Nature Microbiology｜基因组规模代谢建模识别阴道微生物组成员作为潜在益生菌

摘要

益生菌补充剂被广泛宣传具有多种健康益处，然而物种的选择往往缺乏功能性依据。我们对美国市场上352种非处方益生菌产品进行了调查，鉴定出36种独特的微生物物种。然而，物种纳入与预期健康益处之间并无明确关联。为解决这一问题，本研究开发了HaPaPro------一个包含1,012个基因组规模代谢模型的集合，这些模型涵盖了病原菌、益生菌和宿主相关细菌，基于公开可用的基因组序列构建。通量平衡分析揭示，益生菌物种未能捕获宿主相关微生物的代谢多样性。聚焦于阴道健康，我们通过计算手段识别出与阴道加德纳菌（Gardnerella vaginalis） 代谢特征重叠的阴道微生物。利用11种阴道分离株进行的体外条件培养基实验显示，对阴道加德纳菌的抑制作用存在差异，主要由D-乳酸的产生驱动，而这种乳酸异构体同样可由非乳杆菌属物种产生。这些发现强调了基于功能的益生菌设计的必要性，并展示了一种整合代谢建模与实验验证的可扩展框架。

关键词：益生菌；基因组规模代谢模型；阴道微生物组；细菌性阴道病；D-乳酸

文献信息

Glass, E. M., Kolling, G. L., & Papin, J. A. (2026). Genome-scale metabolic modelling identifies vaginal microbiome members as potential probiotics. Nature Microbiology. https://doi.org/10.1038/s41564-026-02380-w
期刊：Nature Microbiology (IF 19.4)
在线发表时间：2026年6月12日

研究总结

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研究背景
益生菌市场缺乏功能依据
36种物种覆盖352种产品
物种选择与健康声称无关联
研究方法
构建HaPaPro代谢模型集合
通量平衡分析与通量空间采样
体外条件培养基与共培养实验
核心发现
益生菌仅覆盖有限代谢空间
鉴定与G. vaginalis代谢重叠的物种
D-乳酸是抑制G. vaginalis的关键代谢物
非乳杆菌属物种同样产D-乳酸抑制病原菌
结论与意义
推动益生菌设计从经验选择转向功能依据
L. jensenii是阴道健康优先候选菌株
资源竞争与代谢抑制双重机制

背景介绍

过去二十年间，益生菌的治疗领域呈指数级扩张，微生物补充剂被宣称与从肥胖预防到免疫调节等多种健康改善相关。然而，这种激增已远超我们对益生菌在宿主生态位中发挥功效的代谢机制的基本理解。尽管发酵微生物的历史使用提供了膳食先例，但向临床治疗转化的进展仍然有限：目前仅有两种微生物产品（VOWST和REBYOTA）获得了美国FDA批准作为治疗复发性艰难梭菌感染的疗法。市场的绝大部分被针对肠道、阴道或神经健康的补充剂所主导，而这些产品往往缺乏支持其功能声称所需的严格验证。

女性健康是益生菌开发的重要前沿领域。在育龄期女性中，阴道稳态通常由乳杆菌属（Lactobacillus） 的优势地位和低pH环境（pH<4.5）维持，这构成了抵御病原菌定植的坚固屏障。相反，细菌性阴道病的失调状态则以pH升高（>4.5）、分类多样性增加以及阴道加德纳菌等厌氧病原体的增殖为特征。虽然抗生素仍是临床标准，但高复发率和抗菌药物耐药性的上升凸显了对替代策略的需求。

重要的是，近期证据已在健康无症状人群中识别出天然存在多样化微生物组的个体，这些人群与乳杆菌属和加德纳菌属均维持动态平衡。这表明健康可能受功能生态位稳定性的调控，而非简单的物种排斥，从而挑战了"一刀切"治疗方案的有效性。通过口服或阴道给药进行微生物恢复，为重建阴道稳态提供了一种引人注目的策略。

本研究整合了市场分析、系统建模和体外实验，为益生菌设计建立功能性依据。研究者首先对美国三大药房的非处方益生菌产品进行了广泛调查，随后利用基因组规模代谢网络重建和约束性重建与分析方法来模拟1,012种益生菌、病原菌和宿主相关细菌的菌株特异性表型。这一计算框架被称为HaPaPro集合，使得识别当前益生菌配方中的独特代谢特征和显著功能缺口成为可能。

重要结果

结果1：益生菌补充剂市场调查

为深入了解非处方益生菌补充剂的格局及其所含细菌物种的多样性，研究者对美国三大药房的所有非处方益生菌补充剂进行了调查。在这些药房中，共有352种独特的益生菌补充剂产品 可供购买，涵盖36种独特的益生菌物种 和70个不同的品牌名称。

出现频率最高的两种物种是鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus） 和嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus），均为乳酸产生菌，存在于46%的益生菌补充剂中。超过半数的益生菌补充剂仅含一种益生菌物种。主成分分析显示，根据补充剂的市场宣称用途（如肠道健康、阴道健康等），并未观察到明显的聚类模式。这一结果表明，在所有非处方益生菌补充剂中，并不存在某种特定的物种组合被一致用于支持特定健康功能，凸显了当前对单个益生菌物种功能能力理解的不足。

图1 | 益生菌补充剂市场调查。a，益生菌补充剂中物种数量的分布。b，按品牌划分的配方复杂度变异。c，基于物种组成的益生菌补充剂主成分分析，颜色表示市场宣称用途。

结果2：不同细菌物种的代谢建模

研究者利用自动化的基因组规模代谢网络重建工具Reconstructor，生成了代表1,012种细菌物种的GENREs，构成了HaPaPro集合。为系统分类这一功能空间，研究者将益生菌定义为商业市场调查中鉴定的物种，病原菌定义为PATHGENN数据库中收录的物种，宿主相关细菌则为BV-BRC数据库中未被前两类涵盖的人类相关细菌分类单元。

宿主相关细菌物种的GENREs拥有最多的独特反应数（4,296个反应），这可能归因于该类别的规模及其所含细菌物种的多样性。益生菌的独特反应数最少（2,457个反应），可能是因为益生菌类别所含物种的同质性较高（主要为乳杆菌属、芽孢杆菌属和双歧杆菌属）。三类之间存在显著的反应重叠，其中病原菌与非病原菌共享的反应数量最多（3,588个）。

图2 | 益生菌、病原菌和宿主相关细菌代谢的基因组规模代谢网络模型描述。a，HaPaPro GENRE集合的生成工作流程。b，各类别GENREs中的独特反应数量。c，益生菌、病原菌和宿主相关生物之间的共享反应数量。d-f，宿主相关病原菌、病原菌和益生菌GENREs中独特反应的代谢子系统。g，益生菌GENREs代谢表型的主成分分析。h，益生菌、病原菌和宿主相关GENREs代谢表型的主成分分析。

通过通量平衡分析和通量空间采样，研究者观察到益生菌的代谢表型按科水平聚类。更重要的是，许多病原菌和宿主相关细菌的代谢表型目前未被益生菌物种覆盖，突显了补充剂格局中一个显著的功能空白。

结果3：阴道微生物的代谢景观

研究者识别出23种阴道健康补充剂，使用了22种独特的益生菌细菌物种，其中68%为乳杆菌属物种------健康阴道微生物组的优势成员。然而，某些人群既不表现出乳杆菌主导的群落状态类型，也不表现出与阴道失调一致的症状，提示稳态功能并非仅限于乳杆菌属。

通过降维和代谢表型可视化，研究者观察到市售阴道益生菌物种与阴道微生物组天然菌群之间存在显著的代谢功能差异，非益生菌物种覆盖了更广泛的代谢功能范围。内生物种占据了显著更宽的代谢空间，拥有当前商业益生菌物种所不具备的功能性状。

为识别阴道加德纳菌的潜在竞争者，研究者比较了两株阴道加德纳菌与阴道天然分离株和益生菌物种的中位代谢特征。层次聚类分析显示，阴道加德纳菌菌株与目前用于阴道益生菌的双歧杆菌物种表现出高度的功能相似性，但与乳杆菌属和芽孢杆菌属阴道益生菌物种显著分化。这表明传统保护性物种与病原体之间缺乏代谢重叠，意味着功能重叠可能并非资源竞争或乳杆菌介导的竞争性排斥的唯一驱动力。

图3 | 阴道微生物的代谢景观。a，阴道益生菌物种与非益生菌阴道微生物代谢表型的主成分分析。b，阴道益生菌物种、两株阴道加德纳菌及其他可培养阴道细菌物种代谢表型的层次聚类。

结果4：阴道分离株对阴道加德纳菌的抑制

研究者设计了体外条件培养基实验，作为评估阴道微生物与阴道加德纳菌之间竞争的指标。他们为11种能够在体外培养的阴道分离株分别生成了条件培养基，然后将阴道加德纳菌接种到每种分离株的无细胞上清液中，以评估分泌的代谢副产物的抑制潜力。

根据阴道加德纳菌的生长曲线，研究者观察到三种不同的响应组：非抑制组、中度抑制组和强抑制组 。强抑制组包括詹氏乳杆菌（Lactobacillus jensenii）、阴道范妮氏菌（Fannyhessea vaginae）、四联厌氧球菌（Anaerococcus tetradius）和溶乳酪厌氧球菌（Anaerococcus lactolyticus） 的条件培养基。这种强烈的抑制作用提示存在多种抑制机制。

图4 | 阴道分离株对阴道加德纳菌的体外抑制。a，阴道加德纳菌在不同条件培养基中的生长曲线。b，各组生长曲线下面积的比较。c，各组条件培养基的pH比较。d-e，各组条件培养基中L-乳酸和D-乳酸的浓度。f，D-乳酸浓度与阴道加德纳菌AUC之间的关系。

结果5：D-乳酸驱动阴道加德纳菌的抑制

研究者观察到三组条件培养基的pH存在显著差异：抑制阴道加德纳菌生长的条件培养基pH显著低于中度抑制组和非抑制组。然而，非抑制组和中度抑制组之间的pH无显著差异，表明条件培养基的pH在抑制阴道加德纳菌生长中起重要作用。

进一步量化D-乳酸和L-乳酸浓度后发现，抑制组与非抑制组和中度抑制组之间的L-乳酸浓度无显著差异，但抑制组条件培养基中的D-乳酸浓度 显著高于其他两组。此外，D-乳酸浓度与阴道加德纳菌AUC之间存在强的负相关关系。这些结果表明，D-乳酸是抑制阴道加德纳菌生长的关键代谢驱动因素。

值得注意的是，产生D-乳酸并抑制阴道加德纳菌的物种不仅包括乳杆菌属，还包括某些非乳酸菌，如四联厌氧球菌 和溶乳酪厌氧球菌。这一发现表明，非经典物种可能在维持保护性阴道环境中提供功能等效性。

结果6：竞争性相互作用的表征

研究者对阴道加德纳菌与三种高产D-乳酸微生物（詹氏乳杆菌、溶乳酪厌氧球菌和四联厌氧球菌）进行了共培养实验。结果显示，这三种高产D-乳酸微生物在与阴道加德纳菌共培养时，均有效抑制了病原菌的生长，证实了代谢优势驱动竞争性排斥。

为进一步阐明这些体外相互作用的机制，研究者利用微生物群落规模建模框架MICOM模拟了阴道加德纳菌与高产D-乳酸菌的成对计算机共培养。模型预测，仅凭资源竞争即可对阴道加德纳菌施加显著的竞争压力。在1:1比例下，詹氏乳杆菌使阴道加德纳菌的预测生长速率相对于单培养降低了约87%，与BV相关的厌氧球菌属物种的抑制幅度（约89%）相当。

值得注意的是，即使在没有D-乳酸产生的情况下，模型预测詹氏乳杆菌仅通过竞争限制性底物即可抑制阴道加德纳菌超过85%的生长。这一结果表明，最有效的益生菌候选者应是那些通过酸化和高效生态位占领提供双重保护的菌株。

方法学参考

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Reconstructor自动GENRE构建
Gapsplit高效通量空间采样
MICOM微生物群落规模建模
D-/L-乳酸异构体区分定量
市场调查
调查美国三大药房352种益生菌产品
记录物种组成与宣称用途
PCA分析物种-用途关联性
代谢模型构建
从BV-BRC选择1,012个基因组序列
使用Reconstructor自动生成GENREs
统一富培养基条件下模拟
通量平衡分析与通量空间采样
Gapsplit算法生成500个通量分布
PCA降维与代谢表型比较
体外实验验证
11种阴道分离株培养与条件培养基制备
阴道加德纳菌接种条件培养基
生长曲线监测与AUC计算
pH测量与乳酸异构体定量
D-/L-乳酸比色法试剂盒测定
共培养与群落建模
Duet共培养板实验
MICOM框架模拟计算机共培养
合作权衡优化算法模拟竞争

关键方法学亮点：

大规模自动化建模：利用Reconstructor工具自动化构建1,012个高质量基因组规模代谢模型，避免了手动校正的瓶颈。
通量空间采样：采用Gapsplit算法对每个模型生成500个通量分布，全面捕捉代谢表型空间。
条件培养基实验：通过无细胞上清液实验分离代谢副产物效应与活菌竞争效应，精确识别抑制机制。
乳酸异构体区分：使用特异性比色法试剂盒分别定量D-乳酸和L-乳酸，揭示了D-乳酸在抑制中的关键作用。
计算-实验闭环：结合MICOM群落建模与体外共培养实验，验证资源竞争与代谢抑制的双重机制。

总结

本研究通过整合市场调查、大规模代谢建模和体外实验验证，为益生菌的理性设计提供了一个可扩展的功能性框架。主要结论如下：

市场功能缺口：当前非处方益生菌产品仅包含36种独特物种，且物种选择与宣称的健康益处之间缺乏明确的功能关联，凸显了从经验选择向功能依据转变的必要性。
代谢多样性不足：HaPaPro集合的代谢建模揭示，现有益生菌物种仅覆盖了宿主相关微生物代谢功能的一小部分，存在显著的功能空白。
D-乳酸的关键作用 ：体外实验证明，D-乳酸是抑制阴道加德纳菌生长的关键代谢物，且这种抑制能力并非乳杆菌属所独有------某些非乳酸菌物种（如四联厌氧球菌和溶乳酪厌氧球菌）同样可通过产生D-乳酸实现有效抑制。
双重抑制机制：计算机群落建模与体外共培养实验共同揭示了资源竞争与代谢抑制的双重机制，其中资源竞争即使在无D-乳酸产生的情况下也能实现超过85%的抑制率。
临床转化考量 ：尽管某些非乳杆菌物种在体外表现出强抑制活性，但其与BV的临床关联限制了其直接应用价值。相比之下，詹氏乳杆菌作为健康阴道CST V的标志物种，同时满足体外抑制效力和临床安全性标准，被确定为阴道健康干预的优先候选菌株。

这项研究为从经验性菌株补充向功能性、循证生态干预的转变奠定了方法论基础，并为针对不同患者群体的个性化益生菌设计提供了可扩展的计算-实验整合框架。

参考文献

Glass, E. M., Kolling, G. L., & Papin, J. A. (2026). Genome-scale metabolic modelling identifies vaginal microbiome members as potential probiotics. Nature Microbiology. https://doi.org/10.1038/s41564-026-02380-w