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知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(下)

文章来源:互联网 加入时间:2019-1-11 17:12:53

在知几未来研究院的2018年微生物领域有哪些惊人真相?(上)中,我们和大家分享了2018年部分微生物领域有专业影响力的重要成果,比如「母亲孕期健康会影响到后代微生态的健康」、「配方奶粉除了营养差异,也会改变后代微生物的组成和功能」、「益生菌使用不当,有潜在长期风险」「生酮饮食能够降低癫痫发作」等与日常生活息息相关的突破性研究。 

除了这些研究,还有一些让人惊喜地成果也正在改变着我们对疾病的认知,使得从微生物层面防治疾病成为了触手可及的现实,甚至是一些过去无法治愈的疾病也有了更多的可能性。正如我们在上一篇文章中提到的,通过均衡营养、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,而建立肠道微生物的长期干预方案,甚至还有可能从根本上治愈疾病。

这也是今天知几未来研究院要分享给大家的内容。本篇包括「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」,共三部分,是知几未来研究院2018年度学术成果年度大赏的第二篇。 

1.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。

知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(下)

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著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。 

 

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。 

2.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。 

知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(下)

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。知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(下)

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。 

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。知几未来研究院也曾以专题文章的形式和大家一起探讨如何应对轮状病毒:《跟秋天一起来的,还有“吃多少吐多少”的轮状腹泻》。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。 

知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(下)

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。 

3.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。 

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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。

 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。

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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。

 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拟杆菌(Bacteroidales)。 

知几未来: 2018年微生物领域有哪些惊人真相?(下)

更高的肠道微生物群多样性与转移性黑色素瘤患者抗pd -1免疫治疗反应的改善有关 

试验中,研究人员先是检测了黑色素瘤患者的口腔和肠道微生物组样本,结果发现,二者在微生物群落组成上存在差异。癌症患者的肠道菌群表现出了显著的聚类效应,而口腔菌则没有。聚集菌种包括:粪杆菌属、拟杆菌、大肠杆菌和厌气干大肠杆菌。研究人员推测这种微生物多样性丧失(失调)可能与慢性健康状况和癌症治疗不良结果相关。 

在进一步研究中,研究人员验证了这一猜想。即肠道中的粪杆菌(属于梭菌目瘤胃球菌科)水平越高也意味着癌症患者的无进展生存期会显著延长。这也意味着,特定种类的肠道菌是能够提高T细胞对癌细胞的杀伤作用,从而起到产生强效且持久的免疫反应的可能性。 

近年来国内外的大量研究已充分证实,我国目前高发的糖尿病、肥胖、抑郁、溃疡性结肠炎、肠癌、湿疹过敏以及类风湿等50余种大病、慢病都是起因于人体肠道菌群失调、微生态失衡。人体微生态“器官”的确立,颠覆了医学上关于感染、肿瘤、代谢等重大疾病的传统认识,催生了药物研发新靶点、新途径的应用,也激起了科学研究、临床诊断相关新技术、新设备的研发浪潮。尤其肠道微生物,涉及多种生理功能,如肠粘膜和宿主全身免疫调节、抵御病原菌附着、产生被上皮细胞吸收的代谢物等,对于维持肠屏障内稳态、确保宿主健康具有重要作用。多种因素塑造和调节肠道微生物群的组成和功能,并决定每个个体不同的微生物分布特征,从而导致相同的干预或治疗方法在不同个体上产生不同的临床表现和治疗效果。因此,通过现代有效技术手段,客观呈现个体肠道微生物分布规律,是制定有效治疗办法的重要基础和依据。

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