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肠道共生微生物与健康和疾病

发布时间:2021/11/29    浏览:292次    

文章编号:1005—376X(2012)12-1134—06

肠道共生微生物与健康和疾病

胡旭,王涛,王沥,金锋

(1.中国科学院心理研究所心理健康重点实验室,北京100101;2.杭州师范大学衰老研究所,浙江杭州310036、


【收稿日期】2012-04-06 

【基金项目】日本NSBJ乳酸菌研究特别寄付金 

【作者简介】胡旭,男,博士,从事行为生物学研究,Email:huxu@psych.ac.cn;金锋,通讯作者,Email:jinfeng@psych.ac.cu


【摘要】人体是个庞大的动态的微生物群落的天然寄居场所,人体的皮肤、口腔、消化道、呼吸道和生殖道等部位都寄生着大量的微生物。这些微生物与人体互惠互利,形成共生复合体。其中,肠道共生微生物与宿主的相关性及对宿主生理和病理状态的影响已经得到了很好的阐释。肠道共生微生物的主要功能是帮助宿主代谢,使得能量和可吸收的营养物质更好的被利用,为肠道上皮细胞提供营养,增强免疫功能,帮助寄主抵抗外来微生物的入侵。肠道菌群紊乱也是一些疾病的症状或诱发原因,比如肥胖、糖尿病和肠道炎症等。深入研究人类共生微生物与健康和疾病的关系,将为一些疾病的预防和治疗提供新的手段。


【关键词】肠道微生物;共生;肥胖;糖尿病;肠道炎症


上个世纪,人类基因组计划曾预言人类将有10万个以上的基因被解析,届时所有的疾病与健康的原因将一目了然。然而人类基因组详细图谱构建之后,仅仅发现了大约2万个蛋白编码基因,其数量甚至与果蝇的基因组编码的基因数量差异不大。更为困惑的是,科学家仍然无法完全解释癌症、糖尿病以及很多人类生理现象。随着研究的进一步深入,越来越多的证据表明,人体的生理代谢和生长发育不仅仅受自身基因控制,有许多现象,如对疾病的易感性、药物反应等,无法全部用人体基因的差异来解释。直到进入新世纪,科学家才意识到长期以来忽略了人体中的另一个宇宙——共生微生物系统。2005年多国科学家合作,开始了新一轮的基因组解析工程——人类宏基因组计划(HumanMetagenomeProject),研究人体共生微生物基因组与人类基因组之间的关系。


国际学术界把多种微生物聚居在一起形成的系统叫做“微生物群落”,亦称菌群(flora),群落中的所有微生物基因组的总和称为“宏基因组”。人类宏基因组又称为“人类第二基因组(othergenome)”,就是指与人体共生的微生物菌群的基因组的总和,包括肠道、口腔、呼吸道、生殖道以及皮肤表面等部位的菌群。人类宏基因组计划目标是将与人体共生的微生物菌群基因组序列信息全部解析,研究其与人体发育和健康有关的基因功能。人类宏基因组计划完成以后,其将作为人类基因组的一个重要补充,有助于更好地破解人类疾病原因,阐明人类生长发育与生老病死的机制。


人体携带有超乎人体细胞数十倍甚至上百倍的微生物,包括细菌、真菌、酵母和病毒等,广泛分布在人体表面的皮肤、口腔、消化道、呼吸道和生殖道等部位J,以及人体脏器内部和血液神经等系统中,其编码的基因在数量上远远超乎人类自身编码的基因,仅仅在肠道中就有近千种微生物寄宿或通过。人类与这些微生物通过彼此问协同进化形成互惠互利的共生复合体,肠道为微生物提供最佳的生存环境,包括天然的厌氧条件,丰富的营养物质,以及适宜的温度和pH等,形成世界上生物种群密度以及遗传多样性单位面积最大的场所。同时这些微生物及其代谢产物也直接或间接的影响到人体的营养物质加工、消化吸收、能量平衡、免疫功能、胃肠道发育和成熟及其他多种重要的生理活动。双方的互惠互利能够维持人类肠道微生态系统的稳定和动态平衡。


在健康人体内,肠道微生物处于一个动态的平衡状态,然而在当今社会,日益恶化的环境中,除抗生素以及各种药物的滥用外,容易让我们忽略了食物防腐剂、食品保鲜剂、食品色素等都严重破坏着人类与微生物共生的动态平衡。同时人们饮食的不规律、偏食、过多食用带有杀虫剂的蔬果,以及一作生活压力导致的紧张焦虑等都会破坏肠道微生物的平衡,最终导致各种各样的生理和心理疾患的发生。


飞速发展的分子生物学技术和人类基凶组研究提供了很多证据证明某些慢性疾病的遗传基础,研究人员更多地关注人类自身的基因组编码的基因与疾病的发生发展之间的联系,但大多结果不能完美地用多基因效应来解释疾病机制。


经典的遗传学研究表明,遗传表型是通过基因与环境共同作用的结果。要真正了解这些复杂慢性疾病的致病原因,还需进一步了解基因与环境之间的相互作用。作为人体基因组的一部分,人类共生微生物基因组编码的基凶起着非常重要的作用,同时,我们的研究也证明,人类身体携带的这些共生微生物以及生活在我们周围的环境微生物也是非常重要的环境因子,在许多慢性疾病的发生发展中起着不可或缺的作用。


因此,研究人类共生微生物种类和分布以及其与人类健康的关系,对于阐明人类生长发育、生老病死的机理具有十分重要的意义,有助于更好地破解人类疾病的发生发展机制,并将对疾病的预防和治疗起重要作用。


1、人类共生微生物


以往研究宿主与人类共生微生物之间的相互关系的传统方法通常建立在体外共培养技术之上,通过对微生物的选择性培养,冉进行鉴定和分类。该方法只能定量检测体外可培养的微生物,现阶段的研究表明,绝大多数人类消化道微生物在目前的培养技术下难于进行体外培养,因此这种体外共培养技术本身存在着严重缺陷,往往会低估正常菌群的数量和多样性。近年来,随着科学技术的发展,大量分子生物学技术在该领域里迅速地渗透和广泛运用,逐渐突破了传统技术和方法的局限性,使我们对人类共生微生物有了更加完整的评价,从而有助于了解呼吸道、消化道、生殖道等微生物的结构,深刻地揭示了宿主与微生物之问的互惠共生关系。


1.1皮肤上的共生微生物皮肤是人体最大的器官。


人的皮肤被认为拥有一个复杂的微生物生态系统,包括过路菌和定植菌。顾名思义,过路菌和定植菌分别为短暂在皮肤表面停留的菌和长期定居于人体皮肤表面的细菌。葡萄球菌、微球菌、棒状杆菌、短杆菌、丙酸杆菌和不动杆菌等属于皮肤上的正常菌群,长期定植于人体皮肤表面。而金黄色葡萄球菌、化脓性链球菌和铜绿假单胞菌等则是短暂的定植,尤其是在病理的情况下,因此也有院内感染细菌的称谓。


纽约大学医学院微生物学家MARTIN博士取回了在6名健康的志愿者前臂上擦拭过的棉签,以研究人类皮肤上的微生物菌群。研究人员随机挑取了1221个菌落并分析了其16SrDNA序列,确认了182种(species)不同的细菌,分别隶属于8个门(phyla),其中放线菌门、硬壁菌门和变形菌门的细菌占94.6%。在182种细菌中,有8%是以前从未认定过的。


研究还发现,人类皮肤中的细菌种类随着时间变化而有所不同。有些细菌常年存活在人的皮肤上,约占总数的54.4%,主要为丙酸杆菌、棒状杆菌、葡萄球菌和链球菌四个属(genera)。其他的细菌则只是短暂的定植在人类皮肤上。研究人员还发现,一些细菌,如放线菌等还与其宿主性别有关,已被确认的182种细菌中有3种只存活在男性研究对象的皮肤上。


美国国家人类基因组研究所的JULIA博士对人类皮肤微生物组的时空多样性进行了分析J。研究人员从l0名身体健康的志愿者的20个不同部位收集了样本,并对细菌16SrDNA基因进行了分析,检出的细菌分属于19个门和205个属。这一研究还表明,健康人群身体位置的不同与体表细菌种类有着密不可分的关系。例如,不同个体腋下的细菌种类极其相似,却与自身前臂的细菌种类没有太多共同点。同时,研究中所选用的皮肤样本分别代表了三种不同的微生物环境:油性、湿润和干燥。油性皮肤区域一般集中在眉毛之间、鼻子两侧、外耳道、头皮后侧以及上胸部和背部。湿润皮肤区域一般在鼻子、腋窝、肘部、指缝、腹股沟和臀部缝隙的内侧、膝盖后侧以及脚底和肚脐。干燥区域包括前中臂内侧表面、手掌以及臀部。研究者发现,干燥和潮湿的皮肤上的微生物种类比油性皮肤要多,而油性皮肤上的微生物种类最为统一。为了观察皮肤表面微生物随时间改变的线性变化,研究人员在4~6个月的间隔里对部分志愿者的皮肤进行了两次取样。这两份样本的差异,与相同时段从两个不同志愿者处提取的样本差异对比来说要小,说明时间的影响因素并不大。但值得注意的是,研究表明微生物的稳定性很大程度上取决于取样的皮肤区域,皮肤上微生物菌群差异最大的部位在前臂上,而差异最小的地方位于耳朵后侧。


1.2口腔中的共生微生物


健康人的口腔包含有超过600种不同的细菌、病毒和真菌等微生物,并且这些微生物因人而异,它们与人类宿主互惠共生,保持口腔健康,抵御各种病原微生物的感染。但在环境变化或其他口腔情况(如个人口腔卫生质量)变化发生时它们也可能成为致病性的微生物。大量的临床研究显示,口腔微生物菌群与龋病和牙周病有着密切的关系。。随着人类宏基因组计划的开展,对人体口腔微生物的研究也日渐增多,美国国立牙科与颅面研究所(Na—tionalInstituteofDentalandCraniofacialResearch,NIDCR)于2008年启动了第一个口腔微生物组综合数据库——人体口腔微生物组数据库(HumanOralMicrobiomeDatabase,HOMD)。HOMD于2008年3月25日正式对公众开放,它是由美国波士顿福赛斯研究所和伦敦国王学院的科学家联手建立的,对口腔细菌的类型、新陈代谢、致病能力等进行了详细记录,提供了数千种相关基因。


NASIDZE等学者分别从北美、南美、欧洲、亚洲以及非洲等不同地区提取了120个人的唾液样本,通过对这些唾液样本的14115个16SrDNA基因进行测序和分析,结果识别出了101种已知的细菌,其中有39种是从未在口腔中发现过的。此外,还至少发现了64种未知的细菌。这些研究结果提示口腔微生物组因个体的不同在组成上也存在着很大的差异,并且不受任何地区结构的影响。


ZAURA等学者对3个健康人的口腔内部微生物组进行了取样和测序”。取样部位包括牙齿表面、脸颊、硬腭、舌头和唾液。在每个独立的个体中发现超过3600种特异序列,多于500种不同的分类单元(operationaltaxonomicunits,OTUs)或“物种级”表型(“species—level”phylotypes)和88~104种高级分类群(属或更多包含性的分类)。每个单独的样品包含平均266种物种级表型,其中脸颊部样本多样性最小,而牙齿表面拥有最大的多样性。主成分分析结果显示来源于牙面的样本占据了最大比例。三个个体的微生物组中,高级分类群,物种级表型和特异序列之间有一定程度的重合。84%的高级分类群,75%的物种级表型和65%的特异序列在3个微生物组中的2个中存在。在这3个个体总计6315个特异序列中,有1660个相同的。这1660个相同序列即“核心微生物组”(coremicrobiome)占测序结果的66%,重叠的分类单元占94%。而几乎所有的内容(99.8%)都属于共享的高级分类群。研究结果表明,不同的健康人口腔细菌大部分微生物组是相同的,提示可能存在健康口腔核心微生物组。


如何使口腔微生物组有助于健康和疾病防治吸引了越来越多的细胞生物学家、微生物学家和免疫学家的兴趣,对其研究将明确如何调控微生物菌群才能使其有助于维持健康,如在龋齿和牙周病中通过干预微生物菌群的种类和数量而发挥预防作用。另一方面,相关研究人员目前也正在探讨口腔微生物群和某些全身性疾病之间的联系。


1.3消化道中的共生微生物


与人体大约2m的体表相比,消化道是人与外来环境接触最大的部位,是人体的内表面。小肠黏膜的表面积通过多种方式获得了极大的拓展。人的小肠长达5~6m,黏膜具有环状皱襞,并拥有大量绒毛,导致消化道的最终表面积可达到(200~300)m,从而为食物的消化吸收以及外源微生物的黏附与定植提供了足够的空间。据估计,在人体肠道中生存着大约1800个属,至少40000种细菌,其数量多达1O个,大约是人体细胞的10~100倍”j。然而这些细菌在人体中的存在以及作用长期以来几乎被完全忽视,通常人们关注的仅仅是其中的肠道致病菌或其他一些导致消化系统紊乱的“捣乱者”。实际上,当完整的小肠上皮细胞被有益于人体健康的细菌占据时,即可形成一道防止病原微生物侵染以及肠腔中有害化合物被吸收的屏障。


人的肠道细菌中最主要的菌属包括双歧杆菌属、乳杆菌属、拟杆菌属和真杆菌属等;正常人每克粪便中含有l0~10“个细菌,其中97%以上的细菌为严格厌氧菌,不到3%的细菌为兼性厌氧菌。虽然整个肠道内都有细菌定植,但是细菌在肠道不同节段内的分布和数量不完全相同。紧邻胃的十二指肠、空肠由于pH较低,所含细菌种类和数量也较少,细菌总数(10~10)CFU/mL,主要为拟杆菌、乳杆菌、链球菌及白色念珠菌等。从十二指肠到回肠,随着离胃距离越来越远,酸性越来越弱,形成一个pH梯度,细菌数量也随着梯度开始增加,回肠末端细菌数量达(10~10)CFU/mL,以革兰阴性专性或兼性厌氧杆菌为主,肠杆菌明显增多,拟杆菌、双歧杆菌和梭状菌达到一定水平;结肠段的细菌数量则远远大于小肠。约(10“一10)CFU/mL,细菌的种类也明显增多,98%以上的细菌为专性厌氧菌,以杆菌、双歧杆菌、消化链球菌和真杆菌等为主。


婴JLN0出生时肠道为无菌状态。出生后几小时,肠道内立即被多种微生物定植,主要是大量的需氧菌和兼性厌氧菌。2~3d后,这些需氧菌和兼性厌氧菌大幅度下降,取而代之的是严格厌氧菌(主要是双歧杆菌)。出生后的5~7d,双歧杆菌的增长达到高峰,然后趋于稳定,成为婴幼儿期的肠道主要菌群。从离乳期开始,拟杆菌、厌氧链球菌等厌氧菌逐步增多,双歧杆菌的数量则逐渐减少到总菌数的10%左右,而双歧杆菌的类型也由婴儿双歧杆菌、短双歧杆菌转变为长双歧杆菌和青春型双歧杆菌。对健康成年人而言,整个成年期稳定于这一菌群结构。进入老年期,双歧杆菌则进一步减少。


当人处于某些疾病状态时,特定部位的正常菌群也会发生相应变化,这被称为肠道菌群的病理性演替(Pathologicalsuccession)。当人患有某些消化道疾病时,肠道菌群的病理性演替极其明显。例如,慢性腹泻患者主要表现为双歧杆菌、乳杆菌和拟杆菌等厌氧菌数量减少,而需氧菌中肠杆菌和肠球菌数量增加。


正常情况下,肠道正常菌群与人体内外环境保持平衡状态。尽管环境因子、生理作用以及饮食的种类等等都会使肠道菌群不断发生变化,但是肠道菌群与人类宿主的共处始终维持着动态的平衡,一旦这种平衡状态被打破,发生菌群失调,就可能导致疾病的发生或者病情的加重,不得不使用抗生素,进而加剧菌群失调,形成恶性循环。肠道菌群紊乱在疾病发生过程中究竟是因是果或二者是否互为因果目前尚不清楚,但是肠道菌群的病理演替过程提示:肠道微生态环境的稳态对于维持人体的健康具有极其重要的意义。


2、肠道共生微生物与人体健康


正常肠道微生物菌群可分为三大部分:第一,与宿主共生的生理性细菌:为专性厌氧菌,是肠道的优势菌群,如双歧杆菌、乳杆菌、类杆菌和消化球菌等,是肠道菌群的主要构成者,它们主要是有益微生物,通过促进肠道的蠕动和抑制硫化氢以及氨类等神经毒气的产生,从而提高机体的免疫能力,也可以帮助肠道维持健康的微生态平衡;第二,与宿主共栖的条件致病菌:以兼性需氧菌为主,为肠道非优势菌群,如肠球菌、肠杆菌等等,在肠道微生态平衡时是无害的,在特定的条件下具有侵袭性,对人体产生危害;第三、病原菌:大多为过路菌,长期定植的机会少,肠道微生态平衡时这些细菌数量少,不会致病,如果数量超出正常水平,则会产生各种毒素以及影响人类健康的化学物质,降低人体的免疫机制,危害人体健康,导致各类疾病的发生,如变形杆菌、假单胞菌和韦氏梭菌等。研究表明:肠道中细菌的组成、数量及活性,在维持人体健康中起重要作用,当人体肠道中有益微生物如乳杆菌和双歧杆菌占优势时,人体健康和长寿的几率会增大。


肠道菌群对每个人而言并不是一成不变,可因不同个体和各年龄段和食性变化而有所不同。随着年龄的增长,机体衰退者肠道菌群的平衡状态也会发生变化,有益微生物的数量减少,而有害微生物的数量则会相应增多;然而,健康人则与之相反,肠道菌群不会有太大的改变,有益微生物如乳杆菌和双歧杆菌等仍然占优势。这充分表明肠道内有益微生物占优势对于维持肠道内微生态平衡起着决定性作用。调查也发现,我国有些地区健康百岁以上老人肠道内双歧杆菌的数量比一般人要多。1908年,俄国免疫学家、诺贝尔奖获得者伊力亚·梅契尼科夫通过对保加利亚人的饮食习惯进行研究发现,长寿人群有着经常饮用含有益生菌的发酵牛奶的传统,从而提出了“酸奶长寿”理论。


总之,人体肠道内菌群的微生态平衡与人的健康息息相关,经常保持肠道内有益微生物占绝对优势,使其抑制有害微生物的生长繁衍,从而维持肠道内微生态平衡,保持肠道微生物与人类宿主的和谐共生有着非常重要的意义。


2.1肠道共生微生物的主要功能 

通过饲养无菌小鼠实验,研究了肠道微生物对宿主生理学和病理学的影响,发现肠道微生物在机体代谢、营养和保护机体免受外源微生物感染方面起着非常重要的作用。


2.1.1代谢功能 

肠道微生物的一个主要代谢功能是代谢不易消化的食物残渣和上皮细胞产生的内源性粘液。肠道微生物的多样性为食物的消化提供了多种多样不同于机体自身的酶和生化途径。这一复杂的代谢活性不仅为宿主自身提供了能量和易被吸收的物质,也为微生物自身的生长和繁殖提供了营养。碳水化合物的发酵是结肠中能量的主要来源。不易消化的碳水化合物主要包括大量的多糖(如抗性淀粉、纤维素、半纤维素、果胶和树胶等等),少量未被消化的寡糖以及未被吸收的糖类和醇类,代谢最终产生短链脂肪酸(Shortchainfattyacids,SCFA)。


在无氧的条件下,肠道微生物也会代谢某些肽类和蛋白质产生短链脂肪酸,同时也会产生氨气、胺类、酚类和吲哚等一系列有毒的化合物,这一过程也称为腐败(Putrefaction)。结肠中可利用的蛋白质主要包括食物中的弹性蛋白和胶原蛋白、脱落的上皮细胞和裂解的细菌。成年人的结肠中的微生物每天可获得的碳水化合物大约为20~60g,蛋白质大约5~20g。在盲肠和右半结肠(近侧结肠),微生物可获得的碳水化合物和蛋白质较多,代谢旺盛,产生大量的短链脂肪酸,形成微酸性的pH环境(pH5~6),细菌生长迅速;相反,在左半结肠(末端结肠),由于代谢底物缺乏,pH接近中性,腐败过程则变得旺盛,细菌生长也比较缓慢。


肠道微生物也参与维生素的合成以及钙、镁和铁离子的吸收。碳水化合物的发酵和短链脂肪酸的产生,尤其是乙酸、丙酸和丁酸,能够促进盲肠中离子的吸收。这些短链脂肪酸对宿主具有重要的生理学功能。丁酸几乎完全被结肠上皮消耗,是结肠上皮细胞的主要能量来源;乙酸和丙酸则主要存在于门脉血中,最终被肝脏(丙酸)或外周组织,特别是肌肉(乙酸)所代谢。乙酸和丙酸也可能参与糖代谢的调节。


2.1.2营养功能 

2.1.2.1上皮细胞增生与分化

短链脂肪酸对于结肠生理学最重要的作用是对结肠上皮的营养作用。在无菌环境下饲养的小鼠结肠隐窝细胞产生速度降低,而且与具有正常菌群的小鼠相比结肠隐窝中的细胞数量明显减少,说明肠道细菌影响了结肠上皮细胞的增生。肠道细菌也在很大程度上影响上皮细胞的分化。乙酸、丙酸和丁酸三种短链脂肪酸在体内能够刺激大肠和小肠上皮细胞的生长。尽管如此,丁酸在体外能抑制上皮细胞的增生,诱导其成熟分化。此外,丁酸也能促进肿瘤化细胞向非肿瘤化的逆转。短链脂肪酸也被认为在预防慢性溃疡性结肠炎和结肠肿瘤发生方面起着一定的作用。


2.1.2.2肠道细菌与宿主免疫之间的相互作用

肠道黏膜是免疫系统和外界环境之间的主要屏障。因此,肠道相关淋巴组织含有身体大量免疫细胞也不足为奇。宿主与细菌之间的相互作用在免疫系统的发育中发挥着重要作用。无菌环境下饲养的小鼠肠道黏膜淋巴细胞数量少,滤泡结构小,血液中免疫球蛋白浓度低。胃肠道微生物的定植影响肠道相关淋巴组织的组成。当暴露于微生物以后,上皮内淋巴细胞的数量迅速增加,滤泡和固有层的生发中心产生免疫球蛋白的细胞迅速增多,血清免疫球蛋白浓度迅速升高。在小鼠和大鼠中,一种可优先吸附到Peyer’S淋巴结的非致病性和不可培养的分支丝状菌能够刺激黏膜免疫系统结构和功能的发育。微生物、上皮细胞和肠道相关淋巴组织之间的相互作用都参与了系统免疫记忆的形成。例如,口服免疫耐受(Oraltolerance)是指通过消化系统摄人外源性抗原诱导外周免疫系统产生抗原特异性无反应状态,肠道细菌被认为参与口服免疫耐受。在携带有正常菌群的小鼠体内,这种耐受性能够持续几个月,然而在无菌小鼠体内仅仅能够持续几天。口服卯白蛋白以后,无菌小鼠维持Th2免疫反应,产生抗卵白蛋白的免疫球蛋白IgE抗体。值得注意的是,当让该无菌小鼠重新定植正常菌群后,这种异常反应迅速消失,但是这仅仅在新生小鼠中有效。


在生命早期,肠道相关淋巴组织和肠道菌群之间的相互作用对肠道黏膜和系统免疫调节环路的发育至关重要。在成年期,通过宿主和肠道细菌之间的持续相互作用,免疫力可以不断地重塑。肠道共生微生物则试图回避宿主的免疫反应。例如,脆弱拟杆菌(Bacteroidesfragilis)是人体结肠中的一个优势菌,它通过产生独特的荚膜多糖改变其表面抗原性。细菌表面的多样性允许它们在肠道中逃避免疫监视和维持生态位优势。尽管如此,宿主也会采取相应的机制控制细菌的过度繁殖和维持动态的平衡。


宿主对微生物的免疫反应依赖于先天性和适应性免疫系统的组成部分,比如免疫球蛋白的分泌。人类粪便中的大多数细菌都覆盖着特异的免疫球蛋白IgA单位。先天性免疫反应受到白细胞的调节,比如嗜中性粒细胞和巨噬细胞能够吞噬和杀灭病原微生物;同时先天性免疫反应也受到肠道上皮细胞的调节,通过合成大量炎症调节因子和递质类信号分子与宿主免疫反应相互协调。先天性免疫系统通过利用特定的受体从肠道共生微生物中区分出潜在的病原微生物。哺乳动物细胞通过表达一系列Toll样受体识别细菌中的一些在高等真核细胞中不存在的保守基序。这一系统让机体能够及时识别外源微生物并迅速做出相应的反应。例如,非致病性细菌和炎症性上皮黏膜相互作用能够调节炎症性细胞因子的产生,刺激机体做出立即反应,这一反应传导到深部组织,促进固有层淋巴细胞表型的变化。


2.1.3机体保护功能

肠道细菌是有效地抵御外源微生物侵入并在肠道中定植的重要屏障,因此无菌动物更容易被感染。这种作用也适于肠道中的条件致病微生物,让肠道微生物在正常情况下处于一个平衡稳定的状态。但抗生素的滥用会破坏这种微生物生态平衡,导致致病性的微生物过度生长,例如,产毒素的艰难梭状芽胞杆菌(Clostridiumdifficile)与伪膜性肠炎(PseudomembranousColitis)存在相关性。


肠道细菌的机体保护机能突出表现在三个方面:一方面,与致病菌竞争消化道上皮的附着位点。肠道细菌能够抑制其他外源微生物在肠道内的定植或增殖,被称为“定植抗力”。这种定植抗力的产生是因为体内微生物与致病菌竞争肠道上皮的附着位点而产生的。如果这些附着位点被较多有益微生物所占据,病原微生物就会被限制与肠黏膜的粘附和定植。另一方面,与致病菌竞争营养物质。宿主主动提供肠道细菌所需的营养,而肠道细菌主动向宿主提示其所需营养的数量。这种互惠共生的关系阻止了那些致病性的微生物竞争者所需的营养的过度产生。最后,肠道细菌也能通过产生一些抗微生物的物质(细菌素)抑制微生物竞争者的生长繁殖。


2.2肠道共生微生物与疾病 

2.2.1肠道共生微生物与肥胖

最近研究表明,疾病人群和健康人群相比,肠道微生物的组成和数量发生了很大的变化,如肥胖和牙周病。研究也表明,肠道菌群的结构也决定了其功能。硬壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是胃肠道中两个主要的细菌门,与瘦小人群相比,肥胖人群的肠道中硬壁菌门的细菌数量明显增多,拟杆菌门的细菌数量明显减少”。给予肥胖志愿者接受一年的低脂肪或低糖食物,体重平均下降约25%,同时肠道内硬壁菌门细菌的比例也随之下降,拟杆菌门细菌比例随之上升。研究人员提取肥胖小鼠和瘦鼠肠道内的微生物,并将这些微生物接种到无菌培养的小鼠肠道中,两周后,接种过肥胖小鼠微生物的动物,与接种过瘦鼠微生物的动物相比,脂肪量上升了两倍,体重也明显增加¨1J。肠道菌群不仅帮助机体获取能量,而且帮助调节机体脂肪代谢与存储,一系列研究也表明肠道菌群的改变在肥胖形成中起着重要的作用,它们通过抑制禁食诱导的脂肪因子(Fasting—inducedadipocytefactor,FIAF)的合成,促进肠道脂肪的吸收,增加甘油三酯在脂肪细胞中的积累,加速肥胖的进程。同时也说明,食品类型与肠道菌群的增殖与否密切相关。 


2.2.2肠道共生微生物与糖尿病 

研究表明,肠道免疫系统对于1型糖尿病的发生起着非常重要的作用,而肠道微生物对于肠道免疫系统的发育和免疫耐受的建立是必不可少的。因此,肠道微生物的组成与1型糖尿病的发生之间的关系近年来也越来越受到关注。


BRUGMAN等利用BB—DP(Bio—breedingdiabetes—prone)小鼠进行实验发现,最终患上糖尿病的和不患糖尿病的小鼠之间肠道微生物的组成存在差异,这种差异在有相应的临床症状表现之前很长一段时间就可以检测到。通过抗生素处理能够降低糖尿病的发病几率,延缓糖尿病的发生。这说明肠道菌群参与了1型糖尿病的发生。ROESCH等研究也发现,BB—DR(Bio—breedingdiabetes—resistant)小鼠肠道中的乳杆菌属和双歧杆菌属的细菌数量明显多于BB—DP小鼠”。 


髓样分化因子(Myeloiddifferentiationfactor88,MyD88)是识别微生物刺激的先天性免疫受体的一个关键接头分子,研究发现MyD88缺陷的无特定病原微生物(Specificpathogenfree,SPF)的非肥胖糖尿病(non—obesediabetic,NOD)小鼠发生1型糖尿病的风险很低,但是用抗生素处理变成无菌小鼠后,患1型糖尿病的风险显著增加,让其重新获得肠道微生物以后,又能显著降低其发病的几率。这说明肠道微生物与先天免疫系统相互作用在1型糖尿病的发生发展中起着重要作用。


同时研究发现2型糖尿病的发生与肠道菌群的改变也有极大的相关性。2007年,YADAV等在研究高糖饮食诱导的2型糖糖尿病大鼠模型时就发现,含有干酪乳杆菌和嗜酸乳杆菌的乳酸菌制剂可以显著降低模型大鼠的血糖浓度,血浆胰岛素,血浆胆固醇,低密度脂蛋白等2型糖尿病的症状。LARSEN等在2010年研究发现,人类的2型糖尿病和肠道菌群构成及其相关。在对36名成年男子的研究中,2型糖尿病患者肠道内拟杆菌门与梭菌门细菌数量的比例与血糖浓度极显著的正相关,而且与正常人相比,糖尿病患者体内的某一种菌比如13-变形菌纲的数目会显著增加[22J。


2.2.3肠道共生微生物与肠道炎症

肠道菌群的发育也与疾病易感性密切相关。肠道菌群的异常会引起一系列疾病的发生,如过敏性疾病、结肠癌,甚至是艾滋病病毒感染等“。肠道菌群的破坏通常伴随着致病性微生物的过度增殖,导致肠道微生态的失衡和机体的炎症反应,最终导致疾病的发生。免疫系统的稳态包括炎症性的T—helper细胞(Thl、Th2和Thl7)和抗炎症性的T—reg细胞之间的平衡,肠道微生态的失衡也会破坏这种平衡。Thl和Thl7相关细胞因子的过度产生与炎症性肠病(InflammatoryBowelDisease,IBD)有关,其中Thl与克罗恩病(CrohnSdisease,CD)有关,Thl7与克罗恩病和溃疡性结肠炎(ulcerativecolitis,UC)均有关。Thl和Thl7也与自身免疫失凋有关,如狼疮、多发性硬化症、牛皮癣和类风湿性关节炎等等,而Th2的过度产生则与哮喘、过敏性疾病和溃疡性结肠炎有关。这种慢性炎症反应反过来又会破坏肠道菌群的结构,导致有益微生物的数量减少,病原微生物数量增加,维持一种炎症性的状态,形成恶性循环。伤寒沙门菌(Salmonellaentericaserovarryvhi—murium)是肠杆菌科的一种,它引起的急性肠胃炎就是如此。这也说明肠道微生态的平衡在防止病原微生物过度生长中起着非常重要的作用。


IBD包括CD和UC,其病因和发病机制尚未明确。目前认为IBD的病因是肠道菌群、宿主遗传易感性和黏膜免疫因素三者间的相互作用。关于肠道菌群与IBD的关系是近年来的研究热点。实验性结肠炎的动物模型都是在有肠道细菌存在时发生的,通过转基因或基因敲除的方法造成免疫缺陷的IBD动物模型,在肠道无菌环境下饲养时,不会发生肠道炎症,但是如果让其重新恢复肠道正常菌群的状态,则可出现肠道炎症,这就说明肠道菌群的存在是IBD发病所不可或缺的。研究也发现,IBD患者的肠道菌群存在失调,CD患者的粪便中,真杆菌和消化球菌的数量显著增多,双歧杆菌的数量明显较少。


目前研究认为肠道细菌可能通过以下一种或多种途径参与IBD的发病:第一,肠道菌群的失调使肠道内致病菌的数量增多,致病菌一方面直接侵袭、损伤肠道上皮细胞,破坏肠道黏膜屏障,另一方面致病菌分泌的毒素会使肠道黏膜通透性增高,分泌的免疫抑制性蛋白也可以致使黏膜免疫失调,从而导致肠道炎症的发生。其次,肠道菌群的失调引起肠道免疫功能异常,正常的肠道黏膜免疫系统对肠道正常菌群耐受,但是当肠道菌群发生变化时,使得肠道黏膜免疫系统对失调的肠道菌群不耐受,最终诱导炎症发生。DUCHMANN等人研究发现,将活动性的IBD患者的炎症肠黏膜固有层单个核细胞(LPMC)在体外与自身肠道内细菌裂解液共孵育后,LPMC发生强烈的增殖反应,并伴有大量的细胞因子如IL一12、IFN一、IL一10等分泌,而正常人的LPMC对自身肠道内细菌裂解液不发生增殖反应,说明正常人对自身的肠道菌群存在耐受,而IBD患者的这种耐受被打破。最后,肠道正常细菌的种类和数量发生改变时,其功能也会随之发生改变,某些细菌的过度生长会影响肠道上皮细胞能量代谢,导致上皮细胞受损,最后诱发肠道炎症反应。例如短链脂肪酸是肠道上皮细胞的主要能量来源,具有一定的抗炎特性,研究发现,由于IBD患者肠道细菌的种类和功能的改变,肠腔内短链脂肪酸的量也明显减少。


许多其他疾病也被发现与肠道菌群的失调有关,如哮喘(Asthma)、乳糜病(Celiacdisease)、肝硬化。J、结直肠癌、肠易激综合征(Irritablebowelsyndrome,IBS)和坏死性肠炎(Necrotizingenterocolitis,NEC)等。


3、总结


广泛分布于人体的微生物在千百万年的进化中和人类互惠共生。尤其是肠道微生物,其庞大的数目和基因组也为人类健康提供了很好的屏障和保护调节机制。目前的研究表明,肠道菌群结构与很多疾病相关。因此,更好的了解肠道菌群与疾病之间的关系,为我们更好的保护自身健康,预防疾病和治疗提供了直接有效的方法和手段。通过调节肠道菌群的平衡来预防和治疗疾病,尤其是消化道疾病必将是今后很长一段时间内的研究热点和应用方向。


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