发布时间:2019-01-21 14:24 原文链接:

  细胞是构成人体的基本单位。一个成年人的细胞数量大约是10的13次方,而与人体共生的细菌比人体细胞还要多10倍,其中肠道菌群就包含了500-1000种不同的细菌。早在1886年,就有学者发现了大肠杆菌对消化有辅助作用。由此而展开的,对大肠杆菌、双歧杆菌等常见肠道菌的发现和功能探索也开启了早期人类对肠道微生物的研究的序幕。

  到20世纪末,随着分子生物学理论逐渐丰富,生物学技术日益成熟,伴随模式动物、基因工程动物的开发与应用,使肠道微生物生理功能研究成为可能。2007年底,美国国立卫生研究院(nih)正式启动的「人类微生物组计划(human microbiomeproject)」,而中国科学院重点部署项目「人体与环境健康的微生物组共性技术研究」暨「中国科学院微生物组计划」也于2017年正式启动。

  人类对微生物的认识态度经历了从第一次世界大战的「恐菌时代」、第二次世界大战的「抗菌时代」,发展到现在,已经进入了保护有益菌、抑制有害菌的「保菌时代」。

  加之近年来慢性病高发,已经成为威胁国民健康的「头号杀手」。 目前中国已有慢性病患者已经达到2.6亿,并且还有越来越年轻化的趋势。与之相关的死亡占到了我国总死亡的86.6%,消耗了国家85%医疗资源。在慢性病高发中扮演着重要角色的就是肠道菌群,肠道菌群失调、微生态失衡直接与糖尿病、肥胖、湿疹过敏、类风湿等50余种疾病相关。

  这些研究不仅让我们对一些过去无法治愈的重大疾病有了新的认知,也提出了更多潜在治疗方案;大量数据表明,均衡营养、合理膳食、强化肠道菌群稳态能有效控制八成以上慢性病的发病率,保障人体健康;通过建立肠道微生物的长期干预方案,还有可能从根本上治愈疾病。

  在辞旧迎新之际,知几未来研究院选取了2018年微生物研究领域比较有代表性的成果分享给大家。这也是知几未来研究院2018年度学术成果年度大赏的第一篇。

  本篇分为「微生物与母婴健康」「益生菌与我们的生活」「饮食与肠道健康」「慢性病的控制和治疗」「微生态对免疫的影响」「微生物学在癌症治疗中的探索」,共六部分。

  1.微生物与母婴健康

  1)母亲健康会影响新生儿初始菌群

  doi: 10.1136/gutjnl-2018-315988

  2018年5月,一项包含了486名妊娠糖尿病孕妇和新生儿的研究证实,妊娠糖尿病孕妇肠道微生态的变化趋势与新生儿的相同,且某些菌群的变化与口服葡萄糖耐受试验直接相关;对于新生儿来说,不同部位的菌群特征也有差异,提示其菌群定植发生在出生之前。

  具体来说,分娩方式(顺产或剖宫产)、喂养方式(母乳喂养或配方奶粉喂养)、抗生素摄入、饮食和环境暴露都与新生儿菌群异常存在相关性。

  新生儿出生时微生物群的菌落分布和体位特异性

  研究人员通过对486名孕妇和新生儿包括羊水、口腔、咽喉和肠道在内的多个身体位点超过1000个样本进行了分析,发现宫腔并非过去我们所认为的那样是无菌的,相反的,研究人员在所有新生儿样本中都检测到了门类丰富的细菌,其多样性也超过孕妇的阴道菌群,而有的样本还表现出了和孕妇口腔、肠道菌群的相似。这些证据都意味着,新生儿的菌群定植可能早在宫腔内就已经开始。

  妊娠期糖尿病孕妇体内微生物的变化

  而在进一步的研究中,研究人员还发现,如果母亲患有妊娠糖尿病,那么其后代的微生物菌群也会发生相应的改变,并且患病样本间也表现出了趋同发展的特征。关于这种变化,有两种猜测,其一是妊娠糖尿病可能会在孕期改变或塑造孕婴菌群结构,也可能是菌群垂直传递的结果。两种都意味着妊娠期糖尿病可能会导致不良妊娠结局,或给新生儿带来健康风险。

  2)肠道细菌垂直传播的直接证据

  doi: 10.1126/science.aat7164

  2018年10月,《science》上公布的一项研究揭示了细菌在宿主之间的传播路径。该研究包含了两个野生种群中的17个自交系,其肠道微生物监测跨越了11代,证实了垂直遗传在微生物中占主导地位。

  研究中,研究人员捕获了两个地点的17只小鼠,然后在实验室也始终保持他们分开。在三年的交配中,这些小鼠及其后代共产生了11代小鼠。在对这些小鼠肠道样品进行基因检测后,研究人员发现,第11代小鼠的肠道生物群落几乎与第1代小鼠一样,为肠道微生物来自于母体肠道,能够保持垂直传播提供了最直接的证据。

  肠道微生物的水平传播

  既然肠道菌代代相传,那有害菌又是从哪里来的呢?该研究或许提供了一种思路,即肠道中出现的有害细菌可能来自水平来源(horizontal source),这是因为每当新的细菌通过未知的外部来源引入到小鼠肠道中时,就会导致小鼠疾病。

  另一方面,由于哺乳动物及其肠道生物群落能够以一种共生的方式共同进化,因此,研究人员也提出,这一发现可能也适用于人类。

  3)母乳喂养与婴幼儿菌群结构相关度最高

  doi:10.1038/s41586-018-0617-x

  2018年10月,《nature》封面报道刊登的研究通过rna和dna测序技术揭示了肠道微生物组建立的三个阶段,包括:发育阶段(3-14个月)、过渡阶段(15-30个月)和稳定阶段(31-46个月)。

  发育阶段(3-14个月):这一阶段的肠道菌主要以双歧杆菌为主;

  过渡阶段(第15-30个月):这一阶段肠道菌群开始变得更加多样化 ,增至4-8个群落;

  稳定阶段(第31-46个月):这一阶段肠道菌群变化较小。

  婴儿肠道微生物进展的三个阶段

  每个阶段的影响因素各不相同,但研究中指出母乳喂养是与菌群结构相关的最重要因素。纯母乳喂养或部分母乳喂养都能为婴儿肠道带去更多的短双歧杆菌(bifidobacterium breve)和两歧双歧杆菌(bifidobacterium bifidum),这是两种在生命早期普遍存在的有益菌。一旦停止母乳喂养,婴儿体内的双歧杆菌就会迅速减少;同时,婴儿体内的微生物群落也会发生改变,由典型的成人菌厚壁菌取代大部分双歧杆菌,即标志着肠道菌群从过渡阶段进入稳定阶段。

  研究人员推测,除了母乳的减少或停止,婴儿接触的食物增加,也会在一定程度上改变肠道菌群的结构。如果家庭中还存在兄弟姐妹、宠物,那么即使是生活的地理位置相同,也可能引发微生物群结构差异。

  4)喂养方式不同,菌群不同、功能也不同

  doi: 10.1038/s41591-018-0216-2

  2018年12月,《nature medicine》上一项研究针对婴儿微生物组发育的产前和产后决定因素的研究,指出了可能对婴儿微生物组塑造产生影响的因素,即喂养方式(婴儿配方奶粉、母乳喂养)会导致婴儿肠道微生物组的差异化;而母婴使用抗生素情况可以预测微生物群的改变、分娩方式则没有持续影响。此外,研究人员也提示,婴幼儿用水也应当被视作微生物组获取关键加以重视。

  目前市面售卖的配方奶粉其本质都是为了模仿母乳,但多数对二者差异的研究仅仅集中在营养层面或者是菌群的组成和种类上。但在该研究中,研究人员惊奇的发现,尽管配方奶粉和母乳都能促进肠道中细菌生长,但即使是相同(似)细菌,这些细菌最终发挥的作用和功能也可能差异颇大。

  大豆暴露婴儿肠道菌群的分类结构

  具体来说,这402份粪便标本都指向了同一个结果:如果是母乳喂养的婴儿,只需要通过提高能合成特定氨基酸的细菌水平,就能实现弥补母乳中缺乏的氨基酸的目的,如甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸和精氨酸;但如果是配方奶粉喂养婴儿,其肠道中的菌群则更倾向于制造组氨酸和色氨酸,而不是甲硫氨酸和半胱氨酸,尽管后者在配方奶粉中的添加量已经远高于母乳水平。

  换句话说,不同喂养方式除了会导致营养、菌群上的差异,还会影响到菌群的代谢模式和代谢水平。

  此外,值得一提的是,这项研究中还有6名婴儿使用了大豆婴儿配方奶粉喂养。结果发现,经大豆婴儿配方奶粉喂养的婴儿的肠道微生物组与其它婴儿存在明显差异,在这些婴儿肠道中,双歧杆菌的含量非常低,而能生产短链脂肪酸的菌群的水平则非常高。这是一种非常典型的肠道菌群不健康的标志。研究人员也指出,有些儿童在选择大豆配方奶粉之前,双歧杆菌水平已经偏低。

  2.益生菌与我们的生活

  1)精准健康管理,个性化益生菌治疗少不了

  doi: 10.1016/j.cell.2018.08.041

  2018年9月,《cell》上有两项研究都对益生菌的使用提出了质疑。其一指出,人类具有特定于人、区域和菌株的黏膜定植模式,因此,补充益生菌的效果也可能因人而有所局限。所以,个性化的益生菌方案是非常有意义的。

  益生菌的补充不仅仅在于补充,而是在定植成功后才能真正发挥作用。当这些被补充的益生菌黏附在我们的肠道上后,只有「安家落户、繁衍生息」,定植的益生菌越来越多,它们才能够在肠道黏膜外构建出一道屏障,防止有害菌靠近肠道上皮细胞,抑制有害菌的生长。对于还处在婴幼儿时期的孩子来说。健康的肠道菌群定植能够第一时间帮助宝宝建立早期的肠道屏障和免疫,这也是为什么母乳喂养被称作是最好的喂养方式的根本原因。

  另一方面,该研究中也指出不仅小鼠对益生菌具有本地菌群驱动的定植抗性,人类对益生菌具有人特异性的肠道黏膜定植抗性。这就意味着,即使是相同的益生菌,在每个人身上的效果也会千差万别。如果能够通过预处理菌群和寄主特征预测,再进行益生菌定植,就会事半功倍。

  此外,研究人员也发现小鼠和人类肠道黏膜微生物组与粪便仅部分相关。

  2)益生菌有潜在不良后果

  doi: 10.1016/j.cell.2018.08.047

  而另一则质疑益生菌使用的研究也发表在2018年9月《cell》上。根据研究结果,补充益生菌有着明显的个人差异,并不是所有人都能够顺利完成益生菌的定植这一过程;并且当益生菌在定植成功后,还会反过来抑制肠道自身微生物组的恢复,可能对人体产生长期不良后果。这一结果发表在当月的《cell》上。

  试验中,21名健康的志愿者在服用广谱抗生素后被分为了三组:

  第一组依靠自身的力量来进行肠道菌群重建;

  第二组服用了四大常见益生菌属内的11种益生菌;

  第三组则进行了自体肠道菌群移植(afmt)。

  三周后,受试者再次接受结肠镜检查和内镜检查。结果发现,使用抗生素后,益生菌可以轻易地在第二组受试者的肠道内定居。但这些益生菌持续地阻止了原始微生物恢复到原来的状态。事实上,服用益生菌的受试者在长达6个月后肠道菌群才恢复正常,并且,肠道中的基因表达也发生了变化。

  这也意味着,如果长期保持这种状态,过敏和炎症发生的可能性也会大大增加。

  3)益生菌疗法无法辅助肠胃炎患儿治疗

  doi:10.1056/nejmoa1802597

  2018年11月,一项针对学龄前儿童的急性肠胃炎的治疗研究对益生菌是否真的能用于改善儿童急性肠胃炎及预后提出了质疑。

  根据研究结果,相较于接受安慰剂的患儿而言,接受5天疗程鼠李糖乳杆菌gg(lgg)益生菌疗法并不会给患儿带来更好的疗效。并且,每天两次鼠李糖乳杆菌r0011和l. helveticusr0052益生菌联合治疗也不能有效预防患儿中重度胃肠炎的发生。

  这项随机、双盲试验,包含了涉及886名3-48个月大的胃肠炎患儿,他们在加拿大接受了6个儿科eds检查。参与者收到了5天的组合益生菌产品含有乳杆菌r0011和l. helveticus r0052,剂量为每日两次的4.0×109菌落或安慰剂。

  结果显示,益生菌组与安慰剂组中腹泻和呕吐持续时间无显着差异。

  益生菌组和安慰剂组对照

  doi: 10.1056/nejmoa1802598

  同月,另一则刊登在《新英格兰医学杂志》上也得到了相似结论。这项研究的对象是971名来自美国10个儿科急诊的3-48个月的急性肠胃炎患儿。

  根据结果显示,有943人完成了这项试验。当这些患儿在连续五天(2次/天)摄入10^10 cfu 的鼠李糖乳杆菌gg株(lgg)或安慰剂后,试验组和安慰剂组中腹泻和呕吐中位持续时间、日托缺勤中位天数(均为2天)、家庭传染发生率(10.6% vs 14.1%)均无显着差异;并且五日疗程的lgg也没有为急性胃肠炎治疗带来额外收益。

  实验组和对照组每日平均腹泻及呕吐次数对比

  研究人员由此指出,在患有急性胃肠炎的学龄前儿童中,接受5天疗程的鼠李糖乳杆菌gg治疗的效果并不比接受安慰剂治疗的好。

  3.饮食与肠道健康

  1)钨酸盐精准治疗肠道炎症

  doi:10.1038/nature25172

  肠杆菌科细菌的增多是胃肠道炎症疾病中最常见的微生物群落变化形式。2018年1月,《nature》上一则研究指出,钨酸盐处理能够有效防止肠道炎症期间肠杆菌科细菌的增多,而有益菌却不受影响。因此,研究人员认为钨酸盐处理能够起到降低肠道炎症严重程度的作用。

  钨酸盐是金属钨的一种形式,能溶于水。通常情况下,当高剂量使用时是不安全的(编者按:灯泡中最常见的灯丝材质就是金属钨)。但研究人员发现,某些细菌中存在着相关的代谢通路。当钨被细菌摄取后,会被整合到细菌辅助因子中,使得相关的辅助因子丧失能力,不能正常地发挥功能。

  常规培养c57bl/6小鼠,经dss或dss加钨酸盐处理4天的样品分析示意图

  在本试验中的小鼠模型中,小鼠服用了含有钨酸盐的水源后,小鼠肠道中的肠杆菌科细菌代谢就会受到影响,阻断了其大量繁殖;而临近的有益菌由于并不依赖于钨酸盐代谢,所以不会受到影响。由于这种潜在的策略对肠道菌群处于平衡健康状态的小鼠并没有明显效果,因此,研究人员认为,完全可以通过这一方法实现靶向肠道炎症期间有活性的代谢通路,精准阻止或减少炎症的发生。

  并且,研究人员还指出,通过合理设计,完全能够有针对性地抑制引发肠道炎症细菌的大量繁殖,不是完全消除。因为肠杆菌科细菌在某些环境中,具有抵抗病原定植的作用。这样一来,对肠道健康的守护将会更加精准。

  2)98%的肠道微生物差异由饮食和生活决定

  doi:10.1038/nature25973

  2018年3月,《nature》上一项包含了约1046名健康个体的基因型和微生物组数据指出,宿主遗传学在肠道微生物组组成上作用并不显着,只占种群间变异的2%左右,起到决定作用的是生活方式和饮食差异。一般来说,共同生活在一个家庭的而与基因无关的个体,其微生物群落组成有显着的相似性,超过20%的微生物群落差异都来源于饮食、药物和人体测量方式等因素。

  该研究由魏茨曼科学研究所计算机科学与应用数学系eran segal教授实验室的研究人员完成。该研究采用了一个独特的数据库,包含了约1000名以色列人。由于以色列人口高度多样化,为研究基因差异的影响提供了一个理想的实验环境。除了遗传数据和微生物组组成,研究人员还为收集了受试者的饮食习惯、生活方式、药物等多种信息。

  在观察了受试者微生物组与胆固醇、体重、血糖水平和其他临床参数数据之间的关系后,研究人员发现:在大多数临床分析中,这些指标与细菌基因组的相关性和与人类基因组的相关性一样强,在某些情况下甚至更强。

  基于这些发现,研究人员提出微生物组的因素可能是理解和治疗许多常见健康问题的关键。如果能够通过有效方式调节或重塑微生物组,那么在不改变基因的情况下,这可能是健康改善的最有力方式。

  3)生酮饮食降低癫痫发作

  doi:10.1016/j.cell.2018.04.027

  生酮饮食曾被用于治疗难治性癫痫,但其作用机制始终成谜。2018年5月,《cell》上一项研究从微生物学角度给出了答案:生酮饮食会增加肠道中akkermansia muciniphila和parabacteroides这两种肠道细菌的丰度,改变肠道和血液中化学物质水平,从而调节癫痫发作的易感性的作用。

  这也是首个证实了癫痫发作易感性与肠道微生物群之间存在因果关系的研究。

  这项研究由加州大学洛杉矶分校的研究人员完成。在验证「生酮饮食会改变肠道微生物群,产生抗癫痫效果」这一假设的过程中,生酮饮食进行四天内,小鼠肠道微生物菌群就已经出现了显着改变,两种细菌akkermansia muciniphila和parabacteroides水平显着升高,小鼠的癫痫发作则出现了明显减少。

  正是这两种细菌水平的升高,改变了肠道和血液中谷氨酸盐水平,进而改变了大脑中的γ-氨基丁酸(gaba)的水平,影响了海马体中的神经递质。而海马体在大脑中传播癫痫发作的过程中起着重要作用。

  生酮饮食影响肠道微生物介导抗癫痫机制示意图

  为了进一步测试这种微生物群对预防癫痫发作是否重要,研究人员还建立了两种小鼠模型:一种是在无菌实验室环境中无菌饲养的小鼠,另一种是用抗生素治疗消耗肠道微生物的小鼠。但在这两种模型下,生酮饮食都没有效果。表明了肠道微生物群在有效减少癫痫发作中的重要性。

  4)泻药会永久性改变肠道微生物组成

  doi:10.1016/j.cell.2018.05.008

  2018年6月,《cell》上一项针对渗透性腹泻的研究揭示泻药对于肠道微生物可能造成的影响。

  渗透性腹泻是由食物不耐受、吸收不良和广泛使用泻药引起的常见疾病,比如在饮用牛奶、果汁之后都可能出现。患者在发病后会产生水样和松散大便,大便频率和稠度都会改变,部分人还会经历腹部痉挛、腹痛、发烧等。对于患这种病的婴幼儿来说,还会造成迅速脱水。

  本试验中定量成像显示,在渗透微扰过程中,粘液屏障大量减少,随后恢复。免疫系统表现为细胞因子水平的暂时变化和对共生细菌的持久igg反应。这意味着,即使是轻微的渗透性腹泻也会对微生物群及其宿主产生持久影响。

  而当便秘缓解剂miralax被添加到已经接受人类肠道微生物定植的无菌小鼠和携带着正常小鼠肠道微生物的小鼠的饮用水中后,小鼠都发生了腹泻。同时,它们的肠道微生物组也发生了改变,其中,s24-7(一种在哺乳动物肠道微生物组中普遍且丰富的细菌成分)甚至完全消失殆尽,在干预措施结束后也未恢复。再次说明,该药物通过影响肠道微生物进而对人体造成了永久性影响。

  4.慢性病的控制和治疗

  1)高膳食纤维饮食有助于控制ⅱ型糖尿病

  doi: 10.1126/science.aao5774

  2018年3月,《science》一项随机临床研究证实,通过高膳食纤维饮食干预,能够让肠道微生物菌群结构发生改变,使得能产生短链脂肪酸(乙酸和丁酸)的15种肠道菌群增多。其中,丁酸能有效有效促进glp-1和pyy分泌改善血糖,控制患者体重,这为ⅱ型糖尿病管理提供了一种新的方法。

  这一研究由上海交通大学教授赵立平团队完成。研究对象包含了43例ⅱ型糖尿病患者,对照组16人执行的是中国糖尿病协会指南的推荐饮食,实验组27人执行的则是高膳食纤维的饮食。结果研究人员发现,从第28天起实验组的糖化血红蛋白(hba1c)就有了大幅度的下降;到干预结束时,实验组达到充分血糖控制(hba1c<7%)的志愿者比例也显着高于对照组,同时,实验组的体重和血脂水平都有所下降。

  这是因为高膳食纤维饮食能够改变患者的肠道菌群结构,激活了乙酸和丁酸合成通路,使得能产生乙酸和丁酸的15种肠道菌群增多,能代谢产生有害化合物(吲哚和硫化氢)的菌群减少,从而实现了促进胰岛素分泌、降低乙酰化血红蛋白水平、改善血糖调节的效果。

  高膳食纤维饮食促进了短链脂肪酸的合成

  进一步实验中,当研究人员将同一名患者干预前后的肠道菌群移植到无菌小鼠中,结果也显示高膳食纤维饮食干预后的肠道菌群能更好地控制血糖,为膳食纤维能通过调节肠道菌群来改善ⅱ型糖尿病提供了直接证据。

  2)低碳水饮食能改善降低脂肪肝

  doi: 10.1016/j.cmet.2018.01.005

  2018年1月,《cell metabolism》上一项研究探索了通过「膳食-微生物」相互作用来治疗非酒精性脂肪肝(nafld)的潜力。非酒精性脂肪肝(nafld)是由糖脂代谢紊乱诱发的以肝细胞脂质沉积为特征的肝脏疾病,包括单纯性脂肪肝、脂肪性肝炎、脂肪性肝炎相关肝硬化及肝细胞癌。

  研究人员通过采取等热量低碳水化合物饮食(即不减少卡路里总量)的方式对患有非酒精性脂肪肝的肥胖患者进行了为期两周的短期干预,然后分析确定了患者的新陈代谢和肠道细菌变化。

  根据研究结果,两周饮食干预后,患者参与脂肪酸合成的基因表达减少,参与叶酸介导的单碳代谢和脂肪酸氧化的基因表达增加;而血清β-hydroxybutyrate浓度大量增加,产叶酸链球菌和血清叶酸浓度也快速升高。这一研究首次揭示了饮食能显着降低脂肪肝和其他心脏代谢危险因素的潜在分子机制。

  3)微生物能降低衰老导致的胰岛素抵抗

  doi:10.1126/scitranslmed.aat4271

  2018年11月,《science translational medicine》上一项研究阐释了,年龄的增长引发的免疫系统失调可能会导致人体高血糖和胰岛素抵抗增加的机理。其关键就在于肠道中akkermansia muciniphila(a. muciniphila)的水平随年龄增长而降低,使肠道中的丁酸盐水平降低、肠道肠道黏膜变薄,更容易发生内毒素等细菌产物的渗漏。这一系列的变化最终引发肠道炎症、促进免疫反应的发生,导致一种叫做4bl的免疫细胞在肠道中大量堆积,增加了小鼠的胰岛素抵抗性。

  a. muciniphila是一种人类肠道粘蛋白降解细菌,占成人肠道细菌的1%-5%,于2004年被首次发现,当时它的作用被认为是「能够保护肠道壁上的粘液层」;而近年来不少研究则展示了它的另一面:在肥胖、葡萄糖及肠道免疫中都有它的身影。

  衰老过程中肠道失调通过4bl细胞促进胰岛素抵抗机制

  在本研究中,来自美国国家老化研究所的研究人员除了研究了因清除a. muciniphila而引发胰岛素抵抗的分子机制,还在小鼠和恒河猴模型中评估了恢复这种肠道细菌对年老小鼠的影响。

  当研究人员向年老小鼠喂食了丁酸盐后,小鼠肠道中的a. muciniphila水平升高了,并且胰岛素抵抗水平也恢复到接近年轻小鼠水平;而后研究人员向小鼠提供了动物抗生素恩诺沙星。恩诺沙星能够清除在这一机制中起关键作用的4bl细胞,随着4bl细胞被清除,a. muciniphila水平上升了,胰岛素抗性也基本消失。

  基于这些发现,研究人员认为a. muciniphila对胰岛素敏感性的影响一致,并提出如果能研发出适合人类使用的a. muciniphila益生菌,那么未来可能改善与衰老甚至虚弱相关的胰岛素抵抗性和其他病理特征。

  5.微生态对免疫的影响

  1)抗真菌治疗可治愈炎症性肠炎

  doi: 10.1126/science.aao1503

  2018年1月,《science》上一种研究揭示了肠道真菌和免疫细胞之间的密切联系,即肠道真菌的数量由肠道中处理食物和细菌抗原的免疫细胞所控制,这为针对性的治疗克罗恩氏病以及其它类型的炎症性肠炎提供了新思路。

  肠道真菌是微生物群落的重要组成部分。目前大多数肠道微生物组研究都是集中在细菌上,而这项研究则指向了肠道真菌。

  这项研究中的关键角色在于一种叫做「cx3cr1 单核吞噬细胞」的白细胞。它位于肠道内壁,能通过吞噬细菌细胞以及食物来源的植物和动物细胞保护肠道,与免疫系统密切相关。

  cx3cr1基因编码区域的多态性与克罗恩病患者抗真菌igg反应降低有关

  研究人员首先使用化学方法诱导小鼠出现结肠炎症状,然后将真菌移植到了小鼠体内。结果发现,相较于正常小鼠,缺乏cx3cr1 单核吞噬细胞的小鼠更容易患上肠道疾病;当使用了抗真菌药物后,缺乏cx3cr1 单核吞噬细胞的小鼠表现出的症状出现了明显逆转。这意味着,真菌过度生长可能是导致炎症性肠炎的原因。

  随后,研究人员又对500多名克罗恩病患者进行了研究,结果发现携带cx3cr1基因纯合子突变的患者与缺乏cx3cr1 吞噬细胞的小鼠变化一致:肠道抗真菌反应都降低了,而常见于肠道中的由真菌产生的抗体也减少了。

  2)肠道菌影响神经退行性疾病发展

  doi:10.1038/s41586-018-0119-x

  2018年5月,《nature》上一项研究揭示了大脑和肠道之间的一种新的利来手机娱乐的联系方式,即肠道微生物的代谢产物能够影响到神经退行性疾病的进展。这也是首次发现微生物产物如何直接作用于小胶质细胞以预防炎症的。

  小胶质细胞是人体免疫系统的重要组成部分,负责清除中枢神经系统,清除斑块、受损细胞和其他需要清除的物质。但小胶质细胞也会分泌化合物,在星形脑细胞(即星形胶质细胞)上产生神经毒性。这种损伤被认为会导致许多神经系统疾病,包括多发性硬化症。

  微生物代谢产物对小胶质细胞-星形胶质细胞相互作用的影响

  而肠道细菌在降级膳食中的色氨酸时,其副产物能够通过血脑屏障,介导星形胶质细胞小胶质细胞控制的阳性和阴性调节因子,起到抑制神经退行性变的抗炎通路,限制炎症的作用。并且,在人类多发性硬化症的大脑样本中,研究人员也发现了相同途径和参与者的证据。

  这一发现,为未来指导多发性硬化症和其他神经系统疾病的疗法提供了新思路。

  3)肠道菌群微能改善免疫预防流感

  doi: 10.1016/j.immuni.2018.04.022

  2018年5月一项研究指出,高纤维饮食可通过影响肠道微生物来预防免疫介导的病理和促进抗病毒t细胞反应,起到预防流感病毒的作用。

  试验中,两组小鼠分别被喂食了富含菊粉的饮食(试验组)和富含不可发酵纤维素的饮食(对照组),然后将两组小鼠都暴露于流感病毒。结果发现,对照组小鼠表现出了明显的肺组织破坏和血管渗漏症状,同时其体内的髓过氧化物酶活性也更高,而被试验组小鼠的肺功能及存活时间都明显优于对照组。

  在对两组小鼠的肠道微生物进行进一步研究后,研究人员发现,试验组小鼠的肠道菌群以双歧杆菌和拟杆菌属为主,能够产生更多的短链脂肪酸scfas,尤其是丁酸盐的含量远超对照组。

  而scfas能够通过增加骨髓中的巨噬细胞前体来改变造血功能、减轻中性粒细胞介导的组织损伤,在丁酸盐存在的情况下,还能通过增加糖酵解速率、线粒体质量和氧化磷酸化能力等方式来改变cd8 t细胞的代谢来增强其功能。

  在整个感染过程中,研究人员也观察到了试验组小鼠支气管肺泡灌洗液中的中性粒细胞数量也一直保持在更低水平,而抗病毒cd8 t细胞则数量更多能力更强。这也意味着,膳食纤维和scfas可以通过减少中性粒细胞流入气道的方式来保护免疫。

  4)微生物能影响病毒疫苗效果

  doi:10.1016/j.chom.2018.07.005

  2018年8月,《cell host & microbe》上一项研究提出,利用抗生素操控肠道微生物组,能够影响到人体对口服轮状病毒疫苗的反应。具体来说,相较于疫苗接种前未进行抗生素疗法的个体,接受抗生素治疗的个体体内会表现出更高水平的病毒脱落现象,这也意味着改变肠道微生物组可能会影响到人体对病毒疫苗的免疫原性。

  轮状病毒每年会造成超过20万的儿童死亡,是儿童腹泻死亡的最重要原因。在对抗轮状病毒的过程中,最有效的手段就是接种轮状病毒疫苗了。但一直以来,一个普遍存在的现象是,疫苗在低收入环境中效果不佳。而造成这种情况的原因始终不明。

  抗生素介导的微生物组调控对轮状病毒疫苗免疫原性的影响

  基于此,研究人员开始着手研究微生物组与疫苗之间的潜在相关性。在这项包含了63名健康成年男性的研究中,研究对象被随机分为了三组:

  组一是万古霉素/环丙沙星/甲硝唑广谱治疗,即所有细菌都被杀死;

  组二是万古霉素窄谱治疗。

  组三为无疫苗控制组。

  结果显示,三种治疗组之间的抗体水平没有差异,只有窄谱组在早期出现了轻微的疫苗强化;但抗生素治疗组的病毒脱落率高于对照组。

  不过由于轮状病毒更常见于儿童,加之婴幼儿和成人的微生物组有所差异,因此,这项结果还需要进一步研究,研究人员也指出,依旧不提倡儿童使用抗生素,但未来也可以基于此来改变微生物组,提升疫苗的性能,保护儿童免受侵害。

  6.微生物学在癌症治疗中的探索

  1)肠道细菌可加快结肠癌的发生和发展

  doi:10.1126/science.aah3648

  2018年2月,《science》上一则研究指出,肠道细菌与结肠癌的发生和发展有关。在家族性腺瘤息肉病(fap)病患者体内,这一作用效果更为明显,dna损伤速度更快,肿瘤发生更为迅速,导致的死亡率也更高。

  在人体的肠道表面覆盖了一层由黏蛋白构成的保护性黏液层。大多数情况下,细菌是无法通过肠道的保护性粘液层的的。但根据该团队过去的研究,至少一半的结肠癌患者(无遗传倾向)肠道内都存在能够入侵结肠粘液的特定细菌,这些细菌还会在结肠上皮细胞附近形成粘稠的生物膜。

  fap患者结肠组织微生物培养分析

  根据本次研究中选取的fap患者结肠组织样本分析结果,研究人员发现fap患者的生物膜主要由脆弱拟杆菌(bacteroides fragilis)和大肠杆菌(escherichia coli)两类细菌构成。其中,脆弱拟杆菌的亚型etbf会分泌毒素引发结肠炎,而大肠杆菌则会分泌一种能损伤上皮细胞dna的毒素。一旦这两种细菌同时存在,就会不断刺激上皮细胞、引发结肠炎,增加肿瘤风险。

  doi: 10.1016/j.chom.2018.01.007

  同月,《cell host microbe》上一项研究也提到,il-17蛋白对于etbf细菌诱导肿瘤形成有关键作用。il-17主要由t辅助细胞th17产生,它能直接或间接诱导多种细胞因子、趋化因子、炎症因子和抗微生物蛋白来识别介导自身免疫和慢性感染。近年来,多项研究还证实了il-17与肿瘤的发生密切相关。

  但该研究团队的此次的发现与过去发现的抗肿瘤免疫反应机制截然相反。

  具体来说,etbf会分泌毒素刺激结肠免疫细胞表达il-17蛋白,直接作用于结肠上皮细胞,并进一步激活与炎症相关的蛋白,而这些蛋白又会反过来诱导结肠上皮细胞产生更多的信号因子,使更多免疫细胞参与到炎症反应中来。另一方面,etbf还会促使大肠杆菌大量入侵肠道粘膜,增加上皮细胞dna突变,增加结肠癌发生风险。

  试验中,当研究人员敲除了小鼠编码il-17蛋白的基因后,再将etbf和大肠杆菌(pks e)移植入到小鼠结肠中,敲出了编码il-17蛋白的基因的小鼠就没有发生结肠癌。也表明,il-17蛋白在etbf细菌诱导肿瘤中不可或缺。

  2)肠道菌与遏制肝脏肿瘤相关

  doi:10.1126/science.aan5931

  2018年5月,《science》一项研究揭示了肠道微生物与肝脏中的抗肿瘤免疫反应相关,指出肠道菌群的改变可能诱导肝脏选择抗肿瘤作用,并阐明了肠道菌群影响肝脏免疫的确切机制。

  具体来说,接受抗生素处理后的肝癌小鼠的梭状芽胞杆菌会被消除,肠道胆汁代谢也会发生变化,进而使得内皮细胞中cxcl16蛋白的表达增加,改变肝脏免疫细胞的组成;同时,cxcl16蛋白增加表达又会促使动物肝脏中聚集更多的nkt(自然杀伤t细胞),最终让接受抗生素治疗的肝癌小鼠体内的肝脏肿瘤变小变少,也更不容易发生转移。其中,肝cxcr6 自然杀伤t (nkt)细胞选择性增加,不受小鼠品系、性别或肝肿瘤存在的影响。

  肠道微生物组通过胆汁酸调节的nkt细胞进而影响肝癌的机制

  进一步的研究中,研究人员还发现如果向小鼠喂养次生胆汁酸或进行胆汁酸代谢菌定植,则会逆转nkt细胞积累,改变对小鼠肝肿瘤生长的抑制作用。这意味着,如果能够通过胆汁来控制人类肝脏中的cxcl16蛋白表达,未来将有望应用于肿瘤患者的治疗中。

  3)肠道细菌解锁白血病治疗新思路

  doi:10.1038/s41586-018-0125-z

  白血病通常发病于骨髓,是一种由于骨髓造血细胞不正常增生引发的恶性疾病,也是最常见的儿童癌症。近年来的研究也发现,肿瘤抑制基因tet2与造血系统发育密切相关,体细胞中tet2基因异常会导致骨髓生成异常及恶性髓系疾病的发生;而系统性的细菌感染会引发异常的骨髓增生,和白血病早期症状相似。

  为了进一步了解tet2突变如何影响白血病的发病。芝加哥大学医学院的研究团队以带有tet2突变的小鼠作为研究对象进行了研究,从微生物学角度阐明了tet2突变导致白血病发作的生物学机制。相关结果以封面文章的形式发表在2018年5月的《nature》上。

  研究人员对带有tet2突变的小鼠进行了定量分析,结果在半数以上的小鼠外周血液、肠系膜淋巴结、脾脏中都找到了细菌16s rrna的存在。

  tet2缺乏表达导致了全身细菌传播

  而这些细菌是来自小鼠体内的乳酸杆菌(lactobacillus)等细菌。 由于缺乏tet2表达,导致小鼠肠道屏障缺陷,从而允许原本存在于肠道中的乳酸杆菌等细菌扩散到血液及周边器官中,引起血液中的炎性分子il-6的释放,促进缺乏tet2的造血干细胞增殖。研究人员认为,这奠定了白血病前期骨髓增生基础。

  而后,研究人员又用另外两个试验再次证实了这一机制:试验一中研究人员对小鼠使用了抗生素和il-6抑制剂,结果发现能够逆转小鼠白血病发作前的造血干细胞增生;试验二中,研究人员发现如果小鼠出生在无菌环境,那么即使小鼠携带了tet2突变,也不会发生造血干细胞增生。

  4)肠道菌群或可提高t细胞对癌细胞的杀伤力

  doi:10.1126/science.aao3290

  2018年1月,美国芝加哥大学的研究人员从微生物层面揭示了基于抗pd-1的免疫治疗在癌症治疗存在个体差异的原因。其中的重要变量就是患者微生物组组成差异,这一差异也被证明与抗肿瘤免疫和免疫治疗效果相关。

  对抗pd-1治疗有反应的患者和无反应的患者有不同的共生微生物群落

  试验中研究人员整合了三种基于dna序列的细菌鉴定方法。在对免疫治疗前转移性黑色素瘤患者的粪便样本进行的基线分析后,研究人员发现,能够对这一免疫疗法作出反应的患者粪便样品中也含有更多的长双歧杆菌(bifidobacterium longum)、产气柯林斯菌(collinsella aerofaciens)和粪肠球菌(enterococcus faecium)等几种特定肠道细菌。

  为了进一步确定微生物菌群和临床反应的相关性,研究人员使用无菌(gf)小鼠作为受体,然后将将这些患者的粪便移植到小鼠体内。结果发现,进行了粪便移植的小鼠肿瘤生长较慢,能增强t细胞反应,提高pd-1的治疗效果。但研究人员也提示,人类微生物群支持改善小鼠肿瘤控制的能力通常(但不总是)与供体患者抗pd -1的临床反应平行。

  doi:10.1126/science.aan4236

  2018年11月,来自md安德森癌症中心的研究团队在研究肠道菌群在癌症治疗中的作用时也获得了相似结果。根据当月的《science》上公布的资料,研究人员发现能够对pd-1免疫治疗作出反应的患者肠道中富含瘤胃球菌(ruminococcaceae),而未作出反应的癌症患者肠道微生物组则富含

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