高原低氧对肠道菌群影响的研究进展

姜占青，荣光宏，马颖才

（青海大学研究生院，青海 西宁）

1 肠道菌群的概述

人体肠道中栖息着远远超过人体自身细胞数量的微生物，这些微生物被统称为肠道菌群；肠道菌群是人体肠道的正常微生物，大约由400～500 种不同的细菌组成，其中30～40 种占肠道菌群的99%[1]。人体肠道细菌的数量约为体细胞的10 倍，大体分为生理性菌群、条件致病菌及病原菌3 种；生理性菌群是肠道优势菌群，数量大，种类密集，具有免疫调节、营养等作用；条件致病菌在正常情况下无害，当机体免疫力降低时具有侵袭性；病原菌能产生致病物质，肠道优势菌群失调时，宿主免疫力低下，可以大量增殖而致机体感染[2]。肠道的正常微生物在促进营养物质吸收、保护肠道黏膜屏障、促进上皮细胞的生长发育、促进肠道淋巴组织的形成、调节肠道 pH 值 、免疫应答、生物拮抗等方面发挥关键作用[3]。最近研究表明肠道不仅是消化和吸收营养物质的重要脏器，而且还具有免疫调节、内分泌、黏膜屏障保护等功能，更是人体最大的排毒器官，而肠道菌群是肠道生物屏障的重要组成部分，缺氧可引起胃肠黏膜的病理性损伤，破坏肠黏膜完整性，细菌侵入，一方面肠道毒素入血，另一方面引起肠道细菌移位，进而引起MODS（多器官功能障碍综合征），从而形成恶性循环[4]。由此可见，肠道微生态系统对维持人体肠道屏障的稳态至关重要，肠道菌群与宿主健康之间始终处于动态平衡中，形成互相依存、相互制约的系统，当肠道内菌群组成、比例失调时，肠道菌群就会从短链脂肪酸、内毒素血症、胆碱、胆汁酸代谢等多种途径打破机体与肠道菌群之间的平衡[5]。

2 高原低氧的概述

在地理学上，海拔在500m 以上称为高原；在医学角度上，确定海拔2500m 以上为高原。高原地区所形成的特殊气候环境，具有高寒、低气压、低氧、强紫外线辐射等气候特点[6]。高原缺氧环境可以引起胃肠道运动功能减弱，胃肠黏膜病理性损伤，黏膜屏障保护作用减弱，导致肠黏膜上皮细胞脱落凋亡，破坏肠黏膜的完整性，从而导致肠道菌群失调[7,8]。高原缺氧环境可引起机体复杂的病理生理改变，消化道病症很常见，包括上腹部疼痛、食欲减退、消化不良、烧心、胃肠道出血和消化性溃疡等[4]。其中，以胃肠道出血最为严重，当海拔超过3000m 时，就可出现程度轻度不等的高原胃肠道出血，而海拔5000m 以上更容易罹患[9]。

3 低氧对肠道菌群的影响

3.1 急性缺氧对肠道菌群的影响

急进高原缺氧环境后可引起一系列胃肠道反应，导致胃、肠黏膜病理性损伤，出现黏膜糜烂、坏死、出血和溃疡形成[10]。正常情况下，小肠黏膜上皮组织代谢旺盛，新老细胞更新替换，血液中的氧弥散入组织，组织中的氧浓度维持着肠黏膜上皮细胞的正常代谢；当机体出现缺氧时，无氧代谢增加，局部代谢产物堆积，胃、十二指肠黏膜的毛细血管损害加重，从而使胃、 十二指肠黏膜受损进一步加重[11]。杨文翠、张方信[7,12]等建立急性高原缺氧模型（分为：A 组：3848m；B 组：4767m；对照组C），从以下七个观察指标进行研究：（1）大鼠菌群失调率：A 组：53%；B 组：87%；C组：23%；可见高原缺氧模型组大鼠菌群失调率高于平原对照组，表明大鼠急进高原缺氧环境后，出现肠道菌群失衡，表现为随海拔增高，肠道菌群失衡更明显；（2）大鼠粪便PH 值失调率：A 组：53%；B 组：80%；C 组：20%；可见模型组PH 值失调率明显高于对照组；（3）肠粘膜组织TNF-α 和IL-6 的含量：模型组TNF-α 和IL-6 的含量明显高于对照组，表明大鼠暴露于高原缺氧环境后，体内炎症反应增强，细胞因子浸润，且随海拔升高，肠黏膜损伤进一步加重，导致肠道菌群失衡更明显；（4）肠道组织形态学变化：大鼠急进高原缺氧环境后，肠黏膜绒毛上皮细胞剥离、脱落，上皮下间隙水肿，小肠黏膜变薄、绒毛缩短和吸收面积减少；（5）肠道菌群变化：模型组双歧杆菌比例减少，大肠埃希菌比例增加；表明双歧杆菌随着上皮细胞的脱落而减少，减弱肠黏膜的保护作用，从而使条件致病菌数量增多，定植力增强，并且随海拔升高，肠道菌群失调更明显；（6）细菌易位率：A 组：15%；B 组：37.5%；C 组：2.5%；可见模型组细菌易位率明显高于对照组，表明大鼠急进高原缺氧环境后，导致肠黏膜损伤，增加了肠黏膜的通透性，条件致病菌数量增多，定植力增强，导致肠道菌群紊乱，使细菌和内毒素穿过损伤的肠黏膜进入组织（肠系膜淋巴结、肝、脾、血液）发生易位；（7）建立急性高原缺氧模型（分为：A 组：4500m；B 组：5500m；对照组C）小肠黏膜超微结构变化：观测表明上皮细胞微绒毛排列紊乱，大量萎缩、脱落，细胞内线粒体肿胀，内质网扩张，细胞结构紊乱[13]。

3.2 慢性持续缺氧对肠道菌群的影响

在肠黏膜的绒毛和微绒毛上，微生物通过分泌黏附因子等方式在肠黏膜上定殖[14]。人或动物的肠黏膜处于高灌注状态，于是对缺血、缺氧极度敏感，不论人体整体还是胃肠道局部缺血、缺氧的状态都会直接损伤肠黏膜，进而显著影响肠道微生物的定殖[15-16]。马燕[17]等研究表明：将SD 大鼠分为对照组(海拔43.5 m)和实验组(模拟海拔4 500m)，提取大鼠肠道微生物DNA，分别从肠道微生物群落多样性、相对丰度以及组间差异性等方面观察大鼠粪便后得出结论：（1）肠道微生物群落多样性分析：α 多样性示：对照组第28 天时大鼠肠道微生物群落丰富度最为显著；β 多样性示：对照组第 21、28 天大鼠的肠道微生物群落构成相似；上述结果表明：低氧暴露会改变 SD 大鼠肠道微生物群落的α 及β 多样性，低氧暴露过程中SD 大鼠肠道微生物群落的结构和丰富度呈动态变化；（2）不同低氧暴露时间组肠道微生物群落的厚壁菌门与拟杄菌门的比值（Firmicutes/Bacteroidetes，F/B 值)低于同时间对照组；（3）对照组SD 大鼠肠道微生物群落中碳水化合物代谢相关菌群(普氏菌和拟杄菌)明显增加；（4）通过 PICRUst 分析发现，不同低氧暴露时间组和对照组SD 大鼠肠道微生物群落的功能存在一定差异。周静[18]等研究表明：肠道粘膜的损伤随着海拔高度和缺氧时间的延长而加重。在海拔高度与缺氧时间相同的情况下，小肠的损伤较结肠严重，但空肠和回肠的损伤无明显差异；结肠损伤可能与高原暴露时间有关，早期不明显，随着缺氧暴露时间的延长，结肠损伤越明显。

3.3 慢性间歇性低氧对肠道菌群的影响

3.3.1 间歇式低氧是低氧和常氧反复交替周期循环的一种供氧模式[19,20]。近几年来，短期间歇性低氧暴露引起的高原习服反应受到重视。短期间歇性低氧暴露的主要目的是提高运动员的有氧能力或提高高山运动员的高原适应反应，因为这类项目会导致红细胞质量的增加。慢性间歇性低压低氧(Chronic intermittent hypobaric hypoxia ,CIHH)是一种模拟高原常氧中断的中度缺氧治疗，CIHH 可以促进血管生成因子等分子的作用，促进多种组织类型的修复和恢复[21]。

3.3.2 Tian YanMing[22]等研究发现

将大鼠置于低压低氧室中，用于模拟5000m 高度28 天，每天6 小时(不包括上升和下降时间)的低压低氧处理后，CIHH 组的Shannon 指数高于对照组，表明CIHH 大鼠粪便样本中物种分布的均匀性增加，优势物种的丰度下降，而群落中的主要物种保持不变。在门水平上，最主要的是厚壁菌门，其次是拟杆菌门、变形菌门；与对照组相比，CIHH 大鼠的Firmicutes/Bacteroidetes(F/B)比值明显低于对照组；在属水平上，CIHH 组乳杆菌属、布劳特氏菌属减少，颤螺菌属、别样棒菌属菌相对丰度增多；Alpha 多样性指数示：与常氧对照组比较，CIHH 组微生物群落物种OTUs 总数明显降低；这与间歇性低氧（每天8 小时）处理大鼠8 周后结果一致[23]。

4 总结与展望

急进高原后，胃肠道蠕动减慢，抑制消化腺的分泌，唾液、肠液、胆汁、肠淀粉酶等消化食物的分泌物均减少，但胰腺分泌轻度增加；胃肠道钡餐提示：胃肠道功能紊乱，表现为蠕动亢进或减弱[24]。因此出现不同程度的消化系统症状：主要有腹胀、食欲不振、恶心、呕吐、腹痛、便秘、黑便等[25]。在慢性缺氧下，由于血红蛋白浓度增高、血液粘稠、血流速度缓慢等因素，胃黏膜微循环受到直接影响，胃黏膜严重缺血、缺氧，黏膜出血、糜烂和坏死，易导致慢性胃炎和胃溃疡，慢性高原病（高原红细胞增多症）患者胃镜及病理学主要表现为慢性糜烂性胃炎、慢性浅表性胃炎和胃窦部线形溃疡等。显微镜下约90%可见胃黏膜出血或出血斑，呈水肿样变，约81%有黏膜糜烂坏死，少数人在组织学上有轻度肠上皮化生和增生性改变。

综上所述，高原缺氧的恶劣环境，造成机体肠道菌群紊乱，可引起胃肠黏膜的病理性损伤，最终导致高原胃肠道疾病；无论是急性缺氧、慢性持续缺氧还是慢性间歇性缺氧均会对肠道菌群产生影响。随着DNA 测序技术的不断成熟、肠道宏基因组计划的实施以及代谢组学的不断发展，基因水平的研究为进一步发现高原缺氧环境对肠道菌群的影响提供了新的参考。未来的研究方向或许应该是常见益生菌制剂是否通过何种机制可以预防急进高原及长期高原居住人群肠道菌群紊乱，从而更明确的指导高原胃肠道疾病的诊治。