嬰幼兒腸道菌群與維生素K研究進(jìn)展

郭樂(lè)倩，楊文方，劉黎明

(西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)院婦產(chǎn)科，陜西 西安 710061)

2013年《Science》雜志在其發(fā)表的十大科學(xué)研究進(jìn)展中，將腸道菌群與人體健康關(guān)系的主題列入“我的微生物，我的健康”一項(xiàng)中，腸道菌群越來(lái)越受到關(guān)注。嬰幼兒期是自身正常菌群建立和免疫機(jī)制逐步完善的關(guān)鍵時(shí)期，營(yíng)養(yǎng)不良、患病、藥物使用等外界因素容易導(dǎo)致兒童菌群紊亂，繼而發(fā)生一系列感染性和過(guò)敏性疾病[1]。維持腸道菌群平衡不僅關(guān)乎嬰幼兒的健康，甚至?xí)?duì)一個(gè)人的終生健康產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。因此，充分了解腸道微生物群的生物學(xué)意義，對(duì)于人群尤其是嬰幼兒的健康和促進(jìn)其抗感染能力都是極為重要的。

人體維生素K由腸道菌群產(chǎn)生和食物供給，其中大部分是由腸道菌合成。若腸道菌群來(lái)源的維生素K分泌減少，會(huì)導(dǎo)致維生素K依賴性凝血因子減少，進(jìn)而引起消化道繼發(fā)性出血。另外，近年來(lái)腸道菌群和骨代謝之間的關(guān)系備受關(guān)注，維生素K作為中間介質(zhì)發(fā)揮關(guān)鍵作用。因此，通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群以促進(jìn)骨骼健康，抑制骨鈣流失，為兒童佝僂病和其他骨代謝疾病提供新的治療思路，是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。本文在綜述嬰幼兒腸道菌群基本功能的基礎(chǔ)上，將深入探討其與維生素K的相關(guān)性及交互作用。

1 腸道菌群基本概述

1.1 數(shù)量及分類

腸道菌群一般指寄居在腸道內(nèi)的各種微生物。據(jù)估計(jì)，成人體內(nèi)約有100萬(wàn)億微生物，約為人體細(xì)胞的10倍，其中80%定植于胃腸道，負(fù)載的基因組數(shù)量是人類基因組數(shù)量的100倍以上，構(gòu)成了人體第2個(gè)基因組[2]。已有研究表明腸道菌群主要由細(xì)菌主導(dǎo)(約有500～1 000種不同物種的細(xì)菌)，但也含有古生菌、病毒、真菌、原蟲等[3]。其中擬桿菌門和厚壁菌最為常見(jiàn)，擬桿菌門主要包括擬桿菌屬和普雷沃菌屬，厚壁菌門主要包括梭狀芽孢菌、乳酸菌、胃瘤球菌及真桿菌等菌屬[4]。

按照對(duì)宿主的作用，腸道菌群可分為三大類：①益生菌，即腸道正常菌群，如雙歧桿菌、乳酸桿菌、類桿菌、丙酸菌、球菌等，多為專性厭氧菌，占99%以上，是優(yōu)勢(shì)菌群，它們大多粘附在腸黏膜上，通過(guò)Toll樣受體發(fā)揮積極作用；②中性菌，屬于條件致病菌，如腸桿菌、腸球菌等，以兼性需氧菌為主。一般來(lái)說(shuō)，它們是維持腸道菌群生態(tài)平衡的必要成分，數(shù)量少，不會(huì)引起疾病。然而，當(dāng)腸道功能異常時(shí)，其數(shù)量會(huì)顯著增加，并可能引發(fā)疾??；③有害菌，即腸道致病菌，如沙門菌、變形桿菌、假單胞菌、金黃色葡萄球菌、致病性大腸埃希菌等，占0.01%以下，大多為外源菌。

1.2 種類及其影響因素

隨著年齡的增長(zhǎng)，腸道內(nèi)的細(xì)菌構(gòu)成呈現(xiàn)出一個(gè)不斷變化的過(guò)程，即腸道菌群演替：①出生和哺乳期：出生后最先在胃腸道內(nèi)定植的是兼性厭氧菌，兼性厭氧菌消耗氧氣，形成缺氧環(huán)境，優(yōu)勢(shì)菌開始向嚴(yán)格厭氧菌轉(zhuǎn)變。但分娩方式、哺乳等因素會(huì)影響嬰兒的菌群結(jié)構(gòu)。例如，葡萄球菌是剖宮產(chǎn)嬰兒的優(yōu)勢(shì)菌，類似于孕婦表面皮膚的菌群，乳酸菌、普雷沃氏菌和阿托波氏菌等則是陰道分娩嬰兒的優(yōu)勢(shì)菌；②離乳期：以類桿菌、消化球菌和梭菌等為主，由于該階段膳食種類逐漸豐富，腸道內(nèi)菌種也隨之變得多樣化，在2歲左右逐漸穩(wěn)定[5]；值得注意的是，從出生到3歲是腸道菌群建立和平衡的關(guān)鍵時(shí)期。在此期間，喂養(yǎng)方式、飲食結(jié)構(gòu)、生活習(xí)慣、患病及藥物的使用等都會(huì)影響腸道菌群的定植，并在一定程度上影響嬰幼兒未來(lái)的健康[6]；③成年期：腸道菌群較為穩(wěn)定，以雙歧桿菌為優(yōu)勢(shì)菌種；④老年期：腸道菌群中雙歧桿菌、厚壁菌等有益菌比例下降，而變形桿菌、葡萄球菌等比例增多，免疫系統(tǒng)功能逐漸下降，被稱為嬰兒時(shí)期的“逆過(guò)程”。

2 嬰幼兒腸道菌群的功能

腸道菌群，尤其是益生菌維持動(dòng)態(tài)平衡并與嬰幼兒機(jī)體相互作用，在促進(jìn)健康方面發(fā)揮著極其重要的作用，其部分功能如下。

2.1 屏障及保護(hù)

微生物對(duì)腸道有屏障性、占位性的保護(hù)作用，構(gòu)成了嬰幼兒的一道重要防線，可以有效防止外源微生物的侵襲。研究發(fā)現(xiàn)，益生菌能誘導(dǎo)大鼠腸道上皮細(xì)胞增殖，增加微絨毛長(zhǎng)度，加大腸道表面積，提高吸收能力[7]。另外，腸道菌群通過(guò)定植抗力，可以競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合腸道中的黏附位點(diǎn)和某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使外源性病原體無(wú)法在腸道中定植[8]。維持腸道屏障功能，促進(jìn)適當(dāng)?shù)拿庖叻磻?yīng)可有效抵抗病原微生物侵襲。

2.2 營(yíng)養(yǎng)及代謝

腸道正常菌群可以通過(guò)物質(zhì)合成、代謝與轉(zhuǎn)化為機(jī)體供能。在結(jié)腸，碳水化合物發(fā)酵是主要的能量來(lái)源。通過(guò)擬桿菌產(chǎn)生的糖苷水解酶、糖苷轉(zhuǎn)移酶、多糖水解酶等消化酶，將宿主內(nèi)難以消化的食物殘?jiān)蜕掀ぜ?xì)胞分泌的內(nèi)生黏液分解成易于吸收的短鏈脂肪酸和丁酸鹽。丁酸鹽作為結(jié)腸細(xì)胞的能量來(lái)源，可有效調(diào)節(jié)結(jié)腸運(yùn)動(dòng)、增強(qiáng)內(nèi)臟血流。此外，丁酸鹽可以通過(guò)阻止?jié)撛诓≡w的過(guò)度生長(zhǎng)，誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，發(fā)揮抗結(jié)直腸癌作用[9]。

腸道菌群還能通過(guò)肝腸循環(huán)等多種代謝途徑參與藥物和其他外來(lái)化合物的分解代謝。例如，乳酸菌可以通過(guò)產(chǎn)生膽鹽水解酶水解膽鹽，從而抑制腸肝循環(huán)重吸收，致使膽鹽從糞便中丟失增多。為了維持體內(nèi)膽鹽的平衡，血液中膽固醇逐漸被轉(zhuǎn)移到肝臟中產(chǎn)生更多的膽鹽，血液中膽固醇也隨之降低[10]。此外，腸道菌群還具有豐富的蛋白質(zhì)代謝機(jī)制，通過(guò)微生物蛋白酶、肽酶和人蛋白酶串聯(lián)發(fā)揮作用。

2.3 免疫及過(guò)敏

益生菌等腸道菌群作為抗原，不僅能促進(jìn)宿主免疫器官的發(fā)育，還能刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生免疫應(yīng)答，維持腸道內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定和微生態(tài)平衡。腸道的黏膜層棲息著大量的微生物，如黏膜免疫球蛋白A(secretory immuno-globulin A，SIgA)、抗菌肽和免疫細(xì)胞等，對(duì)宿主的免疫具有一定的調(diào)節(jié)作用。Sj?gren等[11]研究發(fā)現(xiàn)，新生兒糞便中雙歧桿菌的數(shù)量與SIgA濃度呈正相關(guān)關(guān)系，提示雙歧桿菌能促進(jìn)黏膜免疫系統(tǒng)IgA的分泌和成熟。雙歧桿菌及其裂解物均能激活淋巴細(xì)胞，促進(jìn)抗體的產(chǎn)生以及淋巴細(xì)胞因子(IL-2、IL-10、腫瘤壞死因子等)的分泌，增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對(duì)惡性細(xì)胞的識(shí)別能力和抗感染能力。

另外，乳酸菌能促進(jìn)輔助性T細(xì)胞的發(fā)育，預(yù)防IgE介導(dǎo)的過(guò)敏反應(yīng)[12-13]。Taibi等[14]研究表明添加益生菌有利于改善腸道功能，并能預(yù)防食物過(guò)敏的發(fā)生；Kimura等[15]發(fā)現(xiàn)嗜酸乳桿菌能有效減輕嬰幼兒花粉過(guò)敏的癥狀；另外，Kim等[16]采用隨機(jī)雙盲空白對(duì)照試驗(yàn)對(duì)于112名存在家族過(guò)敏史的產(chǎn)婦進(jìn)行益生菌混合干預(yù)，結(jié)果表明，子代出生一年內(nèi)濕疹的發(fā)生率明顯低于對(duì)照組。

2.4 內(nèi)分泌調(diào)節(jié)

從兒童剛出生起，腸道細(xì)菌定植就對(duì)內(nèi)分泌系統(tǒng)的成熟有一定的促進(jìn)作用，腸道菌群與激素的相互作用顯著影響宿主的新陳代謝和內(nèi)分泌功能。研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)激誘導(dǎo)的神經(jīng)內(nèi)分泌激素可以影響細(xì)菌生長(zhǎng)，許多參與宿主激素代謝的酶，包括腎上腺素、去甲腎上腺素、多巴胺和褪黑素等，可能會(huì)影響細(xì)菌基因表達(dá)[17]，反之細(xì)菌的表達(dá)影響宿主的健康。例如兒茶酚胺能增強(qiáng)細(xì)菌附著在宿主組織上的能力，并影響細(xì)菌的生長(zhǎng)和毒力[17]。另一方面，細(xì)菌的這些內(nèi)分泌效應(yīng)影響多種機(jī)體反應(yīng)，包括行為、代謝、食欲和免疫應(yīng)答等。

3 嬰幼兒腸道菌群與維生素K

3.1 嬰幼兒腸道菌群與維生素K相關(guān)性

除上述提到的參與基本的能量及物質(zhì)代謝外，人體腸道內(nèi)的正常菌群如雙歧桿菌、乳酸桿菌等還能合成多種維生素，特別是維生素K和B族維生素(如維生素B1、B2、B6、B12、維生素PP、葉酸、泛酸、生物素)，而人從食物中可獲取的量非常少。天然存在的脂溶性維生素K包括維生素K1和維生素K2。維生素K1廣泛存在于綠色植物中，是食物中維生素K的主要來(lái)源。維生素K1主要在回腸吸收，與體內(nèi)膽汁酸鹽和脂肪狀況有關(guān)，通過(guò)淋巴系統(tǒng)可傳遞到肝臟中，催化凝血因子的羧化過(guò)程[18]。維生素K2主要由大腸桿菌屬的擬桿菌屬、真細(xì)菌屬和丙酸菌屬合成，存在于納豆、豆腐、奶酪等發(fā)酵食品中[18]。維生素K2主要輸送到肝外組織，在骨骼和動(dòng)脈血管中起作用[19]。另外，費(fèi)氏丙酸桿菌ET-3可產(chǎn)生大量維生素K2前體物質(zhì)，通過(guò)激活芳香烴受體，參與物質(zhì)代謝和解毒過(guò)程，抑制腸道炎癥[20]。

嬰兒出生后需常規(guī)補(bǔ)充維生素K，其缺乏的原因大致有以下方面：①維生素K經(jīng)過(guò)胎盤的通透性差，母乳中維生素K含量較低(1～15μg/L)，因此提示臨床醫(yī)生應(yīng)根據(jù)母乳喂養(yǎng)上述弊端采取積極有效的應(yīng)對(duì)措施，從而降低晚發(fā)性維生素K缺乏發(fā)生率、預(yù)防部分顱內(nèi)出血[21]；②腹瀉可造成腸道菌群失調(diào)，且因嬰幼兒腸道菌群尚未充分建立，進(jìn)一步導(dǎo)致維生素K合成減少；③抗生素的使用抑制了腸道菌群，與維生素K具有競(jìng)爭(zhēng)性抑制作用?？傊c道菌群合成的維生素K是機(jī)體補(bǔ)充維生素、維持維生素水平穩(wěn)定的重要方式之一，當(dāng)身體疾病、抗生素等藥物使用以及其他方式誘導(dǎo)腸道菌群失調(diào)時(shí)，體內(nèi)維生素水平可能會(huì)產(chǎn)生大幅波動(dòng)，此時(shí)，機(jī)體就容易出現(xiàn)各種維生素缺乏癥狀，影響機(jī)體的生命活動(dòng)。

3.2 嬰幼兒腸道菌群、維生素K與骨代謝

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，維生素K在骨代謝和骨礦化過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。維生素K，特別是維生素K2，通過(guò)促進(jìn)谷氨酸γ-羧基化骨鈣素的合成和分泌，抑制骨吸收，促進(jìn)骨形成，從而提高骨量。維生素K水平的降低可引起未羧化骨鈣素升高，骨密度降低，骨量減少。另外，維生素K還可通過(guò)調(diào)節(jié)鈣平衡，間接影響骨代謝，可能的影響機(jī)制為維生素K與骨鈣素、IL-1、IL-6水平合成有關(guān)[22]。有研究顯示當(dāng)維生素K2、維生素D以及鈣同時(shí)存在時(shí)，可有效提高骨礦含量，增強(qiáng)骨密度，提示含天然維生素K2的益生菌制劑能有效防治鈣攝入量不足引起的骨代謝疾病[23]。

上述研究提示維生素K能參與鈣的代謝，與骨形成關(guān)系密切，而添加益生菌可促進(jìn)腸道微生物對(duì)這些維生素的合成。以往有學(xué)者通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在維生素K缺乏的情況下，在雞的飼料中添加凝結(jié)芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌，均增加了幼雞血漿中降鈣素的水平，降低了甲狀旁腺素水平，提示凝結(jié)芽孢桿菌、枯草芽孢桿菌這兩種益生菌可有效調(diào)控維生素K缺乏肉雞的鈣磷代謝相關(guān)激素的水平。因此，可以認(rèn)為，腸道微生態(tài)作為人體最大的生態(tài)系統(tǒng)，具有調(diào)節(jié)機(jī)體免疫、促進(jìn)細(xì)胞正常代謝、促進(jìn)骨骼健康、抑制骨鈣流失等功能。應(yīng)用益生菌等腸道菌群改善骨代謝，預(yù)防嬰幼兒佝僂病等骨代謝疾病是目前研究的新熱點(diǎn)。

隨著對(duì)腸道菌群研究的不斷深入，腸道菌群對(duì)嬰幼兒的重要性逐漸被學(xué)者們發(fā)現(xiàn)及認(rèn)可。腸道菌群在保護(hù)嬰幼兒腸道、改善新陳代謝和調(diào)節(jié)機(jī)體免疫等方面發(fā)揮著重要的生物學(xué)作用，并能通過(guò)與維生素K的交互作用，促進(jìn)兒童骨骼健康、抑制骨鈣流失，發(fā)揮骨代謝的調(diào)節(jié)作用。但是，腸道微生物種類繁多，數(shù)量龐大，不同菌種對(duì)人體腸道和健康的影響機(jī)理有待進(jìn)一步研究，腸道菌群、維生素K與骨代謝的相關(guān)性還需在大樣本、前瞻性研究中進(jìn)一步探索。