肠道菌群及其微生态学

这种新的肠道微生物学方法提供了跨越时间和空间尺度的重要见解，从发现微生物群的粘液包裹到整个肠道细菌物种的量化。在这篇综述中，强调了通过观察和量化多个尺度的异质性而实现的围绕肠道造影的新兴知识。

在生物生态系统中，空间定位是我们如何理解生态群落内相互作用的核心，因为邻近的物种更有可能发展关系并影响彼此的功能。生物地理学是研究生物和环境的相互作用如何影响生态系统中的物种分布和多样性的学科。就像森林或其他宏观生态系统一样，肠道远非物种和环境的同质混合物。在从整个器官到单个细胞的多个尺度上，胃肠道的不同区域和微环境具有不同的物理和生化条件，这些条件驱动着胃肠道内微生物群落的组成和功能。沿着肠道的纵轴和横轴，物理和化学参数的梯度，如pH值、氧浓度、流动和消化速率、抗菌肽（AMP）、粘液类型和密度、营养物质的可用性等，与微生物群特定成员的生长和丰度相关。由饮食，药物和其他因素驱动的物理肠道环境的变化伴随着微生物群组成的变化。因此，特定的分类群可能是胃肠道条件改变的生物标志物。

肠道中微生物景观的复杂空间组织和异质性。物理肠道环境中的空间差异，从器官水平（10-100 cm）到单个微生物群落水平（数十至数百微米）的尺度范围内，驱动了使用粪便或其他混合良好的样品评估微生物群无法捕获的异质微生物行为。生物地理学特征，如肠道的细菌组织和物理参数，从整个肠道（10-100 cm，由肠道隔室组织）到宿主-细菌界面（10-100 μm），最后到微生物群落（数十至数百微米），在多个尺度上变化。环境参数和细菌组成沿着肠道纵轴变化。列出了胃肠道每个区域的常见分类群。

粘液、氧气、抗菌肽和其他免疫因子驱动上皮附近的细菌定植和组织化。在小肠中，隐窝内有分泌抗菌肽的潘氏细胞，这些细胞在很大程度上阻止细菌在片状粘液层和上皮表面定植。分节丝状细菌（SFB）粘附在上皮细胞上，并且在派尔集合淋巴结处的细菌接触促进了微生物群的免疫取样。在结肠中，致密的内粘液层排除上皮处的细菌定植。松散的外粘液层由细菌（包括粘液溶解细菌）定殖，但也宿主噬菌体和调节细菌定殖和清除的分泌的免疫因子的积累。这一地区的地穴可以被选定的物种殖民。在管腔中，食物颗粒和碎片充当细菌群落的附着位点。 

在健康条件下，内粘液层在很大程度上防止细菌接触宿主上皮（左图）。在炎症性肠病患者中观察到的或由几种环境和饮食干扰引起的变薄和变弱的粘液层导致细菌与宿主持续接触，从而引发炎症和哨兵杯状细胞死亡（右图）。这个过程反过来又加剧了粘液层的持续变薄。

[1] G. McCallum, C. Tropini, The gut microbiota and its biogeography, Nature Reviews Microbiology  (2023).

• DOIhttps://doi.org/10.1038/s41579-023-00969-0