《Science》肺炎和肠道：不同微生物菌群合作切断有害细菌的“军粮”

来源：作者：人气：-发表时间：2023-12-18 10:55:00【大中小】

摘要：研究人员发现，不同的常驻共生肠道细菌群落通过消耗病原体在宿主中站稳脚跟所需的营养物质，共同保护人类肠道免受致病微生物的侵害。

牛津大学领导的一项研究发现，不同的常驻共生肠道细菌群落通过消耗病原体在宿主体内站稳脚跟所需的营养物质，共同保护人类肠道免受致病微生物的侵害。

该研究小组采用生态学方法研究了两种主要病原菌——肺炎克雷伯菌和伤寒沙门氏菌(S. Typhimurium)——的定植是如何受到一系列人类肠道细菌在体外和非生物小鼠体内的影响的。他们发现，微生物组的生态多样性对抗定植很重要。虽然单独一种肠道微生物群对提供对病原体的有效抵抗力的影响可以忽略不计，但不同群落中必要关键物种的某些组合在一起时表现出更大的定植抗性。

发现这些群落通过消耗病原体所需的营养物质来阻止病原体的生长，研究小组还表明，营养物质阻断的概念可以用来预测特定的共生微生物群，这些微生物群可以单独使用基因组序列数据来抵抗新的细菌病原体。

他们的综合发现强调了为什么微生物组多样性对人类健康很重要，并可能指出优化肠道健康的新策略的发展，以及合理设计耐病原体的微生物组群落。牛津大学生物和生物化学系的研究负责人Kevin Foster博士及其同事在《Science》杂志上发表了一篇题为《微生物组多样性通过营养阻断来抵御病原体》的论文。

图1 微生物组多样性通过营养阻断来抵御病原体

人类肠道是多种共生细菌群落的家园，统称为肠道微生物群。这些群落提供的一个主要健康益处是保护肠道免受可能导致有害感染的入侵病原体(致病微生物)的侵害。肠道菌群提供的一个主要健康益处是防止病原体定植和随后的感染，这种现象被称为抗殖民化。

然而，虽然微生物群对定植抗性的重要性是众所周知的，但微生物群是一个非常多样化和复杂的生态系统，这种复杂性使得了解哪些细菌物种和相互作用驱动对给定病原体的定植抗性成为一个真正的挑战。到目前为止，人们还不清楚这种保护作用是如何产生的，以及某些细菌物种是否比其他细菌更重要。“尽管微生物群对定植抗性的重要性是明确的，但我们目前缺乏预测所需的原则，先验地预测哪些微生物群物种将对给定的病原体有效，”研究人员继续说。“组成物种也可以相互影响，并以对抗殖民化至关重要的方式在生态上相互作用。这种物种多样性和潜在的生态相互作用的结合使定植抗性成为一种具有挑战性的表型。”

为了进一步研究肠道菌群是如何以及哪些菌群能够抵御微生物病原体，牛津大学的研究人员对100种不同的肠道细菌菌株进行了单独和组合测试，以了解它们限制两种有害细菌病原体——肺炎克雷伯菌和肠炎沙门氏菌——生长的能力。结果表明，虽然单个肠道细菌对任何一种病原体的传播限制能力非常差，但当多达50种细菌的群落一起培养时，病原体的生长效率比任何单个物种培养时低1000倍。

无论细菌是在小瓶中一起培养，还是在实验开始时没有常驻肠道细菌的“无菌”无菌小鼠中培养，都可以看到这种“社区保护效应”。Foster说:“这些结果清楚地表明，抗定植是微生物群落的集体属性。换句话说，一种菌株只有在与其他菌株结合使用时才具有保护作用。”

然而，研究人员发现，细菌群落的特定成员——而不仅仅是整体多样性——对保护水平有关键影响。某些微生物物种被发现对以社区为基础的保护至关重要，尽管这些物种本身提供的保护很少。

图2 随着微生物组多样性的增加，不同营养素被消耗的可能性增加

研究人员证明，保护性细菌群落通过消耗病原体所需的营养物质来阻止病原体的生长。正如他们在报告中所写的那样，“尽管如此复杂，我们发现这些生态模式可以用一个简单的基本原则来解释:某些群落消耗营养和阻止病原体生长的集体能力。营养阻断效应是整个群落的特性，而不是任何一个物种的特性。抗殖民化是一种社区水平的特征，这解释了我们在实验中观察到的生态多样性和复杂性的重要性。”

通过评估不同细菌物种的基因组，科学家们还发现，最具保护性的群落是由与致病物种具有高度相似蛋白质组成的物种组成的。“我们的基因组分析表明，在编码功能上与病原体高度重叠的群落提供了最好的定植抗性，”他们评论道。

代谢分析表明，保护物种对碳源的需求与病原体相似。研究小组继续说:“只有当群落在碳源利用方面与病原体有足够高的重叠时，才会观察到定植抗性。此外，与病原体代谢重叠最多的群落提供了最大的定植抗性。”

牛津大学生物和生物化学系的第一作者Frances Spragge评论说:“至关重要的是，尽管微生物组多样性的增加增加了抵御这些病原体的可能性，但微生物群落和病原体之间营养利用谱的重叠是关键。某些在群落保护中起关键作用的物种与病原体表现出高度的代谢重叠，因此也有相似的营养需求。”

研究人员利用这种营养阻断原理来预测细菌群落，这些细菌群落将对抗微生物药物耐药性(AMR)的大肠杆菌菌株提供弱保护和强保护。在实验测试中，与大肠杆菌菌株具有最高营养重叠的群落在减少病原体丰度方面的效果是预计提供弱保护的群落的100倍。他们写道:“我们运用我们的发现成功地预测了抵抗一种新的目标菌株的群落。”

根据研究人员的说法，这些新的见解可以通过优化肠道微生物群落发展成对抗有害肠道病原体的新策略。这一发现也可以解释为什么个体在接受抗生素治疗后更容易感染肺炎克雷伯菌等物种，因为抗生素治疗可以降低肠道微生物群物种的多样性。

参考资料

[1] Microbiome diversity protects against pathogens by nutrient blocking.