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这篇研究整合基因组规模代谢建模、宏基因组测序及体外验证，探究乳酸杆菌与白色念珠菌（C. albicans）的相互作用。发现多数乳酸杆菌可抑制 C. albicans 生长，关键代谢物有甲酸盐、L - 乳酸盐等。研究为阴道健康管理及外阴阴道念珠菌病（VVC）治疗提供新策略。
### 研究背景
人体阴道微生物群对维持阴道健康至关重要，其中乳酸杆菌是健康阴道微生物群的主要成分。它能产生乳酸，酸化阴道环境，抑制多种病原体增殖；还可抑制白色念珠菌从酵母态转变为菌丝态，降低其致病性，阻止白色念珠菌黏附和侵入阴道上皮细胞，减少感染风险。
外阴阴道念珠菌病（VVC）是常见的真菌感染疾病，约 75% 的女性一生中至少患过一次，严重影响生活质量。超过 80% 的 VVC 病例由白色念珠菌引起，在 VVC 进展过程中，阴道微生物群会失衡，乳酸杆菌数量减少，微生物群落结构改变，阴道代谢物组成也发生显著变化。
然而，具体哪些乳酸杆菌物种能有效抑制白色念珠菌，以及其中的代谢机制尚不清楚。鉴于阴道中乳酸杆菌及其代谢物种类繁多，难以对所有潜在相互作用进行实验验证。基因组规模代谢模型（GEMs）为探究二者代谢相互作用机制提供了有效方法，本研究旨在通过构建乳酸杆菌和白色念珠菌的配对生长模型，深入了解其代谢机制，确定关键乳酸杆菌物种和代谢物。
研究方法
- 模型改进：以现有的白色念珠菌基因组规模代谢模型为基础，通过消除重复反应和代谢物、整合其他模型的基因、更新注释信息以及对反应和代谢物进行系统注释等一系列操作，对模型进行优化，提高模型的可靠性和功能相关性，并通过 MEMOTE 测试检查模型的兼容性。
- 两两模拟：从 AGORA2 中选取 159 个乳酸杆菌菌株的 GEMs，与改进后的白色念珠菌模型进行两两整合。模拟阴道环境，设定代谢物浓度为 1mM，利用通量平衡分析（FBA）预测白色念珠菌和乳酸杆菌单独生长及共培养时的生长速率差异，以此确定二者的相互作用类型。目标函数定义为两种生物的生物量生成反应的线性组合，通过线性规划优化算法求解模型，并应用简约 FBA 确保模型的生物学相关性和稳健性。
- 代谢物影响实验：将白色念珠菌 SC5314 在酵母提取物蛋白胨葡萄糖培养基（YPD）中过夜培养，洗涤后接种到含有不同代谢物（甲酸钠、L - 苹果酸钠、L - 乳酸钠、L - 亮氨酸、D - 丙氨酸）的测试培养基中，在 96 孔板中进行培养，使用酶标仪监测 24 小时内的生长情况，以面积下曲线（AUC）量化生长，并与对照组比较。
- 微生物培养及上清液制备：从健康女性阴道分离出乳酸杆菌（L. crispatus、L. johnsonii、L. gasseri），培养后离心收集上清液，过滤除菌，测量 pH 值，储存备用。白色念珠菌 SC5314 在 YPD 培养基中培养，用于后续实验。
- 上清液对白色念珠菌影响实验：分别将白色念珠菌与不同乳酸杆菌的无细胞上清液（CFS）、MRS 培养基、酸化 MRS 培养基（MRS-HCl）混合，在 96 孔板中培养，测量白色念珠菌的生长（OD600）、细胞活力（通过血细胞计数板和台盼蓝染色）以及菌丝形成情况。
- 微生物组分析：招募 20 名 VVC 患者和 20 名健康女性，采集阴道拭子。对阴道拭子进行宏基因组测序，使用 Kraken 2.1.2 进行物种分析，通过线性判别分析效应量（LEfSe）确定两组间差异显著的微生物物种，并进行 Spearman 相关性分析。
- 统计分析：使用 COBRApy、IBM CPLEX 求解器、R 和 GraphPad Prism 软件进行模型改进、分析和统计。LEfSe 用于差异分析，Spearman 检验用于相关性分析，对符合正态分布的数据进行单因素方差分析（ANOVA）和 Dunnett 多重比较检验。
研究结果
- 白色念珠菌 GEM 的改进：经过多轮更新，白色念珠菌 GEM 消除了 7 个反应和 6 个代谢物，添加了 70 个新的基因 - 蛋白质 - 反应（GPR）关联，修改 1 个 GPR，删除 3 个错误的 GPR。反应和代谢物注释更完善，模型的 MEMOTE 总得分相比初始模型提高了 44%。
- 乳酸杆菌 - 白色念珠菌相互作用的计算机预测：两两模拟结果显示，乳酸杆菌与白色念珠菌的主要相互作用类型为寄生（对白色念珠菌生长有负面影响，对乳酸杆菌生长有正面影响）和共生（对白色念珠菌生长无影响，对乳酸杆菌生长有正面影响），占比超过 84%。多数乳酸杆菌菌株（62.3%），如 L. crispatus CTV-05 和 L. johnsonii ATCC33200，对白色念珠菌生长具有抑制作用。
- 白色念珠菌对乳酸杆菌反应的代谢途径分析：代谢途径分析表明，抑制性乳酸杆菌菌株主要影响白色念珠菌的氨基酸和碳水化合物代谢，涉及乙醛酸和二羧酸代谢、糖酵解、缬氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸代谢等途径。与抑制性乳酸杆菌共培养时，白色念珠菌中消耗 L - 酪氨酸的反应通量降低。
- 乳酸杆菌 - 白色念珠菌相互作用中关键代谢物的鉴定：分析代谢物交换反应通量发现，抑制性乳酸杆菌比促进性乳酸杆菌更易产生甲酸盐、L - 乳酸盐和 L - 苹果酸盐等有机酸。乳酸杆菌可通过糖酵解途径将葡萄糖转化为丙酮酸，丙酮酸在不同酶的作用下进一步转化为 L - 乳酸或甲酸盐，L - 苹果酸主要由三羧酸（TCA）循环中的富马酸反应生成。
- 体外实验和宏基因组分析支持乳酸杆菌 - 白色念珠菌代谢相互作用：体外实验中，甲酸盐、L - 乳酸盐和 L - 苹果酸盐对白色念珠菌生长有中度抑制作用，L - 亮氨酸和 D - 丙氨酸在氮限制条件下对白色念珠菌生长有浓度依赖性促进作用。宏基因组测序分析显示，健康女性阴道中乳酸杆菌（如 L. crispatus、L. jensenii、L. gasseri 等）相对丰度显著增加，与白色念珠菌呈负相关；VVC 患者阴道中有害微生物增多。L. crispatus、L. johnsonii 和 L. gasseri 的 CFS 显著抑制白色念珠菌的生长、活力和菌丝形成。
研究讨论
本研究利用 GEMs 揭示了阴道环境中乳酸杆菌与白色念珠菌的复杂代谢相互作用。多数乳酸杆菌物种，尤其是 L. crispatus、L. gasseri 和 L. johnsonii，对白色念珠菌生长具有抑制作用，主要通过影响白色念珠菌的氨基酸和碳水化合物代谢途径，以及产生抑制性代谢物如甲酸盐、L - 乳酸盐和 L - 苹果酸盐来实现。
选定的代谢物实验和宏基因组测序结果支持了基于配对代谢相互作用模拟的计算机建模概念。乳酸杆菌的定植可能改变阴道内的营养可用性，影响白色念珠菌的适应性和致病性。然而，本研究存在一定局限性，如 FBA 算法无法预测代谢物浓度，未考虑酶激活、基因表达调控等调节作用。未来研究可结合实验数据或组学数据，采用 DynamicME、MOOMIN 等方法更准确地模拟生物代谢过程；构建社区代谢模型，研究高阶相互作用，以进一步拓展对白色念珠菌与阴道微生物群复杂关系的理解。
本研究为深入理解细菌 - 真菌相互作用以及微生物间代谢物交换机制提供了新视角，通过将代谢考虑纳入计算分析，为真菌感染相关的系统生物学和系统医学研究开辟了新途径，有望推动基于微生物或代谢物的 VVC 治疗策略的发展。
