腸道微生態

腸 道 微 生 態一、概述（一）腸道正常菌群人類正常胃腸道系統內的細菌極為複雜，包括多種需氧菌、兼性厭氧菌和厭氧菌。正常菌群在人體內分布很廣，其中以腸道的菌量最多，且具有代表性。正常腸道微生物群的研究在人體微生態學中最具成效。出生後由於和空氣、飲食及外界環境接觸，數小時內即有細菌進入體內並定植。正常情況下，這些細菌並不致病，其菌落也基本上終生不變，其定居在腸道的就稱為腸道正常菌群。其中9種常見的以均數順序依次為類桿菌、雙歧桿菌、腸桿菌、乳酸桿菌、腸球菌、梭菌、葡萄球菌和酵母樣菌，其以厭氧菌為主。腸道菌群對人體既有益又有害，無害的腸菌只有兩種，即雙歧桿菌屬和乳桿菌屬：1．雙歧桿菌屬 雙歧桿菌主要分布在結腸。迄今為止被識別的24種雙歧桿菌中從人類身上分離出來的主要有9種：兩歧雙歧桿菌、嬰兒雙歧桿菌、長雙歧桿菌、短雙歧桿菌、青春雙歧桿菌、齒雙歧桿菌、角雙歧桿菌、小鏈雙歧桿菌及假小鏈雙歧桿菌。嬰兒體內最普通的種類是嬰兒雙歧桿菌，長雙歧桿菌，短雙歧桿菌。而青春雙歧桿菌和長雙歧桿菌在成人腸道內佔優勢。2．乳桿菌屬 乳桿菌分布較廣，從口腔到直腸此皆存在，但以小腸最多。人類消化系統中的乳桿菌由不同的種類、亞種、生物型基團組成，最常見的在人體中分離出的乳桿菌有六大種類：嗜酸乳桿菌、唾液乳桿菌、乳酪乳桿菌、植物乳桿菌、福明頓乳桿菌和短乳桿菌。（二）微生物菌群的主要功能通過對無菌動物的研究，可以了解到腸道正常菌群對宿主的生理機能和病理表現的影響。1．代謝功能 結腸中的菌群可以對不能被消化的食物殘渣和上皮分泌的內源性粘液進行發酵。由於基因的多樣性，這些腸道菌群具有多種和宿主自身完全不同的酶和生理代謝途徑。這種複雜的代謝活動給宿主提供代謝能量和可吸收的基質，並給細菌本身的生長和繁殖提供能量和營養物質。在結腸中，糖的發酵是主要的能量來源，代謝的最終產物是短鏈脂肪酸。腸道菌群的代謝與肝臟的代謝密切相關，肝功能異常可影響腸道菌群，腸道菌群失調又可影響肝臟功能。腸菌的β－葡萄糖醛酸酶和硫化酶對膽紅素、膽汁酸、雌激素、膽固醇等的腸肝循環起重要作用。許多研究還表明腸道菌群有降解膽固醇，促其形成膽汁酸的作用。另外，腸道細菌存在尿素酶能將尿素轉化為二氧化碳和氨，並利用部分氨中的氮來維持自身的生存，而大部分氨則經過門靜脈吸收入肝臟，在肝臟重新合成尿素。這即尿素的腸—肝循環。 對於維生素的合成，鈣離子、鎂離子和鐵離子的吸收，結腸內的菌群也起一定的作用。糖類的發酵和短鏈脂肪酸的產生會增加這些離子的吸收。被結腸上皮細胞幾乎全部吸收的丁酸鹽是結腸細胞的主要能量來源。2．營養功能 短鏈脂肪酸對於結腸生理機能最重要的貢獻可能就是其對結腸上皮細胞的營養效應、促使其生長和分化。在體內，三種主要的短鏈脂肪酸都能刺激大、小腸上皮細胞的增殖和分化。然而，丁酸鹽卻抑制細胞的增殖，但在體外，丁酚鹽會刺激腫瘤細胞系的上皮細胞的分化。而且，丁酸鹽會促進腫瘤細胞向非腫瘤細胞表現型的回復。 3．宿主的免疫性 腸道正常菌群對其宿主的免疫作用或與宿主免疫的相互關係，是一個十分重要而且複雜的問題。大量研究證實，免疫是腸道正常菌群的一個重要生理功能。無菌動物由於缺乏菌群的免疫刺激，其體內淋巴細胞密度較低，專性濾泡結構少，血循環中的免疫球蛋白的濃度也很低。一旦與腸菌群接觸，上皮內的淋巴細胞數目立即大量上升，生髮中心在濾泡和固有層中快速出現，血清中免疫球蛋白的濃度也會大量提高。4．參與宿主的腸道防禦正常腸道菌群最重要的作用是抑制致病菌的生長，使腸桿菌、糞鏈球菌、銅綠假單孢菌、梭形芽胞菌不能繁殖。對於抵禦外來微生物的定植，寄居的正常菌群是一道極其重要的防線。腸道內定植的正常菌種間的平衡可使在正常條件下，個體內菌群數量保持恆定。細菌之間相互競爭腸道上皮細胞刷狀緣上的附著點。附著的非病原性細菌能夠阻止腸侵襲性病原菌對上皮細胞的黏附和侵入。此外，細菌還能競爭同一生態位中的營養供給，並通過支配和消耗所有的營養來源來維持他們共同的棲息地。宿主與正常的細菌間的共生關係能夠防止不需要的營養物質的過度產生。大部分胃腸道內的菌群能夠合成一種被稱為細菌素的抗菌物質來抑制競爭者的生長。又由於大部分的細菌素是能夠被消化酶降解的蛋白質成分，因此宿主能夠控制這種物質的生成。故，細菌素主要在局部生態位中發揮作用。二、腸道菌群紊亂與臨床關係（一）結腸癌腸道中的正常菌群以厭氧菌組成為主，正常時與機體處於相對的平衡狀態，當這種平衡被打破後大多數的正常菌群變為內源致病菌，產生多種致癌物質，對結腸癌的發生具有重要作用。這類致癌物質主要由腸道細菌的酶將腸道中前致癌物轉化而形成的：(1)72-脫羥基酶：主要由腸道的厭氧菌產生，能將膽汁酸的某些成分轉化成致癌物。進入腸道的膽汁酸在完成對脂肪的消化後大部分經腸肝循環回到肝臟，但少部分不再重吸收，而在結腸的72-脫羥基酶的作用下形成脫氧膽酸和石膽酸，兩者均為結腸癌的輔助誘變物。(2)β-葡萄糖醛酸酶：由它介導的葡糖醛酸化作用是人體內最常見的代謝過程之一，也是脫毒的主要途徑。它在結腸中活性最高，主要來源是腸道菌群中的厭氧菌；也可由兼性菌產生，如梭狀芽胞桿菌，類桿菌等。(3)β-葡糖苷酶：廣泛地存在於腸道菌群中。此外，腸道菌群還產生具有致癌活性的代謝產物。腸道菌群引起結腸癌的可能機制歸納如下：(1)前致癌物經胃腸道等途徑被吸收後由肝臟分泌入腸腔，在腸道菌群的作用下釋出活性成分。(2)食物中或隨食物攝入的致癌前物和複合致癌物經腸道的菌群作用釋出活性成分。(3)腸道細菌產生的某些代謝產物的致癌變作用。腸道菌群對機體具有雙重作用，在一定條件下可促進腫瘤的發生，而另一些條件下則可以抑制腫瘤的發生，一些微生物如BCG、棒狀桿菌屬，溶血性鏈球菌或某些細菌代謝產物，通過局部或全身注入，誘導局部炎症反應或增強機體腫瘤免疫力可以抑制腫瘤生長的研究，已早有報道。現知，類桿菌屬，梭菌屬的細菌增加了動物結腸癌的發病率和生長率，而乳酸桿菌和雙歧桿菌則可以防止腫瘤發生。結腸內的定植菌是影響人類結腸癌發病率的一項主要的環境因素。腸道菌群抑癌作用的可能機制：(1)細菌及其代的產物對腫瘤細胞的直接細胞毒性。(2)局部炎症反應對腫瘤細胞的非特異性殺傷。(3)細菌免疫可增強機體特異性抗腫瘤的免疫力。(4)上述幾種可能途徑的聯合作用。（二）炎症性腸病在人類炎症性腸病中，定植的菌落是引起炎症的主要因素之一。克羅恩氏病患者，其小腸T淋巴細胞對細菌抗原高度敏感，這種病人的局部耐受機制消失。另外，克羅恩病和潰瘍性結腸炎患者腸道分泌的IgG抗體量增加，用以對抗廣譜的共生細菌。由IgG介導的炎症免疫應答對腸道粘膜有損傷作用，這主要是由於他們激活了補體反應和一系列炎症介質的級聯反應。而且，在腸道發炎的病人中，粘附於上皮表面的細菌數量比健康人的多。菌落成份對腸道免疫系統的無限制激活，在炎症性腸道疾病的病理生理學上可能起著至關重要的作用。一些克羅恩病患者(17%-25%)調節宿主對細菌免疫應答的NOD2/CARD15基因有突變。（三）小腸污染綜合征 腸道內正常量的細菌並不影響腸道功能，但過度繁殖就會導致疾病的發生。在胃大部切除、萎縮性胃炎、服用質子泵抑製劑、H2受體阻滯劑致胃酸減少或小腸動力減弱時，可導致空腸內細菌數量明顯增多。以及任何引起小腸上段淤滯的因素均可使小腸菌群增加。如小腸中結腸型菌群的增加可伴發各種代謝紊亂，包括脂肪瀉、維生素缺乏及碳水化合物吸收不良等。1．脂肪吸收不良 約1/3的小腸污染綜合征患者有脂肪吸收不良，臨床上為脂肪瀉，其發生機制主要是由於小腸中腸菌明顯繁殖，影響膽汁酸的代謝，使脫結合的遊離膽鹽增加中，導致甘油三酯和脂酸不能被充分吸收，此外，脂酸與鈣離子結合形成鈣皂，腸脂酸被腸菌羥化，具有蓖麻油一樣的致瀉作用。不是所有的細菌都能結合，形成非結合膽汁酸，僅大多數擬桿菌，韋榮球菌、腸球菌、雙歧桿菌和梭狀芽胞桿菌具有這種酶系統。2.維生素B12吸收不良 維生素B12吸收不良是本病的常見癥狀，嚴重者可發生神經系統病變，小腸污染綜合征時胃分泌的內因子無異常，迴腸維生素B12受體和吸收功能均正常。當空腸內菌群過度繁殖時，細菌競爭性利用維生素B12。許多細菌能結合遊離維生素B12，以厭氧菌的作用最強，但細菌對已與內因子相結合的維生素B12親和力較對遊離維生素 B12低20%-90%。被細菌結合的維生素B12，初期仍能被內因子奪去，因為此時維生素B12僅結合於細菌表面，一旦維生素B12進入菌體內，便不能再被內因子結合。小腸內的細菌還可將維生素B12代謝為無活性的鈷硼醯胺(combamide)，後者可封閉內因子和迴腸維生素B12受體，阻礙維生素B12吸收，甚至可置換已儲存在肝內的維生素 B12，由於不能以能吸收的形式被利用，所以患者缺乏維生素 B12，可引起巨幼紅細胞性貧血。3.低蛋白質血症 本病70%-90%的病例有低蛋白的血症，必需氨基酸濃度降低。偶有嚴重營養不良，導致低蛋白血症的原因是綜合性的，其中包括：(1)本病患者腸內細菌每小時約利用營養物5.25g，以致消耗大量蛋白質。(2) 本病腸黏膜內原用於消化吸收蛋白質的腸激酶活力減弱，胰蛋白酶降低。（3）內源性蛋白質從腸壁丟失增多。反之，蛋白質營養不良可加劇腸黏膜損害，使胰外分泌功能減低，從而使已存在的小腸菌群增殖和吸收不良更為嚴重。因此，本病中蛋白質營養不良系小腸菌群持續過度繁殖的維持因素。4．碳水化合物吸收不良 在兒童患者中糖吸收不良多見。雖然成人病例的葡萄糖耐量試驗結果正常，但約2/3空腸憩室病例的木糖耐量異常。又因刷狀緣水解酶降低。乳糖酶降低更顯著，所以黏膜攝入單糖也有問題。菌叢又能利用未吸收的碳水化合物及蛋白質產生短鏈脂肪酸及有機酸，使膳食中脂肪吸收困難，並在到達大腸後引起滲透性腹瀉。5．葉酸缺乏症 雖然腸內細菌製造葉酸，空腸吸收葉酸可導致本病患者腸管內和血中葉酸濃度常升高。但由於細菌同時能釋放分解葉酸的酶（主要是乳酸桿菌），因此有些患者亦可出現葉酸缺乏症。儘管菌群含有需氧菌和厭氧菌，然而在本病中厭氧菌是引起本病生理性紊亂的主要原因。擬桿菌族卻是體內引起非結合膽鹽增加的主要原因。（四）腸源性內毒素血症肝臟正常功能狀態與腸道微生素系統構成了一個生物控制狀態，如果其正常，對人體將會發揮其正常的作用，反之，就會導致惡性循環，出現各種病理及病理生理表現。肝臟功能異常可影響腸道微生態系統，而腸道微生態失調又可影響肝臟功能，兩者互為因果。在100餘年前，Richard. Pfeiffer首次報道革蘭陰性桿菌的細胞壁中含一種有毒物質，他在研究霍亂弧菌病感染的發病機制時，發現該菌在崩解後可釋放出一種非蛋白質成分，於是，將其稱為內毒素(endotoxin)。目前已經清楚內毒素存在於革蘭陰性菌細胞壁中內脂多糖(lipopolysacharides，LPS)即含有親水性的多糖部分和一個疏水的類脂A。由於腸道內定居著大量的厭氧菌和少量革蘭陰性桿菌，因此，腸道的功能之一是阻止腸腔內細菌和內毒素移位到其他組織。腸道屏障功能下降，致使腸腔內大量內毒素向腸外組織遷移的過程稱為內毒素移位。對於不伴有革蘭陰性菌感染的內毒素血症患者，其內毒素源於腸道內毒素池(toxin pool)的移位，稱之為腸源性內毒素血症。由於內毒素分子明顯小於細菌，即使腸黏膜通透性輕微增加，內毒素也可通過腸黏膜屏障經過門靜脈進入肝臟，由kupffer細胞清除。如內毒素量過多或肝病導致kupffer細胞功能減退，便可形成腸源性內毒素血症，而細菌易位常發生於內毒素易位之後。此外，內毒素可以激活kupffer細胞釋放一系列炎症介質，如腫瘤性死因子(TNF)-α，白細胞介素(IL)-1、IL-6、IL-8和氧自由基等。TNF-α、IL-6等炎症介質通過腸一肝軸由膽管進入小腸，引起腸黏膜損傷，通透性增加，更易導致腸道細菌易位。而大量炎症介質可以引起全身炎症反應綜合征，甚至多器官功能障礙綜合征。三、新的人體生理系統微生態學的發展，當今已把微生物的作用，從主要是致病作用的觀點轉移到主要是生理作用的觀點。這種觀點的轉變是經歷了一個多世紀的學術研究和科學發展才取得的。Dwayne C. Savage 於2002年2月28日在日本召開的「二十一世紀腸內細菌學」國際會議上宣稱：「在21世紀應把以下兩點放在心上（prepare minds）」。這兩點是：正常微生物群是自然界中的人（或高等動物）生存必須的一個器官。人（或高等動物）是動物真核細胞和細菌原核細胞構成的綜合體。上述兩點說明：正常微生物群不僅是人類或動物的長期進化結果，而且是研究人類或動物生理學和健康的根本依據。過去只看到微生物的致病性，未看到微生物的生理性，根據近百年的科研，現在已經可以得出結論，人體或其他生物體所攜帶的正常微生物群即微生態系統應當成為宿主的一個新的生理功能系統。人體的生理系統換最新分類法為12個：附屬系統（毛髮、指（趾）甲及皮膚）、骨骼系統、肌肉系統、神經系統、淋巴（免疫）系統、呼吸系統、消化系統、內分泌系統、心血管系統、泌尿系統、男性生殖系統及女性系統（Morieb EN,1995）。微生態系統應該成為第13個生理系統。這個系統與其他系統一樣，是人體生理學中不可缺少的具有重要生理功能的新的生理系統。四、生態製劑的應用生態製劑又稱為微生態製劑或稱為微生態調節劑（microecologiao modulator）是根據微生態學原理，調整微生態失調，保持微生態平衡，利用對宿主有益無害的正常微生物成員或其促進物質形成的製劑，其可提高宿主（動物、植物和人）健康水平或增進健康佳態（well being）。生態製劑按成分的屬性分類：益生菌（probiotics）、益生元(Prebiotics)、合生素（synbiotics） 三類。益生菌的定義為：含有特定的、充足數量（＞109cFu/d）活菌的製劑，該製劑可以改變宿主的微生物群，有益於宿主健康。近年來該定義又得到了擴充，益生菌製劑包括了活菌、死菌及其代謝產物，它的作用也從僅限於改善腸道菌群擴大到改善宿主多部位正常菌群。從腸道生物環境擴大到所有生物環境，如呼吸道、口腔、泌尿生殖道及皮膚等。新的益生菌定義為：益生菌是含活菌和（或）包括菌體組分及代謝產物的死菌的生物製品，經口或其他粘膜投入，旨在粘膜表面處改善微生物與酶的平衡或刺激特異性與非特異性免疫，作為益生菌必須具備的要素包括：（1）能與人體細胞粘附；（2）在胃酸和膽汁中有較好的穩定性；（3）能產生抗微生物物質或有抗菌活性。最常用的益生菌是乳酸菌類（Lactic acid bacterial , LAB），包括乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、鏈球菌屬、腸球菌屬。益生菌已廣泛用於臨床防治多種疾病，並成為人類防治疾病的重要生物武器。益生元是指一類非消化性的物質，但可作為底物被腸道正常菌群利用，能選擇性刺激結腸內1種或幾種細菌生長和/或活性，對宿主健康具有益作用，這類物質是寡糖類，如低聚異麥芽糖、低聚果糖、低聚木糖、乳果糖等，益生菌與益生元在定義上有一定的重疊，益生元主要對腸道的雙歧桿菌及乳桿菌的生長有促進作用，而對腸桿菌類或***菌有抑制作用，因而益生元對恢復腸道菌群生態平衡具有重要作用。此外，益生元還可調節宿主對礦物質的吸收，如寡糖顯著增加鈣、鎂的吸收，減少其排出。益生元較益生菌有若干優越性，如不存在保存活菌的技術難關，穩定性好，有效期長。合生素是指益生菌與益生元的混合製品，或再加入維生素，微量元素等。其能增進雙歧桿菌存活率，增加腸道有益菌的數量。五、微生態製劑的選擇提高微生態製劑質量應注意4個關鍵：選育優良菌種、提高活菌含量、延長保質期和添加有益菌的生長促進劑。R. Fuller 主編的「益生菌的科學基礎專著」中曾提出過4個標準：（1）是可用工業規模生產的活菌製品；（2）在保存和使用的條件下，能長期保持穩定和存活；（3）能在人體腸道中存活（但不一定繁殖）；（4）對宿主動物能提供有益作用。國內學者袁佩娜提出有關益生菌質量的4個標準，包括①安全性、無副反應；②有效性；③穩定性；④可接受性，即製劑的生產工藝、條件、成品的外觀、包裝等，優良的菌種（株），是質量的基礎，活菌含量是質量的關鍵。微生態製劑已廣泛應用於臨床各領域，證實它具有很好的安全性，生態製劑在不同的人群中具有很好的耐受性。但是，對於免疫抑制的人群使用益生菌，仍然需要慎重。另外需關注的是腸球菌用作為益生菌的問題，因為腸球菌有可能具有多重耐藥性。帶有耐葯質粒菌株不應用作益生菌。有關抗生素耐葯質粒從益生菌轉移到致病微生物的問題值得進一步研究。微生態製劑有兩大類，一類是活菌製劑，是利用對宿主無害有益的活菌來抵抗外襲菌，克服菌群失調，部分取優抗生素的治療作用。另一類是死菌及其代謝產物，亦可用作調整腸道菌群失調，其可與抗生素合用。凡有可導致胃酸明顯減低或小腸淤滯時，可用益生菌和（或）益生元預防小腸污染綜合征，一旦發生小腸污染綜合征，除對症治療外，必須給予針對厭氧菌的抗生素，如甲（替）硝唑，林可黴素或頭孢菌素類抗生素。此時需選用耐抗生素的益生菌製劑（如米雅BM、整腸生、medilac-s腸溶膠囊等）。但環丙沙星，亞胺培南等抗生素還是比較敏感的，此時最好選用死菌製劑和益生元製劑。動物實驗證明，死菌製劑促生理菌群繁殖，恢復菌量的作用雖略遜於活菌，但在應用抗生素的條件下，其療效優於不耐菌的益生菌製劑。目前，人體雙歧桿菌的增殖途徑主要為口服活菌製劑和促使其在腸道自然增殖兩種。相比而言，採用口服雙歧因子使雙歧桿菌在腸道中自然增殖遠比口服活菌製劑安全、穩定、有效。在眾多雙歧因子中尤以低聚木糖為優。參考文獻1.Alvarez-Olmos MJ, Oberhelman RA. Probiotic agents and infectious disease:a modern perspective on a traditional therapy. 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