腸道菌群：從生命健康到體育運動

梁 茹，周繼遠(yuǎn)

（1.北京體育大學(xué)，北京 100084；2.深圳北京大學(xué)香港科技大學(xué)醫(yī)學(xué)中心北京大學(xué)深圳醫(yī)院，廣東 深圳 518035）

1 腸道菌群與人類健康的關(guān)系

人體內(nèi)存在約1～2kg細(xì)菌，其中90%定值在人體腸道內(nèi)。就整體而言，人體細(xì)胞是由10%人體自身細(xì)胞和90%的細(xì)菌細(xì)胞組成，而人體基因是由約2.3萬的自身基因和超過300萬的細(xì)菌基因組成。因此，腸道菌群被認(rèn)為是人類后天獲得的“第二套基因庫”，也被稱作被人類遺忘的一個重要“器官”。

腸道菌群參與人類生命過程的諸多環(huán)節(jié)。嬰兒出生后會暴露在不同微生物環(huán)境中，最先接觸的微生物會迅速定值在腸道內(nèi)并形成最初的腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)。目前研究認(rèn)為，分娩方式?jīng)Q定了人類最初的腸道菌群結(jié)構(gòu)特征。順產(chǎn)兒最早接觸的菌群來自于母體陰道，以乳酸桿菌居多，而剖腹產(chǎn)兒最先接觸的是母體皮膚，因此，腸道內(nèi)初次定值的以葡萄球菌屬、丙酸桿菌屬居多。嬰幼兒在成長過程中，隨著抗生素應(yīng)用、飲食習(xí)慣、運動等多種因素的影響，腸道菌群也發(fā)生明顯改變。

大量的研究報道，腸道菌群紊亂與代謝性疾病、炎癥性腸病、動脈粥樣硬化、抑郁癥等發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。其中，肥胖癥是目前研究較早、最為系統(tǒng)的一種疾病。早在2004年，Gordon團隊在美國科學(xué)院雜志首次提出，腸道菌群作為一個整體具有調(diào)節(jié)與脂肪存儲、合成和消耗相關(guān)基因表達(dá)的作用。在肥胖癥中，腸道菌群可通過下調(diào)脂肪消耗相關(guān)基因，上調(diào)脂肪合成相關(guān)基因，從而促使機體向過度積累和合成脂肪的方向發(fā)展。該研究一經(jīng)報道，引起學(xué)術(shù)界高度關(guān)注。該團隊通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，給無菌小鼠灌注來自肥胖小鼠的糞便后，其能量吸收率提高同時伴有體質(zhì)質(zhì)量的顯著增加；該研究提示，特定的腸道菌群可從食物中攝取更多的能量。該研究首次證明，特定菌群的定值可能與肥胖的發(fā)生有關(guān)，但尚不清楚為哪些特定細(xì)菌參與。2007年Cani等從微生物產(chǎn)物的角度證明，腸道菌群產(chǎn)生的內(nèi)毒素誘導(dǎo)全身性慢性炎癥是肥胖癥發(fā)生中必不可少的因素。因此，調(diào)節(jié)腸道菌群，降低血漿內(nèi)毒素濃度是控制肥胖癥發(fā)生和進展的治療策略之一。Le Chatelier等通過宏基因組學(xué)及代謝組學(xué)對比分析169例肥胖丹麥人和123例健康人的糞便及代謝產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)，2組人群腸道菌群的結(jié)構(gòu)和基因豐富性截然不同。與菌群基因豐富性較高的個體相比，低基因豐富性個體具有顯著的肥胖特征、胰島素抵抗、脂代謝紊亂以及更嚴(yán)重的炎癥表型。因此，腸道菌群的基因豐富性及其相關(guān)代謝產(chǎn)物可能與肥胖癥發(fā)生有關(guān)。 然而，以上研究僅僅是從不同層面研究腸道菌群和肥胖癥的相關(guān)性，對于肥胖癥發(fā)生與腸道菌群的因果關(guān)系并無確切的證據(jù)。2013年我國學(xué)者趙立平教授等報道了一例體重為174.8kg，體質(zhì)指數(shù)為58.8的肥胖癥患者，該患者通過持續(xù)23周純谷物飲食及聯(lián)合益生元干預(yù)后體重減輕51kg，同時患者的ALT、血糖、血脂、CRP等指標(biāo)均恢復(fù)正常。進一步通過高脂飼養(yǎng)無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠很難誘發(fā)肥胖；當(dāng)培養(yǎng)肥胖癥患者的糞便同時分離一種叫陰溝腸桿菌的腸道細(xì)菌并將該細(xì)菌移植到無菌小鼠腸道后引發(fā)肥胖。該研究首次證實了腸道細(xì)菌可導(dǎo)致肥胖癥發(fā)生，也為證明腸道條件致病菌引起肥胖和胰島素抵抗提供有力依據(jù)。

目前，對于腸道菌群與疾病發(fā)生的研究仍處于早期研究階段，較多的研究僅僅是從菌群多樣性及結(jié)構(gòu)的改變、某種（類）腸道細(xì)菌及其相關(guān)代謝產(chǎn)物的層面闡述腸道菌群與某類疾病發(fā)生的相關(guān)性問題。不過，隨著腸道細(xì)菌檢測方法、細(xì)菌分離及培養(yǎng)技術(shù)的不斷提高，未來更多疾病的發(fā)生與腸道菌群因果關(guān)系將被界定。另外，如何通過調(diào)節(jié)腸道菌群維持人類健康、防治疾病發(fā)生也將是生命健康領(lǐng)域中腸道微生物研究的重要研究方向。

2 運動鍛煉可改變腸道菌群結(jié)構(gòu)及多樣性

運動可以改善健康狀況，提高生活質(zhì)量，被公眾認(rèn)為是一種可提高機體免疫力，阻止疾病進展的途徑之一。運動鍛煉在對代謝性疾病如肥胖、糖尿病及心腦血管疾病等可發(fā)揮較為有利的影響。以往報道，運動鍛煉可以通過影響激素壓力反應(yīng)系統(tǒng)如下丘腦-垂體-腎上腺軸和交感神經(jīng)系統(tǒng)，緩解與壓力相關(guān)的疾病，從而有助于減少情緒、生理和代謝反應(yīng)并增加積極的情緒。此外，體育鍛煉也可以通過促進抗炎癥反應(yīng)，增加神經(jīng)可塑性等機制影響人類健康。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，體育鍛煉與機體的腸道菌群特點的關(guān)系較為密切。因此，美國著名學(xué)者Tiffany Weir預(yù)言，體育鍛煉將成為腸道菌群研究的下一前沿。

目前，動物實驗結(jié)果已經(jīng)表明，運動可影響人體腸道菌群的結(jié)構(gòu)及多樣性。Choi 等研究發(fā)現(xiàn)，與久坐的小鼠相比，反復(fù)運動的小鼠的腸道菌群構(gòu)成更為豐富，約有2 510種腸道細(xì)菌在2組間存在較大差異，其中，經(jīng)常運動的小鼠腸道存在較多的Lactobacillales目中的Enterococcus faecium菌， 而Tenericutes門類中的C11_K211菌較少。Queipo-Ortuno等在大鼠實驗中也同樣證實，經(jīng)常運動的大鼠腸道菌群中Lactobacillales和Blautia coccoides . Eubacterium rectale較多。

那么，運動鍛煉是如何影響腸道菌群呢？Campbell和Wisniewski認(rèn)為，運動可能通過減少腸道炎癥對腸道微生物產(chǎn)生獨特的影響。但運動的幅度或強度對降低腸道炎癥程度，調(diào)節(jié)腸道菌群的作用存在較大差異。對于中度運動可以減輕腸道炎癥，對腸道菌群發(fā)揮積極作用，而劇烈運動對維持正常的腸道屏障功能會負(fù)面影響；這也提示，體育鍛煉尤其對于專業(yè)水平運動員中調(diào)節(jié)腸道菌群的可能存在較為復(fù)雜的機制。Allison 和Núria認(rèn)為，運動誘導(dǎo)壓力的降低可通過下丘腦-垂體腎上腺軸影響腸道微生物（即大腦-微生態(tài)軸）。B.ckhed等在其研究中發(fā)現(xiàn)，無菌大鼠中5′腺苷單磷酸鹽激活蛋白激酶（pAMPK） 和AMPK-非依賴型FIAF蛋白過表達(dá)，而該蛋白在骨骼肌中具有調(diào)節(jié)葡萄糖攝取和脂質(zhì)氧化作用。因此，機體可通過肌肉—微生態(tài)軸途徑將運動與腸道菌群聯(lián)系起來。除此之外，基于膽汁酸調(diào)節(jié)、免疫調(diào)節(jié)等途徑，也是聯(lián)系運動與微生態(tài)之間關(guān)聯(lián)的重要機制。

目前，運動與腸道菌群相關(guān)的研究剛剛起步，大多數(shù)局限于動物實驗水平，而對于運動人體與腸道菌群的相關(guān)研究同樣較少。然而，可以明確的是，未來圍繞運動鍛煉對腸道內(nèi)特定細(xì)菌和宿主之間相互作用的機制研究，將對體育鍛煉指導(dǎo)人體健康、提高運動員技能發(fā)揮將具有較為深遠(yuǎn)的現(xiàn)實意義。

3 專業(yè)體育運動員與腸道菌群特征分析

近年來，以專業(yè)體育運動員為研究對象的相關(guān)研究結(jié)果指出，運動員具有獨特的腸道菌群結(jié)構(gòu)特征。Clarke等人首次通過分析專業(yè)橄欖球運動員的腸道菌群特征發(fā)現(xiàn)，與非運動員相比，專業(yè)運動員的腸道菌群多樣性較高，其中存在的22個獨特的門類細(xì)菌與機體蛋白的消耗及肌酸激酶存在明顯的正相關(guān)性。Wiley 等通過宏基因組學(xué)及代謝組學(xué)方法進一步分析了國際橄欖球聯(lián)盟專業(yè)球員的腸道菌群特征發(fā)現(xiàn)，與久坐的志愿者相比，專業(yè)運動員的腸道菌群富有與氨基酸生物合成、碳水化合物代謝和短鏈脂肪酸合成等途徑相關(guān)基因及其代謝產(chǎn)物。該研究也為運動、腸道菌群代謝及健康的關(guān)系提供了新的支持證據(jù)。 Peterse等通過分析自行車專業(yè)運動員的腸道菌群特征，高豐度的普氏菌屬與每周訓(xùn)練時間相關(guān)，而普氏菌屬的豐度增加與氨基酸及碳水化合物代謝通路相關(guān)，史氏甲烷短桿菌轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的豐度在職業(yè)自行車運動員中更高，該研究指出，運動訓(xùn)練強度與特定腸道細(xì)菌的豐度、轉(zhuǎn)錄及代謝物水平可能存在明顯的相關(guān)性。以上研究均已表明，運動與腸道菌群存在較為重要的關(guān)系，某種或某些特有腸道細(xì)菌可能參與運動員體能消耗等過程。

影響運動員腸道菌群結(jié)構(gòu)的因素很多，而基于運動員的特有飲食習(xí)慣和運動最為重要2個因素。不同于動物實驗研究，對于運動員腸道菌群多樣性是受到運動鍛煉的影響，還是由于與特有飲食習(xí)慣如高蛋白飲食的共同作用所致，目前尚無清楚。Cronin等在最新的一項研究中發(fā)現(xiàn)，短期鍛煉對腸道菌群多樣性的影響有限，而運動人士長期服用蛋白補劑可顯著改變腸道病毒組的結(jié)構(gòu)，但是腸道菌群的功能活性并未受到短期中等運動或（和）服用蛋白補劑的影響。因此，運動員的飲食習(xí)慣、運動與腸道菌群之間的相互關(guān)系需要更為精細(xì)的后續(xù)研究。

4 結(jié) 語

隨著腸道菌群相關(guān)研究的不斷推進，以調(diào)節(jié)腸道菌群為目的的治療手段如益生元、糞便移植等已開始應(yīng)用于臨床實踐中。而運動作為一種大眾化且低成本可增強身體素質(zhì)，提高健康水平的方式，在實際生活中更應(yīng)該受到廣泛重視。目前，諸多的研究均已證實，運動可以影響腸道菌群特點，盡管其具體機制尚不完全明確，但可以肯定的是，對于運動-調(diào)節(jié)腸道菌群將是未來運動指導(dǎo)健康的重要關(guān)注點之一。對專業(yè)運動員而言，其腸道菌群的結(jié)構(gòu)特征與運動類型、飲食習(xí)慣密切相關(guān)，而腸道高豐度的特有細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物可能是維持體育技能發(fā)揮的必要條件。因此，未來了解和關(guān)注專業(yè)運動員的腸道菌群特點，同時將腸道菌群作為運動員健康水平的常規(guī)檢測指標(biāo)具有一定的必然性。