肠道微生态与疾病专题 2019年35卷1期
人体是由自身细胞和微生物组成的超级生物体。在人体肠道、口腔、皮肤、泌尿生殖道和上呼吸道均存在大量微生物，这些微生物在相应部位寄居，形成相对稳定的群落并与人体相互影响、相互作用，成为具有共生关系的统一体，称为微生态系统。上述部位的微生态系统被称为人体的五大微生态系统。其中，肠道的微生物含量最大、最复杂，并在肠道功能调节、免疫系统成熟、病原体防御和物质代谢等中起核心作用[1]，除了与肠道健康密切相关外，肠道微生物还与肝脏疾病、神经系统疾病、皮肤疾病、心血管疾病、呼吸系统疾病、骨骼和肾脏疾病等多器官、多系统有密切联系。鉴于它们之间的相互作用、相互影响，有人提出了肠肝轴[2]、肠脑轴[3]、肠皮肤轴[4]、肠心轴[5]、肠肺轴[6]、肠骨轴[7]和肠肾轴[8]等概念。由于这种作用和影响又与大脑密切相关，因此，有人进一步提出了肠肝脑轴[9]、肠肾脑轴[10]等概念。从肠道微生态着手研究其与各个器官和系统的疾病具有重要意义，已成为当今医学研究的热点。
微生态也可理解为微生物的生存状态。研究肠道微生态主要就是研究肠道微生物的数量、种类、组成及其代谢产物与疾病的关系。
1.1 肠道微生物组成 肠道微生物自分娩后即开始在人体肠道定植，3岁以后可达到稳定水平。婴儿早期的生活环境对健康微生物的发育起至关重要的作用。一旦发育成熟，肠道微生物群就成为人体必需且具有重要作用的获得性器官[1]。肠道微生态随着不同的年龄或发育阶段、疾病状态、宿主的生活环境等因素影响呈动态变化并保持相对平衡。肠道微生物种类繁多，包括细菌、古生菌、真菌和病毒等，其中，细菌可分为益生菌、中性菌和有害菌3类，主要由厚壁菌、拟杆菌、放线菌和变形杆菌4个门类的细菌组成。自门以下进一步还可按照纲、目、科、属和种进行分类，肠道微生物超过1 000个种类。从近端肠道到远端肠道，细菌的数量逐渐增多，每克肠内容物的细菌数分别从胃十二指肠的102～103、空回肠的104～107到最高结肠的109～1012[1]。代谢类型由需氧型逐渐过渡为厌氧型，绝大多数(90%以上)是厌氧菌，需氧菌数量极少[11-12]。肠道菌群总数可达为1 014，重达1～2 kg，约占人体菌群的78%，为人体细胞总数的10倍，基因数的100倍[13]。正常成年人的肠道菌群大致可分为主要(优势)菌群和次要菌群。主要菌群占肠道菌群总数的90%以上，多为专性厌氧菌，包括双歧杆菌属、消化球菌属、拟杆菌属、乳杆菌属、梭杆菌属等；次要菌群以兼性厌氧菌和需氧菌为主，包括肠球菌属、肠杆菌属、埃希菌属、克雷伯菌属等。
1.2 肠道微生物的功能 肠道微生物及其代谢物对肠道有重要作用，如其可通过肠内肌间神经丛影响肠动力[14-15]；通过对肠黏膜屏障紧密连接蛋白ZO-1、Claudin和Occludin等影响肠道通透性[16-17]；通过多种机制影响肠道炎性反应和肿瘤[18]等。此外，肠道微生物还参与人体生长发育、能量调节、免疫防御、物质代谢、衰老及内分泌调控等多种重要的生理和病理过程。正如希波克拉底所言：“所有疾病源于肠道”。故肠道微生物有人体“新的器官”“第二大脑”或“第二基因组”之称[19-20]。以下简述肠道微生物的重要功能。
1.2.1 物质代谢 肠道微生物群能够合成维生素K及大部分水溶性B族维生素，如生物素、钴胺素、叶酸、烟酸、泛酸、吡哆醇、核黄素和硫胺素[21]。肠道细菌主要是拟杆菌和梭菌分解食物残渣中的碳水化合物和肠道上皮细胞分泌的糖蛋白产生乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸(SCFAs)，降低肠道pH，促进钙、铁和维生素D的吸收。SCFAs还具有维持肠道稳态、提供结肠上皮细胞所需能量、抑制肿瘤、抗炎性反应、抗氧化、增强肠道屏障功能和黏膜免疫力等作用。其中，由下消化道微生物发酵膳食纤维产生的丁酸备受重视。此外，肠道微生物还参与药物[22]和胆汁酸的代谢[23]。肠道微生物可以分解膳食中的磷脂酰胆碱、胆碱和肉碱产生三甲胺(TMA)，后者通过门静脉循环进入肝脏，在肝脏黄素依赖的单加氧酶(FMO)同工酶1和3作用下迅速转化为氧化三甲胺(TMAO)。TMAO可促进血栓形成、动脉粥样硬化和肾脏疾病的发生[24]，也可作为其他疾病如肥胖、糖尿病和癌症的生物学标志[25]。但是，TMAO是致病因素还是疾病发展的伴随生物学结果，尚待进一步研究。血中TMAO的水平取决于多种因素，包括饮食、肠道微生物群组成和活性、肠血屏障通透性、肝酶活性和甲胺排泄率[26]，因此，TMAO的作用和价值尚待进一步明确。
1.2.2 免疫防御 肠道菌群黏附于肠黏膜形成生物屏障，竞争肠上皮的黏附位点抑制致病菌定植或侵入肠上皮细胞；某些肠道细菌产生细菌素抑制机会导致病菌的生长；部分肠道细菌能改善肠上皮通透性，减少肠道毒素泄露及病原微生物入侵。肠道细菌表面的分子标记如脂多糖(LPS)、鞭毛蛋白等能够被肠上皮细胞和淋巴结的模式识别受体(PRR)，包括Toll样受体(TLRs)和NOD样受体(NLRs)所识别，从而调节宿主的免疫系统[27]。细菌的鞭毛蛋白通过活化固有层CD103+、CD11b+树突状细胞(DCs)表面TLR5分泌白细胞介素-23(IL-23)，一方面促进B细胞分化为分泌免疫球蛋白A(IgA)的浆细胞,合成和分泌IgA；另一方面诱导宿主产生Th17细胞，下调Foxp3+Tregs细胞，调节肠道中Treg/Teff的平衡[28]。此外，肠黏膜上皮表面的抗原识别位点受肠道菌群的激活，促使肠道淋巴细胞和巨噬细胞产生细胞因子，通过淋巴循环到达全身，增强机体免疫功能。
1.2.3 内分泌调节 肠道菌群与内分泌相互作用，一方面菌群能直接或间接产生和分泌内分泌激素，另一方面也受内分泌激素的调节，影响宿主的代谢、免疫和行为。有研究表明，许多参与宿主激素(包括肾上腺素、去甲肾上腺素、多巴胺、5-羟色胺、褪黑素等)代谢的酶可能是从细菌的基因水平转移进化而来。儿茶酚胺促进细菌对宿主组织的附着并影响细菌的生长和毒性，而性激素雌三醇和雌二醇则降低细菌的毒力。除肠道微生物代谢的核心产物SCFAs对胰高血糖素样肽-1(GLP-1)和酪酪肽(PYY)等进行调节外，无菌小鼠肠道肽类激素包括胆囊收缩素(CCK)、GLP-1和PYY分泌减少会影响营养摄入和能量代谢，提示肠道微生物对内分泌激素的调节作用。目前，该领域还处于起步阶段，未来的微生物内分泌学将可能阐明两者之间的关系[29-30]。
1.2.4 衰老 与年龄相关的肠道微生物群及其代谢的改变提示肠道微生态与衰老密切相关。核酸分析表明，儿童肠杆菌大约是年轻人和老年人的100倍，但随着年龄的增长，肠道微生物多样性下降，分解糖的细菌减少而分解蛋白质的细菌增加；主要菌群丰度减少，次要菌群丰度增加；厚壁菌门与拟杆菌门的比值降低，乳杆菌和双歧杆菌的相对丰度逐渐降低，特别是在60岁以后尤为显著。这些变化与肌肉减少和长寿有关，给予益生元和益生菌后可能得到改善，这为抗衰老提供了新的靶标[31-33]。
1.3 肠道微生态失衡 肠道微生态的稳定性源于一定比例组合菌群间的互相制约，互相依存，在质和量上形成一种生态平衡。一旦机体内外环境发生变化，如饮食、环境、衰老、肠道动力异常及长期应用抗菌药物(尤其是广谱抗菌药物)，可引起肠道菌群失调，导致微生态失衡。肠道菌群表现为在种类、数量、比例、定殖、移位和生物学特征等方面的变化；临床上可表现为腹泻、便秘、腹胀、腹痛、腹部不适甚至全身症状。菌群失调按严重程度分为三度：Ⅰ度为菌群变化较轻，总数正常或稍减少，无显著临床表现，去除病因后可自行恢复；Ⅱ度除了总数减少外，表现为多种慢性疾病如慢性腹泻等表现，去除病因后不能自行恢复；Ⅲ度则是细菌总数极度减少，正常菌群被少数非定植菌群代替并过度繁殖，肠道功能紊乱，病情凶险，出现二重感染，需要积极治疗[34]。
2.1 分子生物学技术 肠道微生态的检测内容主要包括肠道微生物的数量、种类和组成。传统的肠道菌群分析方法包括培养鉴定、显微镜观察和生化鉴定等，但存在耗时长、要求高、成本贵、影响因素多和敏感度低等问题。随着分子生物学技术的发展和核糖体RNA(rRNA)研究的深入，发展出了很多快速、敏感和特异的检测新方法，特别是近年来高通量测序技术的发展使某些原本难以检测的细菌已能被检测到。
2.2 宏基因组及宏基因组测序 宏基因组又称元基因组或环境基因组。宏基因组测序是以特定环境样品中全部微生物DNA作为对象进行测序，以此提供广泛和复杂的微生物群落信息。测序技术已经从第1代发展第3代，读长经历了从长到短，再由短至长的过程。早期以16S rRNA为基础的测序技术利用聚合酶链式反应(PCR)技术克隆16S rRNA基因，再通过多次Sanger法完成测序，此被称为第一代测序技术。Sanger法即双脱氧链末端终止法，测序的读取长度仅为数百个碱基，每次只能获得部分取样基因的序列，成本高、敏感度低，对低丰度微生物的分析效果不佳。
2.3 高通量测序技术 宏基因组高通量测序技术是从二代测序技术开始，又称下一代测序(NGS)技术，1次可对数十万到数百万条核酸分子进行测定，快速经济，每个样品可产生高达数百万的读数，缺点是读取长度非常短。三代测序技术是单分子测序技术，测序时无需经过PCR扩增，对每一条DNA分子单独测序。二代和三代测序技术在广度上和深度上为宏基因组学研究带来了巨大的变革。近年来有人提出了第四代测序技术——固态纳米孔测序技术[35]。高通量测序技术让全面深入分析复杂的肠道微生物成为可能。
肠道微生态的研究正如火如荼，新理论、新技术、新概念如雨后春笋，层出不穷。与肠道微生态相关疾病的研究也将不断取得新的进展。
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