Introduction
肠道是人体重要的消化和免疫器官。不健康的肠道会影响新陈代谢、免疫力和精神状况，而肠道内的微生物是其原因。肠道细菌构成肠道微生物群落，提供能量和营养；保护肠道结构的完整性；维持肠道免疫力，包括对致病菌的抵抗力。一般来说，宿主、肠道菌群和外部环境保持着一种动态平衡。菌群失调导致许多常见和严重的疾病。益生菌作为针对原核细胞和真核细胞的免疫激活剂，主要通过提高肠道菌群的活性和效应分子的产生来刺激和改善免疫系统。到目前为止，益生菌对肠道微生态系统的作用机制被分为六种模式—调节内源性菌群、保护肠道屏障、维持平衡、调节免疫系统和影响迷走神经传入。早期的研究主要集中在益生菌对肠道微生物群的直接影响。用枯草芽孢杆菌CU1和枯草芽孢杆菌DSM32315治疗分别增强了老年人的免疫系统和猪的肠道屏障。干酪乳杆菌Shirota激活了迷走神经传入，以调节大脑和减少压力。补充益生菌有利于通过几种效应分子恢复和重建肠道菌群，进而缓解疾病和增强免疫系统。据报道，短乳杆菌B50能增加与效应分子有关的基因的表达。然而，很少有证据可以系统地支持益生菌在肠道微环境中的具体机制。在本综述中， 江南大学的Xiaoxiang Gao、Qixiao Zhai*等 研究了多种益生菌，以确定它们如何调节效应分子的分泌，并与肠道细菌相互作用，改善肠道的平衡状态，同时推进益生菌的发展前景（图1）。
图1 益生菌效应分子—细菌素、肽聚糖、磷壁酸、胞外多糖、分泌蛋白和短链脂肪酸—在肠道中的作用机制
效应物分子对肠道的作用机制和功能
益生菌可以通过效应分子直接或间 接地调节肠道环境。 微生物群和分泌的物质之间存在着各种相互作用。 益生菌效应分子的作用机制已在疾病治疗和营养研究中被广泛研究，以探索益生菌在肠道中的作用及其对免疫系统的影响。 由于不同的微生物产生这些效应分子，关于益生菌在不同疾病中通过各种途径的研究也正在进行。 整合效应分子的作用机制以深入了解疾病和肠道微生物群之间的关系是非常重要的。
对免疫成熟和炎症的影响
除了肠道上皮细胞外，各种适应性和先天性免疫细胞在黏膜层中发挥重要作用。加强肠道系统可以通过增加肠道内的有益微生物群和减少阴性菌来实现，从而及时保持肠道的稳态平衡。在反馈回路中，免疫细胞的增加和激活是由效应分子介导的。对免疫平衡很重要的Treg细胞的数量在肠道黏膜中明显高于其他器官。益生菌主要通过TLR信号通路来调节Treg细胞（图2）。效应分子调节免疫细胞的数量和类型。流式细胞仪显示，由嗜酸乳杆菌产生的细菌素增加了Treg细胞的数量。PG被称为免疫激活剂，与宿主先天免疫系统的TLR2和NLR相互作用，进而调节树突状细胞（DCs）和巨噬细胞的分化和数量。据推测，PG可以通过与Treg细胞中的NOD2（核苷酸结合寡聚结构域2）结合来调节免疫活动，从而维持肠道的平衡。植物乳杆菌NCIMB885可能通过LTA改善小鼠的DC作用。由鼠李糖乳杆菌JB-1 MV产生的LTA也通过配体-受体系统诱导树突状细胞的免疫调节表型。植物乳杆菌产生的LTA增强了单核细胞样细胞的活性，可以维持身体的平衡和消除炎症。
图2 受效应分子影响的主要途径示意图
此外，肠细胞中的模式识别受体，包括TLR和NOD2，在先天免疫中起着关键作用。PG的免疫活动同时被TLR2和CD14识别。在体外，PG还通过TLR4调节炎症因子的释放并增强巨噬细胞的吞噬作用。从唾液乳杆菌33中产生的PG被NOD2检测并调节TLR2，减少Th1反应以稳定免疫系统。当NOD2的受体被删除时，与对照组相比，高脂肪饮食诱导的小鼠在肠道中表现出较少的炎症反应。革兰氏阳性菌的LTA识别出的TLR有几种，其中最主要的是TLR2和TLR4，表明PG和LTA在调节免疫方面都有突出的协同作用。研究发现，植物乳杆菌WCFS1分泌的LTA的D-丙氨酰化使其与TLR2相互作用，调节T细胞的分泌，提高全身免疫调节能力。
EPS对宿主产生类似的免疫作用，并识别广泛的受体，包括TLRs和C型凝集素受体，但EPS和C型凝集素受体的相互作用还有待研究。益生菌的EPS主要与TLR4和TLR2相互作用，阻止炎症细胞因子的分泌，或间接与钙离子结合，调节信号受体。由动物双歧杆菌亚种产生的EPS刺激了HEK-293细胞中TLR4的表达。枯草芽孢杆菌合成的EPS促进了M2巨噬细胞的分化，抑制CD4+和CD8+ T细胞，改善了小鼠的急性结肠炎。脆弱拟杆菌产生的多糖影响DCs的发育，并通过内吞途径抑制炎症细胞因子的释放。此外，益生菌在小鼠模型中通过阻止小鼠巨噬细胞的吞噬，形成保护肠道共生菌的屏障。
益生菌的分泌蛋白在免疫调节中的作用也得到了研究。研究发现，嗜酸乳杆菌NCFM产生的表面分泌蛋白在体外通过MAPK和NF-κB信号通路减少了TNF-α和IL-1β的产生。表面分泌的蛋白还与DC特异性ICAM-3结合非整合素因子，通过DC调节IL-10/IL-12的比例。此外，短双歧杆菌C50产生的蛋白质通过p38和PI3K途径促进DCs的成熟。在炎症性肠病的小鼠模型中，S层蛋白A与C型凝集素SIGNR3结合以激活DCs，从而减少促炎症因子和Tregs的分化。此外，双歧杆菌分泌的蛋白质影响参与炎症的中性粒细胞弹性酶，并减少病原体入侵。
SCFAs，特别是丁酸盐，可以通过细胞表面的G-蛋白偶联受体（GPCRs）调节免疫系统，最后渗入细胞核，诱导组蛋白去乙酰化酶。SCFAs具有诱导不同免疫细胞分化的巨大潜力。它们与中性粒细胞相互作用，改变炎症介质的产生。用SCFAs处理后，外周单核细胞的炎症反应得到了缓解。另一方面，T细胞的耐受性特征容易受到SCFAs的影响。随着SCFAs给药量的增加，溃疡性结肠炎小鼠破碎的肠道Th17/Treg平衡得到恢复，炎症因子的分泌也减少。据报道，SCFAs影响Treg细胞的分化和功能，通过游离脂肪酸受体2（FFAR2）途径抑制结肠炎。此外，SCFAs，特别是丁酸盐，通过GPCR43增强结肠炎小鼠抗原特异性Th1细胞的IL-10分泌。SCFAs促进Th2细胞的分化和功能，因为FFAR3位于Th2细胞中。因此，SCFAs可以有效地调节先天性免疫和适应性免疫。
对神经系统的影响
迷走神经是一对颅神经，广泛分布于胃肠道的各个器官，如食道、胃、小肠和大肠。通过运输微生物群产生的神经因子，迷走神经建立了肠道神经系统和其他器官之间的连接之一。肠道中的益生菌以神经递质依赖的方式调节神经系统（图3）。PG是介导神经系统的一个重要效应分子。有研究提出，来自有益细菌的PG可以被送入血脑屏障，并由模式识别受体监测，调节中枢神经系统的发育。PG还通过神经发育受体模拟小胶质细胞。此外，目前肠道内分泌细胞通过释放与迷走神经上的受体结合的血清素直接影响迷走神经。肠内分泌细胞可以被益生菌分泌的效应分子以TLR依赖的方式调节。因此，效应分子，包括细菌素、PG、TA、EPS、分泌蛋白和SCFAs可能与肠道内分泌细胞相互作用，调节神经系统。据报道，由解淀粉芽孢杆菌amy-1和植物乳杆菌NCU116产生的EPS调节肠道内分泌细胞的分泌。尽管短双歧杆菌C50产生的分泌蛋白与表达在未成熟人类DC上的TLR-2相互作用，但它们也可能影响迷走神经传入。
图3 多种神经调节因子与效应分子之间的相互作用
SCFAs的神经系统调节机制依赖于迷走神经和内分泌途径。SCFAs影响肠道内分泌细胞，在内分泌依赖的途径中通过FFAR 3改变肽-YY和GLP-1的分泌。SCFAs，包括丙酸盐和丁酸盐，增强了GPCR编码基因TASR1和TASR3的mRNA，并通过Gαi/o信号通路改善了肠内分泌细胞的适应性和敏感性。SCFAs通过诱导肠道内分泌细胞分泌GLP-1来激活迷走神经传入的5-HT。肽-YY的受体位于支配胃肠道的肌神经丛神经元中。这些结论表明，SCFAs可以激活肠道内分泌细胞并分泌肽-YY和GLP-1，通过FFAR 3和GPCRs诱导迷走神经和内分泌传导。据报道，丁酸盐与位于迷走神经传入器上的胆囊收缩素受体结合。丁酸盐还与迷走神经传入的结节神经元中的GPR109A相互作用。
Modulation of gut health using probiotics: the role of probiotic effector molecules
Xiaoxiang Gaoa,b, Jianxin Zhaoa,b, Hao Zhanga,b,c,d, Wei Chena,b,c, Qixiao Zhaia,b,*
a State Key Laboratory of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
b School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
c National Engineering Research Center for Functional Food, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
d Wuxi Translational Medicine Research Center and Jiangsu Translational Medicine Research Institute Wuxi Branch, Wuxi 214122, China
*Corresponding author.
E-mail address: zhaiqixiao@sina.com
Abstract
Probiotics affect intestinal metabolism and play a crucial role in gut homeostasis. Studies on probiotic effector molecules—bacteriocins, peptidoglycan, teichoic acid, exopolysaccharides, secretory proteins, and short-chain fatty acids—describe their effect on the gut barrier; immune and nervous system; and gut microbiota. However, the detailed mechanism of how the intestinal microbiota changes after the intervention of effector molecules remains unknown. More recently, owing to a rare systematic review about the function of effector molecules in the intestinal tract, it has become vital to discover the molecular model of action of how the gut environment is affected by probiotics. Here, we review the characteristics of effector molecules from probiotics and the advances in understanding the interactive patterns between effector molecules and the gut microenvironment.
Reference:
GAO X X, ZHAO J X, ZHANG H, et al. Modulation of gut health using probiotics: the role of probiotic effector molecules[J]. Journal of Future Foods, 2022, 2(1): 1-12. DOI:10.1016/j.jfutfo.2022.03.011.
翻译/编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅
封面图片来源：图虫创意