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现如今，不少疾病都被证明和肠道微生物的变化有关，调节肠道微生物也成为了潜在的治疗方法，但如何调节一直是个复杂难解的问题。
目前的调节方法可以分为三大类：小分子、益生菌和益生元，其中益生菌和益生元是比较普遍的选择。但是益生菌的安全性和定植率始终不稳定，益生元虽然能够改善菌群组成，但组成向什么方向发展是无法预估和控制的。
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对于研究人员来说，能够定向的实现不健康菌群向已知的健康菌群转化才是比较理想的。那么如何做到这一点呢？Scripps研究所的研究人员发表在《自然·生物技术》上的研究成果[1]给出了一个答案。
他们构建了一个筛选方法，筛选可以选择性影响细菌生长的分子，并且找到了两种环状D,L-α-肽分子可以将高脂饮食塑造的肠道微生物组变成低脂饮食微生物组。对于高脂饮食诱导的动脉粥样硬化小鼠，2周的治疗可以让它们的胆固醇水平降低36%，10周的治疗让动脉粥样硬化斑块面积减少了约40%！可以说是效果喜人了。
过去的研究发现，一些具有偶数个D-和L-α-氨基酸（通常是6个或8个）结构的环状肽可以有选择性的嵌入细菌的细胞膜中，影响跨膜电位和离子浓度梯度，破坏物质的跨膜运输，阻止细菌的生长，甚至杀死细菌[2,3]。
环状肽嵌入细菌细胞莫
因此，研究人员猜测，这或许能够帮助定向重塑肠道菌群。于是，他们进行了大规模的体外筛选。他们的实验室掌握着大约1500种不同的环状D,L-α-肽序列，在这次的研究中，基于序列多样性和针对哺乳动物的细胞毒性，研究人员选了29种作为候选。
他们选择了低密度脂蛋白受体缺失的小鼠模型，它们是饮食诱导动脉粥样硬化相关研究中广泛应用的小鼠模型。用高脂饮食喂养2周，和普通饮食喂养相比，小鼠的肠道菌群就会发生明显改变。继续喂养，普通饮食组小鼠始终保持健康，而高脂饮食组就会发展为高脂血症和动脉粥样硬化。
通过手术切除高脂饮食组小鼠的盲肠，从中分离出“新鲜的”肠道菌群，和29种不同的环状D,L-α-肽进行共培养，先排除具有广谱抑菌能力的，再评估其余每种肽靶向结合不同肠道细菌的能力，以及对它们活性的影响，还有最低抑菌浓度。
经过筛选，研究人员最终确定了两个可以调节重要的肠菌生长速度，让高脂饮食塑造的肠道菌群结构恢复到和普通饮食喂养差不多的肽，它们分别是阳离子肽1,c[wLwKhShK]和两性离子肽11,c[wLwReQeR]。
经过了体外筛选，还要在体内再进行验证。
环状D,L-α-肽结构非常稳定，遇蛋白水解酶也不会被水解，所以，研究人员把它们放在小鼠的饮用水中，直接口服（约35mg/kg/d）。10周时间内，小鼠都没有出现任何不舒服的状况，也没有检查到肝肾毒性。两种肽都不会被吸收，会完整的随粪便排出。
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对比发现，服用环状肽后，高脂喂养小鼠降低的肠道菌群丰富度反弹回升，回到了和普通饮食喂养小鼠相似的水平。为期10周的干预让高脂饮食组小鼠的肠道菌群组成也接近普通饮食喂养组，和没有干预的高脂饮食小鼠组成差异相当明显。
研究人员还对比了在体内，两种肽对肠道菌群的影响和体外筛选时是否有明显不同。在小鼠中，有14个种的细菌丰度发生了变化，这些细菌中大多数在体外培养时也发生了相同的变化，28种不受环状肽影响的细菌也基本保持一致。这说明，研究人员构建的体外筛选方法筛选出的分子在体内也能发挥同样的作用。
和肠道菌群变化相对应的，高脂饮食小鼠的血浆胆固醇水平和动脉粥样硬化病变水平都显著降低。
在第2周的时候，和未经干预的高脂饮食小鼠相比，两中肽分别让干预组小鼠的胆固醇水平下降了37%和36%，而且这种下降是由“坏胆固醇”低密度脂蛋白胆固醇和极低密度脂蛋白胆固醇的下降导致的。
10周的干预结束后，对整个主动脉病变区域的分析表明，两种肽分别让动脉粥样硬化斑块面积减少了37%和48%，主动脉窦的病变体积减少了44%和37%。
未干预的对照组、两种肽干预和另一种对照肽干预下，主动脉的病变面积
这种改善和肠道菌群被高脂饮食损害的代谢功能的恢复是有一部分关系的，尤其是短链脂肪酸的代谢。我们都知道，高脂饮食会促进全身的炎症反应，从而加速动脉粥样硬化斑块的形成，而短链脂肪酸可以通过表观遗传学途径调节免疫细胞，抑制炎症反应。
除此之外，高脂饮食还会抑制一些维持肠道屏障完整的细菌的增殖，屏障受损，导致的细菌产生的脂多糖外泄，也是促进炎症水平增加的途径之一[4]。两种肽的补充使得回肠编码紧密连接蛋白的基因表达增加，脂多糖产生相关途径活性下降，肠道屏障的完整性得到恢复，这也是减轻炎症反应，改善动脉粥样硬化的另一层原因。
普通饮食、高脂饮食和肽干预高脂饮食小鼠的回肠绒毛状态
总的来说，在这项研究中，研究人员通过大规模的体外筛选，找到了在体内也有同样效果的，可以定向改变肠道菌群组成，将高脂饮食塑造的肠道菌群变回普通饮食时的样子，也改善了小鼠的胆固醇水平和动脉粥样硬化斑块面积。
不同于以往的研究，我们只知道菌群改变的起点和方法，终点处的肠道菌群是什么样子是不确定的。而这种新方法则是实现了，我们知道菌群改变的起点和终点，需要寻找的是能帮助发生这样改变的关键分子。这会让靶向肠道微生物的治疗更加可控，更加清晰。
基于这种筛选方法，研究人员目前还在糖尿病小鼠中验证他们的环状肽，希望能够给更多和肠道微生物相关疾病带来新的治疗候选者。
参考资料：
[1] Chen P B, Black A S, Sobel A L, et al. Directed remodeling of the mouse gut microbiome inhibits the development of atherosclerosis[J]. Nature Biotechnology, 2020: 1-10.
[2] Fernandez-Lopez S, Kim H S, Choi E C, et al. Antibacterial agents based on the cyclic D, L-α-peptide architecture[J]. Nature, 2001, 412(6845): 452-455.
[3] Dartois V, Sanchez-Quesada J, Cabezas E, et al. Systemic antibacterial activity of novel synthetic cyclic peptides[J]. Antimicrobial agents and chemotherapy, 2005, 49(8): 3302-3310.
[4] Caesar R, Fåk F, Bäckhed F. Effects of gut microbiota on obesity and atherosclerosis via modulation of inflammation and lipid metabolism[J]. Journal of internal medicine, 2010, 268(4): 320-328.
本文作者 | 应雨妍
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