肠道菌群与肠道疾病的研究进展

郑 鹏(综述)，嵇 武(审校)

(南京军区南京总医院普通外科，南京 210002)

人类肠道菌群与机体在长期进化过程中逐渐发展为一种相互适应、互利共生的关系[1-3]。在人体，胃肠道菌群共同构成了一个复杂的微生态系统，栖息着30属500～1000种，约1014个细菌，其是体细胞数量的10倍[4]。正常情况下，肠道菌群能保持动态平衡，起到保护和维持机体健康的作用。根据肠道微生物群落对宿主的作用，肠道菌群可分为三大类：①与宿主共生的生理性菌群，其附着于深层黏膜上皮细胞，多为专性厌氧菌，是肠道的优势菌群(如双歧杆菌、类杆菌、消化球菌等)，具有营养及免疫调节的作用，对机体有益无害；②与宿主共栖的条件致病菌，以兼性需氧菌为主，为肠道的非优势菌群(如肠球菌、肠杆菌等)，在肠道微生态平衡时无害，在特定条件下具有侵袭性，对人体有害；③病原菌大多为过路菌(变形杆菌、假单胞菌和韦氏梭菌等)，微生态平衡时，过路菌长期定植的机会少、扩增数量少且不会致病，如肠内外环境改变导致肠道优势菌群失势，进而引起肠道菌群失调，过路菌或条件致病菌数量超出正常水平可导致人体发病。随着分子生物学技术及微生态预防医学在感染微生态学上的应用，人们对肠道微生物菌群的功能特性有了全新的认识：它不仅可以促进肠道上皮细胞的发育和成熟、还可促进肠道血管及组织再生、调节骨内稳态代谢、促进宿主免疫系统成熟等，还可诱发某些肠道疾病或加重某些肠道疾病的病理进展，如急慢性腹泻、便秘、假膜性肠炎、溃疡性结肠炎、肠道肿瘤等，越来越多的临床及实验证明肠道微生态失调与多种疾病息息相关。

1 肠道菌群定植

胃和小肠上皮细胞黏附了极少量的细菌(如乳酸杆菌、链球菌、双歧杆菌、梭菌、韦荣球菌、大肠埃希菌类及酵母菌等)，肠腔内也仅存一部分过路菌，而大肠内却包含了一个由复杂、动态、高浓度活性细菌构成的微生态系统[1]。胃和小肠内细菌的稀缺可能与管腔内介质(胃酸、胆汁、胰液分泌)及胃肠蠕动等有关，介质可以杀死大多数摄入到胃肠腔的微生物，而蠕动波的推进阻碍了管腔内细菌的定植。部分细菌(如肠球菌、肠杆菌等)具有潜在致病性，当肠道内环境紊乱时，这些细菌可以是内源性感染或败血症的感染源[5]。部分肠道菌群(如双歧杆菌、乳酸杆菌)在机体出生时便开始形成，随后逐步完善。最初，新生儿的分娩及喂养方式决定菌群的定植模式。出生在发达国家和出生在发展中国家的婴儿之间、不同等级医院出生的婴儿之间肠道菌群都存在差异[6]。向无菌小鼠肠道内移植正常小鼠粪便的实验发现，移植粪便后无菌小鼠肠黏膜上皮细胞分化更加成熟，最先定植的细菌能够调节宿主肠道上皮细胞基因的表达，并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的生长[7]。也有研究表明，不成熟的肠道菌群与早期儿童营养不良相关[8-9]。因此，在最终的常驻共生菌群中，最初定植的细菌非常重要[9]。此外，肠道菌群随人身体状况而发生生理或病理性演变，不同的生理阶段有许多特定组合的优势菌种，发现并定义菌种之间的差异，分析菌种不同时期的变化可反映个体特定时期的生理或病理状态[10]。

2 肠道菌群与肠道疾病

2.1肠道菌群与消化系统疾病 急性腹泻、急性胃肠炎患者常伴有肠道优势菌群(肠球菌、双歧杆菌、乳酸杆菌及类杆菌)比例失调，常驻菌群明显减少，其中厌氧菌数量下降最为显著，且上升速度缓慢；另外过路菌群定植增多。肠道菌群失调多见于急性肠感染、细菌性食物中毒、急性化学物质中毒、急性全身感染、变态反应性疾病、内分泌疾病、药物不良反应等，相反菌群失调又可诱发或加重腹泻，并增加肠道对致病菌的易患性。盲目运用抗生素不仅不利于治疗，反而有可能加重病情，导致菌群进一步失调。

慢性腹泻的病因较多，也较为复杂，肠道菌群失调是其主要致病因素之一，其他常见的病因有肠易激综合征、急性痢疾后腹泻、吸收不良综合征等。慢性腹泻患者的肠道细菌，如拟杆菌、双歧杆菌、肠球菌、肠道杆菌数量显著降低，真杆菌、韦荣球菌、产气荚膜杆菌显著增多。

便秘是由多种因素引起的一组临床综合征，老年性便秘是临床常见的疾病之一，目前尚无理想的治疗方法。患者一般长期依赖润肠性、刺激排便类药物等促排便，不良反应较多。长期便秘患者存在严重的肠道菌群紊乱，致病菌产生的亚硝胺、酚类、氨类等致癌物质不能及时排出体外，这些物质长期慢性刺激肠道腺体并部分吸收入血可诱发结肠炎症、伪膜性炎，最终演变为结肠肿瘤。

肝功能异常(如梗阻性黄疸、肝硬化等)患者均存在不同程度的优势菌群比例改变，尤其是梗阻性黄疸患者。胆汁酸具有很强的抗菌活性，胆汁引流不畅，胆汁淤积可导致肠道双歧杆菌结构发生显著变化，肠杆菌属、肠球菌属数量显著增加，双歧杆菌属、拟杆菌属、梭菌属数量显著下降。

由此可见，部分消化系统疾病与肠道菌群失调相互作用，互为因果。正常生理状态下，结肠菌群可以发酵不易消化的食物残渣并代谢上皮细胞产生的内源性黏液，为宿主产生可吸收的营养物质及能量，促进细菌自身生长和增殖。肠道优势菌群还可通过竞争营养抑制过路菌群定植，同时产生细菌素、短链脂肪酸等物质来降解病原体毒素，降低其毒性。盲肠和右半结肠中(特别是回盲部)发酵异常活跃，可产生大量的短链脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等，其中丁酸几乎完全被结肠上皮细胞所消耗，它是结肠主要的能量来源[11]；短链脂肪酸还可延缓慢性溃疡性结肠炎的发生和发展、抑制致癌物或辅致癌物的形成、转化某些致癌物质为非致癌物质、激活巨噬细胞、降低结肠癌的发生等[12]。微生物通过何种机制发挥其有利或不利的作用仍需要进一步研究。

2.2肠道菌群与肠道免疫相关性疾病 肠道是人体中富含淋巴组织最为丰富的组织之一，而肠黏膜则是免疫系统与外部环境的主要接触点[4,13]，肠道相关淋巴组织中含有大量免疫活性细胞。无菌环境下培养的动物，其肠道黏膜淋巴样细胞密度低，囊泡结构较小，循环血液中的免疫球蛋白水平较低。胃肠道微生物在无菌动物胃肠道内定植后能够影响肠道相关淋巴组织的组成，促进肠上皮内淋巴细胞数量的增加，小囊及固有层中免疫球蛋白生发中心生长迅速，血清中免疫球蛋白水平升高。以上研究表明，微生物在促进肠道免疫系统发育中起着至关重要的作用。成人机体与肠道菌群持续的相互作用使肠道免疫力不断改变，正常肠道微生物可以避免免疫反应的发生，如人结肠中的脆弱类杆菌可通过产生不同的囊性多糖体来改变它的表面抗原，使生物体避开免疫监视，保持肠道中微环境的稳态。

人体固有的免疫反应不仅依靠白细胞，小肠的肠上皮细胞也可产生大量的炎性介质并传递信号来指导下行细胞进行免疫反应。与健康人群相比，炎性肠病患者的肠上皮细胞黏附有大量细菌。菌群可能是激活肠道免疫系统、诱发炎性肠道疾病的一个关键因素，而常驻菌群失调可能是驱动炎性肠病的重要因素[14]，肠道炎症的发生可同时引起多种不同类型的即时细胞因子产生，潜伏在人体炎性肠道黏膜中的非致病性细菌在诱导组织及表层固有淋巴细胞的转变中起到一定的保护功能。一部分T细胞亚群可根据它们产生的细胞因子驱动促炎性反应[3]。肠道菌群通过定植活动可刺激Treg细胞发生炎性反应[15]。肠道微生物群还可诱导CD4+Th17细胞产生，其在炎症性肠道疾病的发病机制中起关键作用[16]。在克罗恩病的炎性过程中，肠道T淋巴细胞对细菌抗原具有高反应性，这可能与此类患者的局部耐受性机制被破坏有关[17]。此外，克罗恩病或溃疡性结肠炎患者肠黏膜分泌免疫球蛋白(immunoglobulin，IG)G型抗体对抗共生菌，通过IgG与肠道菌群相互作用调节免疫反应。动物实验证明，大鼠肠道常驻菌群参与了肠道黏膜的炎性反应，而给予适量广谱抗生素后，大鼠的这种肠道炎性反应明显下降，说明肠易激综合征与肠道菌群失调有一定相关性[18]。不同种类的细菌可诱发不同效果的免疫炎症。肠溶菌引发的炎性反应局限于脓肿中心，局部存在胶原沉积。一些厌氧菌(脆弱拟杆菌，拟杆菌，梭状芽孢杆菌)诱导轻度粒细胞反应和广泛弥漫性的单核细胞浸润，因此其有可能诱导肠壁弥漫性纤维化反应。在炎症性肠病中，调节共生菌群的相互作用及其对肠黏膜的炎性刺激，充分引流肠腔内容物可预防克罗恩病的复发。溃疡性结肠炎患者，短期广谱抗生素肠溶制剂的应用能迅速减少肠黏膜释放细胞因子和类花生酸类物质，其较静脉滴注非甾体类消炎药能更有效地降低炎性反应。目前，研究者正在评估使用益生菌而不是抗生素来达到拮抗细菌的目的。

3 肠道菌群与益生菌

在肠道菌群、宿主自身状态及外部环境的共同作用下，肠道微环境维持在一个稳定的动态平衡，对人体的健康起重要作用。饮食习惯可以改变宿主自身微生态结构[19]。益生菌是一类以活菌为主的新型菌制剂，它不仅能提供特定的成分，还能补充被消耗的优势细菌(如双歧杆菌、优杆菌、乳酸杆菌和类链球菌等)，还可以改善人类健康。在婴幼儿配方奶粉中添加益生菌还可防治腹泻，如鼠李糖乳杆菌GG株可预防营养不良儿童腹泻的发生，特别是针对非母乳喂养的儿童。口服益生菌还可以增加特异性IgA水平，减少儿童轮状病毒的感染概率，即使是轮状病毒感染后应用也能起到降低患儿粪便排泄量、减少排便次数的作用。在急性胃肠炎儿童中，补充益生菌可以显著减少腹泻的持续时间。口服益生菌还可以有效保护由脂多糖诱导的肝损伤和肠道屏障破坏[20]。补充优势肠道菌群可有效保护由D-半乳糖胺诱导的急性肝损伤，益生菌对重症肝病患者肠道菌群的干预也获得了良好的效果，如口服乳糖醇不仅能调节肠道菌群，还能降低慢性乙型肝炎患者血清中的内毒素水平。另外，研究也显示益生菌干预能有效改善肝硬化患者的肝功能指标[21-23]。益生菌可减少某些酶类的代谢活动，减少其产生的肿瘤诱导物质，从而预防结肠癌并减少患结肠癌的风险[24]。

复杂的肠道微生态系统与机体生长发育、免疫功能、营养、发病机制及健康等密切相关。肠道内细菌的分离、鉴定以及定量分析对于研究肠道内菌群的功能以及与机体的相互作用非常重要。1993年，Muyzer等[25]阐述了变性梯度凝胶电泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE)技术对探索未知微生物种群多样性的重要性。PCR-DGGE技术克服了传统培养方法的不足，其能即时反应微生物变化及多样性改变，联合其他生物技术，将更实际地反映微生物群落的结构、功能及动态变化，其可提供微生物的空间分布、群落演替及原位生理等信息，促进人们对微生物生态的认识，为微生物资源的开发利用提供指导[26]。454焦磷酸测序技术因其自动化操作而被广泛用于临床实验研究。McKenna等[27]运用454 焦磷酸测序技术发现，患有慢性肠炎的短尾猿的粪便菌群与正常菌群存在显著差异。Turnbaugh等[28]运用该技术发现，肥胖人群肠道菌群的多样性略低于非肥胖人群。

4 小 结

人体肠道疾病的生理病理进展与肠道菌群息息相关。肠道菌群在人类健康中的作用逐渐被人们所重视，随着分子生物学的发展，定义、分离、培养了一部分肠道菌群成员，并阐述了其与宿主自身、肠道内各种微生物间的作用。肠道菌群具体调控的微生态的机制一直是研究者长期以来致力于研究的一个重要领域。相信随着分子生物学工具的飞速发展，将对肠道菌群与机体间维持稳态的这一分子靶点有进一步的认识，从而有望发现新的方法来治疗相关疾病，并保持人类健康。

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