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[转载]内毒素——脂多糖(LPS)全面科普：从分子机制到日常管理（上）
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你是否有过这样的经历：明明没有剧烈运动，却总是感到莫名的疲惫；或者明明控制了饮食，体重却依然居高不下，体检报告上的血糖、血脂指标也总是亮起红灯？我们习惯将这些问题归咎于“吃多了”或“动少了”，却往往忽视了一个潜伏在身体内部、肉眼不可见的“隐形杀手”——脂多糖（LPS）。
脂多糖并非外来入侵的毒素，而是我们肠道中数以万亿计细菌的细胞壁成分。在正常情况下，它安分守己地待在肠道内，甚至对免疫系统有益。然而，当肠道屏障受损或饮食结构失衡时，这些本不该进入血液的分子便会“越狱”，引发一场悄无声息却破坏力巨大的全身性慢性炎症。
这种持续存在的低水平炎症，被认为是代谢综合征、2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病以及动脉粥样硬化等多种慢性疾病的重要共同发病基础。脂多糖（LPS）在这一过程中发挥关键作用，可诱导并放大炎症反应，从而促进相关疾病的发生与发展。
那么，脂多糖是如何由肠道内的正常成分转变为影响机体健康的重要因素的？机体又可以通过哪些机制对其进行调控，以维持生理稳态？本文将从机制层面系统分析LPS的作用路径及其对健康的影响。
01脂多糖的基本概念与化学结构♥
▸ 脂多糖的定义与特性
脂多糖（Lipopolysaccharide，简称LPS）是革兰氏阴性菌细胞壁外膜特有的结构大分子复合物，由三个功能区域共价连接组成的异源多糖-脂质复合物，三个区域分别承担不同生理功能。
革兰氏阴性菌膜由两层细菌膜组成，分别是外层和内层膜，外膜富含脂多糖（LPS）。
脂多糖（LPS）是两性分子，类脂A部分疏水，多糖部分亲水，所以LPS能够在细菌表面形成稳定的双亲结构，维持外膜完整性，同时作为屏障抵抗抗菌物质进入细菌体内。
↘ 脂多糖与内毒素的关系
脂多糖之所以被称为"内毒素"，是因为它是革兰氏阴性菌细胞外膜的重要结构成分，通常不以游离形式主动分泌。在细菌死亡或裂解时会大量释放出来，这一特点与由活菌主动分泌的"外毒素"形成鲜明对比，因此得名"内毒素"。
↘ 内毒素与外毒素的主要区别
需要注意的是，在感染过程中，细菌不断生长和死亡，会持续释放脂多糖；而在严重感染或抗生素治疗后，大量细菌同步裂解，可能在短时间内释放大量LPS，从而加重炎症反应，严重时可引发内毒素相关的全身炎症反应综合征。
▸ 脂多糖的分子结构
LPS分子从内到外分为三个部分：最内层是类脂A，中间是核心多糖，最外层是O抗原（O特异性多糖），三个部分共价连接形成完整LPS分子。
doi.org/10.3389/fimmu.2025.1588129
★ 每个部分结构和功能都不同：
•类脂A：嵌入外膜磷脂双层，是LPS的毒性中心和生物活性中心，人体对LPS的免疫识别主要识别类脂A结构；
•核心多糖：连接类脂A和O抗原，结构相对保守，是革兰氏阴性菌共同抗原成分；
•O抗原：最外层，是多糖重复单位，结构变异性最大，决定细菌血清型特异性，是细菌逃避免疫识别的重要方式。
doi.org/10.5217/IR.2014.12.2.90
这种三层结构设计是革兰氏阴性菌长期进化结果，它既保护细菌本身，也决定了它和人体免疫系统相互作用方式，类脂A是毒性中心，O抗原是免疫逃逸，这种结构对应功能的关系便于更好理解它对健康影响。
★ 脂多糖的结构多样性决定其生物活性差异
不同革兰氏阴性菌的脂多糖（LPS）在结构上存在显著差异，尤其是类脂A部分在酰基链数量、长度以及磷酸化修饰上的变化，会直接影响其免疫激活能力。因此，并非所有革兰氏阴性菌的LPS都具有相同毒性，共生菌来源的LPS通常显著低于典型致病菌。
很多人将“革兰氏阴性菌”与“强内毒素”直接等同，但实际上，不同细菌来源的LPS在毒性上差异很大。理解这种差异，有助于我们更准确地区分共生菌与致病菌的生物学影响。
↘ 类脂A：脂多糖的毒性中心和生物活性中心
类脂A嵌入外膜磷脂双层，是脂多糖的毒性中心和生物活性中心，人体对LPS的免疫识别主要识别类脂A结构。LPS的大部分生物学活性，包括毒性和免疫刺激性，都由类脂A部分决定，类脂A结构变异直接改变LPS毒性强弱，六酰化饱和类脂A毒性最强，酰基链减少毒性显著下降。
doi.org/10.5217/IR.2014.12.2.90
不同来源的类脂A结构与毒性差异：
•致病菌（如大肠杆菌、沙门氏菌）：类脂A多为六酰化，且具有完整的双磷酸结构，与TLR4-MD2亲和力高，能够强烈激活免疫反应。
•肠道共生菌（如拟杆菌属）：类脂A通常为五酰化或四酰化，并伴随去磷酸化或其他修饰，与受体结合能力较弱，炎症活性显著降低（在部分实验中可低几个数量级）。
•环境调控型细菌（如耶尔森氏菌）：其类脂A结构可随温度变化而调整，在环境温度下多为低酰化形式，而在37℃宿主体内转为高酰化形式，从而增强毒性。
doi: 10.1128/mSystems.00046-17.
如上图所示，拟杆菌门（Bacteroidetes）是人类肠道微生物群中脂多糖（LPS）生物合成能力的主要贡献者。
↘ 核心多糖：连接类脂A和O抗原的保守结构
核心多糖位于类脂A和O抗原之间，主要作用是连接两个部分，它的结构相对保守，在同一属的不同细菌之间结构大多相似，含有特殊的糖分子庚糖和KDO。
核心多糖可以分为两个部分：
•内核心：靠近类脂A，含有特殊的糖分子：3-脱氧-D-甘露-辛酮糖酸（简称KDO）和L-甘油-D-甘露庚糖，这两种糖在其他地方很少见，是LPS核心多糖特征性成分。内核心结构非常保守，不同革兰氏阴性菌之间变化很小。
•外核心：连接内核心和O抗原，由己糖组成，结构比内核心变异大一些，但仍然比O抗原保守很多，同一属细菌外核心结构相似。
核心多糖带有多个负电荷，能够结合二价阳离子比如镁离子钙离子，这些阳离子中和负电荷，稳定LPS在细菌外膜的结构，如果去掉阳离子，LPS结构将变得不稳定，外膜通透性增加，细菌容易被抗菌物质杀死。
↘ O抗原：决定细菌特异性的高度变异部分
O抗原是LPS分子最外层的多糖重复单位，是LPS中变异性最大的部分，不同血清型革兰氏阴性菌O抗原结构不同，这种高度变异是细菌逃避免疫识别的重要进化策略。O抗原高度变异直接关系到细菌致病性和免疫识别，但是O抗原本身基本没有毒性，主要影响细菌免疫原性和致病性，不直接影响LPS毒性强弱。
O抗原由多个相同的寡糖重复单位聚合而成，每个重复单位通常含有2-6个糖分子，不同细菌重复单位的糖组成、排列顺序、连接方式都可以不同，所以变异非常大，理论上可以产生成千上万种不同O抗原结构。
实例：E. coli O157:H7（常见的致病性肠出血性大肠杆菌）与E. coli O26、O111等其他血清型的区别，本质上就是O抗原多糖重复单位的结构不同。有的重复单位含有不同种类的糖（葡萄糖、半乳糖等），有的糖连接方式不同（α-1,3还是β-1,4），排列顺序也不同。因此针对O157的抗体一般难以有效识别O26等其他血清型，但在个别情况下可能存在有限的交叉反应。
▸ 光滑型脂多糖和粗糙型脂多糖的差异
完整脂多糖（LPS）含有O抗原叫做光滑型LPS，缺失O抗原只剩下类脂A和核心多糖叫做粗糙型LPS，也叫脂寡糖（LOS），两者在稳定性、免疫原性和致病性上都有显著差异。
doi.org/10.3390/ijms24098395
LPS（脂多糖）结构示意图：图中亮红色的LPS锚定在革兰氏阴性（G-）细菌的外膜上。根据O抗原和核心区（core）的长度，可将LPS分为光滑型（S）、半粗糙型（SR）、粗糙型（R）和深度粗糙型（DR）。从LPS最外层到最内侧疏水部分，其结构变异性逐渐降低。
02脂多糖对革兰氏阴性菌自身生存和宿主的影响♥
▸ 脂多糖对革兰氏阴性菌生存的影响
脂多糖（LPS）不仅仅是致病因子，它对革兰氏阴性菌自身生存具有非常重要的生理功能，维持外膜结构完整性，抵抗抗菌物质入侵，保护细菌生存，虽然部分菌株即使缺失或改变LPS结构仍可存活，但是其生理功能和适应性会显著受损。
脂多糖对革兰氏阴性菌的主要生理功能：
①维持外膜结构完整性：脂多糖是革兰氏阴性菌外膜主要成分，占外膜干重三分之一以上，LPS分子通过二价阳离子交联形成稳定网状结构，维持外膜通透性和结构完整性，如果缺失LPS，外膜结构破坏，细菌存活能力下降。
②形成通透屏障抵抗抗菌物质：LPS外层亲水内层疏水，形成选择性通透屏障，能够阻挡疏水抗菌物质、胆汁盐、补体、溶菌酶进入细菌体内，保护细菌免受宿主防御物质和抗生素攻击，增加细菌耐药性。
③抵抗宿主免疫攻击：O抗原能够保护细菌不被补体激活和吞噬细胞吞噬，帮助细菌逃避免疫清除，增加细菌致病性，有O抗原的菌株更容易引起全身性感染。
④介导细菌粘附：LPS能够介导细菌粘附到宿主黏膜上皮细胞，帮助细菌定植，这是感染第一步，所以LPS对细菌定植也很重要。
因为脂多糖对细菌生存这么重要，所以几乎所有革兰氏阴性菌都必须合成LPS，只有极少数例外，比如某些衣原体可以缺失。
▸ 肠道中的脂多糖与人体屏障系统
据估计，人类结肠中含有约10¹³–10¹⁴个细菌，总生物量约为数百克（通常约0.2–0.5 kg）。这些细菌在生命活动过程中可产生脂多糖（LPS）。研究表明，以大肠杆菌为代表的革兰氏阴性菌，其单个细胞所含LPS约为几飞克至几十飞克（约2–50fg）。基于此进行粗略估算，肠道中LPS的总量大致处于几十毫克至数百毫克的范围，具体取决于菌群组成及生理状态。
然而，静脉注射LPS的致死剂量仅为1–2微克。也就是说，肠道内的LPS总量，可能是致死剂量的千倍甚至百万倍。那么为什么我们不会被"毒死"？答案在于——人体的屏障系统。
↘ 肠道屏障：把"危险"关在门外
人体的上皮组织（比如肠道内壁）在进化过程中，形成了极其高效的防御结构，能够将有害物质隔离在外。
在正常情况下，肠道细菌及其产生的LPS主要存在于肠腔内部，它们被粘液层和上皮细胞牢牢阻挡，不会接触到体内的深层组织。
研究发现，只要这些细菌停留在肠腔一侧，就不会对肠道细胞造成伤害。真正的危险发生在当LPS接触到上皮细胞"背面"（基底侧）时，毒性才会显现。
↘ 肠道屏障破坏的风险因素
当肠道屏障被破坏时，情况就会发生改变：细菌可能穿过粘液层，从细胞之间的缝隙渗透，甚至直接穿过细胞进入更深层组织。一些致病菌本身就具备"入侵能力"，可以主动突破防线。一旦细菌或大量LPS进入血液，免疫系统会迅速响应，但如果负荷过高，可能引发严重后果，比如全身炎症反应、败血症甚至败血性休克。
以下人群风险更高：
-新生儿（免疫系统尚未成熟）；
-老年人或重症患者；
-免疫功能受损的人群；
-长期使用导尿管等侵入性器械者；
-肠道存在炎症、损伤或肿瘤的人。
▸ 肠道暴露导致脂多糖转移到循环中
在正常生理条件下，血浆中LPS水平极低。这是因为健康的肠道限制了LPS分子进入血液的途径。尽管持续暴露于LPS，肠细胞和结肠细胞对这些刺激表现出低反应状态，部分原因在于这些细胞中Toll样受体4（TLR4）表达较低。这种肠道耐受机制最大限度地减少了肠腔内的炎症反应。
此外，肠道微生物群中LPS的暴露在免疫系统的发育和成熟中起着关键作用，训练肠道相关淋巴组织（GALT）中的调控T细胞。个体的LPS谱系取决于肠道微生物群的组成，而肠道微生物群的组成因地理和生活方式等因素而有所变化。
▸ 脂多糖在肠道中"常态存在"的生理意义
很多人一听说脂多糖（LPS）有害，就想把肠道里的LPS彻底清除。实际上，这既不现实，也没有必要。相反，维持生理范围内的LPS暴露，对健康是有意义的。
在健康婴儿、成年人和老年人肠道菌群中，革兰氏阴性菌占有一定比例（如拟杆菌门）。这些细菌在更新过程中会不断死亡、裂解，从而释放LPS到肠腔中。因此，肠道内持续存在低水平LPS是一种正常的生理现象，而不是异常状态。生理水平的脂多糖具有以下作用：
•促进免疫系统正常发育：无菌动物由于缺乏包括LPS在内的微生物刺激，免疫系统发育不成熟，免疫应答能力不足，更容易出现过敏和自身免疫问题。适度的LPS等刺激有助于免疫系统建立"耐受"和"分辨能力"，这是"卫生假说"的重要机制基础之一。
•维持先天免疫的基础警戒状态：低水平的微生物信号可以让机体免疫系统保持"准备状态"。如果完全缺乏这类刺激，机体在真正遇到病原体时，可能反应迟缓，反而更容易感染。
•有助于睡眠：2024年发表的一项研究表明当LPS注入门静脉循环时，会引起睡眠增加和体温升高。门静脉循环负责将来自胃、小肠和大肠（这些器官中存在肠道微生物群）的血液输送到肝脏。像LPS这样的微生物分子可以通过"转位"过程进入门静脉，从而进入宿主体内环境。
事实上，在健康的人类、大鼠和小鼠体内，脂多糖天然存在于门静脉和全身循环血液中，是一种来源于原核生物的生理性血浆成分。
研究进一步暗示日常生活中的一些刺激会进一步促进LPS的转位，从而提高其在血液中的水平。例如，一顿高脂餐（如三片涂有50克黄油的吐司）可使人体血浆LPS水平升高约50%。此外，少量饮酒、急性或慢性睡眠不足以及轻度心理压力等常见情况，也都会增加循环中的LPS水平。
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关键观点
问题不在"有没有"，而在"是否过量"。真正有害的是脂多糖异常升高并进入循环（如肠屏障受损导致的"内毒素血症"），这会诱导慢性低度炎症，进而与代谢性疾病等相关。因此，我们关注的重点不是"全部消灭LPS"，而是避免其异常升高和大量入血。
03脂多糖的来源与进入循环的途径♥
▸ 肠道是人体内脂多糖的主要来源
在健康成年人中，肠道是体内LPS（脂多糖）最主要的产生和储存场所。健康成年人肠道内约有10¹³–10¹⁴数量级的微生物，其中约20%–40%为革兰氏阴性菌（以拟杆菌门为主），这些细菌在持续更新过程中不断裂解并释放LPS。
相比之下，口腔（如牙周炎时）虽也可产生LPS但总体规模较小，呼吸道和皮肤等部位菌量更低，对全身LPS贡献有限，但是注意在严重局部感染或全身感染时，这些部位也可能成为重要来源。
▸ 关键分界：是否进入循环
一个非常重要但常被忽略的点是：肠道中LPS很多≠血液中LPS一定高。
↘ 在健康状态下：
•肠道屏障（上皮细胞+紧密连接+黏液层+IgA）有效阻挡LPS进入体内；
•只有极少量LPS可进入循环；
•血浆LPS通常处于低水平（常见报道为pg/ml级别）；
•这个水平属于生理暴露，不会引发系统性炎症。
↘ 何时变成问题？当出现以下情况时：
•肠道屏障受损（如"肠漏"）；
•肠道菌群失衡（如革兰阴性菌过度增殖）；
•高脂饮食促进LPS转运（经乳糜微粒）
就会导致进入循环的LPS增加（而不是肠道LPS本身增加才是关键），这就是所谓的代谢性内毒素血症，其特点是：
•血中LPS轻度但持续升高；
•激活TLR4等炎症通路；
•诱导慢性低度炎症；
•并与胰岛素抵抗、肥胖、非酒精性脂肪肝、动脉粥样硬化相关。
代谢性内毒素血症的经典模型认为，LPS可能进入全身循环并促进慢性炎症。该经典模型指出：
(1) 西式饮食可能增加产生LPS的细菌数量并增加脂肪吸收。
(2) LPS可在局部发挥作用并诱导炎症反应，也可通过刷状缘的移位转运以及在乳糜微粒内进入全身循环。
(3) 主要来源于肝脏的LBP与循环中LPS的脂质A部分结合。
▸ 脂多糖进入血液循环的主要途径
LPS从肠道进入血液循环主要通过两条途径：一是肠道通透性增加（肠漏）导致经细胞间隙进入循环，二是在脂肪吸收过程中结合乳糜微粒，经淋巴系统进入血液。这两条途径共同影响体内LPS的总体水平。
↘ 第一条途径：肠漏（细胞间隙通透增加）
当肠道上皮紧密连接受损，细胞间隙通透性增加，LPS可以从肠腔进入黏膜下组织，并进一步进入门静脉循环。这一过程不依赖脂肪摄入，而主要取决于肠屏障完整性。长期通透性升高，是循环LPS持续升高的重要原因之一。
↘ 第二条途径：乳糜微粒转运
LPS具有一定亲脂性。在摄入脂肪后，肠道形成乳糜微粒以吸收和运输脂类物质，部分LPS可结合在乳糜微粒上，随其进入淋巴系统，最终进入体循环。这一过程与脂肪摄入量相关：脂肪摄入越多，乳糜微粒生成越多，LPS转运量也可能相应增加。这也是高脂餐后出现"餐后内毒素血症"的一个重要机制。
这两条途径通常同时存在：肠道通透性决定基础LPS水平，而餐后乳糜微粒可造成短时升高，两者叠加，可能导致整体水平上移。
★ 短时过量脂肪摄入可能导致脂多糖过多的危害
当长期高脂摄入、频繁产生大量乳糜微粒，或肝脏清除能力下降时，可能出现LPS清除不及、循环水平升高的情况，从而与慢性低度炎症相关。
因此，并不需要避免脂肪摄入本身，而是应关注总量与分配：避免单次摄入过多脂肪，有助于降低一次性LPS负荷。只要控制每餐脂肪量，不要一次摄入太多脂肪，减少单次转运LPS量，就不会对健康造成危害，完全禁止脂肪摄入也不利于健康，关键是量和频率。
这个也解释了为什么中国人说"饱食伤身"，一次吃太多脂肪不仅热量过剩，还带来大量LPS进入循环，导致一次炎症峰，反复多次就是慢性炎症，所以吃七八分饱不仅减少热量，也减少LPS，对健康更有利。
未完见下篇。
本文转自：谷禾健康
https://blog.sciencenet.cn/blog-2040048-1542557.html
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