2020肠道微生物与人类疾病关系的研究进展（完整版）
肠道微生物指寄居在人类肠道内微生物群落的总称, 包括细菌、古细菌和单细胞真核生物等, 与肠道环境共同构成了一个巨大而复杂的生态系统。人类的肠道是一个营养丰富的微环境, 承载的细菌数量高达100万亿（1014）个, 超过人体自身细胞数的10倍[1]。肠道内的细菌总重量达1.5 kg, 相当于正常人体肝脏的重量。采用无需分离培养的16S RNA测序的方法鉴定微生物, 发现人类肠道微生物的基因数达500万, 是人类基因数的150倍[2]。微生物种类丰富, 据推测有500~1 000种。肠道微生物像是一个器官, 具备代谢、免疫和内分泌的功能, 并与机体的其他器官相互作用。肠道微生物与代谢性疾病、心血管疾病、消化系统疾病、癌症、免疫系统疾病以及中枢神经系统疾病具有一定相关性, 通过对其结构、功能以及致病机制的研究, 希望能在疾病的治疗和开发新的治疗方式上发挥作用。本文将对肠道微生物的研究现状和其与人类疾病的关系进行综述。
1 肠道微生物的概述
1.1 肠道微生物的形成与发展
胎儿在母体子宫内是无菌的, 出生后母亲以及环境中的微生物迅速在新生儿肠道定植, 此时的新生儿肠道微生物相对简单, 但处于高度动态变化中, 各种因素影响着微生物的种类及数量, 如生产的方式（顺产婴儿和剖腹产婴儿的
肠道微生物存在差异, 后者可见较多来自体表和环境中的菌群）、抗菌药物的应用、喂养方式以及外界环境卫生状况等[3]。KOENIG等 [4]用2年多的时间追踪1名新生儿的成长, 发现厚壁菌门是最先出现的菌落。B? CKHED等[5]通过宏基因组测序分析了98位母亲和出生1年的婴儿的肠道微生物, 发现1岁婴儿的肠道微生物构成趋于成熟, 以厚壁菌门和拟杆菌门为主, 接近于成人。随着饮食改变, 在3岁时儿童的肠道微生物构成趋于稳定。正常成年人肠道微生物相对稳定, 处于轻度波动中, 厚壁菌门和拟杆菌门占主导地位, 其次为放线菌门和变性菌门。老年人消化功能衰退、饮食以及免疫状态的改变使肠道微生物的构成发生较大改变, 相对于年轻人, 其肠道内的双歧杆菌和厚壁菌门的构成比减少, 拟杆菌门构成比增加[6, 7]。
不同地域种族间、人群间的肠道微生物构成也有较大差异。SUZUKI等[7]分析了居住在不同纬度地区的23种人群, 发现随着纬度的增加, 人群肠道内的厚壁菌门数量增多, 拟杆菌门数量相对减少; YATSUNENKO等[8]通过检测粪便中的酶, 发现南美洲人与美国人肠道微生物存在差异, 美国人的肠道内微生物高表达参与蛋白质降解以及维生素合成的酶, 南美洲人肠道微生物高表达参与糖类物质代谢的酶, 推测二者差异主要由饮食结构的不同所致。饮食以及抗菌药物的应用会在较大程度上影响肠道微生物菌群的构成。短期口服抗菌药物, 肠道微生物菌群恢复原有结构至少需要4周, 长期口服抗菌药物, 则可导致肠道微生物多样性下降, 甚至菌群失调[9]。在对小鼠肠道微生物的研究中发现, 饮食改变可对57%肠道微生物结构变化进行解释, 而基因突变仅能解释12%[10]。正常人肠道占主导地位的微生物组是相同的, 但每
个人的微生物构成又都是不同的。最近研究发现, 肠道微生物具有个人特异性, 可根据肠道微生物组的测序来鉴定出一个人[11]。
1.2 肠道微生物的构成与生理作用
由于pH值、氧含量、营养物质形式、宿主分泌以及黏膜的免疫组织等因素的差异, 微生物在人体肠道内不同部位的分布有差异, 结肠内微生物的分布密度最高, 达1011~1012CFU/ mL[12], 小肠104~107 CFU/mL[13], 胃102~104CFU/ mL[14]。微生物在肠道内不同部位的构成也不同, 胃内微生物多具有耐酸性, 除已知的幽门螺杆菌外, 采用16S rRNA对胃黏膜微生物测序还发现有128个表型, 主要来自5个门, 推测其可能为胃内常驻菌群[14]; 随着氧含量和pH值等的改变, 小肠内的厌氧菌增多, 结肠是肠道内含厌氧菌最多的部位, 预估其可能包含800种微生物[15]。肠道微生物具有一定的组成结构。人体肠道微生物种类可达1 000种, 但各种细菌的数量差别很大, 在健康人的肠道微生物中, 拟杆菌门和厚壁菌门多于90%, 其他较少的门类有放线菌门、变性菌门等[16]。根据人体肠道微生物对机体的影响, 将其分为三大类：共生菌、条件致病菌和致病菌。共生菌形成的正常菌群, 在维持肠道微环境中起着重要的作用, 具有多种生理功能, 主要表现在：（1）能够促进肠道黏膜血管生成, 保护肠道黏膜; （2）刺激机体免疫系统发育; （3）促进食物的消化吸收, 合成对人体有益的维生素。若正常菌群结构（种类、数量、位置等）发生改变, 则可能打破微环境平衡, 引起疾病。
1.3 肠道微生物的检测方法
传统的细菌检测方法依赖于细菌培养、生化鉴定以及基因测序, 方法繁杂、耗时长, 且这种分离培养的方法仅可鉴定其中的1%, 不能反应肠道微生物的真实情况[17]。随着分子生物技术的发展, 荧光原位杂交（fluorescence in situ hybridization , FISH）、聚合酶链反应（polymerase chain reaction, PCR）、变性梯度凝胶电泳（denatured gradient gel electrophoresis, DGGE）、逆转录PCR和基因芯片等技术被用于肠道菌群研究, 但这些方法存在一定的局限性, 如DGGE对DNA长度有要求（一般在500 bp以下）, 且通常仅显示优势菌群, 不能反映微生物的丰度情况[18]; FISH和基因芯片技术通过探针来获得微生物多样性的信息, 但都只能检测已知的菌, 不能检测未知的菌, 且通过信号强弱判断微生物的丰度不准确[19]。无菌小鼠模型的建立为研究肠道微生物的功能提供了重要的帮助, 但并不能反映肠道微生物的内部构成。近年来, 新兴的测序技术— — 高通量测序技术, 可满足1次对几十万至几百万DNA分子测序的需求, 且因其数字化信号、高数据通量、高测序深度、高准确性等特点, 被广泛应用于肠道微生物的研究中, 尤其是16S rRNA测序可以从菌株的水平鉴定微生物, 能检测出新的菌株, 这大大推进了人们对未知微生物的探索进程[16]。
2 肠道微生物与疾病
2.1 肠道微生物与代谢综合征
代谢综合征指机体内的碳水化合物、蛋白质和脂质等代谢发生异常而导致的一组代谢紊乱症候群, 包括向心性肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和糖代谢异
常等, 会增加糖尿病、心血管疾病以及癌症的风险。代谢综合征的病因多归于遗传易感性和生活习惯不良等, 近些年对小鼠以及人类的研究发现肠道微生物是促进代谢综合征发生的重要原因之一。VIJAY-KUMAR等[20]发现Toll样受体5（Toll-like receptor 5, TLR5, 一种广泛分布于肠道黏膜的跨膜蛋白, 通过识别病原菌的鞭毛蛋白发挥固有免疫作用）缺少的小鼠（TLRKO1）易出现胰岛素抵抗、脂肪积累、高胆固醇血症和高血糖等代谢综合征的表现; 将其肠道微生物移植到野生型的无菌小鼠肠道中, 发现后者也出现类似情况, 他们推测是TLR5基因的缺少导致小鼠表现出代谢综合征。而ZHANG等[21]最近的研究发现, TLR5基因敲除的小鼠（TLRKO2）在正常饮食与高热量饮食2种情况下, 代谢综合征发生率与正常野生型小鼠一致, 随后, 将TLRKO2模型小鼠的肠道微生物移植入野生型无菌小鼠中, 后者并不会出现代谢综合征的表现, 说明TLR5基因缺失并不会易发代谢综合征, 而是肠道微生物的改变导致了小鼠易发代谢综合征。
肥胖在代谢综合征中占重要地位, 是许多疾病的共同病因。近年发现肠道微生物是导致肥胖的一个独立因素。许多实验证实, 无菌小鼠需要比正常小鼠多摄入30%的能量才能维持体重, 说明肠道微生物可以提高能量的摄入率。随后, B? CKHED等[22]发现肠道微生物确实可以影响脂肪储存以及肥胖的发生, 即使在无菌小鼠摄入更多食物的前提下, 正常小鼠的体脂含量仍然比无菌小鼠高42%, 对无菌小鼠进行肠道微生物移植2周后, 其体脂可增加60%, 同时也伴随胰岛素抵抗的增加、脂肪细胞肥大以及血糖升高。这一点在人体中也可得到证明, ALANG等[23]发现, 一位艰难梭菌感染的妇女经粪
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