从微生物菌群失调到宿主病理发生：揭示肠道微生物组在环境毒理学中的作用

《Environment & Health》：From Microbial Dysbiosis to Host Pathogenesis: Unraveling the Gut Microbiome’s Role in Environmental Toxicology

环境毒素通过改变肠道微环境（如氧化还原电位、菌群互作）影响宿主健康，机制涉及菌群结构变化、代谢产物失衡及信号通路干扰。提出整合多组学分析（代谢组学、转录组学、蛋白组学）与分层验证策略（移植验证、基因编辑验证、同位素示踪），揭示菌群介导的毒性作用网络及关键物种功能。

　　

胃肠道在环境毒理学中既是一个敏感的靶点，也是一个受到影响的器官。肠道微生物组位于外部暴露与宿主免疫系统的交界处，在生理调节中起着关键作用。(1,2)尽管越来越多的证据表明多种环境污染物会破坏这一微妙的微生物生态系统，但目前的研究主要集中在分类学上的变化上。因此，污染物导致这些变化的机制以及污染物理化性质与微生物失调之间的关联仍然很大程度上尚未被探索。此外，虽然肠道微生物群的紊乱与多种疾病有关，但阐明微生物变化与宿主发病机制之间的分子机制仍然具有挑战性。这些限制从根本上限制了我们对环境污染物在肠道微环境中行为的理解，以及肠道微生物群在宿主疾病进展中的潜在因果作用。

为了解决这些不足，从关注组成分析转向表征微生物的表型和功能特征是一个重要的进步（图1）。肠道微生物网络受到肠道微环境的显著影响，包括氧化还原电位、氧气水平和营养来源。当环境污染物进入肠道时，它们可以通过多种机制改变这一微环境。(3)例如，污染物可以在宿主上皮细胞中产生活性氧，这些活性氧可以扩散到肠道腔内，增加局部氧化潜力，从而导致专性厌氧菌数量减少和兼性厌氧菌数量增加。此外，在炎症过程中，宿主细胞会上调诱导型一氧化氮合酶，产生一氧化氮和其他活性氮化合物。这些化合物可以转化为硝酸盐，渗入肠道腔内，使氧化还原电位高于健康结肠的状态。整个生态系统可能会从以发酵为主转变为以氧气或硝酸盐为能量的代谢过程，这对宿主来说能量效率较低，因为后者不能产生有益的短链脂肪酸（SCFAs）如丁酸。此外，引起氧化应激的污染物还可能导致肠道腔内关键微量营养素的氧化（例如维生素、硫醇），使其无法被依赖它们的微生物利用。相反，一些污染物也可能成为新的营养来源，有研究表明单壁碳纳米管和可生物降解的聚乳酸微塑料可以充当意外碳源。(4,5)

图1

图1. 阐明肠道微生物组介导的环境毒性的多层次策略。使用BioRender.com创建。

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然而，在复杂且动态的肠道环境中直接测量这些关键参数是一个重大的技术挑战。肠道是一个长而异质的管道，从上皮层到腔中心，从小肠到结肠，氧气和氧化还原电位的梯度都非常明显。体外分析可能在采样过程中使肠道内容物暴露在空气中，立即改变测量结果，而使用针状氧化还原电极在麻醉动物的腔内进行的体内分析具有高度侵入性，仅能测量一个局部点，并且在插入过程中可能干扰微环境。另一种方法是注释微生物的表型和功能。可以使用BugBase和FAPROTAX等数据库从宏基因组序列中注释相关的表型（如需氧、厌氧和兼性厌氧）和功能类别（如发酵和硝酸盐还原）。这可以提供关于环境污染物如何改变肠道微环境的见解，并使污染物性质（如氧化还原扰动、生物降解性）与肠道微生物表型和功能之间的关联成为可能。这些见解有助于后续的验证工作，例如指导针对宿主上皮细胞的实验。

此外，细菌是社会性生物，表现出复杂的种间相互作用，包括涉及营养/代谢物交换、酶合作和水平基因转移的共生关系，以及通过可溶性因子和接触依赖机制的竞争性相互作用。这些相互作用共同决定了微生物多样性、生态位形成和宿主-微生物信号传导。(6)竞争格局因特殊适应而变得更加复杂，例如在聚苯乙烯纳米塑料引起的压力条件下，Akkermansia得以繁衍(7)，而Vibrio利用VI型分泌系统来排除Aeromonas等竞争者(8)。相反，抑制关键物种Bifidobacterium和Lactobacillus的毒素可能会破坏下游代谢网络，因为许多功能性代谢物（如SCFAs）是通过交叉喂养关系共享的。一个结合了污染物改变的细菌物种的体外系统为研究环境毒素如何通过可溶性因子或接触依赖机制破坏细菌间通讯提供了强有力的方法。此外，涉及补充群体感应信号分子（如N-酰基同型半胱氨酸内酯，AHLs）或应用群体淬灭剂（如AHL-内酯酶或酰酶）的实验方法可以帮助阐明环境污染物是否通过破坏微生物网络来改变肠道微生物群组成。因此，揭示生态网络结构有助于更深入地了解环境暴露对微生物群落的影响，其中网络复杂性和稳定性是两个重要指标，可以通过节点和边数、平均度、模块性、鲁棒性、负相关比率等指标来衡量。更重要的是，这种方法有助于识别作为研究微生物-宿主因果关系候选者的核心物种图1）。

此外，建立一个完整的因果链——“污染物暴露、特定微生物变化、关键代谢物/信号分子改变、宿主细胞反应、病理表型”——是理解许多环境相关疾病发病机制的基础。为了有效地确定这些机制触发因素，建议采用综合的多组学方法。一个循序渐进的策略，从宏基因组学开始，接着是宏转录组学或宏蛋白质组学，最后是代谢组学，可以构建连接微生物、代谢物和宿主基因的全面生物分子网络。(9)机器学习算法可以帮助识别核心特征，如对污染物高度敏感且与疾病表型密切相关的细菌分类群、基因或代谢物，为验证提供高优先级的候选对象。值得注意的是，微生物生态学和宿主生理学之间的种间差异使得跨模型生物体的知识转化变得复杂，这需要谨慎的实验设计和交叉验证。(10)

最终，相关发现必须通过分层因果推断来验证。需要采用分层的实验方法来确认微生物群在污染物诱导的宿主发病机制中的作用图1：

• 群体水平验证：通过粪便微生物移植（FMT）将来自暴露于污染物的供体动物的肠道微生物群移植到未暴露的无菌受体或经过抗生素预处理的动物体内。类似病理表型的成功复制强烈证明了微生物群的因果作用。例如，来自暴露于短链氯化石蜡（SCCPs）的小鼠的FMT在经过抗生素预处理的受体中引发了神经炎症和星形胶质细胞活化，强调了微生物群通过肠道屏障功能障碍介导SCCPs诱导的神经毒性的作用。(11) 优化移植方案对于确保成功植入至关重要，抗生素预处理对于增强供体微生物群在受体中的植入也是必要的。

• 物种/分子水平验证：使用纯培养的目标核心细菌定植的无菌动物模型，然后暴露于污染物，以验证该细菌是否对表型是必需的。我们使用无菌模型的研究表明，细菌代谢物如丁酸可以在石墨烯氧化物暴露后激活上皮芳烃受体，触发II型免疫反应。(12) 然而，在长期保持无菌状态和验证微生物群抑制/删除方案方面仍存在挑战。重要的是，缺乏肠道微生物群也会重新编程宿主免疫网络，因此需要严格的基础生理参数表征和谨慎的数据解释，特别是在免疫毒性研究中。补充地，使用在生理相关浓度下处理的体外宿主细胞模型可以确定它们是否能够再现关键细胞表型。先进的体外细胞培养系统，包括能够再现体内隐窝-绒毛结构的3D类器官，以及结合宿主上皮细胞、免疫细胞和微生物成分/代谢物的Transwell共培养平台，为阐明多屏障障碍中的因果关系提供了受控环境。(13)

• 原子水平验证：通过喂食标记的污染物或微生物代谢物前体给动物，利用稳定同位素追踪来追踪同位素的命运。这揭示了微生物的代谢命运（污染物如何被特定细菌转化）以及宿主的吸收和效应（微生物衍生的代谢物如何被吸收、在组织中积累并调节病理生理学）。正如Bao等人所展示的，¹³C标记的聚乳酸微塑料改变了肠道微生物群和宿主上皮细胞之间的碳流动，揭示了一个双重的微生物-上皮碳循环网络。(5) 在APP/PS1阿尔茨海默病模型小鼠中，研究人员使用¹³C标记的示踪剂发现吲哚-3-乙酸（IAA）是介导认知改善的功能性代谢物；口服给予金纳米颗粒增加了IAA的水平，从而缓解了病理特征。(14) 此外，像CRISPR干扰（CRISPRi）基因敲低或受体拮抗剂这样的遗传干预可以在体内特异性抑制被微生物代谢物激活的关键宿主受体，测试毒性效应是否可以被阻断。(15)

总之，肠道微生物组已成为环境毒理学中的一个关键接口，既是污染物毒性的敏感靶点，也是其活性介质。迫切需要综合研究框架，整合多种检测技术和验证方法，以更深入地探讨环境污染物如何破坏细菌生态网络和结构-活性关系、由此产生的病理效应以及潜在机制。解决这些空白将促进对微生物群介导的环境毒性的基本理解，通过基于微生物组的方法改进风险评估范式，并开创创新的治疗策略，如工程化益生菌和靶向微生物解毒，以减轻污染物对健康的影响。