《Science》肺炎和腸道：不同微生物菌群合作切斷有害細(xì)菌的“軍糧”

來(lái)源：作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2023-12-18 10:55:00【大中小】

摘要：研究人員發(fā)現(xiàn)，不同的常駐共生腸道細(xì)菌群落通過(guò)消耗病原體在宿主中站穩(wěn)腳跟所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，共同保護(hù)人類腸道免受致病微生物的侵害。

牛津大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，不同的常駐共生腸道細(xì)菌群落通過(guò)消耗病原體在宿主體內(nèi)站穩(wěn)腳跟所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，共同保護(hù)人類腸道免受致病微生物的侵害。

該研究小組采用生態(tài)學(xué)方法研究了兩種主要病原菌——肺炎克雷伯菌和傷寒沙門氏菌(S. Typhimurium)——的定植是如何受到一系列人類腸道細(xì)菌在體外和非生物小鼠體內(nèi)的影響的。他們發(fā)現(xiàn)，微生物組的生態(tài)多樣性對(duì)抗定植很重要。雖然單獨(dú)一種腸道微生物群對(duì)提供對(duì)病原體的有效抵抗力的影響可以忽略不計(jì)，但不同群落中必要關(guān)鍵物種的某些組合在一起時(shí)表現(xiàn)出更大的定植抗性。

發(fā)現(xiàn)這些群落通過(guò)消耗病原體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)阻止病原體的生長(zhǎng)，研究小組還表明，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)阻斷的概念可以用來(lái)預(yù)測(cè)特定的共生微生物群，這些微生物群可以單獨(dú)使用基因組序列數(shù)據(jù)來(lái)抵抗新的細(xì)菌病原體。

他們的綜合發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了為什么微生物組多樣性對(duì)人類健康很重要，并可能指出優(yōu)化腸道健康的新策略的發(fā)展，以及合理設(shè)計(jì)耐病原體的微生物組群落。牛津大學(xué)生物和生物化學(xué)系的研究負(fù)責(zé)人Kevin Foster博士及其同事在《Science》雜志上發(fā)表了一篇題為《微生物組多樣性通過(guò)營(yíng)養(yǎng)阻斷來(lái)抵御病原體》的論文。

圖1 微生物組多樣性通過(guò)營(yíng)養(yǎng)阻斷來(lái)抵御病原體

人類腸道是多種共生細(xì)菌群落的家園，統(tǒng)稱為腸道微生物群。這些群落提供的一個(gè)主要健康益處是保護(hù)腸道免受可能導(dǎo)致有害感染的入侵病原體(致病微生物)的侵害。腸道菌群提供的一個(gè)主要健康益處是防止病原體定植和隨后的感染，這種現(xiàn)象被稱為抗殖民化。

然而，雖然微生物群對(duì)定植抗性的重要性是眾所周知的，但微生物群是一個(gè)非常多樣化和復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，這種復(fù)雜性使得了解哪些細(xì)菌物種和相互作用驅(qū)動(dòng)對(duì)給定病原體的定植抗性成為一個(gè)真正的挑戰(zhàn)。到目前為止，人們還不清楚這種保護(hù)作用是如何產(chǎn)生的，以及某些細(xì)菌物種是否比其他細(xì)菌更重要。“盡管微生物群對(duì)定植抗性的重要性是明確的，但我們目前缺乏預(yù)測(cè)所需的原則，先驗(yàn)地預(yù)測(cè)哪些微生物群物種將對(duì)給定的病原體有效，”研究人員繼續(xù)說(shuō)。“組成物種也可以相互影響，并以對(duì)抗殖民化至關(guān)重要的方式在生態(tài)上相互作用。這種物種多樣性和潛在的生態(tài)相互作用的結(jié)合使定植抗性成為一種具有挑戰(zhàn)性的表型。”

為了進(jìn)一步研究腸道菌群是如何以及哪些菌群能夠抵御微生物病原體，牛津大學(xué)的研究人員對(duì)100種不同的腸道細(xì)菌菌株進(jìn)行了單獨(dú)和組合測(cè)試，以了解它們限制兩種有害細(xì)菌病原體——肺炎克雷伯菌和腸炎沙門氏菌——生長(zhǎng)的能力。結(jié)果表明，雖然單個(gè)腸道細(xì)菌對(duì)任何一種病原體的傳播限制能力非常差，但當(dāng)多達(dá)50種細(xì)菌的群落一起培養(yǎng)時(shí)，病原體的生長(zhǎng)效率比任何單個(gè)物種培養(yǎng)時(shí)低1000倍。

無(wú)論細(xì)菌是在小瓶中一起培養(yǎng)，還是在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)沒(méi)有常駐腸道細(xì)菌的“無(wú)菌”無(wú)菌小鼠中培養(yǎng)，都可以看到這種“社區(qū)保護(hù)效應(yīng)”。Foster說(shuō):“這些結(jié)果清楚地表明，抗定植是微生物群落的集體屬性。換句話說(shuō)，一種菌株只有在與其他菌株結(jié)合使用時(shí)才具有保護(hù)作用。”

然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌群落的特定成員——而不僅僅是整體多樣性——對(duì)保護(hù)水平有關(guān)鍵影響。某些微生物物種被發(fā)現(xiàn)對(duì)以社區(qū)為基礎(chǔ)的保護(hù)至關(guān)重要，盡管這些物種本身提供的保護(hù)很少。

圖2 隨著微生物組多樣性的增加，不同營(yíng)養(yǎng)素被消耗的可能性增加

研究人員證明，保護(hù)性細(xì)菌群落通過(guò)消耗病原體所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)阻止病原體的生長(zhǎng)。正如他們?cè)趫?bào)告中所寫的那樣，“盡管如此復(fù)雜，我們發(fā)現(xiàn)這些生態(tài)模式可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的基本原則來(lái)解釋:某些群落消耗營(yíng)養(yǎng)和阻止病原體生長(zhǎng)的集體能力。營(yíng)養(yǎng)阻斷效應(yīng)是整個(gè)群落的特性，而不是任何一個(gè)物種的特性。抗殖民化是一種社區(qū)水平的特征，這解釋了我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中觀察到的生態(tài)多樣性和復(fù)雜性的重要性。”

通過(guò)評(píng)估不同細(xì)菌物種的基因組，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，最具保護(hù)性的群落是由與致病物種具有高度相似蛋白質(zhì)組成的物種組成的。“我們的基因組分析表明，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，”他們?cè)u(píng)論道。

代謝分析表明，保護(hù)物種對(duì)碳源的需求與病原體相似。研究小組繼續(xù)說(shuō):“只有當(dāng)群落在碳源利用方面與病原體有足夠高的重疊時(shí)，才會(huì)觀察到定植抗性。此外，與病原體代謝重疊最多的群落提供了最大的定植抗性。”

牛津大學(xué)生物和生物化學(xué)系的第一作者Frances Spragge評(píng)論說(shuō):“至關(guān)重要的是，盡管微生物組多樣性的增加增加了抵御這些病原體的可能性，但微生物群落和病原體之間營(yíng)養(yǎng)利用譜的重疊是關(guān)鍵。某些在群落保護(hù)中起關(guān)鍵作用的物種與病原體表現(xiàn)出高度的代謝重疊，因此也有相似的營(yíng)養(yǎng)需求。”

研究人員利用這種營(yíng)養(yǎng)阻斷原理來(lái)預(yù)測(cè)細(xì)菌群落，這些細(xì)菌群落將對(duì)抗微生物藥物耐藥性(AMR)的大腸桿菌菌株提供弱保護(hù)和強(qiáng)保護(hù)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，與大腸桿菌菌株具有最高營(yíng)養(yǎng)重疊的群落在減少病原體豐度方面的效果是預(yù)計(jì)提供弱保護(hù)的群落的100倍。他們寫道:“我們運(yùn)用我們的發(fā)現(xiàn)成功地預(yù)測(cè)了抵抗一種新的目標(biāo)菌株的群落。”

根據(jù)研究人員的說(shuō)法，這些新的見解可以通過(guò)優(yōu)化腸道微生物群落發(fā)展成對(duì)抗有害腸道病原體的新策略。這一發(fā)現(xiàn)也可以解釋為什么個(gè)體在接受抗生素治療后更容易感染肺炎克雷伯菌等物種，因?yàn)榭股刂委熆梢越档湍c道微生物群物種的多樣性。

參考資料

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