哺乳动物的肠道中有1 000～1 500 种细菌，这些微生物统称为肠道微生物群。研究表明，人体和微生物群长期存在一种动态平衡的共生关系，其能够调节身体各项功能。然而，这种平衡不稳定，病原菌感染、不良饮食习惯、环境化学物质和滥用抗生素等都可能打破这种平衡，引发炎症性肠病、糖尿病和肥胖等多种疾病。因此益生菌作为微生物群调节剂被广泛研究，用于治疗和预防各种疾病。菌株黏附特性是益生菌发挥作用的基础，一方面，益生菌可以通过竞争宿主细胞结合位点附着于肠黏膜上，起到拮抗肠道病原体的作用；另一方面，益生菌的黏附能力与其自身定植于肠道的能力息息相关，有利于发挥预期的益生作用。
目前已有研究证实，通过摄取益生菌可以维持或改善患病个体的肠道微生物群，进而治疗疾病。基于此，东北农业大学食品学院吕秀莉、李柏良*、霍贵成*等通过综述旨在阐明益生菌的黏附机制，并讨论益生菌对致病微生物的拮抗作用，为开发新型益生菌产品提供一定理论参考。
黏液层是由杯状细胞分泌的肠黏液附着于肠上皮细胞而形成的，主要由黏蛋白（MUC）、糖脂、免疫球蛋白和电解质组成。结肠黏液层分为两层，外黏液层疏松而厚实，含有多种肠道细菌；内黏液层致密而薄，几乎没有任何细菌，具有保护肠上皮免受机械损伤、帮助细菌定植和保护宿主免受细菌感染等功能。黏液层的主要物质是一类大分子质量糖蛋白——MUC，MUC中包含大量重复的氨基酸序列，富含脯氨酸、苏氨酸和丝氨酸残基，能够形成MUC结构域。在小肠和结肠中，黏液层主要由MUC2组成，其中，MUC侧链低聚糖占MUC分子质量的80%以上，为微生物提供营养和附着位点，并分泌针对特定微生物抗原的抗体。黏液层的组成和结构与肠道微生物群存在相互作用，一方面，MUC糖基化对肠道微生物组成有较大影响，如岩藻糖基转移酶2（FUT2）可以将末端岩藻糖残基转移到黏液层和机体其他分泌物的糖蛋白中。此外，发现某些特定的肠道细菌如多形拟杆菌可以结合黏蛋白聚糖，并以此作为能量来源生产微生物代谢产物。另一方面，肠道微生物群可诱导编码MUC2和FUT2的基因表达，从而影响黏液强度和黏蛋白聚糖结构，并且通过微生物代谢物影响黏液功能。 与微生物黏附能力相关的一个重要因素是存在于细胞表面的特定蛋白质——黏附素，为了能够顺利与MUC相结合，益生菌已经进化出表达多种黏附素的能力，如纤维连接蛋白结合蛋白（FnBPs）、S层蛋白（SLPs）、胞外多糖（EPS）和黏液结合蛋白（MUBs）等，它们在与黏液成分的相互作用中发挥重要作用，具体见表1。
MUBs是包含重复的MUB和MUC结合蛋白（MucBP）结构域的表面黏附蛋白，能够结合MUC，并通过多肽序列LPXTG（Leu-Pro-X-Thr-Gly）连接细胞壁肽聚糖。MucBP结构域已被发现存在于包括致病菌在内的不同的细菌物种中。其他表面蛋白如FnBPs和SLPs也能促进细菌与肠黏膜的相互作用。FnBPs主要包括FbpA和FbpB这两种不同的结合蛋白，在革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌中均可表达：致病金黄色葡萄球菌FnBPs赋予非侵入性革兰氏阳性球菌以侵入性，使其具有入侵宿主细胞的能力；FbpA存在于干酪乳杆菌BL23表面并参与细胞与固定化纤连蛋白的附着。SLPs是乳酸菌表面常见的一类黏附素，通过非共价键与细菌细胞壁连接，先与细胞外基质蛋白结合，进而黏附于肠道上皮细胞。
菌毛也可以促进益生菌的黏附作用。IV型菌毛最早被证明广泛存在于革兰氏阴性菌中，但最近的研究表明，一些革兰氏阳性细菌也可以表达这种菌毛。如短双歧杆菌UCC2003可以在小鼠肠道内特异性表达IVb型Tad菌毛，对短双歧杆菌UCC2003相应Tad位点的突变分析表明，该基因簇对细菌在小鼠体内肠道的定植至关重要，更重要的是，UCC2003的Tad位点在双歧杆菌菌株中高度保守。
益生菌表面的特定蛋白不仅能增强菌体的黏附能力，还能通过菌体与宿主之间的蛋白质相互作用起到免疫调节作用，并且某些纯化蛋白质的调节能力甚至比菌体本身更强。
益生菌EPS是存在于许多乳酸菌和双歧杆菌表面的胞外聚合物，多作为天然增稠剂用于发酵乳制品的生产过程中，对人体健康有益。益生菌基因组上普遍存在EPS基因簇，表明肠道微生物群中的许多菌株可能产生EPS，并且可以在胃肠道局部达到较高浓度。研究表明，EPS对益生菌在肠黏膜的定植中也发挥一定作用，这主要是通过EPS提高菌株对肠道表面的非特异性黏附实现，有研究显示EPS的表面分布决定了菌株表面疏水特性，而这与细菌聚集作用息息相关，这证实EPS可以调节乳酸菌的黏附作用，影响乳酸菌的初步黏附。此外，EPS与益生菌生物膜的形成有关，致病菌通过形成生物膜引起宿主产生严重疾病，而益生菌通过形成生物膜增强其自身存活能力，进一步发挥有益功能，目前，EPS已被证明可以促进鼠李糖乳杆菌GG生物膜的形成。
益生元可增强益生菌对肠上皮细胞的黏附能力，这可能是因为在培养物中添加益生元可以提高乳酸菌表面蛋白等黏附素的表达量，从而提高益生菌的黏附能力。益生菌的黏附作用可以增加菌株与宿主相互作用的机会，从而导致暂时的定植，在一定程度上对肠道致病微生物产生拮抗作用，此外，益生菌还可以下调致病菌毒力因子的表达从而降低致病菌毒性。抑制致病菌对肠道组织的黏附作用
1)竞争营养物质
益生菌通过竞争营养物质和黏附位点来限制病原体的定植，这一过程称为定植抗性。益生菌和致病菌具有相似的碳水化合物偏好，这导致二者对同一营养素生态位存在竞争，此外，益生菌往往能够利用来源更广泛的碳水化合物来增强自身竞争生态位的能力。以致病性肠出血性大肠杆菌（EHEC）为例，EHEC O157:H7具有利用5 种碳水化合物的能力，因此占据了独特的生态位，而大肠杆菌Nissle 1917和大肠杆菌HS可以通过利用这些碳水化合物与EHEC竞争生态位。不同菌株对营养素的竞争不仅限于宏量营养素，也体现在对铁等微量元素的竞争。研究表明鼠伤寒沙门菌在感染期间会从发炎的肠道吸收大量铁，而单次服用可以有效吸收利用铁的大肠杆菌Nissle 1917后，小鼠粪便中鼠伤寒沙门菌的水平下降至对照组的1/100左右，并且在感染鼠伤寒沙门菌之前接种大肠杆菌Nissle 1917可使鼠伤寒沙门菌定植率降低至对照组的1/445。益生菌可以通过不同机制抑制致病菌对肠黏液层的黏附，如图1所示。益生菌菌株可以竞争致病菌的结合位点，抑制病原菌的附着，例如，乳酸杆菌可以特异性结合FnBPs和胶原等分子，这两种分子都是结合位点的组成部分；鼠李糖乳杆菌的SpaCBA菌毛结构、SpaC蛋白或SpaC抗体可以通过抑制具有类似菌毛结构的屎肠球菌的黏附，从而竞争性拮抗屎肠球菌的定植。此外，益生菌也可以表达微生物相关分子模式（MAMPs），与病原体竞争相同的模式识别受体，从而抑制致病菌的黏附。 益生菌分泌的有机酸具有重要抑菌作用，一方面，有机酸所营造的低pH值环境对多种病原体有抑制作用，如乳酸和乙酸等在营养受限的条件下以非解离形式穿透细胞质进行解离，并降低细胞内的pH值，从而干扰细胞代谢过程，同时，这些酸增加了革兰氏阴性菌外膜的渗透性，这会增强细菌素等抗菌物质的作用。
益生菌选择性利用益生元同样会导致有机酸的产生，影响肠道菌群的组成及其代谢活动。有关研究表明，在益生菌的培养过程中添加益生元作为底物，培养一段时间后的培养基将具有更高的SCFAs含量和更低的pH值。
细菌素是由核糖体合成的一组种类多样的抗菌肽的总称，可以在细胞质膜上发挥其活性，释放与细胞裂解有关的化合物，也可以进入细胞质，影响基因表达和蛋白质合成。益生菌产生细菌素抑制病原体的能力已得到实验证实。值得注意的是，相比于革兰氏阴性细菌素，革兰氏阳性细菌产生的细菌素通常对革兰氏阴性病原体的抑制作用较弱，而非致病性革兰氏阴性细菌所产生的细菌素在抑制致病菌方面具有更大的潜力。 生物膜由微生物群体及其产生的聚合物基质组成，它们彼此黏附或者黏附到组织或物体的表面，是各种肠道致病菌发病机制的重要因素。生物膜的形成主要分为3 个阶段：1）附着；2）增殖、成熟并形成生物膜结构；3）扩散。在生物膜形成过程中，各种细菌通过群体感应（QS）这一细菌细胞间通讯机制相互交流，这种通讯由自动诱导剂（AIs）介导。利用这些信号分子，细菌根据种群密度共同调节毒力因子的表达、次级代谢产物的产生并形成生物膜。益生菌可以抑制致病菌生物膜的形成过程、抑制生物膜中病原体的存活并破坏生物膜的完整性，主要通过分泌细菌素、EPS、有机酸和过氧化氢等拮抗物质及抑制致病菌QS实现（图2）。
抑菌物质的抗生物膜活性已在不同的研究中得到证实。另一方面，益生菌可以通过产生有机酸干扰细菌群体感应信号分子N-酰基高丝氨酸内酯（AHL）的产生来抑制致病菌QS，从而防止生物膜的形成。 益生菌可以通过减少病原体产生的毒力因子发挥其抗菌作用，减少致病菌对机体的损伤。益生菌也被证明可以下调其他致病菌的毒力因子表达。 目前，益生菌在拮抗肠道致病菌方面的功效虽已有大量研究证实，但传统益生菌株在应用过程中也存在局限性。通过基因改造可以设计出包含毒力因子基因、毒素受体基因和菌毛基因等致病菌基因的全新益生菌菌株，使在传统益生菌菌体中不存在的蛋白质得以表达，从而更有效地抑制致病菌感染。近年来已有很多研究表明重组益生菌可以通过改善多种特性增强其黏附特性以及在胃肠道的存活能力，同时增强对特定病原体的拮抗作用，重组益生菌的应用总结如表2所示。如今，重组益生菌的应用主要侧重于重组菌株对特定病原体的作用，其对肠道中的共生细菌或整个微生物群的影响鲜有深入研究，有待在未来的研究中不断探索。
研究结果表明，益生菌的黏附机制与黏液层中的MUC以及菌株表面的黏附素有关，此外，由于致病菌致病机制涉及对上皮细胞的黏附和定植以及一定浓度毒素的产生，因此益生菌的黏附作用可以通过相关机制在一定程度上对致病菌产生拮抗作用。在过去的几十年里，多种细胞系已在体外研究中用于评估益生菌菌株的黏附能力和对抗病原体的能力，然而，在许多情况下，体外和体内研究之间缺乏相关性，这表明亟需开发更复杂的体外模型以预测益生菌在宿主微生物生态系统中的作用机制，并实施更加精细严格的临床试验，以证明益生菌对人类健康的功效，为开发新型益生菌制剂调节肠道微生态探索新的可能性。
本文《益生菌黏附机制及其拮抗肠道致病菌研究进展》来源于《食品科学》2023年44卷09期313-320页。作者：吕秀莉，岳莹雪，平丽筠，刘德玉，李柏良，霍贵成. DOI:10.7506/spkx1002-6630-20220522-282.
