腸道菌群與機(jī)體代謝及相關(guān)疾病_感染微生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展

1、新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 腸道菌群與機(jī)體代謝及相關(guān)疾病 感染微生態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展 曹虹，郝小燕，彭亮，方幸幸 南方醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生與熱帶醫(yī)學(xué)學(xué)院微生物學(xué)系 人體腸道菌群是由不同的細(xì)胞系組成，可被認(rèn)為是機(jī)體中的一個細(xì)菌器官，并且腸道菌群中細(xì) 胞之間及細(xì)胞與宿主之間可以相互交換信息，消耗、儲備和再分配能量，調(diào)節(jié)重要的化學(xué)轉(zhuǎn)化，并 通過繁殖進(jìn)行自身維護(hù)和修復(fù)。通過對無菌動物的研究，越來越多的發(fā)現(xiàn)表明,腸道菌群對宿主的生 理、病理過程有著重要的影響，具有十分重要的生理功能。新近研究表明，人體的健康不僅與自身 的基因組有關(guān)，

2、 還與人出生后腸道內(nèi)定居的永久居民-微生物有關(guān)。 腸道微生物可能影響人類的健康， 如胖瘦、糖尿病、胃病、甚至癌癥。 一腸道菌群的組成 復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)。細(xì)菌培養(yǎng)手段的局限性，對其結(jié)構(gòu)和組成知之甚少。 14 根據(jù)細(xì)菌 16S rRNA 序列的分類， 發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)寄住的微生物群的種類超過 800 種， 數(shù)量超過 10 ， 約 10 倍于人體細(xì)胞。 主要有擬桿菌屬、梭菌、乳桿菌、大腸埃希菌屬和雙歧桿菌屬等，絕大多數(shù)為厭氧菌。 眼結(jié)膜:白色葡萄球菌、干燥桿菌； 外耳道:葡萄球菌、類白喉?xiàng)U菌、綠膿桿菌、非致病性分枝桿菌； 鼻咽腔：葡萄球菌、甲，丙型鏈球菌、肺炎球菌、奈氏菌、類桿菌等； 口腔：表皮葡萄球菌、

3、甲，丙型鏈球菌、類白喉?xiàng)U菌、肺炎球菌、奈氏菌、乳桿菌、梭桿菌、 螺旋體、放線菌、白念珠菌； 陰道:大腸桿菌、乳桿菌/白念珠菌、類白喉?xiàng)U菌、非致病性分枝等； 尿道：白色葡萄球菌、類白喉?xiàng)U菌、非致病性分枝桿菌； 腸道：大腸桿菌、產(chǎn)氣桿菌、變形桿菌、綠膿桿菌、葡萄球菌、厭氧性細(xì)菌 真菌、乳桿菌，雙歧桿菌等； 皮膚：葡萄球菌、綠膿桿菌、白念珠菌、丙酸桿菌、類白喉?xiàng)U菌、非致病性分枝桿菌。 1腸道菌群的起源 腸道菌群在機(jī)體出生時便開始形成，隨后幾天中逐步完善。新生兒的分娩和喂養(yǎng)方式?jīng)Q定菌群 的定植模式。最先定植的細(xì)菌能夠調(diào)節(jié)宿主腸道上皮細(xì)胞基因的表達(dá)，創(chuàng)造一個有利于它們定植的 環(huán)境，同時抑制隨后進(jìn)入的細(xì)菌

4、生長，并與宿主成年后穩(wěn)定的菌群模式密切相關(guān)。 2腸道微生態(tài)系統(tǒng)特征 （1）量大：腸道微生物約占人體微生物總量的 80%； （2）細(xì)菌為主：占糞便重量的 30-40%； （3） 厭氧菌居多：為需氧菌的 100-1000 倍； （4）小腸生態(tài)系與大腸生態(tài)系：菌量至上而下逐增多。在種 和亞種水平上，腸道菌群表現(xiàn)出極大的多樣性；但在門的水平，腸道菌群的多樣性較低，與土壤(地 球生物圈的胃腸道菌群所包含的 20 個以上個門相比，腸道菌群在已知的 55 個門中只占 8 個門，其 中最主要是 3 個門：噬細(xì)胞菌科-產(chǎn)黃菌屬、類桿菌屬和硬壁菌門。 3腸道正常微生物群的類型 （1）致病性類型：主要包括韋榮球菌、

5、葡萄球菌、變形桿菌及假單胞菌。菌量少，病理情況下， 國家級繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)目 42 No.20111207214 新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 可大量繁殖致??； （2）互生類型：主要包括雙歧桿菌、類桿菌等，數(shù)量多，對人體有益； （3）中間類型：主要包括乳桿菌、大腸桿菌、鏈球菌等，既有生理作用，也有病理作用。 4腸道菌群與自然選擇 腸道菌群的結(jié)構(gòu)與組成反映二水平的自然選擇：(1 細(xì)菌水平，它們在定植競爭中的增殖速度 和能量物質(zhì)利用模式；(2 宿主水平，宿主對菌群整體的適應(yīng)性。人體腸道菌群的多樣性，反映了 宿主對特定菌群的

6、強(qiáng)烈選擇 (菌群行為對宿主有利。 有學(xué)者對一對同卵雙生并生活在不同地區(qū)的成年人進(jìn)行腸道菌群研究的結(jié)果表明，與飲食習(xí)慣 相比，宿主的基因型在腸道菌群的組成模式上具有更大的影響力。 上海交大等研究機(jī)構(gòu)的科學(xué)家利用細(xì)菌 DNA 指紋圖譜和基因組標(biāo)記測序等基因組技術(shù)，全面分 析一個中國四世同堂的家庭 7 位成員腸道菌群的組成結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)他們盡管屬于同一個家庭，遺傳背 景彼此相關(guān)、生活環(huán)境相似，但每一個個體仍然具有其特有的腸道菌群結(jié)構(gòu)特征。 C （摘自 Min Li， et al.， PNAS， 2008， 105 (6:211722） 同時科學(xué)家也發(fā)現(xiàn)中國人的腸道菌群結(jié)構(gòu)和以往報(bào)道的 5 個美國人有明顯

7、差異，這提示研究人 員在比較兩個國家各種疾病發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)時，除了考慮遺傳差異，還必須考慮腸道菌群的差異。 二腸道菌群的功能 作為機(jī)體中的細(xì)菌器官:由不同的細(xì)胞系組成，并且細(xì)胞之間以及細(xì)胞與宿主之間可以相互溝 通，消耗、儲存和再分配能量，調(diào)節(jié)重要的化學(xué)轉(zhuǎn)化，通過繁殖進(jìn)行自身維護(hù)和修復(fù)。通過對無菌 動物的研究，越來越多的發(fā)現(xiàn)表明，腸道菌群對宿主的生理、病理過程有著重要的影響，具有十分 重要的生理功能。 1代謝功能 結(jié)腸微生物群的主要代謝功能是對食物殘?jiān)澳c道上皮細(xì)胞分泌的黏液進(jìn)行發(fā)酵分解?；虻?多樣性使腸道菌群可為宿主提供多種不同的酶與生化途徑。其代謝終產(chǎn)物為短鏈脂肪酸。 有研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入體內(nèi)的丙

8、酸鹽和醋酸鹽也能調(diào)節(jié)糖代謝，吸收這些短鏈脂肪酸能增強(qiáng)機(jī)體對 國家級繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)目 43 No.20111207214 新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 口服葡萄糖的耐受。 2營養(yǎng)功能 通過無菌大鼠與普通大鼠的對照研究發(fā)現(xiàn)，無菌大鼠結(jié)腸中的隱窩細(xì)胞數(shù)量比普通大鼠要少， 提示腸道菌群能夠影響結(jié)腸中細(xì)胞的增殖。 其他研究也表明，腸道菌群與腸道上皮細(xì)胞的相互作用對上皮細(xì)胞的增殖也產(chǎn)生極大的影響， 由菌群發(fā)酵作用產(chǎn)生的 3 種主要的短鏈脂肪酸（醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽）在刺激腸道上皮細(xì)胞的 增殖中發(fā)揮重要作用。 3促進(jìn)機(jī)體免疫 宿

9、主與腸道黏膜表面菌群的相互作用對機(jī)體免疫系統(tǒng)的發(fā)育、成熟十分重要。無菌動物腸黏膜 中淋巴細(xì)胞數(shù)量少、濾泡結(jié)構(gòu)小，循環(huán)中免疫球蛋白濃度低。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，菌群在無菌動物 腸道定植后，腸道相關(guān)淋巴組織的構(gòu)成出現(xiàn)改變，腸上皮淋巴細(xì)胞增加，濾泡和黏膜固有層生發(fā)中 心內(nèi) B 淋巴細(xì)胞增多，血清中免疫球蛋白濃度升高。 4屏障保護(hù)功能 共棲菌群在抵御外來菌定植腸道，維護(hù)腸道生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定上發(fā)揮關(guān)鍵作用。無菌動物缺乏這種 保護(hù)，很容易感染。腸道菌群主要通過以下機(jī)制發(fā)揮屏障功能：營養(yǎng)競爭、腸道上皮細(xì)胞黏附位點(diǎn) 競爭及產(chǎn)生抗菌物質(zhì)。如我們小組研究所示： 5防癌抑癌作用 益生菌可以誘導(dǎo)腸道惡變細(xì)胞凋亡。 三腸道菌群

10、與機(jī)體代謝 1腸道菌群與機(jī)體能量平衡 為了對宿主有益，菌群必將參與到營養(yǎng)結(jié)構(gòu)中，分解營養(yǎng)物質(zhì)，為宿主提供能量底物。而機(jī)體 體重的控制有賴于長期的精細(xì)調(diào)控機(jī)制。所有影響食物轉(zhuǎn)化為能量的機(jī)制事實(shí)上都參與維護(hù)機(jī)體的 體重平衡。2004 年有科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)腸道菌群作為一個環(huán)境因素能夠調(diào)節(jié)機(jī)體的能量儲備。普通小 鼠(Conventionally raised， CONV-R與無菌小鼠(germ-free， GF相比，全身脂肪含量高 40%， 性腺脂肪含量高 47%，但攝食量比無菌小鼠低。如果在無菌小鼠腸道定植普通小鼠腸道菌群后，2 周 內(nèi)體重增加 60%，血糖升高并產(chǎn)生胰島素抵抗。 國家級繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)

11、目 44 No.20111207214 新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 (摘自 Backhed et al.， PANS，2004，101(44:15718-23 小鼠體重增加的可能機(jī)制：第一，葡糖糖在腸道吸收增加；第二，非消化食物成分中的能量吸 收(通過發(fā)酵產(chǎn)生的短鏈脂肪酸；第三，伴隨發(fā)生的高血糖和高胰島素血癥是促進(jìn)機(jī)體脂肪生成的 關(guān)鍵因素。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)無菌小鼠經(jīng)普通小鼠腸道菌群定植后，脂蛋白脂肪酶活性增加，從而促使脂 肪酸從甘油三酯、脂蛋白復(fù)合物中釋放，隨后被肌肉組織、脂肪組織攝取利用。這種增加是在腸道 中抑制了由禁

12、食誘發(fā)的肥胖因素( FIAF 的結(jié)果。由于 FIAF 能抑制脂蛋白脂肪酶活性，所以在定植 后的無菌小鼠中，F(xiàn)IAF 的減少會導(dǎo)致甘油三酯在脂肪組織中的積累。 2005 年 LEY 等在動物實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)， 肥胖癥與腸道菌群的改變相關(guān)。 通過對細(xì)菌特異性的 16S rRNA 基因測序來鑒定腸道菌群，發(fā)現(xiàn)肥胖型小鼠腸道內(nèi)類桿菌比非肥胖型小鼠減少 50%，而厚壁菌則相 應(yīng)增加，表明腸道菌群的改變能夠影響肥胖型小鼠與非肥胖型小鼠的能量吸收。 2006 年 Ley 等通過 12 位肥胖者與非肥胖對照組，比較了肥胖人群與非肥胖人群遠(yuǎn)端結(jié)腸菌群 的差異，發(fā)現(xiàn)肥胖者遠(yuǎn)端結(jié)腸類桿菌比對照組明顯減少，而硬壁菌則相應(yīng)增

13、加。且肥胖者體重減輕 1 年后，硬壁菌的比例變得與非肥胖者相似。 為了明確早期腸道菌群的構(gòu)成是否與兒童肥胖相關(guān)，2008 年 KALL IOM' KI 等報(bào)道，他們通過 對 25 個體重超重的 7 歲兒童的前瞻性研究，發(fā)現(xiàn)與體重正常的同齡兒童相比，腸道雙歧桿菌減少， 腸球菌增多，表明了腸道菌群紊亂發(fā)生在體重增加之前。 但腸道菌群促進(jìn)體重變化的觀點(diǎn)也存在著爭議。BAJZER 等指出，在 LEY 等的實(shí)驗(yàn)中，兩組非肥 胖型無菌小鼠在分別定植肥胖型普通小鼠和非肥胖型普通小鼠的腸道菌群后，體重增長差異并不十 分明顯，而這種差異也可以認(rèn)為是它們之間進(jìn)食量不等，而并不一定是能量吸收效率不同造成的。

14、 2腸道菌群與代謝綜合癥 新研究發(fā)現(xiàn)人體腸道菌群及調(diào)控這些微生物的機(jī)體天然免疫系統(tǒng)可能與代謝綜合癥 （Metabolic syndrome，一組與肥胖癥有關(guān)的代謝異常，能增加罹患糖尿病和心臟病的風(fēng)險(xiǎn)）部分相關(guān)。 這一研究是建立在最近發(fā)現(xiàn)的腸道微生物的組成與肥胖癥有關(guān)的基礎(chǔ)之上。由 Matam Vijay-Kumar 及同僚所開展的新研究提示，先天免疫系統(tǒng)障礙可促進(jìn)腸道菌群相關(guān)的代謝綜合癥。 研究發(fā)現(xiàn)，TLR5 缺失突變(T5KO小鼠能產(chǎn)生代謝綜合癥的標(biāo)志性特征，如伴有腸道微生物系變 化的脂肪積聚的增加及胰島素抵抗。這些突變的小鼠還會比它們的對應(yīng)正常小鼠進(jìn)食更多的食物。 將突變小鼠的腸道菌群轉(zhuǎn)移

15、到無菌小鼠的腸道中會使接受這些微生物的小鼠出現(xiàn)代謝綜合癥的特 征，如體重和血壓增加，高脂血癥，胰島素抵抗等。 提示腸道微生物系的變化可能是代謝綜合癥的一個原因而不是其后果。 國家級繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)目 45 No.20111207214 新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 （摘自 Matam Vijay-Kumar， et al.; Science， 2010， 328:228-31） T5KO 小鼠的代謝綜合癥的產(chǎn)生依賴于比它們的對應(yīng)正常小鼠進(jìn)食更多的食物（hyperphagia） 。 給 4 周齡小鼠進(jìn)食 8 周高脂食物，

16、如圖 A 和 B，限制進(jìn)食，能控制 T5KO 小鼠體重，但不能改 善胰島素抵抗（圖 D-G。 （摘自 Matam Vijay-Kumar， et al.; Science， 2010， 328: 228-31） 文章作者還對取自突變小鼠腸道微生物的遺傳物質(zhì)進(jìn)行了測序， 并找到了一組特別種類的細(xì)菌， 其數(shù)量之多已失去平衡。 研究人員提出，先天免疫系統(tǒng)的缺陷可能會引起誘發(fā)輕度炎癥信號通路的腸道菌群變化，而這 又可影響胰島素受體的信號通路，使得食欲和食物攝取增加（hyperphagia） ，最終會促使代謝綜合 癥的發(fā)生。 近年有關(guān)腸道菌群與機(jī)體代謝平衡的新觀點(diǎn):2 型糖尿病和肥胖與高脂飲食所激發(fā)的機(jī)

17、體輕度炎 癥反應(yīng)密切相關(guān)。比利時學(xué)者 NEAL 等通過研究發(fā)現(xiàn)， 腸道菌群中 G 桿菌產(chǎn)生的脂多糖是高脂飲食 誘發(fā)機(jī)體出現(xiàn)肥胖癥、糖尿病和炎癥反應(yīng)的前提條件。 腸道 G 桿菌產(chǎn)生的 LPS 通過依賴脂蛋白的機(jī)制從腸道轉(zhuǎn)運(yùn)到目標(biāo)組織， 與免疫細(xì)胞表面的復(fù)合 國家級繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)目 46 No.20111207214 新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 受體 CD4 /TLR4 結(jié)合， 觸發(fā)促炎細(xì)胞因子的釋放。 進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 高脂飲食能夠有效改變腸道中的優(yōu)勢菌群， 其中雙歧桿菌、球菌和類桿 + 菌減少， 這有助于 G /

18、G 菌比例的增加。因此 血漿中 LPS 升高、肝臟糖原沉積及機(jī)體脂肪、體重增 加， 這些改變與腸道菌群平衡失調(diào)有關(guān)。 同時，給 CD4 基因突變小鼠進(jìn)行高脂飲食喂養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)由于缺乏 LPS 受體，基因突變小鼠沒 有出現(xiàn)由高脂飲食所誘發(fā)的代謝紊亂。 因此，LPS 作為一個腸道菌群相關(guān)性因素，影響著糖尿病和肥胖的發(fā)生。 2008 年瑞士學(xué)者 Membrez 等使用氟哌酸和氨比西林兩種抗生素處理肥胖型小鼠和胰島素抵抗型 小鼠。2 周后，發(fā)現(xiàn)肝臟甘油三酯減少和肝糖原增加，并且與它們糖耐量改善相關(guān)。作者認(rèn)為，抗 生素對腸道菌群的全面抑制，導(dǎo)致血漿中 LPS 減少、乙二腈增加，并進(jìn)一步改變肝臟與腸道中與

19、炎 癥和代謝相關(guān)的基因表達(dá)，從而改善小鼠的糖耐量。 (摘自 MEMBREZ et al.，The FASEB Journal， 2008，22: 2416-26 2 腸道菌群的調(diào)節(jié)及代謝影響 益生菌與益生元是兩種重要的腸道菌群調(diào)節(jié)劑。益生元是指能選擇性的促進(jìn)一種或幾種有益菌 生長，從而促進(jìn)宿主健康的非消化性低聚糖。益生菌是通過口服的活的細(xì)菌，數(shù)量足夠大，能在結(jié) 腸定植。 我們用平均數(shù)非權(quán)重配對法(UPGMA進(jìn)行相似性聚類分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)服用益生菌后，組內(nèi)個體相 似性較對照組提高，說明益生菌能減少宿主及環(huán)境的影響因素，提高了宿主腸道菌群構(gòu)成的一致性 和腸道微生態(tài)的穩(wěn)定性。腸道菌群構(gòu)成的差異性組間大

20、于組內(nèi)，說明服用益生菌在一定程度上影響 了腸道菌群的建立但不明顯。 國家級繼續(xù)醫(yī)學(xué)教育項(xiàng)目 47 No.20111207214 新發(fā)和再發(fā)傳染病防治熱點(diǎn)研討會 2011 Workshop for Control of EID 2011 圖中每一條泳道代表一只小鼠腸道菌群的 DGGE 圖譜，泳帶的數(shù)量和位置說明了菌群的多樣性。 圖中兩組位置相同的條帶較多，表示大多為共有菌。 服藥前（對照組）泳道中條帶數(shù)、位置和亮度均無明顯差異，說明正常 BALB/c 小鼠腸道細(xì)菌的 多樣性相似，服藥后（益生菌組）組內(nèi)個體相似性較對照組提高，說明服用益生菌后減少宿主及環(huán) 境的很多因素影響，提高了腸道菌群構(gòu)成的一致性，提高腸道微生態(tài)的穩(wěn)