肠道菌对病原菌入侵的战役

　　寄居在人类肠道中的多种细菌(统称为肠道微生物群)提供了重要的健康益处。其主要好处之一是抗定植性，即限制可引发疾病的病原体在肠道定植的能力。已发现多种机制可以影响微生物群提供定植抗性的能力，但这些机制通常是特定环境的，并且取决于特定的细菌菌株或物种。然而这种特性是难以捉摸的，并不是一两个物种单独赋予的。肠道菌群是如何对抗病原菌入侵的呢？

　　最近，有研究团队在《Science》杂志上发表一篇题为“Microbiomediversity protects against pathogens by nutrientblocking”的文章揭示了人类肠道菌群对病原体入侵的防御机制。

　　研究人员采用生态学方法来研究人类肠道共生体对两种重要细菌病原体(肺炎克雷伯菌和鼠伤寒沙门氏菌)的定植抵抗力。研究人员研究了共生体单独提供的定植抗性以及日益增加的多样性组合所提供的定植抗性，以确定定植抗性的一般模式，使用体外测定和对无菌小鼠的体内工作。

　　1.单一物种在与病原体的竞争中几乎没有保护作用

　　微生物群的个体成员可以促进不同环境下的定植抗性，这表明一些物种比其他物种对定植抗性更重要。为了系统地评估这种可变性，研究人员筛选了100种不同的人类肠道共生体，以确定它们限制病原体生长的能力。肠道内的竞争既发生在病原体进入肠道时，也发生在病原体形成时。通过两种共培养试验来反映哺乳动物肠道竞争的这两个方面(图1A)。在第一个实验(生态入侵实验)中，加入病原体之前，在标准厌氧培养基中单独预培养共生体，缓冲到人类结肠pH。在第二个实验(竞争实验)中，用相同比例的共生菌和病原体接种培养基，这是一种旨在捕捉竞争的方法，一旦病原体在肠道中站稳脚跟。

　　研究人员通过肺炎克雷伯菌和鼠伤寒沙门氏菌来评估病原菌的生长情况，根据菌株在生态入侵和竞争测试中限制病原体生长的能力对菌株进行排名(图1B和C)。选择了表现最好的10种非致病性共生菌并对它们进行更严格的定植抗性测试。首先将病原体引入给定共生菌株的预培养物中，24小时后，将混合物传代到新鲜培养基中并让其生长24小时，此时用流式细胞术评估病原体丰度(图1D)。尽管选择了排名最高的共生菌，但所有共生菌在长期竞争中表现不佳，大多数共生菌没有明显的定植抗性(图1E和F)。表现最好的是大肠杆菌，它是鼠伤寒沙门氏菌的已知竞争对手，也是肠杆菌科的一员，但在这里提供的保护也非常有限，病原体仍然能够达到10到10个细胞/ml。当10种病原体合并在一起时，检测结果差异很大(图1E和F)，两种病原体的最终丰度都被强烈抑制，由此说明菌株仅在多样化群落背景下对定植抗性起重要作用。

　　图1.单一菌群不能提供强大的定植抗性，但一个多样化的群落可以，这取决于它的组成

　　2.微生物多样性和复杂性驱动体外定植抗性

　　虽然多样性的潜在好处是明确的，但在观察性研究中，因果关系可能会混淆。为了系统地测试多样性在定植抗性中的作用，从10个排名最高的物种中随机选择多样性增加的群落，并在扩展竞争试验中与病原菌竞争。为了进一步评估多样性的重要性，从筛选菌株中组装了一个由50个非致病性共生菌组成的群落。结果发现不同群落中2种、3种和5种物种组成不同，在定植抗性方面存在很大差异，表明这种变异性的很大一部分是由群落的组成驱动的。大肠杆菌似乎对结果很重要，尽管单独的大肠杆菌或没有大肠杆菌的其他菌群对病原体的生长影响很小，但它们一起对病原体的生长有很强的影响。这种高阶效应在生态学中被认为是重要的，因为它们意味着环境依赖性，通过模型算法分析发现，随着多样性的增加，对不同群落的定值抗性超过预期。

　　图2.有效的体外定植抗性需要生态多样性和关键成员

　　3.生态多样性和复杂性也推动了体内的定植抗性

　　为了对上述体外方法进行验证，研究人员测试了共生群落在无菌小鼠中抵抗病原体定植的能力，无菌小鼠定殖的共生体群落在多样性和存在或不存在大肠杆菌，鼠伤寒沙门氏菌成功定殖可引起急性感染和大量肠道炎症，这是研究群落组成对病原菌生长影响的主要混淆因素。具有较低保护性微生物群的动物可能迅速死于感染，因此人们无法以可比的方式在不同的治疗中随时间推移遵循生态动态。因此，该研究选择使用一种无毒的鼠伤寒沙门氏菌变体来消除肠道炎症对病原体和宿主的影响，从而使病原体丰度被用作疾病风险的衡量标准。引入跟以前相同的多样性范围的群落，然而，与体外实验相反，并非所有的共生物种都能可靠地在无菌小鼠体内定植。通过宏基因组测序分析发现，向小鼠引入更高多样性的群落确实导致了更高的物种多样性，并确定了所有成员的相对丰度。正如在体外实验观察到的那样，两种病原体的微生物组多样性与粪便中的病原体丰度呈负相关(图3D和E)。此外，dropout实验再次揭示了大肠杆菌和其他群落成员结合对定植抗性的重要性(图3D和E)。与体外实验相比，哺乳动物肠道中有效的定植抗性需要更高的多样性，这可能是由于肠道环境和空间异质程度高于试管。然而，在小鼠实验和体外实验中，关键模式保持不变。生态多样性和高阶相互作用对两种病原菌的定植抗性都很重要。如前所述，高度多样性下生态竞争的简单零模型的强烈偏差(图2)。除了显示这些模式的普遍性之外，体外和体内方法之间的这种契合验证了扩展竞争分析作为探索定植抗性生态的方法。

　　图3.有效的体内定植抗性需要生态多样性和关键成员

　　4.营养阻滞可以识别保护性群落

　　定植抗性是一种复杂的生态特性，但这种复杂性可以通过一个简单的基本原理来理解和预测。作为对这些发现的额外测试，研究人员使用营养阻断原理来预测群落组成，这些组成可以提供最初实验中不存在的细菌菌株的定植抗性。在这项试验中，选择了一种从患者尿液中分离出来的抗微生物耐药性(AMR)临床大肠杆菌菌株。抗菌素耐药性大肠杆菌菌株是目前抗生素替代品的主要目标，因为最近发现该菌株的成员是造成抗菌素耐药性相关死亡人数最多的细菌。AMR大肠杆菌与共生体大肠杆菌的蛋白质重叠最多，但根据抑制两种病原体所需的重叠，预计还需要其他菌株来限制营养可用性。利用生物学数据与AMR大肠杆菌的资源利用重叠，结果发现多样性提高了资源利用重叠的中位数，但这在很大程度上取决于共生体大肠杆菌的存在。

　　通过评估其他5种群落的定殖抗性来评估选择高表现和低表现群落的能力，在5种水平上，50种大肠杆菌可以组成超过20万个大肠杆菌群落。使用算法对大约50.000个样本进行了分析，确定了4个预测表现良好的菌群组成和4个预测表现不佳的菌群组成。与研究人员的预测一致，预测抗定植的群落与预测允许定植的群落相比，AMR大肠杆菌的丰度中位数减少了100倍(图4F)。

　　图4. 营养阻塞预测群落的定植抗性

　　以上结果支持这样的观点，即更多样化的微生物组可以提供健康益处，特别是它们可以改善对病原体定植的保护。研究人员还发现定植抵抗力是微生物群落的集体财产;换句话说，单一菌株只有与其他菌株组合时才具有保护作用。至关重要的是，尽管微生物组多样性的增加了抵御病原体的可能性，但群落和病原体之间营养利用概况的重叠是关键。研究人员的工作提出了一种优化微生物组组成以防御病原体的途径。

　　原文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.adj3502