文章來源于（邁維代謝）腸道菌群是一個復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，主要分為三類：有益菌、中性菌和病原菌。有益菌是腸道定植菌中的主要組成部分，對維持腸道健康起著重要作用；中性菌也稱條件致病菌；病原菌是腸道中的有害細(xì)菌，可能引發(fā)各種疾病和感染，常見的病原菌包括沙門氏菌、幽門螺桿菌等。腸道菌群提供的一個主要健康益處是防止病原體定植和隨后的感染，這一現(xiàn)象被稱為定植抗性。腸道菌群是如何對抗病原菌入侵的呢？2023年12月15號一篇題為“Microbiome diversity protects against pathogens by nutrient blocking”發(fā)表在Science上，該研究揭示了人類腸道菌群對病原體入侵的防御機(jī)制。

根據(jù)前期的報道，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種機(jī)制影響微生物群提供定植抗性的能力，如對營養(yǎng)和空間的競爭，毒素和其他有害化合物的直接拮抗，以及促進(jìn)宿主對病原體的免疫。但這些機(jī)制通常是特定環(huán)境的，依賴于特定的菌株或細(xì)菌種類。在腸道微生物多樣化的生態(tài)系統(tǒng)中，我們?nèi)狈νㄓ玫臉?biāo)準(zhǔn)來預(yù)測哪些微生物群是保護(hù)性的，哪些是允許病原體定植的。該實(shí)驗(yàn)研究了人類腸道細(xì)菌如何影響兩種主要細(xì)菌病原體的定植，包括體外和無菌小鼠體內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

組學(xué)方法：宏基因組測序分析，全基因組測序分析；

其他方法：生態(tài)入侵實(shí)驗(yàn)，競爭分析實(shí)驗(yàn)，體外實(shí)驗(yàn)，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)，營養(yǎng)重疊分析等；

微生物群的個體成員可以促進(jìn)不同環(huán)境下的定植抗性，這表明一些物種比其他物種對定植抗性更重要。為了系統(tǒng)地評估這種可變性，研究人員篩選了100種不同的人類腸道共生體，以確定它們限制病原體生長的能力。腸道內(nèi)的競爭既發(fā)生在病原體進(jìn)入腸道時，也發(fā)生在病原體形成時。通過兩種共培養(yǎng)試驗(yàn)來反映哺乳動物腸道競爭的這兩個方面（圖1A）。在第一個實(shí)驗(yàn)（生態(tài)入侵實(shí)驗(yàn)）中，加入病原體之前，在標(biāo)準(zhǔn)厭氧培養(yǎng)基中單獨(dú)預(yù)培養(yǎng)共生體，緩沖到人類結(jié)腸pH。在第二個實(shí)驗(yàn)（競爭實(shí)驗(yàn)）中，用相同比例的共生菌和病原體接種培養(yǎng)基，這是一種旨在捕捉競爭的方法，一旦病原體在腸道中站穩(wěn)腳跟。研究人員通過肺炎克雷伯菌（ K. pneumoniae）和鼠傷寒沙門氏菌（S. Typhimurium）來評估病原菌的生長情況，根據(jù)菌株在生態(tài)入侵和競爭測試中限制病原體生長的能力對菌株進(jìn)行排名(圖1B和C)。選擇了表現(xiàn)最好的10種非致病性共生菌并對它們進(jìn)行更嚴(yán)格的定植抗性測試。首先將病原體引入給定共生菌株的預(yù)培養(yǎng)物中，24小時后，將混合物傳代到新鮮培養(yǎng)基中并讓其生長24小時，此時用流式細(xì)胞術(shù)評估病原體豐度(圖1D)。盡管選擇了排名最高的共生菌，但所有共生菌在長期競爭中表現(xiàn)不佳，大多數(shù)共生菌沒有明顯的定植抗性(圖1E和F)。表現(xiàn)最好的是大腸桿菌，它是鼠傷寒沙門氏菌的已知競爭對手，也是腸桿菌科的一員，但在這里提供的保護(hù)也非常有限，病原體仍然能夠達(dá)到10⁸到10⁹個細(xì)胞/ml。當(dāng)10種病原體合并在一起時，檢測結(jié)果差異很大(圖1E和F)，兩種病原體的最終豐度都被強(qiáng)烈抑制，由此說明菌株僅在多樣化群落背景下對定植抗性起重要作用。

■ ■ ■ ■ ■

圖1 單一菌群不能提供強(qiáng)大的定植抗性，但一個多樣化的群落可以，這取決于它的組成

雖然多樣性的潛在好處是明確的，但在觀察性研究中，因果關(guān)系可能會混淆。為了系統(tǒng)地測試多樣性在定植抗性中的作用，從10個排名最高的物種中隨機(jī)選擇多樣性增加的群落，并在擴(kuò)展競爭試驗(yàn)中與病原菌競爭。為了進(jìn)一步評估多樣性的重要性，從篩選菌株中組裝了一個由50個非致病性共生菌組成的群落。結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同群落中2種、3種和5種物種組成不同，在定植抗性方面存在很大差異，表明這種變異性的很大一部分是由群落的組成驅(qū)動的。大腸桿菌似乎對結(jié)果很重要，盡管單獨(dú)的大腸桿菌或沒有大腸桿菌的其他菌群對病原體的生長影響很小，但它們一起對病原體的生長有很強(qiáng)的影響。這種高階效應(yīng)在生態(tài)學(xué)中被認(rèn)為是重要的，因?yàn)樗鼈円馕吨h(huán)境依賴性，通過模型算法分析發(fā)現(xiàn)，隨著多樣性的增加，對不同群落的定值抗性超過預(yù)期。

■ ■ ■ ■ ■

圖2 有效的體外定植抗性需要生態(tài)多樣性和關(guān)鍵成員

為了對上述體外方法進(jìn)行驗(yàn)證，研究人員測試了共生群落在無菌小鼠中抵抗病原體定植的能力，無菌小鼠定殖的共生體群落在多樣性和存在或不存在大腸桿菌，鼠傷寒沙門氏菌成功定殖可引起急性感染和大量腸道炎癥，這是研究群落組成對病原菌生長影響的主要混淆因素。具有較低保護(hù)性微生物群的動物可能迅速死于感染，因此人們無法以可比的方式在不同的治療中隨時間推移遵循生態(tài)動態(tài)。因此，該研究選擇使用一種無毒的鼠傷寒沙門氏菌變體來消除腸道炎癥對病原體和宿主的影響，從而使病原體豐度被用作疾病風(fēng)險的衡量標(biāo)準(zhǔn)。引入跟以前相同的多樣性范圍的群落，然而，與體外實(shí)驗(yàn)相反，并非所有的共生物種都能可靠地在無菌小鼠體內(nèi)定植。通過宏基因組測序分析發(fā)現(xiàn)，向小鼠引入更高多樣性的群落確實(shí)導(dǎo)致了更高的物種多樣性，并確定了所有成員的相對豐度。正如在體外實(shí)驗(yàn)觀察到的那樣，兩種病原體的微生物組多樣性與糞便中的病原體豐度呈負(fù)相關(guān)(圖3D和E)。此外，dropout實(shí)驗(yàn)再次揭示了大腸桿菌和其他群落成員結(jié)合對定植抗性的重要性(圖3D和E)。與體外實(shí)驗(yàn)相比，哺乳動物腸道中有效的定植抗性需要更高的多樣性，這可能是由于腸道環(huán)境和空間異質(zhì)程度高于試管。然而，在小鼠實(shí)驗(yàn)和體外實(shí)驗(yàn)中，關(guān)鍵模式保持不變。生態(tài)多樣性和高階相互作用對兩種病原菌的定植抗性都很重要。如前所述，高度多樣性下生態(tài)競爭的簡單零模型的強(qiáng)烈偏差(圖2)。除了顯示這些模式的普遍性之外，體外和體內(nèi)方法之間的這種契合驗(yàn)證了擴(kuò)展競爭分析作為探索定植抗性生態(tài)的方法。

■ ■ ■ ■ ■

圖3 有效的體內(nèi)定植抗性需要生態(tài)多樣性和關(guān)鍵成員

這種高階效應(yīng)在定殖抗性中的發(fā)現(xiàn)表明，定殖抗性是一種生態(tài)復(fù)雜的特性，由于高度的環(huán)境依賴性，這一特性可能具有挑戰(zhàn)性。利用物種的基因組來評估共生體群落和病原體之間在蛋白質(zhì)組成上的重疊的功能相似性。計算了在每個調(diào)查的群落中也存在的病原體攜帶的所有蛋白質(zhì)家族的百分比，這種功能相似性的測量可能映射到生態(tài)位重疊，從而映射到共生體和病原體之間的生態(tài)競爭強(qiáng)度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)群落所覆蓋的編碼蛋白家族的數(shù)量與添加的物種數(shù)量成比例地增加。排列分析還證實(shí)，該研究隨機(jī)選擇的群落很好地代表了所有可能研究的群落。大腸桿菌的影響已經(jīng)清楚地表明了蛋白質(zhì)家族重疊的潛在重要性(圖2和3)。大腸桿菌與肺炎克雷伯菌和鼠傷寒沙門氏菌屬于同一細(xì)菌家族，可以看出，大腸桿菌在很大程度上促成了給定群落與任何一種病原體之間的蛋白質(zhì)家族重疊。然而，通過只選取含有大腸桿菌的群落來控制這種效應(yīng)，體外實(shí)驗(yàn)中，群落的蛋白質(zhì)家族與病原體的重疊與其定植抗性之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性(圖4A和B，以及圖5)。換句話說，如果共生體物種或群落編碼許多與病原體相同(或相似)的蛋白質(zhì)，它就能提供更好的定植抗性。

基因組分析同樣表明，在編碼功能上與病原體高度重疊的群落提供了最好的定植抗性，即生態(tài)位重疊對抗定植生態(tài)模式很重要，生態(tài)位重疊的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一是資源競爭。通過生成原始篩選中鑒定的兩組10個關(guān)鍵共生體物種對每種病原體的代謝譜，探索了營養(yǎng)競爭的作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)家族和代謝與病原體群落重疊之間存在強(qiáng)烈的正相關(guān)關(guān)系，且只有當(dāng)群落與病原體在碳源利用譜上有足夠高的重疊時，才能觀察到定植抗性。此外，與病原體代謝重疊最多的群落具有最大的定植抗性。這些數(shù)據(jù)指出了營養(yǎng)競爭的重要性，特別是群落和病原體之間的營養(yǎng)利用重疊。

通過營養(yǎng)競爭和營養(yǎng)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果病原體可以使用該營養(yǎng)物質(zhì)，而大腸桿菌不能(圖4E和F)，那么在不同的群落中，定植抗性就會喪失。然而，當(dāng)大腸桿菌可以使用該營養(yǎng)物質(zhì)時，定植抗性就會恢復(fù)。說明微生物群落消耗病原體生長所需營養(yǎng)的能力是定植抗性的基礎(chǔ)。營養(yǎng)阻滯效應(yīng)是整個群落的特性，而不是某一物種的特性。盡管與病原體有相當(dāng)大的基因組和代謝重疊，但像大腸桿菌這樣的物種并沒有消耗足夠的不同營養(yǎng)物質(zhì)來阻止病原體的定植。只有與其他物種結(jié)合，大腸桿菌才能有效地限制病原體的生長。

■ ■ ■ ■ ■

圖4 營養(yǎng)重疊可以解釋生態(tài)多樣性的作用和大腸桿菌在定植抗性中的作用

定植抗性是一種復(fù)雜的生態(tài)特性，但這種復(fù)雜性可以通過一個簡單的基本原理來理解和預(yù)測。作為對這些發(fā)現(xiàn)的額外測試，研究人員使用營養(yǎng)阻斷原理來預(yù)測群落組成，這些組成可以提供最初實(shí)驗(yàn)中不存在的細(xì)菌菌株的定植抗性。在這項(xiàng)試驗(yàn)中，選擇了一種從患者尿液中分離出來的抗微生物耐藥性(AMR)臨床大腸桿菌菌株?？咕啬退幮源竽c桿菌菌株是目前抗生素替代品的主要目標(biāo)，因?yàn)樽罱l(fā)現(xiàn)該菌株的成員是造成抗菌素耐藥性相關(guān)死亡人數(shù)最多的細(xì)菌。AMR大腸桿菌與共生體大腸桿菌的蛋白質(zhì)重疊最多，但根據(jù)抑制兩種病原體所需的重疊，預(yù)計還需要其他菌株來限制營養(yǎng)可用性。利用生物學(xué)數(shù)據(jù)與AMR大腸桿菌的資源利用重疊，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多樣性提高了資源利用重疊的中位數(shù)，但這在很大程度上取決于共生體大腸桿菌的存在。

通過評估其他5種群落的定殖抗性來評估選擇高表現(xiàn)和低表現(xiàn)群落的能力，在5種水平上，50種大腸桿菌可以組成超過20萬個大腸桿菌群落。使用算法對大約50,000個樣本進(jìn)行了分析，確定了4個預(yù)測表現(xiàn)良好的菌群組成和4個預(yù)測表現(xiàn)不佳的菌群組成。與研究人員的預(yù)測一致，預(yù)測抗定植的群落與預(yù)測允許定植的群落相比，AMR大腸桿菌的豐度中位數(shù)減少了100倍(圖5F)。

■ ■ ■ ■ ■

圖5 營養(yǎng)阻塞預(yù)測群落的定植抗性

該研究結(jié)果說明多樣化的微生物組可以提供健康益處，特別是它們可以提高對病原體定植的保護(hù)。定植抗性是微生物群落的集體屬性，換句話說，一種菌株只有在與其他菌株結(jié)合使用時才具有保護(hù)作用。至關(guān)重要的是，盡管微生物組多樣性的增加提高了抵御病原體的可能性，但微生物群落和病原體之間營養(yǎng)利用譜的重疊是關(guān)鍵。

腸道菌群多樣性對于宿主健康如此重要，怎樣做才能保護(hù)腸道菌群多樣性呢？下面是小編搜集的一些可以保護(hù)腸道菌群多樣性的建議，供大家參考。
1.飲食多樣化：吃各種不同種類的食物，包括蔬菜、水果、全谷物、蛋白質(zhì)和健康脂肪等。多樣化的飲食可以提供各種不同的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)腸道菌群的多樣性。
2.多攝入膳食纖維：膳食纖維是腸道菌群的重要食物來源。多吃富含纖維的食物，如水果、蔬菜、全谷物和豆類等，有助于促進(jìn)腸道菌群的生長和繁殖。
3.控制飲食量：過度飲食會導(dǎo)致腸道菌群多樣性下降?？刂骑嬍沉?，避免暴飲暴食，有助于維持腸道菌群的平衡。
4.減少壓力：長期壓力會破壞腸道菌群的平衡。學(xué)會有效管理壓力，通過放松身心的方式來減輕壓力對腸道菌群的影響。
5.保持適度運(yùn)動：適度的運(yùn)動有助于改善腸道蠕動，促進(jìn)腸道菌群的生長和繁殖。定期進(jìn)行適量的運(yùn)動，如散步、慢跑、瑜伽等，對維護(hù)腸道菌群多樣性有益。
6.避免濫用抗生素：抗生素會破壞腸道菌群的平衡，導(dǎo)致腸道菌群多樣性的降低。盡量避免濫用抗生素，尤其是在沒有醫(yī)生指導(dǎo)的情況下。
總之，保護(hù)腸道菌群多樣性需要我們從多方面入手，包括合理飲食、控制飲食量、減少壓力、適度運(yùn)動、避免濫用抗生素等。