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腸道菌群的組成、調(diào)節(jié)及其對宿主健康的影響

IMCTT 2018-1-4 10:17

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簡介

腸道微生物菌群由一組細(xì)胞組成，是宿主基因的100 倍以上，相當(dāng)于免疫系統(tǒng)。

　　腸道微生物菌群由一組細(xì)胞組成，是宿主基因的100 倍以上，相當(dāng)于免疫系統(tǒng)。這些菌群是宿主特異的，包含遺傳成分，可通過飲食、手術(shù)或抗生素發(fā)生改變。之前動物微生物是一個被忽視的系統(tǒng)，但它對動物的生理和發(fā)育作出重大貢獻(xiàn)。此外，有研究表明動物與微生物菌群是共同進(jìn)化的。研究對腸道菌群研究的最新進(jìn)展及調(diào)節(jié)腸道菌群的不同方式( 益生菌、益生元和多酚) 進(jìn)行綜述。

　　01　目前對腸道菌群的認(rèn)識

　　在過去的10 年，人們對微生物菌群的認(rèn)識呈指數(shù)增長。由于胃腸道環(huán)境的復(fù)雜性和微生物采樣的挑戰(zhàn)性，目前大部分研究集中在腸道菌群，這里分布著最大密度的許多細(xì)菌，大部分?jǐn)?shù)據(jù)來自糞便樣品，少數(shù)來自黏膜活檢。雖然獲得新鮮糞便樣本是比較容易的，但獲得的信息并不代表完整的腸道內(nèi)環(huán)境。從一些有限的研究可知，小腸含有非常不同的細(xì)菌豐度和組成，與結(jié)腸相比有更大的動態(tài)變化。結(jié)腸菌群主要高效降解復(fù)雜的難以消化的糖類，而小腸菌群則利用相對較小的糖類快速消化和轉(zhuǎn)化，快速利用總體養(yǎng)分。雖然糞便不是胃腸道的理想替代物，但通過研究可以總結(jié)出腸道內(nèi)菌群多樣性的概況。

　　1.1 腸道菌群研究概況

　　胃腸道厚壁菌門和擬桿菌門占主導(dǎo)位置，但至少有10 個不同門的菌群發(fā)揮重要的功能。研究腸道菌群時也以細(xì)菌為中心，只有極少數(shù)的論文研究病毒成分( 或病毒) 和真核微生物( 原生動物和真菌) 。以相對大樣本的個體( 樣本數(shù)量超過100) 進(jìn)行腸道菌群分析可以看出，厚壁菌門與擬桿菌門的比例并不是在所有個體中都一樣。然而，有研究表明，單一菌種( 屬于厚壁菌門的普拉梭菌) 的消失與炎癥性腸病( IBD) 相關(guān)。但關(guān)于此菌種在IBD 中的作用仍有爭議。腸道微生物菌群對宿主的正常功能和發(fā)育至關(guān)重要，但并不確定哪些是關(guān)鍵菌種以及微生物菌群的功能是否比群落中的單個成員更重要。一些情況下，同一菌種中菌株的差異可以用來區(qū)分病原菌和益生菌，如大腸桿菌與IBD相關(guān)，而結(jié)直腸癌( CRC) 78 大腸桿菌菌株可用來作為一種益生菌。

　　1.2 腸道菌群與宿主的共生關(guān)系

　　事實上，腸道菌群的大多數(shù)細(xì)菌基本屬于5 大菌門。一些個體的腸道中大約有160 種細(xì)菌，其中的極少數(shù)在不相關(guān)的個體之間共存。與此相反，在所有個體的胃腸道中都可以發(fā)現(xiàn)這些菌種的功能，功能比菌種更重要。腸道菌群的差異可能是重要的，因為這些差異可能導(dǎo)致其有效功能出現(xiàn)差別。例如，合成短鏈脂肪酸( SCFAs) 的能力在所有個體中被發(fā)現(xiàn)，但合成數(shù)量卻不同。

　　腸道微生物是宿主與微生物長期協(xié)同進(jìn)化過程中相互選擇和適應(yīng)形成的。正常情況下腸道菌群與機(jī)體處于共生關(guān)系: 一方面，宿主為正常菌群的生長和繁殖提供營養(yǎng)和場所，并且不對它們產(chǎn)生強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)( 免疫耐受) ; 另一方面，菌群對宿主的健康和疾病至關(guān)重要，在宿主防御外源性感染、促進(jìn)免疫系統(tǒng)的成熟與平衡及營養(yǎng)與代謝等方面發(fā)揮不可缺少的生理功能。

　　02　飲食調(diào)節(jié)腸道微生物菌群

　　2.1 腸道微生物的代謝活性

　　糖類發(fā)酵是腸道微生物的核心活動，促使結(jié)腸能量和碳源的再利用。腸道菌群中占支配地位的細(xì)菌，包括SCFAs 的產(chǎn)生菌和專門發(fā)酵寡糖的菌種( 雙歧桿菌等) 協(xié)作，在初步降解復(fù)雜的植物多糖中起關(guān)鍵作用。釋放的SCFAs 和氣體通過其他更多的細(xì)菌( 還原性產(chǎn)酸菌、硫酸鹽還原菌和產(chǎn)甲烷菌等)用作碳源和能源。復(fù)雜難消化的膳食糖類有效轉(zhuǎn)化成SCFAs，供腸道共生微生物菌群和宿主使用，機(jī)體日常需要能量的10%來自結(jié)腸發(fā)酵。丁酸和丙酸可以調(diào)節(jié)腸道生理和免疫功能，而乙酸是脂肪合成和糖異生作用的底物。最近，這些代謝物的關(guān)鍵作用已在調(diào)節(jié)免疫功能中確定，它們可以調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)、口服耐受性和炎癥的消退，并調(diào)節(jié)脂肪組織( 在肥胖中是主要的炎性器官) 的炎癥輸出。在結(jié)腸中，糖類的發(fā)酵大多發(fā)生在結(jié)腸近端。隨著食糜向后腸移動，糖類耗盡，腸道菌群轉(zhuǎn)向其他底物，特別是蛋白質(zhì)或氨基酸。氨基酸發(fā)酵除分解有益的SCFAs 外，還產(chǎn)生一系列潛在的有害化合物。其中一些可能在腸道疾病( IBD 等) 中發(fā)揮作用。經(jīng)動物模型和體外研究表明，化合物如氨、酚、甲酚、某些胺類和硫化氫，在腸漏的發(fā)生或發(fā)展、炎癥以及DNA 損傷中起重要作用。相反，膳食纖維或植物性食物的攝入可以控制這類情況，這突出了腸道微生物發(fā)酵糖類的重要性，發(fā)酵糖類是腸道菌群的一個核心活動，為功能性保健品的合理設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。該功能性保健品可以改善腸道健康，并通過跨界通信軸，如腸－肝軸、腸－腦軸和腸－腦－皮膚軸，影響宿主生理相關(guān)的微生物菌群活動。

　　2.2 腸道健康的3 個調(diào)節(jié)因子: 益生菌、益生元和多酚

　　在調(diào)節(jié)腸道菌群的組成、代謝或免疫學(xué)活性的策略中，益生菌、益生元和多酚被認(rèn)為是最佳途徑。

　　不同益生菌菌株作用于試驗動物可能會出現(xiàn)不同結(jié)果。部分原因可能為試驗設(shè)計不佳和菌株選擇不當(dāng)。對益生菌的本質(zhì)缺乏理解也是導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因。益生特性具有菌株特異性，很少有益生菌菌株按特定作用機(jī)制篩選出來。有生物活性的一類產(chǎn)品是否適合于傳統(tǒng)的功效評估有待商榷。Jones等篩選膽鹽水解乳酸桿菌，研究其對降低高膽固醇血癥個體膽固醇水平的能力，隨機(jī)雙盲試驗表明，攝入該菌株可顯著降低總膽固醇和低密度脂蛋白膽固醇。此外，他們提出一個潛在機(jī)制，即通過細(xì)胞核受體——法尼醇X 受體( FXR) 減少脂肪從小腸的吸收。

　　益生元作為一種特定的膳食纖維，當(dāng)其發(fā)酵時，腸道內(nèi)微生物組成發(fā)生顯著變化，通常認(rèn)為有益細(xì)菌的相對豐度會增加，如雙歧桿菌或某些丁酸產(chǎn)生菌。在動物試驗中，益生元通常為飲食的10%是有效的。隨著對腸道微生態(tài)了解的更深入，益生元作為一種主要的糖分解和微生物群落發(fā)酵底物已經(jīng)進(jìn)入腸道菌群的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過菌群與宿主消化系統(tǒng)的協(xié)同配合，可以從原本隨糞便排出的復(fù)雜植物多糖中獲取能量和碳源。

　　多酚是一類多種植物的次生代謝產(chǎn)物，常與水果和蔬菜的顏色、味道以及防御機(jī)制有關(guān)。長期以來，它們一直被認(rèn)為是最有可能存在于全植物食品中，影響動物生理過程并預(yù)防慢性飲食疾病的一類化合物。腸道菌群在將膳食多酚轉(zhuǎn)化為可吸收的生物活性物質(zhì)方面起著至關(guān)重要的作用，預(yù)計作用于到達(dá)結(jié)腸的膳食多酚達(dá)95%。近年來的研究表明，多酚提取物，尤其是去醇化紅酒多酚提取物和可可來源的黃烷醇，可以通過增加雙歧桿菌和乳酸桿菌的相對豐度，調(diào)節(jié)腸道菌群向更保健的方向發(fā)展，包括調(diào)節(jié)腸道微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，促進(jìn)腸道微生物菌群及宿主健康。

　　03　小結(jié)

　　腸道菌群在維持機(jī)體健康穩(wěn)態(tài)中起至關(guān)重要的作用，這種作用主要依賴于菌種的多樣性、菌群結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和微生態(tài)的平衡性。隨著下一代測序技術(shù)高分辨率觀測研究和代謝物譜技術(shù)的使用，證明腸道菌群與促進(jìn)健康以及不同疾病的發(fā)生或維持有關(guān)。后基因組時代基于對微生物菌群如何與宿主生理相互作用更好地了解，最終通過對作用機(jī)制的理解，更有針對性且有效地治療疾病。在更完整的理解疾病的過程中，能夠更準(zhǔn)確地將不同的疾病狀態(tài)分層，并確定腸道菌群是否是一個潛在的治療靶點，從而可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群預(yù)防和治療某種特定疾病。

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　　責(zé)編：馬維軍；審閱：于繼英
　?。▉碓矗?a href="http://livemosquitofree.com/feed" target="_blank" class="relatedlink">飼料研究；生物飼料工程研究中心；作者：王文娟，孫冬巖，孫笑非）

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