显

-易受药物与疾病共同扰动

多病共存导致慢性炎症与器官轴(如肠-肝、肠-心、肠-肺)改变;多重用药(尤其抗生素、PPI、免疫抑制/抗肿瘤药物等)可改变群落结构与代谢功能。

特定药物和药物类别对肠道菌群影响的总结

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doi: 10.1080/19490976.2025.2604867

-对药物治疗的影响:机制叠加而非单点效应

既往研究常把菌群影响分为三类来讨论。

  • 微生物代谢菌群参与药物生物转化/活化或灭活,并通过代谢物影响宿主药物代谢酶与辅因子供给。
  • 免疫调节菌群失衡可促使LPS等PAMPs移位,持续激活TLR4/NF-κB通路,形成低度慢性炎症并改变免疫细胞功能。
  • 屏障完整性紧密连接、黏液层与上皮再生能力下降使通透性增加,进一步推动全身炎症与代谢紊乱。

问题在于:对老年多病共存患者而言,上述三类效应往往不是并列发生,而是形成相互强化的级联反应。也就是说,微生态失衡并非仅改变某一个药物的代谢,而是通过“代谢—免疫—屏障”三系统的协同失代偿,塑造一个对药物治疗不利的内环境:疗效更易不足,毒性更易放大,且波动更难预测。

下一章节,我们来详细了解代谢—免疫—屏障,它如何形成自我维持的恶性循环,并如何在药代/药效层面制造难以预测的真实世界差异。

02
代谢-免疫-屏障协同恶化

在老年多重慢病与多重用药背景下,肠道微生态的紊乱正成为影响药物反应变异的新兴决定因素。菌群的异常不再局限于单一微生物水平的失衡,而会通过代谢-免疫-屏障三大系统的协同失代偿,引发药物动力学(PK)和药效学(PD)的广泛扰动。理清这种多轴联动机制,是实现精准干预的前提。

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

代谢轴:药物转化的失控开关

很多口服药的结局,不只由肝肾功能决定——肠道菌群也在参与转化、激活、灭活与清除

菌群主要从两条路影响用药


1) 直接改造药物分子

部分细菌能还原/脱羧/去甲基等,把药改形态,导致疗效或毒性变化。


2) 间接改造宿主代谢能力

健康菌群产生的短链脂肪酸、胆汁酸等代谢物,可影响肝脏药物代谢酶(如CYP、UGT等)的表达与活性;当菌群紊乱时,这类代谢物谱改变,可能让药物暴露升高波动更大

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doi: 10.1080/19490976.2025.2604867

临床例子

  • 地高辛:特定菌群可把地高辛还原成活性更低的形式,出现同剂量疗效不稳。
  • 伊立替康:肠道细菌的β-葡萄糖醛酸酶可增加肠道局部毒性风险,与腹泻等不良反应相关。

注:老年人/多病共存/多药并用时,即使肝肾化验正常,也可能出现半衰期延长、血药浓度异常或ADR风险上升

当遇到解释不清的疗效波动/不良反应,除了依从性、相互作用、肝肾功能,也可以把菌群状态纳入评估

免疫轴:慢性低度炎症,正悄悄改写药物反应

老年人常见的菌群失调会提高机体对微生物相关分子(如LPS等PAMPs)的系统性暴露(其中一种来源是肠道通透性改变,下一个轴会详细了解),从而持续激活TLR4/NF-κB等通路,形成炎性衰老背景。

这会怎样影响用药?

1) 改变药代

慢性炎症可下调或扰动肝脏/肠道的药物处置系统(如部分CYP酶、转运体P-gp等),导致同样剂量出现血药浓度更高、波动更大不良反应风险上升


2) 改变药效

炎症会重塑靶器官微环境与免疫状态,使药物作用靶点是否可用、反应是否到位发生变化;在免疫相关治疗(如肿瘤免疫治疗、免疫抑制治疗、部分抗炎/免疫调节药)中尤其明显。

临床上你可能看到的矛盾现象

  • 一边疗效不够,一边不良反应增多(同一患者、同一方案,表现为敏感/耐受并存)。
  • 多病共存、慢性炎症负荷高的老年人,更容易出现标准剂量≠标准反应。

屏障轴:肠道屏障变薄,用药为什么不稳定?

在衰老、慢病与长期用药的叠加下,肠上皮修复能力下降,紧密连接与黏液层保护减弱,“肠漏”更常见——这不只是消化问题,也会直接影响药物反应。

两个核心后果

1) 吸收变得不确定
屏障受损与局部炎症会让肠道的通透性/转运发生改变:有的药吸收偏多,血药浓度升高;有的药吸收不稳,导致同剂量下疗效忽高忽低。

2) 全身稳态被扰动(并放大前两个轴)
屏障一旦松动,细菌成分与代谢产物更容易进入循环,促进低度炎症,进而影响肝药酶/转运体与靶器官微环境,从而形成肠漏 → 炎症 → 用药更波动的恶性循环。

临床上常见的表现

  • 药物疗效波动、血药浓度起伏大(尤其在多药并用、营养状态差、反复腹泻/便秘者)。
  • 更容易出现不良反应或并发感染,营养支持/联合用药的效果也更难预测。

三轴不是并列问题,而是一个协同加剧的闭环

代谢-免疫-屏障三轴协同恶化的最终结果,是老年多病患者体内药物的药代动力学(PK,身体对药物的作用)和药效学(PD,药物对身体的作用)发生不可预测的改变。

PK改变

肠道屏障受损影响药物吸收;菌群代谢和肝脏酶活性改变影响药物的代谢和清除。这导致血药浓度要么过高(增加毒性风险),要么过低(导致治疗失败)。

PD改变

衰老本身就可能改变药物靶点(如受体)的敏感性。菌群失调引发的慢性炎症环境可以进一步改变靶组织的反应性,使得药物效果增强或减弱,或产生非预期的不良反应

因此,理解这个三轴互作的复杂网络,对于在老年多病患者中实现安全有效的药物治疗至关重要。

老年多病状态下肠道菌群调节药物疗效的核心机制

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

03
常用药在菌群变量下的疗效漂移与风险放大

在处理患有多种疾病且服用多种不同药物的老年人时,肠道细菌与药物之间的关系变得至关重要。

老年多病患者的菌群失调与药物相互作用

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

氯吡格雷 Clopidogrel

氯吡格雷是动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)二级预防中最常用的抗血小板药之一。但它有一个关键前提:需要在肝脏经CYP450酶系(尤其CYP2C、CYP3A相关通路)生物活化,才能产生真正抑制血小板的活性代谢物

在多病共存的老年人群里,我们常看到“同样用药、抑制不够、血栓风险仍高”的情况。越来越多证据提示:肠道菌群失调及其引发的代谢—免疫—屏障轴紊乱,可能系统性地削弱氯吡格雷的有效反应。

下面我们来看这到底是怎么从肠道一路影响到血小板和肝脏的。

先决定药能不能起效——肝脏活化是门槛

氯吡格雷是典型前药(它最怕的是活化环节被压住):

  • 进入体内后,只有一部分能在肝脏被CYP450活化为“活性代谢物”;
  • 活性代谢物再去不可逆抑制血小板P2Y12受体,降低ADP介导的聚集;
  • 所以说,任何能下调/抑制肝CYP表达或活性的因素,都可能让药吃进去了,但没被代谢成真正起效的活性成分。

老年人常合并慢性炎症、代谢异常、肝脏基础疾病、肠屏障受损与菌群失调——这些因素并不是彼此独立,而是会相互放大。

再看药效端:TMAO抬高血小板反应性,出现P2Y12旁路

肠道菌群可把膳食中的左旋肉碱、胆碱代谢成TMA,再由肝脏转化为TMAO进入循环。


TMAO升高不仅是风险相关指标,也可能参与机制:它可诱导TLR4介导的信号通路,机制研究提示可能促炎/促血栓,但尚需临床因果验证。

更关键的一点是“旁路效应”:即便P2Y12被抑制,血小板仍可能通过不依赖P2Y12的激活通路被推起来,于是临床上就表现为抗血小板效果不够/耐受倾向

是谁在调CYP开关:T细胞与炎症信号如何改写药物活化?

CYP不是单纯的代谢酶,它受免疫—炎症信号调控。T细胞参与调控肝脏CYP2CCYP3A表达,因此不同免疫状态下,氯吡格雷活化可能走向不同方向:

  • 在部分实验情境中,T细胞缺陷小鼠出现更高的CYP2C/CYP3A活性,反而提示活化增强、药物反应更强。
  • 但在更常见的代谢炎症背景(如肥胖相关免疫失衡、Th1/Th17相关失调)中,P450更可能被下调,导致活化不足、反应降低。

肠屏障受损经肠-肝轴放大炎症,压低CYP活化

多病共存老年人常伴慢性炎症、慢性肝病与心血管疾病,这些因素可破坏肠道紧密连接,增加通透性(也就是肠漏),促使炎症信号升级。系统性炎症常见TNF-α、IL-6升高,而这类促炎因子可能下调肝脏CYP酶,让氯吡格雷更难被充分活化

菌群失调还可能伴随FXR–FGF15信号下降,扰动胆汁酸代谢,进一步削弱屏障与代谢稳态,让炎症-屏障受损-代谢紊乱更难刹车。

另一个值得关注的线索是黏膜免疫:肠黏膜免疫受损致病共生菌(如AIEC)定植相关,提示IL-22信号受损;这会加重菌群失调与屏障障碍,经肠-肝轴放大代谢紊乱,并间接压低氯吡格雷的生物活化能力。

小 结

衰老肠道中的菌群失调触发代谢—免疫—屏障恶性循环,削弱氯吡格雷效应。

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

  • 代谢轴:肠道微生物将胆碱/左旋肉碱代谢为TMA,经肝脏转化为TMAO;TMAO可增强血小板反应性,增加血栓倾向,并使临床上更易出现氯吡格雷低反应。
  • 免疫轴:肠漏导致细菌组分(如LPS)移位,引发炎症反应(TNF-α、IL-6等),抑制肝脏CYP450活性,降低氯吡格雷生物活化。
  • 屏障轴:紧密连接受损及胆汁酸信号/代谢紊乱(如FXR–FGF15下降)进一步加重肠漏与炎症。

三轴相互放大,最终削弱氯吡格雷的抗血小板作用。

地高辛Digoxin

地高辛是经典强心苷类药物,治疗窗很窄:剂量稍低可能无效稍高就可能出现毒性与心律失常。因此,它对任何能改变肠道吸收、菌群代谢、炎症背景与转运蛋白(P-gp)的因素都格外敏感

在多病共存的老年人群中,我们更容易看到“同样用药,却出现疗效不足或毒性增高、波动难控”的情况。由于其药代动力学特性较为敏感,容易受到患者肠道细菌影响。

菌群代谢:Eggerthella lenta如何把药变钝?

肠道共生菌 Eggerthella lenta 可通过其相关还原酶系统(如 强心苷还原酶)将地高辛转化为药理活性更弱/无活性的代谢物(二氢地高辛,dihydrodigoxin)。微生物失调导致该菌富集,从而使血清地高辛浓度降低至治疗阈值以下,最终因对心肌的正性肌力作用不足而导致心力衰竭治疗失败。

为什么炎症状态会把“窄治疗窗”变得更危险?

菌群失调不仅影响代谢,还可能通过免疫耐受破坏(如树突状细胞相关的免疫耐受下降)推动系统性炎症。与此同时,肠道屏障受损会促进LPS移位入血,激活TLR4通路,诱导TNF-α、IL-6等促炎因子升高

对地高辛而言,这种炎症背景的风险在于:地高辛本就与心律失常风险相关,且其毒性更容易在电解质紊乱(如低钾)等情况下被放大炎症信号进入心脏微环境后,可能增加心肌细胞的电不稳定性,从而提高地高辛相关心律失常的风险。

P-gp 如何决定地高辛的口服吸收上限?

地高辛是经典的 P-glycoprotein(P-gp)底物。P-gp 在肠上皮细胞腔面表达丰富,可把已吸收进入细胞的地高辛外排回肠腔,从而显著限制其通过肠壁进入血液的量影响口服生物利用度

动物证据也支持这一点:在保留人源 P-gp、缺失小鼠 P-gp 的模型中,口服后地高辛血浆浓度显著升高,提示P-gp外排是限制暴露的重要因素。因此从理论上说,抑制肠道P-gp活性,可能改善地高辛吸收

老年多病共存为什么使地高辛疗效更不可预测?

  • 合并用药多≥65 岁人群多病共存,P-gp 相关的药物-药物相互作用(DDI)更常见。已知会抑制 P-gp 的药物(如部分抗心律失常药、免疫抑制剂等)可降低肠道外排,导致地高辛暴露升高、毒性风险上升。
  • 结构与功能改变衰老相关的肠道结构/功能变化,以及肝肾功能下降,可能改变 P-gp 的表达与活性。
  • 菌群失调→屏障破坏→炎症→代谢紊乱当发生肠道菌群失调时,消化道细菌平衡被打破,肠道屏障功能受损,使LPS等有害物质可从肠道进入血液。一旦进入血流,这些毒素会触发全身性炎症并造成代谢紊乱,进而影响机体多种保护性屏障的功能,包括肠屏障与血脑屏障;这些屏障共同影响药物的分布、代谢以及随后发生的毒性反应。在多病共存老年人群中,该级联反应还会因免疫功能随年龄下降而进一步加重,可能降低地高辛疗效并增加毒性风险。

多种因素叠加,使多因素健康问题老年人群中的药物相互作用更具变异性与不可预测性。

小 结

微生物可通过代谢—免疫—屏障三联机制调控地高辛的药代动力学与毒性。肠道菌群失调通过三条轴影响地高辛反应。

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

  • 代谢轴:Eggerthella lenta 富集导致地高辛发生酶促失活,使血清水平下降。
  • 免疫轴:菌群失调诱导的炎症增加心肌敏感性,提高地高辛毒性风险。
  • 屏障轴:肠道P-糖蛋白(P-gp)限制地高辛吸收;与P-gp抑制剂的多重用药可增加吸收,从而提高毒性风险。年龄相关的器官功能下降进一步扩大个体差异。

二甲双胍Metformin

二甲双胍(metformin)作为2型糖尿病一线用药,其疗效部分依赖健康的肠道微生态环境;相反,菌群失调可能抑制二甲双胍的治疗效果。

代谢干扰:信号通路抑制与药物代谢加速

菌群失调(特别是拟杆菌属的丰度变化)可通过特定的酶学途径干扰二甲双胍的药代动力学和药效学。

  • 信号通路阻滞(BSH-FXR-GLP-1轴)某些拟杆菌携带变异的胆盐水解酶(BSH)基因,导致BSH活性过高。这会抑制肠道FXR信号通路,进而减少GLP-1(胰高血糖素样肽-1)的分泌,最终削弱了二甲双胍诱导的胰岛素增敏作用。
  • 药物代谢加速(BSH-CYP3A4轴)BSH过度活跃加速了初级胆汁酸(如胆酸)向次级胆汁酸(如脱氧胆酸 DCA)的生物转化。

免疫调节失衡:老龄化背景下的炎症干扰

在老龄化人群中,菌群失调与免疫系统的相互作用更为复杂。

  • 低度炎症状态老龄化相关的菌群失调会异常激活先天免疫通路,诱发个体差异极大的低度慢性炎症。这种不稳定的免疫状态会对抗二甲双胍在血糖控制和抗衰老方面的获益。
  • 治疗抵抗尽管通常认为二甲双胍能改善菌群和免疫,但在严重的菌群失调或功能紊乱基线下,这种正向调节失效,反而导致药物耐受性差、副作用增加以及治疗抵抗。

屏障功能受损:系统性代谢紊乱的恶性循环

菌群失调导致的紧密连接蛋白降解和肠道通透性增加(即肠漏),不仅影响肠道局部环境,更具有全身性影响

  • 毒素易位病原体及其代谢毒素(如内毒素)入血液,引发系统性的代谢和免疫紊乱。
  • 效应阻断这种系统性紊乱直接干扰了二甲双胍在肠道局部及全身靶器官的作用机制。

临床:多病共存老年患者适应不良

在多病共存老年人群中,肠道菌群失调会驱动一种不适应性的循环,形成代谢、炎症与免疫调控异常相互交织的三联网络。

肠道菌群在该循环三条轴中的作用,对于影响二甲双胍疗效至关重要。二甲双胍可作用于肠道微生物群以帮助调节代谢过程、调控免疫反应并维持肠屏障功能;然而,老年人中由衰老与多种慢性病共同导致的重度菌群失调也被证明会对上述结局产生负面影响

重度菌群失调状态下,二甲双胍对各轴的有益作用被削弱,最终导致其在多病共存老年患者治疗中的有效性出现极大异质性,甚至可能治疗失败。

小 结

肠道微生物群的代谢-免疫-屏障轴相互作用调控二甲双胍反应的变异性。在老年多病共存中,菌群失调通过相互关联的机制损害二甲双胍疗效。

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

  • 代谢轴:细菌胆盐水解酶(BSH)活性改变损害FXR信号与GLP-1分泌,削弱胰岛素增敏作用。
  • 免疫轴:与菌群失调相关的慢性炎症状态促进胰岛素抵抗并增加反应差异。
  • 屏障轴:肠道通透性增加导致全身代谢与免疫调控紊乱,间接降低药物疗效。

免疫检查点抑制剂ICIs

免疫检查点抑制剂(如抗PD-1/PD-L1抗体)的疗效高度依赖于机体的免疫基调(Immune Tone),而肠道菌群是这一基调的关键调节者菌群失调通过干扰代谢重编程、加剧免疫衰老及破坏屏障功能,削弱T细胞的抗肿瘤应答。

代谢:短链脂肪酸匮乏,阻碍T细胞代谢重编程

菌群失调期间,代谢轴的异常直接抑制了免疫细胞的抗肿瘤活性

  • 短链脂肪酸耗竭菌群失调导致短链脂肪酸(SCFA)产量下降。SCFA是T细胞及其他免疫细胞进行代谢重编程的关键信号与底物,缺乏SCFA会导致T细胞无法有效响应抗肿瘤免疫信号。
  • 多病共存的叠加效应老年多病共存患者本身即存在年龄相关的代谢损伤,这与菌群介导的SCFA减少相互叠加,进一步加剧了免疫应答与肠道菌群之间的代谢/免疫失衡,降低ICI疗效。

免疫衰老与分化失衡

老龄化背景下的菌群失调会加速免疫系统的无能化和肿瘤的免疫逃逸。

  • 加剧免疫衰老老年患者本身面临免疫衰老,而菌群失调会进一步抑制关键促炎细胞因子的产生并损害T细胞功能,导致免疫系统处于低激活状态,利于肿瘤发生免疫逃逸。
  • T细胞分化失衡(Treg/Th17)菌群失调导致调节性T细胞(Treg)与辅助性T细胞17(Th17)比例失衡。这种失衡可能抑制了ICIs诱导的杀伤作用(包括PD-1/PD-L1阻断途径),削弱了机体清除肿瘤的能力。

屏障破坏:系统性炎症干扰

菌群失调导致的物理屏障破坏是系统性干扰的源头。

  • 通透性增加与易位肠道屏障功能减弱,使得细菌及其代谢副产物易位进入体循环。
  • 慢性炎症干扰这种易位触发了系统性的慢性炎症,这种非特异性的炎症环境会干扰ICIs诱导的特异性抗肿瘤免疫效应,导致疗效不佳。

总而言之,在老年多病患者中,一个失调的肠道菌群会从能量供应、免疫细胞平衡和全身炎症状态等多个维度,全面削弱ICIs的抗肿瘤效果。

小 结

肠道微生物群紊乱会破坏肿瘤微环境中的代谢—免疫—屏障网络,从而降低免疫检查点抑制剂(ICI)的疗效。菌群失调通过三轴失衡削弱ICI效应。

编辑​

doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

  • 代谢轴:微生物产生的短链脂肪酸(SCFAs)减少,会损害CD8⁺ T细胞的能量代谢与功能。
  • 免疫轴:缺乏免疫刺激性菌群以及调节性T细胞(Treg)/Th17细胞失衡,会削弱抗肿瘤免疫。
  • 屏障轴:肠道通透性增加触发全身炎症反应,进一步抑制肿瘤微环境中T细胞活性,最终导致治疗失败。

04
基于菌群的干预策略

全球人口老龄化与老年人多种慢性病患病人数增加并存。当前研究持续关注肠道微生物组失调药物疗效之间的相互作用。

为有效应对这一问题,需要对更广泛且更具效能的治疗策略开展系统性研究与实施设计,并在三个层面的相互作用中统筹考量:代谢、免疫稳态肠道屏障完整性。采用这一多维模型,可建立全面的调控框架,使研究者能够在系统层面借助网络药理学,精准靶向微生物组药物治疗之间的相互作用。

益生菌

益生菌是调控肠道微生物组的多种方式之一,也是最常用的干预手段之一;其通常包含多种菌株,不同菌株因独特的代谢特征而产生不同治疗效应

某些益生菌代谢产生的常见代谢物为短链脂肪酸(SCFAs)。研究表明,SCFAs可与CYP450酶(药物代谢酶家族的重要组成部分)直接相互作用;同时,SCFAs还可通过激活TLR/NF-κB通路增强机体免疫反应,并促进肠上皮细胞中紧密连接相关蛋白的生成。

与代谢类药物联用

多项研究提示,与不同种类的乳酸杆菌属双歧杆菌属益生菌联用,可显著增强胰岛素、二甲双胍等降糖治疗的获益,其核心可归结为两条菌群介导的代谢调节路径:

  • 1) 提高短链脂肪酸供给:促进丁酸/丙酸/乙酸等产生,改善胰岛素敏感性与糖代谢稳态。
  • 2) 优化胆汁酸池与信号:推动胆汁酸组成向更有利于代谢调控的方向转变,从而与降糖药产生协同。

不过总体来说仍然缺乏足够的预临床/小规模临床研究,高质量 RCT仍然不足。

-临床证据

胰岛素 + 乳酸杆

在1型糖尿病以及未使用其他降糖药的2型糖尿病人群中,联用可降低HbA1c;且这种改善与有益菌群上升(如 Bifidobacterium animalis、Akkermansia muciniphila)相关联。

二甲双胍 + 复合益生菌

例如以 L. rhamnosus Probio-M9、L. casei、L. plantarum P-8、以及 B. animalis subsp. lactis V9/M8(Probio-M8)等组成的组合,在与二甲双胍联用时可提升SCFAs水平,并通过改善胰岛素敏感性增强血糖调控。

抗感染与抗菌生态位竞争

乳杆菌补充剂具有一定的抗微生物效应,可在感染的预防与辅助治疗中发挥作用。其可能机制包括产生多种代谢物并改变局部理化环境,例如:

  • 生成乳酸、丙酸、乙酸等降低pH、破坏细菌膜稳定性;
  • 产生过氧化氢造成氧化损伤;
  • 产生二乙酰(diacetyl)干扰蛋白合成等,从而对革兰阳性与阴性菌均可形成抑制。

-代表性联合策略

Lacticaseibacillus paracasei LC11 + 蔓越莓 + D-甘露糖

可降低泌尿道感染复发(特定人群研究)。

乳酸杆菌/双歧杆菌 + 幽门螺杆菌三联疗法

提高根除率、并有望改善疗程耐受性。

肿瘤治疗支持

化疗与放疗常诱发显著的肠道菌群紊乱与黏膜损伤,进而表现为腹泻、黏膜炎、营养不良、炎症升高等一系列问题;在老年肿瘤患者中,这些问题更可能放大为剂量下降延迟治疗甚至停药

益生菌在这一场景下的价值更多体现为支持治疗。其有效性可归因于其能够稳定受损的肠道屏障调节炎症和代谢

鼠李糖乳杆菌GG+长双歧杆菌+嗜酸乳杆菌+粪肠球菌的组合

该组合已被证明能抵消这些影响。它们通过重建肠道紧密连接和减轻炎症来实现这一目标。

临床证据支持这一屏障恢复的重要性,它已与宫颈癌患者放疗引起的腹泻减少28%相关,从而减少了抗腹泻药洛哌丁胺的使用。

Bifidobacterium BB-536

可通过增加CD8⁺ T细胞向肿瘤浸润,增强抗PD-1免疫检查点抑制剂的疗效。

此外,益生菌通过减少体重增加、低密度脂蛋白(LDL)水平和与多西他赛治疗相关的菌群失调,有助于稳定代谢紊乱。

这些干预措施提高了患者的功能评分并改善了整体生活质量。总之,将益生菌纳入癌症治疗方案中可作为一项重要的支持性措施,有效减少肿瘤治疗相关的附带损伤,并提高患者对治疗方案的耐受性和依从性。

益生菌来源BEVs的跨器官信号:增强抗PD‑1免疫治疗的潜力

发表在《Nature Communications》的一项研究显示,肠道共生益生菌——双歧杆菌(Bifidobacterium)可释放细菌来源的细胞外囊泡(BEVs),这些BEVs能穿越肠屏障被机体吸收,并远程富集于肺癌肿瘤组织

研究发现,BEVs可被肿瘤细胞摄取,通过TLR4–NF-κB信号上调肿瘤细胞PD-L1,并增强肿瘤微环境中免疫细胞的功能。

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doi.org/10.1038/s41467-025-58553-4

动物实验中,联合给予BEVs和抗PD-1抗体可显著抑制肿瘤生长,较单用抗PD-1效果更佳。

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doi.org/10.1038/s41467-025-58553-4

该机制提示,益生菌可能通过囊泡信号跨器官调节作用,帮助提升免疫治疗(如PD-1抑制剂)疗效。这为老年群体通过益生菌进行辅助抗肿瘤免疫调节提供了全新理论依据。

益生元

益生元(如菊粉与抗性淀粉)可作为有益菌群(如Faecalibacterium、Roseburia的选择性底物,通过对有益菌的间接作用优化代谢—免疫串扰。

相较活菌制剂,益生元通常具有制剂稳定性更好质量一致性更高、免疫安全性风险更低等优势,因此在体弱老年人或多病共存人群中,更适合作为低风险的长期辅助干预

益生元的价值不止于改善菌,还可以作为饮食-微生物-药物三者之间的桥梁。通过改变菌群结构与代谢谱,进而影响宿主对药物的反应与耐受。

茯苓多糖 + 5-FU

动物研究提示其具有一定降毒/增效潜力——例如茯苓多糖可减轻5-FU相关体重下降与肠道损伤,可能与降低促炎因子增强屏障功能及纠正菌群失调有关。

低聚果糖 + 二甲双胍

在饮食诱导肥胖动物中,低聚果糖二甲双胍联用较单用进一步改善血糖与体重,并降低内毒素炎症标志物水平,同时改善菌群。

多酚类既可被菌群转化为生物活性代谢物,也可反向塑造菌群组成,因此非常适合药物形成代谢协同的联合策略。

多酚类+药物联合治疗非酒精性脂肪性肝病

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doi.org/10.1016/j.jare.2024.03.004

粪菌移植(FMT)

粪菌移植(FMT)是一种独特疗法,通过递送健康供体的功能性菌群联合体来重建肠道微生态平衡。

FMT可调节胆汁酸代谢网络,并恢复产丁酸菌(如Faecalibacterium prausnitzii)的活性,以纠正菌群失调状态。

传统FMT给药方式包括结肠镜或灌肠;而口服胶囊递送经内镜肠内管递送等新方式显著改善了患者耐受性与依从性

与药物联用的证据示例

肿瘤免疫治疗(PD‑1/PD‑L1)

FMT可通过免疫重塑提高ICI疗效。

炎症性肠病(克罗恩病)

一项随机试点研究提示,FMT可能提高泼尼松龙治疗患者的临床缓解率,可能与屏障修复与SCFAs恢复相关。

高血压/心血管药物反应

在动物研究中,将“氨氯地平治疗后自发性高血压大鼠”的菌群移植给未治疗大鼠,可降低血压并改善血管舒张、氧化应激与Th17浸润等系统指标;而来自氢氯噻嗪处理动物的FMT未显示类似获益,提示FMT可能转移一种“代谢编程后的微生物表型”,但关键菌种与分子通路仍待明确。

目前FMT临床研究尚未形成标准化给药方案,因此需基于个体患者及其具体健康状态制定标准化剂量策略。迄今FMT研究主要聚焦于单次或短期治疗方案,尤其是在复发性艰难梭菌感染患者中;但对与衰老相关的虚弱等慢性状态的管理,可能需要重复和/或维持剂量方案。当前研究所收集的数据表明,老龄小鼠模型可产生与人类衰老相关的参考数据。

噬菌体疗法

噬菌体治疗是一种新型策略,利用噬菌体(感染细菌的病毒)对抗耐药菌感染,具有改变抗生素耐药性感染治疗范式的潜力

通过靶向特定微生物,噬菌体可清除耐药病原体相关菌群(如产生β-葡萄糖醛酸苷酶的E. coli),从而降低因抗生素相关毒素导致的药物再活化和/或代谢紊乱。例如,噬菌体能够从接受伊立替康治疗患者的肠道中清除产生β-葡萄糖醛酸苷酶的E. coli,从而阻止SN-38再活化所致的肠黏膜炎

此外,这些噬菌体还可通过IL-22依赖的再生促进杯状细胞恢复,为黏膜屏障重建提供机制基础。病原清除黏膜屏障重建的结合,对治疗多重耐药感染具有重要临床意义,尤其适用于老年人免疫功能受损人群

小鼠研究显示,经饮水口服给药(每日4×10⁸ PFU,连续31天)具有安全性证据;但目前尚未报道明确的人体剂量。

通过饮水口服噬菌体以改变肠道微生物组(并具良好安全性)具有前景,但仍需进一步研究以明确长期安全性与有效性,目前也缺乏既定的临床应用时间尺度。

饮食营养干预

营养饮食策略同样是调控肠道微生物群的主要手段之一,且具有多靶点特征。通过改变饮食结构(如增加高纤维食物摄入),可提升肠道微生物多样性并改善其功能,从而构建综合防御体系

例如,摄入抗性淀粉富含多酚的食物可改变肠道微生物对营养物质的代谢方式,并特异性触发有利于ICI发挥作用的不同通路。

锌与N-乙酰氨基葡萄糖可通过促进紧密连接相关蛋白(如ZO-2)生成以维持肠细胞间的致密连接,同时促进MUC2产生以利于损伤后修复,从而增强肠道保护层。

对于症状多样、且常合并多重用药的老年患者,单一疗法不足以应对复杂挑战。因此,有必要建立分层、整合的管理策略,以协调上述干预之间的相互作用。

例如,将益生元工程化噬菌体联用,可在稳定代谢、可控调节细菌群落、以及具有抗炎特点的饮食干预之间形成协同,并与免疫功能与屏障功能改善相结合。

此外,可在全面评估个体肠型用药史动态微生物组特征的基础上,为患者制定个体化干预方案。通过组合这些治疗策略,或可提高特定药物或药物组合的治疗效应,降低多药并用导致不良事件的风险,并提升老年人健康管理的整体照护质量。

05
结 语

在老龄化与多病共存叠加的现实中,肠道微生物群已从背景因素走到台前:它通过代谢、免疫与屏障三条主轴,重塑药物疗效与不良反应的边界。现有从益生菌/益生元到FMT、噬菌体与饮食等多种工具,更多是可用的起点。

面向未来,关键在于把经验性调菌推进为可计算、可验证、可迭代的精准体系

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doi.org/10.1016/j.arr.2026.103023

一方面,以单细胞测序、空间转录组与代谢通量等多组学,在老年多病模型中绘制“宿主—微生物群—药物”互作图谱,解析微生物代谢物对CYP3A4、PD-1、Claudin-18等关键节点的时空调控;

另一方面,建立多中心、纵向随访队列,将标准化菌群检测纳入常规流程(基线分型与重复采样监测),持续记录菌群谱、用药史与结局,捕捉疗效波动及耐受/耐药的演化轨迹

与之配套的是统一标准的微生物组—药物数据库与临床级算法:让AI/机器学习在临床试验中被严格验证,把高维数据转化为可预测的反应评估可执行的干预建议

这些数据的验证将推动针对多病老年人的个性化“菌群-药物”管理策略提升多重用药安全性并促进健康老龄化。

更进一步,合成生物学有望带来可递送/可响应的智能工程菌、工程化噬菌体—纳米颗粒偶联体,并以连续菌群监测提供反馈,形成“检测—建模—干预—再检测”的闭环,使干预与个体衰老轨迹同频;同时也需以长期人群研究审慎评估气候与生态变化对微生物群及健康老龄化的潜在影响。

当然,前路仍有挑战,个体差异带来的可重复性问题、长期安全性与质控标准、以及高质量随机对照证据的缺口,决定了转化必须稳扎稳打——慢即是快。但方向已清晰:在多病共存与多重用药的时代,微生物群正在成为决定疗效与风险的重要变量。

主要参考文献

Yang D, Ren D, Zhang Y, Hao Y, Yue Y, Li Q, Fan Q, Sun C, Cui M, Zhang M. The gut microbiota dysbiosis in geriatric multimorbidity: Pharmacotherapeutic implications, pathophysiological mechanisms, and precision modulation strategies. Ageing Res Rev. 2026 Jan 13;115:103023.

Preet, R., Islam, M.A., Shim, J. et al. Gut commensal Bifidobacterium-derived extracellular vesicles modulate the therapeutic effects of anti-PD-1 in lung cancer. Nat Commun 16, 3500 (2025).

Li H, Liang J, Han M, Gao Z. Polyphenols synergistic drugs to ameliorate non-alcoholic fatty liver disease via signal pathway and gut microbiota: A review. J Adv Res. 2025 Feb;68:43-62.

Al-Btoosh S, Donnelly RF, Kelly SA. Microbes and medicines: interrelationships between pharmaceuticals and the gut microbiome. Gut Microbes. 2026 Dec 31;18(1):2604867.

de Ciutiis I, Djakovic S, Cagigas ML, Masedunskas A, Smith L, Franceschi C, Fontana L. Long-term fasting and its influence on inflammatory biomarkers: A comprehensive scoping review. Ageing Res Rev. 2025 Aug;110:102797.

Herisson FM, Cluzel GL, Llopis-Grimalt MA, O’Donovan AN, Koc F, Karnik K, Laurie I, Canene-Adams K, Ross RP, Stanton C, Caplice NM. Targeting the Gut-Heart Axis Improves Cardiac Remodeling in a Clinical Scale Model of Cardiometabolic Syndrome. JACC Basic Transl Sci. 2024 Nov 20;10(1):1-15..

大语言模型在真实世界中的营养评估应用

谷禾健康

准确的饮食评估是营养流行病学、临床营养学及公共卫生计划的基石,对于减轻全球饮食相关慢性疾病(如肥胖、三高)至关重要

然而,传统的评估工具(如食物频率问卷、24小时回忆法和称重食物记录)长期面临着参与者负担重数据偏差以及可扩展性有限等问题,这些局限性降低了营养数据的可用性和准确性。

人工智能与大型语言模型的兴起

近年来,人工智能(AI),特别是自然语言处理(NLP)和大型语言模型(LLMs)的飞速发展,为自动化营养评估提供了新的契机。以GPTClaudeGemini为代表的先进模型,具备了处理复杂自由文本、进行高通量食品分类及提供个性化营养建议的潜力

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然而,目前的验证研究主要集中在英语数据集上,遇到像波兰语这样语法复杂的语言,它们还能不能这么灵光? 此外,现实生活远比实验室复杂。比如在养老院里,饮食数据往往包含复杂的菜单外食品,要让AI准确识别这些带有强烈文化特色、又没写在标准食谱上的东西,对它的语言天赋和应变能力绝对是个巨大的考验

分类框架的整合:NOVA与WHO指南

饮食质量的评估通常依赖于互补的框架:既要看食品是如何加工的NOVA系统),又要看具体的营养成分是否超标(如糖、脂肪和钠),即参照世界卫生组织(WHO)的指南。

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虽然这两大标准是全球饮食指南的基础,但直接让AI照搬却很困难,因为两者在定义上时有模糊,甚至相互打架。尤其是NOVA系统有时过于简单粗暴(非黑即白),无法完全反映食品的复杂性。因此,我们需要一种能同时考量加工深度营养密度混合系统,从而让AI做出更精准的判断。

为了填补这一空白,来自波兰的华沙医科大学Aia等人的研究团队利用一份包含1992种食品波兰语纵向数据集,对目前市面上三款顶流AI模型——Claude Opus 4.5、Gemini 3 Pro 和 GPT-5.1-chat-latest,设了两场考试:一场是死磕标准的硬核测试(结合NOVA和WHO双重标准),一场是凭直觉的快速测试

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结果很明确,虽然AI面对复杂的波兰语还不能完全独立行医,但只要有人类专家的把关,AI完全有能力成为临床和公共卫生营养评估中的得力助手,让大规模的健康饮食管理变得既快又好。

本文我们一起来详细了解一下这项研究的主要设计、AI模型的真实表现、专家如何配合AI实现人机协作的最佳效果。无论你是营养师、AI从业者,还是对健康饮食感兴趣的科研工作者,相信都能从中获得新的启发。

研 究 设 计

该研究基于华沙医科大学2017–2021年开展的长期护理机构(LTCF)纵向项目数据,已获伦理批准(AK-BE/212/2017)。

原队列1000名居民,收集人体测量、生物阻抗、体力活动、临床诊断与膳食信息。研究聚焦居民个人橱柜中菜单外食品(由本人购买或家属带入,非机构配餐),共纳入1992条食品记录,数据以波兰语原文处理

选取三种大型语言模型(Claude Opus 4.5、Gemini 3 Pro、GPT-5.1-chat-latest),均通过API调用,统一温度参数为1.0,以提高可比性贴近默认使用场景

设置两种提示策略

① 结构化双步提示

1

NOVA识别超加工食品(UPF),一经判定即归为不健康;

2

仅对第1步判为健康的条目,按WHO阈值评估游离糖(>总能量10%)、饱和脂肪(>10%)或钠(>2 g/日),超标则改判不健康。

模型需输出每个产品的名称、重量(g)、热量与二分类结果,并分别汇总两类总热量。

② 简化单步提示

仅要求对每个产品给出健康/不健康判断及简短理由(两列:evaluation与description)。

人工参照标准由两位专家完成:

  • 专家1独立对全部条目二分类并给出简要理由;
  • 专家2 复核与纠错,形成最终金标准。

统计分析以Pearson卡方检验(α=0.05)进行多组两两比较(模型-专家、模型间、提示策略间及“多模型共识”主导类别)。同时以不健康阳性,基于混淆矩阵计算Accuracy、Precision、Recall、F1与Specificity,评估不同提示与模型的错误模式。

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文中会出现的一个词:Dominant,指的是多模型共识(consensus response across LLMs),你可以理解为对多个模型的结果采用了投票机制,如果大多数模型对某一项食品都给出了相同的分类,那么这个分类就被认为是“Dominant”分类,即多模型共识的分类结果,有助于减少单个LLM的偏见,同时保持保守的风险评估。

详 细 结 果

1. 结构化双步提示结果

★ 核心结论

三种模型与专家一致性都很高(约90–91%);同时呈现更保守的倾向,也就是说更擅长抓出不健康(Recall很高),但更容易把健康误判为不健康(Specificity下降)。

双步提示下 LLM vs 专家的一致性分布

(占总样本1992的百分比)

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双步提示下的混淆矩阵指标

(UNHEALTHY为阳性)

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怎么看这组结果?

双步提示把规则写死(先NOVA判UPF直接不健康,再用WHO阈值复筛),所以模型更倾向于宁可判不健康也不漏掉,表现为 Recall极高(0.963–0.982)。

代价是 Specificity偏低(0.798–0.844),也就是说有一部分其实健康的条目被判成不健康(假阳性更多)。

2. 简化单步提示结果

★ 核心结论

简化提示下,总体一致率更高(约92.5–94.2%),并且 Specificity明显提升,Recall仍保持较强,整体更像专家的整体判断风格。

同时,作者指出:在简化提示下,模型整体会把更多条目判为健康(相比双步提示),显示规则约束变少后,模型不再那么保守

简化提示下 LLM vs 专家的一致性分布

(占总样本1992的百分比)

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简化提示下的混淆矩阵指标

(UNHEALTHY为阳性)

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怎么看这组结果?

相比双步提示,简化提示的 Accuracy更高(0.927–0.942),并且 Specificity显著提高(0.897–0.951):更少把健康误判为不健康

Recall略有回落但仍高(0.909–0.964),整体更均衡。

Dominant在简化提示下表现最好/接近最好(Accuracy 0.942,F1 0.949)。

这提示简化单步策略在召回率特异性之间找到了一个更好的平衡点,使得模型的分类结果既能较好地识别不健康食品,也能较好地识别健康食品,减少了误报或漏报的情况。

3. 跨模型、跨提示词的整体差异(卡方检验)

为了评估提示结构对不同LLM及人类专家之间的一致性和差异性,使用Pearson’s Chi-square检验,对所有可能的成对比较(36对)进行统计显著性测试。

关键发现

所有两两比较均显著不同

χ2=1174.5 –1897.1,p < 0.001

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说明即使总体一致率很高,不同模型/不同提示词仍会导致系统性的分类分布差异(不只是随机波动)。

文中还给了两个极值例子:

  • 差异最大:WHO(双步)下的 Gemini 3 Pro vs WHO Dominant(χ2=1897.1)
  • 差异最小:WHO GPT-5.1 vs 简化 Opus 4.5(χ2=1174.5)

各模型与专家总一致率(双步 vs 简化)

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  • 所有模型在简化提示下与专家更一致;
  • 双步提示更像严格按NOVA/WHO执行的筛查器,简化提示更像接近人类总体判断的评价。

尽管多模型共识(Dominant)在一些指标上接近或略优于最佳单一模型,但专家的判断仍存在显著差异,提示共识并不能完全替代专家判断,尤其在边缘案例上。这些差异也体现出提示词设计的重要性

应用时的注意点

  1. 提示词结构对于模型输出具有决定性影响。严格规则引导(如结构化双步)下,对于高风险场景(如临床营养评估)可能是有益的。简化提示更倾向模仿人类的判断,但会损害方法论的严谨性。
  2. 语言环境对模型性能也有实质性的影响,建议保持数据的原始语言。在多语言环境下开发AI应用时,应进行语言特异性验证。
  3. 研究观察到所有LLM在结构化提示下都呈现出一种保守的分类偏见,当产品信息不完整或不明确时,模型倾向于将其归类为不健康。这种偏见会导致一些假阳性,但在患者风险管理的角度来看是可取的,因为误将不健康食品标记为健康可能会造成更大的危害。多模型共识是一个稳健的策略,它在一定程度上能够减少单模型的偏见,同时保持风险评估的保守性。
  4. 从实际效率的角度看,AI辅助的工作流能大幅度减少人工负担,但专家的监督和判断仍然不可或缺。研究结果明确指出,虽然LLMs与专家判断的一致性很高,但两者之间仍存在显著差异,尤其是在涉及最小加工食品或轻微超出WHO 阈值的边缘案例上。因此,LLMs可以为普通用户在日常饮食选择中提供有价值的指导,但大规模应用,如流行病学检测、临床试验等,还需要人类专家的评估和复核。

结 语

当前人工智能所展示的膳食分类的能力,虽然接近人类专家的水平,但无法完全替代专家,适合做初筛和前处理,可以用不确定性阈值触发强制人工复核。

未来的优化方向在于提示词设计多语言本地化多模态数据融合(例如包装、配料表的图片等)、混合工作流开发(AI+人类专家)、纵向验证等。

主要参考文献

Ase, A.; Borowicz, J.; Rakocy, K.; Piekarska, B. Large Language Models for Real-World Nutrition Assessment: Structured Prompts, Multi-Model Validation and Expert Oversight. Nutrients 2026, 18, 23. doi.org/10.3390/nu18010023

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客服