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肠道微生物组是健康衰老的调节剂

文章来源:健康界发布日期:2022-08-04浏览次数:0

肠道微生物组是所有年龄组中与衰老相关的健康损失和几种非传染性疾病的促成因素。一些与年龄和疾病相关的微生物组成和功能变化重叠,而另一些则截然不同。本篇综述探讨了针对老年人肠道微生物群的靶向研究以及跨越不同地理群体的一般队列研究。我们还致力于实现靶向恢复与健康衰老相关的微生物的承诺。

关键点  

•肠道微生物群是环境信号的传感器,可以改变所有年龄组的疾病风险,并随着宿主年龄的变化而变化。

•与年龄相关的肠道微生物群变化受到个人因素的影响,包括渐进性的生理恶化,以及与生活方式相关的因素,如饮食、药物和社交接触减少。

•老年人肠道微生物群中与年龄和疾病相关的恶化反映了相互重叠但又不同的过程。

•通过个性化或亚群体水平的微生物组相关干预来重置肠道微生物组衍生的不健康衰老信号是一个新的研究领域,其基于大型鸟枪法宏基因组学研究和数据分析的结果。

•针对老年人的基于肠道微生物组的治疗需要综合方法,包括饮食干预和微生物恢复失去的菌株。  

综述目录

1 前言

2 健康和疾病中的肠道微生物组

  2.1 代谢影响

  2.2 抗炎或免疫调节作用

  2.3 神经系统影响

3 年龄对微生物组的影响

4 肠道微生物群随年龄增长而变化

5 基于微生物组的衰老干预措施

6 结论和未来预测

主要内容

1 前言

每个人都会变老,但衰老对身体和智力功能的有害影响并不一致。与年龄相关的延迟性衰退或健康衰老在许多人身上都很明显。健康衰老的决定因素包括遗传、环境和生活方式因素,后者为干预提供了机会。微生物组传导环境信号、调节宿主免疫、代谢和神经功能,并改变疾病风险,包括与年龄相关的疾病。然而,微生物组与年龄具有相互关系:它随着宿主年龄的增长而变化,并在与年龄相关的疾病中发生改变,但它也改变了宿主与年龄相关的损伤。

全球人口结构的变化凸显了这些关系的重要性。预计未来30年,全球65岁以上人口数量将增加一倍以上,达到15亿,其中大部分将在欠发达国家。因此,除非全面解决健康老龄化的决定因素,否则医疗保健成本将大幅上升。尽管压力源(如COVID-19对老年人的过度影响)揭示了健康老龄化的脆弱性,但正是由于老年人生理储备的薄弱或缺乏,才可能使微生物组相对于非疾病状态的微小改变对身体和认知功能产生重大的有益或不利影响。在这方面,老龄化提供了一个机会,相当于校准健康和疾病中微生物-宿主相互作用的人类模型。

我们之前讨论过健康微生物组的要素,同时强调不存在单一的通用健康微生物组结构。本文就肠道微生物组与衰老(包括与年龄相关的疾病)之间的动态关系进行综述,并探讨微生物操作促进健康衰老的前景。在本综述中,我们特别关注肠道微生物组,但这些概念可能也适用于其他身体部位的微生物群。

2 健康和疾病中的肠道微生物组

动物拥有复杂的肠道微生物群落,它们在组成和功能上表现出宿主特异性,并与它们的多细胞宿主共同进化,由习惯性饮食塑造。在人体肠道中,微生物群落据说约有2000种细菌,其数量可能超过人类细胞数量和不同编码基因的数量。当不依赖培养的方法揭示了一系列疾病患者的肠道微生物组与健康个体不同时,人们对人体肠道微生物组的兴趣加剧。然而,很少有机制将病理生理学与正常微生物组丢失的或疾病相关微生物组获得的特定微生物代谢物联系起来,由于难以定义健康相关微生物组而加剧了这一挑战。尽管存在这些挑战,但微生物与健康之间的相互作用可以归为许多广泛的类别,这些类别有助于考虑这些关系在衰老过程中可能出现的问题以及对宿主的影响。

这些研究代表了选定的条件或疾病的例子,在这些条件或疾病中,微生物组作为促成或介导因素的因果关系得到了证明。所提供的研究和综述描述了该机制,指定的细菌是那些在研究中显示出持续关联的细菌。

2.1 代谢影响

微生物已经发展出利用无机和有机分子作为营养底物的非常广泛的能力;在哺乳动物的肠道中,它们可以分解宿主无法获取的植物多糖和抗性淀粉。Flint等人综述了肠道微生物代谢物短链脂肪酸(SCFAs)、维生素、脂类、气体、胆固醇和致动脉粥样硬化化合物的变化如何改变宿主对肥胖和代谢综合征、肠易激综合征和心血管疾病的易感性。尽管规模和复杂性很大,但分析进展已经对影响宿主的丰富的微生物代谢物以及所涉及的微生物酶进行了分类。主要代谢物包括SCFAs、氨基酸、胆汁酸、维生素、色胺、组胺、血清素、多巴胺、对甲酚和苯乙酰谷氨酰胺。因此,除了促进宿主代谢途径的通量外,许多微生物代谢物还可以影响肝脏和内分泌系统的活动。当然,微生物组在代谢疾病等多因素疾病中的作用是复杂的,目前尚不清楚候选机制和效应分子(支链氨基酸的产生)是否是2型糖尿病中的微生物因素。

2.2 抗炎或免疫调节作用

一些微生物代谢物(如SCFAs)具有抗炎作用,但其他微生物衍生的大分子(如胞外多糖)也可减轻肠道炎症。在炎症性肠病患者肠道微生物组改变的早期报告中,强调了具有抗炎特性的分类群(如Faecalibacterium prausnitzii)的减少。这种厌氧菌的抗炎作用被归因于分泌肽、水杨酸甚至细菌群体感应分子N-酰基高丝氨酸内酯。

2.3 神经系统影响

肠道细菌被认为通过三种途径影响行为、认知和情绪:肠道神经系统;吸收微生物代谢物进入循环;通过调节中枢神经系统的免疫炎症反应。这种肠道微生物对中枢神经系统的调节作用已被用于开发特定的益生菌(也被称为精神益生菌),据报道这些益生菌可以缓解压力。对人体微生物群的控制是否会对心理健康和神经系统疾病产生有利影响仍有待证实。然而,这项研究与衰老密切相关,因为即使没有严重的潜在病理,如阿尔茨海默病或帕金森氏病,认知障碍也很常见。

3 年龄对微生物组的影响

衰老是体内动态平衡的逐渐丧失、功能受损和死亡的脆弱性。与年龄相关的疾病包括感染性疾病、肿瘤性疾病、代谢性疾病和退行性疾病,伴有虚弱和认知能力下降。从根本上说,哺乳动物衰老的分子和细胞特征已被确定,但这些特征伴随着微生物组的变化,而微生物组的变化反过来又会影响与年龄相关的衰退速度(图1)。

微生物组中与年龄相关的变化是高度可变的,受个人和外部环境因素的影响。例如,肠道微生物群受到消化道生理机能逐渐恶化的影响。这些变化包括与衰老相关的炎症增加、基因组不稳定、细胞(和线粒体)功能障碍、蛋白酶稳态降低和表观遗传失调,这些进一步导致慢性疾病、代谢紊乱和肠-脑通讯受损。伴随而来的对宿主行为和生活方式的影响(增加虚弱、药物摄入、手术、减少体力活动和饮食质量)会进一步加剧对肠道微生物组的影响。终生的个人生活方式,特别是饮食,也塑造了老年人微生物组的组成和功能,但也为健康行为的改变提供了机会。社会互动对微生物群组成的影响以及社会如何照顾老年人,这方面的研究还不够深入(图2)。

越来越多的证据表明,微生物在社会群体中的个体之间传播具有重要的健康益处。虽然病原体在社会群体中的传播受到了密切关注,但菌株追踪研究表明,共栖和共生微生物也在社交网络中共享。与来自其他家庭的人相比,生活在同一家庭的个体微生物群落组成通常具有相似性。家庭宠物可作为传播媒介促进微生物共享。此外,拥有更大社交网络的个体似乎拥有更多样化的肠道微生物群。但一个家庭的集体微生物元群落(社会微生物群落)随着时间的推移而变化,对于老年人来说,获得微生物的机会逐渐减少,有时甚至是突然减少。其他变化取决于个人是单独居住还是接受机构护理(图2)。孤独和集体生活的丧失是现代社会经济发达社会的特征之一,与过去以及传统的非工业化族群(如赫特人和爱尔兰游民)形成鲜明对比。

随着消化道生理功能的逐渐衰退,所有个体的内部微环境都发生了不同程度的变化,并间接影响老年人的营养摄入。影响老年人微生物群的其他变量包括终生生活方式选择、与外部微环境的接触、社交网络(社会微生物群)以及与年龄相关的疾病及其治疗的相互影响。

4 肠道微生物群随年龄增长而变化

针对老年人的微生物组研究可分为两大类:与年龄本身相关的肠道微生物组组成差异的报告,以及与特定衰老相关疾病有关的老年人微生物组变化的报告(详见表2,3)。本节介绍了这两类与衰老相关的研究的主要发现,基于文献对不同分类群进行鉴定,这些分类群显示出与衰老以及健康衰老和不健康衰老之间一致的变化,以及这些分类群的代谢能力可以引导宿主进入健康或不健康衰老轨迹。

第一类研究提供了肠道微生物群一般如何随年龄变化的图像,尽管这些不是纵向研究。特别值得一提的是对不同地区和民族的百岁老人的研究。一般而言,百岁老人肠道微生物群的组成特点(研究国家/地区包括意大利、俄罗斯、中国和印度)是较年轻的年龄组中与健康相关的共生菌(如Faecalibacterium spp.)丰度较低,与健康相关的替代分类群(如Akkermansia spp.)以及与疾病相关的病原菌的丰度较高。与外源性降解相关的肠道微生物群基因在极端衰老中的丰度更高。对这些队列的兴趣源于这样一种假设,即识别长寿百岁老人特有的肠道微生物组特征可能类似于识别长寿或健康衰老的治疗性微生物组特征。然而,这一假设可能不正确,因为这些都是横截面的单一快照,极端老化并不等同于健康老化。换言之,所有表面上健康的百岁老人可能并不同样健康,有些人可能已经发展到与衰老相关的生理衰退。

尽管对这些发现在百岁老人中的普遍性持保留态度,但在不同研究中建立的与极端衰老相关的微生物组特征有惊人的相似之处。尽管研究人群的人口统计数据存在很大差异,从地理上孤立的印度农村人口到意大利富裕的半城市化社区。我们和其他人还表明,这些分类群变化与通用的年龄相关微生物组变异模式重叠(图3)。这些与衰老相关的一般变化的特征是优势共生菌群(如普雷沃氏菌Prevotella、粪杆菌属Faecalibacterium、直肠真杆菌Eubacterium rectale、毛螺菌属Lachnospira、粪球菌属Coprococcus和与健康相关的双歧杆菌属Bifidobacterium)的丧失。这些分类群似乎被第2组共生菌(如有益的阿克曼氏菌Akkermansia、克里斯滕森菌科Christensenellaceae、丁酸单胞菌属Butyricimonas、臭杆菌属Odoribacter和丁酸球菌属Butyricicoccus)和病原菌(如Eggerthella、Bilophila、Fusobacteria、链球菌Streptococcus和肠杆菌科Enterobacteriaceae)所取代。这些微生物组变化包括与一般衰老相关的变化以及与衰老相关的健康下降有关的变化。

实际年龄伴随着宿主-微生物稳态的变化,这在一定程度上决定了身体和认知能力衰退的速度。生活方式和环境对微生物群的影响可延缓(健康衰老)或加速(不健康衰老)宿主的恶化并缩短预期寿命。

通过长期追踪个体的纵向研究,以及将中间时间点测量的肠道微生物组组成与生理或临床状态联系起来,可以确定与健康衰老和不健康衰老相关的微生物组元素。一种广泛使用的替代方法是采用横断面研究设计,根据不健康衰老指数和健康衰老指数对老年人群进行分层,并确定相应的分类标志()。与衰老相关的主要生理特征之一是身体虚弱。通过使用各种分层措施,我们的研究小组对爱尔兰500人的ELDERMET队列进行了研究,以及其他人对地理位置不同人群的研究,发现了一致的虚弱-微生物组关联。同样,研究与不健康衰老轨迹有关的其他疾病的微生物组变化,包括体力活动减少、心脏代谢紊乱、认知能力下降、偏头痛、骨密度降低、肥胖、代谢综合征和相关合并症、慢性肾脏病和早期死亡率都与微生物组变化有关,类似于那些与虚弱广泛相关的微生物组变化。这些疾病的主要特征是随着年龄增长共生菌减少和病原菌增多(如Eggerthella、脱硫弧菌属Desulfovibrio、肠杆菌科成员,与疾病相关的梭菌属物种,如Clostridium hathewayi、Clostridium clostridioforme、Clostridium symbiosum、Clostridium bolteae和Clostridium citroniae以及Ruminococcus torques)()。相比之下,第3组共生微生物标志物(如Akkermansia、Odoribacter、Butyricimonas、Butyrivibrio、Oscillospira、Christensenellaceae和Barnesiellaceae)随着年龄的增长而增加(在一般衰老研究中,),但在某些与年龄有关的疾病中(或与不健康衰老有关的病症,)有所减少。这些分类群代表了分类学上的里程碑,它们在健康衰老轨迹中丰度增加,但在向生理衰退状态转变时丢失。

因此,基于对这两类研究中所报道的分类群变化的详细文献调查,可以确定三种分类群()。第1组包括随着衰老而丢失的分类群,特别是在不健康衰老过程中。第2组由随年龄增长而增加的病原菌组成,特别是在不健康衰老中。第3组是与健康衰老相关的分类检查点,随着年龄的增长而变得更加丰富,但在不健康衰老过程中丢失。

鉴于多项与衰老相关的疾病研究中微生物组变化的一致性,类似于多个队列me[x]ta分析中所报告的情况,重叠或共享的微生物组变化很可能部分是一般生理衰退的结果,如炎症和局部粘膜屏障丧失。DeJong等人对这些发现进行了广泛总结。在这一背景下,2020年对来自20-89岁个体(包括一些患有重大疾病的个体)的2500多个宏基因组数据集进行me[x]ta分析发现,除了按年龄顺序排列的重大变化外,还存在共同的和疾病特异性的微生物组变化。根据不同年龄组中与疾病相关的丰度变化,确定了6组微生物类群。这些组被称为G1(在所有年龄组的疾病中升高)、G2(仅在≥60岁的老年人的多种疾病中升高)、G3(仅在20-60岁的年轻人或中年人的多种疾病中升高)、L1(在所有年龄组的多种疾病中缺失)、L2(仅在≥60岁的老年人的多种疾病中缺失)和L3(仅在20-60岁的年轻人或中年人的多种疾病中缺失)。值得注意的是,这些分类群中的一个子集在所有年龄段的多种疾病中都有富集(G1组),这也与ELDERMET队列中个体的虚弱程度增加有关。这些虚弱标志分类群(均属于不健康相关致病菌群;)也与有害的代谢功能有关,如疏水性胆汁酸、乙醇、三甲胺和对甲酚的产生。因此,尽管很难区分微生物组的因果变化和结果变化,但“通常怀疑”的功能可能会导致健康状况逐步下降的恶性循环。在我们的研究中,只有一小部分分类群与代谢的相关性可以通过分析粪便和/或血清代谢组数据来验证。然而,正如后面所讨论的,这些发现已在一些研究中得到证实。

列出了已证实对宿主代谢、炎症和疾病风险具有活性的微生物代谢物和大分子的其他例子。尿石素是一类有趣的肠道微生物衍生化合物,被假设为健康年轻人和老年人(特别是不健康的老年人)之间的潜在区分标志物。尿石素由肠道微生物从膳食中的植物成分(特别是鞣花酸)中产生。先前的研究表明,根据尿石素模式,可以将个体分为三组,称为尿石素代谢型(UM):UM-A、UM-B和UM-O。据报道,尽管与健康相关的UM-A代谢型的流行率随着年龄的增长而降低,但与结直肠癌和代谢综合征相关的UM-B的流行率却随着年龄的增长而逐渐上升。值得注意的是,UM-B的特征是异尿石素A的水平增加,其产生归因于病原菌Eggerthellaceae科的一个未知成员。

与衰老(一般)以及人类健康衰老与不健康衰老的各个方面相关的微生物类群变化的一致模式。关于人类肠道微生物组与衰老的研究主要分为两类:调查不同年龄段肠道微生物群组成变化的研究,以及调查明显健康和不健康的老年人之间的变化。基于对这两类研究的广泛文献调查(表2、3),可以确定三个主要分类群,它们显示出一致的变化模式(在老年人中丰度增加或减少;不健康衰老导致丰度增加或减少)。第1组分类群随着年龄增加而减少,并与健康衰老相关。第2组由随着年龄增长而增加并与不健康衰老相关的致病菌组成。第3组随着年龄增长而增加,但观察到在不健康衰老中减少。值得注意的是,这三组的定义仅与衰老相关的微生物组改变有关。CKD,慢性肾脏病;CVD,心血管疾病;ILI,流感样疾病;MetS,代谢综合征。

可产生细胞致死性扩张毒素的弯曲杆菌(Campylobacter)菌株,产生colibactin毒素的大肠杆菌菌株和梭杆菌(Fusobacterium)是其他第2组致病菌谱系(观察到随着年龄的增加而增加),它们可以通过DNA损伤毒素或高炎症细胞表面蛋白诱导结直肠癌发生,主要表现在细胞和类器官系统以及动物模型中。致病菌介导的生理衰老下降可能不仅由有害代谢物的产生驱动,还由有益代谢物的减少驱动。例如,脱硫弧菌可以异化SCFAs(如丁酸),丁酸盐是一种肠道微生物衍生的代谢物,已被证明具有多种特性,可防止与衰老相关的生理衰退。

在明显健康的老年人中,属于第1组的主要产丁酸菌的损失较轻,如粪杆菌(Faecalibacterium)、罗斯氏菌属(Roseburia)、粪球菌属(Coprococcus)和真杆菌(Eubacterium spp.)(尤其是E. rectale),通常与年轻人的健康有关。在一项大规模的小鼠研究中,年轻小鼠的粪便微生物群移植(FMT)逆转了与衰老相关的外周免疫和大脑免疫恶化,并减轻了老年小鼠认知行为中与年龄相关的部分损伤,从而进一步证明了长期保留类似年轻微生物群的益处。此外,对人类的研究还发现,在表面上健康的老年人中,第1组成员的损失通过增加第3组产丁酸类群来补偿,如Odoribacter、Butyricimonas、Butyrivibrio和Oscillospira。丁酸盐是一种潜在的不健康衰老的关键抑制剂,因为它具有多种特性,可延缓衰老宿主向生理衰退转变。这些特性包括预防炎症(通过多种方式,包括充当结肠细胞的能量来源、改善屏障功能和下调内源性大麻素调节的脂肪生成),胰岛素抵抗(通过调节B1细胞活性),癌症发病(作为组蛋白去乙酰化酶抑制剂,促进程序性细胞死亡)和认知能力下降(作为淀粉样变和神经炎症的负调节因子)。除了产丁酸菌外,多项研究已将第3组成员Akkermansia(特别是嗜黏蛋白阿克曼氏菌Akkermansia muciniphila)与有益性状(一些是使用临床前研究的因果关系)联系起来,包括促进产丁酸菌生长(通过产生乙酸盐),从而减少结肠双分子层的损失(从而减少炎症)、减少B1a细胞的激活(从而防止胰岛素抵抗)、防止细胞衰老(色氨酸介导以及通过调节胆汁酸谱)、改善早衰症状并降低超重或肥胖人群的胰岛素抵抗和患心脏代谢疾病的风险。令人惊讶的是,据报道,A. muciniphila在多发性硬化症和帕金森氏病患者的粪便样本中比在健康对照个体中更丰富,但目前仍不确定Akkermansia在这些疾病中的正相关性是可变宿主特异性免疫反应的原因还是结果。第3组的其他成员,Barnesiellaceae和Christensenellaceae与增加体力活动有关,在患有肌少症、炎症和线粒体DNA损伤的人体内减少。属于臭杆菌科(Odoribacteriaceae)的菌株(与另一个第3组成员Odoribacter相关)被证明可以产生一种称为异别石胆酸的新型胆汁酸,这种胆汁酸富含于百岁老人的粪便代谢组中,并对包括艰难梭菌(Clostridioides difficile)在内的多重耐药致病菌显示出抗菌作用(图4)。长寿的微生物组基础的进一步证据来自于对秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的一项研究,该研究通过筛选大肠杆菌突变库,确定了12个与长寿相关的微生物基因,包括与可拉酸分泌相关的基因,这些基因反过来通过促进线粒体伴侣基因的转录,进而有益地调节线粒体基因转录和未折叠蛋白反应。

尽管研究结果基本一致,但与衰老相关的微生物组改变在不同研究中也表现出差异。一个例子是Roseburia。虽然对意大利、爱尔兰和泰国个体的衰老研究报告称,随着年龄的增长,Roseburia spp.的丰度在统计学上降低,但对俄罗斯、中国和韩国人群的研究则观察到了Roseburia spp.丰度增加的趋势。此外,与许多衰老相关研究相反,在一项对印度尼西亚健康人群进行的一般衰老相关研究中,脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)随着年龄的增长而减少。这些差异可能反映了种族、饮食、地理和生活方式的差异;即使在同一国籍和地区的队列中,也报告了不同的特征。例如,在中国人群中发现了相当大的研究间差异。研究间差异也可能与老龄化人口的生理状态有关(老年人的不同虚弱程度),或者可能与方法有关,例如由于样本收集方法、样本存储、DNA提取方法或测序平台。

除了民族地理差异外,年龄和性别也可能在决定肠道微生物组组成方面相互作用。一项针对2500多名中国个体的大规模鸟枪法宏基因组学研究发现,性别特异性特征随着年龄的增长而减少(荷兰和以色列的另外两个大型队列也复制了这种模式)。美国Gut项目也发现了类似的性别相关模式。研究发现,与老年人相比,年轻人的微生物群组成(β多样性)具有更明显的性别依赖性差异,女性比男性具有更高的微生物α多样性。

在界定健康和不健康的老年人群体方面存在挑战,特别是在不同年龄组的老年人中。在衰老的早期阶段(例如,60岁或70岁)不健康衰老的人不太可能活到百岁。然而,生理衰退和向不健康衰老轨迹的转变可能发生在任何年龄(甚至是百岁老人)。例如,在Biagi等人(84人)和Rampelli等人(69人)先前分析的意大利超百岁老人队列(年龄>105岁)中,大约40%的人患有痴呆症,超过55%的人正在接受抗高血压和/或心血管治疗。因此,机会性外源细菌(即那些通常不能在肠道中稳定复制的细菌)的增加以及参与外源性降解途径的细菌基因丰度的增加更有可能是这些超级百岁老人中不健康衰老表型设置的结果(而不是长寿的标志)。为了进一步强调这一观察结果,中国的一项试点研究调查了长寿人群(90岁及以上)中健康(n=37)和不健康(n=9)个体的微生物组变化。本研究中的不健康衰老表型是由包括胃肠道疾病、心血管疾病、糖尿病、关节炎和呼吸系统疾病在内的合并症定义的。值得注意的是,观察到的分类群改变模式与其他研究各种健康与不健康衰老表型的研究中观察到的相似:即链球菌(Streptococcus)、放线菌(Actinomyces)和Eggerthella等致病菌谱系增加,以及参与外源性降解途径的基因比例丰度增加。因此,实际年龄增加并不意味着健康老龄化。在选择合适的研究人群之前,无论调查的年龄组如何,调查健康衰老的微生物决定因素的研究都必须根据生理健康和虚弱的各种指标对个体进行分层。此外,观察到的微生物组变化也取决于用于对个体进行分层的不健康衰老指数。然而,尽管各研究间存在差异,但前面讨论的微生物改变模式具有足够的一致性,表明了生物学相关性并为设计基于微生物组的干预措施以应对不健康衰老提供了合理的基础。

除了前面总结的一致的分类群变化外,2021年的一项研究(调查了两个美国的3653人和907人队列)将微生物群的“独特性”程度(衡量给定人群中个体微生物组与其邻居的微生物组的差异程度)与衰老联系起来。这一发现似乎是由核心拟杆菌属(Bacteroides)的丧失驱动的,并与前面讨论的与衰老相关的分类群改变相一致(通过增加第3组共生菌和第2组致病菌来补偿占优势的第1组共生菌的减少)。然而,独特性与健康衰老之间的联系可能取决于具体情况,需要进行更多的研究来确定独特性作为不同人群健康衰老和不健康衰老标志的有效性。更重要的是,与独特性或多样性等汇总统计数据相比,特定分类谱系的富集或缺失可能是更有价值的健康衰老指标。

这三个分类群的代谢能力与不健康衰老相关的宿主生理学下降有关。三个分类群产生的关键代谢物或效应物的图表总结,以及这些微生物群衍生实体在调节各种与衰老相关的疾病和障碍中的消极或积极作用。DCA,脱氧胆酸;HDAC,组蛋白脱乙酰酶;IsoalloLCA,异别石胆酸;LCA,石胆酸;LPS,脂多糖;p-Cresol,对甲酚;ROS,活性氧;TMA,三甲胺;TMAO,氧化三甲胺。

5 基于微生物组的衰老干预措施

尽管功能多样性是人类肠道微生物组的一个决定性特征,但肠道生态系统对治疗调节的反应尚不清楚,特别是在老年人中,这主要是因为尚未确定干预对核心分类群的更广泛生态效应。微生物组导向或微生物衍生的治疗干预措施包括益生元补充剂(旨在增加特定目标有益微生物群的丰度)、单独或联合有益分类群或与益生元(合生元)、后生元或FMT以及与健康相关的饮食方案,理论上可以促进肠道微生物群向健康的更广泛转变。这些干预措施旨在打破由疾病易感微生物组促进的与衰老相关的生理衰退的自我延续循环。从这个角度来看,我们认为第2组类群丰度的增加以及第1组和第3组类群丰度的减少(前面讨论过)类似于导致不健康衰老的按钮。因此,重置这些按钮应该是任何针对健康衰老的微生物相关治疗干预的关键目标。虽然许多不同规模、质量和设计的研究已经解决了不健康衰老的开始和啮齿动物的微生物群,但它们是否能推及到人类身上仍值得怀疑。因此,我们将此讨论限制在人类研究中。

促进老年人健康衰老的微生物组干预措施正在进行中;表5列出了选定的关键研究。只有五项研究的队列规模大于100人;排除一项跨研究me[x]ta分析,其他以老年人为重点的干预的平均队列规模仅约为36人(这不包括涉及单个患者或少于5名患者的FMT干预案例研究)。除了样本量小之外,许多研究还使用了低分辨率微生物组分析,包括定量聚合酶链反应(qPCR)和荧光原位杂交(FISH)。干预研究提出的问题也各不相同,其中一些问题仅限于对宿主生理的影响,而不是相关的微生物群变化。该列表中涉及益生元和FMT后生物学和FMT的大多数研究没有进行任何微生物组分析,而是依赖于宿主生理和健康状况的变化(表5)。疗效指标也各不相同,从炎症状态、胰岛素抵抗、虚弱和认知功能的改善到对疫苗的反应,补充微生物/益生元后,在获得更好的疫苗反应方面一直令人失望,但在后生元干预的情况下(如给药热灭活的乳杆菌)显示出有希望的结果。其他关于后生元的报告,例如在年轻队列(n=216)中使用丁酸盐治疗炎症疾病(如溃疡性结肠炎)和在小鼠模型中出现认知能力下降,仍有待在老年人中进行评估。此外,老年人的FMT主要局限于艰难梭菌感染的治疗。虽然前景看好,但这种策略可能会在较老的宿主环境中传播病原菌或有害微生物群。老年人其他年龄相关疾病的FMT治疗仅限于孤立病例报告。

表5 靶向老年人微生物组的干预研究。


表示属于与较年轻年龄组相关的的多个分类群;表示属于致病菌第2组的多个分类群;表示属于图3中突出显示的与健康衰老相关的第3组的多个分类群。AXOS,阿拉伯低聚木糖;BDNF,脑源性神经营养因子;CDI,艰难梭菌感染;CDT,画钟实验;FISH,荧光原位杂交;FMT,粪便微生物群移植;FOS,低聚果糖;GOS,低聚半乳糖;HOMA-IR,稳态模型评估胰岛素抵抗;LDL,低密度脂蛋白;MMSE,简易精神状态检查;MS,微生物补充剂;NA,不可用;PHQ,病人健康问卷;PR,富含多酚;QGP,胭脂女王李;qPCR,定量聚合酶链反应;SCFA,短链脂肪酸;SBP,甜菜果胶。a分子技术是指在每项研究中用于微生物分析的技术(NA表示在给定研究中没有进行微生物分析)。

尽管存在这些局限性,但有理由对靶向微生物组的干预措施持乐观态度,特别是在不健康老龄化的背景下。在对富含多酚的食物、益生元和一些益生菌进行的初步研究中(包括老年人和年轻人的亚组),老年人的疗效更明显,特别是在身体虚弱、胰岛素抵抗和肥胖的不健康人群中,特别是基于多酚和益生元/低聚糖的干预措施。对这些影响的一种流行但可能过于简单的解释强调了老年人肠道通透性的增加。肠道通透性增加与炎症、虚弱和胰岛素抵抗有关。然而,一项基于多酚的试点干预研究发现,与年龄相关的有益影响包括微生物组的变化。该研究调查了每天食用冻干蓝莓粉持续6周对两个年龄组(分别为21-39岁和65-77岁)的17名女性的粪便微生物群的影响。具体来说,蓝莓的摄入(多酚的一种来源)与微生物组α多样性增加以及产生丁酸盐的第1组类群(Faecalibacterium和Coprococcus)和第3组类群(Butyricimonas和Barnesiella)的丰度增加有关,与安慰剂对照相比,这伴随着相对于基线的抗氧化活性增加。

其他干预措施对老年人的微生物组组成也有类似的改善。在不健康衰老中“重置”微生物组改变的证据质量因干预类型、持续时间和剂量而异。例如,对于益生菌和益生元的干预,主要的有益目标是增加除了产丁酸菌(来自组1和组3;图3)和Akkermansia(组3)之外的假定有益分类群(主要是乳杆菌和双歧杆菌)的丰度。这些谱系不仅具有促进胰岛素敏感性和保持肠道屏障完整性等有益属性,而且还可以通过提供乙酸盐来交叉饲喂产丁酸菌。此外,乳杆菌通过诱导单羧酸转运蛋白1(MCT1)促进结肠细胞对丁酸的摄取,如Caco-2人类结肠细胞系所示。许多益生元和益生菌研究报告了对宿主生理的有益影响,如降低胰岛素抵抗、zonulin基因表达(屏障功能的标志)、炎症和脑源性神经营养因子(BDNF)水平降低(BDNF在神经炎症期间上调)。此外,据报道,以前与丁酸盐相关的认知功能和心脏代谢健康得到改善。

Akkermansia(第3组;特别是A. muciniphila)是健康衰老的另一个标志。据报道,在比利时一组年龄在18-70岁的32名个体中,给药活的或巴氏杀菌的A. muciniphila持续3个月可降低体重、胰岛素抵抗和心脏代谢风险因素水平。虽然益生元和益生菌一直与有益的组1和组3分类群联系在一起,但关于它们对致病菌(组2分类群)丰度的影响的报道相互矛盾。应权衡变形菌的减少与脱硫弧菌、链球菌和肠球菌等致病菌的增加。

与补充剂相比,基于整体饮食的干预措施有望从根本上重置肠道微生物组的组成。然而,大多数研究集中于特定膳食成分的摄入,通常是短期的小型研究(表5)。为了解决这一局限性,一个多国欧洲联盟开展了全面的针对老年人的NU-AGE地中海饮食(MedDiet)干预。MedDiet方法的特点是增加蔬菜、水果、豆类、鱼类、橄榄油和坚果的摄入量,并减少红肉、乳制品和饱和脂肪的摄入量。MedDiet与降低死亡率、减少多种慢性疾病和虚弱的发病率有关。该研究包括323名受试个体和289名对照个体,所有人均为65岁以上的体弱前期个体,随访1年。与维持正常饮食的对照个体相比,坚持1年干预期的MedDiet与微生物组组成的保留有关;干预组的个体也保持了较高水平的健康指标,包括促炎和抗炎细胞因子水平、认知功能和身体虚弱,以及非传染性疾病的发病率。该研究提供了明确的证据,证明MedDiet可以帮助“重置”微生物组的改变,这些改变会引发不健康衰老相关生理衰退的恶性循环(图5)。严格遵守饮食与构成核心肠道微生物群的关键类群(如Faecalibacterium prausnitzii和Bacteroides thetaiotamicron)的保留以及微生物群多样性的保留有关。第1组中产丁酸菌(如Faecalibacterium prausnitzii、Roseburia hominis、E. rectale和Prevotella copri)与MedDiet依从性呈正相关。与此相反,致病菌(第2组分类群,如R. torques、Collinsella aerofaciens、Clostridium ramosum和Flavonifractor plautii)与MedDiet依从性呈负相关。与MedDiet负相关的分类群具有更大的基因组编码能力,可以产生潜在有害的代谢物,如脱氧胆酸、石胆酸和对甲酚,它们都与不健康衰老有关。

 预防不健康衰老的微生物组相关干预措施。图片摘要显示了具体干预策略如何改变微生物组变化的示例,这些改变可防止与衰老相关的宿主生理学下降。AXOS,阿拉伯低聚木糖;DCA,脱氧胆酸;GOS,低聚半乳糖;LCA,石胆酸;MCT1,单羧酸转运蛋白1;p-Cresol,对甲酚;TMA,三甲胺;XOS,低聚木糖。

为了量化与MedDiet摄入相关的有益微生物组变化,我们计算了与MedDiet相关的微生物组评分,其中较高的分数与生理健康相关(包括与炎症标志物和慢性疾病、结直肠癌和虚弱发病率的负相关,以及与认知分数的正相关)。因此,似乎坚持MedDiet引发了微生物群组成的特定变化,导致微生物代谢物的改变,促进改善宿主健康,正如先前假设的那样。这些发现已在几项MedDiet干预研究(并非专门针对老年人)中得到验证,这些研究显示Faecalibacterium和Roseburia持续富集,而致病菌(如R. torques和R. gnavus、Collinsella,梭菌属成员和Flavonifractor plautii)减少,以及产生脱氧胆酸和石胆酸的能力下降。这些研究还强调了基线肠道微生物群对MedDiet反应性的预测价值,基线高丰度Prevotella copri与某些健康指标(如胰岛素敏感性、炎症减轻、甘油三酯和总胆固醇水平降低)的反应性较低有关。与此相反,其他报告观察到普雷沃氏菌的丰度与较低的心脏代谢疾病风险之间呈正相关。该谱系中的菌株水平变化可能解释了这些明显矛盾的结果,如之前观察到的Faecalibacterium prausnitzii。此外,还发现致病菌Collinsella的水平可介导膳食蔬菜摄入对淋巴细胞计数的有益影响。

综上所述,基于微生物组的饮食干预已经取得了有益反应,但将饮食信号传递到宿主的生理稳态可以高度个性化,这取决于基线微生物组组成。这一观察结果要求更好地理解与年龄相关的微生物群恶化,并要求精确选择与个体衰退过程中所处阶段相匹配的干预措施。与不健康衰老相关的微生物组恶化阶段可能首先包括特定核心或关键物种丰度的减少,然后是关键成员和周围群落结构的完全丧失,从而使致病菌得以生长(图6a)。对于那些对饮食反应敏感的关键核心物种较低或已经消失的个体,简单的饮食干预可能会失败或效果有限。这种情况需要进行组合治疗,如饮食调整,辅以微生物组网络中心节点关键类群的微生物恢复。微生物组恶化程度较低的个体可能仍然对单独的饮食干预有反应。

正如前面针对普雷沃氏菌所指出的,宿主对特定饮食干预的反应不仅取决于反应类群的存在与否,还取决于似乎与干预无关的特定中性分类群菌株的表现。然而,包括习惯性饮食在内的多种因素影响肠道微生物群的基线菌株水平组成,这需要鸟枪法宏基因组学进行监测(图6b)。迄今为止,针对老年人进行的微生物组干预措施都没有使用这种方法。设计近乎完美的干预措施需要阐明宿主表型(生理学、人口统计学和生活方式)、基线肠道微生物组、干预特征以及微生物组和宿主生理学中的纵向反应之间的相互作用(图6)。基于机器学习的预测模型可以用来识别驱动个性化饮食反应的因素,以及分析干预类型、持续时间和剂量、调节剂(包括饮食和基线微生物群组成)以及个性化反应(在微生物组和宿主反应水平)之间的相互作用。还可用于评估这些相互作用在不同亚群体中的可转化性。

在年轻人饮食-微生物组-宿主相互作用的队列研究中已经采用了类似的策略,根据基线宿主和微生物组特征预测心脏代谢和餐后反应。此外,从低分辨率方法(如16S分析)向鸟枪法宏基因组学的转变对于解决物种特异性和菌株特异性变异至关重要。因此,将预测策略纳入基于微生物组的研究设计将有助于实现将医学与预防医学相结合以促进健康衰老的承诺。

 制定老年人个性 化微生物组重建策略。a应用个性化微生物组重建策略的概念框架,针对不健康衰老人群的微生物组下降程度,以及调节宿主对这些干预策略反应的因素。b该方案的图形总结,用于识别宿主表型、基线微生物组和对干预的总体反应之间的相互作用,并能够设计宿主反应和个性化干预疗法的预测策略。

6 结论和未来预测

微生物组学正逐渐成熟,从一个充满惊奇的阶段发展到一个我们知道得足够多以至于知道有多少我们不知道的阶段。衡量真正进步的标准将是临床影响,而不是技术或计算技巧。然而,关于基于微生物组的疗法对人类有效的令人信服的证据很少。奇怪的是,老龄化可能提供了大的成功机会和前景。一些老年人脆弱的体内平衡和有限的生理储备可能意味着微生物组相对较小的改善就可以对个体产生深远的功能影响。

虽然对微生物组的终身人类研究在逻辑上很复杂,但加速人类衰老的替代模型,如早衰症和唐氏综合征,可能会提供信息,但仍在进行中。此外,在基于微生物组的诊断和治疗中,菌株水平的分辨率是非常理想的,但尚未统一执行。

将微生物组学知识转化为老年人的临床益处需要回答其他亟待解决的问题。老年人的肠道生态系统能否因缺失或丢失的菌株而重新野化?恢复微生物群落的方法是什么?维持恢复的微生物群的饮食要求是什么?食品行业是否会根据微生物组学和与年龄相关的生理学来开发新产品?当然,延迟发病或直接预防不健康衰老和微生物群下降比治疗干预更可取。但是,人们不会仅仅因为微生物学家认为它们对一个人的生态系统有益而回归原始饮食或其他饮食。

需要有可靠的证据基础来支持更好的公共卫生信息和食品政策。此外,健康的社会决定因素将始终胜过个性化的反应预测因素。健康饮食对许多人来说是负担不起的,这一事实在英国得到了证明,英国是全球富裕的国家/地区之一。在英国,如果要遵守国家饮食指南,家庭收入低的十分之一家庭就必须将近四分之三的可支配收入花在食品上,而富有的十分之一家庭的占比数字仅为6%。饮食和其他基于微生物组的健康衰老策略应与这种社会不平等进行权衡,并应寻求制定现实的解决办法。