【原】Nature综述 | 饮食与肠道微生物群之间的相互作用：对健康和疾病的影响

宏基因组 2024-08-22 发布于北京

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饮食与肠道微生物群之间的相互作用：对健康和疾病的影响

Review article，2024-7-15，Nature Reviews Microbiology，[IF 69.2]

DOI：https:///10.1038/s41579-024-01068-4

原文链接：https://www./articles/s41579-024-01068-4

第一作者：Fiona C. Ross

通讯作者：R. Paul Ross & Catherine Stanton （catherine.stanton@teagasc.ie）

主要单位：

科克大学解剖与神经学系

科克大学爱尔兰APC微生物组

翻译整理：曾美尹，深圳基因组所硕士在读

- 摘要 -

饮食在塑造肠道微生物群的组成、功能和多样性方面起着关键作用，各种饮食对肠道内微生物群落的稳定性、功能性和多样性有着深远的影响。了解不同饮食对微生物群的深远影响至关重要，因为它不仅能让我们做出明智的饮食决定以改善代谢和肠道健康，还能预防和减缓由饮食不当引起的相关疾病的发生。在本综述中，我们探讨了地理位置如何影响肠道微生物群，以及不同的饮食如何影响其组成和功能。我们研究了整个饮食方案（如地中海饮食、高纤维饮食、植物性饮食、高蛋白饮食、生酮饮食和西方饮食）影响肠道微生物群的机制。此外，我们强调需要进行详尽的研究，以更好地了解饮食、宿主和微生物之间的因果关系，从而开发精准营养和基于微生物组的疗法。

- 引言 -

人类肠道微生物组由细菌、真菌、病毒和原生动物组成，他们构成了一个复杂而动态的生态系统，对人类健康和疾病具有重要作用。从免疫反应的发展和成熟到应激反应和行为，肠道微生物组在整个生命过程中与宿主生理学的多个方面密切相关。在生命早期，分娩方式、喂养、饮食和环境等因素塑造了肠道微生物组。在成年期，尽管微生物群趋于相对稳定，但外部因素（尤其是饮食）对其组成和功能有重大影响。营养物质、微生物群和免疫系统之间的这种复杂相互作用是维持体内平衡和抵御外部病原体的重要调节机制。研究表明，短期和长期饮食习惯都会改变肠道微生物群的组成和功能，证明了饮食对人类健康的影响。

鉴于宏基因组测序和机器学习的最新进展，有必要及时对当前饮食和微生物组的知识进行详细介绍。这可以加深我们对微生物组和人类健康的理解，促进针对微生物组的疗法和精准营养的发展，以对抗与饮食相关的疾病。例如，地中海饮食已被证明对肠道菌群和人类健康有积极影响，可能有助于预防和减缓疾病进展。然而，最近的研究报告称，两个不同的人食用相同的饮食会导致不同的代谢健康影响和个性化的微生物反应。此外，由于西方饮食和超加工食品消费在全球范围内的增加，心血管疾病、肥胖和2型糖尿病等非传染性疾病已成为我们这个时代的流行病。健康的微生物组不能由单一配置来定义；相反，多种配置才能与健康有关。还要注意的是，某些细菌门、属或种可能与健康或疾病状态有关。例如，普氏菌虽然并不普遍存在，但却是一种常见的人类肠道微生物（在39.1%的健康个体中存在），与宿主健康既有正相关，也有负相关。因此，必须强调的是，许多物种具有相对较大的泛基因组，因此这些物种中的菌株在基因组和功能上可能表现出相当大的差异。这种复杂性在将物种与宿主健康联系起来时会带来挑战。因此，必须认识到哪些食物和饮食模式有益于健康而哪些会产生不利影响，并将这些知识转化为促进健康和预防疾病的实用饮食建议。

在本综述中，我们重点关注不同全日饮食对肠道微生物群的影响，并详细介绍其已知机制。我们深入研究了与生命早期和成年期肠道微生物群相关的饮食相关慢性疾病，并重点介绍了临床实践中用于缓解或预防疾病进展的特定饮食。我们承认宏基因组测序和生物信息学分析的广泛进步极大地提高了我们对饮食及其对微生物群影响的理解，同时讨论了持续存在的差距和挑战。

全饮食及其对肠道微生物群的影响

Whole diets and their effect on the gut microbiome

饮食对肠道微生物群的组成和功能有相当大的有益或有害影响。本节深入研究记录的肠道微生物变化实例及其对不同饮食模式（图1）的因果关系，包括特定的饮食成分（图2和3）。

图1 | 全日粮中常量营养素组成及其对肠道微生物群的影响

图中每一栏代表一种特定的整体饮食：地中海饮食、高纤维饮食、植物性饮食、高蛋白饮食、生酮饮食和西方饮食。饼状图详细说明了每种饮食中常量营养素（脂质、碳水化合物和蛋白质）和酒精含量的分布。该图说明了与每种饮食相关的细菌分类群的变化及其对代谢物产生的影响。向上箭头表示细菌分类群或代谢物的增加，而向下箭头表示细菌分类群或代谢物的减少。地中海饮食与粪杆菌增多、短链脂肪酸（SCFAs）和抗炎分子的产生有关。高纤维饮食与丰富的普雷沃氏菌和粪杆菌种类有关，这同时与短链脂肪酸的产生和结肠运输时间的减少有关。同样，以植物为基础的饮食与普雷沃氏菌和阿克曼氏菌的丰度增加有关，同时也与多酚和短链脂肪酸的生产增加有关。高蛋白饮食与丰富的拟杆菌和梭杆菌有关，同时具有更高的支链脂肪酸（BCFAs）、吲哚和短肽的产量。生酮饮食与厚壁菌门和放线菌种类减少有关，并显示出高酮水平。西方饮食与蓝芽胞杆菌、拟杆菌和瘤胃球菌数量增加有关，这反过来又与代谢紊乱和慢性炎症的风险增加有关。这一全面的描述阐明了不同的饮食成分如何调节肠道微生物群，为其对整体健康和福祉的潜在影响提供了见解。T_H17，辅助性T 17细胞；TMA，三甲胺；TMAO，三甲胺N氧化物。

地中海式饮食

Mediterranean diet

七国研究发表50多年后，地中海饮食已成为预防医学和健康促进的“黄金标准”。地中海饮食强调大量摄入未加工的全植物性食物、橄榄油、乳制品，适量食用家禽和鱼类，少量食用红肉。两项干预研究将地中海饮食与特定的分类学特征联系起来，包括促进健康的普氏栖粪杆菌和罗斯氏菌丰度的增加，以及活泼瘤胃球菌、柯林斯氏菌和扭链胃球菌丰度的减少。饮食导致的微生物组的这些变化与短链脂肪酸（SCFAs）的增加和代谢副产物（如乙醇、对甲酚和二氧化碳）的减少有关。先前的一项研究使用宏基因组鸟枪法测序分析了307名长期饮食信息的男性受试者的纵向微生物组数据。结果表明，地中海饮食与36条功能途径相关，其中大部分类似于植物饮食，具有丰富的SCFA发酵和膳食纤维降解的微生物功能。值得注意的是，坚持地中海饮食与特定的功能途径呈正相关，如果胶分解的D-果糖酸降解途径和半纤维素降解的甘露聚糖降解途径。此外，作者还指出，地中海饮食依从性和降低心血管疾病风险在普雷沃氏菌（P. copri）水平较低的个体中更为明显。

最近，DIRECT-PLUS研究对294名肥胖或血脂异常的参与者进行了研究，发现与地中海饮食相比，绿色地中海饮食有更实质性的结构变化。绿色地中海饮食是地中海饮食的强化版，包括摄入更多的植物性食物和减少红肉，以及每天摄入富含多酚的绿茶和富含Mankai（浮萍）的水生植物，在微生物组成和多样性方面产生了更大的变化。这包括普雷沃氏菌的丰度和支链氨基酸（BCAA）降解酶（异亮氨酸降解）的增加，以及双歧杆菌和BCAA生物合成酶（缬氨酸和异亮氨酸生物合成）的减少。这些变化与体重和心脏代谢指标的积极变化有关。

高纤维饮食

High-fibre diet

膳食纤维对人体健康很重要，因为它可以降低长期体重增加，而低纤维摄入量会增加患2型糖尿病和结肠癌的风险。高纤维饮食改变了肠道微生物组成的状况，包括有益的乳杆菌和双歧杆菌丰度的大幅增加。不同膳食纤维组分对肠道微生物种群的影响不同。例如，母乳喂养的婴儿显示出更高丰度的双歧杆菌种类，以适应母乳中低聚糖（HMOs）的利用——母乳中大量不可消化的益生元糖。断奶后，肠道菌群组成有明显的变化，主要是由于饮食组成的改变。这导致拟杆菌门和厚壁菌门的扩张，它们可以代谢更复杂的多糖。在超重个体中，阿拉伯木聚糖低聚糖干预增加了普雷沃氏菌和直肠真杆菌的丰度，这伴随着代谢组学特征的有利变化，可能保护代谢疾病。在31名志愿者中补充全谷物和麦麸导致双歧杆菌和乳杆菌水平增加，在食用全谷物的人中增加则更为明显；两组的总胆固醇都降低了。燕麦衍生的高分子量β-葡聚糖降低了厚壁菌门，增加了拟杆菌门，同时降低了心血管疾病的风险指标。IV型抗性淀粉形式的膳食纤维对肠道微生物群的组成和功能以及丁酸盐或丙酸盐的产生产生了不同的影响。简单的碳水化合物在小肠中被吸收，而复杂的碳水化合物，如膳食纤维，则经过结肠微生物发酵，产生短链脂肪酸。人类只能产生非常有限的碳水化合物活性酶（CAZymes）来降解碳水化合物，因此，依靠肠道微生物群间接代谢几种膳食纤维。低纤维饮食与肠道微生物中酶库减少有关。

短链脂肪酸具有多种健康益处，包括通过G蛋白偶联受体（GPCR）传递信号和刺激肠内分泌细胞分泌饱腹激素（胰高血糖素样肽1和肽YY）。这影响食欲调节，调节调节性T细胞的功能，以及脂质和葡萄糖代谢，在调节宿主能量代谢和结肠稳态中起关键作用。丁酸盐作为结肠细胞的能量来源，通过肠道末梢细胞（巨噬细胞和树突状细胞）介导抗炎特性，并促进粘液的产生，这突出了其在肠道稳态优化中的作用促进营养吸收和肠道屏障功能。SCFAs与GPCR等细胞的作用和相互作用不仅局限于肠道，还延伸到外周组织、器官和免疫细胞。小鼠模型报告显示，短链脂肪酸和高纤维饮食在降低1型糖尿病、2型糖尿病、哮喘和应激风险，以及减少脂肪酸合成和脂肪分解方面的潜在作用，导致体重减轻和增强神经中枢功能发育。SCFA的吸收导致腔内pH值降低，从而抑制梭状芽孢杆菌类和肠杆菌科pH敏感病原体的生长，并增加营养吸收（图2a）。

粗粮中的不溶性纤维影响肠道转运率和细菌发酵。两项随机对照交叉试验涉及50名超重或有患代谢综合征风险的人，结果表明，与精制谷物饮食相比，全谷物饮食增加了粪便丁酸盐和己酸盐，改善了血脂状况，减少了炎症标志物，并改善了体重减轻。SCFA生产者与结肠运输时间呈负相关。这进一步有助于调节肠道微生物组成和多样性，从而减轻各种肠道疾病，如肠易激综合征、炎症性肠病、结直肠癌和胃癌以及便秘。迄今为止进行的大多数研究都是在动物模型中进行的，有时无法在人类中重现。微生物群与人类健康之间的相互作用强调需要采用整体方法和更大规模的人体研究，认识到饮食碳水化合物、肠道微生物群组成和疾病易感性之间的复杂关系。

图2 | 膳食纤维和蛋白质对人体健康的影响

肠道菌群对膳食纤维和蛋白质的分解，产生的代谢物及其对宿主健康的影响。a：描述了肠道微生物群对纤维的分解及其对屏障功能和免疫的影响，显示了进入门静脉循环的未代谢短链脂肪酸（SCFAs）的下游影响及其对宿主健康的有利影响。在到达肠道后，膳食纤维经过肠道微生物群的发酵，产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸。这会激活G蛋白偶联受体（GPCR），从而触发肠道激素的分泌，包括胰高血糖素样肽（GLP）和YY肽（PYY）。GLP1和PYY在调节食欲、减缓胃排空和促进饱腹感中起着至关重要的作用。此外，SCFAs通过增加粘液分泌和降低腔内pH值来增强肠道屏障功能，从而保护肠道内膜免受损伤，防止有害病原体进入血液。此外，SCFAs具有抗炎症和免疫调节作用，有助于整体肠道健康并降低胃肠道疾病的风险。因此，肠道菌群对膳食纤维的代谢会对人体健康产生一系列有益影响，包括改善胰岛素敏感性和脂肪酸氧化，以及减少炎症。

b：显示了肠道微生物群对蛋白质的代谢以及SCFA和吲哚对人体健康的后续影响。在肠道中，膳食蛋白质通过肠道微生物群进行代谢，这与拟杆菌种类的丰度增加有关。这导致产生各种代谢物，包括短链脂肪酸，支链脂肪酸（BCFAs）和吲哚。BCFAs可以激活GPCR41和GPCR43，触发GLP1和PYY等肠道激素的分泌。此外，BCFAs还能增加黏液分泌，降低肠道pH值，从而增强肠道屏障功能，保护肠壁。SCFAs、BCFAs、GLP1和PYY等肠道激素、粘液分泌和肠道pH对人体健康的影响包括改善胃肠功能、调节食欲、减少炎症、改善胰岛素敏感性和脂肪酸氧化，从而促进肠道整体健康。向上箭头表示细菌分类群或代谢物的增加，而向下箭头表示细菌分类群或代谢物的减少。

植物性饮食

Plant-based diet

植物性饮食富含多酚、宿主可消化和不可消化的碳水化合物，具有益生元和后生元的作用。素食饮食导致独特细菌环境的形成，正如细菌功能的改变所示（例如，素食者表现出较低的肉毒碱降解，但增加了氮的同化）。与杂食饮食相比，这些饮食促进了拟杆菌门和普氏菌种类的丰富，尽管由于微生物的个性和研究方法的不一致，研究得出了相互矛盾的结果。某些属或种的差异水平可归因于饮食的快速或渐进变化、健康与不健康饮食成分的存在以及各种生物活性化合物来源所引起的微生物应激。多酚分为类黄酮和非类黄酮，是植物次生代谢物，存在于水果、蔬菜、谷物、葡萄酒、茶和咖啡中。少量多酚（5%至10%）在小肠中被吸收，主要是那些具有单聚体和二聚体结构的多酚。吸收后，苷元在先肠细胞内进行生物转化，然后在肝细胞内进行。这些代谢物通过循环系统运输到肾脏和肝脏等器官，最终以尿液的形式排出体外。大多数多酚（90%至95%）与回肠和结肠中的肠道微生物相互作用，促进双歧杆菌、艾克曼菌和乳杆菌种类的丰度，从而提供实质性的抗炎和抗致病特性，以及心血管保护功能。最近一项涉及2万多名成年人的随机对照试验表明，食用富含多酚的可可提取物可以减少心血管疾病导致的死亡。然而，心血管疾病的发生并没有减少。多酚可以通过几种机制抑制细菌生长，包括结合和改变细胞膜的功能特征。它们还对食源性病原体发挥抗菌活性，并以剂量依赖的方式作为群体感应抑制剂和抗菌药物。肠道菌群双向调节和代谢多酚，将其转化为更具生物活性的微生物代谢物，并增强其与原始化合物相比的吸收。研究表明，食用具有生物活性的微生物代谢物对人体健康有益。例如，补充尿素A可改善细胞和线粒体健康，补充s-雌马酚可改善骨骼健康、皮肤老化和心血管健康，摄入8-烯丙基柚皮素可调节内分泌和免疫。多酚可以通过改变肠道菌群组成和影响各种微生物酶的功能，调节多种肠道微生物代谢物，包括SCFAs、三甲基胺N-氧化物（TMAO）、多巴胺、脂多糖和胆汁酸。这最终可以通过多种方式引起多酚诱导的宿主反应，例如，作为肠道酸碱平衡的调节。研究表明，多酚对肠道微生物的调节有助于肺功能、中枢神经系统功能和肠道屏障完整性的平衡（图3b）。此外，植物和动物来源之间蛋白质和脂肪类型的差异导致肠道微生物组成的差异，从而导致代谢组的差异。例如，以动物为基础的饮食导致属于另枝菌属和嗜胆菌属的耐胆汁细菌种类的丰度更高，同时降低厚壁菌门的丰度，降低BCAAs的水平，增加SCFA和二甲砜的含量。其他植物化合物，如纤维、萜烯和类胡萝卜素，也已证明对健康有益，如文献57所述。膳食多酚产生酚衍生代谢物的个体间差异归因于每个个体肠道微生物组的独特位置。因此，使用代谢分型分析多酚代谢物可以作为一种有价值的方法来深入了解生物活性化合物的作用，并提供对个体之间实质性多样性的全面理解。

图3 | 膳食中多不饱和脂肪酸和多酚对人体健康的影响

肠道菌群对饮食中多不饱和脂肪酸（PUFAs）和多酚成分的分解，产生的代谢产物及其对宿主健康的影响。

a：当饮食中的PUFA到达肠道时，它们会被肠道菌群代谢。这个过程增加了特定细菌的丰度，如双歧杆菌和产生丁酸盐的细菌。因此，产生各种代谢物，如短链脂肪酸（SCFAs），例如丁酸盐。此外，PUFAs可以减少促炎肠杆菌的丰度，从而减少炎症，改善肠道屏障功能。这可能导致内毒素和白细胞介素17（IL-17）的产生减少，从而减少炎症并改善对人体健康的影响。由PUFA代谢产生的未代谢的SCFA进入体循环，在其中它们表现出免疫调节作用。它们可以通过改善胰岛素敏感性、减少炎症和改善肠漏内毒素血症来增强对肥胖的抵抗力。

b：多酚被肠道细菌代谢，因此被分解成具有生物活性的微生物代谢物。多酚已被证明可以增加肠道内有益细菌的丰度，如双歧杆菌、阿克曼氏菌和乳杆菌。这些细菌在维持肠道屏障功能、调节免疫系统、促进肠道平衡和抑制致病菌生长方面起着至关重要的作用。此外，多酚在肠道内具有显著的抗炎和抗氧化作用。多酚代谢的副产物，即无酚代谢物，在体循环中被吸收，并发挥重要的免疫调节作用。例如，这些代谢物已被证明可以通过减少炎症和氧化应激以及改善内皮功能从而增加外周血流量来改善肺、脑和心脏功能。向上箭头表示细菌分类群或代谢物的增加，而向下箭头表示细菌分类群或代谢物的减少。

高蛋白饮食

High-protein diet

每天蛋白质摄入量超过1.5g/kg的饮食通常被认为是高蛋白饮食。它通常用作为运动员或超重人士的减肥处方。膳食蛋白质大多被宿主蛋白酶分解，但每天可达12-18克的膳食蛋白质可到达大肠并被微生物代谢。不同类型的复杂蛋白质具有不同的消化水平以及不同的氨基酸组成。少数几种细菌参与蛋白质水解，在高蛋白饮食消费者的肠道微生物群中富集，主要是拟杆菌、芽孢杆菌、梭菌、梭杆菌、丙酸杆菌、梭菌、乳杆菌和链球菌。其他细菌可以直接利用氨基酸，并受益于蛋白质水解降解，形成交叉摄食相互作用。蛋白水解细菌利用各种外部肽酶、蛋白酶（包括金属、丝氨酸、半胱氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酸和天冬氨酸蛋白酶）和内肽酶释放短肽和游离氨基酸。大多数氨基酸被发酵成短链脂肪酸。丁酸盐来源于赖氨酸和谷氨酸，乙酸来自丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸，而丙酸盐来源于天冬氨酸、丙氨酸和蛋氨酸。此外，支链氨基酸（例如，异丁酸、缬氨酸和亮氨酸）发酵产生支链脂肪酸，如异丁酸、2-甲基丁酸和异戊酸。其他发酵产物包括潜在的炎症化合物，如源自芳香氨基酸（例如色氨酸）的吲哚和酚类化合物，以及氨、胺、有机酸和气体（即由含硫氨基酸半胱氨酸和蛋氨酸产生的硫化氢和二氧化碳）（图2b）。值得注意的是，其中一些最终产物可能与疾病有关。吲哚和吲哚相关化合物可到达肝脏转化为硫酸吲哚酚，这是一种有毒的代谢物，对肾脏有害，并参与内皮功能障碍。另外，硫化氢具有潜在的诱变性，可能会引起炎症，增加患结肠癌的风险。

生酮饮食

Ketogenic diet

生酮饮食是一种摄入极低碳水化合物、中等蛋白质和高脂肪的饮食模式，可模拟禁食期间的代谢反应，提高循环酮体（来自脂肪酸的分子，在葡萄糖可用性有限时作为替代能量来源）。传统的长链甘油三酯生酮饮食遵循4：1的脂肪（克数）与蛋白质和碳水化合物的比例。变化包括中链甘油三酯生酮饮食、改良的阿特金斯饮食和低血糖指数治疗，每一种都略微改变了宏量营养素的比例。生酮饮食长期以来一直被用作治疗癫痫的饮食疗法，新出现的研究表明，这种饮食对治疗阿尔茨海默病、肥胖和癌症等各种疾病有好处。典型的高脂肪饮食持续提高厚壁菌门的丰度，减少拟杆菌；然而，生酮饮食有不同的效果。在一项涉及17名超重成年人的研究中，4周的生酮饮食显示，人类肠道内放线菌门和厚壁菌门的数量大幅减少。具体来说，有益双歧杆菌减少了19种，而拟杆菌门（Bacteroidetes）的丰度增加了。这些改变部分是通过宿主产生酮体诱导的。同样，一项对12名患有严重癫痫的儿童进行的为期3个月的研究表明，在生酮饮食后，促进健康和消耗纤维的双歧杆菌、直肠杆菌和小球藻属的数量大幅减少，相反，儿童的拟杆菌和埃希氏菌的数量增加，后者部分是由于大肠埃希氏菌的增加。此外临床前研究还表明，生酮饮食对肠道微生物组组成有实质性的改变，最显著的是艾克曼菌属（特别是嗜粘蛋白-艾克曼菌）以及乳杆菌、罗斯氏菌和副拟杆菌的水平增加，苏黎世杆菌、脱硫弧菌、埃希氏杆菌和志贺氏菌的水平大幅减少。

一项研究分析了生酮饮食对肠道微生物生物组组成变化的机制，发现双歧杆菌与人类和小鼠的酮体β-羟基丁酸（βHB）之间存在显著的负相关。这项研究建立了与生酮饮食摄入相关的肠道微生物群和免疫反应之间的因果关系，揭示了将来自生酮饮食的人类供体的粪便微生物群移植到无菌小鼠体内会导致肠道辅助性T-17（T_H17）细胞积累的不同。与早期双歧杆菌对肠道T_H17细胞的强大诱导的研究一致，这种调节以肠道和脂肪组织中促炎T_H17细胞的减少为特征，强调了生酮饮食对肠道微生物群组成及其随后对宿主免疫反应的影响。然而，由于随后有益肠道微生物群的减少和促炎和致病性肠道细菌的促进，需要进一步研究以了解生酮饮食对宿主健康的长期影响。

西方饮食

Western diet

西方饮食的特点是热量含量高，富含动物蛋白、饱和脂肪、单糖和超加工食品，纤维、水果和蔬菜蔬菜含量不足。与其他饮食相比，西方饮食与肠道微生物群多样性的显著减少有关，肠道特征转向以拟杆菌属为主。其他富集菌属包括瘤胃球菌属、粪杆菌属、双歧杆菌属、另枝菌属、布劳特氏菌属和嗜胆菌属。由于较低的纤维输入和不同的微生物组成，相关的微生物群系产生较少的SCFA。来自红肉的特定化合物，如胆碱和肉碱，也可以被肠道微生物转化为三甲胺，然后在肝脏转化为与慢性疾病相关的氧化三甲胺。加工食品含有多种添加剂、防腐剂和乳化剂，它们能够直接或间接地与肠道微生物群相互作用。存在于低卡路里或减肥食品和饮料中的非营养性人工甜味剂，如糖精、三氯蔗糖和阿斯巴甜，对微生物群的多样性和组成有潜在的长期影响，但这些影响尚不清楚。其他添加剂，如卡拉胶（一种从红海藻中提取的增稠剂或胶凝剂，存在于许多加工食品中，如乳制品），已知会导致肠道炎症和破坏黏液层，导致肠道微生物群的变化。人造食用色素，如糖果和烘焙产品中存在的诱惑红AC，通过与肠道细菌的相互作用赋予颜色并改变硫的稳态。一些防腐剂，如加工肉类中的硝酸钠，也可以调节肠道微生物组的组成，而乳化剂，如羧甲基纤维素（一种存在于酱汁中的增稠剂）和聚山酸酯-80（一种存在于酱汁和烘焙食品中的乳化剂和稳定剂）直接影响肠道微生物组的组成和功能。总的来说，西方饮食与慢性炎症的激增有关，导致与饮食相关的疾病，包括肥胖和许多其他非传染性疾病。

- 与微生物组相关的全球饮食 -

Global diets associated with the microbiome

全球各地区独特的饮食模式会影响肠道微生物群和宿主健康。然而，将其影响从宿主特异性属性与全球或当地环境影响区分开来是一项挑战，因为种族等其他因素也会显著影响肠道微生物群组成。最近的一项针对5230个活性化肠道宏基因组的报告显示，西方人群的肠道特征主要是拟杆菌属、普氏菌属和厚壁菌门的成员，而非西方人群的肠道特征主要是普氏菌属和厚壁菌门，而拟杆菌属的数量很少。高光照，超加工食品和饮食习惯，以及其他因素，如卫生，抗生素的使用和身体活动水平可能导致这些差异。许多研究一致表明，在传统和非西方人群中，细菌多样性和微生物丰富度更高。正如各种大规模研究所报告的那样，这些差异将他们与以低纤维和高饱和脂肪为特征的城市工业化个体区分开来。

为了调查肠道微生物组成和功能的全球差异以及饮食的后续影响，研究将哈扎狩猎采集者社区，巴布亚新几内亚，游牧民族和非洲人群（儿童和成人）的肠道微生物组与美国人的肠道微生物组进行了比较。其他研究比较了意大利儿童和布基纳法索儿童的肠道微生物组。工业化国家通常坚持西式饮食，而非工业化人口优先考虑多样化，全植物性食物，保持丰富的肠道微生物群。尽管城市和狩猎采集者的微生物组表现出最大的差异，但农业、农村和农牧微生物组代表了两个极端之间的微生物组组成的中间状态。超深度宏基因组测序显示，哈扎人的肠道微生物群包含730种细菌，超过了尼泊尔农业人口、尼泊尔采集者和加利福尼亚人群436、317和277种。哈扎人的肠道微生物组表现出与大量植物性饮食相一致的特征；然而，它们也富含降解木胺的普雷沃氏菌和密螺旋体，以及未分类的拟杆菌门和梭菌门，这些物种在工业化微生物群落中很少或不存在。这些群体因其纤维蛋白溶解能力而被认可，因此，强调了哈扎社区如何表现出独特的聚糖降解能力，使他们能够管理引入其饮食中的抗性有机物质。

同样，生活在布基纳法索的15名儿童具有独特的丰富的普雷沃氏菌和木聚糖杆菌，这在欧洲儿童中是不存在的，这表明肠道微生物群与布基纳法索个体富含多糖的饮食的共同进化使他们能够优化从纤维中提取能量。正如METS-Microbiome研究所证明的那样，肠道微生物多样性的丧失伴随着西方饮食，该研究对来自非洲和美国的1904名个体进行了扩增子测序和代谢组学研究。普雷沃氏菌肠型在非洲的流行率较高，分别在加纳和南非的个体中观察到81%和62%。类杆菌肠型在美国（75%）和牙买加（68%）人群中更为普遍。研究还发现了与肠道微生物组组成变化相关的相应功能改变。例如，对古代粪便样本的分析发现，西化在减少普雷沃氏菌的流行方面发挥了作用。一项对6500多个宏基因组的荟萃分析发现，普雷沃氏菌在非西方生活方式人群中的患病率为95.4%，在西方生活方式人群中的患病率为29.6%。菌株水平的差异与习惯饮食有关，这些菌株随后的功能潜力在西方和非西方人群中不同。高纤维饮食与具有增强碳水化合物分解代谢潜力的普雷沃氏菌菌株相关，而杂食性饮食显示出更高水平的普雷沃氏菌菌株，其leuB基因上调，该基因与BCAA生物合成相关，是葡萄糖耐受不良和2型糖尿病的危险因素。

基于人群的研究还表明，同一国家的个体肠道微生物组存在不同。在印度等人口众多的国家，以不同的生活方式和饮食习惯为特征的区域饮食对肠道微生物群有不同的影响。在以植物为基础的饮食普遍存在的印度中北部，发现了较多的普氏菌属，而以杂食性饮食而闻名的印度南部，则显示出较多的拟杆菌、粪杆菌和瘤胃球菌属。一项对蒙古人种和原始澳大利亚部落进行的微生物组分析显示，所有部落的普雷沃氏菌水平持续升高，拟杆菌含量下降。这些部落以大量食用发酵食品、大米、蔬菜、鱼、肉和全谷物而闻名。不同部落之间的生活方式梯度差异很大，阿萨姆邦和特伦甘纳邦部落的粪杆菌、真杆菌和布劳特氏菌属盛行，而锡金部落的拟杆菌、双歧杆菌和乳酸杆菌种则盛行。同样，另一项研究表明，与美国印第安人相比，四个传统的喜马拉雅种群（塔里人、拉特人、拉吉人和切潘人）表现出不同的肠道微生物群。采用农场的社区的肠道微生物组显示出与美国人更大的相似性。喜马拉雅种群显示出较高的变形菌门，而放线菌门、厚壁菌门和疣微菌门的水平在美洲种群中较高，在农民种群（塔鲁人、拉吉人和拉特人）中处于中等水平，在觅食种群（切潘人）中最低。

旅行和迁徙也被证明对肠道微生物组的组成和功能有深远的影响。在爱尔兰本土的少数民族爱尔兰旅行者的肠道微生物组中可以看到一项人的检查，显示出与非工业化人口的惊人相似性，这种相似性在爱尔兰游牧民族结束20年后仍然存在。尽管采用了西式饮食，但爱尔兰旅行者和非工业化社区之间共享的丰富物种包括家粪球菌、产气荚膜梭菌、唾液链球菌和粪球菌。虽然非饮食因素也可能导致这些发现，但这项研究扩大了我们对现代化如何影响肠道微生物群的理解。此外，移民到美国和采用西方饮食已被证明有助于增加患有代谢疾病的移民人口。一项研究收集了来自苗族和克伦族社区（分别来自中国和缅甸的两个少数民族）的第一代和第二代移民的514份粪便样本，以及来自在美国出生的欧裔美国人的36份样本，发现肠道微生物群特征的实质性变化是短期短期和长期移民到美国的结果。肠道微生物多样性的减少以及从普雷沃氏菌到拟杆菌的优势转变导致关键菌株的丧失，导致纤维降解能力下降，包括糖胺聚糖的糖苷水解酶（GH17、GH64和GH87）的丧失，以及GH5和GH26糖苷水解酶的丧失，这表明纤维素、β-甘露水聚糖和可能的木葡聚糖的降解潜力降低。

- 饮食对微生物介导疾病的影响 -

The impact of diet on microbiome-mediated diseases

饮食和疾病之间错综复杂的相互作用强调了营养选择在影响健康结果方面的重要作用。下一节讨论饮食模式如何促进微生物组介导的疾病进展。

早期生活和母亲饮食在成人健康结果中的作用

The role of early-life and maternal diet in adult health outcomes

母乳是大量生物活性化合物的来源，包括含HMOs、免疫球蛋白G （IgG）、免疫细胞和microRNA（miRNA），其中一些可以影响婴儿的肠道微生物群。与配方奶相比，母乳喂养会导致更高水平的炎症标志物，如粪便钙保护蛋白和β-防御素2，反映出免疫成熟与促炎血清细胞因子的减少。双歧杆菌属（短双歧杆菌、两歧双歧杆菌、长双歧杆菌长亚种（简称为长双歧杆菌）、长双歧杆菌婴儿亚种（简称为婴儿双歧杆菌）和假链双歧杆菌）和拟杆菌属对HMO的利用，导致它们在母乳喂养婴儿的肠道中占据主导地位。此外，这可以改变宿主中微生物与代谢物之间的关系，正如肌苷水平降低与长芽孢杆菌丰度增加之间的相关性所证明的那样，这表明在婴儿免疫和神经发育中具有潜在作用。HMOs具有益生元的功能，保护婴儿免受感染，促进大脑发育和粘液屏障，降低肠道通透性，发挥免疫调节作用。乳铁蛋白和溶菌酶发挥抗菌特性，介导对感染的保护。

利用HMO后形成的SCFA在肠道中被宿主用作能量来源。配方奶喂养而非纯母乳喂养的婴儿体内含有更多的链球菌、肠球菌、细微杆菌和样梭菌，并且在碳水化合物代谢途径较多的情况下表现出不同的功能能力，这表明饮食对肠道微生物的重要性。较短的母乳喂养时间与生命早期高度多样化和成人样的微生物组成有关。母乳中的HMO调节婴儿肠道微生物群，并提供多种健康益处，如长期防止过敏、特应性皮炎和肥胖，以及增强肠道屏障功能。同样，断奶食物的引入会导致肠道菌群的变化，促进碳水化合物的利用、维生素的合成和异种生物的降解，导致厚壁菌门和拟杆菌门微生物的水平增加。婴儿肠道微生物组成与母亲的海鲜消费以及怀孕期间的高纤维和高脂肪饮食之间的关系已有文献记载。最近的一项研究报道，母亲的饮食干预（包括脂肪和糖的摄入）改变了婴儿肠道微生物群的功能，而另一项研究报道没有关联。最近的研究表明，怀孕期间低纤维饮食的小鼠后代浆细胞样树突状细胞延迟，调节性T细胞扩增受到干扰，导致呼吸道感染的严重程度增加。同样，无纤维饮食的小鼠在幼崽中表现出较低比例的嗜粘单胞菌、先天淋巴样细胞和T_H17细胞，而饲喂纤维饮食的缺乏嗜粘单胞菌的小鼠表现出先天和适应性RORγt阳性免疫细胞亚群的减少。另一项对母猪和小鼠的研究表明，富含发酵食物的母亲饮食通过磷酸化p38丝裂原活化蛋白激酶和c-Jun氨基末端激酶活化caspase 3来影响新生儿肠道微生物群的发育，并减少结肠炎症。母亲饮食对婴儿健康的长期影响程度值得进一步调查。

饮食，微生物群和代谢紊乱

Diet, the microbiome, and metabolic disorders

每天蛋白质摄入量超过1.5g/kg的饮食通常被认为是高蛋白饮食。它通常用作为运动员或超重人士的减肥处方。膳食蛋白质大多被宿主蛋白酶分解，但每天可达12-18克的膳食蛋白质可到达大肠并被微生物代谢。

- 结论 -

肠道微生物群在调节宿主代谢方面发挥着关键作用，微生物组成的某些变化和多样性的减少与几种代谢紊乱的增加有关（图4a）。研究人员利用无细菌的啮齿动物模型，建立了肠道微生物群与肥胖之间的联系。来自肥胖小鼠的肠道微生物群定植无菌小鼠导致体重和胰岛素抵抗显著增加，而饲喂西方饮食的无菌小鼠则没有肥胖的发生，突出了肠道微生物群在肥胖中的作用。然而，其他几项研究同意微生物群在能量平衡中的作用，但未能显示其在肥胖发展中的决定性作用，并指出需要更多的研究来探索这种复杂的关系。肠道微生物群主要是厚壁菌门和拟杆菌门，它们的比例增加与肥胖有关，同时伴随着微生物多样性的总体减少。然而，关于这种联系的结果在研究中并不一致。最近的一项荟萃分析回顾了10项研究肠道微生物群与肥胖之间关系的研究，并报告说，除了一项研究外，所有研究都无法检测到微生物多样性的实质性变化。这强调了大型队列研究的重要性，以验证微生物组改变与肥胖之间的假设因果关系。

2型糖尿病、心血管疾病和高血压与肥胖有关，微生物组在这些代谢条件中的作用已被研究。患有2型糖尿病和肥胖的个体通常表现为丁酸盐生成物减少，醋酸盐和促炎物质增加，这与胰岛素抵抗升高有关。一项针对肥胖小鼠的研究支持肠道微生物群在2型糖尿病中的作用。双歧杆菌、拟杆菌、粪杆菌和阿克曼菌种与2 型糖尿病呈负相关，双歧杆菌可增加胰高血糖素样肽-2（GLP2）的水平，从而改善肠道通透性并减少代谢性内毒素。二甲双胍是一种常见的2型糖尿病药物，与肠道菌群相互作用，可能通过调节葡萄糖稳态和SCFA的产生来调节其抗糖尿病作用。尽管人类肠道微生物群的变化与代谢紊乱有关，但将这些微生物群转移到小鼠身上以复制糖尿病的尝试一直没有成功，这表明它们不是2型糖尿病所特有的。心血管代谢性疾病患者的肠道菌群发生改变，其特征是肠杆菌科增加，拟杆菌科和抗炎普氏栖粪杆菌减少。肠道菌群的这些变化与肠道环境的炎症性增加和发酵性减少有关。氧化三甲胺是肠道细菌从膳食化合物中产生的一种代谢物，与动脉硬化、血小板聚集和血栓形成有关。对小鼠和人类的研究表明，饮食因素会影响氧化三甲胺水平，在某些情况下，抗生素会降低氧化三甲胺水平，而杂食性饮食会增加氧化三甲胺水平。TMAO水平升高与心力衰竭患者较高的死亡率相关。然而，结果是不一致的，因为一些研究表明某些饮食成分如左旋肉碱和富含氧化三甲胺的食物对预防动脉粥样硬化有潜在的好处，这就提出了饮食、微生物群和宿主遗传在动脉硬化发展中的复杂相互作用的问题。微生物组改变引起的能量同质停滞的微小变化可产生长期影响，在代谢性疾病中发挥作用，既是因果因素，也是促成因素。此外，它们可以作为使用微生物组靶向治疗来改善这些条件的靶标。

图4 | 饮食、肠道微生物群和代谢以及肠道疾病

饮食会影响肠道微生物群，因此影响发育代谢紊乱和肠道紊乱。

a：增加含胆碱的红肉摄入量会导致三甲胺增加。随后，三甲胺在肠道中被肝黄素单加氧酶转化为三甲胺N‑氧化物（TMAO）。TMAO被认为与心血管疾病（CVD）的发展有关，因为它会促进动脉粥样硬化，增加不良心血管事件的风险，包括主动脉斑块形成、炎症和动脉胆固醇沉积。此外，饮食中脂肪的增加会影响胆汁酸的活化受体，如法内酯X受体（FXR）和Takeda G蛋白偶联受体5（TGR5）在脂质和葡萄糖代谢中起重要作用。这些途径的失调会导致心血管疾病的发展。红色箭头表示膳食脂肪会对宿主健康产生下游影响，最终导致心血管疾病风险的作用机制。此外，蓝色箭头表示胆碱（主要存在于动物产品中）如何导致心血管疾病风险。

b：增加动物蛋白（绿色箭头）和低纤维（紫色箭头）饮食会对生理功能和宿主健康产生下游影响。增加红肉的摄入量会导致胆碱水平升高，从而导致小肠中由于血红素吸收不良而产生更多的氢和苯酚。这反过来又会减少胃肠道中的丁酸产生（用“X”标记表示），从而导致炎症增加。同样，饮食中纤维摄入量的减少会对肠道健康产生负面影响，因为它会增加T_H17的产生，同时减少T调节细胞（Treg）和短链脂肪酸（SCFA）的产生。这种不平衡最终会导致胃肠道慢性炎症加剧。肠道长期慢性炎症会大大增加罹患炎症性肠病（IBD）的风险。

饮食，微生物群和肠道疾病

Diet, the microbiome and intestinal disorders

饮食在肠道疾病，特别是炎症性肠病、肠易激综合征和结肠癌的病理生理中起着关键作用（图4b）。过敏、食物不耐受、微生物群组成的变化、轻度黏膜炎症和肠道通透性增加都可能导致肠易激综合征的表现。研究发现，与对照组相比，肠易激综合征患者的微菌谱存在显著差异。早期的研究在肠易激综合征患者的肠道微生物群组成方面产生了不一致的发现；然而，与最近的研究一致，观察到与致病性肠易激综合征相似的人类微生物组表现出较低的拟杆菌门种类的丰度，以及与氨基酸和碳水化合物代谢相关的厚壁菌门种类和基因的丰度增加。饮食还可以改变炎症性肠病（包括克罗恩病和溃疡性结肠炎）的肠道微生物群组成，影响短链脂肪酸和纤维等物质的代谢，从而导致疾病的发作。动物蛋白、乳制品、碳水化合物和多不饱和脂肪酸等食物成分与患炎症性肠病的风险有关（图3a）。一种将炎症性肠病与动物蛋白联系起来的机制涉及小肠对氨基酸和血红素的吸收不良，导致有害副产物如苯酚和氢的产生。通过抑制丁酸盐的产生和减少肠屏障中的二硫桥，这有助于炎症性肠病的发病机制。富含脂肪的饮食也与炎症性肠病的发展密切相关。在实验模型中，高脂肪饮食会破坏肠细胞之间的结合蛋白功能，从而改变黏液层和肠道微生物群的组成（框1）。

持续和控制不充分的炎症性肠病，以及由于不良饮食模式（如西方饮食）引起的慢性胃肠道炎症，是影响结肠炎相关结直肠癌风险的主要外部因素。这些因素影响免疫反应、肠道组织平衡和肠道微生物群。饮食也可在散发性结直肠癌发病中起作用。一项研究发现，低纤维、高脂肪饮食与核梭杆菌之间存在关联。

梭杆菌属与结直肠癌有关，其机制包括激活E‑钙粘蛋白‑β‑连环蛋白信号、表观遗传变化和肿瘤微环境改变，从而导致恶性转化。同样，据推测，致癌细菌（如产肠毒素脆弱拟杆菌）通过直接与结肠上皮细胞接触并改变局部微生物群组成，引发结直肠癌。

方框1 | 饮食对肠道菌群、病毒组和耐药组的影响

人类肠道是真菌和病毒种群的家园，我们将其分别称为真菌组和病毒组。虽然这些群落只占肠道微生物总数的0.1%至1%，但它们都受到饮食的影响。在婴儿肠道菌群中，酿酒酵母菌是优势菌种，但在断奶后，它被囊泡菌、子囊菌和单胞菌所取代。生活在城市地区的人的肠道真菌组成包括酿酒葡萄球菌和较少的产生SCFA的细菌，而农村居民则表现出尚未研究的真菌物种的多样性。念珠菌种类与富含碳水化合物的饮食相关，而与富含蛋白质的饮食负相关。

母乳喂养和配方奶粉喂养的婴儿肠道病毒组成的差异是由肠道微生物群的变化和复杂的病毒-细菌相互作用引起的，这是病毒通过母乳垂直转移的结果，而配方奶粉喂养则不会发生这种情况。

富含脂肪的饮食与虹膜病毒科病毒丰度的减少和微病毒科噬菌体丰度的增加有关。无麸质饮食与相反的变化有关，与Siphoviridae在微病毒科中占主导地位。与细菌微生物组一样，在肥胖和1型和2型糖尿病患者中观察到病毒组成的变化。在喂食高脂肪食物的小鼠中进行粪便病毒移植降低了肥胖的风险，尽管确切的机制尚不清楚。

肠道抵抗组——所有赋予抗菌素耐药性的基因或遗传物质的集合——随着细菌微生物组和病毒组的不同而变化。一些研究报道，属于γ变形菌纲的属具有丰富的抗生素耐药基因（ARG）库。最近的一项研究表明，与母乳喂养的婴儿相比，配方奶粉喂养的婴儿ARG负荷更高，这种差异与细菌组成有关。尽管采用纯素和鱼素饮食的个体在肠道中表现出不同的微生物组成，但他们的抵抗组谱并没有表现出实质性的差异，这表明抵抗组主要是由抗菌素暴露而不是饮食形成的，含有特定防腐剂的食物可能例外。然而，另一项研究发现，美国高纤维消费者的ARG167含量较低。需要详细的饮食干预研究来了解饮食是否可以减轻ARG负担。

针对疾病状态的饮食

Diets specific to disease states

地中海饮食在缓解和控制多种疾病方面是有效的，包括心血管疾病、2型糖尿病、炎症性肠病、肠易激综合征、认知能力下降和抑郁症（方框2）。此外，对这种饮食的改变，如MIND，已经成功地降低了患阿尔茨海默病的风险，减缓了认知能力下降。同样，DASH（预防高血压的饮食方法）饮食已被证明对治疗高血压有效。一种特定的碳水化合物饮食在临床实践中用于治疗炎症性肠病的症状。特定碳水化合物饮食在儿科和成人队列中已证明其有效性，并与改善临床参数和炎症标志物相关。然而，要保持这种饮食，进行营养控制以避免营养缺乏和体重减轻是必不可少的。

方框2 | Food for thought

精神疾病与脑-肠微生物群轴和饮食模式的改变有关，这促使人们对旨在减轻和预防精神健康状况恶化的饮食干预越来越感兴趣。大量研究表明，遵循地中海饮食与增强心理健康和降低抑郁风险有关，然而，据报道，坚持西方饮食会增加代谢性内毒素血症（血液中内毒素水平升高的一种情况，如脂多糖），减少微生物多样性，并产生与抑郁症有关的多种下游影响。人们提出了许多假设来解释与饮食和精神疾病有关的潜在机制。在阿尔茨海默病中，血流减少介导的血管舒张和饮食相关的内皮功能障碍可能是疾病发病的潜在原因。研究表明，高质量的饮食，如地中海和地中海-DASH神经退行性延迟干预（MIND）饮食，可能会减少认知能力下降。有趣的是，一种富含发酵食品和益生菌的精神生物饮食在减少感知压力方面显示出有希望的结果。该研究已观察到粪便脂质和尿中色氨酸代谢物的实质性变化。此外，小规模研究表明，无麸质、无酪蛋白的饮食可以改善自闭症谱系障碍的一些症状，如多动、沟通和行为障碍。

饮食通过多种途径影响肠道微生物群与大脑之间的交流，包括调节神经递质和色氨酸代谢。饮食因素可以影响肠道和大脑之间的炎症信号，特定的微生物和代谢物可以促进或抑制免疫激活，可能有助于各种精神疾病的神经炎症过程。需要进一步的研究，特别是通过人类干预试验，来建立饮食、肠道微生物群和精神疾病之间的因果关系。

对于肠易激综合征的治疗，常规使用低发酵低聚糖、双糖、单糖和多元醇（低FODMAP）饮食，50%至80%的患者有积极的临床反应。尽管其作用机制尚不完全清楚，但一项对41名低fodmap饮食患者进行的为期4周的研究显示，肠道微生物群的组成和功能从致病性样肠易激综合征肠道微生物群向健康相关肠道微生物群转变。同样，研究表明，坚持低fodmap饮食可以显著减少青少年双歧杆菌，从而破坏肠道屏障功能并改变紧密连接的完整性，从而支持低fodmap饮食的积极作用是由肠道微生物群介导的假设。

无麸质饮食是目前治疗乳糜泻的唯一方法，研究证实了这种饮食对缓解胃肠道症状的有效性。采用这种饮食方案与肠道微生物组成和微生物途径的改变有关。最近的一项研究分析了来自乳糜泻患者的小RNA和宏基因组测序数据，比较了严格坚持无麸质饮食和不坚持无麸质饮食的人。研究结果表明，采用无麸质饮食改变了miRNA和微生物谱。该研究还揭示了乳糜泻患者的miRNA-细菌关系和特定分子模式，提示潜在的生物标记物可以监测对无麸质饮食的依从性并评估肠道炎症状态。

低蛋白饮食被推荐用于慢性肾脏疾病的治疗，其目的是减缓进展到终末期肾脏疾病，并延迟肾脏替代治疗的需要。一项系统综述得出结论，极低蛋白质饮食可以有效地减少4期或5期肾脏疾病的发生。然而，单独采用低蛋白饮食并不影响终末期肾病的发展。此外，对五篇文章的系统回顾和荟萃分析结果发现，低蛋白质饮食增加了拟杆菌科、乳酸杆菌和耐盐链球菌的丰度，同时减少了粪罗斯氏菌和埃格尔硫拟杆菌的丰度。然而，如果没有微生物多样性和丰富度的全球组成变化，这些变化（主要是在物种和科水平上）似乎不足以影响代谢或临床结果。

血糖指数饮食，用于2型糖尿病的管理，由于其对肠道微生物组的影响及其在影响疾病发展和严重程度方面的潜在作用而引起人们的兴趣。这种饮食包括以低血糖指数为特征的碳水化合物的消耗（例如，豆类，燕麦和小麦），促进血糖水平的逐渐和持续上升。虽然关于这种饮食对肠道微生物群影响的研究有限，但对小鼠的研究表明，大麦摄入会增加乳酸杆菌、普雷沃氏菌和纤维降解细菌家族成员的丰度，或者全麦燕麦摄入会增加双歧杆菌和乳杆菌-肠球菌的丰度。

- 针对肠道微生物群的精准营养 -

Precision nutrition targeting the gut microbiome

精准营养是一个新兴领域，旨在根据个人的独特特征（包括健康和疾病中的微生物群）量身定制饮食建议。通过分析微生物组的组成和功能，可以根据特定的微生物特征识别出不足或缺失的饮食成分，并选择正确的益生菌或益生元，以达到最佳的肠道健康。将饮食作为一种精确营养的形式，在预防、治疗和减轻疾病方面是有用的。然而，饮食干预治疗这些疾病的有效性在很大程度上取决于个体宿主及其独特的肠道微生物组组成。此外，精准医疗必须考虑精准营养，因为它会影响微生物群组成，特别是在癌症免疫治疗的背景下，肠道微生物群会影响药物疗效。必须进行大规模和化的对照试验，跨越地理、性别、种族和年龄等不同因素，以更深入地了解饮食对各种健康结果的复杂和个性化影响。

- 结论与展望 -

为了阐明微生物组、宿主和营养之间的复杂关系，整合多组学技术，包括宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学、代谢组学、培养组学和同位素技术等，变得至关重要。为了确保不同数据集和人群之间的一致性和可重复性，有必要通过交叉平台比较和临床结果评估来验证结果。下一代测序提供了对细菌种类、菌株、基因、途径和代谢物的深入了解，这些都是饮食与微生物相互作用的基础，未来将致力于以长读宏基因组测序为主，大幅增强宏基因组组装。这种方法将改进结构变异检测，使对特定时间肠道微生物组功能功能性的全面研究成为可能，并加深我们对人类饮食-微生物组-疾病相互作用的理解。要破译饮食、宿主及其微生物群之间的因果关系，仍存在许多挑战。为此目的建立了不同的数据库，包括FoodDB和USDA食品成分数据库，以及结合食物、人类和细菌代谢能力的数据库，如Virtual metabolic human和AGORA2。这些数据库为数学模型（尤其是基因组规模的代谢模型）提供数据，为了解肠道微生物组的代谢潜力和相互作用提供了参考。人工智能（即机器学习和深度学习）与数学模型的结合提高了预测性能。

微生物组研究已经取得了巨大进展，但仍存在空白和挑战。粪便微生物组分析是理解人体胃肠道中微生物群落真正组成和复杂性的一种代理方法。通过使用可消化装置和多组学分析证明了这一点，其中来自15名健康个体的240个肠道样本显示肠道和粪便之间细菌，噬菌体，宿主蛋白和代谢物组成的显着差异。需要结合这项技术进行进一步研究，以调查饮食和疾病如何影响肠道微生物群、代谢组、病毒组和蛋白质组。在临床研究中，复杂的个体饮食妨碍了我们对特定饮食成分对肠道微生物群落影响的理解。这种情况因缺乏对细菌排放量的量化而变得更加复杂。例如，心理因素（如应激反应）在多大程度上影响健康个体的微生物组仍然是一个问题。混杂因素持续地复杂化了我们对饮食与微生物组相互作用的理解。为了克服这些挑战，了解个体独特的微生物组以及他们对可能影响微生物组组成和功能的环境污染因素的历史暴露是至关重要的。在比较全球干预研究时，必须考虑到全球各区域由于不同的生产参数和农药和抗生素等添加剂的影响而导致的食品成分差异。

更深入的微生物组干预试验，涉及大量人群，通过饮食操纵微生物组，对于验证饮食改变、微生物组调节与健康结果之间的因果关系至关重要。这类研究有助于推进以微生物组为目标的治疗方法的发展。此外，全面、标准化、长期（跨越数十年）的研究对于准确了解饮食对人类微生物组的影响至关重要，包括在全球范围内对不同生命阶段的不同人群进行连续和实时跟踪，类似于人类基因组计划。膳食元数据的整合，包括营养摄入和进餐时间等因素，可以通过移动应用程序或可穿戴设备实现。由于不到15%的世界人口生活在欧洲或北美，而超过70%已公布的人类微生物群系数据来自这些地区，低收入国家的代表性远远不足，其相关疾病（如营养不良）受到的关注也少得多。收集全球微生物组数据以了解不同地区独特的微生物关联，并开发针对每个地区需求的靶向治疗方法至关重要，这需要全球多个研究中心之间的大规模合作。从这篇综述中可以明显看出，最近的研究强调饮食是临床研究中解释肠道微生物与疾病之间因果关系的一个混杂因素，强调需要全面的饮食元数据来概括临床发现，以推进微生物组靶向治疗。

参考文献

Ross, F.C., Patangia, D., Grimaud, G. et al. The interplay between diet and the gut microbiome: implications for health and disease. Nat Rev Microbiol (2024). https:///10.1038/s41579-024-01068-4

- 作者简介 -

爱尔兰科克大学Fiona C. Ross为本文第一作者。

爱尔兰科克大学R. Paul Ross & Catherine Stanton为本文通讯作者。

第一作者

Fiona C. Ross，来自爱尔兰科克大学解剖与神经学系、儿科与儿童健康系，是爱尔兰APC微生物组博士候选人。发表过的文章包括：

饮食与肠道微生物组之间的相互作用：对健康和疾病的影响。（Nature Reviews Microbiology）

通过饮食操纵肠道微生物群作为精神疾病的潜在辅助治疗的现有和未来策略。（Biological Psychiatry）

膳食多酚在防止与年龄相关的衰退和神经退化方面的潜力：对肠道微生物群的作用？（Nutritional Neuroscience）

通讯作者

爱尔兰科克大学

R. Paul Ross

教授

R. Paul Ross，爱尔兰科克大学教授，APC爱尔兰微生物组主任，爱尔兰皇家科学院（RIA）院士，微生物学会院士。

Paul Ross教授自2019年起担任APC爱尔兰微生物组主任。他是一位广受认可的研究人员，在抗菌肽（细菌素）和益生菌方面的研究获得了国际赞誉。2021年，他成功申请了享有盛誉的欧洲研究委员会（ERC）高级奖，并从2023年4月开始获得该奖项。Paul Ross的研究方向是人类微生物组，重点是细菌竞争、生理学和遗传学。这项研究的应用在于开发新型生物防腐剂和抗生素的替代品。他的研究也为了解发育中的婴儿微生物组领域及其对人类健康的影响做出了重大贡献。

Paul毕业于UCC（爱尔兰科克大学），获得生物化学和微生物学理学学士学位，以及微生物学博士学位。在北卡罗来纳州维克森林大学进行博士后研究和得到助理教授职位后，他转到Teagasc的Moorepark食品研究中心，领导食品生物技术项目。随后，保罗被任命为Teagasc（包括Moorepark和Ashtown食品研究中心）的食品研究主管。2014年，Paul加入UCC，成为UCC科学、工程与食品科学学院的负责人，并于2016年担任APC微生物组爱尔兰副主任。2019年，Paul成为APC爱尔兰微生物组的主任。他是APC微生物到分子研究主题的首席研究员。他曾获得许多奖项，包括2012年的Teagasc金奖、2017年的ADSA（美国乳品科学协会）杰出服务奖、2021年的丹尼斯科基金会微生物组科学奖和2022年UCC年度研究员。他于2009年获得理学博士称号，2010年成为爱尔兰皇家科学院（RIA）院士，2014年成为微生物学会院士。自2017年以来，Paul一直入选科睿安为Web of Science制作的“高被引研究人员”名单（包括今年）。Paul还是2023年SFI年度研究员奖的获得者。

研究方向（特别是食品与健康研究）：

- 抗菌剂和抗感染剂（应用和基本方面）

- 肠道菌群和肠道健康（食品如何规划-人类健康-包括益生菌）

- 噬菌体（噬菌体疗法和噬菌体硬化）

- 人类、动物和肠道病原体

Paul Ross教授除了24项专利外，还撰写了700多篇同行评审论文。自1994年以来，研究者或共同研究者的资助总额超过1.3亿欧元。是80名博士和24名硕士研究生的导师。

爱尔兰科克大学

Catherine Stanton

教授

Catherine Stanton，爱尔兰科克大学教授，Teagasc首席研究员，APC微生物代谢物核心和爱尔兰食品健康研究中心首席研究员。

Catherine Stanton教授毕业于UCC，获得英国伯恩茅斯大学（Bournemouth University）的营养与食品化学学士和硕士学位，以及生物化学博士学位。在1994年加入Teagasc Moorepark之前，她继续在英国强生公司进行研究，并在美国维克森林大学医学中心医学系担任博士后研究员。此后，她制定了一个关于功能性食品的研究计划，重点是对影响人类营养和健康的食品成分进行分子分析。凯瑟琳目前是Teagasc的首席研究官员，也是APC微生物代谢物核心和爱尔兰食品健康研究中心的首席研究员。她发表了100多篇论文，并被授予博士学位。她于2012年被任命为UCC精神病学学院医学与健康学院的兼职教授，最近被任命为UCC的研究教授。

研究方向：

- 乳制品、功能性食品的营养成分

- 益生菌培养：健康益处、生物活性代谢物产生和宿主健康

- 婴儿肠道菌群：饮食和环境因素的影响

- 益生菌：技术方面，功能性食品的开发

- 生物活性脂质：微生物生产生物活性FFA、CLA、SCFA、N-3 FA、脂质和健康益处

- 生物活性肽