肠道菌群演替及其影响因素研究进展

肠道微生物(gut microbiota, GM)被视为人体一个重要的“器官”,具有给机体提供营养、调节能量代谢、参与构建免疫系统及肠道屏障等诸多生理功能,正常的肠道菌群有助于维持宿主的“健康状态(healthy status)”[1]。肠道内的细菌随增龄表现出一个持续性的变化过程,即肠道菌群演替(succession of intestinal flora)。婴儿出生后,肠道内细菌经历从“无”到“有”,从“简单”到“复杂”,在2～3岁时趋于稳定并接近成人水平，成年期非常稳定；老年期,肠道内的细菌多样性减少、优势菌种改变、有益菌比例减少、促炎细菌比例上升,被称为婴儿时期的“逆过程”[2-3]。老年人各种生理功能的衰退、疾病易感性增加与肠道菌群改变关系密切[3-4]。本文就增龄过程中肠道菌群演替过程及其影响因素做一简要的综述。

1 肠道菌群是人体的一个重要“器官”

人的体表和与外界相通的腔道中寄居着不同种类和数量的微生物,以细菌为主,称为共生细菌群或菌群。其中胃肠道内的菌群是人体内最主要和最复杂的,占人体总微生物量的78%,种类多达1000～1500种,总数高达1014左右,其数量是人体总细胞数的10倍,共包含100多万个的基因,因此被称为“人类的第二基因组”[3, 5]。各类细菌间保持相互共生或拮抗的关系,参与调理机体的生理功能。

肠道菌群具有多种功能,主要有:(1)消化功能,把人体不能消化的食物(如膳食纤维等)酵解为短链脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)为机体所利用[6];(2)合成维生素,包括维生素K和部分B族维生素[7];(3)脑-肠轴双向调节功能,即“菌群—肠—脑轴(gut-brain axis,GBA)”,是大脑与肠道之间存在的神经—内分泌介导的双向应答系统[8-9];(4)代谢调节功能,通过抑制脂蛋白脂酶抑制因子基因的表达来促进脂肪细胞中甘油三酯的储存,厌氧菌属中的拟杆菌属、真细菌属和梭菌属能通过促进胆汁酸的转化,调节肠腔中的胆汁酸代谢影响信号通路,参与能量和脂类代谢[6];(5)免疫功能,参与免疫系统的建立和调节[5];(6)屏障功能,构成肠道屏障中的生物屏障,通过拮抗有害菌定植防御外源性感染[10];(7)解毒抗癌:发酵产物SCFAs能为肠黏膜细胞提供能量,并起到抗炎抗肿瘤作用[5]。肠道菌群的这些功能与机体肝脏等重要器官的生理功能互相补充,因此肠道菌群是机体后天获得的一个重要“器官”。

2 肠道菌群演替

肠道菌群的演替不是在特定的年龄才开始,如同机体生理功能的衰老一样,是一个渐进性的过程。肠道菌群改变最重要的时期是在2岁前的婴幼儿期和老年时期。

2.1 婴幼儿期 婴儿期肠道菌群演替主要经历二个重要变化:一是出生及哺乳期,出生后微生物开始在胃肠道中定植,最先定植的是兼性厌氧菌,兼性厌氧菌消耗氧气创造出低氧环境,优势菌种由兼性厌氧菌转变为严格厌氧菌;二是添加辅食和断乳后,因膳食变得丰富,肠道内细菌随之变得多样化且复杂,在2岁左右逐渐稳定,接近成人水平[1，11]。

出生至2～3岁是肠道茵群建立并达到平衡的关键时期,期间多种因素均会影响肠道菌群定植和演替,如分娩方式、喂养方式和饮食结构、生活习惯以及抗生素的使用等,其过程一定程度上影响机体未来的健康[11]。

2.2 成年期 健康的成年人肠道中优势菌种为厚壁菌门和拟杆菌门,占到总体的80%～90%,其余的如变形杆菌门、梭杆菌门、疣微菌门、放线菌门、蓝藻菌门等则处于很低水平[11]。个体间肠道菌群的组成有较大差异,根据构成差异肠道菌群可大致分为拟杆菌型、普氏菌型和瘤胃球菌型3个肠型,各肠型的主要细菌决定了各自酵解的底物和产物[2-3]。拟杆菌型中最主要的拟杆菌具有丰富的酵解碳水化合物和蛋白质的酶类的基因,如糖化酶、半乳糖苷酶、己糖胺酶、蛋白酶和多种参与糖酵解和戊糖磷酸途径的酶类;普氏菌型中的最主要的细菌类型是普氏菌属;瘤胃球菌型则富含瘤胃球菌、拟杆菌和古生菌,其中瘤胃球菌是拟杆菌的5～10倍。研究发现肠型在出生后18个月左右开始建立[12],形成初期仍会转变,与年龄、性别、地区或体质量指数(BMI)均无关,短期的饮食改变只会暂时改变肠道菌群的组成,只有长期的膳食模式改变才能引起人体肠型的转变[13-15]。在应激、抗生素以及饮食和生活方式的影响下,肠道菌群组成可能发生变化,但在短期内可以恢复,以维持成年期肠道菌群的稳定[11]。

2.3 老年期 老年人口腔及消化道的生理性衰退(如:嗅觉、味觉衰退,牙缺失、咀嚼功能减退,胃肠排空、蠕动减弱,食物转运时间延长等)、胃肠激素分泌减少和饮食结构改变等因素[3],导致老年人肠道菌群的构成发生改变,主要包括以下几个方面。

2.3.1 多样性减少、丰度降低:Odamaki等[16]进行了从出生的婴儿到104岁的健康人群的菌群对比研究,结果显示细菌多样性指数(Shannon指数)从婴儿断奶后开始增长,到20多岁后到达最高值,然后保持稳定直到老年期开始持续减少。Biagi等[17]的一项研究显示,中青年人、老年人和百岁老人的肠道菌群的多样性逐渐减少,尤其是百岁老人。Woodmansey等[18]研究了健康年轻人、健康老年人和接受抗生素治疗老年人3组人群肠道菌群差异,结果发现:后2组肠道菌群总体丰度降低,拟杆菌和双歧杆菌丰度降低伴随多样性的减少;其中双歧杆菌种类差异较大,长双歧杆菌、链状双歧杆菌、布姆双歧杆菌和婴儿双歧杆菌仅在健康青年人中发现,老年人双歧杆菌主要为角双歧杆菌和青春双歧杆菌两种。Zwielehner等[19]研究发现,老年人除肠道菌群的总的多样性减少外,还发现梭状芽胞杆菌Ⅳ和拟杆菌属的种类减少。

2.3.2 优势菌种改变:老年人肠道菌群中厚壁菌门,主要是梭状芽孢杆菌ⅩⅣa和普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、放线菌(主要是双歧杆菌)水平降低,变形菌门水平增高[3]。Hayashi等[20]用高通量测序分析老年人肠道菌群构成,74～94岁老年人肠道梭状芽孢杆菌ⅩⅣa比例为2.5%～25.3%,远低于先前研究报道的成年人的24%～59%。同样,在60岁以上的意大利人和70岁以上的芬兰老年人中,也发现其肠道梭状芽孢杆菌ⅩⅣa水平降低[21-22]。放线菌随增龄数量下降,拟杆菌和变形菌在老年人肠道中含量较高[16]。但也有学者报道老年人肠道中拟杆菌含量低于成年人[23]。有关老年人肠道中乳酸杆菌比例随增龄变化的研究结果尚不一致[24-25]。

2.3.3 有益菌数量减少、促炎细菌数量增多: Woodmansey等[18]在一项旨在研究健康年轻人和健康老年人的肠道菌群构成差异的研究中发现,老年人粪便中拟杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌等抗炎细菌数量较年轻人下降,梭状芽孢杆菌、真菌属等促炎细菌数量有所增加。国内也有类似报告,李素云等[26]的一项旨探讨年龄与肠道菌群组成相关性的调查中发现老年组和成年组双歧杆菌比少年组明显减少,而老年组拟杆菌、肠杆菌、肠球菌等促炎细菌数量却显著增加。

此外,肠道菌群构成改变还会引发细菌酵解产物的改变,如有益菌酵解膳食纤维产生的SCFA水平降低,糖代谢减少,而蛋白质腐败代谢增加等[2]。

3 肠道菌群的影响因素

足月经阴道分娩、母乳喂养的婴儿的肠道菌群被视为是健康肠道菌群的金标准[2]。研究发现,除了年龄因素外,饮食、运动、作息等日常生活方式的改变,服用抗生素、微生态制剂等均能改变肠道菌群,并朝着不同的方向发展。不少的研究和临床实践揭示了其中的一些规律,在如何获得健康肠道菌群方面给了一些启示,主要包括以下几方面。

3.1 饮食 饮食是影响肠道菌群最常见最直接的因素。合理的膳食有助于我们获得健康的肠道菌群,主要体现在控制高脂高蛋白摄入和增加膳食纤维(尤其是可溶性膳食纤维)摄入等方面。研究发现,高脂高蛋白饮食的人肠道中拟杆菌和瘤胃菌属占主导,而高碳水化合物饮食的人则以普雷沃菌占多数[13],其可能的机制是:高脂高蛋白饮食能通过改变氧化还原状态、破坏菌群赖以生存的微环境,从而影响双歧杆菌、乳酸杆菌和肠球菌等有益菌群的新陈代谢及生长繁殖, 使其数量明显减少,而肠杆菌数量则相对增多[27]。可溶性膳食纤维在结肠中作为肠道菌群的底物,被发酵而产生SCFA,选择性促进抗炎菌的增殖,并通过降低肠腔内pH值、减少毒性物质(铵、胺、苯类化合物等)的形成,改善肠道的微环境[28],因此可溶性膳食纤维可作为一种益生元调节肠道菌群。多种饮食因子会影响肠道菌群的多样性,Zhernakova等[29]发现60种饮食因子与肠道菌群多样性相关,其中经常摄入酸奶、脱脂奶、咖啡和葡萄酒的人肠道菌群多样性较高,而饮用全脂牛奶和含糖苏打水者肠道菌群的多样性较低,经常饮用葡萄酒者肠道菌群丰度较高。此外,有学者经研究后提出短期饮食调节引起的菌群改变难以持续,长期的膳食模式改变才能引起人体的肠道型的转变,因此合理膳食还应长时间的坚持[14]。

3.2 运动 研究发现规律适度的运动可以改善肠道微生态。Clarke等[30]研究发现:橄榄球运动员肠道菌群多样化程度显著高于其他2组非运动员男子(BMI≤25的健康男性和BMI≥28的超重或肥胖男性),且橄榄球运动员肠内益生菌菌种含量更高。Barton等[31]研究发现:运动并有合理饮食者的肠道细菌Shannon指数比久坐不动者(高BMI或低BMI)明显增高(P<0.05)。国内研究运动与肠道菌群关系多集中在八段锦、五禽戏、太极拳等传统体育项目上。孙红梅等[32]分别测量了45名老年八段锦练习者(在专业辅导员带领下每周进行6次,每次40～50 min)练习前、练习3个月和练习6个月3个时间段的粪便细菌含量,结果显示与练习前相比,练习3个月时老年男性双歧杆菌和乳酸杆菌数量上升(P<0.05),练习6个月时,双歧杆菌和乳酸杆菌数量上升,肠杆菌数量下降(P<0.05),老年女性练习者结果类似。段丽梅等[33]研究发现五禽戏能提高老年人抗氧化能力和体内乳酸菌的含量。周涛等[34]研究结果显示太极拳也能提高老年肥胖者体内乳酸杆菌和双歧杆菌的含量,还能改善肥胖老年人的血脂水平,并且锻炼时间越长,效果越明显。

3.3 益生菌、益生元 补充益生菌和(或)益生元调节肠道菌群以治疗肠道疾病在我国已有20多年的历史,临床常用的益生菌主要有乳杆菌类、双歧杆菌类、革兰阳性球菌等,直接增加肠道的有益菌群(抗炎菌)[28]。益生元作为益生菌的底物或发酵对象,促进双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌生长,抑制大肠杆菌、梭菌、肠球菌等致病菌生长来改善肠道微生态。常见的益生元主要有低聚果糖、低聚乳果糖、低聚半乳糖和可溶性膳食纤维等,后者在水果蔬菜中含量丰富。Tap等[35]研究发现,在体质量正常的健康成人的饮食中添加膳食纤维40 g/d,5 d后肠道细菌的丰度和稳定性均增加,作者认为其机制可能是膳食纤维素通过激活碳水化合物活性酶的基因编码,提高其活性,调节肠道菌群的代谢(糖代谢)通路。Martínez等[36]给健康的成年人每天进食60 g的全麦,4周后检测结果显示,粪便中细菌多样性、厚壁菌门/拟杆菌门的比例和双歧杆菌比例增加,血清白介素-6(IL-6)和餐后血糖降低。

3.4 昼夜节律(circadian rhythm) 昼夜节律由生物体内的生物钟(biological clock)控制,受位于大脑下丘脑视交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)的主钟和位于肝脏的子钟控制,以近似24 h的明-暗或睡眠-清醒周期调控机体生长繁殖和营养代谢[37]。Voigt等[38]报道了昼夜节律改变和高脂高糖饮食对小鼠肠道菌群的影响,作者认为,环境改变所致的昼夜节律的改变会导致肠道菌群失调,合并高脂高糖饮食后,变化更为显著。此外,遗传导致的昼夜节律改变也是肠道菌群改变的原因。Voigt等[39]随后研究了生物钟基因突变引起的昼夜节律改变对小鼠肠道菌群影响,结果发现生物钟基因即ClockΔ19基因突变(显性负突变等位基因纯合子小鼠)的小鼠肠道的细菌多样性比野生小鼠明显降低,含酒精饮食和正常饮食结果类似。此外,研究表明肠道菌群的改变和昼夜节律之间存在双向调节,可能是通过细菌产物的改变实现[37]。

3.5 药物 影响肠道菌群最常见的药物是抗菌药物,尤其是广谱抗菌药物。抗菌药物使肠内拟杆菌的丰度增加,厚壁菌群和变形菌群丰度明显降低,导致菌群紊乱[18]。Panda等[40]研究了短期服用广谱抗生素对人体肠道菌群的影响,结果显示:21例病人在服用喹诺酮类或β-内酰胺类抗菌药物7 d后,核心系统微生物群由29种减少至12种,其中服用β-内酰胺类药物拟杆菌比例增加1.5倍,服用左氧氟沙星者拟杆菌门/厚壁菌门的比值上升(P=0.0007),粪便中微生物的多样性降低约25%。近年来降糖药对肠道菌群影响的研究备受关注,有研究发现服用二甲双胍者肠内大肠杆菌增加,其机制可能是通过增加葡萄糖、半乳糖和丙酮酸发酵,使SCFA生成减少有关[29]。同为降糖药,阿卡波糖却被发现可以显著提高糖尿病病人肠内双歧杆菌和乳酸菌的丰度,大幅度降低梭菌和拟杆菌的丰度,拟杆菌肠型病人的降糖效果更佳,提示肠道菌群的特征(肠型)可能与药物疗效有关[41]。Zhang等[42]研究发现,小檗碱可以显著降低高脂喂养大鼠肠道菌群的多样性,但显著增加产SCFAs细菌如布劳特氏菌属和支原体科菌的含量,并伴随着粪便SCFAs含量增高。

总之,肠道菌群是机体后天获得、具有多种功能的一个重要“器官”,其构成特征在婴幼儿期、成年期和老年期各不相同,但在老年期呈现的是一个退化或老化趋势,这一变化可能与老年人肠黏膜屏障退化、慢性低度炎症,进而与老年人多种慢性疾病(糖尿病、血管硬化、痴呆、营养不良、衰弱等)有关。因此,了解前述肠道菌群的影响因素,尽力维护肠道菌群的稳定,甚至科学地干预、优化老年人肠道菌群结构,不仅具有现实临床意义,还可能是研究老年慢病防控措施的一个新方向。

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[1] Salazar N, Arboleya S, ValdéL, et al. The human intestinal microbiome at extreme ages of life. Dietary intervention as a way to counteract alterations[J]. Front Genet,2014,5(56):406.

[2] Ramakrishna BS. Role of the gut microbiota in human nutrition and metabolism[J]. J Gastroenterol Hepatol,2013,28(Suppl 4):9-17.

[3] Salazar N, Valdés-Varel L, Gonzlez S, et al. Nutrition and the gut microbiome in the elderly[J]. Gut Microbes,2017,8(2):82-97.

[4] Lynch SV, Pedersen O. The human intestinal microbiome in health and disease[J]. New Engl J Med,2016,375(24):2369-2379.

[5] Sommer F, Bäckhed F. The gut microbiota-masters of host development and physiology.[J]. Nat Rev Microbiol,2013,11(4):227-238.

[6] Bäckhed F, Ding H, Wang T, et al. The gut microbiota as an environmental factor that regulates fat storage[J]. Proc Natl Acad Sci,2004,101(44):15718-15723.

[7] Leblanc JG, Milani C, Giori GSD, et al. Bacteria as vitamin suppliers to their host: a gut microbiota perspective[J]. Curr Opin Biotechnol,2013,24(2):160-168.

[8] Cryan JF, O’Mahony SM. The microbiome-gut-brain axis: from bowel to behavior[J]. Neurogastroenterol Motil,2011,23(3):187-192.

[9] Hsiao EY, Mcbride SW, Hsien S, et al. Microbiota modulate behavioral and physiological abnormalities associated with neurodevelopmental disorders[J]. Cell,2013,155(7):1451-1463.

[10] 卢萌,庄艳,郑松柏. 肠黏膜屏障老化研究进展[J]. 国际老年医学杂志,2016,37(4):180-185.

[11] Yatsunenko T, Rey FE, Manary MJ, et al. Human gut microbiome viewed across age and geography[J]. Nature,2012,486(7402):222-227.

[12] Bergström A, Skov TH, Bahl MI, et al. Establishment of intestinal microbiota during early life: a longitudinal, explorative study of a large cohort of danish infants[J]. Appl Environ Microbiol,2014,80(9):2889-2900.

[13] Arumugam M, Raes J, Pelletier E, et al. Enterotypes of the human gut microbiome[J]. Nature,2011,473(7346):174-180.

[14] Wu GD, Chen J, Hoffmann C, et al. Linking long-term dietary patterns with gut microbial enterotypes[J]. Science,2011,334(6052):105-108.

[15] Roager HM, Licht TR, Poulsen SK, et al. Microbial enterotypes, inferred by the prevotella-to-bacteroides ratio, remained stable during a 6-month randomized controlled diet intervention with the new nordic diet[J]. Appl Environ Microbiol,2014,80(3):1142-1149.

[16] Odamaki T, Kato K, Sugahara H, et al. Age-related changes in gut microbiota composition from newborn to centenarian: a cross-sectional study[J]. BMC Microbiol, 2016,16:90.

[17] Biagi E, Nylund L, Candela M, et al. Through ageing, and beyond: gut microbiota and inflammatory status in seniors and centenarians[J]. PLoS One,2010,5(5):e10667.

[18] Woodmansey EJ, Mcmurdo ME, Macfarlane GT, et al. Comparison of compositions and metabolic activities of fecal microbiotas in young adults and in antibiotic-treated and non-antibiotic-treated elderly subjects[J]. Appl Environ Microbiol,2004,70(10):6113-6122.

[19] Zwielehner J, Liszt K, Handschur M, et al. Combined PCR-DGGE fingerprinting and quantitative-PCR indicates shifts in fecal population sizes and diversity of Bacteroides, bifidobacteria and Clostridium cluster IV in institutionalized elderly[J]. Experim Gerontol,2009,44(6/7):440-446.

[20] Hayashi H, Sakamoto M, Kitahara M, et al. Molecular Analysis of Fecal Microbiota in Elderly Individuals Using 16S rDNA Library and T-RFLP[J]. Microbiol Immunol,2003,47(8):557-570.

[21] Mueller S, Saunier K, Hanisch C, et al. Differences in Fecal Microbiota in Different European Study Populations in Relation to Age, Gender, and Country: a Cross-Sectional Study[J]. Appl Environ Microbiol,2006,72(2):1027-1033.

[22] Mäkivuokko H, Tiihonen K, Tynkkynen S, et al. The effect of age and non-steroidal anti-inflammatory drugs on human intestinal microbiota composition[J]. Br J Nutr,2010,103(2):227-234.

[23] Phd NS, Phd PL, Dvm LV, et al. Microbial targets for the development of functional foods accordingly with nutritional and immune parameters altered in the elderly[J]. J Am Coll Nutr,2013,32(6):399-406.

[24] Woodmansey EJ. Intestinal bacteria and ageing[J]. J Appl Microbiol,2007,102(5):1178-1186.

[25] Mäkivuokko H, Tiihonen K, Tynkkynen S, et al. The effect of age and non-steroidal anti-inflammatory drugs on human intestinal microbiota composition[J]. Br J Nutr,2010,103(2):227-234.

[26] 李素军,徐哲荣,鲁海峰,等. 不同年龄健康人群肠道微生态差异比较[J]. 中华老年医学杂志,2011,30(12):990-993.

[27] 李超,崔立红. 高脂血症、高脂饮食与肠道菌群的关系[J]. 世界华人消化杂志,2013(14):1273-1277.

[28] 郑松柏,卢萌. 膳食纤维与老年人肠黏膜屏障及肠内外相关疾病[J]. 中华老年医学杂志,2017,36(3):238-241.

[29] Zhernakova A, Kurilshikov A, Bonder MJ, et al. Population-based metagenomics analysis reveals markers for gut microbiome composition and diversity[J]. Science,2016,352(6285):565-569.

[30] Clarke SF, Murphy EF, O’Sullivan O, et al. Exercise and associated dietary extremes impact on gut microbial diversity[J]. Gut,2014,63(12):1913-1920.

[31] Barton W, Penney NC, Cronin O, et al. The microbiome of professional athletes differs from that of more sedentary subjects in composition and particularly at the functional metabolic level[J]. Gut,2018,67(4):625-633.

[32] 孙红梅. 健身气功·八段锦练习对老年人肠道菌群的影响[J]. 中国运动医学杂志,2012,31(11):973-977.

[33] 段丽梅. 五禽戏锻炼对老年人抗氧化能力和肠道乳酸菌的影响及相关性研究[J]. 中国体育科技,2012,48(2):112-116.

[34] 周涛,邱宗忠,刘巍. 太极拳锻炼对肥胖老年人肠道益生菌和血脂代谢影响的相关性研究[J]. 山东体育学院学报,2012,28(1):62-66.

[35] Tap J, Furet JP, Bensaada M, et al. Gut microbiota richness promotes its stability upon increased dietary fibre intake in healthy adults[J]. Environ Microbiol,2015,17(12):4954-4964.

[36] Martínez I, Lattimer JM, Hubach KL, et al. Gut microbiome composition is linked to whole grain-induced immunological improvements[J]. Isme J,2013,7(2):269-280.

[37] Leone V, Gibbons SM, Martinez K, et al. Effects of Diurnal Variation of Gut Microbes and High-Fat Feeding on Host Circadian Clock Function and Metabolism[J]. Cell Host Microbe,2015,17(5):681-689.

[38] Voigt RM, Summa KC, Forsyth CB, et al. The CircadianClock Mutation Promotes Intestinal Dysbiosis[J]. Clin Exp Res,2016,40(2):335-347.

[39] Voigt RM, Forsyth CB, Green SJ, et al. Circadian disorganization alters intestinal microbiota[J]. PLoS One,2014,9(5):e97500.

[40] Panda S, El khader I, Casellas F, et al. Short-term effect of antibiotics on human gut microbiota[J]. PLoS One,2014,9(4):e95476.

[41] Gu Y, Wang X, Li J, et al. Analyses of gut microbiota and plasma bile acids enable stratification of patients for antidiabetic treatment[J]. Nat Commun,2017,8(1):1785.

[42] Zhang X, Zhao Y, Zhang M, et al. Structural changes of gut microbiota during berberine-mediated prevention of obesity and insulin resistance in high-fat diet-fed rats [J]. PLoS One, 2012,7(8): e42529.