衰老及衰老相關(guān)疾病與腸道菌群的關(guān)系研究進(jìn)展

劉愛玲，呂紅，錢家鳴

【提要】 衰老及衰老相關(guān)疾病與腸道菌群關(guān)系密切。衰老影響腸道菌群構(gòu)成，而腸道菌群失調(diào)也可能促發(fā)衰老相關(guān)疾病。隨著全球人口老齡化，促進(jìn)老年人的身體健康、提高其生活質(zhì)量是世界各國(guó)面臨的問題。本文就衰老及衰老相關(guān)疾病與腸道菌群的關(guān)系及作用機(jī)制方面做一綜述，以提高臨床醫(yī)師的認(rèn)識(shí)。

衰老是極為復(fù)雜的過程，它影響著生理、代謝和免疫功能[1]。衰老過程伴隨分子、細(xì)胞、組織和器官損傷的不斷累積，導(dǎo)致機(jī)體功能減退，使之易受疾病侵害。隨年齡增長(zhǎng)，機(jī)體免疫功能減退、腸道生理功能變化、飲食結(jié)構(gòu)改變，腸道菌群也發(fā)生相應(yīng)改變。腸道菌群與腸粘膜屏障、促炎和抗炎因子平衡、免疫等相關(guān)，腸道菌群失調(diào)與衰老相關(guān)的慢性疾病相關(guān)[2-3]。與衰老相關(guān)的慢性疾病包括心血管疾病、感染、自身免疫性疾病、癌癥、糖尿病、肥胖和神經(jīng)退行性病變等。

目前關(guān)于衰老及衰老相關(guān)疾病與腸道菌群的研究較多，但關(guān)系及作用機(jī)制尚不清楚。筆者通過復(fù)習(xí)文獻(xiàn)，從以下方面做一綜述。

1 人體腸道菌群的變化

腸道菌群在人生的不同年齡段具有一定的演化過程，特別在嬰幼兒時(shí)期。早期認(rèn)為，人體腸道微生物的定植開始于出生后[4]。但近期發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的微生物定植過程可能開始于子宮內(nèi)，這一推測(cè)被存在于胎盤、羊膜腔、臍帶和胎糞的細(xì)菌所證實(shí)[5-6]。腸道菌群并非一成不變。出生后因受各種因素，如分娩和喂養(yǎng)的模式、接觸的抗生素、母體的飲食和腸道菌群、周圍的環(huán)境等影響[7]，腸道微生物構(gòu)成發(fā)生明顯變化，尤其是出生三年內(nèi)[8]。研究顯示，陰道分娩的嬰兒腸道早期即有豐富的乳酸桿菌、擬桿菌和普氏菌屬定植，而這些菌主要來源于出生時(shí)母體的陰道及糞便菌群中；而剖腹產(chǎn)的嬰兒腸道菌群影響因素很多，比如未接觸母體的陰道及糞便菌群、長(zhǎng)時(shí)間住院、長(zhǎng)時(shí)間使用抗生素等，其產(chǎn)氣莢膜梭菌、大腸埃希菌、艱難梭菌定植較多，而擬桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌定植少且晚[9]。而在使用抗生素的嬰兒中，乳酸桿菌、雙歧桿菌和腸球菌數(shù)量減少[10]。出生后，喂養(yǎng)的模式也是影響腸道菌群的重要因素。母乳喂養(yǎng)的嬰兒有較多的雙歧桿菌、乳桿菌、葡萄球菌和鏈球菌定植；非母乳喂養(yǎng)的嬰兒有較高的擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、變形菌門定植[10-11]。斷奶并給予固體食物后，腸道菌群差異逐漸消失，其構(gòu)成趨于穩(wěn)定。此后，飲食成為腸道菌群的主要影響因素[12]。

2 腸道菌群和衰老

老年和青年人的腸道菌群不同，這種差異與衰老本身相關(guān)，如老年人生活方式、飲食改變、運(yùn)動(dòng)量減少和免疫功能減弱等[13]。一般而言，老年人腸道菌群的多樣性減少，有益菌減少而兼性厭氧菌增多[14]。具體而言，與青年人比較，老年人厚壁菌門(主要是梭菌屬XIVa 和柔嫩梭菌)、放線菌門(主要是雙歧桿菌)減少，而變形菌門增多。以雙歧桿菌為例，嬰兒時(shí)期所占比例為90%，而至成年下降至5%；隨年齡增長(zhǎng)，雙歧桿菌數(shù)量下降。部分腸道菌屬在老年人中的研究結(jié)果并不一致。例如，Odamaki等報(bào)道367例日本人的腸道菌群，發(fā)現(xiàn)老年人中擬桿菌門升高[15]。Salazar等報(bào)道76例西班牙人，發(fā)現(xiàn)老年人中擬桿菌門減少，乳酸桿菌增加[16]。Hopkins等報(bào)道26例英國(guó)人，老年人中乳酸桿菌減少。對(duì)于老年人腸道菌群的研究結(jié)果不同，可能是因?yàn)榈赜虿町惢蚓簷z測(cè)方法不同[17]。從菌群功能的角度來看，與青年人比較，老年人優(yōu)勢(shì)菌群的特點(diǎn)是短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)合成和糖分解的能力下降，而蛋白分解能力增強(qiáng)[18]。

百歲老人是健康衰老的代表，因?yàn)槠淠苎泳徍捅苊饴约膊“l(fā)生。在這一群體中的腸道菌群，可作為健康腸道菌群的典范。Kong等研究[19]，納入中國(guó)的老年人(90～99歲)和百歲老人(≥100歲)，發(fā)現(xiàn)百歲老人腸道菌群多樣性較高，產(chǎn)SCFAs的梭菌屬XIVa增加。分析長(zhǎng)壽老人的腸道菌群，有益菌(Akkermansia、Bifidobacterium、Christensenellaceae)的數(shù)量增加。Eubacterium limosum 被認(rèn)為是一種可預(yù)測(cè)長(zhǎng)壽的細(xì)菌，因其在百歲老人中明顯增高。因此，有學(xué)者認(rèn)為，給患有衰老相關(guān)疾病的老年人移植百歲老人的糞便，使之獲得健康的腸道菌群，或可緩解癥狀及提高生活質(zhì)量。

3 腸道菌群與免疫、炎癥反應(yīng)關(guān)系

腸道菌群參與腸粘膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育，調(diào)節(jié)免疫穩(wěn)態(tài)和炎癥反應(yīng)，而腸粘膜免疫系統(tǒng)也調(diào)控腸道菌群的組成和功能[20-21]。一旦這種平衡關(guān)系被打破，則會(huì)引起消化系統(tǒng)疾病。輔助性T細(xì)胞17(Th17)是近年來發(fā)現(xiàn)的一類新的CD4+輔助T細(xì)胞亞群，可分泌IL-17、IL-21、IL-22等。其中IL-17不僅本身作為促炎因子，還可促進(jìn)TNF-α和IL-1β分泌，加重炎癥反應(yīng)。研究顯示[22]，無菌小鼠中的Th1和Th17細(xì)胞明顯減少，重建腸道菌群后兩種免疫細(xì)胞恢復(fù)。Furusawa等報(bào)道[23]，梭菌屬可以通過產(chǎn)生丁酸鹽誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg，一類控制體內(nèi)自身免疫反應(yīng)性的T細(xì)胞亞群)。無菌小鼠腸腔中SCFAs水平下降，同時(shí)腸道Treg細(xì)胞也減少；給予無菌小鼠共生菌或者SCFAs后，Treg細(xì)胞數(shù)量恢復(fù)。提示腸道細(xì)菌對(duì)于免疫系統(tǒng)及炎癥反應(yīng)的重要性。

Wolford在1969年首次提出，與增齡高度相關(guān)的免疫功能失調(diào)，即免疫衰老(immunosenescence)。Franceschi等于2000年時(shí)提出，機(jī)體衰老過程中，固有免疫被激活，導(dǎo)致出現(xiàn)一種低水平、慢性炎癥狀態(tài)，即炎性衰老(inflamm-aging)。兩者均與衰老相關(guān)疾病的發(fā)生有關(guān)。腸道菌群調(diào)節(jié)免疫穩(wěn)態(tài)和炎癥反應(yīng)，無疑也參與衰老相關(guān)疾病的發(fā)病。

4 腸神經(jīng)系統(tǒng)、腸粘膜屏障與衰老

腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)由形態(tài)和功能特異的神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元聚集成神經(jīng)節(jié)，散在分布于整個(gè)消化道中。腸神經(jīng)系統(tǒng)是機(jī)體最大最復(fù)雜的外周神經(jīng)系統(tǒng)，在消化道中有著重要的調(diào)節(jié)作用，如腸道動(dòng)力、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、粘液和內(nèi)分泌激素分泌等[24]。腸道菌群影響ENS的發(fā)育和功能，如通過分泌5-羥色胺促進(jìn)腸神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育成熟[25-26]。與機(jī)體其他部分的神經(jīng)元比較，腸神經(jīng)元更容易受到衰老相關(guān)的影響，這可能歸因于衰老過程中腸道菌群失調(diào)、促炎因子增加[27]。機(jī)體衰老過程中，ENS是否退化仍有爭(zhēng)議。Gamage等研究顯示，老年小鼠遠(yuǎn)端結(jié)腸的肌間神經(jīng)元數(shù)量并未減少[28]。然而，在很多研究中均可見衰老相關(guān)的ENS退化，如腸神經(jīng)節(jié)形態(tài)改變、老化的神經(jīng)元中脂褐素沉積、α-突觸核蛋白免疫反應(yīng)性聚集體和高磷酸化的tau蛋白等[29-31]。衰老過程中ENS退化，其機(jī)制尚不明確，神經(jīng)細(xì)胞的氧化應(yīng)激或自由基的損傷、鈣失調(diào)、鈉離子通道改變等或與之相關(guān)[30, 32]。

正常的腸黏膜屏障可以阻擋病原微生物入侵，對(duì)于維持機(jī)體的健康具有重要作用。腸黏膜屏障功能損傷可引起腸道滲透性增高、炎性因子增加、腸道菌群失調(diào)，從而引發(fā)炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)、乳糜瀉等疾病[33]。目前衰老是否引起腸黏膜屏障功能減退尚有爭(zhēng)議[34]。Thevaranjan等[35]研究顯示，衰老相關(guān)的腸道菌群失調(diào)可引起腸黏膜屏障功能減退和腸道滲透性增加，細(xì)菌及其產(chǎn)物進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，激活巨噬細(xì)胞，引發(fā)炎癥反應(yīng)。而Valentini等[36]研究認(rèn)為，小腸黏膜屏障功能并未隨機(jī)體衰老而減退。但是，機(jī)體衰老對(duì)于腸粘膜屏障影響的具體機(jī)制尚不清楚。有研究認(rèn)為衰老過程中低度炎癥狀態(tài)會(huì)增加腸粘膜滲透性[37]。

5 腸道菌群和衰老相關(guān)的疾病

隨年齡增長(zhǎng)，與腸道菌群紊亂相關(guān)疾病的發(fā)生率增高[38]。全球人口老齡化而導(dǎo)致代謝性疾病發(fā)生率升高。腸道菌群失調(diào)與腸粘膜屏障損傷、促炎因子增加相關(guān)。這些因素與很多代謝性疾病相關(guān)，如肥胖、胰島素抵抗、脂肪肝、動(dòng)脈粥樣硬化、心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)等[39]。CVD的發(fā)生和發(fā)展與脂質(zhì)代謝和肥胖密切相關(guān)。研究顯示腸道菌群在肥胖和脂質(zhì)代謝性中起重要作用[40]。與健康人比較，CVD患者的糞便標(biāo)本中擬桿菌較低，梭菌屬和乳酸桿菌較多[41]。Kelly等研究顯示[42]，腸道菌群多樣性增加與心臟疾病風(fēng)險(xiǎn)減低相關(guān)。

衰老相關(guān)的腸道菌群改變，通過ENS影響腦-腸軸，阻斷神經(jīng)、內(nèi)分泌、營(yíng)養(yǎng)和免疫信號(hào)，并在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中也起到一定的作用，如帕金森綜合征(Parkinson’s disease，PD)、阿爾茲海默病(Alzheimer’s disease，AD)、多發(fā)性硬化、孤獨(dú)癥、抑郁癥、焦慮癥等[43]。PD的消化系統(tǒng)癥狀包括便秘、營(yíng)養(yǎng)不良、吞咽困難、胃排空障礙、幽門螺旋桿菌(Helicobacter pylori，HP)感染、小腸細(xì)菌過度增長(zhǎng)等。這可能與ENS受累和腸道菌群改變相關(guān)[44]。PD患者中某些腸道菌屬變化較大。例如，HP感染在PD患者中高發(fā)，其通過延遲左旋多巴的吸收，引起胃腸動(dòng)力損傷[45]。

淀粉樣物質(zhì)是異常折疊的不可溶性蛋白聚集體，參與AD的發(fā)病。腸道菌屬如Bacillus、Staphylococcus aureus、Streptomyces和E.coli可以分泌淀粉樣蛋白，其可誘導(dǎo)氧化應(yīng)激反應(yīng)，激活小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，促進(jìn)TNF-α、IL-1、IL-6等炎癥因子釋放。隨著衰老進(jìn)程，腸上皮細(xì)胞層和血腦屏障的滲透性升高，這些腸道菌群的代謝產(chǎn)物通過血腦屏障進(jìn)入腦內(nèi)，誘發(fā)AD。臨床研究顯示，乳酸菌、雙歧桿菌可調(diào)節(jié)腸道菌群，對(duì)AD患者的認(rèn)知功能具有改善作用。這些有益菌產(chǎn)生的外源性多胺可能與之相關(guān)。多胺可抑制炎癥因子的產(chǎn)生，也具有抗氧化的作用。腸道菌群可通過調(diào)節(jié)色氨酸的代謝，從而調(diào)控體內(nèi)5-羥色胺的水平。腸道菌群的代謝產(chǎn)物可以刺激腸內(nèi)分泌細(xì)胞釋放5-羥色胺，平衡AD患者體內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)[46]。

年齡相關(guān)的骨質(zhì)疏松，也稱為老年性骨質(zhì)疏松，是骨質(zhì)疏松的一種類型。伴隨衰老進(jìn)程，骨內(nèi)干細(xì)胞向脂肪細(xì)胞轉(zhuǎn)化，成骨細(xì)胞減少，破骨細(xì)胞增加，骨代謝失衡，導(dǎo)致骨密度下降、骨脆性增加，易發(fā)生骨折。腸道菌群影響骨代謝過程。Sjogren等發(fā)現(xiàn)[47]，與正常小鼠比較，無菌小鼠遠(yuǎn)端股骨的骨密度增高、破骨細(xì)胞數(shù)目減少；通過移植正常的腸道菌群，小鼠的骨密度恢復(fù)正常。腸道菌群可能通過改變免疫反應(yīng)，影響破骨細(xì)胞介導(dǎo)的骨吸收。

結(jié)腸癌是消化系統(tǒng)常見的惡性腫瘤，平均診斷年齡為70歲。越來越多的證據(jù)表明腸道菌群與結(jié)腸癌的發(fā)生關(guān)系密切[48]?；蚪M分析顯示，結(jié)腸癌和結(jié)腸腺瘤組織中梭菌屬較非癌組織多；結(jié)腸癌和腺瘤患者的糞便標(biāo)本中也有較多的梭菌屬[49]。比較結(jié)腸癌和非結(jié)腸癌患者的糞便菌群，結(jié)腸癌的患者中產(chǎn)丁酸的細(xì)菌減少，機(jī)會(huì)性病原菌增加[50]。推測(cè)這些改變加重了炎癥反應(yīng)，促進(jìn)了癌癥的發(fā)生。

難辨梭菌感染(Clostridium difficile infection，CDI)是急性腹瀉的常見病因。與青年人比較，老年人CDI發(fā)生率較高。究其原因，老年人去醫(yī)院、護(hù)理機(jī)構(gòu)的次數(shù)較多，常使用抗生素和接觸難辨梭菌孢子；另外，機(jī)體在衰老過程中，潘氏細(xì)胞功能和lgA介導(dǎo)的腸粘膜免疫功能下降、促炎因子水平升高和腸粘膜滲透性增加，均增加了老年人感染的風(fēng)險(xiǎn)[37]?？股?如甲硝唑、萬古霉素)雖可用于治療CDI，但復(fù)發(fā)率高達(dá)35%。對(duì)于復(fù)發(fā)的CDI患者，糞便菌群移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)不失為一種可行的方法[51]。

6 調(diào)節(jié)腸道菌群治療衰老相關(guān)疾病及延緩衰老

衰老和腸道菌群關(guān)系密切，通過調(diào)節(jié)腸道菌群預(yù)防和治療衰老相關(guān)性疾病，甚至延緩衰老，也成為研究的熱點(diǎn)[52]。調(diào)節(jié)腸道菌群以延緩衰老的機(jī)制目前還在研究中，比如給予益生菌、高纖維飲食等，可恢復(fù)腸道菌群穩(wěn)態(tài)，改善健康狀態(tài)；調(diào)節(jié)腸道菌群可能減輕炎癥反應(yīng)和減少適應(yīng)性免疫應(yīng)答；其他的機(jī)制，包括增強(qiáng)抗氧化活性、調(diào)節(jié)宿主脂肪儲(chǔ)存和代謝、抑制胰島素抵抗、恢復(fù)腸粘膜屏障和免疫穩(wěn)態(tài)、提高短鏈脂肪酸的水平、上調(diào)涉及異生物質(zhì)代謝相關(guān)的基因等[53]。

微生物的代謝產(chǎn)物SCFAs(丁酸鹽、丙酸鹽、醋酸鹽)有益于機(jī)體的代謝和生理健康，如維持腸腔酸性環(huán)境、增加有益菌、促進(jìn)粘液分泌、維持腸粘膜屏障功能等。主要的短鏈脂肪酸可作為腸粘膜上皮細(xì)胞能量來源的5%～10%[54]。丁酸鹽可能通過抑制組蛋白脫乙酰酶，預(yù)防結(jié)腸癌[55]；也有研究顯示，丁酸鹽通過減輕結(jié)腸炎癥，抑制結(jié)腸癌發(fā)生[56]。丙酸鹽有助于膽固醇的合成，對(duì)于肝臟的糖異生具有重要作用，并可預(yù)防轉(zhuǎn)移性肝癌[57]。醋酸鹽作為肝臟脂肪生成和膽固醇合成的物質(zhì)，可調(diào)節(jié)結(jié)腸血供，預(yù)防肝癌[58]。

與青年人比較，老年人飲食改變(高纖維素飲食減少)、服用抗生素較多，其菌群代謝產(chǎn)物如SCFAs的水平下降[59]。SCFAs水平下降會(huì)增加有害菌數(shù)量，增加病原菌進(jìn)入腸粘膜的風(fēng)險(xiǎn)，也會(huì)增加IBD的風(fēng)險(xiǎn)。衰老相關(guān)的SCFAs水平下降可能是衰老相關(guān)的慢性疾病的原因之一。例如，丁酸鹽水平降低可增加腸粘膜滲透性、增加感染風(fēng)險(xiǎn)，與腸道炎癥性疾病相關(guān)[54]。丙酸鹽水平降低則可影響腸道糖原異生，通過GPR-41影響腦腸軸[60]。研究顯示，SCFAs水平降低可影響神經(jīng)和免疫活動(dòng)，增加與神經(jīng)退行性病變相關(guān)的腸道疾病的風(fēng)險(xiǎn)，包括腹瀉、便秘、肥胖和糖尿病等[61]。因此，干預(yù)老年人的飲食，如給予高纖維膳食、難以消化的碳水化合物，這些物質(zhì)經(jīng)腸內(nèi)細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生SCFAs，可恢復(fù)腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，從而達(dá)到治療疾病的目的。

益生菌是對(duì)健康有益的活菌制劑(主要是雙歧桿菌和乳酸桿菌)；益生元是不易被機(jī)體消化的物質(zhì)(菊粉、低聚半乳糖、低聚果糖等)，在結(jié)腸中可促進(jìn)有益菌的生長(zhǎng)。兩者不僅治療目標(biāo)相同，即可恢復(fù)和維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，而且還具有協(xié)同作用。益生菌可將益生元發(fā)酵分解，升高SCFAs、特別是丁酸鹽的水平，從而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)和抗炎的作用[62-63]。

FMT是將健康人的糞便移植到患者的腸道，可用于治療難治性難辨梭菌感染[64]。對(duì)于其他腸道相關(guān)的疾病，如IBD、IBS、肥胖、2型糖尿病等，也可能具有較好的治療前景[65]。FMT主要的挑戰(zhàn)是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及除外感染的風(fēng)險(xiǎn)。預(yù)測(cè)可以通過移植長(zhǎng)壽老人的糞便，達(dá)到預(yù)防衰老相關(guān)疾病和延緩衰老的目的。但是其有效性及相關(guān)副作用還需要深入研究。

綜上所述，衰老及衰老相關(guān)疾病與腸道菌群關(guān)系密切。衰老影響腸道菌群構(gòu)成，而腸道菌群失調(diào)也可能促發(fā)衰老相關(guān)疾病。隨著全球人口老齡化，促進(jìn)老年人的身體健康、提高其生活質(zhì)量是世界各國(guó)面臨的問題，調(diào)節(jié)和維持老年人腸道菌群穩(wěn)態(tài)可能是預(yù)防和治療衰老相關(guān)疾病及延緩衰老的手段，值得深入探討和研究。