人体肠道微生物与宿主代谢调控的研究进展

李 康 综述，聂玉强 审校

1. 广州医科大学附属广州市第一人民医院消化科，广东 广州 510180； 2. 西藏自治区人民医院消化内科

综述

人体肠道微生物与宿主代谢调控的研究进展

李 康1,2综述，聂玉强1审校

1. 广州医科大学附属广州市第一人民医院消化科，广东 广州 510180； 2. 西藏自治区人民医院消化内科

在长期选择进化中，人体与肠道微生物形成互惠共生的关系，肠道微生物能够参与宿主的营养物质代谢及代谢调控，对肠道微生物的研究可为深入了解肠道微生物及其与宿主代谢关系提供依据。本文就人体肠道微生物与宿主代谢调控作一概述。

肠道微生物；宿主代谢；代谢调控

人类胃肠道中存在着超过100万亿微生物，数以百计的不同菌种，它们共同构成了一个相对稳定的生态系统，在漫长的共同选择及协同进化中与宿主形成紧密的共生关系[1]。越来越多的证据指出，人类遗传背景改变、饮食及抗生素治疗等均能影响体内的肠道微生物，而这反过来又会对宿主代谢产生影响[2-3]。

人体在与共生的微生物共享营养的同时也能够对适宜的微生物种群进行选择，反之肠道微生物能够将难消化的食物分解后提供给宿主[4]，从而参与宿主的代谢。人类长期进化已经能够对肠道微生物群产生的代谢废物进行识别及应答，而宿主对这些细菌代谢产物的应答在人类健康及代谢疾病中的重要性也已经引起人们的重视[5]。随着现代技术的快速发展，多种有效的研究手段在肠道微生物研究中得以应用，为人们深入了解肠道微生物及其与人类代谢间的关系提供了基础。

1 肠道微生物的研究方法

在肠道微生物的研究中，最初主要通过对分离培养的微生物进行检测、鉴定等手段进行。但由于培养难度大、菌群结构在体外易受影响等因素，其对肠道微生物的研究具有较大限制。近年来，高通量测序技术的开发不断应用于肠道微生物领域，从而对肠道菌群中的菌种进行整体的结构及功能探索[6]。其中，16S rRNA序列作为相对保守的菌种遗传标记，以其为对象进行高通量测序在肠道微生物的研究中得到广泛应用。Pop等[7]采用16S rRNA测序对大肠杆菌肠毒素对人体肠道菌群的影响及环丙沙星治疗带来的改变进行研究，发现人体对大肠杆菌肠毒素反应的个性化差异与肠道菌群构成有关。Whisner等[8]通过Illumina平台对11～14岁的健康少女肠道微生物进行16S rRNA测序，发现可溶性玉米纤维能够通过影响肠道菌群中菌种比例影响钙的吸收。

尽管目前的研究技术对肠道微生物种群动态结构等能够进行快速、直观的检测，但在肠道微生物实际活动、与宿主相互作用及生物功能变化等方面仍具有一定的局限性，在整体水平上对肠道菌群进行探索分析十分必要。因此，在肠道菌群的研究中代谢组学(metabonomics)逐渐引起研究者们的关注。代谢组学是一种对机体分泌的代谢物进行整体性分析的技术，能够通过对机体代谢终点产物的检测了解生物体的病理及生理状态[9]。目前，代谢组学的研究主要采用色谱-质谱联用或核磁共振(NMR)的手段。色谱包括气相色谱和液相色谱两种，可根据所测化合物的具体性质进行选择，对化合物进行分离后再通过质谱进行鉴定，具有极高的灵敏性，并能快速准确地对化合物进行定性及定量。NMR技术能够通过高磁场中原子吸收光谱的差异对化合物进行鉴定及结构分析，样本处理简单且不会造成损伤，灵敏度相比于色谱-质谱的联用检测较低。

在肠道微生物研究中，代谢组学已经得到了广泛的应用，如Chen等[10]通过高效液相色谱串联质谱UPLC-Q-TOF/MS对大鼠样本的检测发现，芫花酯甙能够显著改变大鼠肠道菌群相关代谢物；Bu等[11]采用基于NMR的代谢组学手段对口服二氧化钛微粒导致的大鼠亚急性毒性损伤进行研究，发现大鼠肠道菌群环境发生失调，这可能是由于二氧化钛微粒对心及肝脏的轻微损伤导致。目前，单独的代谢组学研究并不能明确反映肠道微生物群落结构的差异，而针对肠道菌群组成分布进行基因组学或蛋白组学的研究又无法将其与宿主代谢变化联系到一起。逐渐有研究者意识到，在肠道微生物领域的研究中，结合不同水平组学技术进行菌群与宿主代谢间的分析具有十分重要的意义[12]。Zhao等[13]将代谢组学与转录组学结合，对痢菌净处理的模型大鼠进行研究，发现痢菌净能导致肠道微生物相关共代谢产物水平的变化。Jiang等[14]联合使用代谢组学及蛋白质组学，对中国患有糖尿病的肾阴虚症患者进行研究，发现肠道菌群的改变可能与肾阴虚的病理表征有关，为中医症候的分子基础研究提供了依据。El Aidy等[15]通过转录组学与代谢组学的结合使用对肠道菌群在代谢调控中的作用及相关过程中的分子变化特征进行研究探讨。另外，El Aidy等[16]通过1H NMR技术检测小鼠肠道微生物代谢产物，应用转录组测序技术探讨无菌小鼠结肠黏膜在不同时相中对正常小鼠肠道菌群的动态响应，增进了微生物-宿主间分子相互作用的理解。O′Keefe等[17]采用HPLC-MS对不同饮食人群肠道微生物代谢产物进行系统研究，同时结合组织学及分子水平的靶向分析等手段，发现饮食变化能够显著改变结肠黏膜癌症风险因子的表达及肠道微生物与其代谢产物水平。可见，基因组学、转录组学、蛋白组学及代谢组学之间的联合研究将成为未来肠道微生物研究的重要策略，同时对肠道菌群组分、分子变化及涉及的宿主代谢进行分析，能够从整体水平更透彻地了解肠道微生物与宿主间的相互作用，具有十分重要的意义。

2 肠道微生物与人体共代谢

人体代谢由宿主自身基因组调节的各种代谢过程及微生物基因组调节的代谢途径共同组成，受到二者的双重控制，构成共代谢关系[18]。肠道微生物能够受到人体遗传背景改变、营养物质及药物摄入等因素的影响，反过来又会对宿主的代谢表型产生明显的调控作用。

由于其巨大的代谢潜力，肠道微生物能够使不可利用的营养变得能为宿主所用，如膳食纤维可在肠道菌群的作用下发酵为短链脂肪酸而为宿主利用[19]。短链脂肪酸能够影响宿主的能量代谢，在短链脂肪酸激活游离脂肪酸受体3(FFAR3)的基础上，细胞分泌瘦素及酪酪肽(PYY)，而这两种激素均具有降低食欲的作用[20]；FFAR2或FFAR3缺失的小鼠表现低胰高血糖素样肽-1(GLP-1)水平及受损的葡萄糖耐受，提示短链脂肪酸在葡萄糖稳态中具有重要作用[21]。另有报道[22]指出，向无菌小鼠肠道移植多枝梭菌(C.ramosum)能够提高空肠及回肠中葡萄糖转运蛋白2(Glut2)的表达，进一步说明肠道菌群能够参与并影响宿主的能量代谢。

胆酸及鹅去氧胆酸是人类肝脏胆固醇合成的初级胆汁酸，他们能够在肠道菌群的作用下转变为次级胆汁酸，如梭菌属具有将最丰富的胆汁酸-胆酸催化分解为去氧胆酸的作用[23]，且在肥胖小鼠中胆汁酸的微生物转化要弱于瘦的小鼠[24]，由此可见，肠道微生物在宿主胆汁酸的代谢中具有重要作用。此外有研究[25]指出，在人体内丰富的A.muciniphila与人体健康的代谢状态存在密切相关性，在限制卡路里后，A.muciniphila能够改善人体的胰岛素敏感性，并降低血液中的胆固醇水平。尽管已经取得了一定的成果，肠道微生物与人体之间的共代谢调控仍需进一步研究探索。

3 肠道微生物与人体代谢性疾病

目前，已有越来越多的研究对肠道菌群对人体代谢性疾病的调控作用进行探讨。肠道微生物组成、活动的变化及失衡与宿主代谢息息相关，能够影响人体包括肥胖、炎症性肠病、2型糖尿病等在内的多种病理状态。研究[26]显示，肠道菌群在代谢疾病中发挥重要作用。目前为止，对促进或预防代谢性疾病菌种的了解仍然较少，饮食如何影响肠道菌群向有益或有害方向发展仍需要进一步深入研究。

3.1肠道微生物与肥胖超重及肥胖是世界性的社会问题，由其带来的代谢紊乱(如2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病等)给人们的健康造成严重威胁。在过去的十年中，肠道菌群已经被认为是一种影响肥胖发病的环境因素。然而，肠道菌群对于肥胖发展的作用程度及机制仍未被探明。

拟杆菌门和厚壁菌门是肠道微生物中的两个优势菌群，研究[27]表明，它们的丰度比例与机体的脂肪含量相关。在人类中相比于较瘦或“健康肥胖”个体，肥胖和代谢综合征与更高的肠道厚壁菌门/拟杆菌门的比值有关[28]。厚壁菌门中产芽胞菌纲在肥胖人类个体中呈现较高水平[29]，提示这一细菌纲的成员可能参与到人类肥胖的发展。有研究[30]显示，产芽胞菌纲中C.ramosum在人类肠道中丰度的增加与肥胖相关，而微生物群落中C.ramosum缺失能够降低高脂饮食诱导的肥胖程度[22]。还有研究[31]发现，作为肠道微生物的重要代谢产物，粪便中短链脂肪酸的浓度与较低的肥胖及代谢疾病表征有关。但目前短链脂肪酸对宿主肥胖的调控仍有争议。有研究[32]报道，超重及肥胖患者粪便短链脂肪酸水平高于瘦人，在摄入高热量饮食的肥胖女性中粪便短链脂肪酸浓度与肥胖及胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)呈正相关，受试者的纤维食用量无法解释这种粪便短链脂肪酸水平的升高[33]。因此，短链脂肪酸与肥胖的关系仍需进一步研究探讨。目前，研究[34]发现，部分肠道微生物能够通过对人体代谢的调控缓解肥胖表型，由于摄入益生菌导致的肠道菌群变化能够导致人类体质量的改变，饮用含有加氏乳酸杆菌的发酵牛奶能够显著降低具有较高内脂堆积的健康成人的BMI指数、体脂含量及腰围和臀围[35]，而每日服用含有短双歧杆菌B-3冻干粉胶囊能够减少人体的体脂肪含量[36]。

3.2肠道微生物与非酒精性肝病非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)及非酒精性脂肪性肝炎(NASH)是常见的慢性肝脏疾病，而肠道菌群的变化可能通过影响消化、胃肠激素生产等多种途径来影响NASH的进展[37]。研究[38]发现,相对于健康人，NAFLD患者具有更低的拟杆菌比例及更高的普氏菌与卟啉单胞菌比例。NASH患者肠道菌群中产乙醇细菌的丰度明显增加，进而导致血液中乙醇浓度升高，提示产乙醇细菌在NASH的发病中具有作用。同时该研究还发现，在NASH患者粪便中，拟杆菌比例减少，拟球梭菌的比例则表现为增加。另外，该研究还对16名健康儿童、25名肥胖儿童及22例确诊患有NASH儿童的粪便样本进行检测显示，与对照组相比，肥胖及NASH患儿粪便中微生物多样性明显减少。在患有NASH及F0-F3级纤维化的患者中，其拟杆菌属及瘤胃球菌属的比例与纤维化程度呈正相关。此外，也有研究[39]指出，在NASH及肝纤维化等级F≥2的患者中，普氏菌的比例相比F0/1级纤维化的患者显著降低。

此前有研究发现，粪便胆汁酸水平的降低能够直接影响肠道菌群的过度生长，而肝脏法尼醇受体(FXR)缺失的小鼠能够免受由于遗传及饮食导致的肥胖[40]，提示肠道微生物可能通过调控肠道胆汁酸及FXR通路在肝疾病中发挥作用[41]。新近研究发现，肠道菌群能够影响肝硬化前期及肝硬化期的肝部疾病进展，如Bajaj等[42]发现在肝硬化患者中肠杆菌及肠球菌的比例高于对照人群，Qin等[43]对肝硬化患者肠道菌群的结构变化进行阐述分析，发现28种与肝硬化密切相关的细菌及15种可用于肝硬化诊断与疗效评估的高精度微生物基因标记物。由此可见，肠道微生物可能成为肝病诊断、治疗及研究的新策略、新靶点。

3.3肠道微生物与代谢综合征代谢综合征是一种代谢紊乱症候群，其核心与IR有关。近年来，肠道菌群失调在其中发挥的作用受到越来越广泛的关注。有报道[44]指出，肠道中的C.ramosum与2型糖尿病女性患者代谢综合征表型有相关性；向小鼠中外源给予A.muciniphila能够逆转饮食导致的肥胖、IR及内毒素血症[45]；作为肠道微生物发酵终产物之一，在肠道微生物组成不利于丁酸盐产生的情况下将导致宿主发生IR，再次注入产生丁酸盐的微生物后宿主IR则得以改善[46]。此外，持续性全身低水平炎症反应是代谢紊乱的一个重要机制。Cani等[47]证明，高脂喂养4周后小鼠血浆中LPS明显高于正常对照，而持续给予LPS注射也导致小鼠发生明显IR；人血浆中高LPS浓度与代谢综合征表型有关[48]。由于肠道菌群能够生成促炎性分子如LPS、鞭毛蛋白及肽聚糖，它们被认为在个体的代谢紊乱中参与对低炎症反应的调控[49]。可见，对肠道菌群进行平衡调控在代谢综合征的治疗中可能具有重要意义。

4 展望

肠道菌群与人体多种必备的生物功能有关，通过微生物-宿主共代谢网络对营养物质及药物等进行处理，并对不同疾病的器官系统中多种信号通路的活性进行调控。目前，尽管肠道微生物与宿主生理、病理状态的相关性研究积累了大量数据，但二者间的相互作用及具体调控机制等问题仍然悬而未决。综合利用多维技术方法探讨肠道菌群与人体间的相互作用，对于深入揭示肠道微生物与人类代谢间的联系及开发相关疾病的治疗新策略具有重要意义。

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(责任编辑：李 健)

Therelationshipbetweengutmicrofloraandmetabolismofhost

LI Kang1,2, NIE Yuqiang1

1. Department of Gastroenterology, the First Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 510180; 2. Department of Gastroenterology, Tibet Autonomous Region People’s Hospital, China

Mutualistic symbiosis relationship has been formed between human beings and gut microbes during the long-term selection and evolution. Gut microflora has effects on the nutrition metabolism and metabolism regulation of host. Research on gut microflora may provide the basis to profound understanding of intestinal microorganisms and their metabolic relationships with the host. In this review, the regulation of intestinal microbiota and metabolism of host in humans were reviewed.

Gut microflora; Metabolism of host; Metabolic regulation

R574

A

1006-5709(2017)10-1179-04

2016-06-29

国家科技支撑计划(2013BAI05B04);广东省自然科学基金(2014A030313679)

聂玉强,主任医师，博士，研究方向：消化系统疾病的临床诊治及基础研究。E-mail: nieyq@medmail.com.cn

10.3969/j.issn.1006-5709.2017.10.028