腸道菌群演替及其影響因素研究進(jìn)展

腸道微生物(gut microbiota, GM)被視為人體一個(gè)重要的“器官”,具有給機(jī)體提供營養(yǎng)、調(diào)節(jié)能量代謝、參與構(gòu)建免疫系統(tǒng)及腸道屏障等諸多生理功能,正常的腸道菌群有助于維持宿主的“健康狀態(tài)(healthy status)”[1]。腸道內(nèi)的細(xì)菌隨增齡表現(xiàn)出一個(gè)持續(xù)性的變化過程,即腸道菌群演替(succession of intestinal flora)。嬰兒出生后,腸道內(nèi)細(xì)菌經(jīng)歷從“無”到“有”,從“簡單”到“復(fù)雜”,在2～3歲時(shí)趨于穩(wěn)定并接近成人水平，成年期非常穩(wěn)定；老年期,腸道內(nèi)的細(xì)菌多樣性減少、優(yōu)勢(shì)菌種改變、有益菌比例減少、促炎細(xì)菌比例上升,被稱為嬰兒時(shí)期的“逆過程”[2-3]。老年人各種生理功能的衰退、疾病易感性增加與腸道菌群改變關(guān)系密切[3-4]。本文就增齡過程中腸道菌群演替過程及其影響因素做一簡要的綜述。

1 腸道菌群是人體的一個(gè)重要“器官”

人的體表和與外界相通的腔道中寄居著不同種類和數(shù)量的微生物,以細(xì)菌為主,稱為共生細(xì)菌群或菌群。其中胃腸道內(nèi)的菌群是人體內(nèi)最主要和最復(fù)雜的,占人體總微生物量的78%,種類多達(dá)1000～1500種,總數(shù)高達(dá)1014左右,其數(shù)量是人體總細(xì)胞數(shù)的10倍,共包含100多萬個(gè)的基因,因此被稱為“人類的第二基因組”[3, 5]。各類細(xì)菌間保持相互共生或拮抗的關(guān)系,參與調(diào)理機(jī)體的生理功能。

腸道菌群具有多種功能,主要有:(1)消化功能,把人體不能消化的食物(如膳食纖維等)酵解為短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids,SCFAs)為機(jī)體所利用[6];(2)合成維生素,包括維生素K和部分B族維生素[7];(3)腦-腸軸雙向調(diào)節(jié)功能,即“菌群—腸—腦軸(gut-brain axis,GBA)”,是大腦與腸道之間存在的神經(jīng)—內(nèi)分泌介導(dǎo)的雙向應(yīng)答系統(tǒng)[8-9];(4)代謝調(diào)節(jié)功能,通過抑制脂蛋白脂酶抑制因子基因的表達(dá)來促進(jìn)脂肪細(xì)胞中甘油三酯的儲(chǔ)存,厭氧菌屬中的擬桿菌屬、真細(xì)菌屬和梭菌屬能通過促進(jìn)膽汁酸的轉(zhuǎn)化,調(diào)節(jié)腸腔中的膽汁酸代謝影響信號(hào)通路,參與能量和脂類代謝[6];(5)免疫功能,參與免疫系統(tǒng)的建立和調(diào)節(jié)[5];(6)屏障功能,構(gòu)成腸道屏障中的生物屏障,通過拮抗有害菌定植防御外源性感染[10];(7)解毒抗癌:發(fā)酵產(chǎn)物SCFAs能為腸黏膜細(xì)胞提供能量,并起到抗炎抗腫瘤作用[5]。腸道菌群的這些功能與機(jī)體肝臟等重要器官的生理功能互相補(bǔ)充,因此腸道菌群是機(jī)體后天獲得的一個(gè)重要“器官”。

2 腸道菌群演替

腸道菌群的演替不是在特定的年齡才開始,如同機(jī)體生理功能的衰老一樣,是一個(gè)漸進(jìn)性的過程。腸道菌群改變最重要的時(shí)期是在2歲前的嬰幼兒期和老年時(shí)期。

2.1 嬰幼兒期 嬰兒期腸道菌群演替主要經(jīng)歷二個(gè)重要變化:一是出生及哺乳期,出生后微生物開始在胃腸道中定植,最先定植的是兼性厭氧菌,兼性厭氧菌消耗氧氣創(chuàng)造出低氧環(huán)境,優(yōu)勢(shì)菌種由兼性厭氧菌轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)格厭氧菌;二是添加輔食和斷乳后,因膳食變得豐富,腸道內(nèi)細(xì)菌隨之變得多樣化且復(fù)雜,在2歲左右逐漸穩(wěn)定,接近成人水平[1，11]。

出生至2～3歲是腸道茵群建立并達(dá)到平衡的關(guān)鍵時(shí)期,期間多種因素均會(huì)影響腸道菌群定植和演替,如分娩方式、喂養(yǎng)方式和飲食結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣以及抗生素的使用等,其過程一定程度上影響機(jī)體未來的健康[11]。

2.2 成年期 健康的成年人腸道中優(yōu)勢(shì)菌種為厚壁菌門和擬桿菌門,占到總體的80%～90%,其余的如變形桿菌門、梭桿菌門、疣微菌門、放線菌門、藍(lán)藻菌門等則處于很低水平[11]。個(gè)體間腸道菌群的組成有較大差異,根據(jù)構(gòu)成差異腸道菌群可大致分為擬桿菌型、普氏菌型和瘤胃球菌型3個(gè)腸型,各腸型的主要細(xì)菌決定了各自酵解的底物和產(chǎn)物[2-3]。擬桿菌型中最主要的擬桿菌具有豐富的酵解碳水化合物和蛋白質(zhì)的酶類的基因,如糖化酶、半乳糖苷酶、己糖胺酶、蛋白酶和多種參與糖酵解和戊糖磷酸途徑的酶類;普氏菌型中的最主要的細(xì)菌類型是普氏菌屬;瘤胃球菌型則富含瘤胃球菌、擬桿菌和古生菌,其中瘤胃球菌是擬桿菌的5～10倍。研究發(fā)現(xiàn)腸型在出生后18個(gè)月左右開始建立[12],形成初期仍會(huì)轉(zhuǎn)變,與年齡、性別、地區(qū)或體質(zhì)量指數(shù)(BMI)均無關(guān),短期的飲食改變只會(huì)暫時(shí)改變腸道菌群的組成,只有長期的膳食模式改變才能引起人體腸型的轉(zhuǎn)變[13-15]。在應(yīng)激、抗生素以及飲食和生活方式的影響下,腸道菌群組成可能發(fā)生變化,但在短期內(nèi)可以恢復(fù),以維持成年期腸道菌群的穩(wěn)定[11]。

2.3 老年期 老年人口腔及消化道的生理性衰退(如:嗅覺、味覺衰退,牙缺失、咀嚼功能減退,胃腸排空、蠕動(dòng)減弱,食物轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間延長等)、胃腸激素分泌減少和飲食結(jié)構(gòu)改變等因素[3],導(dǎo)致老年人腸道菌群的構(gòu)成發(fā)生改變,主要包括以下幾個(gè)方面。

2.3.1 多樣性減少、豐度降低:Odamaki等[16]進(jìn)行了從出生的嬰兒到104歲的健康人群的菌群對(duì)比研究,結(jié)果顯示細(xì)菌多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù))從嬰兒斷奶后開始增長,到20多歲后到達(dá)最高值,然后保持穩(wěn)定直到老年期開始持續(xù)減少。Biagi等[17]的一項(xiàng)研究顯示,中青年人、老年人和百歲老人的腸道菌群的多樣性逐漸減少,尤其是百歲老人。Woodmansey等[18]研究了健康年輕人、健康老年人和接受抗生素治療老年人3組人群腸道菌群差異,結(jié)果發(fā)現(xiàn):后2組腸道菌群總體豐度降低,擬桿菌和雙歧桿菌豐度降低伴隨多樣性的減少;其中雙歧桿菌種類差異較大,長雙歧桿菌、鏈狀雙歧桿菌、布姆雙歧桿菌和嬰兒雙歧桿菌僅在健康青年人中發(fā)現(xiàn),老年人雙歧桿菌主要為角雙歧桿菌和青春雙歧桿菌兩種。Zwielehner等[19]研究發(fā)現(xiàn),老年人除腸道菌群的總的多樣性減少外,還發(fā)現(xiàn)梭狀芽胞桿菌Ⅳ和擬桿菌屬的種類減少。

2.3.2 優(yōu)勢(shì)菌種改變:老年人腸道菌群中厚壁菌門,主要是梭狀芽孢桿菌ⅩⅣa和普拉梭菌(Faecalibacterium prausnitzii)、放線菌(主要是雙歧桿菌)水平降低,變形菌門水平增高[3]。Hayashi等[20]用高通量測(cè)序分析老年人腸道菌群構(gòu)成,74～94歲老年人腸道梭狀芽孢桿菌ⅩⅣa比例為2.5%～25.3%,遠(yuǎn)低于先前研究報(bào)道的成年人的24%～59%。同樣,在60歲以上的意大利人和70歲以上的芬蘭老年人中,也發(fā)現(xiàn)其腸道梭狀芽孢桿菌ⅩⅣa水平降低[21-22]。放線菌隨增齡數(shù)量下降,擬桿菌和變形菌在老年人腸道中含量較高[16]。但也有學(xué)者報(bào)道老年人腸道中擬桿菌含量低于成年人[23]。有關(guān)老年人腸道中乳酸桿菌比例隨增齡變化的研究結(jié)果尚不一致[24-25]。

2.3.3 有益菌數(shù)量減少、促炎細(xì)菌數(shù)量增多: Woodmansey等[18]在一項(xiàng)旨在研究健康年輕人和健康老年人的腸道菌群構(gòu)成差異的研究中發(fā)現(xiàn),老年人糞便中擬桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌等抗炎細(xì)菌數(shù)量較年輕人下降,梭狀芽孢桿菌、真菌屬等促炎細(xì)菌數(shù)量有所增加。國內(nèi)也有類似報(bào)告,李素云等[26]的一項(xiàng)旨探討年齡與腸道菌群組成相關(guān)性的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)老年組和成年組雙歧桿菌比少年組明顯減少,而老年組擬桿菌、腸桿菌、腸球菌等促炎細(xì)菌數(shù)量卻顯著增加。

此外,腸道菌群構(gòu)成改變還會(huì)引發(fā)細(xì)菌酵解產(chǎn)物的改變,如有益菌酵解膳食纖維產(chǎn)生的SCFA水平降低,糖代謝減少,而蛋白質(zhì)腐敗代謝增加等[2]。

3 腸道菌群的影響因素

足月經(jīng)陰道分娩、母乳喂養(yǎng)的嬰兒的腸道菌群被視為是健康腸道菌群的金標(biāo)準(zhǔn)[2]。研究發(fā)現(xiàn),除了年齡因素外,飲食、運(yùn)動(dòng)、作息等日常生活方式的改變,服用抗生素、微生態(tài)制劑等均能改變腸道菌群,并朝著不同的方向發(fā)展。不少的研究和臨床實(shí)踐揭示了其中的一些規(guī)律,在如何獲得健康腸道菌群方面給了一些啟示,主要包括以下幾方面。

3.1 飲食 飲食是影響腸道菌群最常見最直接的因素。合理的膳食有助于我們獲得健康的腸道菌群,主要體現(xiàn)在控制高脂高蛋白攝入和增加膳食纖維(尤其是可溶性膳食纖維)攝入等方面。研究發(fā)現(xiàn),高脂高蛋白飲食的人腸道中擬桿菌和瘤胃菌屬占主導(dǎo),而高碳水化合物飲食的人則以普雷沃菌占多數(shù)[13],其可能的機(jī)制是:高脂高蛋白飲食能通過改變氧化還原狀態(tài)、破壞菌群賴以生存的微環(huán)境,從而影響雙歧桿菌、乳酸桿菌和腸球菌等有益菌群的新陳代謝及生長繁殖, 使其數(shù)量明顯減少,而腸桿菌數(shù)量則相對(duì)增多[27]。可溶性膳食纖維在結(jié)腸中作為腸道菌群的底物,被發(fā)酵而產(chǎn)生SCFA,選擇性促進(jìn)抗炎菌的增殖,并通過降低腸腔內(nèi)pH值、減少毒性物質(zhì)(銨、胺、苯類化合物等)的形成,改善腸道的微環(huán)境[28],因此可溶性膳食纖維可作為一種益生元調(diào)節(jié)腸道菌群。多種飲食因子會(huì)影響腸道菌群的多樣性,Zhernakova等[29]發(fā)現(xiàn)60種飲食因子與腸道菌群多樣性相關(guān),其中經(jīng)常攝入酸奶、脫脂奶、咖啡和葡萄酒的人腸道菌群多樣性較高,而飲用全脂牛奶和含糖蘇打水者腸道菌群的多樣性較低,經(jīng)常飲用葡萄酒者腸道菌群豐度較高。此外,有學(xué)者經(jīng)研究后提出短期飲食調(diào)節(jié)引起的菌群改變難以持續(xù),長期的膳食模式改變才能引起人體的腸道型的轉(zhuǎn)變,因此合理膳食還應(yīng)長時(shí)間的堅(jiān)持[14]。

3.2 運(yùn)動(dòng) 研究發(fā)現(xiàn)規(guī)律適度的運(yùn)動(dòng)可以改善腸道微生態(tài)。Clarke等[30]研究發(fā)現(xiàn):橄欖球運(yùn)動(dòng)員腸道菌群多樣化程度顯著高于其他2組非運(yùn)動(dòng)員男子(BMI≤25的健康男性和BMI≥28的超重或肥胖男性),且橄欖球運(yùn)動(dòng)員腸內(nèi)益生菌菌種含量更高。Barton等[31]研究發(fā)現(xiàn):運(yùn)動(dòng)并有合理飲食者的腸道細(xì)菌Shannon指數(shù)比久坐不動(dòng)者(高BMI或低BMI)明顯增高(P<0.05)。國內(nèi)研究運(yùn)動(dòng)與腸道菌群關(guān)系多集中在八段錦、五禽戲、太極拳等傳統(tǒng)體育項(xiàng)目上。孫紅梅等[32]分別測(cè)量了45名老年八段錦練習(xí)者(在專業(yè)輔導(dǎo)員帶領(lǐng)下每周進(jìn)行6次,每次40～50 min)練習(xí)前、練習(xí)3個(gè)月和練習(xí)6個(gè)月3個(gè)時(shí)間段的糞便細(xì)菌含量,結(jié)果顯示與練習(xí)前相比,練習(xí)3個(gè)月時(shí)老年男性雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量上升(P<0.05),練習(xí)6個(gè)月時(shí),雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量上升,腸桿菌數(shù)量下降(P<0.05),老年女性練習(xí)者結(jié)果類似。段麗梅等[33]研究發(fā)現(xiàn)五禽戲能提高老年人抗氧化能力和體內(nèi)乳酸菌的含量。周濤等[34]研究結(jié)果顯示太極拳也能提高老年肥胖者體內(nèi)乳酸桿菌和雙歧桿菌的含量,還能改善肥胖老年人的血脂水平,并且鍛煉時(shí)間越長,效果越明顯。

3.3 益生菌、益生元 補(bǔ)充益生菌和(或)益生元調(diào)節(jié)腸道菌群以治療腸道疾病在我國已有20多年的歷史,臨床常用的益生菌主要有乳桿菌類、雙歧桿菌類、革蘭陽性球菌等,直接增加腸道的有益菌群(抗炎菌)[28]。益生元作為益生菌的底物或發(fā)酵對(duì)象,促進(jìn)雙歧桿菌、乳酸桿菌等益生菌生長,抑制大腸桿菌、梭菌、腸球菌等致病菌生長來改善腸道微生態(tài)。常見的益生元主要有低聚果糖、低聚乳果糖、低聚半乳糖和可溶性膳食纖維等,后者在水果蔬菜中含量豐富。Tap等[35]研究發(fā)現(xiàn),在體質(zhì)量正常的健康成人的飲食中添加膳食纖維40 g/d,5 d后腸道細(xì)菌的豐度和穩(wěn)定性均增加,作者認(rèn)為其機(jī)制可能是膳食纖維素通過激活碳水化合物活性酶的基因編碼,提高其活性,調(diào)節(jié)腸道菌群的代謝(糖代謝)通路。Martínez等[36]給健康的成年人每天進(jìn)食60 g的全麥,4周后檢測(cè)結(jié)果顯示,糞便中細(xì)菌多樣性、厚壁菌門/擬桿菌門的比例和雙歧桿菌比例增加,血清白介素-6(IL-6)和餐后血糖降低。

3.4 晝夜節(jié)律(circadian rhythm) 晝夜節(jié)律由生物體內(nèi)的生物鐘(biological clock)控制,受位于大腦下丘腦視交叉上核(suprachiasmatic nucleus,SCN)的主鐘和位于肝臟的子鐘控制,以近似24 h的明-暗或睡眠-清醒周期調(diào)控機(jī)體生長繁殖和營養(yǎng)代謝[37]。Voigt等[38]報(bào)道了晝夜節(jié)律改變和高脂高糖飲食對(duì)小鼠腸道菌群的影響,作者認(rèn)為,環(huán)境改變所致的晝夜節(jié)律的改變會(huì)導(dǎo)致腸道菌群失調(diào),合并高脂高糖飲食后,變化更為顯著。此外,遺傳導(dǎo)致的晝夜節(jié)律改變也是腸道菌群改變的原因。Voigt等[39]隨后研究了生物鐘基因突變引起的晝夜節(jié)律改變對(duì)小鼠腸道菌群影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)生物鐘基因即ClockΔ19基因突變(顯性負(fù)突變等位基因純合子小鼠)的小鼠腸道的細(xì)菌多樣性比野生小鼠明顯降低,含酒精飲食和正常飲食結(jié)果類似。此外,研究表明腸道菌群的改變和晝夜節(jié)律之間存在雙向調(diào)節(jié),可能是通過細(xì)菌產(chǎn)物的改變實(shí)現(xiàn)[37]。

3.5 藥物 影響腸道菌群最常見的藥物是抗菌藥物,尤其是廣譜抗菌藥物?？咕幬锸鼓c內(nèi)擬桿菌的豐度增加,厚壁菌群和變形菌群豐度明顯降低,導(dǎo)致菌群紊亂[18]。Panda等[40]研究了短期服用廣譜抗生素對(duì)人體腸道菌群的影響,結(jié)果顯示:21例病人在服用喹諾酮類或β-內(nèi)酰胺類抗菌藥物7 d后,核心系統(tǒng)微生物群由29種減少至12種,其中服用β-內(nèi)酰胺類藥物擬桿菌比例增加1.5倍,服用左氧氟沙星者擬桿菌門/厚壁菌門的比值上升(P=0.0007),糞便中微生物的多樣性降低約25%。近年來降糖藥對(duì)腸道菌群影響的研究備受關(guān)注,有研究發(fā)現(xiàn)服用二甲雙胍者腸內(nèi)大腸桿菌增加,其機(jī)制可能是通過增加葡萄糖、半乳糖和丙酮酸發(fā)酵,使SCFA生成減少有關(guān)[29]。同為降糖藥,阿卡波糖卻被發(fā)現(xiàn)可以顯著提高糖尿病病人腸內(nèi)雙歧桿菌和乳酸菌的豐度,大幅度降低梭菌和擬桿菌的豐度,擬桿菌腸型病人的降糖效果更佳,提示腸道菌群的特征(腸型)可能與藥物療效有關(guān)[41]。Zhang等[42]研究發(fā)現(xiàn),小檗堿可以顯著降低高脂喂養(yǎng)大鼠腸道菌群的多樣性,但顯著增加產(chǎn)SCFAs細(xì)菌如布勞特氏菌屬和支原體科菌的含量,并伴隨著糞便SCFAs含量增高。

總之,腸道菌群是機(jī)體后天獲得、具有多種功能的一個(gè)重要“器官”,其構(gòu)成特征在嬰幼兒期、成年期和老年期各不相同,但在老年期呈現(xiàn)的是一個(gè)退化或老化趨勢(shì),這一變化可能與老年人腸黏膜屏障退化、慢性低度炎癥,進(jìn)而與老年人多種慢性疾病(糖尿病、血管硬化、癡呆、營養(yǎng)不良、衰弱等)有關(guān)。因此,了解前述腸道菌群的影響因素,盡力維護(hù)腸道菌群的穩(wěn)定,甚至科學(xué)地干預(yù)、優(yōu)化老年人腸道菌群結(jié)構(gòu),不僅具有現(xiàn)實(shí)臨床意義,還可能是研究老年慢病防控措施的一個(gè)新方向。

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