摘要：● 本综述探讨了艰难梭菌感染（CDI）的机制，重点研究了病原体的生命周期及其在宿主体内的致病性；还探讨了肠道微生物群、肠道代谢物与CDI之间的相互作用。此外，该综述还强调了饮食调节作为恢复肠道健康的有前途的策略，强调了其改变微生物群组成和减轻感染严重程度的潜力

艰难梭菌与肠道健康：细菌、肠道微生物群和饮食

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综 述

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原文链接DOI: https://doi.org/10.1002/imo2.50

● 2024年12月31日，西北农林科技大学曹阳春团队在iMetaomics在线发表了题为“

Clostridium difficile and gut health: Bacteria, the gut microbiome, and diet

● 本综述探讨了艰难梭菌感染（CDI）的机制，重点研究了病原体的生命周期及其在宿主体内的致病性；还探讨了肠道微生物群、肠道代谢物与CDI之间的相互作用。此外，该综述还强调了饮食调节作为恢复肠道健康的有前途的策略，强调了其改变微生物群组成和减轻感染严重程度的潜力，旨在推进CDI的预防和管理。

● 第一作者：杨浩、王腊梅

● 通讯作者：曹阳春（caoyangchun@126.com）、Chen Xinhua（xchen1@bidmc.harvard.edu）

● 合作作者：Javier A. Villafuerte Gálvez、马心如、Xu Hua、武圣儒、姚军虎

● 主要单位：西北农林科技大学动物科技学院、哈佛医学院

亮 点

● 本文探讨了艰难梭菌的生命周期特征及其在宿主体内的致病机理，旨在深入理解CDI的发生和发展过程；

● 本文分析了肠道微生物群落与肠道内代谢产物的相互作用，以及这些相互作用如何影响CDI的病理过程；

● 本文通过优化饮食中的营养成分，如增加膳食纤维、益生元或特定营养素的摄入，作为一种创新手段，用以促进肠道菌群平衡，恢复肠道健康从而提高动物对CDI的抵抗力。

摘 要

艰难梭菌感染（CDI）是一种日益严重的全球健康威胁，对公共卫生提出了重大挑战。代谢组学和蛋白质组学的进步极大地提高了我们对人类生理的认识，特别是肠道微生物群和饮食成分对CDI等疾病的影响。本综述探讨了近年来CDI发病机制的研究进展，包括感染周期、毒素机制、孢子结构、萌发以及针对孢子形成和萌发的治疗策略。我们还研究了肠道微生物群和代谢产物在CDI进展中的作用，以及饮食通过微生物群调节和免疫调节对疾病病理学的影响。旨在开发制定精确、个性化的饮食策略来调节肠道菌群和免疫反应，为CDI预防提供创新的治疗选择。

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全文解读

引 言

艰难梭菌感染（CDI）是由艰难梭菌（Clostridium difficile）引起的，主要发生在临床环境，尤其是长期使用抗生素的患者中。这种感染常导致严重的腹泻，甚至可能危及生命。CDI的临床表现从自限性的腹泻到更为严重的病理状态，如伪膜性结肠炎、体重减轻、营养不良、结肠穿孔及死亡等。艰难梭菌广泛存在于土壤、水源以及人类和动物的粪便中。CDI可引起一系列肠道病变，包括结肠炎症、肠道水肿、肠绒毛结构缩短、肠道通透性增加及屏障功能破坏。

在过去的十年中，CDI已成为全球重要的医院内感染类型，仅在美国，每年就报告超过50万例CDI病例，约有2.9万例相关死亡。除此之外，CDI的经济负担也十分沉重。2018年的一项研究估算，每例病例的平均治疗费用为13,476美元，患者的自付费用为396美元。尽管抗生素治疗有效解决了95%的CDI患者的感染，但抗生素本身会干扰肠道微生物群的平衡，导致菌群失调。这种菌群失调会使得15%-30%的患者易于发生复发性艰难梭菌感染（rCDI）及其他相关疾病。广谱抗生素通过破坏肠道内的正常菌群，降低对艰难梭菌定植的抗性，从而促使疾病的发生。复发性CDI（rCDI）已成为临床面临的重大挑战，其与高死亡率密切相关。要解决这一问题，亟需深入理解CDI的发病机制，改进治疗策略，并注重减少肠道微生物群的失调。

粪便微生物群移植（FMT）作为一种新兴的治疗策略，旨在通过将处理过的粪便材料从健康供体转移到患者体耐来恢复肠道微生物群的平衡。研究表明，FMT在治疗rCDI方面特别有效。最新的研究结果强调了膳食营养和肠道微生物群之间在塑造机体肠道内环境中相互作用的重要性，这种相互作用不仅能够防止艰难梭菌的定植，还可能影响宿主对CDI的易感性和疾病的严重程度。有研究报道饮食模式对肠道微生物群的组成及功能有显著影响，且这种变化在短短一周内即可观察到。不健康的饮食习惯会扰乱微生物群的平衡，降低肠道对细菌定植的抵抗力，进而增加感染的风险。饮食模式在预防和治疗多种疾病中的作用已经广泛得到认可，包括心脏病、代谢疾病、癌症以及炎症性肠病（IBD）等。有数据表明，饮食模式通过多种机制影响CDI的临床结果，其中包括对肠道微生物群及代谢物的改变、肠道屏障及免疫反应的调节，以及对艰难梭菌孢子产生和定植的影响。本文旨在深入分析饮食模式和肠道菌群在CDI发病中的作用，并探索如何将其应用于CDI的治疗，为应对CDI提供一个新的维度。

艰难梭菌感染

艰难梭菌生命周期

CDI已成为一种全球性流行病，主要影响先前接触过抗生素的患者。大约70%的CDI病例发生在医疗机构，如医院和长期护理机构，而其余30%的病例则是在未接触抗生素的情况下获得，主要是由于北美和欧洲出现了高致病性菌株。CDI的传播始于通过摄入受污染源（如水、土壤或其他患者的粪便）中的孢子。这些孢子具有多层保护结构，使其能够在胃肠道中生存。一旦进入结肠，孢子萌发并转变为能够引发感染的营养细胞。胆汁酸、氨基酸、pH值和温度等环境因素有助于孢子的识别与萌发，促进艰难梭菌在肠道内的定植。在肠道菌群失调的患者中，孢子萌发尤为容易，因为菌群紊乱为艰难梭菌提供了有利的生存环境。但是，共生微生物可以通过代谢营养物质和产生抑制性副产物与艰难梭菌竞争，从而抑制其生长。孢子的萌发标志着艰难梭菌进入下一生命周期阶段，是CDI传播和复发的关键。感染者通过粪便排出艰难梭菌，将其释放到体外的有氧环境中。虽然艰难梭菌的营养细胞是严格厌氧的，在有氧条件下难以生存，但孢子凭借其保护结构和低代谢活性，能够在环境中存活，直到再次被摄入。同样，在抗生素治疗期间，由于孢子的这种特性也给完全根除艰难梭菌带来了挑战。Castro-Córdova等人认为，艰难梭菌孢子能通过渗透肠道屏障而有助于孢子持续存在，导致rCDI。然而，这一理论尚无法完全解释为什么20%-50%的rCDI病例是由新的菌株引起，需要进一步的研究。目前的临床治疗方法主要集中在不同阶段中断艰难梭菌的生命周期。例如，去除孢子或抑制其萌发是预防和管理CDI的关键策略，并代表了未来新型治疗方案开发的潜力方向（如图1）。

图1. 艰难梭菌的感染周期

在过去的十年中，CDI已经成为一个重要的全球性与医疗保健相关的感染问题。艰难梭菌的来源在自然环境中广泛存在于土壤、水及人和动物的粪便中，宿主可能通过这些途径摄入孢子。艰难梭菌孢子在适宜的环境条件下萌发，这些条件包括胆汁酸、氨基酸、pH和温度。艰难梭菌在肠道内形成生物膜，这有助于它们抵抗宿主的免疫反应和抗生素治疗；艰难梭菌产生两种重要的毒素，这些毒素在宿主体内活跃，破坏宿主细胞，进一步加剧肠道损伤和炎症；艰难梭菌裂解增殖并在宿主体内释放孢子，这可能导致更多的孢子散播。艰难梭菌的感染破坏肠道健康的第一道防线--黏膜层，导致肠道屏障功能的损伤。

艰难梭菌生命周期

艰难梭菌孢子由多达七层结构组成，从最内层的核心到最外层的外孢子层。其结构包括孢子核心、内膜、芽孢细胞壁、皮层、外膜、外衣，在某些菌株中还包括外孢子。这种复杂的结构使孢子对高温、干燥、消毒剂和紫外线等杀菌手段具有显著的抵抗力。外膜由一层形态发生蛋白质组成的外衣涂层包裹，并有序的排列组装成多种蛋白质，形成一个相互作用的网络，从而增强了孢子对常用消毒剂的抵抗力。虽然不是所有艰难梭菌菌株都具有外孢子，但近期有研究表明，这一结构可能在孢子与宿主的相互作用中发挥着重要作用。具体而言，外孢子可能会破坏巨噬细胞的吞噬体膜，诱导细胞毒性反应。艰难梭菌孢子的萌发受到多种机制的调控。胞外萌发诱导物通过萌发受体（GRs）识别，触发皮层水解反应。细胞外萌发物与GRs结合后，释放一价阳离子，并启动二吡啶甲酸（DPA）与水的交换过程，形成Ca-DPA复合物。这一过程促进了水分吸收、代谢激活和再生成营养细胞。关键的蛋白酶调控孢子的萌发过程，特别Csp蛋白酶家族（如CspA、CspB和CspC）和皮质水解酶SleC。其中CspC蛋白酶的缺失会导致孢子无法萌发。CspA蛋白酶在孢子形成过程中调节CspC蛋白酶的表达，间接促进萌发过程。CspB蛋白酶在接收到外部信号后，降解抑制SleC的前体肽，使SleC激活并降解孢子皮层，从而诱导孢子萌发。通过了解孢子萌发的机制对于防控疾病传播和优化治疗策略至关重要。进一步研究CspA与CspC之间的分子相互作用，可为针对CDI这一关键阶段提供新型的治疗方法。

基于芽孢形成与萌发的治疗策略

CDI的传统治疗方法通常包括使用万古霉素、甲硝唑或非达曲霉素等抗生素。然而，这些抗生素不能完全清除结肠中的孢子，也无法防止孢子在环境中的持久存在。此外，传统医院清洁剂对孢子没有效果，导致rCDI和持续的健康风险。因此，针对去除孢子和抑制其萌发的开发治疗管理方法至关重要。

对艰难梭菌及其孢子具有双重抑制活性的新型抗生素正在研发当中。例如，‌氟喹诺酮-噁唑烷酮类抗生素Cadazolid，在体外试验中对孢子萌发具有显著的抑制作用。临床试验表明，Cadazolid的治愈率与万古霉素相当，同时对肠道菌群的干扰较小，特别是对有益菌种如Anaplasma spp.和Lactobacillusspp.的影响较少。另一个有潜力的候选药物是一种由糖脂和多肽组成的抗生素Ramoplanin。体外研究表明，在28天的治疗时间内，Ramoplani持续且显著的降低了艰难梭菌芽孢的数量，治疗时间为30 分钟。此外，去除孢子的外孢子层会降低Ramoplanin的抑制作用，表明该药物通过与外孢子层结合发挥作用，进而抑制萌发。因此，Ramoplanin被认为是治疗CDI的一种潜在可行性药物，尚待进一步的临床试验验证。

除抗生素外，各种天然产物已被证明具有抑制艰难梭菌孢子萌发和形成的潜力。研究人员已评估了多种天然化合物和提取物对艰难梭菌的抗菌性能。例如，Roshan等评估了22种天然产品，发现其中三种（新鲜洋葱鳞茎提取物、椰子油和新鲜生姜提取物）能够抑制孢子形成。此外，四种天然产品（朝鲜蓟提取物、新鲜洋葱鳞茎提取物、麦卢卡蜂蜜和大蒜素）显著抑制了孢子的生长。香芹酚，一种从食物和香料中提取的植物提取物，也抑制艰难梭菌的生长。体外研究报告显示，香芹酚的最小抑菌浓度（MIC）为1.2 mmol/L，亚抑菌浓度（SIC）为0.6 mmol/L。在SIC时，香芹酚显著降低了孢子的产生并下调孢子相关mRNA表达；而在MIC时，香芹酚完全阻止了孢子的生长。此外，20 mmol/L nisin和0.2 mmol/L lysozyme的天然抗菌剂组合也能有效抑制培养基中孢子的萌发，即使在牛磺胆酸和辅助萌发因子（如胰蛋白酶和NaCl）等的刺激萌发下也是如此。这种组合的抑制作用归因于孢子外壳肽聚糖层的破坏，从而使抗菌剂能够进入孢子核心造成DNA损伤。

尽管目前已有关于抑制艰难梭菌孢子萌发和产孢的策略，但这些方法在临床治疗的应用中仍占少数。因此，需深入研究艰难梭菌孢子的微观结构和萌发机制，对开发更有效的CDI治疗方法具有重要意义。

艰难梭菌对营养物质的代谢能力

单糖，如麦芽三糖、麦芽糖、α-D-葡萄糖、D-果糖和D-甘露糖，是支持艰难梭菌迅速繁殖的主要碳源。利用这些代谢碳源可显著减少毒素的产生。然而，富含碳水化合物的饮食会促进肠道微生物失调，增加艰难梭菌的定植，从而导致更高的死亡率。这归因于细菌对碳源的快速消耗，这有利于其定植并持续产生毒素。氨基酸也是艰难梭菌生长所必需的，通过Stickland代谢通过底物水平磷酸化生成ATP以维持生长。特定的氨基酸，如脯氨酸被优先利用，使ATP高效生成和细菌快速生长。这种选择性利用了艰难梭菌在肠道生态位中占据主导地位的能力。艰难梭菌还利用宿主来源的营养物质，如乙醇胺，一种存在于宿主细胞中的磷脂酰肌醇。艰难梭菌产生的毒素会引起细胞损伤和炎症，促进乙醇胺释放到肠道中，为细菌提供能量。此外，肠道壁上的粘蛋白糖基化蛋白被共生微生物降解，如Akkermansia muciniphila和Ruminococcus torque，释放甘露糖和唾液酸，艰难梭菌能够高效利用这些物质来促进生长。山梨醇是另一种来源于宿主的营养物质，在艰难梭菌诱导的炎症过程中，通过上调宿主上皮细胞中醛糖还原酶而产生。山梨醇能够促进细菌的定植，但缺乏山梨醇则会导致毒素表达增加，从而加剧炎症反应。综上所述，营养物质对艰难梭菌的生长和定植至关重要，其有效性与CDI的严重程度密切相关。为了制定有效的临床营养策略来调节炎症和限制艰难梭菌的定植，需要进一步研究其营养代谢。

艰难梭菌与肠道健康

艰难梭菌毒素激活宿主对CDI的免疫力

艰难梭菌引起结肠炎的致病性是由多种因素决定的，包括其毒力，致病性位点内编码的毒素和与粘附性和运动性相关的因素，如粘附素、鞭毛和生物膜。并非所有CDI患者都表现出症状，这可能归因于艰难梭菌菌株的变异。这些菌株根据产生毒素的能力分为产毒菌株和非产毒菌株。产毒菌株产生毒素，一旦在结肠中释放，就会引发炎症，导致结肠炎。这种炎症为细菌生长和营养摄取创造了有利的环境。

CDI的发病机制主要涉及两大外毒素：肠毒A （TcdA）和细胞毒素B (TcdB)，前者破坏肠黏膜和血管，后者在破坏肌动蛋白细胞骨架和微管中起关键作用。这两种毒素都与宿主细胞表面的特定受体结合，包括卷曲蛋白（FZD）、糖胺聚糖、低密度脂蛋白受体和Toll样受体2 （TLR2）。在受体介导的内吞作用后，毒素被内化。在结肠上皮内，TcdA和TcdB使RhoA和Rac1失活，导致细胞骨架破坏，紧密连接蛋白（claudin、occludin和ZO-1）降解以及严重的上皮屏障损伤。这些毒素还会抑制Rho活性，激活炎性体，并将炎性细胞（如先天性1型和3型淋巴细胞（ILC1和ILC3））招募到结肠固有层，从而放大炎症反应。还有一些艰难梭菌菌株产生第三种毒素，称为二元毒素（CDT）。然而，在人类的肠道或粪便中很少发现仅产CDT的菌株。CDT在CDI发病机制中的确切作用尚未完全阐明。

TcdA和TcdB引起的宿主先天免疫应答是CDI的重要致病机制。这些毒素激活包括巨噬细胞和中性粒细胞在内的先天免疫细胞，促使促炎细胞因子和趋化因子的释放，从而将额外的免疫细胞召集到感染部位。这种反应不仅可以对抗感染，还可以通过促进上皮修复和减轻炎症引起的损伤来支持组织内稳态。Hasegawa等报道，特异性敲除某些先天免疫细胞因子基因，如白细胞介素10 （IL-10）、白细胞介素22（IL-22）和髓系分化初级反应蛋白（MyD88），导致CDI小鼠模型肠道疾病恶化和死亡率增加，突出了先天免疫在CDI中的保护作用。此外，TcdA和TcdB通过MyD88信号通路协同增强IL-23的表达，强调了白细胞介素家族在免疫调节中的复杂作用。随着研究的进展，对白细胞介素家族在CDI发展中的双重作用的认识逐渐加深（表1）。

表 1. 白细胞介素与 CDI 体外和体内模型之间的相关性

TLR2是一种位于细胞表面的先天免疫受体，介导多种免疫反应，包括由辅助性T细胞2 （TH2）细胞协调的保护性2型免疫反应。然而，某些艰难梭菌产生的CDT通过激活TLR2而加重疾病的严重程度。这种激活间接诱导嗜酸性粒细胞凋亡，抑制保护性的嗜酸性粒细胞和TH2反应，进一步损害免疫防御。因此，探索和阐明艰难梭菌毒素与炎症细胞之间的共同信号通路，以及了解这些毒素如何调节这一信号网络，将加深我们在细胞和分子水平上对免疫反应的理解。这一发现有助于开发改进CDI的治疗策略（图2）。

图2. 艰难梭菌毒素的发病机制与相关信号通路

图2注解：艰难梭菌是一种在肠道内产生多种毒素的细菌，其产生的三种主要毒素包括毒素A（TcdA）、毒素B（TcdB）和艰难梭菌二元毒素（CDT）。TcdA和TcdB这两种毒素直接破坏肠道上皮细胞，通过Toll样受体4（TLR4）被宿主细胞识别，触发肠道炎症反应。TcdA可能直接影响肠道微生物群的平衡，破坏微生物群落的稳定性，而MyD88作为一个适配器蛋白，参与TLR4信号传导，导致促炎性细胞因子的产生。FZD是一种成熟的艰难梭菌受体，通过Wnt/RhoA/Rac1信号通路抑制肠道干细胞的功能，影响肠道的修复和再生过程。CDT是最近被发现的毒素，由Toll样受体2（TLR2）识别，它也能诱导肠道炎症，可能导致上皮细胞的死亡。TLR2的激活可能招募氧自由基细胞和TH2细胞，这些细胞参与炎症反应，进一步加剧肠道炎症。

艰难梭菌与肠道微生物

肠道微生物组与CDI 的定植抗性

人类肠道拥有一个复杂的微生物群，包括1000多种细菌、真菌和原生生物组成，在健康机体中保持着动态平衡。这些微生物群落的稳定性和组成对宿主的健康至关重要。这种平衡的破坏或失调是CDI的主要因素。这种不平衡创造了一个供艰难梭菌定植的生态位。

定植抗性是指肠道微生物群阻止艰难梭菌等病原菌在胃肠道内建立和增殖的能力。这一现象是是通过物理、营养和生化机制的结合实现的肠道微生物多样化和健康的基本功能。健康的肠道微生物群占据肠道内壁的空间，防止病原体附着在粘膜上。目前证明，肠道微生物群通过空间和营养竞争等机制以及调节次级代谢物等来产生定植抗性。然而，肠道菌群抵抗艰难梭菌定植的确切机制仍不完全明确。主要的观点认为，肠道菌群主要通过空间和营养竞争以及调节次级代谢物抑制艰难梭菌的生长。

空间与营养竞争

当肠道共生体抑制病原微生物粘附于粘膜时，就会产生空间竞争。例如，Lactobacillus rhamnosus通过分泌胞外多糖来减少艰难梭菌的粘附，有助于清除艰难梭菌。由于数十亿肠道微生物争夺有限的资源，营养竞争进一步限制了艰难梭菌的定植。这些相互作用构成了定植抗性的基础，其中涉及复杂的微生物相互作用，这涉及到单一菌株干预无法有效复制的复杂微生物相互作用。

最近的一项研究报道，一种非产毒艰难梭菌菌株通过消耗甘氨酸竞争性地抑制产毒艰难梭菌的萌发，从而有效地预防了rCDI。同样，Saccharomyces boulardii已被证明可以减少艰难梭菌的粘附和定植，减轻肠道炎症，并显著降低肠道通透性。此外，一项临床研究表明，可降低老年人发生CDI的风险。此外，Bifidobacterium longum已被证明可减少艰难梭菌的数量和毒素，减轻炎症并提高小鼠的存活率。

CDI患者的肠道微生物变化

根据大量研究表明，CDI与肠道微生物多样性降低有关。2008年Chang等报道CDI患者的粪便微生物多样性明显低于健康个体（p= 0.0154）。2013年的一项研究也证实了这一发现，该研究还发现，Ruminococcaceae 和Lachnospiraceae的有益共生菌的相对丰度降低，并且产生丁酸盐的厌氧发酵剂减少。此外，Bifidobacteria 和 Anaerobic Bacilli的丰度与艰难梭菌呈负相关，而Enterococcus丰度的增加与多样性降低和临床结果较差有关。

最近的研究结果强调了肠道真菌在CDI中的作用。与健康携带者相比，CDI患者肠道真菌的α和β多样性明显降低，Cladosporium和Aspergillus genera的丰度增加（pAscomycota 与Basidiomycota的比例也显著较高，这表明真菌失调可能是CDI的另一个致病因素。

艰难梭菌与肠道代谢物

艰难梭菌与胆汁酸

胆汁酸来源于肠道菌群代谢，在调节艰难梭菌定植和感染中起关键作用。根据来源分为初级或次级。，初级胆汁酸，包括胆酸（CA）和鹅去氧胆酸（CDCA），在肝脏中由胆固醇合成并与甘氨酸或牛磺酸偶联。这些物质被分泌到小肠中，小肠远端和结肠中的肠道微生物将其转化为次级胆汁酸，如脱氧胆酸（DCA）和石胆酸（LCA）。

艰难梭菌利用胆汁酸作为孢子萌发的环境线索。虽然初级胆汁酸通常对艰难梭菌无毒，但初级胆酸可通过受体CspC特异性促进孢子萌发。然而，当肠道菌群发生代谢变化时，可产生次级胆汁酸，对艰难梭菌表现为抑制作用。例如，熊去氧胆酸（UDCA）可以在体外抑制孢子萌发并降低复发率。此外，像Clostridium scindens具有胆汁酸7-脱羟基化活性的细菌，通过增加次级胆汁酸的产生来增强肠道对艰难梭菌的抵抗力。值得关注的是，近期有研究表明，初级和次级胆汁酸都可以与TcdB结合，诱导其结构变化，阻止TcdB与细胞表面受体结合，从而降低其毒性。详情见表2与图3。

表2. 胆汁酸对CDI体内外模型的影响

注：表中“↑”表示数量增加或效果增强，“↓”则相反。

图3. 肝脏直接分泌初级胆汁酸进入胃肠道可促进艰难梭菌增殖

初级胆汁酸（CA, CDCA）和次级胆汁酸（LCA, DCA）在肠道内起到调节艰难梭菌孢子萌发的作用。GSP是一类小分子，能够抑制艰难梭菌孢子的萌发。这些分子可能通过与初级胆汁酸竞争结合位点或直接作用于孢子的萌发机制来发挥作用。TcdB对肠道上皮细胞有破坏作用，艰难梭菌孢子在萌发过程中会发生结构变化，这些变化可能涉及到孢子外壳和外孢子层的重组，以及孢子内部的生化过程。复发性艰难梭菌感染可能与肠道微生物群的失衡或胆汁酸水平的变化等有关。肠道菌群对艰难梭菌的定植和感染有重要影响，可能通过竞争营养物质、产生抗菌物质或调节胆汁酸水平来抑制艰难梭菌的生长。

最近的研究强调了改变胆汁酸组成作为CDI治疗策略的潜力。次级胆汁酸通过抑制孢子萌发和减轻毒素毒性来治疗CDI和rCDI。目前的研究主要集中在阐明其潜在的机制和发展临床治疗和营养策略。这些包括通过饮食或益生菌调节肠道微生物来改善胆汁酸组成，或开发特异性胆汁酸和胆汁酸复合物作为CDI的靶向治疗剂。

艰难梭菌与SCFAs

SCFAs是至碳链长度为2-6个碳原子的有机脂肪酸，主要由碳水化合物和膳食纤维的微生物发酵代谢在结肠腔内产生的物质。SCFAs包括醋酸盐、丁酸盐和戊酸盐，通过维持肠道屏障功能、粘膜免疫和微生物稳态，在肠道健康中发挥关键作用。SCFAs是结肠细胞的重要能量来源，维持结肠上皮的完整性和肠道对营养物质的最佳吸收。它们的抗炎特性源于调节免疫反应，减少促炎细胞因子的产生，促进抗炎介质的释放。这种抗炎作用有助于预防胃肠道疾病，包括IBD和CDI。在CDI中，SCFAs似乎通过宿主免疫和维持肠道屏障功能来减轻疾病的严重程度。CDI患者的粪便SCFA水平明显低于健康个体。同样，CDI小鼠模型显示，与健康小鼠相比，肠道和粪便中的SCFAs浓度显著降低。SCFAs对CDI具有多种保护机制。它们可以增强免疫功能、促进抗炎细胞因子的分泌、减少毒素诱导的损伤并增强紧密连接的完整性（表3，图4）。值得关注的是，微生物衍生的醋酸盐激活免疫细胞上的游离脂肪酸受体2 (FFAR2)，增强中性粒细胞募集，刺激IL-1β分泌，并通过3型先天淋巴细胞（ILC3s）上调IL-22的产生来抵抗CDI。丁酸盐具有类似的作用，增强中性粒细胞募集到结肠固有层，刺激HDPs（例如，再生胰岛源性蛋白3β(Reg3β)和Reg3γ）以有助于CDI免疫反应的细胞因子的表达。戊酸盐，另一种SCFA，对CDI显示出特异的的疗效。FMT治疗CDI患者的戊酸盐水平显著增加，与症状改善相关。体外研究表明，戊酸盐选择性抑制艰难梭菌的生长，而不影响有益的肠道细菌，如Bacteroidetesspp.、Clostridium scindens和Firmicutes spp.。

此外，SCFA s有助于肠道酸化，这是 CDI 治疗的一个关键因素。CDI 患者的肠道环境通常表现为碱性环境，这促进艰难梭菌的生长和毒素活性。可发酵纤维通过刺激 SCFAs的产生，降低肠道 pH ，降低艰难梭菌存活，同时促进毒素降解。

表3. 短链脂肪酸对CDI体内外模型的影响

图4. SCFAs抑制艰难梭菌的生长及毒素的产生

肠道微生物群通过发酵作用将膳食纤维转化为短链脂肪酸SCFAs， SCFAs通过降低肠道ph抑制艰难梭菌生长，减少毒素产生；还可通过增强黏膜免疫等提高机体对艰难梭菌的防御能力。短链脂肪酸包括乙酸、丙酸和丁酸，乙酸通过FFAR2受体影响肠道上皮细胞，可能参与调节肠道屏障功能和免疫反应；丙酸通过IL C3细胞和IL-22的产生，增强黏膜免疫和宿主防御肽的表达，从而提高对CDI的抵抗力；丁酸是肠上皮细胞的主要能量来源，对维持肠道屏障功能至关重要，还通过IL-1R信号通路调节免疫反应。

艰难梭菌与氨基酸

氨基酸来源于膳食蛋白质的酶消化，是肠道健康所必需的营养素，在肠道生长、粘膜完整性和屏障功能中起着关键作用。然而，它们也显著影响艰难梭菌的萌发、生长和代谢，艰难梭菌是一种与严重胃肠道感染有关的病原体。必需氨基酸，包括半胱氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、脯氨酸、色氨酸和缬氨酸，是艰难梭菌生长所必需的。精氨酸、甘氨酸、组氨酸、蛋氨酸和苏氨酸等非必需氨基酸虽然不是必需的，但可以促进细菌增殖。氨基酸还促进艰难梭菌孢子的萌发；例如，牛磺胆酸和甘氨酸是关键的刺激因子。组氨酸、甘氨酸和牛磺胆酸钠已经被确定为促进孢子萌发的辅助因子。

氨基酸还调节艰难梭菌的致病性（表4）。例如，半胱氨酸抑制TcdA和TcdB的mRNA表达。此外，几种与能量相关的代谢途径会因半胱氨酸而被抑制，如丁酸盐代谢、Wood-Ljungdahl途径、Stickland反应和ATP合酶复合物。相反，高浓度的异亮氨酸 （100 mM） 可促进TcdA和TcdB的生成。脯氨酸是艰难梭菌的重要能量来之一，当脯氨酸过量存在时，会通过抑制 TcdR 来下调毒素的生成。精氨酸维持艰难梭菌的生长，但缺乏精氨酸可能会损害细菌的增殖，同时增加某些菌株的毒素产生。色氨酸及其衍生物还与宿主代谢相互作用，可能通过调节宿主色氨酸分解代谢途径来减轻艰难梭菌免疫病理作用。

表4. 氨基酸对体内外CDI模型的影响

注：表中“↑”表示数量增加或效果增强，“↓”则相反。

虽然氨基酸有助于艰难梭菌的生长并使CDI的治疗复杂化，但他们也具有潜在的治疗价值，源于其特殊的肠道营养特性，它们。例如，色氨酸及其衍生物可调节宿主对感染的免疫反应。这些双重作用强调需要进一步研究氨基酸代谢对艰难梭菌的体内影响，并制定有针对性的营养策略来治疗CDI。

CDI患者的饮食与肠道健康

CDI患者肉类饮食、蛋白质与肠道微生物

西方饮食 （WD） 盛行于北欧和美国，其特点是大量摄入红肉和加工肉类、高脂乳制品、高糖饮料、精制谷物和黄油，通常被称为“肉-甜”饮食。研究表明，在畜禽产品中经常检测到艰难梭菌，这表明人类饮食中食用的红肉可能是这种病原体的来源。此外，WD 中的红肉是生物可利用锌的主要来源。饮食过量的锌会干扰肠道微生物，降低了对CDI的易感所需的抗生素量。锌还通过增强毒性、降低肠上皮中的 Rho 活性并引发严重的免疫反应来加剧艰难梭菌的严重程度。高脂、高蛋白饮食通过Stickland反应（其中氨基酸和肽被代谢）为艰难梭菌提供丰富的能量来源，从而进一步加重CDI症状并增加小鼠的死亡率。脯氨酸和甘氨酸是关键的 Stickland 受体，由于膳食中蛋白质和脂肪的含量过高，在肠腔中产生大量脯氨酸和甘氨酸，有利于艰难梭菌的繁殖生长。

WD 的高脂、低纤维饮食会使胆汁酸代谢发生变化。高脂摄入会增加初级胆汁酸，同时减少肠道微生物群产生次级胆汁酸，促进艰难梭菌的增殖。此外，WD 降低肠道微生物的丰度和多样性，降低了对艰难梭菌的定植抗性。WD 中缺乏膳食纤维和多不饱和脂肪酸 （PUFA） 会降低 SCFA 水平，而 SCFA 水平对肠道健康起保护作用。因此，WD 通过降低肠道微生物群的丰度和定植抗性来增加 CDI 的发生，同时降低 SCFA 水平，导致更严重的肠道损伤。

CDI患者的膳食纤维与肠道微生物

大量的科学研究表明纤维有益于肠道健康。补充纤维，特别是果胶，可以增强微生物的多样性，减轻结肠炎症，促进SCFAs和CDCA的产生，这两种物质都有助于抵抗艰难梭菌定植。先前的一项研究表明，在小鼠模型中，膳食菊粉增加了粪便微生物群的负荷和密度，同时降低了艰难梭菌的丰度。此外，膳食黄原胶通过在抗生素治疗期间保持微生物群的多样性和丰度来抑制艰难梭菌定植和增加SCFA浓度减轻CDI诱导的腹泻和肠道炎症。

CDI患者的膳食多酚与肠道微生物

植物多酚以剂量依赖的方式与细菌细胞膜结合，破坏细菌功能，抑制细胞生长，减少孢子产生，并调节相关基因。例如，茶多酚经细菌发酵代谢产生的代谢物可有效抑制粪便培养物中艰难梭菌的生长。一些研究表明特定的多酚对艰难梭菌的影响。例如，在亚抑制浓度（0.5 mg/mL）下，香芹酚可以显著减少孢子的形成，并下调孢子产生所必需的基因。当与反式肉桂醛联合使用时，香芹酚进一步抑制毒素的产生（TcdA和TcdB），从而降低细胞毒性。在纯艰难梭菌培养的粪便悬浮液中，百里香酚在浓度为0.1 mg/mL和0.5 mg/mL时能有效抑制细菌生长，浓度越高效果越明显。表没食子儿茶素-3-没食子酸酯（EGCG）是绿茶中一种重要的生物活性成分，EGCG通过降低肠球菌科的相对丰度来调节肠道微生物。在CDI小鼠模型中，还能改善氨基酸代谢，缓解结肠炎症，增加体重，并降低死亡率。补充香芹酚可通过改变肠道菌群组成改善CDI小鼠的临床结果。它可以增加有益细菌，如Phyllostachysspp.，减少有害细菌，如Phyllostachysspp.和Clostridium difficile。

膳食多酚在预防和治疗CDI方面具有重要潜力。然而，膳食纤维和多酚协同促进肠道健康的机制还需进一步的研究。临床验证对于将这些发现转化为预防和治疗CDI的实际饮食策略至关重要。

CDI患者的特殊性饮食

饮食干预措施，例如克罗恩病排除饮食 （CDED） 和特定碳水化合物饮食 （SCD），作为 CDI治疗的潜在方法而受到关注。这些方法旨在通过避免有害的饮食成分来调节肠道微生物群，增强肠道屏障功能，并最大限度地减少免疫系统失调。统、肠道微生物群和肠道屏障功能产生不利影响。食品添加剂在食品工业中广泛用于增强口感、质地或吸引力，即使在监管机构批准的剂量下，也会对肠道微生物群的组成和多样性产生负面影响。例如，海藻糖是一种长期以来被认为安全的食品添加剂，已被证明会增加某些高毒力艰难梭菌菌株（RT027 和 RT078）中的毒素表达。这与 CDI 小鼠模型中更严重的疾病表现和更高的死亡率相关。Collins 等的研究表明，这些菌株已经进化出代谢海藻糖的有效机制，有可能在最近的流行病暴发中推动其流行。因此，在21世纪，海藻糖在食品生产中的广泛应用与这些毒株的优势有关。值得关注的是，虽然海藻糖代谢在特定条件下为艰难梭菌菌株提供了生长优势，但使用体外肠道模型的研究发现，补充海藻糖、葡萄糖或盐水并没有显著改变毒素的产生或孢子的形成。这些发现表明，海藻糖和艰难梭菌毒力之间的关系可能取决于复杂的环境或宿主因素。

尽管食品添加剂对 CDI 的影响仍不清楚，但在其机制明确之前，还是采用不含添加剂的 CDED 是较为谨慎的一种预防措施。SCD 限制了二糖和多糖等复合碳水化合物的摄入，同时只允许单糖，提供了另一种饮食方法。除了限制碳水化合物外，SCD 还包括优质蛋白质、富含纤维的水果和蔬菜以及健康脂类，同时不包括加工碳水化合物，如小麦、大麦、玉米和大米。

肠道中的二糖被细菌发酵产生有机酸，如乳酸、二氧化碳和氮气。当二糖未被吸收时，它们会增加肠腔内的渗透压，阻碍水分吸收并导致腹泻。有机酸会刺激肠道，导致酸性大便和因过量产气而腹胀。与利用二糖进行代谢的有害细菌不同，SCD 旨在通过促进单糖代谢来限制细菌和真菌的过度生长，从而维持健康的肠道微生物群，同时限制细菌和真菌的过度生长。

在临床试验中，Suskind 等报道了，三名患有 CDI 或rCDI的儿童患者在接受 SCD 治疗后，表现出肠道微生物多样性增加和艰难梭菌丰度降低。值得注意的是，1 例 rCDI 患者通过饮食干预完全治愈。尽管有这些正向发现，但推荐这些饮食作为标准治疗方法之前，需收集关于 CDED 和 SCD 对 CDI 的影响及其潜在机制的有力科学支撑依据。

总结与展望

CDI 在全球范围内仍然是一个重大的医疗保健挑战，需要创新的解决方案来实现有效的治疗。本综述探讨了 CDI 的病理机制以及饮食模式影响其进展的作用。CDI治疗需要多方面的方法，包括中断感染周期、减轻艰难梭菌毒素的影响以及恢复平衡的肠道微生物群。尽管在理解这些过程方面取得了进展，但仍需要进一步的研究来阐明潜在机制并制定有针对性的治疗策略。一种前沿的方法为利用定植抗性，培养有丰度变化和多样性的肠道微生物群。通过促进有益细菌种群，这种方法创造了一个抑制艰难梭菌定植和生长的环境，从而降低感染风险。在这种情况下，饮食干预至关重要，但仍然缺乏一种普遍接受的治疗 CDI 的饮食方案。

未来发展精准营养学、营养基因组学、系统生物学和生物信息学为创建个性化饮食干预措施带来了巨大的潜力。这些干预措施可以根据不同患者群体肠道微生物群组成上的差异进行定制。此外，还建立了一个全面的数据库，用于组织从CDI患者粪便样本中获取的宏基因组和代谢组数据。该数据库可以促进对患者预后的预测，并指导在感染的不同阶段指定适宜的饮食策略。通过将创新研究与个性化方法相结合，这一领域有望最终推进CDI的预防和治疗。

引文格式：

Hao Yang, Lamei Wang, Javier A. Villafuerte Gálvez, Xinru Ma, Hua Xu, Shengru Wu, Junhu Yao et al. 2024. “Clostridium difficileand gut health: Bacteria, the gut microbiome, and diet”.iMetaOmics2: e50. https://doi.org/10.1002/imo2.50.

作者简介

杨浩（第一作者）

● 西北农林科技大学在读博士研究生。

● 研究方向为益生菌和天然产物治疗艰难梭菌感染的机制研究，以第一作者在Research、iMetaomics、Journal of the Science of Food and Agriculture等期刊发表论文7篇。

王腊梅（第一作者）

● 西北农林科技大学博士，哈佛大学博士后。

● 主要研究病原菌对宿主消化道微生物及机体免疫的影响，应用动物模型结合多组学（宏基因组、蛋白质组、代谢组等）关联分析技术系统阐明梭菌及其毒素的致病机理，解析梭菌调控微生物区系及其机体免疫的机制与网络。相关学术成果已发表于Gastroenterology、PNAS、Clinical Infectious Diseases、Microbiology Spectrum等期刊。

曹阳春（通讯作者）

● 西北农林科技大学教授，博士生导师，国家“万人计划”青年拔尖人才。

● 近5年，以第一/通讯作者在Gastroenterology、iMeta等发表论文三十多篇，最高影响因子33.883，以第一完成人授权国家专利11项并发布标准4项，获陕西省科技进步一等奖（2/9）和甘肃省科技进步二等奖（5/10）。获聘哈佛医学院营养中心专家组成员，入选中国畜牧兽医学会第三届“青年拔尖人才”、2022年仲英青年学者、陕西省杰出青年科学基金和陕西省高校首批“普通高校青年杰出人才支持计划”，获第二届动物营养学分会青年学者优胜奖。兼任动物营养学分会副秘书长，陕西省添加剂预混料“四主体一联合”技术工程中心主任，陕西省秦创原畜禽饲料添加剂研发与应用团队首席科学家，《iMeta》和《Microbiome Research Reports》青年编委。主持国家自然科学基金面上项目等20余项，参编英文专著《Amino Acids in Nutrition and Health》等3部。相关研究成果被科学报、BioArt、Healio Gastroenterology等国内外专业媒体报道。

Chen Xinhua（通讯作者）

● 哈佛医学院教授，博士生导师。

● 从事有关宿主、共生细菌和病原体之间相互作用的研究。主要工作围绕艰难梭菌感染的发病机制、预防、治疗、临床诊断以及布拉酵母在治疗消化系统疾病中的分子细胞机制等展开，并开发了第一个与人类艰难梭菌感染非常相似的小鼠模型。专注于消化病学领域。近年来，在Nature Microbiology、Gastroenterology、Gut、Clinical Infectious Diseases等顶级学术期刊上发表论文60多篇。

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“iMeta” 是由威立、宏科学和本领域数千名华人科学家合作出版的开放获取期刊，主编由中科院微生物所刘双江研究员和荷兰格罗宁根大学傅静远教授担任。目的是发表所有领域高影响力的研究、方法和综述，重点关注微生物组、生物信息、大数据和多组学等前沿交叉学科。目标是发表前10%(IF > 20)的高影响力论文。期刊特色包括中英双语图文、双语视频、可重复分析、图片打磨、60万用户的社交媒体宣传等。2022年2月正式创刊！相继被Google Scholar、PubMed、SCIE、ESI、DOAJ、Scopus等数据库收录！2024年6月获得首个影响因子23.8，位列全球SCI期刊前千分之五(107/21848)，微生物学科2/161，仅低于Nature Reviews，学科研究类期刊全球第一，中国大陆11/514！

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