栖息在人类肠道的微生物群落构成了复杂的微生态体系,其在宿主的营养吸收及黏膜屏障构建等方面发挥重要作用,同时宿主也为肠道菌群提供适宜的栖息环境,两者形成了互惠共生的栖息关系。近年来,随着基因组学、蛋白组学和代谢组学等研究技术的不断进展,人们对肠道微生态的研究不断深入,逐渐认识到肠道微生态改变及其所引发的代谢改变在疾病发生发展中的重要意义。此外,为进一步改善肠道微生态,以益生菌、益生元和合生元为代表的营养制剂被用于临床,其可以通过调整肠道菌群、调节肠道代谢进而达到治疗疾病的目的。因此,本文将从疾病肠道微生态改变及其生理功能、疾病与肠道微生态变化以及微生态制剂的应用三个方面加以论述。

肠道微生态及其生理功能

肠道微生态作为人体四大微生态中最重要的一环,其组成十分复杂。人类肠道微生态中定植了约1014个细菌,种类超过1000种,对肠道内定植的细菌进行基因分析后发现肠道菌群的基因总数超过500万,比人类基因总数还大150倍。不同的解剖部位,肠道细菌的数量也各不相同。研究发现,由于胃酸和肠蠕动的作用,小肠近端含菌量很少且以需氧菌居多,盲肠部细菌明显增多,达到109cfu/ml(集落形成单位）结肠中细菌进一步增多,达到1014cfu/ml,主要包括拟杆菌属、卟啉单胞菌属、双歧杆菌属(Bifidobacteriumspp.)、乳杆菌属和梭菌属,其中厌氧菌与需氧菌的比值达到(100~1000)∶1。

正常的肠道微生态除促进消化吸收外,其对机体物质代谢的影响日渐受到关注。如肠道细菌通过对膳食纤维的消化和发酵产生短链脂肪酸(SCFA),SCFA不仅可以为肠道细胞供能,还可以通过释放瘦素和胰高血糖素样肽(GLP-1)来参与能量平衡。因此,肠道微生态的组成和代谢状况在正常成人中能够保持相对稳定,对于胃肠道功能的正常发挥和机体稳态意义重大。最近研究发现,肠道微生态失衡与炎症性肠病、结直肠恶性肿瘤、肥胖和糖尿病等疾病关系密切,并且通过微生态制剂的调控作用,可在一定程度上通过改善肠道微生态菌群谱而影响慢性疾病的发生发展。

疾病与肠道微生态变化

1.炎症性肠病(IBD):

IBD是一种发病原因尚不明确的慢性炎症性肠道疾病,临床上有两种表现形式,即克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC)。Lepage等运用16SrDNA测序技术对62例炎症性肠病患者的肠黏膜组织进行分析后发现,IBD患者肠道菌群中放线菌门和变形菌门比例增高,拟杆菌门比例降低。另外,研究人员还发现IBD患者肠道黏膜上机会致病菌的密度显著增高。具体表现为发现可变梭杆菌、黏附-侵袭性大肠埃希菌(AIEC)等对肠道黏膜有侵袭性的细菌密度明显增加。肠道菌群受环境因素、基因表型共同影响,而同卵双生的双胞胎具有相似的基因型和环境因素,且研究发现其肠道微生态具有相似性。而当双胞胎中一方患UC而另一方未患病时,两者微生态出现明显差异,具体表现为肠道菌群多样性降低、红球菌、寡养单胞菌等需氧菌丰度增加以及柔嫩梭菌等产丁酸盐细菌丰度下降等,可见UC对微生态影响明显。肠道微生态和肠道营养

2. 结直肠癌(CRC):

CRC是一种近年来发病率逐年升高的消化道恶性肿瘤,其病因及发病机制仍不明确。既往研究表明,肠道微生态与CRC的发生、发展和转移等方面关系密切。有研究显示,与健康志愿者相比,CRC患者肠道中厚壁菌门和梭杆菌门丰度增加,变形菌门丰度降低,而在同一患者肠道中,相比癌旁组织,癌组织中乳球菌属和梭菌属丰度均明显增高,假单胞属和志贺氏杆菌属丰度却显著降低。近年来,关于微生态变化导致肠癌的讨论十分激烈,具有代表性的有两种假说,即“keystone”和“driver-passenger model”假说,前者认为是某种关键性致病菌所产生的一系列代谢反应引发肿瘤,而后者认为以产肠毒素脆弱类杆菌(ETBF)为代表的driver菌可刺激肠道产生炎症反应并产生基因毒性物质引发突变,产生致癌效应,并且在driver细菌的作用下,使passenger细菌的在肠道定植变得更加容易,从而改变原有肠道菌群分布,而passenger细菌常以链球菌属和梭菌属等机会致病菌为主,而这些细菌在肠道微环境中丰度增加,可能进一步促进肿瘤的发生、发展。其中,具核梭杆菌(Fn)就是目前广泛研究的一种可能“passenger菌”,研究表明同一肠癌患者肠道中,Fn在肠癌组织中的丰度较癌旁组织明显增加,但其确切致癌机制仍不明确,可能与NF-κB通路激活产生炎症以及表达黏附分子(FadA)与E-钙黏蛋白结合等机制有关。

3. 糖尿病(DM):

DM属于代谢综合征症候群的一种,由于生活方式的改变,近年来其发病率逐年升高。DM患者肠道微生态改变受到研究者的密切关注。研究显示,DM患者与正常人群肠道菌群差异有统计学意义,主要表现为DM患者肠道中厚壁菌门丰度降低,而拟杆菌门和变形菌门丰度较高,进一步研究发现,拟杆菌门和厚壁菌门的比例改变与葡萄糖耐量降低明显相关。此外,对DM患者粪便进行宏基因组分析后发现,DM患者肠道内产丁酸盐的细菌丰度显著降低,特别是罗氏菌属和柔嫩梭菌属,与此相反,一些机会致病菌如粪拟杆菌、多枝梭状芽胞杆菌、共生梭菌、迟缓埃格特菌和大肠杆菌丰度则增加。另外,具有降解黏蛋白功能的细菌以及硫酸盐还原菌(如脱硫弧菌)丰度也同时增加。

4. 肥胖(Obesity):

肥胖患者肠道微生态改变也存在特征性。动物实验发现,肥胖小鼠肠道中拟杆菌门丰度偏低,而厚壁菌门丰度较高,进一步实验发现,若将肥胖小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠肠道内,即使在低脂饮食状态下,无菌小鼠肥胖的概率也显著提高。在人群实验中,Karlsson等通过对肥胖儿童的粪便进行qPCR分析后发现,肥胖儿童肠道内肠杆菌属丰度偏高,脱硫弧菌属和丰度偏低,而同样运用qPCR技术分析肥胖孕妇的肠道菌群后,发现双歧杆菌和拟杆菌丰度均降低,而葡萄球菌和大肠杆菌丰度则升高。除将特异性的菌群偏移外,LeChatelier等还提出可按照肠道菌群基因数和菌群丰度将人群分为低菌群丰度组和高菌群丰度组,研究发现,低菌群丰度组中肥胖的比例明显增高,并且胰岛素抵抗、血脂异常和炎症反应也较为明显,在菌群分布上两组人群差异有统计学意义,低菌群丰度组中拟杆菌门和变形菌门丰度较高,而高菌群丰度组中疣微菌门、放线菌门及古生菌的分布更占优势。

总体而言,这些疾病的发生发展与微生态改变的因果及相互促进之关系,仍有待进一步深入探讨。

疾病状态下肠道微生态与代谢改变的关系

1.IBD患者的代谢改变:

IBD患者在确诊时即出现较为严重的营养不良和代谢障碍,且随着疾病的演进逐渐加重,常导致剧烈的腹痛和水样便或出血性腹泻。引发代谢障碍的原因较多,由微生态紊乱所引发的代谢改变是可能原因之一。例如,UC患者肠道中柔嫩梭菌等产丁酸的细菌丰度常降低,从而导致肠道内丁酸水平随之下降。丁酸对于维持正常的肠道功能具有重要的作用,不仅可以刺激肠道黏液分泌、提高肠道血流量和肠蠕动,还可增强肠道对钠和水的吸收。另外,丁酸还可以通过阻止NF-κB激活达到抗炎作用。此外,中链脂肪酸如戊酸盐和己酸盐等在IBD患者肠道中含量也处于降低趋势。蛋白质代谢方面,IBD患者肠道中甲基吲哚和对甲酚等蛋白质代谢产物水平较低,这可能是由于能够参与蛋白质代谢进而合成上述产物的细菌减少所致,相关细菌主要包括梭状芽胞杆菌和拟杆菌属等,而经研究证实,这两种细菌在IBD患者中丰度确实常处于降低趋势,可见微生态改变会对炎症性肠病肠道代谢产生影响。

2. CRC患者的代谢改变:

有研究显示,一些对身体有益的物质如丁酸盐、醋酸盐以及亚麻油酸等在CRC患者肠道中含量常降低,其中丁酸盐除为肠道上皮供能、促进肠道吸收外,还有抗炎和抗癌效应。Hester等发现与某些人种相比(西班牙裔和非西班牙裔美国人、美国印第安人和美国白人),非洲裔美国人肠内丁酸盐水平偏低,这可能是非洲裔美国人CRC较为高发的原因之一,而亚麻油酸则可通过调节氧化应激和线粒体功能来抑制肿瘤细胞的增殖。相反,胃肠道微生态改变还可介导产生某些有害的物质,如活性氧水平在肿瘤组织中常常升高,而过高的活性氧会导致DNA改变,导致碱基修饰、脱氧核糖损伤以及DNA链断裂等,进而提高致癌的风险。研究发现,胃癌患者中的幽门螺杆菌(Hp)会使活性氧水平增加,这可能是Hp致癌的机制之一,而CRC患者肠道中活性氧水平增加可能与粪肠球菌丰度增加相关。

3. 肥胖和DM的代谢改变:

肥胖和DM不仅在肠道菌群上存在特异性改变,肠道菌群紊乱还可以介导产生相关代谢改变。DM患者肠道内柔嫩梭菌等产丁酸盐细菌丰度下降,使得肠道内丁酸盐等SCFA水平降低,SCFA可作为一种信号分子可与G蛋白偶联受体41(Gpr)和Gpr43结合,Gpr可在肠道内皮细胞、脂肪细胞和免疫细胞中广泛表达,Kimura等发现Gpr缺陷的小鼠在正常饮食条件下也会产生肥胖,且缺陷小鼠中胰岛素抵抗比例也较高,相反,激活Gpr43可以促进肠道分泌GLP-1,从而达到提高胰岛素敏感性的目的。对于肥胖患者,其体内脂肪异常增多,除与饮食习惯有关外,微生态可通过调节胃肠道激素的分泌、肠屏障功能和炎症反应来参与脂肪代谢。如肥胖患者机体常常处于低度炎症状态中,机体内毒素常处于较高水平,这可能与内源性大麻素系统(ECS)激活有关,而研究显示ECS过度激活可削弱肠屏障功能,使得内毒素入血变得更加容易。研究还发现,肥胖患者在过度减肥后可有效降低白介素(IL)6和肿瘤坏死因子(TNF)α等炎性因子的水平,可见肥胖与炎症状态存在相关性。Amar等研究发现,小鼠在接受7d的高脂饮食后,在肠道中的共生细菌如大肠杆菌、变形杆菌等就会在脂肪组织和血液中大量出现,而研究人员运用16SrDNA测序技术对DM前驱期患者的血液样本进行分析后,也发现其血液中细菌DNA水平提高,可见在DM发病之前,细菌便从肠道中转移到脂肪组织和血液中,而这种细菌移位对于炎症发生具有直接促进作用。除此之外,血管生成素相关蛋白4(Angptl4)与肥胖之间也有紧密联系。

Angptl4是一种脂蛋白脂肪酶抑制剂,在正常小鼠体内其表达常常处于较低水平,若其表达过度将会刺激脂肪动员,从而提高血浆中三酰甘油、游离脂肪酸、甘油和总胆固醇的水平,降低体脂含量,同时研究显示,Angptl4缺陷的无菌小鼠体内脂蛋白脂肪酶活性较野生型小鼠显著提高,脂肪合成明显增加,而Angptl4过度表达则会使体脂含量降低,可见Angptl4可调节机体的脂肪代谢。

微生态制剂的应用

IBD等疾病状态下的微生态改变及其代谢改变已由前文述及,近年来,以改善微生态为靶向的营养治疗受到研究人员和临床医师的广泛关注,尤其是益生菌、益生元和合生元等微生态制剂的使用,为诸多疾病的治疗提供了一个新的途径。

1. 益生菌

益生菌指对一类机体健康产生有益营养的活微生物的总称。目前,益生菌在多种疾病中广泛使用,在炎症性肠病中,研究显示在补充8周富含双歧杆菌和乳杆菌的益生菌酸奶后,可显著降低IBD患者血清中IL-1β、TNF-α和C反应蛋白(CRP)的量,并提高IL-6和IL-10的水平。另一项研究中,UC患者定量补充双歧杆菌制剂1年后,其复发率明显下降。相比单独补充益生菌,多种益生菌联合应用效果更加明显,富含8种益生菌的VSL用于IBD患者不仅可以缓解肠道的炎症反应,还可增加紧密连接蛋白水平以提高肠道的稳定性。在肿瘤的防治方面,益生菌制剂可通过降低葡萄糖醛酸酶和偶氮还原酶的活性及降低肠道中酸碱度值(pH)达到降低致病性细菌的丰度的目的。此外,还通过调节免疫反应达到预防癌症的效果,如乳酸杆菌可通过产生IL-12有效调控DC的生长和成熟及刺激NK细胞产生干扰素γ(IFN-γ),进而达到免疫调节作用。除益生菌的抗癌机制研究外,欧洲一项为期12年、参与人数达到45241名的前瞻性调查也发现,富含益生菌的酸奶摄入可有效降低CRC的发病风险。近年来，DM、肥胖等代谢综合征的益生菌治疗受到研究人员关注。研究显示,补充干酪乳杆菌可有效降低饮食所致的肥胖小鼠的DM发病率,除此之外,补充干酪乳酸杆菌可显著提高Angptl4水平,从而减缓小鼠在高脂饮食状态下体脂增加的幅度,但也有研究显示,肠道内乳杆菌丰度增加会同时伴随体重指数(BMI)和血糖的增加,这种矛盾可能是由于乳杆菌属中多达90种不同菌种对脂肪代谢各有差异所致。

2. 益生元

益生元是一类膳食补充剂,可选择性刺激一种或少数种菌落中的细菌的生长及活性,从而改善肠道环境。研究显示,益生元可抑制内源性大麻素系统的活性,而ECS活性降低可刺激肠道产生紧密连接蛋白从而达到增强肠道屏障的作用。益生元在结肠中可被厌氧菌代谢产生SCFA,SCFA不仅可以显著提高肠道内双歧杆菌等有益菌的比例,还可以通过激活GPR43和GPR109刺激T调节细胞(Tregcell),进而降低促炎因子水平,达到缓解炎症的目的。益生元在CRC的预防中也起重要作用,研究显示二甲基肼介导的肠癌小鼠在补充低聚木糖(XOS)和低聚果糖(FOS)后,可显著降低盲肠内pH值和血清中三酰甘油的浓度,并减少异常隐窝病灶(ACF)的产生。益生元还可以通过调节一些外源性代谢酶的活性达到抗癌的效果,动物实验显示抗性淀粉(RS)可显著增强家兔结肠中谷胱甘肽转移酶的活性,此外,益生元还可有效降低肥胖小鼠血清中内毒素水平,并提高肠道内双歧杆菌的丰度,改善葡萄糖耐量和胰岛素分泌功能。而健康志愿者在补充菊粉(inulin)型果糖2周后,GLP-1分泌显著提高,餐后血糖升高幅度降低,同时受试者饱腹感增加且能量摄入明显减少。

3. 合生元

合生元即益生菌和益生元结合使用。首先,选择具有特异性的一种或多种益生菌,同时补充益生元协助益生菌发挥协同作用,相比益生菌或益生元的单独使用,联合应用更能充分发挥其功能。合生元使用可以调整肠道菌群偏移,研究显示,合生元可降低肠道中大肠杆菌丰度。而动物实验显示,合生元可提高家兔肠道中IgA的水平。临床试验发现,UC患者联合应用长双歧杆菌和果聚糖后,肠黏膜中β-defensin、TNF-α和IL-1α的表达水平显著提高,另一项研究提示,合生元的使用不但能缓解CD患者的临床症状,而且还能显著提升CD患者的病理评分。合生元在CRC中的应用研究显示,菊粉、鼠李糖乳杆菌GG(GG)和乳双歧杆菌Bb12的联合应用,可有效延缓肿瘤扩散。尽管理论上合生元可以代表益生元和益生菌的功能,但多种益生菌和益生元的选择以及联合运用的兼容性、安全性、最小有效剂量以及是否存在不良反应等相关问题仍有待进一步研究。

总结

众多研究均证明,肠道微生态与多种疾病关系密切,而疾病状态下代谢的变化也和肠道微生态改变密不可分,同时,益生菌、益生元和合生元等营养制剂通过改善肠道微环境达到改善疾病状况的效果,这更进一步证实了肠道微生态的重要地位。肠道微生态研究前景广阔,但相关研究仍有待进一步深入,肠道微生态改变与疾病之间的确切关联仍未完全阐明,肠道微生态改变引发机体代谢变化的确切机制仍不完全明确,而在益生菌等营养制剂的使用上,各种研究报道的营养制剂类型的选择、用法用量和安全性等方面存在较大差异。随着研究的深入,相关机制及理论的阐明将会赋予肠道微生态新的定义,我们有理由相信这将会为诸多疾病的预防和治疗提供崭新的途径。

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