后生元是由国际益生菌与益生元科学协会在2021年定义为对宿主健康有益的无生命微生物和/或其成分的制剂[1]。近年来, 因其生物活性较稳定与安全性优势,被视为替代传统益生菌的潜力抗菌策略。尽管益生菌具有多种益生作用,但其应用受限于菌体存活依赖性强、生存环境苛刻及潜在耐药基因转移等风险。相较之下,后生元无需依赖活菌存活,即可展现多重生物学活性,包括调节微生物群、增强免疫和抑制病原体等功能。研究表明,后生元中的抗菌活性成分,如有机酸、细菌素、表面活性蛋白和细胞壁片段等,在抑制有害菌方面表现出显著优势。这些活性因子可通过破坏病原体细胞膜、阻断其与宿主结合位点、干扰生物膜形成及调节宿主免疫反应等途径发挥抗菌作用[2]。
凭借多靶点、低耐药的特点,后生元在食品、感染防控及精准抗菌等应用场景中展现出广阔前景。然而,后生元的成分因菌株来源及制备工艺差异呈现高度异质性,其关键活性组分与作用靶点尚未完全解析,制约了标准化开发与应用,这成为后续研究和开发应用中亟待解决的关键问题。为此,本文综述了源自不同菌株后生元中所含抗菌活性物质的种类与特点,并聚焦其多种抑菌作用机制,以期为新型抗菌制剂研发和精准抗菌策略提供理论支撑。
1 后生元来源菌株
后生元的菌株来源广泛且多样,主要包括肠道菌群中的多种微生物,这些微生物可以分为细菌和真菌两大类。乳酸菌是一类能利用可发酵碳水化合物产生大量乳酸细菌的统称,也是后生元细菌菌株的重要来源。由于双歧杆菌属严格厌氧,培养和工业化生产难度较高,而乳杆菌属厌氧要求不高,因此相对容易培育和生产,应用也更为广泛。目前,考虑到开发难度和性价比,灭活双歧杆菌目前主要应用于一些科学研究上,而灭活乳杆菌在食品及医药等领域已进入商业化应用阶段。如表1所示,后生元中常见乳酸菌包括乳杆菌属(Lactobacillus)[3]、双歧杆菌属(Bifidobacterium)[4]和肠球菌属(Enterococcus)[5]等。另外,酵母菌属(Saccharomyces)及曲霉菌属(Aspergillus)是后生元真菌菌株发展的主要方向。尽管有一些研究,但对这一领域的深入探索仍然不足。常见酵母菌属包括布拉氏酵母菌(Saccharomyces boulardii)等[6],曲霉菌属有米曲霉(Aspergillus oryzae)等[7]。
表1 常见后生元来源、特定菌株的优势以及在实际应用中的场景
Table 1 Common strain of postbiotics, advantages of specific strains, and scenarios for practical application
菌属来源菌株菌株号类型作用优势应用场景参考文献乳酪杆菌属(Lacticaseibacillus)副干酪乳酪杆菌(Lactica-seibacillus paracasei)MCC1849热灭活增强体液免疫应答;预防普通感冒无耐药基因转移的风险;无化合物相关和毒理学相关不良反应报告功能食品和饮料[3]副干酪乳酪杆菌(L.para-casei)K56热灭活显著调节血脂水平,减少脂肪积累;增强抗氧化酶活性;缓解肠道炎症具有高黏附性;在体重管理方面临床研究较充分;安全性高抗肥胖功能性食品[8]鼠李糖乳酪杆菌(Lactica-seibacillus rhamnosus)LGG无细胞上清液有效抑制结肠癌细胞的增殖临床研究较充分;安全性、特异性及稳定性高改善肠道健康[9]鼠李糖乳酪杆菌(L.rham-nosus)CRL1505热灭活呼吸道免疫刺激有效;预防及降低呼吸道感染临床研究较充分;免疫功效应用于更多的生产加工条件;避免某些治疗中抗生素对活菌的杀菌作用改善呼吸道健康[10]乳植杆菌属(Lactiplantibacillus)植物乳植杆菌(Lactipla-ntibacillus plantarum)L-137热灭活降低病毒流感风险;缓解过敏;维持肠道菌群平衡脂磷壁酸高于其他乳杆菌;增强免疫的能力优于原活菌;耐酸、耐热能力强功能食品和饮料[11]植物乳植杆菌(L.planta-rum)H6热灭活降低血清和肝脏血脂水平;调节肠道微生物群和与脂质代谢相关的代谢物降胆固醇能力强;后生元干预效果优于活益生菌预防高胆固醇血症[12]乳杆菌属(Lactobacillus)嗜酸乳杆菌(Lactobacillus acidophilus)LA5冷冻干燥增强低脂酸奶的抗氧化活性;保持保水能力和发酵剂培养活力抗氧化活性强;延长保质期发酵乳制品[13]粘液乳杆菌属(Limosilactobacillus)罗伊氏粘液乳杆菌(Li-mosilactobacillus Reuteri)DSM17648灭活干燥降低幽门螺杆菌活性;与幽门螺杆菌结合,导致病原菌的流动性和黏附能力降低对幽门螺杆菌有高度特异性;安全性高治疗幽门螺杆菌感染[14]双歧杆菌属(Bifidobacterium)动物双歧杆菌(Bifidobac-terium animalis)BB12热灭活下调变形链球菌中与生物膜形成等相关基因表达,抑制其在口腔黏膜上形成生物膜稳定性高;临床研究广泛改善口腔问题[4]两歧双歧杆菌(Bifidobac-terium bifidum)B1628热灭活改善结肠炎小鼠的炎症状态和组织损伤;调节肠道菌群失调具有良好的酸和胆盐耐受性改善结肠炎[15]长双歧杆菌长亚种(Bifidobacterium longum subsp.longum)CECT 7347热灭活抗氧化应激损伤;激活先天免疫;减少炎症反应和肠屏障破坏;抑制细菌定植货架期稳定;无微生物交叉污染风险食品、饮料及膳食补充剂[16]长双歧杆菌长亚种(B.longum subsp.longum)CBi0703冷冻干燥减少软骨组织结构性损伤;降低Ⅱ型胶原降解在骨关节炎方面临床试验较充分预防并改善骨关节炎[17]短双歧杆菌(Bifidobacterium breve)M-16V热灭活防止慢性社交失败压力引起的社交障碍;改变患者肠道微生物群变化;抑制神经炎症安全性高;临床研究较充分功能食品和饮料[18]酵母菌属(Saccharomyces)布拉氏酵母菌(Saccharo-myces boulardii)CCTCC 2012116冷冻干燥调节宿主免疫、炎症和肠道微生物群,有效缓解小鼠结肠炎后生元干预优于益生菌;更耐酸、耐氧化改善结肠炎[6]
2 后生元的抑菌活性成分
后生元的抗菌活性源于经过灭活的益生菌本身及其菌体代谢过程中产生的有机酸、细菌素、多糖类及肽类等多种抗菌成分。这些成分在食品防腐及调节肠道微生态领域中能够广泛抑杀致病菌,有效遏制其生长(图1)。值得注意的是,后生元个体成分及抗菌能力之间的差异似乎是与来源菌株本身特异性及后生元的制备方式相关[19]。研究者采用GC-MS对乳酸菌来源菌株的无细胞上清液(cell-free supernatant, CFS)进行化学表征,发现不同菌株CFS在不同化合物的种类与含量上呈现显著差异,且多数组分兼具抗细菌、抗真菌及抗生物膜等生物活性[20]。基于这些化合物来源与分子质量特征,后生元活性成分可系统划分为低分子质量代谢物(如有机酸)、高分子质量代谢物(如胞外多糖)及菌体结构组分(如磷壁酸)三大类。这种分类有助于系统地研究其结构-功能关系及作用机制。表2整理了几种后生元中主要抗菌活性物质及其抑菌效果。
图1 后生元抑菌成分在食品防腐及调节肠道微生态中的应用
Fig.1 Application of postbiotic antimicrobial components in food preservation and regulation of intestinal microecology
表2 不同来源后生元中抑菌活性物质及抑菌效果
Table 2 Antimicrobial substances and their effects in postbiotics from different sources
来源菌株类型抗菌物质作用病原抑菌效果参考文献L. plantarum ATCC 14917CFS有机酸(乳酸)、细菌素、BLIS、H2O2、吡咯并[1,2-a]吡嗪-1,4-二酮、苯甲酸、环戊烷Listeria monocytogenes质量分数为50%、10%、1%、0.1%时,抑菌圈大小分别为34.4、15.8、10.6、6.9 mm[20]L. acidophilus LA5L. plantarumLacticaseibacillus casei 431冻干CFS有机酸(乳酸)、细菌素、BLIS、月桂酸、胞外多糖Staphylococcus aureus、L. mono-cytogenes对S. aureus抑菌圈>20 mm;对L. monocy-togenes的MEC在15～25 mg/mL[21]Latilactobacillus sakei NRRLB1917CFS中分离乳清蛋白细菌素Escherichia coli、L. monocyto-genes抗菌膜在牛肉上冷藏36 h后,E. coli的检测限降低10 CFU/g;L. monocytogenes数量减少1.4 CFU/g[22]L. plantarum ngue16L. plantarum ng10Enterococcus durans w3L. brevis w6CFS 有机酸(乳酸和乙酸)、BLIS、丙二醇、γ-氨基丁酸Bacillus subtilis、Cronobacter sakazakii、E. coli、Salmonella Typhimurium、S. aureus抑菌圈直径在(12.00±1.00)～(21.62±2.08) mm;MIC为3.12～12.5 mg/mL,MBC为6.25～25.0 mg/mL[23]Bacillus amyloliquefaciens J和 L.plantarum SN4共培养物固态发酵后裂解物有机酸(3-苯乳酸、乳酸和乙酸)S. aureus、Salmonella Typhi-murium、E. coli、Clostridium per-fringens、Pseudomonas aeruginosa对所有供试菌株的MIC在12.5～25 mg/mL;MBC在12.5～50 mg/mL[24]FreshQ(L. rhamnosus和L.paracasei共培养物)干CFS有机酸(乳酸)、BLIS、2,4-二叔丁基苯酚L. monocytogenes、S. aureus、E. coli、Salmonella Typhimurium、Aspergillus flavus、Penicillium citrinum所有细菌病原体的抑制区均超过20 mm;对真菌菌株抑制区在17 mm左右[25]L. plantarum AMA-K无细胞上清液细菌素E. coli、Enterococcus faecalis、Streptococcus、Lactococcus lactis抑菌圈直径在10～16 mm;作用方式是细胞裂解,细胞质泄漏[26]L. plantarum LP45B. animalis BAL531发酵及低温真空干燥 有机酸、抗菌肽、氨基酸、胞外多糖、磷壁酸、肽聚糖C. perfringens、E. coli、Samonella抑菌圈直径均大于18 mm;且这2种菌株具有协同增效作用,对致病菌的抑制效果大大增强[27]
注：CFS-无细胞上清液;BLIS-细菌素样抑制物质; MEC-最小有效质量浓度;MIC-最低抑菌质量浓度;MBC-最低杀菌质量浓度。
2.1 低分子质量代谢物类
低分子质量代谢物类是指由益生菌在代谢过程中产生的相对分子质量较小(通常<1 000 Da)的化学物质。这类代谢产物既可作为能量代谢的中间产物,也能参与信号传递或起到关键调节,包括有机酸、醇类、脂质类、H2O2和酚类等。这些小分子代谢产物在微生态调节和抑制病原菌方面发挥着重要作用。目前,对这些由益生菌产生的低分子质量活性成分的研究仍在起步阶段。
2.1.1 有机酸类
有机酸作为益生菌代谢产物是一种理想的抗菌剂候选物质,能够抑制致病菌的生长。常见有机酸,例如乳酸、柠檬酸、苯乳酸及短链脂肪酸均被证实是后生元中抑菌化合物[28]。研究发现,植物乳植杆菌、干酪乳酪杆菌等菌株共发酵产物中检测到酒石酸、苹果酸、琥珀酸等多种有机酸,这些物质通过破坏肠球菌和大肠杆菌等致病菌的细胞膜完整性及代谢功能,有效维持微生态平衡并起到天然防腐的作用[29]。短链脂肪酸作为关键抗菌代谢物,是最重要且研究最广泛的次生代谢物,由厌氧细菌或酵母菌糖酵解产生,通常是碳原子数量在2～6的有机酸。有研究表明,短链脂肪酸对单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌和鼠伤寒沙门氏菌等致病菌表现出良好抗菌特性,且产量与抗菌活性呈正相关[30-31]。
2.1.2 脂质类
后生元中的脂质类成分是其生物活性的重要组成部分,主要包含中性脂肪(甘油三酯)和类脂(如磷脂、糖脂)两大类。研究证实,益生菌发酵过程中产生的脂肪酸(如月桂酸、亚油酸、异硬脂酸)对微生物调控具有显著作用。如钟智等[32]结合代谢组学与表型实验,发现副干酪乳酪杆菌ProSci101与青春双歧杆菌B8589共发酵的后生元中富集甘油磷脂类物质,对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等致病菌具有显著生长抑制作用。除此之外,某些益生菌,如乳杆菌属(Lactobacillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)等,在代谢过程中分泌或菌体裂解后释放一些脂质类物质(如糖脂、脂肽等),因其两亲性分子结构并兼具多重生物活性,可以作为微生物源生物表面活性剂(biosurfactants,BS)抑制致病菌生物膜形成。唾液联合乳杆菌冻干CFS纯化的月桂酸可以作为BS,有助于从病原体表面去除单核细胞增生李斯特菌的生物膜[21]。
2.1.3 其他低分子质量代谢产物
后生元代谢产物中多种组分也具有良好的抗菌活性,包括H2O2、二乙酰和酚类化合物(如2,4-二叔丁基苯酚)等。DAS等[33]从阴道拭子中分离出卷曲乳杆菌并发现其游离CFS可通过H2O2介导有效抑制粪肠球菌、阴沟肠杆菌等致病菌生长。VARSHA等[34]从乳球菌属CFS中纯化出挥发性有机化合物2,4-二叔丁基苯酚对黑曲霉等真菌具有显著抑制作用。此外,唾液联合乳杆菌的CFS在体外有较强的抑菌能力且对小鼠益生作用良好,经过氧化氢酶实验证实其抑菌物质包含H2O2等物质,具有作为微生态制剂开发的潜力[35]。
2.2 高分子质量代谢物类
后生元中的高分子质量活性代谢物是由益生菌在代谢过程中产生的分子质量达到上千甚至更高的有机分子,主要包括蛋白质、肽类和多糖类等生物活性成分。这类代谢物能够通过激活免疫细胞及抑制病原微生物增殖等方式在免疫调节和广谱抗菌领域展现良好应用潜力。
2.2.1 蛋白质和肽
蛋白质作为生命活动的核心有机大分子,也是重要的后生元代谢产物之一。后生元中已发现分泌蛋白、乳酸蛋白酶等在内的多种蛋白质[36]。抗菌肽是一类阳离子疏水多肽,可通过破坏病原菌细胞膜完整性、干扰代谢通路等机制发挥抑菌作用。其中,细菌素是研究广泛并具有广谱抗菌性的抗菌肽类型,由20～60个氨基酸组成[37]。研究发现,细菌素是清酒广布乳杆菌NRRLB1917的CFS中主要抗菌作用物质,对食源性病原菌(如金黄色葡萄球菌、单增生李斯特菌、沙门氏菌等)具有显著抑菌性能[38]。另外,区别于经典细菌素,细菌素样抑制物质(bacteriocin-like inhibitory substance, BLIS)虽因未完全满足分子质量或抗菌谱系等分类标准而被独立命名,并且有许多尚未完全表征或不具有细菌素的典型特征[39],BLIS也展现出类似抗菌途径。从乳制品分离乳酸乳球菌乳亚种中发现其产生主要抑菌成分为BLIS,通过扫描电镜发现其CFS会破坏细胞膜,导致细胞内容物释放和细胞聚集[40]。细菌素及BLIS通常具备优异的热稳定、耐酸碱以及一定的蛋白酶抗性,这些特征使其在食品防腐领域具有应用潜力。
2.2.2 胞外多糖
胞外多糖是细胞生长代谢过程中分泌至胞外环境的一类糖类化合物。作为后生元的关键组分,胞外多糖具备抑菌、免疫调节及代谢调控功能。研究表明,一些乳酸菌(如鼠李糖乳酪杆菌[41]和加氏乳杆菌[42])的胞外多糖可以有效地抑制单增李斯特菌、大肠杆菌以及金黄色葡萄球菌等食源性病原菌;长双歧乳杆菌胞外多糖协同嗜酸乳杆菌可调节肠道菌群组成,改变肠道代谢谱,促进短链脂肪酸及芳香族氨基酸代谢[43]。近几十年来,胞外多糖凭借其理化特性(增黏性、乳化性及胶凝性)在食品工业中作为功能性添加剂广泛应用,其开发潜力在抗菌材料及益生制剂领域尤为突出。
2.3 菌体结构成分类
后生元菌体成分主要指益生菌经灭活或裂解后保留的微生物结构组分,主要包括细胞壁成分和菌体蛋白等。这些成分在调控病原菌生长和增强宿主抗菌防御方面具有重要作用。
2.3.1 菌体蛋白
表层蛋白是乳酸菌表面最外层细胞包膜结构的关键成分,其主要的功能是介导菌体与不同表面黏附,如菌株间的聚集、对肠上皮细胞的黏附等。不仅如此,其所介导的黏附还能够发挥双向调节作用,既能促进肠道定殖发挥有益作用,也能参与抑制致病菌的附着。研究发现,来自乳杆菌属的S层蛋白可以通过竞争性地结合细胞外基质和宿主细胞蛋白,从而抑制大肠杆菌生长[44];干酪乳酪杆菌fb05的表层蛋白可以通过2种方式降低大肠杆菌和沙门氏菌对肠道的有害作用,减少病原体黏附和抑制病原体诱导的细胞凋亡[45];副干酪乳酪杆菌S-NB菌株表面分离得到的后生元成分荚膜多糖和表层蛋白均能够增加肠道有益菌群(如双歧杆菌属)的丰度,减少对宿主有害的菌群(如埃希氏菌属、志贺氏菌属等)占比,并促进短链脂肪酸的生成[46]。
2.3.2 细胞壁多糖
细胞壁多糖是与细菌细胞壁共价结合的膜锚定多糖,其糖基组成与胞外多糖相似,但通过永久性锚定于细胞膜发挥功能。来自酿酒酵母RC016的细胞壁成分能够通过增加有益菌乳酸菌和减少病原菌肠杆菌对肠道微生物平衡产生积极影响[47]。此外,唐楠煜[48]发现酵母菌G-Y3 的细胞壁多糖能够调节宿主肠道菌群结构,显著提高有益菌(如拟杆菌属、嗜黏蛋白阿克曼菌及双歧杆菌)的相对丰度,并增强肠道微生物多样性。
2.3.3 脂磷壁酸
脂磷壁酸是磷壁酸的重要亚类,因其锚定于细胞膜,能够直接参与重要的细胞功能,包括与宿主免疫细胞的相互作用等。研究表明,双歧杆菌脂磷壁酸可诱导RAW264.7细胞分泌促炎性细胞因子TNF-α、IL-6和NO,并与肽聚糖等协同降解黄曲霉毒素[49];另一项研究表明,植物乳植杆菌脂磷壁酸具有剂量依赖性抗生物膜活性,可抑制粪肠球菌等病原菌生物膜形成,对根尖牙周炎等口腔感染性疾病具有治疗潜力[50]。
3 后生元抑菌作用机理
后生元通过多种作用机制发挥抑菌作用,其主要抑菌机制包括直接破坏病原菌细胞结构完整性;抑制致病菌黏附;通过群体感应(quorum sensing, QS)调控生物膜形成;影响微生物聚集行为;激活宿主先天免疫增强抗菌防御,间接抑菌病原体增殖。目前对于后生元具体的作用机制尚未完全阐明,图2针对现有研究总结了后生元的5种抑菌机制(创建于BioRender)。
图2 后生元抑菌作用机理图
Fig.2 Antibacterial mechanism of postbiotics
注:C4-HSL, N-丁酰基-l-高丝氨酸内酯;PQS, 2-庚基-3-羟基-4-喹诺酮;AIP,自诱导寡肽;IL-6,白细胞介素-6;IL-10,白细胞介素-10;IL-1β,白细胞介素-1β;TNF-α,肿瘤坏死因子α。
3.1 破坏病原微生物细胞结构
后生元通过破坏病原微生物细胞结构是其关键抑菌机制之一。后生元的活性成分(如细菌素和有机酸)能够直接作用于病原菌的细胞壁或细胞膜,破坏其完整性。细菌素通过特异性识别病原菌细胞膜表面的脂质受体,诱导跨膜孔道形成,导致胞内离子梯度失衡及细胞质内容物外流,最终导致细胞死亡[51]。张晓妍等[52]通过基因注释发现植物乳植杆菌M4L1的代谢产物细菌素LP01对革兰氏阳性菌(如金黄色葡萄球菌)及阴性菌(如大肠杆菌、沙门氏菌)均表现出广谱抑菌活性。扫描电镜分析表明其抗菌机制与细胞壁膜通透性改变相关。有机酸则通过质子化作用降低pH值,干扰病原体膜蛋白构象及功能稳定性,同时破坏膜磷脂双分子层的通透性屏障,引发膜电位去极化,最终导致细菌细胞裂解[53]。研究表明,嗜酸乳杆菌和干酪乳酪杆菌CFS通过有机酸介导的pH值降低及膜完整性破坏发挥抗菌作用[21]。这种直接破坏细胞结构的方式不仅抑制病原菌生长,还能降低病原菌耐药性,为后生元在抗菌领域的应用提供了重要理论基础。
3.2 抑制致病菌黏附作用
微生物黏附作用是微生物通过其表面结构或分泌的物质与宿主细胞或固体表面紧密结合的现象,是微生物在自然界中生存、繁殖和感染宿主的重要方式之一。微生物黏附在表面是生物膜形成和定植宿主细胞的第一步。金黄色葡萄球菌能够通过dltABCD操纵子(尤其是dltB基因)作为主要功能基因簇来增强细胞表面疏水性,减少细胞包膜的负电荷以诱导致病菌初始黏附[54]。YAN等[55]发现从植物乳植杆菌中分离纯化的胞外多糖可显著抑制dltB基因的表达,降低致病菌黏附能力。细胞疏水性决定后生元与宿主位点黏附能力,高疏水性细胞具有更强的与宿主组织结合能力[56]。研究发现,热灭活处理的干酪乳酪杆菌O16及短乳杆菌O24可有效抑制单增李斯特菌和金黄色葡萄球菌对黏蛋白的黏附[57]。有研究进一步探究不同热灭活处理时间对后生元疏水能力的影响,发现灭活后生元的疏水性与热处理时间在一定范围内呈正相关[58]。可能机制包括通过细胞壁裂解释放菌体成分(如DNA、凝集素),或诱导细菌应激产生胞外多糖作为细菌死亡前的热保护屏障,增强其竞争性黏附能力[59]。如前所述,该特性为后生元替代活菌防控病原菌定殖提供依据。
3.3 通过QS干扰致病菌生物膜的形成或去除成熟生物膜
细菌生物膜(bacterial biofilm, BF)是以多糖、蛋白质、胞外DNA(extracellular DNAs, eDNAs)构成的细胞外基质,其形成过程依赖于QS系统的调控,并与毒性、致病性密切相关。QS通过信号分子如N-酰基高丝氨酸内酯(N-acyl-homoserine lactone, AHL)、自诱导寡肽和自诱导因子-2(autoinducter-2, AI-2)感知种群密度来调节生物膜形成与毒力表达[60]。
针对铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)等病原体形成对抗生素及宿主免疫反应高度耐受的生物膜这一难题,后生元展现出了潜在的抑制作用。P. aeruginosa是引起慢性感染最常见的细菌之一。通过网络分析揭示,P. aeruginosa通过las/rhl及pqsABCDE/pqsR系统调控QS网络,影响毒力因子分泌及种间互作[61]。干酪乳酪杆菌PTCC1608的冻干CFS可显著下调P. aeruginosa中QS因子(lasR/I、rhlR/I、pqsA/R)的表达[62];乳酸菌产生的2,4-二叔丁基苯酚能够以剂量依赖性方式下调P. aeruginosa毒力因子及QS相关因子(lasR/I、rhlR/I)的表达,从而干扰P. aeruginosa生物膜的形成[25],S. aureus易造成宿主感染并具有很高的抗生素耐药性。S. aureus通过辅助基因调节因子(accessory gene regulator, Agr)系统及葡萄球菌辅助调节系统(staphylococcal accessory regulation,sarA)系统调控BF形成[63]。研究发现,乳酸片球菌27167及植物乳植杆菌27172的生物表面活性剂BS能够显著下调S. aureus中与BF形成相关QS的AgrA和SarA基因表达,并干扰QS系统中信号分子AI-2的释放[55]。AI-2广泛存在于革兰氏阴性和革兰氏阳性病原体中,在种内和种间交流中起关键作用。此外,也有研究发现,从植物乳植杆菌中分离的胞外多糖可显著降低cidA基因的表达水平,从而破坏S. aureus的BF结构[64]。该基因不仅在细胞壁水解酶的活性中起重要作用,而且与细胞裂解和eDNAs形成有关。其中,eDNA是细胞外基质的重要组成部分,在S. aureus的BF形成中起关键作用。不仅如此,部分后生元还具有去除成熟生物膜的能力,如嗜酸乳杆菌LA5的胞外多糖能够以浓度依赖性方式去除SA已成熟的生物膜[24]。由此可见,后生元具有通过靶向调控QS系统及胞外基质组分的多途径抗生物膜机制。
3.4 影响病原微生物自聚集与共聚集
后生元通过调控病原微生物的聚集行为发挥抑菌作用,其机制涉及干扰致病菌自聚集或与病原体发生共聚集,从而进一步阻碍病原体定殖表面,两者均对病原微生物的定植、亲缘和种类识别以及生存非常重要[65]。后生元可显著抑制病原菌自聚集能力,如KIM等[66]发现开菲里乳杆菌LK1的后生元可降低肠球菌菌株的自聚集,从而阻碍其大量繁殖与定植。除此之外,后生元也可通过与病原体共聚集导致其定殖宿主细胞,如有研究发现多种灭活乳酸菌(如嗜酸乳杆菌11869BP[67]、唾液联合乳杆菌CECT5713[68]、副干酪乳酪杆菌GMNL653[69])可分别与鼠伤寒沙门氏菌、变形链球菌及头皮共生真菌糠秕马拉色菌等病原菌发生共聚集,进而阻断其黏附与生物膜形成。值得注意的是,灭活方式可能会影响共聚集能力。有研究表明,在不同时间处理条件下,不同乳酸菌菌株与金黄色葡萄球菌、单增李斯特菌[37]和具核梭杆菌[70]等的聚集表现差异明显。因此,共聚集能力可能与后生元来源菌株以及致病菌株特性及其双向相互作用有关。
3.5 发挥宿主细胞的免疫调节作用
后生元能够通过激活免疫细胞后产生免疫调节作用,并针对许多病原体具有预防作用。MARTORELL等[16]发现热灭活长双歧杆菌通过抗氧化应激损伤的能力,同时还激活与先天免疫功能相关的通路减少急性炎症反应和肠道屏障破坏,并抑制金黄色葡萄球菌及大肠杆菌定殖。最新一项研究表明,源自乳酸杆菌的后生元蛋白p40、p75和HM0539能够调节肠道相关免疫系统,并防止细菌感染。其中,HM0539能够增强肠道屏障完整性,并减轻人结肠癌细胞HT-29中大肠杆菌诱导的紧密连接蛋白的下调,从而抑制大肠杆菌对宿主的侵袭[71]。除此之外,也有研究从作用机制维度揭示了后生元调控宿主免疫的新路径。嗜黏蛋白阿克曼菌后生元能够激活炎症小体(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)并增加巨噬细胞的抗鼠伤寒沙门氏菌活性,从而提高宿主防御功能[72];另一项研究表明,口服Kh2-2裂解物可通过增强先天性和适应性免疫、上调NF-κB和MAPK信号通路和促进免疫相关细胞因子分泌来刺激巨噬细胞的免疫激活,并调节小鼠肠道微生物群失调[73]。
4 总结与展望
本文综述了近些年来学者们对后生元抑菌活性物质及其抑菌作用机理方面的研究进展。后生元作为益生菌经灭活后产生的代谢产物及细胞组分,其抑菌活性物质包括短链脂肪酸、细菌素及胞外多糖等,这些物质通过多种作用机制发挥抑菌作用。后生元的作用靶点已突破肠道局限,拓展至皮肤、口腔及泌尿生殖道等多组织系统,本文为食品防腐、功效化妆品及生物医药开发提供理论依据。
尽管后生元抑菌机制的研究取得了显著进展,但仍面临诸多挑战。首先,后生元抑菌机制和信号通路尚未完全阐明,应聚焦于机理解析,特别从微生物细胞形态、细胞壁膜、蛋白质组学和遗传物质等方面探究抑菌机制的具体通路(代谢通路等)以及壁膜成分变化对代谢的调控方式。其次,目前对于不同制备工艺对后生元抑菌效果的具体影响亟待探究。例如,高温、高压、酶处理等不同灭活方式对后生元成分和活性的影响机制仍待深入探究。此外,产业标准化建设有待完善,需建立涵盖菌株筛选、制备工艺、质控标准及功效评价的全链条规范体系。未来研究应聚焦后生元作用通路的深度解析与精准化产品开发,以推动其在食品防腐、医疗抗感染等场景的应用转化。
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