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益生菌是乳制品和功能性食品工业的重要组成部分，带来了数十亿美元的市场。益生菌的多方面作用包括预防感染，降低腹泻发病率，抗微生物活性，病原菌的竞争性排斥，免疫耐受，减少大肠癌生物标志物，上皮屏障功能，增加细胞免疫力，增加体液反应，降低血胆固醇水平，减少过敏肠道疾病症状等。目前研究的大多数益生菌来自乳杆菌属和双歧杆菌属。乳酸杆菌与发酵产品相关，尤其在奶制品中应用最多。最近向食品中添加双歧杆菌的研究不断增多，大多作为有益添加剂。多数菌种天然存在于胃肠道，这些微生物通常能够抗酸、耐受胆汁。某些菌株还具有发酵果糖诸如人类不能消化的低聚果糖（FOS）和半乳甘露寡糖（GOS）的能力，这些果糖能为胃肠道内的一些共生菌和益生菌提供一定生长优势。

胃肠道是一个约有种、万亿微生物的复杂器官，大概是人类体内细胞总数的10多倍。对于这些细菌的遗传组成成分，可以在胃肠道中翻译编码成具有大量生理功能的基因储存器，对人体宿主的胃肠道产生有益作用。胃肠道已经演变成为一个营养和微生物丰富的生存部位，细菌在其中不断地旺盛生长。组学技术诸如转录组技术、宏基因组学和代谢组学的使用，促进人们了解胃肠道中益生菌如何生长以及共生菌如何发挥作用。此外，这些技术有助于了解益生菌和共生菌之间以及宿主胃肠道相互之间的联系。在此之前，基于实验技术的限制，细菌纯培养方法选择的限制导致对胃肠道内菌种鉴定不充分。最近，16SrRNA基因测序的广泛使用，大量的新品种得到鉴定并确定胃肠道中大量的细菌属于拟杆菌门（Bacteroides）和厚壁菌门门类（Firmicutesphyla）。

华盛顿大学JeffreyGordon组的研究表明，以低脂肪或低碳水化合物饮食的较瘦人群，其脂肪减少的同时伴有厚壁菌与拟杆菌数量之比下降。进一步研究发现，即使当相同物种的哺乳动物存在巨大的地理差异时，相同物种内的肠道微生物依然比不同物种间更为相似。这些研究表明，宿主和微生物群明显是共同进化的，且肠道菌群对人类健康具有重要贡献。

胃肠道中宿主微生物相互作用的最佳位置在粘膜中。粘膜中的细菌维持肠道动态平衡，调控免疫系统并使之处于免受病原体入侵的最佳状态。例如，固有肠道菌群通过竞争排斥竞争抗菌物质的营养、受体结合位点以及产物，来帮助宿主阻止病原菌的入侵。通过受体和不同类型的免疫细胞，胃肠道内免疫系统不断感应管腔内环境。单层肠上皮细胞将肠腔从固有层区分开。胃肠道内肠道菌群和肠道间存在微妙的作用平衡，这一平衡区分共生肠道菌群和入侵病原菌。从胃肠道周围抽取样本，其中重要细胞是肠道上皮细胞（IECs）、M细胞、巨噬细胞和树突状细胞（DCs）。肠道上皮细胞除了运送可溶性抗原，还显示模式识别受体，诸如Toll样受体（TLRs）和含有核苷酸结合寡聚样（（NOD）-like）受体（NLRs）。M细胞是缺乏微绒毛的上皮细胞，位于细胞的基部，其作用是向B细胞、T细胞和巨噬细胞运输抗原。取样管腔内容物显示，树突状细胞延伸其树突穿过肠道上皮细胞层，却没有破坏肠道上皮细胞间的紧密连接。许多免疫细胞表面的Toll样受体（TLRs）依赖不同免疫刺激而反应不同，因此提供免疫系统辨别肠道微生物和病原菌。例如Toll样受体2（TLR2）可以识别革兰氏阳性菌细胞壁成分如脂磷壁和肽多糖，而Toll样受体4（TLR4）可以识别主要来源于革兰氏阴性菌的脂多糖。肠道菌群Toll样受体（TLRs）活性对肠道平衡和肠道受损保护也是必需的。被确定为胃肠道和肠道菌群相互作用调节者的另一模式识别受体是可溶解的细胞质NLRs，被证明是对Toll样受体（TLRs）的补充与协调。这些受体的激活包括NF-κB（κ基因结合核因子）和MAPK（有丝分裂原活化蛋白激酶）级联诱导导致重要免疫因子的刺激，这些免疫因子包括炎症趋化因子、细胞因子和刺激分子。利用各生物部位信息了解肠道菌群。胃肠道益生菌作用涉及多学科研究领域，通过这些研究，逐步认识宿主和肠道菌群在肠道的相互作用。

为维持完整肠道屏障以确保肠道健康，必须保持肠道动态平衡。屏障受损能导致许多肠道疾病包括病原菌感染、肠易激综合症（IBS）和克罗恩病（Crohn’sdisease）。受损伤的肠屏障伴随紧密连接下降和细胞凋亡增加，这是肠道克罗恩病的一个例子。此外，缺乏免疫的肠屏障能导致粘膜免疫细胞对诸如来源于肠道菌群的管腔内容物的暴露，进而导致不正常免疫反应。动态平衡被认为是由上皮细胞，特别是粘膜树突状细胞维持。然而益生菌和肠道菌群在肠屏障功能和完整性方面也起到重要的调节作用。

紧密连接就是在相邻上皮细胞间形成相对不通透屏障蛋白质复合物。跨上皮电阻测量（TER）是用于检测上皮细胞紧密连接的屏障完整性的常用方法。利用增加体外细胞株跨上皮电阻测量，检测益生菌对紧密连接有积极作用。肠道上皮细胞品系感染致病性埃希氏菌属，导致跨上皮电阻测量下降，上皮通透性提高和生理功能障碍。

肠道上皮细胞较早暴露给有活性的嗜酸乳杆菌而不是热灭活嗜酸乳杆菌，限制了大肠杆菌的不利影响。通过跨上皮电阻测量发现，嗜酸菌制剂能减少大肠杆菌诱导的紧密连接蛋白质的磷酸化作用。益生菌对屏障功能的其它积极影响表现在：阻止上皮细胞病原体入侵，产生防御分子，炎性细胞因子的衰减和细胞因子诱导细胞凋亡的预防。这些研究表明无论病原菌是否存在，益生菌对屏障完整性都有积极的作用。对大肠炎和败血症的动物模型研究表明，肠道上皮细胞屏障功能增加归因于益生菌活性。体内试验以及转录能够进一步阐明益生菌增加屏障完整性的机制。

由于树突状细胞在胃肠道粘液的细胞免疫中起关键作用，所以由益生菌调制的树突状细胞是一个重要的研究领域。目前已证实益生菌能够以菌株特有方式诱导树突状细胞而调控T细胞，表明其在粘膜表面的重要作用。这一属性被用于通过由嗜酸乳杆菌表达的保护性抗原靶向作用树突状细胞，来保护小鼠免受炭疽芽孢杆菌（Bacillusanthracis）的致命侵害。最近调查显示，益生菌作为胃肠道粘膜预防和保护分子的运载工具具有潜在细胞免疫功效。

细菌素是具有热稳定性的、由许多乳酸菌产生的抗微生物小肽。通过去除细菌素产物的唾液乳杆菌（L.alivarius）衍生物，表明唾液乳杆菌保护小鼠免受李斯特菌（L.monocytogenes）感染的能力归因于细菌素的产物。体外抵御病原体的抗微生物活性的方法还包括过氧化氢、乳酸、竞争排斥和免疫系统调控。虽然针对病原体的抗微生物活性的这些体内论证仍需证实，但是由体外研究和文献得出，体内益生菌能发挥抗菌作用已有有力的证据。因抗生素可能对肠道微生物群有害，故能是一个令人兴奋的研究领域。

细菌存活于肠道中，一部分原因是其能够影响宿主对出现的微生物竞争者的识别能力，以及对传感环境内其它成分和信号的分析能力，这将有利于宿主协调营养需求。

细菌演变有不同的作用方式。双组分调控系统（2CR）具有允许益生菌感应周围环境的功能，并可启动适当转录反应。这些系统由组氨酸蛋白激酶（HPK）和反应调节器（RR）构成。该HPK接收到一个信号，传递给反应调节器，然后通过其DNA结合结构域，诱导一个转录反应。其中2个系统功能特点已经在嗜酸乳杆菌中得到确认——胆汁耐受和酸抵抗的作用。上述两者是体现益生菌功能的关键点，并对其能否存活于胃肠道有直接影响。此外，细菌素产量以种群密度依赖方式得到控制。小鼠胃肠道转录研究证实，来自植物乳杆菌细菌素操纵子的细菌素免疫蛋白在2个相互独立试验中被诱导，说明了植物乳杆菌这一基因在体内表达情况。缺乏细菌素生产能力的体内益生乳酸杆菌，如植物乳杆菌和嗜酸乳杆菌，是否会引起不同宿主反应，令人非常感兴趣。

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