从肠道菌群角度探讨氧化应激在衰弱发生中的作用

陈斯越，汪慧菁

1.上海中医药大学研究生院，上海201203；2.上海健康医学院基础医学院，上海201318；3.上海中医药大学，上海201203

衰弱是一种复杂的临床疾病，一般认为衰弱是指机体储备功能和恢复能力的下降[1]，表现为微弱的刺激即可引发机体强烈的反应，且恢复时间长。根据Fried 提出的衰弱表型，判断衰弱的典型指征包括：没有原因的体重丢失、疲劳、肌无力（握力下降）、步速缓慢以及身体活动度降低[2]。这5 个特征中符合3 个或以上即可认定为衰弱，符合1～2个可判断为衰弱前期，均不符合则认定为无衰弱。此外，也可以通过基于67 项健康指标测试的累计减少得分计算衰弱指数，或通过临床衰弱登记量表来进行衰弱等级的评估[1]。

对于衰弱的发生机制目前虽有一些研究和假设，但并不明确。可能与多个组织、系统的损伤积累有关，骨骼肌、免疫、内分泌、血液以及心血管系统都参与其中[3]。衰弱在老年群体中有着较高的发生率，并增加了多种继发疾病的易感性，给老龄化社会带来了极大的负面影响。由于衰弱的发生机制不明，限制了对衰弱诊断、干预等方法手段的进一步研究，因此探究衰弱发生的可能机制显得尤为重要。

本文从衰老的自由基学说出发，综述了氧化应激（oxidative stress, OS）导致衰弱发生的相关研究；从肠道菌群与OS 相互作用的角度分析了肠道菌群通过改变OS，影响衰弱发生的作用和可能机制；并提出可能用于预测衰弱的生物学指标及研究方向。

1 OS 在衰弱发生中的作用

衰弱与增龄具有明确关联，分析增龄相关性衰老的机制对于理解衰弱有借鉴意义。上世纪50年代，Harman[4]提出了衰老的自由基学说。这一学说认为氧自由基会损害细胞成分和细胞周围组织，造成身体机能衰退和老龄化疾病。随后研究者发现了OS，即体内氧化与抗氧化作用的平衡向氧化倾斜，导致中性粒细胞炎性浸润、蛋白酶分泌增加，产生大量氧化中间产物。Viña 等[5]认为OS 是对机体功能造成负面影响，并导致衰老和疾病的重要因素。也有学者认为氧化损伤可能是由于抗氧化防御与活性氧、活性氮（reactive oxygen and nitrogen species, RONS）之间的不平衡，脂质、蛋白质和DNA 等大分子物质发生化学修饰[6]，对机体正常功能产生影响，从而诱发心血管疾病、神经退行性疾病、慢性阻塞性肺疾病或癌症等老年疾病。

衰老的自由基学说使人们开始关注OS对衰弱造成的影响，越来越多的研究表明OS 与衰弱有关。Wu 等[7]筛选了90 例65 岁以上的志愿者，根据Fried 的衰弱表型将受试者分为衰弱组、衰弱前期组和无衰弱组。检测受试者血清中的OS 标志物8-羟基-2’-脱氧鸟苷（serum 8-hydroxy-2’-deoxyguanosine, 8-OdG）、代谢标志物血清白蛋白含量和炎症标志物超敏C 反应蛋白（serum high-sensitivity C-reactive protein, hs-CRP）。结果发现衰弱组的血清白蛋白和hs-CRP水平较其余2 组升高，8-OdG 和hs-CRP 水平随衰弱进展而加重。

肌少症与衰弱的发生有着密切的联系，欧洲老年肌少症工作组将严重的肌少症定义为衰弱前期。Coto Montes等[8]发现肌少症与脂质过氧化密切相关。在200 例被确诊为肌少症但可以自理的80 岁老人中，与OS 有关的指标丙二醛（malondialdehyde, MDA）和反式-4-羟基-2 壬烯醛显著增加，提示OS 可能可以用于肌少症的预测。而这些指标是否可用于预测衰弱则有待于进一步研究。Serviddio 等[9]比较了衰弱患者与非衰弱个体的氧化型谷胱甘肽、肿瘤坏死因子- 、MDA 和4-羟基-2,3-壬烯醛等OS 相关指标，发现这些指标均显著升高。Liu 的团队[10]也得到了相似的研究结果，他们发现衰弱的发生比例会随着白细胞介素-6（interleukin-6, IL-6）和异前列腺素和脂蛋白磷酸化A2 等指标的增加而增加。这些研究都表明了衰弱和OS 的关系，提示血清中的OS 相关指标可能是预测衰弱的潜在标志物。

2 肠道菌群与宿主OS 的相互作用

OS 受到体内外多种因素的影响。肠道菌群作为一个连接体内外的桥梁，在调节OS 中发挥了重要的作用。人体内有超5 000 种的微生物，大部分属于厚壁菌门拟杆菌门放线菌门和变形菌门4 个主要菌门，并组成了肠道菌群的核心群体。

肠道菌群可以影响体内活性氧（reactive oxygen species,ROS）水平，从而影响体内OS 状态。多种结肠细菌如梭杆菌梭状芽胞杆菌大肠埃希菌沙门氏菌克雷伯菌链球菌脱硫弧菌和肠杆菌等可将半胱氨酸的硫基转化成硫化氢（H2S）[11]，进而转化成硫代硫酸根（）。在肠道发生炎症时，肠道黏膜促使硫代硫酸根氧化为连四硫酸根离子（），同时伴随着RONS 的生成。体外实验发现含有硫代硫酸的连四硫酸营养液可以促进沙门氏菌的增生。在厌氧和微需氧环境下，连四硫酸根可特异性促进鼠伤寒杆菌模式菌株增殖[12]。此外，也有文献报道一些特殊的肠道菌群可引起ROS 急剧增加。乳酸杆菌是ROS 的强效诱导菌，可以通过某种特定的膜成分或分泌因子刺激细胞产生ROS[13]。幽门螺杆菌的致病机理也可能与其促进ROS 生成有关。幽门螺杆菌可诱发严重的白细胞组织浸润，释放毒力因子刺激上皮细胞产生ROS，分泌髓过氧化酶、趋化因子和促炎症子，导致胃肠道微生物群失调，诱发非酒精性脂肪肝病（non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD）等疾病。而抗氧化酶——超氧化物歧化酶（superoxidedismutase, SOD）可用于治疗NAFLD。SOD 可将超氧阴离子（O-）转化为过氧化氢（H2O2）和分子氧（O2），从而预防ROS 的积聚[14]。

与此同时，OS 也会导致肠道菌群紊乱。发生OS 时，肠道上皮被动扩散氧化产物，从而增加氧化电势，刺激需氧菌生长，进而改变宿主细胞组成和代谢信号[15]。不仅如此，ROS 可以通过核因子B 通路刺激IL-6 和其他炎症因子的产生[16]，肠道炎症可增加兼性厌氧菌（主要是肠杆菌科），加重肠道菌群失调[17]。另外，抗生素可以通过间接影响肠道内的OS 来改变肠道菌群的微生物丰度和多样性，这也从一个侧面为OS 影响肠道菌群提供了证据。如链霉素[18]可以通过消耗可产生丁酸盐的梭状芽胞杆菌来增加肠道上皮氧化物，促进需氧的沙门氏菌生长。这些研究均提示，当机体发生OS 导致肠道菌群紊乱时，及时调节肠道菌群可能不失为一种改善OS，并进一步预防衰弱发生的有效手段之一。

3 肠道菌群在衰弱发生中的潜在作用

随着年龄的增长，肠道菌群的多样性和丰度会减少，其中有害菌的增加，使可利用的短链脂肪酸减少，有益的共生菌减少，而这种有益菌可以抑制致病共生菌的生长，并通过类似短链脂肪酸的脂质代谢物来维持肠道屏障的完整性。提示肠道菌群可能与衰弱的发生直接相关。

Rampelli 等[19]报道了衰弱个体短链脂肪酸的生成与排泄物中的丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐水平减低相关。利用鸟枪法检测特定人群微生物DNA，发现百岁老人体内埃希菌和瘤胃球菌表达增加，同时粪杆菌真杆菌和双歧杆菌水平也提高。另有研究表明[20]，老年人体内的厚壁菌门的梭菌群XIVa和柔嫩梭菌放线菌门的双歧杆菌和变形菌数量较年轻人多。对于青年健康人群而言，由于肠道菌群冗杂的功能，个别菌群变化并不会带来较大的负面影响。但对于老年人群，肠道菌群的上述改变则有可能导致衰弱。Jackson 等[21]研究了衰弱与肠道菌群成分组成之间的关系发现，衰弱与梭菌（其中柔嫩梭菌占比最大）的丰度呈负相关，而与细长真杆菌和迟缓诶格特菌呈正相关。肠道菌群与衰弱的关系不仅可以通过与自然年龄的增长研究来证明，也可以通过生理学年龄来体现。事实上，生理学年龄与衰弱的关系更为密切，可以更好地体现衰弱与肠道菌群的联系。在Maffei 等[22]的研究中，将85 例43～79岁的志愿者根据生理学年龄或实际年龄分为低、中、高3个年龄组，其中生理学年龄通过34 项衰弱指数值（34-item frailty index, FI34）体现。根据FI34值划分的3 个年龄组肠道菌群丰富度和多样性有着明显差异，其中诶格特菌是影响最大瘤胃球菌和粪芽胞菌的3 个种属。而根据实际年龄划分的年龄3 分段肠道菌群差异并不显著。

4 总结与展望

通过上述相关研究不难发现，随着年龄的增长，肠道菌群可发生丰度及多样性的改变。特定的肠道菌群可刺激体内ROS 的生成，影响机体OS 水平，引起体内生物大分子受损，可能成为衰弱的诱发因素之一。但有许多问题尚待解决：（1）衰弱是一个极为复杂的临床表现，目前尚没有统一的诊断标准。由于受试个体间的差异大，且衰弱涉及的机制复杂多样，使得衰弱的研究标准普遍缺乏共识[3]，并因此衍生出各种版本的衰弱评定标准[1]。而缺乏统一的诊断标准可能使不同研究之间的数据可比性降低。（2）肠道菌群本身并不稳定，受到免疫、饮食、感染和药物等多方面的影响，其中饮食对肠道菌群的影响极大。健康食物多样性指数与放线菌门、变形菌门和变形菌门的多样性指数呈正相关[23]。老年人牙齿退化，食欲减退导致饮食结构变化势必会影响肠道菌群，增加了研究的不确定因素。（3）衰老与衰弱并不是完全相同的概念。根据奚兴等[24]对北京683 例老人的调查研究发现，无衰弱的老人有43.2%，而衰弱和衰弱前期的老人分别为11.1%和45.7%。因此建立专门的衰弱模型，并排除增龄的影响，直接研究衰弱和肠道菌群的关系，可以有助于明确菌群在衰弱发生发展中的作用及潜在机制。