摘要
定植抗性是一种基础的宿主防御机制，依赖于肠道菌群与宿主免疫系统的协同相互作用，以预防肠道病原体的定植和感染。本综述综合了当前关于调控肠道病原体定植抗性的多层面机制的知识。我们探讨了共生微生物如何通过生态位和营养竞争、接触依赖性抑制以及抗菌化合物和代谢物的产生来直接抑制病原体。从宿主角度，我们概述了肠道屏障、先天和适应性免疫以及抗菌肽在维持菌群稳态的同时选择性限制病原体扩张中的重要作用。我们还强调了IL-22信号及其对上皮糖基化的调控作用，后者调节营养可用性并塑造微生物竞争力。最后，我们讨论了定植抗性及相关转化研究中的关键挑战与未来研究方向，旨在为预防和治疗肠道感染及炎症性疾病的新策略提供信息。
引言
肠道菌群与宿主形成一个复杂的生态网络，协助宿主进行营养代谢、免疫系统发育和屏障维持。其最基本的作用之一是定植抗性，即本土微生物群与宿主防御共同阻止入侵病原体建立和过度生长的能力。定植抗性依赖于两个相互依存的组成部分：肠道菌群和宿主免疫系统。菌群通过占据生态位、竞争营养、产生细菌素、进行接触依赖性抑制以及产生调节微生物生态和宿主生理的生物活性代谢物来提供直接保护。宿主则通过物理和化学粘膜屏障以及先天和适应性免疫反应做出贡献。定植抗性的破坏具有深远的临床后果。诸如广谱抗生素使用、饮食改变或免疫抑制等干扰可破坏微生物群落的稳定性并损害屏障功能，从而导致机会性过度生长（如艰难梭菌）或增加对肠道病原体的易感性。理解维持定植抗性的机制对于设计预防和治疗感染的干预措施，以及在扰动后恢复宿主-菌群稳态至关重要。
肠道菌群在定植抗性中的作用
肠道菌群通过多种生态和分子机制直接限制入侵病原体，在定植抗性中发挥核心作用。这些机制包括对物理生态位和营养资源的竞争、抗菌因子的产生、接触依赖性抑制以及调节病原体适应度和毒力的生物活性代谢物的产生。
生态位和营养的直接竞争
定植抗性根本上基于共生菌与入侵病原体之间的生态竞争。肠道环境种群密集，常驻微生物占据着沿粘液层和上皮表面的关键空间位点。通过定植这些位点，共生菌在物理上阻止病原体获取成功定植所需的粘附位点。空间竞争起着关键作用。例如，尽管共生大肠杆菌和致病鼠伤寒沙门菌都需要硝酸盐生长，但大肠杆菌可以利用沙门菌毒力因子创造的生态位，并通过硝酸盐竞争抑制病原体扩张。同样，共生肠杆菌科细菌与肠炎沙门菌竞争氧气。梭菌通过PPAR-γ介导的缺氧赋予定植抗性，限制白色念珠菌和大肠杆菌等兼性厌氧菌；抗生素破坏会升高氧气水平并促进病原体扩张。此外，营养竞争是限制病原体扩张的关键机制。不同的细菌种类专门代谢特定底物，创造了严格调控的代谢景观。例如，拟杆菌门降解复杂多糖，从而限制鼠伤寒沙门菌和致病性大肠杆菌等肠道病原体的碳水化合物可用性。病原体也进化出策略来克服这些竞争压力。鼠伤寒沙门菌利用其毒力因子通过有氧呼吸和混合酸发酵的组合获得葡萄糖，从而打破定植抗性。营养竞争不仅限于碳水化合物，还包括氨基酸。肠道菌群可以消耗局部氨基酸，限制病原体生长。作为应对，病原体激活生物合成途径进行补偿。
细菌素在定植抗性中的作用
许多共生菌通过产生细菌素和其他抗菌肽来加强定植抗性，这些物质直接抑制病原体生长。这些化合物通常是窄谱的，选择性靶向密切相关的细菌菌株。通过消除竞争者，它们为产生菌提供了适应性优势，同时促进了肠道菌群内的稳定性和恢复力。一个显著的例子是含有Blautia producta BPscsk的共生联盟，其分泌一种与Nisin A结构相似的羊毛硫抗生素，有效抑制耐万古霉素屎肠球菌（VRE）的生长。细菌素驱动的竞争也与肠球菌种群内的谱系替换有关。质粒编码的细菌素，如粪肠球菌中接合质粒pPD1携带的细菌素21，使产生菌能够取代常驻肠球菌并主导肠道生态位。其他共生菌也利用类似策略排除病原体。
接触依赖性抑制系统在定植抗性中的作用
接触依赖性抑制构成了一种有效的、空间受限的定植抗性机制，其中效应蛋白通过特殊的分泌装置——最显著的是VI型分泌系统（T6SS）——从一个细菌直接递送到相邻细胞。在结肠等细胞间距离很近的高密度生境中，T6SS介导的毒素注射使共生菌能够抑制或杀死紧密竞争的菌株，从而确保和稳定局部生态位。拟杆菌目成员 exemplifies 这一策略，几种肠道拟杆菌目部署T6SS效应物来对抗同种和异种竞争者，导致接触依赖性生长抑制。同样，机会性病原体和常见肠道定植菌肺炎克雷伯菌依赖于功能性T6SS来消除特定的革兰氏阴性竞争者，特别是β-变形菌门，从而促进其在肠道中的持久性。重要的是，接触依赖性抑制与宿主介导的菌群空间控制协同运作。
微生物代谢物作为定植抗性的介质
除了直接的微生物拮抗作用，肠道菌群衍生的代谢物通过调节微生物竞争和宿主生理，在塑造定植抗性方面起着关键作用。这些代谢物作为化学信号和营养源，影响病原体生长、毒力表达和肠道内的整体生态平衡。短链脂肪酸（SCFAs），如乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，是研究最广泛的代谢物之一。它们由共生菌通过膳食纤维发酵产生，能增强肠道屏障完整性并调节管腔氧水平。例如，丁酸盐通过PPAR-γ激活促进上皮缺氧，从而创造一个限制鼠伤寒沙门菌等兼性厌氧菌扩张的厌氧环境；同时它通过抑制艰难梭菌的丁酸盐代谢和毒力基因表达直接抑制该菌。丙酸盐通过破坏鼠伤寒沙门菌的细胞内pH发挥直接抑制作用。然而，鼠伤寒沙门菌可以通过将丙酸盐作为厌氧呼吸的碳源来抵消这种抑制。胆汁酸代谢是代谢物介导的定植抗性的另一个中心轴。共生菌，如Clostridium scindens，通过酶活性（包括7α-脱羟基和胆汁盐水解酶（BSH）活性）将初级胆汁酸转化为次级胆汁酸。次级胆汁酸，特别是脱氧胆酸（DCA），抑制艰难梭菌孢子的萌发和营养生长，从而成为抵抗感染的关键屏障。扰动（如抗生素治疗或极低热量饮食等极端饮食干预）会降低胆汁酸多样性，与艰难梭菌定植易感性增加相关。
外膜囊泡在定植抗性中的作用
外膜囊泡（OMVs）是由革兰氏阴性菌释放的纳米级双层颗粒，包裹着多种生物分子，包括蛋白质、毒素、脂质、核酸、多糖修饰酶和各种代谢物。通过携带这种多方面的货物，OMVs在各种生理过程中发挥关键作用，例如细胞内和细胞间通讯、群体感应、水平基因转移、细菌间杀伤、毒素递送、多糖降解和应激反应，使其成为微生物生态学的关键介质。最近的研究表明，OMVs通过病原体、共生菌和宿主之间的多方面相互作用，显著促进定植抗性。病原菌利用OMVs将毒力因子和毒素运输到宿主细胞中，诱导细胞毒性和炎症反应以促进感染。相比之下，源自肠道共生菌的OMVs代表了一个新兴的关注领域。许多常驻细菌持续释放含有生物活性成分的OMVs，这些成分是宿主-菌群通讯中的重要信使。例如，来自Akkermansia muciniphila的OMVs可以选择性地与特定肠道细菌融合，促进有益类群的扩张，减少机会性病原体，并在生态失调条件下恢复微生物的丰富度和多样性。类似地，拟杆菌属物种在环境压力下增加OMVs的产生。这些共生OMVs具有免疫原性，可以触发IFN-MHC-II-上皮内淋巴细胞轴，从而增强对肠道感染的粘膜防御。
宿主免疫在定植抗性中的作用
宿主免疫通过协调的多层防御，与菌群协同作用防止病原体定植，对定植抗性做出基础性贡献。这个集成系统不仅限制病原体 access，还维持对常驻微生物群的免疫稳态。
粘液作为肠道的第一道防线
肠道粘液层形成了一个关键的界面，物理上将肠道菌群与宿主上皮分开。它主要由杯状细胞分泌，围绕高度糖基化的粘蛋白MUC2构建。它通过两个主要机制介导基本的宿主-菌群相互作用。首先，菌群调节粘液层的产生和维持。其次，粘液本身提供支持菌群生长的结合位点和营养。粘液层的完整性和组成与针对肠道病原体的定植抗性密切相关。无菌小鼠的粘液层较薄，对严重感染更易感。类似地，由饮食扰动或MUC2缺失引起的粘液损伤导致宿主对病原体如Citrobacter rodentium的易感性增加。有趣的是，粘液过度产生可能具有保护作用。例如，粘液丰度的增加支持Akkermansia muciniphila的生长，从而有助于抵抗由侵袭性大肠杆菌（AIEC）引起的感染和肠道炎症。
先天免疫在定植抗性中的作用
先天免疫通过快速、非特异性的防御机制在加强定植抗性方面发挥关键作用，这些机制限制病原体入侵和扩张。此反应的一个关键组成部分涉及模式识别受体（PRRs），如Toll样受体（TLRs），它们感知微生物信号并触发保护性通路。早期研究表明TLR信号对于调节感染易感性至关重要。例如，肠道来源的脂多糖（LPS）激活TLR4通路，导致抗菌肽RegIIIγ的产生，这对于预防VRE定植至关重要。一致地，MYD88缺陷小鼠在C. rodentium感染后表现出肠道屏障功能受损和病原体负荷显著升高，突出了TLR-MYD88信号在维持定植抗性中的重要作用。
除了这些经典的先天通路，中性粒细胞和巨噬细胞已成为通过直接病原体清除和调节菌群-宿主相互作用来塑造定植抗性的核心效应器。在鼠伤寒沙门菌感染期间，中性粒细胞快速募集到肠腔限制了病原体扩张，同时增强了共生大肠杆菌菌株（如Nissle 1917）的活性。中性粒细胞衍生的活性氧增强了铁载体结合毒素的活性，从而促进了鼠伤寒沙门菌的竞争性置换。类似地，肠道上皮细胞自噬的破坏（如Atg7缺失所见）导致富含革兰氏阳性菌的菌群变化，驱动早期中性粒细胞和吞噬细胞浸润。这种反应加速了C. rodentium的清除，减轻了上皮增生，并随后促进了保护性Th17和Treg免疫反应。同时，巨噬细胞作为组织稳态和屏障防御的关键调节器。成纤维细胞衍生的CSF1维持巨噬细胞群在专门的肠道生态位内，在那里它们直接与病原体相互作用并协调免疫反应。成纤维细胞CSF1的缺失破坏了这种巨噬细胞网络，导致局部防御受损和鼠伤寒沙门菌的全身传播。
在先天免疫介质中，白细胞介素-22（IL-22）在防御肠道感染和维护肠道上皮稳态方面发挥核心作用。IL-22主要由第3组先天淋巴细胞（ILC3s）分泌，并直接作用于肠上皮细胞。IL-22的一个主要功能是调节抗菌肽（AMPs）的产生，这对于控制病原体定植至关重要。例如，TLR7激动剂R848的刺激激活CD11c+树突状细胞（DCs）产生IL-23，进而诱导ILC爆发性分泌IL-22。这种级联反应促进RegIIIγ表达，从而恢复对VRE的定植抗性。有趣的是，一项研究表明，梭菌驱动的IEC内在视黄酸（RA）合成可以抑制过度的IL-22产生和相关抗菌反应，导致AMPs（如RegIIIγ、S100A8和S100A9）表达减少，从而促进属于厚壁菌门的共生菌扩张，最终防止致病性鼠伤寒沙门菌在肠道中的扩张。IL-22还调节其他AMPs，包括脂质运载蛋白-2，后者限制细菌对铁的获取。
除了调节AMPs，IL-22还通过调节上皮糖基化进一步促进定植抗性。ILC3–IL-22–糖基化轴已成为这种宿主-菌群协同作用的关键介质。初步研究确定肠道上皮岩藻糖基化（由岩藻糖基转移酶2（Fut2）催化）是宿主-菌群互利共生的关键要素。ILC3s通过产生IL-22介导共生菌诱导的上皮岩藻糖基化，该通路的扰动增加了宿主对鼠伤寒沙门菌感染的易感性，强调了其基本的保护功能。此外，系统性感染——特别是通过TLR激活——刺激树突状细胞产生IL-23，后者激活ILC3s分泌IL-22并促进岩藻糖基化蛋白的产生。这种反应支持共生菌生长以抵抗C. rodentium入侵。此外，IL-22介导的岩藻糖基化在控制机会性病原体粪肠球菌中起关键作用。IL-22受体（IL-22RA1）的缺失导致上皮岩藻糖基化减少，促进了致病性粪肠球菌的上皮易位，从而增加了对致死性C. rodentium感染的易感性。IL-22调节的糖基化也影响代谢生态位竞争。在人类菌群相关小鼠中，IL-22依赖的N-糖基化支持消耗琥珀酸的共生菌，减少管腔琥珀酸并限制艰难梭菌生长。溃疡性结肠炎中IL-22信号受损会升高琥珀酸水平并增加对艰难梭菌的易感性。
最近的工作通过链接ILC3s、肠道半乳糖基化和微生物代谢扩展了这一框架。ILC3缺陷增加了上皮半乳糖基化，促进了粘液降解菌Akkermansia muciniphila的过度生长。升高的A. muciniphila及其代谢物琥珀酸共同增强了C. rodentium毒力基因的表达，加剧了感染。这揭示了ILC3衍生的IL-22控制更广泛的糖基化模式，这些模式塑造了微生物群落结构和病原体行为。
适应性免疫在定植抗性中的作用
适应性免疫，包括体液免疫和T细胞介导的免疫，通过提供抗原特异性和持久的保护来增强定植抗性，补充先天免疫防御。
粘膜免疫的一个关键效应器——分泌型IgA（sIgA），由固有层浆细胞产生，并转运穿过上皮进入肠腔。通过结合微生物抗原，sIgA抑制病原体对肠道上皮细胞的粘附并中和毒素，而不引发显著炎症，从而有助于维持平衡的宿主-菌群界面。这种IgA介导的屏障的完整性高度依赖于早期生命微生物的成熟。在断奶期间限制微生物组成熟会减少IgA诱导并损害定植抗性，导致对沙门菌感染的易感性增加。一致地，已鉴定出Tomasiella immunophila通过免疫球蛋白降解蛋白酶降低肠道sIgA水平，从而加剧对鼠伤寒沙门菌和白色念珠菌的易感性。神经免疫回路也有助于IgA调节，因为肠道血清素能神经元通过HTR7信号促进IgA+B细胞分化为浆细胞，增强对口服获得的鼠伤寒沙门菌感染的粘膜防御。机制上，sIgA可以直接抑制病原体毒力。例如，靶向志贺菌的sIgA阻碍其III型分泌系统，限制上皮入侵。此外，母体sIgA和IgG反应可以为后代提供被动保护。
除了体液免疫，T细胞介导的机制对于定植抗性同样至关重要。Th17细胞通过IL-17和IL-22等细胞因子加强上皮屏障功能并刺激抗菌肽产生，从而限制病原体定植。该轴的重要性进一步体现在Th17细胞内的代谢调节中。谷胱甘肽合成的抑制显著减少Th17细胞产生IL-22，从而损害细菌清除和组织修复，进而恶化C. rodentium感染。Th17依赖性保护在其他情境中也很明显。例如，定植白色念珠菌可保护小鼠免受致死性艰难梭菌感染。预定植小鼠在艰难梭菌攻击时感染组织中IL-17A表达升高，并且外源性IL-17A单独给药在缺乏白色念珠菌的情况下可以赋予保护，强调了该细胞因子在定植抗性中的直接作用。类似的Th17依赖性保护在其他模型中也观察到。额外的T细胞亚群有助于屏障防御。在沙门菌感染期间，γδ上皮内淋巴细胞经历上皮细胞依赖的代谢和迁移重编程，增强了它们对抗肠道感染的能力。调节性T细胞也发挥不可替代的作用：在Foxp3 (DTR)小鼠中，白喉毒素介导的Tregs耗损损害C. rodentium清除，加剧体重减轻并增加全身传播。2型免疫也有贡献：在Nod2缺陷小鼠中，蠕虫感染通过抑制促炎拟杆菌属物种的定植来抑制肠道炎症。这种保护由IL-13+CD4+T细胞介导，它们培育了一个富含梭菌目的保护性菌群。
共生菌群也可以驱动IFNγ依赖性保护反应。将来自耐药小鼠的可培养共生菌有限联盟转移到易感宿主显著降低了鼠伤寒沙门菌组织定植和疾病严重程度。此效应需要菌群增强的IFNγ产生，因为IFNγ缺陷小鼠未显示保护。转移后，先天免疫细胞和CD4+T细胞都扩增并表达高水平的IFNγ，表明先天和适应性通路在菌群介导的定植抗性中的协同作用。
微生物组为基础的感染临床疗法的发展
维持肠道菌群稳态对于宿主抵抗致病性感染至关重要，这推动了对重塑肠道微生物生态系统的治疗策略的极大兴趣。粪菌移植（FMT）代表了一种全菌群干预。美国FDA已批准FMT用于治疗复发性艰难梭菌感染（rCDI），这是一种与抗生素诱导的生态失调密切相关的疾病。临床试验报告FMT在rCDI中的治愈率高达90%。除了传染病，积累的证据表明FMT也可能作为炎症性肠病、代谢紊乱、癌症甚至神经系统疾病的潜在治疗方式。
尽管有其治疗前景，FMT仍然是一种复杂且异质的干预措施，其作用机制尚未完全明了。几个临床挑战仍然存在。安全性问题是一个主要限制：已有报道FMT后并发症，如胃肠道不适、败血症、代谢紊乱（体重增加）和溃疡性结肠炎恶化。潜在风险包括病原体传播、地区特异性微生物群落不匹配、移植过程中的错误以及长期、很大程度上未知的后果。这些不确定性推动了更精确、可控的微生物组干预措施的发展。精准微生物组疗法旨在用明确、严格选择的菌株、合理设计的联盟或定制的功能性微生物产品来替代粗放的全粪便群落转移，以纠正特定的生态失调。在艰难梭菌的精准治疗方面已经取得了显著的临床前进展。
在FMT中，不仅转移了肠道细菌，病毒组分也被转移。肠道病毒组主要由噬菌体（特异性靶向细菌的病毒）组成，正在被探索作为对抗致病性细菌感染的潜在治疗策略。噬菌体越来越被认为是定植抗性的重要贡献者，既通过塑造微生物群落结构，也通过选择性抑制致病菌。除了其生态作用，噬菌体具有作为肠道菌群靶向调节剂的显著临床前景。与广谱抗生素不同，噬菌体表现出高度特异性，能够精确消除病原体（如艰难梭菌、抗生素耐药肺炎克雷伯菌和侵袭性沙门菌）而不破坏有益共生菌。
来自FMT的证据进一步强调了噬菌体在肠道生态系统恢复中的重要性。一项对23项FMT研究的荟萃分析重建并功能注释了供体和受体的病毒组，表明复发性艰难梭菌感染患者在FMT后经历了噬菌体多样性增加。值得注意的是，温和噬菌体成功定植并携带辅助代谢基因，帮助调节肠道代谢稳态并增强对感染的抵抗力。这些发现证明FMT可以通过病毒组转移重塑宿主代谢功能，突出了病毒组在驱动微生物组介导的治疗效果中先前未被充分认识的作用。
工程化或天然存在的噬菌体也可以通过促进生态位稳定、促进保护性类群生长以及调节支持粘膜免疫的微生物代谢输出来增强定植抗性。合成生物学的进步加速了可编程噬菌体的发展，这些噬菌体能够递送抗菌有效载荷或使耐药菌株重新对抗生素敏感。早期的临床前模型和小规模临床研究显示出良好的安全性、最小的脱靶效应和持久的病原体抑制。此外，噬菌体鸡尾酒疗法、噬菌体衍生的内溶素和微生物组 informed 的个性化
