现代生活方式因素对微生物组稳定性和功能性的新兴影响

现代生活方式因素对微生物组稳定性和功能性的新兴影响

目的

现在很明显，生活在人体上和内部的微生物调节着宿主的多种反应和活动。特别是微生物群落微生物群，由多样的细菌、真菌、古菌、病毒和真核生物实体组成，与宿主形成了密切的关系。这种关系对于维持最佳的生物功能至关重要，例如保持适当的免疫稳态、宿主代谢和防止病原体定植。人类微生物群落微生物组在3岁后相对稳定，但会受到饮食、环境和生活方式因素的影响。本综述涵盖了最近关于现代社会相关的生活方式因素如何可能影响微生物组的研究发现。

最新发现

包括昼夜节律紊乱、睡眠剥夺、运动和压力在内的现代生活方式因素会影响微生物群落细菌群落（细菌群）的组成和功能。由此导致的微生物群落细菌群变化会导致宿主代谢失调、炎症性疾病和与这些生活方式因素相关的癌症发展。

总结

生活方式因素通过调节微生物群落细菌群来影响宿主健康和疾病风险。理解多样化的宿主相关微生物在与生活方式因素相关的疾病风险中所起的机制作用，有望开发出新的方法来减轻这些不利影响。

昼夜节律

昼夜节律（CR）是指与24小时光暗周期同步的生物体内自然生理和行为振荡。在人类中，CR由下丘脑视交叉上核中的光响应中央起搏器神经元控制（中央时钟），这些神经元驱动外周组织（外周时钟）中分子钟的节奏性表达。除了光信号外，进食时间和饮食成分也可以调节CR，特别是在外周组织中。现代生活中的人造光暴露、轮班工作和航空旅行（时差）可能导致CR紊乱，这已被证实与肥胖、糖尿病、炎症和癌症等多种疾病的风险增加有关。最近的研究表明，微生物群落微生物群是CR的一个组成部分和调节者，可以功能性地促进CR紊乱相关的病理过程（图1）。

十多年前，首次报道了小鼠粪便中许多细菌类群的相对丰度表现出昼夜波动（例如，梭状芽孢杆菌目、乳酸杆菌目、拟杆菌目）和人类（例如，副拟杆菌、拉赫诺斯皮拉、布勒迪亚）。小肠微生物群组成的昼夜变化也已在小鼠中报道。此外，还报道了小鼠的微生物负荷[6, 7]和细菌-上皮附着[5, 6, 8, 9]的昼夜变化。小鼠粪便的宏基因组测序表明，细菌鞭毛组装、黏液降解和细菌运动功能是在CR期间观察到的最显著振荡途径之一[6]。微生物群CR受中央和外周时钟、光信号、进食行为、饮食和性别调控。缺乏整个动物的时钟基因如Period1/2 (Per1/2) [4-6]、脑和肌肉ARNT样蛋白1 (Bmal1) [7] 和Clock [8]的小鼠缺乏进食节律，并显示出微生物群组成的节律变化丧失或减弱。限时喂养（TRF）可以恢复这些中心时钟基因缺陷小鼠的微生物群CR [4, 6, 8]，这表明不规律的进食行为是这些动物微生物群无节律的主要驱动因素。肠上皮细胞[10-12]、肝脏[13]和肠ILC3s[14]中的缺陷遗传时钟改变了特定细菌类群的节律振荡。由于外周时钟缺陷并没有显著改变进食行为[10, 13]，因此对微生物群的影响可能是由于外周组织/细胞中节律基因表达紊乱导致的微生物群落环境变化所致。由于中央时钟是由光信号调控的，因此通过诱导时差扰乱正常的光暗循环可以改变小鼠的进食行为，从而损害微生物群CR [4]。有趣的是，在恒定黑暗条件下饲养的小鼠似乎能够维持微生物群CR [10]，这表明内在时钟在驱动微生物群CR方面比光信号发挥更主要的作用。

睡眠剥夺和运动

与CR一样，睡眠在维持生理稳态方面起着关键作用，其紊乱会对宿主健康产生深远影响。一项涉及超过40万名参与者的大规模前瞻性队列研究数据表明，具有健康睡眠模式（每晚7-8小时睡眠，失眠症状最少，且白天无频繁嗜睡）的个体患结直肠癌（CRC）的风险降低了17%。在遵循所有健康生活方式成分的参与者中——包括定期体育活动（每周≥150分钟）、均衡饮食（富含水果、蔬菜和全谷物）、适度饮酒（男性<每周14杯，女性<每周7杯）和不吸烟——风险降低达到22%。重要的是，那些将健康睡眠与其他生活习惯结合起来的人，总体上CRC风险降低了31%。该研究还发现，失眠或不规律睡眠等睡眠障碍与CRC风险增加12%相关，独立于其他生活方式因素。睡眠剥夺（SD）的特点是睡眠不足或质量差，其驱动因素与影响CR的因素相似。例如，睡眠时间较短的个体显著降低了人防御素5（HD5）的水平，这是一种由小肠潘氏细胞分泌的抗菌肽[34]。HD5在维持微生物群落屏障完整性方面起着关键作用，通过靶向病原菌并调节微生物群落微生物群组成。其减少会损害微生物群落的抗菌防御能力，导致微生物群落通透性增加和微生物群失调[34]。此外，慢性睡眠剥夺会破坏免疫功能，例如通过升高促炎细胞因子如白细胞介素-6（IL-6）[35]，同时减少抗炎细胞因子如IL-10，导致炎症状态加剧[36]。此外，睡眠剥夺的个体自然杀伤（NK）细胞活性明显下降，削弱了身体对抗感染和肿瘤细胞的能力。这些变化也与焦虑样行为有关。例如，最近的报告发现，接受72小时SD的小鼠表现出焦虑样行为，通过标准行为测试如开放场试验进行测量，并确认微生物群落微生物群组成发生了有害变化，表现为产生丁酸盐的有益细菌如SCFA生产者的丰度减少，而丁酸盐对维持微生物群落上皮完整性至关重要[34, 37]。此外，另一种急性SD方案（6小时睡眠剥夺）结合温和处理小鼠以使其保持“清醒”，导致在开放场试验中出现明显的焦虑样行为，在强迫游泳试验中出现抑郁样行为。SD还扰乱了下丘脑中的关键昼夜节律基因，Bmal1和Clock水平下降，而Per1和Per2水平上升，打乱了正常的昼夜节律[35]。

由于SD导致的微生物群紊乱还会损害代谢和认知健康等关键过程。例如，经过四周慢性SD的小鼠表现出显著的微生物多样性丧失，有益细菌如乳杆菌和双歧杆菌减少[34, 37, 38]，而与炎症相关的细菌家族Lachnospiraceae增加。这种微生物群组成的改变也在短期SD方案中得到确认[39]。慢性SD与代谢和炎症变化相关，包括空腹血糖水平升高和胰岛素敏感性降低的迹象[38]。健康成年人的睡眠模式与能量代谢之间的关系也得到了研究。睡眠质量差的受试者静息代谢率（RMR）比睡眠质量好的受试者低5%。此外，睡眠时间较短的个体呼吸商（RQ）增加了3%，表明碳水化合物利用率高于脂肪氧化[40]。这些发现表明，睡眠质量和睡眠时间的减少会不利地影响能量代谢，可能会导致能量消耗减少和底物利用改变。这突显了充足睡眠在维持最佳代谢健康和预防代谢性疾病方面的重要性。此外，慢性失眠已通过微生物群落微生物群-胆汁酸轴与心血管代谢疾病（CMD）相关联。例如，一项针对1,809名参与者的纵向队列研究发现，患有慢性失眠症的个体微生物群落细菌Ruminococcaceae UCG-002和UCG-003的水平降低，这些细菌对于将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸至关重要，并与改善葡萄糖和脂质代谢相关。这种减少与异石胆酸（ILCA）水平降低相关，ILCA是一种具有抗炎特性的胆汁酸，以及与炎症和代谢功能障碍相关的murocholic acid和norcholic acid水平升高。这些胆汁酸介导了微生物群落微生物群组成的改变，并增加了CMD的风险，这一发现在一个独立的6,122名参与者的队列中得到了验证[41]。

尽管SD引起的菌群失调的负面影响是这些后果的核心，但可以通过靶向菌群来纠正SD的影响。例如，经常饮茶与Ruminococcaceae UCG-002水平升高和norcholic acid水平降低相关，表明其对慢性失眠引起的心血管代谢健康的不良影响具有保护作用[41]。这些结果强调了微生物群落微生物群-胆汁酸轴作为干预措施的目标，旨在减轻慢性失眠带来的负面健康影响。同样，源自微生物群落的代谢物如丁酸和麦角硫因具有神经保护和抗炎特性。例如，给予丁酸可使小鼠在光相期间的非快速眼动（NREM）睡眠增加50%，而对照组则没有这种变化[42]。此外，睡眠深度显著增强，反映了NREM睡眠期间的睡眠质量提高[42]。同样，这些改善伴随着皮质酮水平的降低，表明应激反应减弱，麦角硫因可能通过调节下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴来缓解应激引起的睡眠障碍的生理影响[43]。

同样，运动促进了微生物群落菌群组成的有利变化，包括有益细菌属如阿克曼氏菌的丰度增加，这与改善微生物群落屏障功能和减少炎症相关[44]。人类研究也证实了这些发现，例如参加结构化耐力锻炼计划的参与者经历了心肺适应性和代谢健康指标的改善。微生物群落菌群组成也发生了显著变化，包括富集了有益细菌属如拟杆菌和Faecalibacterium，这些细菌与抗炎效应和增强的微生物群落屏障完整性相关。粪便短链脂肪酸（SCFA）浓度也增加，与循环中的炎症标志物减少相关[45]。有趣的是，运动动机本身可能依赖于菌群。某些微生物群落细菌，如Veillonella，可以将乳酸代谢成丙酸，这已被证明可以增强耐力并支持大脑中的奖励通路[46]。微生物群落菌群被破坏的小鼠与对照小鼠相比，自愿跑步距离减少。该研究确定了特定的微生物群落细菌，这些细菌会产生脂肪酸酰胺（FAAs）。具体来说，Eubacterium rectale这种细菌因其在产生FAAs中的作用而被突出，包括油酰乙醇胺（OEA）和棕榈酰乙醇胺（PEA），它们激活微生物群落中的内源性大麻素受体。这种激活增强了运动过程中大脑奖励通路中的多巴胺信号，从而增加了体力活动的积极性。将产生FAA的细菌引入微生物群落菌群被破坏的小鼠中，恢复了它们的运动能力和多巴胺水平[46]。此外，运动在预防糖尿病等代谢性疾病方面的有效性可能受到微生物群落菌群的影响。一项研究发现，在患有糖尿病前期的男性中，运动引起的微生物群落菌群改变与葡萄糖稳态和胰岛素敏感性的改善密切相关[47]。响应者的菌群表现出合成SCFA和支链氨基酸（BCAA）分解代谢的能力增强，而非响应者的菌群则以产生代谢有害化合物如酚类衍生物（吲哚和对甲酚）和硫酸盐为特征，分别来自芳香族和含硫氨基酸（SAAs），这些物质可以损害微生物群落屏障并增加微生物群落炎症。从响应者而非非响应者处移植的粪菌移植（FMT）模拟了运动对肥胖小鼠胰岛素抵抗缓解的效果。这些发现表明，靶向微生物群落菌群可以最大化运动在糖尿病预防中的益处。此外，通过管理睡眠诱导化合物，如褪黑激素，靶向微生物群落-大脑轴，已显示出在缓解睡眠剥夺引起的认知缺陷方面的潜力。褪黑激素影响微生物群落菌群及其代谢物，恢复平衡并改善睡眠剥夺小鼠的认知功能[48]。总的来说，SD可以导致微生物群落菌群组成的有害变化，导致系统性炎症和代谢功能障碍。相反，规律的运动可以促进微生物群落菌群的有益变化，增强代谢健康，并可能缓解睡眠剥夺的不良影响（图2）。

这突显了临床相关的综合策略，通过促进健康的睡眠模式和规律的运动来恢复微生物平衡并增强代谢和认知健康。通过针对SCFA生产和昼夜节律调节等关键途径，这些基于生活方式的干预措施可以减轻SD相关的健康风险，同时优化整体福祉。

压力

微生物群落微生物群在压力条件下的作用已成为越来越重要的研究领域。不同形式的急性和慢性应激源在现代生活中对人类健康造成影响。应激反应影响复杂的相互连接的下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴，进一步与中枢神经系统（CNS）和其他器官相互作用，以有效应对应激源。这一轴的任何扰动都会导致宿主反应的中断，进而导致失控的压力[49]。越来越多的证据表明，压力影响胃微生物群落（GI）道的运动、内脏易激惹性、微生物群落屏障通透性的改变以及细菌数量的增加[50]。如上所述，昼夜节律紊乱是急性应激的一个例子[51]。为了了解微生物群落微生物组与昼夜节律基因之间的相互作用，一项研究使用无菌小鼠或抗生素处理的小鼠耗尽了微生物组[51]。作者观察到无菌小鼠的Bmal1和Clock基因表达失去节律性，而抗生素处理的小鼠的隐花色素-2（Cry2）基因表达失去节律性。这些基因对于维持昼夜节律至关重要。微生物群落微生物组的耗尽还导致代谢组、HPA轴节律性和皮质酮释放受损。此外，该研究还鉴定出一种节律敏感的益生菌共生菌株——罗伊氏乳杆菌，它可以在一天中的特定时间通过影响HPA轴来调节皮质酮水平。这些发现表明，微生物群落微生物群在维持昼夜节律和相关代谢健康方面起着决定性作用[51]。在另一项研究[52]中，当通过将小鼠置于50毫升锥形管中15分钟施加急性约束应激时，它改变了微生物群落通透性和色氨酸代谢。他们观察到这些小鼠的微生物群落微生物组表现出色氨酸代谢的昼夜节律性。通过抗生素或使用无菌小鼠耗尽微生物群落微生物组，会大幅改变微生物群落腔和宿主色氨酸代谢的昼夜节律性。这项研究还发现，宿主来源的结肠色氨酸酶——吲哚胺2,3-双加氧酶1（Ido1）和色氨酸羟化酶1（Tph1）的节律性取决于微生物组的存在。总的来说，这些研究表明微生物群落微生物组在压力调节和昼夜节律中起着不可或缺的作用。

心理状态、微生物群落微生物组和免疫之间存在紧密的调节关系[53]。最近的一项研究[54]强调了十二指肠布伦纳腺（BG）在将压力神经回路与细菌稳态耦合中的作用。在这项研究中，作者描述了一个多突触回路，并确定了中央杏仁核通过迷走神经刺激BG。在BG刺激下，分泌黏液，作为乳杆菌增殖的基质。作者检查了慢性压力对小鼠的影响，这涉及连续六天每天将小鼠限制在塑料板上六小时。他们的发现显示，中央杏仁核活动受到抑制，从而抑制了BG的黏液分泌功能。黏液分泌减少随后导致乳杆菌增殖减少，通过增加促炎和促凋亡细胞因子来改变宿主免疫。多项研究还报告说，利用不同的慢性压力形式，如慢性社会挫败、慢性轻度压力和慢性约束压力，减少了[54]微生物群落[55-57]中乳杆菌的相对丰度。另一项研究[58]使用了十天的慢性社会挫败模型，其中攻击者小鼠反复对实验小鼠进行社交挫败。应激暴露后，对小鼠进行了免疫谱型分析并检查了社交互动。作者确定慢性压力减少了乳杆菌约翰逊氏菌（L. johnsonii），这是一种在健康GI道中常见的益生菌。L. johnsonii通过与白细胞相互作用来对抗感染和减轻炎症，在维持免疫方面起着关键作用[59]。由于慢性压力介导的L. johnsonii抑制，Treg细胞群显著减少，这些细胞已知可以抑制炎症γδ17T细胞[60]。这导致结肠γδ17T细胞的扩张和分化，迁移到大脑并积聚。由γδ17T细胞介导的炎症信号影响大脑中与情绪相关的区域的神经信号传导和突触可塑性，最终导致小鼠的社交回避行为。相比之下，另一项研究[61]展示了丰富乳杆菌鼠类衍生的吲哚-3-乙酸（IAA）代谢物在慢性压力下对微生物群落上皮干扰的作用。微生物衍生的IAA代谢物损害线粒体呼吸和微生物群落干细胞的分泌谱系承诺。补充α-酮戊二酸可以恢复IAA水平并通过增加绒毛长度和隐窝高度来改善上皮细胞功能[61]。所有这些研究表明，压力对宿主的不同影响取决于不同的乳杆菌种类。微生物群落微生物群与压力机制之间的相互作用也在不同疾病模型的背景下进行探索。微生物群落微生物群失调已被认为是镰状细胞病的关键参与者[62]。这种疾病的特点是血管阻塞性事件（VOE），这是由于镰刀形红细胞导致的血流阻塞引起的严重疼痛并发症[63]。在一个人源化镰状细胞病模型中，施加慢性心理压力后，HPA被激活，导致糖皮质激素分泌增加，从而增加微生物群落通透性[64]。微生物群落通透性增加随后导致由SFB引起的TH17细胞激活，从而导致VOE。有趣的是，在另一个慢性压力模型研究[65]中，作者确定，通过反复限制小鼠2小时造成的压力，也会导致微生物群落渗漏和微生物群暴露，随后TH17细胞扩张。然而，在这个模型中，TH17细胞增殖导致保护性细胞因子IL-22的产生。然后这种细胞因子进入大脑隔区，抑制神经元激活，减少与压力相关的焦虑。值得注意的是，虽然IL-22对动物有潜在的好处，但它的产生依赖于白细胞介素1β（IL-1β）和TH17细胞，这两种细胞都与加剧压力相关疾病的关联[66-68]。这些研究表明，存在固有的保护机制来对抗压力；但在不受控制的慢性压力条件下，会导致细胞稳态的破坏，从而导致慢性炎症。

另一个调节微生物群落微生物组的关键因素是饮食，它影响微生物组的稳定性、功能性和多样性[69]。在一项关于饮食和压力之间相互作用的研究[70]中，小鼠接受了慢性束缚压力，并分别喂食粗饲料、等热量纯化饲料或添加棉子糖的纯化饲料。他们观察到，膳食棉子糖维持了罗伊氏乳杆菌的生长，后者将棉子糖代谢为果糖，并通过糖酵解促进应激期间的微生物群落干细胞维持，这表明饮食在缓解微生物群落相关疾病中的作用。细菌衍生的代谢物在塑造微生物群落微生物组方面也起着关键作用。在另一项研究[71]中，慢性压力影响了微生物衍生氨的水平，直接影响宿主行为。慢性压力改变了产脲酶的微生物群，导致较低的系统氨水平。较低的氨水平减少了大脑中必需的谷氨酰胺供应，这对大脑皮质醇功能至关重要。星形胶质细胞中谷氨酰胺的减少增加了压力脆弱性，并导致小鼠的抑郁样行为。口服给药产脲酶的嗜热链球菌逆转了小鼠的抑郁样行为。此外，恢复氨或补充小鼠谷氨酰胺也能缓解抑郁效应。这些研究表明，饮食或细菌衍生的代谢物在压力弹性和管理中起着关键作用，强调了健康饮食的重要性。值得注意的是，不仅是这些环境压力因素，遗传倾向也在压力和微生物群落微生物组的动态调节中起着至关重要的作用。在这方面，另一项研究[72]调查了G蛋白偶联受体35（Gpr35）在通过微生物群落微生物组调节行为中的作用，Gpr35是宿主-微生物相互作用的关键调节因子[73, 74]。在小鼠中敲除Gpr35基因导致与对照小鼠相比，帕拉伯克氏菌远端菌（P. distasonis）的数量增加。P. distasonis的增加减少了吲哚-3-羧醛（IAId）并增加了吲哚-3-乳酸（ILA）的平衡。补充IAId被证明可以逆转Gpr35敲除小鼠的抑郁症状。此外，在另一项人类研究中，法国的一项临床研究发现，较低的IAId与抑郁症状相关[75]。这些结果强调了健康的微生物群落微生物组在压力、饮食和宿主遗传倾向的复杂相互作用中维持稳态的关键作用（图3）。

结论

与现代社会相关的特定生活方式因素，特别是昼夜节律紊乱、睡眠剥夺、运动和压力，可以通过调节微生物群的组成和功能来影响宿主健康和疾病。很明显，宿主昼夜节律紊乱也会扰乱微生物群的昼夜节律，导致宿主代谢、免疫反应和致癌作用的失调。虽然一些研究已经将特定的细菌分类单元或代谢物与昼夜节律紊乱相关的疾病风险联系起来，但其分子机制仍大多未知。目前对昼夜节律紊乱对微生物群影响的认识仅限于细菌，忽略了微生物群落中其他重要的微生物，如真菌、病毒和古菌。此外，微生物群落以外部位（口腔、皮肤等）的微生物组、生活方式和生理结果之间的关系仍然不清楚。生活方式研究的一个普遍局限性是侧重于啮齿动物研究，而对人类队列的研究有限。这一点很重要，因为一项相对大规模的人类队列（>4,000名受试者）研究表明，多药治疗而不是饮食、日常生活方式或疾病是微生物组变化（系统发育和基因通路）的主要驱动因素[76]。在ClinicalTrials.gov上有超过651项临床试验正在研究昼夜节律、睡眠剥夺、压力和运动期间微生物组与生理结果之间的关系，这些研究的结果可能会为微生物在这些反应中的作用提供重要的见解。更广泛和深入地了解各种微生物及其相关代谢产物在介导生活方式不良影响中的作用，可能会导致开发出用于识别高危个体的微生物特征。同样，一旦建立了关于细菌如何调节这些病理状况的机制理解，就有可能对高危个体的微生物群进行干预，形式为活菌疗法或后生素。

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