腸道黏液層降解菌Akkermansia muciniphlia和腸道屏障功能關系研究進展

高志鵬，吳 華，耿 欣，宋靖儀，張凱奇，肖俊松*

（北京工商大學 北京食品營養(yǎng)與人類健康高精尖創(chuàng)新中心，北京市食品添加劑工程技術研究中心，北京市植物資源研究開發(fā)重點實驗室，北京 100048）

腸道黏液層是腸道的物理屏障之一，可以阻止腸內細菌和抗原物質與腸上皮細胞直接接觸。受損的腸屏障會導致某些腸道菌群及其分泌的抗原進入循環(huán)系統(tǒng)，引起全身慢性炎癥反應，造成肥胖、胰島素抵抗和2型糖尿病等代謝性疾病[1]。目前有許多證據(jù)表明，腸道菌群是影響宿主代謝的關鍵因素之一[2]。Akkermansia muciniphlia是一種胃腸道黏液層降解菌，定植于腸道黏液層[3]，其在肥胖、2型糖尿病、腸炎等疾病患者腸道中豐度變化顯著[4-5]，表明該菌與宿主代謝類疾病有著密切關系，但目前其與腸道屏障功能的關系并未完全闡明，該菌影響宿主代謝疾病的機制也值得進一步研究。本文總結了腸道黏液層環(huán)境特性，分析了A. muciniphlia與黏液層的相互作用，最后通過A. muciniphlia在代謝疾病和機體免疫中的豐度變化及飲食調控來討論其發(fā)揮作用的途徑和機制，并對該菌可能成為新一代益生菌的前景進行了展望。

1 腸道黏液層

黏液層主要由腸上皮杯狀細胞分泌的MUC2黏蛋白組成，呈高度含水（水分體積分數(shù)95%）的凝膠狀，同時也含有鹽、脂質和涉及免疫應答的蛋白質，如生長因子、免疫球蛋白、溶菌酶和其他腸蛋白[6-7]，并作為保護層覆蓋許多人和動物器官（包括整個胃腸道）中的上皮細胞[8]。上皮細胞的形態(tài)改變、連接縫隙增大或開放數(shù)目增加都會影響上皮細胞屏障功能，使其通透性增加。異常的腸通透性將無法阻止腸道中各種抗原類物質如內毒素、鞭毛蛋白和食物中的致敏原等進入體內，從而誘發(fā)慢性炎癥反應，最終導致肥胖、2型糖尿病等一系列疾病[1]。因此，受損的腸屏障功能極有可能是造成代謝疾病的共同誘因。研究發(fā)現(xiàn)，黏液層由內黏液層和外黏液層構成：內黏液層由杯狀細胞持續(xù)分泌生成，與腸上皮細胞緊密連接，沒有微生物定植；外黏液層相對松散，適合微生物定植，并持續(xù)被微生物水解，保持了黏液層分泌和水解的動態(tài)平衡[6]。定植在黏液層的微生物可以參與黏蛋白部分翻譯后修飾，改變黏液層厚度，從而影響腸屏障功能[9]。

2 A. muciniphlia與黏液層的相互作用

適應黏液層復雜的糖蛋白環(huán)境[11]。這些酶也可能參與A. m u c i n i p h l i a與黏液層的黏附過程。在兩種A. muciniphlia分泌的黏蛋白酶（硫酸酯酶由Amuc_0953編碼、糖苷酶由Amuc_2164編碼）中發(fā)現(xiàn)了一種稱為BACON（bacteroidetes-associated carbohydrate-binding often N-terminal）的結構域，該結構可能參與黏蛋白酶與黏蛋白的結合過程[11]。A. muciniphlia可以在利用黏液層蛋白維持自身代謝的同時，不影響?zhàn)ひ簩诱Ｉ砉δ堋Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)，無菌小鼠腸道黏液層也存在松散的外層結構，說明體內存在內源性黏液層降解酶，但同時發(fā)現(xiàn)，無菌小鼠盲腸黏液層增厚，引起囊腫[6]，表明內源性蛋白酶不能維持正常的黏液層厚度。而在無菌小鼠腸道中定植A. muciniphlia后，便可以恢復黏液層過厚引起的盲腸囊腫，說明其可以和內源性蛋白酶一起維持黏液層正常生理厚度。A. muciniphlia可以利用黏液層，但不會導致黏液層厚度減少[2]，可能是其在代謝的過程中刺激上皮杯狀細胞分泌更多黏蛋白，從而保持黏液層厚度處于一種動態(tài)平衡。

A. muciniphlia的表面膜蛋白在細菌定植過程中與黏液層接觸密切，有助于該菌感知外部環(huán)境，調節(jié)自身代謝。Ottman等[12]使用蛋白質組學和計算分析的綜合方法鑒定和表達A. muciniphlia蛋白質，確定了79 個潛在的外膜蛋白和相關蛋白，繼而分別在有黏蛋白和無黏蛋白添加的培養(yǎng)基上培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)A. muciniphlia中有23 個蛋白基因由于A. muciniphlia培養(yǎng)條件的不同產(chǎn)生豐度差異，這些差異蛋白在A. muciniphlia與黏液層作用時發(fā)揮的具體作用還需要進一步研究。

黏液層為定植的微生物提供初始黏附位點、營養(yǎng)源和基質，其狀態(tài)會影響A. muciniphlia的定植。當黏液層變薄或缺損時，黏附其上的A. muciniphlia豐度會顯著下降。例如發(fā)生潰瘍性結腸炎時，A. muciniphlia的相對豐度下降為0.02%左右[13]。A. muciniphlia與黏液層的相互作用可以維持正常的腸屏障功能，但兩者的因果關系還不明晰，值得進一步研究證實。

3 A. muciniphlia與慢性代謝性疾病

A. muciniphlia是一種胃腸道黏液層降解菌，為革蘭氏陰性的嚴格厭氧菌，屬疣微菌門[10]。目前，已知疣微菌門下至少有8 種不同的Akkermansia定植于人體腸道，其中A. muciniphlia是優(yōu)勢菌群，占疣微菌門的83%，豐度在0.01%～4.00%[11]。因其是疣微菌門下唯一可以在體外培養(yǎng)的菌種，逐漸成為了國內外研究的熱點[3]。

A. muciniphlia可以降解并利用黏蛋白，維持自身代謝。通過生物信息學分析預測，該菌可以產(chǎn)生61 種與黏蛋白降解相關的酶，如糖苷酶、硫酸酯酶等，稱為黏蛋白酶，均是可以作用于黏蛋白的胞外酶，以

腸道菌群參與調節(jié)眾多代謝途徑，影響肥胖癥及其他慢性代謝性疾病的發(fā)展[14]。近年的研究表明，在肥胖和2型糖尿病患者的腸道菌群中A. muciniphlia豐度變化顯著，表明該菌可能參與疾病的進程。

孕期肥胖婦女腸道菌群中A. muciniphlia豐度下降，每克糞便中A. muciniphlia基因組相對含量由8.54降至8.12[15]。同時有研究指出，肥胖女性糞便A. muciniphlia相對豐度與胰島素抵抗標志物呈負相關[16]。肥胖個體腸道中A. muciniphlia的定植較少[17]，且與身體質量指數(shù)呈負相關[18]。經(jīng)過16 周減肥飲食后，A. muciniphlia豐度隨體質量減小而上升[19]。在動物模型中，飲食誘導的肥胖可以導致A. muciniphlia豐度下降83 倍[20]。這些研究表明，減輕體質量有利于A. muciniphlia的定植。

在2型糖尿病個體中可以觀察到腸道菌群生態(tài)失調，A. muciniphlia的豐度變化尤為顯著。A. muciniphlia在2型糖尿病個體中具有更低的豐度[4]。在2型糖尿病發(fā)病之前，患者體內與發(fā)病過程相關的腸道氧化應激狀態(tài)以及腸道菌群的組成和功能發(fā)生變化（A. muciniphlia的豐度降低），這些現(xiàn)象有助于2型糖尿病的早期診斷，因此A. muciniphlia可能是2型糖尿病潛在的生物標記[21]。在動物模型中，由瘦素缺陷小鼠（ob/ob）誘導的糖尿病模型中，A. muciniphlia豐度下降為對照組的1/3 300[2]。

上述研究證實，A. muciniphlia在參與肥胖和2型糖尿病能量代謝調節(jié)過程中起著重要作用。A. muciniphlia可以改變小鼠體內內源性大麻素含量，而內源性大麻素系統(tǒng)參與葡萄糖和能量代謝的控制[22]。胃旁路手術后，胰高血糖素樣肽1分泌增加，同時A. muciniphlia的豐度上升，2型糖尿病癥狀也得到改善[23]。二甲雙胍廣泛應用于治療2型糖尿病，其作用機制與腸道菌群有直接關系。二甲雙胍可以恢復腸道中的緊密連接蛋白閉合蛋白-1水平，逆轉升高的腸道通透性和血清脂多糖（lipopolysaccharides，LPS）水平，增強胰島素信號轉導，并增加A. muciniphlia的豐度，在高脂膳食的小鼠中發(fā)揮降血糖作用[24]。在攝入二甲雙胍的糖尿病人中同樣檢測到A. muciniphlia豐度增加[25]。A. muciniphlia缺乏會導致腸屏障功能異常，使其他微生物代謝生成的內毒素進入血液并引起與肥胖有關的慢性炎癥[17]，血清LPS水平與A. muciniphlia在盲腸中的豐度呈逆相關。A. muciniphlia可能是通過影響腸屏障功能進而影響能量代謝，但具體的作用機制還不明晰，有待深入研究。

4 A. muciniphlia與機體免疫

腸道黏液層是一道腸道細菌和內毒素不能自由逾越的物理屏障，也是腸道免疫的前沿。在相對完整的黏液層環(huán)境中，A. muciniphlia的定植可以發(fā)揮積極作用。通過對載脂蛋白E缺陷型小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，A. muciniphlia可以恢復黏液層，減少循環(huán)系統(tǒng)中LPS水平[26]。對高脂膳食小鼠灌胃A. muciniphlia，可增加內源性大麻素水平，降低體內炎癥反應[2]。而A. muciniphlia在無菌小鼠體內定植后，增強了與免疫反應相關的黏液層基因的表達[27]。

A. muciniphlia可以刺激宿主產(chǎn)生免疫應答。Greer等[28]研究了干擾素γ（interferons γ，IFNγ）、A. muciniphlia和宿主葡萄糖耐受的關系，發(fā)現(xiàn)A. muciniphlia豐度與IFNγ水平呈負相關，進而發(fā)現(xiàn)在IFNγ基因敲除小鼠中，其僅當A. muciniphlia存在時表現(xiàn)出葡萄糖耐受，最后找到了調控A. muciniphlia豐度的關鍵基因——免疫相關GTP酶M1，說明A. muciniphlia在宿主葡萄糖耐受調控中起到重要作用。A. muciniphlia還可以刺激腸黏膜潘氏細胞分泌抗菌肽（主要是胰島再生源蛋白3γ），維持腸道屏障功能[29]。Everard等[2]用A. muciniphlia處理高脂膳食小鼠后發(fā)現(xiàn)其結腸內抗菌肽胰島再生源蛋白3γ含量增多，但是用熱滅活的A. muciniphlia處理卻沒有類似的現(xiàn)象發(fā)生。A. muciniphlia表面膜蛋白也可以引起機體免疫調控。一種在該菌膜表面大量表達的鞭毛樣蛋白Amuc_1100被直接證實涉及宿主免疫調控，該蛋白可以刺激Toll樣受體（Toll like receptors，TLR）2和TLR4產(chǎn)生特殊的細胞因子，造成白介素-10含量增加[30]，而且在經(jīng)過巴氏殺菌后，其結構功能依舊穩(wěn)定[31]。

有證據(jù)表明A. muciniphlia在腸道內定植的相對豐度往往和局部炎癥程度呈負相關。潰瘍性結腸炎病人體內A. muciniphlia定植減少，但與黏液層相關的致病菌數(shù)量增多[5]。Casellas等[32]指出，腸道菌群結構變化和A. muciniphlia數(shù)量減少與潰瘍性結腸炎的復發(fā)過程有關。急性闌尾炎黏膜病變嚴重程度也和A. muciniphlia豐度呈負相關[33]。

值得注意的是，A. muciniphlia影響腸炎疾病是與其他菌群的相互作用的共同結果。在鼠傷寒沙門氏菌誘發(fā)的腸道炎癥中，A. muciniphlia干擾黏膜重建，加劇了炎癥的發(fā)生[34]，其原因可能是A. muciniphlia分解的黏蛋白產(chǎn)物增多，為其他腸道致病菌提供了繁殖所需的營養(yǎng)物質[5]。

這些研究表明，A. muciniphlia與機體免疫過程有密切的聯(lián)系，往往可以改善體內炎癥反應。其不僅可以直接刺激機體產(chǎn)生免疫應答，還可以通過作用于黏液層，改善腸道屏障功能，減少腸腔中抗原類物質進入循環(huán)系統(tǒng)，從而減輕炎癥。在炎癥性腸炎病例中，往往伴隨著不同程度的腸黏膜損傷，局部黏液層結構破壞可能是A. muciniphlia豐度顯著下降的原因之一。是否能夠通過恢復黏液層正常生理狀態(tài)增加A. muciniphlia定植豐度，從而改善機體免疫，起到治療腸炎疾病的效果，值得進一步嘗試。

5 膳食調控A. muciniphlia豐度變化

A. muciniphlia可能是飲食調節(jié)代謝反應的關鍵微生物。表1總結了近年來飲食調節(jié)A. muciniphlia豐度的研究。

表 1 近5 年飲食調節(jié)A. muciniphlia豐度的研究Table 1 A summary of studies on dietary regulation of the intestinal abundance of A. muciniphlia over the past 5 years

由表1可知，膳食纖維、低聚寡糖、植物多酚、不飽和脂肪酸、部分中藥材等均可以對A. muciniphlia的豐度產(chǎn)生顯著影響，同時改善了機體代謝功能，說明通過特定飲食或藥理學干預腸道微生物群組成和豐度可有利地影響宿主代謝[35]。

益生元是調節(jié)A. muciniphlia豐度的關鍵因素。A. muciniphlia可以分解膳食纖維，產(chǎn)生與宿主代謝相關的信號分子。長鏈阿拉伯木聚糖和菊粉可以使盲腸中的Akkermansia豐度下降，使糞便中A. muciniphlia的豐度增加。同時，A. muciniphlia等腸道菌群可以分解阿拉伯木聚糖和菊粉以及黏蛋白降解物，產(chǎn)生短鏈脂肪酸等有益的代謝物，使整個腸道健康得到改善[36]。

乙酸鹽可以幫助改善腸屏障功能[37]，丁酸鹽則具有抗炎的作用[38]，這些物質被發(fā)現(xiàn)同時具有抑制I型糖尿病的功能[39]。值得注意的是，短鏈脂肪酸及其代謝產(chǎn)物的含量可能是調控A. muciniphlia豐度的因素之一。早期研究在禁食狀態(tài)的敘利亞倉鼠糞便中發(fā)現(xiàn)A. muciniphlia數(shù)量上升，伴隨著腸內短鏈脂肪酸含量和菌群總量下降，而在短鏈脂肪酸和菌群總量都沒有下降的冬眠個體中，A. muciniphlia數(shù)量沒有顯著變化[40]。

膳食調控A. muciniphlia的機制可能與腸道屏障功能有關。飲食中若缺少膳食纖維，某些腸道微生物會分解黏液層上的多糖，破壞黏液層，以此維持自身代謝[41]。高脂膳食會使黏液層變薄，破壞腸道屏障功能，減少A. muciniphlia在腸道的定植。Su Danmei等[42]發(fā)現(xiàn)在高脂膳食及VD缺乏的雙重作用下，潘氏細胞α防御素（α-defensin5，DEFA5）水平下降，腸上皮細胞MUC2和緊密連接蛋白的表達量減少，腸道通透性增加，同時A. muciniphlia豐度下降，而在直接攝入DEFA5后，A. muciniphlia豐度上升，并且代謝紊亂得到改善。由此可見，不合理的膳食可以影響?zhàn)ひ簩拥纳頎顟B(tài)，從而降低A. muciniphlia的豐度。

A. muciniphlia的豐度可能與腸道上皮氧化還原狀態(tài)有關。植物多酚和不飽和脂肪酸均有很強的抗氧化性，可以保護腸道黏液層，增加A. muciniphlia的定植。蔓越莓提取物[43]、葡萄多酚[44]、白藜蘆醇[45]都可以增加A. muciniphlia的定植。紫蘇油含有不飽和脂肪酸，具有抗氧化的效果，對高脂肪飲食誘導的非酒精性脂肪肝病和腸道生態(tài)失調產(chǎn)生保護作用，與高脂膳食組相比，在飼喂魚油的動物中，A. muciniphlia的相對豐度顯著增加[46]。

由此可見，膳食是調控A. muciniphlia的關鍵因素，其中的機理可能是多方面的。益生元類物質能夠直接成為A. muciniphlia的作用底物，產(chǎn)生的短鏈脂肪酸等有益代謝產(chǎn)物可以改善腸道屏障功能。另外，具有抗氧化能力的物質可以緩解腸道氧化應激，同樣起到保護腸道屏障功能的作用，從而增加了A. muciniphlia的豐度。是否可以通過合理膳食來修復腸道屏障功能最終預防慢性代謝疾病是值得研究的方向。

6 結 語

腸道黏液層是構成腸道物理屏障的重要部分，其與定植的微生物互作影響腸道通透性，最終影響慢性代謝疾病的發(fā)展。黏液層一方面作為物理屏障，防止腸道內容物與腸道上皮細胞直接接觸，避免微生物引起炎癥反應；另一方面也同時為腸道菌群提供棲息和繁殖的場所，松散的黏液外層提供腸道菌群必要的能源物質和適宜的生存環(huán)境。因此，腸道黏液層、腸道菌群和慢性代謝疾病三者的關系正受到越來越多的關注。A. muciniphlia的豐度和宿主健康狀態(tài)密切相關，腸道屏障功能是連接兩者的通路之一，但其與腸道屏障功能的關系仍未完全闡明，明確A. muciniphlia在改善腸道屏障功能中的貢獻是值得研究的方向。

A. muciniphlia具有成為新一代益生菌的潛質，有很好的應用前景。越來越多的研究表明，A. muciniphlia可以影響能量代謝，改善慢性代謝疾病，雖然其中的機制還不清楚，但是已經(jīng)證實其具有改善高脂飲食引起的代謝紊亂的能力。但是目前大部分實驗均屬于動物實驗，其在人群中的效果有待證實，對于不同人群可能產(chǎn)生的效果差異也值得進一步研究。關于該菌的毒理學實驗還鮮見報道，在食品中的最適添加量以及長期攝入對腸道穩(wěn)態(tài)的影響也亟待確定。目前還鮮有A. muciniphlia致病的報道，雖然該菌屬于黏液層降解菌，但其僅定植于外黏液層，不會對腸道屏障功能產(chǎn)生負面影響。

總體而言，A. muciniphlia與腸道屏障功能有著密切的關系，其在不同生理狀態(tài)的個體中的豐度變化，可以反映機體的腸道健康。其與機體代謝、腸免疫等有緊密的聯(lián)系，通過飲食可以調節(jié)A. muciniphlia的豐度，改善宿主代謝疾病，而其中的機理以及黏液層在此發(fā)揮的作用值得進一步研究。