編譯：小范兒，編輯：小菌菌、江舜堯。
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導(dǎo)讀
胃腸道疾病，特別是由細(xì)菌感染引起的疾病，是全世界發(fā)病率和死亡率的主要原因。由于越來越多的物種對抗生素產(chǎn)生耐藥性，治療變得越來越困難。益生菌乳酸菌(LAB)作為抗生素的替代品，在預(yù)防和治療方面都有相當(dāng)大的潛力。一些研究證明益生菌可以減少或預(yù)防胃腸道疾病。由于益生菌的活性與宿主腸道條件和腸道微生物種群的變化密切相關(guān)，因此在選擇最適宜的益生菌時(shí)，需要深入了解腸道微生物之間的相互作用。這需要對益生菌的分子功能有更深入的解。在這篇綜述中，探討了益生菌微生物如何與GIT中的腸道病原體相互作用。還探討了益生菌在GIT中定植和持久的重要性。
原名：Molecular insights into probiotic mechanisms of action employed against intestinal pathogenic bacteria
譯名：從分子角度了解益生菌對抗腸道致病菌的作用機(jī)制
期刊： Gut Microbes
IF：7.823
時(shí)間：2020.9
通訊作者：Bryan B. Hsu
通訊作者單位：南非斯泰倫博斯大學(xué)微生物系
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Web results那不勒斯腓特烈二世大學(xué)
3.1 細(xì)菌素
3.2 類細(xì)菌素抑制物質(zhì)
3.3 有機(jī)酸
3.4 過氧化氫
3.5 鐵載體
3.6 生物表面活性劑
3.7 抑制病原體黏附腸細(xì)胞的化合物
7 免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)乳酸菌（LAB）在發(fā)酵食品的保存和感官特性中起主要作用，但在影響腸道菌群的組成和多樣性方面也同樣重要。最重要的有益影響包括刺激宿主免疫系統(tǒng)，預(yù)防與抗生素有關(guān)的腹瀉，治療炎癥性腸病（IBD）和腸易激綜合癥（IBS），減輕乳糖不耐癥，降低膽固醇水平和預(yù)防危及生命的胃腸道感染，例如艱難梭菌相關(guān)性腹瀉。乳酸菌是人類和動(dòng)物小腸和大腸的固有成分，并具有許多益生菌特性，深入了解GIT中益生菌，宿主腸粘膜和腸道病原體之間的特定代謝和遺傳相互作用非常重要。由于人類GIT的復(fù)雜性，僅發(fā)表了一些關(guān)于益生菌與腸道病原體之間相互作用的研究，許多研究依賴于體外數(shù)據(jù)，研究特定健康益處的機(jī)理。特定的健康益處也可以歸因于多種機(jī)制的組合，幾種益生菌菌株分泌具有抗微生物活性的二級代謝產(chǎn)物和肽，可能與宿主或病原體直接相互作用。最終，了解些相互作用將大大改善益生菌在支持和增進(jìn)人類健康方面的應(yīng)用。在這篇綜述中，討論了益生菌用于與腸道病原體相互作用的機(jī)制以及在GIT上定殖的能力。1 益生菌在GIT中的定植和持久性
定居在GIT的菌株比通過GIT的菌株對宿主具有更大的有益作用?？赡芤?yàn)榕c粘液和上皮細(xì)胞的粘附不僅為菌株提供競爭優(yōu)勢，而且與宿主之間形成更強(qiáng)的相互作用，導(dǎo)致對益生菌的識別并刺激宿主的免疫反應(yīng)。此外，定殖的益生菌菌株防止腸病原體的粘附。幾項(xiàng)研究表明益生菌具有干擾胃腸道病原體粘附于Caco-2細(xì)胞的能力。早期益生菌定植基于體外研究，研究表明菌株具有粘附細(xì)胞系（如Caco-2，HT-29和HT29-MTX）的能力。雖然這些研究模擬了GIT的模型，并提供益生菌細(xì)胞粘附有價(jià)值的見解，它仍然是一個(gè)體外實(shí)驗(yàn)，無法概括GIT的復(fù)雜多細(xì)胞性質(zhì)。使用細(xì)胞系進(jìn)行研究需要專用的設(shè)備和設(shè)施，保持細(xì)胞的活力。所以，對益生菌的存活和定植的研究大多通過分析糞便樣本完成，根據(jù)益生菌干預(yù)后糞便中細(xì)胞的回收率，可以計(jì)算出菌株的持久性，前提是已知?jiǎng)┝恐械募?xì)菌數(shù)并且所有方法均已標(biāo)準(zhǔn)化。糞便中持續(xù)時(shí)間最長，數(shù)量最多的益生菌細(xì)胞表明GIT中的定殖和持久性更高。通過比較攝入前后特定菌株之間的細(xì)胞數(shù)量可以研究益生菌的體內(nèi)藥代動(dòng)力學(xué)。使用的其它技術(shù)包括腸插管和造影?？股啬退幮詷?biāo)記可用于明確識別糞便樣本中的益生菌細(xì)胞。因?yàn)閮?nèi)源性益生菌細(xì)胞也可以通過糞便排出。食用益生菌的存活和持久性在屬間甚至品系之間存在很大差異。乳桿菌和雙歧桿菌屬作為益生菌已被廣泛研究，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成人類和動(dòng)物天然腸道微生物組的組成部分。Bifidobacterium lactis LAFTI B94, B. longum SB T2928, Lactobacillusrhamnosus DR20, Lactobacillus gasseri SBT2055 和Enterococcus mundtii ST4SA在體內(nèi)存在時(shí)間最長。相比之下，乳酸乳球菌MG 1363和發(fā)酵乳桿菌KLD的糞便回收要低得多。在最近的一項(xiàng)研究中，益生菌菌株Lactobacillus plantarum 423 and E. mundtii ST4SA用含有來自Photinus pyralis的生物發(fā)光熒光素酶基因（ffluc）的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化。這使得能夠以一種非侵入性的方式實(shí)時(shí)監(jiān)測菌株在GIT和小鼠糞便中的遷移。使用生物熒光成像(BLI)，作者檢測到細(xì)胞數(shù)量低至104 CFU/100 mg糞便。影像學(xué)檢查顯示，E. mundtii ST4SA在整個(gè)試驗(yàn)期間持續(xù)存在于糞便中（> 20天），而植物乳桿菌423在胃內(nèi)給藥的最后一天（第5天）后持續(xù)存在13天。BLI提供細(xì)菌通過GIT遷移時(shí)的三維圖像。該技術(shù)已用于多項(xiàng)研究，有關(guān)光學(xué)成像系統(tǒng)在LAB體內(nèi)跟蹤中的應(yīng)用的綜述，請參閱參考文獻(xiàn)66。一些報(bào)告表明，非活菌和非定植的益生菌也可能給宿主帶來一定的健康益處。在Kullen等人的研究中。70名人類志愿者接受雙歧桿菌益生菌菌株的治療并監(jiān)測糞便中菌株的回收率。在給藥的幾天（8天）中，在糞便中檢測到菌株細(xì)胞數(shù)增加，但在最后一次口服給藥后無法在糞便中恢復(fù)。作者得出結(jié)論，盡管菌株未在人GIT上定殖，但可能不需要定植和長時(shí)間持續(xù)也能達(dá)到明顯的益生菌作用。藤原及其同事報(bào)告了類似的結(jié)果。作者發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌產(chǎn)生一個(gè)100 kDa的蛋白，該蛋白通過阻止致病性大腸桿菌與糖脂結(jié)合受體神經(jīng)節(jié)-四糖基神經(jīng)酰胺結(jié)合，阻止致病性大腸桿菌粘附腸黏膜細(xì)胞。因此，競爭性排除致病菌株可能直接與活細(xì)胞競爭腸道粘著位點(diǎn)沒有關(guān)系。對于致病性病原體而言，它們在腸道粘膜定植前必須穿過腸粘膜屏障。一旦病原體穿透覆蓋在腸上皮上的黏液層，它們就附著在上皮細(xì)胞上的結(jié)合位點(diǎn)上。附著之后是腸道定植和感染。具有黏附能力的益生菌可防止病原體附著，保護(hù)腸道免受腸道感染圖1。使用人或動(dòng)物粘膜材料進(jìn)行體外研究結(jié)果表明，益生菌LAB可以競爭性地排除病原體。鼠李糖乳桿菌(Lactobacillus rhamnosus GG)具有良好的黏附性，可防止腸出血性大腸桿菌(Enterohemorrhagic e.c oli, EHEC)在人腸細(xì)胞系中的內(nèi)化。腸道病原體，例如EHEC，使用甘露糖敏感的1型菌毛附著在腸上皮細(xì)胞（IEC）表面的糖蛋白或糖脂的寡糖殘基上。乳酸桿菌和雙歧桿菌的益生菌菌株附著在相同的受體位點(diǎn)上，并排除病原體與GIT結(jié)合。一些益生菌菌株在其細(xì)胞表面有特定的粘附蛋白，可以結(jié)合黏液層中的碳水化合物部分，如植物乳桿菌的甘露聚糖特異性粘附機(jī)制。在某些情況下，競爭排斥可能和空間位阻一樣簡單。GIT中參與競爭排斥粘附-受體相互作用的特定粘附蛋白的一個(gè)例子是植物乳桿菌甘露糖特異性粘附（Msa）蛋白。與野生型相比，自然突變的益生菌L. plantarum 299 v菌株不能抑制EHEC對HT-29上皮細(xì)胞的附著，該菌株被認(rèn)為受Msa基因影響。表明含Msa的益生菌菌株可以有效排除其他幾種其他幾種1型菌感染的腸道致病性病原體。最近，Van Zyl等人利用基因敲除分析和BLI技術(shù)證明L. plantarum 423黏附蛋白(mapA)參與Listeria monocytogenesEGDe 的體內(nèi)競爭排斥。L.plantarum 423的mapA陰性突變株不能排除L.monocytogenes EGDe。Heinemann等表征了發(fā)酵乳桿菌RC-14的膠原蛋白表面結(jié)合蛋白，該蛋白抑制屎腸球菌1131的粘附。其他研究表明，表層（S層）提取物防止病原體粘附IEC。Chen等表明卷曲乳桿菌ZJ001錨定的細(xì)胞表面S-層蛋白負(fù)責(zé)的競爭排斥鼠傷寒沙門氏菌和EHEC。Johnson-Henry等人也記錄了類似的結(jié)果，瑞士乳桿菌R0052的S層蛋白提取物抑制大腸桿菌O157：H7對Caco-2細(xì)胞的粘附。S層蛋白是高度疏水的，這表明病原體的粘附抑制作用是通過疏水基團(tuán)相互作用而不是粘附-受體相互作用來介導(dǎo)。先前的研究表明，依賴于分選酶的細(xì)胞表面蛋白（SDP）在益生菌與宿主的相互作用，粘附和定植中起著至關(guān)重要的作用。已鑒定出幾種SDP，其在體外和體內(nèi)對腸道細(xì)胞的粘附中起作用，包括黏液結(jié)合細(xì)胞表面蛋白。在革蘭氏陽性細(xì)菌中，分選酶通過將它們共價(jià)結(jié)合到細(xì)胞壁上（分選酶A）或通過聚合蛋白質(zhì)在細(xì)胞表面上構(gòu)建復(fù)雜的多亞基菌毛蛋白結(jié)構(gòu)（分選酶C），用各種各樣的蛋白質(zhì)修飾細(xì)胞表面。分選酶的特征是半胱氨酸轉(zhuǎn)肽酶，將含有特定細(xì)胞壁分選信號（CWSS）的SDP與位于細(xì)胞表面的氨基連接。Sortase A酶將包含帶有LPXTG（其中X捐贈(zèng)任何氨基酸）的C端基序的CWSS的蛋白錨定到細(xì)胞表面。LPXTG基序被SrtA酶識別，該酶破壞蘇氨酸和甘氨酸肽鍵，然后將蘇氨酸殘基共價(jià)連接到五甘氨酸細(xì)菌細(xì)胞壁交叉橋的氨基上。分選酶C蛋白催化類似的轉(zhuǎn)肽反應(yīng)，識別QVPTGV排序基序構(gòu)建菌毛，促進(jìn)微生物粘附。使用突變體分析結(jié)合體內(nèi)BLI進(jìn)行的一項(xiàng)最新研究表明，與野生型相比，E. mundtii ST4SA分選酶突變體（srtA和srtC）在小鼠GIT中排除Monocytogenes EGDe的能力降低。益生菌為了獲得競爭優(yōu)勢，可以通過產(chǎn)生抑制性化合物，降低pH值和競爭營養(yǎng)改變腸道環(huán)境。乳酸菌（例如嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌）具有利用復(fù)雜碳水化合物的能力。同樣，雙歧桿菌是能夠代謝使用幾種解聚酶各種植物的膳食纖維。利用除腸道致病性細(xì)菌所使用的碳水化合物以外的碳水化合物來源，益生菌可以擴(kuò)大在GIT中的定植面積，抑制病原體。益生菌產(chǎn)生的抗菌化合物可以對競爭性腸病原體發(fā)揮直接的抗菌作用，預(yù)防GIT的病原定植，圖1b。 圖1 益生菌對抗腸內(nèi)病原體的作用機(jī)制
細(xì)菌素是核糖體產(chǎn)生的抗菌肽，大?。?-10 kDa）和作用機(jī)理不同（綜述見參考文獻(xiàn)108）。益生菌（通常是LAB）產(chǎn)生細(xì)菌素是抑制GIT中病原體的關(guān)鍵作用機(jī)理。細(xì)菌素通常只抑制特定的物種，通常是那些與生產(chǎn)者密切相關(guān)的物種。據(jù)報(bào)道，有些細(xì)菌素具有更廣泛的抗菌活性。細(xì)菌素，如乳酸鏈球菌素，由Lc. lactis產(chǎn)生。植物乳桿菌素由植物乳桿菌產(chǎn)生，嗜酸乳桿菌乳酸蛋白B對食源性腸道致病性病原體如李斯特菌、梭桿菌、芽孢桿菌等具有活性。細(xì)菌素可能對病原體具有抑菌或直接殺菌作用，因此限制細(xì)菌在腸道中定殖的能力。細(xì)菌素的相關(guān)抗菌活性使產(chǎn)生細(xì)菌素的益生菌菌株在復(fù)雜的GI環(huán)境中獲得競爭優(yōu)勢。細(xì)菌素由于其體積小，疏水和親水性質(zhì)的變化，粘附在微生物細(xì)胞上并穿透磷脂膜。細(xì)菌素介導(dǎo)的病原體殺傷一般機(jī)制包括誘導(dǎo)細(xì)胞質(zhì)膜滲透敏感細(xì)菌導(dǎo)致細(xì)胞滲漏，抑制DNA和RNA合成和/或細(xì)胞壁蛋白合成。雙歧桿菌產(chǎn)生的獨(dú)特細(xì)菌素雙歧桿菌素BNCFB對幾種革蘭氏陽性細(xì)菌具有活性，包括李斯特氏菌，腸球菌，芽孢桿菌和乳桿菌，但對其他幾種革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細(xì)菌沒有活性。菌株之間活性的差異與革蘭氏陰性細(xì)菌抵抗雙歧桿菌素B的吸附能力有關(guān)，因?yàn)樗鼈兊募?xì)胞壁組成不同。一些細(xì)菌素，mutacins (A- d)、nisins (A和Z)、lacticins(A164和BH5)、細(xì)菌素e50 - 52和OR7對具有重要醫(yī)學(xué)意義的革蘭氏陰性菌如彎曲桿菌、幽門螺桿菌、嗜血桿菌、奈瑟氏菌和沙門氏菌都有活性。在另一項(xiàng)研究中，解淀粉芽孢桿菌RX7產(chǎn)生的細(xì)菌素具有廣譜抗菌和抗真菌活性，并抑制白色念珠菌的生長，白色念珠菌是人類皮膚念珠菌病的病原體。雖然已經(jīng)深入研究細(xì)菌素對革蘭氏陽性細(xì)菌的作用方式，但人們對細(xì)菌素對革蘭氏陰性細(xì)菌的直接作用機(jī)理知之甚少。Tiwari等證明細(xì)菌素腸球蛋白E50-52，pediocin PA-1及其雜合肽EP和PE能夠誘導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)ATP流出并消除細(xì)胞膜的跨膜電位。細(xì)菌素主要是陽離子肽，該特征使得能夠與細(xì)菌磷脂的帶負(fù)電荷的頭基發(fā)生靜電相互作用。之后，將其插入平面脂質(zhì)雙層或脂質(zhì)體膜中，導(dǎo)致形成瞬時(shí)通道，細(xì)胞內(nèi)含物泄漏和隨后的細(xì)胞死亡。除了體外研究，一些體內(nèi)研究還證明純化的細(xì)菌素和產(chǎn)生益生菌的細(xì)菌素菌株在感染動(dòng)物模型中的抑制作用。Simonova等觀察到，用產(chǎn)生細(xì)菌素的糞便腸球菌CCM7420及其部分純化的細(xì)菌素喂養(yǎng)兔子，可顯著減少盲腸葡萄球菌的細(xì)胞數(shù)量，保護(hù)動(dòng)物免受感染。其他研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生enterocin A的糞腸桿菌EK13 菌株減少日本鵪鶉的沙門氏菌細(xì)胞數(shù)量，并減少致病性葡萄球菌在兔子消化道中的定植。Svetoch等報(bào)告稱口服屎腸桿菌E 50-52細(xì)菌素后肉雞腸道沙門氏菌顯著減少。一些研究表明，局部應(yīng)用細(xì)菌素治療皮膚感染，乳腺炎和口腔感染。盡管這些多肽具有強(qiáng)大的抗感染治療潛力，這些肽尚未進(jìn)入臨床應(yīng)用?？赡苁怯捎诟鞣N生產(chǎn)困難。然而，在一些細(xì)菌的臨床前研究的進(jìn)展已被證明有前途的。幾種細(xì)菌素已經(jīng)通過臨床前開發(fā)的不同階段，靶向多種耐藥細(xì)菌以及囊性纖維化。同樣重要的是要考慮到，并非所有潛在的或已開發(fā)的對腸道病原菌具有體外抗菌活性的益生菌菌株都將在體內(nèi)起作用。例如，口服乳酸桿菌后，該菌株粘附在無菌豬的空腸和回腸，并且該菌株對腸致病性大腸埃希菌(EPEC)具有體外抗菌活性，但未能阻止EPEC在感染動(dòng)物腸道內(nèi)定植。觀察到干酪乳桿菌亞種也具有相似的結(jié)果。盡管如此，大多數(shù)益生菌還是利用其細(xì)菌素通過抑菌或殺菌活性與腸病原體有效相互作用。在此過程中，防止宿主GIT的致病性定植和隨后疾病的發(fā)生。類細(xì)菌抑制素（BLIS）具有廣泛的抗菌活性。這些化合物中有許多尚未完全表征或不具有細(xì)菌素的典型特征?？咕钚耘c乳酸，其他有機(jī)酸或過氧化氫的產(chǎn)生無關(guān)。鼠李糖乳桿菌GG分泌一種具有抑制活性的抗菌物質(zhì)，這種低分子量（LMW）物質(zhì)具有熱穩(wěn)定性，不同于乳酸和乙酸，與腸道桿菌(Enterobacteriaeae)產(chǎn)生的微霉素非常相似，表明它可能是一種BLIS。與細(xì)菌素不同的分子量和廣譜活性物質(zhì)也存在于其他乳酸菌中，包括嗜酸乳桿菌和德氏乳桿菌菌株，它們的殺菌作用與乳酸和過氧化氫均無關(guān)。其他的研究已經(jīng)鑒定幾種雙歧桿菌菌株產(chǎn)生的細(xì)菌素樣抗菌物質(zhì)，具有廣譜的活性，可以對抗革蘭氏陽性和革蘭氏陰性病原體，如單核細(xì)胞增生桿菌、沙門氏菌和大腸桿菌。益生菌在腸道中引起病原體移位的另一種機(jī)制是使腸道環(huán)境不太適合病原體生長的能力。GIT中的益生菌LAB和共生微生物發(fā)酵的碳水化合物產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，例如乙酸，甲酸，琥珀酸和乳酸，使腸道環(huán)境呈酸性，并抑制細(xì)菌病原體的生長。有機(jī)酸，特別是乳酸和乙酸，會抑制GIT中許多病原菌的生長。乳酸的未解離形式可作為革蘭氏陰性細(xì)菌外細(xì)胞膜的通透劑，之后進(jìn)入細(xì)胞后會在細(xì)菌細(xì)胞質(zhì)內(nèi)解離。通過降低細(xì)胞內(nèi)pH值，使離子化形式的有機(jī)酸和其他抗微生物化合物在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)積累，發(fā)揮細(xì)菌殺傷活性。DeKeersmaecker等證明鼠李糖乳桿菌GG產(chǎn)生乳酸對鼠傷寒沙門氏菌有強(qiáng)抑制作用。Lehto和Salminen 證明乳酸在鼠李糖乳桿菌GG預(yù)防S. enterica serovar Typhimurium侵襲Caco-2細(xì)胞的能力中的潛在作用。在觀察到當(dāng)LAB培養(yǎng)液設(shè)定為pH 7時(shí)，消除病原體的抑制作用后，作者提出一種pH依賴性機(jī)制。在另一項(xiàng)研究中，乳酸對沙門氏菌HilA和InvF毒力因子的生長和表達(dá)產(chǎn)生影響。不同的乳球菌和乳桿菌菌株對大腸桿菌O157：H7的抑制作用歸因于乳酸的產(chǎn)生和低pH值。嗜酸乳桿菌、保加利亞乳桿菌、兩歧雙歧桿菌等不同的乳桿菌和雙歧桿菌菌株對幽門螺桿菌的生長有抑制作用。這些影響與生產(chǎn)乳酸，乙酸和鹽酸有關(guān)。在另一項(xiàng)研究中，四種已知的腸道致病菌—幽門螺桿菌、空腸彎曲桿菌、大腸彎曲桿菌和艱難梭菌的生長被從人體GIT分離的乳酸菌菌株抑制，這可能是由于產(chǎn)生機(jī)酸?；谶@些研究，我們可以合理地認(rèn)為，在GIT中益生菌產(chǎn)生有機(jī)酸，使腸道環(huán)境對競爭對手不利，降低病原體感染的風(fēng)險(xiǎn)。除乳酸和細(xì)菌素的生產(chǎn)外，益生菌LAB通過產(chǎn)生過氧化氫（H2O2）可能是抵抗病原體的重要抗菌機(jī)制。過氧化氫降低病原菌毒力，減少病原菌對上皮細(xì)胞的侵襲，或通過上皮細(xì)胞內(nèi)擴(kuò)散改變基因轉(zhuǎn)錄和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)導(dǎo)致腸道病原菌死亡。已經(jīng)分離多株具有益生特性且產(chǎn)H2O2的細(xì)菌，如腸道分離物約氏乳桿菌NCC533，酸奶分離物德氏乳桿菌亞種 保加利亞和陰道中分離獲得的卷曲乳桿菌和加氏乳桿菌。約氏乳桿菌 NCC533在有氧條件下產(chǎn)生高達(dá)毫摩爾量的H2O2。其產(chǎn)生的H2O2在體外對S.enterica serovar Typhimurium 有抗微生物作用，并提出在體內(nèi)也可以對抗病原菌。其他研究表明，卷曲乳桿菌 F117和副干酪乳桿菌(F2和F28)產(chǎn)生的H2O2在體外抑制金黃色葡萄球菌的生長。鐵是一種必需的微量元素，在大多數(shù)腸道微生物(包括共生菌和腸道病原體)的新陳代謝和增殖中發(fā)揮著核心作用。鐵載體是一種低分子量、有機(jī)、高親和力的鐵螯合化合物，由細(xì)菌和真菌等微生物產(chǎn)生。這些化合物通過剝奪微生物的鐵來抑制其生長、增殖和持續(xù)競爭。在此過程中，細(xì)菌產(chǎn)生鐵載體將其環(huán)境中可用的游離鐵隔離開，而這些游離鐵對其他微生物至關(guān)重要。比 Lc. lactis, C. difficile 和Clostridium perfringens 在GIT中的生長被產(chǎn)生鐵載體的雙歧桿菌菌株抑制。.具有高鐵螯合特性的pseudolongum PV8-2和kashiwanohense Bifidobacterium PV20-2抑制腸致病性傷寒桿菌N15和腸出血性大腸桿菌在IECs上的生長和粘附。一些乳酸菌產(chǎn)生的生物表面活性劑是干擾病原體在GIT中生長的另一種機(jī)制。生物表面活性劑是一類具有表面活性和乳化活性的化合物，在許多不同的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中都有應(yīng)用。已經(jīng)分離出乳酸菌菌株產(chǎn)生細(xì)胞結(jié)合或分泌具有抗菌、抗病毒和抗真菌特性的生物表面活性劑。生物表面活性劑通過破壞或溶解物理細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的改變引起細(xì)胞的通透性增加。生產(chǎn)生物表面因子的乳酸菌在預(yù)防泌尿生殖道感染中的應(yīng)用相當(dāng)值得關(guān)注。這些生物與泌尿生殖菌病原體和酵母菌競爭上皮細(xì)胞上的粘附位點(diǎn)，并通過產(chǎn)生生物表面活性劑控制它們的生長。在另一項(xiàng)研究中，干酪乳桿菌MRTL3可以產(chǎn)生細(xì)菌素和生物表面活性劑，抑制多種病原體，包括L.monocytogenes, S. aureus, Shigella flexneri and Pseudomonas aeruginosa。腸致病菌粘附到腸細(xì)胞和隨后定植是毒性的先決條件。益生菌產(chǎn)生的化合物不具有直接殺菌作用，但通過抑制致病菌與黏膜表面的結(jié)合，有助于GIT的正?？垢腥净钚?。Fujiwara等人在B. longum SBT2928的培養(yǎng)上清中純化并鑒定一種新的蛋白質(zhì)化合物，稱為BIF，抑制腸毒素性大腸桿菌Pb176 (ETEC)對人HCT-8 IECs的粘附。作者證明，BIF阻斷腸細(xì)胞表面ETEC Pb176定植因子抗原(CFA) II粘附因子與神經(jīng)節(jié)四聚神經(jīng)酰胺(細(xì)菌結(jié)合結(jié)構(gòu))受體結(jié)合，阻止ETEC Pb176定植。從嬰兒腸桿菌中分離出的兩株雙歧桿菌CA1和F9產(chǎn)生一種低分子量、親脂、抑菌化合物，可抑制S. typhimurium SL1344 和 E. coli C1845.等幾種致病菌的粘附。胃腸道上皮由一層粘液層覆蓋的單層細(xì)胞組成，粘液層不斷暴露于腔內(nèi)物質(zhì)和各種腸細(xì)菌。腸上皮屏障由粘液層，腸細(xì)胞和腸道先天免疫系統(tǒng)組成。胃腸道屏障是維持上皮完整性和防止病原體感染和過度炎癥所需的關(guān)鍵防御機(jī)制。因此，對于宿主而言，穩(wěn)定和維持該屏障至關(guān)重要。腸道屏障抵御有害抗原入侵的重要防御機(jī)制包括粘膜層(粘蛋白的產(chǎn)生)、細(xì)胞間連接復(fù)合體(緊密和粘連連接)和抗菌肽(如防御素)和免疫球蛋白A (IgA)的分泌。屏障功能破壞可導(dǎo)致由于細(xì)菌或食物抗原侵入粘膜下層，導(dǎo)致不適當(dāng)?shù)难装Y反應(yīng)，導(dǎo)致腸道紊亂如炎癥性腸病(IBD)和潰瘍性結(jié)腸炎。食用定殖或非定殖的益生菌可以增強(qiáng)屏障的完整性，通過對上皮的直接作用（例如，杯狀細(xì)胞增加粘蛋白表達(dá)），調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)和直接作用，幫助保護(hù)腸上皮免于腸道病原體和慢性炎癥的侵害。（圖2）腸上皮細(xì)胞覆蓋有內(nèi)外保護(hù)黏液層，限制細(xì)菌運(yùn)動(dòng)，并作為動(dòng)態(tài)防御屏障，對抗腸致病菌和其他潛在的有害抗原。腸致病菌要在腸內(nèi)定居，必須先穿透粘液層，然后才能到達(dá)腸上皮。粘蛋白是上皮黏液層的主要大分子成分，由腸道中的專門杯狀細(xì)胞產(chǎn)生。益生菌能夠通過促進(jìn)腸道分泌粘蛋白和防御素抑制病原體遵粘附IECs（圖1a）。幾種乳酸菌以增加人腸道Caco-2和HT29細(xì)胞中特定粘蛋白基因的表達(dá)，防止病原性大腸桿菌的粘附和內(nèi)在化。植物L(fēng). plantarum v介導(dǎo)的MUC2和MUC3粘蛋白表達(dá)增加抑制了EPEC的粘附。連續(xù)7天服用VSL3（益生菌和益生菌混合物）的大鼠顯示MUC2表達(dá)增加60倍，并伴隨粘蛋白產(chǎn)生增加，因此，益生菌介導(dǎo)的體內(nèi)黏液生成增加可能是其與腸道致病菌相互作用預(yù)防感染、改善腸道屏障功能的關(guān)鍵機(jī)制。圖2 益生菌對腸道病原菌的粘膜免疫調(diào)節(jié)作用。
益生菌通過與病原菌共聚，可防止腸道致病性粘附和腸道定植。在這個(gè)過程中，益生菌與病原體相互作用密切，使其有機(jī)會在病原體附近釋放出抗病原體的物質(zhì)。益生菌LAB可以形成多細(xì)胞聚集體，對口腔，泌尿生殖道和GIT的定殖至關(guān)重要。益生菌細(xì)胞的共聚集能力的特點(diǎn)是聚集的細(xì)菌在基因上不同，而自聚集僅涉及到同一菌株。已經(jīng)報(bào)道多種乳酸桿菌菌株具有共聚集和自聚集的特征。數(shù)項(xiàng)研究表明，益生菌細(xì)胞的自聚集和共聚集能力增強(qiáng)它們的定殖能力，并可能形成防止病原體定殖的屏障。益生菌LAB的共聚集能力通常與細(xì)胞表面粘附蛋白之間的多樣性有關(guān)。L. acidophilusM9、L. plantarum L4和E. faeciumL3結(jié)構(gòu)細(xì)胞表面疏水性和親水性的差異可能是該菌株共聚合能力的原因。益生菌和致病菌的共同聚集也通過益生菌細(xì)胞與病原體細(xì)胞表面表達(dá)的菌毛的附著介導(dǎo)。在許多細(xì)菌性病原體中，鞭毛作為毒力因子發(fā)揮著重要作用。鞭毛允許致病菌對引誘劑和排斥梯度作出反應(yīng)，并且是附著和入侵真核細(xì)胞的關(guān)鍵。食源性病原體，例如S. enterica serovar Typhimurium 需要主動(dòng)旋轉(zhuǎn)鞭毛以快速接觸并有效穿透胃腸道上皮細(xì)胞。當(dāng)用一種有效的抗體抑制鞭毛運(yùn)動(dòng)時(shí)，鼠傷寒沙門氏菌在被感染的老鼠身上沒有侵襲性。益生菌可破壞腸道致病菌鞭毛的運(yùn)動(dòng)性，阻止腸道的致病性定植?？垢篂a性嗜酸乳桿菌LB及其分泌產(chǎn)物通過破壞腹瀉相關(guān)腸病原菌的運(yùn)動(dòng)，抑制 S. entericaserovar Typhimurium進(jìn)入人腸道Caco-2細(xì)胞。另一項(xiàng)研究，與未經(jīng)治療的小鼠相比，口服益生菌乳酸菌的無細(xì)胞上清液處理的S. Typhimurium 感染小鼠的細(xì)菌水平明顯降低。7 免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)眾所周知，益生菌可以對宿主的先天性和適應(yīng)性免疫反應(yīng)產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，這些細(xì)菌具有調(diào)節(jié)樹突狀細(xì)胞（DC），單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞以及T和B淋巴細(xì)胞功能的能力，增強(qiáng)入侵腸道病原體的吞噬能力。通過刺激宿主的免疫反應(yīng)（特異性和非特異性），益生菌可以取代GIT中的病原體并預(yù)防腸道疾病。益生菌可以通過拮抗腸道病原體引起的炎癥反應(yīng)與腸道病原體相互作用。炎癥以犧牲天然微生物和腸道健康為代價(jià)，使病原體得以繁衍。在炎癥過程中，它們還可以引起促炎細(xì)胞因子的減少。益生菌干擾諸如核因子-κB（NF-?B）和有絲分裂原激活的蛋白激酶（MAPK）等炎癥信號通路，導(dǎo)致免疫細(xì)胞分泌促炎性細(xì)胞因子下調(diào)（圖2a）。這些信號通路的激活導(dǎo)致促炎細(xì)胞因子的分泌，可嚴(yán)重破壞腸上皮屏障。益生菌還在腸道中抗體的刺激和產(chǎn)生中發(fā)揮作用，特別是免疫球蛋白A（IgA）圖2d。在腸腔中釋放的抗體可以通過干擾病原體細(xì)胞膜上的粘附細(xì)胞受體來抑制病原體對IEC的粘附。先前的研究表明，釀酒酵母和鼠李糖乳桿菌GG可增加GIT中分泌型IgA水平或分泌免疫球蛋白的細(xì)胞水平。其他研究報(bào)告稱，口服益生菌乳酸桿菌可增加腹瀉兒童的IgA水平，縮短癥狀持續(xù)時(shí)間。幾種益生菌菌株還可以通過宿主免疫吞噬細(xì)胞（例如巨噬細(xì)胞）影響腸道病原體的吞噬作用調(diào)節(jié)宿主免疫機(jī)制。鑒于人類胃腸道生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，闡明益生菌的作用機(jī)制是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。益生菌對抗腸道病原體的作用機(jī)制是多樣的，異質(zhì)的，可能是菌株特異性的。這表明，一種特定的益生菌對特定疾病或病原體的作用機(jī)制不能泛化，因?yàn)椴煌木暝谒拗髦幸鸩煌姆磻?yīng)。因此，一個(gè)菌株所帶來的健康益處并不適用于另一個(gè)菌株，即使在同一物種內(nèi)也是如此。了解益生菌治療或預(yù)防胃腸道疾病的全部潛力，需要徹底調(diào)查益生菌-宿主和益生菌-病原體的相互作用。加強(qiáng)對這些相互作用的了解將有助于識別真正的益生菌，以針對特定的腸道疾病。雖然最近的許多體內(nèi)研究已經(jīng)證明了在分子水平上觀察到的益生菌作用背后的機(jī)理基礎(chǔ)，但是在益生菌研究領(lǐng)域中仍需要給予更多的重視。闡明益生菌-宿主和益生菌-病原體相互作用的復(fù)雜性，將基于諸如細(xì)菌素產(chǎn)生和粘附基因等關(guān)鍵特性，改善最佳益生菌的體外選擇。此外，高效的益生菌應(yīng)能刺激宿主的免疫系統(tǒng)，并最終對宿主具有明顯的有益健康作用。顯然，體內(nèi)關(guān)鍵的抗菌和保護(hù)性益生菌機(jī)制的展示將使工業(yè)界和消費(fèi)者能夠選擇經(jīng)過科學(xué)驗(yàn)證的益生菌來預(yù)防或治療各種健康問題。
2019年度回顧 | 微生態(tài)環(huán)境微生物類微文大合輯
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