張 磊， 吳永娜， 陳 拓， 李 汛， 劉光琇*

( 1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000; 2．蘭州大學(xué) 第一醫(yī)院,甘肅 蘭州 730000)

美國白宮宣布啟動“國家微生物組計劃”，2013年的《科學(xué)》雜志十大科學(xué)研究進(jìn)展中，將腸道菌群與人體健康關(guān)系的主題列入“我的微生物，我的健康”一項中。腸道微生物越來越受到重視。近幾年，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，二代、三代測序技術(shù)及生物芯片技術(shù)已經(jīng)成為腸道微生物研究的重型武器[1]。運用16S及宏基因組測序發(fā)現(xiàn)，人體腸道中存在著多種多樣的微生物，此外，在人體的其他生境，如口腔、皮膚和陰道中也存在大量的微生物，利用高通量測序技術(shù)探索腸道及特殊生境中的微生物越來越受到重視，使得全面認(rèn)識腸道微生物群落結(jié)構(gòu)、組成、功能基因及其與宿主的相互關(guān)系成為一種可能[2-6]。腸道微生物與消化道腫瘤關(guān)系密切，目前研究人員對來源于人體胃腸道等器官的500多個細(xì)菌基因組進(jìn)行測序工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了900多種人體內(nèi)細(xì)菌、真菌和病毒的基因組[7]，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，人體微生物多樣性極為豐富，即使是同卵雙胞胎，其體內(nèi)腸道微生物的相似度也不足50%，對于病毒來說，其相似度則更低[8]。研究還發(fā)現(xiàn)人體腸道內(nèi)存在一些以前未發(fā)現(xiàn)的新基因和蛋白質(zhì)，其與人類健康和疾病的發(fā)生有著密切的關(guān)系。眾所周知，腸道微生物能幫助人體適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，微生物基因在與人類疾病和健康不斷影響、不斷干預(yù)的過程中，始終是一把雙刃劍，因為其會產(chǎn)生積極作用，同時可能會對人體產(chǎn)生有害的影響。本文通過腸道微生物菌群與消化道腫瘤關(guān)系的研究進(jìn)展綜述，為腸道微生物的研究提供參考。

1 腸道微生物菌群多樣性

人類的身體是數(shù)以萬億計微生物的宿主，這些微生物在許多生命過程中起著關(guān)鍵作用，包括新陳代謝、維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)和免疫系統(tǒng)的開發(fā)等[9-10]。人腸道中的微生物主要是專性厭氧菌[11]，腸道細(xì)菌總數(shù)約為 1014個，包含15 000～36 000 個細(xì)菌屬。研究發(fā)現(xiàn)，人體腸道中的優(yōu)勢菌群主要有擬桿菌門(Bacteroidetes)和厚壁菌門(Firmicutes)，這兩種細(xì)菌占總細(xì)菌量的70%以上，其他主要的細(xì)菌主要有變形菌門(Proteobacteria)、梭菌門(Fusobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)及藍(lán)藻細(xì)菌(Cyanobacteria)[12]。有研究報道，中國居民腸道中主要菌群是考拉桿菌屬(Phascolarctobacterium)。人體胃和小腸的特殊環(huán)境pH值極低，大多數(shù)微生物無法存活，因此在胃和小腸中的微生物數(shù)量較低[13]，而小腸回腸末端、大腸結(jié)腸和直腸部分則棲息著數(shù)量巨大的微生物，每克結(jié)腸內(nèi)容物中微生物的數(shù)量能達(dá)到1011～1012[14]。Coyte等[15]及Niehus等[16]研究發(fā)現(xiàn)人類腸道中存在著極其復(fù)雜的菌群生態(tài)系統(tǒng)，這些存在于腸道中的不同菌群維持腸道生態(tài)系統(tǒng)的方式是非常特別的，主要是通過菌群的競爭關(guān)系，這對于維持人類健康十分必要。

2 人體腸道菌群的影響因素

每一不同等級的共存者可與其他動物的個體成為同等地位，則該集群稱為超個體或超個體的個體。人體作為一個超個體，生理健康不僅會受外界環(huán)境、自身基因型影響，更重要的是受到機體腸道中微生物的影響。研究發(fā)現(xiàn)把人體內(nèi)的微生物比作是人體的一個虛擬“器官”，這個虛擬器官在人體內(nèi)執(zhí)行著多種代謝功能，與人體形成密不可分的共生關(guān)系[17]，腸道微生物菌群與宿主相互適應(yīng)過程中，在腸道微生物、宿主和腸道微環(huán)境之間達(dá)到一種平衡，保持這種平衡狀態(tài)在人體的各種新陳代謝過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但是外界很多因素，如環(huán)境因素、人體免疫力改變或者抗生素等各種藥物的使用等，都會破壞腸道菌群，最終導(dǎo)致疾病的發(fā)生。

2.1 年齡因素

隨著年齡變化，胃腸道功能會發(fā)生巨大變化，因此勢必會影響腸道微生物的群落特征。有研究發(fā)現(xiàn)，嬰兒在分娩前腸道是無菌的，腸道微生物幾乎為零。當(dāng)分娩時，新生兒經(jīng)過產(chǎn)道的擠壓，從無菌環(huán)境接觸外界，尤其在獲得親吻擁抱等一系列與外部生境的接觸后，外界微生物菌群及母親體內(nèi)的菌群會在新生兒體內(nèi)定殖[12]。研究還發(fā)現(xiàn)，嬰兒腸道菌群群落結(jié)構(gòu)與成年人差異極大，腸道微生物的豐度和多樣性均低于成年人[18]。1～2 周嬰兒腸道菌群主要是革蘭陰性條件致病菌腸桿菌科(Enterobacteriaceae)[19]，直到1～2歲時其腸道菌群群落結(jié)構(gòu)逐漸“成人化”。研究表明，腸道微生物的變化隨著年齡增長呈現(xiàn)一定規(guī)律，如雙岐桿菌、乳桿菌及擬桿菌的數(shù)量會相對減少，而厭氧菌的數(shù)量會增加[12,18]。

研究我國四川地區(qū)不同生理年齡期志愿者腸道菌群發(fā)現(xiàn)，腸道中短鏈脂肪酸及總膽汁酸代謝水平與人類生理年齡緊密相關(guān)，腸道菌群構(gòu)成在不同生命時期存在差異，主要差異性菌種有綠膿假單胞菌、霉?jié){菌、緩癥鏈球菌、大腸埃希菌、假小鏈雙歧桿菌等。對于雙歧桿菌，嬰兒腸道中高于青年和中年；對于乳桿菌、奇異菌、擬桿菌和梭菌，青年腸道中數(shù)量略高于中年，顯著高于嬰兒；對于脫硫弧菌和普拉梭菌，中年腸道中數(shù)量略高于青年，顯著高于嬰兒，表明處于不同生理年齡時期的健康人其腸道菌群存在差異[20]。

2.2 飲食因素

研究發(fā)現(xiàn)，飲食結(jié)構(gòu)不同對人腸道菌群結(jié)構(gòu)有顯著影響[21]。飲食結(jié)構(gòu)以碳水化合物為主的人群，其腸道內(nèi)普氏菌屬(Prevotella)細(xì)菌的含量較多，而以高蛋白、高脂肪食物為主的人群，其腸道內(nèi)的細(xì)菌則主要是擬桿菌屬(Bacteroides)[22]。另有研究證實，嬰兒腸道微生物也會因喂養(yǎng)方式不同而存在顯著差異，純母乳喂養(yǎng)的嬰兒腸道內(nèi)最主要的細(xì)菌是雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)，且數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奶粉喂養(yǎng)[23]。目前，多項研究表明，服用益生菌對改善腸道功能具有顯著作用，其機理是益生菌可以與腸道中致病菌競爭性地爭奪腸道中的有機質(zhì)及黏附位點，從而降低腸道pH值[24-25]，調(diào)節(jié)腸道菌群。

2.3 生活方式

Benno 等[26]研究日本Yuzurihara長壽村的老人和東京市老人的腸道微生物群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)二者的腸道微生物存在顯著差異，長壽村老人腸道內(nèi)擬桿菌的含量明顯偏低，Yuzurihara地區(qū)老人的膳食纖維攝入量顯著高于東京老人，主要飲食上的差異是東京老人喝咖啡和綠茶，而長壽村老人只喝綠茶。Yatsunenko等[27]研究發(fā)現(xiàn)，通過對非洲、南美洲人群的生活方式進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的人由于生活方式的巨大差異，其腸道細(xì)菌的多樣性及群落結(jié)構(gòu)也有顯著差異。Mah等[28]采用純培養(yǎng)的方法對生活在泰國南部農(nóng)村和新加坡城市的兒童腸道微生物構(gòu)成進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)農(nóng)村兒童體內(nèi)乳酸菌、大腸埃希菌及葡萄球菌的含量要高于城市兒童 。

2.4 其他因素

基因型對人腸道菌群構(gòu)成具有顯著影響。有研究發(fā)現(xiàn)，對雙胞胎尤其是同卵雙胞胎的成人腸道菌群進(jìn)行測序，其腸道菌群結(jié)構(gòu)的相似度要明顯偏高[29]。研究還發(fā)現(xiàn)，不同性別的相同居住地居民之間的腸道菌群結(jié)構(gòu)差異不顯著[6]，但也有研究表明，女性腸道內(nèi)普氏細(xì)菌的含量要高于男性，而擬桿菌呈現(xiàn)相反的趨勢[30]。

3 腸道微生物菌群的功能及作用機制

人體腸道中的微生物在人體健康方面扮演著十分重要的角色，發(fā)揮著營養(yǎng)代謝、免疫調(diào)節(jié)及保護(hù)作用。腸道微生物的一系列作用主要是通過產(chǎn)生短鏈脂肪酸及維生素 K 等物質(zhì)實現(xiàn)的，這些營養(yǎng)物質(zhì)人體自身無法編碼生成，只有通過腸道微生物才可以獲取[31]。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物菌群會激活人體免疫系統(tǒng)，主要原因可能是腸道微生物菌群對于人體腸道上皮細(xì)胞的分化具有促進(jìn)作用，另一方面，腸道微生物菌群還可以調(diào)節(jié)人體能量存儲與代謝[32-33]。一般而言，腸道微生物菌群的功能主要有以下幾方面。

3.1 營養(yǎng)代謝作用

在人體營養(yǎng)代謝過程中，當(dāng)人體的一些必須營養(yǎng)物質(zhì)無法通過生化途徑代謝產(chǎn)生，也無法自身合成時，腸道微生物則發(fā)揮重要作用，因為腸道微生物的高豐度和多樣性決定了其可以實現(xiàn)這一功能。腸道微生物菌群與宿主協(xié)同作用，產(chǎn)生一些次級代謝產(chǎn)物[34]。將正常小鼠腸道菌群移植到無菌小鼠體內(nèi)后，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠身體的脂肪增加了60%，這可能是由于正常的腸道菌群參與了小鼠體內(nèi)能量的合成過程[35]。

3.2 免疫調(diào)節(jié)作用

3.3 保護(hù)作用

腸道微生物執(zhí)行的最主要功能是保護(hù)作用。研究發(fā)現(xiàn)，腸道中存在定殖抗力，腸道微生物通過定殖抗力，可以競爭性結(jié)合腸道中的黏附位點和營養(yǎng)物質(zhì)從而使外源性病原菌和致病菌無法在腸道中定殖，此外，腸道微生物還可以產(chǎn)生乳酸和細(xì)菌素抑制病原菌的產(chǎn)生[38]。腸道微生物構(gòu)成了人體的一道重要防線，可以有效防止外源微生物侵入，對宿主的組織進(jìn)行有效保護(hù)，人體腸道細(xì)胞可以產(chǎn)生抗生物肽(抗生物肽或抗菌肽是先天免疫反應(yīng)進(jìn)化過程中相對保守的成分，所有生物類別都有抗生物肽)，其能破壞包括腸道共生菌和外源性病原菌的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[39]。

3.4 作用機制

人體腸道微生物組蘊藏著前所未知的巨大的生物多樣性，并且這些腸道微生物組參與關(guān)鍵的生物過程，包括飲食中能源獲取和腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定等，最近關(guān)于人體微生物菌群及微生物基因組的研究中，闡明微生物與宿主共生的作用機制，這使疾病的干預(yù)治療成為可能[40-42]。

對人類而言，共生腸道菌群類似于一個“器官”，能夠調(diào)控上皮細(xì)胞發(fā)育，防止上皮細(xì)胞損傷，調(diào)節(jié)宿主脂肪存儲，刺激腸道血管生成，以及構(gòu)建免疫屏障等。成人腸道內(nèi)定殖的細(xì)菌多樣性很高，超過500種，數(shù)量多達(dá)1014個，其中絕大多數(shù)為嚴(yán)格厭氧菌[43]。腸道微生物及其代謝產(chǎn)物可以影響人體養(yǎng)分代謝、能量平衡、免疫調(diào)節(jié)及胃腸道發(fā)育等生理活動，這些腸道微生物以高密度種群數(shù)量排阻和抑制外來致病菌的侵入和定殖，同時幫助人類消化大分子食物成分，合成人類必需的維生素B1、B2、B12、K及葉酸等，合成天門冬氨酸、丙氨酸、纈氨酸和蘇氨酸等，參與糖和蛋白質(zhì)代謝，并促進(jìn)鐵、鎂、鋅等元素吸收[44]。許多人體疾病都與腸道共生菌群紊亂有關(guān)，如Ⅱ型糖尿病、高血壓、肥胖癥、微生物缺乏癥等，甚至缺少應(yīng)有的微生物后，免疫系統(tǒng)也受到破壞，失去正常工作的能力[45]。共生體的多樣性會影響宿主的健康。研究表明，“肥胖微生物群”能更有效地從食物中提取能量而成為“精益微生物群”，缺乏養(yǎng)分條件下多形類桿菌分泌更多的糖苷水解酶，以提高對食物的利用能力[46]。腸道微生物種群的建立可加強其利用養(yǎng)分的能力，以利用群體優(yōu)勢應(yīng)對營養(yǎng)狀況的變化[47]。

大量研究表明，脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)能引發(fā)炎癥產(chǎn)生肥胖[48-49]。LPS 進(jìn)入血液與結(jié)合蛋白(lipopolysaccharide bindingprotein, LBP) 結(jié)合后，LBP 將LPS 轉(zhuǎn)運至受體 (CD14 和TLR4) 啟動了炎癥因子腫瘤壞死因子 (TNF) 和白細(xì)胞介素 (IL-1 和IL-6) 的釋放，阻礙了周邊組織胰島素信號傳遞產(chǎn)生胰島素抵抗導(dǎo)致肥胖[50-51]。LPS 主要來自腸道變形菌門的陰溝腸桿菌科和脫硫弧菌科。腸道中的脂肪可以與三酰甘油(Triglyceride,TG)合成大量新鮮的乳糜顆粒，乳糜顆粒對LPS 具有高度親和力, 可以提高LPS 轉(zhuǎn)運至靶組織的效率，加速啟動炎癥反應(yīng)[52]。

目前，關(guān)于腸道微生物能夠有效阻止病原菌與人體細(xì)胞充分接觸的機制，已經(jīng)有大量研究，其中最主要的是信號感應(yīng)，如當(dāng)有病原細(xì)菌侵入宿主時，或者細(xì)胞發(fā)生損傷接觸到外源性微生物時，炎癥小體等一系列的信號會被激活，比如NLRP3是最主要的炎癥小體，它可以被某些細(xì)菌等激活。腸道微生物作用主要是改變身體的免疫功能，研究發(fā)現(xiàn)腸道微生物可以改變T淋巴細(xì)胞和 B淋巴細(xì)胞，多項研究表明，非特異性免疫可以影響參與胃腸道惡性腫瘤的腸道微生物，微生物菌群和腸黏膜通過Toll樣受體相互作用，而Toll樣受體具有重要的維持腸穩(wěn)態(tài)的作用，尤其抗原提呈細(xì)胞和T細(xì)胞能夠激活TLR信號通路打破腸屏障，導(dǎo)致上皮細(xì)胞增殖、傷口愈合和急性炎癥細(xì)胞補給，其主要通過激活核因子κB和環(huán)氧化酶2將TLRs和惡性腫瘤連接起來[53]。

4 腸道微生物菌群與消化道腫瘤關(guān)系

4.1 腸道微生物菌群與結(jié)直腸癌

2015年，多家單位聯(lián)合發(fā)表研究成果，揭示腸道微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性與結(jié)直腸腺瘤及結(jié)直腸癌具有相關(guān)性[54]。研究發(fā)現(xiàn)，具核梭桿菌能促進(jìn)結(jié)腸癌腫瘤生長并且抑制T細(xì)胞介導(dǎo)的免疫反應(yīng)，具核梭桿菌的DNA含量與結(jié)直腸癌患者的短期生存相關(guān)，是一種潛在的預(yù)后標(biāo)記，并預(yù)測如果以食物、益生菌和抗生素中的胃腸道菌群為靶向，可以為結(jié)直腸癌預(yù)防及治療提供科學(xué)依據(jù)[55]。研究發(fā)現(xiàn)具核梭桿菌和消化鏈球菌屬與結(jié)腸癌相關(guān)，微小微單胞菌和抗口臭致病菌也與結(jié)腸癌發(fā)生具有顯著相關(guān)性[56]。對結(jié)直腸癌患者癌組織中腸道微生物進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)腫瘤相關(guān)的細(xì)菌群落的多樣化有所增加，其次，發(fā)現(xiàn)腫瘤組織中羅斯氏菌顯著增加，而微桿菌和芽胞桿菌顯著減少[57]。

4.2 腸道微生物菌群與胃癌

胃是消化道系統(tǒng)中最特別的一個器官，胃酸的分泌使其pH值極低，因此胃具有獨特的腸道微生態(tài)環(huán)境，因而其群落多樣性與其他消化道器官也不盡相同。通過研究將健康人群和胃息肉患者及胃癌患者腸道微生物群落結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，三者腸道微生物存在顯著差異[58]，此外?？褂拈T螺桿菌抗體對O型血幽門螺桿菌感染具有清除作用，研究發(fā)現(xiàn)，除H.pylori外，其他螺桿菌屬也可在人類胃內(nèi)定殖，如海爾曼螺桿菌屬[59]。

4.3 腸道微生物與肝癌

腸肝軸日益受到重視，血液中高濃度內(nèi)毒素的存在會導(dǎo)致門靜脈高壓和肝損傷，從而導(dǎo)致肝癌發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可用于治療或預(yù)防肝癌的發(fā)生[60]，近年來，改變腸道菌群已經(jīng)作為輔助治療方式用來減少細(xì)菌移位及預(yù)防肝癌發(fā)生。在肝臟，腸道微生物組成會影響肝臟Toll樣受體(TLRs)。Sandler等[61]研究發(fā)現(xiàn)，感染HBV及HCV的病人，疾病嚴(yán)重程度與細(xì)菌移位相關(guān)，細(xì)菌移位PAMPs通過激發(fā)早晚期肝臟疾病中的炎癥響應(yīng)，在共生細(xì)菌和病原菌中，識別受體可以鑒別并且與MAMPs相互作用。二氯乙酸鈉(DCA)刺激肝星狀細(xì)胞表型的肝腸循環(huán)，導(dǎo)致肝臟促炎因子及腫瘤生長因子的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)肝癌，通過抗生素使產(chǎn)DCA細(xì)菌減少，則會減少肝癌進(jìn)展，這表明肝星狀細(xì)胞中的DCA衰老相關(guān)分泌表型軸可以促進(jìn)肥胖相關(guān)的肝癌，阻斷DCA或者耗盡腸道微生物可以減少肝癌的發(fā)生[62]。

4.4 腸道微生物與食管癌

研究發(fā)現(xiàn)，食管癌患者術(shù)后，如果給予患者腸內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)，患者腸道菌群發(fā)生顯著改變，有助于維持腸道穩(wěn)態(tài)，使用抗生素的食管癌患者腸道微生物較未使用抗生素的患者發(fā)生顯著變化，抗生素會破壞腸道菌群，引起腸道微生態(tài)失調(diào)[63]。

5 展 望

腸道微生物在人體健康中發(fā)揮著重要作用，對人體健康產(chǎn)生重大影響，參與人體新陳代謝的各個環(huán)節(jié)。腸道微生物成為近年來國內(nèi)外的研究熱點。對于數(shù)以百億的菌群在腸道內(nèi)如何發(fā)揮作用，還需要進(jìn)一步研究。明確微生物多樣性與相關(guān)疾病的關(guān)系，確定與各類疾病相關(guān)的特定菌群，篩選特定的腸道微生物作為診斷疾病的標(biāo)志物，將是未來醫(yī)學(xué)的一個重大突破。研究發(fā)現(xiàn)，乳腺癌患者化療后，腸道菌群嚴(yán)重失調(diào)，使用雙歧桿菌可以有效預(yù)防患者術(shù)后腸道菌群失調(diào)[64]。糞菌移植技術(shù)(Fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)近年來成為臨床熱點[65]，將正常健康人的糞便移植進(jìn)入患者腸道內(nèi)(因患者自身腸道菌群破壞嚴(yán)重，而健康人糞便中的腸道菌群多樣性及豐度都相對較高)，可以在患者體內(nèi)建立正常的腸道菌群，從而達(dá)到治療相關(guān)疾病的目的。這種全新的療法目前逐漸被認(rèn)同，該方法在未來將有廣闊的發(fā)展空間，腸道菌群治療及診斷疾病將會是未來醫(yī)學(xué)發(fā)展的新方向。