棲息在人類腸道的微生物群落構成了複雜的微生態體系,其在宿主的營養吸收及黏膜屏障構建等方面發揮重要作用,同時宿主也為腸道菌群提供適宜的棲息環境,兩者形成了互惠共生的棲息關係。近年來,隨著基因組學、蛋白組學和代謝組學等研究技術的不斷進展,人們對腸道微生態的研究不斷深入,逐漸認識到腸道微生態改變及其所引發的代謝改變在疾病發生髮展中的重要意義。此外,為進一步改善腸道微生態,以益生菌、益生元和合生元為代表的營養製劑被用於臨床,其可以通過調整腸道菌群、調節腸道代謝進而達到治療疾病的目的。因此,本文將從疾病腸道微生態改變及其生理功能、疾病與腸道微生態變化以及微生態製劑的應用三個方面加以論述。
腸道微生態及其生理功能
腸道微生態作為人體四大微生態中最重要的一環,其組成十分複雜。人類腸道微生態中定植了約1014個細菌,種類超過1000種,對腸道內定植的細菌進行基因分析後發現腸道菌群的基因總數超過500萬,比人類基因總數還大150倍。不同的解剖部位,腸道細菌的數量也各不相同。研究發現,由於胃酸和腸蠕動的作用,小腸近端含菌量很少且以需氧菌居多,盲腸部細菌明顯增多,達到109cfu/ml(集落形成部門）結腸中細菌進一步增多,達到1014cfu/ml,主要包括擬桿菌屬、卟啉單胞菌屬、雙歧桿菌屬(Bifidobacteriumspp.)、乳桿菌屬和梭菌屬,其中厭氧菌與需氧菌的比值達到(100~1000)∶1。
正常的腸道微生態除促進消化吸收外,其對機體物質代謝的影響日漸受到關注。如腸道細菌通過對膳食纖維的消化和發酵產生短鏈脂肪酸(SCFA),SCFA不僅可以為腸道細胞供能,還可以通過釋放瘦素和胰高血糖素樣肽(GLP-1)來參與能量平衡。因此,腸道微生態的組成和代謝狀況在正常成人中能夠保持相對穩定,對於胃腸道功能的正常發揮和機體穩態意義重大。最近研究發現,腸道微生態失衡與炎症性腸病、結直腸惡性腫瘤、肥胖和糖尿病等疾病關係密切,並且通過微生態製劑的調控作用,可在一定程度上通過改善腸道微生態菌群譜而影響慢性疾病的發生髮展。
疾病與腸道微生態變化
1.炎症性腸病(IBD):
IBD是一種發病原因尚不明確的慢性炎症性腸道疾病,臨床上有兩種表現形式,即克羅恩病(CD)和潰瘍性結腸炎(UC)。Lepage等運用16SrDNA測序技術對62例炎症性腸病患者的腸黏膜組織進行分析後發現,IBD患者腸道菌群中放線菌門和變形菌門比例增高,擬桿菌門比例降低。另外,研究人員還發現IBD患者腸道黏膜上機會致病菌的密度顯著增高。具體表現為發現可變梭桿菌、黏附-侵襲性大腸埃希菌(AIEC)等對腸道黏膜有侵襲性的細菌密度明顯增加。腸道菌群受環境因素、基因表型共同影響,而同卵雙生的雙胞胎具有相似的基因型和環境因素,且研究發現其腸道微生態具有相似性。而當雙胞胎中一方患UC而另一方未患病時,兩者微生態出現明顯差異,具體表現為腸道菌群多樣性降低、紅球菌、寡養單胞菌等需氧菌豐度增加以及柔嫩梭菌等產丁酸鹽細菌豐度下降等,可見UC對微生態影響明顯。腸道微生態和腸道營養
2. 結直腸癌(CRC):
CRC是一種近年來發病率逐年升高的消化道惡性腫瘤,其病因及發病機制仍不明確。既往研究表明,腸道微生態與CRC的發生、發展和轉移等方面關係密切。有研究顯示,與健康志願者相比,CRC患者腸道中厚壁菌門和梭桿菌門豐度增加,變形菌門豐度降低,而在同一患者腸道中,相比癌旁組織,癌組織中乳球菌屬和梭菌屬豐度均明顯增高,假單胞屬和志賀氏桿菌屬豐度卻顯著降低。近年來,關於微生態變化導致腸癌的討論十分激烈,具有代表性的有兩種假說,即「keystone」和「driver-passenger model」假說,前者認為是某種關鍵性致病菌所產生的一系列代謝反應引發腫瘤,而後者認為以產腸毒素脆弱類桿菌(ETBF)為代表的driver菌可刺激腸道產生炎症反應併產生基因毒性物質引發突變,產生致癌效應,並且在driver細菌的作用下,使passenger細菌的在腸道定植變得更加容易,從而改變原有腸道菌群分布,而passenger細菌常以鏈球菌屬和梭菌屬等機會致病菌為主,而這些細菌在腸道微環境中豐度增加,可能進一步促進腫瘤的發生、發展。其中,具核梭桿菌(Fn)就是目前廣泛研究的一種可能「passenger菌」,研究表明同一腸癌患者腸道中,Fn在腸癌組織中的豐度較癌旁組織明顯增加,但其確切致癌機制仍不明確,可能與NF-κB通路激活產生炎症以及表達黏附分子(FadA)與E-鈣黏蛋白結合等機制有關。
3. 糖尿病(DM):
DM屬於代謝綜合征症候群的一種,由於生活方式的改變,近年來其發病率逐年升高。DM患者腸道微生態改變受到研究者的密切關注。研究顯示,DM患者與正常人群腸道菌群差異有統計學意義,主要表現為DM患者腸道中厚壁菌門豐度降低,而擬桿菌門和變形菌門豐度較高,進一步研究發現,擬桿菌門和厚壁菌門的比例改變與葡萄糖耐量降低明顯相關。此外,對DM患者糞便進行巨集基因組分析後發現,DM患者腸道內產丁酸鹽的細菌豐度顯著降低,特別是羅氏菌屬和柔嫩梭菌屬,與此相反,一些機會致病菌如糞擬桿菌、多枝梭狀芽胞桿菌、共生梭菌、遲緩埃格特菌和大腸桿菌豐度則增加。另外,具有降解黏蛋白功能的細菌以及硫酸鹽還原菌(如脫硫弧菌)豐度也同時增加。
4. 肥胖(Obesity):
肥胖患者腸道微生態改變也存在特徵性。動物實驗發現,肥胖小鼠腸道中擬桿菌門豐度偏低,而厚壁菌門豐度較高,進一步實驗發現,若將肥胖小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠腸道內,即使在低脂飲食狀態下,無菌小鼠肥胖的概率也顯著提高。在人群實驗中,Karlsson等通過對肥胖兒童的糞便進行qPCR分析後發現,肥胖兒童腸道內腸桿菌屬豐度偏高,脫硫弧菌屬和豐度偏低,而同樣運用qPCR技術分析肥胖孕婦的腸道菌群後,發現雙歧桿菌和擬桿菌豐度均降低,而葡萄球菌和大腸桿菌豐度則升高。除將特異性的菌群偏移外,LeChatelier等還提出可按照腸道菌群基因數和菌群豐度將人群分為低菌群豐度組和高菌群豐度組,研究發現,低菌群豐度組中肥胖的比例明顯增高,並且胰島素抵抗、血脂異常和炎症反應也較為明顯,在菌群分布上兩組人群差異有統計學意義,低菌群豐度組中擬桿菌門和變形菌門豐度較高,而高菌群豐度組中疣微菌門、放線菌門及古生菌的分布更佔優勢。
總體而言,這些疾病的發生髮展與微生態改變的因果及相互促進之關係,仍有待進一步深入探討。
疾病狀態下腸道微生態與代謝改變的關係
1.IBD患者的代謝改變:
IBD患者在確診時即出現較為嚴重的營養不良和代謝障礙,且隨著疾病的演進逐漸加重,常導致劇烈的腹痛和水樣便或出血性腹瀉。引發代謝障礙的原因較多,由微生態紊亂所引發的代謝改變是可能原因之一。例如,UC患者腸道中柔嫩梭菌等產丁酸的細菌豐度常降低,從而導致腸道內丁酸水準隨之下降。丁酸對於維持正常的腸道功能具有重要的作用,不僅可以刺激腸道黏液分泌、提高腸道血流量和腸蠕動,還可增強腸道對鈉和水的吸收。另外,丁酸還可以通過阻止NF-κB激活達到抗炎作用。此外,中鏈脂肪酸如戊酸鹽和己酸鹽等在IBD患者腸道中含量也處於降低趨勢。蛋白質代謝方面,IBD患者腸道中甲基吲哚和對甲酚等蛋白質代謝產物水準較低,這可能是由於能夠參與蛋白質代謝進而合成上述產物的細菌減少所致,相關細菌主要包括梭狀芽胞桿菌和擬桿菌屬等,而經研究證實,這兩種細菌在IBD患者中豐度確實常處於降低趨勢,可見微生態改變會對炎症性腸病腸道代謝產生影響。
2. CRC患者的代謝改變:
有研究顯示,一些對身體有益的物質如丁酸鹽、醋酸鹽以及亞麻油酸等在CRC患者腸道中含量常降低,其中丁酸鹽除為腸道上皮供能、促進腸道吸收外,還有抗炎和抗癌效應。Hester等發現與某些人種相比(西班牙裔和非西班牙裔美國人、美國印第安人和美國白人),非洲裔美國人腸內丁酸鹽水準偏低,這可能是非洲裔美國人CRC較為高發的原因之一,而亞麻油酸則可通過調節氧化應激和線粒體功能來抑製腫瘤細胞的增殖。相反,胃腸道微生態改變還可介導產生某些有害的物質,如活性氧水準在腫瘤組織中常常升高,而過高的活性氧會導致DNA改變,導致鹼基修飾、脫氧核糖損傷以及DNA鏈斷裂等,進而提高致癌的風險。研究發現,胃癌患者中的幽門螺桿菌(Hp)會使活性氧水準增加,這可能是Hp致癌的機制之一,而CRC患者腸道中活性氧水準增加可能與糞腸球菌豐度增加相關。
3. 肥胖和DM的代謝改變:
肥胖和DM不僅在腸道菌群上存在特異性改變,腸道菌群紊亂還可以介導產生相關代謝改變。DM患者腸道內柔嫩梭菌等產丁酸鹽細菌豐度下降,使得腸道內丁酸鹽等SCFA水準降低,SCFA可作為一種信號分子可與G蛋白偶聯受體41(Gpr)和Gpr43結合,Gpr可在腸道內皮細胞、脂肪細胞和免疫細胞中廣泛表達,Kimura等發現Gpr缺陷的小鼠在正常飲食條件下也會產生肥胖,且缺陷小鼠中胰島素抵抗比例也較高,相反,激活Gpr43可以促進腸道分泌GLP-1,從而達到提高胰島素敏感性的目的。對於肥胖患者,其體內脂肪異常增多,除與飲食習慣有關外,微生態可通過調節胃腸道激素的分泌、腸屏障功能和炎症反應來參與脂肪代謝。如肥胖患者機體常常處於低度炎癥狀態中,機體內毒素常處於較高水準,這可能與內源性大麻素系統(ECS)激活有關,而研究顯示ECS過度激活可削弱腸屏障功能,使得內毒素入血變得更加容易。研究還發現,肥胖患者在過度減肥後可有效降低白介素(IL)6和腫瘤壞死因子(TNF)α等炎性因子的水準,可見肥胖與炎癥狀態存在相關性。Amar等研究發現,小鼠在接受7d的高脂飲食後,在腸道中的共生細菌如大腸桿菌、變形桿菌等就會在脂肪組織和血液中大量出現,而研究人員運用16SrDNA測序技術對DM前驅期患者的血液樣本進行分析後,也發現其血液中細菌DNA水準提高,可見在DM發病之前,細菌便從腸道轉運站移到脂肪組織和血液中,而這種細菌移位對於炎症發生具有直接促進作用。除此之外,血管生成素相關蛋白4(Angptl4)與肥胖之間也有緊密聯繫。
Angptl4是一種脂蛋白脂肪酶抑製劑,在正常小鼠體內其表達常常處於較低水準,若其表達過度將會刺激脂肪動員,從而提高血漿中三醯甘油、遊離脂肪酸、甘油和總膽固醇的水準,降低體脂含量,同時研究顯示,Angptl4缺陷的無菌小鼠體內脂蛋白脂肪酶活性較野生型小鼠顯著提高,脂肪合成明顯增加,而Angptl4過度表達則會使體脂含量降低,可見Angptl4可調節機體的脂肪代謝。
微生態製劑的應用
IBD等疾病狀態下的微生態改變及其代謝改變已由前文述及,近年來,以改善微生態為靶向的營養治療受到研究人員和臨床醫師的廣泛關注,尤其是益生菌、益生元和合生元等微生態製劑的使用,為諸多疾病的治療提供了一個新的途徑。
1. 益生菌
益生菌指對一類機體健康產生有益營養的活微生物的總稱。目前,益生菌在多種疾病中廣泛使用,在炎症性腸病中,研究顯示在補充8周富含雙歧桿菌和乳桿菌的益生菌優酪乳後,可顯著降低IBD患者血清中IL-1β、TNF-α和C反應蛋白(CRP)的量,並提高IL-6和IL-10的水準。另一項研究中,UC患者定量補充雙歧桿菌製劑1年後,其複發率明顯下降。相比單獨補充益生菌,多種益生菌聯合應用效果更加明顯,富含8種益生菌的VSL用於IBD患者不僅可以緩解腸道的炎症反應,還可增加緊密連接蛋白水準以提高腸道的穩定性。在腫瘤的防治方面,益生菌製劑可通過降低葡萄糖醛酸酶和偶氮還原酶的活性及降低腸道中酸鹼度值(pH)達到降低致病性細菌的豐度的目的。此外,還通過調節免疫反應達到預防癌症的效果,如乳酸桿菌可通過產生IL-12有效調控DC的生長和成熟及刺激NK細胞產生干擾素γ(IFN-γ),進而達到免疫調節作用。除益生菌的抗癌機制研究外,歐洲一項為期12年、參與人數達到45241名的前瞻性調查也發現,富含益生菌的優酪乳攝入可有效降低CRC的發病風險。近年來，DM、肥胖等代謝綜合征的益生菌治療受到研究人員關注。研究顯示,補充乾酪乳桿菌可有效降低飲食所致的肥胖小鼠的DM發病率,除此之外,補充乾酪乳酸桿菌可顯著提高Angptl4水準,從而減緩小鼠在高脂飲食狀態下體脂增加的幅度,但也有研究顯示,腸道內乳桿菌豐度增加會同時伴隨體重指數(BMI)和血糖的增加,這種矛盾可能是由於乳桿菌屬中多達90種不同菌種對脂肪代謝各有差異所致。
2. 益生元
益生元是一類膳食補充劑,可選擇性刺激一種或少數種菌落中的細菌的生長及活性,從而改善腸道環境。研究顯示,益生元可抑製內源性大麻素系統的活性,而ECS活性降低可刺激腸道產生緊密連接蛋白從而達到增強腸道屏障的作用。益生元在結腸中可被厭氧菌代謝產生SCFA,SCFA不僅可以顯著提高腸道內雙歧桿菌等有益菌的比例,還可以通過激活GPR43和GPR109刺激T調節細胞(Tregcell),進而降低促炎因子水準,達到緩解炎症的目的。益生元在CRC的預防中也起重要作用,研究顯示二甲基肼介導的腸癌小鼠在補充低聚木糖(XOS)和低聚果糖(FOS)後,可顯著降低盲腸內pH值和血清中三醯甘油的濃度,並減少異常隱窩病灶(ACF)的產生。益生元還可以通過調節一些外源性代謝酶的活性達到抗癌的效果,動物實驗顯示抗性澱粉(RS)可顯著增強家兔結腸中谷胱甘肽轉移酶的活性,此外,益生元還可有效降低肥胖小鼠血清中內毒素水準,並提高腸道內雙歧桿菌的豐度,改善葡萄糖耐量和胰島素分泌功能。而健康志願者在補充菊粉(inulin)型果糖2周後,GLP-1分泌顯著提高,餐後血糖升高幅度降低,同時受試者飽腹感增加且能量攝入明顯減少。
3. 合生元
合生元即益生菌和益生元結合使用。首先,選擇具有特異性的一種或多種益生菌,同時補充益生元協助益生菌發揮協同作用,相比益生菌或益生元的單獨使用,聯合應用更能充分發揮其功能。合生元使用可以調整腸道菌群偏移,研究顯示,合生元可降低腸道中大腸桿菌豐度。而動物實驗顯示,合生元可提高家兔腸道中IgA的水準。臨床試驗發現,UC患者聯合應用長雙歧桿菌和果聚糖後,腸黏膜中β-defensin、TNF-α和IL-1α的表達水準顯著提高,另一項研究提示,合生元的使用不但能緩解CD患者的臨床癥狀,而且還能顯著提升CD患者的病理評分。合生元在CRC中的應用研究顯示,菊粉、鼠李糖乳桿菌GG(GG)和乳雙歧桿菌Bb12的聯合應用,可有效延緩腫瘤擴散。儘管理論上合生元可以代表益生元和益生菌的功能,但多種益生菌和益生元的選擇以及聯合運用的兼容性、安全性、最小有效劑量以及是否存在不良反應等相關問題仍有待進一步研究。
總結
眾多研究均證明,腸道微生態與多種疾病關係密切,而疾病狀態下代謝的變化也和腸道微生態改變密不可分,同時,益生菌、益生元和合生元等營養製劑通過改善腸道微環境達到改善疾病狀況的效果,這更進一步證實了腸道微生態的重要地位。腸道微生態研究前景廣闊,但相關研究仍有待進一步深入,腸道微生態改變與疾病之間的確切關聯仍未完全闡明,腸道微生態改變引發機體代謝變化的確切機制仍不完全明確,而在益生菌等營養製劑的使用上,各種研究報導的營養製劑類型的選擇、用法用量和安全性等方面存在較大差異。隨著研究的深入,相關機制及理論的闡明將會賦予腸道微生態新的定義,我們有理由相信這將會為諸多疾病的預防和治療提供嶄新的途徑。
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