研究和评论:微生物学和雷竞技苹果下载生物技术杂志》上
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收到日期:17/04/2018;接受日期:08/05/2018;发表日期:18/05/2018
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微生物是一个人口众多的微生物胃肠束,避免在健康维护和疾病中起着重要的作用。发展在人类婴儿出生后立即和母乳喂养尤为有利,因为母乳包含各种低聚糖(HMO)益生元,建立微生物组的支持。微生物也有多个影响胃肠道的位置偏远。microbiome-gut-brain轴表明微生物的识别大脑功能中扮演着重要角色。它也会影响免疫调节,内分泌系统和中枢神经系统。它是治疗干预的目标数的健康问题;胃肠道功能紊乱,发育指标如认知、焦虑、情绪,和社交能力和癌症治疗。膳食成分如蛋白质、脂肪、益生元,多酚诱导肠道菌群的变化。饮食之间的关系密切,微生物,健康表明饮食调制可能引导健康促进微生物的形成,可以维护整个寿命。营养现在需要针对微生物的高效管理,因为它是确定一个最优的功能微生物将规避健康维护和疾病的一个重大的改进。
健康维护和疾病避免显然是重要的方面积极和富有成效的生活。它已经成为近年来明显,保持最佳的健康的一个主要因素取决于我们复杂的消化系统的正常运行。
不幸的是,肠胃障碍非常普遍,包括40多急性和慢性胃肠道的条件从常见的消化系统疾病严重,危及生命的疾病。消化系统疾病,包括胃肠道和肝脏疾病,是常见的在欧洲,2008年造成500多000人死亡的28个欧盟成员国和整个欧洲的900多000人死亡,包括俄罗斯和其他非欧盟国家(1]。在美国估计有8%的人口有慢性消化系统疾病,6%有消化系统疾病的急性发作和43%有间歇性的消化障碍(2]。消化疾病的第二大原因残疾因病在美国,有超过200万的美国人在一定程度上受损。与消化系统疾病相关的经济总成本每年据估计超过500亿美元。清楚地理解胃肠道和有效的健康维护的有效的管理是至关重要的。
胃肠道健康是影响四个主要组件;也就是说,微生物、胃肠道粘膜、饮食和交互与病原体的环境。微生物是胃肠道微生物殖民地的人口。消化道的内壁形成粘膜消化上皮组成,内脏相关的淋巴组织和粘液上皮覆盖。食品配料饮食中不可避免地相互作用和修改微生物。食物的摄入也会带来的风险引入病原体进入胃肠道也与微生物交互。现在广泛接受,微生物在胃肠健康和管理产生重大影响微生物对健康维护和避免疾病是至关重要的。
胃肠道微生物
人们早就认识到胃肠道包含一个非常大的各种微生物的人口。它包括细菌、真菌、archae、原生动物以及病毒。这种人口的微生物通常称为微生物。这不是严格正确的“微生物”实际上指的集合系统中微生物的基因组和微生物群,是指微生物的集合。然而,微生物一词通常用于消化道的微生物种群,所以本文中使用。当然也包括他们的微生物基因组。
胃肠道微生物的大小是不容易估计和多年通常被认为是人体细胞的数量的10倍。然而,最近估计大大降低。在胃肠道中,结肠细菌总人口的主导因素,而胃和小肠做出微不足道的贡献。结肠包含估计3.9 x 1013细菌细胞。估计总细胞数的人类细胞70公斤是3.0 x 10人13。这给了一个细菌细胞:人体细胞的比率1.3 [3]。然而,人口的3.9 x 1013仍然是一个非常大的数量和微生物应该不足为奇,微生物会产生多重影响人类健康。
超过90%的细菌微生物属于两门(主要部门分类),Bacteriodetes和壁厚菌门。一些最常见的微生物中细菌的属;双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌、瘤胃球菌属、梭状芽孢杆菌,大肠杆菌,链球菌和葡萄球菌。不同物种的双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌属和瘤胃球菌属通常被认为是促进健康,而物种的梭状芽孢杆菌,大肠杆菌,链球菌和葡萄球菌可以致病。因此,不同种类的细菌之间的平衡对我们的健康产生重大影响。如果正常的平衡是我们打扰一个条件称为失调,共餐者之间的不平衡或无害的微生物和致病微生物。
虽然细菌微生物的主要物种上面列出的,超过1000种不同的物种实际上已经粪便样本的检测分析。然而,任何一个人通常只有大约160这些物种的微生物(4]。显然,微生物是一个非常大而复杂的微生物协会。因此,重要的是为我们自己的健康和福利,微生物的活动是针对健康维护和避免疾病。
微生物的微生物产生一个巨大的人口范围的产品。由细菌发酵的纤维和蛋白质在大肠产生短链脂肪酸,乙酸、丙酸和丁酸作为结直肠组织的重要能源和维护组织的完整性。短链脂肪酸也吸收进入血液,影响免疫功能和肺等组织的炎症。然而,一些蛋白质发酵产品,如氨、酚类和硫化氢也会有毒。双歧杆菌属等能产生维生素K、B12、生物素、叶酸,硫胺素(5]。二次胆汁酸的合成脂质运输和营业额在人类的重要组成部分,是通过介导的细菌等乳酸菌,双歧杆菌属和拟杆菌。众多生物活性脂质是由细菌,包括脂多糖、革兰氏阴性细菌的细胞壁的一个组成部分,可以引起组织炎症。
除了许多化合物的合成,微生物的基因让许多酶的生产我们自己的身体细胞不能产生。这种供应额外的酶消化和健康的影响。事实上,大部分的微生物多样性在人类胃肠道可能归因于微生物酶的光谱能力需要降低营养物质,特别是复杂多糖的多种形式被人类和小肠的消化。拟杆菌门是专门从事复杂植物多糖的分解,所以引入植物衍生的碳水化合物的饮食将会促进人口拟杆菌(6]。另一方面,低水平的拟杆菌在肠道菌群与肥胖有关,这本身可能造成饮食低植物多糖。结肠细菌的植酸降解植酸存在于谷物、释放矿物质如钙、镁、磷和使这些宿主组织。酶降解黏蛋白帮助细菌满足其能源需求,协助粘液屏障衬里胃肠道的正常营业额(7]。
微生物的一个重要特征是伟大的个体多样性。这远远大于身体的基因变异。个体人类约99.9%是相同的彼此的宿主基因组,但是可以80 - 90%不同的肠道微生物组。这表明,利用微生物组中包含的变化会更加丰硕的个性化医疗的患者个体的基因数据的使用,目标相对稳定宿主基因组(8]。
微生物的发展
针对多个微生物在健康和疾病的影响,重要的是,有益微生物迅速成立于年轻的婴儿。虽然胃肠道细菌殖民化开始当一个胎儿在子宫越低,婴儿出生后的微生物只是完全建立。
一个主要因素是导致婴儿肠道菌群变化的模式在出生时交付。阴道分娩婴儿微生物非常相似,他们的母亲的阴道和粪便微生物区系。这发生在垂直转移vaginal-perianal微生物的母亲的婴儿通过产道。对于vaginally-born婴儿、乳酸菌、普氏菌或Sneathia种虫害占据了微生物,但是在几个月内有一个更大的分布双歧杆菌属和拟杆菌(9]。
相比之下,剖腹产下一个婴儿出生的微生物包括细菌转移水平从母亲的和其他人的皮肤表面,在较小程度上的出生的地方。这往往会导致婴儿肠道菌群主要由葡萄球菌,棒状杆菌,丙酸菌属种虫害的比例较低双歧杆菌和拟杆菌spp。
这些差异在最初的新生自属微生物可能重要的健康后果双歧杆菌属和乳酸菌被认为是卫生防护而一些葡萄球菌和梭状芽胞杆菌种虫害有致病性的潜力。
除了细菌属差异,婴儿的肠道微生物组手术显示更少的多样性比阴道分娩婴儿交付。这可能是重要的,因为一般来说,增加胃肠道内的微生物多样性被认为是保护,而低多样性与多种人类疾病,包括炎性肠道疾病和肥胖。因此,交付模式似乎是婴儿肠道菌群的发展的一个重要因素,因为手术提供婴儿错过独特的机会被灌输他们的母亲的阴道微生物通过产道。
微生物组出生后立即开始组装,在生命的第一年,婴儿的饮食是最重要的因素之一,形成了微生物。饮食对微生物的影响发展显然是见婴儿不同喂养程序,即母乳喂养和奶粉喂养。母乳喂养指导正确的装配和活动促进婴儿健康的肠道微生物的10]。这是一个重要的受益于母乳不足以来殖民在幼儿期可能导致失调(或共餐者之间的不平衡和致病菌),可能会增加对各种免疫细胞致病状态(9]。
母乳喂养的好处是有关质量的母乳含有蛋白质、脂肪、碳水化合物及各种免疫球蛋白。母乳的碳水化合物分数由5 - 23 g / L的低聚糖含有lactose-reducing结束细长fucosylated和/或sialylated N-acetyllactosamine单位。母乳寡糖(HMO)是第三个最丰富的组件后牛奶中乳糖和各种单糖组成的脂质,即葡萄糖、半乳糖、岩藻糖、N-acetylneuraminic酸和N-acetylglucosamine [11]。
婴儿缺乏必要的酶消化HMO所以大部分到达结肠未修改的,在那里他们可以影响微生物的发展。在结肠发酵,主要由双歧杆菌属和细菌型物种,产生短链脂肪酸。只有少数双歧杆菌属和拟杆菌物种可以使用HMO作为唯一碳源。因此,hmo有明确的生命起源以前的效果通过选择性地刺激Bifidobacterium-rich和Bacteriodes-rich微生物的发展。
此外,组织也被认为是作为anti-adhesive抗菌素(12]。殖民或入侵宿主细胞大部分细菌,病毒或原生动物病原体需要坚持碳水化合物结构或胃肠道细胞受体。各种HMO像这些受体的结构和病原微生物时充当诱饵绑定到HMO代替胃肠道细胞。这减少了病毒或细菌感染的风险,因为病原体与未消化的HMO一起排出。
人工喂养的宝宝缺乏HMO的好处和展览的微生物种类的葡萄球菌的重要存在,厌氧链球菌,除了梭状芽胞杆菌双歧杆菌属。一些研究表明,专门人工喂养的宝宝更经常殖民大肠杆菌,梭状芽孢杆菌,b . fragilis组和乳酸杆菌比完全母乳喂养。
最近,奶粉已经改善,尤其是一些HMO的包容,这使得有可能建立Bifidobacterium-rich微生物人工喂养的婴儿。然而,与母乳喂养的婴儿相比,人工喂养的宝宝仍有特色的微生物如表示梭状芽孢杆菌(13]。
在哺乳期间,双歧杆菌的微生物主要是由。在断奶期发病,通过引入固体食物和母乳喂养的延续,一个成人型复杂的微生物主要由门拟杆菌门和厚壁菌门就建立了。大约三岁的人类获得一个稳定的微生物主要由拟杆菌,普氏菌和其他的硬壁菌门。
在一个正常、健康的个体,胃肠道有微生物居住着各种各样的微生物,显示免疫内稳态的口服耐受共生的细菌和良性的抗原。成人相对稳定的微生物从20到75岁。在老年人肠道菌群的变化。尽管拟杆菌门和厚壁菌门都是占主导地位的成年和老年微生物,明显的变化发生在厚壁菌门子组,与多个成员在这个门随着年龄的增长而减少的数量。相反,增加比例的兼性厌氧菌,如葡萄球菌和杆菌和大肠杆菌等变形菌门老的年龄。双歧杆菌减少老人,压力被认为是一个重要的益生菌功能在维持微生物体内平衡和防止感染致病。
饮食对微生物的影响
在人类中,饮食在生成中起着主要作用成分变化和微生物的多样性饮食模式的进步在生命的头三年。主要变化的分类群的微生物与饮食的变化观察到断奶等固体食物。表的引入食品,母乳喂养的婴儿会导致肠道菌数量的快速增长和enterococci,紧随其后的是由拟杆菌spp进步殖民,梭状芽孢杆菌,厌氧链球菌。然而,在人工喂养的宝宝,过渡到固体食物没有大影响胃肠道菌群。饮食中的固体食物的数量增加,乳房的菌群,奶粉喂养的方法的成年人的co-dominance拟杆菌门和厚壁菌门和一个更稳定的社会成分14]。饮食的改变可以引起大,临时在24 h(微生物的变化15]。因此,重要的是,一个适当的饮食是一生中可用,以确保足够的微生物的开发和维护。
在成年人的微生物能分解植物多糖和异型生物质化合物以及生物合成维生素。拟杆菌门是专门从事复杂植物多糖的分解的植物提取碳水化合物引入拟杆菌门的饮食将增加的数量。
与这些观察结果一致,低水平的拟杆菌在肠道菌群与肥胖有关,这本身可能造成饮食低植物多糖。因此,这些结果进一步支持了这种观点,即一个饮食富含植物材料促进了微生物群落结构和代谢物生产,有利于人类宿主(14]。
短期的消费饮食完全由动植物产品迅速改变微生物。饮食的基础上增加了大量的动物源性食品bile-tolerant微生物(Alistipes, Bilophila和拟杆菌)和减少壁厚菌门的水平,代谢饮食植物多糖(Roseburia、真细菌rectale和瘤胃球菌属bromii)。98年的一项研究个体之间的联系拟杆菌菌群和高动物脂肪或蛋白质饮食,而普氏菌菌群与高碳水化合物饮食却能合成更多形成(16]。大量饱和脂肪的饮食似乎会增加项总厌氧微生物区系和拟杆菌的相对丰度和Bilophila15]。微生物活动反映食草和食肉哺乳动物之间的差异,反映出碳水化合物和蛋白质发酵的比较。这些结果表明,微生物快速响应的改变饮食习惯。
益生元是有趣的候选人支持微生物。这些non-digestible食品微生物产生有益的影响,通过他们的选择性代谢在胃肠道17]。正如上面所讨论的HMO充当益生元而不是利用身体的增长但发挥重要作用在婴儿建立一个有效的微生物。
益生元的修改是具有巨大潜力的微生物(18]。水果、蔬菜、谷物和其他可食用植物的碳水化合物来源构成潜在的益生元。有一个广泛的商业化生产益生元等;低聚半乳糖葡聚糖、环糊精、fructooligosaccharides、菊粉、乳果糖和maltooligosaccharides。益生元可以有选择地支持胃肠道细菌的生长,促进免疫功能,抗病毒活性。他们中的一些人能够促进矿物质的吸收和调节新陈代谢。
支持微生物是人类营养的另一个并可能被忽视的方面。一般良好的营养是指向满足要求蛋白质、能量、维生素和矿物质的身体的增长。然而,营养也现在需要针对微生物的高效管理有一个压倒一切的影响健康维护和避免疾病。在未来我们需要确保营养为人体提供营养和微生物还提供足够的营养。
微生物的功能
从出生开始胃肠道微生物是人类和动物健康的关键,因为它有助于维护胃肠道的体内平衡束。微生物作为一个障碍对病原微生物的扩散。它扮演着一个重要的角色在消化和新陈代谢的初乳,母乳,配方,在婴儿和断奶食品,各种各样的食物在成人。也活跃在毒素和药物的分解,在维生素合成和离子的吸收。微生物产生免疫调节代谢产物如短链脂肪酸和维持免疫系统包括宽容是很重要的食物抗原。短链脂肪酸丁酸、乙酸丙酸,也作为肠道上皮细胞的主要能量来源,因此加强粘膜屏障。
此外,胃肠微生物使有益的营养成分如维生素的合成(5]。它还参与蛋白质分解代谢。结肠的微生物是一个沉重的蛋白水解活性的因为它接收每天大约12 - 18 g蛋白。结肠的蛋白水解活性主要归因于属拟杆菌、梭菌、丙酸菌属、梭菌属、链球菌,乳酸菌(19]。正如以前讨论的酶的微生物也提高了能量较低的收获从饮食组件固有的潜在的复杂碳水化合物和植酸等。
发展和生理学上的微生物组具有深远影响宿主免疫系统的早期生活,影响健康和疾病。微生物的发展是必要的正常免疫系统发展的免疫功能的丧失在无菌鼠(20.]。一些微生物产生的代谢物也刺激胃肠道神经内分泌细胞,因此,微生物组中扮演一个重要的角色在内分泌调节胃肠功能。因此,微生物对宿主体内平衡的监管导致最佳消化和营养的吸收,调节能量代谢,预防粘膜感染,免疫的调制系统和内分泌调节(21]。
多种疾病的成年人和婴儿都有链接到微生物,包括胃癌、粘膜相关淋巴组织淋巴瘤、炎症性肠病、肥胖和坏死性小肠结肠炎。破坏微生物的年轻老鼠导致内脏疼痛知觉的长期变化,与压力相关的疾病,如肠易激的特征综合症(22]。
各种不同的动物物种的研究报道在急性和微生物群落的变化慢性胃肠道疾病。最普遍观察到的变化是减少细菌类群厚壁菌门(即,Lachnospiraceae、Ruminococcaceae Faecalibacterium)和拟杆菌门,并发增加变形菌门(例如,大肠杆菌)。
然而,显然,现在是胃肠道微生物不仅影响事件也有长途的影响施加影响远程从胃肠道到大脑。同时大脑的能力调节胃肠道的功能一直被忽略了,只有在过去十年中,这种关系的双向性质被阐明。现在认识到微生物影响大脑和中枢神经系统的功能通过代谢、神经内分泌和免疫系统,对认知发展的影响(23,24]。
这导致了一个相对较新的概念的途径的胃肠道和大脑之间的通信,由微生物调制。这引发了术语“microbiota-gut-brain”轴。这个概念属性功能微生物调节大脑可塑性和影响正常社会的早期发展和认知学习和记忆等行为。
现在管理的微生物通过饮食方式有潜力提高人类的身心健康。它还提供了可能用于治疗肠易激综合症等条件下,焦虑、抑郁和阿尔茨海默病(25]。
另一个重要功能的微生物可能在癌症治疗。细菌是已知调制各种化疗和免疫治疗药物的抗肿瘤效果26]。在临床试验中,患者对抗癌疗法有很多高的Faecalibacterium属的微生物。然而Non-responding病人显示Bacteriodales在他们的丰富的微生物(27]。这些结果表明,微生物可以调节反应黑色素瘤患者的抗癌免疫疗法。很可能有治疗调制的优势微生物组的病人接受ant-cancer免疫疗法。
一个健康的微生物的特性
显然,一个健康的微生物是可取的,但健康的定义和测量是很困难的。一般健康的定义是没有疾病。同时,尽管许多微生物的研究关注疾病,更好的理解健康的微生物会帮助开发新的微生物诊断和治疗28]。
浓缩的婴儿微生物物种等Parabacteroides拟杆菌,梭状芽孢杆菌、乳酸菌、双歧杆菌,Faecalibacterium prausnitzii被证明健康的微生物组的决定因素。连接建立后,这些都是短链脂肪酸的主要生产商从non-digestible碳水化合物是一种重要的能源来源。许多植物食物富含non-digestible碳水化合物的微生物中扮演一个重要的角色在帮助利用这些食物组件。短链脂肪酸是有价值的化合物免疫调节,抑制常见的病原体,并可能拥有tumour-suppressive属性。微生物的发展是一个重要的免疫系统要求教育和建立这些有益的属在生命早期促进免疫耐受和可以因此减弱或废除自身免疫性疾病(28]。
健康的微生物是稳定的一个重要参数,包括电阻和弹性(29日]。稳定取决于微生物的能力抵抗改变对压力的反应(阻力)或返回一个平衡态与压力相关的微扰(弹性)。例如,一个健康的肠道菌群有能力抵抗扰动由于一种病原体的条目,饮食的改变,或政府的药物如抗生素,然后回到健康状态。抗生素治疗后,健康的微生物一般几周后恢复到以前的状态。人类微生物组的能力保持稳定的持续的和潜在的破坏性的扰动对健康维护和避免疾病很重要。
高多样性的人口与健康相关的微生物也一般。相反,相对缺乏明显的微生物多样性的疾病包括肥胖、炎症性肠病和类型1和2糖尿病。
抗生素也造成极大的减少微生物的多样性将损害其排除病原体的能力。破坏微生物的抗生素常伴有腹泻、胃肠生理改变,碳水化合物代谢异常。这可以把个体发展中感染的风险从一个投机取巧的病原体,如梭状芽孢杆菌或白念珠菌。抗生素的使用在低出生体重新生儿可以导致坏死性小肠结肠炎的发病微生物生态失调的疾病被认为是直接导致疾病发作。同样,流行病学研究链接多个疗程的抗生素在儿童早期与克罗恩病的风险增加。
从动物实验中,众所周知,不同微生物种群可以显著影响对慢性炎症。微生物的存在,胃肠腔中所含有的物质转化为潜在致癌物对癌症风险增加,可能导致化疗药物不良反应。缺乏足够的微生物的多样性似乎减少其承受扰动的能力。患者减少微生物的多样性可能更容易开发不同的疾病(29日]。
因此,微生物的耐压力和扰动及其能力恢复到健康的功能概要文件之后的潜在属性描述健康的微生物。
如果健康的微生物的普遍特性可以被定义,那么它们的缺失可能是一个有用的预测疾病的发作。完整的微生物可以监控健康维护或离职到疾病。这将能够确定适当的干预措施来恢复健康失调后,从改变饮食或生活方式通过益生元、益生菌或微生物制药(28]。
微生物的微生物组是一个非常大的人口位于消化道,主要在结肠。细菌微生物的数量可能比体内的细胞总数和扮演着一个重要的角色在健康维护和避免疾病。
微生物发展在人类婴儿出生后立即和出生最初的影响过程中,阴道分娩或剖腹产。微生物的进一步发展取决于婴儿的营养。母乳喂养用品HMO,帮助建立一个有效的微生物。奶粉喂养的婴儿缺乏这种优势。
微生物有多个效果和与免疫调节,内分泌系统,大脑和中枢神经系统(图1)。
图1:胃肠道微生物和gut-brain-axis。
这导致microbiome-gut-brain轴的概念的发展。证据表明,在大脑功能微生物起着关键的作用,从认知到焦虑、情绪和社交能力。值得注意的是,微生物可以施加影响胃肠道的位置偏远。因此,微生物是治疗干预的目标数的健康问题,从各种胃肠道功能紊乱,一系列的发育指数从认知到焦虑,情绪,和社交能力和癌症治疗。
膳食成分如蛋白质、脂肪、碳水化合物消化和non-digestible,益生元,多酚诱导肠道菌群的变化。饮食之间的关系密切,微生物,健康表明饮食调制的微生物可能引导健康促进微生物的形成,可以维护整个寿命。因此,营养现在也需要针对微生物的高效管理。在未来我们需要考虑人体营养的营养供给,也作为一个微生物的营养供应。
是确定一个最优的功能微生物将规避健康维护和疾病的一个重大的改进。
