人体的另一大“器官”——肠道菌群

■文/宿 映 金芃芃 侯双兴

宿映，复旦大学附属浦东医院神经科住院医生。

金芃芃，复旦大学附属浦东医院脑血管病发病机制科研讲师。

侯双兴，复旦大学附属浦东医院神经内科主任医师，博士。

2 018年3月31日，由中国食品科学技术学会益生菌分会主办的“益生菌·肠道菌群与健康高峰论坛”在北京隆重开幕。本次论坛上，“中国人肠道微生物系统研究项目”宣布启动，预计该项目耗资约2亿元人民币。近年来，肠道微生物受到了各方，包括科研工作者及产业界的一致关注，肠道微生物研究领域的热点、目的、方法和意义是什么呢？

肠道微生物与多种疾病相关

人体胃肠道是超过100万亿微生物的栖息地，这些微生物的质量约等于一个肝脏，它们就被称为肠道菌群。肠道菌群涵盖硬壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门和梭杆菌门等，根据对人体作用的不同又可分为3类：（1）生理性细菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌等；（2）条件致病菌，如肠球菌等；（3）病原菌，如金黄色葡萄球菌等。过去往往采用分离单一菌种来研究肠道细菌的功能和作用机制，但是，由于许多细菌无法分离培养，肠道菌群对人类来说一直是个谜题。近年来，随着分子生物学、基因组学、生物信息分析技术、高通量测序技术的发展，人们对肠道菌群有了新的认识，并逐步证实肠道菌群紊乱与多种疾病有关。

早期研究发现肠道菌群与消化、吸收、代谢、免疫等功能相关，还参与了肿瘤、腹泻、肥胖、高脂血症等疾病的发生。随着研究的深入，大量证据表明肠道菌群的变化或不稳定以及多样性改变是一系列肠道功能紊乱、代谢和免疫疾病的特征。

从解剖学位置上来说，虽然胃肠道与中枢神经系统相距甚远，但肠道菌群与阿尔茨海默病、抑郁症、精神分裂症等神经精神疾病有着千丝万缕的联系。菌群-肠-脑轴是研究肠道菌群与神经系统的前提假设，肠道菌群分泌的许多物质如5-羟色胺、乙酰胆碱等是重要的神经递质，可以直接影响神经系统功能。肠道微生物菌群代谢产生的短链脂肪酸能作用于免疫系统，影响免疫细胞功能。反过来，脑-肠轴也可以通过神经内分泌、免疫系统、体液等途径改变肠道菌群的构成。例如，脑卒中发生后肠道菌群的分布发生了变化，胃肠道中的细菌转移到胃肠道以外的器官，诱导机体发生免疫反应，参与了脑缺血损伤发生机制中的关键环节。有研究显示，使用抗生素减少肠道菌群多样性可以减小缺血性卒中动物模型的缺血面积。这一效应主要是通过调控小肠部位的IL-17+γδT细胞和调节性T细胞变化来实现的，前者可以促进炎症反应，后者则起到抑制炎症的作用。肠道菌群改变后，IL-17+γδT细胞减少，调节性T细胞增加，有效地减轻了炎症反应，从而改善了卒中的预后。为了进一步验证肠道菌群的作用，科学家将缺血范围变小的小鼠肠道细菌移植到普通小鼠肠道中后，发现后者缺血损伤同样得到缓解。

肠道菌群可以影响肿瘤的发生。胰腺癌患者胰腺中的细菌数量较正常人可增加1 000倍以上，这些细菌使得肿瘤细胞不受免疫系统的攻击。在小鼠实验中使用抗生素减少肠道细菌后，可以减慢肿瘤的生长并增强免疫细胞的功能。某些细菌可能具有致癌作用，如梭菌属、产聚酮肽基因毒素大肠杆菌和产肠毒素型脆弱拟杆菌三种细菌能够增加小鼠患大肠癌的风险。肠道菌群多样性改变也可能有致癌效应，如肠道内梭状芽孢杆菌数量减少、杆菌及卟啉单胞菌属增多可能与直肠癌发生有关。肠道菌群还可以影响抗肿瘤药物的治疗效果。一个研究团队发现，给肠道菌群紊乱的小鼠使用抗肿瘤免疫治疗及化疗药物，药物的效果明显降低，而只有通过肠道细菌激活炎症反应后抗肿瘤药物才能够最大地发挥效应。另一项研究发现，细胞毒性药物环磷酰胺会使革兰氏阳性菌从肠道迁移至淋巴结及脾脏，在肿瘤小鼠治疗过程中，细菌迁移后可以使小鼠产生更多的TH17和记忆TH1细胞，从而获得针对肿瘤的适应性免疫应答，如果抑制肠道革兰氏阳性球菌增殖则会使环磷酰胺的抗肿瘤效应减弱。如何调控肠道菌群引起的免疫和炎症反应，使得既不会诱发肿瘤又可以增强抗肿瘤药物疗效，目前还在继续探讨研究中，如果能够解决这些问题，对将来肿瘤治疗领域创新和变革有重大意义。

肠道菌群和人体的双向作用

个体之间的肠道微生物组合有很大的差别，饮食结构可能与肠道菌群的差异有关。研究发现，当饮食在素食和肉食之间变化时，几天时间就可以改变肠道菌群的构成。美国加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员使用功能磁共振成像，检查规律摄入酸奶获取益生菌的女性大脑，结果显示这些受试者在静息状态和对情感认知任务做出反应时脑功能都发生了改变。长期摄入酒精会使小肠细菌增加，还会改变正常肠道菌群数量。研究发现，长期摄入酒精会抑制优势菌群生长，而少数致病菌菌种过度繁殖，导致肠道生理功能受损，还会引起细菌及其内毒素移位，这些机制可能与酒精性脂肪性肝炎的发生有关。还有药物、环境因素改变等均可影响肠道菌群的组成。尽管没有血缘关系，但住在同一屋檐下的人肠道菌群构成高度相似。肠道细菌中多达10%的种类呈现出昼夜性丰度的变化，动物实验模拟的时差反应会破坏肠道菌群的昼夜周期性变化。反过来，肠道微生物可以影响食物对机体的影响，这可能是由于微生物产生不同的酶将同一种食物分解成不同的产物，比如产粪甾醇真细菌可以将胆固醇分解成不能吸收的粪甾醇，从而减少胆固醇的吸收。

肠道菌群数目十分庞大，许多细菌所占比例很小，而且仍有80%以上的微生物不为人所知，加上一些细菌如厌氧菌对培养环境要求苛刻不易被分离培养等因素，使用传统分离培养鉴定微生物的方法来分析菌群的构成不够精确且耗时较多。高通量测序、宏基因组学等技术和概念的出现和发展给肠道菌群研究带来了新的思路。测序技术能够对聚合酶链式反应（PCR）扩增的16S rDNA片段进行测序，全面分析比对多个样本中的微生物群落信息，使大规模菌群多样性研究成为可能，上文提及的几项研究结果也是在高通量测序背景下产生的。目前，高通量测序技术在肠道菌群多样性研究中的应用集中于以下几个方面：（1）肠道菌群与疾病发生的关联 ；（2）饮食、肥胖与肠道菌群的关系；（3）外界因素对个体肠道微生物构成的影响；（4）补充某些肠道细菌的治疗作用。目前肠道菌群研究是科研领域的热点之一，相信随着研究的不断深入，还会有更多的肠道微生物的作用被发现。

肠道菌群与人体健康密切相关，那么通过移植某些细菌重建肠道环境是否就可以起到治疗或预防疾病的作用呢？粪便菌群移植（fecal microbiota transplantation，FMT）正逐渐被重视并应用于多项临床研究，例如，目前应用较多的移植健康者粪便来治疗艰难梭菌感染导致的腹泻，其成功率可达90%。FMT开展主要涉及粪便供者筛选、患者准备、粪便处理、移植介入方式、移植位置、次数和后期护理，其中的许多步骤缺乏标准化的指南和规范管理。另外，与移植相关的未知病原体感染、免疫学疾病、机械损伤及伦理性也是困扰许多临床医师和科学家的问题。FMT应用于肠内外疾病的治疗目前还缺乏大样本随机对照研究结果，国内研究比起国外也较滞后。但不可否认的是，FMT在重建肠道环境上有巨大的应用前景，未来还需要投入更多的科研资金用于该领域新技术和理论的发现。