肠道微生物群的病理生理学进展*

黄秀艳， 曾耀英

尽管人类是地球的主宰者，但是无论在数量或者多样性方面，地球上的微生物是主流。人体只是许许多多细菌、古生菌、病毒以及真核微生物的支架或者平台罢了。这些微生物栖息在多个人体解剖学上的壁龛里(消化道、泌尿生殖道、呼吸道和皮肤)与宿主形成共生关系，其数量大大超过人体的体细胞和生殖细胞一个或者多个数量级。与人类其他解剖部位相比，肠道微生物群的复杂程度最高，其中细菌基因组数占99%以上，而且病毒和真核微生物目前的研究还很少。因此，文献中的“gut microbiota”常常是指“肠道菌群”。在以往的文献中的“gut flora”一词也已经逐渐被“gut microbiota”所替代。当人们把人体看作超级生物体(superorganism)时，肠道菌群就被看作“第二基因组”、“被遗忘的器官”，或者外挂“基因硬盘”。人类肠道菌群包含1013～1014个微生物，其数量是人体细胞的10倍;人体基因组大致有2.3万个基因，而肠道菌群基因组大概有3.3百万个基因，150倍于人体基因组。10年前，人们对肠道菌群的生理功能所知甚少。这是因为肠道菌群的大多数是不能进行体外培养，而且测序技术的能力无法对人的肠道菌群基因组进行有效测序和分析。直到不依赖培养的高通量测序技术的出现，人们才对人肠道菌群高度多样性的程度有所了解。2007年美国国立卫生研究院主持并启动了人微生物基因组计划(Human Microbiome Project，HMP)［1］，其目的是阐明人体各个部位菌群的特性，探索人体微生物基因组(microbiome)的变化与健康的关联性。同年欧盟也启动了全球人类肠道宏基因组计划(Metagenomics of the Human Intestinal Tract，MetaHIT)，其目标与 HMP相似，而重点放在人类肠道菌群。近年来，有关肠道菌群论文大量涌现，以关键词“gut microbiota”和(或)“gut flora”在 PubMed进行捡索，2014年3月2日之前，收录852篇论文，而2004年大概有350篇，1994年只有130篇。Nature、Nature Reviews Gastroentero-logy＆ Hepatology、Science和 Science Translational Medicine等著名的国际科学期刊在2011到2012年间分别以“Gut Microbiota”为标题的专刊形式刊登多篇Reviews和Perspectives，这表明人肠道菌群与健康这一领域的前沿性。

对人体微生物菌群的研究越来越深入，其成果正在对生物医学领域的方方面面产生深刻的影响。例如在人类进化、出生后的发育、系统生理学、个体特征等传统领域，已经开始渗入菌群生态学理论。人们正在重新思考健康和疾病的定义，并且认真评估人类生活方式的变化对健康的影响。

1 肠道菌群研究的推动因素［2-3］(高通量测序技术发展、动物模型的建立和生态理论的引入)

与人体其它解剖部位相比，肠道菌群最为复杂。在先进的高通量测序技术出现之前，人们对肠道菌群的研究很少。现在通过测序所鉴定的肠道菌群中的大多数成员，就目前的技术条件是无法进行培养的。目前大多数的研究均为不依赖培养的测序技术。16S rRNA基因的全长测序和全基因组霰弹枪测序法(whole-genome shotgun，WGS);即16S rRNA基因是细菌上编码rRNA相对应的DNA序列，存在于所有细菌的基因组中。它具有高度的保守性和特异性，可以用于细菌种属鉴定。大致包括以下程序步骤:16S rDNA特异引物PCR扩增、扩增产物纯化、DNA测序、序列比对等。近年测序技术的通量也大大提高，从16S rRNA基因全长(1 200 bp)测序，改变为检测这个基因的高度可变片段(hypervariable portion)。这一策略的变化在提高通量同时还降低费用，从使用Sanger测序仪(大约能测定1 000 bp)到使用Roche 454(大约能测定400 bp)或者Illumina平台(大约能测定100 bp)。此外，高通量测序技术的引入，除了能克服克隆所造成的偏差外，还可以同时检测数百份样品。技术和经济层面的可行性也促进实验设计的改善，以大样品量检测为基础的队列研究和不同时点的动态研究成为可能。霰弹枪测序法在大规模的研究中也经常使用，比如在HMP和MetaHIT计划的研究中，除了16S rRNA技术外，也使用霰弹枪测序法。霰弹枪测序法是一种广泛使用的为长DNA测序的方法，比传统的定序法快速，但精确度较差。其思想是将基因组打断为数百万个DNA片段，测定每个片段的序列后，然后将片断的序列信息重新整合在一起，从而得到功能基因组序列。此技术在细菌基因组测序研究上相当有效。以体外培养的粪便样品分离株为基础的序列分析，可以提供全长序列。全长序列的资料所组成的数据库，是前面提及的2种技术的基础。

实验动物可以进行肠道菌群的特定组合的功能性研究，是与疾病关联性研究所不能缺省的部分。其中，动物模型是关键。用于肠道菌群研究的模型包括:已知菌(gnotobiotic)或无菌(germ-free)小鼠、猪和斑马鱼。其中，已知菌或无菌小鼠最为常用。前者是在完全无菌状态下出生(剖腹产手术)并且在无菌条件下饲养，按照实验目的引入特定细菌，以研究其共生关系。无菌小鼠出生和饲养条件与前者相同，只是没有引入特定肠菌，一旦引入特定肠菌，就称作已知微生物小鼠。近年来，有关通过把人的肠道菌群移植到无菌小鼠，观察人的特定结构肠道菌群对小鼠表型影响的报道屡见不鲜。妊娠常常伴有代谢的变化，如高血糖、胰岛素抵抗和体重增加等，这些代谢改变与支持胎儿的生长有关。为了阐明这些代谢的变化与肠道菌群的关联性，Koren等［1］通过把妊娠早期和妊娠末期个体的肠菌分别接种到无菌小鼠，发现妊娠早期的肠菌接种的小鼠体重无异常，而妊娠后期的肠菌接种的小鼠出现肥胖，伴有胰岛素抵抗。此外，作者还对妊娠2个时期的肠菌组成进行比较，发现:前者以厚壁菌门菌(Firmicutes)和拟杆菌门菌(Bacteroidetes)为菌群的主体，仅有小比例的变形菌门菌(Proteobaceteria);后者以变形菌门菌为菌群主体，厚壁菌门菌和拟杆菌门菌的比例明显减少，而且这些菌群结构模式完全通过接种而转移到小鼠，从而证实妊娠期代谢变化与肠道菌群组成变化相关。

由于人类-微生物生态系统(human-microbial ecosystem)与群落生态系统(community ecosystem)的类同性，人们正在尝试应用后者的生态理论去解读人类的微生物基因组。人们已经越来越清楚地意识到人类-微生物生态系统对人类的健康和疾病的发生发展有着深刻的影响。每个人体可以看作是被微生物生态群所占据的岛样栖息地。这些微生物生态群按照群落生态学的基本过程形成的，其中包括:分布、局部多样化、环境选择和生态漂变。群落装配理论，尤其是宏群落(metacommunity)理论为了解人类微生物基因组的生态动力学提供了思考框架，比如微生物基因组的组成在同一个宿主的不同时间以及不同宿主之间的差异。目前人类微生物基因组3种典型的配置尤其受到关注:婴幼儿发育时期的装配，它代表原先没有占据栖息地的装配模式;使用抗菌素后的恢复，它代表骚扰后的装配模式;病原体入侵状态，它代表在新种入侵情况下的装配。如果能娴熟应用生态理论，就能正确制定出恢复和维持人类-微生物生态系统的自稳的方案，并且为宿主提供关键性健康相关的生态系统服务。

2 肠道菌群生态学特征［4］(分类学组成多样性、群体偏差和个体波动、稳态偏离和恢复)

虽然，地球已知大概有55门细菌和13门古生菌，但是由于进化选择作用，人类的肠道仅仅寄生2～5门细菌，主要为拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)，以及1门古生菌(Methanobrevibacter smithii，史氏甲烷短杆菌)。人类肠道严格按照以下条件选择其寄生菌［5］:携带编码用于生产营养物的酶;基因组包含有利于栖息的基因，以实现黏附到肠道恰当部位、逃脱噬菌体的攻击以及与宿主免疫系统和平相处;遗传配置具有适度的突变能力，以适应寄生环境;具有适度增殖力，以免因排粪而被清除;具有一定的抗应激能力，以便随着干粪颗粒传播到另外宿主个体。人类肠道菌群的组成多样性主要体现在菌门和菌种2个水平上。综合目前的报道，在门的水平上，人类肠道菌群的组成如下:拟杆菌和厚壁菌在大多数个体中为主要成分，放线菌(Actinobacteria)、变形菌(Proteobacteria)和疣微菌(Verrucomicrobia)为次要组分。古生菌主要为疣微菌，真核细胞主要为酵母，病毒主要为噬菌体。在人群不同个体的组成差别主要表现在各个门细菌的比例上。在人微生物基因组中大概包含3.3百万非重复的基因，其中99%来自1 000～1 150个菌种(species)和7 000株(strains)。人们试图找出在生理状态条件下分类学的核心组成模式。Arumugam等根据来自33例美国和欧洲成人粪便标本霰弹枪测序分析结果，提出肠型(enterotype)的概念，它代表3种不同的宿主与肠菌的共生状态。有部分个体肠道菌群以拟杆菌为主体，而普氏菌(Prevotella)和胃瘤球菌(Ruminococcus)占的比例很低，这是肠型1(enterotype 1)共生态;另外有部分个体以普氏菌为主体，而拟杆菌和胃瘤球菌占的比例很低，这是肠型2共生态;还有部分个体以胃瘤球菌为主体，而拟杆菌和普氏菌占的比例很低，这是肠型3共生态。随后，还有2份报告，支持Arumugam的发现。然而，其后也有报道，把婴儿的资料放进去，这种模式就被打破了。还有报道认为，柔嫩梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、罗氏菌(Roseburia intestinalis)和单形拟杆菌(Bacteroides uniformis)为核心组成的共生模式。但是，后来又有报道指出，上述细菌在某些个体中只占0.5%的比例。如果把国家和年龄因素放进去考虑，要找出这样核心模式的可能性不大。由此可见，肠道菌群组成的多样性之大。下面举个例子说明同一个人群不同个体肠道菌群在各个分类学层次存在明显差别，Yatsunenko等报道指出，4个年龄相仿的美国人，分别用A、B、C和D来表示。在门的水平上，A个体拟杆菌大约占60%，厚壁菌占35%左右，其余为放线菌等;D个体梭形菌大约占20%，厚壁菌占75%左右，其余为放线菌和疣微菌;B和C个体，是该队列的典型，厚壁菌大约占80%，拟杆菌大约占18%，其余为放线菌等。在门的水平来看，B和C个体有一定的相似性，但是如果把两者的厚壁菌拿出来进行种(species)水平的分析，则两者的差别就很大，几乎每个家族(family)都有差别。

多份研究表明，即使在同一个人群中，不同的个体以及同一个个体的不同时间，肠道菌群分类学组成，甚至功能谱都存在差别。这些差别是否有意义?是否代表健康状态的差异?这些差别是什么因素驱使?这些是人们最需要了解的。Caporaso等对男性和女性各1名的4个解剖部位(肠道、口腔、左掌和右掌皮肤)的菌群组成进行396个时点的分析。他们发现，每个解剖部位每个时点都有明显差别;即使同一个体同一个解剖部位在不同时点上都有明显的波动，无论2个时点之间的间隔是月、周还是天;没有任何的菌种能够在单一解剖部位的所有检查时点都存在，虽然有些菌种一度以高丰度存在，后来降到几乎无法检测到的水平，这就说明几乎不存在高丰度核心时间菌群基因组(core temporal microbiome)模式。

对于一个个体而言，在特定的时间里，其肠道菌群组成应该是相对稳定的，这就是肠道菌群生理性稳态。然而，这个生理性稳态也可以因年龄、遗传、环境、饮食、妊娠、抗菌素使用和疾病而发生漂移。年龄的影响是十分明显的。婴幼儿时期的头3年肠道菌群组成变化最大。在这个时期，肠道菌群生态系统经历从种植走向成熟的稳态过程，其组成和功能多样性不断扩大，是生态演变的典型例子。婴儿的肠菌群分类组成和功能基因谱波动的幅度都比成人大得多。出生头几周肠道菌群大概有100种，6个月到3岁增加到700种，成年后大致有1 000种。老年是肠道菌群产生较大幅度变化的另一个阶段。老人肠道菌群组成发生明显变化，兼性菌的数量明显增加，拟杆菌/厚壁菌比例增大，双歧菌明显减少，这种变化与免疫系统的老化同时发生，推测两者之间有一定关联性，因为后者对肠道菌群组成产生明显影响。Claesson等［6-7］报道，与年青人相比，老年肠道菌群个体之间的组成差异明显得多，多样性明显减少。这些变化与饮食和健康状态相关。

遗传、环境和饮食也是影响肠道菌群的重要因素。孪生个体和母子配对的研究显示肠道菌群组成的相同程度明显高于无关联的个体，提示遗传因素影响的可能性。然而，单卵孪生和双卵孪生之间肠道菌群组成不存在差别，似乎提示环境因素在起主导作用。意大利儿童与非洲农村儿童在肠道菌群的组成上有很大差别。与非洲马拉维和委内瑞拉相比，美国的成人和儿童肠道菌群的组成差别十分明显。这些差别与遗传、环境接触、卫生设施、洁净程度、饮食结构和抗菌素使用等因素都有关联。就食物组成而言，高纤维饮食常常导致普雷沃菌属(Prevotella)的比例增加;长期高动物蛋白、高脂饮食常常导致拟杆菌属(Bacteroides)的比例增加。

文化传统对肠道菌群的影响一直是人们所关注的课题，其中引发肠道菌群相关疾病易感性增加的因素尤其值得关注。炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)就是一个明显的例子。IBD和某些过敏症的发病率在工业化和西方社会明显高于农业社会。其中影响这个发病率差别的因素就是肠道菌群组成和多样性的变化。文化传统导致肠道菌群的差别，其中原因是复杂的，是遗传、环境、饮食等因素综合作用的结果。

以上所提及的是人肠道菌群组成的生理性变化以及影响因素。换句话来说，“稳定健康肠道菌群配置(stable configuration of healthy microbiota)”的漂移是怎么发生的。由于人肠道菌群是微观生态系统，与宏观生态系统(macroecosystem)相似，同样也存在生态体系漂移和回弹(resilience)的过程。当驱动一个生态体系漂移的因素过于强烈或时间过长，超越自我回弹的阈值，就发展成为一个新的生态体系，常常是退行性稳态(degraded stable state)，并且通过正负反馈维持这个体系的结构和功能的自稳。由于退行性稳态常常与疾病相关，而在这种状态下依然存在向生理性稳态“回弹”的机制。正因为这些回弹机制驱使个体肠道菌群生态紊乱状态得以恢复，重新回到生理性自稳状态。同样是这些“回弹”机制使处于退行性稳态的个体进入慢性腹泻或炎症的病理状态，如梭状芽孢杆菌相关性肠病(Clostridium difficileassociated disease，CDAD)和肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)。研究人类肠道菌群生态系统的回弹机制，对研发预防和治疗菌群生态紊乱相关疾病的药物和策略的意义是显而易见的。回弹能力强弱与肠道菌群多样性的程度和正负反馈能力相关。肠道菌群结构的多样性是功能多样性的基础，也是重要的回弹基础。正负反馈机制也是建立在多样性基础上，实现对回弹能力的影响。正如生态环境水质富营养化会导致该生态环境生物多样性减少的原理一样，高脂、高糖、低纤维饮食导致肥胖症，这与肠道菌群的多样性减少有关。也正因为这种多样性的减少导致回弹力减弱，即使停止了高脂、高糖、低纤维饮食在一定的时期内也无法使个体脱离肥胖状态。

3 肠道菌群对人体发育和生理功能的影响［8-9］(器官发育、营养摄取、免疫系统发育和病原体入侵)

建立和维持宿主和肠道菌群有益的相关关系对宿主机体的健康非常有利。以前大多数有关肠道微生物的研究都是聚焦于它们如何引起炎症上，而且以“一种微生物，一种疾病”为思维框架上进行的。近年来这一领域的研究则集中在肠道菌群与宿主的共生关系上，主导思想是微生态［10］。现已清楚，人类肠道菌群对宿主个体的生理自稳起着非常重要的作用。其机制包括:通过它们的代谢，把食物转化为宿主可利用的营养成分，调节能量代谢;通过它们所表达的成分和代谢产物，促进宿主免疫系统结构和功能的成熟;通过某些物质代谢和免疫系统影响肠道形态和功能的成熟，促进肠道血管的形成;通过作用于神经突触的形成、焦虑行为的产生和疼痛敏感度，对中枢神经产生影响;通过免疫细胞活化程度和细胞因子分泌的影响，调节骨质的增减;通过在肠道形成稳定的生态系统，预防病原微生物的入侵，保护宿主免于感染。肠道菌群对宿主的生理结构和功能影响是多方面的，还有很多方面我们所知甚少，下面我们就目前研究的热点领域作相对深入的介绍。

如前所述，人类肠道菌群包含330万基因，其中许多是编码生物合成相关的酶，包括蛋白质水解酶和糖苷酶等，因此大大拓展了宿主自身的生物化学和代谢能力。宏基因组分析提供功能基因信息，功能基因包括涉及编码以下生化代谢相关蛋白基因:中央碳水化合物代谢、共因子和维生素合成、寡糖和多羟基化合物转运、嘌呤代谢、ATP合成、磷酸化合物和氨基酸转运、氨酰基转移RNA、嘧啶代谢、核糖体和芳香氨基酸代谢等。这说明肠道菌群对宿主代谢产生深刻的影响。婴幼儿时期是肠道菌群经历过从设立到成熟的过程，来自尿液和粪便的肠道菌群特征性氨基酸代谢、糖代谢和能量代谢的产物变化与年龄相关，这也说明肠道菌群的代谢随着儿童年龄增加而增强。近年研究发现［11］，儿童严重急性恶性营养不良(kwashiorkor)与肠道菌群基因组不成熟相关，把患儿粪便菌群移植到无菌小鼠并且给予地区特异性饮食，实验小鼠就可以发生恶性营养不良的表型，抗菌素治疗能改善营养不良的程度，这也就证实了上述论断。妊娠期肥胖表型也可以通过粪便移植转移。另有报道指出，肠道菌群通过其代谢产物短链脂肪酸(short-chain fatty acid，SCFAs)作用于肠道内分泌细胞的G蛋白偶联受体GPR41，使其分泌多种调节代谢的多肽，从而促使食物摄取、脂肪储存和能量自稳。由此可见，肠道菌群对宿主代谢的影响的机制是多方面的。

在深入了解肠道菌群对宿主代谢的贡献和影响这个事实的基础上，我们还必须了解所有这些过程是怎样发生的，而了解菌群的不同菌种之间以及各种菌种与宿主细胞的信息交流方式、交流媒介分子和应答等。不同菌种之间的交流方式大致分为，化学信息分子和接触性交流。交流媒介分子包括食物来源的分子、细菌代谢物和气体传递分子等。肠菌与宿主之间的交流往往通过宿主分泌和代谢物、肠菌代谢物或者肠菌-宿主共代谢物(cometabolites)进行的。这些分子种类很多，其中主要包括短链脂肪酸、胆汁酸、胆碱代谢物、酚、苯甲酰等衍生物、吲哚衍生物、各种维生素、多胺和脂类等。每种代谢产物都由相关肠菌负责代谢，对肠道菌群和宿主都有特定生物学功能。肠道菌群的组成发生变化可以导致某些代谢物的增加或减少，从而导致某些疾病的易感性增加。

传统的免疫学是建立在“排斥非我，容忍自我”的概念基础上，肠道菌群是“非己”的，应该被排除。但如果把人体看作一个“超级生物”，其肠道寄生的菌群便是“自我”的一部分，加以容忍。因为宿主和其肠道菌群在共同进化的过程中，逐渐形成了一种共生关系。在共生关系形成过程中，肠道菌群刺激宿主肠道及其免疫系统的发育和成熟，调节免疫应答的模式和强度，而宿主的免疫系统对肠道菌群的增殖速率、定位和致病性菌株的产生实行严格的管控。在个体发育过程中，肠道学会了完成两项看来似乎相互矛盾的功能，那就是易于营养物质的吸收和防止肠道菌群的入侵。为了便于营养的吸收，肠管的表面在解剖学上必须做到足够大(200平方米)和足够薄(单层上皮细胞)。但是，伴之而来的风险是高密度寄生的肠道菌群的“越位”，造成严重感染甚至脓毒血症。建立具有屏障功能的肠道表面黏液层，以及发育完善的肠道免疫系统，是解决问题的策略。现已明了，肠道这种属性的形成，宿主基因组功不可没，但是肠道菌群的作用不可或缺。肠管表面的黏液层对肠道菌群的入侵起到非常重要的保护作用。结肠的黏液层分为内外两层，都是由肠黏膜的杯状细胞分泌的、高度糖基化的称作黏液素(mucin)的蛋白组成。肠道菌群中的某些菌种株是通过其所表达血凝素(lectin)和糖苷酶分子(glycosidase)黏附在黏液素上。只有黏液外层才存在肠菌，而内层是很致密的分子层，分子间隙比细菌还小，肠菌无法进入，从而形成对细菌的屏障防止肠菌越位。无菌小鼠杯状细胞分泌黏液素明显减少，无法形成结构完整和功能成熟的黏液层，这与无菌小鼠缺乏肠道菌群对杯状细胞的刺激有关。

肠道免疫系统有其独特组织，那就是肠相关淋巴样组织(gut-associated lymphoid tissue，GALT)。GALT包括3个部分:肠系膜淋巴结(mesenteric lymph node，MLN)、派氏集合淋巴结(Peyer’s patch，PP)和散在性淋巴滤泡(isolated lymphoid follicle，ILF)。根据正常和无菌小鼠的比较研究，与正常小鼠相比，无菌小鼠只有体积明显小而且结构和功能都不成熟的MLN。这就提示肠道菌群对肠道免疫系统的发育和成熟起到非常明显的作用。有证据表明，肠道菌群能促进肠道免疫系统T细胞的分化，肠菌中脆弱拟杆菌(Bacteroides gragilis)的多聚糖A(polysaccharide A)能够刺激具有抗炎属性的调节性T细胞的增殖，防止有害免疫应答发生，肠菌代谢物SCFA能调节结肠调节性T细胞的自稳［12］;分节丝状菌(segmented filamentous bacteria)能够促进Th17(T helper 17)细胞的扩增，后者能够发挥促进炎症作用。由此可见，肠道菌群对肠道的适应性免疫应答细胞分化有调节作用。此外，肠道菌群中很多菌种菌株都能够促进免疫球蛋白IgA和抗菌肽(antimicrobial peptide)的产生和分泌。IgA是B淋巴细胞分泌的，可以特异性限制肠道菌群中某些菌种和菌株的群体过度扩增，以及清除某些因突变而获得致病性的菌种/菌株尤其重要;抗菌肽是肠上皮细胞表达和分泌，也具有一定的选择性，对于防止肠菌越位，调节肠道菌群的组成发挥一定作用。两者在肠管表面黏液层有较高的浓度，对保护宿主免于菌群的损害起到关键性作用。除了调节肠道免疫系统针对病原体的应答外，肠道菌群还通过直接的竞争限制肠道环境营养物可利用性，防止外来病原体的定植。

4 肠道菌群对疾病易感性和疾病发生发展的影响［3］

人类肠道菌群对个体对疾病的易感性的影响为终生的，几乎涉及机体各个系统。其中最为突出的是代谢系统和免疫系统相关的疾病，原因是肠道菌群与这2个系统关系最为密切。母体的肠道菌群可能会影响子宫的环境和胎儿出生后的健康，婴儿的分娩方式(自然分娩或剖腹产)、营养因素(母乳或人工喂养)以及遗传和表观遗传都涉及到出生后个体的肠道菌群以及与宿主的共生关系。生命的早期肠道菌群的组成会影响幼年甚至成年对疾病的易感性。哺乳期肠道菌群组成变化最大最快，也是肠道菌群多样性形成的关键时刻，直接影响到儿童哮喘和过敏症发生几率的高低。晚年，肠道菌群组成又出现明显变化，肠道的拟杆菌属在减少，而厚壁菌属在增加，而这种改变与健康水平关联。外来的环境因素(如抗菌素的应用、饮食、应激、损伤、疾病等)和宿主的遗传和表观遗传因素，不断影响肠道菌群组成多样性和功能，导致共生关系失调(dysbiosis)，最终导致疾病易感性增加和疾病的发生发展。涉及共生失调的疾病包括:炎症性肠病、结肠癌、过敏性结肠综合症、胃溃疡、非酒精性脂肪肝病、肥胖症、代谢综合征、哮喘、过敏症、自身免疫疾病和神经精神性疾病。此外，肠道菌群紊乱涉及药物代谢和感染的预防。

在肠道菌群紊乱与疾病关联性研究中，最为深入的莫过于IBD。IBD分为克罗恩病(Crohn disease)和溃疡性肠炎(ulcerative colitis，UC)。现在认为［13-14］，肠道菌群与宿主的共生关系失调是IBD发生的最直接原因。在自稳的状态下，肠道菌群对肠道免疫应答起到非常重要的调节作用，菌群中良性亚群通过刺激肠道免疫细胞分泌白细胞介素1(interleukin-1，IL-1)、胰岛再生衍生蛋白 3γ(regenerating islet-derived protein 3γ，REG3γ)，并且促进调节性 T细胞的增殖，发挥抗炎的调节作用，从而拮抗菌群中致病性亚群(pathobionts)促炎性病理损害作用。在IBD中，遗传因素和环境因素共同作用使得肠道菌群生态系统遭到破坏。其中，遗传因素包括以下突变:核苷结合寡聚化结构域2(nucleotide-binding oligomerization domain 2，Nod2)、自噬相关基因16样1(autophagy-related gene 16-like 1，Atg16l1)和白细胞介素23受体(interleukin-23 receptor，Il23r)等;环境因素包括:感染、应激和饮食等。在这种情况下，肠道菌群中的保护性菌种/株丢失，而肠源性致病性亚群增加，从而导致Th1和Th17过度活化相关性炎症。An等人［15］报道来自肠菌的神经鞘脂类(sphingolipids)能调节宿主肠道自然杀伤性T(natural killer T，NKT)细胞的自稳，从而影响宿主对诱导性肠炎的易感性。

I型糖尿病(type 1 diabetes，T1D)是一种产生胰岛素的beta-细胞被破坏的自身免疫疾病。除了遗传因素外，肠道菌群生态失调是导致机体T1D敏感性增加的重要因素。T1D患儿，肠道菌群中产生丁酸盐的细菌明显减少，而拟杆菌门的肠菌明显增加，通过某种机制导致肠黏膜的通透性增加，发生亚临床的小肠炎，糖耐受失调。T1D在女孩的发病率明显高于男孩，估计与睾酮水平有关，但是精细机制尚不清楚。近年有报道指出，在NOD小鼠(nonobese diabetic mice)T1D模型的实验中，给年幼的雄性小鼠种植肠道共生菌能提高血清睾酮水平，并且能够保护这些小鼠免于T1D的发生。把成年雄鼠的肠道菌群移植到年幼雌性小鼠，可以使其血清睾酮水平提高，代谢也发生变化，减少胰岛的炎症和自身抗体的水平，明显降低T1D的发病率。作者还使用睾酮受体拮抗剂阻断睾酮的信息传递，证明了肠道菌群通过刺激睾酮水平提高而影响遗传高风险群体减少T1D发生的假说。

哮喘、过敏性鼻炎和湿疹是过敏性炎症的不同表现。越来越多实验和临床证据表明，这些疾病与肠道菌群有密切关系。婴幼儿肠道菌群的多样性和组成与分娩方式、哺乳途径、抗菌素使用、食物组成、家庭规模和环境洁净度等因素相关。有报道指出，如果婴儿出生后第1个月肠道菌群的多样性减少，就明显增加7岁时哮喘的发病率。流行病资料表明，食物纤维减少会导致过敏性炎症相关疾病的发病率增加。有实验证明幼鼠使用万古霉素使肠道菌群组成发生漂移，血液IgE水平升高而调节性T细胞频率降低，易于发生诱导性哮喘。Trompette等［16］报道，饮食增加可降解的纤维含量可以改变肠道菌群和肺内菌群的组成，尤其是厚壁菌属和拟杆菌属的比例。肠菌降解食物纤维使循环血中的短链脂肪酸水平提高。高纤维喂养的小鼠在提高循环血短链脂肪酸的同时，保护小鼠免于肺部过敏性炎症;低纤维喂养小鼠循环血短链脂肪酸水平降低，增加气道过敏性炎症的发生。用短链脂肪酸的丙酸盐处理小鼠改变骨髓造血状态，增加生产巨噬细胞和树突状细胞的前体细胞，随后进入肺部的树突状细胞具有较强的吞噬能力，而使得Th2细胞效应者作用的功能受损;正是如此，肺部的Th2反应不能维持而很快就消退。这篇报道提出体内存在调节炎症的“肠道-骨髓-肺”轴的概念，把高纤维饮食与控制肺部过敏性炎症联系起来。

越来越多的证据表明，肠菌与肥胖、非酒精性肝病、胰岛素抵抗、II型糖尿病的易感性明显相关［17］。Ridaura等［18］为了探讨人类肠道菌群的组成和功能与肥胖症是否具有因果关联性，他们采集4对肥瘦不均的孪生姐妹的肠道菌群分别接种到无菌小鼠。结果发现，来自肥胖个体的菌群，即使在低脂肪高纤维喂养条件下也能使小鼠出现肥胖表型，而接种来自瘦个体的肠道菌群的小鼠未出现肥胖表型。经过体外培养的肠道菌群的移植实验也得到直接移植的相同结果。此外，作者还为了证实能否通过同笼饲养转移给肠菌和肠菌相关的肥胖表型，结果发现:在低脂肪高纤维喂养的条件下，携带肥胖个体来源菌群小鼠未能有效地把肠菌转移给携带瘦者个体来源菌群的小鼠，而携带瘦者个体来源菌群的小鼠能够有效地把肠道菌群转移给携带肥胖个体来源菌群的小鼠，从而预防被转移小鼠出现肥胖表型。然而，在高脂肪低纤维饲养条件下，携带瘦者个体来源菌群的小鼠不能有效地把肠道菌群转移给携带肥胖个体来源菌群小鼠，后者依然出现肥胖表型。肠道菌群分析结果如下，瘦者中发酵产生短链脂肪酸的肠菌比例增加，肥胖者中代谢侧链氨基酸的肠菌比例增加;瘦者转化胆汁酸菌种增加并且伴有宿主类法尼醇X受体信息传递通路(farnesoid X receptor signaling pathway)下调。这份报告证明了肠道菌群与肥胖表型的关联性和因果关系。Fei等［19］报道，他们从病态肥胖个体的肠菌中分离出能产生内毒素(endotoxin，例如脂多糖)的肠菌，把这种肠菌转移到无菌小鼠，在诱导出肥胖和胰岛素抵抗表型的同时，小鼠出现血清LPS升高和炎症程度增加，从而提示肠菌可能是人个体肥胖的原因。非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)是严重肝病，在肥胖和胰岛素抵抗人群中发病率明显增加。虽然，其精确机制尚未十分清楚，但肠道菌群失调可能参与了其发生发展，其中病理机制可能有:失调肠道菌群使个体出现肠黏膜通透性增加、低度炎症、免疫失调、食物胆碱代谢变化、胆汁酸代谢异常以及产生内源性乙醇等。

肿瘤的发生的易感性和发展速率是基因-环境因素共同作用的结果。肠道菌群是人类最长期接触的环境因素，而且肠道菌群基因组分析结果表明，与对照组相比，癌症患者肠道菌群中的某些肠菌的比例明显升高［20-21］。为了证实某些肠菌的致癌活性，在肿瘤的小鼠模型中使用抗菌素，使小鼠维持无菌状态，或者植入特定肠菌种/株。结果发现，这种干预可以使小鼠对肿瘤的易感性和进展速率出现增加或者减低。其机制是十分复杂，其中包括:炎症调节、影响宿主基因组的稳定性、产生一些修饰去乙酰化酶活性的产物(通过表观遗传机制影响相关基因的表达)等。由于肠道菌群组成和功能的数量化评价和干预的可行性，大大提高了通过饮食干预以预防肿瘤的可实现性。

近年来，肠道菌群对脑和行为的影响引起了较大的兴趣［22］。越来越多证据表明肠道菌群与中枢神经系统存在信息交流，也许通过神经、内分泌和免疫系统进行的，这称作“肠菌-肠道-脑”轴。肠道菌群生态状态会通过这个轴影响脑和行为的健康水平。泛自闭症障碍(autism spectrum disorder，ASD)是神经发育障碍疾病，患儿除了社会交流能力受损而出现行为症状，还常常伴有胃肠症状。这就使人们联想到肠道菌群紊乱与ASD相关。在某些ASD患儿中肠道黏膜完整性受损，通透性增加，血清某些肠菌代谢物水平升高。最近Hsiao等［23］报道，母体免疫活化(maternal immune activation，MIA)小鼠ASD模型用于评价肠道菌群靶向治疗。当MIA子代表现出ASD相关的病理损伤和行为异常，给予人共生菌脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)能够纠正ASD相关的病理损伤和行为异常。与此同时，使用肠菌治疗的小鼠血清代谢物谱出现变化，脆弱拟杆菌调制几种代谢物的水平。如果用因MIA而导致升高并且因脆弱拟杆菌治疗而降低的血清代谢物，去处理没有造模的小鼠，被处理小鼠出现行为异常。该论文证实“肠-肠菌-脑”之间存在某种信息联系，并且证明肠道益生菌治疗(probiotic therapy)ASD的可能性。

如前所述，肠上皮是宿主与肠道菌群共生的介面，无论宿主还是肠道菌群都会对其结构和功能产生影响。反之，肠上皮细胞的结构和功能也会影响肠道菌群的组成和宿主的健康。有证据表明，早产儿因肠道发育不良而影响其肠道菌群的植入模式，而异常的肠道菌群组成和功能反过来使得早产儿出生后的一些致死性疾病的发生率明显增加。这样的疾病包括，迟发性脓毒血症(late onset sepsis，LOS)和坏死结肠炎(necrotizing enterocolitis，NEC)。近年来，人们对肠道菌群与肝性脑病(hepatic encephalopathy，HE)发生发展的关联性高度重视;已经证实，肠道菌群生态紊乱与肝硬化所导致的肝性脑病的前驱期和昏迷前的各种症状都有密切的关联性，其机制包括:肠道菌群紊乱产生异常的代谢产物，以及肠上皮细胞受损而导致肠道黏膜屏障通透性增加。激素的合成和分泌的昼夜节律变化导致代谢模式和速率产生昼夜节律性变化，这对机体的健康十分重要。昼夜节律调节通常是通过脑内视交叉上核把来自视神经昼夜变化的信号传输给下丘脑-垂体轴来实现的。新的研究发现［24］:肠道菌群通过与肠上皮细胞复杂的相互作用，调节肠上皮细胞合成和分泌糖皮质类固醇的昼夜节律。如果肠上皮细胞糖皮质类固醇分泌的昼夜节律发生异常，就会导致高甘油三酯血症、高血糖和胰岛素抵抗。在生理条件下，在夜间肠上皮细胞通过其所表达的Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)与肠菌释放的配体结合，从而抑制了过氧化物酶增殖体激活受体γ(peroxisome proliferator-activated receptor γ，PPARγ)的活性，最终导致肠上皮细胞分泌低水平的糖皮质类固醇;在白天肠上皮细胞表达Toll样受体发生下调，肠菌配体-TLR的相互作用减弱，使PPARγ活性增强，通过一系列复杂的信息传递使肠上皮细胞分泌糖皮质类固醇水平明显升高;而导致肠上皮细胞分泌糖皮质类固醇的昼夜变化节律形成的机制尚不清楚。推测:肠上皮细胞表达TLR具有明显的昼夜节律变化，这可能是系统性内分泌昼夜变化的结果，也可能与肠道菌群代谢活性发生昼夜节律性变化有关，也可能是这2种机制共同作用的结果。有一点是可以肯定的，肠菌的存在是必需的;因为在无菌小鼠中没有发现肠上皮细胞分泌糖皮质类固醇水平白天高夜晚低的节律变化。在无菌小鼠中，无论白天还是夜晚，肠上皮细胞分泌糖皮质类固醇都保持高水平，因此出现高甘油三酯血症、高血糖和胰岛素抵抗等代谢紊乱的表型。

5 靶向肠道菌群干预的展望与挑战［4，8］

如前所述，人类是超级生物，就细胞数而言，90%是细菌，就基因数而言，99%是细菌。而且肠道菌群是穿过人体的一条基因河流。它不但养育我们每一个细胞、组织和器官，而且还会因失控而干枯或泛滥，导致各种疾病。以肠道菌群为靶向的调理或治疗是一种很有前景的防病治病策略。与人体基因组相比，干预肠道菌群的效果会快得多了，原因是要改变前者的结构通常是不可能的，而后者在分类学上的结构是可塑的，其基因的数目和搭配是可调的。此外，人们还可以通过调控手段而改变肠菌的代谢产物，借助于这些代谢产物，通过表观遗传机制，调节人体基因的时空表达。目前，以肠道菌群为靶向的调理或治疗包括:改变生活方式和食物组成、通过导入益生菌(probiotics)和益生元(prebiotics，食物中不能降解的成分，刺激有益肠菌生长)进行干预、减肥手术(bariatric surgery，已经证明改变肠道菌群结构是此手术发挥疗效的原因之一)、肠菌移植或者生态学工程(ecological engineering)［25］。

然而，在形成成熟的措施之前，还有许多基本问题要进行深入研究。首先，在肠道菌群结构和功能信息的评判上，还有很大的挑战。肠道菌群分类学组成的信息并不能提供功能信息，霰弹枪测序的宏基因组分析提供功能基因信息，还必须结合培养分离株的全基因组分析及其表型分析所形成资料库的信息，才能生成在基因水平上功能信息。由于基因是否表达或表达产物的丰度，以及这些蛋白质在代谢途径作用重要性，还必须依赖转录组学、蛋白组学和代谢组学的研究数据。因为所有基因要在菌群与宿主相互作用中才能显示功能，对基因功能的推测还需要用无菌小鼠加以验证。有报道指出［26］，18名女性的肠菌样本分析结果显示，在酶水平的功能分组上，她们的肠菌有93%相同，但是在系统发生分类上，即使在门水平上也只有非常少的重叠。其次，就是同一人群的不同个体和同一个体的不同时间的偏离很大，怎样选择对照或标准值。还有，怎样确定肠道菌群变化与疾病发生发展的因果关系。

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