腸道菌群在疾病中的研究進(jìn)展

周晶晶，王 志，付 欣，魏曉麗，劉敏麗，郭麗萍，歐陽柳鳳，成延萍*

(1.延安大學(xué)醫(yī)學(xué)院，陜西 延安 716000，2.廣西醫(yī)科大學(xué)，廣西壯族自治區(qū) 南寧 530000)

腸道微生物群位于結(jié)直腸上皮附近，由10～1000萬億個微生物，有1000余種微生物組成，包括細(xì)菌、真菌、病毒、原蟲等，主要為細(xì)菌，稱為腸道菌群。人腸道菌群基因數(shù)量是人基因數(shù)量的100倍之多，在如此龐大的微生物庫中，僅有少部分菌群被鑒定出。這些微生物群與宿主細(xì)胞相互作用共同調(diào)控機(jī)體的生理功能，如合成生物活性物質(zhì)、食物的消化吸收、調(diào)節(jié)機(jī)體免疫和代謝活動等；研究還發(fā)現(xiàn)某些微生物群在內(nèi)分泌信號的傳遞以及大腦功能中起著重要作用。由于腸道菌群能維持健康與疾病之間的平衡，因此它被稱為是人體至關(guān)重要的“器官”。腸道菌群中最多的菌種有類桿菌、優(yōu)(真)桿菌、消化球菌及雙歧桿菌，屬于專性厭氧菌。正常的專性厭氧菌群形成防御屏障，具有抗感染的作用。菌量波動在正常范圍時，則維持正常的生理功能；當(dāng)腸道菌群如葡萄球菌、變形桿菌、綠膿桿菌、梭菌、大腸桿菌、白色念珠菌及類桿菌、厭氧鏈球菌等超過正常水平，抑制厭氧菌的生長，可引起菌群失調(diào)，從而導(dǎo)致相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展[1]。本文旨在綜述和討論腸道菌群與疾病的相關(guān)研究成果，包括微生物群相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制、微生物群作為疾病的生物標(biāo)志物的潛力以及調(diào)節(jié)菌群用于疾病治療的前景。

2 腸道菌群與疾病

2.1 胃腸道疾病

腸道細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)最早是在1885年，Theodor Escheficht報道鑒定出2種腸道細(xì)菌，后來分別被命名為大腸桿菌(escherichiacoli)和肺炎克雷伯桿菌(klebsiellapneumoniae)[2]。由此，揭開了腸道菌群的面紗。近幾年來，大量研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群的失調(diào)與消化道疾病有直接聯(lián)系，如胃炎、炎癥性腸病、肝硬化以及消化道腫瘤等。

1983年Robin Warren和Barrysllall，等[3]發(fā)現(xiàn)幽門螺桿菌(Helicobacter Pylori,HP),其為消化性潰瘍(Peptic ulcer disease,PUD)的主要原因并已受到普遍的認(rèn)同,也是最早發(fā)現(xiàn)在胃內(nèi)定植的細(xì)菌。胃微生物群主要由兩大類組成,即HP和非HP細(xì)菌。它們在不同胃病(即功能性消化不良、慢性胃炎、胃粘膜腸化生、胃黏膜異常增生)以及胃癌中發(fā)揮重要作用。

炎癥性腸病( inflammatory bowel disease,IBD) 是一種非特異性的慢性復(fù)發(fā)性腸道炎癥疾病,包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)和克羅恩病(Crohn′s disease,CD),其發(fā)病機(jī)制較為復(fù)雜，與宿主、免疫、菌群及環(huán)境等因素相關(guān)[4-5]。近年來,研究發(fā)現(xiàn)IBD 多見于直腸、結(jié)腸、回腸等腸道接觸細(xì)菌最多的部位,因此推測腸道菌群失調(diào)是 IBD 的主要發(fā)病機(jī)制,而菌群失調(diào)的特點(diǎn),可作為疾病診斷以及IBD分型的重要參考依據(jù)[6]。

Jing Yuan，等[7]在超過60%的非酒精性脂肪肝(NAFLD)患者中發(fā)現(xiàn)大量產(chǎn)酒精的腸道菌群，并分離出高酒精產(chǎn)力(HiAlc)的肺炎克雷伯菌(Kpn)且與疾病程度相關(guān)。該研究表明，HiAlc-Kpn通過產(chǎn)生內(nèi)源性酒精誘導(dǎo)線粒體損傷來引起小鼠NAFLD，并破壞腸屏障，增加Th17等免疫細(xì)胞，加劇肝臟炎癥。

此外，腸道菌群還與消化道腫瘤相關(guān)，如胃癌[8]、結(jié)直腸癌[9]、肝癌[10]以及胰腺導(dǎo)管腺癌[11]。以結(jié)直腸癌為例，菌來源的基因毒素和其他細(xì)菌毒力因子，微生物源代謝的致癌作用，免疫調(diào)節(jié)與慢性炎癥菌群的研究揭示了結(jié)直腸癌患者體內(nèi)微生物組成及生態(tài)的變化，同時，動物模型中的功能研究已經(jīng)明確指出了幾種細(xì)菌在結(jié)直腸癌發(fā)生中的作用，包括具核梭桿菌、部分大腸桿菌、脆弱擬桿菌等，這些發(fā)現(xiàn)為結(jié)直腸癌的治療提供新的靶點(diǎn)[12]。

2.2 心血管疾病

腸道菌群通過其代謝產(chǎn)物參與并調(diào)控心血管疾病，其產(chǎn)物如短鏈脂肪酸和膽汁酸有助于宿主心血管健康，氧化三甲胺則導(dǎo)致動脈粥樣硬化和血栓的形成[13]。在我國，高血壓的發(fā)病率高達(dá)27%，患者人數(shù)已近2億，我國已成為世界上高血壓危害最嚴(yán)重的國家之一。其發(fā)病機(jī)制目前尚不清楚，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調(diào)是高血壓的致病因素之一[14-15]。高血壓與腸道菌群的多樣性、豐富性和均勻性密切相關(guān)。Yang T，等[16]首次報道腸道菌群的失調(diào)與高血壓有關(guān)，使該領(lǐng)域再次受到廣泛的關(guān)注。該研究采用兩種高血壓大鼠模型糞便標(biāo)本和一小群患者糞便標(biāo)本中的細(xì)菌DNA進(jìn)行細(xì)菌基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)：自發(fā)性高血壓大鼠體內(nèi)微生物的豐富度、多樣性和密度顯著降低，而厚壁菌與擬桿菌的比例增加，這些變化伴隨著產(chǎn)生乙酸和丁酸的細(xì)菌數(shù)量的減少；慢性血管緊張素II灌注大鼠模型腸道微生物群也發(fā)生了相似的變化，主要表現(xiàn)為微生物豐富度降低和厚壁菌/擬桿菌比例增加；自發(fā)性高血壓大鼠口服米諾環(huán)素后,發(fā)現(xiàn)血壓減緩,米諾環(huán)素主要作用是通過降低厚壁菌門/擬桿菌的比例,使高血壓大鼠的腸道菌群恢復(fù)平衡；并且，該研究對小部分人類高血壓患者的腸道菌群進(jìn)行測序分析發(fā)現(xiàn)也遵循類似的菌群失調(diào)模式，高血壓組的腸道菌群比對照組豐富性和多樣性明顯減少。通過上述研究結(jié)果表明大鼠與人類的高血壓與腸道微生物群失調(diào)有關(guān)，認(rèn)為通過飲食干預(yù)恢復(fù)腸道菌群的平衡可能是高血壓臨床治療的一種創(chuàng)新的營養(yǎng)治療策略。

此外，臨床研究和實(shí)驗(yàn)動物研究均證實(shí)了腸道菌群在冠心病[17]、心肌梗死[18]、心力衰竭[19]等心血管疾病中具有一定的作用，但具體作用機(jī)制目前尚不清楚。

2.3 代謝性疾病

隨著人們對代謝性疾病機(jī)制的深入研究，大量研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群異常與代謝性疾病息息相關(guān)。其中最常見的是肥胖和以血脂異常、糖代謝紊亂及高血壓為特征的代謝綜合征。Ley RE，等[20]采用基因組學(xué)對肥胖者與瘦者的腸道微生物群進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腸道中含量最高的兩種菌門即厚壁菌門(Firmicutes)和擬桿菌門(Bacteroidetes)的比例不同，而肥胖者中二者比值較高，導(dǎo)致他們更有效的獲取食物中的熱量。研究還發(fā)現(xiàn)高脂飲食(HFD)改變小鼠腸道菌群組成，抑制多不飽和脂肪酸(PUFA)的菌群代謝物(如亞油酸LA的衍生物HYA)生成。雖然近年來研究者已經(jīng)闡明了多不飽和脂肪酸與腸道微生物群相關(guān)的代謝途徑，但其對宿主生理功能的影響尚不清楚。Miyamoto J，等[21]研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)腸道微生物群通過調(diào)節(jié)飲食中多不飽和脂肪酸的代謝，使宿主對高脂飲食(HFD)誘導(dǎo)的肥胖產(chǎn)生抵抗力。補(bǔ)充一種亞油酸相關(guān)的腸道微生物代謝物10-羥基-順式-12-十八碳烯酸(HYA)，可減輕高脂飲食誘導(dǎo)的小鼠肥胖，但不引起花生四烯酸介導(dǎo)的脂肪炎癥，并通過游離脂肪酸受體改善代謝狀況。

腸道菌群還參與了糖尿病的發(fā)生發(fā)展。Koh A，等[22]研究人員證實(shí)腸道菌群能夠影響細(xì)胞對胰島素作出反應(yīng)的方式，從而導(dǎo)致Ⅱ型糖尿病的發(fā)生。這項(xiàng)研究包括5名Ⅱ型糖尿病患者和10名無糖尿病對照受試者，發(fā)現(xiàn)Ⅱ型糖尿病患者的腸道菌群與組氨酸的不同代謝有關(guān)，組氨酸主要來源于飲食。直接導(dǎo)致咪唑丙酸的形成，咪唑丙酸破壞細(xì)胞對胰島素作出反應(yīng)的能力。因此，降低細(xì)菌產(chǎn)生的咪唑丙酸數(shù)量可能成為一種治療Ⅱ型糖尿病患者的新方法。隨后，他們在一項(xiàng)涉及649人的大型研究中也證實(shí)了這一發(fā)現(xiàn)。并探討咪唑丙酸對葡萄糖代謝的影響，發(fā)現(xiàn)這種分子通過直接激活蛋白p38γ來影響一種之前已知的與代謝相關(guān)疾病存在關(guān)聯(lián)的信號通路。Patrick G，等[23]則闡明Ⅰ型糖尿病和機(jī)體腸道菌群之間的關(guān)聯(lián)。Ⅰ型糖尿病常常是因胰腺組織遭到免疫攻擊而誘發(fā)的一種糖尿病，此前研究人員推測腸道菌群和Ⅰ型糖尿病之間可能存在一種未知的關(guān)系，但并未發(fā)現(xiàn)機(jī)體胰腺功能和腸道菌群之間的直接關(guān)聯(lián)。他們通過對參與者的糞便樣本進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)腸道菌群的改變可能并不僅僅是疾病所引發(fā)的副作用，而其或許與Ⅰ型糖尿病的進(jìn)展有關(guān)。研究者推測腸道微生物組的改變或能幫助預(yù)測和監(jiān)測機(jī)體疾病的進(jìn)展。

2.4 自身免疫性疾病

研究人員在老鼠身上進(jìn)行的一系列研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物(統(tǒng)稱腸道微生物群)可能會影響肌萎縮側(cè)索硬化癥(ALS)的進(jìn)程，也被稱為盧伽雷氏癥。Blacher E，等[24]發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)基因小鼠中使用廣譜抗生素清除其大部分微生物群后，一種類似ALS的疾病的癥狀會惡化，而且在無菌條件下培育這些易患ALS的小鼠非常困難，因?yàn)檫@些小鼠很難在無菌環(huán)境中生存。這些結(jié)果暗示了微生物群的改變與遺傳上易患ALS的小鼠疾病加速發(fā)展之間的潛在聯(lián)系。而此次實(shí)驗(yàn)的初步結(jié)果表明了該菌群調(diào)節(jié)功能的發(fā)現(xiàn)可能適用于ALS患者?？茖W(xué)家們將注意力集中在一種叫做煙酰胺(NAM)的分子上：抗生素治療后，易患ALS的小鼠血液和腦脊液中的煙酰胺水平降低，而在補(bǔ)充了能夠分泌這種分子的Akkermansia后，煙酰胺水平升高。為了證實(shí)NAM確實(shí)是一種能夠阻礙ALS進(jìn)程的微生物分泌分子，科學(xué)家們不斷地向易患ALS的小鼠體內(nèi)注入NAM。這些小鼠的臨床狀況明顯改善。對他們大腦中基因表達(dá)的詳細(xì)研究表明，NAM能改善他們運(yùn)動神經(jīng)元的功能。初步結(jié)果表明，該菌群調(diào)節(jié)功能的發(fā)現(xiàn)可能適用于ALS患者。越來越多的證據(jù)表明，微生物群影響大腦功能和疾病，探討其在ALS中的潛在作用。

3 小結(jié)

微生物組菌群結(jié)構(gòu)的變化與人類健康和疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。在這個龐大的數(shù)據(jù)庫中，到現(xiàn)在為止僅僅只發(fā)現(xiàn)少數(shù)功能及作用機(jī)制較為明確的菌群，還有大部分未知的菌群對疾病的作用機(jī)制還有待研究。因此，腸道菌群中還有許多未解決的問題亟待去深入研究和探討，為臨床診療提供新方向，例如個性化飲食干預(yù)、益生菌/益生元或微生物制劑以及糞菌移植(Fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)等治療手段。就糞菌移植而言，針對某些疾病，如高血壓，目前人類試驗(yàn)效果不明顯，仍無確切的臨床處方，治療效果有待更多的臨床數(shù)據(jù)支持。遇到的關(guān)鍵問題也是FMT未來科研的重點(diǎn)，即：研究結(jié)果可用于NAFLD早期診斷和治療的篩查方法。供受體微生物(細(xì)菌、病毒、真菌)參數(shù)在FMT中的作用；評價微生物群變化的方法；FMT的關(guān)鍵物種和微生物預(yù)測因子的概念；受體概況和抗生素預(yù)處理對FMT的移植和維持的影響；FMT制劑和給藥的新進(jìn)展；即糞菌移植臨床應(yīng)用微生物學(xué)共識、糞菌移植臨床應(yīng)用方案標(biāo)準(zhǔn)、糞菌移植給藥方案[25]。未來探索調(diào)節(jié)宿主的微生物及其衍生的代謝產(chǎn)物可能會對疾病治療有很大意義。