普拉梭菌在肠道微生态中的功能及作用研究

黄金莉，吕卉芸，李华军

1.大连医科大学微生态学教研室，辽宁 大连116044； 2.大连医科大学

人体内及体表寄居着大量的微生物，也叫正常菌群，微生物组(microbiome)即指这些菌群的基因总和。人体携带的各种菌群对维持人体健康和疾病的发生、发展起着重要的作用。成人肠道微生物数量为1012～1014，远远超过人体其他部位的微生物数量，为人体自身细胞数量的10倍，人体携带的微生物基因总和是人体自身基因的近100倍[1]。人体肠道菌群主要由厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门等构成，人体正常微生物群已经成为人体一个不可分割的部分[2]。我国微生态学奠基人康白教授在2003年系统地阐述了正常微生物群是一个新的人体生理学系统[3-4]。2006 年国外学者也提出了肠道共生菌群是一个被忽略或遗忘的 “器官” (a forgotten organ)[5]。2013 年有学者提出了肠道菌群是宿主发育和生理的 “主人” (master)[6]。研究发现，肠道微生物群在协助人体对抗感染、维持免疫系统的成熟及稳定、参与人体生物转化、补充能量和营养物质方面发挥着不可缺少的生理功能，这些功能相互影响，互相促进。

1 F.prausnitzii的起源及其生物学特性

1.1F.prausnitzii的起源1922年，PRAUSNIT从1例患者的胸腔脓肿中分离出来一种棒状杆菌，将其归为梭菌属。直到 1996 年该种细菌的完整 16S rRNA 基因序列构建成功，发现它与梭状芽孢杆菌属的结构非常相近[7-8]。 到 2002 年DUNCAN等[9]建议将该种细菌归属为一个新的菌种属，定义为不产芽胞和无鞭毛的革兰氏阳性厌氧杆菌，并将该种菌命名为F.prausnitzii。F.prausnitzii属于厚壁菌门 (Firmicutes) 柔嫩梭菌属(Clostridiumleptum)，是该菌属的主要成员[10]，有多个亚种 A2-165、 SL3/3、 L2/6、 M21/2、 HTF-F和KLE1255, 其中 A2-165 是最常见且研究最多的一种。它们在健康受试者和肠道疾病患者之间的分布不同。根据现代种系遗传学的分析显示，F.prausnitzii具有两种不同的类型：Ⅰ型和Ⅱ型，其中Ⅱ型对于区分炎症性肠病(inflammatory bowel disease,IBD)的亚型有一定帮助作用。F.prausnitzii是一种对氧极度敏感的厌氧菌， 即使在厌氧的环境下也很难存活，但在培养基中加入核黄素、半胱氨酸或谷胱甘肽可提高它在微需氧环境下的存活率。该菌在断奶期间定植，认为是维持结肠健康的主要细菌之一，是人体肠道中数量最多的共生厌氧菌之一[11-12]。F.prausnitzii在人和动物的胃肠道中普遍存在[13]，约占人粪便细菌总数的5%[14-16]，但在有些人群中可高达15%[17]，哺乳动物如猪、牛、小鼠，家禽类如鸡等的胃肠道也广泛分布有此菌[16-18]。

图1 F.prausnitzii 的基本特性 Fig 1 Basic properties of F.prausnitzii

1.2F.prausnitzii分布的影响因素受结肠环境的影响，F.prausnitzii在肠道菌群中的比例不同， 肠道的pH值、氧含量和胆酸盐均会影响到F.prausnitzii的生长[19-20]。其中饮食和吸烟都可降低F.prausnitzii在肠道中的含量[21]。F.prausnitzii会因为在肠镜检查前服用聚乙二醇清肠而降低。另外某些药物的使用也可影响F.prausnitzii在肠道中的含量，服用利福昔明可以使肠道F.prausnitzii的含量升高[7]。克罗恩病(Crohn’s disease, CD)患者粪便中的F.prausnitzii会因服用英夫利昔和大剂量的皮质醇激素而降低[8]。F.prausnitzii也会因为某些基因的缺失发生变化，动物实验表明，核苷酸结合寡聚化结构域(nucleotide-binding oligomerization domain 2，Nod2)基因敲除小鼠的回肠和盲肠中黏膜相关F.prausnitzii数量明显减少[22]。研究发现，F.prausnitzii产生的丁酸对肠炎有一定的保护作用。F.prausnitzii作为产丁酸菌作用于免疫系统，具有抗癌作用。改善肠道功能，使人产生食物满足感，改善肠道屏障，改善胰岛素敏感，改善氧化压力，降低内脏敏感性。丁酸是上皮细胞 70%的能量来源。因此，F.prausnitzii是肠道具有重要保护作用的益生菌，其减少会导致肠道抗炎能力和免疫调节能力减弱。

1.3F.prausnitzii的抗炎作用F.prausnitzii具有产丁酸能力[23]，丁酸由人体肠道细菌分解膳食纤维产生，是短链脂肪酸的一种。通过降低过氧化物酶和环氧合酶等减轻炎症反应[24]。QUÉVRAIN等[25]发现，F.prausnitzii能够分泌一种 15 kD 蛋白，抑制转录因子蛋白(NF-κB)通路介导的炎症反应。F.prausnitzii及其培养的上清能够减轻三硝基苯磺酸 (trinitro-benzene-sulfonic acid，TNBS) 所诱导的肠道炎症，调节机体免疫作用，与其抗炎的效应有关。其上清也可以减轻 DSS 诱导的小鼠回肠和结肠的炎症。F.prausnitzii能缓解结肠局部的炎症作用，其全身炎症标志物减少。二硝基苯磺酸盐(DNBS)复发 IBD小鼠模型用于比较F.prausnitziiA2-165 和低分泌 IL-10 的梭菌对 Th1 的驱动作用及对 DNBS 所致的炎症反应的保护作用，仅用F.prausnitzii时观察到疾病参数衰减。在对卵清蛋白的鼻耐受性的体内小鼠模型中，F.prausnitziiA2-165 增强卵清蛋白特异性T细胞增殖。类似地，体外F.prausnitziiA2-165 刺激的小鼠骨髓来源树突状细胞(BMDC)增加卵清蛋白特异性 T 细胞增殖，并减少 IFN-γ(+)T 细胞的数量。这些机制可能有助于揭示F.prausnitzii在结肠炎中的抗炎作用，并支持F.prausnitzii可能通过其抗炎特性促进肠内免疫稳态的观点。

1.4F.prausnitzii改善肠黏膜屏障功能肠道发育成熟的另一个关键是肠道黏膜屏障完整性的建立，这不仅对营养物质的吸收至关重要，而且对防止细菌和食物抗原从管腔进入到底层组织也至关重要[26]。ROSSI等[27]研究认为，肠道黏膜屏障功能的增强可以通过F.prausnitzii上清影响肠上皮细胞通透性来实现。研究还发现，F.prausnitzii可改善葡聚糖硫酸钠(DSS)所致结肠炎小鼠的屏障完整性。MUNUKKA等[28]研究发现,F.prausnitziiA2-165 (不含上清液)可显著降低恶性综合征(NMS)诱导的小鼠结肠超敏反应或部分束缚应激(partial restraint stress)所致的大鼠结肠超敏反应。这种作用与加强肠上皮屏障有关。因此，F.prausnitzii具有抗伤害性(anti-nociceptive properties)，表明其具有治疗IBS腹痛的潜力。

1.5F.prausnitzii对致病菌有一定的抑制作用肠道内环境的稳定与肠道菌群的平衡有着重要的关系，作为肠道共生菌之一的F.prausnitzii，具有竞争性抑制致病菌及减少致病菌定植的作用[29]。F.prausnitzii对致病菌产生竞争性的抑制作用，使肠道菌群维持在一定的比例，从而避免因肠道细菌过度生长而引起的上皮细胞能量代谢紊乱[30]。F.prausnitzii及正常肠道微生态能有效阻止大肠杆菌、梭状芽孢杆菌、志贺氏杆菌致病菌在肠内的增殖。使肠上皮受伤的可能性下降，避免了肠道免疫细胞的激活和炎症因子的释放[25]。

1.6F.prausnitzii是一种在体内代谢活跃的物种F.prausnitzii及其上清液可调控 T 细胞亚群，其机制是通过抑制维甲酸相关孤儿受体 (ROR-γt) 的 mRNA 表达，提高螺旋转录因子 (Foxp3)mRNA 的表达，从而调节 Treg/Th17 的平衡[31]。近来临床研究发现，人类肠道中树突状细胞(dentritic cell，DC)表达 Toll 样受体4(Toll like receptor 4，TLR4)的水平与F.prausnitzii的数量呈负相关，提示此菌可能是肠道 DC功能的影响因素[32]。

F.prausnitzii作为健康人类肠道共生菌一个重要组成部分，对人类的健康发挥着非常重要的作用，越来越多的研究发现,肠内F.prausnitzii水平的改变所导致的微生态失调与一些肠道疾病的发病密切相关。随着人们生活方式的改变，现如今肥胖、糖尿病等慢性代谢性疾病迅速发展，F.prausnitzii在IBD、溃疡性结肠炎(UC)、CD等疾病的发生、发展中起到了一定的作用。

2 F.prausnitzii与IBD

IBD是一种肠道相关的免疫系统的异常激活作用导致消化系统的慢性炎症为特点的疾病，分UC和CD两种主要形式。其病因目前尚不明确，普遍认为该病与环境、免疫和遗传等因素有关。肠道炎症的发生与一些有潜在致病能力的肠道共生菌如螺杆菌属、梭菌属和肠球菌属等有关，这些细菌以一定比例存在时不致病，当数量增加超过这个比例会引起炎症反应。研究发现，F.prausnitzii在IBD的发生、发展中起到了一定的作用。F.prausnitzii是一个众所周知的产丁酸盐细菌[33]，在 IBD 患者中数量减少，与IBD患者的疾病活动表现呈负相关[34]。IBD患者手术6个月后，内镜下 IBD 复发者厚壁菌门中比例偏低，尤其是F.prausnitzii[35]。

研究表明，在 IBD的发病机制中起着重要作用的是 IL-23/Th17/IL-17 途径。F.prausnitzii可以通过其产物控制肠道炎症损伤，其机制可能与抑制 IL-23/IL-17 轴的相关靶点调节免疫反应有关。这使F.prausnitzii可能成为新的益生菌并应用于包括 IBD 在内的 Th17 细胞相关性免疫疾病的治疗[36]。

FUJIMOTO等[37]对20名健康对照者和47例CD患者进行了实时定量聚合酶链式反应，发现CD患者中F.prausnitzii的数量比健康者明显降低，可能与CD病理生理学相关。蒋曼等[38]对UC患者及正常对照者粪便中的双歧杆菌属、柔嫩梭菌属和拟杆菌属进行定量分析，比较UC患者与正常对照者之间这 3 种细菌的差异，结果发现与正常对照者相比，UC 患者具有促炎作用的拟杆菌属数量增加，而抗炎性的双歧杆菌和柔嫩梭菌数量减少，说明UC患者粪便菌群中具有抗炎作用的细菌与具有促炎作用的细菌发生了失衡。

MACHIELS等[34]研究发现，UC患者肠道菌群的组成与健康者存在明显差异，同属于厚壁菌门的能够产生丁酸盐的罗氏菌属及柔嫩梭菌属在 UC 患者中均减少，F.prausnitzii正是硬壁菌门柔嫩梭菌属的主要细菌。汤爱荣[39]研究结果显示，F.prausnitzii及其产物能够抑制 NLRP3 炎症小体的水平而从减缓TNBS 诱导的大鼠结肠炎，表明F.prausnitzii及其产物具有抵抗炎症的作用。EPPINGA等[40]研究了伴有和不伴有 IBD 的银屑病患者和健康对照者粪便中的F.prausnitzii和大肠杆菌丰度，结果显示，与健康对照者相比，银屑病患者粪便中的F.prausnitzii丰度显著降低，与IBD 患者相似。在健康对照者中未发现F.prausnitzii或大肠杆菌丰度的显著差异。 显然，伴随IBD的患者F.prausnitzii显著减少和大肠杆菌显著增加。因此，F.prausnitzii与肠道疾病密切相关，在肠道发挥重要作用。

3 F.prausnitzii与肠易激综合征(IBS)

IBS 患者的肠道菌群与正常人的肠道菌群有显著差异，IBS 患者硬壁菌门中的细菌比例增加了2倍[41]。肠杆菌科相关的细菌丰度与 IBS 症状呈负相关。特别是在缓解期交替型IBS(IBS-A)患者的F.prausnitzii水平明显降低。这是与 IBS 和 IBD 相关的微生物区系中常见的特征，也为观察 IBS 的某些特征(如微炎症)提供了分子基础。与 IBS-A 相比，在 IBS-D (腹泻为主)患者中F.prausnitzii不改变，在 IBS-C (便秘型IBS) 患者中明显降低或不改变[41-42]。这一观察表明，只有 IBS-A 型可能与F.prausnitzii数量减少有关。

4 F.prausnitzii与肥胖

虽然人体微生物群与肥胖相关疾病之间的联系已经建立，但其潜在的机制和微生物群的变化不十分清楚，在超重和肥胖的受试者中，结肠中F.prausnitzii的水平有所改变，而健康对照者无这种改变[43]。此外，F.prausnitzii的水平还与减少肥胖和糖尿病的低级别炎症有关，而与卡路里摄入无关[44-46]。南印度肥胖儿童的F.prausnitzii水平明显高于非肥胖儿童[46]。MUNUKKA等[28]研究发现，与高脂肪对照小鼠相比，F.prausnitzii处理的小鼠具有较低的肝脂肪含量，以及较低的天冬氨酸氨基转移酶和丙氨酸氨基转移酶含量，并增加肝脏中的脂肪酸氧化和脂联素信号传导。肝脏脂质组学分析显示几种甘油三酯、磷脂和胆固醇酯的减少。F.prausnitzii处理的小鼠中脂联素在内脏脂肪组织中的表达增加，并且皮下和内脏脂肪组织对胰岛素敏感性更高且炎症减轻。此外，F.prausnitzii处理增加了肌肉质量，这可能与线粒体呼吸的增强、肠道微生物群组成的改变和肠道完整性的改善有关。F.prausnitzii治疗虽改善了肝脏健康，并减少了小鼠的脂肪组织炎症，但需要进一步研究以发现其治疗潜力。由于F.prausnitzii与肥胖症的关系有不一致的意见，其在这种代谢紊乱中的作用仍不确定，需要进一步研究[44-45]。

肠道菌群影响人体肠道健康。研究者长期以来一直致力于研究的一个重要领域就是肠道菌群调控微生态的具体机制。F.prausnitzii作为健康人群肠道中最丰富的肠道菌群之一，肠道疾病的发生、发展与其数量的变化有着重要的联系。深入了解肠道菌群的功能，从F.prausnitzii的作用及与肠道健康的关系出发，发现新的方法来治疗相关疾病。有望通过检测F.prausnitzii的丰度并将其作为肠道疾病诊断和预后的生物标志物，进而为保持人类健康做出贡献。