肠道菌群-宿主代谢轴与肠道疾病

摘 要 肠道菌群-宿主代谢轴的定义为能够将一组特定的宿主细胞信号通路与一系列的肠道菌群种类、亚生态系统、菌群代谢活动联系在一起的多向的、相互影响的化学信号高速联通途径。人类许多疾病与肠道菌群失衡有关，即与肠道菌群的组成和功能改变有关。本文介绍肠道菌群分类方法，重点叙述细菌代谢及代谢物失调的原因和后果，特别是与多种肠道疾病的关联，并对以菌群代谢物为作用靶点的新的肠道疾病诊疗途径开发前景作了展望。

关键词 肠道菌群 肠道菌群-宿主代谢轴 肠道疾病

中图分类号：R333.3； R574 文献标志码：A 文章编号：1006-1533（2024）19-0007-05

引用本文 张红阳， 邱志兵， 陈坚. 肠道菌群-宿主代谢轴与肠道疾病[J]. 上海医药， 2024， 45（19）： 7-11.

Gut microbiota-host metabolic axis and intestinal diseases

ZHANG Hongyang， QIU Zhibing， CHEN Jian

（Department of Gastroenterology， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT The gut microbiota-host metabolic axis is defined as a group of high-speed multi-disciplinary， interactive chemical signal pathways that link a specific host cell pathway to a series of gut microbiome species， subecosystems and metabolic activities. Many diseases are related to intestinal microbiota disorders （alterations of the composition or functions of the intestinal microbiota）. The present article focus on the gut flora dysfunction classification， the causes and consequences of the dysfunction of intestinal metabolites， as well as their roles in the molecular etiology of various intestinal diseases. Meanwhile， novel diagnostic and therapeutic approaches targeting microbiota and its metabolites are also discussed.

KEY WORDS gut flora； gut microbiota-host metabolic axis； intestinal diseases

肠道微生物群是一个复杂而庞大的系统，包含细菌、真菌、病毒和古生菌四界微生物[1]。肠道微生物群拥有超过人体10倍的细胞数和100倍的基因数[2]，这为人体提供了更多的遗传多样性。从宿主出生开始，肠道菌群与宿主间就存在着复杂的相互作用。肠道菌群的组成和活动随着宿主的基因组、营养和生活方式的不同而变化，与宿主共代谢、共进化、同发展。肠道菌群参与调控宿主的多种代谢途径，与肠、肝、肌肉和脑等多个组织或器官相互影响，在宿主的代谢、细胞信号转导和免疫方面都起着非常重要的作用。肠道菌群-宿主代谢轴被定义为能够将一些特定的宿主细胞信号通路与一系列的肠道菌群种类、亚生态系统、菌群代谢活动联系在一起的多向的、相互影响的化学信号高速联通途径。大量研究提示，肠道微生物群的变化及它们和宿主的相互作用与人类各种疾病密切相关，包括各种胃肠道疾病[3]甚至神经精神系统疾病如帕金森病、阿尔茨海默病、抑郁症[4]、自闭症等。

1 微生物群测序技术的发展

高通量测序技术的进步为肠道微生态研究提供了有力武器。16S rDNA测序系利用细菌核酸可变区V3～V6进行扩增并进行第一代测序的技术，能以较低的成本对微生物群中的细菌进行菌属分类[5]。但16S rDNA测序的错误率较高且灵敏度低，不能区分样品中的活、死细菌。此外，16S rDNA测序只能识别细菌门或属的相关性，而无法识别细菌种的变化，局限性明显。相比之下，16S rRNA测序利用核糖体小亚基（ribosomal small subunit， SSU）的多聚腺苷酸尾部进行反转录，合成对应于全长SSU rRNA的高质量、长读长cDNA来构建测序文库，再运用第二代测序方法获得全长SSU rRNA序列，能将微生物群中的原核和真核微生物鉴别至种的水平[6]。

人体中有两个基因组，一个是人基因组，约含有2.5万个基因；另一个被称为“微生物组”，指的是人出生后才进入人体、特别是肠道内的多达1 000多种共生微生物的遗传信息的总和[7]。根据研究目标，微生物组研究分为宏基因组学、宏转录组学和宏代谢组学，其中宏基因组测序能对微生物群中的全部DNA序列进行描述，提供所有微生物种分类水平和功能通路上的基因丰度信息，帮助分析微生物群与疾病的关联。肠道微生物群产生的小分子代谢物具有调节免疫、帮助消化和维持肠道屏障的功能[8]。宏代谢组学可揭示人体肠道中众多微生物代谢物的细微变化。整合宏代谢组学和宏基因组学的研究被称为宏基因组关联分析（metagenome-wide association studies， MWAS）。通过MWAS，能够进行旨在明晰微生物群与疾病之间复杂关联的研究，从而帮助我们阐明微生物群与其代谢物之间的相互作用以及与特定疾病的关联。

已有许多研究评估了健康和患病个体的肠道菌群组成。然而，研究微生物代谢物，分析产生这些代谢物的微生物代谢组，这更有助于阐明微生物群与疾病的关联。分析结肠微生物代谢物的最传统方法是先提出假说，然后靶向某种代谢物进行倒推并论证[9]。同位素标记法是研究体内细菌代谢途径的一种很好的工具。此外，基于磁共振氢谱或质谱分析的代谢物指纹图谱也是一种比较先进的细菌代谢途径研究工具。对人体尿液、呼出气、血浆和粪便样本中的已知微生物代谢物的量化和表征不仅可以揭示结肠微生物群的新的代谢途径，且还有助于对结肠微生物群的生理调节过程的深入研究。特定的微生物代谢物谱能够作为诊断工具，用于鉴别多种胃肠道疾病如溃疡性结肠炎与克罗恩病等。

目前已有多家基因研究公司建立了基于宏代谢组学方法的肠道菌群代谢物全谱分析平台，后者能够定量检测上百种宿主-肠道菌群共代谢物，包括短链脂肪酸、胆汁酸、胆碱代谢物、酚类、吲哚类、多胺类、脂类、维生素类、激素类等。此外，超高效液相色谱-三重四级杆质谱检测技术可对复杂样本中的不同微生物代谢物进行区分并测定谱峰面积，从而靶向测定样本中每种代谢物的浓度。

2 肠道菌群分类方法及其代谢产物

肠道菌群分类方法有肠型分类法[10]、分层分类法、梯度分类法和系统发育核心分类法[11]等，但这些分类法都不能反映肠道菌群的功能特性。若能采用“肠道核心菌群”来描述肠道关键菌群，可更准确地反映肠道菌群的重要代谢功能。肠道核心菌群一般是指具有相似代谢功能的肠道菌群，如产丁酸菌群、产丙酸菌群、产气菌群、嗜氢微生物（还原性醋酸菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌）、产乳酸菌群、参与胆汁酸代谢菌群、参与蛋白质和氨基酸代谢菌群、产维生素菌群、降解乙酸菌群等。

2016年，比利时鲁汶大学的一个研究团队和荷兰格林宁根大学的一个研究团队相继在《科学》杂志上发表论文，分别报告了自己通过大型研究寻找人类肠道核心微生物群的结果，为进一步建立肠道微生物群的生物标记体系和评估肠道菌群是否正常奠定了基础。其中，鲁汶大学的研究团队通过“弗拉芒肠道菌群计划”收集了1 106人的肠道菌群样本，找出了决定个体间菌群差异的主要因素；格林宁根大学的研究团队则通过基因组测序分析了1 135人的宏基因组学数据，发现了多种能用来分析、预测肠道菌群组成和功能的生物标志物。结合这两项研究和其他欧美国家研究数据，科学家们确定了包含664个菌属在内的人类肠道核心菌群，即95%的人的肠道内都存在这些菌属[12]。

结肠菌群在人类消化生理中起着重要作用，并对大肠内稳态作出了重要贡献。结肠菌群的主要代谢活动与碳水化合物和蛋白质的消化有关。人体摄入的膳食纤维虽然无法为小肠消化吸收，但可作为益生元促进结肠菌群的生长。短链脂肪酸（主要包括乙酸、丙酸和丁酸）是膳食纤维分解过程中的最重要代谢物。相比之下，结肠内的蛋白质消化会产生更多样化的终产物：除短链脂肪酸外，还包括胺类、酚类、吲哚类、硫醇类化合物，以及甲烷、氢气和硫化氢等，其中许多代谢终产物都有细胞毒性。

短链脂肪酸大部分被肠道吸收并在人体各组织中代谢，其在肠道的能量代谢和健康方面扮演着关键角色，结肠黏膜上皮细胞所需能量的约70%来源于短链脂肪酸的β-氧化而非糖类的有氧氧化。结肠中的碳水化合物酵解通常是一个有益的过程，因为负责水解碳水化合物的细菌也会在此过程中摄取蛋白质腐败作用产生的有毒代谢物，从而起到保护宿主的作用。不过，随着食糜沿着肠道移行，碳水化合物被逐渐消耗殆尽，蛋白质腐败作用的产物也会逐渐蓄积，这一现象可能与远端结肠的炎症和肿瘤发病率相对较高有关[13]。

肠道菌群失衡可导致机体代谢失调，其主要特征是代谢物异常，如血、尿、粪或呼出气中的微量成分异常。微生物代谢紊乱是许多疾病发生的根源。菌群代谢失调不一定伴随明显的细菌数量的变化，而是呈现菌群组成比例失调，即分类失调。结肠（粪便、黏膜活检样本）、血液（血清、血浆）、尿液或口鼻呼出气中的代谢物浓度或代谢物谱都有望用作肠道菌群失衡诊断的新生物标志物。肠道菌群失衡的各种临床表现主要是由于肠道菌群合成短链脂肪酸受到干扰和硫化氢、氨、次级胆酸（尤其是脱氧胆酸）产生增加所引起的，这类肠道菌群失衡最终可诱发炎症性肠病和结直肠癌。此外，细菌对胆碱的代谢紊乱会产生过量三甲胺，后者是三甲胺-N-氧化物的前体。此类菌群代谢失调与心血管疾病风险增高有关，可导致动脉粥样硬化。细菌对芳香族氨基酸的代谢紊乱会导致苯丙氨酸、酪氨酸衍生物（苯羧酸、对甲酚）和色氨酸、吲哚衍生物（吲哚、吲哚羧酸）产生增加，从而诱发肠易激综合征、炎症性肠病、结直肠癌、慢性肝病、肾病、心血管疾病、自闭症和精神分裂症[14]。

3 肠道菌群代谢物与肠道疾病的诊断和治疗

对于肠道疾病，肠道菌群代谢物既是新的诊断标志物，也有望成为一类新的治疗靶点。人们有望通过调整饮食来干预肠道细菌的代谢，进而预防和治疗肠道菌群失衡相关的疾病，这将是一个全新的探索领域。

3.1 饮食代谢物与结直肠癌

一项新近研究发现，高脂肪、低碳水化合物的生酮饮食能通过代谢产生的β-羟基丁酸而在小鼠中发挥抗结直肠癌作用[15]。进一步的分析发现，生酮饮食可通过提高其效应代谢物β-羟基丁酸水平来减少结肠隐窝细胞增殖，抑制肠道肿瘤生长。具体机制为：β-羟基丁酸通过作用于细胞表面受体Hcar2，诱导有潜在抑癌作用的转录因子Hopx表达上调，进而抑制肿瘤细胞增殖。这些发现提示，生酮饮食或补充β-羟基丁酸具有用于结直肠癌预防和治疗的潜能。

结肠组织内的共生菌对结直肠癌的发生发展有重要影响，但目前研究主要集中于致病菌的致病机制探索，对于肠道组织中能够抑制肿瘤发展的益生菌知之甚少。我国学者的研究发现，在大肠癌患者中，某些毛螺菌科的共生菌活泼瘤胃球菌和生产布劳特菌富集于正常和癌旁结肠组织中，它们可通过降解肿瘤中的代谢物溶血甘油磷脂，增强CD8+ T细胞的免疫监视功能，进而发挥抗肿瘤作用[16]。

3.2 肠道菌群失衡与肠-脑轴紊乱

尽管研究已经证实，肠-脑轴联通着肠道功能与大脑的情感和认知中心，肠、脑的双向交流受神经、激素和免疫系统的调节，但大脑与肠道菌群之间是否存在着通过神经元直接调节的生理过程，此仍有待研究。最近，一项法国研究证实，肠道菌群与大脑之间可以“直接对话”，神经元能够直接感知肠道细菌细胞壁成分肽聚糖，并由此相应地调节宿主的食欲和体温[17]。该研究通过脑成像技术确认了小鼠的核苷酸结合寡聚结构域2（nucleotide-binding oligomerization domain 2， NOD2）受体由大脑下丘脑等区域的神经元参与组成，并发现这些神经元与肠道中的胞壁肽接触时其电活动受到抑制，而敲除NOD2受体后，神经元则不会被抑制，此时小鼠更易发生糖尿病，寿命也明显缩短。由此，该研究明确了一种摄食调节行为和宿主感应细菌代谢的机制。除此之外，该研究还发现NOD2在调控雌性老年小鼠摄食行为和体温等能量代谢中发挥着关键作用。

3.3 肠黏膜屏障受损与炎症性肠病

受饮食、药物、肠黏膜屏障、免疫系统和菌群本身等因素的影响，肠道菌群的组成会不断发生变化。在应激条件下，肠道菌群的多样性迅速降低，而特定细菌亚群迅速增长。肠道菌群组成的自然变异可能恶化为菌群失衡。尽管自然变异和应激因素的结合介导了不稳定事件（如肠道菌群的多样性降低或特定菌群扩增）的级联反应，但肠道菌群失衡的机制目前仍不清楚。氧化应激、噬菌体诱导和细菌毒素的分泌均能触发肠道菌群的快速变化，从而导致肠道菌群失衡[18]。

炎症性肠病包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，其是一类多因素引起的慢性胃肠道炎性疾病，目前在全球影响到约680万人。炎症性肠病的发病机制复杂，与遗传、免疫系统失调和肠道菌群失衡等有关。肠黏膜上皮的糖基化稳态作为一个尚未被充分认识的过程，与肠道菌群-宿主之间的相互作用关系密切[19]。炎症性肠病与肠黏膜上皮的截短型-O-聚糖表达的增加和末端聚糖结构表达改变的增多有关，这些变化会破坏肠黏膜的黏液层、聚糖-凝集素的相互作用、肠道菌群-宿主的相互作用和黏膜免疫，最终导致炎症性肠病的发生。黏膜上皮聚糖通过提供细菌配体和营养物质，最终影响肠道菌群的空间结构，在调节肠道菌群方面起着重要作用。

目前认为，在遗传易感性个体中，肠道菌群失衡诱发的异常的黏膜免疫反应是炎症性肠病的重要致病因素。肠道菌群在人类生理活动中起着至关重要的作用，而其许多效应都是由细菌代谢物介导的，其中芳香族氨基酸中的色氨酸是菌群与宿主发生相互作用所不可或缺的一个代谢物。在肠道中，5-羟色胺、犬尿氨酸和吲哚衍生物是色氨酸代谢的3种主要产物。色氨酸代谢受菌群的直接或间接控制[20]。若能了解肠道菌群调控色氨酸代谢的途径和菌群-宿主的相互作用，就可帮助我们更好地认识炎症性肠病的发病机制，进而为开发更有效的炎症性肠病治疗方法提供理论依据。

虽然炎症性肠病与肠道菌群的组成和代谢变化（生态失调）有关，但在人类机体内，生态失调与炎症性肠病之间有无直接因果关系尚未得到明确。动物模型研究揭示，肠道菌群对宿主既有保护作用，也有促炎作用。此外，来自这些动物模型研究的数据还表明，尽管肠道菌群通常可驱动免疫激活，但慢性炎症也会反过来重塑肠道菌群并导致菌群失衡。Ni等[21]整理并总结了炎症性肠病与肠道菌群失衡之间的关联，描述了不同肠道细菌在特定结肠炎动物模型中的作用，并讨论了在人类炎症性肠病管理中以肠道菌群作为作用靶点的干预措施的潜能。

为了进一步明确在炎症性肠病患者中宿主与肠道菌群在分子层面的代谢组变化，Franzosa等[22]对155例确诊的炎症性肠病、65例待确诊的炎症性肠病患者和34例非炎症性肠病个体的粪便样本进行了非靶向代谢组学和霰弹枪宏基因组学分析，结果发现代谢组学和宏基因组学数据与受试者的粪便钙卫蛋白水平密切相关，而粪便钙卫蛋白水平是一种可较好地反映肠道炎症程度的生物标志物。该研究通过检测和分析8 000多份粪便样本中的代谢物特征，确定了炎症性肠病患者肠道中差异表达的化学物质类别，包括鞘磷脂和胆汁酸的富集水平增高，三酰甘油和四吡啶的水平下降等。该研究发现了122个差异表达明显的菌种和代谢物，虽然半数以上的代谢物差异表达并不典型，但其中许多代谢物可以被假设为“犯罪因素”而予以进一步的研究。宏基因组学研究所发现的物种丰度及功能的差异化反映了炎症性肠病患者肠道局部的高氧化应激状态。

4 结语

在近几十年中，科学家们已经发现许多多因素疾病（包括炎症、肿瘤，以及自身免疫性、代谢紊乱性和神经退行性疾病等）与肠道菌群的组成、功能改变和代谢组变化有关，但要明确疾病的发生与菌群失衡的关联，并将宿主与菌群之间的因果关系与伴同关系区分开来，仍是相关研究者面临的严峻挑战，可能需要借助新型分子生物学手段，尤其是菌群谱分析、代谢组学关联分析、微生物群系关联研究等技术的发展和应用。

肠道菌群-宿主代谢轴可为多种疾病的治疗或干预提供诸多潜在作用靶点。以调节人体肠道菌群及其代谢物作为作用靶点，是防治疾病和提高宿主健康水平的新手段和新方向[23]。若能运用科学手段，在分子水平上了解肠道菌群代谢失调的发生机制、内源性和外源性调控的过程（如环境、膳食、药物）及其相关下游调控效应，就有望开发出与肠道菌群失衡相关的疾病的微生物或其代谢物治疗方法。

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