浅谈肠道共生微生物与人类疾病

孟 欣，邹 平(综述)，卢 薇(审校)

(1.贵阳市第二人民医院门诊部，贵阳 550081； 2.贵阳市第二人民医院控感科，贵阳 550081； 3.贵阳市第一人民医院内分泌科，贵阳 550002)

人体的胃肠道是集消化、吸收、代谢、免疫、内分泌及神经调节于一体的特殊“微生物器官”，而肠道微生物数量庞大，种类繁多，密度之大，通过肠道黏膜与机体发生密切的相互作用。肠道的代谢、免疫、内分泌等主要功能无一不与肠道微生物有关。庞大的肠道微生物编码的基因数量至少是人体自身基因的100倍，可视为人体的第二基因组，与人体自身基因组一起，通过与环境条件的相互作用，影响人体的生理代谢[1]。越来越多的研究显示，过敏性疾病、免疫性疾病、代谢性疾病的发生、发展均与微生物有关，甚至微生物与人的行为、心理及精神疾病也存在关联[2]。

1 微生物与免疫

早期肠道微生物的定植对于免疫系统的发育起非常重要的导向作用,20世纪进行的无菌动物不能产生免疫耐受的实验就证明了这点[3]。近年的研究表明，哺乳动物细胞表达的一系列Toll样受体(Toll-like receptor,TLR)，除了能及时识别外源性微生物并使机体迅速做出相应的反应，还是宿主与诱导免疫耐受的定植微生物进行信息交流的关键调控因子[4]。肠道菌群和TLR信号对免疫耐受的建立和维持极其重要，有报道指出，使用抗生素减少小鼠的肠道菌群可诱发食物过敏，并且TLR4功能缺陷动物缺少TLR信号，也存在类似的食物过敏现象[5]。以上研究均指出，在生命早期，免疫系统的正常发育需要适当的“微生物信号”刺激，缺乏这种微生物信号的刺激，将会导致免疫失调，引起变态反应性疾病的发生。

而今发病率逐年攀升的过敏性疾病在发达地区广泛流行，究其原因部分是随着卫生条件的改善及抗生素的广泛使用，婴幼儿免疫发育关键阶段的微生物暴露减少(即卫生假说)。近期的实验提示，特定的细菌种类显示出不同的免疫调节作用。例如，脆弱类杆菌调节辅助型T细胞(T-helper-type，Th)Th1/Th2的平衡，分段丝状菌介导Th17的分化，梭状芽孢杆菌诱导调节T细胞的产生[6-8]。有学者认为，现代的生活方式正在引发人体内土著微生物群落中的古老菌种逐步消失，而现在尚未认识到这些古老菌种对人体的重要作用[9]。或许这种消失能迅速引发肠道微生物群层次结构的重组，其速度超出了人体免疫系统的适应，导致免疫失调的发生[10]。

传统的观点认为，人类的胎儿是无菌的，微生物的定植在出生时开始，并在母乳喂养及与母体的接触过程中逐步进行。而突破性的临床研究表明，宿主、环境及内源性微生物的密切相互作用开始于孕期。Roduit等[11]研究人员在法、德、芬兰等欧洲国家观察研究了1063例婴儿脐带血白细胞TLR的基因表达水平和2岁内湿疹的发生情况。研究发现，母亲孕期工作或生活于农场的婴幼儿，其湿疹的发生率降低，并且湿疹的发生与天然免疫受体的表达水平低有关联，出生时TLR5及TLR9基因表达水平较高的婴儿湿疹的发生率较低，证明孕妇接触微生物调节了胎儿的免疫生理，妊娠期母亲暴露于微生物环境的刺激，对胎儿免疫功能的构建及预防出生后变态反应性疾病的发生、发展具有重要作用。

最先定植的细菌能够调节宿主肠道上皮细胞基因的表达，创造一个有利于它们定植的环境，同时抑制随后进入这一环境的细菌生长。因此，最初定植的菌群与宿主以后的稳定菌群模式密切相关。分娩方式、喂养方式、围生期抗生素的使用等生命早期事件对婴幼儿肠道菌群定植及随后疾病发生的风险有深远影响。剖宫产儿生命早期的微生物暴露环境与自然分娩儿有所不同，使得正常肠道菌群的定植延迟，Grönlund等[12]发现剖宫产对早期肠道菌群定植的影响不少于6个月，而调控免疫和刺激肠道黏膜发育的窗口期主要是出生后的30 d内。剖宫产儿在免疫成熟的关键阶段缺乏能够发挥免疫刺激作用的有益菌，这可能是剖宫产儿患哮喘及1型糖尿病的风险升高的主要原因[13-14]。出生后即开始使用抗生素能破坏婴儿肠道菌群的组成结构和菌落总数，抗生素通过抑制共生细菌影响肠道细菌定植，导致出现与哮喘相关的病原体，如艰难梭状芽孢杆菌作为次常见的微生物被婴儿摄入[15]。母乳含有增强婴儿主动及被动免疫的多种生物活性成分和双歧杆菌，对于新生儿免疫系统的发育及保护其免受肠道感染和过敏原的致敏具有重要作用。母亲过敏，其子代发生过敏的风险也较高。但这种遗传所致的高风险可通过孕期及哺乳期使用益生菌而降低，部分原因是母乳中转化生长因子β2水平增加[16]。

2 肠道微生态与代谢

2.1肠道菌群结构与代谢性疾病的相关性 肠道内微生物群落的基因多样性提供了很多宿主不具备的酶和生化代谢途径，能通过发酵宿主不能消化利用的营养物质，帮助宿主获得更多能量及利用底物。无菌动物需要更多的能量摄取才能维持与普通动物相同的体质量，说明肠道微生物提高食物的能量利用率。肠道微生物是除遗传和饮食因素以外导致体质量增加和脂肪积累的独立危险因素。

肥胖者和消瘦者肠道菌群存在差异。肥胖人群的肠道菌群，厚壁菌门丰度升高，拟杆菌门丰度降低，肥胖者减轻体质量1年后，肠道菌群结构与瘦者相似，且体质量的减轻与肠道拟杆菌门的比例变化呈正相关。肥胖与厚壁菌门细菌数量增加、拟杆菌门细菌数量下降或厚壁菌门/拟杆菌门比例增加有关系。肥胖者的肠道菌群表达更多地有利于摄取能量的基因，如在涉及碳水化合物和脂质代谢方面的基因种类尤为丰富[17]。与正常体质儿童相比，肥胖或超重儿童的肠道菌群在婴儿期就存在差异，表明菌群结构的改变发生在肥胖发生之前[18]。

Larsen等[19]通过荧光定量聚合酶链反应检测2型糖尿病患者与正常人肠道菌群的差异，发现人类的2型糖尿病和肠道菌群的构成显著相关。2型糖尿病患者肠道内拟杆菌门与梭杆菌门细菌数量的比例与血糖浓度呈显著的正相关，而且与正常人相比，糖尿病患者体内的β变形菌纲比例显著增加。

2.2肠道菌群与宿主能量代谢及调控 肠道菌群可以直接调节宿主脂肪细胞的功能和激活消化酶等途径，影响能量的吸收及储存。禁食诱导脂肪细胞因子是脂蛋白酶的抑制因子，抑制脂蛋白酶活性和三酰甘油在脂肪细胞的沉积。肠道微生物能抑制禁食诱导脂肪细胞因子在肠道上皮细胞中的表达，增加发生肥胖的风险[20]。

短链脂肪酸是肠道菌群的代谢产物之一，在肠道内还作为分子信号。如丙酸和乙酸是两个G蛋白偶联受体Gpr41和Gpr43的配体，Gpr41和Gpr43主要由肠上皮细胞表达。Gpr41是宿主能量平衡的调节器，这一调节功能依赖于肠道细菌及其代谢能力而发挥作用。乙酸和丙酸激活G蛋白偶联受体后诱导酪酪肽的释放。酪酪肽是一种肠内分泌的细胞源性激素，通常抑制肠蠕动和减慢肠道传输速率而增加营养素的吸收[21]。

脂多糖是存在于革兰阴性(Gram-negative,G-)菌外膜的内毒素。实验证明，高脂膳食有利于G-菌的生长，使肠道微生物结构与比例发生改变，G-/G+比值增高，G-菌如大肠埃希菌可生成和释放大量脂多糖；菌群比例失调会抑制肠上皮紧密结合蛋白ZO-1和闭合蛋白的表达，从而显著增加肠道黏膜的通透性，大量脂多糖由肠道入血。长期高脂饮食后血中的脂多糖水平显著升高。由高脂饮食引起升高的内毒素水平虽然远低于感染性休克时的内毒素水平，但这种长期低水平的脂多糖足以增加肝脏、骨髂肌、内脏脂肪和皮下脂肪炎性因子的表达，以及引起胰岛素抵抗[22]。

2.3益生菌对能量代谢的干预作用 众所周知，母亲肥胖及葡萄糖不耐受是后代发生肥胖和超重的危险因素。有实验表明，围生期进行益生菌干预，可以缓解幼儿体重增加过多，特别是出生第1年超重的幼儿，这种作用在4岁以内时尤其显著[23]。

益生菌对孕妇也有类似的干预作用。收录256例妊娠早期的孕妇随机分组进行双盲试验，从妊娠第3个月至纯母乳喂养结束，母亲补充鼠李糖杆菌GG和双歧杆菌BB12。数据显示，益生菌组与服用安慰剂组相比，在妊娠期及产后12个月，益生菌的使用改善了母亲的血糖水平及胰岛素的敏感性，同时显著降低妊娠期糖尿病的发生率，且进行益生菌干预还降低孕妇在产后6个月中发生腹型肥胖的风险[24-26]。

3 微生物与人类行为、心理及精神疾病

3.1微生物影响宿主神经系统的发育 在生命的早期，机体处于非常敏感和易受攻击的时期，生活环境对生命体的发育、结构和功能具有重要的影响作用，环境因子对机体的影响有时会持续终生，尤其是神经内分泌系统中下丘脑-垂体-肾上腺(the hypothalamus-pituitary-adrenal，HPA)轴的发育及功能构建，在很大程度上易受外界环境因素的影响与制约。HPA轴与免疫系统之间存在双向信息交流，其中一方的系统信号能影响另一方的系统功能构建。Sudo[27]以新生小鼠为研究对象，对无菌(germ-free，GF)小鼠和无特定病原体(specific pathogen-free，SPF)小鼠的HPA轴的发育及反应性进行了比较，通过进行糖皮质激素抑制试验，结果显示GF小鼠HPA轴的负反馈能力弱于SPF小鼠。相对于后者，GF小鼠表现出大脑皮质和海马去甲肾上腺素和5-羟色胺的水平增加。证明出生后微生物定植影响大脑结构和功能。

Heijtz等[28]在实验研究中通过检测小鼠活动能力和焦虑行为，发现与SPF小鼠相比，GF小鼠表现出活动能力增加和焦虑行为减少。而当使GF小鼠具有正常肠道菌群时，它与SPF小鼠的活动能力和焦虑行为一致。Heijtz等[28]指出，肠道细菌可能参与生命早期神经系统程序性发育的过程,早期接触肠道细菌会对个体的脑和行为模式产生持久的影响。

流行病学研究显示，常见的精神疾病如自闭症、精神分裂等与围生期病原体的感染存在关联性[29-30]。

由于伦理学原因，不能以人为对象进行类似的研究，实验室对啮齿类动物的研究支持上述发现。实验表明，在相应的发展阶段暴露于病原体，导致小鼠行为异常，包括焦虑样行为及认知功能受损[28]。

3.2神经-内分泌-免疫和微生物 神经、内分泌和免疫功能具有密切关系，三者共同构成一个完整的调节网络。免疫系统能够影响情绪和认知，如外周促炎性细胞因子水平升高可能会影响中枢神经系统，产生疾病行为、抑郁等表现；心理状态(如抑郁和应激)也可以通过神经内分泌产物来调节免疫功能；个体状态的改变又可能引发肠道共生微生物的变化[31]。以应激为例，持续性的应激能够改变肠道菌群组成结构。例如，去甲肾上腺素能增强肠出血性大肠埃希菌O157：H7在盲肠-结肠黏膜的黏附力，而且其黏附力的强弱与去甲肾上腺素呈浓度依赖性。应激状态下，致病菌大量繁殖，肠道正常菌群受抑制而数量减少[32]。

3.3精神疾病和微生物 肠道菌群影响宿主的营养物质吸收和代谢。在机体状态异常时，肠道微生态失衡，微生物可能影响色氨酸代谢。在感染状态时,通过激活吲哚胺2,3-双加氧酶使色氨酸通过犬尿氨酸途径降解而耗竭色氨酸。色氨酸的代谢与抑郁症有关，色氨酸是5-羟色胺的前体，抑郁症患者脑内5-羟色胺水平降低，色氨酸耗竭能引起抑郁。

很多自闭症患儿存在肠道菌群结构异常，主要表现为肠道细菌易位及梭状芽孢杆菌种类及数量明显增多，脱硫弧菌属数量增加，双歧杆菌属减少[33-34]。有学者认为,自闭症可能是由于梭状芽孢杆菌中的C.tetani定植到肠道,在长期亚急性感染过程中,不断释放神经毒素,导致脑、认知、行为的改变，短期抗肠道梭菌的治疗可减轻自闭症的症状,但停药后症状反复[34]。益生菌能够促进肠道菌群的平衡,抑制梭状芽孢杆菌的生长,减少有害菌产生的有毒物质,在临床上可能成为改善自闭症状的手段之一[34]。

慢性疲劳综合征(chronic fatigue syndrome,CFS)患者与对照组也存在菌群差异，CFS者双歧杆菌水平降低，需氧菌计数偏高，对照组G-大肠埃希杆菌占需氧菌总数的92.3%，而CFS者仅为49%，并且CFS需氧菌中产D-乳酸的肠球菌及链球菌丰度过高[35]。

有研究显示，需氧肠球菌的计数越高，紧张、失忆、健忘等神经症状和认知缺陷就越严重[36]。随机选取39例CFS患者进行益生菌干酪乳杆菌进行双盲对照研究，结果表明试验组患者不仅乳杆菌和双歧杆菌显著增加,而且焦虑症状也显著减轻[37]。通过益生菌的干预可以改善患者的情绪，从侧面证明共生微生物与人类的情绪、精神状态密切关联。

4 结 语

在生命早期，机体的神经系统、健康免疫及代谢功能的发育需要适当的微生物信号的刺激。孕妇所接触的环境、胎龄、分娩方式、喂养方式、抗生素的使用等可影响婴幼儿早期肠道菌群的定植及微生物的多样性，而这些影响最终决定宿主以后生命过程中疾病的易患性。因此，在千百万年的进化过程中，微生物的庞大基因组早已“整合”到人类自身的基因组中，内、外环境的改变破坏了微生态的平衡，同时也更改了人类的第二基因组，最终导致疾病的发生。通过调节微生态的平衡来预防和治疗疾病，是目前及以后长期的研究热点和应用方向。

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