肠道微生物群与儿童生长间相关性的研究进展及临床意义

董治亚，戴彤彤

（上海交通大学医学院附属瑞金医院儿内科，上海 200025）

儿童的生长发育受多种因素影响，已有研究表明，遗传、营养、运动、睡眠及过敏体质等均会影响儿童的生长发育[1]。新近研究表明，肠道微生物群在哺乳动物的生长中也发挥着重要作用。肠道微生物群是由数以万计的微生物组成，寄居于胃肠道之中，其编码的基因约是人类基因组的150 倍[2]。研究表明，肠道微生物群广泛参与了机体的生理反应，且与糖尿病[3]、高血压[4]、肥胖症[5]等多种疾病相关。目前，在动物模型中，肠道微生物群与生长间相关性的研究已取得了一定进展。有研究显示，与无菌小鼠相比，无特定病原体（specific pathogen free，SPF）级小鼠的身长、体重明显较高[6]。目前的研究结果表明，长期营养不良会导致生长迟缓和生长激素抵抗，而将野生型小鼠肠道中的微生物群定植到营养不良小鼠体内后，后者对生长激素的敏感性明显提高，继而可促进体内胰岛素样生长因子1（insulin-like growth factor-1，IGF-1）产生，改善营养不良所导致的生长缓慢。

目前，营养不良仍然影响着全球1.5 亿5 岁以下儿童，而肠道微生物群可以改善营养不良动物模型的生长迟缓，这具有重大的现实意义[6]。然而，当前对肠道微生物群与生长间联系的研究主要集中于果蝇、小鼠等动物模型中，尚缺乏大规模系统的临床研究。对生长迟缓儿童与正常儿童间肠道微生物群差异的研究，分析肠道微生物群在儿童生长发育中发挥的作用，从而探讨肠道微生物在儿童矮小治疗中的临床意义，这可能是今后的研究重点。本文将就肠道微生物群在动物模型生长及儿童生长疾病中的研究进行介绍和总结。

动物模型中肠道微生物群与生长间的相关性

几十年来，被称为“益生菌”的肠道微生物群补充剂被广泛应用于养殖业中，人们期待通过这些肠道微生物群补充剂来促进家禽、家畜的生长。然而，这种促进生长作用的机制仍然存有较大的争议[7]。如果微生物确实可以影响生长，究竟是哪一种微生物发挥着重要作用，微生物影响机体生长的具体分子机制是什么，是否在机体中存在对机体生长起抑制作用的微生物与促进生长的微生物相互拮抗，微生物促进生长的机制是否具有保守性，还是普遍参与到多种动物的生长中,诸多问题亟待解决。因此，建立动物模型来验证肠道微生物群与生长之间的关系十分必要。已有研究显示，在斑马鱼、小鼠等动物模型中，无菌动物体内的IGF-1 浓度低于SPF 级动物，而IGF-1 是动物生长的重要影响因子，提示肠道微生物群与生长间可能存在一定的相关性。由于在果蝇、小鼠等模型中相关研究较为深入，本文主要介绍在果蝇和小鼠中取得的研究进展。

一、果蝇模型中肠道微生物群与生长间相关性的研究

肠道微生物群与生长间相关性研究中，最早建立的动物模型是果蝇。动物模型显示，在低营养状态下以植物乳杆菌为主的肠道微生物群可以维持果蝇幼虫的生长。而进一步的机制研究显示，肠道微生物群可能影响了果蝇体内激素的合成，从而影响果蝇生长。

1.肠道微生物群与果蝇生长相关：Storelli 等[8]以果蝇为动物模型，建立了果蝇肠道微生物群16s RNA 基因库，结果发现在果蝇肠道中粪肠球菌和植物乳杆菌占比优势明显。随后，研究比较了无菌果蝇与正常果蝇在相同培养环境下的生长状态，发现在营养充足的饲养环境下，两者幼虫的生长状态并无差异；而在营养缺乏状态下，无菌幼虫羽化为成虫的时间却是正常果蝇羽化为成虫时间的2 倍，但最终2 组成虫大小间并无差异。进一步研究发现，在完全没有酵母的情况下（酵母可为果蝇生长提供营养物质），添加植物乳杆菌可以促进这些无菌果蝇幼虫的生长，而相同培养状态下，未添加植物乳杆菌的无菌幼虫则会死亡。但该研究对另一种果蝇肠道优势菌——粪肠球菌进行了相同的实验，结果却未观察到类似现象。这些结果表明，植物乳杆菌可促使低营养状态下果蝇幼虫的生长，同时也在保证低营养状态下果蝇幼虫的存活中发挥了重要作用[8]。

2.肠道微生物群与果蝇生长相关的相关机制：有研究显示，果蝇幼虫的生长、发育与类固醇激素、蜕皮激素和果蝇胰岛素样肽（drosophila insulin-like peptide，DILP）相关，该研究表明，伴生植物乳杆菌的幼虫，其胰岛素受体（insulin receptor，InR）表达较低。通常，胰岛素受体的表达与DILP 活性呈负相关[9]，即低胰岛素受体表达代表着高DILP 活性，提示以植物乳杆菌为主的肠道微生物群会导致果蝇幼虫体内促进生长的相关激素水平上升，从而促进果蝇幼虫的生长。

二、小鼠模型中肠道微生物群及其与生长间相关性的研究

仅使用果蝇等无脊椎动物作为研究对象来论证肠道微生物群与生长发育间的关系，并没有足够的说服力以证明肠道微生物群对生长促进作用的普遍性，只有综合多种动物模型，才能回答肠道微生物群与宿主生长发育间相互作用是否具有普遍性的问题。小鼠是经典医学研究的首选哺乳动物模型。人们比较无菌小鼠与SPF 级小鼠间的生长差异，可探究肠道微生物群在哺乳动物生长中发挥的作用。

1.肠道微生物群与断奶后小鼠的生长相关：研究显示，在相同环境下，给予无菌小鼠与SPF 级小鼠标准饲料饲养，在刚断奶时，2 组小鼠的体重无明显差异，而在8 周龄时，无菌小鼠的体重比SPF级小鼠轻14.5%，身长短4%。无菌动物的骨生长参数，包括股骨长度、皮质厚度、皮质骨分数和股骨小梁分数皆降低，由此推断，肠道微生物群在断奶后小鼠的身长及体重增加中发挥了重要作用[6]。

2.肠道微生物群与小鼠生长的相关机制：肠道微生物群的代谢产物短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）可能参与了机体的生长、发育。SCFA 是由肠道微生物群进行发酵作用后仍不可消化的多糖产生，可调节代谢率和能量平衡，潜在介导肠道微生物群与生长之间的联系。有研究显示，给经抗生素治疗的小鼠喂食SCFA 后，小鼠体内的IGF-1浓度上升[10]。关于增加SCFA 是否会导致幼鼠骨量增加，则是接下来的研究方向。

肠道微生物群与生长间的相关机制研究

肠道微生物群是近期诸多领域的研究热点。目前，许多学者已在多种动物模型中进行了生长相关实验研究，并对肠道微生物群影响生长的机制提出了一些假设。其中，较为成熟的是“肠道微生物-能量-生长”以及“肠道微生物-代谢产物-生长”假说。关于肠道微生物群影响生长的具体机制尚处于探索阶段，以下笔者将就能量代谢、促生长和骨重建的相关机制进行总结。

一、肠道微生物群促进能量代谢

1.机制：肠道微生物群可能经发酵以及提供机体消化吸收所需要的酶类等机制，影响机体的能量代谢，从而参与到生长、发育过程中。肠道微生物群在食物成分的代谢中发挥着重要作用，特别是蛋白质、脂肪和碳水化合物[11]。每日饮食中，大量难消化的碳水化合物经肠道微生物群的发酵作用，产生大量SCFA，特别是丁酸，它是结肠细胞发挥生理功能的首要能源，故而肠道微生物群可以合成SCFA，参与能量代谢，而如失去肠道微生物群的发酵作用，这些难以消化的碳水化合物便会经粪便形式流失，从而影响机体的营养状态。

2.临床意义：出生低体重儿的发育明显低于同胎龄正常体重儿，研究表明，两者间的肠道微生物群构成存在明显差异[12]。肠道微生物群在新生儿中的定植基本过程为，由兼性厌氧微生物定植逐步发展到严格的厌氧菌定植。在健康的足月婴儿肠道中，双歧杆菌和拟杆菌等厌氧菌可能在第1 周内达到高水平，但在低出生体重婴儿肠道中，这种从兼性厌氧菌到严格厌氧菌的转换过程被明显延迟和扰乱，低出生体重婴儿的肠道菌群分布表现为更高水平的兼性厌氧微生物定植，如肠杆菌科、肠球菌科、大肠杆菌、肠球菌属、肺炎克雷伯菌、葡萄球菌属等，而双歧杆菌、类杆菌等严格厌氧菌的定植水平降低[12]。双歧杆菌和类杆菌有利于母乳的消化，因人乳寡糖是母乳的重要营养成分，而婴儿体内缺乏乳寡糖消化所需的酶，难以消化的碳水化合物传递至肠道下部，由双歧杆菌等肠道微生物消化，为婴儿期的生长发育提供能量及营养[13]。出生低体重婴儿体内的双歧杆菌等严格厌氧菌减少，因而影响其生长、发育。

二、肠道微生物群诱导IGF-1 的产生

已知IGF-1 对骨骼生长具有促进作用，与野生型小鼠相比，无菌小鼠的血清IGF-1 水平明显降低，同时保持无菌状态的小鼠与再次定植常规肠道微生物群的无菌小鼠相比，后者血清中IGF-1 浓度较高[10]。随着人们对抗生素和肠道微生物群间关系的逐渐了解，在饲喂小鼠过程中加入特定抗生素，可以此来影响其肠道微生物群构成。有研究显示，口服万古霉素（针对肠道中革兰阳性菌的抗生素）治疗后，小鼠血循环中的IGF-1 降低，血清中的骨形成标志物Ⅰ型胶原蛋白的N 端前肽（N-terminal propeptide of typeⅠcollage,P1NP）浓度也下降[14]。与IGF-1、P1N1 增加相对应的是，肠道微生物群的定植增加了骨形成，导致股骨长度增加，因此与无菌小鼠相比，SPF 小鼠的股骨长度、皮质厚度、骨小梁明显增加[15]。这些研究皆表明，肠道微生物群可以促进IGF-1 的产生，并影响骨的形成，从而发挥促进生长的作用。

不同肠道菌属对IGF-1 的产生可能具有不同的影响。与无菌幼鼠相比，常规幼鼠肝脏的IGF-1基因表达上调[6]，而给鸡喂食了植物乳杆菌后，其肝脏IGF-1 基因的表达更高。肠道微生物群似乎可经由调节IGF-1 基因表达从而影响IGF-1 的产生。肝脏是循环中IGF-1 的主要来源，同时，肌肉细胞、骨、脂肪也会产生IGF-1，经旁分泌和自分泌效应影响生长。此外，最近报道白色脂肪组织也会产生足量的IGF-1 分泌到循环中[16]。研究提示，在大肠杆菌O21∶H+定植于动物后，白色脂肪组织中的IGF-1 mRNA 和蛋白水平显著升高，而肝脏和肌肉中的IGF-1 表达没有变化[17]。

然而，目前对于肠道微生物群影响IGF-1 水平的具体分子机制仍然没有明确，需要进一步进行探讨和研究。

三、肠道微生物群介导骨重建机制（见图1）

图1 肠道微生物群介导骨重建机制

目前，肠道微生物群介导骨重建的机制有如下几种。

1.IGF-1 介导成骨细胞调节骨形成：骨重建是由破骨细胞和成骨细胞调控的，骨形成比骨吸收活跃则可观察到净合成代谢，骨吸收比骨形成活跃则可观察到骨的分解代谢。早期研究显示，与常规饲养的小鼠相比，无菌小鼠骨表面的破骨细胞数量减少，骨量增加，这似乎表明肠道微生物群可以激活骨吸收破骨细胞来刺激骨的丢失[18]。新近研究显示，无菌小鼠体内的IGF-1 浓度明显低于常规饲养小鼠，提示肠道微生物群可能通过IGF-1 介导了骨形成[19]。

2.SCFA 诱导IGF-1 生成介导骨重建：研究表明，IGF-1 浓度与SCFA 浓度相关，给经抗生素处理的小鼠补充SCFA 后，小鼠肝脏和脂肪产生IGF-1 增加，因而循环中的IGF-1 浓度也升高，表明了补充SCFA 后，体内IGF-1 浓度的升高间接影响了骨形成。比较无菌小鼠与肠道定植微生物群后的无菌小鼠的生长状态，根据显微CT 和组织学的测量发现，肠道微生物群定植小鼠的长骨生长板明显更厚，并有更多肥大的软骨细胞。这些数据表明，在肠道微生物群定植小鼠中有更活跃的软骨内骨化，这可能会改变长骨的纵向生长[10]。

3.SCFA 通过G 蛋白偶联受体（G-protein-coupled-receptor，GPCR)直接影响骨重建：肠道微生物群产生的SCFA，除了可增加IGF-1 浓度从而间接参与骨形成外，也可能直接参与了骨的生理调节。随着SCFA 受体GPCR（特别是GPR41、GPR43）被发现，SCFA 的作用逐渐受到重视。丁酸钠对破骨细胞分化的抑制作用已被证实[20]。研究表明，破骨细胞前体可以表达SCFA 受体，而丁酸盐和丙酸盐可以激活GPCR，从而抑制破骨细胞的分化，导致骨吸收降低，在机体内表现为骨的净合成代谢[19]。因此，肠道微生物群可能增加肠道内SCFA 的产生，从而抑制骨吸收，促使骨重建。

肠道微生物群与各类生长迟缓疾病的相关性研究及临床意义

一、肠道微生物群与特发性身材矮小（idiopathic short stature，ISS）的研究

ISS 占身材矮小症的60%～80%[21]，是一种病因不明的儿童身材矮小的总称。ISS 的病因较为复杂，与遗传、营养等多种因素相关，但仍有很多尚未明了的机制。肠道微生物群与生长间的相关性在动物模型中已经得到证实，这为ISS 发病机制的研究提供了新方向。

李林等[22]对ISS 与健康儿童进行研究，探讨肠道微生物群对儿童生长、发育的影响。该研究经过严格筛选，入选了16 例ISS 患儿和16 名同地区身高正常的健康儿童，以粪便中细菌16S rRNA V3～4区域作为目标片段，采用第二代测序技术对其进行分析，发现2 组儿童的肠道微生物群丰度和菌群结构存在显著差异。ISS 患儿肠道微生物群的丰度明显低于健康儿童（P<0.05），加权主坐标分析显示，2 组肠道微生物群的构成存在差异。线性分析结果显示，ISS 组柔嫩梭菌属、真杆菌属等与身高呈正相关的菌属丰度较低，而副拟杆菌属、梭菌属等与身高呈负相关的菌属丰度较高。同时，对2 组儿童血液中IGF-1 浓度的分析显示，ISS 组的血液IGF-1浓度较健康儿童降低。故该研究推测，ISS 患儿由于肠道微生物群的紊乱导致了体内合成IGF-1 减少，从而造成身材矮小[15]。

该研究首次使用第二代测序技术，分析ISS 患者与健康儿童肠道微生物群之间的差异，为探索ISS 的发病机制及寻求更加安全、有效的ISS 诊疗方案提供了实验基础。目前，国内外尚无其他的肠道微生物群与儿童矮小症间相关性的研究，但此方面的研究可能是今后探索儿童矮小症发病机制及治疗的一个方向。

二、肠道微生物群与小于胎龄儿（small forgestational age，SGA）生长追赶（catch-up growth，CUG）的相关性研究

约有87%的SGA 患儿在2 岁时身长提升到-2SD 以上，这部分儿童被称为CUG-SGA，但仍有少数患儿未实现生长追赶（non-catch-up growth，NCUG），称为NCUG-SGA[23]。

安静静等[24]建立了SGA 幼鼠模型，以探究肠道微生物群在SGA-CUG 生长追赶中的作用。该实验将SGA 幼鼠划分为CUG-SGA及NCUG-SGA 2 组，通过对2 组幼鼠的肠道微生物群进行Alpha 多样性分析及主坐标分析，发现2 组幼鼠肠道微生物群的多样性、丰度以及菌群构成存在显著差异，CUGSGA 组肠道微生物群的多样性高于NCUG-SGA组，同时CUG-SGA 组粪便中SCFA 水平以及血液IGF-1 水平明显高于NCUG 组。相关分析显示，SGA幼鼠肠道中11 种菌属的相对丰度与SCFA 浓度明显相关，证明SCFA 的产生与肠道微生物群密切相关，特别是丁酸弧菌，其与SCFA 中的丁酸、异丁酸、戊酸浓度呈显著正相关，提示丁酸弧菌可能是产生SCFA 的主要菌属。Spearman 相关分析显示，肠道SCFA 与幼鼠的体重、身长以及血IGF-1 浓度显著相关。故该研究提出，肠道微生物群，特别是丁酸弧菌，可增加幼鼠体内的SCFA 浓度，诱导IGF-1产生，从而促进SGA 幼鼠的CUG。该研究比较了CUG-SGA 组与NCUG-SGA 组间的肠道微生物群差异，验证肠道微生物群与CUG 间的相关性，提出SCFA 可能是参与到CUG 中的代谢产物，为SGA的CUG 机制提供新的研究思路。该研究结果提示，肠道微生物群可能与SGA 的CUG 相关联，但因存在着物种差异，在儿童中是否存在相同的发病机制仍需进一步研究。

总结与展望

肠道微生物群编码着人类基因组约150 倍的基因，广泛参与了机体的生理过程，在生长、发育过程中发挥着重要作用。尽管肠道微生物群促进生长的具体机制仍在研究中，肠道微生物群与生长的相关性研究仍然为矮小的临床治疗带来新的方向。肠道微生物群与生长间的相关性研究目前主要集中在动物模型中，以人群为研究对象的则较少，在人群中探索肠道微生物群对生长的影响，对矮小症的发病机制研究及治疗具有重要意义。