肠道菌群与多囊卵巢综合征相互关系的研究进展

2020-02-13龚慧陈晖娟郭宇冰韩静

结直肠肛门外科 2020年4期

龚慧，陈晖娟，郭宇冰，韩静

1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

2中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院体检中心河南洛阳471000

近来有基于人类和啮齿类动物模型的研究表明，肠道菌群的变化与多囊卵巢综合征（polycystic ovarian syndrome，PCOS）的代谢和临床参数之间存在关联，同时提出肠道菌群失调可能是PCOS发展的潜在致病因素[1]。因此，本文着重从PCOS患者以及动物模型上来对肠道菌群与PCOS的关系进行综述。

1 多囊卵巢综合征的定义

育龄妇女中PCOS的发病率为5%～15%[2]。鹿特丹标准诊断PCOS至少需要以下症状中的两条：高雄激素血症、少经或闭经以及多囊卵巢[3]。PCOS是无排卵性不孕症的主要原因，被诊断为PCOS的患者发生流产和妊娠并发症的风险也相应增加。而且，大多数PCOS患者存在代谢异常的问题，例如肥胖、高胰岛素血症、胰岛素抵抗和血脂异常，这增加了罹患2型糖尿病、高血压病和非酒精性脂肪肝的风险[4]。PCOS的发病与基因、遗传和环境都有一定的关系，Thackray[5]的研究表明，PCOS患者的母亲和姐妹患此病的概率均比较高；Vink等[6]关于同卵双生双胞胎的研究表明，PCOS的遗传率为70%；Abbott等[7]的研究表明胎儿产前暴露于雄激素环境与PCOS的发病有关，该研究表明，子宫内睾酮过高会促进PCOS的早期分化或其基因型的表型扩增。在患有PCOS的患者女儿中，在2个月大时就可检测到高胰岛素血症以及内分泌水平和卵巢形态的异常等特征。

2 肠道菌群与性激素

哺乳动物胃肠道中的微生物群落由真核微生物、细菌、古细菌、真菌和病毒组成，出生后迅速多样化，直至成年后达到稳定状态。其参与许多重要的生理调节，包括激素、胆汁酸和神经递质的代谢等[5]。其中，Markle等[8]的研究表明雌性小鼠暴露于雄性小鼠的肠道微生物环境可预防1型糖尿病的发生。Kozik等[9]的研究表明，与男性的肠道微生物相比，女性肠道微生物的α多样性更高，但男性的拟杆菌（包括小食杆菌和拟杆菌）的相对丰度要比女性高，这种肠道微生物的区别主要是源于性激素的不同，例如Yatsunenko等[10]研究了青春期同性的双胞胎和异性双胞胎的肠道菌群的组成，发现存在显著差异，而婴儿期时却未发现差异。大量研究从动物水平证实了肠道菌群与性激素有关。Markle等[8]的研究发现雄性和雌性小鼠在3周龄时（青春期前）肠道微生物组相似，但在6周龄时（青春期后）观察到显著差异；Choi等[11]的研究发现，与对照组相比，卵巢切除组小鼠肠道中的疣微菌科、梭状芽胞杆菌、S24-7簇、拟杆菌和普氏菌属的丰度降低，而乳酸菌和双歧杆菌的丰度增加；Cox-York等[12]的研究发现卵巢切除组的小鼠与对照组相比，拟杆菌的丰度增加，厚壁菌门的丰度降低；Harada等[13]的研究结果发现，去雄小鼠组与对照组相比，其拟杆菌和瘤胃球菌的丰度降低。考虑到人类个体和啮齿类动物品系中肠道微生物组的固有差异，还需进一步的研究来了解肠道微生物的组成和功能是如何受到性激素的调控的。

3 肠道菌群与PCOS的相互关系

3.1 PCOS患者肠道菌群变化

由于性激素水平与肠道微生物组的变化有关，并且许多PCOS患者雄激素过多与PCOS患者出现胰岛素抵抗、糖耐量受损、脂代谢异常等代谢失调有关，因此肠道中的微生物失衡可能是导致PCOS的原因。许多研究探讨了肠道菌群与PCOS患者之间的关系。Lindheim等[14]通过对24名PCOS患者和19名健康女性粪便样本进行16S rRNA基因序列扩增分析，结果发现，与对照组相比，PCOS患者的粪便微生物组的多样性降低，系统发育谱发生变化，而且软壁菌门中的ML615J-28簇和拟杆菌门的S24-7簇细菌的相对丰度显著降低，同时，患者的肠道屏障功能和内毒素血症的部分标志物有所改变。上海交通大学的Liu等[15]的研究对象为33例PCOS患者（其中非肥胖的PCOS患者12人，肥胖的PCOS患者21人）以及15个对照受试者（非肥胖对照组9人，肥胖对照组6人），结果粪便样品中16S rRNA基因的V3～V4区域测序显示PCOS患者（包括非肥胖的患者和肥胖的患者）和非肥胖对照组之间的肠道微生物种类都存在实质性差异。根据细菌相对丰富度的SparCC相关系数，将细菌物种分为23个共丰度组（co-abundance genes，CAG）。为了探讨肠道菌群与宿主表型之间的关系，将临床参数和9种CAG之间的相关性进行了Spearman相关分析，结果表明，肠道菌群与PCOS相关症状之间存在显著相关性，包括肥胖症、炎症、高胰岛素血症、高雄激素症等。Torres等[16]通过16S rRNA基因测序分析了健康女性（n=48）、囊性卵巢（PCOM）患者（n=42）和根据鹿特丹标准诊断为PCOS的患者（n=73）的粪便微生物多样性谱，结果发现，与健康女性相比，PCOS患者肠道菌群的α多样性更低，且该组肠道菌群的多样性变化介于其他两组之间。回归分析结果表明，雄激素过多、总睾酮含量和多毛症与肠道菌群的α多样性呈负相关。对UniFrac距离方差的排列多元分析表明，雄激素过多也与肠道菌群的β多样性相关。这些结果表明，高雄激素血症在改变PCOS患者的肠道菌群构成中起关键作用。Qi等[17]研究了肠道菌群及其代谢产物对PCOS患者的卵巢功能障碍和胰岛素抵抗的影响，研究对象为50名PCOS患者和43名健康女性，结果发现，PCOS患者的肠道菌群中的拟杆菌数量显著升高。Insenser等[18]的研究对象为15名PCOS患者、16名非高雄激素性对照女性和15名男性，同时根据参与者的体重指数将其分为非肥胖组（＜30 kg/m2）和肥胖组（≥30 kg/m2）。结果发现，与男性对照组相比，女性的肠道菌群α多样性降低，肥胖的PCOS患者的肠道菌群β多样性也有所降低。PCOS患者的肠道菌群表现出特定的异常情况，其中包括链型杆菌属和坎德勒氏菌属的丰度增加，细菌多样性指数和细菌属的丰度变化与血清雄激素的浓度呈正相关，而与雌二醇水平呈负相关。性别、性激素浓度和肥胖的综合因素会影响年轻人肠道菌群的多样性和组成，在PCOS的患者中表现得尤为明显。Zhang等[19]的研究对象为38名PCOS患者和26名年龄相仿的对照女性，结果发现，对照组的粪杆菌属、毛螺菌属、双歧杆菌属和布劳特氏菌属的丰度显著高于PCOS组，而PCOS组的紫单胞菌属、颤螺旋菌属、拟杆菌、乳杆菌、大肠埃希氏菌/志贺菌和梭菌属的丰度则较高。舒新红等[20]研究了PCOS患者肠道菌群失调与炎症状态和胰岛素抵抗的关系，结果发现，肥胖型PCOS组的空腹胰岛素、胰岛素抵抗值以及肠杆菌数量均高于非肥胖型PCOS组和对照组，而乳杆菌和双歧杆菌数量却低于其他两组。杨月莲[21]的研究对象为56名PCOS患者及31名年龄相仿的对照女性，结果发现，PCOS患者与对照组肠道菌群的α多样性差异显著，拟杆菌门数量显著上升。

3.2 PCOS动物模型肠道菌群变化

为了进一步研究肠道菌群与PCOS的相互关系，大量研究构建了动物模型。Clavel等[22]发现人类肠道微生物群落与啮齿类动物在门类水平上有广泛的相似性，这表明啮齿类动物可能是研究人类肠道微生物组与PCOS之间相互关系的合适模型。在啮齿类动物中，已经采用了不同的方法就PCOS进行建模，包括在胎儿发育、出生后早期发育、青春期和成年期诱导雄激素过多的模型[23]。有研究用雄激素二氢睾酮来建模[24]，但更多的是用非甾体芳香酶抑制剂来曲唑来构建动物模型，因为此药物能够通过限制睾丸激素向雌激素的转化来提高睾丸激素的水平。且来曲唑模型具有许多类似PCOS的特征，包括雄激素过多、无排卵、多囊样卵巢和黄体生成激素增加，还包括体重增加、胰岛素血症和胰岛素抵抗在内的代谢表型[25]。Kelley等[26]的研究发现，4周龄的青春期雌性小鼠在来曲唑处理后，整个肠道微生物群落发生了明显的时间依赖性变化，以及其总体物种丰度和系统多样性显著降低。此外，由于来曲唑的诱导产生了特定细菌OTU的相对丰度发生显著的时间依赖性变化，这些细菌大多数是拟杆菌门和厚壁菌门的成员。Guo等[27]研究了肠道菌群对来曲唑诱导大鼠PCOS模型的发病机制和治疗的影响。结果发现，诱导组大鼠表现出异常的发情周期、多个大的卵巢囊肿以及卵巢组织中的颗粒层变化。同时，与对照组相比，肠道菌群中的乳酸菌、瘤胃球菌属和梭状菌属丰度较低，而普氏菌属丰度较高。当用乳杆菌（2×109/天，连续灌胃14 d）和健康大鼠粪便菌群移植（fecal microbiota transplant，FMT）处理PCOS组大鼠后，发现FMT组的所有8只大鼠的发情周期均得到纠正，而乳杆菌移植组8只大鼠中的6只的发情周期有所纠正、雄激素生物合成减少，且它们的卵巢形态趋于正常。同时，随着乳杆菌、梭状芽胞杆菌的增加和丙酸杆菌的减少，FMT组和乳杆菌治疗组的肠道菌群组成均得到恢复。这些结果表明肠道菌群失调与PCOS的发病有关，且FMT和乳酸菌移植的微生物群干预对PCOS大鼠的治疗有益。Torres等[16]研究了来曲唑处理对青春期和成年雌性小鼠肠道菌群的影响，结果发现，与安慰剂组小鼠相比，处理组小鼠的肠道菌群β多样性发生了明显变化。来曲唑对青春期雌性小鼠的处理导致粪球菌属、双歧杆菌属、Allobaculum以及疣微菌科相对丰度增加，而AF12、Dehalobacterium、消化球菌科以及拟杆菌门的相对丰度降低；与青春期小鼠相反，来曲唑对成年雌性小鼠的处理导致了其中的8个细菌属平均相对丰度发生变化（P＜0.05），其中毛螺旋菌科、瘤胃菌科和消化菌科的相对丰度增加，而乳酸菌的相对丰度降低。由于肠道微生物会通过粪—口途径在小鼠之间传播，Torres等[28]在用来曲唑和安慰剂处理雌性小鼠后，将小鼠分成三种不同的居住组：PCOS小鼠组（A组）、安慰剂处理组（B组）、两只PCOS小鼠+两只安慰剂处理小鼠（C组）。结果发现，C组的PCOS小鼠的生殖和代谢表征得到明显改善，同时，通过16S rRNA基因测序，发现C组的PCOS小鼠与A组小鼠相比，肠道微生物组的整体构成以及粪芽孢菌属和乳酸杆菌的相对丰度有所不同。Arroyo等[29]的研究结果表明，在来曲唑处理青春期雌性小鼠后，肠道菌群发生了变化，包括细菌种类丰度的降低（α多样性）和总体细菌群落组成的变化（β多样性）。其中，丰度变化的细菌种属包括乳酸菌、瘤胃球菌属、双歧杆菌属、毛螺菌科、Dorea、Odoribacter、罗斯氏菌属、萨特氏菌属等。当来曲唑去除后，肠道微生物的多样性、微生物组成以及特定细菌种属的相对丰度得到恢复。Qi等[17]的研究结果表明，与健康对照粪便移植组小鼠相比，PCOS患者粪便移植组小鼠表现出胰岛素抵抗和发情周期的中断以及生殖能力的下降；而且，对照组小鼠的卵巢含有处于不同发育阶段的卵泡，并显示出正常数量的黄体，而移植有PCOS患者粪便菌群的小鼠的卵巢却显示囊状卵泡数量增加，黄体数量减少。同时，为进一步评估普通拟杆菌对PCOS发病机制的影响，通过灌胃法向野生型受体小鼠施用普通拟杆菌，并且将热杀死的普通拟杆菌作为对照，结果发现实验组小鼠表现出胰岛素抵抗、发情周期、卵巢形态和荷尔蒙特征的改变。

4 肠道菌群在PCOS发生中的可能机制

尽管一些学者研究了PCOS患者的肠道菌群变化，但具体的与PCOS相关的微生物的功能和代谢机制仍需进一步的研究。研究[14,19]发现，PCOS患者肠黏膜屏障通透性指标二胺氧化酶以及内毒素血症相关指标脂多糖水平均显著升高。叶凌霞等[30]发现肠道菌群的变化与高雄激素血症和胰岛素抵抗有着密切的关系。

脑—肠轴是肠道菌群与大脑间的双向通信系统，主要通过中枢神经系统和包括饥饿激素、胆囊收缩素、PYY等胃肠道激素来调节机体的能量平衡。温麒丹等[31]的研究表明，肠道菌群的改变以及其与脑—肠轴之间的相互作用可能参与了PCOS的发病。另外，肠道菌群主要是通过其代谢产物包括短链脂肪酸（SCFAs）、氨基酸和胆汁酸来发挥调节作用，Louis等[32]的研究表明，PCOS患者肠道中的罗氏菌属、瘤胃球菌属、布劳特氏菌属、梭菌属均有所下降，所以这些菌属酵解的乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐等SCFAs含量下降，最终导致了肠道黏膜通透性增加和宿主能量代谢的恶化。许多肠道微生物具有合成包括支链氨基酸（BCAA）在内的多种氨基酸的能力，Pedersen等[33]发现PCOS大鼠模型肠道中的普雷沃菌属丰度升高，此菌具有增加循环BCAA水平、加重胰岛素抵抗、恶化糖代谢的作用。另外，有研究[18]揭示了肠道菌群及其代谢产物对PCOS相关卵巢功能障碍和胰岛素抵抗的调节作用，结果表明，胆汁酸代谢是影响PCOS患者肠道菌群变化的主要代谢途径之一。PCOS患者肠道菌群普通拟杆菌显著上调，且其胆汁盐水解酶基因的丰度显著增加，导致了甘氨脱氧胆酸（GDCA）和牛磺熊去氧胆酸（TUDCA）水平的降低，此研究表明，改变肠道菌群、改变胆汁酸代谢和增加IL-22水平可能对PCOS的治疗具有重要意义。Zhang等[19]发现了脑—肠轴与肠道菌群代谢产物的相互作用对PCOS患者的影响，主要是通过让14名患者食用益生菌双歧乳杆菌V9来了解肠道微生物调节性激素水平的潜在机制，认为食用双歧乳杆菌V9导致了肠道微生物如普氏粪杆菌、丁酸弧菌和阿克曼菌属的丰度增加，继而这些微生物产生的SCFAs含量增加，影响包括生长素释放肽（Ghrelin）和PYY在内的脑—肠介质的分泌水平变化，最后，Ghrelin和PYY水平的变化导致脑垂体和下丘脑分泌的性激素水平发生波动。该研究指出益生菌调节激素分泌的潜在机制与肠道微生物组的重建、营养物质的消化吸收以及与脑—肠轴的相互作用有关。