肠道菌群的影响因素研究进展

刘欣，郭宇冰，楚治良，高春芳

中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院科研部/全军肛肠外科研究所/全军重点实验室 河南洛阳471000

肠道菌群是肠道内微生物群落的总称，是近年来生物学、医学、生物信息学等领域的研究热点之一。众多的研究结果表明，肠道菌群与人体的各大系统疾病均有关联，如炎症性肠病、高血压病、2型糖尿病、心血管疾病、自闭症、多囊卵巢综合征、免疫类疾病等[1-7]。肠道微生物与宿主、环境相互作用，通过不同方式影响人类的健康。肠道菌群的结构和功能受多种因素影响，本文就饮食、运动、药物、miRNA这几个方面近几年的研究进展进行综述。

1 饮食对肠道菌群的影响

饮食模式是众多研究者关注的焦点，饮食习惯在很大程度上影响着肠道菌群的组成。高脂、高糖、高蛋白、低膳食纤维的饮食习惯容易导致肠道内有益菌减少和有害菌的滋生，从而导致肠道菌群失调。研究发现，改变饮食后24小时内即可引起肠道菌群发生巨大变化[8]。

早在1977年就有人提出饮食中的蛋白类型（植物蛋白/动物蛋白）可以影响肠道菌群。有研究表明，高牛肉饮食的人群较无肉饮食的人群其双歧杆菌数量减少，拟杆菌和梭菌数量增加[9]。乳清蛋白和豌豆蛋白提取物可提高人类肠道双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，乳清蛋白还可减少致病性拟杆菌和产气荚膜梭菌的数量[10-12]。豌豆蛋白可增加肠道中短链脂肪酸（SCFAs）水平，短链脂肪酸具有重要的抗炎作用并且对维持黏膜屏障亦有重要作用[13]。相反，食用动物蛋白的人群中耐受胆汁的厌氧菌如拟杆菌属、另枝菌属和嗜胆菌属都有增加[14]。以上研究说明摄入植物蛋白可能比摄入动物蛋白更有利于保持一个健康的肠道菌群，从而减轻宿主的炎症反应。

西方国家人群饮食结构中富含饱和脂肪酸和反式脂肪酸，高含量的饱和脂肪酸和反式脂肪酸可增加心血管疾病的发病风险[15-16]。研究表明，高脂饮食会增加厌氧微生物和拟杆菌的数量[17-19]。Wan等[20]开展了为期6个月的随机对照试验，研究膳食干预对肠道菌群的影响，发现低脂饮食组菌群α多样性增加，产生丁酸的布劳特氏菌属和粪便杆菌属增加；高脂饮食组另枝菌属和拟杆菌属增加，粪便杆菌属减少。De Filippo等[21]分别在欧洲某市区招募了15名志愿者（简称EU组），在西非某欠发达地区招募了14名志愿者（简称BF组），测序结果显示在菌群相对丰度上，EU组中志贺杆菌和大肠杆菌要高于BF组；BF组表现出拟杆菌门（Bacteroidetes）增加以及厚壁菌门（Firmicutes）减少，并且还存在一种独特的菌属——木聚糖菌属（Xylanibacter），它可在纤维素与木糖醇的水解过程中发挥一定作用，并且与粪便中脂肪酸的增加有关，该菌属在EU组则完全缺乏，可能是由于BF组的饮食中包含了大量的纤维素等多糖。当这些非洲儿童迁移到欧洲城市地区后，饮食变为以高脂和高糖饮食为主，一段时间后他们的肠道菌群则变得与城市儿童相似，以更适合代谢动物蛋白、脂肪和高糖食物的细菌为主，这也突出了饮食独立于宿主遗传因素的重要性[22]。Nakayama等[23]也发现了现代化的饮食习惯改变了菲律宾莱特岛一些城镇儿童的肠道菌群，Ormoc市的儿童经常吃快餐，比Baybay市的儿童摄入更多的肉类和糖果，脂肪摄入量远高于Baybay市的儿童，通过比较这两个城市的7至9岁儿童的粪便微生物群发现他们分别属于不同的肠型，Baybay市的儿童主要为P型（富含高丰度的普雷沃氏菌科），Ormoc市的儿童主要为BB型（富含高丰度的拟杆菌科），P型菌落适合碳水化合物的代谢，而BB型菌落适合脂类的代谢。

膳食纤维可为肠道的有益菌提供能量来源，是肠道细菌功能得以发挥的关键。高膳食纤维饮食可促进肠道内有益菌的生长且可以清除肠道毒素，保持健康的肠道微生态环境。饮食中增加膳食纤维摄入可加快胃肠蠕动，肠道细菌数量增多产生的短链脂肪酸也相应增加致使肠腔pH值下降，从而影响肠腔内特定菌群的生长[24]。肠道上皮有一层黏液屏障可阻止病原微生物的入侵，若肠道稳态失衡可致黏液屏障受损最终导致黏膜细胞的炎症和损伤。来自美国的科学家发现如果小鼠的饮食中长期缺乏或间歇性缺乏膳食纤维，嗜粘蛋白-阿克曼菌（A.muciniphila）和粪拟杆菌（B.caccae）这两种细菌的丰度均显著增加，它们可以降解黏液中高度糖基化的蛋白“黏液素”使黏液层厚度明显减少，从而增加肠道感染和许多慢性炎症性疾病的发生风险[25]。

不同种类的食物以及食物中的不同成分对肠道菌群的影响不尽相同。以上研究结果均可证明人们可以通过饮食来调节肠道菌群，但是膳食因素对肠道菌群的影响必须考虑个体差异，研究饮食因素对肠道菌群的影响将有助于个体化营养学的发展和有效减少各种炎症性肠道疾病。

2 运动对肠道菌群的影响

运动可以影响肠道微生物组成的变化，在能量稳态和调节中发挥积极作用[26]。Lambert等[27]利用qPCR技术比较了不锻炼和接受锻炼（跑台上进行跑步运动）6周后的小鼠盲肠菌群，发现运动组小鼠相比于不锻炼组小鼠肠道内含有较高丰度的厚壁菌和较低丰度的拟杆菌属和普氏菌属。Allen等[28]将接受锻炼的实验组小鼠（小鼠可自由出入转轮装置进行锻炼）和不锻炼（小鼠无法进入转轮装置）的对照组小鼠的粪便分别移植到无菌小鼠体内，观察无菌小鼠体内肠道菌群的变化。实验结果显示接受锻炼的小鼠肠道内阿克曼菌（Akkermansia）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和瘤胃菌科（Ruminococcus）的含量显著高于不锻炼的小鼠，而普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）显著低于不锻炼的小鼠。另外，接受锻炼组小鼠体内还有较多含量的丁酸，丁酸可以调节肠黏膜细胞的增殖和分化并具有抗炎的作用。

动物实验表明，运动可以改变肠道菌群结构。那么，在人体中运动是否也能发挥此作用？Allen等[29]又进行了后续的试验，研究中共纳入了32名在工作和生活中经常久坐不动的受试者，参加一项为期六周、每周三次、每次持续半个小时至一个小时的有氧运动，之后再恢复到之前的久坐不动模式，持续六周。整个试验过程中，饮食习惯保持与往常一样。对粪便样本进行高通量测序发现，运动后粪便中短链脂肪酸特别是丁酸浓度明显升高。当参与者恢复到久坐的生活方式后，这些短链脂肪酸水平再次下降。

已有研究结果表明马拉松运动等耐力运动会立即引起血液、尿液、肌肉和淋巴的代谢变化，这些变化可能会在几个小时内影响肠道微生物群[30-31]。Zhao等[32]以业余半程马拉松运动员为研究对象，发现某些细菌的丰度在跑步前后表现出显著差异。跑步虽不影响肠道菌群的α多样性，但在“门”的水平上黏胶球形菌门（Lentisphaerae）和酸杆菌门（Acidobacteria）在跑步后的肠道菌群中被特异性地检出，而其功能目前还未知。在“属”的水平上，假丁酸弧菌属（Pseudobutyrivibrio）、粪球菌属-2（Co-prococcus-2）、柯林斯氏菌属（Collinsella）和光冈菌属（Mitsuokella）这四种菌的数量在运动后增加最为显著。上述研究结果从肠道菌群的角度强调了锻炼对健康的益处。Munukka等[33]选取了17名经常处于久坐不动的肥胖女性，为其安排了每周3次、为期六周的自行车耐力运动。在此期间不改变她们的饮食和生活方式，只是增加了运动。六周后发现有害菌数量减少了，而可以改善人体代谢的阿克曼菌（Akkermansia）的数量增加。该研究也证实了仅仅六周即使不改变饮食仅通过运动也有助于改善肠道菌群。以上研究通过不同的研究对象、运动方式、运动强度以及不同的技术手段证实了运动可对肠道菌群结构产生积极影响。可能是因为运动能提高人体的免疫系统并激活人体循环系统中的一些蛋白酶和激素类物质，而免疫系统对维持肠道菌群的稳态具有重要作用，蛋白酶和激素是肠道菌群重要的环境因子。鉴定并分离运动诱导产生的有益菌，可能会为干预治疗运动功能相关的疾病提供一个全新的视角。

3 药物对肠道菌群的影响

研究表明服用抗菌药物可改变肠道微生态，主要体现在以下四个方面：抗菌药物可减少肠道菌群的多样性[34]；减少微生物功能多样性[35]；降低共生菌对入侵病原体的定植抗性[36]；增强抗菌药物耐药基因在肠道微生物群中的传播[37-38]。抗生素对肠道菌群的影响取决于抗生素的类别、剂量、给药方式、抗生素暴露的时期等[39]。

Yassour等[40]深度分析了婴幼儿从出生到三岁这段时间内肠道菌群的变化，发现在此期间使用过抗生素的儿童，其肠道菌群会变得不稳定，特别是在抗生素治疗阶段肠道菌群的多样性会下降。袁静等[41]对新生Balb/c无菌小鼠接种纯母乳喂养的婴儿粪便获得IHFA小鼠（婴儿菌群人源化小鼠），小鼠出生后第7天开始给其灌喂100 mg/kg阿莫西林，对照组给予等量的生理盐水，持续两周，随后检测21日龄及53日龄的小鼠肠道菌群，实验发现在哺乳期使用治疗剂量的阿莫西林会对小鼠肠道菌群结构产生严重影响，甚至会导致其成年后肠道菌群也不能完全恢复。张瑜杰等[42]以20只新生小鼠为研究对象，随机分为两组，每组10只，自出生起分别投喂灭菌水和混合广谱抗生素共21天，测序发现粪便菌群多样性Shannon指数和Simpson指数均降低，变形菌门增多，拟杆菌门和厚壁菌门减少；奈瑟菌属和颗粒链菌属增多，副杆菌属减少。美国斯坦福大学研究团队招募22位身体健康的志愿者随机分成两组，一组口服广谱抗生素5 d，一组服用安慰剂作为对照，研究发现口服抗生素组在服用抗生素第3天肠道菌群数量达到最低值且比对照组低3至4个数量级，之后菌群数量虽又恢复到正常水平但丰富度和多样性却没有完全恢复。另外，研究人员还招募了一些近三年从未接种过流感疫苗，体内流感抗体含量极低的志愿者让其口服广谱抗生素3 d，然后接种流感疫苗，接种后第7天检测体内流感抗体的含量结果显示口服抗生素组的IgG1和IgA水平远低于口服安慰剂的对照组。上述研究结果充分表明使用抗生素不仅会导致肠道菌群紊乱而且还会影响机体对疫苗的免疫应答[43]。

人们往往认为只有抗生素才会对肠道菌群产生影响，而最新的研究表明非抗生素类药物对肠道菌群结构也有显著影响。Le Bastard等[44]系统性评估了一些目前最常见的非抗生素类处方药物如质子泵抑制剂（PPIs）、钙通道阻滞剂、非甾体类抗炎药（NSAIDs）、抗组胺药、抗精神病药、二甲双胍、阿片类药物等，发现这些非抗生素类处方药物对肠道菌群的影响程度与抗生素类药物大致相同。Maier等[45]使用40种常见的人体肠道菌株，筛查了逾1 100种上市药物，包括抗菌药、抗病毒药、作用于人体细胞的药物以及兽药。研究发现，有78%的抗细菌药物和27%的非抗生素类药物会影响至少一种肠道细菌的生长，即超过四分之一的非抗生素类药物会扰乱肠道菌群。

药物影响肠道菌群的结构，肠道菌群对药物的药效毒性也有重要影响，它们之间相互影响。药物以及人体内细菌的种类众多，具体哪些药物可以对细菌产生影响、影响程度如何以及某一具体药物可对哪些细菌产生影响都是后续研究的重点方向。肠道菌群的研究为评价药物的有效性和安全性提供了一个新的视角，这对新药研发以及临床上如何合理选择药物以维持肠道菌群平衡至关重要。

4 miRNA对肠道菌群的影响

miRNA作为小片段非编码RNA，在疾病发生发展中的作用越来越受到重视。研究表明，miRNA可影响宿主肠道菌群的组成，在调节肠道菌群稳态、维持肠道健康这一过程中发挥重要作用。

Liu等[46]的研究发现，宿主粪便中的miRNA可进入具核梭杆菌（F.nucleatum）和大肠杆菌（E.coli）等肠内细菌并调控细菌基因的表达与生长。如果粪便中缺少miRNA，肠道菌群就会紊乱并且加重大肠炎的症状。Johnston等[47]利用基因敲除手段制作miRNA-21-/-小鼠模型，并在无菌小鼠中移植miRNA-21-/-小鼠的粪便，测序结果显示移植miRNA-21-/-小鼠粪便组和野生型小鼠相比肠道菌群组成存在显著差异，揭示了miRNA-21可改变肠道菌群从而影响肠道炎症的发生发展。Teng等[48]从生姜中提取一种类外泌体纳米颗粒，给小鼠喂食这种外泌体纳米颗粒，一周后检测小鼠粪便微生物组成，发现乳酸菌和拟杆菌数量增多了，而易于致病的梭菌减少了。该研究还证实，是由于姜类外泌体中的miRNA通过基因调控促进了乳杆菌的繁殖并影响其代谢，进而抑制有害菌在肠上皮的粘附生长。Hoban等[49]研究发现，与正常小鼠相比，在无菌环境中长大的不含肠道菌群的小鼠大脑中有大量的miRNA发生了变化，其中杏仁核和前额皮质分别有103种和31种miRNA发生变化。在饲料中添加相应菌群后，其杏仁核和前额皮质中的miRNA水平则恢复正常。

许多疾病都伴随着miRNA表达和肠道菌群结构的改变。miRNA可以正向或负向调控肠道的免疫调节功能和屏障功能；肠道菌群也可作为miRNA和宿主之间的桥梁，通过改变miRNA的表达水平进而与宿主相互作用，调节宿主基因的表达来维持肠道稳态。充分了解miRNA与肠道菌群相互作用的机制将会对疾病的诊断和治疗提供新的思路和方法。

5 展望

肠道菌群和宿主之间相互影响，正常情况下二者之间保持一种动态平衡。肠道菌群及其代谢产物可影响宿主的代谢与免疫，对人体的健康状态及疾病的发生发展产生重要影响。而宿主本身的行为如生活方式、饮食、运动习惯等又会影响体内的肠道菌群，改变肠道菌群的多样性。截至目前，许多研究结果仅仅是发现了某些疾病伴随着肠道菌群的改变，但是未能阐明其中的因果关系。比如许多癌症患者与正常人群体内肠道菌群存在差异，是因为肠道菌群的变化导致了癌症的发生还是癌症发生以后导致了肠道菌群的变化，其中的具体机制仍不清楚。而且，目前的研究多以无菌小鼠为实验对象，而无菌小鼠本身就是一种病态的动物模型，因此实验结果能否适用于临床还是未知的。深入研究肠道菌群的具体结构和功能及其影响因素并探讨其中的作用机制仍是未来开展肠道菌群研究的重点方向。