肠道微生物组和消化系统常见疾病的关系

肠道菌群的健康状态可以用整体参数（丰富度、多样性）、组成特征（菌门、类群）和功能特征（代谢模式和途径）来描述。菌群可通过提高人体的适应力和机能从而发挥促进人体健康的作用。研究菌群的丰富度和多样性的经典方法是16S核糖体RNA基因测序，现在也采用宏基因组测序来分析。研究显示人类肠道菌群的丰富度和多样性是一个重要的健康指标。例如，Claesson等报道患有坏死性结肠炎的早产儿与未患病的早产儿相比，前者粪便菌群的多样性明显降低。菌群多样性越低的幼儿，在以后的成长中发生过敏性疾病的风险就会越高。相比之下，菌群的丰富度和多样性越高的老人，营养状态越好，合并症越少，整体上也更健康（Claesson et al，2012）。

除了评估菌群的多样性外，研究者还可利用宏基因组测序技术，以细菌的功能基因丰度来描述人类肠道菌群的特点。通过这一方法，研究人员可以将个体划分为微生物丰度较高（HGC）的个体和微生物丰度较低（LGC）的个体。在一项纳入123位非肥胖者和169位肥胖者的多国合作研究中，LGC个体的细菌及噬菌体基因的平均数量为380 000（占23%），而HGC个体为640 000（占77%）。LGC个体在总体上更肥胖，胰岛素抵抗和血脂异常更严重，炎症指标的水平更高。同样是肥胖个体，LGC个体的体重比HGC个体的体重增加速度更快。肥胖个体和非肥胖个体的菌群明显不一样。HGC个体微生物的特征包括：细菌的代谢功能更加完善；富含产甲烷和产乙酸的细菌；产丁酸盐细菌、Akkermansia（疣微菌门）、瘤胃球菌属的比例较高；空肠弯曲菌和志贺菌的比例较少；产氢量增加而产硫化氢的量减少（Le Chatelier et al，2013）。

除了微生物的丰富度和多样性之外，肠道菌群的特征还包括对宿主代谢、炎症的抵抗力、肿瘤或自身免疫力，以及内分泌和脑功能（脑肠轴）等的影响能力。菌群通过分泌一些因子，调节肠道通透性、黏液层的组成及功能、上皮细胞功能、先天免疫和适应性免疫、肠道蠕动状态和神经传递过程（见图1-1和图1-2）。目前已证实的与人类胃肠道功能状态相关的细菌类群包括：拟杆菌、双歧杆菌、梭状芽胞杆菌（ⅩⅣa和Ⅳa）、柔嫩梭菌、乳酸杆菌和罗氏菌属。HGC个体内存在一些含量丰富且可阻止体重增加的细菌，包括：Anaerotruncus colihominis，Butyrovibrio crossotus，Akkermansia，以及柔嫩梭菌等（Le Chatelier et al，2013）。

细菌的核心功能包括参与一些重要碳水化合物的代谢及辅因子、维生素的生物合成。已发现的健康成人肠道菌群相关的代谢通路包括：亚精胺的生物合成和甲硫氨酸的降解。与LGC个体相比，HGC个体更加健康，可能是因为后者所含的氢气和甲烷生成途径相关基因的丰度更高，而硫化氢生成途径相关基因的丰度更低。未来这些代谢特征可能会成为微生物的标志性功能，用于常规评估胃肠道健康状态。

图1-1　肠道菌群及其对肠黏膜的影响。肠道菌群位于肠道上皮细胞上方。APRIL：增殖诱导配体，HSP：热休克蛋白，MAPKs：丝裂原活化蛋白激酶，NF-κB：活化B细胞的核因子κB轻链增强剂，STATs：信号转导与转录活化因子。

人类胃肠道微生物菌群的组成，沿着胃肠道（包括食管、胃、小肠、大肠）管腔不同位置而变化（Andersson et al，2008；Morgan et al，2012）。目前人类肠道微生物的研究大多数基于粪便样本，虽然样本很容易获得，但是粪便样本不能反映食管和胃中微生物的情况，也不能完全代表消化道中黏膜菌群的情况。Morgan等比较了健康人和IBD病人粪便和胃肠道活检标本的菌群。标本来自Ocean State Crohn's and Colitis Area Registry（OSCCAR）研究和Prospective Registry in IBD Study at MGH（PRISM）研究。其中粪便标本136个，结肠和小肠黏膜活检标本95个。分析结果显示，粪便和活检标本中丰度差异明显的有70多个clade，如粪便中厚壁菌门的丰度是黏膜的3倍（Morgan et al，2012）。在胃肠道，位置相差1 cm，菌群的丰度就会不同。研究中的另外一个问题是通过食管胃十二指肠镜可获取患者上消化道的样本，但健康对照人群很少进行内镜检查，因而很难获得他们的活检样本。如果能设计出具有取样功能的胶囊内镜，对于我们获取小肠的样本现状可能会带来极大的改善。

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图1-2　通过肠道菌群进行免疫调节。在肠道内微生物的代谢产物通过促炎和抗炎机制调节黏膜免疫系统。上皮细胞、单核细胞和淋巴细胞释放的促炎细胞因子可以诱发免疫调节反应，而上皮细胞和单核细胞产生的转化生子因子β和白细胞介素10可以诱发抗炎反应。BAFF：B细胞活化因子，SCFA：短链脂肪酸，TNF：肿瘤坏死因子。

沿胃肠道管腔纵轴上分布的菌群存在差异，从管腔到黏膜的垂直方向上的菌群分布也是不同的。此外，肠道清洗显然也会影响菌群的组成。Harrell等比较了肠道活检样本、结肠内容物及粪便样本的菌群组成，在没有肠道准备的情况下通过结肠镜获取的黏膜样本的菌群与肠道准备后菌群是不同的，肠道清洗会降低黏膜菌群的多样性，粪便排出肠道后，管腔中的菌群或者低黏附性菌群的多样性也明显降低。此外，黏膜细菌组成与管腔的菌群组成明显不同。厚壁菌门在黏膜中极为丰富，但是在肠道管腔中较少。Mucispirillummuci螺旋菌属是目前已知的定植在哺乳动物肠道黏液层的细菌，但是在结肠灌洗后，便检测不到该菌属。

胃肠道菌群的评估需要考虑其他影响因素，包括：年龄、性别、种族以及饮食方式等（Aagaard et al，2013）。印度女性的肠道菌群中，普氏菌属的丰度明显高于美国和牙买加女性（Kao et al，2016）。胃肠道菌群的组成随着年龄增长而变化，这可从生命早期肠道菌群就存在快速变化的现象中初见端倪。

以植物碳水化合物为主食的儿童的粪便菌群，明显不同于典型西方饮食的儿童的粪便菌群。如布基纳法索（非洲国家）的健康儿童和意大利的健康儿童相比，前者体内检测到普氏菌属和Xylanibacter属细菌的比例更高。此外，老年人的蔬菜、水果和肉类摄入量，可影响粪便菌群的组成。饮食的改变可以迅速造成肠道菌群组成的变化，但这些改变可以恢复。有学者根据肠道微生物的组成特点，将其分为：拟杆菌型（Bacteroides）、普氏菌型（Prevotella）和瘤胃球菌型（Ruminococcus）等肠道型（enterotype），分别含有较多的拟杆菌、普氏菌或瘤胃球菌。Wu等报道，吃肉较多的人体内拟杆菌较多，素食主义者体内会有更多的普氏菌。在纳入10个健康个体的研究中，研究者发现虽然肉食和素食的改变会在24小时后引起肠道菌群的改变，但肠道型却不会改变。这说明这种肠道菌群类型是在长期饮食习惯的影响下形成的（Wu et al，2011）。

对同窝饲养的小鼠进行研究后发现，食用同类粪便的习性使小鼠有相似的肠道菌群。例如，将肥胖小鼠与体瘦小鼠同窝饲养，予富含植物多糖的低脂饲料后，肥胖小鼠的肠道菌群更易获得体瘦小鼠的菌群特征；而予低植物多糖且高脂饲料后，肥胖小鼠的菌群组成很难改变。相比之下，肥胖小鼠与体瘦小鼠被分开饲养时，仅仅予富含植物多糖的低脂饲料并不能导致肥胖小鼠的肠道菌群变成类似体瘦小鼠的肠道菌群。总而言之，越来越多的证据表明饮食塑造了儿童和成人的肠道菌群。因此在进行人类菌群的研究时要对膳食史做详细的调查（Ridaura et al，2013）。

研究者通常只在单个时间点收集样本并对微生物进行研究。值得一提的是，健康个体胃肠道菌群的时间稳定性和变异性是研究者应考虑的因素。健康成人尽管有时出现腹痛或腹胀等症状，但其肠道菌群是稳定的。Jalanka-Tuovinen等人在一个采样周期为7周的研究中，通过DNA芯片杂交技术显示相对丰度的变化小于10%的细菌占288个细菌类群的70%。他们将这些丰度变化少的细菌称为胃肠道核心细菌（Jalanka-Tuovinen et al，2011）。但抗生素的使用、海外旅行的经历，以及急性疾病等因素都可以导致健康成人肠道菌群的组成发生改变。慢性疾病病人肠道菌群的改变更是普遍。如肠道息肉病人和健康人相比，肠道菌群中Bilophila，Desulfovibrio，Mogibacterium，Bacteroidetes species的丰度增加明显，而Veillonella，Firmicutes（Order Clostridia），Actinobacteria（family Bifidobacteriales）的丰度下降（Hale et al，2017）。