中国肠道微生态学研究的实践

唐 立

大连医科大学微生态学教研室，辽宁 大连 116044

肠道菌群对健康与疾病的影响是21世纪生命科学最引人关注的研究领域之一。在人类从出生直至生命终结的全周期中，肠道菌群始终对机体的健康维护和疾病发生、发展起到至关重要的作用，因而对肠道菌群影响机体机制的认识不仅对人体的健康保持和疾病防控具有重要指导，而且对宏观生态的微观保护和修复同样具有指导意义。本文将对人体肠道菌群认识的缘起与人体微生态理论的形成与发展及其对生命科学的影响作一述评，以期为微生态学理论的深入研究奠定基础。

1 肠道“正常菌群”的认识

肠道微生态学研究始于对人体“正常菌群”的认识，经历了“正常菌群”、“正常微生物群”和“微生物组”三个阶段。“正常菌群”认识阶段，始于1945年应用青霉素和链霉素对人体进行抗感染治疗。在这个阶段发现，抗生素虽然有效地控制了人体急性感染的发生、发展，但同时有个别病例死亡，研究其原因是由于对抗生素“不敏感”的细菌感染引发的。这个现象由美国人WISTEIN于1946年和中国人魏曦、康白于1950年发现。之后，英国人BRISON于1952年发现1例，史称二重感染“superinfection”。二重感染现象的发现唤起了人们对细菌致病原因的思考。魏曦和康白教授当时就指出：“在光辉的抗生素降临以后，我们必须注意其给人类带来的阴影：扰乱正常微生物和引起菌群失调”，关于人体“正常菌群”的概念由此产生。康白教授又进一步指出：人体“正常菌群”是微生物与其宿主在共同的历史进化中形成的微生态系。在中国，这是首个给出的“正常菌群”概念，之后国内开展了对人体“正常菌群”功能的大量研究，通过对“正常菌群”进一步深入的认识认为：“正常菌群”在人体非但无害反而有益，不仅有益而且必须。这个概念的形成指导了我国微生态研究学者开展“正常菌群”研究的热潮[1]。这个阶段是我国关于肠道“正常菌群”的认识阶段。同期德国学者VOLK利用肠道细菌治疗消化道腹泻，他称肠道“正常菌群”是生理性细菌[2]。关于肠道“正常菌群”，中国和西方国家是同一时期认识到的。1988年，向近敏教授等提出了“正常病毒”群的概念，推测人体存在“正常病毒”群，使“正常菌群”的概念有了较大的拓展，又形成了“正常微生物群”的概念。这个阶段是“正常微生物群”认识形成阶段。在这个阶段，“正常微生物群”研究拓展到了正常病毒群、正常真菌群，国内一些学者对噬菌体治疗细菌性腹泻的实践以及利用酵母菌治疗消化道腹泻进行了报道[3]。随着分子生物学技术的发展，人类实现了对细菌16S rRNA基因测序，这项技术使我们对肠道微生态全系统细菌的了解成为可能。2007年，美国、英国、法国、中国四国成立了人类国际微生物组研究计划联盟(IHMC)，这个联盟是致力于研究人体微生物组与健康关系的首个国际性组织，“微生物组”的概念由此产生[4]。基于现代 “正常微生物群”的研究，“正常微生物群”的定义应该是指寄居在宿主体内和体表参与机体正常新陈代谢的生理性微生物群。“微生物组”的概念应该是指机体微生态系中所有微生物基因序列的组成，是基因维度研究“正常微生物群”功能。

2 肠道微生态学概念的形成

肠道微生物群的深入研究催生了微生态学概念。现代研究表明，在人体肠道寄居1.27 kg的微生物群，具有多种生物活性。肠道菌群不仅对机体感染有影响，而且对机体代谢、神经传导等有重要影响，甚至被认为是被人类“遗忘的器官”[5]。人们应用16S rRNA基因测序技术研究表明，人体肠道具有不同的细菌种群1 000～1 150种，基因数约330万个，是人体基因数的150倍[6-7]。宿主为“肠道菌群”提供了生存环境。研究表明，这些“正常微生物群”在机体固有的生存环境是不致病的，只有转移到生存环境外才致病，如肠道中的肠杆菌属的一些细菌在肠道不致病，属正常菌群，一旦由于某种因素的影响转移到泌尿道，就会引发尿路感染[8]。所以 “正常微生物群”与其寄居宿主肠道之间形成了肠道微生态关系。肠道正常微生物群与其宿主形成的统一体称为肠道微生态系。这个微生态系的稳定与否对宿主机体的健康和疾病起重要作用，影响微生态系的作用主要是肠道微生物群。微生物群是肠道微生态系的第一序因子。我们在研究肠道疾病的发生、发展与转归过程中肠道微生物群所形成的微生态系作用是不能被忽略的，因此，这一阶段对肠道菌群的认识形成了微生态学的概念。1988年，魏曦教授给出了一个定义，提出微生态学是一门新兴的生命科学分枝。1988年，康白给出了一个定义，提出微生态学是研究正常微生物群与其宿主相互关系的生命科学分枝，进一步补充研究正常微生物群的结构、功能以及与其宿主相互关系的学科[9]。同期VOLK给出了一个定义，提出微生态学是细胞水平的生态学，1977年，在德国他首创微生态学研究所。2001年，李兰娟等在肝病患者的治疗中观察到了肠道微生态对肝病患者转归影响，首次提出“感染微生态学”的概念[10-11]。实际上，微生态学是生态学原理在机体微观作用上的拓展和应用研究，既有生态学的理念又有微观上的特殊规律，体现了微生物与宏生物之间的依存性、可变性、互作性等特征。

3 技术的进步推动了肠道微生态的新认识

最早进行肠道菌群研究采用的是培养法，这种方法是由日本学者光冈知足教授于1974年通过对粪便菌群菌落数的定量，采用需氧和厌氧培养的方式进行研究的。他的研究表明，健康人肠道菌群有36属，155种之多，培养中最常见的有30余种，在常见的30余种细菌中，脆弱类杆菌属占比最高，为9.8%～12.1%；各类动物肠道细菌总数基本一致，但各菌属的构成不同[12]。他利用这种技术与美国学者FINEGOLD等一同对日、美两国健康人的肠道菌群进行了较全面的分析，结果表明，东西方的饮食结构对肠道菌群的种类和数量有明显影响，且差异较大，日本人与美国人相比，肠球菌属的菌数量偏高，双歧杆菌属、梭菌属、消化球菌属的菌数量偏低，类杆菌属、乳酸杆菌属的菌数量差异无统计学意义[13]。1998年，ZOETENDAL等将人类基因组学的DNA指纹分析技术和16S rRNA基因序列分析技术应用到人类肠道菌群的分析，打开了现代肠道菌群与机体相互作用研究的新纪元。2005年ECKBURG等[14]对人体肠道微生物群进行分析时发现，肠道内至少有13 000种不同的细菌序列，其中绝大多数目前还无法分离得到。2010年，QIN和LI等[7]利用宏基因组测序技术对健康人肠道菌群分析发现，人类肠道具有1 000～1 150种细菌，70%～86%的菌属还未被认识，个体肠道至少有160种的常见细菌。这些发现推动了肠道微生态学的快速发展，之后应用16S rRNA基因测序技术，国内外学者开展了大量的肠道菌群与临床疾病关系的研究，从感染领域拓展到病理生理学和神经精神领域疾病的发生、发展和转归上，极大地推动了肠道菌群全系统与机体病理生理关系的深入研究[15-18]。分子生物学测序技术的出现使我们认识到肠道微生态对机体健康的保持和慢性病的防治起重要作用，是一个研究生命过程影响因素中不可忽视的“器官”。

4 肠道微生态学研究进展

在基础研究方面，肠道微生态学与16S rRNA基因测序技术结合展示了消化道粪便和肠道原位微生态系下肠道菌群的多样性变化。应用该技术发现了过去未培养出来的一些消化道菌群种类。肠道微生态学与机体功能学的研究进一步结合，观察到了肠道菌群改变对机体多种生理功能的影响，如对神经功能、代谢功能、免疫功能的影响[19-23]。肠道微生态学与动物实验结合揭示了肠道菌群的一些基本功能，如验证临床发现等。在肠道微生态学动物实验过程中，采用抗生素敲除全部或部分菌群造成菌群紊乱模型是主要的研究模型，通过这个方法观察机体各项功能的变化借以探讨肠道微生态的规律[24-26]。关于肠道菌群的代谢产物对机体影响方面也开展了研究探索。研究发现一些种的乳酸杆菌能外泌大量的tRNA，研究发现部分肠道菌群产生有机酸，如短链脂肪酸等，但对其生物活性及对机体的影响还知之甚少[27-28]。此外，也有一些关于食物纤维和中草药等物质影响肠道菌群变化的研究报道[29-31]。肠道微生态基础研究方面基本上呈现应用研究多，基础研究少，描述研究多，本质研究少的格局。

在临床研究方面，最早开展的研究是应用肠道菌群和外环境中耗氧的蜡样芽胞杆菌进行的感染性腹泻和细菌性痢疾的治疗[32]。同时也关注了肠道菌群与相关性消化道疾病的关系研究，如肠易激综合征、炎症性肠病、溃疡性结肠炎与肠道菌群的相关性。之后也关注了外科手术后伴有肠道菌群改变的相关性研究[33-34]。近来关注了肥胖、糖尿病、肿瘤等代谢综合征方面的相关性；开展了肠道菌群与脑-肠轴通讯的研究，阐述了神经精神疾病的发生都伴有肠道菌群失衡现象[21,35-37]。2015年后在新英格兰杂志发表“粪菌”移植治疗艰难梭菌性肠炎报道的指引下，国内各地开展了肠道微生态菌群与临床疾病的深入研究。如浙江大学李兰娟院士开展了卓有成效的国际合作，在肝病治疗中关注了肠道微生态菌群影响的研究，发表了大量高水平文章，并提出“二补四平衡”治疗感染性肝病的原则[38-40]。2016年，香港大学于君教授团队在结肠肿瘤与肠道菌群关联的病因学方面有了新发现，阐述了肠道梭菌与结肠癌存在可能的因果关系[41]。同济医科大学儿科黄志华教授团队开展“粪菌”移植治疗疑难杂症并制定了临床治疗的流程和指南，发表了治疗的评价性等文章[42]。在这些研究中突出描述了临床各类疾病发生、发展伴有的肠道菌群改变及应用微生态学原理调整肠道微生物群治疗疾病的探索，但关于肠道微生态影响疾病机制的研究还较少。

5 未来微生态研究

基于肠道微生态的研究历史和现在，未来微生态学的研究应该聚焦在人类肠道微生态生理学、病理生理学等方面。微生态生理学的主要内容应该包括全生命周期关键结点的肠道微生态菌群研究、生命基本特征中微生态系菌群的变化规律以及肠道微生态菌群与机体生理变化协同影响的机制研究。微生态病理生理学研究内容包括疾病状态下尤其是慢性病肠道微生态菌群的发生、发展和转归过程中的肠道微生态菌群影响及其干预；中医药肠道微生态结合防治疾病方面研究；开展微生态、社会、心理相互作用影响生命周期的研究。未来微生态方法学研究应该聚焦在应用分子生物学与培养技术的结合展开，包括肠道微生态菌群的评价和标准研究，肠道微生态对疾病的预测、预警以及微生态防治的研究。

6 结语

肠道菌群与机体相互作用研究的缘起与发展，有的是对“古老”肠道微生态问题研究的深化，有的是对曾经未关注领域的新发现，但有关肠道微生态的基本问题和基本机制的深入研究较少。比如，健康肠道微生态是什么，人类肠道菌群是否存在稳态，修复了机体肠道微生态系后疾病是否能得到改善，肠道微生态菌群是否具有自我修复功能等问题，还缺乏强有力的实践证明。肠道和菌群作为机体的一个系统已经被科学界认识和深刻理解。

相信随着生物技术的发展和大数据时代的到来与发展，对肠道微生态的原理、机制诠释会更加明确，也相信肠道微生态的发展定能为促进人类的健康起到应有的作用。