以肠道菌群为靶向的粪菌移植法及其在畜牧业的应用潜能

李晓蕾，李地艳，孙静

(1. 重庆市畜牧科学院农业部养猪科学重点实验室； 2. 重庆市养猪科学重点实验室； 3. 重庆市医用动物资源开发与利用工程技术研究中心，重庆 402460； 4. 四川农业大学动物遗传育种研究所，成都 611130)

哺乳动物肠道内，每克肠内容物中菌落总数达到1010～ 1012，种类超过1000个[1-2]，微生物与宿主共同进化，对机体代谢、免疫系统功能和肠道内稳态发挥重要作用[3]。菌群在宿主体内定居、生长和繁殖的现象称之为定植，正常定植的细菌群称为共生菌[4]，对宿主的主要作用是：(1)与肠黏膜紧密粘附，维持肠黏膜的屏障功能，产生定植抵抗力，阻碍致病菌在肠道内过度繁殖对宿主的侵袭及毒害作用[5-6]。(2)与固有免疫和适应性免疫反应间存在双向介导作用，能有效刺激、诱导宿主的免疫反应[7]。(3)直接参与或间接调节宿主肠道内的物质代谢过程，合成机体所需的物质，对宿主产生营养作用和益生作用[7-8]。肠道共生菌间逐渐形成相互依赖与制约的平衡共生状态。一旦肠道共生菌菌群失衡，机体的健康状况将会受到严重的威胁[9-10]。

医学上，通过粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation, FMT)重构肠道微生态失衡患者的肠道菌群可达到治疗相关疾病的目的。FMT在治疗多种肠道疾病上表现出良好效果[11-14]。另外，一系列研究发现肠道微生物与肠道外相关疾病如：神经系统性疾病(包括焦虑症、自闭症等)和代谢相关性疾病(肥胖症、酒精性脂肪肝、非酒精性脂肪肝、糖尿病等)紧密相关[15-22]。FMT作为一种以肠道微生物为靶向的治疗方法，可能对这些疾病的深入研究和治疗具有一定价值。通过FMT对新生仔猪肠道菌群进行早期干预，可以改善仔猪肠道健康水平，降低腹泻率、提高生产性能[23-24]。在动物上的相关研究提示了FMT在畜牧兽医学研究上的应用潜能。

1 FMT技术的发展历程

早在1700年前葛洪《肘后备急方》就有关于人粪清治疗食物中毒、严重腹泻的记载[25]；16世纪，李时珍《本草纲目》也记载了用人粪便治病的方法[25]；17世纪，FMT在兽医学领域用于治疗反刍动物和马胃肠道疾病[26]；1958年，Eiseman等[27]采用粪便灌肠的方法治疗假膜性结肠炎，并对FMT进行了描述；1983第一次报道FMT用于治疗艰难梭菌感染(Clostridium difficile infection，CDI)[28]；2012年，Khoruts等[29]制定出人类医学上用FMT治疗复发性CDI的推荐标准和方法，为FMT技术的标准化提供了参考。2013年，美国食品药物监管局针对FMT治疗CDI实施“执法自由裁量权”政策，基本上允许了FMT在CDI治疗上的使用[30]；2017年，欧洲FMT在临床中应用的共识会议上，专家们就人类医学FMT技术的参考标准达成了共识[31]。2017年，胡军等[32]首次制定了我国猪FMT技术的标准程序，并对相关方法、程序和步骤进行了详细描述，这对猪FMT的运用和发展具有指导意义。

2 FMT的应用研究

2.1 FMT用于治疗肠道相关性疾病

肠道菌群失衡是引发肠道感染的重要原因，FMT在治疗多种肠道疾病上表现出良好效果。Khoruts等[33]对CDI病人通过结肠镜进行FMT治疗，患者腹痛、腹泻症状逐渐减轻最终消退，FMT一个月后患者粪便艰难梭菌检测为阴性，六个月后粪便呈正常固态。Yamazaki等[34]用甲硝哒唑、恩诺沙星治疗绒猴腹泻，临床症状虽得到缓解，但均复发，症状加剧，对粪便进行检测后发现绒猴腹泻是因CDI所引起，此后研究者将健康绒猴的粪便投喂给病绒猴实施FMT，连续FMT治疗4 d后腹泻停止，且10个月内无复发现象。Wang等[14]对139名克罗恩病患者进行FMT，经过长期追踪统计发现：FMT后有20人出现排便频率增加、发热、腹痛、肠胃气胀、便血、干呕、腹胀、和带状疱疹的不良反应，有不良反应患者最终的临床反应率和临床缓解率分别为45%和20%；未出现不良反应的患者的临床反应率和临床缓解率分别为75.6%和63%。有研究报道对溃疡性结肠炎和克罗恩病人进行FMT有一定疗效，患者症状得到缓解，且缓解得到长期维持[12-13]。90%肠易激综合症(irritable bowel syndrome，IBS)患者在FMT后排便情况得到改善，腹胀减轻，同时60%的患者在9 ～ 19个月内保持了症状改善[35]。多项研究认为肠道菌群紊乱引发肠道疾病的潜在机制可能是通过改变肠屏障功能、胃肠道蠕动、肠-脑轴，诱发内脏超敏反应等[7, 36-37]。

2.2 FMT用于研究或治疗肠道外相关性疾病的潜能

2.2.1 肠道菌群与神经系统性疾病

肠道微生物在调节中枢神经系统功能和活动方面有着重要作用，与无特定病原体(specific pathogen free，SPF)小鼠相比，无菌小鼠的血脑屏障渗透性增强，通过FMT把正常小鼠的肠道菌群移植到无菌小鼠肠道内后该小鼠的血脑屏障渗透性降低[38]。此外，肠道微生物对大脑神经小胶质细胞的成熟和功能有着重要作用[39]。研究者提出了双向“脑-肠道-微生物轴”的理念，该轴的破坏将引起神经性行为异常，诱发神经性疾病[40-41]。Giada等[15]将IBS患者的粪便微生物移植给无菌小鼠，发现小鼠肠转运速度加快、肠腔渗透性增加，产生免疫激活反应，且IBS患者的焦虑症也转移到小鼠上，使小鼠表现出类似的“焦虑”症状。研究证实，IBS患者的焦虑症、抑郁症与免疫激活相关[42]。这提示肠道定植的微生物可能是引起IBS患者并发焦虑症的因素之一。自闭症患者肠道菌群组成异常，通常伴随出现胃肠道疾病，肠道微生物对这一疾病的发生可能起着重要作用[16]。

2.2.2 肠道菌群与代谢性疾病

肥胖是全球性流行病，瘦和胖的个体间的肠道菌群存在显著差异[43]。通过脂多糖依赖性炎症机制，肠道微生物能引发肥胖相关代谢性疾病[44]。有研究者对普通鼠和无菌鼠高脂饮食饲喂，无菌鼠能免于肥胖的发生[17]。深入研究发现，肠道微生物通过调控与脂肪代谢相关基因(如：快速诱导脂肪因子[45]、大麻素1受体[18])、酶(如蛋白激酶)[17]的表达调节机体脂肪沉积。酒精性脂肪肝患者因过度摄入酒精造成肠道菌群失衡、肠屏障受损，使得细菌或细菌产物从肠腔移位到肝脏，诱导氧化应激引起肝细胞损伤[19-20]。一些研究报道，肠道菌群的改变与糖尿病的发展有关[21-22]。

鉴于肠道微生物是引起神经性疾病和代谢性疾病的风险因素，FMT作为一种以肠道微生物为靶向的治疗方法，可能对这些疾病的深入研究和治疗具有一定价值。

3 FMT在畜牧业中的潜在价值

哺乳动物生命早期存在一个共生菌定植的关键时期，肠道内微生物的早期定植对宿主免疫系统的发育和训练具有重要且深远的影响，并对宿主疫病耐受性产生重要作用[46]。利用FMT技术使幼龄动物尽早接触有益微生物，可能达到训练宿主动物免疫系统、增强其抗病能力的目的。肠道共生菌群被报道能改善畜禽胃肠道健康水平，并利于提高饲料消化率和动物的生产性能[47]。Cheng等[8]发现，仔猪FMT后可调节其结肠微生物的多样性和结构，进而影响微生物介导的物质代谢过程，减轻肠屏障损伤。有研究发现FMT可以改变新生仔猪肠道菌群结构，促进肠黏膜发育，从而改善猪的肠道健康[23]，还有助于降低腹泻率，增加仔猪平均日增重，改善仔猪生长状况[24]。在畜牧业中，动物疾病防重于治。益生菌有助于逆转肠道菌群紊乱，对宿主的免疫、代谢、生长发育产生积极影响[48]，被广泛运用于畜牧业中。但是益生菌因种类和数量有限，以及作用表现出宿主差异性等因素则制约了益生菌的长期有效性[47, 49]。相比之下，健康供体粪便中有完整的菌群结构，还有蛋白质、胆汁酸、维生素等物质可能更有助于恢复肠道功能[50]。同时，FMT与益生菌发挥作用的机理相似，使之不仅可行，且可能在治疗复发性胃肠道疫病上优于益生菌，有望作为一种新兴手段以缓解仔猪腹泻等养猪业难题。

由抗生素诱发的耐药性及耐药性致病菌的传播、食物中抗生素残留问题日显严峻[51]，抗生素在畜牧业中正逐渐被禁止使用[52]。因此，寻找抗生素替代品对畜牧业和食品安全具有重要意义。FMT用于降低抗生素在畜牧业上使用的潜能不可忽视。Victor等[51]通过粪菌移植治疗艰难梭菌感染，清除了95个耐药性基因，尤其是清除了一些与临床相关的耐药性基因如：耐超广谱β-内酰胺酶、耐喹诺酮的抗性基因。这提示FMT可能成为移除肠道多重耐药性细菌的新方法。我国养猪业中因抗生素滥用导致菌群多重耐药性问题的同时也可能会破坏猪肠道微生态平衡，而肠道菌群失衡是引起仔猪断奶后腹泻和肠道感染的重要因素[53]。越来越多FMT临床研究提供的有效证据表明，重构肠道正常微生物群是治疗肠道菌群紊乱相关肠道疾病的有效方式。以畜禽肠道菌群为靶点，采用粪菌移植技术尽快建立或恢复畜禽动物肠道微生态平衡，似乎将是一种相对安全有效的非抗生素药物手段，用于防治肠道菌群紊乱相关的疾病。

4 FMT应用于畜牧业的制约因素及其展望

目前，FMT应用于畜牧业还需要解决不少难题，包括供体粪便的筛选、给药方式、有效剂量、最佳给药时间、疗效和安全性评估、成本预算等问题。主要制约因素如下：(1)FMT是一个系统繁琐的过程，技术操作的复杂性以及专业性可能制约着它在畜牧业中的推广与应用。(2)供体粪便中的某些菌群可能决定着FMT的成功治疗，但因缺乏有效的评估手段和技术，其有效性仍难预测。(3)FMT的安全性还有待进一步探究，比如移植后受体可能出现不适反应，如低烧、腹痛、腹泻、胃肠胀气、易疲劳等[54]，类似副作用是否也在受体畜禽动物上表现出来，其严重程度是否威胁其生长或生产性能，至此仍是未知；粪便中的代谢物和其他物质对受体及其肠道菌群的影响还不清楚，考虑到畜禽是人类的主要食品来源，动物进行FMT后对畜产品是否存在安全隐患还没有最终定论。因此，一方面，FMT应用于畜牧生产时应制定更为谨慎的供体及供体粪便筛选标准以减少致病菌和条件病原在FMT过程中的交叉传播，挑选的供体最好没有使用过抗生素或易残留药物的历史(比如，SPF动物)，以避免受体被潜在的抗生素和药物残留污染。另一方面，肠道菌群是一个由众多组分构成且还未被特征化的复杂群体，目前尚不能完全阐明将菌群从一个个体转入另一个体所产生的影响，在研究过程中有必要系统的收集关于FMT有效性的信息包括长期或短期安全性的数据，记录受体经FMT后的临床相关反应，包括益处和弊端并进行定义和监控。 这对于FMT移植的安全性有效性追溯、潜在机制研究具有重要的参考价值。

随着高通量测序技术的发展，如：16 s rRNA扩增子测序、宏基因组测序技术广泛用于研究特定生态环境下微生物群将为我们深刻认识肠道微生物扩展深度。此外，分析手段的完善和动物模型的构建将有助于深入探究肠道微生态失衡致病的病理机制，并推动FMT在某些疾病治疗上的应用。通过传统和现代微生物学的完美结合，发现新的菌种及它们的功能，未来有望针对不同的个体需求或不同疾病治疗目的合理配伍菌群，通过个体化治疗来达到最佳益生作用。

5 结语

肠道菌群在宿主健康中发挥着重要作用，以肠道菌群为靶点是进行相关疾病防治的新思路。目前，亟需解决FMT标准化、规范化、安全性评估等问题。通过揭示肠道菌群在健康与疾病中产生作用的机制，并不断改进和完善FMT的关键技术，将对进一步深入研究FMT治疗人类和动物相关疾病具有重要意义。

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