肠道微生物指寄居在人类肠道内微生物群落的总称,包括细菌、古细菌和单细胞真核生物等,与肠道环境共同构成了一个巨大而复杂的生态系统。人类的肠道是一个营养丰富的微环境,承载的细菌数量高达100万亿（1014）个,超过人体自身细胞数的10倍[1]。肠道内的细菌总重量达1.5 kg,相当于正常人体肝脏的重量。采用无需分离培养的16S RNA测序的方法鉴定微生物,发现人类肠道微生物的基因数达500万,是人类基因数的150倍[2]。微生物种类丰富,据推测有500~1 000种。肠道微生物像是一个器官,具备代谢、免疫和内分泌的功能,并与机体的其他器官相互作用。肠道微生物与代谢性疾病、心血管疾病、消化系统疾病、癌症、免疫系统疾病以及中枢神经系统疾病具有一定相关性,通过对其结构、功能以及致病机制的研究,希望能在疾病的治疗和开发新的治疗方式上发挥作用。本文将对肠道微生物的研究现状和其与人类疾病的关系进行综述。


1肠道微生物的概述


1.1肠道微生物的形成与发展


胎儿在母体子宫内是无菌的,出生后母亲以及环境中的微生物迅速在新生儿肠道定植,此时的新生儿肠道微生物相对简单,但处于高度动态变化中,各种因素影响着微生物的种类及数量,如生产的方式（顺产婴儿和剖腹产婴儿的肠道微生物存在差异,后者可见较多来自体表和环境中的菌群）、抗菌药物的应用、喂养方式以及外界环境卫生状况等[3]。KOENIG等[4]用2年多的时间追踪1名新生儿的成长,发现厚壁菌门是最先出现的菌落。BÄCKHED等[5]通过宏基因组测序分析了98位母亲和出生1年的婴儿的肠道微生物,发现1岁婴儿的肠道微生物构成趋于成熟,以厚壁菌门和拟杆菌门为主,接近于成人。随着饮食改变,在3岁时儿童的肠道微生物构成趋于稳定。正常成年人肠道微生物相对稳定,处于轻度波动中,厚壁菌门和拟杆菌门占主导地位,其次为放线菌门和变性菌门。老年人消化功能衰退、饮食以及免疫状态的改变使肠道微生物的构成发生较大改变,相对于年轻人,其肠道内的双歧杆菌和厚壁菌门的构成比减少,拟杆菌门构成比增加[6,7]。


不同地域种族间、人群间的肠道微生物构成也有较大差异。SUZUKI等[7]分析了居住在不同纬度地区的23种人群,发现随着纬度的增加,人群肠道内的厚壁菌门数量增多,拟杆菌门数量相对减少;YATSUNENKO等[8]通过检测粪便中的酶,发现南美洲人与美国人肠道微生物存在差异,美国人的肠道内微生物高表达参与蛋白质降解以及维生素合成的酶,南美洲人肠道微生物高表达参与糖类物质代谢的酶,推测二者差异主要由饮食结构的不同所致。饮食以及抗菌药物的应用会在较大程度上影响肠道微生物菌群的构成。短期口服抗菌药物,肠道微生物菌群恢复原有结构至少需要4周,长期口服抗菌药物,则可导致肠道微生物多样性下降,甚至菌群失调[9]。在对小鼠肠道微生物的研究中发现,饮食改变可对57%肠道微生物结构变化进行解释,而基因突变仅能解释12%[10]。正常人肠道占主导地位的微生物组是相同的,但每个人的微生物构成又都是不同的。最近研究发现,肠道微生物具有个人特异性,可根据肠道微生物组的测序来鉴定出一个人[11]。


1.2肠道微生物的构成与生理作用


由于pH值、氧含量、营养物质形式、宿主分泌以及黏膜的免疫组织等因素的差异,微生物在人体肠道内不同部位的分布有差异,结肠内微生物的分布密度最高,达1011~1012CFU/mL[12],小肠104~107 CFU/mL[13],胃102~104CFU/mL[14]。微生物在肠道内不同部位的构成也不同,胃内微生物多具有耐酸性,除已知的幽门螺杆菌外,采用16S rRNA对胃黏膜微生物测序还发现有128个表型,主要来自5个门,推测其可能为胃内常驻菌群[14];随着氧含量和pH值等的改变,小肠内的厌氧菌增多,结肠是肠道内含厌氧菌最多的部位,预估其可能包含800种微生物[15]。肠道微生物具有一定的组成结构。人体肠道微生物种类可达1 000种,但各种细菌的数量差别很大,在健康人的肠道微生物中,拟杆菌门和厚壁菌门多于90%,其他较少的门类有放线菌门、变性菌门等[16]。根据人体肠道微生物对机体的影响,将其分为三大类：共生菌、条件致病菌和致病菌。共生菌形成的正常菌群,在维持肠道微环境中起着重要的作用,具有多种生理功能,主要表现在：（1）能够促进肠道黏膜血管生成,保护肠道黏膜;（2）刺激机体免疫系统发育;（3）促进食物的消化吸收,合成对人体有益的维生素。若正常菌群结构（种类、数量、位置等）发生改变,则可能打破微环境平衡,引起疾病。


1.3肠道微生物的检测方法


传统的细菌检测方法依赖于细菌培养、生化鉴定以及基因测序,方法繁杂、耗时长,且这种分离培养的方法仅可鉴定其中的1%,不能反应肠道微生物的真实情况[17]。随着分子生物技术的发展,荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization,FISH）、聚合酶链反应（polymerase chain reaction,PCR）、变性梯度凝胶电泳（denatured gradient gel electrophoresis,DGGE）、逆转录PCR和基因芯片等技术被用于肠道菌群研究,但这些方法存在一定的局限性,如DGGE对DNA长度有要求（一般在500 bp以下）,且通常仅显示优势菌群,不能反映微生物的丰度情况[18];FISH和基因芯片技术通过探针来获得微生物多样性的信息,但都只能检测已知的菌,不能检测未知的菌,且通过信号强弱判断微生物的丰度不准确[19]。无菌小鼠模型的建立为研究肠道微生物的功能提供了重要的帮助,但并不能反映肠道微生物的内部构成。近年来,新兴的测序技术——高通量测序技术,可满足1次对几十万至几百万DNA分子测序的需求,且因其数字化信号、高数据通量、高测序深度、高准确性等特点,被广泛应用于肠道微生物的研究中,尤其是16S rRNA测序可以从菌株的水平鉴定微生物,能检测出新的菌株,这大大推进了人们对未知微生物的探索进程[16]。


2肠道微生物与疾病


2.1肠道微生物与代谢综合征


代谢综合征指机体内的碳水化合物、蛋白质和脂质等代谢发生异常而导致的一组代谢紊乱症候群,包括向心性肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和糖代谢异常等,会增加糖尿病、心血管疾病以及癌症的风险。代谢综合征的病因多归于遗传易感性和生活习惯不良等,近些年对小鼠以及人类的研究发现肠道微生物是促进代谢综合征发生的重要原因之一。VIJAY-KUMAR等[20]发现Toll样受体5（Toll-like receptor 5,TLR5,一种广泛分布于肠道黏膜的跨膜蛋白,通过识别病原菌的鞭毛蛋白发挥固有免疫作用）缺少的小鼠（TLRKO1）易出现胰岛素抵抗、脂肪积累、高胆固醇血症和高血糖等代谢综合征的表现;将其肠道微生物移植到野生型的无菌小鼠肠道中,发现后者也出现类似情况,他们推测是TLR5基因的缺少导致小鼠表现出代谢综合征。而ZHANG等[21]最近的研究发现,TLR5基因敲除的小鼠（TLRKO2）在正常饮食与高热量饮食2种情况下,代谢综合征发生率与正常野生型小鼠一致,随后,将TLRKO2模型小鼠的肠道微生物移植入野生型无菌小鼠中,后者并不会出现代谢综合征的表现,说明TLR5基因缺失并不会易发代谢综合征,而是肠道微生物的改变导致了小鼠易发代谢综合征。


肥胖在代谢综合征中占重要地位,是许多疾病的共同病因。近年发现肠道微生物是导致肥胖的一个独立因素。许多实验证实,无菌小鼠需要比正常小鼠多摄入30%的能量才能维持体重,说明肠道微生物可以提高能量的摄入率。随后,BÄCKHED等[22]发现肠道微生物确实可以影响脂肪储存以及肥胖的发生,即使在无菌小鼠摄入更多食物的前提下,正常小鼠的体脂含量仍然比无菌小鼠高42%,对无菌小鼠进行肠道微生物移植2周后,其体脂可增加60%,同时也伴随胰岛素抵抗的增加、脂肪细胞肥大以及血糖升高。这一点在人体中也可得到证明,ALANG等[23]发现,一位艰难梭菌感染的妇女经粪便移植手术（供者为一位健康的超重者）治疗后,其体重出现显著增加。LEY等[24]发现肥胖者肠道内的微生物构成与正常人存在差异,厚壁菌门数量相对增多而拟杆菌门减少,拟杆菌门与厚壁菌门的数量比值下降。之后,LE CHATELIER等[25]对169位肥胖者和123位非肥胖者的肠道微生物进行测序,发现肥胖者的肠道微生物丰度以及多样性减少。以上说明肠道微生物菌群失调,可能导致机体对能量摄取的增多,促进脂肪存储从而发生肥胖。


长期高脂肪、高热量饮食等不良生活习惯会减少肠道微生物的多样性,从而促进肥胖,其可能机制有：（1）抑制了肠道细胞表达血管生成素样蛋白4（angiopoietin-like protein 4,ANGPTL4,一种分泌型糖蛋白,可抑制循环系统中脂蛋白脂酶的活性）,导致血中甘油三酯不能被分解利用,从而促进甘油三酯在脂肪细胞中储存;（2）抑制5'-腺嘌呤核苷酸依赖的蛋白激酶（adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase,AMPK,表达于骨骼肌、肝、脑各种代谢相关的器官中,可在低氧、缺血、热激和营养缺乏时调节代谢）的释放,下调线粒体内脂肪酸的氧化利用、生酮作用以及葡萄糖的摄取,促进胆固醇、甘油三酯的生成;（3）肥胖者肠道内的拟杆菌门与厚壁菌门的数量比值下降,造成短链脂肪酸（short-chain fatty acid,SCFA,由肠道微生物代谢饮食中的纤维产生,主要为乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）产生减少,抑制了游离脂肪酸受体3的激活,从而导致肝脏、骨骼肌对胰岛素的敏感性降低,而脂肪细胞对胰岛素的敏感性升高,造成脂质累积[26]。


2.2肠道微生物与心血管疾病


近年来发现,心血管疾病的发生除了受传统危险因素影响外,肠道微生物也作为一种危险因素影响其发生。FAK等[27]用焦磷酸测序的方法,比较有粥样斑块病理表现的患者斑块内的微生物和肠道的微生物,发现斑块中的细菌与肠道中的部分细菌一致,推测斑块中的细菌可能来源于肠道。KARLSSON等[28]对健康人群和有相关临床症状的动脉粥样硬化患者的肠道微生物进行基因测序,发现患者组中柯林斯氏菌丰富,并且发现患者肠道中的细菌更易合成肽聚糖,激活中性粒细胞以及促进促炎因子的释放。PASINI等[29]对心力衰竭患者的肠道微生物进行检测,发现其肠道内的细菌（尤其是革兰阴性菌）以及真菌（尤其是念珠菌属）的量远超过正常人,肠道内的渗透性增加,促进了心力衰竭的进程。以上可说明肠道微生物可能促进或加快心血管疾病的发生。


肠道微生物在促进心血管疾病的发生上可能有以下几个作用：（1）肠道微生物导致的代谢紊乱（肥胖、血脂异常、胰岛素抵抗等）是导致心血管疾病发生的危险因素;（2）肠道微生物释放低水平的脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）,可引发低度炎症,促进促炎因子的释放,内皮细胞功能紊乱,斑块形成、破裂以及血栓形成;（3）肠道微生物的代谢产物——氧化三甲胺（trimethylamine oxide,TMAO）是心血管疾病发生的重要诱因。


动脉粥样硬化在心血管疾病中占重要地位,近年发现肠道微生物的代谢产物TMAO与其密切相关,WANG等[30]研究发现,肠道微生物在TMAO的生成中扮演重要角色,用H3标记的卵磷脂喂养小鼠,追踪观察后发现其血液中出现大量H3标记的TMAO,而实验前服用大量广谱抗菌药物的小鼠,其肠道微生物受抑制,血中的TMAO远低于正常小鼠。富含卵磷脂、胆碱以及肉毒碱的食物经肠道微生物代谢后,生成三甲胺（trimethylamine,TMA,一种有恶臭味的无色气体）,经门静脉入肝,在肝脏中经黄素单氧化酶家族（flavin monooxygenase,FMO）,主要为FMO3（活性最高）氧化成TMAO,血液中升高的TMAO会增加心血管疾病的发生率[31]。血液中的TMAO水平与饮食、肠道微生物、FMO3的活性、性别以及遗传等有关[32]。TMAO促进动脉粥样硬化发生的机制可能为：（1）TMAO抑制胆固醇逆转录[31]。①通过上调巨噬细胞CD36和清道夫受体A1（scavenger recepter A1,SR-A1）的表达,促进细胞摄取、累积胆固醇,促进泡沫细胞的形成;②降低肝脏中细胞色素P450（cytochrome P450,CYP）7A1和CYP27A1（参与胆汁酸合成的酶）的表达以及胆汁酸的转运蛋白,从而减少胆固醇的清除;③TMAO会影响胆固醇的代谢,可能通过下调胆固醇的吸收靶点ABCG5/8和NPC1L1降低肠道对胆固醇的吸收,但其对胆固醇逆转运的抑制作用还未完全清楚。（2）TMAO促进血管炎症,招募大量白细胞到内皮细胞并激活白细胞,通过丝裂原活化激酶以及核酸因子-κB的信号通路促进血管炎症发生,低密度脂蛋白（low-density lipoprotein,LDL）受体敲除的小鼠用胆碱喂养,发现其体内炎症相关基因的表达高于正常伺料喂养的小鼠,当小鼠体内直接快速注入TMAO时,也发现炎症相关基因表达增加[32]。


近期ZHU等[33]发现肠道微生物的代谢产物TMAO会增加血栓形成的风险。研究者对4 000多名受试者进行前瞻性的为期3年的血栓事件（心肌梗死、脑卒中）随访,并统计了血液中TMAO含量与血栓发生风险的相关性,结果发现血栓发生风险与TMAO呈剂量依赖的正相关关系。随后动物研究证实TMAO通过血小板激活剂（ADP、凝血酶和胶原蛋白）和三磷酸肌醇的信号通路促进胞内钙库释放Ca2+,从而介导血小板的高反应性,促进血小板的聚集和黏附,进而加快凝血速度,增加血栓形成的风险。而对无菌小鼠或服用广谱抗菌药物的正常小鼠喂食胆碱,发现并不会产生TMAO导致的血栓事件,说明肠道微生物促进了胆碱转化为TMAO。通过16S rRNA测序对饮食中胆碱丰富的小鼠的肠道微生物多样性进行分析,与对照组相比,其肠道内有3个菌属所占比例增加,5个菌属减少,进一步对肠道微生物的蛋白组分析发现增加的菌群其胆碱、TMA裂解酶的活性显著升高。随后,对肠道微生物移植,发现TMAO的生成和血栓形成的可能性是可以传递的,也证实了动脉粥样硬化易感性也可以通过TMAO的生成在移植肠道微生物的供者和受者之间传递。


2.3肠道微生物与癌症


健康人体肠道微生物、外界环境以及宿主的免疫情况三者处于动态平衡之中,这种平衡有助于维持机体正常的免疫防御功能。当这种平衡被打破时,就会导致各种疾病,近年发现肠道微生物在癌症的发生、发展上扮演重要角色。癌症的发生和发展主要与致病菌株、肠道微生物的代谢产物以及由其引起的慢性炎症有关[34]。


幽门螺杆菌是第1个国际癌症研究机构认定的致癌细菌,近年发现肠道微生物的某些菌株也会引起癌症。黏附侵袭型的大肠埃希菌菌株NC101和产肠毒素的脆弱拟杆菌在易感小鼠体内会促进结直肠癌的发生,其可诱导肠上皮细胞生成精胺氧化酶,促进活性氧簇（reactive oxygen species,ROS）的生成,损伤DNA[35]。BONNET等[36]在结直肠癌患者的肠黏膜的组织中发现大量致病的大肠埃希菌菌株11G5,其可能通过促进炎症以及释放毒素导致癌症的发生。结直肠癌患者的癌组织中可见梭杆菌属、解没食子酸链球菌、弯曲杆菌属,其致癌性已在动物实验中得到证实。肠道微生物也可能导致肠外组织癌症的发生,在小鼠实验中,发现鼠科类的肝螺杆菌会增加乳腺癌和肝癌的发生[37]。


肠道微生物代谢饮食中含硫的物质生成H2S,其对肠道细胞有毒性作用,会抑制丁酸盐的氧化,导致肠道屏障受损,从而使肠道内大量微生物进入体内;H2S也具有基因毒性,产生ROS损伤DNA。摄入大量蛋白质,会增加结肠内微生物对其代谢,芳香族氨基酸经肠道微生物发酵,产生大量具有生物活性的物质,如苯乙酸、苯酚和吲哚等,这些含氮的化合物,尤其是N-亚硝基复合物（N-nitroso compound,NOC）,可使DNA烷基化,从而导致基因突变,易致癌,肠道微生物代谢产生的多胺类物质通过分解代谢也可致癌。肠道微生物的代谢产物胆汁酸促进肠上皮细胞产生ROS和活性氮簇（reactive nitrogen species,RNS）,损伤DNA。对结直肠癌患者的研究发现其粪便中的胆汁酸浓度较高,给小鼠喂养次级脱氧胆汁酸,发现其短链脂肪酸的产量减少,肠道屏障易受损伤[35]。


长期的慢性炎症是癌症的主要危险因素,肠道微生物可导致机体长期处于低度炎症的状态。微生物的代谢产物可导致细胞损伤,释放促炎因子[如白细胞介素（interleukin,IL）6、肿瘤坏死因子等],促进炎症以及肿瘤的发生;机体免疫系统通过TLR识别微生物相关分子模式（microbe-associated molecular pattern,MAMP）识别肠道微生物,激活Th17,增加促炎因子IL-23等的释放和减少抑制炎症的因子IL-10等的表达,从而促进炎症;炎症促进肠道屏障的损伤,肠道微生物穿过肠道黏膜改变定植部位,引起其他部位炎症。


2.4肠道微生物与类风湿性关节炎（eumatoid arthritis,RA）


RA是一种以炎性关节滑膜炎为主要表现的系统性自身免疫性疾病,其发病与遗传以及环境因素有关。肠道微生物在维持宿主免疫系统稳定中发挥着重要的作用,近期研究发现,RA中异常的免疫应答与肠道菌群失调有关[38],某些RA患者在用抗菌药物治疗后症状得到缓解。


SCHER等[39]对纽约市区114例RA患者或健康居民的粪便样本进行了检测,发现未接受治疗的RA患者肠道中存在更多的普氏菌,而拟杆菌门等减少,基因测序发现普氏菌基因组编码了一种超氧化物还原酶和一种磷酸腺苷、硫酸腺苷的还原酶,这2种基因可能通过增加普氏菌对宿主的活性氧类的抗性,并且可能通过产生氧化还原蛋白促进免疫炎症反应。而CHEN等[40]近期对RA患者研究并未发现其肠道内的普氏菌增多,可能是由于这些患者已经接受了治疗之故;采用16S rRNA测序对患者和健康人的肠道微生物进行测序,发现RA患者的肠道微生物丰度显著减少,而且丰度减少的程度与病程长短以及病情严重性呈正相关,相对于对照组,患者肠道内原本数量较少的放线菌门和柯林斯氏菌增多,而占主导地位的拟杆菌门减少;在动物模型和体外肠道上皮细胞相关菌的代谢研究中,发现柯林斯氏菌会增加肠道的渗透性,机制可能为：（1）可以减少肠上皮细胞紧密连接蛋白ZO-1的表达,增加肠道的通透性;（2）可以促进肠上皮细胞表达IL-17的细胞因子网络,以及趋化因子CXCL1和CXCL5的表达（已证实RA患者的CXCL1和CXCL5表达增多）,从而招募大量中性粒细胞,并激活丝裂原活化激酶以及核酸因子-κB的信号通路。肠道渗透性增高,从而导致微生物自身成分以及其代谢产物穿过上皮进入固有层,与淋巴组织接触,从而改变宿主肠道内与肠道外的免疫状态。由此可见,肠道微生物菌群失调促进了RA的发展,因此可通过调节肠道微生物进行治疗。MARIETTA等[41]发现普氏菌属的细菌（Prevotella histicola）可以改善RA,他们采用动物实验,从健康小鼠肠道中分离出一株共生菌Prevotella histicola（Prevotella histicola在肠道的自身免疫中发挥作用）,对RA易感的HLA-DQ8小鼠先用Ⅱ型胶原蛋白免疫,后采用Prevotella histicola治疗,发现相对于未用Prevotella histicola治疗的小鼠,治疗的小鼠RA发病率显著降低。其机制可能为：Prevotella histicola通过增加抗微生物肽酶的表达以及肠上皮细胞紧密结合蛋白ZO-1和闭合蛋白的表达,减少肠黏膜的渗透性,从而减少肠道微生物的裂解产物或代谢物穿过上皮进入固有层,维持肠道的正常免疫。


2.5肠道微生物与中枢神经系统疾病


近几年对肠-脑轴研究发现肠道微生物会影响中枢神经系统功能,甚至导致疾病。有研究发现基因、饮食等外界环境导致的肠道微生物菌群失调会导致焦虑症、抑郁症、自闭症以及退行性神经系统疾病等,可能的原因是肠道微生物代谢产物[5-羟色胺（5-hydroxytryptamine,5-HT）、色氨酸、短链脂肪酸等]的促炎作用导致了疾病的发生[42]。


在小鼠实验中,无菌小鼠相比于正常小鼠,其更易出现焦虑的行为,在不同物种的动物中也可得到同样的结论,说明肠道微生物可能影响着神经系统[43]。对大量自闭症患者研究发现,其常伴有胃肠道症状如腹泻、便秘、呕吐等[44];相对于健康儿童,自闭症患儿肠道微生物的多样性以及丰度减少,而且自闭症患儿肠道微生物多样性和丰度的减少程度与自闭症严重程度显著相关[45]。HSIAO等[46]利用母体免疫激活（maternal immune activation,MIA）模型小鼠研究发现,脆弱类杆菌可以降低肠道渗透性,减少小鼠肠道有害物质的渗漏,并使其肠道微生物构成更接近正常小鼠,MIA小鼠在接受柯林斯氏菌治疗后,其自闭症症状减轻。对退行性神经系统疾病如帕金森病（Parkinson's disease,PD）研究发现,PD患者伴随有肠道功能紊乱的症状,如便秘和营养不良等,便秘可能是PD的前驱症状,20%~29%的PD患者在出现运动症状的20年前就有便秘[47];对健康者和PD患者的粪便微生物测序发现,PD患者微生物群与对照组有差异,PD患者粪便具有抗炎作用的丁酸盐细菌如劳特氏菌属、粪球菌属和罗斯氏菌属显著减少,与促炎作用有关的细菌相应增加[48],但具体哪种菌群与PD相关并不清楚。


3总结


肠道微生物的组成、代谢以及与宿主的相互作用影响着人体的健康,人们也逐渐意识到肠道微生物的菌群失调会导致各种疾病。随着高通量的测序技术、代谢组学、蛋白组学等的不断发展,肠道微生物已成为研究的热点,但人们对肠道微生物的认识还远远不够,菌群与菌群以及菌群与肠道的相互作用、其如何调节人体都需要进一步研究。在疾病发生前,肠道微生物已出现变化,某些特定微生物会增加或减少,能否通过检测肠道微生物来提前诊断疾病也是个疑问。在动物实验中,用益生菌、益生元以及粪便移植对菌群失调进行治疗,发现疾病有所缓解,因此,这可能也为疾病的治疗提供了新的方法。


参考文献


郭晗,张捷,杨硕,乔蕊.肠道微生物与人类疾病关系的研究进展[J].检验医学,2017,32(12):1165-1172