克利夫兰医学中心：调控微生物群用于疾病治疗

背景

微生物群研究检查来自特定生态位 (如人类肠道)内所有微生物 (微生物群)的遗传物质。在过去的十年里，由于新分析方法和生物信息学的发展，该研究领域得到了极大的扩展，从而更好地理解了各种疾病的发病机制与微生物群组成变化之间的联系，尤其是在健康微生物群组成明显失衡 (生物失调)的情况下。多项研究表明，微生物群在炎症性肠病、类风湿性关节炎、抑郁症和癌症等疾病的发生中起着重要作用。在微生物群研究的早期，人们认为代表人类微生物群重要组成部分的菌群 (细菌群落)是微生物群相关生理变化背后的主要 (唯一)罪魁祸首。然而，研究人员最近开始意识到，要有效管理微生物组相关疾病，需要更全面地了解微生物群对宿主健康和疾病的影响，这需要深入了解微生物组主要成员包括细菌 (细菌群)、真菌 (分枝杆菌群)和病毒 (病毒群)之间的界内和界间的相互作用，以及潜在的微生物-宿主相互作用。

简介

2023年1月23日，来自美国克利夫兰医学中心的Rachael Gowan及其团队在Gastroenterology (IF: 33.883)杂志上发表名为Modulating the Microbiome for Disease Treatment的研究[1]。

主要结果

克罗恩病 (CD)是一种消化道自身炎症性疾病，目前约有50万美国人受累，患病率为100-300/10万。症状可能包括慢性腹泻、腹痛、发热、体重减轻、肛裂、肛瘘和直肠出血。CD可影响消化道的任何部位，其中回肠炎是最常见的表现。有几个因素可能导致CD的发生，包括遗传易感性。5-20%的CD患者与该疾病有直接亲属关系，在德系犹太人中观察到比值比增加，其中基因组评估已在17条染色体上识别出71个导致疾病表现的位点。除了遗传因素外，其他因素 (包括宿主微生物群改变、环境影响、药物治疗和饮食)也被报告对疾病的发生有显著影响。

最近，我们证明了与健康亲属相比，CD患者真菌病原体热带假丝酵母的丰度更高，与细菌物种粘质沙雷氏菌和大肠杆菌的增加相关。此外，这三种细菌被证明形成了一层厚厚的生物膜，热带假丝酵母交织其丝状菌丝网络，大肠杆菌融合到生物膜内的真菌细胞，粘质沙雷氏菌利用其菌毛附着和聚集多微生物相互作用 (图1- 3)。本研究显示，微生物群内的病原菌和真菌之间存在明确的相互合作关系，表明各种属在宿主内相互影响。为了证明这种串扰，我们对三种病原体的单菌种和三菌种培养物进行了代谢组学分析，并鉴定出在三菌种培养物中高度增加的15种代谢产物，包括高度诱导的代谢产物吲哚-3-乙酸 (IAA)。该代谢产物 (之前已被证实可诱导某些真菌的丝状化)促进了热带假丝酵母的生物膜形成。

图1. 对热带假丝酵母 (CT)单独或与大肠杆菌 (EC)和/或粘质沙门氏菌 (SM)联合形成的生物膜进行共焦分析

图2. 热带假丝酵母单独或与大肠杆菌和/或粘质沙门氏菌联合形成的生物膜的扫描电子显微镜分析

生物膜效应

微生物群描述了一个复杂的社会，包括细菌、真菌、古细菌和病毒，能够形成由生物体本身及其相关基质组成的多微生物或混合物种生物膜群落。该基质的形成为这些群落在定植和感染期间提供了独特的生理优势。几位研究者描述了经常导致严重感染的真菌-细菌混合生物膜，尤其是留置导管上的感染，强调了不同微生物种类的共存及其在生物膜形成中的相互依赖性。生物膜的形成并不局限于异物上，因为许多出版物表明，在口腔、肠道和皮肤上自然形成的生物膜。事实上，Costerton等人在50多年前就报道了使用“生物膜”来描述表面微生物聚集物，但早在1935年，该术语也被用于技术和环境微生物学报告。

与CD和生物膜相关的已知细菌病原体之一是粘附-侵袭性大肠杆菌 (AIEC)，这是一种与CD的起源和恶化有关的病原体。最近的报告显示了AIEC对生物膜形成的适应性以及AIEC在CD患者生物膜中的潜在优势。我们使用葡聚糖硫酸钠 (DSS)诱导的结肠炎模型对多种微生物生物膜进行了体内建模 (图4，5)，结果表明热带假丝酵母、大肠杆菌和粘质链球菌的联合导致了坚固生物膜的形成，表明细菌生物体与宿主肠上皮紧密结合，类似于在大肠杆菌与真菌和宿主成分并列的体外观察到的情况 (图3)。该观察结果表明，除了细菌生物膜外，与CD患者肠道相关的微生物群也可能在由包含真菌微生物的多种微生物混合物产生的生物膜基质中茁壮成长，并且细菌-真菌关联可能是CD生物膜中的一个关键要素。

图3. 热带假丝酵母 (CT)单独或与大肠杆菌 (EC)和/或粘质沙门氏菌 (SM)联合形成的生物膜的透射电镜分析

克罗恩病中微生物群调控的研究进展

我们调控CD中微生物群的策略需要遵循上述一般原则 (图6)。即1、使用主要微生物群数据 (按丰度)确定导致生物异常的微生物；2、深入了解已识别病原体之间的相互作用；3、进行相关性分析，以确定可拮抗这些病原体的潜在益生菌株，并发现可中断它们之间相互作用的代谢产物；4、通过临床前体外和体内试验，最后是临床试验，验证候选配方的疗效。在此，我们重点关注改善CD的益生菌的开发，尽管这些原则适用于任何靶向益生菌的开发。

图6. 开发益生菌对微生物群给药所遵循的阶段

结论及展望

不同宿主的肠道微生物群可能会影响疾病。据报道，许多微生物群物种参与了退行性疾病，包括肥胖、糖尿病、癌症、心血管疾病、恶性肿瘤、肝病和IBD病。肠道微生物群组成失衡 (菌群失调)可能引发或加重多种疾病，因此，益生菌被认为是调控肠道微生物群组成失衡的机制，从而重新平衡肠道微生物群，增加肠道上皮屏障功能，并增强细胞因子的产生。因此，通过设计旨在调控生物失调的益生菌改变肠道微生物群组成是一种可行的治疗方法，以允许宿主微生物群治疗通过生物失调表现的疾病。实现能够调控微生物群的益生菌需要基本原理设计和适当的实验模型 (体外和体内)，以深入了解肠道微生物群组成、共培养期间预期的微生物相互作用以及对宿主共生生物的潜在影响。识别新的益生菌配方和益生菌多微生物物种的关键混合物 (可能含有酶/益生元等额外的辅助成分)将有助于塑造未来的研究，通过通过调控微生物群促进宿主健康。

原文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0016508523000495?via%3Dihub

转自：“生物医学科研之家”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！