肠道微生物群是人体的重要组成部分，肠道微生物群失调可以导致相关疾病。致病菌如部分肠杆菌科在炎症性肠病（Inflammatory Bowel Disease，IBD）发作期间大量繁殖。简单碳水化合物主要在小肠中被宿主代谢和吸收，结肠中微生物可通过糖苷水解酶（Glycoside Hydrolases，GHs）消化膳食纤维。但很少有研究关注膳食碳水化合物对肠杆菌科的影响，因为它们的基因组中编码GHs的基因非常少。Hecht等人研究了简单碳水化合物与肠道致病菌肺炎克雷伯氏杆菌爆发之间的因果关系。研究发现肺炎克雷伯杆菌喜欢简单的碳水化合物，不能利用复杂的碳水化合物。复杂膳食纤维摄入是对抗肠道病原生物克雷伯氏肺炎菌生长的重要途径，对于管理IBD和其他与肠道微生物群失调有关的疾病具有重要意义。

      探究饮食营养对肠道致病原肺炎克雷伯定殖的影响，确定不同类型的碳水化合物在调节肠道病原体定殖中的作用。

 研究招募了30名健康个体，其中20人遵循杂食饮食，10人遵循素食饮食。杂食者被随机分配到标准化杂食饮食组或无纤维（exclusive enteral nutrition，EEN）饮食组，素食者继续维持其饮食。经过5天的饮食阶段后，所有参与者通过口服抗生素（万古霉素和新霉素）和聚乙二醇清肠。然后，通过粪便分析监测微生物群的恢复情况。研究发现，无纤维EEN饮食导致微生物多样性降低，而增加了假单胞菌门、肺炎克雷伯氏杆菌的相对丰度，表现出肠道微生态失调的特征。（图1,图2）

研究人员假设，肺炎克雷伯氏菌通过代谢氨基酸和尿素生成氨，改变粪便中的氮环境，从而使其在肠道内具有生长优势。无纤维的EEN饮食组在第14天显示出相对于杂食者和素食者组较低的氨基酸消耗。（图1,图2）

研究人员创建了体外模型，以探索尿素在复杂肠道微生物群落中的作用。分别在人类肠道微生物生态模拟器（Simulator of the Human Intestine Microbial Ecosystem，SHIME）培养基（包含复杂的聚糖），在脑心浸液（brain heart infusion，BHI）培养基中（主要碳水化合物是葡萄糖），添加尿素。脲酶阳性菌肺炎克雷伯菌和友链假单胞菌（Citrobacter freundii）的丰度显著增加（图3）

同时探讨了氮是否是限制肺炎克雷伯菌肠道中定殖的因素。体外实验：通过生成Δurease和ΔntrC突变株，研究了肺炎克雷伯菌在不同氮环境中的生长表现。发现脲酶和ΔntrC在氮受限环境下对于肺炎克雷伯菌的氮同化和生长至关重要。体内实验：研究氮资源限制对定殖能力的影响。尽管低蛋白饮食显著减少了肠道内的氨和尿素，但Δurease和ΔntrC突变的肺炎克雷伯菌株在小鼠肠道中的定殖能力与野生型（Wild Type，WT）菌株相似，表明在这种饮食条件下，脲酶和ntrC并不是定殖所必需的。（图4）

 排除其他微生物对缺失脲酶的肺炎克雷伯菌定殖影响。无菌小鼠实验：将无菌小鼠（Germ-Free，GF）分别用WT和缺失脲酶、（Δurease）的肺炎克雷伯菌进行定殖。结果：肺炎克雷伯菌在肠道中的定殖不依赖于脲酶的表达（图2）。粪便氨水平：定植前，无菌小鼠的粪便氨水平非常低（图2B），与微生物群耗竭的传统饲养（Conventionally Raised，CR）小鼠相似（图4）。用WT定殖导致粪便氨水平大约增加10倍；而用Δurease 肺炎克雷伯定殖导致的氨水平显著低于WT菌株，但仍比GF基线高约4倍。表明除了脲酶外，肺炎克雷伯菌还有其他途径生成氨。粪便尿素水平：WT K. pneumoniae定殖导致粪便尿素水平降低，相对于缺失脲酶的菌株，表明尿素水解是氨生成的主要来源（图2）。粪便氨基酸分析：定殖WT菌株后，粪便中几种氨基酸浓度显著下降（图2）

 推测碳源而非氮源是肺炎克雷伯菌在肠道中定殖的限制因素。小鼠定殖前后的粪便样本，发现几种代谢物（蔗糖、丙酮酸和乳酸）在定殖后浓度显著下降。向小鼠盲肠提取物中添加葡萄糖显著增加了肺炎克雷伯菌最大密度和生长率，而添加氨没有影响。将乳果糖添加到小鼠的饮用水中，结果显示与对照组相比，乳果糖使肺炎克雷伯菌的定殖增加了10倍。

 生成匹配的无纤维（FF）和高纤维（HF）小鼠饲料，HF饲料中包含豌豆纤维。FF饮食组的肺炎克雷伯菌定殖水平比HF饮食组高1000倍（图3）。FF饮食组的小鼠在微生物群多样性恢复方面比HF饮食组差。PCoA分析显示，抗生素治疗显著影响了微生物群的结构，但FF饮食组的微生物群结构与基线和HF饮食组相比仍有显著差异（图4）。

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文案 | 杨青林

排版 | 杨青林

审核 | 杨青林

发布｜姜笑南