AKK菌——下一代有益菌
嗜黏蛋白阿克曼菌(Akkermansia muciniphila, 简称A. muciniphila, Akk菌)的缺乏或减少与多种疾病(如肥胖、糖尿病、肝脂肪变性、炎症和对癌症免疫治疗的反应)有关。
关于AKK菌，我们之前的一篇文章也有详细介绍过，点击详见：
谷禾肠道样本大数据库显示A. muciniphila缺乏或未检出情况在人群中很常见，尤其是那些有肠道问题的人。在健康个体中其约占肠道微生物群总数的0.5%–3%。
现如今，关于AKK菌的研究正在从动物模型转向人类验证试验，AKK菌与疾病之间的研究不仅仅停留在相关性，更是开始向因果性及具体产生作用的机制方面深入探讨。
本文我们将依次介绍A. muciniphila的起源，主要特性，以及它与不同疾病间的联系，并解释产生有益作用的主要机制。
01
来 源
一所在瓦格宁根(Wageningen)的微生物实验室的研究人员使用一种专门用于分离优势细菌的策略，即稀释到消亡（即基于连续稀释的分离），从一名健康成人身上分离出一株高度丰富的粘液降解菌株。
该菌株似乎是疣微菌门(Verrucomicrobiota)中一个新属的新种，被命名为嗜黏蛋白-阿克曼菌(Akkermansia muciniphila, A. muciniphila, Akk菌)，并以典型菌株MucT为代表。
02
主要特性
粘液主要由粘蛋白组成，粘蛋白是一种由粘多糖组成的保护肠道细胞的糖蛋白。
长期以来，粘液的降解被认为是一种可能导致宿主紊乱的不良特性。然而，对于结肠微生物群来说，粘蛋白在肠道中大量分泌，因此提供了持续的宿主产生的碳、能量和氮源。粘蛋白的代谢转换需要一组酶，如唾液酸酶和硫酸酯酶，这些酶参与顺序降解。
粘蛋白降解“专家”
A. muciniphila 是人类早期生命中存在的独特的粘蛋白降解“专家”。此外，对无菌小鼠的单体型关联研究表明，A. muciniphila MucT不会损害宿主，并在结肠中显示出特异性的代谢和免疫信号。其2.7Mb的基因组预测了粘蛋白降解的酶机制，比较生长分析表明，A. muciniphila是体外利用粘蛋白最有活性的菌株。
A. muciniphila MucT也可以利用人乳寡糖作为能量来源。值得注意的是，在纯培养中，只有少数其他底物被发现能刺激其生长，包括二甲双胍、甜菜碱和色氨酸。
由于A. muciniphila是人类肠道中疣微菌门的唯一代表，许多报道这一门的16S rRNA基因序列调查往往代表A. muciniphila 。最近的一项研究分析了2,000多个Akkermansia基因组，表明A. muciniphila是迄今为止具有高度相似（超过98%同一性）16S rRNA 序列的优势物种。
非工业化人群A. muciniphila下降
在这个大型宏基因组数据库中对四个已确定的A. muciniphila亚种的详细分析表明，它们的基因组通常存在于西方和中国人群中。对哈扎部落和其他非工业化人群的肠道微生物群与工业化世界个体的肠道微生物群进行分析比较，发现拟杆菌纲和疣微菌门微生物群的丰度减少。这些结果表明，非工业化种群的A. muciniphila丰度水平有所下降，但这一观察结果是否与粪便样本保存、DNA提取或测序深度的技术问题有关仍有待调查。
值得注意的是，A. muciniphila宏基因组已在非人类灵长类动物中发现，包括野生和圈养。类似地，与模式菌株MucT具有高度基因组同源性的A. muciniphila已从同样生活在野外的各种动物中分离出来。
部分A. muciniphila菌株产维生素B12
长期以来，A. muciniphila型菌株MucT是唯一可用的人类分离株然而，在过去的 5 年中，从不同的肠道环境中分离到了其他A. muciniphila菌株，包括野生哺乳动物和圈养哺乳动物，特别是人类。在临床前试验中报告了人类相关 A. muciniphila菌株之间的一些变异性，但尚不清楚观察到的差异的稳定性和可重复性如何。
迄今为止，观察到的菌株之间最显著的代谢差异是产生维生素B12的能力，而维生素B12是产生丙酸盐所必需的。大约三分之一的A. muciniphila分离株能产生类似于A. glycaniphila的维生素B12。多种结肠微生物可以产生可供A. muciniphila利用的维生素B12，正如霍氏真杆菌(Eubacterium hallii)(重命名为Anaerobutyricum soehn genii)所显示的那样，在共培养实验中，发现该细菌与菌株MucT形成微生物网络，导致从粘液中产生丙酸盐和丁酸盐。
03
AKK菌与疾病
代谢紊乱
由于观察到益生元补充剂(即低聚果糖)对肥胖发育的保护作用与啮齿动物疣微菌门的主要繁殖相吻合，因此引起了人们对A. muciniphila和代谢紊乱的兴趣。随后在人类和啮齿动物上进行的观察研究都表明，与瘦小的对应物相比，患有肥胖症的个体肠道中的A. muciniphila反复出现表达不足。代谢紊乱，包括肥胖、T2DM、非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和心血管疾病，都与Akkermansia spp.丰度减少有关。
研究发现，11名超重者和38名肥胖者体内A. muciniphila的丰度与更健康的代谢状态以及热量限制后较好的临床结果呈正相关。通过在小鼠和人类身上注射该模式菌株，研究了A. muciniphila在肥胖过程中的因果作用及其潜在的有益影响。首次证明，小鼠每天服用活的A. muciniphila MucT可以逆转高脂饮食引起的代谢紊乱，包括脂肪增加、代谢内毒素、脂肪组织炎症和胰岛素抵抗。
在合成培养基中生长的A. muciniphila MucT的巴氏杀菌增强了它减少小鼠脂肪团发育、胰岛素抵抗和血脂异常的能力。事实上，A. muciniphila MucT可以降低小鼠的胆固醇水平和血清甘油三酯水平。
代谢健康背景下黏质阿克曼菌的代谢效应及主要影响因素
Cani PD, et al. Nat Rev Gastro Hepat. 2022
影响肝脏脂肪代谢
研究发现A. muciniphila MucT补充剂通过调节与脂肪合成有关的基因的表达(例如，降低肝脏中固醇调节元件结合蛋白的表达)和不同的炎症标志物(例如，降低IL-1β和IL-6的表达，ALT和髓过氧化物酶活性)，可以积极地影响小鼠的肝脏脂肪代谢，预防非酒精性脂肪性肝病。
减轻动脉粥样硬化
在动脉粥样硬化发展的小鼠模型(载脂蛋白E缺陷(ApoE−/−)小鼠)中，A. muciniphila MucT的注射似乎减轻了动脉粥样硬化的损害。
降低糖尿病发病率
有趣的是，除了T2DM，在啮齿类动物和人类中，A. muciniphila通过降低肠道通透性、减少炎症和胰岛炎症的机制减少了T1DM的发病，从而有助于胰岛的保存。早期应用万古霉素可增加非肥胖型糖尿病小鼠(T1DM小鼠模型)的A. muciniphila丰度，降低糖尿病发病率。
神经退行性疾病
2016年至2020年间发表的几份报告表明，A. muciniphila在帕金森病和多发性硬化症中的作用，因为其相对丰度与受影响患者的疾病严重程度呈正相关。然而，尽管将患者的粪便微生物移植到无菌小鼠体内会导致疾病某些方面的发展，但这些研究都没有检测到受体小鼠粪便中的A. muciniphila，从而表明其他细菌可能参与了该病的发生表型。
多发性硬化症
对于多发性硬化症，在一项纳入62名复发缓解性疾病患者的研究中，作者发现脑脊液中的抗-Akkermansia IgG水平高于健康同行，并且局部脑脊髓特征与残疾评分呈正相关，而在同一个人的血液中检测到IgG水平没有明显的改变。
虽然在这些研究中观察到的抗-Akkermansia IgG水平的增加与肠道中嗜粘蛋白A. muciniphila丰度的改变无关，但另一项研究提供了支持 A. muciniphila在多发性硬化症中的积极和有益作用的机制解释。
这项研究表明，在多发性硬化症实验性自身免疫性脑脊髓炎小鼠模型的粪便和未治疗的多发性硬化症高峰期患者的粪便中发现的A. muciniphila的大量繁殖与miR-30d的富集有关。
有人发现，从这些小鼠或人类身上收集的粪便的转移导致A. muciniphila的丰度增加，并有利于调节性T (Treg)细胞的扩增，进而控制效应T细胞以抑制疾病症状。研究人员表明在患有多发性硬化症的小鼠中接种A. muciniphila可降低疾病评分、减少轴突损失的脱髓鞘和增加Treg细胞群。
相反，A. muciniphila衍生肽被确定为环境因素，与多发性硬化症（即HLA-DR15单倍体型）最强的遗传风险易感因素相结合，可以介导免疫调节介导的患者自身反应性T细胞的激活。
更具体地说，从患者体内分离出的 HLA-DR-SP反应性 CD4+ T细胞可以被某些外来因子（例如Epstein-Barr病毒和从A. muciniphila中分离出的一些肽）激活，然后对血液中的潜在致病多肽或自身抗原(如髓鞘碱性蛋白)产生反应，可能还会在脑脊液和/或脑中发生交叉反应，从而针对脑组织。
帕金森病
文献中关于阿尔茨海默病和A. muciniphila的发病机制存在差异，相关研究显示阿尔茨海默病患者的A. muciniphila含量较高，而干预研究清楚地报告了这种细菌在病理学中的有益作用。阿尔茨海默病是一种疾病，其最强的病理标志之一是淀粉样蛋白β肽42 (Aβ42)在老年斑中的积累。
由于肥胖和T2DM是痴呆的重要危险因素，一项机制研究探讨了在喂食高脂肪饮食的阿尔茨海默病小鼠模型中施用A. muciniphila的影响。除了抗肥胖作用外，无论饮食如何，接种都能显着减少大脑中的 Aβ并改善认知测试的表现。A. muciniphila给药还恢复了生命早期（生命3周时）暴露于高脂肪饮食的小鼠的认知能力下降和海马发育障碍。
癌症免疫治疗反应
免疫疗法是一种利用免疫系统对抗肿瘤形成细胞的癌症疗法，并已发展成为治疗各种癌症的成功方法。
肠道微生物组的相关性是增强对检查点抑制剂治疗的临床反应的标志物和辅助剂。
该疗法通过阻断程序性死亡受体1(PD1)等免疫检查点来恢复对抗癌细胞的活性。对100名对抗-PD1抗体反应良好的非小细胞肺癌和肾细胞癌患者的微生物组进行了详细的表征，结果显示A. muciniphila富集。此外，在疾病进展迅速的个体和后来死亡的个体中，A. muciniphila的患病率最低（34%）。
A. muciniphila菌株在用抗-PD1 药物治疗后，在移植无应答者粪便的无菌小鼠和预先暴露于抗生素的小鼠中改善了抗肿瘤活性。一项具有统计学意义的研究旨在专门评估338例非小细胞肺癌患者的A. muciniphila 基线检测与临床反应之间的关联。证实了A. muciniphila的存在与临床反应之间的密切关联。
在另一项研究中，42名主要使用抗-PD1药物治疗的转移性黑色素瘤患者的肠道微生物群也被证实富含多种分类群，包括Akkermansia。2020 年发表的一项研究确定肌苷是抗癌细胞活性的潜在因素，尽管这种核苷是由许多其他细菌产生的。
总之，这些研究表明，A. muciniphila是一种有望提高对检查点抑制剂免疫疗法的临床反应的候选菌。
肠道屏障和肠道炎症
最初发现A. muciniphila MucT 可以通过恢复小鼠的粘液层厚度以及抗微生物肽Reg3g的肠道表达来改善肠道屏障功能，这在肥胖和代谢紊乱期间都会发生改变。后来，在A. muciniphila MucT补充剂中观察到的粘液层厚度增加与小鼠粘液产生细胞数量的增加有关。
此外，来自A. muciniphila MucT (AmEVs)的细胞外囊泡，也显示通过调节小鼠的紧密连接来降低肠道通透性。
肠道炎症的情况下保护的肠道屏障
已有研究表明，与健康人相比，克罗恩病 (n = 26)和溃疡性结肠炎(n = 20和n = 15 ) 患者相比，A. muciniphila显著减少。这种相关性已在临床前模型中进行了因果研究。
改善结肠炎
已发现A. muciniphila MucT在结肠炎中的有益作用，AmEVs可保护葡聚糖硫酸钠 (DSS) 诱导小鼠结肠炎的进展。
随后，几项研究观察到A. muciniphila MucT细胞恢复肠道屏障功能并改善了：
DSS诱导的结肠炎
体重减轻
结肠长度缩短
组织病理学评分
改善衰老引起的变化
衰老是另一种肠道屏障减少和炎症增加的情况。各种人类研究报告称，与年轻成人（<50岁）和百岁老人相比，老年人（>65岁）的A. muciniphila丰度较低。
这一发现导致了旨在评估A. muciniphila MucT给药对不同衰老小鼠模型中几个年龄相关参数的影响的研究。
总之，这些研究表明，施用A. muciniphila MucT改善了一些与年龄相关的变化，包括炎症、屏障完整性和行为。
代谢综合征
在啮齿动物中，A. muciniphila被认为是健康的生物标记物。在啮齿类动物中，许多对A. muciniphila种群具有生长促进作用的膳食补充剂因其促进健康的作用而受到广泛关注。
在患有代谢综合征的人类中，给药被证实是可行的、安全的和有良好的耐受性。事实表明，与炎症、血液学、肾脏、肝脏和肌肉功能相关的任何标志物的变化，都可以用任何A. muciniphila MucT制剂来观察。这一结果是在不考虑所使用的形式以及短期(即2周)和长期(即3个月暴露)的情况下观察到的。
巴氏灭菌Akk菌比活菌效果好
以前的结果表明，高压灭菌灭活A. muciniphila可消除其对小鼠代谢综合征的保护作用。对植物乳杆菌或干酪乳杆菌菌株进行的研究表明，不剧烈的热诱导灭活，如巴氏杀菌，可以使细菌在稳定它们的同时保留部分有益的特性。
因此，有人在相同的饮食诱导肥胖小鼠模型上，通过比较活菌和巴氏灭菌菌的给药效果，检验A. muciniphila巴氏灭菌的效果。结果是，接受巴氏灭菌菌株的小鼠在体重、脂肪质量增加、血脂和胰岛素抵抗标志物方面的降幅甚至比接受活细菌的小鼠更大。除了提高A. muciniphila粘液的有效性，巴氏杀菌还具有提高菌稳定性和延长其保质期的好处，从而便于给人服用。
在未经治疗的患者中，给予巴氏灭菌A. muciniphila MucT成功地防止了与代谢综合征相关的参数的自然恶化。与补充安慰剂的志愿者相比，补充已过活的A. muciniphila MucT显著改善了胰岛素敏感性，降低了胰岛素血症和血浆总胆固醇水平。
为了进一步评估巴氏灭菌A. muciniphila MucT的安全性，对大鼠进行了一项强有力的毒理学长期评估。结果表明，口服90天，即使在测试的最高剂量(每公斤体重9.6×1010A. muciniphila MucT细胞，没有观察到不良反应的水平)下，也没有转化为亚慢性毒性，而体外遗传毒性试验显示阴性结果。
04
AKK菌对健康的作用方式
如前面所述，A. muciniphila可能有多种作用模式，所有这些都已用 MucT菌株进行了研究。当使用巴氏杀菌细菌时，可以观察到A. muciniphila MucT的几种有益效果和令人惊讶的功效增加。
产短链脂肪酸，作用于宿主代谢
最明显的答案是短链脂肪酸（如丙酸盐）的一般作用，因为A. muciniphila MucT在维生素B12存在下被称为丙酸盐生产者。虽然A. muciniphila对肠道中丙酸盐总水平的贡献可能相对于其他主要的丙酸盐生产者（例如拟杆菌）相对较低，尤其是在禁食条件下。但 Akkermansia似乎在动物和人类中都上调，并且可能对生产这种短链脂肪酸做出重大贡献。
在这种情况下，某些影响可能与肠道上皮细胞和肠道黏膜中存在的不同类型免疫细胞上表达的FFAR3和FFAR2受体（也分别称为GPR41和GPR43）有关。然而，值得注意的是，巴氏杀菌的 A. muciniphila MucT也可以作用于宿主代谢，不会改变丙酸盐的产生。
通过外膜上的蛋白质Amuc_1100发挥作用
2017年，有人确定了A. muciniphila MucT可以在宿主健康中发挥作用的特定和独特的分子机制。他们发现存在于A. muciniphila外膜中的一种特定蛋白质，称为Amuc_1100，概括了这种细菌的有益作用。A. muciniphila的所有有益作用是否都可归因于Amuc_1100目前尚不清楚，但其每个细胞的生产水平足以解释临床前模型中的作用。
重要的是，他们发现这种蛋白质在用于巴氏杀菌的温度下仍保持其活性构象，从而解释了为什么巴氏杀菌的A. muciniphila MucT在小鼠和人体实验中保持活性。
此外，发现Amuc_1100可激活Toll样受体2 (TLR2)，单独给药可复制A. muciniphila MucT细胞的大部分有益作用，包括在肠道炎症和结肠癌的特定疾病模型中的作用。
这一发现表明，即使死亡（即巴氏杀菌后），A. muciniphila MucT仍然可以改善宿主健康，并反对需要潜在的分泌代谢物来观察细菌的有益作用。
外膜上的蛋白质 P9，刺激GLP1水平增加
2021年的一项研究确定了A. muciniphila MucT产生的另一种蛋白质。发现A. muciniphila处理的饮食诱导的肥胖小鼠在口服葡萄糖挑战期间表现出循环GLP1水平略有增加。
通过体外实验，作者鉴定了一种84kDa的蛋白质，命名为蛋白 9（P9；由早期鉴定的 Amuc_1831 基因编码），它负责体外刺激GLP1。
在体内，他们测试了 8周以非常高的剂量口服P9的效果，发现体重增加和脂肪量增加都有所减少，胰高血糖素前体（即GLP1的前体）的肠道表达增加。
这些影响怎么与较高的循环 GLP1 水平联系起来？
研究发现P9的药理作用激活 ICAM2，这些作用与可能的GLP1分泌有关，因为抗-ICAM2抗体在体外部分消除了P9对GLP1分泌的影响。
此外，A. muciniphila MucT增加了小鼠回肠中IL-6的表达。除了证实IL-6是一种促炎细胞因子外，这种细胞因子还在体外剂量依赖性地增加GLP1的分泌。
因此，有人假设A. muciniphila MucT也可以通过 IL-6-GLP1信号传导发挥作用。为了进一步支持他们的发现，研究人员使用了IL-6敲除小鼠，发现这些小鼠对P9诱导的GLP1分泌没有反应，而阻断GLP1受体也消除了P9对产热的影响。尽管这些发现是相关的，但应评估其他因素，例如P9的生理剂量和位置（可能被分泌）。
与Akkermansia或相关分子在疾病中的作用相关的主要机制
Cani PD,et al. Nat Rev Gastro Hepat.2022
A. muciniphila MucT表达的酶潜在益处
一项研究证明天冬氨酸蛋白酶Amuc_1434*通过TRAIL介导的细胞凋亡途径抑制LS174T细胞活力。然而，没有进一步的位置、热稳定性或体内数据报告，因此尚无法评估这一发现的潜在和生理相关性。
第二项研究表明，A. muciniphila MucT表达的β-乙酰氨基己糖苷酶Amuc_2109*保护小鼠免受DSS诱导的结肠炎；然而，尚未报告热稳定性数据。
此外，已在人类身上表明，活的或巴氏杀菌的A. muciniphila MucT 改善了几种心脏代谢风险因素，包括胰岛素抵抗，而不增加 GLP1 的循环水平，也不影响 DPP4 活性，DPP4 是一种参与 GLP1 降解的酶。
有趣的是，无论使用何种形式的A. muciniphila MucT——活的或巴氏杀菌的，甚至是蛋白Amuc\U 1100，文献中的所有数据都通过作用于不同的关键标记物来强化肠道屏障。
事实上，所有的治疗都指向更高的粘液产量，紧密连接蛋白的恢复，抗菌因子的恢复，以及最终加强肠道屏障。
特异性调节
此外，一部分人通过对用活的或巴氏杀菌的 Akkermansia治疗的人体进行脂质组学和代谢组学分析。已经发现A. muciniphila MucT治疗诱导了不同生物活性脂质的特异性调节，这些被鉴定为 PPARα 激动剂（2-PG和1-PG）。
重要的是，在人类中使用非靶向代谢组学分析，他们已经能够重建一条指向通过β-氧化激活脂肪酸氧化的代谢途径，并且所有鉴定的代谢物都在PPARα的控制下趋向于增加线粒体活性，这些数据也在啮齿动物身上得到了证实。
除了对肠道屏障的影响，这可能涉及对几种疾病(即糖尿病、肥胖症、NAFLD和/或非酒精性脂肪性肝炎、炎症性肠道疾病、多发性硬化症)的保护作用，A. muciniphila对癌症的作用也是与依赖免疫系统的其他机制有关。
例如，使用检查点抑制剂（抗-PD1）的免疫疗法与动物数据中涉及 IL-12 依赖性效应的特定机制方面有关。此外，数据表明A. muciniphila菌株对抗-PD1反应的辅助作用增加了特定T细胞向肿瘤床的募集。
在炎症性肠病、T1DM或肠癌的小鼠模型中，A. muciniphila MucT或特定蛋白增加Treg细胞群的分化或降低结肠中浸润性巨噬细胞和CD8+细胞毒性T淋巴细胞的水平。
05
结 语
A. muciniphila MucT的代谢和抗炎作用是强大的，因为来自不同研究团队的许多结果已经证实了A. muciniphila菌株的各种健康特性。
A. muciniphila的生理和有益作用是多效性的（例如，能量、脂质、葡萄糖代谢、炎症、免疫、脑功能），重要的是要强调有许多汇聚的作用模式，可能是由于其特异性特性与其粘蛋白代谢的特化有关。
事实上，已经确定了几种常见的途径，都指向调节肠道屏障功能（即粘液产生和免疫系统）。肠道屏障的恢复，也有助于恢复几种改变的途径的正常功能，包括例如线粒体活性、肝脏代谢、脂肪组织和大脑活动。
最后，A. muciniphila MucT的有益作用已从临床前观察转化为代谢综合征背景下的人类干预。这种情况是独一无二的，是其他下一代微生物无法比拟的。
需要注意的是，虽然A. muciniphila具备各种有益特性，但是该菌丰度并不是越多越好，要保持在合适范围。谷禾肠道菌群检测结果中曾经有案例，发现该菌丰度过高，占比超50%。
该菌过量将过度消耗粘液蛋白而存活下来，这是大多数其他细菌所缺乏的生存优势，该菌增殖异常，从而可能导致肠道屏障损伤，诱发肠道炎症、LPS 进入血液的增加、自身免疫性疾病有关。
该样本检测报告也显示菌群多样性低，肠炎和几项慢病注意风险：
<来源：谷禾健康数据库>
总的来说，在合理范围内，A. muciniphila 带来有益影响。
当然也需要更多的研究来支持A. muciniphila的有益特性及临床治疗应用：
探索基于Amuc_1100及产生的其他分子的治疗方法；
确定改善的临床反应是否与基线肠道微生物群和饮食习惯有关；
确定营养和环境因素，以维持肠道中A. muciniphila的充足水平，并最终限制疾病风险
在代谢综合征或2型糖尿病患者中(即限制饮食、定期禁食或服用抗糖尿病药物)，补充巴氏杀菌A. muciniphila对人类进行联合治疗的效果研究
