擬桿菌科 腸道菌群與疾病關係的研究進展

　　人體腸道是一個多元化和充滿活力的微生物生態系統，其結構和功能是目前生命科學和醫學研究的主要目標。無菌小鼠(germ-freemice，GM)實驗揭示了微生物正常生長發育和維持健康的重要性。宿主為微生物提供棲息地和營養，而微生物幫助宿主代謝和營養吸收。新一代基因測序技術的發展以及強大的生物信息學分析工具的開發，為研究人體腸道菌群的組成和結構提供了新的思路[2]。Zackular等[3]研究發現，腸道菌群與肥胖、糖尿病、心腦血管疾病、炎症性腸炎、胃腸道癌症和自身免疫性疾病等具有一定的相關性。

　　肥胖已成為嚴重威脅人類健康的全球性疾病，據世界衛生組織統計，世界人口的12%患有肥胖，近幾年腸道菌群與肥胖的關係備受關注。Ley等[6]首次證明肥胖與腸道微生物相關聯，肥胖小鼠比同窩生的瘦型小鼠擬桿菌門少、硬壁菌門多。Fei等[7]報道，從肥胖病患者體內分離出了產內毒素的陰溝腸桿菌B29，接種到無菌小鼠體內一周後小鼠出現了嚴重的肥胖和胰島素抵抗等癥狀，該菌被認為具有激活合成脂肪相關基因的功能。Zhang等[8]研究了分離自正常體重的人、病態肥胖患者和做過胃繞路手術患者的184094個微生物。通過系統發育分析表明人體腸道中的細菌是高度多樣化的，6個細菌門在3類試驗成員中表現出明顯不同，在正常體重和肥胖人中佔主導地位的是厚壁菌門，而在做過胃繞道手術患者中含量較低，而γ-變形菌含量較高。肥胖者體內富含大量產H2的普雷沃氏菌，採用實時定量PCR檢測到利用H2的產甲烷古細菌在肥胖者體內多於正常體重和做過胃繞道手術的人。Zhang等[9]報道由高脂肪飲食引起腸道微生物的破壞與肥胖的發生相關聯。Ridaura等[10]從成人、女性和雙胞胎(其中一個是肥胖)中採集糞便並分離其中的細菌，然後將這些細菌轉移到無菌小鼠體內，以不同的飲食餵養小鼠，其中包括美國典型的不健康食物。結果顯示，獲得肥胖者微生物的小鼠要比獲得較瘦者微生物的小鼠體重更重一些。Li等[11]報道，抗氧化藥物Tempol能夠降低高脂飲食誘導的小鼠體重，並發現Tempol試驗組中小鼠腸道的乳酸桿菌數目減少，會導致腸道中牛黃β-鼠膽酸的濃度增加，該物質抑制了腸道參與體內脂肪和血糖代謝的FXR水平，FXR信號通道是降低肥胖程度的原因，而乳酸桿菌通過代謝膽汁酸可以影響FXR水平。該結果有望開發出用於預防和治療肥胖、糖尿病的藥物。Clarke等[12]報道通過對比飲食誘導的肥胖小鼠早期與晚期之間腸道微生物的組成差異，發現消化球菌科顯著升高，而理研菌科和紫單胞菌科顯著降低。Suzuki等[13]報道居住在北緯較冷地區的人們，其腸道菌群更容易促進機體產生肥胖。厚壁菌門對個體產生肥胖有一定影響，而生活在北方的人類機體腸道中存在較多的厚壁菌門。DeVadder等[14]報道腸道菌群可以分解不被人類直接消化吸收的發酵纖維，腸道菌群將其分解為短鏈脂肪酸(如丙酸鹽和丁酸鹽)，這些短鏈脂肪酸可以被人體吸收利用。腸道菌群利用丙酸鹽來產生葡萄糖，有機體對葡萄糖的代謝調控對肥胖症的發病起到一定的作用。Cotillard等[15]報道肥胖者和非肥胖者腸道菌群的差異，發現兩者在微生物基因種類豐富程度上差異很大。微生物基因丰度較低的肥胖者比丰度較高的肥胖者的體重更容易增加。表明肥胖不僅與腸道菌群的數量和種類相關，與豐富程度也有一定聯繫。

　　2013年12月，在「Science」雜誌發表的十大科學進展中，腸道菌群與人體健康關係的研究被列入其中。該研究報告中指出，我國毒奶粉中三聚氰胺引發的嬰幼兒腎衰竭與腸道菌群有密切關係，約1%的患病嬰兒腸道中含克雷伯氏菌，克雷伯氏菌具有代謝含氮化合物的能力，能夠在腸道內代謝三聚氰胺。該報道同時列舉了腸道微生物中的梭桿菌屬與大腸腫瘤以及普氏菌與類風濕性關節炎的關係等。腸道菌群對人類健康有著重要的影響，也成為近些年來研究的熱點。腸道菌群與代謝疾病、免疫類疾病、胃腸道類疾病甚至精神類疾病相關聯，本文將對國內外關於腸道菌群與疾病關係的研究現狀，益生菌對調節腸道菌群的重要性以及研究腸道菌群的方法進行詳細論述。

　　炎症性腸炎包括潰瘍性結腸炎(UC)和克羅恩病(CD)，炎症性腸病發病率的增加與世界各地社會經濟發展和環境因素相關聯，發達國家的生活方式可能會損害人體腸道微生物定殖的自然形態。腸道微生物與黏膜免疫之間的相互作用在腸道內對免疫反應的引導和調節起重要的作用。炎症性腸病患者黏膜發生病變是由於共生微生物過度和免疫的失調引起的。異常菌群降低了腸道微生物生態系統的複雜性，是克羅恩病和腸道功能潰瘍性結腸炎患者的共同特點[20]。

　　肝硬化是臨床常見的慢性進行性肝病，由一種或多種病因長期或反覆作用形成的瀰漫性肝損害。Ridlon等[28]報道在肝硬化患者腸道內梭菌屬、腸桿菌科、紫單胞菌科較健康人明顯增多。Chen等[29]採用454焦磷酸測序技術分析了肝硬化患者和健康對照組腸道菌群組成，發現肝硬化患者腸道擬桿菌門顯著降低，然而蛋白菌、梭形桿菌顯著增多。該研究還發現腸桿菌科、韋榮球菌科、鏈球菌科在肝硬化患者腸道升高，毛螺菌科降低。

　　「經過長達十年的隊列研究，我們發現腸道內的多形擬桿菌與人的胖瘦密切相關。」上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院內分泌科主任王衛慶教授6月20日表示。相關成果已經在線發表於國際著名醫學期刊《自然·醫學》。

　　腸易激綜合症是一種胃腸功能紊亂疾病，其特徵為腹痛、腹脹、便秘或腹瀉。隨著近年來人們生活節奏的加快、飲食結構的改變，腸易激綜合症發病率呈上升趨勢。Jeffery等採用焦磷酸測序分析了37名IBS患者和20名健康人群的糞便微生物組成，發現IBS患者腸道菌群較健康人群厚壁菌門和擬桿菌門顯著增多[23]。Saulnier等[24]採用454測序和生物晶元技術分析健康兒童和IBS患兒的腸道微生物差異，發現γ-變形菌在IBS患兒腸道顯著增多，更突出的是副流感嗜血桿菌顯著增多。該研究還發現一種新型瘤胃球菌屬與IBS有關，疼痛的發作頻率與Alistipes細菌的丰度相關，說明腸道微生物與胃腸功能紊亂相關聯。

　　Wang等[25]通過454焦磷酸測序技術檢測16SrRNA基因的V3區基因序列，研究了46名結腸癌患者和56名健康人群糞便細菌的多樣性，並通過主成分分析和克隆文庫研究這兩類人群的腸道微生物之間的差異，結果顯示脆弱擬桿菌、腸桿菌、大腸桿菌、志賀氏菌、克雷伯氏菌、鏈球菌和消化鏈球菌在結腸癌患者腸道較豐富，羅氏菌屬、產丁酸鹽細菌和毛螺旋菌含量較少；而普通擬桿菌和單行擬桿菌在健康志願者的腸道比較豐富。採用實時定量PCR測量丁醯輔酶A轉移酶基因的拷貝數，進一步確定了在結腸癌患者腸道產丁酸菌數目減少。產丁酸菌的減少和致病菌的增多導致了結腸癌患者腸道微生物的組成結構失衡。Zackular等[26]採用腫瘤誘導法將一組小鼠誘導為大腸癌病鼠，收集這些荷瘤小鼠的糞便及飼養草墊，將其轉移到無菌小鼠環境中，使無菌小鼠獲得該腸道菌群，結果發現這些無菌小鼠發生結腸腫瘤的頻率是擁有健康微生物種群小鼠的2倍以上。此結果表明，特定的微生物種群導致了腫瘤的形成，荷瘤小鼠富集較多數量的擬桿菌屬、Odoribacter和Akkermansia。然而普雷沃氏菌科和紫單胞菌科的細菌數量減少。環磷醯胺是臨床上重要的治療癌症的藥物，Viaud等[27]在小鼠模型實驗中，證明了環磷醯胺可以改變小腸內腸道菌群的組成並誘導特定的革蘭氏陽性菌轉移至二級淋巴器官。這些細菌刺激病原體pTh17有助於恢復環磷醯胺的療效。

　　心腦血管疾病是一種嚴重威脅人類，特別是50歲以上中老年人健康的常見病。目前，我國心腦血管疾病患者已經超過2.7億人，每年近300萬人死於心腦血管疾病，占我國每年總死亡病因的51%。已有研究證明人體腸道微生物代謝膽鹼和磷酸醯膽鹼產生三甲胺(TMA)，進一步代謝產生氧化三甲胺(TMAO)可以導致動脈粥樣硬化。腸道微生物同樣可以代謝飲食中瘦肉所富含的左旋肉鹼和三甲胺，產生TMAO並加速老鼠發生動脈粥樣硬化。雜食性人類代謝產生的TMAO要多於素食者，人類糞便中特定菌群的存在與血漿中TMAO濃度和飲食狀況有密切的關係。在小鼠慢性膳食中補充左旋肉鹼改變盲腸微生物組成，合成的TMA和TMAO明顯增強，並增加了發生動脈粥樣硬化的幾率；但是如果不改變盲腸微生物組成將不會增加動脈粥樣硬化發生率。該研究結果表明，腸道微生物有助於改善食用紅肉較多者心血管疾病的發病率[4]。另一研究發現腸道菌群可以代謝磷脂類和膽鹼類產生膽鹼、氧化三甲胺和甜菜鹼，而這些代謝產物能夠引發動脈粥樣硬化[5]。由上述的研究發現，腸道菌群的組成對心腦血管疾病的發生有重要的作用，在測定血漿液中上述代謝產物含量的同時，可以適量補充益生菌增強腸道的功能，保持腸道的健康來預防心血管疾病。

　　腦腸軸(gut-brainaxis)是將大腦和腸道的功能相連接互傳信息的雙向通訊系統，包括腸神經(ENS)、迷走神經、交感神經和脊神經等，包括細胞因子、荷爾蒙和神經肽等信號分子。其中，腸神經幾乎控制了整個腸道的功能，是介於大腦和腸道最重要的物質。腦腸軸的研究為炎症性腸病(IBD)和腸易激綜合症(IBS)等腸道功能失調病理方面提供了重要的理論。這其中最為重要的是腸道菌群在人體的互動參與了腦腸軸的功能反應，因此，腸道微生物對炎症性腸病的發生有重要的作用[21]。本實驗室研究了不同年齡段的人口服LactobacillusplantarumP-8後腸道菌群的變化，結果表明在3個不同年齡組中，服用益生菌後腸道中Atopobium菌株顯著增加，Atopobium菌株對腸道炎症有積極的作用[22]。

　　根據世界衛生組織統計，全球約3.47億多人飽受糖尿病痛的折磨，糖尿病已成為繼腫瘤和心腦血管疾病之後，威脅人類生命健康的第三大殺手。僅中國就有糖尿病患者約9240萬人，約佔全球糖尿病人的1/3。治療糖尿病的手段也較多，其中分析糖尿病患者腸道菌群成為了熱點。Qin等開發了一種宏基因組相關聯方案(metagenome-wideassociationstudy，MGWAS)，基於深度鳥槍法測序技術，將345名中國受試者的腸道微生物DNA進行兩階段MGWAS，其中有171名患有Ⅱ型糖尿病。MGWAS分析顯示Ⅱ型糖尿病患者以中度腸道微生物菌群失調為特徵，一些常見的產丁酸鹽細菌丰度下降，而各種條件致病菌增加，其他微生物功能如還原硫酸鹽和抗氧化應激能力增強[16]。Larsen等[17]研究發現Ⅱ型糖尿病與健康人群腸道菌群在門類和屬類之間有顯著地變化。糖尿病人與非糖尿病人相比，厚壁菌門相對丰度低，而擬桿菌門和變形菌門丰度高。大量研究證明，益生菌對改善血糖水平具有一定的作用。

　　肥胖的產生與飲食有著重要的聯繫，而飲食的種類又會直接影響到腸道內微生物組成，因此研究腸道內的微生物可以間接地說明某種細菌與肥胖的關係，同時警醒人們健康飲食的重要性。無菌小鼠的開發促進了腸道菌群和疾病關係的研究，成為目前醫學領域重要的工具之一。

　　人體腸道內有1000-1150種約100萬億細菌，是人體細胞數量的10倍，每個人至少有160種優勢菌群。在健康人體的胃腸道細菌中，擬桿菌門和厚壁菌門多於90%，包括擬桿菌屬、普氏菌屬、卟啉單胞菌屬、梭狀芽孢桿菌、柔嫩梭菌屬、真桿菌屬、瘤胃球菌屬和乳桿菌屬等。其他丰度較少的門類有放線菌門(雙歧桿菌屬和產氣柯林斯菌屬)、變形菌門(腸桿菌科細菌、幽門螺桿菌、華徳薩特菌)、疣微菌門和產甲烷古菌等[1]。

　　營養不良是因能量或蛋白質不足引起的一種慢性營養缺乏性疾病，多見於2歲以下的嬰兒，合理的營養干預和飲食都不能有效的治療營養不良。Smith等[18]研究了從出生到3歲的馬拉維的317對雙胞胎，其中有一半雙胞胎保持著良好的營養狀態，而在其他的雙胞胎中有43%表現營養不良，對患有該疾病的孩子以及他們的雙胞胎採取了以花生為基礎的食療後，發現患有嚴重營養不良孩子的腸道微生物在接受治療過程中日趨與營養狀態良好的孩子相似。當治療停止時，其微生物組成會恢復至初始狀態。進而他們將每位健康和患病的雙胞胎的糞便菌群轉移到無菌小鼠的體內，這些小鼠會像有這種腸道菌群的人類一樣出現營養不良的癥狀。Gupta等[19]採用宏基因組學的方法分析了營養不良兒童的腸道菌群的組成，發現在營養不良兒童的腸道內富集一種腸源病原體，這種病原體可以造成營養成分吸收障礙，並確定這些病原體影響兒童腸道菌群整體的代謝能力。

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