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一文读懂:益生菌如何预防和治疗抗生素相关性腹泻

编者按:

抗生素相关性腹泻(AAD)是指使用抗生素后引起肠道菌群失调而导致的常见的医源性腹泻。有多项研究报道,在抗生素治疗的过程中采用益生菌干预或可降低 AAD 的发生概率。

今天,我们共同关注益生菌与 AAD,特别邀请雀巢健康科学消费者保健品业务部高级品牌经理徐海蒂博士为我们讲解益生菌与 AAD。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。

什么是AAD?

众所周知,抗生素在临床应用上非常广泛。然而,抗生素的使用会对肠道产生众多负面影响,包括肠道菌群的物种丰富度、多样性和胃肠道均匀性的降低。这些剧烈的变化导致了正常肠道细菌居民的丧失,并为艰难梭状芽胞杆菌等病原体提供了定植机会 (Mekonnen et al., 2020)。

有研究表明,抗生素有可能使我们的肠道细菌减少到其先前水平的十分之一,即降低 90%;同时微生物多样性也会降低四分之一到三分之一(Panda et al., 2014)。其中,乳杆菌和双歧杆菌的数量受到很大抑制(Willing et al., 2011)。

此外,抗生素对肠道微生物组的正常组成和功能特性造成的显著破坏可以在抗生素停药后持续存在,并与肥胖、哮喘和炎症性肠病(IBD)的发展有关(Mekonnen et al., 2020)。

除此之外,抗生素治疗还极有可能导致抗生素相关性腹泻(antibiotic-associated diarrhea, AAD)。研究表明,抗生素的使用会造成高达 30%的病患发生腹泻(Hempel et al., 2012)。

AAD 的特征包括肠道菌群遭到破坏,肠道短链脂肪酸(SCFAs)浓度下降,肠腔内碳水化合物和结肠胆汁酸积累,吸水率改变,并最终导致腹泻 (Mekonnen et al., 2020)。其中,艰难梭菌相关腹泻(Clostridium difficile-associated diarrhea, CDAD)在 AAD 病患中的占比高达 25%(Ma et al., 2020)。

预防和治疗不同患者包括儿童、成人以及卧床病患的炎症和感染时,都极易引起 AAD 的发生,这也是病患在抗生素治疗中依从性差的一个重要原因。因此,当前急需预防和治疗 AAD 的手段。考虑到益生菌具有调节肠道菌群的功能,所以当前有许多研究正在探究不同益生菌(组合)预防与治疗 AAD 的效果。

益生菌预防/治疗AAD的功效得到临床研究证实

实际上,早在 2012 年 5 月就有来自美国南加州循证实践中心和洛杉矶两个医学中心的医疗专业人士关注到了益生菌和 AAD 之间的潜在关系,并在著名医学期刊JAMA上发表了题为“Probiotics for the Prevention and Treatment of Antibiotic-Associated Diarrhea”的系统性综述和荟萃分析文章(Hempel et al., 2012)。

总共有 82 个随机对照临床研究(RCT)被纳入该分析,涉及超过万人。汇集证据表明,益生菌与 AAD 的减少有关。

该荟萃分析中的大多数研究采用了基于乳杆菌属单独或与其他菌属联合的干预方案,但菌株记录情况较差。因此,作者也建议需要做更多研究来确定哪些益生菌有最大效力,以及具体针对的抗生素种类。

另有波兰研究人员在基于 12 个 RCT 涉及 1499 人的系统性综述和荟萃分析上,评估了鼠李糖乳杆菌 GG 预防儿童及成人 AAD 的功效(Szajewska et al., 2015)。

尽管证据质量处于中低水平,但分析结论显示鼠李糖乳杆菌 GG 在各类需要抗生素治疗的儿童和成人中均可以有效预防 AAD 的发生,其风险从 22.4%降低到 12.3%。不过当把儿童和成人分别评估时,儿童组仍存在显著差异;但成人组则只有接受抗生素作为根除幽门螺杆菌的部分治疗方案的亚组存在显著差异(Szajewska et al., 2015)。

2019 年的一篇系统性综述进一步评估了益生菌(各类菌株或剂量)在预防儿童 AAD 上的有效性和安全性,涵盖了 33 顶 RCT 研究和 6352 位受试者。评估的益生菌包括单独或联合使用的双歧杆菌属、丁酸梭菌、乳杆菌属、乳球菌属、明串珠菌属、酵母菌属或链球菌属(Guo et al., 2019)。

结果显示,与对照组相比,在腹泻的发生率上益生菌组显示出明确益处。在随后 5 天到 12 周的跟踪期里,AAD 在益生菌组的发生率为 8%,而对照组为 19%。对亚组的分析结果显示,高剂量组(≥ 50亿 CFUs/天)比低剂量组(< 50亿 CFUs/天)更加有效。总体证据支持“益生菌在预防儿童 AAD 上效果适中”这一结论,并且证据还暗示益生菌可适度减少腹泻时长,几乎可减少一天(Guo et al., 2019)。

来自中国辽宁的大学和医院研究人员在基于 10 个 RCT、涉及 4692 人的系统分析和荟萃研究后发现,乳杆菌属的菌株,特别是干酪乳杆菌在预防 CDAD 和 AAD 上有良好效果(Ma et al., 2020)。

2020 年,一项对住院成年人使用益生菌的情况进行健康经济学的系统性综述研究也显示,益生菌可能是一种预防呼吸机相关肺炎、CDAD 和 AAD 的具有经济吸引力的干预措施。然而,其成本效益证据的确定性却很低。因此,未来研究益生菌的 RCT 应纳入成本数据,为床边实践(bedside practice)、临床指导方针和医疗保健政策提供信息 (Lau et al., 2020)。

分子机理得到初步阐明

如前所述,益生菌在许多临床试验中被证明可以预防/治疗 AAD 症状。去年 2 月份发表在Current Opinion in Biotechnology上的这篇综述探讨了目前已知的关于益生菌如何通过调节肠道菌群、改变营养物质和胆汁酸代谢、调控胃肠道转运活动、支持肠道屏障功能和影响免疫系统来降低 AAD 的风险 (Mekonnen et al., 2020)。

如下图所示,抗生素治疗破坏了胃肠道微生物群的组成,导致机会性病原体的生长增加,未消化的碳水化合物的积累,以及 SCFAs 和修饰性胆汁酸的水平降低。

益生菌可能通过直接抑制病原体的生长;通过 SCFA 合成、产生其他分泌代谢物(如细菌素)或降低肠腔 pH 和氧气水平诱导肠道微生物群组成的改变,来对抗胃肠道中抗生素诱导的作用。益生菌还可能导致胆汁酸成分的变化,并直接与肠上皮和免疫系统相互作用,从而增加肠道屏障功能和调节水和溶质的转运。

该文特别指出,探究益生菌预防 AAD 分子基础的研究仍然太少,目前还不能报告哪些益生菌的肠道调节活性对于防卫 AAD 是最重要的。由于 AAD 是与抗生素使用相关的多种因素的结果,益生菌效应很可能也是多因素的,并且是菌株和宿主背景依赖性的。此外,还可预计的是菌株之间会有机理上的重叠,以及存在菌株特异性的宿主-微生物相互作用。

阐明肠道益生菌作用的分子机制对为现有菌株制定建议至关重要,例如益生菌干预的推荐剂量、频率和持续时间、使用多株制剂的价值以及益生菌制造和载体传递的最佳方案和成分。

图1.益生菌预防 AAD 的潜在分子机制示意图 (Mekonnen et al., 2020)

AAD相关益生菌产业动态

AAD 相关益生菌产品的开发既有膳食补充剂类,也有药品类;在具体配方上尤其需要注意活菌数量和多菌株制剂的价值。

2017 年发表的一项综述研究对益生菌在人体干预中的剂量-反应关系进行了归纳总结。该研究显示,在用于 AAD 时,益生菌的效果存在正向的剂量-反应关系,并且进一步说明超过 10[10] CFU /天的摄入量时更为有效(Ouwehand AC,2017)。

目前国内市场上益生菌产品的活菌数大多数处于10[8] C 10[10]之间。然而,人体肠道菌群的数量级高达10[14],即便是每日千亿级(10[11])的益生菌补充,也只占人体肠道微生物菌群的千分之一。而益生菌定义的核心点之一是“足够数量”,在某些特定情况下,可能需要高百亿或千亿级的益生菌补充。

因此,在抗生素治疗过程中和疗程结束后的肠道菌群恢复期,想要预防 AAD 等抗生素引起的副作用,需要摄入足够数量的益生菌,不过具体数量仍需要根据临床试验证据和实际情况来决定。

针对在益生菌产品配方的设计和优化上应该使用单菌株还是多菌株,无论是科研层面,还是市场层面都没有达成一致定论或共识。但是,有不少专业人士认为多菌株制剂可以利用多种途径发挥功效,并能发挥不同微生物之间的协同作用。因此,当前市场上也涌现出许多多菌株益生菌产品。

比如雀巢健康科学旗下 Garden of Life 品牌通过天猫跨境电商平台在今年率先引入了针对肠道微生物菌群密集修复功能的 Restore 益生菌产品,承诺向消费者提供每日活菌水平 2000 亿 CFU 的益生菌补充。

该产品包含雀巢专研具有增强免疫力功效的乳双歧杆菌 NCC2818 菌株在内的 11 株专业复合菌株配方。适用场景就包括抗生素治疗过程中和疗程结束后的肠道微生物菌群密集修复需求和 AAD 等抗生素引起的适应症。

但是考虑到益生菌治疗 AAD 的相关分子机理还未完全阐明,因此,在多菌株益生菌产品配方中,所属开发公司对益生菌相关基础科研的投入非常重要,研发人员对配方中菌株的专业选择和配比可以有效利用多菌株制剂的优势而尽可能避免其潜在风险。

另一方面,国际上,活体生物药(Live Biotherapeutic Products, LBP)已经成为益生菌产业近十年来的一大新领域。2010 年,美国食品和药物管理局(FDA)发布第一个相关的准则草案,成为首个提出审议含有活的益生菌产品的药物状况的主管当局。2012 年,FDA 发布 LBP 相关指南,正式创建了 LBP 类别。

在 2019 年,欧洲药品和医疗质量局(the European Directorate for the Quality of Medicines and healthcare, EDQM)也正式接受 LBP 作为欧洲市场的一种新的医药产品类别(Cordaillat-Simmons et al., 2020)。

目前,MyBiotics Pharma 基于 MyCrobe? 技术开发的头两个产品中就包括 针对 AAD 的 MBX-MC-101 片剂。目前该药物正在进行稳定性评估,以期实现商业化。

展望:不止AAD

肠道菌群就像我们人体的一个内分泌器官,会产生生物活性代谢物、酶或小分子,并可以影响宿主的生理。肠道菌群失调与许多肠道疾病有关,包括(但不限于)炎症性肠病、原发性硬化性胆管炎、肠易激综合征、慢性便秘、渗透腹泻和结直肠癌。

肠道菌群失调与肠道疾病相关的潜在致病机制包括肠道微生物群组成的改变,以及肠道微生物群衍生的信号分子。后者与肠道疾病易感性之间的许多相关性使肠道微生物群成为治疗的潜在新靶点(Meng et al., 2020)。

由此可见,益生菌产品不只是在 AAD 上的应用大有前景,在针对与肠道菌群失调密切相关的多种肠道疾病中都有希望发挥积极作用。随着益生菌科学研究的不断深入,标准法规的不断完善,国内外相关企业的积极参与,相信益生菌产业未来五到十年在全球和中国都将有令人瞩目的发展。

参考文献:

1.《2021全球益生菌产学研发展动向白皮书》

2.Hempel S, Newberry SJ, Maher AR, Wang Z, Miles JN, Shanman R, Johnsen B, Shekelle PG. Probiotics for the prevention and treatment of antibiotic-associated diarrhea: a systematic review and meta-analysis. JAMA. 2012 May 9;307(18):1959-69.

3.Panda S, El khader I, Casellas F, López Vivancos J, García Cors M, Santiago A, Cuenca S, Guarner F, Manichanh C. Short-term effect of antibiotics on human gut microbiota. PLoS One. 2014 Apr 18;9(4):e95476.

4.Willing BP, Russell SL, Finlay BB. Shifting the balance: antibiotic effects on host-microbiota mutualism. Nat Rev Microbiol. 2011 Apr;9(4):233-43.

5.Ma Y, Yang JY, Peng X, Xiao KY, Xu Q, Wang C. Which probiotic has the best effect on preventing Clostridium difficile-associated diarrhea? A systematic review and network meta-analysis. J Dig Dis. 2020 Feb;21(2):69-80

6.Szajewska H, Ko?odziej M. Systematic review with meta-analysis: Lactobacillus rhamnosus GG in the prevention of antibiotic-associated diarrhoea in children and adults. Aliment Pharmacol Ther. 2015 Nov;42(10):1149-57.

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9.Lau VI, Rochwerg B, Xie F, Johnstone J, Basmaji J, Balakumaran J, Iansavichene A, Cook DJ. Probiotics in hospitalized adult patients: a systematic review of economic evaluations. Can J Anaesth. 2020 Feb;67(2):247-261

10.Mekonnen SA, Merenstein D, Fraser CM, Marco ML. Molecular mechanisms of probiotic prevention of antibiotic-associated diarrhea. Curr Opin Biotechnol. 2020 Feb; 61:226-234

11.《科学认识益生菌 C 澄清益生菌的10个认知误区》,2020年6月

12.Cordaillat-Simmons M, Rouanet A, Pot B. Live biotherapeutic products: the importance of a defined regulatory framework. Exp Mol Med. 2020 Sep;52(9):1397-1406.

13.Meng X, Zhang G, Cao H, Yu D, Fang X, de Vos WM, Wu H. Gut dysbacteriosis and intestinal disease: mechanism and treatment. J Appl Microbiol. 2020 Oct;129(4):787-805. doi: 10.1111/jam.14661. Epub 2020 May 19. PMID: 32277534.

14.Ouwehand AC. A review of dose-responses of probiotics in human studies. Benef Microbes. 2017 Apr 26;8(2):143-151. doi: 10.3920/BM2016.0140. Epub 2016 Dec 23. PMID: 28008787.

作者|徐海蒂博士,雀巢健康科学消费者保健品业务部高级品牌经理,美国普渡大学食品科学系博士,主要研究方向为膳食纤维精细结构与发酵特性之间的关系及其在肠道健康的应用。在食品科学与营养健康领域拥有近十五年的科研和行业经验。