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厚壁菌门(拟杆菌门,一个简单但粗糙的菌群评估指标)

谷禾健康谷禾健康2023-11-25 11:22:470

拟杆菌属重要菌种——单形拟杆菌 (Bacteroides uniformis),控制好其稳态很重要

Indiani CMDSP, Rizzardi KF, Castelo PM, Ferraz LFC, Darrieux M, Parisotto TM. Childhood Obesity and Firmicutes/Bacteroidetes Ratio in the Gut Microbiota: A Systematic Review. Child Obes. 2018 Nov/Dec;14(8):501-509.

✦ 多酚具有抗氧化活性能够减少一些致病菌

纤维和淀粉,是这些细菌的能量来源。富含水果、蔬菜、豆类和全谷物的饮食也是理想的。

关于这一点,代谢性内毒素血症的假说提出肥胖增加全身炎症的发展可能是由于长期暴露于脂多糖所致,脂多糖是一种源自革兰氏阴性细菌的促炎分子,它会通过肠腔进入血液。

这种差异可以通过这样的事实来解释:来自拟杆菌门细菌的脂多糖的内毒素活性被认为低于来自其他革兰氏阴性细菌(例如属于变形菌门的细菌)的内毒素活性。有趣的是,在肥胖受试者或动物中也观察到变形菌门的增加,并且在无菌小鼠中施用变形菌门成员肠杆菌会导致这些动物出现肥胖和胰岛素抵抗

一般而言,从出生到成年,厚壁菌门/拟杆菌门的比例不断增加,并随着年龄的增长而进一步改变。该比率在婴儿、成人和老年人之间存在差异。它可能与生命不同阶段细菌谱的整体变化有关

✦ F/B 比率较高时相同食物会吸收更多能量

✦ 普雷沃氏菌也是一种条件性致病菌

重要的是要观察肠道微生物种群结构的整体组成,将其作为肥胖和肥胖相关病理(例如GSD)的指标,而不仅仅是厚壁菌门/拟杆菌门的比率。然而,在我们看来,可以修改这个比率,例如引入表征拟杆菌门底下的拟杆菌属或普氏菌属与梭状芽胞杆菌 XIVa 簇菌的比例。

注:研究支持,长寿、健康的老年人肠道内的丁酸细菌含量明显较高

厚壁菌门的成员包括许多有益的菌。比如乳酸菌是一种常见于酸奶和其他发酵乳制品中的益生菌,属于该门。这些微生物会产生醋酸盐(另一种促进健康的短链脂肪酸)以及乳酸和抗菌物质,以防止病原体定植

✦ 不同拟杆菌种类与不同炎症性肠病程度相关

然而,大多数研究表明,拟杆菌因内毒素而表现出促炎特性,并影响细胞因子的产生,从而导致炎症性肠病。此外,厚壁菌门细菌具有抗炎作用,可以缓解炎症性肠病的进展。

相反,与溃疡性结肠炎患者和健康个体相比,克罗恩病患者的拟杆菌丰度显著增加(分别为74.97%、64.31%和67.41%)。

✦ 抑制胃肠道中的病原体

✦ 增加植物蛋白摄入,避免摄入过量动物蛋白

F/B比率升高或降低被视为生态失调,前者通常与肥胖,代谢障碍相关,这可能与从食物中提取热量增加、脂肪沉积和脂肪生成、胰岛素敏感性受损有关;而后者则与炎症性肠病,抑郁,阿尔茨海默病等相关,这可能与短链脂肪酸尤其丁酸的生成减少,蛋白代谢物组胺,脂多糖累积等相关诱导的免疫炎症反应相关。

世界范围内的研究正在不断寻找其致病因素。厚壁菌门和拟杆菌门的改变首先在肥胖动物和受试者中被描述,这些动物和受试者表现出厚壁菌门丰度增加,而拟杆菌门却减少了。

肠道细菌四大“门派”——拟杆菌门,厚壁菌门,变形菌门,放线菌门

肠道细菌的其他谱系,包括革兰氏阳性放线菌,降解和输入膳食多糖的途径远不那么复杂,这在很大程度上是由于缺乏外膜屏障。例如,短双歧杆菌使用多结构域、细胞表面锚定酶(而不是一系列单独的酶),可以结合并降解聚合物,例如淀粉、支链淀粉和糖原。

拟杆菌门的基因组和代谢

肠道重要基石菌属——普雷沃氏菌属 Prevotella

葡萄籽原花青素显著降低了肥胖大鼠肠道菌群中厚壁菌门的含量,提高了拟杆菌门的含量,显著降低了厚壁菌门与拟杆菌门比值。

膳食蛋白质循环尿素是厚壁菌的主要氮原料,而分泌的宿主蛋白质为拟杆菌提供氮

对欧洲儿童和布基纳法索儿童的微生物群的比较也显示了由于饮食习惯不同而导致的微生物群组成的差异,欧洲儿童的饮食富含动物蛋白、糖、淀粉和脂肪,纤维含量低。以素食为主的饮食主要由碳水化合物、纤维和非动物蛋白组成。欧洲儿童微生物组富含厚壁菌门和变形菌门,放线菌门和拟杆菌门在非洲儿童中较多。

✦ 尽量摄入不饱和脂肪

肠道重要基石菌属——罗氏菌属(Roseburia)

据报道,属于韦荣氏球菌科、热厌氧杆菌科 III 的Megasphaera elsdenii和Caldocellum saccharolyticum也能合成丁酸盐

-洋葱

肠道免疫保护取决于拟杆菌、白细胞介素36信号和巨噬细胞的发育。拟杆菌的这种作用需要其保守的共生定植因子的多糖利用位点。

目前许多研究工作都集中在识别特定的微生物特征,特别是与肥胖2型糖尿病炎症相关的微生物特征。

✦肥胖增加可能与长期暴露脂多糖有关

一项研究检查了克罗恩病和溃疡性结肠炎患者以及健康对照活检组织中的微生物多样性。观察到厚壁菌门丰度下降;更准确地说,克罗恩病患者中梭状芽胞杆菌类细菌减少,但溃疡性结肠炎患者或健康个体中则没有减少。

F/B比在肥胖中的作用

✦ 拟杆菌的组成和代谢受到饮食调节

乙酸也被吸收并到达全身循环和周围器官,包括脂肪组织、肌肉和大脑。在肝脏中,与丙酸盐相反,它刺激肝脏合成脂质,导致血脂异常。在大脑中,它激活副交感神经系统,分别促进胰腺和胃粘膜分泌胰岛素和生长素释放肽。

饮食建议

✦当F/B比率下降时

但是一些致病菌也属于该门。例如,产气荚膜梭菌是一种引起胃肠道感染的细菌。还有金黄色葡萄球菌,它是一些严重感染的常见原因。

有人提出,肠道微生物群引导增加肠道对单糖的摄取,并指示宿主增加肝脏产生与胰岛素抵抗相关的甘油三酯。

更多厚壁菌门,拟杆菌较少。或两者兼而有之,厚壁菌门增长更快。可能导致以下疾病:

Grigor'eva IN. Gallstone Disease, Obesity and the Firmicutes/Bacteroidetes Ratio as a Possible Biomarker of Gut Dysbiosis. J Pers Med. 2020 Dec 25;11(1):13.

这一假设与肥胖症中所报道的拟杆菌门丰度下降的情况并不相符,因为该门是肠道微生物群中革兰氏阴性菌的主要群体。

梭菌目的簇IV、XIVa、XVI 和 I包含大多数丁酸盐生产菌种。其中两个重要的物种,直肠真杆菌和普拉梭菌分别属于梭菌簇 XIVa 和梭菌簇 IV,占健康成人粪便样本中肠道菌群总数的12-14% 。此外,还有罗氏菌属,粪球菌属,瘤胃球菌属, Anaerostipes ,丁酸弧菌属和梭菌属。

肠道核心菌属——毛螺菌属(Lachnospira)

此外还有其他分类群包括变形菌门、放线菌门、梭杆菌门、疣微菌门、产甲烷古菌、真核生物(原生生物和真菌)和其他更短暂的定植者。

由于菌群是一个复杂的生态体系,门层面的简单划分只能提供一个最简单的线索,想要了解肠道菌群需要从最主要的核心菌属,常见的有害菌属以及大量功能菌属的构成来更加准确的分析,此外菌群的代谢通路也提供了不同角度的信息。

丁酸盐是研究最深入的短链脂肪酸之一,是肠道上皮细胞营养的主要来源。丁酸盐的消耗与肠道屏障完整性受损有关。

结肠中的丙酸盐刺激L-肠内分泌细胞释放GLP-1和 PYY,从而抑制食欲。它还可能到达门静脉循环,主要被肝脏捕获,参与肝糖异生并减少参与脂肪酸和胆固醇从头合成的酶的表达。

健康个体中发现的类群在家庭成员(例如父母及其子女)之间往往最相似,而在不同文化和地理空间(例如西方社会与非西方社会)之间则最不相似

厚壁菌门细菌大多为革兰氏阳性菌,通过短链脂肪酸合成在宿主的营养和代谢中发挥关键作用。

权威研究显示主要的丁酸盐合成菌厚壁菌门在2型糖尿病患者中显著减少。多项人体研究支持这样一个事实:与健康受试者相比,2型糖尿病受试者中合成丁酸的厚壁菌门丰度显著降低

✦拟杆菌拥有多糖利用位点有助于代谢

拟杆菌还通过与免疫系统的相互作用,在激活T细胞介导的反应中发挥作用,从而有助于宿主的整体健康。

由于多糖利用位点激活是肠道环境的产物,富含植物源性多糖和糖蛋白的饮食将导致多糖利用位点暂时上调,从而降解这些膳食营养素。然而,当这些底物稀缺时,例如在禁食期间或某些低纤维饮食期间(如高糖、高脂肪的西方饮食),亲糖拟杆菌会改变其转录谱以消耗宿主衍生的聚糖,这些暂时的转换可能是导致某些细菌在婴儿期最初在肠道定殖并在我们一生中持续存在的主要因素。

-慢性疲劳综合症

可以看出大部分人群的厚壁菌/拟杆菌比率在0.30-1.0之间(谷禾健康数据库随机抽样5万例样本),表明国人大部分人群肠道菌群的构成中拟杆菌占比多一点;同时抽样人群中1/10人厚壁菌/拟杆菌比率大于2.9,表明也有相当一部分人群厚壁菌门占比较高。

✦ 肥胖人群与正常人群拟杆菌存在差异

研究表明,地中海饮食与更丰富的厚壁菌门有关,包括普拉梭菌。另一方面,富含动物蛋白、脂肪和糖的西方饮食会对有益的这些细菌产生负面影响

-类风湿性关节炎

可能的治疗方法和注意事项:

肠道健康从核心菌属开始:肠道菌群的关键

肠道核心菌属——双歧杆菌,你最好拥有它

最近,对人类样本的高通量宏基因组测序表明,Rawsonibactera saccharolyticus是瘤胃球菌科中的一个新物种,并且肠单胞菌AF211编码丁酰辅酶A:用于合成丁酸的乙酰辅酶A转移酶。

纤维被认为是一种不易消化的膳食成分,有时被称为益生元,因为它通过刺激有益肠道细菌的生长而对宿主有益

人类喂食大量葡萄糖、果糖和蔗糖,双歧杆菌水平增加拟杆菌减少。相反,当喂食糖精(一种人工甜味剂)时,拟杆菌丰度增加,罗伊氏乳杆菌减少,微生物发生与天然糖完全相反的变化。

-干燥综合症

✦ 高纤维饮食的人体内厚壁菌更丰富

拟杆菌可以积极改善肠道环境,使其更适合自身和其他微生物。

有的菌会通过破坏中性粒细胞趋化性等机制帮助逃避免疫系统(例如,伤寒沙门氏菌)和逃避宿主补体系统(例如肺炎克雷伯菌)。

-蒜

最后但并非最不重要的是多酚,包括儿茶素、黄酮醇、黄酮、花青素、原花青素和酚酸(存在于水果、种子、蔬菜、茶、可可制品和葡萄酒等食品中),被发现可以增加拟杆菌,减少金黄色葡萄球菌、鼠伤寒沙门氏菌和梭菌等致病菌。

细菌大盘点(二) | 葡萄球菌、沙门氏菌、弯曲杆菌

因此,研究对乳腺癌患者和健康对照者的血清中提取细菌细胞外囊泡,使用微生物组测序分析厚壁菌门和拟杆菌门。分析乳腺癌的预后因素和血清学检测结果与 F/B 比值的相关性。发现乳腺癌患者的 F/B 比值比健康对照者低三倍

普氏粪杆菌在体内和体外均表现出抗炎作用。在患有诱导性结肠炎的小鼠中,活普氏粪杆菌(或其上清液)降低了结肠炎的严重程度并纠正了生态失调。此外,普氏粪杆菌对血液单核细胞的体外刺激导致IL-10分泌增加以及IL-12和干扰素-γ(IFN-γ)分泌减少。

✦ 增加纤维摄入量可以增加厚壁菌门的数量

认识变形菌门,变形菌门扩张的原因和健康风险

-燕麦

普氏粪杆菌(F. prausnitzii)是一种厚壁菌门物种,在炎症性肠病患者中减少,其减少与克罗恩病术后六个月复发相关

猪油喂养的小鼠还出现白色脂肪组织炎症和胰岛素敏感性受损。喂食鱼油的小鼠总体表现更好,研究人员得出结论,肠道微生物群促进了高饱和脂肪饮食的整体炎症反应

大多数健康成人微生物群仅由两个细菌门控制——革兰氏阳性厚壁菌门(许多属)和革兰氏阴性拟杆菌门(主要是拟杆菌属、另枝菌属、副拟杆菌属和普氏菌属)——它们共同构成了微生物中的大多数细菌分类群。

同一群体的受试者之间厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度差异很大。这可能是由于许多与生活方式相关的因素造成的,包括饮食、体力活动、食品添加剂和污染物、抗生素消耗等影响胃肠道微生物群组成的因素。

又比如普氏栖粪杆菌(Faecalibacterium prausnitzii),又名:普拉梭菌,是人类肠道菌群中最重要的细菌之一,占健康人粪便样本中检测到的细菌总数的5-15%,是丁酸的重要生产者之一,具有抗炎作用,维持细菌酶的活性,保护消化系统免受肠道病原体的侵害。

这种耐受和降低氧气水平的能力可能有助于拟杆菌传播到新宿主,这可能是它们在哺乳动物中如此广泛传播的主要原因

拓展

低纤维饮食与较低的细菌丰度有关,而富含这些不易消化的碳水化合物的饮食会增加双歧杆菌和乳酸杆菌。较高的纤维摄入量导致促炎细胞因子IL-6和胰岛素抵抗减少

当研究人员观察脂肪时,发现并不是所有的脂肪都是平等产生的。在一项研究中,小鼠被喂食猪油或鱼的脂肪。喂猪油的小鼠中拟杆菌属嗜胆菌属(Bilophila)增加,而双歧杆菌和Adlercreutzia、乳酸菌(乳杆菌和链球菌)和疣微菌属(Akkermansia muciniphila)在鱼油喂养的小鼠中增加。

这种高度变异性可能解释了在比较正常体重和肥胖受试者之间的微生物群时观察到的矛盾结果,使得很难将厚壁菌门/拟杆菌门比率与确定健康状况联系起来

我们审查评估了饮食干预如何影响微生物组成的相关文章。总体而言得出以下建议供参考:

An J, Kwon H, Kim YJ. The Firmicutes/Bacteroidetes Ratio as a Risk Factor of Breast Cancer. J Clin Med. 2023 Mar 13;12(6):2216.

健康对照者和乳腺癌患者中 F/B 的比率

然而,两个拟杆菌属的存在差异:与肥胖组相比,正常组中拟杆菌属的高出20%,而肥胖组中普雷沃氏菌属比正常组高出19%。拟杆菌属和普雷沃氏菌属都属于拟杆菌门。

对粪便样本进行深入的宏基因组学和宏蛋白质组学分析证实,在患有糖尿病前期 (Pre-DM) 或初治2型糖尿病 (TN-T2D) 的个体中,产生丁酸盐的菌含量显著降低。与正常耐糖个体相比, 患有糖尿病前期个体中的普拉梭菌的水平低于正常耐糖个体和初治2型糖尿病个体。

在研究肠道菌群或复杂微生物样本构成时,"门"(Phylum)是细菌分类的高级分类单位之一。

如果厚壁菌门过高意味着什么?

结语

碳水化合物,包括可消化的(淀粉和糖)不可消化的(纤维),可能是研究最多的常量营养素,因为它们具有改变肠道微生物组的能力。

例如,许多编码细胞色素bd氧化酶,据推测该酶可以降低细胞内氧水平,进而降低肠道氧水平,从而允许严格厌氧菌生长,否则这些厌氧菌会被氧气的存在杀死。

高纤维饮食可以增加厚壁菌门的丰度并减少拟杆菌的丰度 ,从而增加肠道内短链脂肪酸的浓度。

拟杆菌门作为多糖降解联盟的成员,尤其是拟杆菌属和普雷沃氏菌属,具有多种可以利用多糖的聚糖和糖苷酶。它们有助于分解膳食纤维和淀粉释放能量,并且它们可能是丙酸盐的主要来源。

此外,存在病理状况(糖尿病、心血管疾病、炎症性肠病等)。例如,Oddi括约肌松弛与胆管结石有关,可能是由于肠内容物回流增强改变了微环境所致。

这使得肠道细菌能够快速适应营养可用性的变化。糖分解物质形成甲酸盐、乙酸盐、乳酸盐、丙酸盐和琥珀酸盐作为主要发酵产物。拟杆菌可能是结肠中丙酸盐形成的主要贡献者。

此外,在厚壁菌中也看到了一些属更喜欢从膳食蛋白质中获得氮,而其他菌属更喜欢循环尿素

✦ 营养不良儿童的肠道微生物多样性较低

-系统性红斑狼疮

不同的拟杆菌不同程度的炎症性肠病相关。在经过抗生素预处理且存在转化生长因子(TGF)βRII和IL-10R2信号传导缺陷的小鼠系中在用普通拟杆菌多形拟杆菌灌胃后观察到严重的溃疡性疾病

厚壁菌门的代谢偏好

-克罗恩病

✦生理及病理状况都会影响肠道微生物群

治疗(抗生素、二甲双胍等)通过富集Akkermansia muciniphila以及几种产生短链脂肪酸的微生物群(丁酸弧菌、两歧双歧杆菌等)来改变肠道微生物群组成。

肥胖双胞胎的微生物组富含编码营养转运蛋白的基因,而瘦双胞胎的微生物组富含编码与碳水化合物代谢相关的酶的基因

可能的原因:

多酚可以改变肠道环境,它们可以被肠道细菌分解代谢,将它们转化为多种化合物比原始化合物具有更强的抗氧化活性

例如,特定厚壁菌门或拟杆菌门物种丰度的增加分别导致肥胖肠道炎症。尽管人们非常关注 F/B 比率,但应该记住,这一比率可能会受到其他门的增加的影响,但是其他门的菌群失调增加或减少并不一定会改变 F/B 比率。

相比之下,拟杆菌在炎症性肠病中通常会增加,并与其进展和发展相关。对炎症性肠病患者和健康个体肠道炎症和非炎症区域的粘膜活检显示,炎症性肠病样本中厚壁菌门减少拟杆菌门丰度增加,而肠杆菌科仅在克罗恩病患者中增加。活检还显示,与非发炎区域相比,发炎区域的细菌失调程度更高

肠道重要菌属——Akkermansia Muciniphila,它如何保护肠道健康

Gui X, Yang Z, Li MD. Effect of Cigarette Smoke on Gut Microbiota: State of Knowledge. Front Physiol. 2021 Jun 17;12:673341.

- 消化不良

基于这些结果以及从肥胖动物和人类身上获得的其他结果,有人提出厚壁菌门比拟杆菌更能有效地从食物中提取能量,从而促进有效吸收热量和随后的体重增加

- 胃酸过少

细菌大盘点 | 大肠埃希氏菌、血链球菌、李斯特菌

还报告了罗氏菌属(Roseburia)和普拉梭菌(Faecalibacter prausnitzii)的丰度在健康对照中比2型或1型糖尿病患者更高

厚壁菌门——重要的丁酸盐生产者

-自闭症谱系障碍

✦ 卟啉单胞菌属可导致急性坏死溃疡性牙龈炎

✦ 乳腺癌患者F/B比值比健康人群低很多

一项研究将西方饮食的美国儿童与食用大米、面包和扁豆等植物性饮食的孟加拉国儿童进行了比较。在食用西方饮食的美国儿童中,厚壁菌门/拟杆菌门的比例减少了三倍。

拟杆菌门被比喻为肠道微生物群落的“多面手”,有超过7000种不同的革兰氏阴性菌组成,主要来自拟杆菌属、副拟杆菌属、普氏菌属和卟啉单胞菌属。它们的脂多糖和鞭毛蛋白与细胞受体相互作用,并通过细胞因子合成增强免疫反应

- 生态失调

细菌分类依次为门纲目科属种亚种,最大的分类层面是门,以前写过人群肠道菌群构成主要是以拟杆菌门和厚壁菌门为主,大部分人群占比超90%(个别的变形菌门或放线菌门占比也很高),作为两大“细菌王国”,这两大王国有着不同的生态和代谢属性,又有着相似的营养和生存需求,它们如同天平的两端的砝码,不同的人有着不同倾斜,即使同一个人不同时期不同身体状态下天平的倾斜都不一样。

拟杆菌门一些细菌的功能还包括胆汁酸的解离。肠道微生物群,特别是肠道拟杆菌,一定程度上也具有使初级胆汁酸解离和脱水并将其转化为人结肠中次级胆汁酸的能力。它们也参与蛋白质分解过程中有毒产物的释放。比如氨,组胺,硫化氢等,这些高浓度的产物会对肠黏膜产生毒性

Wexler AG,et al.Nat Microbiol.2017

溃疡性结肠炎是由结肠和直肠(从大肠末端开始到肛门结束的腔室)的长期炎症引起的,而克罗恩病是由结肠或回肠(小肠的最后部分)或两者的长期炎症引起的。

据推测,印度人体内拟杆菌门的丰度较高是由于他们对动物产品的消耗较少;表明饮食中动物产品含量较低与拟杆菌数量较多有关。

注:拟杆菌门的存在率较低众所周知,它们可以消化复杂的膳食材料,从而提高从各种食物中提取能量,而潜在致病性变形菌的较高含量可能有助于解释营养不良儿童的健康状况不佳。

-苹果

除了常量营养素和纤维对肠道细菌的影响外,含有乳酸菌的发酵食品(例如发酵乳制品)也被发现可以增加双歧杆菌乳酸杆菌的水平。

✦ 动物产品食用较少与拟杆菌数量较多有关

另一项对克罗恩病和溃疡性结肠炎患者进行粘膜活检和粪便菌群构成的研究证明了肠道微生物群和 F/B 比率的改变。克罗恩病和溃疡性结肠炎患者的F/B比值均较对照组显著降低

拟杆菌病原体具有广泛适应性

基因组草图可从 Genbank 公开获得,并揭示这些物种拥有多种糖苷酶,这些糖苷酶具有预测的对抗植物和宿主来源的多糖的活性,以及维生素和辅因子合成的许多途径

肠道微生物群的变化也与克罗恩病和溃疡性结肠炎的疾病活动度严重程度相关。例如,与患有非活动性疾病的患者相比,患有活动性疾病的溃疡性结肠炎患者中厚壁菌门的含量较低。同样,与患有非侵袭性疾病的克罗恩病患者相比,患有侵袭性疾病的克罗恩病患者的厚壁菌门丰度显著降低。

另一项研究要求参与者增加纤维摄入量并避免西方减肥食品。研究表明厚壁菌门:拟杆菌门比率增加了。

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此外,乳腺癌的危险因素,如空腹血糖,被发现与F/B比值有关。F/B比值可以作为乳腺癌的危险因素,并可能作为解释影响乳腺癌发生的潜在机制的线索之一。

基于多项研究,发现脆弱拟杆菌通过产生称为两性离子多糖的多糖来激活CD4 T细胞。CD4 T细胞的产生会刺激白细胞介素10的释放,从而防止特定的炎症反应和脓肿形成。

炎症性肠病代表小肠和大肠炎症反应引起的肠道疾病,由两种疾病组成:克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)。

但是肠道菌群受到抗生素,药物,年龄以及分析注释数据库等的影响,此外随着肠道菌群研究队列的扩大,以及对菌群构成不同疾病状态药物饮食等因素的相关性研究的深入,F/B比率作为一个相对粗放的指标已经无法准确反映复杂的肠道菌群状况。我们需要更加深入和全面的通过菌属甚至菌种的构成变化来解释和分析肠道菌群特征,并进而更准确的解释肠道菌群健康及生活方式的关联。

-肥胖(BMI较高)

★ 内生孢子可以帮助细菌在恶劣条件下存活

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- 优化饮食结构低脂肪饮食可能有助于厚壁菌门水平正常化

✦厚壁菌偏向从膳食蛋白和循环尿素中获取氮

根据最近使用动物模型的研究,拟杆菌属可以在相对较短的宿主婴儿期主要依靠宿主聚糖生存,但当在多个宿主世代的时间内被迫以低纤维饮食为生时,它们最终可能会灭绝

滋养肠道内厚壁菌门的食物

总体而言,蛋白质摄入量,尤其植物蛋白的摄入与肠道拟杆菌门,细菌多样性呈正相关。乳清和豌豆蛋白可以增加双歧杆菌和乳酸菌的数量,而乳清还可以减少脆弱拟杆菌和产气荚膜梭菌的数量,这两种细菌都是致病性的。

拟杆菌是复杂碳水化合物的主要降解者,迄今为止调查的所有生态系统中都普遍发现该属,在土壤以及人类和动物肠道中尤其占主导地位。大多数已测序的拟杆菌基因组编码大量多糖降解酶(CAZymes),表明代谢重点是聚糖降解

拟杆菌改善肠道环境

- 当厚壁菌门含量较高时,考虑主要使用双歧杆菌益生菌和布拉氏酵母菌

我们从谷禾肠道菌群检测数据库中随机抽取5万例样本,统计的人群厚壁菌门/拟杆菌门(F/B)比率如下:

也许是由于在跨外膜运输之前需要部分降解长多糖链,B. thetaiotaomicron和其他肠道拟杆菌已经成功地将适当的多糖利用位点转录与其相应多糖分解中间体的丰度(而不是丰度)耦合起来。

然而,与这些结果相反,许多研究没有观察到该参数的任何改变,甚至报告肥胖动物和人类中厚壁菌门/拟杆菌门的比例降低

✦ 炎症性肠病患者厚壁菌门丰度下降

拟杆菌与高脂肪和蛋白质的摄入量有关,而普雷沃氏菌与富含植物的饮食(高水平的复合碳水化合物和水果和蔬菜的摄入量)有关。因此,拟杆菌属和普雷沃氏菌属物种在人体内具有其特定的栖息地,因为它们大多数是拮抗的。

拟杆菌门的成员被假设可以降低细胞内的氧水平,从而有利于厌氧菌的生长,从而促进肠道平衡的维持,并且它们被认为是关键的聚糖降解细菌比厚壁菌门等其他类群更能代谢多酚

在全基因组水平上,拟杆菌属副拟杆菌属共享超过1000个蛋白质家族的核心,但与卟啉单胞菌属和普雷沃菌属共享较少数量的核心家族蛋白质家族。它们的组成和代谢活动在很大程度上受饮食调节

它们还可以通过促进宿主的生理变化来诱导某些食物来源(例如岩藻糖基化糖蛋白)的产生,或通过从糖蛋白中释放岩藻糖和唾液酸残基来改变肠道的营养状况,这些残基可以被其他微生物消耗,包括病原体。

厚壁菌门(Phylum Firmicutes)是细菌的一个门,大多数具有革兰氏阳性细胞壁结构。然而,一些细菌,如巨球菌属、梳状菌属、月单胞菌属和嗜发酵菌属,具有多孔的假外膜,导致它们被染成革兰氏阴性

这些例子反映了将某些门特定饮食广泛联系起来主要挑战是需要考虑涵盖整个微生物组的微生物的状态和相互作用动态。

- 代谢疾病

Mariat D, Firmesse O, Levenez F, Guimarăes V, Sokol H, Doré J, Corthier G, Furet JP. The Firmicutes/Bacteroidetes ratio of the human microbiota changes with age. BMC Microbiol. 2009 Jun 9;9:123.

Stojanov S,et al.Microorganisms.2020

通过比较缺乏自身微生物的无菌动物和与单个拟杆菌属菌株和突变体单相关的无菌动物(出生时无菌但后来被微生物定殖),已经鉴定了许多这些拟杆菌属依赖性的肠道环境变化。

拟杆菌在炎症性肠病中增加

揭秘肠道菌群:小众细菌的神秘力量与重要性

✦肠道微生物变化与炎症性肠病严重程度相关

另一方面,厚壁菌门/拟杆菌门比例的增加与肥胖个体中观察到的短链脂肪酸产生无关。事实上,据报道,拟杆菌门主要产生乙酸和丙酸,而厚壁菌门则产生更多的丁酸。丁酸盐被认为是一种促进健康的分子,因为它具有增加胰岛素敏感性、发挥抗炎活性、调节能量代谢和增加瘦素基因表达的能力。

这些事件会导致脂肪储存和食欲增加,从而导致肥胖。根据这些结果,醋酸盐通常被认为更容易导致肥胖。肥胖个体中厚壁菌门/拟杆菌门比例的增加意味着这些受试者中丁酸盐的产量较高,丙酸盐和乙酸盐的产量较低,这一发现与这些短链脂肪酸各自的抗肥胖和致肥胖作用部分矛盾。一种解释是,肥胖个体中产生丁酸的细菌减少,并逐渐被属于同一门的其他细菌取代,导致结肠腔中丁酸的产生量降低。例如,葡萄球菌属和罗伊氏乳杆菌的丰度增加(均来自厚壁菌门)

- 平衡共生细菌

然而,早期研究证实拟杆菌是熟练的聚糖降解剂,具有识别和代谢十多种植物和宿主来源的多糖的不同寻常的能力。拟杆菌属物种通过基因簇来实现这一点,这似乎是拟杆菌特有的,称为多糖利用位点(PUL)。

人类肠道包含一个非常密集的代谢活跃微生物群落。然而,只有有限数量的肠道细菌为丁酸生产者。人类肠道中大多数丁酸合成细菌分布于厚壁菌门。在厚壁菌门中,毛螺菌科、瘤胃球菌科、真杆菌科和梭状芽孢杆菌科是四个重要的丁酸合成科

厚壁菌/拟杆菌比及其相关

拟杆菌是肠道生态系统中非常成功的竞争者,表现出相当大的营养灵活性以及对宿主和肠道环境施加的压力做出反应的能力。很难权衡肠道拟杆菌对宿主是否产生负面或正面影响。

主要参考文献

-大麦

最近的研究基于大规模16S rRNA 基因测序、定量实时PCR (qPCR) 和荧光原位杂交 (FISH),显示了肠道微生物群组成糖尿病等代谢疾病之间的关系。

我们建议与肥胖相关的肠道微生物组研究不应该研究肥胖本身的分类标志物,而应侧重于确定用于将患者分层为亚组的分类标志物。引入微生物组患者分层将通过直接操纵患者微生物组来制定个性化治疗决策,从而改善肥胖的管理

与显示 F/B 比率对肥胖影响不大的研究类似,并不是在所有炎症性肠病病例中都观察到F/B 比率降低。炎症性肠病患者粪便微生物分析显示,拟杆菌门、厚壁菌门和疣微菌门的丰度下降,而变形菌门、放线菌门和梭杆菌门的丰度增加。在48名克罗恩病患者中,粪便样本中的拟杆菌细菌丰度不到健康个体的10%,梭菌亚群 XIVab(厚壁菌门)也显著降低

此外,豌豆蛋白被发现可以增加短链脂肪酸水平,短链脂肪酸被认为具有抗炎作用,并在粘膜完整性中发挥作用。然而,一项研究发现,高动物蛋白/低碳水化合物饮食会导致罗氏菌属和直肠真杆菌(这两种有益细菌)减少。动物蛋白可能含有大量脂肪,而脂肪也会影响肠道微生物群。

在厚壁菌门成员中,偏好尿素氮的属往往是菊粉的疯狂使用者,即使用菊粉和尿素合成自己的氨基酸。这包括一些脲酶阴性菌属,它们可能通过交叉喂养获得尿素氮

✦ 2型糖尿病患者中产丁酸厚壁菌门丰度降低

注:绝大多数人类腹膜炎病例都是由脆弱拟杆菌引起的。

厚壁菌门/拟杆菌门比率是一个考虑高水平分类等级(即门)的指数,同一群体的受试者之间厚壁菌门和拟杆菌门的相对丰度差异很大。这可能是由于许多与生活方式相关的因素造成的,包括饮食疾病状态、食品添加剂和污染物、抗生素消耗体力活动等影响胃肠道微生物群组成的因素。

影响免疫反应

肠型往往可以追溯到长期的饮食习惯。顾名思义,具有“谷物爱好者”微生物组类型的人倾向于消耗更多全谷物中的抗性淀粉和膳食纤维

-高血压中的肠道菌群失调

许多厚壁菌门细菌可以产生内生孢子,其耐干燥并且可以在极端条件下生存。孢子在细菌生长中起着重要的作用。细菌的孢子是一种休眠状态,可以在不利环境下存活,并在适宜条件下重新发芽成为活跃的细菌。这种休眠状态使得细菌能够在恶劣条件下存活并传播

拟杆菌门主要为革兰氏阴性菌,能激活T细胞介导的免疫反应,降解多糖保护肠道和其他病原菌,厚壁菌门主要为革兰氏阳性菌,尤其产丁酸的菌,但是更容易吸收能量

-菊苣根

在61名乌克兰成年人中也报告了类似的结果,其中 F/B 比率体重指数(BMI)显著相关。F/B 比率≥ 1 的个体超重的可能性比F/B 比率<1 的个体高出23%。

厚壁菌门——内生孢子

拟杆菌门的基因组大小相对较大,例如B.thetaiotaomicron 为 6.26 Mb。迄今为止在拟杆菌属中发现的16S rRNA基因的最高拷贝数为7个(在普通拟杆菌中)。

多糖利用位点可以确定拟杆菌可以占据哪些代谢生态位,甚至可以确定它们在肠道内的生物地理位置。多糖利用位点被如此分类是因为它们的susC和susD的同系物,以及其他成分(糖苷水解酶、多糖裂解酶、糖基转移酶、碳水化合物酯酶),它们对于分解多种植物或宿主来源的聚糖很重要。

事实上,在大多数研究中,肥胖患者比瘦受试者表现出更少的细菌多样性,这表明在科、属或种水平上存在其他组成变化,这可能比厚壁菌门/拟杆菌门比率更相关。

厚壁菌门/拟杆菌门(F/B比率)作为一个指标在很多关于肠道菌群的研究中被提及和表征,从疾病发生进展,到药物饮食干预,涉及肠道菌群的研究,首先会描述细菌门水平的变化,而人类或动物肠道细菌约90%都属于厚壁菌门与拟杆菌门,而它们的比率也被认为是肠道菌群动态平衡的标志。

✦降低肠道内氧水平从而促进厌氧菌生长

对这些患者的粪便微生物群分析显示,与正常耐糖受试者相比,新诊断或长期患有糖尿病的受试者中瘤胃球菌科和毛螺菌科等科的丰度有所下降

认识罗伊氏乳杆菌(Lactobacillus reuteri)

(a)健康对照组和乳腺癌患者中厚壁菌门拟杆菌门占总微生物群的比例;(b)健康对照者和乳腺癌患者的F/B比率;(c)F/B比与体重指数之间的关系;(d)F/B比与饮食习惯的关系(*p≤0.05,**** p≤0.0001)。

✦ 防止特定炎症反应

2型糖尿病(T2DM)是一种代谢性疾病,其主要原因是与肥胖相关的胰岛素抵抗。然而,其他一些因素,如精神压力、感染和遗传倾向也可能导致糖尿病。

目前,拟杆菌门中研究的最充分的,包括拟杆菌属普氏菌属以及卟啉单胞菌属

大型基因组计划,包括美国国立卫生研究院(NIH)资助的人类微生物组项目(/hmp/)和欧盟资助的 MetaHIT 项目 ()对50多种人类来源的拟杆菌门的拟杆菌和普氏菌分离株进行了测序。

与胃肠道中发现的其他一些细菌相比,研究表明拟杆菌门的一些成员对各种抗生素和胆汁等物质具有耐药性,这给了他们竞争优势。

具有抗炎作用的普氏粪杆菌减少

F与B的比例较高体重增加和肥胖状态时,这两个细菌门影响我们体重的原因是它们调节我们吸收的脂肪量。想象一下两个人都消耗2000卡路里,但F与B的比例不同。F/B 比率较高的一种会吸收更多的卡路里,因此会比另一种增加更多的体重。因此,重点应该是平衡F与B的比例,一方面防止肥胖,另一方面预防炎症性肠病的发生。

尽管人们可能会想象肠道中的生命充满了微生物的过多食物选择,但在结肠(细菌密度最高的地方),简单、容易获得的糖大部分已经被消耗或吸收。其中的残留物是复杂的长链多糖,它们不能自由吸收,也不能被人类酶促消化。对于许多细菌来说,这些复杂的多糖同样难以处理,并且无法跨膜运输

厚壁菌门/拟杆菌门的比率与相关疾病

同样,卡塔尔受试者(37名肥胖者和36名瘦者)表现出肠道微生物群的改变;肥胖和瘦受试者的 F/B 比率分别为 2.25 ± 1.83 和 1.76 ± 0.58。在哈萨克族和比利时学童中,肥胖组的F/B比值显著高于对照组。

F/B比与2型糖尿病

- 不良的饮食习惯

-亚麻籽

科学家发现,人类肠道微生物群虽然独特,但都可以按照几个分类划分下,称为肠型。第三种肠道型,被称为“谷物爱好者”,通常以瘤胃球菌(厚壁菌门的成员)为主。

-乳糜泻

比较基因组分析已在每个拟杆菌属中鉴定出数十种不同的多糖利用位点。例如,Bacteroides thetaiotaomicron是第一个对其基因组进行测序的拟杆菌属成员,将其 6.26 Mbp 基因组的近五分之一专用于88个不同的多糖利用位点。

厚壁菌门较少更多拟杆菌。或两者兼而有之,厚壁菌门减少得更快。可能导致以下疾病:

除了这种竞争优势之外,这些细菌还被证明在调节胃肠道中其他正常菌群和病原体的数量方面发挥着重要作用。

通过分析三名健康受试者6-12个月的肠道宏蛋白质组,进一步证实了这些结果。在这项研究中,参与碳水化合物运输和代谢的蛋白质占检测到的蛋白质的10%以上,构成了所有测试对象中发现的核心宏蛋白质组的一部分。

此外,种、属和科的组成也发生了变化。与克罗恩病患者和对照组相比,溃疡性结肠炎患者中拟杆菌和乳酸菌的丰度较高;与对照组相比,溃疡性结肠炎患者中大肠杆菌的丰度也有所增加。相反,克罗恩病患者中球状梭菌减少

-老龄化

Stojanov S, Berlec A, Štrukelj B. The Influence of Probiotics on the Firmicutes/Bacteroidetes Ratio in the Treatment of Obesity and Inflammatory Bowel disease. Microorganisms. 2020 Nov 1;8(11):1715.

通过其代谢产物,厚壁菌门细菌与其他组织和器官间接连接并调节饥饿和饱腹感。厚壁菌门由大量功能更加多样化的核心细菌组成。从代谢的角度来看,共生梭菌簇 XIVa 和 IV 通过产生短链脂肪酸在宿主和肠道稳态中发挥着重要作用,使肠道通透性正常化参与脑肠轴调节。许多厚壁菌门的能力与宿主的体重有关。

总之,这些导致厚壁菌门/拟杆菌门比率并不是与肥胖相关的微生物群失调的有力标志。

拟杆菌不是同时表达所有多糖利用位点以捕获周围环境中可能存在的任何多糖,而是通过大量SusR样调节因子、混合双组分系统和涉及胞质外 σ/抗的跨包膜信号通路来严格调节其表达

内生孢子由细菌的DNA和部分细胞质组成,周围有一层非常坚韧的外层。它们可以在没有营养的情况下生存,并且能够抗紫外线、干燥、高温、极端冷冻和化学消毒剂。

拟杆菌及其属性和调节

肥胖是一种复杂的、多因素的疾病,其原因包括宿主遗传背景、体力活动减少和食物摄入过多等多种因素。在过去的几十年里,肠道微生物群被认为是有利于脂肪储存、体重增加和胰岛素抵抗的额外因素。

✦ 高纤维的饮食可以减少炎症

静脉注射尿素以提高循环尿素浓度后,偏好尿素的厚壁菌以及阿克曼菌的丰度大幅增加。

另一方面,性别、年龄、宿主遗传学的差异。男性和女性的肠道微生物群存在差异,例如男性中拟杆菌-普雷沃氏菌群的水平较高,而女性中厚壁菌门的比例较高。然而,个别研究也发现女性中拟杆菌门的丰度最高。

普氏菌属是一个大属,包括50多个不同的物种。大多数可以从口腔和肠道中分离出来。普雷沃氏菌属存在于人类中,帮助分解蛋白质和碳水化合物食物。也可作为条件致病菌,引起牙周和牙齿、肠道炎症、类风湿性关节炎、细菌性阴道炎等问题。

如果想增加肠道中厚壁菌门的丰度,那么应该多吃高纤维食物。以下是一些可以添加到饮食中的食物,以支持您的肠道微生物组并促进厚壁菌门丁酸盐的产生:

Nature | AKK菌——下一代有益菌

✦ 当F/B比率增加时

受试者接受热量限制饮食一年后,他们的拟杆菌门丰度增加,厚壁菌门/拟杆菌门比例正常化,同时体重减轻。这些研究得到了对喂食高脂肪或高纤维饮食的动物的研究的支持,这些研究显示厚壁菌门和拟杆菌门的丰度分别较高。

✦改变肠道的营养状况

卟啉单胞菌属的成员作为共生体机会性病原体生活在人类口腔中。牙龈卟啉单胞菌引起临床上侵袭性牙龈炎,可导致急性坏死溃疡性牙龈炎或扩展到口腔和面部组织,这种情况称为坏疽性口炎或口腔癌。

✦ 发酵食品可以增加双歧杆菌和乳杆菌水平

✦ F/B比率增加与短链脂肪酸产生无关

研究发现,与同一地区中高收入家庭的健康儿童相比,孟加拉国贫困社会经济地位家庭的营养不良儿童的肠道微生物群多样性较低,其特点是拟杆菌门的相对丰度较低,变形菌门占主导地位。

最近发表的一项系统综述显示,大多数研究都支持 F/B 比率增加与肥胖之间的关系

对肥胖和非肥胖日本受试者的粪便样本进行的一项研究显示,他们的 F/B 比率存在显著差异。厚壁菌门的百分比为37.0 ± 9.1%(非肥胖者)和40.8 ± 15.0%(肥胖者),而拟杆菌门的百分比为 44.0 ± 9.8%(非肥胖者)和 37.0 ± 14.0%(肥胖者)。

厚壁菌门与拟杆菌门之间的比率(F/B)与维持体内平衡有关,该比率的变化可能导致各种病理

- 乳杆菌属和芽孢杆菌属(益生菌中发现)可以提高厚壁菌门的数量

来源包括大豆、菊粉、未精制的小麦和大麦、生燕麦和不可消化的低聚糖,例如果聚糖、聚葡萄糖、低聚果糖 (FOS)、低聚半乳糖 (GOS)、低聚木糖 (XOS) 和阿拉伯低聚糖 (AOS)。

-肠易激综合症

肠道微生物组可以反映整个身体的健康状况。厚壁菌门和拟杆菌门是结肠的主要门,可以影响与肥胖相关的疾病,这些疾病也是乳腺癌的危险因素

Hidalgo-Cantabrana C, Delgado S, Ruiz L, Ruas-Madiedo P, Sánchez B, Margolles A. Bifidobacteria and Their Health-Promoting Effects. Microbiol Spectr. 2017 Jun;5(3).

相比之下,拟杆菌使用一种称为相变的过程,以开/关方式控制其荚膜多糖生物合成位点的表达。例如,脆弱拟杆菌从八个生物合成位点产生不同的荚膜多糖,其表达受到可逆启动子区域和反式位点抑制剂的严格调控,限制多个位点的同时表达,从而使脆弱拟杆菌的同基因群体共同表现出广泛的多样性。当脆弱拟杆菌漏入通常无菌的腹膜腔时,可能会发生腹膜炎

★ 厚壁菌门中有许多有益的菌

调查研究发现中国饮食中的动物脂肪和蛋白质含量高于印度饮食中的全谷物和植物性素食。而印度参与者微生物组中拟杆菌的比例几乎是中国参与者的四倍,分别为16.39%和4.27%(p=0.001)。

厚壁菌及其属性和调节

肥胖状态还与A. muciniphila (疣微菌门)丰度较低有关,这是一种粘蛋白降解细菌,有助于稳定肠道屏障功能、分泌抗菌肽和控制炎症

Vaiserman A, Romanenko M, Piven L, Moseiko V, Lushchak O, Kryzhanovska N, Guryanov V, Koliada A. Differences in the gut Firmicutes to Bacteroidetes ratio across age groups in healthy Ukrainian population. BMC Microbiol. 2020 Jul 22;20(1):221.

★ 厚壁菌门中也存在一些致病菌

CAZymes 在碳水化合物活性酶数据库中分为类别和家族,其中降解酶存在于糖苷水解酶(GH)、多糖裂解酶(PL)、碳水化合物酯酶(CE)和辅助活性酶 (AA) 类别中。

F/B比与乳腺癌

糖酵解途径尤其引人注目,并鉴定出几种相关酶。在为每个门的每个COG功能类别分配光谱命中后,很明显,厚壁菌门和放线菌门负责活跃的碳水化合物代谢,而拟杆菌门则显示出更多的混合功能。

肠道微生物群会导致这些疾病。具体来说,当厚壁菌门减少或拟杆菌门相对于厚壁菌门增加时(两种情况下肠道菌群失调),就会导致慢性炎症消化系统疾病,如克罗恩病和溃疡性结肠炎。

该群体的成员具有一些可能有助于抑制炎症的活动,但它们也有可能促进炎症,其中一些已知是机会病原体

肥胖和糖尿病的特征都是慢性低度炎症状态,并伴有多种炎症介质(例如肿瘤坏死因子和白细胞介素)的异常表达和产生。

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An J,et al.J Clin Med.2023

F/B比与炎症性肠病

分布在XIVa 簇中的Butyricicoccus pullicaecorum、Subdolicapsulu variabile、Anaaerotruncus colihominis和分布在 IV 簇中的Papillibacter cinnamivorans是其他产丁酸菌种

科学家们曾经将厚壁菌门分类为包括所有革兰氏阳性细菌,但最近将它们定义为相关形式的核心组,称为低 G C 组。与放线菌相反。它们有圆形细胞,称为球菌(单球菌),或杆状细胞(芽孢杆菌)。厚壁菌门缺乏脂多糖,而是向宿主呈现厚厚的肽聚糖层;研究人员已经发现了200多种不同类型的属于厚壁菌门的细菌。

饮食与拟杆菌门和厚壁菌门

F/B 比改变导致肥胖的争议

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