腸道菌群（Gut Mircrobiota ≈ CNS！）

05-30

小白講實驗，帶你走進科研殿堂，助你從實驗小白變身科研達人
實驗小白

人的胃腸道表面積大約有400平方米（相當於2個網球場的大小），而體內95%的細菌都位於胃腸道中，總量大概有1-2千克，幾乎占糞便乾重的1/3。儘管細菌的體積僅僅是細胞的1/10到1/50大小，但是細菌的數量是機體細胞數量的10倍，首尾相連能繞地球兩圈半。從胃到結腸，細菌的數量和代謝強度都是逐漸增加的，因此，結腸是人體中細菌濃度最高，代謝最旺盛的部位。

影響腸道菌群的因素Brain-Gut axis

當大腦有應激反應時，可通過腎上腺素能神經途徑改變腸道菌群穩態，引起腸道內環境紊亂[1]。最常見的是應激性腸炎（IBS），即在你緊張的時候可引起急性腹瀉的一種疾病。實驗小白將有專刊為大家介紹這種神秘的疾病（「懶驢上磨屎尿多」中的科學知識）。

1.Collins SM, Bercik P: The relationship between intestinal microbiota and the central nervous system in normal gastrointestinal function and disease. Gastroenterology 2009, 136:2003-2014.

酒精 & 腸道菌群

酒精和乙醛等可增加腸道的通透性，引起腸道菌群紊亂，導致菌群分泌LPS、PGN、flagellin、CpG以及DNA增加，最終改變肝內免疫反應，促進酒精性肝病等肝臟疾病的發生髮展。

1. Szabo G: Gut-liver axis in alcoholic liver disease. Gastroenterology 2015, 148:30-36.

宿主糞便中的miRNA & 腸道菌群

宿主糞便中的miRNA可進入像F.nucleatum 和E.coli等腸內細菌，調控其基因的轉錄，最終影響這些腸內細菌的生長。糞便中缺少miRNA可導致腸內菌群紊亂，加重大腸炎發展；而移植正常小鼠糞便中的miRNA則可減輕大腸炎癥狀[1]。

1. Liu S, da Cunha AP, Rezende RM, Cialic R, Wei Z, Bry L, Comstock LE, Gandhi R, Weiner HL: The Host Shapes the Gut Microbiota via Fecal MicroRNA. Cell Host Microbe 2016, 19:32-43.

宿主遺傳背景 & 腸道菌群

2014年cell雜誌發文稱，同卵雙生比異卵雙生具有更相似的腸道菌群組成，而且鑒定出多種和遺傳有關的腸道細菌種屬。另外，該文章還發現減肥相關腸道細菌（Chtistensenella minuta）.如上圖所示，與肥胖的人相比，苗條的人具有更高水平的C.minuta，而無菌小鼠接受C.minuta移植後，小鼠體重減輕。

1. Goodrich JK, Waters JL, Poole AC, Sutter JL, Koren O, Blekhman R, Beaumont M, Van Treuren W, Knight R, Bell JT, et al: Human genetics shape the gut microbiome. Cell 2014, 159:789-799.

抗生素/質子泵抑製劑等 & 腸道菌群

抗生素和質子泵抑製劑等試劑的大量使用可改變腸道菌群組成。在我國，抗生素濫用問題十分嚴重，而獸用抗生素濫用問題更是觸目驚心。

1. Modi SR, Collins JJ, Relman DA: Antibiotics and the gut microbiota. J Clin Invest 2014, 124:4212-4218.

2. Jackson MA, Goodrich JK, Maxan ME, Freedberg DE, Abrams JA, Poole AC, Sutter JL, Welter D, Ley RE, Bell JT, et al: Proton pump inhibitors alter the composition of the gut microbiota. Gut 2016, 65:749-756.

Tfh-IgA & 腸道菌群

宿主體內的TLR配體與DC等抗原提呈細胞表面的TLR結合後誘導Tfh細胞產生，進而輔助B細胞產生IgA抗體來調控腸道菌群組成[1-3]。

1. Kubinak JL, Petersen C, Stephens WZ, Soto R, Bake E, O"Connell RM, Round JL: MyD88 signaling in T cells directs IgA-mediated control of the microbiota to promote health. Cell Host Microbe 2015, 17:153-163.

2. Proietti M, Cornacchione V, Rezzonico Jost T, Romagnani A, Faliti CE, Perruzza L, Rigoni R, Radaelli E, Caprioli F, Preziuso S, et al: ATP-gated ionotropic P2X7 receptor controls follicular T helper cell numbers in Peyer"s patches to promote host-microbiota mutualism. Immunity 2014, 41:789-801.

3. Kawamoto S, Maruya M, Kato LM, Suda W, Atarashi K, Doi Y, Tsutsui Y, Qin H, Honda K, Okada T, et al: Foxp3(+) T cells regulate immunoglobulin a selection and facilitate diversification of bacterial species responsible for immune homeostasis. Immunity 2014, 41:152-165.

母體IgG和IgA抗體促進子代腸道菌群穩態

母體內IgG和IgA抗體協同作用抑制子代體內腸道菌群特異性的CD4+T細胞反應，從而維持子代腸道菌群穩態。

1. Koch MA, Reiner GL, Lugo KA, Kreuk LS, Stanbery AG, Ansaldo E, Seher TD, Ludington WB, Barton GM: Maternal IgG and IgA Antibodies Dampen Mucosal T Helper Cell Responses in Early Life. Cell 2016, 165:827-841.

飲食 & 腸道菌群

如上圖所示，高纖維飲食可以很好的維持母代、子代和孫代的腸道菌群多樣性，而低纖維飲食可顯著減少母代、子代和孫代的腸道菌群多樣性。而且這種多樣性減少的過程是不可逆的[1]。

1. Sonnenburg ED, Smits SA, Tikhonov M, Higginbottom SK, Wingreen NS, Sonnenburg JL: Diet-induced extinctions in the gut microbiota compound over generations. Nature 2016, 529:212-215.

腸道菌群的作用

腸道菌群除了和腸內疾病的發生髮展（如IBD、IBS、克羅恩病、結直腸癌等）有直接關係，和腫瘤、肥胖、糖尿病、關節炎、哮喘等腸外疾病也有密切關係，甚至還能影響機體的行為、學習和記憶等過程。實驗小白這一期重點為大家介紹腸道菌群與這些腸外疾病的關係。

腸道菌群 & 免疫

在具體介紹腸道菌群和疾病的關係之前，我們首先總體了解一下腸道菌群是如何調控機體的免疫系統的。

腸道菌群的代謝物

腸道菌群的代謝產物中的短鏈脂肪酸（Short-chain fatty acids）、芳香烴受體的配體（AHR liagands）、多胺類物質（polymines）等都可顯著影響機體的免疫功能。尤其是短鏈脂肪酸可結合多種GPR分子，誘導Treg細胞和耐受型的DC細胞產生，維持腸道穩態，最終降低Th2、過敏等炎症反應[1]。

1.Rooks MG, Garrett WS: Gut microbiota, metabolites and host immunity. Nat Rev Immunol 2016, 16:341-352.

腸道菌群的組分

腸道菌群很多自身組分（如LPS、鞭毛蛋白、肽聚糖、甲醯基多肽以及特殊的核酸等）都可調控機體的免疫反應。例如（如上圖所示），腸道擬桿菌的成分PSA經過DC細胞提呈後，誘導Treg細胞產生，同時抑制Th1和Th17細胞反應[1]。

1.Rooks MG, Garrett WS: Gut microbiota, metabolites and host immunity. Nat Rev Immunol 2016, 16:341-352.

Gut-Liver axis

腸道菌群穩態被環境或免疫等因素破壞後，可產生大量的病原體相關分子模式，這些分子隨著門靜脈進入肝臟進而與TLR等模式識別受體結合而活化肝內巨噬細胞、星狀細胞等固有免疫細胞，最終可導致肝纖維化、肝炎、NAFLD以及肝癌的發生[1]。

1.Chassaing B, Etienne-Mesmin L, Gewirtz AT: Microbiota-liver axis in hepatic disease. Hepatology 2014, 59:328-339.

Gut-Brain axis

腸道菌群還可通過代謝產物、刺激免疫細胞分泌細胞因子、誘導腸內分泌細胞產生5-HT、影響神經細胞等方式調節大腦活動，最終影響人的行為、心情、學習和記憶等活動[1-2]。

1.Collins SM, Surette M, Bercik P: The interplay between the intestinal microbiota and the brain. Nat Rev Microbiol 2012, 10:735-742.

2. Yano JM, Yu K, Donaldson GP, Shastri GG, Ann P, Ma L, Nagler CR, Ismagilov RF, Mazmanian SK, Hsiao EY: Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis. Cell 2015, 161:264-276.

腸道菌群 & 腫瘤（詳細內容請點擊這裡）

腸道菌群 VS. 腫瘤形成

在TLR信號存在的卡波氏肉瘤模型中，腸道共生菌產物觸發TLR5信號，促進腫瘤生長。而抗生素處理後，可控制腫瘤生長；而在TLR5信號缺失的卵巢癌和乳腺癌模型中，異常的腸道菌群可通過誘導IL-6和IL-17的產生促進腫瘤的發生髮展。而抗生素處理後，也可抑制這兩種腫瘤的生長[1]。

1. Rutkowski MR, Stephen TL, Svoronos N, et al. Microbially driven TLR5-dependent signaling governs distal malignant progression through tumor-promoting inflammation. Cancer Cell 2015; 27:27-40.

腸道菌群 VS. 腫瘤治療

腸道菌群刺激免疫細胞分泌ROS，阻斷腫瘤細胞的DNA修復和轉錄，導致細胞死亡，最終可增強奧沙利鉑（oxaliplatin）的療效[1]；而在小鼠自發的腫瘤模型中，抗生素清除腸道菌群後可減弱CpG的療效[2]。同時，研究發現腸道菌群可顯著增加anti-PD-1/PD-L1和anti-CTLA-4治療腫瘤的效果 [3,4]。

1. Iida N, Dzutsev A, Stewart CA, et al. Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment. Science 2013; 342:967-70.

2. Iida N, Dzutsev A, Stewart CA, et al. Commensal bacteria control cancer response to therapy by modulating the tumor microenvironment. Science 2013; 342:967-70.

3. Sivan A, Corrales L, Hubert N, et al. Commensal Bifidobacterium promotes antitumor immunity and facilitates anti-PD-L1 efficacy. Science 2015.

4. Vetizou M, Pitt JM, Daillere R, et al. Anticancer immunotherapy by CTLA-4 blockade relies on the gut microbiota. Science 2015.

腸道菌群 & 自身免疫病

如圖所示，腸道菌群可通過影響Th17/Treg細胞平衡進而影響關節炎、哮喘、1型糖尿病以及多發性硬化等自身免疫病的發生髮展[1]。事實上，最新研究顯示，腸道菌群還可通過誘導Tfh細胞的產生和遷移來促進關節炎形成[2]。

1. Kamada N, Seo SU, Chen GY, Nunez G: Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory disease. Nat Rev Immunol 2013, 13:321-335.

2. eng F, Klinger CN, Felix KM, Bradley CP, Wu E, Tran NL, Umesaki Y, Wu HJ: Gut Microbiota Drive Autoimmune Arthritis by Promoting Differentiation and Migration of Peyer"s Patch T Follicular Helper Cells. Immunity 2016, 44:875-888.

母代腸道菌群 & 子代固有免疫

母體腸道菌群依賴於母體循環抗體傳遞微生物複合物途徑來增加胎兒體內ILC3s細胞和F4/80(+)CD11c(+)單核細胞的數量，最終促進子代小鼠固有免疫反應形成[1]。

1. Gomez de Aguero M, Ganal-Vonarburg SC, Fuhrer T, Rupp S, Uchimura Y, Li H, Steinert A, Heikenwalder M, Hapfelmeier S, Sauer U, et al: The maternal microbiota drives early postnatal innate immune development. Science 2016, 351:1296-1302.

研究腸道菌群的常用方法利用高通量測序研究腸道菌群組成

幾乎所有的關於腸道菌群的文章都有利用高通量測序技術。一般先獲取糞便中微生物的DNA或RNA，然後擴充微生物的16S RNA基因，接著利用高通量測序分析腸道微生物的分離，多樣性和功能。利用生物信息學分析具有差異的菌群種屬、基因和信號通路，最後證明這些差異之間的因果關係。

無菌動物（germ-free animals）

無菌動物現已被廣泛用於研究腸道菌群在生理和病理過程中的作用。與常規動物相比，無菌動物消耗更多的能力，分泌更多的脂質，體重更輕。另外，無菌動物還具有嚴重的免疫缺陷和易感性。例如，無菌小鼠（上海斯萊克可以購買到這種小鼠，目前售價大概是1000元人民幣/只）具有更少的派爾集合淋巴結和腸系膜淋巴結，B細胞分泌較少的IgA（其具有維持黏膜屏障完整性的重要功能）[1]。此外，無菌小鼠脾臟中具有更少的Th1細胞，更多的Th2細胞，因此，其過敏反應更重[2]。而無菌小鼠腸黏膜中的Th17細胞和Treg細胞數量都是減少的。值得注意的是，無菌小鼠在行為學和應激反應上也有改變，這可能是由於其分泌較少的5-羥色胺的原因[3]。

1. Pabst O: New concepts in the generation and functions of IgA. Nat Rev Immunol 2012, 12:821-832.

2. Mazmanian SK, Liu CH, Tzianabos AO, Kasper DL: An immunomodulatory molecule of symbiotic bacteria directs maturation of the host immune system. Cell 2005, 122:107-118.

3.Yano JM, Yu K, Donaldson GP, Shastri GG, Ann P, Ma L, Nagler CR, Ismagilov RF, Mazmanian SK, Hsiao EY: Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis. Cell 2015, 161:264-276.

抗生素處理SPF小鼠

慣用的做法：在小鼠的飲用水中加入氨苄青黴素(ampicilin, 1 g/L)、萬古黴素(vancomycin, 0.5 g/L)、新黴素(neomycin, 1g/L)和甲硝噠唑(metronidazole, 1g/L)，連續處理2-4周 [1]。由於抗生素在水中的有效期為24小時，因此，最好每天更換含有抗生素的飲用水。另外，還可以在飲用水中加入少量的蔗糖來改善口感（含有抗生素的飲用水較苦）。

1.Rakoff-Nahoum S, Paglino J, Eslami-Varzaneh F, Edberg S, Medzhitov R: Recognition of commensal microflora by toll-like receptors is required for intestinal homeostasis. Cell 2004, 118:229-241.

因此，少喝酒、多食富含纖維的食物、保持好的心情才是健康生活！