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客戶案例 | IF 11：攝入無酒精飲食也能醉酒？自動釀酒綜合征臨床多組學研究發現幾株產乙醇的腸菌

麥特繪譜

2023.6.28

自動釀酒綜合征(Auto-brewery syndrome ,ABS)，也被稱為腸道發酵綜合征，是指病人在攝入無酒精高碳水化合物飲食后產生醉酒的狀況。首個ABS病例報道于1894年的法國，此后不斷有ABS患者被發現，傳統認為其中相關微生物主要為真菌Candida spp.（念珠菌屬）和Saccharomyces spp.（酵母菌屬）。

現代研究發現，正常情況下，細胞代謝會產生少量內源性乙醇作為中間體或產物。在結腸的厭氧條件下，碳水化合物衍生的丙酮酸可以被代謝成乙醛，然后乙醛被還原成乙醇。這一過程有利于腸道細菌或酵母的過度生長和碳水化合物的過度消耗，由此產生的內源性乙醇被腸道和肝臟酒精脫氫酶(Adh)、過氧化氫酶和微粒體乙醇氧化系統迅速且幾乎完全地從血液中清除。然而，當內源性乙醇超過腸道和肝臟的代謝能力時，就會在體內積累，導致血液酒精濃度(BAC)升高，進而發生ABS。

2023年4月，首都兒科研究所的袁靜研究員、北京微生物流行病研究所的楊瑞馥教授、北京朝陽醫院的王晶教授及團隊在eBioMedicine（IF=11.1）期刊發表一項題為“Three Klebsiella species as potential pathobionts generating endogenous ethanol in a clinical cohort of patients with autobrewery syndrome: a case control study”的病例對照研究，通過多組學分析ABS患者腸道菌群特征及其與患者血液乙醇濃度的動態變化，證實克雷伯菌屬產生的過量內源性乙醇是導致細菌性ABS的主要病因，聯合使用抗生素、復方益生菌制劑及低碳水化合物飲食的治療策略可有效緩解ABS。（麥特繪譜提供非靶向代謝組學檢測分析）

研究團隊此前報道一例抗真菌治療無效的非酒精性脂肪性肝炎(NASH)伴ABS的患者，并從患者中分離到高產酒精(HiAlc)的肺炎克雷伯菌，研究人員推斷HiAlc肺炎克雷伯菌是細菌性ABS的致病因子，靶向腸道菌群針對性使用抗生素可有效控制真菌治療無效的ABS患者的臨床癥狀。本研究通過臨床隊列研究驗證該菌在ABS的發生和發展中的作用機制。

腸道菌群及代謝組學分析

本研究納入5名ABS患者和5名健康對照（HC）。糞便宏基因組學分析顯示，與HC組比，ABS患者的腸道菌群失調，厚壁菌門豐度降低，變形菌門豐度增加，其中克雷伯菌屬的豐度與患者血液中的乙醇濃度波動密切相關。非靶向代謝組學分析（麥特繪譜提供服務）篩選到77種差異代謝物，其中許多神經遞質和特定代謝物（如γ-氨基丁酸、多巴、5-羥多巴胺、2,3-丁二醇、鵝去氧膽酸、酪氨酸、苯丙氨酸、苯甲醇、色氨酸和腐胺）在ABS發作時顯著增加；相反，血清素和石膽酸的豐度降低。這些結果表明，神經遞質類物質通過腸-腦軸介導的患者情緒發生變化類似于酒精中毒。

圖1. ABS患者與健康對照的腸道菌群和代謝物比較分析

腸道菌群與BAC的動態變化及相關性

收集發病次數最多的ABS-2患者在不同時期（特別是治療期間）的樣本進行血液酒精濃度監測和糞便宏基因組學分析，結果顯示，該患者每次發病時的BAC達到300-400mg/dL(65 mmol/L- 87 mmol/L，相當于15杯酒精含量為40%的威士忌)。通過飲食控制和益生菌干預措施后，該患者前期暫時性改善，隨后逐漸恢復原狀。進一步分析發現腸桿菌科的5個菌屬的分布與BAC波動密切相關，包括克雷伯菌、大腸桿菌、志賀氏桿菌、沙門氏菌和腸桿菌，當BAC 在發病狀態 (S2) 期間達到 400 mg/dL時，幾乎是發病前樣本或健康對照樣本的60倍。隨后對糞便樣本分離到的5種菌屬的細菌進行產乙醇能力檢測，發現HiAlc克雷伯菌屬的產乙醇能力最高，說明克雷伯菌可能是ABS的潛在致病因素。

圖2. 患者腸道菌群與血液酒精濃度的相關性

體內體外實驗證實HiAlc克雷伯菌通過產生內源性乙醇促進ABS的發生

首先通過發酵培養檢測ABS患者腸道不同部位灌洗液的乙醇濃度，結果顯示在腸道灌洗液中檢測到高濃度乙醇，同時存在克雷伯菌，其在高濃度酒精的部位豐度更高。進一步從ABS-2患者的小腸、結腸和糞便中分離出 17 株 HiAlc 克雷伯菌，選取產酒精能力最強的三種菌株進行生理特性分析，發現這些菌株具有透明的莢膜、較強的生物膜形成能力，以及更快的生長速度。培養實驗表明，這些菌株的產乙醇能力與碳源和環境氧氣條件有關。

隨后建立了家兔腸道培養模型以驗證HiAlc克雷伯菌在體內能否產生酒精。結果顯示，在每個菌株培養4小時后，家兔腸道內、結腸粘液和體外培養的乙醇濃度相當，與標準菌株ATCC 2146相比，所有三株HiAlc克雷伯菌在體內都具有較強的產乙醇能力。進而一步構建小鼠模型證實HiAlc克雷伯菌在體內可產生大量內源性乙醇來誘導ABS發生，表明該菌是ABS發作的重要致病菌。

圖3. ABS患者腸道不同部位的產乙醇能力及分離出的HiAlc克雷伯菌的特征

誘導HiAlc克雷伯氏菌產生酒精的膳食成分的鑒定

將5名ABS患者發病及恢復期和5名HC的糞便樣本在含有不同濃度碳水化合物或蛋白質的培養基中培養，結果發現在含有不同單糖培養基中，ABS患者發病期的糞便菌群可產生高達 35 mmol/L 的乙醇，而在用含有其他底物的培養基培養的同樣菌群時，酒精濃度要低得多（<10 mmol/L）。此外，ABS 患者恢復期以及HC組糞便菌群產乙醇濃度較低。這些結果表明單糖可以快速誘導HiAlc 克雷伯菌發酵產生乙醇，是ABS發作的重要食物誘因。

圖4. 不同膳食成分誘導因素評估

靶向腸道菌群治療的臨床驗證

最后以ABS-2患者為例分析腸道菌群對不同抗生素的敏感性，其中左氧氟沙星和亞胺培南的使用顯著降低了腸道菌群的產酒能力，并且這兩種抗生素存在時，發酵的主要副產物短鏈脂肪酸（例如乙酸、丙酸、丁酸和戊酸）也顯著減少，克雷伯菌豐度顯著降低。基于此，對ABS-2患者進行微生物群相關治療：補充15%氨基酸和維生素C注射液(250 mL/天)3天后，患者飲食被限制為無糖和無碳水化合物，在醫院口服抗生素(左氧氟沙星500 mg/天)治療1周后，患者中毒癥狀逐漸消退。隨后根據患者與健康對照者之間差異菌群，使用益生菌進行腸道菌群重建，益生菌為含有26種乳酸桿菌的商業復合益生菌和一種含有丁酸梭菌和芽孢桿菌的益生菌。期間患者BAC在0-13 mmol/L持續波動并最終降至0 mmol/L，同時，克雷伯菌的拷貝數也顯著降低。

圖5. 抗生素治療對腸道菌群的作用

小結

綜上，本研究報道了細菌性ABS的腸道菌群特征、動態變化以及治療效果。研究結果證實，一些腸道細菌通過產生大量內源性酒精而過度生長導致ABS的發生。使用適當的抗生素加上復雜的益生菌制劑和控制飲食能夠有效治療細菌性ABS。此外，內源性乙醇的產生不僅對ABS很重要，而且對NASH和許多其他疾病也很重要。本研究的方法將有助于臨床醫生對ABS進行精確診斷，并為ABS的替代治療策略的研究提供新的途徑。

圖6. 細菌性ABS的產生機制

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客戶案例原文

Xue G, et al. Three Klebsiella species as potential pathobionts generating endogenous ethanol in a clinical cohort of patients with auto-brewery syndrome: a case control study. EBioMedicine. 2023.

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