综述 | Curr. Opin. Microbiol.：艰难梭菌感染过程中微生物间的相互作用
编译：小范儿，编辑：小菌菌、江舜尧。
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艰难梭菌是美国医院获得性胃肠道感染的主要原因，也是公共卫生的主要负担。艰难梭菌感染引起一系列疾病，从轻度腹泻到严重的并发症，例如假膜性结肠炎，中毒性巨结肠和死亡。这些疾病的病因可以解释为细菌遗传因素，宿主遗传学，合并症以及之前接触药物。另一个重要因素是肠道微生物组，其被破坏导致对艰难梭菌的定殖抗性丧失。该文章回顾肠道菌群及其代谢产物如何影响艰难梭菌的毒性进而影响疾病。
论文ID
原名：Microbe–microbe interactions during Clostridioides difficile infection
译名：艰难梭菌感染过程中微生物间的相互作用
期刊：Current Opinion in Microbiology
IF：6.916
发表时间：2020.2
通信作者：Joseph P Zackular
通信作者单位：美国宾夕法尼亚州费城儿童医院病理与检验医学部免疫防护科
主要内容
肠道内大量的细菌、古生菌、真菌和病毒对人类健康非常重要。研究人员一直关注肠道微生物组的微生物群落在胃肠道病原体感染过程中扮演什么角色，以及这些相互作用如何影响疾病。本文重点研究肠道微生物组对艰难梭菌的影响。艰难梭菌是一种革兰氏阳性、厌氧、产孢的细菌，其引起的感染占所有医院护理相关胃肠道感染（GI）的73％。艰难梭菌感染（CDI）可以引起一系列疾病，从轻度腹泻到严重的并发症，例如假膜性结肠炎，中毒性巨结肠和死亡。本文着重介绍微生物群落如何影响艰难梭菌的行为和毒力，并对于这些相互作用背后的分子机制的影响进行预测。2015年美国的CDI患者估计数量为4.5万，大约2.9万患者死亡。世界范围内，艰难梭菌的发病率约为每年每10万人有50例发病。CDI不仅对某些住院人群构成威胁，而且是涉及人和动物的更大的公共卫生问题。由于美国疾病控制中心的目标是到2020年将CDIs减少30%，因此以预防，治疗和减少疾病及疾病复发为目标，充分了解艰难梭菌的发病机制对于这一努力至关重要。
已知的CDI危险因素包括使用抗生素、高龄、炎症性肠病以及免疫抑制，其共同点是肠道微生物生态系统破坏或失调。虽然接触抗生素是CDI的主要危险因素，但在没有使用抗生素的情况下，病例依然增加表明其他环境因素如饮食或使用药物可能在调节微生物群方面发挥作用。无论什么原因导致微生物群落破坏，其结果是微生物多样性减少，一些重要细菌类群丰度改变，以及定植抗性丧失。定殖抗性包括许多机制，本地微生物通过这些机制阻止外源性病原体建立感染。这些机制包括竞争基本营养素，限制进入粘膜表面，直接产生抗微生物分子，调节肠道代谢组以及激活针对目标病原体的宿主免疫系统。长期研究发现，宿主微生物组和代谢组的差异与CDI的发展和复发有关。最近的工作已经开始对这些特定的细菌和代谢物影响CDI发展和疾病临床表现的机制进行研究(图1)。
图1.肠道微生物群和肠道代谢物对艰难梭菌感染的影响。
1. 肠道代谢物调节艰难梭菌的行为
代谢是宿主、宿主微生物群及入侵病原体所涉及的所有细胞过程的共同基础。众所周知，在不同环境下，细菌之间的代谢串扰会对病原体的行为产生深远影响。哪些微生物与艰难梭菌协同作用，代谢物如何被这些关系中的成员感知并整合，从而影响他们的行为、生活方式和潜在的毒性。这些都是至今为止还未解决的问题。
微生物对宿主胆汁酸的调节如何影响艰难梭菌在宿主中的定植，这是CDI患者中代谢相互作用的一个公认例子。为了生长，艰难梭菌孢子感知由肝脏产生并分泌到肠道内主要的胆汁酸，如胆酸和牛胆酸。许多肠道微生物群利用胆汁盐水解酶和胆汁酸诱导酶代谢初级胆汁酸，生成非共轭的初级胆汁酸(如胆酸和胆脱氧胆酸)和次级胆汁酸(SBAs)，其中一些可以抑制艰难梭菌生长。与原发性或复发性CDI患者相比，健康受试者的继发性胆汁酸、石胆酸和去氧胆酸水平显著升高。这些观察结果与石胆酸盐抑制艰难梭菌孢子萌发以及脱氧胆酸盐抑制营养艰难梭菌细胞生长的事实一致。此外，粪便微生物群移植后，胆盐水解酶和SBA普遍增加。体外实验成功抑制艰难梭菌的萌发和生长，证明FMT处理后的CDI受试者的胆汁酸库功能恢复。研究利用合理设计的微生物群和益生菌操纵胆汁酸池，可能是治疗原发性和复发性CDI的希望。
胆汁酸也可能影响艰难梭菌的其他方面的毒性。艰难梭菌产生两种肠毒素，TcdA和TcdB，它们是发病机制的主要驱动因素，导致肠道上皮细胞损伤，进而导致宿主产生强烈的炎症反应。最近的研究调查人类体内微生物产生的胆汁酸（脱氧胆酸盐，异脱氧胆酸盐，石胆酸盐，异邻胆酸盐和熊去氧胆酸盐）影响临床相关艰难梭菌产生毒素的能力。暴露在低浓度的脱氧胆酸（最丰富的盲肠胆汁酸之一）中，可降低大多数菌株的毒素产生，但不会同时降低一般营养细胞的生长。此外，去氧胆酸盐的亚致死浓度刺激艰难梭菌在体外形成耐抗生素的生物膜。总之，这些研究表明，肠道胆汁酸成分的变化可以促进或阻止艰难梭菌的成功定植、生长、持久性和毒性。下一步应该在受感染的肠道多变环境中，了解艰难梭菌在定植、生长过程中何时何地暴露于特定胆汁酸。
除了胆汁酸，微生物群有丰富的代谢潜力，可能会影响艰难梭菌的行为和毒性，以及感染的结果。利用拟杆菌（Bacteroidesthetaiotaomicron）单独定殖的小鼠模型（肠内共生菌模型），发现微生物衍生的唾液酸和琥珀酸在CDI患者中的重要性。拟杆菌编码唾液酸酶，该酶可从粘膜糖缀合物中裂解并释放末端糖唾液酸，但不具备实际消耗所需的代谢酶。第一个研究证明拟杆菌可将唾液酸交叉饲喂给艰难梭菌，而艰难梭菌可利用唾液酸改善在肠道中的生长情况。在随后的艰难梭菌感染B.thetaiotaomicron单定殖小鼠研究中发现，分析艰难梭菌的因表达揭示碳水化合物运输和代谢的重要性，特别是在琥珀酸到丁酸的转化这一过程。抗生素治疗和实验性腹泻后，盲肠组织中琥珀酸水平升高。与唾液酸类似，琥珀酸似乎也是艰难梭菌在肠道生长所必需的。作者认为，拟杆菌在发酵膳食碳水化合物的过程中产生高水平的琥珀酸盐，艰难梭菌将琥珀酸盐还原为丁酸盐，再生电子受体NAD+，支持其他能源发酵。这些相互作用说明细菌群落的酶促潜能影响CDI的发展。
在CDI期间，许多代谢物的含量发生变化。例如，当艰难梭菌定居在小鼠盲肠中时，脯氨酸，支链氨基酸和碳水化合物的含量会降低。此外，发现艰难梭菌代谢氨基酸发酵的终产物会增加。在人类中观察到低水平的胆固醇和高水平的前列腺素（肠道中胆固醇代谢的微生物衍生副产物）可区分CDI相关的肠道微生物和健康的肠道微生物组。然而，这些甾醇在疾病中的作用仍不清楚。代谢组中的这些变化可能不仅是毒素诱导的肠道生理破坏的标志。非毒性的艰难梭菌定殖会导致肠道代谢组发生改变，不同于健康和活跃的疾病状态。尽管这些最初的研究有助于强调CDI期间的某些代谢变化，对肠道代谢产物的总体测定排除了生产和使用每种化合物的细菌类型的直接影响。
2.艰难梭菌感染期间的种间相互作用
哪些细菌主要负责操纵这些关键代谢产物，是否可以利用它们来改变代谢环境，作为CDI的治疗手段？对小鼠模型和住院患者的分析表明，C. scindens与CDI耐药有关，引起人们对C. scindens的关注。C. scindens是肠道微生物组的一员，可以通过7α-脱羟基作用将初级非共轭胆汁酸胆酸盐转化为脱氧胆酸盐。一般来说，在艰难梭菌阴性住院患者的粪便样本中，编码这种生物转化关键酶的baiCD基因簇的患病率高于那些CDI活跃的患者。此外，在胆酸盐存在下艰难梭菌和C. scindens体外共培养可抑制艰难梭菌生长。
除了将初级胆汁酸转化为SBA并限制艰难梭菌的萌发和生长外，C.scindens还可能通过产生抗生素影响艰难梭菌生存能力。C. scindens和其他胆汁酸7α-去羟基化的人类肠道细菌通过分泌抗生素化合物抑制艰难梭菌生长。这些化合物随后被确定为源自吲哚的透霉素A和1,1,1-三（3-吲哚基）-甲烷。有趣的是，脱氧胆酸盐和胆酸盐的存在通过一种目前未知的机制增强这些化合物对艰难梭菌的抗菌活性。鉴于这些数据，现在可将C. scindens作为一种益生菌保护或治疗CDI。然而，肠道中C. scindens的存在可能无法单独预防或解决CDI，因为其益生菌活性可能受到肠微生物群其他成员的调节。此外，C.scindens与艰难梭菌的体外共培养可增强生物膜的形成，生物膜可能会增强艰难梭菌对抗生素的抗性。
其他共生细菌也被定位为潜在的益生菌。乳酸杆菌是革兰氏阳性，兼性厌氧菌的一种，几乎与益生菌一词同义。几项研究研究了各种乳酸杆菌（包括嗜酸乳杆菌，德氏乳杆菌，发酵乳杆菌，加氏乳杆菌和植物乳杆菌）对艰难梭菌毒力的影响。通常乳酸杆菌和艰难梭菌的体外共培养可抑制后者的生长，可能是由于乳酸杆菌对环境的酸化所致。但是，当在控制pH值变化且无乳酸杆菌细胞的条件培养基中共培养时，发现几种乳酸菌会降低艰难梭菌群体感应，影响致病性基因表达以及随后的毒素生产。在小鼠和服用抗生素的成人和儿童中证实乳酸杆菌单一培养物或联合益生菌对CDI具有保护作用。乳酸杆菌产生的代谢物和其他分子也可能影响艰难梭菌与宿主的相互作用，因为在体外无乳酸菌细胞上清会降低病原体粘附上皮细胞的能力。显然，不同的共生细菌种类和菌株影响艰难梭菌的行为。艰难梭菌和肠细菌之间的相互作用是什么？抗生素治疗后肠道菌群多样性普遍下降，但不一定是细菌负荷下降，常表现为特定细菌的大量繁殖，如肠杆菌科和肠球菌。已知这些细菌在肠道炎症和CDI期间大量繁殖。需要进一步了解这些微生物是否以及如何利用CDI前和CDI期间的环境并改变感染的临床过程。
艰难梭菌有助于改变肠道代谢产物的环境，该环境已在CDI之前已经脱离稳态。例如，最近从CDI患者的粪便代谢产物筛选中检测到高水平的吲哚。提示艰难梭菌诱导大肠杆菌产生吲哚。这种串扰涉及艰难梭菌的辅助基因调节剂（Agr）1群体感应系统和大肠杆菌的色氨酸酶基因，尽管还不清楚确切的机制。此外，这项研究表明，吲哚直接限制许多肠道厌氧细菌的体外生长，特别是长双歧杆菌，梭菌和黄杆菌属。艰难梭菌抑制肠道菌群特定成员的另一种机制是通过发酵酪氨酸产生对甲酚。最近证明相比革兰氏阴性细菌拟杆菌科和肠杆菌科，这种能力使艰难梭菌在体外具有竞争性的生长优势。此外，在艰难梭菌感染的复发小鼠模型中，对甲酚生产缺乏的艰难梭菌显示出适度的微生物负荷降低，尽管初始定植没有差异。艰难梭菌还可以分泌基于脯氨酸的环状二肽，可以抑制肠道细菌，包括共生梭菌。这些抗菌肽是否在体内由艰难梭菌产生，以及它们在与感染相关的营养不良中起何种作用尚待发现。
结论
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