腸道菌群致病機理與肥胖

人類對腸道菌群的研究早在100多年前就有了。但新的研究手段令這個古老的課題又煥發出生命之光。它是時下最熱門的科學前沿，對它的探索，已使國際科學界聯合起來，著手進行「人類第二基因組計劃」　　諾貝爾醫學獎獲得者喬舒亞·萊德伯格曾說，「人是與其共生的微生物構成的超級生物。」人體內寄生著各種微生物，光是在腸道里，就有幾千種、總重達1.5公斤的細菌。一直以來，科學家們只是隱約知道腸道菌群影響人體健康，但對於究竟有什麼影響、如何發揮作用卻不甚了了。　　最早研究腸道菌群的是1908年諾貝爾醫學獎得主、細胞免疫學說的建立者梅契尼科夫。這位流亡到法國的俄國動物學家晚年開始琢磨衰老與長壽。他發現保加利亞有很多長壽老人，而他們的共同點是愛喝酸奶。通過進一步研究他認為，擁有健康的腸道菌群有助於長壽。梅氏就此寫了一本名為《延長生命》的書，可算作是腸道菌群領域最早的論述，但這是本未經同行審議的學術著作。　　儘管如此，人們在治療中已零星地運用腸道菌群的概念。做完手術的病人，由於術後大量使用抗生素，破壞了腸道菌群，易出現腹瀉不止的情況。而這種腹瀉又很難再用藥物來止住。有的醫生靈機一動，將健康人的糞便裝進膠囊，讓病人服下去，結果發現效果不錯。於是，這種思路得到推廣，並加以規範。後來，醫生們就開始採用經過處理的糞便懸浮液來為病人灌腸。這方法聽起來有些「重口味」，因此它有一個含蓄的名稱：細菌療法。這種治療腹瀉和腸道炎症的做法，最早在1970年代就有報道，並延續至今，儘管也發了不少學術文章，不過並非主流的治療方法。在臨床上，腸道菌群也不是常規的診斷項目。　　很長一段時間內，腸道菌群理論一直沒有成為學術界認真對待的課題，造成這種狀況的一個重要原因是研究手段所限。在過去，要想認識一個細菌，先要將它分離培養，再用顯微鏡去鑒定。但腸道菌群有幾千個，且都是厭氧菌，一遇到有氧環境就迅速死掉，人們很難把它們逐一分離出來並識別。有些細菌是共生關係，也無法單獨培養。即使是現在，在技術上也不能完全做到這一點。此外，腸道菌群本身的複雜也增加了人們認識它真面目的難度——就跟指紋與眼睛虹膜一樣，這世上沒有哪兩個人的腸道菌群一模一樣。　　腸道菌群研究領域隨著生物醫學進入基因時代而變得活躍起來。尤其是自2005年左右第二代基因測序技術出現以後，快速、一次性、大規模地解碼DNA成為現實。科學家們從此可以扔下顯微鏡，轉而從基因的層面了解腸道細菌。　　生物學家曾經以為，人體是一座自給自足的生物孤島，然而在過去10年里，研究人員證明，人體是一個複雜的生態系統，或者說是一個「社會網路」，其中有數以萬億的細菌和其他微生物寄居在我們的皮膚、陰部、口腔，尤其是腸道里。事實上，人體當中細菌的細胞數量是人體自身細胞的十倍之多。而且，這些微生物細胞及其基因(被稱為「元基因組」)形成一個混合的小社會，不僅不會危害人類健康，還會在消化、生長和自我防禦等方面成為我們基本生理機能的助手。　　這方面最好的例子是丁酸鹽。人體腸道的上皮細胞每3天脫落更新一次，這一代謝過程需要一種名叫丁酸鹽的物質。但食物中很少直接含有丁酸鹽，人體自身也不能合成，它的主要來源是腸道菌群的代謝廢棄物。更有趣的是，腸道細菌要靠「吃」膳食纖維才能產生丁酸鹽，而膳食纖維又恰恰是人體不能自身消化的。因此，人對膳食纖維的需要，不僅是為自己，而且也是為了這些細菌，否則腸道上皮細胞長不好，就容易長出息肉乃至患結腸癌。　　鑒於人與寄生於其體內的微生物的關係如此密切，2005年，美、德、日、中等13國在法國召開人類微生物組圓桌會議，會議發表的《巴黎宣言》宣布啟動人類第二基因組計劃——「人類元基因組計劃」。在上世紀90年代，歷時13年、耗費30億美元的人類基因組計劃曾測定了人類自身的25000多個基因。而人類第二基因組計劃的測序工作量，預計至少相當於人類基因組計劃的10倍。　　上海交通大學教授趙立平代表中國參加了上述會議。根據這個會議，各國自2007年始陸續開展了行動。其中比較大的項目有，美國斥資1億美元的「人體微生物群系項目」，歐盟總經費達1200萬歐元的「人類元基因組第七框架項目」。2008年，根據中法簽署的《中法腸道元基因組研究聯合聲明》，上海交大聯合中科院幾家單位，與法國農科院聯合啟動了「中法腸道元基因組合作項目」，著眼於腸道菌群與肥胖及糖尿病的研究，由趙立平任項目負責人。目前，該項目的第一階段工作已經完成。　　在過去10年，進入到這個領域的學者，幾乎都沒有醫學背景，大多數都是像趙立平一樣的微生物學家。醫學家習慣於從某一種病原菌出發，去尋找特定的微生物對人體健康的影響。而面對腸道菌群這樣一團雜亂無章的細菌混合體時，只有熟悉微生物生態學的科學家們才能遊刃有餘。「這實際上是兩種思維模式：自下而上與自上而下，」趙立平說。在最開始，大家需要把腸道菌群本身的情況摸清楚，共有多少種菌都有什麼基因。而現在已經進入第二階段，要研究與疾病相關的都有哪些關鍵菌群，它們都是怎麼發揮作用的。　　2012年11月，國家自然科學基金委在上海召開了一次會議，探討未來中國的腸道菌群研究該怎麼走。與會專家，除了趙立平等兩三位微生物學者，絕大部分都是臨床各科的醫生。對此，趙立平坦承，「隨著腸道菌群的基本情況越來越清楚，腸道菌群的致病機理將會是研究的重點。醫學家在這個天地大有作為，未來他們將佔據主流。」　　微生物組學是當今生命科學最熱門的領域之一，在此基礎上，中國科學家首次確定了一種細菌是肥胖的病因。這個拿自己做試驗的科學家成功減肥的故事，也從腸道微生物學的角度，尋找到一個詮釋古老中醫藥理論的新途徑　　合體的毛衣下沒有隆起的肚腩，72公斤，對於身高173厘米、年滿50歲的趙立平來說，「剛剛好」。但在四年前，他還是個體重90多公斤的大胖子。今年6月，連同瘦身前後的對比照片一起，他的減肥故事登上了美國《科學》雜誌。趙立平的隆重「出場」，不僅因為他的研究領域正巧符合當期雜誌的封面主題——「微生物組學」，更因為他是一位勇於把自己當成「小白鼠」的科學家——他通過調節腸道菌群，實現了自己的減肥目標。　　在2010年美國舉行的人類微生物組大會上，趙立平講述了自己減肥的故事。腸道菌群理論在自己身上的見證，讓他更有資格為這個當下大熱的學科領域代言。美國華盛頓大學基因組研究所副主任喬治·溫斯托克評價說，「趙立平帶來了一股清新的空氣。令人耳目一新的是，他是以一種置身度外的、客觀的、科學的方式來呈現他的研究發現。」　　儘管如此，上海交通大學教授趙立平並不願多談他個人的減肥經驗。他認為自己研究的是科學問題，而非養生之道。況且，在中國，仍有人對他的學術研究「不買賬」。他曾在一次科普活動上提到「苦瓜與山藥有助於減肥」「腸道細菌分為『好的』和『壞的』兩種」，事後有人就給他扣上了「偽科學」的大帽子。趙立平說，他擔心自己被誤解為「科學界的張悟本」。　　發現「致胖細菌」　　2004年，美國科學院院士、華盛頓大學教授傑弗瑞·戈登和他的同事們做了一個著名的實驗，這是科學家在研究腸道菌群與肥胖關係時，用無菌動物做的第一個實驗。　　所有的動物包括人在內，剛出生時，腸道里是沒有細菌的。通過生產與哺育等環節的接觸，母親會在第一時間將自己的菌群傳遞給孩子，因此，母親與子女、兄弟姐妹之間的腸道菌群會有一定的相似性。科學家將剛出生的小鼠放進一個完全無菌的隔離包里，它們吃的食物、飲用的水與呼吸的空氣都是過濾過的。這樣飼養出來的小鼠，腸道里始終是無菌的。相比正常小鼠，它們的最大特點是非常的苗條，但當把菌群接回小鼠的腸道，讓它們成為正常小鼠，它們的飯量變小了，體重卻恢復到正常水平。　　2006年，戈登將普通飼料換成高脂飼料，重複了上述實驗，結果發現：無菌小鼠即使吃高脂飼料也不會發胖，同時它們的代謝率也比有菌小鼠低。也就是說，有菌動物比無菌動物代謝消耗大、吃得少，但體內的脂肪存儲反而多，這顯然與人們通常認為的「多吃、少運動、多餘的熱量變成脂肪存起來」的規律相悖。　　在過去，人們大多從基因的角度來研究肥胖。而戈登的實驗，是從腸道菌群這一新的角度，來解釋肥胖，認為菌群的「有和無」與體重的「大與小」之間有關聯。這個發現非同一般，趙立平說，以前，人們只知道腸道菌群與腸炎有關，但戈登的研究，則是第一次提出，腸道菌群還與肥胖、糖尿病等代謝性疾病都有關係。　　然而，戈登的研究並非終結之作，他只是打開了通往未知世界的一扇門。腸道菌群有上千種，究竟哪一種與肥胖及代謝病關係最密切，仍然是一個謎。2006年，戈登小組在《自然》雜誌上發表論文認為，肥胖主要與「厚壁菌門」相關，而健康人的腸道里則是「類桿菌門」的細菌比較多。可是，他們的這一結論不僅在業界有爭論，而且，生物學分類從大到小是「門綱目科屬種」，從「門」的層面來考察菌群與肥胖的關係也顯得過於粗略。　　趙立平認為，應該從更微觀的層面，比如「種」的層面去追溯菌群與肥胖的關係。在2009年發表在《國際微生物生態學會會刊》(英文簡稱ISME會刊)上的一篇論文中，趙立平和同事們將小鼠從正常飲食轉變為高脂飲食，又重新讓其恢復正常飲食，結果發現了80種與飲食改變相關的細菌。根據進一步分析，在肥胖時，小鼠體內較多的是可以產生內毒素的細菌，如硫酸鹽還原菌。內毒素可導致人體出現慢性炎症，而炎症則是身體開始被破壞的先兆。吃高脂飼料越多，這類細菌就越多。在健康的小鼠體內，較多的是雙歧桿菌一類的有益菌。硫酸鹽還原菌屬於「變形菌門」，雙歧桿菌則屬於「放線菌門」，兩個菌都與戈登提到的那兩個門無關。　　對肥胖的追根窮源遠未結束。趙立平選擇了一名體重175公斤、26歲的男性大胖子，試圖從他身上探索肥胖的致病菌。「醫學上一般認為，對於這麼胖的人，營養干預和運動干預都是無效的，唯一的辦法是做胃腸的繞道手術。如果我們能夠通過改變飲食來調整腸道菌群，使他瘦下來，那就說明我們的理論立得住。」趙立平說。　　在進行營養干預前，這名肥胖者腸道內最優勢的菌群是陰溝腸桿菌，但干預4周後這種細菌就幾乎檢測不到了。在9周減重30公斤後，患者的身體狀況從「三高」等嚴重的代謝紊亂狀態逐步恢復正常。整個實驗結束時，他總共減了51.4公斤的重量。　　趙立平懷疑陰溝腸桿菌可能是引發患者炎症和代謝紊亂的元兇，便將經過處理的該菌接種到無菌鼠體內，同時喂以高脂飼料。結果，小鼠嚴重地發胖，其肥胖程度與對照組——吃同樣飼料的正常有菌小鼠是一樣的，而且還出現了糖尿病的特徵——胰島素抵抗。由於戈登等人已經證明無菌小鼠吃高脂飼料不會肥胖，因而可以推論，陰溝腸桿菌是第一個被發現可導致肥胖與代謝紊亂的腸道細菌。　　由於趙立平的這一實驗滿足「科赫法則」——確認疾病病原體的金科玉律，因此可以說，陰溝腸桿菌是人體肥胖和代謝紊亂的致病菌之一。之所以說是「之一」，趙立平說，由於人的腸道菌群千差萬別，他們推測，導致肥胖的細菌可能有多種。因而，他們的這項工作有開創性意義：它為鑒定更多的參與肥胖和代謝紊亂髮生、發展的腸道細菌奠定了基礎，同時也建立了一種新的肥胖模型，可用於藥物篩選、療效評價和機理研究諸多方面。這項最新的研究成果於近日在線發表在ISME會刊上。　　研究腸道菌群與肥胖及糖尿病的關係，對於中國人來說有更重要的含義。在過去30年里，中國人的糖尿病發病率由最初的不到1%升至今天的10%。這主要還是環境的變化，尤其是飲食結構變化所引起的。趙立平說，不同人種對代謝性疾病的抵抗力是不同的，也就是說，白種人即使很胖也不一定患病，而中國人稍微一胖就容易得病。因此，搞清楚什麼樣的膳食結構與腸道菌群可以避免肥胖，是中國在腸道菌群領域最值得深挖的方向。　　追尋「葯食同源」　　從南京農業大學分子植物病理學專業博士畢業的趙立平，工作之後接觸的，無非是「如何用有益菌來防治大白菜腐爛」之類的問題。一天，研究畜牧問題的同事告訴他，聽說細菌可以用來治療豬和雞的腹瀉，但不知怎麼做。這引起了趙立平的好奇，他給了同事一些菌群，其中有一兩種菌果然有效。趙立平從此對動物腸道菌群產生了強烈的興趣。從那以後，他逐漸把研究方向鎖定在研究人體內微生物菌群與健康的關係上。　　與此同時，趙立平自己漸漸變成了腰圍115厘米的胖子。婚後兩年，他收穫了博士學位和一個女兒，以及20公斤的贅肉。後來他去康奈爾大學做博士後，在美國又胖了10公斤，高血壓、高血糖、高膽固醇「三高」的癥狀也相繼出現，眼看著他的體型將沿著一個標準中年男人的走勢肆無忌憚地發展下去。他曾經試過節食和跑步，但沒有什麼作用。在讀到戈登的文章後，他打算將這一成果先用到自己身上驗證驗證。　　用什麼食物來改善腸道菌群？趙立平轉向中國特有的傳統醫學尋求靈感。他的父親是中醫的堅定信奉者，曾一天兩次服用一種刺鼻的黑色葯湯治癒了自己的乙肝。在趙立平幼年生病的時候，父母也常常先帶他去找當地有名望的老中醫求診。這些經歷，使趙立平在接受了現代科學以後，並沒有對中醫產生排斥感。他翻閱了《黃帝內經》等典籍，並向中醫討教。其中，中醫里「苦寒類食物清熱解毒」，「可使米脂入腹，莫使酒脂入腸」等觀念，給他留下了深刻印象。　　2006年，趙立平開始了以苦瓜、山藥與粗糧為主的食物療法。他設想，這些在中醫看來是「葯食同源」的食物可能能改變消化系統中細菌的生長。兩年內，趙立平減去了20公斤體重，血壓和膽固醇水平也降了下來。通過對自己的腸道細菌進行檢測發現，一種具有抗炎特性的細菌從實驗前的檢測不出，生長到了細菌總數的14.5%。　　通過拿自己做實驗，趙立平不僅得到了「苗條的身材」，也為自己的科研建立了基本的信心。2009年，他又在太原開始了第一次臨床實驗。在國際上，對腸道菌群的研究多在動物身上進行。由於物質生活的富足與健康觀念的相對落後，今天的中國，已經擁有3.25億個胖子，幾乎就要超越美國成為「胖人的國度」。因此，應趙立平的招募前來報名的胖人非常多，以至於需要在他們中間進行一場「海選」——通過體檢來淘汰那些同時患有其他併發症的人，只留下單純性肥胖患者。他們很快就召集了123名志願者。　　他為123名肥胖志願者確定了一個9周的方案，量身定製膳食，讓他們定期接受腸道菌群和代謝參數的檢測與監控。他們在規定飲食終止後的14周內對90位患者進行了追蹤。93%完成該實驗的參與者，體重減輕了約7公斤，同時他們腸道中的產毒細菌減少，有益菌增多。　　趙立平的人群試驗贏得《科學》雜誌關注的原因之一，是他對中醫「葯食同源」理論的運用。那些受試者所吃的食物不僅是低熱量的，更重要的是改變了人體腸道內的菌群組成。　　趙立平對黃連素的研究，則更加直接地證明了中藥的作用原理。黃連素又叫小檗鹼，是中藥黃連的主要有效成分，它本是一種治療細菌性腹瀉的非處方葯。但近年來，國內有不少醫生將其用於糖尿病的治療，取得了很好的療效。然而，醫學界始終沒有搞清楚這一作用的機理。　　在對小檗鹼的體外研究中，它的使用濃度都在毫克級，但大量研究表明，小檗鹼的生物利用度很低，口服後很難入血，基本都以原葯的形式從糞便排出體外，其在人體血液內的濃度只能達到微克級。一個藥物如果不能入血是不能發揮作用的，因而，小檗鹼對糖尿病的作用機理就像一團迷霧。　　2004年以來，有很多研究顯示，結構失調的腸道菌群可能會造成內毒素入血，誘發慢性炎症，造成肥胖、糖尿病、冠心病等代謝性疾病。於是，趙立平猜想，小檗鹼在穿過腸道時，可能會改善腸道菌群的結構，減少內毒素入血，減輕慢性炎症，從而達到治療或預防糖尿病的目的。　　於是，他們以大鼠作為模型，用高脂飼料誘導肥胖和胰島素抵抗等代謝紊亂，在飼餵高脂飼料的同時，灌服一定劑量的小檗鹼。結果令人稱奇：小檗鹼有效防止了肥胖和胰島素抵抗。根據這一結果，可以通俗地說，如果你在吃垃圾食品時，吃一些黃連素，就可能起到防止長胖的作用。　　趙立平採用高通量測序技術測定動物的腸道菌群，結果顯示，小檗鹼非常顯著地改變了腸道菌群結構。2012年8月，這一研究結果發表在《公共科學圖書館·綜合》雜誌上，解釋了對小檗鹼預防代謝綜合征的機理。　　小檗鹼調節菌群作用的研究，為解釋苦寒類中藥的機制提供了新的思路。現在，一種新的觀點開始受到重視：很多慢性病的發生髮展與腸道菌群結構失調都有密切關係，中藥則有可能是通過改善腸道菌群結構來發揮療效的。中國科學院微生物研究所研究員朱寶利，曾直言批評過中醫對很多問題的誇大其辭，但他認為，趙立平的研究是令人鼓舞的，「他正朝著正確的方向前進。」　　在瘦身成功以後，趙立平依然保持著多吃粗糧、多吃素少吃肉的習慣。他解釋說，人們平時總會發現身邊有些人怎麼吃也吃不胖，但事實並非如此。人在年輕時亂吃東西或許還能保持好身材，那是因為肝臟的解毒功能好；隨著年齡增長，身體器官機能下降，腸道菌群惡化對身體健康的影響就會越來越大。在他發出的每一封電子郵件的末尾都有這樣一句話：「EAT RIGHT，KEEP FIT，LIVE LONG，DIE QUICK。」
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