肠道菌群失调及其相关疾病研究进展

杨泽冉，辛毅，侯洁，曹雪姣，吴大畅

(大连医科大学，辽宁大连116044)



肠道菌群失调及其相关疾病研究进展

杨泽冉，辛毅，侯洁，曹雪姣，吴大畅

(大连医科大学，辽宁大连116044)

摘要：肠道正常菌群参与机体的物质代谢，营养物质的吸收合成，并能够促进生长发育，维持人体正常生理活动，其对胃肠道消化和免疫作用的发挥与肠杆菌、肠球菌、类杆菌和乳杆菌的关系密不可分。肠道黏膜免疫反应主要依靠肠腔内黏膜表面的免疫球蛋白(sIgA为主)和淋巴细胞为主体的免疫活性细胞，共同完成肠道局部免疫。抗生素的使用可诱导肠道菌群失调，脑-肠轴参与了肠道菌群失调，其不仅可引起全身免疫疾病，还能导致肥胖、2型糖尿病及肠癌。

关键词：肠道菌群；菌群失调；肥胖；2型糖尿病；肠肿瘤

肠道微生物在人体免疫、营养和代谢方面起着至关重要的作用。近年来，人体微生物组学的相关研究受到广泛关注、并取得了巨大进展。肠道微生物与健康的关系日益清晰，肠道菌群在人类疾病发生发展中的变化及作用也逐渐明朗。这也开启了肠道菌群调节能量代谢、炎症和肥胖相关代谢紊乱性疾病研究的新时代。

1肠道菌群及其作用

1.1肠道菌群 婴儿出生前肠道内是无菌的，所处的子宫内环境也相对无菌，出生后细菌迅速从口及肛门进入体内并完成定植，并且经过3个月的时间菌群逐渐趋于稳定。He等[1]通过对新生儿出生后肠道菌群定植过程的研究发现：出生后第1天肠内定植的优势菌依次是肠杆菌、肠球菌、葡萄球菌和类杆菌；出生后第6天双歧杆菌数量逐渐增多成为优势菌，其优势状态可持续1～3个月。同样，Vanden等[2]对出生后第7天婴儿粪便菌群的研究发现：89%的婴儿粪便检测到双歧杆菌，这种优势可持续3个月左右，此外，还发现大量肠杆菌、肠球菌、类杆菌和乳杆菌等。其后，肠道中双歧杆菌和乳酸菌处于优势地位并加以维持。在此过程中，肠道免疫系统也随之发育并逐渐成熟，其中就包括肠相关淋巴组织(GALTs)的发育和成熟。GALTs发育成熟的结果是对肠道原籍菌群的耐受和对病原菌的免疫反应。Grönlund等[3]研究发现，随着肠内脆弱类杆菌和双歧杆菌数目的增加，外周血中的IgA定向细胞的数量也逐渐增加。

1.2肠道菌群参与的黏膜免疫反应肠道黏膜免疫反应主要依靠肠腔内黏膜表面的免疫球蛋白(sIgA为主)和淋巴细胞为主的免疫活性细胞，共同完成肠道的局部免疫功能，其主要功能有[4]：①阻断细菌对黏膜的黏附，使其不能形成集落，达到排斥细菌的目的；② 中和病毒作用；③ 中和毒素作用；④对以异物形式摄入和从空气中吸入的某些抗原物质具有封闭作用，使外来抗原游离于黏膜表面，不致进入机体，避免引起全身性免疫反应；⑤激活补体的C-3旁路途径，参与补体和溶菌酶协同抗菌作用；⑥阻止机体对肠腔内共栖的正常菌群产生免疫应答。由此推测，肠黏膜免疫屏障的损害可能与肠外细菌、内毒素移位及诱导全身过度、失控、自毁的炎症性反应密切相关。

2肠道菌群失调

2.1抗生素诱导的肠道菌群失调正常生理状态下，肠道菌群与机体处于动态平衡状态，但当正常菌群受到来自于机体内外的理化、生物因素的刺激时，就会导致肠道菌群失衡，进而引发疾病。导致肠道菌群失调的原因很多，主要有饮食改变、疾病及抗生素的使用等。其中，临床上最常见的原因是抗生素的不合理使用，尤其是广谱抗生素的长期应用。刘崇海等[5]选用临床上常用的头孢菌素类抗生素处理小鼠，建立了肠道菌群失调动物模型，并经口灌服白色念珠菌，进一步加重菌群失调。研究证实了Toll 样受体(TLR)是天然免疫中的重要模式识别受体，经逐级信号传导过程参与抗感染的炎症过程。当肠道正常菌群受到抗生素的影响后，TLR 基因表达水平下降，其下游的适应性免疫功能降低，影响外周免疫器官的正常功能，从而导致机体免疫功能下降。Brugman等[6]通过对Ⅰ型糖尿病易感大鼠的研究表明，自发性糖尿病倾向大鼠中患病大鼠肠道拟杆菌属数量明显高于未患病大鼠，抗生素预处理能够降低易感小鼠Ⅰ型糖尿病的发病率。提示肠道菌群参与了Ⅰ型糖尿病的发生发展，合理使用抗生素可以影响肠道菌群的数量及分布，并干预了相关免疫性疾病的发生，这为糖尿病的防治提供了新思路和新策略。

2.2脑肠轴参与的肠道菌群失调脑肠轴的微生物轴包括中枢神经系统、自主神经系统、肠神经系统、相关内分泌和免疫系统、肠道菌群。多项研究表明,肠道菌群和脑肠轴存在着密不可分的交互调控关系，进而导致了脑-肠-菌轴(BGMA)概念的提出，BGMA各部分相互作用，通过神经-免疫-内分泌网络调控构成复杂的反馈性网络，整合与协同多项生理功能和病理过程，如营养物质的消化和吸收、神经发育和传递以及免疫等活动。付蕾等[7]研究结果显示，慢性应激条件下，大鼠出现肠道菌群失调、肠黏膜通透性升高、神经内分泌系统亦处于应激状态，双歧杆菌干预能够缓解慢性应激所导致的上述现象。提示脑肠轴参与了肠道菌群的调节，并与肠神经系统和免疫系统共同发挥作用。

3肠道菌群失调相关疾病

3.1全身免疫系统过度活跃Keir等[8]发现，抑制程序性死亡受体PD-1具有维持免疫球蛋白A的质量和控制肠道菌群构成的作用。如果这种受体缺失将导致肠道内微生态环境紊乱，进而导致全身免疫系统过度活跃。PD-1受体起到抑制免疫系统的功能，其受体缺失，免疫系统会出现过激反应，最终导致自体免疫疾病，如糖尿病、自身免疫性脑脊髓炎、淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒感染、HIV感染等。受此影响，肠道菌群的构成亦会发生明显变化，主要益生菌如双歧杆菌减少到可检测下限，而通常情况下数量较少的有害肠杆菌属细菌数量却增加至原有的400倍左右。另有实验表明，PD-1受体缺失实验鼠体内产生炎症细胞因子的辅助性T细胞的数量增加到原来的4倍，通常只存在于肠道内的肠道细菌抗体在血液中也被检测出来。由此，研究人员得出以下结论：肠道内微生态环境紊乱可导致全身免疫系统过度活跃，进而有可能出现自体免疫性疾病等病态改变。

3.2肥胖肥胖是一种全身低度炎症性疾病。目前，研究者普遍认为肠道菌群在能量代谢过程中起重要调节作用，肥胖症与肠道菌群失调关系密切[9]。肠道菌群既可以通过代谢某些难以消化的食物成分，提高机体摄取能量的能力从而引起肥胖，也可通过改变影响机体的全身低度炎症参与肥胖。Shen等[10]采用454高通量测序平台对胖瘦不同的个体的肠道微生物进行了研究，结果表明肥胖与肠道门级微生物的变化相关，胖人与瘦人相比，微生物多样性明显降低，拟杆菌门所占比例较低、而放线菌门所占比例较高。诸多实验结果均表明，肠道菌群在促进宿主脂肪合成、积累方面可能起着非常重要的作用。另外，短链脂肪酸(SCFA)是人结肠细菌发酵的主要产物，肠道菌群通过产生SCFA，为机体提供能量，也可促进脂肪的合成及存储；同时，SCFA也是一种重要的信号分子，通过免疫和神经内分泌机制调节宿主食物(能量)摄入和代谢[11]。比利时学者Cani[12]通过研究提出了基于肠道菌群诱导作用的“代谢性内毒素血症”假说，用以解释肥胖症患者体内长期低水平全身性炎症反应状态：饮食诱导肠道菌群改变，机会致病菌数量增加，肠屏障保护菌数量下降，导致肠道通透性增强，入血内毒素量增加，引发慢性炎症反应，进而产生肥胖等代谢失调。

3.3 2型糖尿病2型糖尿病是一种以肥胖诱导的胰岛素抵抗为基础的代谢性疾病。近来的研究显示，人体肠道微生物组与肥胖的发生发展、心血管疾病和代谢综合征(如2型糖尿病)有着密切的联系。黄旭东等[13]通过对30例2型糖尿病患者粪便的研究发现：该类患者肠杆菌科的数量明显增加，而双歧杆菌和拟杆菌的数量显著下降；这种现象同样出现在空腹血糖大于11.1 mmoL/L的患者中，且变化较空腹血糖小于9.0 mmoL/L的人群更加显著。这充分证明了2型糖尿病与肠道菌群失调有着紧密的联系，并与血糖水平呈现一定相关性。韦婷等[14]的研究显示，Leper突变的2型糖尿病模型会导致肠道菌群的改变，并且证实了乳杆菌属和糖尿病的血糖变化呈负相关。Vrieze等[15]也报道了糖尿病患者肠道双歧杆菌数量降低，糖耐量受损、糖诱发胰岛素的分泌不足，增加毒素血症的发生率。若肠道菌群长期处于失衡状态，长期高脂肪、低膳食纤维导致肠道内病原菌数量增加，相应的病菌抗原亦增加，有益菌数量减少，取而代之的是有害菌产生的内毒素破坏肠道黏膜，使得肠道通透性增加，内毒素入血；免疫系统因感染而分泌炎症因子，最终炎症因子会散布全身，导致慢性病，加速衰老等，这也符合Cani提出的“代谢性内毒素血症”假说[12]。

3.4肠癌具核梭杆菌是一种革兰阴性口腔共生菌，是牙周炎主要致病菌。在口腔乃至全身感染性疾病中检出率极高，与临床厌氧菌感染关系密切。加拿大学者Holtmeier等[16]通过定量PCR对比分析肿瘤组织和相邻正常组织中具核梭杆菌片段的富集程度，结果表明结直肠癌组织中具核梭杆菌表达水平显著提高，并与淋巴结转移呈正相关。结直肠癌中具核梭杆菌的富集，提示这些微生物可能参与了肿瘤的发生。最近，美国凯斯西保留地大学口腔医学院教授韩亦苹领导的研究小组证实了具核梭杆菌是大肠癌的病原菌，它通过一种叫做FadA的黏附因子侵入人类大肠癌细胞，进而"打开"肿瘤生长基因，刺激这些细胞产生炎症反应并促进肿瘤形成。这一成果不仅将有助于开发早期诊断、预防与治疗大肠癌的方法，也表明注意保持口腔卫生的重要性。另一项由美国达纳-法伯癌症研究所开展的研究则通过小鼠实验证实，具核梭杆菌能加速癌细胞聚集，促进肿瘤形成，导致大肠癌。

Appleyard等[17]的研究发现，结直肠癌患者粪便中厌氧菌与需氧菌的比值下降(通常以双歧杆菌/大肠杆菌的比值作为评估指标)。双歧杆菌的减少导致机体抗肿瘤免疫力下降，使癌细胞逃离免疫系统监控的机会增加。另有研究显示，老年结直肠癌患者粪便中双歧杆菌及乳酸杆菌数量明显减少，以双歧杆菌减少最为显著；金黄色葡萄球菌、拟杆菌数量明显增加，且随年龄增加，变化越为明显，在高龄老人中减少最为严重[18]。以上研究结果均提示肠道菌群失调与肠癌关系密切。

参考文献：

[1] He XS, Tian Y, Guo LH, et al. In vitro communities derived from oral and gut microbial floras inhibit the growth of bacteria of foreign origins[J]. Microbiol Ecology, 2010,60(3):665-676.

[2] Vanden Abbeele P, Grootaert C, Marzorati M, et al. Microbial community development in a dynamic gut model is reproducible, colon region specific, and selective for Bacteroidetes and Clostridium cluste IX[J]. Appl Environ Microbiol, 2010,76(15):5237-5246.

[3] Grönlund MM, Arvilommi H, Kero P, et al. Importance of intestinal colonization in the maturation of humoral immunity in early infancy: a prospective follow up study of healthy infants aged 0-6 months[J]. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed, 2000,83(3):F186-F190.

[4] Geuking MB, Köller Y, Rupp S, et al. The interplay between the gut microbiota and the immune system[J]. Gut Microbes, 2014,5(3):411-418.

[5] 刘崇海,杨锡强,刘恩梅,等.抗生素诱导小鼠肠道菌群失调对免疫功能和Toll 样受体2、4 基因表达的影响[J].重庆医科大学学报,2007,32(8):839-842.

[6] Brugman S, Klatter FA, Visser JT, et al. Antibiotic treatment partially protects against type 1 diabetes in the Bio-Breeding diabetes-prone rat. Is the gut flora involved in the development of type 1 diabetes[J]. Diabetologia, 2006,49(9):2015-2018.

[7] 付蕾,冀建伟,郑鹏远,等.双歧杆菌对应激大鼠肠道菌群及促肾上腺皮质激素释放激素的影响[J].世界华人消化杂志,2010,18(15):1544-1549.

[8] Keir ME, Freeman GJ, Sharpe AH, et al. PD-1 regulates self-reactive CD8+T cell responses to antigen in lymph nodes and tissues[J]. J Immunol, 2007,179(8):5064-5070.

[9] Collins KH, Paul HA, Reimer RA, et al. Relationship between inflammation, the gut microbiota, and metabolic osteoarthritis development: studies in a rat model[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2015,23(11):1989-1998.

[10] Shen J, Obin MS, Zhao L. The gut microbiota, obesity and insulin resistance[J]. Mol Aspects Med, 2013,34(1):39-58.

[11] Besten G, van Eunen K, Groen AK, et al. The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet, gut microbiota, and host energy metabolism[J]. J Lipid Res, 2013,54(9):2325-2340.

[12] Cani PD, Amar J, Iglesias MA, et al. Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance[J]. Diabetes, 2007,56(7):1761-1772.

[13] 黄旭东,郑晓鹏,郑赵利,等.2型糖尿病患者肠道菌群的研究[J].河北医学,2011，17(8):1041-1043.

[14] 韦婷,胡芳,张红琳,等.2型糖尿病BKS-DB小鼠的小肠菌群结构差异性分析[J].生命科学研究,2012,16(6):483-488.

[15] Vrieze A, Holleman F, Zoetendal EG, et al. The environment within now gut microbiota may influence metabolism and body composition[J]. Diabetologia, 2010,53(4):606-613.

[16] Holtmeier W, Käller J, Geisel W, et al. Development and compartmentalization of the porcine TCR delta repertoire at mucosal and extraintestinal sites: the pig as a model for analyzing the effects of age and microbial factors[J]. J Immunol， 2002,169(4):1993-2002.

[17] Appleyard CB, Cruz ML, Isidro AA, et al. Pretreatment with the probiotic VSL-3 delays transition from inflammation to dysplasia in a rat model of colitis-associated cancer[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2011,301(6):G1004-G1013.

[18] Zhang JW, Du P, Gao J, et al. Preoperative probiotics decrease postoperative infectious complications of colorectal cancer[J]. Am J Med Sci, 2012,43(3):199-205.

(收稿日期：2014-02-06)

中图分类号：R378

文献标志码：A

文章编号：1002-266X(2016)01-0099-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.01.039

通信作者：吴大畅 (E-mail:changdlmedu@gmail.com)

基金项目：辽宁省教育厅科学基金项目(L2012325)。