胃肠道微生物和健康的关系

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十三章 胃肠道微生物和健康的关系,在西方国家，由于滥用抗生素和膳食不正常引起的胃肠道微生物菌群的变迁与过敏症和哮喘密切相关。这些微生物菌群（微生物区系）在粘膜耐受，包括呼吸道的发育过程中起着关键性的调节作用。应该重点关注的是这些微生物在胃肠道发育、免疫应答和炎症性胃肠道疾病发生过程中所起的作用。本章将主要概述胃肠道微生物在进食以后的发酵过程和功能，微生物系统对胃肠内腔中的过敏原（变应原）免疫耐受，并提出一个问题：胃肠道微生物是免疫系统的重要调控者吗？,第一节 肠道微生物菌群和变应原,在发达国家，过敏性呼吸道疾病的发病率比过去四十年有了显著的提高。在美国、加拿大、英国、爱尔兰、新西兰和澳大利亚等地，,1314,岁的儿童普遍患有此类疾病，而且发病率高达,22%32%,。然而，在过去的四十年中，哮喘病的发病率在发展中国家并没有多大变化。根据现在哮喘病发病范围的不同（发达国家还是发展中国家），哮喘症发病率的增加，会出现两种不同的发展趋势，这就表明了生活环境的变化是哮喘病发展的重要因素。这些观察结果，最终引发了关于过敏病和哮喘症的“卫生假说”，这一假说认为：如果在生命的早期缺乏微生物刺激，那么在接下来的生命中会导致对无害抗原产生异常的免疫应答。然而，关于这一假说有两种可能的解释，在西方国家中，滥用抗生素或饮食习惯的不同都有可能导致胃肠道微生物菌群的涨落和变迁，而这种变化会破坏免疫耐受的发展机制。包括关于发达国家滥用抗生素与哮喘症和,/,或过敏症之间的关系，以及微生物菌群的涨落与变迁和过敏症发生之间的关系等很多资料都支持这种关于“微生物系统涨落与变迁”的解释。无菌动物在免疫应答发生过程中显示出很多缺陷和不足，所以抗生素诱导胃肠道微生物菌群发生涨落和变迁是哮喘发病的一个重要因素。,一、抗生素、膳食以及婴幼儿饮食对肠道微生物的影响,1,、抗生素,抗生素对肠道微生物的下游效应依赖于几种药理学变化。然而，肠道微生物定植抵抗能力（由伺机性病原菌抵抗定植）的缺乏是由大多数抗生素治疗所产生的一种常见的副作用。在人和动物模型中，抗生素治疗会导致有益厌氧菌（例如，双歧杆菌属、乳酸菌和类杆菌属）的长期减少而增加一些潜在的有害微生物的繁殖（例如，革兰氏阴性需氧菌、厌氧病原菌、难辨梭状芽孢杆菌和白色念珠酵母菌）。抗生素治疗还能够降低短链脂肪酸的水平，长期的抗生素治疗能够导致,16srRNA,微生物指纹图谱发生显著变化，指纹图谱的变化能反映微生物构成的变化。,2,、膳食,宿主与微生物通过营养交换表现它们之间的共生关系。宿主为微生物提供生存的微环境和养料，微生物生产一些有益的次生代谢产物，如维生素和短链脂肪酸作为交换。,20,世纪前叶，科学家致力于研究膳食对微生物的影响，这主要受益于益生菌理论的提出者梅奇尼可夫（,Eli,Metchnikoff,）的观点的普及。这些早期的研究表明啮齿动物肠道菌群的构成会随着膳食的改变发生急剧的变化。进食营养丰富的狗会抑制耐药微生物的恢复，这一点已经得到了证实。现在大部份研究都集中在寻找一种优质有效的饮食碳水化合物。益生元碳水化合物，像菊粉和低聚果糖，能刺激双歧杆菌的生长，反之，果糖等单糖能刺激大肠菌群和好氧微生物的生长。因此，宿主的膳食组成决定了微生物的物种组成以及它们的代谢活动，这跟不同的物种需要生长在不同的培养基上是同样的道理。,3,、婴幼儿饮食,一个世纪以前，科学家作了关于这方面的第一个实验，发现饮用母乳和饮用牛奶的婴幼儿胃肠道内微生物的组成存在差异。这个结论是通过对不同时期婴幼儿胃肠道中微生物的定植情况进行观察而得出的，并且得到了反复印证。两种饮食摄生法的最大差别是，饮用母乳的婴幼儿微生物的主要组成为乳酸菌，而饮用牛奶的婴幼儿肠道微生物组成却有所不同，主要是厌氧细菌和需氧细菌的混合物，推测这和母乳中的抗体组成和细胞因子组成有很大关系，当然也与其蛋白质和各种营养有关。近来的研究主要集中在微生物群体对肠道发育的影响，以及免疫系统如何适应胃肠道中微生物的存在。研究的重点是肠道微生物在引发炎症性疾病中的作用，例如炎症性肠疾病和关节炎。本节着重论述在接受外源性抗原刺激时，肠道微生物在维持黏膜免疫耐受中所起的作用。,二、正常微生物菌群：特点和发育,胃肠道管中微生物定植的过程会导致一系列的生态演替，最终导致稳定的微生物菌群（微生物区系）的建立，这个稳定的微生物菌群对不同的个体具有唯一性。稳定的微生物群体由固有种（永久成员）和外来种（从外来物种暂时获得的短暂定居者）组成。这种微生物菌群由,4001000,个种组成，大约有,60%,的微生物在胃肠道以外的环境是不可培养的。然而，这些菌中已被证实仅有,3040,种微生物。胃肠道中既存在真核微生物也存在原核微生物，细菌起主导作用。大部分细菌是严格厌氧菌（,97%,），而仅有,3%,为需氧菌（耐氧厌氧菌）。微生物群体组成的不同不仅表现在沿着胃肠腔的长度有所变化，更具代表性的是定居在胃肠道粘膜和内腔中微生物数量的不同。根据浓度定量，胃肠道内最普遍的厌氧菌是类杆菌属，双歧杆菌属，真杆菌属，梭形杆菌属，梭状芽胞杆菌属和乳酸菌。需氧菌中有革兰氏阴性肠细菌（大肠杆菌属和沙门氏菌属）和革兰氏阳性球菌属（肠球菌、葡萄球菌和链球菌）。除需氧细菌外，需氧真菌种属，如白色念珠菌属，也是正常微生物菌群的成员。,图,13.1,肠道系统的微生物系统分类。每一个样品的每一个细菌系统类型的序列数目。,Y,轴表示相邻的遗传系统分类树中各分类单位的代表的合并点,(,分枝点,),。该项研究共有,395,个系统类型；每一行是一个不同的系统类型。共有,7,个微生物门：似细菌门,(,Bacteroidetes,),非变形菌门,(non-,Alphaproteobacteria,),、未明确分类的蓝藻菌近缘微生物门,(,Cyanobacteria,),、放线菌门,(,Actinobacteria,),、厚壁菌门,(,Firmicutes,),、梭杆菌门,(,Fusobacteria,),和阿尔法蛋白细菌门,(,Alphaproteinobacteria,),全部列在图的上部。在系统分类树中用不同的颜色表示出来。对于每一个系统分类类型用刻度的灰色值表示出其菌落丰度。,图,13.2,人类肠道系统的细菌多样性。,(,A,),基于,8903,个,16,S,rRNA,基因序列的基因芯片进行的肠道系统细菌多样调查和系统分类所绘制的系统树。楔形图表示的各分类领域,(,超领域,),：在人的消化道中具有较大丰度的用红色表示，非常罕见的种类用绿色表示，未鉴定的用灰色表示。楔形图长度表示与其祖先的进化距离，粗度表示其丰度。,(,B,)CFB,分类的系统树是基于,GenBank,(900,核苷酸,)1561,序列及其生态学的逻辑关系。,CFB,主要亚类的楔形图：用象征符号表示其来源：地球、环境、牛、反刍动物、啮齿动物、老鼠和,/,或小鼠、人类、人类消化道,(GI),，其它还有白蚁、蟑螂、虫子,(,包括热水中的虫,),和猪。图中的比例是指人的消化道中存在的数目和亚类中总数的比值：红色、黄色和黑色分别表示多数、少数和人类,GI,中不存在。,(,C,),简化的细菌类系统树。细菌菌株的分类是基于形态学的用红色表示，这些菌株还没有得到,16,S,rRNA,分析的证实。已经进行过序列分析的用粗体表示。黑色圆点表示具有高支持度的节点,(70%),。分枝长度代表聚类的遗传距离，也就是,16,S,rRNA,基因的核苷酸序列差异。,图,13.3,人类消化道,(GI),中各种细菌的丰度估算。主要依据,16,S,rRNA,基因序列的变异水平。分布在“属”以下水平的同源性为,95%,，“种”以下水平的同源性为,98%,，到菌株水平只有基于独特的序列。计算依据于,GenBank,数据库，各分类单位则同源性分布于,80100%,之间。,1,、真菌微生物：白色念珠菌,在人体中最主要的真菌微生物种属是酵母白色念珠菌。它极少量的定居在口，阴道和胃肠道（,GI,）管中。影响粘膜表面白色念珠菌数量的因素是多方面的，包括正常微生物菌群、激素、压力、先天性免疫和获得性免疫。无菌而经抗生素治疗的小鼠，对白色念珠菌感染更为敏感。在人体中，酵母菌感染粘膜系统是抗生素治疗产生的一个最常见的副作用。因此，通过正常菌群来控制白色念珠菌是非常重要的。细菌微生物之所以能够控制和预防白色念珠菌感染，部分是因为它们能通过生存竞争将白色念珠菌排除出有利的生存环境。口腔细菌可以抑制酵母白色念珠菌在裂解为菌丝的过程中转化，这种转化可加强对上皮细胞的入侵。乳酸菌被认为可以抑制白色念珠菌在小鼠胃肠道上皮细胞的定植，及其引发的菌丝入侵和全身感染。在胃肠道患念珠菌病的小鼠模型中，预先接种乳酸菌可以降低白色念珠菌的水平，并可减少它的入侵。研究证实，有几株乳酸菌可以抑制白色念珠菌菌丝的转化，而菌丝转化是菌侵染上皮细胞和由共生到病原菌转化的关键步骤。正常微生物菌群的成员，例如乳酸菌，能够产生大量具有生物活性的短链脂肪酸。这些脂肪酸是厌氧发酵的副产物，具有抗炎功能。丁酸是一种短链脂肪酸，因具有免疫调节活性而被人们所熟知。然而，丁酸也可以抑制白色念珠菌菌丝的转化。短链脂肪酸是一种代谢副产物，可通过乳酸菌发酵大量生产。因此，抑制白色念珠菌菌丝的转化是乳酸菌的一个重要的益生菌活性。,2,、改变微生物菌群,环境压力，例如抗生素的使用，饮食不正常以及接种微生物等，都可能导致微生物群体短暂和永久的变更为另一形态稳定的微生物菌群。仅为宿主生产有益物质的微生物被称为有益菌，包括乳酸菌属和双歧杆菌属。此外，潜在致病微生物（,PPO,）也是组成微生物种群的一部分，包括需氧肠细菌，梭菌属以及白色念珠菌。然而，在健康个体中，,PPO,仅占微生物种群总量的一小部分。微生态失衡主要表现在有益厌氧微生物的减少以及需氧细菌和真菌（大部分是一些潜在致病菌）和有害厌氧微生物的增加。肠道微生物定植抗力是专性厌氧菌所具有一种抑制活性，它能抑制潜在的有害固有种和外来种的过度繁殖。微生物定植抗力的减少，最终可能表现出无临床症状（仅导致微生态失衡）或者是播散性感染。,图,13.4,机体学会了如何从多形类杆菌,(,B.thetaiotaomicron,),那里获得可利用的糖类,。,(1),多形类杆菌没有黏附的细胞器。没有外膜的多糖类结合蛋白介导的黏附到富含糖的营养颗粒，所以它将会冒很大被肠道生物反应器洗刷掉的风险。这也就是底物有限的情况。,(2),少量的未经消化或部分消化的营养颗粒，例如饮食的纤维素、流动的上皮细胞或粘膜片段。这也就是动力学平衡过程，在这种情况下，微生物发酵这些未完全消化物质，诱导一系列的多糖结合蛋白和多糖水解酶。,(3),耐热的产甲烷细菌通过发酵这些糖类释放出甲烷，从而从多糖中把能量全部释放出来。,(4),当饮食缺乏多糖的时候，多形类杆菌就通过发展一套不同的多糖结合蛋白和配糖水解酶为宿主粘膜提供多糖。这种适应性反映出宿主粘膜多糖的多样性和多形类杆菌的不同的适应能力。,三、益生菌和益生元,胃肠道微生物菌群的控制和稳定可作为免疫治疗的一种手段。益生菌理论由,Eli,Metchnikoff,首次提出，解释了保加利亚农民身体健康、长寿与日常饮用不含腐败微生物的发酵乳制品之间的关系。通过这些观察，他认为维持健康的肠道微生物菌群是实现健康长寿的关键。益生菌因此被定义为有活性的微生物添加剂，它是非致病菌，可对健康产生有益的影响。添加益生菌不仅能够导致在生物体中的定植，而且能够改变微生物种群其它成员的丰度。以发酵食品的形式添加益生菌，在西方国家和部分欧洲地区很流行。考古学研究也支持这一理论，在数千年之后这一习惯扩大并遍及多个文明社会。由这个事实得出，我们的胃肠道生态系统应通过日常供给和获取一定剂量的活乳酸菌来完成其进化。在西方国家，儿童过敏性症状已经被证实得到了缓解，主要是因为他们的生活方式，包括减少抗生素的使用和每天摄入一定量的益生菌，这种现象印证了上面的观点。现在临床研究表明添加益生菌