深度解析|饮食与菌群研究新进展与益生菌精准干预和转化前沿

　　01、饮食与菌群研究新进展

 

　　主要从西方饮食、高脂饮食和乳清蛋白基础饮食分别与肠道菌群的研究新进展3方面进行介绍。

 

　　1 西方饮食与肠道菌群

 

　　非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD）是一种新出现的全球健康威胁，正迅速成为慢性肝病的主要原因，影响全世界25%的人口。NAFLD的发展范围从单纯性脂肪变性到其晚期形式非酒精性脂肪性肝炎（non-alcoholic steatohepatitis，NASH），NASH的特征是肝细胞损伤和气球样变、肝脏炎症和肝纤维化。NASH进展可导致随后的肝硬化肝病和终末期肝细胞癌(HCC)。近年来，越来越多的证据表明，西方型饮食和肠道菌群相互作用，产生的代谢物有助于NAFLD的发生和进一步的疾病进展。
 

 

　　肠道与肝脏通过门静脉连接，肠-肝轴使膳食和微生物成分以及结局产物从肠道转运至肝脏成为可能，而肝脏分泌影响肠道稳态的初级胆汁酸等因子。不健康的生活方式和相应的肠道菌群变化导致许多致病因素的产生，这些因素显著影响肝脏免疫和稳态，促进NAFLD的发病。富含果糖、蔗糖和饱和脂肪的典型西方饮食模式正逐渐成为促进NAFLD发病的主要因素。大量的人类和动物研究表明，肠道菌群在NAFLD中的重要作用。肠道微生物组成的变化可显著影响肝脏碳水化合物和脂质代谢，以及促炎和抗炎效应物之间的平衡，从而影响NAFLD的发展。此外，饮食-肠道微生物群的相互作用可改变代谢，产生大量生物活性代谢物，这些代谢物对NASH的发病机制有重要影响。

 

　　2023年1月，Yang等人在Nature Communications上发表的研究表明：通过给野生型小鼠喂食低胆碱高脂高碳水饮食（CL-HFS）成功建立了临床相关的NASH小鼠模型，该模型比胆碱缺乏的HFD （CD-HFD）更接近典型的西方饮食。利用该模型，研究者鉴定出了一种特定的微生物——Blautia producta （B. producta）及其最终代谢物2-油酰甘油（2-OG），可引起肝脏炎症和纤维化。与人类NASH尤其相关的是，研究者检测到2-OG在人类NASH患者肝脏中的蓄积增加。细胞机制研究表明，2-OG是一种微生物代谢产物，通过巨噬细胞（MΦ）依赖的方式激活肝星状细胞产生细胞外基质蛋白。分子生物学研究表明，2-OG是G蛋白偶联受体GPR119激动剂，通过TAK1/NF-κB/TGF-β1信号通路刺激MΦs。这些发现显著增强了对NASH发病机制的理解，并提供了潜在的治疗靶点。

 

　　2 高脂饮食与肠道菌群

 

　　肠道微生物群对结肠健康很重要，并与癌症发生有关。例如，在化学诱导的结肠炎相关结肠肿瘤模型中，与微生物组完整的小鼠相比，无菌小鼠的肿瘤更多、更大。此外，高脂饮食（high fat diet，HFD）会增加患结直肠癌的风险。结肠已被确定为第一个对HFD产生反应的组织，其促炎信号传导和结肠通透性会增加。此外，HFD是众所周知的肠道微生物群失调的危险因素。生态失调的特征是有益菌的减少和条件致病菌的生长。有趣的是，HFD诱导的小鼠生态失调独立于肥胖，这表明饮食本身是肠道微生物群的主要调节因素。

 

　　肠道微生物群可以调节雌激素代谢，从而影响局部和全身雌激素的可用水平，称为雌激素代谢组，但很少有研究探讨雌激素是否或如何影响微生物群的组成。雌激素的生物学作用由3种受体介导，即核雌激素受体ERα （ESR1）和ERβ (ESR2)以及跨膜G蛋白耦联雌激素受体1（GPER1）。而ERβ与抗炎和结直肠癌保护作用相关，为了验证雌激素信号通过ERβ 激活以性别依赖的方式减弱HFD诱导的生态失调这一假设，Hases等人对来自同一HFD模型的盲肠内容物进行了全基因组鸟枪测序。总体而言，研究者的数据表明，取决于宿主性别的肠道微生物群组成存在显著差异。此外，他们指出了与结肠细胞增殖和代谢参数相关的性别依赖性微生物对HFD的反应，发现雌激素配体治疗影响了微生物群多样性的一些测量。虽然发现外源性雌激素（E2）对雌性的特定细菌种类没有影响，但它显著改变了雄性的一些细菌种类，这与F4/80+结肠巨噬细胞浸润，血糖水平和胰岛素水平相关。

 

　　3 乳清蛋白基础饮食与肠道菌群

 

　　目前普遍认为，肠道菌群在保护肠黏膜完整性和维持黏膜稳态方面发挥着关键作用。化疗已被一致证明会引起肠道微生物组组成和功能的变化。这些变化被认为是导致胃肠粘膜炎（GI-M）严重程度的原因。此外，越来越多的证据表明化疗时肠道微生物组的组成影响患者的不良毒性（包括GI-M）风险。

 

　　因此，饮食干预在治疗前支持健康的微生物群，并在治疗中/后促进其复原力，有望成为GI-M及其相关症状的治疗策略。2023年发表在Cell Death & Disease的一项研究描述了一种富含中链甘油三酯（MCTs）的深度水解乳清蛋白饮食的黏膜保护和微生物群调节作用。这种饮食的选择是基于MCTs和小肽片段通过抑制异常炎症对肠黏膜提供局部保护的能力。研究者假设通过这种饮食进行预康复可以减少GI-M和与营养不良相关的继发性症状，而不影响化疗的全身疗效。该研究提供了证据支持，旨在证明预康复宿主(尤其是肠道微生物组)的早期饮食干预的益处，从而减少高度脆弱的肠黏膜中不必要的细胞死亡，而不影响对肿瘤的杀伤作用。

 

　　02、益生菌精准干预和转化

 

　　以下主要对免疫检查点阻断疗法、粪菌移植和工程菌3种方法进行介绍。

 

　　1 免疫检查点阻断疗法

 

　　通过免疫检查点抑制剂（ICI）治疗重新增强抗肿瘤免疫是癌症治疗的核心组成部分，在一部分癌症患者中显示出前所未有的疗效。虽然阻断抑制性T细胞受体（如程序性细胞死亡受体-1（PD-1）或其配体PD-L1）可释放抗肿瘤T细胞应答，并显示出强大的临床疗效，但只有40%的黑色素瘤患者对治疗有应答。因此，需要进一步增强抗肿瘤免疫的方法来提高ICI的疗效。可调节ICI疗效的因素有内源性因素（如肿瘤抗原呈递、肿瘤突变负荷）和外源性因素（包括微生物组组成和益生菌摄入）。

 

　　癌症患者对使用益生菌增强健康的兴趣越来越浓厚，包括接受免疫检查点抑制剂（ICI）治疗的患者。Bender等人阐明了益生菌释放的芳香烃受体（AhR）激动剂吲哚-3-醛（I3A）和肿瘤微环境中的CD8 T细胞之间的关键微生物-宿主交互作用，该交互作用可有效增强抗肿瘤免疫并促进临床前黑色素瘤的ICI治疗。近期发表在Cell杂志上的研究表明，益生菌罗伊氏乳酸杆菌（Lr）在黑色素瘤中易位、定植并持续存在，在黑色素瘤中，Lr通过其释放的膳食色氨酸分解代谢物I3A，在局部促进产生干扰素-γ的CD8 T细胞，从而增强ICI。此外，Lr分泌的I3A对于驱动抗肿瘤免疫是必要和足够的，而CD8 T细胞中AhR信号的缺失会减弱Lr的抗肿瘤作用。此外，富含色氨酸的饮食增强了Lr和ICI诱导的抗肿瘤免疫，这依赖于CD8 T细胞AhR信号传导。最后，研究者为I3A在促进晚期黑色素瘤患者ICI疗效和生存方面的潜在作用提供了证据。

 

　　2 粪菌移植

 

　　粪菌移植（Fecal Microbiota Transplantation, FMT）是克服难治性黑色素瘤患者对免疫检查点抑制剂耐药的潜在策略。然而，FMT在一线治疗中的作用尚未得到评估。

 

　　Routy等人在20例未经治疗的晚期黑色素瘤患者中开展了一项联合健康供体FMT和PD-1抑制剂纳武单抗或派姆单抗的多中心1期试验，主要终点是安全性。单独FMT组未报告3级不良事件。5例患者（25%）在联合治疗中发生了3级免疫相关不良事件。关键次要终点包括客观缓解率、肠道微生物组组成的变化以及全身免疫和代谢组学分析。客观缓解率为65%（13/20），其中4例（20%）完全缓解。纵向微生物组分析显示，所有患者植入了来自各自供者的菌株，然而，供者和患者微生物组之间获得的相似性仅在应答者中随着时间的推移而增加。应答者在FMT后经历了免疫原性的富集和有害细菌的丢失。Avatar小鼠模型证实了健康供体粪便在提高抗PD-1疗效中的作用。研究的结果表明：来自健康供者的FMT在一线治疗中是安全的，值得进一步研究与免疫检查点抑制剂联合应用。

 

　　3 工程菌

 

　　在过去的几年中，研究人员专注于开发能够感知微环境信号并对其做出反应的“智能”工程细菌，从而获得更精确和高效的治疗结果。例如，最近，Zou等设计了一种名为i-ROBOT的益生菌，它可以通过与IBD相关的炎症标志物硫代硫酸盐的自调节机制实时监测和记录IBD的发生和进展，并释放治疗。在这种情况下，使用“智能”工程细菌治疗疾病可以提供更精确和有效的治疗分子递送，同时最大限度地减少潜在的副作用，而不需要添加诱导剂。因此，“智能”工程菌的进一步研究值得关注。

 

　　值得注意的是，以肠道菌群为靶点预防或治疗各种疾病时，安全性是一个不可忽视的问题，尤其是FMT和工程菌的使用方法。虽然FMT总体上是安全的，且大多数短期风险与给药方式相关，但仍需进一步研究提供更全面的长期安全性数据。由于供、受者因素对FMT成功的重要性，应充分考虑严格的供者筛选，患者分层，供、受者匹配和设施安全。此外，开发FMT的替代方法，如利用胶囊，将提高其安全性和便捷性。

 

　　同样，利用基因工程细菌进行疾病干预也面临生物安全和环境安全的潜在风险。工程菌通过粪便排出人体肠道后，应在环境中没有增殖活性，以防止其对自然微生物群落和环境中的水平基因转移造成影响。目前，应用最广泛的生物遏制方法包括实现同步裂解回路或开发营养缺陷型细菌。