楊澤冉，辛毅，侯潔，曹雪姣，吳大暢

(大連醫(yī)科大學(xué)，遼寧大連116044)

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腸道菌群失調(diào)及其相關(guān)疾病研究進(jìn)展

楊澤冉，辛毅，侯潔，曹雪姣，吳大暢

(大連醫(yī)科大學(xué)，遼寧大連116044)

摘要：腸道正常菌群參與機(jī)體的物質(zhì)代謝，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收合成，并能夠促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育，維持人體正常生理活動(dòng)，其對(duì)胃腸道消化和免疫作用的發(fā)揮與腸桿菌、腸球菌、類桿菌和乳桿菌的關(guān)系密不可分。腸道黏膜免疫反應(yīng)主要依靠腸腔內(nèi)黏膜表面的免疫球蛋白(sIgA為主)和淋巴細(xì)胞為主體的免疫活性細(xì)胞，共同完成腸道局部免疫。抗生素的使用可誘導(dǎo)腸道菌群失調(diào)，腦-腸軸參與了腸道菌群失調(diào)，其不僅可引起全身免疫疾病，還能導(dǎo)致肥胖、2型糖尿病及腸癌。

關(guān)鍵詞：腸道菌群；菌群失調(diào)；肥胖；2型糖尿??；腸腫瘤

腸道微生物在人體免疫、營(yíng)養(yǎng)和代謝方面起著至關(guān)重要的作用。近年來(lái)，人體微生物組學(xué)的相關(guān)研究受到廣泛關(guān)注、并取得了巨大進(jìn)展。腸道微生物與健康的關(guān)系日益清晰，腸道菌群在人類疾病發(fā)生發(fā)展中的變化及作用也逐漸明朗。這也開啟了腸道菌群調(diào)節(jié)能量代謝、炎癥和肥胖相關(guān)代謝紊亂性疾病研究的新時(shí)代。

1腸道菌群及其作用

1.1腸道菌群 嬰兒出生前腸道內(nèi)是無(wú)菌的，所處的子宮內(nèi)環(huán)境也相對(duì)無(wú)菌，出生后細(xì)菌迅速?gòu)目诩案亻T進(jìn)入體內(nèi)并完成定植，并且經(jīng)過(guò)3個(gè)月的時(shí)間菌群逐漸趨于穩(wěn)定。He等[1]通過(guò)對(duì)新生兒出生后腸道菌群定植過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)：出生后第1天腸內(nèi)定植的優(yōu)勢(shì)菌依次是腸桿菌、腸球菌、葡萄球菌和類桿菌；出生后第6天雙歧桿菌數(shù)量逐漸增多成為優(yōu)勢(shì)菌，其優(yōu)勢(shì)狀態(tài)可持續(xù)1～3個(gè)月。同樣，Vanden等[2]對(duì)出生后第7天嬰兒糞便菌群的研究發(fā)現(xiàn)：89%的嬰兒糞便檢測(cè)到雙歧桿菌，這種優(yōu)勢(shì)可持續(xù)3個(gè)月左右，此外，還發(fā)現(xiàn)大量腸桿菌、腸球菌、類桿菌和乳桿菌等。其后，腸道中雙歧桿菌和乳酸菌處于優(yōu)勢(shì)地位并加以維持。在此過(guò)程中，腸道免疫系統(tǒng)也隨之發(fā)育并逐漸成熟，其中就包括腸相關(guān)淋巴組織(GALTs)的發(fā)育和成熟。GALTs發(fā)育成熟的結(jié)果是對(duì)腸道原籍菌群的耐受和對(duì)病原菌的免疫反應(yīng)。Gr?nlund等[3]研究發(fā)現(xiàn)，隨著腸內(nèi)脆弱類桿菌和雙歧桿菌數(shù)目的增加，外周血中的IgA定向細(xì)胞的數(shù)量也逐漸增加。

1.2腸道菌群參與的黏膜免疫反應(yīng)腸道黏膜免疫反應(yīng)主要依靠腸腔內(nèi)黏膜表面的免疫球蛋白(sIgA為主)和淋巴細(xì)胞為主的免疫活性細(xì)胞，共同完成腸道的局部免疫功能，其主要功能有[4]：①阻斷細(xì)菌對(duì)黏膜的黏附，使其不能形成集落，達(dá)到排斥細(xì)菌的目的；② 中和病毒作用；③ 中和毒素作用；④對(duì)以異物形式攝入和從空氣中吸入的某些抗原物質(zhì)具有封閉作用，使外來(lái)抗原游離于黏膜表面，不致進(jìn)入機(jī)體，避免引起全身性免疫反應(yīng)；⑤激活補(bǔ)體的C-3旁路途徑，參與補(bǔ)體和溶菌酶協(xié)同抗菌作用；⑥阻止機(jī)體對(duì)腸腔內(nèi)共棲的正常菌群產(chǎn)生免疫應(yīng)答。由此推測(cè)，腸黏膜免疫屏障的損害可能與腸外細(xì)菌、內(nèi)毒素移位及誘導(dǎo)全身過(guò)度、失控、自毀的炎癥性反應(yīng)密切相關(guān)。

2腸道菌群失調(diào)

2.1抗生素誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào)正常生理狀態(tài)下，腸道菌群與機(jī)體處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，但當(dāng)正常菌群受到來(lái)自于機(jī)體內(nèi)外的理化、生物因素的刺激時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失衡，進(jìn)而引發(fā)疾病。導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的原因很多，主要有飲食改變、疾病及抗生素的使用等。其中，臨床上最常見的原因是抗生素的不合理使用，尤其是廣譜抗生素的長(zhǎng)期應(yīng)用。劉崇海等[5]選用臨床上常用的頭孢菌素類抗生素處理小鼠，建立了腸道菌群失調(diào)動(dòng)物模型，并經(jīng)口灌服白色念珠菌，進(jìn)一步加重菌群失調(diào)。研究證實(shí)了Toll 樣受體(TLR)是天然免疫中的重要模式識(shí)別受體，經(jīng)逐級(jí)信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程參與抗感染的炎癥過(guò)程。當(dāng)腸道正常菌群受到抗生素的影響后，TLR 基因表達(dá)水平下降，其下游的適應(yīng)性免疫功能降低，影響外周免疫器官的正常功能，從而導(dǎo)致機(jī)體免疫功能下降。Brugman等[6]通過(guò)對(duì)Ⅰ型糖尿病易感大鼠的研究表明，自發(fā)性糖尿病傾向大鼠中患病大鼠腸道擬桿菌屬數(shù)量明顯高于未患病大鼠，抗生素預(yù)處理能夠降低易感小鼠Ⅰ型糖尿病的發(fā)病率。提示腸道菌群參與了Ⅰ型糖尿病的發(fā)生發(fā)展，合理使用抗生素可以影響腸道菌群的數(shù)量及分布，并干預(yù)了相關(guān)免疫性疾病的發(fā)生，這為糖尿病的防治提供了新思路和新策略。

2.2腦腸軸參與的腸道菌群失調(diào)腦腸軸的微生物軸包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)、腸神經(jīng)系統(tǒng)、相關(guān)內(nèi)分泌和免疫系統(tǒng)、腸道菌群。多項(xiàng)研究表明,腸道菌群和腦腸軸存在著密不可分的交互調(diào)控關(guān)系，進(jìn)而導(dǎo)致了腦-腸-菌軸(BGMA)概念的提出，BGMA各部分相互作用，通過(guò)神經(jīng)-免疫-內(nèi)分泌網(wǎng)絡(luò)調(diào)控構(gòu)成復(fù)雜的反饋性網(wǎng)絡(luò)，整合與協(xié)同多項(xiàng)生理功能和病理過(guò)程，如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化和吸收、神經(jīng)發(fā)育和傳遞以及免疫等活動(dòng)。付蕾等[7]研究結(jié)果顯示，慢性應(yīng)激條件下，大鼠出現(xiàn)腸道菌群失調(diào)、腸黏膜通透性升高、神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)亦處于應(yīng)激狀態(tài)，雙歧桿菌干預(yù)能夠緩解慢性應(yīng)激所導(dǎo)致的上述現(xiàn)象。提示腦腸軸參與了腸道菌群的調(diào)節(jié)，并與腸神經(jīng)系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)共同發(fā)揮作用。

3腸道菌群失調(diào)相關(guān)疾病

3.1全身免疫系統(tǒng)過(guò)度活躍Keir等[8]發(fā)現(xiàn)，抑制程序性死亡受體PD-1具有維持免疫球蛋白A的質(zhì)量和控制腸道菌群構(gòu)成的作用。如果這種受體缺失將導(dǎo)致腸道內(nèi)微生態(tài)環(huán)境紊亂，進(jìn)而導(dǎo)致全身免疫系統(tǒng)過(guò)度活躍。PD-1受體起到抑制免疫系統(tǒng)的功能，其受體缺失，免疫系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)過(guò)激反應(yīng)，最終導(dǎo)致自體免疫疾病，如糖尿病、自身免疫性腦脊髓炎、淋巴細(xì)胞脈絡(luò)叢腦膜炎病毒感染、HIV感染等。受此影響，腸道菌群的構(gòu)成亦會(huì)發(fā)生明顯變化，主要益生菌如雙歧桿菌減少到可檢測(cè)下限，而通常情況下數(shù)量較少的有害腸桿菌屬細(xì)菌數(shù)量卻增加至原有的400倍左右。另有實(shí)驗(yàn)表明，PD-1受體缺失實(shí)驗(yàn)鼠體內(nèi)產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子的輔助性T細(xì)胞的數(shù)量增加到原來(lái)的4倍，通常只存在于腸道內(nèi)的腸道細(xì)菌抗體在血液中也被檢測(cè)出來(lái)。由此，研究人員得出以下結(jié)論：腸道內(nèi)微生態(tài)環(huán)境紊亂可導(dǎo)致全身免疫系統(tǒng)過(guò)度活躍，進(jìn)而有可能出現(xiàn)自體免疫性疾病等病態(tài)改變。

3.2肥胖肥胖是一種全身低度炎癥性疾病。目前，研究者普遍認(rèn)為腸道菌群在能量代謝過(guò)程中起重要調(diào)節(jié)作用，肥胖癥與腸道菌群失調(diào)關(guān)系密切[9]。腸道菌群既可以通過(guò)代謝某些難以消化的食物成分，提高機(jī)體攝取能量的能力從而引起肥胖，也可通過(guò)改變影響機(jī)體的全身低度炎癥參與肥胖。Shen等[10]采用454高通量測(cè)序平臺(tái)對(duì)胖瘦不同的個(gè)體的腸道微生物進(jìn)行了研究，結(jié)果表明肥胖與腸道門級(jí)微生物的變化相關(guān)，胖人與瘦人相比，微生物多樣性明顯降低，擬桿菌門所占比例較低、而放線菌門所占比例較高。諸多實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，腸道菌群在促進(jìn)宿主脂肪合成、積累方面可能起著非常重要的作用。另外，短鏈脂肪酸(SCFA)是人結(jié)腸細(xì)菌發(fā)酵的主要產(chǎn)物，腸道菌群通過(guò)產(chǎn)生SCFA，為機(jī)體提供能量，也可促進(jìn)脂肪的合成及存儲(chǔ)；同時(shí)，SCFA也是一種重要的信號(hào)分子，通過(guò)免疫和神經(jīng)內(nèi)分泌機(jī)制調(diào)節(jié)宿主食物(能量)攝入和代謝[11]。比利時(shí)學(xué)者Cani[12]通過(guò)研究提出了基于腸道菌群誘導(dǎo)作用的“代謝性內(nèi)毒素血癥”假說(shuō)，用以解釋肥胖癥患者體內(nèi)長(zhǎng)期低水平全身性炎癥反應(yīng)狀態(tài)：飲食誘導(dǎo)腸道菌群改變，機(jī)會(huì)致病菌數(shù)量增加，腸屏障保護(hù)菌數(shù)量下降，導(dǎo)致腸道通透性增強(qiáng)，入血內(nèi)毒素量增加，引發(fā)慢性炎癥反應(yīng)，進(jìn)而產(chǎn)生肥胖等代謝失調(diào)。

3.3 2型糖尿病2型糖尿病是一種以肥胖誘導(dǎo)的胰島素抵抗為基礎(chǔ)的代謝性疾病。近來(lái)的研究顯示，人體腸道微生物組與肥胖的發(fā)生發(fā)展、心血管疾病和代謝綜合征(如2型糖尿病)有著密切的聯(lián)系。黃旭東等[13]通過(guò)對(duì)30例2型糖尿病患者糞便的研究發(fā)現(xiàn)：該類患者腸桿菌科的數(shù)量明顯增加，而雙歧桿菌和擬桿菌的數(shù)量顯著下降；這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)在空腹血糖大于11.1 mmoL/L的患者中，且變化較空腹血糖小于9.0 mmoL/L的人群更加顯著。這充分證明了2型糖尿病與腸道菌群失調(diào)有著緊密的聯(lián)系，并與血糖水平呈現(xiàn)一定相關(guān)性。韋婷等[14]的研究顯示，Leper突變的2型糖尿病模型會(huì)導(dǎo)致腸道菌群的改變，并且證實(shí)了乳桿菌屬和糖尿病的血糖變化呈負(fù)相關(guān)。Vrieze等[15]也報(bào)道了糖尿病患者腸道雙歧桿菌數(shù)量降低，糖耐量受損、糖誘發(fā)胰島素的分泌不足，增加毒素血癥的發(fā)生率。若腸道菌群長(zhǎng)期處于失衡狀態(tài)，長(zhǎng)期高脂肪、低膳食纖維導(dǎo)致腸道內(nèi)病原菌數(shù)量增加，相應(yīng)的病菌抗原亦增加，有益菌數(shù)量減少，取而代之的是有害菌產(chǎn)生的內(nèi)毒素破壞腸道黏膜，使得腸道通透性增加，內(nèi)毒素入血；免疫系統(tǒng)因感染而分泌炎癥因子，最終炎癥因子會(huì)散布全身，導(dǎo)致慢性病，加速衰老等，這也符合Cani提出的“代謝性內(nèi)毒素血癥”假說(shuō)[12]。

3.4腸癌具核梭桿菌是一種革蘭陰性口腔共生菌，是牙周炎主要致病菌。在口腔乃至全身感染性疾病中檢出率極高，與臨床厭氧菌感染關(guān)系密切。加拿大學(xué)者Holtmeier等[16]通過(guò)定量PCR對(duì)比分析腫瘤組織和相鄰正常組織中具核梭桿菌片段的富集程度，結(jié)果表明結(jié)直腸癌組織中具核梭桿菌表達(dá)水平顯著提高，并與淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移呈正相關(guān)。結(jié)直腸癌中具核梭桿菌的富集，提示這些微生物可能參與了腫瘤的發(fā)生。最近，美國(guó)凱斯西保留地大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院教授韓亦蘋領(lǐng)導(dǎo)的研究小組證實(shí)了具核梭桿菌是大腸癌的病原菌，它通過(guò)一種叫做FadA的黏附因子侵入人類大腸癌細(xì)胞，進(jìn)而"打開"腫瘤生長(zhǎng)基因，刺激這些細(xì)胞產(chǎn)生炎癥反應(yīng)并促進(jìn)腫瘤形成。這一成果不僅將有助于開發(fā)早期診斷、預(yù)防與治療大腸癌的方法，也表明注意保持口腔衛(wèi)生的重要性。另一項(xiàng)由美國(guó)達(dá)納-法伯癌癥研究所開展的研究則通過(guò)小鼠實(shí)驗(yàn)證實(shí)，具核梭桿菌能加速癌細(xì)胞聚集，促進(jìn)腫瘤形成，導(dǎo)致大腸癌。

Appleyard等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)直腸癌患者糞便中厭氧菌與需氧菌的比值下降(通常以雙歧桿菌/大腸桿菌的比值作為評(píng)估指標(biāo))。雙歧桿菌的減少導(dǎo)致機(jī)體抗腫瘤免疫力下降，使癌細(xì)胞逃離免疫系統(tǒng)監(jiān)控的機(jī)會(huì)增加。另有研究顯示，老年結(jié)直腸癌患者糞便中雙歧桿菌及乳酸桿菌數(shù)量明顯減少，以雙歧桿菌減少最為顯著；金黃色葡萄球菌、擬桿菌數(shù)量明顯增加，且隨年齡增加，變化越為明顯，在高齡老人中減少最為嚴(yán)重[18]。以上研究結(jié)果均提示腸道菌群失調(diào)與腸癌關(guān)系密切。

參考文獻(xiàn)：

[1] He XS, Tian Y, Guo LH, et al. In vitro communities derived from oral and gut microbial floras inhibit the growth of bacteria of foreign origins[J]. Microbiol Ecology, 2010,60(3):665-676.

[2] Vanden Abbeele P, Grootaert C, Marzorati M, et al. Microbial community development in a dynamic gut model is reproducible, colon region specific, and selective for Bacteroidetes and Clostridium cluste IX[J]. Appl Environ Microbiol, 2010,76(15):5237-5246.

[3] Gr?nlund MM, Arvilommi H, Kero P, et al. Importance of intestinal colonization in the maturation of humoral immunity in early infancy: a prospective follow up study of healthy infants aged 0-6 months[J]. Arch Dis Child Fetal Neonatal Ed, 2000,83(3):F186-F190.

[4] Geuking MB, K?ller Y, Rupp S, et al. The interplay between the gut microbiota and the immune system[J]. Gut Microbes, 2014,5(3):411-418.

[5] 劉崇海,楊錫強(qiáng),劉恩梅,等.抗生素誘導(dǎo)小鼠腸道菌群失調(diào)對(duì)免疫功能和Toll 樣受體2、4 基因表達(dá)的影響[J].重慶醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2007,32(8):839-842.

[6] Brugman S, Klatter FA, Visser JT, et al. Antibiotic treatment partially protects against type 1 diabetes in the Bio-Breeding diabetes-prone rat. Is the gut flora involved in the development of type 1 diabetes[J]. Diabetologia, 2006,49(9):2015-2018.

[7] 付蕾,冀建偉,鄭鵬遠(yuǎn),等.雙歧桿菌對(duì)應(yīng)激大鼠腸道菌群及促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素的影響[J].世界華人消化雜志,2010,18(15):1544-1549.

[8] Keir ME, Freeman GJ, Sharpe AH, et al. PD-1 regulates self-reactive CD8+T cell responses to antigen in lymph nodes and tissues[J]. J Immunol, 2007,179(8):5064-5070.

[9] Collins KH, Paul HA, Reimer RA, et al. Relationship between inflammation, the gut microbiota, and metabolic osteoarthritis development: studies in a rat model[J]. Osteoarthritis Cartilage, 2015,23(11):1989-1998.

[10] Shen J, Obin MS, Zhao L. The gut microbiota, obesity and insulin resistance[J]. Mol Aspects Med, 2013,34(1):39-58.

[11] Besten G, van Eunen K, Groen AK, et al. The role of short-chain fatty acids in the interplay between diet, gut microbiota, and host energy metabolism[J]. J Lipid Res, 2013,54(9):2325-2340.

[12] Cani PD, Amar J, Iglesias MA, et al. Metabolic endotoxemia initiates obesity and insulin resistance[J]. Diabetes, 2007,56(7):1761-1772.

[13] 黃旭東,鄭曉鵬,鄭趙利,等.2型糖尿病患者腸道菌群的研究[J].河北醫(yī)學(xué),2011，17(8):1041-1043.

[14] 韋婷,胡芳,張紅琳,等.2型糖尿病BKS-DB小鼠的小腸菌群結(jié)構(gòu)差異性分析[J].生命科學(xué)研究,2012,16(6):483-488.

[15] Vrieze A, Holleman F, Zoetendal EG, et al. The environment within now gut microbiota may influence metabolism and body composition[J]. Diabetologia, 2010,53(4):606-613.

[16] Holtmeier W, K?ller J, Geisel W, et al. Development and compartmentalization of the porcine TCR delta repertoire at mucosal and extraintestinal sites: the pig as a model for analyzing the effects of age and microbial factors[J]. J Immunol， 2002,169(4):1993-2002.

[17] Appleyard CB, Cruz ML, Isidro AA, et al. Pretreatment with the probiotic VSL-3 delays transition from inflammation to dysplasia in a rat model of colitis-associated cancer[J]. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol, 2011,301(6):G1004-G1013.

[18] Zhang JW, Du P, Gao J, et al. Preoperative probiotics decrease postoperative infectious complications of colorectal cancer[J]. Am J Med Sci, 2012,43(3):199-205.

(收稿日期：2014-02-06)

中圖分類號(hào)：R378

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-266X(2016)01-0099-03

doi：10.3969/j.issn.1002-266X.2016.01.039

通信作者：吳大暢 (E-mail:changdlmedu@gmail.com)

基金項(xiàng)目：遼寧省教育廳科學(xué)基金項(xiàng)目(L2012325)。