嗜黏蛋白阿克曼氏菌及其在肥胖机制中的研究进展

沈 男，刘 毅，盖中涛*

(1.济南大学 山东省医学科学院 医学与生命科学学院，山东 济南 250022；2.山东大学齐鲁儿童医院， 山东 济南 250022)

肥胖是由遗传和环境因素共同作用引发的疾病，常伴随体内多器官新陈代谢的功能紊乱。据世界卫生组织统计，自1980年以来，世界范围内的肥胖人数已增加1倍以上，且不论是在发达国家还是发展中国家，其发病率都在逐年上升，为社会增添了沉重的医疗和经济负担[1]。此外，肥胖还可以增加2型糖尿病、心血管疾病以及非酒精性脂肪肝，甚至一些恶性肿瘤的发病风险和病死率[2]。目前，肥胖已经成为全球最受关注的健康问题。尽管临床上已经通过饮食、运动、手术或药物治疗等方面取得了良好效果，但仍未有一个长期有效的治疗或预防措施可以消除肥胖的发生与发展。近10年，随着肠道微生态学研究的进展，以及高通量测序技术的应用，肠道菌群与肥胖的相关性已经明确，其中，嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansiamuciniphila)在肥胖的发生、发展及其预后中发挥着极其重要的作用，可能在以后肥胖的干预和预防中提供一个崭新的方向和潜在的靶向途径。

1 Akkermansia muciniphila(A.muciniphila)

1.1 A.muciniphila基本生物学特征

A.muciniphila隶属疣微菌门，最初由健康成人的粪便分离而得，是一种革兰阴性厌氧菌[3]。在相差显微镜下，菌体呈椭圆形，非运动，无芽孢，其长轴随培养基质的不同而改变，波动于0.6～1.0 mm[4]。生长方式多为单个或成对，极少呈链状，但常呈聚集态，菌体间可见半透明的物质层。增殖的最适温度为37 ℃，最适pH为6；可在20～40 ℃或pH 5.5～8.0增殖，倍增时间约1.5 h[4]。

1.2 A.muciniphila相关基因

A.muciniphila的全部基因组由一环状染色体构成，A.muciniphilaATCC BAA- 835的基因组测序显示，长度2 664 102 bp，G+C含量占55.8%[5]。基因组中包含大量编码分泌蛋白的基因(2 176个开放阅读框中占567个)，其中61个基因参与编码蛋白酶、糖水解酶、唾液酸酶和硫酸酯酶[6]；对比已注释的基因发现，该菌可合成所有20种标准氨基酸，以及重要的辅酶因子和维生素[7]；还可以代谢多种糖类，如半乳糖、纤维二糖、果糖和蜜二糖[5]。这些重要的功能为A.muciniphila在肠道黏液层中分解黏蛋白提供了极佳的条件。

1.3 A.muciniphila的代谢、定植和分布

肠道黏液层中含有丰富的黏蛋白，它们高度糖基化，为A.muciniphila的生存和增殖提供了必需的营养物质。除此之外，黏蛋白也可以作为A.muciniphila唯一的碳源、氮源和能量来源，并在酵解过程中产生乙酸盐、乙醇、丙酸盐和硫酸盐[4]。所以，即便没有维生素的参与，A.muciniphila也可以在仅含黏蛋白的培养基中培养和纯化。A.muciniphila广泛分布于人类和动物的肠道黏液层中，可在90%以上的健康成人中检出；同时也是肠道高丰度共生菌之一，通过荧光原位杂交技术测得其构成肠道微生物总量的1%～5%[6]。A.muciniphila的肠道定植相对晚于双歧杆菌和乳酸杆菌，但在新生儿时期已开始定植，并迅速繁殖，于1岁内达健康成人水平(108个/g)，在年老时逐渐降低[8]。在肠道不同部位，A.muciniphila的定植量也不尽相同。无菌鼠模型定植A.muciniphila后，通过对回肠、盲肠和结肠3个部位分别进行16S rRNA定量PCR技术测定确切其菌种丰度，显示盲肠是A.muciniphila定植最多的地方，也是黏蛋白产生最多的地方[8]。

1.4 A.muciniphila定植途径和定植位置

目前，关于A.muciniphila通过结合何种物质定植在黏液层中仍存在不同的结论。A.muciniphila与黏液或黏蛋白息息相关，却未曾在其蛋白质组中发现可结合黏液或黏蛋白的典型结构域，由此有学者推测A.muciniphila并非是依靠结合与其关系极其亲密的黏液或黏蛋白而定植肠道。在一项体外实验中，A.muciniphila强黏附于体外培养的Caco- 2和HT- 29结肠细胞系，却并不黏附于结肠黏液；也可黏附于细胞外基质蛋白成分中的层连蛋白，而不黏附于胶原蛋白Ⅰ型、胶原蛋白Ⅳ型、纤连蛋白和胎球蛋白[6]。但从12例患者(7例结肠癌，5例溃疡性结肠炎)结肠中分离出的黏蛋白均可被A.muciniphila黏附[9]。且当A.muciniphila定植无菌鼠后，在肠道检测到该菌都和肠上皮细胞保持50 μm以内的距离[8]。这些实验得出的不同结果或许和物种的不同、实验环境各异和检测方法不一等有关，对此仍需进一步考证。

1.5 A.muciniphila的耐氧性

生理情况下，定植于黏液层的A.muciniphila常常暴露于肠上皮细胞释放的少量氧气中。 既往因A.muciniphila在无还原剂的培养基上不能增殖，就一直认为其是一种严格的厌氧菌。但近来研究发现，相对于完全厌氧的环境，A.muciniphila能够在含有毫微摩尔浓度氧气的环境中增加其增殖速率和代谢物产量，同时也具有一定的还原能力(2.26 mU/mg总蛋白)[10]。通过光谱测量发现A.muciniphila的基因组中存在细胞色素bd1 (Amuc_1695)和bd2 (Amuc_1694)基因，在接触氧气后上调转录、表达。细胞色素bd复合体功能相当于其呼吸作用中的终末氧化酶，可以在呼吸作用中有效的利用氧气，减少活性氧(ROS)危害[10]。即使在正常空气中，A.muciniphila依然可以存活48 h。这微弱的氧气利用能力或许是A.muciniphila在黏液层中与其他严格厌氧菌竞争的绝对优势。

2 A.muciniphila与肥胖

肥胖是由于能量的正向平衡所致的，即摄入的能量超过所消耗的量。所以，高脂饮食(high-fat diet，HFD)是肥胖发生的最重要病因，也是肥胖中研究最多的环境因素。高脂饮食可以降低肠道紧密连接蛋白的表达，提高肠道的通透性，从而增加肠道革兰阴性菌产生的内毒素进入血液循环，导致代谢内毒素血症和长期低度炎性反应状态，该过程对于肥胖的发生和发展至关重要[11]。因此，HFD和肠道菌群在肥胖的生理病理中紧密联系。

2.1 动物实验

首先，A.muciniphila的丰度和肥胖是呈负相关的。给予10周龄的C57BL/6雄性鼠高脂饮食(脂肪含量占60%)8周，通过检测盲肠中菌群丰度发现，A.muciniphila的丰度降低了100倍[12]。其后的相关实验也得出一致的结论，且还发现在饮食诱导的肥胖小鼠中，A.muciniphila的丰度改变与脂质代谢和炎性反应标志物的表达以及一些循环指标(如葡萄糖、胰岛素、三酰甘油和瘦素等)明显相关[13]。相反，在CD1新生小鼠中，相比对照组，蛋白质-能量营养不良的小鼠具有丰度更高的A.muciniphila[14]。其次，在给予A.muciniphila干预的小鼠，可以显著改善高脂饮食诱导的代谢紊乱，包括脂肪量获得、代谢性内毒素、脂肪组织炎性反应和胰岛素抗性，从而缓解了肥胖的发生发展[12]。迄今，有关A.muciniphila在抑制肥胖过程中的作用仍未完全明确，但已有部分机制被阐明。A.muciniphila可以修复并更新受损的黏液层，增加其厚度，通过改善肠道的通透性，减少了代谢性内毒素的吸收。同时，A.muciniphila还可以增加肠道的内源性大麻素2-花生四烯酸甘油(2-arachidonoylglycerol 2-AG)水平，其可以减少循环炎性因子水平，也可以减轻体内的代谢性内毒素血症[12]。不仅如此，在近期的一项研究中，通过口服A.muciniphila的CREBH-null鼠还可以增加其肝脏中低密度脂蛋白受体和载脂蛋白E的表达，促进循环系统内残留的富含三酰甘油的脂蛋白(triglyceride-rich lipoprotein,TRL)、乳糜微粒和中间密度脂蛋白的清除，从而明显改善高三酰甘油血症[15]。A.muciniphila及其代谢产物丙酸盐也参与调节细胞脂质代谢的多种转录因子和基因的表达，如空腹诱导脂肪因子(fasting-induced adipose factor, FIAF)、G蛋白偶联受体43(Gpr43)、组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)，它们都是转录因子调控、细胞周期控制、脂质分解和饱腹感的重要调节者[16]。A.muciniphila的这些效应都是建立在活菌的基础之上，高温灭菌后的A.muciniphila不具备上述作用。在A.muciniphila的分子结构研究中，外膜蛋白Amuc- 1100*可以通过TLR- 2受体信号传导通路改善高脂饮食诱导的高胆固醇血症、胰岛素抗性和肠道屏障功能[17]；其分泌的细胞外囊泡也可以降低结肠上皮促炎细胞因子IL- 6的产生，缓解结肠壁炎性细胞的浸润，从而降低了循环系统内炎性因子的浓度水平，也在一定程度上缓解了肥胖的进展[18]。

2.2 人体实验

与动物实验结果相似，在超重或肥胖的个体中，A.muciniphila的丰度也是降低的，而且在肥胖的亚临床阶段已经表现出A.muciniphila丰度的降低[19]。近期一项肥胖和糖尿病饮食干预的研究表明，超重和肥胖的受试者中A.muciniphila的丰度与空腹血糖、腰臀比以及脂肪细胞直径呈负相关；具有高丰度A.muciniphila的受试者也表现出更健康的代谢状态，尤其在空腹血糖、三酰甘油和体脂分布方面；且在热量限制饮食后6周，具有高丰度A.muciniphila的受试者血糖和血脂有更好的改善[20]。在临床治疗方面，肠道中A.muciniphila的丰度与肥胖患者的质量减轻是息息相关的，且还可以作为肥胖患者减肥成功与否的一项常规指标。在一项对33例肥胖患者进行为期3个月饮食干预的研究中，通过16S rDNA实时定量PCR方法对粪便微生物测序，发现质量减轻后的A.muciniphila丰度较质量未减轻前明显增加[21]。此外，在近期的一项研究中，通过选择16名肥胖患者进行为期1年的减肥疗程(包括低热量饮食、运动和行为疗法等)后再继续跟踪随访1年，并分别在干预前、1年后以及2年后对其粪便标本进行DNA鸟枪法测序，同样证明了肥胖患者质量减轻后的A.muciniphila丰度显著增加，且结束干预的1年后，这些干预措施所改变的肠道菌群结构及丰度已逐渐回到干预前的状态，除了A.muciniphila的丰度依然保持稳定[22]。这些发现均说明A.muciniphila的丰度代表着肥胖水平改善的程度，且A.muciniphila的丰度较其他肠道共生菌更相对稳定。在肥胖的外科治疗中，Roux-en-Y胃旁路手术(RYGB)是对于病态肥胖实现持续减肥的有效手段，在术后质量减轻和代谢改善的同时，肠道菌群的多样性也明显增加并维持1年以上，其中A.muciniphila的丰度增加显著[23]，但该菌在术后减轻质量效应中的具体机制目前还需要进一步的研究。此外，A.muciniphila还参与了一些临床药物的作用机制。二甲双胍作为2型糖尿病的一线治疗药物，尤其适用于肥胖的2型糖尿病患者，有研究显示，口服二甲双胍在降低患者血糖的同时，还可以提高肠道A.muciniphila的丰度，从而缓解了患者的肥胖状态[24]。相对于动物实验，A.muciniphila在人体中的研究非常少，其安全性也未有明确的验证，但已有小样本试验表明人体口服合成培养基上增殖的或巴氏灭菌后的A.muciniphila是相对安全的[17]。

3 A.muciniphila的相关饮食

肠道菌群受饮食的影响，A.muciniphila也不例外。在相关饮食的研究中，鲜食葡萄可以增加肠道内A.muciniphila的丰度并减少体内的脂肪含量和肝脏的脂肪合成[25]；蓝莓中的紫檀芪(pterostilbene)可以改变肠道菌群的组成向更健康的菌群结构转化，并在Zucker大鼠中发现其具有的抗肥胖效应与A.muciniphila丰度增加相关[26]；膳食多酚(dietary polyphenols)可以促进肠道中A.muciniphila的生长并拮抗高脂饮食诱导的代谢综合征[27]；龙舌兰(agave salmiana)及其提取物皂苷(saponin)在C57BL6鼠中也可以增加肠道A.muciniphila的丰度并逆转肥胖和肝脏的脂肪变性[28]。这些相关饮食或许可以为肥胖的患者提供一个更优的饮食成分比例，也可能为饮食治疗肥胖提供一个新的方向。

4 问题与展望

目前A.muciniphila的研究已经涉及多种系统疾病，如肥胖、糖尿病、自闭症、酒精性脂肪肝以及冠状动脉硬化等，但其主要集中于代谢性相关疾病，而且研究对象多局限于动物。其次，虽然尚未有研究发现A.muciniphila对动物或人体产生不良的效应，且有可能成为下一代益生菌的候选者，但其在人体的安全性仍缺乏更多的数据的支持，所以A.muciniphila是否可以成为临床所用的有益菌目前仍处于研究阶段。在以后的研究中，更多的A.muciniphila相关疾病会被逐渐发现，在疾病中的作用机制也会被逐渐认知。在以后的临床活动中，通过检测肠道A.muciniphila丰度的改变辅助相关疾病的诊断及分型，或通过增减肠道新靶向A.muciniphila的丰度而实现某疾病的精准治疗也都将成为可能。