益生菌是指当摄入足够数量时，能够对宿主健康产生有益影响的活体微生物。作为维持肠道稳态、增强机体免疫力及预防多种疾病的关键介质，益生菌发挥着基础性作用。其功能机制主要包括抑制病原体生长、释放抗菌物质、调节免疫反应以及增强肠道屏障完整性。该领域的技术进展，包括分子鉴定技术、微囊化工艺及宏基因组学方法亦在本综述中进行了探讨。此外，针对乳杆菌属（Lactobacillus）和双歧杆菌属（Bifidobacterium）等益生菌亚类的持续研究方法也得到了阐述。研究人员同时讨论了益生菌对人类健康的促进作用，以及当前面临的益生菌活力保持和菌株特异性等挑战。本综述强调了学界对益生菌理解的不断深入，并着重指出了其在优化人类健康及治疗应用方面的巨大潜力。
1 引言
抗菌耐药性（Antimicrobial Resistance, AMR）已成为全球最严峻的健康威胁之一，严重削弱了抗生素的疗效。2019年，AMR直接导致127万人死亡，并间接导致近495万人死亡。若不加以控制，预计到2030年，AMR将导致全球国内生产总值（Gross Domestic Product, GDP）每年减少1至3.4万亿美元，中低收入国家将承受主要负担。人类、兽医及农业活动中抗菌药物的不当使用和过度消耗加速了非易感病原体的传播。由于近几十年来几乎没有发现新的抗生素类别，且处于研发阶段的新型化合物稀少，当前的抗生素研发管线已显不足。更令人担忧的是，对碳青霉烯类等最后防线药物的耐药趋势，使得肺炎和尿路感染等常见感染的治疗变得复杂。在此背景下，益生菌因其在减少或替代抗生素使用方面的潜力而受到越来越多的关注。世界卫生组织（World Health Organization, WHO）与联合国粮食及农业组织（Food and Agriculture Organization, FAO）将益生菌定义为：当摄入足够数量时，能为宿主带来健康益处的活细菌。益生菌通过改变肠道菌群、增强免疫力和直接在营养源及黏附位点与病原体竞争，提供了减少感染病例和抗生素使用的途径。益生菌需遵循三项基本标准：微生物必须具有活性、必须以足够剂量施用，并能为宿主带来经科学验证的健康益处。在获准用于食品、膳食补充剂和治疗产品之前，益生菌必须经过安全性评估，包括精确的分类学描述、全面的安全性检查以及至少一项阳性人体试验的评估。只有满足所有标准的菌株才能被使用。本分析旨在探讨益生菌对人类健康和生物技术贡献的作用机制。具体而言，阐述了其作用机制、临床疗效验证、预期应用，以及CRISPR依赖性工程和封装等前沿方法。最后，讨论了其菌株依赖性限制、可重复性的障碍、安全使用问题，并对该领域及医学相关益生菌的未来进行了展望。
2 常见益生菌菌种属
乳杆菌属（Lactobacillus）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、酵母菌属（Saccharomyces）和链球菌属（Streptococcus）是研究最为深入的益生菌属。乳杆菌属因对肠道具有多种有益影响而被广泛研究，包括协助抵御胃肠道病原体的感染。双歧杆菌属在消化和免疫调节中也扮演着重要角色。在酵母中，特别是布拉氏酵母菌（Saccharomyces boulardii）因其抗真菌作用和促进肠道健康的贡献而闻名。链球菌属是另一种常用的益生菌，与肠道和免疫健康相关，常见于酸奶等发酵乳制品中。益生菌菌株的效果各异，包括免疫调节、维持微生物稳态和抑制病原体。由于益生菌在乳制品中存活率和稳定性更高，它们天然地与此类食品相关联。然而，它们也可制成片剂、粉末和功能营养品等形式，这要求在产品的整个保质期内验证微生物的活性。常见的益生菌属还包括肠球菌属（Enterococcus）、乳球菌属（Lactococcus）、芽孢杆菌属（Bacillus）、片球菌属（Pediococcus）、丙酸杆菌属（Propionibacterium）、拟杆菌属（Bacteroides）、消化链球菌属（Peptostreptococcus）、埃希氏菌属（Escherichia）和阿克曼氏菌属（Akkermansia）等。
2.1 下一代益生菌（Next-generation probiotics, NGPs）
除传统菌株外，被称为下一代益生菌的新兴物种正受到关注。典型的例子包括嗜粘蛋白阿克曼氏菌（Akkermansia muciniphila）和普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii），两者均在代谢调节、免疫调节和炎症控制中发挥关键作用。与传统益生菌不同，这些生物体需要特殊的培养条件，尚未广泛应用于商业产品中，但它们代表了未来治疗开发的候选者。
2.2 益生元和合生元
当益生菌与益生元结合时，其功效可以得到增强。益生元是一种不可消化的纤维，能有选择性地刺激肠道中的有益细菌。常见的益生元包括低聚果糖（Fructo-oligosaccharides, FOS）、低聚半乳糖（Galacto-oligosaccharides, GOS）、菊粉、乳果糖和抗性淀粉。益生菌与益生元的组合被称为合生元（synbiotic），旨在改善有益微生物的定植和功能。例如双歧杆菌菌株与菊粉的组合，或乳杆菌菌株与FOS的组合。
3 益生菌的作用机制
益生菌通过多种机制发挥有益作用，以维持肠道稳态、增强宿主免疫力和抑制病原微生物。主要机制包括竞争性排斥病原体、产生抗菌化合物、调节肠道环境、破坏生物膜、干扰群体感应以及免疫调节。
3.1 病原体的竞争性排斥
益生菌通过在肠黏膜内与病原微生物竞争黏附位点和营养物质来发挥保护作用，从而防止有害细菌的定植。例如，鼠李糖乳酪杆菌（Lacticaseibacillus rhamnosus）GG已被证明可减少家禽中鼠伤寒沙门氏菌（Salmonella typhimurium）的定植，而嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）则通过恢复肠道菌群平衡帮助减少艰难梭菌（Clostridium difficile）感染。此外，益生菌分泌细菌素、乳酸和过氧化氢，抑制病原体的生存。它们还通过调节紧密连接和促进黏蛋白的产生来加强肠道屏障，从而避免病原体转移。
3.2 抗菌物质的产生
益生菌产生多种抗菌化合物以抑制病原体生长。
3.2.1 细菌素（Bacteriocins）：这些是由核糖体合成的肽，通过破坏目标细胞膜和干扰细胞内重要过程发挥作用。例如，乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）产生的乳酸链球菌素（Nisin）对单核细胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）具有强抑制作用，被广泛用作天然食品防腐剂。同样，植物乳杆菌素（Plantaricin）、片球菌素（Pediocin）和枯草菌素（Subtilin）等其他细菌素也被报道对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、大肠杆菌（Escherichia coli）和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）等一系列病原菌具有抑制活性。
3.2.2 有机酸：乳酸和乙酸降低肠道pH值，为病原体创造不利环境，同时支持有益微生物的生长。
3.2.3 过氧化氢（Hydrogen peroxide, H2O2）：某些乳杆菌物种产生H2O2，可损伤病原体DNA和蛋白质，抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌等生物体的生长。
3.3 调节肠道pH值和营养竞争
通过发酵碳水化合物，益生菌将肠道pH值降低至约5.5以下。这为产丁酸盐细菌的生长提供了更有利的环境，同时对病原体进行消毒。益生菌细菌代谢掉可利用的营养物质，从而剥夺病原体生长所需的营养。在大肠中，膳食纤维经益生菌介导的发酵产生短链脂肪酸（Short-chain fatty acids, SCFAs），包括乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐。SCFAs在维持肠道健康方面具有关键功能，它们调节免疫力、产生能量并支持肠道内壁细胞。SCFAs在结肠中浓度最高，通过作为结肠细胞的能量来源、加强肠道屏障完整性、改善葡萄糖代谢和减少炎症，有助于预防结直肠癌。
3.4 生物膜破坏与抑制
致病性生物膜对抗生素和免疫系统清除具有很高的抵抗力。然而，研究证实益生菌可以通过多种机制破坏或阻止生物膜的形成。例如，某些乳杆菌物种可以通过下调变形链球菌（Streptococcus mutans）和白念珠菌（Candida albicans）中与生物膜相关的基因表达来干扰基因表达。此外，鼠李糖乳酪杆菌能够产生主要的胞外生物表面活性剂，从而破坏或摧毁生物膜的结构完整性。通过酶解聚由嗜酸乳杆菌分泌的胞外多糖，也可以抑制生物膜的形成，从而阻碍大肠杆菌O157:H7等病原体细菌生物膜的附着。
3.5 群体感应（Quorum Sensing, QS）干扰
QS本质上是影响细菌毒力、抗生素耐药性和生物膜形成的核心调控机制。益生菌可以通过群体淬灭（Quorum Quenching, QQ）干扰QS，从而降低致病性并增强微生物平衡。QQ的机制包括酶促破坏，即内酯酶和酰基酶分解酰基高丝氨酸内酯（Acyl-homoserine lactones, AHLs）和自诱导肽（Autoinducing peptides, AIPs）。益生菌还可以阻断信号受体，从而阻止自诱导分子（Autoinducers, AIs）的附着，进而阻止毒素的产生。在某些情况下，益生菌通过产生抑制性代谢物（如有机酸和细菌素）来干扰QS信号的传输。此外，一些益生菌通过竞争性清除AIs，减少信号积累和致病菌之间的通讯。在临床上，这些群体淬灭活动有助于减弱铜绿假单胞菌等多重耐药病原体的毒力，并通过抑制腐败生物来增强食品安全。
3.6 免疫调节作用
益生菌在调节先天性和适应性免疫反应中起着至关重要的作用，从而增强宿主防御能力并减少炎症。在黏膜免疫方面，益生菌增强了分泌型免疫球蛋白A（Secretory immunoglobulin A, sIgA）的分泌，中和病原体并防止其黏附于上皮细胞。它们还通过加强上皮紧密连接和刺激黏液产生来帮助维持肠道屏障的完整性。通过细胞因子调节，益生菌调节促炎和抗炎细胞因子以促进免疫平衡，具体表现为降低白细胞介素-6（Interleukin-6, IL-6）和肿瘤坏死因子-α（Tumor Necrosis Factor-α, TNF-α）的水平，同时增加IL-10以减少过敏和慢性炎症反应。此外，益生菌通过激活巨噬细胞、中性粒细胞和树突状细胞来启动先天免疫，从而增强机体清除病原体的能力。这些免疫调节机制凸显了益生菌在预防感染、过敏和慢性炎症性疾病方面的治疗潜力。
4 临床前与临床研究证据
益生菌促进健康的潜力已在体外模型、动物研究和人类临床试验中得到广泛评估。这些调查为其抗菌、免疫调节和治疗特性提供了强有力的证据。体外实验证明，益生菌通过竞争性抑制、抗菌成分分泌以及改变环境条件（如降低pH值）来抑制病原菌生长。多项研究表明，益生菌对大肠杆菌、艰难梭菌、鼠伤寒沙门氏菌和粪肠球菌等多种病原菌具有强烈抑制作用。多菌株益生菌制剂在抑制大肠杆菌和肺炎克雷伯菌方面通常优于单菌株制剂。尽管存在菌株间的种间竞争，但多物种配方被认为对病原体具有更广泛的作用范围。体外研究还表明，益生菌能强烈抑制包括变形链球菌在内的致龋微生物，这表明其对口腔健康具有更广泛的益处。
动物研究揭示了益生菌在代谢综合征、自身免疫和神经行为障碍等疾病中的系统性效应。在代谢综合征方面，益生菌治疗成功改善了空腹血糖、甘油三酯和胆固醇浓度，同时增强了肠道屏障功能。在自身免疫性疾病方面，特别是在实验性自身免疫性脑脊髓炎（Experimental Autoimmune Encephalomyelitis, EAE）小鼠模型中，益生菌可通过免疫治疗降低疾病严重程度。此外，在中枢神经系统研究中，动物模型显示动物双歧杆菌（Bifidobacterium animalis）和瑞士乳杆菌（Lactobacillus helveticus）对于减少焦虑样行为至关重要，体现了肠-脑轴交流的重要性。在动物产业中，益生菌在促进家禽、牛、猪、鱼和虾的生长性能和疾病预防方面表现出免疫调节和抗感染特性。
近期的人类临床试验为益生菌在各种健康状况下的治疗潜力提供了有力证据。随机对照试验（Randomized Controlled Trials, RCTs）表明，益生菌补充剂可显著改善受试者的胃肠功能和调节肠道菌群组成。关于代谢紊乱，临床研究表明益生菌可能在改善代谢参数方面发挥作用，如降低空腹血糖、血清甘油三酯和总胆固醇，其潜在机制包括改变肠道菌群组成、增强短链脂肪酸的产生和减少全身炎症。益生菌在预防和治疗感染性疾病方面也显示出疗效，可降低抗生素相关性腹泻和艰难梭菌感染的发病率和严重程度。此外，人类临床研究证实，益生菌能够增强宿主免疫力，从而降低呼吸道感染的可能性，并有助于维持阴道菌群稳态，降低女性泌尿生殖道感染的风险。
5 抗菌疗法中的治疗应用
益生菌及其作为传统抗菌治疗辅助手段或替代品的潜力正在被探索，其应用范围涵盖胃肠道、泌尿生殖、呼吸道和口腔感染，以及预防医院感染和削弱抗菌耐药性。在胃肠道感染中，特别是针对艰难梭菌、沙门氏菌和致病性大肠杆菌的感染，益生菌治疗通过恢复肠道菌群正常状态和加强肠道屏障功能，显著降低复发率。在泌尿生殖系统感染中，特别是复发性尿路感染（Urinary Tract Infections, UTIs）和细菌性阴道病（Bacterial Vaginosis, BV），特定菌株的补充有助于恢复健康的阴道菌群。在呼吸系统感染和哮喘方面，益生菌作为肠-肺轴的重要参与者，影响全身免疫和呼吸健康。在口腔和牙科感染中，益生菌在维护口腔健康方面发挥着重要作用，包括管理牙周病、龋齿和术后感染。益生菌还被探索作为医院获得性感染（Nosocomial infections）的预防剂，特别是在危重病人中，合生元制剂在降低肺炎、菌血症和细菌尿等方面优于单一益生菌。此外，益生菌作为抗生素治疗辅助手段，可显著降低抗生素相关性腹泻（Antibiotic-Associated Diarrhea, AAD）的发生率，并更快地恢复肠道菌群。益生菌还在缓解抗菌耐药性（AMR）方面发挥作用，通过减少抗生素使用后肠道中抗性基因（Antibiotic Resistance Genes, ARGs）的存在，并抑制通常携带ARGs的肠杆菌科细菌的生长。
6 益生菌领域的兴起技术
生物技术的近期进展显著扩展了益生菌的范围，超越了传统的膳食补充剂。新方法如基于CRISPR的基因工程、先进的微囊化技术和靶向递送系统正在提高益生菌的稳定性、功能性和治疗应用。CRISPR-Cas技术革新了微生物工程工具，允许对益生菌菌株进行精确的基因组编辑以增强其功能潜力，例如设计能够靶向多重耐药病原体的工程化大肠杆菌Nissle 1917菌株。微囊化技术通过在益生菌细胞周围构建保护性聚合物层，增加其在热加工和储存过程中的活力。流化床包衣、乳化技术以及基于海藻酸盐的系统（特别是海藻酸钙珠）为益生菌提供了保护。此外，受生物膜启发的封装将益生菌固定在天然的类生物膜基质中，增加了益生菌的抵抗力和定植能力。创新的靶向递送策略也在研究中，包括使用pH敏感聚合物、脂质体、壳聚糖纳米颗粒和树枝状大分子，以实现益生菌在胃肠道内的定点释放。
7 挑战与局限性
尽管有大量证据支持益生菌的益处，但在广泛用于治疗方面仍面临若干挑战。这些挑战涉及菌株特异性、可重复性、临床标准化、安全性和监管障碍。益生菌的健康益处具有高度的菌株特异性，某一菌株的发现不能自动应用于同物种的其他菌株。体外和动物模型的研究结果并不总是与人类临床发现一致，这主要是由于肠道微生物群组成、饮食、年龄和身体功能的种间差异所致。益生菌的监管机制在国际层面上尚不完善，由于其被视为食品而非药物，导致监管空白。此外，益生菌在加工和储存过程中可能失去活性，导致实际菌落形成单位（Colony Forming Units, CFU）计数低于标签标示量。虽然益生菌对健康个体被认为是安全的，但它们可能对免疫功能低下或危重患者构成风险，已有关于乳杆菌物种和布拉氏酵母菌引起菌血症和真菌血症的罕见病例报告。因此，需要对益生菌菌株进行全面的安全性评估和基因组测序，作为临床应用的前提。未来的研究方向应侧重于菌株水平的基因组学和蛋白质组学，利用合成生物学设计高效靶向的益生菌，并结合宿主独特的微生物组数据进行个性化干预。
