人类肠道微生态基础与应用研究进展

唐立

（大连医科大学基础医学院微生态学教研室，辽宁大连116044）

人类肠道微生态基础与应用研究进展

唐立

（大连医科大学基础医学院微生态学教研室，辽宁大连116044）

人类肠道存在大量正常菌群，在平衡情况下对人体具有有益功能，这些功能是微生态研究与应用的基础。本文总结了人类肠道正常菌群在构成机体的生物屏障，参与机体的营养代谢、药物及异物代谢，参与免疫屏障的发育成熟，抵御有害微生物的侵袭等方面的基础与应用研究进展以及进一步研究方向。

正常菌群；代谢；营养；感染

［Abstract］There are a large of flora in human intestine，which are beneficial for human in balance.These are the basis of research and application of microecology.In this paper，we summarize the basic and clinical progress of human intestinal normal flora in effecting biological membrane barrier，and nutrition metabolism，medicine metabolism，and infection and immunology for human.

［Key words］normal flora；metabolism；nutrition；infection

人类肠道存在大量的正常菌群，重量约1.27 kg，种类有1 500种，主要菌群分14个属，构成机体的生物屏障，参与机体的营养代谢、药物及异物代谢，参与机体的免疫屏障的发育成熟，抵御有害微生物的侵袭防止感染，部分正常菌群的菌株被应用到多种代谢性疾病的治疗中［1-11］。本文就人类肠道正常菌群的基础与应用研究进展进行综述，并对大连医科大学肠道菌群研究成果进行总结。

1　肠道正常菌群的功能

1.1构成机体的生物屏障肠黏膜屏障具有消化、吸收和防御性功能［5］，当肠黏膜屏障受到损伤时，消化、吸收和防御性功能失功，出现消化吸收功能紊乱，导致物质和能量代谢障碍、代谢性疾病的发生。研究发现，肠黏膜屏障受到损伤时，肠道中的条件致病微生物和其毒素会突破肠黏膜屏障，进入门静脉和淋巴系统从而引起细菌位移［1］，甚至发展为全身性炎症反应综合征以及多器官功能衰竭综合征。

肠黏膜屏障主要由机械屏障、生物屏障、化学屏障及免疫屏障4个部分组成［5］。与肠道机械屏障、化学屏障及免疫屏障不同，生物屏障有高可变和低可变的特点，同时又决定机械屏障、化学屏障及免疫屏障的形成。肠道的机械屏障、化学屏障及免疫屏障主要受遗传控制，而生物屏障主要受宿主的生态环境控制。人类出生时，正常菌群就在肠道内定植且伴随终生，其种类及数量决定着机械屏障、化学屏障及免疫屏障形成的发生及成熟。4个屏障之间具有协同进化的特点，共同维持肠道的稳态。从肠道生物屏障影响肠道机械屏障、化学屏障及免疫屏障的角度看，肠黏膜屏障又可以称为“微生态屏障”［2-3］。

1.2参与机体的营养代谢

1.2.1参与机体的碳水化合物的代谢碳水化合物的分解需要各种消化酶，如唾液淀粉酶等，此类酶在人类的消化道中含量丰富，但许多肠道菌群的成员能产生许多消化酶，如乳杆菌、肠球菌等小肠含量较多的菌群产生与人类结构相同与相似的酶，此外还能产生人类降解不了的碳水化合物的酶。肠道菌群在机体起到了消化的补充作用，同时也起到了稳定肠道菌群的自稳作用［2-3］。

1.2.2参与机体的蛋白质代谢蛋白质分解需要各种蛋白酶、肽水解酶。人类在进化过程中就形成了自身的蛋白质的消化系统，然而许多都是由肠道内微生物代谢产生的作为蛋白质消化的补充，如果产生这类酶的细菌减少，会发生蛋白质分解障碍。分解蛋白质的细菌有变形杆菌、梭菌、芽孢杆菌、假单胞菌等，而大肠埃希菌只能分解蛋白质的降解产物。

1.2.3参与机体的脂肪代谢脂肪依靠机体胆汁酸的分泌而进行降解的，胆汁酸在降解脂肪过程中需要肠道菌群的协同来完成肠肝循环。在肠肝循环中，95%的胆汁酸被重吸收，5%的胆汁酸经肠道菌群降解排除体外，完成消化吸收过程。当肠道菌群正常结构发生异常时，消化吸收平衡被打破，脂肪的代谢发生障碍，导致多种代谢性疾病的发生，如肥胖性疾病。

1.2.4参与机体微量元素的代谢肠道菌群在微量元素的吸收代谢中起重要作用，能合成维生素B、K等。肠道菌群发酵碳水化合物产生的短链脂肪酸，是一种螯合剂，能促进肠道中钙、镁等矿物质的吸收，其中醋酸盐、丙酸盐等可促进盲肠对金属离子的吸收。所有这些脂肪酸盐对宿主均有重要的生理功能。当肠道菌群结构发生改变时，会发生维生素B、K和微量元素的缺乏，导致维生素和微量元素的缺乏症，如贫血等。结肠上皮细胞的主要能量来源是丁酸盐，几乎全可被吸收利用，丙酸盐和醋酸盐则可通过门静脉进入体内，最终被肝脏或外周组织分解代谢。进入体内的丙酸盐和醋酸盐也能调节糖代谢，增强机体对口服葡萄糖的耐受，降低血清胆固醇的水平［12-22］。

1.3参与机体的药物及异物代谢肠道正常菌群在口服药物的代谢中具有重要的作用，尤其是中草药的代谢。中药干草甜素发挥药效的主要成分是干草次酸，原形干草甜素直接静脉注射不发挥止咳平喘作用，当干草甜素在肠道经优势菌作用转化为干草次酸才能发挥止咳平喘的作用。研究发现药效受肠道菌群代谢影响的中药有大黄、番泻叶、洋地黄甙、苦杏仁甙、芸香甙、甘草甜素、蒲公英、玉米黄醇、苏铁素；药食同源：橙皮甙、芹菜素、杨梅树皮素、儿茶精、亚油酸、油酸、亚麻二烯酸、咖啡酸、香豆酸、阿魏酸、桂皮酸、奎尼酸；西药：磺胺类、青霉素、氯霉素、乳果糖；外源化合物：多氯联苯、溴化苯、萘等［1］。

1.4参与机体免疫功能的发育成熟人类的免疫系统受宿主的遗传所支配，也受菌群为主的外环境诱导表达而成熟，免疫系统在发展成熟过程中不断对菌群的种类（蛋白质、脂类）及数量形成“镜像”而使机体对菌群耐受。肠相关淋巴组织（gut-associated lymphoid tissue，GALT）在婴儿期形态和功能的发育上呈年龄依赖性，婴儿期GALT发育完善需要肠道菌群的存在最终产生足量的免疫调节细胞。肠道菌群的定植作用对于GALT的成熟是一种重要的抗原刺激。定植于上皮细胞的正常菌群，能向肠道免疫系统传递某些信号，调节免疫网络。

细菌DNA是免疫刺激物质，其免疫活性与DNA中非甲基化的胞嘧啶-鸟嘧啶核苷酸（CG）有关，可激活树突细胞、巨噬细胞参与免疫反应等。肠道菌群可促进小肠淋巴组织集合B细胞的增生，诱导浆细胞产生大量的分泌型免疫球蛋白A（SIgA）。给无菌动物喂服双歧杆菌后，随着双歧杆菌在体内的定植，Peyer's结内淋巴滤泡大量增生产生SIgA增多，同时肠道菌群向肠系膜淋巴结迁移的细菌数量减少，肠道屏障机制也趋于成熟。给无菌动物接种肠道细菌后，其GALT中的淋巴细胞增多，淋巴细胞针对抗原的反应速度与强度增加；外周血球蛋白的克隆多样性增加；外周吞噬细胞功能增强［2-3］。

1.5抵御有害微生物的侵袭防止感染正常菌群在抵御有害微生物感染过程中起重要作用。肠道菌群对黏膜持续刺激，激活黏膜免疫，维持肠道正常的黏膜免疫水平。正常菌群对致病菌的作用表现为免疫清除和免疫排斥。当机体长期不合理应用抗生素时，肠道优势菌群被杀灭，条件致病菌获得优势生长，从而导致菌群失衡，肠道黏膜屏障受损，防御能力下降，最终引发感染［23-24］。

目前，国内外研究较多的是通过服用单菌制剂和多联活菌制剂来调节肠道微生态平衡，用于治疗腹泻、消化性溃疡、便秘等各种疾病。“以菌治菌”的微生态疗法被认为是调整肠道菌群失调的有效手段。孙德强等［25］采用“肠道菌群环境重建联合疗法”治疗菌群失调性腹泻，使腹泻症状改善；陈方等［26］应用培菲康（由双歧杆菌、乳杆菌、粪肠球菌经适当比例配置而成的活菌制剂）治疗腹泻和便秘，也取得了一定的效果。

目前研究认为炎症性肠病主要由基因的易感性、环境因素激发和肠道免疫系统失调等多种因素交互作用而引起的消化系统的自身免疫性炎症疾病［1-3］。免疫抑制剂用于该病的治疗，却存在价格昂贵、毒副作用强，而且并不是对所有患者都有效等问题。长期使用抗生素易引起肠道细菌耐药而导致菌群失调，通过给予益生菌对局部的微生态环境进行调节，可使病情得到缓解。

2　大连医科大学肠道菌群研究成果

大连医科大学肠道菌群研究始于1949年。第一任微生物学教研室主任是魏曦教授，1950年他提出辉煌的抗生素来临之际给人类带来阴影--干扰正常菌群，微生态学研究将会是打开中医药奥秘的金钥匙，微生态学与遗传学将会是21世纪推动生命科学发展的2支劲旅。魏曦教授在微生物学领域贡献卓著，1957年选为中国科学院生物学地学部委员。作为大连医科大学微生物学学科的创始人之一，他开启了我国微生态学研究的篇章。康白教授推动和发展了中国微生态学研究的大门，在学术上，建立了中国微生态学会，创建了《中国微生态学杂志》；在研究上，研制了蜡样芽孢杆菌、乳杆菌、双歧杆菌、肠球菌等生物制剂防治人类及动物的消化道疾病，带动了中国微生态的发展。

目前，大连医科大学微生态学团队建立了稳定的轻度菌群失衡模型和重度菌群失衡小鼠模型；证实肠道菌群失衡可导致肠道机械屏障黏膜绒毛结构受损，肠黏膜免疫水平下降，SIgA分泌量随菌群失衡程度呈下降趋势，同时引起黏液层中黏液素和防御素分泌量增加［27］。肠黏膜上皮Toll样受体变化受菌群变化的影响，菌群失衡促使TLR9表达呈下降趋势；TLR2和TLR4表达呈升高趋势；NF-κBp65表达呈升高趋势［28］。肠道菌群失衡导致Peyer's结内T淋巴细胞构成比例较失衡前升高，细胞毒性T细胞和调节性T细胞比例降低；导致Peyer's结内与细胞免疫相关的IL-2和IFN-γ表达量降低，与体液免疫相关的IL-4和IL-10表达量升高，促使免疫反应向体液免疫方向转移［6］。菌群失衡可造成小鼠小肠树突细胞形态变化，数量增加，抗原递呈功能与成熟度降低，对树突细胞的亚群及抗原摄取功能的影响则较小；可促进小鼠小肠树突细胞上IL-10的表达，抑制IL-12的表达，影响其免疫调节功能［29］。

乳杆菌代谢产物RNA组分具有德氏乳杆菌23S rRNA和鼠李糖乳杆菌tRNA-Leu等序列，对肠道菌群失衡小鼠肠黏膜绒毛形态及Peyer's结中细胞形态具有恢复作用；对TLR通路具有调节作用，具有恢复菌群失衡小鼠优势菌群作用，及对外周血常规指标及免疫分子IL-6的调节作用［30-31］。

利用肠道优势菌群回灌和正常小鼠粪便回灌2种方法在1周内均可实现重度菌群失衡后的菌群重建，3周内恢复接近正常水平，菌群回灌方法优于粪便回灌方法。随着肠道优势菌群的恢复，SIgA分泌量回升；β-防御素分泌量增加；同时肠黏膜上皮黏液素表达量呈恢复趋势；防御素表达量增强。肠道优势菌群恢复对促进黏膜免疫水平起到了不可或缺的作用。肠道优势菌群回灌的方法更有利于由抗生素诱导的重度菌群失调小鼠全身免疫水平的恢复［32］。利用蜡样芽孢杆菌、乳杆菌、双歧杆菌、肠球菌等开发了治疗人及动物的消化道疾病制剂。

3　展望

21世纪人类不但面临宏观生态破坏的挑战，而且还面临人类自身微生态破坏的巨大挑战，人体微生态的破坏可导致各种感染的发生、发展。随着新的医疗技术和方法（抗生素、免疫抑制剂、器官移植等）的广泛应用，感染病谱发生了重大变化，长期使用广谱抗生素可导致微生态失衡，引起难以控制的甚至是致命的感染。

近年来，Science［33］、Nature［34］等相继发表文章，认为肠道微生态是人体最为重要的微生态系统，相当于一个重要的代谢“器官”。肠道微生态与感染之间关系复杂，具体机制有待进一步阐明。微生态失衡与严重感染性疾病的互作关系进行分析，重点研究免疫功能低下患者肠道菌群生态失衡的分子机制、肠道微生态变化与感染性疾病发生发展的关系及机制、常见的肠源性感染细菌易位的分子机制以及微生态调节剂防治感染的分子机制，通过肠道微生态与人体感染性疾病的关系研究，探明诱发肠道微生态失衡与感染性疾病发生发展的关系，提出感染的微生态防治的新方法。

正常微生物群不仅存在于人类也存在于动物类，具有相同的微生态规律，二者可互为参照。人类正常菌群的研究常常用于动物实验，实验结果直接应用于动物的研究，同时为人类的应用又提供了借鉴。

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Application of Human Gut Microecology in the Basic and Clinical Research

TANG Li
（Department of Microecology，Dalian Medical University，Dalian 116044，China）

R57

A

1008-2344（2016）05-0321-04

10.16753/j.cnki.1008-2344.2016.05.001

2016-03-20

（文敏 编辑）

国家“973”计划资助项目（No.2007CB513006）

唐立（1962—），男（汉），教授，博士生导师，大连医科大学基础医学院微生态学教研室主任，辽宁省机体微生态与疾病控制重点实验室主任.研究方向：人体微生态菌群稳态研究.E-mail：tangli1484@sina.com