《Mechanisms of Ageing and Development》：The eukaryotic host–microbe–phage–nutrition interplay determines the bacterial effectors of supplemental lysine’s health benefits: An experimental cellular senescence model of digestive conditions in older adults
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真核宿主细胞、微生物、噬菌体与营养素之间的相互互作构成一个复杂的动态生物系统，具有重要的生理学后果。在具有免疫调节特性的微量营养素中，赖氨酸是该系统中关键但研究尚不充分的组分。L-赖氨酸（赖氨酸）是人体不能合成、必须从膳食或补充剂中获取的必需氨基酸，参与钙和铁
真核宿主细胞、微生物、噬菌体与营养素之间的相互互作构成一个复杂的动态生物系统，具有重要的生理学后果。在具有免疫调节特性的微量营养素中，赖氨酸是该系统中关键但研究尚不充分的组分。L-赖氨酸（赖氨酸）是人体不能合成、必须从膳食或补充剂中获取的必需氨基酸，参与钙和铁肠道吸收、蛋白质生成及脂肪酸代谢等细胞生理过程。老年人对赖氨酸的需要量可能与年轻人不同，年龄相关的营养吸收与代谢改变可进一步影响赖氨酸的可利用性与利用度，这些考量在炎症衰老（inflammaging，即与衰老相关的慢性低度炎症状态）背景下尤为重要。从免疫营养学角度看，赖氨酸有助于免疫细胞功能和代谢通路，可能影响免疫与营养状态，其抗菌活性亦与潜在健康获益相关。赖氨酸的吸收、消化与代谢受到严格调控，并涉及宿主细胞与肠道细菌间的互作。从营养微生物学角度看，赖氨酸既是致病菌也是有益菌的营养素：病原体可利用赖氨酸支持生长与毒力，而共生肠道细菌可将其代谢为酶和代谢物，有助于免疫功能和肠道屏障完整性。微生物对赖氨酸的竞争因此可能影响微生物组组成并可能限制致病菌过度生长。赖氨酸还可作为维生素及其他生物分子的前体，进一步将其代谢与全身健康联系起来。尽管赖氨酸在健康细胞和年轻个体中的生物学作用已被广泛研究，但其在老年人、尤其在感染或炎症条件下于真核宿主—微生物—噬菌体—营养互作中的作用仍知之甚少。衰老伴随微生物组紊乱、炎症介质增加、细胞与细胞外特性改变、屏障完整性丧失、向促炎细菌的转变以及营养感知失调。这些年龄相关变化可能改变赖氨酸代谢及其生理后果，而年龄相关的胃肠道变化也使基于年轻成人的模型难以代表老年肠道。除膳食供给外，大多数细菌可通过二氨基庚二酸途径（diaminopimelate pathway）由天冬氨酸合成赖氨酸。赖氨酸缺乏或过量可影响蛋白质合成、向替代生物分子的转化及微生物降解，产生可能影响免疫稳态和免疫细胞应答的代谢物。赖氨酸代谢具有组织特异性，并与多种疾病相关，尽管许多赖氨酸衍生代谢物的确切功能仍不清楚。在老年个体中，赖氨酸可利用性的改变可能通过与脂质和葡萄糖代谢的互作影响肠道微生物活性、免疫信号及噬菌体—细菌动态。理解这些互作尤为重要，因为老年人更易发生感染和炎症状况。赖氨酸—宿主—微生物互作中另一个关键但研究不足的生物学参与者是噬菌体。在胃肠道中，噬菌体调节细菌种群，从而可间接影响宿主免疫与代谢，兼具有益和有害后果。然而，噬菌体影响细菌对抗生素、膳食改变或新细菌定植等扰动应答的机制仍不清楚，尤其在老年人中。在感染性炎症期间，吸收性肠上皮细胞、驻留肠道巨噬细胞与肝细胞之间的串扰参与免疫应答、营养加工和肠道生理的调控。赖氨酸作为免疫营养素和信号分子，经肠内或肠外给予时可影响炎症与宿主防御相关通路。然而，在这些条件下赖氨酸可利用性如何与噬菌体和微生物群互作，尤其在老年人中，仍知之甚少。鉴于上述知识空白，本研究旨在：（1）评估来自营养保健品或补充剂来源的营养性赖氨酸在模拟老年人胃肠道的感染—炎症条件下对真核宿主—微生物—噬菌体—营养互作的影响；（2）探究赖氨酸补充是否调节老年肠道中纵向的噬菌体—细菌动态，或噬菌体活性是否反过来塑造赖氨酸对微生物和宿主生理的影响。为解决这些问题，研究人员开发了一个高通量五元筛选平台，整合五个组分：（i）由共培养的T84肠上皮细胞和Huh7肝细胞组成的衰老真核细胞模型；（ii）机会性病原体铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）PAO1；（iii）其对应的噬菌体KPP22；（iv）抗炎肠道细菌Intestinimonas butyriciproducens；（v）营养性赖氨酸。为模拟与膳食效应相关的老年肠道生理，研究人员使用了衰老细胞模型。与早期传代（6–8代）获得的年轻细胞相比，衰老细胞来源于更高传代数（34–37代），这与既往报道以早期传代细胞（≤9代）作为年轻对照、以≥30代细胞作为衰老模型一致。为更全面表征实验模型的免疫代谢应答，以传代数作为定义细胞年龄的标准，并辅以衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）活性和p21蛋白表达作为细胞衰老生物标志物的测定。关键读数包括炎症介质释放、细胞活力、代谢生物标志物以及真核宿主细胞与微生物之间的赖氨酸竞争。选择该体外模型是为了比仅基于年轻细胞系统的模型更好地代表与衰老相关的感染—炎症肠道环境。在该模型中，T84细胞代表吸收性和防御性肠上皮细胞，而Huh7细胞保留与营养和脂质代谢相关的若干肝细胞样代谢功能。二者的共培养使得能够在正常条件下以及感染性炎症期间营养可利用性改变时研究肠上皮细胞与肝细胞之间的互作。肠上皮细胞构成抵御致病菌和毒性分子的第一道防线，其屏障功能对肠道稳态至关重要。肝细胞则具有参与药物及其代谢物代谢与清除的酶，并参与先天免疫应答和脂多糖（LPS）信号传导。
研究背景与问题：真核宿主细胞、微生物、噬菌体与营养素之间的相互互作构成复杂的动态生物系统，具有重要生理学后果。L-赖氨酸（赖氨酸）是人体不能合成、须从膳食或补充剂获取的必需氨基酸，参与钙铁肠道吸收、蛋白质生成和脂肪酸代谢，并具有免疫调节与抗菌活性。赖氨酸既是致病菌生长与毒力的营养源，也可被共生菌代谢为有益酶和代谢物，其吸收、消化与代谢受宿主—肠道细菌互作严格调控。然而，赖氨酸在健康细胞和年轻个体中的作用虽被广泛研究，其在老年人、尤其感染或炎症条件下于真核宿主—微生物—噬菌体—营养互作中的作用仍知之甚少。衰老伴随微生物组紊乱、炎症介质升高、屏障完整性丧失、向促炎菌群转变及营养感知失调，使基于年轻成人的模型难以代表老年肠道。噬菌体作为肠道中调节细菌种群的另一关键参与者，其影响细菌对膳食改变等扰动应答的机制亦不明确。感染性炎症期间，吸收性肠上皮细胞、肠道巨噬细胞与肝细胞的串扰参与免疫应答、营养加工和肠道生理调控；赖氨酸作为免疫营养素和信号分子可影响炎症与宿主防御通路，但其与噬菌体、微生物群在老年肠道中的互作尚不清楚。据此，研究人员旨在评估营养性赖氨酸在模拟老年胃肠道的感染—炎症条件下对四元互作的影响，并探究赖氨酸补充是否调节老年肠道噬菌体—细菌动态，或噬菌体活性是否反过来塑造赖氨酸的微生物与宿主效应。
研究设计与结论：研究人员构建了高通量五元筛选平台，整合衰老真核细胞模型（共培养的T84肠上皮细胞与Huh7肝细胞）、机会性病原体铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）PAO1、其特异性噬菌体KPP22、抗炎肠道菌Intestinimonas butyriciproducens（IB）以及营养性赖氨酸。以早期传代（P4–P6）细胞为年轻细胞、高传代（P34–P37）细胞为衰老细胞，并以SA-β-gal活性和p21蛋白表达佐证衰老表型。研究结论表明，过量赖氨酸对宿主—微生物—噬菌体互作的影响取决于微生物类型和肠道环境：在感染性炎症背景下，过量赖氨酸加重PAO1对衰老肠上皮的损伤，而IB通过消耗赖氨酸并产生有益代谢物发挥细胞保护作用；噬菌体KPP22可消除PAO1的破坏性效应。该研究揭示了赖氨酸在上皮与免疫代谢应答中的作用，提示不恰当的赖氨酸补充在患有慢性感染性炎症的老年个体中未必有益。
意义：该研究建立了更能代表老年肠道感染—炎症环境的体外模型，将噬菌体纳入营养—宿主—微生物互作框架，为老年人赖氨酸补充的精准化提供了实验依据。
关键技术方法：建立T84肠上皮细胞与Huh7肝细胞Transwell非接触共培养体系，以传代数结合SA-β-gal活性与p21蛋白表达界定细胞衰老；在低氧（1% O2）条件下以TEER评价上皮屏障完整性；采用PAO1感染模型并结合噬菌体KPP22与IB干预；通过ELISA测定IL-6、IL-8、IL-10，酶法测定赖氨酸消耗、赖氨酸衍生代谢物及葡萄糖、甘油三酯与HDL-C；并以竞争、排斥和置换实验评估IB对PAO1黏附的抑制作用。样本为商品化细胞系（T84，ATCC CCL-248；Huh7，CLS 330156）及DSMZ来源菌株，非人群队列。
研究结果：
3.1 过量可利用营养性赖氨酸差异性影响感染性炎症下年轻与衰老肠上皮细胞的活力和屏障完整性：通过TEER与台盼蓝活力测定发现，衰老细胞基础TEER低于年轻细胞；PAO1显著降低TEER与活力，过量赖氨酸（510 μM）进一步加重，衰老细胞更敏感；噬菌体KPP22逆转PAO1所致下降，IB尤其在过量赖氨酸存在时部分恢复TEER与活力，且IB能抑制PAO1对T84细胞的黏附。
3.2 感染性炎症下过量赖氨酸对年轻与衰老细胞因子的差异性诱导：通过ELISA发现，衰老细胞基础IL-6、IL-8分泌高于年轻细胞而IL-10较低；PAO1升高IL-6、IL-8并降低IL-10，过量赖氨酸强化该效应且在衰老细胞更明显；IB单独或联合赖氨酸抑制PAO1诱导的IL-6、IL-8升高并恢复IL-10，KPP22消除PAO1的破坏性效应。
3.3 T84细胞裂解液中的肠碱性磷酸酶活性：通过pNPP法测定发现，PAO1尤其联合赖氨酸显著降低肠碱性磷酸酶（IAP/ALP）活性，衰老细胞受影响更大；IB单独或联合赖氨酸可恢复ALP水平，KPP22消除PAO1相关下降。
3.4 感染—炎症环境下赖氨酸对年轻与衰老细胞代谢健康的正面营养效应存在差异：通过测定上清葡萄糖及Huh7细胞裂解液甘油三酯与HDL-C发现，感染增加宿主细胞葡萄糖消耗，衰老细胞更为明显（PAO1及PAO1+赖氨酸组分别消耗39%和53%，年轻细胞为35%和42%）；KPP22使葡萄糖水平部分回升，IB减弱细胞对PAO1的代谢应答。
讨论与结论：研究提示，赖氨酸补充的健康效应并非普适，而由宿主细胞衰老状态、微生物类型及噬菌体活动共同决定；IB对赖氨酸的“抢夺”与代谢可转化为对上皮的保护，而PAO1在过量赖氨酸下加剧损伤。因此，在患有慢性或反复感染性炎症的老年个体中，不恰当的赖氨酸补充未必有益，内源噬菌体与产有益代谢物细菌是重要生物学参与者。研究结论为：过量赖氨酸改变肠道宿主—微生物—噬菌体代谢与信号网络，噬菌体在赖氨酸过量时干预宿主—微生物共代谢物信号，赖氨酸效应依赖微生物类型与肠道环境，从而揭示其在上皮与免疫代谢应答中的作用。
