胃微生物与人体共生关系的研究进展

迟卉 李燕 马翠翠 郭瑞芳 王佳林

1 共生功能体(holobionts)及其基因组的研究进展

1.1 共生功能体及其基因组的定义 微生物在与宿主共同进化过程中保留了有利存活的特征，并和宿主形成了一个整体，这个整体的概念定义为共生功能体，即宿主与其相关菌群组成的生物单位，其基因组被称为共生基因组(hologenome)[1]。微生物与宿主之间的关系受到越来越多的重视，相关科研学者开始从整体角度考虑微生物群- 宿主关联，并提出共生系(phylosybiosis)研究方法，即微生物群落关系与宿主系统发育平行变化研究[2]。共生基因组由两个互补部分组成：宿主和微生物组基因组，无论哪一部分出现变化，都会引起整体变异。在人体大约20 000万个基因中有3 300万个属于微生物组，宿主基因组是高度保守的，其遗传变化发生缓慢，而微生物基因组是动态的，可以通过增加或减少特定微生物，获取新的微生物，水平基因转移和垂直基因遗传，也可以发生突变。研究人员认为这种快速变化可以使微生物基因组在不断改变的环境条件下适应和生存，从而为宿主基因组的适应和进化提供必要的时间[3]。共生基因组的变化促进了共生功能体对环境的适应性，共生功能体被认为是一种进化的选择单位，通过共生基因组实现世代间传递。

1.2 共生功能体及其基因组的研究进展 研究认为，正常情况下，微生物与宿主之间存在平衡状态即稳态，这种稳态的存在起到维持健康的作用。有研究表明，外界菌群侵入、炎症等可以推动宿主和微生物的稳态失衡，即出现疾病或疾病前状态，至于这种稳态的改变与疾病的先后关系目前还无法完全清楚[4]。人体免疫系统也与微生物群共同进化，微生物群提供驱动发育的重要信号，适应性免疫系统的主要作用除了阻击破坏原有生态系统的病原体之外，还包括维护共生微生物群的稳定。有学者认为以共生功能体为出发点，综合各种方法去研究微生物群和宿主之间的互作机制，是当前解决宿主和微生物关系以及研究和预防疾病的有效手段[5]。

2 胃微生态共生关系研究进展

2.1 胃内微生物的概念 胃内微生物主要指胃部细菌菌群，由于胃部快速蠕动、胃酸分泌、小肠返流等原因，大部分胃部细菌是过路菌。以前认为可以定植于胃内的细菌只有H.pylori，但是近年来研究发现还有其他很多细菌同样可以定植[6]。目前研究估计，胃内的微生物密度为102～104 CFU/mL，并且有强烈的个体化差异，与环境、遗传、摄食以及身体状态相关[7]。过路菌在通过的过程中如何得以存活并定植的研究结果目前还不够充分，且即使是16SrRNA测序手段也不能判断细菌还是否有活性，想要在此方面有所突破，未来要依靠宏转录组学(Metatranscriptomics)[8]。

2.2 胃内微生物的主要组成 大多数观点认为，胃内占主导地位的菌群分为五大类，包括厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、梭状菌门(Fusobacteria)[9]。其中胃黏膜中主要是变形杆菌及和厚壁菌门，胃液中主要是厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门。自1982年开始，通过纯培养等方法已经发现很多胃内菌群，2006年在Bik团队的研究中通过PCR和16SrRNA测序分析了23名包括白人、西班牙人、美国黑人的胃黏膜菌群，得到127个系统型，五大主要门属，同样的研究结果在中国人队列中也得到验证[10]。对于健康人菌群的研究因取样困难而数据较少，在为数不多的研究中，Zilberstein团队对20个健康人黏液进行分析得出18属，大部分属于5大主要门，而在Andersson团队关于健康人的研究中得出262个系统型，绝大多数属于变形杆菌门[11]。造成这种研究局面的原因可能是标本收集和测序方法不同，当然也受到饮食、药物、身体特征等干扰，最重要的是收集健康人标本本来就是困难的，目前的大多数数据也是来源于部分出现某些消化道症状而就诊的H.pylori阴性患者，对于因年龄、地域、遗传等多方面因素的干扰则需要大量研究数据综合统计学分析解决。

3 H.pylori与人类的共生

3.1 H.pylori与人类共进化 H.pylori是同人类共同进化的古细菌，同时也是胃部细菌中研究内容最为丰富的一种细菌。30年前对H.pylori的发现和培养结束了胃内无菌的认知，大量的相关研究彻底改变了人们对胃肠病的理解，而被H.pylori感染的胃成为研究特定细菌与特定的上皮相互作用的人体模型[12]。近年来，人们在距今5 300年前冰川木乃伊的胃内发现H.pylori的存在，作为同人类共同进化的细菌，相关学者提出H.pylori可以成为人类共生菌中宿主-微生物共进化的典型研究对象[13]。H.pylori的感染多数在儿童时期后天获得，不经治疗则伴随终生。感染后主要出现慢性胃炎、消化性溃疡、胃腺癌、胃黏膜相关组织淋巴瘤(MALT)。根除可治疗H.pylori感染相关胃部疾病已达成全球共识[14]。更有研究证明[15]，一些胃外疾病也与H.pylori感染相关。全球范围内大概有50%的人口感染H.pylori，而10%～20%出现相关胃病，1%～2%最终形成胃癌。近年来很多研究[16]提出了根除H.pylori后并没有完全阻止胃癌的发生，而且随着根除治疗，其他消化道疾病如胃食管疾病发病率上升，这种微生物已经与人类共同存在了数万年，并且在大多数情况下，大约一半的人类中有定植但没有引起疾病。多项研究发现胃内H.pylori存在与儿童早期哮喘和其他过敏性疾病的风险减少之间存在关联[17]。这表明这种微生物在早期正常免疫发育中具有有益作用，H.pylori是一种可以促进免疫调节的作用，这使人们对H.pylori与宿主的关系不得不进行了重新考虑。分析H.pylori的系统发育树，并与人类系统发育树进行比较，可揭示这些古老的定植菌种如何与人类共同进化和传播[18]。

3.2 H.pylori与人类共生关系的研究进展 目前的研究表明[19]，H.pylori分为Ⅰ型和Ⅱ型，Ⅱ型几乎不含毒力，以预防为主，而Ⅰ型则需要根除治疗。其分型使部分H.pylori在黏膜中居多，另一部分存在于胃液中。几乎所有的H.pylori都含有VacA基因，包括两种信号序列型S1/S2和两种中间型M1/M2以及两种中间区域I1/I2[20]。VacA被证实与溃疡有相关性，但通过VacA亚型来预测胃病严重程度是否可行还有待商榷。CagA与癌症的关系一直是研究的热点和争议的中心，关于这部分的研究以前集中各种信号通路的探索上，当前全基因组关于基因畸变的研究为此拓展了一条新的道路[21]。H.pylori的重要特征就是遗传多样性，究其原因是高突变率和遗传物质与宿主的不断交换。现在H.pylori在全球可以分离的菌株有7种，科研人员认为，对于疾病与微生物关系的研究以及防治应落实到具体菌株[22]。

从共生体角度出发，H.pylori可视为胃内微生态的一部分，一些研究认为[23]H.pylori的定植可以对胃食管返流病，食管癌等起到保护作用，根除治疗的盛行导致食管疾病的增加。另有研究显示，儿童感染H.pylori后腹泻发病率下降，可能是与菌群平衡和多样性相关[24]。也就是说，其好坏要考虑分型和丰度，定植和根除都会影响原有菌群的平衡，对细菌的干预可能要多角度综合考虑，治疗上除了根除也应考虑其他干预方式或在根除治疗的同时思考稳态恢复的方法和尽量减少平衡的破坏。在看待H.pylori的态度上，关键的问题应该集中在具体的菌株和丰度上，做为胃内菌的一员，过量和异常定植以及根除对整个胃微生态势必会产生影响。

4 非幽门螺杆菌(NHPHs)在胃内的共生关系

4.1 胃内NHPHs 新的菌群研究方法揭开了一个更复杂的胃内景观，除H.pylori外，还有多种可以抗衡胃内恶劣环境的细菌在胃液和黏膜中发现，不断有新的革兰氏阳性菌被分离出来。中国的一项研究证明，12%的胃部疾病患者存在H.pylori与NHPHs共感染，并被认为与某些胃部疾病相关，尤其是MALT，这就使人们对NHPHs的致病性产生新的研究思路[25]。在关于NHPHs的研究中[26]，目前已经发现的NHPHs有30多种，其中有四种在人的胃黏膜中发现，包括H.suit、H.salomons、H.felis、H.bizzozeronii。H.suit和H.felis感染的患者菌群构成与单感染H.pylori患者明显不同，而且功能预测研究也证明感染H.suit和H.felis后通路和代谢途径受到了影响，它们可能同H.pylori一样通过抑酸实现定植，但其是否具有亚硝化功能还有待进一步研究[26]。2017年在GUT杂志上发表了一项通过分析胃部菌群群落揭示癌症相关的菌群失调特征的研究，比对54名胃癌患者和81名慢性胃炎患者的黏膜组织，得出胃癌患者微生物出现多样性下降，螺杆菌丰度下降，肠道共生菌为主细菌属富集等特征[27]。微生物分析对癌症和炎症有很好的区分能力，并且胃癌患者的微生物在功能预测分析上存在亚硝化功能和遗传毒性潜能。

4.2 H.pylori 与NHPHs的共生 关 系 H.pylori定植改变胃环境可为其他细菌定植提供便利，同时也产生竞争性抑制。H.pylori主要存在于胃内黏液层，定植黏膜后其毒力因子作用引起炎症诱发黏膜萎缩、壁细胞减少、胃酸分泌下降等，最后导致pH值上升，这种情况为其他细菌的定居提供了有利条件[28]。H.pylori分解尿素产生氨和碳酸氢盐为其他细菌提供养料，同时也因其大量增加抑制了另一部分菌群，抢夺了养料和生存空间，诱发抑菌肽消灭其他菌群，并由于刺激宿主免疫反应损伤黏膜影响了菌群生存。大量研究发现，H.pylori阴性者胃内菌群主要包括五大门，而一旦感染，则H.pylori成为单一的高丰度菌群，占72%～97%[29]。感染H.pylori患者的菌群多样性下降，构成也发生变化。有研究显示根除H.pylori后多样性有所上升，主要为类杆菌、梭菌属和放线菌属[30]。而在Khosrawi等 人 对 131 例 H.pylori阳 性 和 84 例 H.pylori阴性个体的分析显示其胃微生物之间没有明显差异[31]。关于其他菌对H.pylori的影响的相关研究认为某些自身有益菌例如乳酸菌，可以通过对H.pylori产生拮抗作用抑制其生长[32]。另有研究表明[33]，链球菌和普氏菌在胃中有功能活性，在应用PPI等制剂后，H.pylori根除的同时，链球菌和普氏菌显著增加。而在另一项台湾对6名早癌手术患者2年随访的研究中证实，胃部手术后，链球菌和普氏菌是最丰富的两个属，其基因预测功能研究显示，胃内由原本以有致癌作用的N- 亚硝基化功能转变为以胆盐水解NO2还原功能为主的菌群组成[34]。这都说明，除H.pylori外的其他细菌的数量和稳态在健康和疾病中承担了重要角色。

5 结语

在过去的20年间，微生物领域最大的改变就是人们意识到人与菌不是完全的敌对关系，菌群是人体生理机能的一个部分。人体的微生物平衡正如整个自然界需要生态平衡一样，消灭某种细菌，短期内很容易看到好的效果，某部分细菌的增多减少或消失都会引起全部微生态的失调[35]。H.pylori可以说是微生物致病研究的一个先驱性的示例，它像是一个导火索，拉开了胃部微生态与胃部疾病研究的这场战役。从当前关于胃部菌群特征研究的进展以及共生体这一新的观察角度看，胃病的发病机制将被重新考虑。以共生体的角度研究疾病机制、维持微生物稳态和恢复稳态，为诊治胃部疾病提供了一个新的方向[36]。共生观也提供了新的治疗思路，与其研究如何消灭，不如讨论怎样共存，什么样的共存条件使得细菌不足以致病，并达到适当的代谢需求，即在不同地理环境和遗传条件下，体内或者说胃内的微生物稳态是否存在共性。疾病的发生和发展是各种致病原因结合而且呈现系列连锁的反应，在任何一个原因和环节上干预都有可能改变或缓解疾病的发生发展方向和速度，了解菌群失调和稳态变化在其中的作用可以在诊断和治疗上进行更有效的干预，尝试修复菌群进行疾病预防和治疗，是共生功能体研究潜在的应用方向。