基于全基因组的代谢模型分析表明，阴道微生物群中的某些成员具有作为益生菌的潜力

1. 引言

益生菌已广泛用于肠道、免疫及女性健康领域，但当前商业产品主要基于经验筛选菌株，而非功能机制设计，导致临床效果差异较大且缺乏稳定性。阴道微生态以乳酸杆菌优势菌群维持低pH环境，但在不同人群中存在显著生态多样性，使“单一菌种补充”策略存在局限。与此同时，致病菌如Gardnerella vaginalis在菌群失衡时易扩增，引发细菌性阴道病。因此，如何从代谢功能层面理解菌群互作并设计具有竞争优势的益生菌，成为微生态治疗的重要科学问题。

基于市场调研、基因组规模代谢模型（GENREs）、约1000种菌株代谢重构以及约束式代谢流分析（COBRA），结合体外发酵与spent media抑制实验，对益生菌与阴道微生物进行功能映射与竞争关系建模，从代谢层面解析菌群互作机制。

2. 研究内容：

益生菌补充剂市场调查：调研显示市售益生菌产品主要来源于三大连锁药房，共352种产品，仅涉及36种微生物物种，且多以单一或少数菌种组合为主，菌种选择与宣称健康功能之间缺乏明确对应关系，整体呈现经验驱动特征。

图 1：市售益生菌补充剂的调查结果。a. 各种含有特定数量益生菌的补充剂的数量分布直方图。 b. 按品牌划分的、各种益生菌补充剂中所含益生菌种类的箱线图。只有那些包含三种或更多不同益生菌种类的品牌才被列入该图表中。 **品牌 1**：样本数量为 43 个，最小值/最大值为 1/15，中位数为 4，四分位数范围为 1.5–8，数据范围为 1–15，P10/P25/P50/P75/P90 分别为 1/1.5/4/8/10。 **品牌 2**：样本数量为 16 个，最小值/最大值为 1/3，中位数为 1，四分位数范围为 1–1，数据范围为 1–1，P10/P25/P50/P75/P90 分别为 1/1/1/1/2。 **品牌 3**：样本数量为 17 个，最小值/最大值为 1/15，中位数为 12，四分位数范围为 2–14，数据范围为 1–15，P10/P25/P50/P75/P90 分别为 1/1.6/2/12/14/15。品牌 4：样本量 n=25，最小值/最大值为 1/4，中值为 1，Q1–Q3 区间为 1–2，须状线范围为 1–2，P10/P25/P50/P75/P90 分别为 1/1/1/2/2。品牌 5：样本量 n=9，最小值/最大值为 1/2，中值为 2，Q1–Q3 区间为 1–2，须状线范围为 1–2，P10/P25/P50/P75/P90 分别为 1/1/1/2/2。品牌 6：样本量 n=9，最小值/最大值为 1/1，中值为 1，Q1–Q3 区间为 1–1，须状线范围为 1–1，P10/P25/P50/P75/P90 分别为 1/1/1/1/1。品牌 7：样本量 n=36，最小值/最大值为 1/9，中值为 3，Q1–Q3 区间为 1–4，须状线范围为 1–8。1/1/3/4/5 号产品的 P10/P25/P50/P75/P90 数值如下。品牌 8：样本数量 n=18，最小值/最大值为 1/10，中位数为 1.5，Q1–Q3 区间为 1–8.5，数据范围为 1–10；P10/P25/P50/P75/P90 数值分别为 1/1/1.5/8.5/10。品牌 9：样本数量 n=9，最小值/最大值为 1/11，中位数为 9，Q1–Q3 区间为 2–9，数据范围为 1–11；P10/P25/P50/P75/P90 数值分别为 1.8/2/9/9/10.2。品牌 10：样本数量 n=9，最小值/最大值为 1/15，中位数为 4，Q1–Q3 区间为 2–8，数据范围为 1–15；P10/P25/P50/P75/P90 数值分别为 1.8/2/4/10/11。此外，还给出了每种益生菌补充剂的 PCA 分析结果。图中点的颜色代表了该益生菌补充剂在市场上的具体用途。

不同细菌物种的代谢模型构建：基于BV-BRC基因组数据构建1000余种细菌的基因组规模代谢模型（GENREs），覆盖益生菌、病原菌及宿主相关菌群，用于统一比较不同物种代谢能力差异，为后续功能分析与生态建模提供基础框架。

图 2：益生菌、病原体以及与宿主相关的细菌的基因组尺度代谢网络模型示意图。a. 用于生成 HaPaPro GENRE 数据库的工作流程。 b. 每个类别中各 GENRE 所包含的独特反应数量。 c. 益生菌、病原体以及宿主相关生物之间共有的反应数量。 d–f. 分别为宿主相关病原体(d)、病原体(e)和益生菌(f)所特有的代谢反应子系统。 g. 益生菌各 GENRE 的代谢表型的主成分分析结果。颜色代表不同的分类单元。三角形代表聚类中心点；椭圆则表示距离中心点 2 个标准差范围内的区域。各聚类中心点之间的中位数差异通过 Kruskall–Wallis 检验进行分析，P 值=1.16×10^ ⁻¹¹² 。各分类单元的标准差如下：乳杆菌属，995.19；链球菌科，533.53；芽孢杆菌科，635.82；双歧杆菌科，609.72；阿克曼氏菌科，248.95；肠球菌科，488.13。 h. 益生菌、病原体以及宿主相关 GENRE 的代谢表型的主成分分析结果。三角形代表聚类中心点；椭圆则表示距离该中心点 2 个标准差范围内的区域。通过 Kruskal–Wallis 检验分析了各聚类中心点之间的中位数距离，结果表明 P 值小于 0.0001。H-A 表示与宿主相关的特征。

阴道微生物的代谢特征：阴道微生物代谢表现出显著功能分层，乳酸菌主导碳水化合物代谢与乳酸生成，而病原及条件致病菌富集于氨基酸及次级代谢通路。健康阴道以低pH乳酸环境为核心代谢特征。

图 3：阴道益生菌及其他阴道细菌的功能分析。a. 阴道细菌与益生菌的代谢表型分析结果。三角形代表各簇的质心；椭圆则表示距离质心两个标准差范围内的区域。通过 Kruskal–Wallis 检验来分析各质心之间的中位数差异，P 值约为 2.2 × 10^-7。阴道细菌的标准差为 897.7，而益生菌的标准差为 863.35。 b. 对各种阴道益生菌、两种 G. vaginalis 菌株以及其他可培养的阴道细菌的代谢表型进行了层次聚类分析。代谢表型向量是通过分析 500 个样本中的每个反应的中位数值得出的。数据来源：DSMZ，德国微生物与细胞培养物收藏中心。

阴道分离菌对加德纳菌的抑制作用：体外实验显示部分阴道分离菌可通过代谢竞争及酸性代谢产物抑制Gardnerella vaginalis生长，其中d-乳酸产生能力较强的菌株抑制效果最显著，提示非乳酸菌也可能具备抗病原功能。

图 4：体外培养基检测及乳酸含量测定结果。a. 在 12 种培养条件下，G. vaginalis 14018 的生长曲线情况（11 种为已用过的培养基，1 种为 PGY-mod 对照组）。生长曲线的右侧标明了三种不同的生长状态：N 表示无抑制作用（n=4）；M 表示中度抑制作用（n=4）；I 表示强烈抑制作用（n=4）。 b. 对于这三种生长状态，分别计算了 AUC 值。通过配对 t 检验进行分析：N 与 M 相比，P=5.68×10⁻⁴ ；N 与 I 相比，P=4.19×10⁻⁷ ；M 与 I 相比，P=6.76×10⁻⁶ 。 c. 各种生长状态下已用培养基的 pH 值。通过配对 t 检验进行分析：I 与 M 相比，P=6.46×10⁻⁴ ；I 与 N 相比，P=6.32×10⁻⁴ ；M 与 N 相比，P=0.4039。 d. 各种生长状态下已用培养基中的 L-乳酸浓度。成对 t 检验，单尾检验：I 与 M 的比较，P=0.133；I 与 N 的比较，P=0.0532；M 与 N 的比较，P=0.1605。e，各生长阶段培养基中 D-乳酸的浓度。成对 t 检验，单尾检验：I 与 M 的比较，P=0.0292；I 与 N 的比较，P=0.02418；M 与 N 的比较，P=0.1632。f，D-乳酸浓度与 G. vaginalis AUC 之间的关系。R ² =0.7026，指数拟合方程为 y=122.504×10 ^−0.564x 。***P<0.001，**P<0.01，*P<0.1。所有数据以平均值±标准差表示。n.s.表示无显著性差异。

3. 结论：

益生菌并非简单“菌种补充”即可发挥稳定疗效，其关键在于代谢功能是否与宿主微生态匹配。本研究证明当前商业益生菌功能覆盖不足，缺乏对病原菌生态位的有效竞争能力。通过代谢建模结合实验验证，可以筛选出具备抑制Gardnerella能力的候选菌群，提示未来益生菌设计应从“经验选择”转向“功能导向与生态位工程化设计”。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41564-026-02380-w