普拉梭菌的生物学特性及其与宿主的相互作用

胡日查 孙志宏 张和平

（内蒙古农业大学 乳品生物技术与工程教育部重点实验室农业部奶制品加工重点实验室 内蒙古自治区乳品生物技术与工程重点实验室 呼和浩特010018）

人体肠道内栖居着大量微生物，其中包括上千种细菌对人体的消化、代谢、免疫等生理功能起着至关重要的作用[1-2]。普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii，F.prausnitzii）是健康成人肠道中最丰富的肠道微生物之一，约占粪便总细菌的5%[3]，是梭状芽胞杆菌属第IV 类群（Clostridium cluster IV），即柔嫩梭菌类群（Clostridium leptum group）中的最优势菌种，约占其64%[4]。除人体外，其它动物肠道中也广泛存在普拉梭菌，如猪[5-6]、鼠[7]、犊牛[6，8]、家禽[9-10]等，表明其对宿主生理和健康起重要作用。普拉梭菌首次被分离、鉴定后并未受到关注，直到在关于人类结肠中产丁酸优势菌的研究中发现有普拉梭菌，才逐渐进入人们视野，并为之建立了新的菌属Faecalibacterium，即粪杆菌属[11]。随着在多种疾病中发现普拉梭菌相对丰度发生改变，该菌愈发引起研究者的兴趣，对其进行深入研究，阐明该菌乃至肠道菌群与人体健康的关系具有重要意义。

1 普拉梭菌的分类学地位及其生物学特性

普拉梭菌属于梭菌纲（Clostridia），是目前粪杆菌属唯一成员[3]。起初，普拉梭菌被归类于梭杆菌属（Fusobacterium）[12]，而16S rRNA 测序结果表明，它与梭状芽胞杆菌属第IV 类群，即柔嫩梭菌类群成员关系更近[13-14]。2002年，Duncan 等[15]建议建立一个新的菌属Faecalibacterium，即粪杆菌属，并将该菌归入该菌属，命名为Faecalibacterium prausnitzii，为革兰氏阴性、专性厌氧、不产芽孢、无鞭毛、无运动性杆菌，将其归属于柔嫩梭菌类群。

普拉梭菌DSM17677T的基因组序列（Gen-Bank：GCA_000162015.1）于2010年在《人 类微生物组计划》框架内测序完成[3]。目前已测序的普拉梭菌均无质粒，平均基因组大小为3.05 Mb，GC含量为56.4%，含有2 745 个开放阅读框（Open reading frame，ORF）[16]。普拉梭菌可分为2 个谱系，即谱系I 和谱系II，其生理功能差异尚不明确[11]。扫描电子显微镜图像显示，普拉梭菌模式菌株A2-165（DSM17677）为约2 μm 长杆状、两头钝圆的杆菌，其细胞壁外有瘤状突起（图1）。

普拉梭菌能够利用果糖、低聚果糖、淀粉和菊粉，不能利用阿拉伯糖、蜜二糖、棉子糖、鼠李糖、核糖、木糖；乙酸能够刺激其生长，产生二氧化碳，不产氢；其葡萄糖发酵终产物主要有甲酸、丁酸和D-乳酸[15]。普拉梭菌是一种活跃的功能性肠道细菌，广泛参与宿主代谢活动。研究发现，普拉梭菌与宿主尿液中二甲胺 （dimethylamine）、牛磺酸（taurine）、乳酸盐（lactate）、甘氨酸（glycine）、2-羟基异丁酸盐（2-hydroxyisobutyrate）、乙醇酸盐（glycolate）、3，5-二羟基苯甲酸盐 （3，5-hydroxylbenzoate）和3-氨基异丁酸盐（3-aminoisobutyrate）等8 种代谢产物[17]和肠道、粪便及血液中600 余种代谢物相关[18]。

图1 扫描电子显微镜下的普拉梭菌A2-165[3]Fig.1 Scanning electron microscopy images of F.prausnitzii[3]

2 普拉梭菌与其它肠道菌的相互作用

普拉梭菌能够代谢苹果果胶产生丁酸。当将普拉梭菌与同样能够代谢苹果果胶而产生乙酸的多形拟杆菌（B.thetaiotaomicron）共培养时，普拉梭菌能够与其竞争利用苹果果胶[11]，且比普拉梭菌单菌培养产生更多的丁酸[19]，表明普拉梭菌可利用多形拟杆菌代谢所产生的乙酸合成丁酸。体外细胞模型试验证明，多形拟杆菌代谢所产生的乙酸促进肠道上皮杯状细胞的分化，而普拉梭菌将乙酸转化为丁酸，减少乙酸对肠道上皮杯状细胞的作用，维持肠道上皮特定的分泌谱系细胞比例，以维护肠道粘膜稳态[19]。作为严格厌氧菌，普拉梭菌对其生存环境中的氧格外敏感。悉生大鼠模型试验表明，普拉梭菌在宿主肠道中的定植需要有多形拟杆菌和大肠杆菌预先存在于肠道中，降低肠道内氧化还原电位，改变营养物质组成，为普拉梭菌的定植准备适宜的条件[18-20]。

3 普拉梭菌抗炎作用及机制

普拉梭菌具有抗炎活性，且与肠道炎症密切相关。Sokol 等[21]研究发现克罗恩病（Crohn’s disease，CD）患者肠道内普拉梭菌数量减少，且与该病的复发高风险呈负相关，其动物实验结果表明，普拉梭菌及其上清液能够缓解2，4，6-三硝基苯磺酸（TNBS）诱导的结肠炎小鼠模型的肠道炎症；细胞试验表明，普拉梭菌上清液能够抑制CaCo-2细胞模型中IL-1β 诱导的NF-κB 信号通路，减少促炎因子IL-8 分泌，诱导外周血单核细胞产生抗炎因子IL-10，减少促炎因子IFN-γ 的产生。Rossi等[22]的研究也证实，普拉梭菌A2-165 能够促进人树突状细胞（Dendritic cells，DCs）分泌IL-10，激活模型小鼠抗原特异性T 细胞增殖的同时减少IFN-γ+T 细胞数量。另有研究表明，普拉梭菌及其上清液还能够通过诱导调节性T 细胞 （CD4+、CD8+、FOXP3+Treg、Th17）的分化，促进其分泌IL-10，减少IL-17 的表达，发挥免疫调节作用[23-26]。

Carlsson 等[27]和Martin 等[28]研究均发现，普拉梭菌及其上清液能够降低肠粘膜通透性，减轻结肠炎模型小鼠肠道炎症。Laval 等[29]通过体内外研究发现，普拉梭菌A2-165 能够提高紧密连接蛋白表达量，降低肠道上皮通透性，缓解DNBS 诱导的小鼠模型的肠道炎症。

虽然普拉梭菌及其上清液的抗炎活性已经得到证实，但因其成分复杂，确切的活性物质及其作用机制尚未完全阐明。许多研究认为普拉梭菌的主要代谢产物丁酸盐对其抗炎活性起主要作用。普拉梭菌是肠道中含量最丰富的产丁酸菌之一[30-31]。丁酸是一种由肠道微生物发酵膳食纤维产生的短链脂肪酸[32]，具有为肠道上皮细胞提供能量、调节肠道细胞生命周期，调节免疫，抗炎、抗氧化，强化肠道粘膜屏障等功能，对健康产生诸多益处[33-36]。Sokol 等[21]进行的体内外试验中丁酸均未表现抗炎活性。2016年，Quévrain 等[37]利用细胞试验从普拉梭菌上清液中鉴定出一种15 ku 的抗炎蛋白，将其命名为微生物抗炎分子（Microbial anti-inflammatory molecule，MAM），并证实其能够在IκκB 水平抑制NF-κB 信号通路，缓解二硝基苯磺酸（DNBS） 诱导的小鼠模型的炎症反应。2017年，Breyner 等[38]通过小鼠实验证实该蛋白分子的体内NF-κB 通路抑制活性。

普拉梭菌的抗炎活性已经得到确认，而对其抗炎活性物质及其作用机制的报道有限且尚未形成统一结论，需进一步深入研究。

4 普拉梭菌与疾病

近年来，越来越多的研究发现，溃疡性结肠炎（Ulcerative colitis，UC）、克罗恩病（Crohn’s disease，CD）、结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）、肥胖和II 型糖尿病等疾病患者存在普拉梭菌水平降低的现象[39-41]，尤其是谱系I 的普拉梭菌水平在CD 和UC 中明显降低，可作为肠道疾病的生物标记[40]。

4.1 炎症性肠病（Inflammatory bowel disease，IBD）

IBD 是在遗传易感性和饮食、抗生素的使用等环境因素的作用下由免疫反应介导的肠道慢性炎症，主要有克罗恩病和溃疡性结肠炎2 种类型[42]，其发病率在全球范围内逐年升高[43]。

IBD 患者肠道中厚壁菌门多样性降低，其中以专性厌氧菌种水平降低为主，尤其以普拉梭菌的减少最为显著[21，42，44-46]，而兼性厌氧的肠杆菌科细菌，特别是大肠杆菌丰度升高[47-48]，且在粘膜样品中比粪便样品更明显[49]，可用普拉梭菌/大肠杆菌的比值评估IBD 患者肠道菌群失调水平和鉴定CD 复发风险高的人群[3，49]。鉴于IBD 患者厌氧菌和兼性厌氧菌平衡失调的特点，有研究者认为肠道中的氧起到了至关重要的作用[50]。肠道内的氧含量影响肠道微生物的空间分布[51-52]。“氧假说”认为，炎症可导致肠道粘膜充血，使肠粘膜及肠腔内氧和活性氧自由基含量升高，为兼性厌氧菌的生长创造合适的微环境，促进肠杆菌科细菌的生长，使包括普拉梭菌在内的严格厌氧菌数量则减少，而普拉梭菌具有抗炎活性。它的减少使得炎症进一步加剧，形成正反馈回路，加速病理进程[50]。很多研究结果支持“氧假说”，如活动期CD 患者粪便样品中普拉梭菌数量显著低于健康个体，可能继发于腹泻或粘膜炎症[53]。与此类似，对UC 患者肠道菌群的研究也发现，UC 患者肠道中普拉梭菌等产丁酸菌数量低于对照组，且与疾病的活动性呈负相关[54-55]。对CD 患者进行抗肿瘤坏死因子α抗体治疗后粪杆菌属水平得到一定程度的恢复，提示抑制免疫反应或可促进粪杆菌属的生长。

IBD 治疗措施对普拉梭菌群体水平亦有影响。例如，利福昔明（Rifaximin），一种利福霉素衍生物，具有广谱抗菌活性，能够缓解活动期CD，然而不改变肠道菌群总体构成且提高Bifidobacteria和普拉梭菌的丰度[56]。这可能与利福昔明改变肠道致病菌毒力因子表达，减少病原菌附着和侵入肠道上皮，减少炎症因子分泌活性有关[56]。其它特异性治疗，如化疗和干扰素α-2b 等也能恢复普拉梭菌的缺失[57]。高剂量的皮质醇和英夫利昔单抗（Infliximab，抗类风湿药）治疗甚至能够在几天内将患者普拉梭菌丰度从零完全恢复到1.4×1010个/mL，表明普拉梭菌的减少不是致病因素，而是被激活的免疫反应所清除[58]。

4.2 肠易激综合征（Irritable bowel syndrome，IBS）

IBS 是一种临床常见的以腹痛或腹部不适为主要表现，排便习惯或粪便性状改变的胃肠功能性疾病，主要分为A 型（Alternating-type IBS，交替型IBS）、D 型（Diarrhea-predominant IBS，腹泻型IBS）和C 型（Constipation-predominant IBS，便秘型IBS）[59]。目前认为，IBS 的致病因素包括遗传因素、胃肠动力异常、内脏高敏、肠-脑轴功能紊乱、精神压力、肠道屏障和免疫反应异常、肠道菌群失调等，然而其具体机制尚不明确[60]。较之健康人，IBS 患者肠道菌群有显著区别，其厚壁菌门与拟杆菌门比值比健康人高2 倍，A 型IBS 患者的普拉梭菌水平显著降低，而D 型和C 型IBS 患者的普拉梭菌水平无显著差异[61-63]。Lopez-Siles 等[64]利用qPCR 方法以28 例健康人为对照，对45 例CD 患者、28 例UC 患者、10 例IBS 患者肠道粘膜相关的普拉梭菌和大肠杆菌的丰度进行检测，计算普拉梭菌/大肠杆菌指数（F/E index），发现IBD患者的普拉梭菌丰度显著低于对照组和IBS 患者。Miquel 等[65]通过IBS 样小鼠模型试验证明，普拉梭菌能够通过强化肠道上皮屏障功能，降低由慢性应激导致的结肠敏感性，提示其具有治疗IBS 的潜力。由于对IBS 的具体发病机制尚不明确，IBS 患者肠道菌群及普拉梭菌含量的变化机理需进一步研究予以阐明。

4.3 结直肠癌（Colorectal cancer，CRC）

结直肠癌，亦称大肠癌，是常见癌症之一。虽然结直肠癌与遗传因素密不可分，但与肠道菌群也密切相关[66-68]。CRC 肠道菌群呈促炎特征，粪便和肠粘膜相关普拉梭菌水平均降低，与正常组织相比，肿瘤粘膜相关菌群中普拉梭菌丰度降低而梭杆菌属（Fusobacterium）和考拉杆菌属（Phascolarctobacterium）丰度提高[69-70]。这些促炎细菌可能调节肿瘤组织微环境，对肿瘤的发生发挥作用。Balamurugan 等[71]用实时荧光定量PCR 技术基于16S rDNA 序列针对20 例结直肠癌患者、9 例上消化道癌患者和17 例健康志愿者粪便样品中细菌种类进行定量分析，发现结直肠癌患者粪便中直肠真细菌（Eubacteriumrectale）和普拉梭菌等产丁酸菌含量较对照组明显减少。Lopez-Siles 等[40]用qPCR 方法对31 例健康人、45 例CD 患者、25例UC 患者、10 例IBS 患者和20 例结直肠癌患者肠黏膜相关普拉梭菌进行检测，同样发现CD、UC和CRC 患者中谱系I 的普拉梭菌水平低于健康人群。而Sobhani[72]和Wang 等[73]的研究显示，结直肠癌患者粪便中普拉梭菌含量与健康人群无显著差异。

慢性炎症与癌症发展的高风险相关[74]，而CD和UC 能够增加CRC 发生发展的风险[69]。鉴于CRC 患者普拉梭菌含量的变化研究结果存在不一致性，其与肠道炎症的相关性及具体机制需要做大样本研究，予以明确。

4.4 肥胖

肥胖已经成为世界性健康问题，它能够引发心血管疾病、糖尿病、肿瘤等疾病[75]，已被确定为五大致死风险因素之一[76]。尽管肥胖被认为与遗传因素和饮食生活方式有关[77]。而研究表明，炎症和肠道菌群与肥胖发生发展密切相关[76，78-81]，脂肪过多积累和低度炎症反应为肥胖的主要特征[82]。

关于普拉梭菌与肥胖的相关性研究结果存在不一致性，例如在印度儿童中，肥胖个体粪便中普拉梭菌水平显著高于正常体重个体[83]。而在瑞士儿童和中国成人肥胖个体粪便中普拉梭菌与正常体重个体却无显著差异[84-85]。伴有糖尿病的肥胖患者粪便样品中普拉梭菌种水平降低，且与患者低度炎症呈负相关[86-87]。在一项对292 例肥胖和非肥胖丹麦人肠道菌群的研究中[80]，研究者根据样品中细菌基因数量将试验对象分为低细菌丰度（Low gene count，LGC） 组和高细菌丰度 （high gene count，HGC） 组，而LGC 组并不全是肥胖人群，HGC 组也并非全部非肥胖和健康人群。基于46个菌属即可区分HGC 和LGC 组，LGC 组中拟杆菌属（Bacteroides）、副拟杆菌属（Parabacteroides）、瘤胃球菌属（Ruminococcus）、弯曲杆菌属（Campylobacter）、小杆菌属 （Dialister）、卟啉单胞菌属（Porphyromonas）、葡萄球菌属（Staphylococcus）和厌氧棒状菌属（Anaerostipes）等菌属更占优势，而包括粪杆菌属、双歧杆菌属（Bifidobacterium）、乳杆菌属（Lactobacillus）和克曼菌属（Akkermansia）在内的36 个属与HGC 显著相关。与HGC 组相比，LGC 组中肥胖、胰岛素耐受、脂肪肝和低度炎症等症状更普遍；拟杆菌属（Bacteroides）和活泼瘤胃球菌 （Ruminococcus gnavus） 等促炎细菌更多见；过氧化物酶、过氧化氢酶和三羧酸循环相关酶呈高丰度分布，提示氧暴露或氧化应激水平提高；其功能基因潜在代谢产物可能对宿主健康有负面影响。而在HGC 组中，具有抗炎活性的普拉梭菌分布更广泛；菌群代谢产物以包括乳酸、丙酸、丁酸在内的有机酸和氢的产量升高为特征。对49 例肥胖和非肥胖法国人做关于饮食干预对肠道菌群影响的研究也得出相似结果，且证明通过能量限制饮食干预能够改善LGC 个体的菌群丰度和临床症状，然而对炎症指标的改善作用甚微[88]。

4.5 II 型糖尿病

糖尿病（Diabetes mellitus，DM）是一种以由胰岛素分泌、胰岛素作用或两者的共同缺陷导致的高血糖症为特征的代谢性疾病，可分为I 型和II型2 种类型。I 型糖尿病（Type 1 diabetes mellitus，T1DM）主要由自身免疫反应破坏胰岛β 细胞导致无法分泌胰岛素引起，而II 型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM） 则是由胰岛素抵抗和胰岛素代偿性分泌反应引起[89]。肥胖可继发T2DM，且两者都伴有慢性低度炎症[78]。

2012年，Qin 等[90]应用高通量测序技术对345 例中国T2DM 患者粪便样品进行宏基因组关联研究（Metagenome-wide association study，MGWAS），发现T2DM 患者肠道菌群中包括普拉梭菌在内的产丁酸菌水平低于健康对照组，而屎拟杆菌（Bacteroides caccae）、哈撒韦梭菌（Clostridium hathewayi）、多枝梭菌（Clostridium ramosum）、共生梭菌（Clostridium symbiosum）、迟缓埃格特菌（Eggerthellalenta）和大肠杆菌等条件致病菌含量却高于健康对照组，氧化应激功能相关基因丰度升高。另一项对欧洲妇女糖尿病患者进行的宏基因组关联研究显示，T2DM 患者样品中罗斯氏菌（Roseburia）和普拉梭菌等产丁酸菌丰度显著降低，氧化应激通路相关基因富集[91]。Zhang 等[92]基于16S rRNA 高通量测序方法对64 名糖尿病前期患者和13 名新诊断的糖尿病患者肠道菌群的分析发现，正常对照组中普拉梭菌的丰度高于糖尿病前驱期患者。Furet 等[86]研究表明，T2DM 患者普拉梭菌水平降低，且与患者炎症标志物水平呈负相关。

T2DM 患者占到糖尿病患者的90%[89，93]，而80%的T2DM 患者都伴有肥胖，与肥胖相关的胰岛素抵抗是发生T2DM 的主要原因，且炎症通路也参与其中[94-96]。综合以上研究报道，类似于IBD肠道菌群失调相关的“氧假说”，肥胖和II 型糖尿病患者肠道菌群失调或与其低度炎症有关。

5 肠道环境对普拉梭菌的影响

普拉梭菌的最适pH 为5.7～6.7[11]，这也正是结肠内pH 的范围。虽然有些菌株pH 耐受范围在5～5.7 之间不等，但在3.5～4.5 的pH 范围内普拉梭菌无法生长[6]，说明pH 是普拉梭菌在肠道内分布的影响因素之一。与健康人相比IBD 患者结肠内pH 值降低[97]。这是否提示IBD 患者结肠pH 对普拉梭菌丰度起到调节作用有待进一步研究。

普拉梭菌对胆酸敏感，0.1 μg/mL 胆酸即可抑制其生长[11]。胆酸由肝脏合成并随胆汁排入小肠，90%～95%在小肠中被重新吸收。健康人大肠中的胆酸含量约0.05%～0.3%[11]，说明胆酸是限制普拉梭菌在小肠中分布的影响因素之一。有报道显示，活动期IBD 患者粪便中胆酸含量显著低于健康对照组[98]。这或许是IBD 患者丰度减少的原因之一。

普拉梭菌对氧极为敏感，在空气中暴露2 min 即失去活力，即使在厌氧环境下也很难培养[15]，向培养基中加入核黄素和半胱氨酸或谷胱甘肽可使其在微氧环境下生长[99]。为适应肠道内微氧环境，普拉梭菌利用黄素（Flavins）和硫醇（Thiols）为细胞内外穿梭载体，将电子传递给氧[99]，使自身免受氧化压力。普拉梭菌A2-164 在以核黄素、半胱氨酸作为抗氧化剂并加入菊粉配制而成的冷冻保护剂中，在空气条件下可保持活力达24 h[100]。Miquel 等[18]在其普拉梭菌/大肠杆菌悉生小鼠模型试验中发现，大肠杆菌从胃到结肠普遍分布，而普拉梭菌则主要分布于盲肠至直肠区段。研究认为该现象是由于普拉梭菌的严格厌氧特性，使其分布于氧含量低的肠段[18]。这与普拉梭菌在婴儿肠道内定植时间相符。在婴儿出生7 个月后才能定植于肠道，而兼性厌氧菌大肠杆菌先定植于婴儿肠道，降低氧化还原电位，为普拉梭菌的定植营造适宜条件[18]。

6 展望

近年来，肠道菌群在对肠道疾病诊断或预测的评估作用方面备受关注。普拉梭菌是一种对人类健康至关重要的肠道菌，该菌对肠道环境的变化极为敏感，粪便或粘膜相关普拉梭菌可作为辨别肠道疾病的潜在生物标志物，尤其是可作为对CD、IBS 和CRC 之间进行区别的优选生物标志物[40，58，64]。然而，单一菌种无法成为所有类型疾病的通用生物标志物。普拉梭菌与大肠杆菌的丰度相结合而得出的F-E 指数（F-E index）被证明能够比单一的普拉梭菌起到更好的指示作用[64]。由于对该菌的研究报道有限，对其特性及功能的了解还不够广泛和深入，需开展更多的研究，以深入挖掘普拉梭菌功能活性及作为生物标志物的潜力，相信在不久的将来普拉梭菌或将成为诊断或治疗肠道疾病的重要指标或手段。