長壽與腸道微生態(tài)的研究進展

欒 哲 閆 斌 孫 剛

(解放軍總醫(yī)院海南分院消化內科，海南 三亞 572000)

關于衰老及長壽機制的研究，自生命科學誕生之初，便一直是該領域的熱點問題。年齡是各種慢性疾病如心血管疾病、癌癥、2型糖尿病、神經(jīng)退行性疾病等的主要危險因子，近年來提出的炎癥衰老概念指出，年齡增加導致的免疫衰退及伴隨發(fā)生的炎癥網(wǎng)絡激活及衰老相關因子的釋放，包括炎癥前介質等，是影響人健康狀態(tài)及壽命長短的重要因素〔1,2〕。如何保持高齡老人在生命終末期的健康質量，具有巨大的科研價值〔3,4〕。長壽狀態(tài)的獲得是由基因、環(huán)境和隨機因素等共同決定的，腸道菌群以其對人體免疫和代謝活動等多方面影響，被認為是影響人健康長壽的決定因素〔5,6〕。

1 腸道微生態(tài)研究在長壽研究中的必要性

腸道菌群在長壽/衰老進程中起重要調節(jié)作用，是影響人壽命長短的不可忽略因素〔7〕。人體腸道內聚集的微生物，數(shù)目達1 012～1 014個，微生物包含的基因數(shù)目超過987萬個，是人體自身基因數(shù)目的幾百倍〔8,9〕。腸道菌群作為伴隨人生命過程始終的重要參與者，自五億年前就和人類一起共同演化，在腸道免疫穩(wěn)態(tài)維持、營養(yǎng)及代謝、抵御病原微生物方面均起到重要作用。

早在十九世紀初，俄國諾貝爾獎獲得者伊力亞·梅契尼科夫對保加利亞長壽人群研究后，提出了“腸道中的乳酸桿菌有助長壽”的理論并系統(tǒng)闡述了“有益細菌”的觀點〔10〕。然而，直到近幾年測序技術及代謝組學技術得到發(fā)展后，腸道菌群與人體之間復雜關系，才逐漸得到認識。人作為一個復雜共生有機體，人體和腸道菌群之間的微妙關系，已經(jīng)超越了單純的宿主-寄生關系〔11,12〕。人類基因組計劃完成后，國外研究機構已經(jīng)著手開展“人類第二基因組計劃”，即對人類各部位微生物群落進行基因組學分析，其中占重要比重的即腸道微生態(tài)研究。美國國立衛(wèi)生研究院于2008年啟動了為期5年的人類微生物組計劃(HMP)，總預算達7.45億元人民幣(1.15億美元)，累計投入超過12.95億元人民幣(2億美元)，旨在探索研究與人類健康和疾病相關的微生物群落，歐盟也緊隨其后啟動了人類腸道宏基因組計劃(MetaHIT)。2016年5月13日，白宮宣布啟動國家微生物組計劃(NMI)，這也是奧巴馬政府繼“腦計劃”、“精準醫(yī)學計劃”之后推出的又一個重大國家科研計劃，由此可見，深入研究腸道微生態(tài)在全面了解人體方面具有極其重要的意義〔13,14〕。

2 長壽與腸道微生態(tài)

動物研究方面，Conley等〔2〕指出，老齡小鼠可以產生更多的單細胞趨化蛋白(MCP)-1，該蛋白可作為炎癥衰老的標志物。利用16s rDNA測序技術，發(fā)現(xiàn)年輕和老齡小鼠糞便菌群在不同種屬間存在豐度上的差異，包括瘤胃球菌屬、梭桿菌屬和腸桿菌屬。有幾種菌群表現(xiàn)出了豐度與MCP-1變化保持一致的特點，這些MCP-1相關操作分類單元(OTUs)有隨年齡而分層的現(xiàn)象。韓國學者Kim等〔11〕同樣針對小鼠進行的衰老與腸道菌群之間關系的研究表明，衰老對腸道菌群構成的影響作用顯著，在門水平，衰老伴隨的是厚壁菌門和放線菌門的增加，擬桿菌門和無壁菌門則減少，由此導致厚壁菌門/擬桿菌門比的增加。以上動物研究表明，腸道菌群構成受年齡影響，腸道菌群與年齡之間存在相關性，腸道菌群可能在年齡相關免疫衰老進程中起調節(jié)作用。在人體腸道菌群中，是否也存在一種或幾種“關鍵菌群”，通過與人體之間復雜的相互作用，最終對人的壽命產生有益影響。

年齡增長顯著影響人腸道菌群構成和宿主-菌群之間的共生關系，這一觀點在針對高齡長壽人群，特別是百歲以上老人的研究中得到了證實。菌群構成方面，意大利Biagi等〔7〕利用16s RNA測序技術對意大利北部高齡長壽老人(n=21,平均年齡100.5歲)進行研究，發(fā)現(xiàn)年輕成人(平均年齡30歲)和低齡老人(平均年齡70歲)在腸道菌群構成和豐度上高度相似，而高齡長壽老人腸道菌群與前兩者相比多樣性顯著減低，性別因素在年齡相關腸道菌群構成上無明顯影響。通過檢測血液中的炎癥標志物可以發(fā)現(xiàn)高齡長壽老人腸道結構改變與炎癥衰老相關，特別是腸道內柔嫩梭菌類群減少，柔嫩梭菌先前被證實具有抗炎作用〔15,16〕。鑒于腸道菌群在宿主生理功能和健康狀態(tài)中的重要地位，年齡相關的腸道菌群構成改變可視為身體功能弱化的結果。宿主-菌群之間的共生關系方面，Collino等〔17〕同樣針對意大利北部143名高齡長壽老人的血液和尿液進行代謝組學分析后發(fā)現(xiàn)，與低齡老人組相比，高齡長壽老人體內脂質、多種氨基酸及腸道菌群的代謝都存在差異。高齡長壽老人體內脂質組的特異性改變反映了高齡長壽老人在應對體內氧化應激及慢性炎癥方面的獨特能力。2-羥苯甲酸(HB)有抗炎和抑制環(huán)氧合酶(COX)-2轉錄的作用，廣泛存在于大多數(shù)水果和蔬菜中，苯乙酰谷氨酰胺(PAG)和甲酚硫酸鹽(PCS)是腸道細菌對芳香族氨基酸代謝后產物，這三種化合物可被視作長壽標志物，在高齡長壽老人尿液中含量均高于低齡老人組。進一步比對研究發(fā)現(xiàn)，PAG與PCS的增加與變形菌門的某些菌屬呈正相關，2-HB增加則與變形桿菌屬細菌呈正相關。特別有趣的是，梭菌屬Ⅳ和梭菌屬ⅪVa一樣，其發(fā)酵產物丁酸鹽是腸細胞的重要能源，對慢性炎癥有保護作用，這一點已經(jīng)被前研究所證實〔6〕，然而在本次觀察中，ⅪVa梭菌屬細菌卻與PAG/PCS呈負相關，由此可見，不同菌群對長壽的貢獻可能并不相同。

既然年齡的增長能顯著影響腸道菌群的構成及其代謝，而且不同菌群對長壽的貢獻并不相同，那么是否存在某幾種特定菌群或特定模式的腸道菌群構成，能反過來影響人類的壽命，成為了進一步研究的重點。

有研究〔5〕通過分析長壽老人腸道菌群發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增加，存在以擬桿菌科、毛螺菌科、瘤胃菌科等為代表的核心腸道菌群，其豐富逐漸減少，次優(yōu)勢地位的腸道菌群的增加則和長壽有關，長壽老人健康相關腸道菌群如雙歧桿菌、艾克曼嗜黏膜蛋白菌和氣球屬細菌的高出現(xiàn)率和富集可能與長壽相關。針對該假設，同類研究多停留在尋找和分離益生菌的階段，其中，雙歧桿菌和乳酸桿菌的研究占到絕對多數(shù)。最近，有學者〔18〕系統(tǒng)論述了雙歧桿菌在人體健康和衰老中的益處。生命不同階段，雙歧桿菌菌屬的構成會發(fā)生相應變化，強調了其有益性，某些特定的菌株已經(jīng)用來作為益生菌應用，而且少有不良反應報道(僅有幾例敗血癥報道)〔7,19〕。一項研究〔20〕在韓國8個長壽村隨機挑選了69名80歲以上健康長壽老人，從老人腸道內菌群中篩選益生菌，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵乳桿菌是最多見的菌群，其中最優(yōu)的則是發(fā)酵乳桿菌PL9988型。該菌在結合腸上皮細胞，增強宿主免疫、抗炎和抗氧化方面最有優(yōu)勢。2016年，一項最新研究針對367例日本常住居民(0～104歲)的糞便樣本進行細菌16S rDNA基因 V3～V4區(qū)高通量測序，以觀察不同年齡段人群腸道微生態(tài)的差異，除少數(shù)剛出生嬰兒在斷奶前和斷奶后收集兩次以上之外，只是在某一時間點進行了樣本的單次采集，而沒有進行動態(tài)隨訪。所得到的結果雖然表明不同年齡段在腸道微生態(tài)構成方面的確有差異，但是有其局限性，無法反映長壽老人腸道菌群動態(tài)變化〔21〕。國內有關百歲老人腸道內細菌的研究最早可以追溯到1994年，針對長壽之鄉(xiāng)廣西巴馬瑤族自治縣百歲老人腸道內雙歧桿菌進行分離培養(yǎng)的研究，然而，由于當時缺乏高通量測序技術，研究僅停留在腸道內雙歧桿菌的定量研究層面，并未涉及腸道微生態(tài)〔22〕。2011年，中國農業(yè)大學研究人員基于巴馬自治縣百歲老人腸道微生態(tài)與分布地域關系的研究〔19〕，選取年齡75～109歲老人17名，按年齡和地域劃分為三組，其中第一組納入6名生活在農村的百歲老人(平均年齡106歲)，農村低齡老人組納入75～83歲老人4名，城市老人組則由巴馬縣城內居住的76～83歲老人7名組成。收集老人糞便后進行變性梯度凝膠電泳(DGGE)分析后顯示，共檢測到11條與年齡和地域相關的條帶，其中4條和年齡、居住地均相關，說明年齡和居住地可能影響腸道微生態(tài)構成，為進一步尋找益生菌的存在奠定基礎；目前國內研究多是在國外同類型研究基礎上，對本國長壽老人進行相應研究，從一定程度上可以揭示不同人種間長壽老人腸道菌群構成區(qū)別及生活環(huán)境、年齡因素對腸道菌群的影響，對解釋腸道微生態(tài)與長壽關系有一定意義〔19,22～25〕。

3 現(xiàn)有研究的不足及前景展望

現(xiàn)階段針對百歲老人的腸道菌群的研究，基本可以分為兩種類型，一種是分析百歲老人腸道菌群與所居住地域、飲食結構、生活方式的相關性及對腸道菌群構成產生的影響，屬于描述層面，研究目的更多的還是找尋長壽相關的健康生活方式。另一種則致力于通過對比不同年齡段人群腸道微生態(tài)與百歲老人的不同，試圖分離出一種或幾種長壽相關菌群，從而為后續(xù)開發(fā)長壽益生菌奠定基礎，有研究還將長壽老人的后代納入進來〔7,17〕，因為之前有研究對長壽老人后代和非長壽老人后代進行的對照研究發(fā)現(xiàn)，長壽老人的后代往往更加健康，年齡相關疾病的起始發(fā)病年齡也較晚〔26〕，盡管長壽老人在血清和尿液代謝組學層面與前兩者顯著不同，然而長壽老人后代和非長壽老人后代之間并未發(fā)現(xiàn)明顯意義上的差異〔17〕。眾所周知，腸道微生態(tài)是一個復雜的共生系統(tǒng)，通過基因傳遞和代謝交換，無時無刻不在和人體宿主之間進行相互作用。以上兩種研究策略均為橫斷面研究，并未從根本上對百歲老人腸道微生態(tài)的動態(tài)變化有清晰的認識，表明了長壽人群腸道微生態(tài)的構成具有一定特點，但花費較大，也未能很好地揭示腸道微生態(tài)與長壽/衰老之間的動態(tài)關系。普遍缺乏一個序貫性、前瞻性的觀察過程，老人從健康的長壽狀態(tài)到逐漸衰弱直至死亡，期間是否存在某種特定菌群變化，在其中起到關鍵性作用，尚無研究論證。針對同一位老人，監(jiān)測其在不同狀態(tài)下(健康/疾病/臨終)腸道微生態(tài)的變化，可能對揭示腸道微生態(tài)與長壽/衰老之間的關系具有非常重大的意義。此外，通過納入和老人長期共同生活的直系子女、長壽老人夫妻及長壽家系進行研究，有望進一步探討遺傳、環(huán)境等因素對腸道微生態(tài)的影響。

4 參考文獻

1Guigoz Y,Doré J,Schiffrin EJ.The inflammatory status of old age can be nurtured from the intestinal environment〔J〕.Curr Opin Clin Nutr Metab Care，2008；11(1):13-20.

2Conley MN,Wong CP,Duyck KM,etal.Aging and serum MCP-1 are associated with gut microbiome composition in a murine model〔J〕.Peer J,2016;4:e1854.

3Cohen JE.Human population:the next half century〔J〕.Science,2003;302(5648):1172-5.

4佚 名.21世紀的人口老齡化:成就與挑戰(zhàn)〔J〕.人口與計劃生育,2013;1(1):61.

5Biagi E,Franceschi C,Rampelli S,etal.Gut microbiota and extreme longevity〔J〕.Curr Biol,2016;26(11):1480-5.

6López-Otín C,Galluzzi L,Freije JM,etal.Metabolic control of longevity〔J〕.Cell,2016;166(4):802-21.

7Biagi E,Nylund L,Candela M,etal.Through ageing,and beyond:gut microbiota and inflammatory status in seniors and centenarians〔J〕.PLoS One,2010;5(5):e10667.

8Qin J,Li R,Raes J,etal.A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing〔J〕.Nature,2010;464(7285):59-65.

9Li J,Jia H,Cai X,etal.An integrated catalog of reference genes in the human gut microbiome〔J〕.Nat Biotechnol,2014;32(8):834-41.

10Podolsky SH.Metchnikoff and the microbiome〔J〕.Lancet,2012;380(9856):1810-1.

11Kim KA,Jeong JJ,Yoo SY,etal.Gut microbiota lipopolysaccharide accelerates inflamm-aging in mice〔J〕.BMC Microbiol，2016；16:9.

12Heintz C,Mair W.You are what you host:microbiome modulation of the aging process〔J〕.Cell,2014;156(3):408-11.

13Conlan S,Kong HH,Segre JA.Species-level analysis of DNA sequence data from the NIH human microbiome project〔J〕.PLoS One,2012;7(10):e47075.

14Peterson J,Garges S,Giovanni M,etal.The NIH human microbiome project〔J〕.Genome Res,2009;19(12):2317-23.

15Quévrain E,Maubert MA,Michon C,etal.Identification of an anti-inflammatory protein from Faecalibacterium prausnitzii,a commensal bacterium deficient in Crohn′s disease〔J〕.Gut,2016;65(3):415-25.

16Sokol H,Pigneur B,Watterlot L,etal.Faecalibacterium prausnitzii is an anti-inflammatory commensal bacterium identified by gut microbiota analysis of Crohn disease patients〔J〕.Proc Natl Acad Sci U S A,2008;105(43):16731-6.

17Collino S,Montoliu I,Martin FP,etal.Metabolic signatures of extreme longevity in northern Italian centenarians reveal a complex remodeling of lipids,amino acids,and gut microbiota metabolism〔J〕.PLoS One,2013;8(3):e56564.

18Arboleya S,Watkins C,Stanton C,etal.Gut bifidobacteria populations in human health and aging〔J〕.Front Microbiol,2016;7:1204.

19Zhao L,Qiao X,Zhu J,etal.Correlations of fecal bacterial communities with age and living region for the elderly living in Bama,Guangxi,China〔J〕.J Microbiol,2011;49(2):186-92.

20Park JS,Shin E,Hong H,etal.Characterization of lactobacillus fermentum PL9988 isolated from healthy elderly korean in a longevity village〔J〕.J Microbiol Biotechnol,2015;25(9):1510-8.

21Odamaki T,Kato K,Sugahara H,etal.Age-related changes in gut microbiota composition from newborn to centenarian:a cross-sectional study〔J〕.BMC Microbiol,2016;16:90.

22Wang F,Huang G,Cai D,etal.Qualitative and semiquantitative analysis of fecal bifidobacterium species in centenarians living in bama,guangxi,China〔J〕.Curr Microbiol，2015；71(1):143-9.

23Kong F,Hua Y,Zeng B,etal.Gut microbiota signatures of longevity〔J〕.Curr Biol，2016；26(18):R832-3.

24Wang F,Yu T,Huang G,etal.Gut microbiota community and its assembly associated with age and diet in Chinese centenarians〔J〕.J Microbiol Biotechnol，2015；25(8):1195-204.

25Yu X,Wu X,Qiu L,etal.Analysis of the intestinal microbial community structure of healthy and long-living elderly residents in Gaotian village of Liuyang city〔J〕.Appl Microbiol Biotechnol，2015；99(21):9085-95.

26Atzmon G,Rincon M,Rabizadeh P,etal.Biological evidence for inheritance of exceptional longevity〔J〕.Mech Ageing Dev，2005；126(2):341-5.