Gut Microbes：益生菌對抗腸道致病菌的作用機制

導讀

胃腸道疾病，特別是由細菌感染引起的疾病，是全世界發病率和死亡率的主要原因。由於越來越多的物種對抗生素產生耐藥性，治療變得越來越困難。益生菌乳酸菌（LAB）作為抗生素的替代品，在預防和治療方面都有相當大的潛力。一些研究證明益生菌可以減少或預防胃腸道疾病。由於益生菌的活性與宿主腸道條件和腸道微生物種群的變化密切相關，因此在選擇最適宜的益生菌時，需要深入瞭解腸道微生物之間的相互作用。這需要對益生菌的分子功能有更深入的解。在這篇綜述中，探討了益生菌微生物如何與GIT中的腸道病原體相互作用。還探討了益生菌在GIT中定植和持久的重要性。

論文ID

原名：

Molecular insights into probiotic mechanisms of action employed against intestinal pathogenic bacteria

譯名：

從分子角度瞭解益生菌對抗腸道致病菌的作用機制

期刊：

Gut Microbes

IF：

7。823

時間：

2020。9

通訊作者：

Bryan B。 Hsu

通訊作者單位：

南非斯泰倫博斯大學微生物系

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那不勒斯腓特烈二世大學

綜述目錄

1 益生菌在GIT中的定植和永續性

2 競爭性排除腸道病原體

3 抗菌化合物的生產

3.1 細菌素

3.2 類細菌素抑制物質

3.3 有機酸

3.4 過氧化氫

3.5 鐵載體

3.6 生物表面活性劑

3.7 抑制病原體黏附腸細胞的化合物

4 穩定腸上皮屏障

5 共同聚集

6 抑制鞭毛運動

7 免疫系統調節

主要內容

乳酸菌（LAB）在發酵食品的儲存和感官特性中起主要作用，但在影響腸道菌群的組成和多樣性方面也同樣重要。最重要的有益影響包括刺激宿主免疫系統，預防與抗生素有關的腹瀉，治療炎症性腸病（IBD）和腸易激綜合症（IBS），減輕乳糖不耐症，降低膽固醇水平和預防危及生命的胃腸道感染，例如艱難梭菌相關性腹瀉。乳酸菌是人類和動物小腸和大腸的固有成分，並具有許多益生菌特性，深入瞭解GIT中益生菌，宿主腸粘膜和腸道病原體之間的特定代謝和遺傳相互作用非常重要。由於人類GIT的複雜性，僅發表了一些關於益生菌與腸道病原體之間相互作用的研究，許多研究依賴於體外資料，研究特定健康益處的機理。特定的健康益處也可以歸因於多種機制的組合，幾種益生菌菌株分泌具有抗微生物活性的二級代謝產物和肽，可能與宿主或病原體直接相互作用。最終，瞭解些相互作用將大大改善益生菌在支援和增進人類健康方面的應用。在這篇綜述中，討論了益生菌用於與腸道病原體相互作用的機制以及在GIT上定殖的能力。

1 益生菌在GIT中的定植和永續性

定居在GIT的菌株比透過GIT的菌株對宿主具有更大的有益作用。可能因為與粘液和上皮細胞的粘附不僅為菌株提供競爭優勢，而且與宿主之間形成更強的相互作用，導致對益生菌的識別並刺激宿主的免疫反應。此外，定殖的益生菌菌株防止腸病原體的粘附。幾項研究表明益生菌具有干擾胃腸道病原體粘附於Caco-2細胞的能力。

早期益生菌定植基於體外研究，研究表明菌株具有粘附細胞系（如Caco-2，HT-29和HT29-MTX）的能力。雖然這些研究模擬了GIT的模型，並提供益生菌細胞粘附有價值的見解，它仍然是一個體外實驗，無法概括GIT的複雜多細胞性質。使用細胞系進行研究需要專用的裝置和設施，保持細胞的活力。

所以，對益生菌的存活和定植的研究大多透過分析糞便樣本完成，根據益生菌干預後糞便中細胞的回收率，可以計算出菌株的永續性，前提是已知劑量中的細菌數並且所有方法均已標準化。

糞便中持續時間最長，數量最多的益生菌細胞表明GIT中的定殖和永續性更高。

透過比較攝入前後特定菌株之間的細胞數量可以研究益生菌的體內藥代動力學。

使用的其它技術包括腸插管和造影。抗生素耐藥性標記可用於明確識別糞便樣本中的益生菌細胞。因為內源性益生菌細胞也可以透過糞便排出。食用益生菌的存活和永續性在屬間甚至品系之間存在很大差異。乳桿菌和雙歧桿菌屬作為益生菌已被廣泛研究，因為它們構成人類和動物天然腸道微生物組的組成部分。

Bifidobacterium lactis LAFTI B94， B。 longum SB T2928， Lactobacillusrhamnosus DR20， Lactobacillus gasseri SBT2055

和

Enterococcus mundtii ST4SA

在體記憶體在時間最長。相比之下，乳酸乳球菌MG 1363和發酵乳桿菌KLD的糞便回收要低得多。在最近的一項研究中，益生菌菌株

Lactobacillus plantarum 423

and

E。 mundtii ST4SA

用含有來自Photinus pyralis的生物發光熒光素酶基因（ffluc）的質粒轉化。這使得能夠以一種非侵入性的方式實時監測菌株在GIT和小鼠糞便中的遷移。使用生物熒光成像（BLI），作者檢測到細胞數量低至104 CFU/100 mg糞便。影像學檢查顯示，

E。 mundtii ST4SA

在整個試驗期間持續存在於糞便中（> 20天），而植物乳桿菌423在胃內給藥的最後一天（第5天）後持續存在13天。BLI提供細菌透過GIT遷移時的三維影象。該技術已用於多項研究，有關光學成像系統在LAB體內跟蹤中的應用的綜述，請參閱參考文獻66。

一些報告表明，非活菌和非定植的益生菌也可能給宿主帶來一定的健康益處。在Kullen等人的研究中。70名人類志願者接受雙歧桿菌益生菌菌株的治療並監測糞便中菌株的回收率。在給藥的幾天（8天）中，在糞便中檢測到菌株細胞數增加，但在最後一次口服給藥後無法在糞便中恢復。作者得出結論，儘管菌株未在人GIT上定殖，但可能不需要定植和長時間持續也能達到明顯的益生菌作用。藤原及其同事報告了類似的結果。作者發現雙歧桿菌產生一個100 kDa的蛋白，該蛋白透過阻止致病性大腸桿菌與糖脂結合受體神經節-四糖基神經醯胺結合，阻止致病性大腸桿菌粘附腸黏膜細胞。因此，競爭性排除致病菌株可能直接與活細胞競爭腸道粘著位點沒有關係。

2 競爭性排除腸道病原體

對於致病性病原體而言，它們在腸道粘膜定植前必須穿過腸粘膜屏障。一旦病原體穿透覆蓋在腸上皮上的黏液層，它們就附著在上皮細胞上的結合位點上。附著之後是腸道定植和感染。具有黏附能力的益生菌可防止病原體附著，保護腸道免受腸道感染圖1。使用人或動物粘膜材料進行體外研究結果表明，益生菌LAB可以競爭性地排除病原體。鼠李糖乳桿菌（

Lactobacillus rhamnosus GG

）具有良好的黏附性，可防止腸出血性大腸桿菌（

Enterohemorrhagic e。c oli， EHEC

）在人腸細胞系中的內化。腸道病原體，例如EHEC，使用甘露糖敏感的1型菌毛附著在腸上皮細胞（IEC）表面的糖蛋白或糖脂的寡糖殘基上。乳酸桿菌和雙歧桿菌的益生菌菌株附著在相同的受體位點上，並排除病原體與GIT結合。一些益生菌菌株在其細胞表面有特定的粘附蛋白，可以結合黏液層中的碳水化合物部分，如植物乳桿菌的甘露聚糖特異性粘附機制。在某些情況下，競爭排斥可能和空間位阻一樣簡單。GIT中參與競爭排斥粘附-受體相互作用的特定粘附蛋白的一個例子是植物乳桿菌甘露糖特異性粘附（Msa）蛋白。與野生型相比，自然突變的益生菌

L。 plantarum 299

v菌株不能抑制EHEC對HT-29上皮細胞的附著，該菌株被認為受Msa基因影響。表明含Msa的益生菌菌株可以有效排除其他幾種其他幾種1型菌感染的腸道致病性病原體。最近，Van Zyl等人利用基因敲除分析和BLI技術證明L。 plantarum 423黏附蛋白（mapA）參與

Listeria monocytogenesEGDe

的體內競爭排斥。

L。plantarum 423

的mapA陰性突變株不能排除

L。monocytogenes EGDe

。Heinemann等表徵了發酵乳桿菌RC-14的膠原蛋白表面結合蛋白，該蛋白抑制屎腸球菌1131的粘附。其他研究表明，表層（S層）提取物防止病原體粘附IEC。Chen等表明捲曲乳桿菌ZJ001錨定的細胞表面S-層蛋白負責的競爭排斥鼠傷寒沙門氏菌和EHEC。Johnson-Henry等人也記錄了類似的結果，瑞士乳桿菌R0052的S層蛋白提取物抑制大腸桿菌O157：H7對Caco-2細胞的粘附。

S層蛋白是高度疏水的，這表明病原體的粘附抑制作用是透過疏水基團相互作用而不是粘附-受體相互作用來介導。

先前的研究表明，依賴於分選酶的細胞表面蛋白（SDP）在益生菌與宿主的相互作用，粘附和定植中起著至關重要的作用。已鑑定出幾種SDP，其在體外和體內對腸道細胞的粘附中起作用，包括黏液結合細胞表面蛋白。在革蘭氏陽性細菌中，分選酶透過將它們共價結合到細胞壁上（分選酶A）或透過聚合蛋白質在細胞表面上構建複雜的多亞基菌毛蛋白結構（分選酶C），用各種各樣的蛋白質修飾細胞表面。分選酶的特徵是半胱氨酸轉肽酶，將含有特定細胞壁分選訊號（CWSS）的SDP與位於細胞表面的氨基連線。Sortase A酶將包含帶有LPXTG（其中X捐贈任何氨基酸）的C端基序的CWSS的蛋白錨定到細胞表面。LPXTG基序被SrtA酶識別，該酶破壞蘇氨酸和甘氨酸肽鍵，然後將蘇氨酸殘基共價連線到五甘氨酸細菌細胞壁交叉橋的氨基上。分選酶C蛋白催化類似的轉肽反應，識別QVPTGV排序基序構建菌毛，促進微生物粘附。使用突變體分析結合體內BLI進行的一項最新研究表明，與野生型相比，

E。 mundtii ST4SA

分選酶突變體（srtA和srtC）在小鼠GIT中排除

Monocytogenes EGDe

的能力降低。益生菌為了獲得競爭優勢，可以透過產生抑制性化合物，降低pH值和競爭營養改變腸道環境。乳酸菌（例如嗜酸乳桿菌和植物乳桿菌）具有利用複雜碳水化合物的能力。同樣，雙歧桿菌是能夠代謝使用幾種解聚酶各種植物的膳食纖維。利用除腸道致病性細菌所使用的碳水化合物以外的碳水化合物來源，益生菌可以擴大在GIT中的定植面積，抑制病原體。

3 抗菌化合物的生產

益生菌產生的抗菌化合物可以對競爭性腸病原體發揮直接的抗菌作用，預防GIT的病原定植，圖1b。

圖1 益生菌對抗腸內病原體的作用機制

3.1 細菌素

細菌素是核糖體產生的抗菌肽，大小（2-10 kDa）和作用機理不同（綜述見參考文獻108）。益生菌（通常是LAB）產生細菌素是抑制GIT中病原體的關鍵作用機理。細菌素通常只抑制特定的物種，通常是那些與生產者密切相關的物種。據報道，有些細菌素具有更廣泛的抗菌活性。細菌素，如乳酸鏈球菌素，由

Lc。 lactis

產生。植物乳桿菌素由植物乳桿菌產生，嗜酸乳桿菌乳酸蛋白B對食源性腸道致病性病原體如李斯特菌、梭桿菌、芽孢桿菌等具有活性。細菌素可能對病原體具有抑菌或直接殺菌作用，因此限制細菌在腸道中定殖的能力。細菌素的相關抗菌活性使產生細菌素的益生菌菌株在複雜的GI環境中獲得競爭優勢。

細菌素由於其體積小，疏水和親水性質的變化，粘附在微生物細胞上並穿透磷脂膜。細菌素介導的病原體殺傷一般機制包括誘導細胞質膜滲透敏感細菌導致細胞滲漏，抑制DNA和RNA合成和/或細胞壁蛋白合成。雙歧桿菌產生的獨特細菌素雙歧桿菌素BNCFB對幾種革蘭氏陽性細菌具有活性，包括李斯特氏菌，腸球菌，芽孢桿菌和乳桿菌，但對其他幾種革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌沒有活性。菌株之間活性的差異與革蘭氏陰性細菌抵抗雙歧桿菌素B的吸附能力有關，因為它們的細胞壁組成不同。一些細菌素，mutacins （A- d）、nisins （A和Z）、lacticins（A164和BH5）、細菌素e50 - 52和OR7對具有重要醫學意義的革蘭氏陰性菌如彎曲桿菌、幽門螺桿菌、嗜血桿菌、奈瑟氏菌和沙門氏菌都有活性。在另一項研究中，解澱粉芽孢桿菌RX7產生的細菌素具有廣譜抗菌和抗真菌活性，並抑制白色念珠菌的生長，白色念珠菌是人類面板念珠菌病的病原體。雖然已經深入研究細菌素對革蘭氏陽性細菌的作用方式，但人們對細菌素對革蘭氏陰性細菌的直接作用機理知之甚少。Tiwari等證明細菌素腸球蛋白E50-52，pediocin PA-1及其雜合肽EP和PE能夠誘導細胞內ATP流出並消除細胞膜的跨膜電位。細菌素主要是陽離子肽，該特徵使得能夠與細菌磷脂的帶負電荷的頭基發生靜電相互作用。之後，將其插入平面脂質雙層或脂質體膜中，導致形成瞬時通道，細胞內含物洩漏和隨後的細胞死亡。

除了體外研究，一些體內研究還證明純化的細菌素和產生益生菌的細菌素菌株在感染動物模型中的抑制作用。Simonova等觀察到，用產生細菌素的糞便腸球菌CCM7420及其部分純化的細菌素餵養兔子，可顯著減少盲腸葡萄球菌的細胞數量，保護動物免受感染。其他研究發現，產生enterocin A的糞腸桿菌EK13 菌株減少日本鵪鶉的沙門氏菌細胞數量，並減少致病性葡萄球菌在兔子消化道中的定植。Svetoch等報告稱口服屎腸桿菌E 50-52細菌素後肉雞腸道沙門氏菌顯著減少。一些研究表明，區域性應用細菌素治療面板感染，乳腺炎和口腔感染。儘管這些多肽具有強大的抗感染治療潛力，這些肽尚未進入臨床應用。可能是由於各種生產困難。然而，在一些細菌的臨床前研究的進展已被證明有前途的。幾種細菌素已經透過臨床前開發的不同階段，靶向多種耐藥細菌以及囊性纖維化。

同樣重要的是要考慮到，並非所有潛在的或已開發的對腸道病原菌具有體外抗菌活性的益生菌菌株都將在體內起作用。例如，口服乳酸桿菌後，該菌株粘附在無菌豬的空腸和迴腸，並且該菌株對腸致病性大腸埃希菌（EPEC）具有體外抗菌活性，但未能阻止EPEC在感染動物腸道內定植。觀察到乾酪乳桿菌亞種也具有相似的結果。儘管如此，大多數益生菌還是利用其細菌素透過抑菌或殺菌活性與腸病原體有效相互作用。在此過程中，防止宿主GIT的致病性定植和隨後疾病的發生。

3.2 類細菌素抑制物質

類細菌抑制素（BLIS）具有廣泛的抗菌活性。這些化合物中有許多尚未完全表徵或不具有細菌素的典型特徵。抗菌活性與乳酸，其他有機酸或過氧化氫的產生無關。鼠李糖乳桿菌GG分泌一種具有抑制活性的抗菌物質，這種低分子量（LMW）物質具有熱穩定性，不同於乳酸和乙酸，與腸道桿菌（Enterobacteriaeae）產生的微黴素非常相似，表明它可能是一種BLIS。與細菌素不同的分子量和廣譜活性物質也存在於其他乳酸菌中，包括嗜酸乳桿菌和德氏乳桿菌菌株，它們的殺菌作用與乳酸和過氧化氫均無關。其他的研究已經鑑定幾種雙歧桿菌菌株產生的細菌素樣抗菌物質，具有廣譜的活性，可以對抗革蘭氏陽性和革蘭氏陰性病原體，如單核細胞增生桿菌、沙門氏菌和大腸桿菌。

3.3 有機酸

益生菌在腸道中引起病原體移位的另一種機制是使腸道環境不太適合病原體生長的能力。GIT中的益生菌LAB和共生微生物發酵的碳水化合物產生代謝產物，例如乙酸，甲酸，琥珀酸和乳酸，使腸道環境呈酸性，並抑制細菌病原體的生長。

有機酸，特別是乳酸和乙酸，會抑制GIT中許多病原菌的生長。

乳酸的未解離形式可作為革蘭氏陰性細菌外細胞膜的通透劑，之後進入細胞後會在細菌細胞質內解離。透過降低細胞內pH值，使離子化形式的有機酸和其他抗微生物化合物在細胞質內積累，發揮細菌殺傷活性。DeKeersmaecker等證明鼠李糖乳桿菌GG產生乳酸對鼠傷寒沙門氏菌有強抑制作用。Lehto和Salminen 證明乳酸在鼠李糖乳桿菌GG預防

S。 enterica serovar Typhimurium

侵襲Caco-2細胞的能力中的潛在作用。在觀察到當LAB培養液設定為pH 7時，消除病原體的抑制作用後，作者提出一種pH依賴性機制。在另一項研究中，乳酸對沙門氏菌HilA和InvF毒力因子的生長和表達產生影響。

不同的乳球菌和乳桿菌菌株對大腸桿菌O157：H7的抑制作用歸因於乳酸的產生和低pH值。嗜酸乳桿菌、保加利亞乳桿菌、兩歧雙歧桿菌等不同的乳桿菌和雙歧桿菌菌株對幽門螺桿菌的生長有抑制作用。這些影響與生產乳酸，乙酸和鹽酸有關。在另一項研究中，四種已知的腸道致病菌—幽門螺桿菌、空腸彎曲桿菌、大腸彎曲桿菌和艱難梭菌的生長被從人體GIT分離的乳酸菌菌株抑制，這可能是由於產生機酸。基於這些研究，我們可以合理地認為，在GIT中益生菌產生有機酸，使腸道環境對競爭對手不利，降低病原體感染的風險。

3.4 過氧化氫

除乳酸和細菌素的生產外，益生菌LAB透過產生過氧化氫（H2O2）可能是抵抗病原體的重要抗菌機制。過氧化氫降低病原菌毒力，減少病原菌對上皮細胞的侵襲，或透過上皮細胞內擴散改變基因轉錄和訊號轉導導致腸道病原菌死亡。已經分離多株具有益生特性且產H2O2的細菌，如腸道分離物約氏乳桿菌NCC533，酸奶分離物德氏乳桿菌亞種 保加利亞和陰道中分離獲得的捲曲乳桿菌和加氏乳桿菌。約氏乳桿菌 NCC533在有氧條件下產生高達毫摩爾量的H2O2。其產生的H2O2在體外對S。enterica serovar Typhimurium 有抗微生物作用，並提出在體內也可以對抗病原菌。其他研究表明，捲曲乳桿菌 F117和副乾酪乳桿菌（F2和F28）產生的H2O2在體外抑制金黃色葡萄球菌的生長。

3.5 鐵載體

鐵是一種必需的微量元素，在大多數腸道微生物（包括共生菌和腸道病原體）的新陳代謝和增殖中發揮著核心作用。鐵載體是一種低分子量、有機、高親和力的鐵螯合化合物，由細菌和真菌等微生物產生。這些化合物透過剝奪微生物的鐵來抑制其生長、增殖和持續競爭。在此過程中，細菌產生鐵載體將其環境中可用的遊離鐵隔離開，而這些遊離鐵對其他微生物至關重要。比

Lc。 lactis

，

C。 difficile

和

Clostridium perfringens

在GIT中的生長被產生鐵載體的雙歧桿菌菌株抑制。。具有高鐵螯合特性的

pseudolongum PV8-2

和

kashiwanohense Bifidobacterium PV20-2

抑制腸致病性傷寒桿菌N15和腸出血性大腸桿菌在IECs上的生長和粘附。

3.6 生物表面活性劑

一些乳酸菌產生的生物表面活性劑是干擾病原體在GIT中生長的另一種機制。生物表面活性劑是一類具有表面活性和乳化活性的化合物，在許多不同的生物醫學應用中都有應用。已經分離出乳酸菌菌株產生細胞結合或分泌具有抗菌、抗病毒和抗真菌特性的生物表面活性劑。生物表面活性劑透過破壞或溶解物理細胞膜結構的改變引起細胞的通透性增加。生產生物表面因子的乳酸菌在預防泌尿生殖道感染中的應用相當值得關注。這些生物與泌尿生殖菌病原體和酵母菌競爭上皮細胞上的粘附位點，並透過產生生物表面活性劑控制它們的生長。在另一項研究中，乾酪乳桿菌MRTL3可以產生細菌素和生物表面活性劑，抑制多種病原體，包括L。monocytogenes， S。 aureus， Shigella flexneri and Pseudomonas aeruginosa。

3.7 抑制病原體黏附腸細胞的化合物

腸致病菌粘附到腸細胞和隨後定植是毒性的先決條件。益生菌產生的化合物不具有直接殺菌作用，但透過抑制致病菌與黏膜表面的結合，有助於GIT的正常抗感染活性。Fujiwara等人在B。 longum SBT2928的培養上清中純化並鑑定一種新的蛋白質化合物，稱為BIF，抑制腸毒素性大腸桿菌Pb176 （ETEC）對人HCT-8 IECs的粘附。作者證明，BIF阻斷腸細胞表面ETEC Pb176定植因子抗原（CFA） II粘附因子與神經節四聚神經醯胺（細菌結合結構）受體結合，阻止ETEC Pb176定植。從嬰兒腸桿菌中分離出的兩株雙歧桿菌CA1和F9產生一種低分子量、親脂、抑菌化合物，可抑制S。 typhimurium SL1344 和 E。 coli C1845。等幾種致病菌的粘附。

4 穩定腸上皮屏障

胃腸道上皮由一層粘液層覆蓋的單層細胞組成，粘液層不斷暴露於腔內物質和各種腸細菌。腸上皮屏障由粘液層，腸細胞和腸道先天免疫系統組成。胃腸道屏障是維持上皮完整性和防止病原體感染和過度炎症所需的關鍵防禦機制。因此，對於宿主而言，穩定和維持該屏障至關重要。腸道屏障抵禦有害抗原入侵的重要防禦機制包括粘膜層（粘蛋白的產生）、細胞間連線複合體（緊密和粘連連線）和抗菌肽（如防禦素）和免疫球蛋白A （IgA）的分泌。屏障功能破壞可導致由於細菌或食物抗原侵入粘膜下層，導致不適當的炎症反應，導致腸道紊亂如炎症性腸病（IBD）和潰瘍性結腸炎。食用定殖或非定殖的益生菌可以增強屏障的完整性，透過對上皮的直接作用（例如，杯狀細胞增加粘蛋白表達），調節免疫系統和直接作用，幫助保護腸上皮免於腸道病原體和慢性炎症的侵害。（圖2）

腸上皮細胞覆蓋有內外保護黏液層，限制細菌運動，並作為動態防禦屏障，對抗腸致病菌和其他潛在的有害抗原。腸致病菌要在腸內定居，必須先穿透粘液層，然後才能到達腸上皮。粘蛋白是上皮黏液層的主要大分子成分，由腸道中的專門杯狀細胞產生。益生菌能夠透過促進腸道分泌粘蛋白和防禦素抑制病原體的粘附IECs（圖1a）。幾種乳酸菌以增加人腸道Caco-2和HT29細胞中特定粘蛋白基因的表達，防止病原性大腸桿菌的粘附和內在化。植物L。 plantarum v介導的MUC2和MUC3粘蛋白表達增加抑制了EPEC的粘附。連續7天服用VSL3（益生菌和益生菌混合物）的大鼠顯示MUC2表達增加60倍，並伴隨粘蛋白產生增加，因此，益生菌介導的體內黏液生成增加可能是其與腸道致病菌相互作用預防感染、改善腸道屏障功能的關鍵機制。

圖2 益生菌對腸道病原菌的粘膜免疫調節作用。

5 共同聚集

益生菌透過與病原菌共聚，可防止腸道致病性粘附和腸道定植。在這個過程中，益生菌與病原體相互作用密切，使其有機會在病原體附近釋放出抗病原體的物質。益生菌LAB可以形成多細胞聚集體，對口腔，泌尿生殖道和GIT的定殖至關重要。益生菌細胞的共聚集能力的特點是聚集的細菌在基因上不同，而自聚集僅涉及到同一菌株。已經報道多種乳酸桿菌菌株具有共聚集和自聚集的特徵。數項研究表明，益生菌細胞的自聚集和共聚集能力增強它們的定殖能力，並可能形成防止病原體定殖的屏障。益生菌LAB的共聚集能力通常與細胞表面粘附蛋白之間的多樣性有關

。L。 acidophilusM9、L。 plantarum L4

和

E。 faeciumL3

結構細胞表面疏水性和親水性的差異可能是該菌株共聚合能力的原因。益生菌和致病菌的共同聚集也透過益生菌細胞與病原體細胞表面表達的菌毛的附著介導。

6 抑制鞭毛運動

在許多細菌性病原體中，鞭毛作為毒力因子發揮著重要作用。鞭毛允許致病菌對引誘劑和排斥梯度作出反應，並且是附著和入侵真核細胞的關鍵。食源性病原體，例如S。 enterica serovar Typhimurium 需要主動旋轉鞭毛以快速接觸並有效穿透胃腸道上皮細胞。當用一種有效的抗體抑制鞭毛運動時，鼠傷寒沙門氏菌在被感染的老鼠身上沒有侵襲性。益生菌可破壞腸道致病菌鞭毛的運動性，阻止腸道的致病性定植。抗腹瀉性嗜酸乳桿菌LB及其分泌產物透過破壞腹瀉相關腸病原菌的運動，抑制 S。 entericaserovar Typhimurium進入人腸道Caco-2細胞。另一項研究，與未經治療的小鼠相比，口服益生菌乳酸菌的無細胞上清液處理的S。 Typhimurium 感染小鼠的細菌水平明顯降低。

7 免疫系統調節

眾所周知，益生菌可以對宿主的先天性和適應性免疫反應產生調節作用，這些細菌具有調節樹突狀細胞（DC），單核細胞/巨噬細胞以及T和B淋巴細胞功能的能力，增強入侵腸道病原體的吞噬能力。透過刺激宿主的免疫反應（特異性和非特異性），益生菌可以取代GIT中的病原體並預防腸道疾病。益生菌可以透過拮抗腸道病原體引起的炎症反應與腸道病原體相互作用。炎症以犧牲天然微生物和腸道健康為代價，使病原體得以繁衍。在炎症過程中，它們還可以引起促炎細胞因子的減少。益生菌干擾諸如核因子-κB（NF-ƘB）和有絲分裂原啟用的蛋白激酶（MAPK）等炎症訊號通路，導致免疫細胞分泌促炎性細胞因子下調（圖2a）。這些訊號通路的啟用導致促炎細胞因子的分泌，可嚴重破壞腸上皮屏障。益生菌還在腸道中抗體的刺激和產生中發揮作用，特別是免疫球蛋白A（IgA）圖2d。在腸腔中釋放的抗體可以透過干擾病原體細胞膜上的粘附細胞受體來抑制病原體對IEC的粘附。先前的研究表明，釀酒酵母和鼠李糖乳桿菌GG可增加GIT中分泌型IgA水平或分泌免疫球蛋白的細胞水平。其他研究報告稱，口服益生菌乳酸桿菌可增加腹瀉兒童的IgA水平，縮短症狀持續時間。幾種益生菌菌株還可以透過宿主免疫吞噬細胞（例如巨噬細胞）影響腸道病原體的吞噬作用調節宿主免疫機制。

總結

鑑於人類胃腸道生態系統的複雜性，闡明益生菌的作用機制是一項艱鉅的任務。益生菌對抗腸道病原體的作用機制是多樣的，異質的，可能是菌株特異性的。這表明，一種特定的益生菌對特定疾病或病原體的作用機制不能泛化，因為不同的菌株在宿主中引起不同的反應。因此，一個菌株所帶來的健康益處並不適用於另一個菌株，即使在同一物種內也是如此。瞭解益生菌治療或預防胃腸道疾病的全部潛力，需要徹底調查益生菌-宿主和益生菌-病原體的相互作用。加強對這些相互作用的瞭解將有助於識別真正的益生菌，以針對特定的腸道疾病。雖然最近的許多體內研究已經證明了在分子水平上觀察到的益生菌作用背後的機理基礎，但是在益生菌研究領域中仍需要給予更多的重視。闡明益生菌-宿主和益生菌-病原體相互作用的複雜性，將基於諸如細菌素產生和粘附基因等關鍵特性，改善最佳益生菌的體外選擇。此外，高效的益生菌應能刺激宿主的免疫系統，並最終對宿主具有明顯的有益健康作用。顯然，體內關鍵的抗菌和保護性益生菌機制的展示將使工業界和消費者能夠選擇經過科學驗證的益生菌來預防或治療各種健康問題。