肠道微生态区的理论工程的目的创造优越的士兵

文摘

本综述的目的是强调研究提高的可能性,利用host-microbiome肠道轴用于军事目的。通过优化gut-microbiome环境可以促进营养消化食物,提供本地和系统性镇痛,加强心理的鲁棒性,战场的压力,产生内源性类固醇,减少肌肉疲劳,促进周边伤口愈合。然而,这种方法仍处于初期阶段,因此没有探索以充分发挥其潜力。目前的挑战,防止gutbacteria包括以下的实际应用:不一致的临床结果,瞬态效应需要不断补充,方案选择的类型,启动和停止方案,所需的更广泛的临床研究来验证本研究。本文旨在阐明大量多样的积极影响这种方法可以为军方如果进一步发展。

关键字

肠道微生物,艰难梭状芽胞杆菌微生物群,微生物

介绍

利用host-microbiome交互良好的生理条件是一个新兴的重点在研究医学。肠道微生物的变化在本质上产生巨大影响身体的所有系统,如心血管(1)、呼吸系统(2,3)、皮肤(4],肌肉骨骼[5,神经6,内分泌7)、肾(8,9),生殖10,11)和免疫(12)系统。此外,dis-biosis肠道微生物组一直在实现一些重要的疾病(13]。似乎有一个显著水平主机生理学和微生物种群之间的互联性提供深远的机会来提高一般生理学。

的出现粪便移植治疗梭状芽胞杆菌的(14)煽动需要了解肠道影响整体健康和生理机能不断扩大15]。虽然仍有争议,但利用益生元、postbiotics和益生菌保健品显示了有益的调制的承诺微生物组(16]。尽管这些影响可能是短暂的,证据指向一个持久健康的积极变化的主机通过操纵细菌在肠道微环境,只要方案之后。

鉴于最近发现有关的能力调节宿主肠道微生物的代谢和身体耐力,生物医学科学可能有作用在增加士兵在战斗情况下的有效性和弹性。军事医学的这未知的方面仍处于初期阶段,但提供长期的、低成本的提高作战效率。我们已经确定了五种不同的分支微生物研究的剥削和重塑健康的微生物群可用于增强军事人员。这些机会包括:(i)补充分解纤维素的微生物群细菌提高卡路里在偏远地区觅食;(2)播种与细菌的微生物群积极分泌阿片类药物;(3)缓解与抗焦虑细菌作战压力;并使用steroid-producing细菌(iv)增强整体体力;(v)调制的微生物群,促进伤口愈合。通过我们对模型的理解微生物生态和基因工程在肠道中的应用,我们希望利用这些条件和优化。

第一种策略解决粮食短缺,士兵在resource-depleted位置的潜在问题。人类不能定期从β-glucans收获显著的能量和纤维素基材料;而反刍动物共生的细菌生化分解代谢的途径来完成这项任务。有趣的是,纤维素分解细菌等壁厚菌门像瘤胃球菌属bicirculans [17)和瘤胃球菌属champanellensis [18)可以在人类肠道,帮助消化的植物材料。进一步可以利用更大的分解碳水化合物途径通过居民的生物工程微生物十二指肠cellultyic人为引入的能力,这是人类的主要碳水化合物的吸收。夫妇这种潜在的能力引入途径能够解毒的有毒植物的结果在一个非常有吸引力的军队的机会。能够利用这些否则难消化的碳水化合物,士兵在营养纤维素纤维材料进行稀疏的位置就能生存,就像树枝和草没有害怕中毒。

第二个例子微生物群研究相关军事伤害感受的调制是通过肠道微生物组。通常,阿片类药物和非甾体抗炎药被军医疼痛管理规定。最近的证据表明,通过控制肠道炎症反应,有可能有本地和系统性的伤害感受衰减。有两个潜在可能性激活内源性阿片肽通路通过微生物群的调制:(a)肠道细菌释放NK3受体拮抗剂(19];,(b)乳酸菌paracasei播种,以尽量减少炎性疼痛反应(19,20.]。

第三提出了军事应用研究与优化相关的肠道微生物组是能够减少心理上的压力和焦虑。减少对压力的生理反应需要一个释放抑制皮质类固醇。肠道微生物群的调制包括微生物如乳酸菌spp。21)已被观察到减少小鼠皮质类固醇释放。此外,抗焦虑药代谢物如儿茶酚胺的前体和苯二氮受体激动剂以及大量神经递质被确认为产品的微生物群(22]。这些发现表明潜在的播种微生物改变肠道微生物群的士兵在战斗中减少恐惧反应,增加生理应激的门槛,增强心理健康。

第四个潜在军事应用调制的肠道微生物的生产合成代谢类固醇和增加耐力23]。细菌的能力自然或综合生产合成代谢类固醇之前调查和审查24]。大肠杆菌工程自1980年代以来已经有生产合成代谢类固醇和人类生长激素(25),是一个潜在的工具来增强体力通过播种肠道微生物群。此外,目标,提高肠道微生物群提出了提高强调肌肉的恢复和提高耐力(26]。因此,有两个提示机制针对士兵增强力量和耐力:直接工程和播种大肠杆菌生产合成代谢类固醇和促进一个健康gut-microbiome轴促进耐力。

最终目标调制的微生物群将促进受伤的减毒炎症反应。指导周边的炎症反应,促进组织修复通过肠道共生的微生物群可以减少恢复时间为士兵受伤。研究表明,免疫调节控制炎症反应的外围可以实现在肠道,专门链接主要乳酸菌子物种种群减少手术恢复时间。

在一起,这五个潜在的策略带来的前景优化肠道微生物可能对军事研究和发展。目前虽然遥不可及,主人的永久调制微生物是最终目标。下面的评论是一个短期和长期的可能性的讨论修改微生物群的“超级士兵”的创建。

纤维素分解肠道细菌

士兵所面临的一个严重的问题被切断从供应链和采购食品。可以解决这个问题推导营养丰富的纤维素来源在许多地区如果士兵不知为何有这样做的能力。人类在利用纤维素由于效率低下无法打通β-1,4-glucan债券。此外,有担心意外中毒造成死亡和疾病人类和食草动物之间的解毒途径是不同的。

肠道微生物的生物工程和随后的殖民在有利的位置在消化道内可以解决上述问题。

人类的结肠胃肠束房屋大量的纤维素分解细菌但cellulose-derived能源显著小于反刍动物和非反刍食草动物。具体来说,食草动物获得70%的总能量从共生的微生物群的分解纤维素基质而人类仅获得10%的总能量从共生的微生物群,主要通过大幅削减碳水化合物来源的盲肠(27]。人类具有厚壁菌门、拟杆菌门和Actiobacteria产生不稳定的短链脂肪酸(SCFA),如丁酸盐是人类可用的能源肠上皮细胞通过轻微的代谢途径和利用能源打捞(28]。利用这个途径的合成代谢潜力可以通过补充与本机butyrate-producing细菌,或类似的non-endogenous纤维素分解和butyrate-producing细菌。

能源收获更多的机会将会通过β-1的破损,4葡聚糖在十二指肠债券。在这一过程中,我们可能会收获单体分解作为一个完整的能源(28]。占大约4%的所有发生在肠道的盲肠微生物,这些微生物不当位于适当的能量收获。如果这些途径可以克隆成Lactobacillacae位于十二指肠的成员,有一种强烈的潜力提高否则浪费能源获取碳水化合物来源(29日]。利用自然共生的前肠,可以环游投机取巧的机会与当地的引入外国微生物进入肠道。有趣的是,使用类似的技术,甚至可能利用肠道细菌,使消化有毒植物提出了最近的沙漠woodrat可以摄取植物含有毒杂酚油的水平(30.]。这种分支的方法将不仅提高碳水化合物分解代谢,导致毒素生物惰性。

鉴于cellulolyis是人类肠道固有的一部分,增加这个过程可以利用的策略,否则难以消化的纤维在士兵缺乏正常消化的食物。这个过程可能是通过增强内生细菌或通过补充外源纤维素分解细菌被认为是适合人类肠道。

Endorphinogenic肠道细菌

肠道微生物之间的相互作用和神经系统已经有据可查,有可能利用这种关系为士兵提供镇痛。严重的急性疼痛控制的大型情景剂量的吗啡等阿片类药物使用建议的方法是一个不太可能的目标。然而,长期镇痛造成减少炎症反应或通过当地生产的疼痛的对手提出目标慢性疼痛。有两种机制来实现这些目标提出:(a)的肠道细菌的生物工程释放神经激肽受体拮抗剂(NK);,(b)有益的肠道的播种微生物年代,减少炎性疼痛反应(31日]。

肠道microbiome-mediated受体拮抗作用负责局部和全身疼痛反应是一个有趣的可能性。这种策略的范例是pro-analgesia NK受体的抑制胃肠道和背根神经节激活的速激肽如P物质、神经激肽A和神经激肽B (32]。尽管没有肠道细菌自然释放NK受体拮抗剂,应该有可能工程师专门的大肠杆菌分泌肽能够阻止NK1受体,这是大多数阿片类药物的目标。因此局部和全身疼痛管理可能如果工程拮抗剂可以正确地吸收。虽然这个想法是未经认证,建立了考虑,证明这个理论有三种:NK1受体是一个G protein-coupled受体(33];这个家族的受体是高度制药(34];,有一个遗传系统,创建能够释放重组大肠杆菌肽适合高通量筛查预期的效果(35]。因此,可以想象创造一个大肠杆菌能够播种肠道和释放一个的激肽1受体拮抗剂。自NK1受体也存在于脊髓背角的(36),这种肽可能有系统性的镇痛效果37]。这种影响将取决于生物利用度和药物动力学的激肽1受体拮抗剂。

有能够居住在肠道的细菌种群的数量可以增强士兵疼痛管理领域中获益。瞬态补充益生菌双歧杆菌的对象,菌株35624,增加大鼠的痛阈(38]。嗜酸乳杆菌减少内脏疼痛quasi-epigenetically [39)增加大麻素2受体的表达和μ-opioid结肠上皮细胞受体的表达情况,也该双歧杆菌的镇痛作用机制对象应变3562438]。此外,Lacrobacillus paracasei直接与减少炎性疼痛小鼠的脏器(31日]。虽然这些影响的机制并不完全清楚,证据继续出现,补充益生菌与这些微生物有潜力改变肠神经系统伤害感受。尽管急性和创伤性损伤可能这种治疗方案的范围之外,更多的轻微伤害,如肌肉或韧带损伤有可能使用这种方法进行管理。

因此,它可能会对抗疼痛的受体和改变疼痛的阈值为士兵在战斗情况。这将是完成通过生物工程微生物提供止痛剂直接通过益生菌肠道或调制的肠道微生物组。要么选择,虽然投机,是基于确定的方法,只需要进一步探索努力充分发挥潜力。

Neuro-Modifying肠道细菌

士兵暴露在许多生理和心理上的压力,在战场上损害性能,使同化重返平民生活的挑战。最近进展的了解肠脑轴和neuromodulating共生的微生物强调潜在的对抗压力的改进,焦虑,恐惧[40]。这不仅是用于战斗,但部署后。因此,军事应用,这种理解是肠脑的操纵轴增强心理功能。

彻底特征路径转发双向通信互连肠道和许多其他系统,如自主和肠神经系统,以及神经内分泌系统。刺激神经组织的居民肠道细菌产生的代谢物可能影响大脑功能,进入体循环或直接通过与拉斯维加斯X交互神经(41作为神经递质和神经调质导致减少焦虑和抑郁行为(42]。例如,乳酸菌和双歧杆菌种虫害生产γ-氨基丁酸,大脑中的一种抑制性神经递质与焦虑和抑郁的病理生理学43]。大肠spp。杆菌种虫害和酿酒种虫害产生去甲肾上腺素,一个单胺神经递质参与应激反应系统以及焦虑和抑郁障碍(42]。念珠菌、链球菌、大肠杆菌和肠球菌种虫害产生5 -,突触的神经递质再摄取被某些抗抑郁和抗焦虑的药物(42]。最后,芽孢杆菌和乳酸菌种虫害产生乙酰胆碱(43参与应激反应),焦虑,抑郁在大脑中(44,45]。

此外,肠道微生物也会影响激素的生产。乳酸菌和双歧杆菌种虫害减少垂体轴)在大鼠应激反应调节血浆促肾上腺皮质激素、糖皮质激素,激素- (46]。双歧杆菌对象的益生菌治疗老鼠与逆转行为问题有关,大脑中去甲肾上腺素水平,减少神经活动过程(47]。这种效应在人类临床试验也已成功的特征(48]。

总的来说,肠道微生物群的殖民化扮演了一个角色在神经化学和神经内分泌系统。通过使用这些细菌在psychobiotics士兵,有机会受益的心理健康服务人员的领域。

肌肉增强肠道细菌

增强肌肉力量和恢复的关心战斗,和潜力是肠道微生物组的中心。提出两种方法,第一是内源性合成代谢类固醇和人类生长激素的生产。第二个被控制炎症反应与肌肉疲劳和虚弱。通过使用这种方法,可以提高士兵的力量和耐力。

人类生长激素类固醇和利用多年来增强肌肉生理学。鉴于这些激素的负面影响在治疗或使用时supra-therapeutic剂量(49),持续低剂量可能会避免这些后果,同时保持有效(50]。有趣的是,它可能会工程师常见肠道共生的,大肠杆菌,生产合成代谢类固醇以及人类生长激素(25]。众所周知,这些激素增强生理机能,力量和力量,将有利于在战斗中的士兵。肠道细菌的能力自然或综合生产合成代谢类固醇之前已经调查和审查24,51]。

慢性肌肉疲劳是一个普遍的问题在任何身体上的运用情况和战斗也不例外。多了解肌肉萎缩是直接绑定到肠道屏障的破坏,增加炎症,导致能量代谢改变分区与长期的生理应激(52]。提高健康的微生物群的抗炎效应已被建议作为解决肌肉疲劳和压力26]。Dis-biosis与长期炎症的同时,持续的体力消耗加剧肌肉无力由于肌肉脂肪酸分解代谢的增加(26]。因此,重建的健康,抗微生物,它可能会废除的影响持续生理压力,教唆肌肉疲劳。

这一现象的研究才刚刚开始。虽然这大道尚未探讨治疗选择,它有可能增加士兵的力量和耐力,如果正确应用。是否由播种steroid-producing微生物在肠道或调节炎症反应导致肌肉疲劳,这种方法可能身体增强士兵和解决许多问题与物理相关的压力与打击。

肠道细菌,促进伤口愈合

微生物存在于extraintestinal表面,以微生物的独特和证据确凿的干部在皮肤上。虽然我们理解所有这些互为依存的关系微生物社区正处于起步阶段,是新兴的证据暗示一个链接改变共生的肠道微生物群与外围的伤口修复的结果(53,54]。

这种关系的重要性似乎收敛在特定通路的激动的先天免疫系统和炎症反应的调节通过健康平衡共生的微生物(53]。肠道乳酸菌种虫害直接被绑定到外围ERK活化增加,已与有益的免疫细胞迁移的变化在慢性伤口愈合的四肢(54]。相反,肠道病原体肺炎克雷伯菌和大肠杆菌有能力的不平衡的免疫反应导致伤口愈合时肠道受损人群是杂草丛生的54]。因此,通过降低总消化道炎症,有可能使炎症向有益的状态,可以促进伤口愈合的士兵。

结论

许多发现有关host-gut微生物轴可能允许我们为军事医学利用它的好处。而操纵优化宿主健康的肠道微生物组仍有争议,证据注入合法性策略的回顾;然而,有一些悬而未决的问题使这种方法执行困难。挑战包括方案选择的类型,起始,长度和停止治疗,临床结果不一致,需要更广泛的临床研究来验证本研究。作为主人的我们理解gut-microbiome轴扩张,可能是解决上述问题,利用它的潜力,造福军队只会变得更有吸引力。

最迫切的问题之一,成功地操纵肠道微生物组是方案选择的类型和使用的“生物”。操纵微生物可以通过殖民和增强发生。关于殖民,很可能可以生产配方,将有利于主机系统(55),尽管增强是一个更可行的路线在短期内。微型胶囊的理想居住或生物工程微生物菌株有潜力增加肠道提供可行的微生物,提高其功效而克服的一些生存和殖民的局限性益生菌(56]。

另一个选择是提高gut-microbiome轴通过针对肠道上皮完整性和提高有益的微生物种群的维持。证据表明,一些益生菌加剧甚至启动炎症导致的减少肠道血管内皮的完整性。因此,看来选中的方案应该是为了规避益生菌的潜在的有害的影响。益生元也不一定是答案(57]。看起来post生命学已经承诺,一些证据表明,他们积极协助肠道完整性和有益的肠道微生物的调制(58,59]。因此,我们提出一种选择性肠道播种的以及一篇生物补充控制有效地使用这两种可能的途径。重要的是,必须组合方案,必须提前开始战斗相关职责减弱任何炎症可能废除的影响和机制建议摘要(59]。

应该注意的是,所描述的工程有潜在的负面影响。改变肠道微生物可以使病原菌的扩张,无意中被肠道细菌抑制排除通过引入新的细菌。另外可能是一种免疫反应可能是针对化合物分泌的肠道微生物组的新成员设计的场景。因此这些问题需要解决。

总之,我们审查提出了五个潜在策略来调节生理机能,提高作战士兵的性能。首次提出应用程序播种肠道微生物与纤维素分解细菌从传统non-digestible使用能源植物在偏远地区。第二个是生成镇痛补充肠道微生物与生物工程细菌积极释放NK受体拮抗剂,或与肠道微生物减少炎性疼痛反应。第三个策略是减少combat-induced焦虑的士兵通过调制的神经活动由细菌产生抗焦虑的代谢物。第四个应用程序是合成代谢的微生物生产代理,提高强度和性能的士兵在战场上,以及减少炎症反应和肌肉疲劳有关。最后,修改肠道微生物可能会改变士兵的炎症反应促进伤口愈合。

确认

小作者要感谢导师让他们参与这篇评论。

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