腸道菌群的影響因素研究進(jìn)展

劉欣，郭宇冰，楚治良，高春芳

中國(guó)人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九八九醫(yī)院科研部/全軍肛腸外科研究所/全軍重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng)471000

腸道菌群是腸道內(nèi)微生物群落的總稱(chēng)，是近年來(lái)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物信息學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。眾多的研究結(jié)果表明，腸道菌群與人體的各大系統(tǒng)疾病均有關(guān)聯(lián)，如炎癥性腸病、高血壓病、2型糖尿病、心血管疾病、自閉癥、多囊卵巢綜合征、免疫類(lèi)疾病等[1-7]。腸道微生物與宿主、環(huán)境相互作用，通過(guò)不同方式影響人類(lèi)的健康。腸道菌群的結(jié)構(gòu)和功能受多種因素影響，本文就飲食、運(yùn)動(dòng)、藥物、miRNA這幾個(gè)方面近幾年的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 飲食對(duì)腸道菌群的影響

飲食模式是眾多研究者關(guān)注的焦點(diǎn)，飲食習(xí)慣在很大程度上影響著腸道菌群的組成。高脂、高糖、高蛋白、低膳食纖維的飲食習(xí)慣容易導(dǎo)致腸道內(nèi)有益菌減少和有害菌的滋生，從而導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)，改變飲食后24小時(shí)內(nèi)即可引起腸道菌群發(fā)生巨大變化[8]。

早在1977年就有人提出飲食中的蛋白類(lèi)型（植物蛋白/動(dòng)物蛋白）可以影響腸道菌群。有研究表明，高牛肉飲食的人群較無(wú)肉飲食的人群其雙歧桿菌數(shù)量減少，擬桿菌和梭菌數(shù)量增加[9]。乳清蛋白和豌豆蛋白提取物可提高人類(lèi)腸道雙歧桿菌和乳酸桿菌的數(shù)量，乳清蛋白還可減少致病性擬桿菌和產(chǎn)氣莢膜梭菌的數(shù)量[10-12]。豌豆蛋白可增加腸道中短鏈脂肪酸（SCFAs）水平，短鏈脂肪酸具有重要的抗炎作用并且對(duì)維持黏膜屏障亦有重要作用[13]。相反，食用動(dòng)物蛋白的人群中耐受膽汁的厭氧菌如擬桿菌屬、另枝菌屬和嗜膽菌屬都有增加[14]。以上研究說(shuō)明攝入植物蛋白可能比攝入動(dòng)物蛋白更有利于保持一個(gè)健康的腸道菌群，從而減輕宿主的炎癥反應(yīng)。

西方國(guó)家人群飲食結(jié)構(gòu)中富含飽和脂肪酸和反式脂肪酸，高含量的飽和脂肪酸和反式脂肪酸可增加心血管疾病的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[15-16]。研究表明，高脂飲食會(huì)增加厭氧微生物和擬桿菌的數(shù)量[17-19]。Wan等[20]開(kāi)展了為期6個(gè)月的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，研究膳食干預(yù)對(duì)腸道菌群的影響，發(fā)現(xiàn)低脂飲食組菌群α多樣性增加，產(chǎn)生丁酸的布勞特氏菌屬和糞便桿菌屬增加；高脂飲食組另枝菌屬和擬桿菌屬增加，糞便桿菌屬減少。De Filippo等[21]分別在歐洲某市區(qū)招募了15名志愿者（簡(jiǎn)稱(chēng)EU組），在西非某欠發(fā)達(dá)地區(qū)招募了14名志愿者（簡(jiǎn)稱(chēng)BF組），測(cè)序結(jié)果顯示在菌群相對(duì)豐度上，EU組中志賀桿菌和大腸桿菌要高于BF組；BF組表現(xiàn)出擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）增加以及厚壁菌門(mén)（Firmicutes）減少，并且還存在一種獨(dú)特的菌屬——木聚糖菌屬（Xylanibacter），它可在纖維素與木糖醇的水解過(guò)程中發(fā)揮一定作用，并且與糞便中脂肪酸的增加有關(guān)，該菌屬在EU組則完全缺乏，可能是由于BF組的飲食中包含了大量的纖維素等多糖。當(dāng)這些非洲兒童遷移到歐洲城市地區(qū)后，飲食變?yōu)橐愿咧透咛秋嬍碁橹?，一段時(shí)間后他們的腸道菌群則變得與城市兒童相似，以更適合代謝動(dòng)物蛋白、脂肪和高糖食物的細(xì)菌為主，這也突出了飲食獨(dú)立于宿主遺傳因素的重要性[22]。Nakayama等[23]也發(fā)現(xiàn)了現(xiàn)代化的飲食習(xí)慣改變了菲律賓萊特島一些城鎮(zhèn)兒童的腸道菌群，Ormoc市的兒童經(jīng)常吃快餐，比Baybay市的兒童攝入更多的肉類(lèi)和糖果，脂肪攝入量遠(yuǎn)高于Baybay市的兒童，通過(guò)比較這兩個(gè)城市的7至9歲兒童的糞便微生物群發(fā)現(xiàn)他們分別屬于不同的腸型，Baybay市的兒童主要為P型（富含高豐度的普雷沃氏菌科），Ormoc市的兒童主要為BB型（富含高豐度的擬桿菌科），P型菌落適合碳水化合物的代謝，而B(niǎo)B型菌落適合脂類(lèi)的代謝。

膳食纖維可為腸道的有益菌提供能量來(lái)源，是腸道細(xì)菌功能得以發(fā)揮的關(guān)鍵。高膳食纖維飲食可促進(jìn)腸道內(nèi)有益菌的生長(zhǎng)且可以清除腸道毒素，保持健康的腸道微生態(tài)環(huán)境。飲食中增加膳食纖維攝入可加快胃腸蠕動(dòng)，腸道細(xì)菌數(shù)量增多產(chǎn)生的短鏈脂肪酸也相應(yīng)增加致使腸腔pH值下降，從而影響腸腔內(nèi)特定菌群的生長(zhǎng)[24]。腸道上皮有一層黏液屏障可阻止病原微生物的入侵，若腸道穩(wěn)態(tài)失衡可致黏液屏障受損最終導(dǎo)致黏膜細(xì)胞的炎癥和損傷。來(lái)自美國(guó)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如果小鼠的飲食中長(zhǎng)期缺乏或間歇性缺乏膳食纖維，嗜粘蛋白-阿克曼菌（A.muciniphila）和糞擬桿菌（B.caccae）這兩種細(xì)菌的豐度均顯著增加，它們可以降解黏液中高度糖基化的蛋白“黏液素”使黏液層厚度明顯減少，從而增加腸道感染和許多慢性炎癥性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[25]。

不同種類(lèi)的食物以及食物中的不同成分對(duì)腸道菌群的影響不盡相同。以上研究結(jié)果均可證明人們可以通過(guò)飲食來(lái)調(diào)節(jié)腸道菌群，但是膳食因素對(duì)腸道菌群的影響必須考慮個(gè)體差異，研究飲食因素對(duì)腸道菌群的影響將有助于個(gè)體化營(yíng)養(yǎng)學(xué)的發(fā)展和有效減少各種炎癥性腸道疾病。

2 運(yùn)動(dòng)對(duì)腸道菌群的影響

運(yùn)動(dòng)可以影響腸道微生物組成的變化，在能量穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)中發(fā)揮積極作用[26]。Lambert等[27]利用qPCR技術(shù)比較了不鍛煉和接受鍛煉（跑臺(tái)上進(jìn)行跑步運(yùn)動(dòng)）6周后的小鼠盲腸菌群，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)組小鼠相比于不鍛煉組小鼠腸道內(nèi)含有較高豐度的厚壁菌和較低豐度的擬桿菌屬和普氏菌屬。Allen等[28]將接受鍛煉的實(shí)驗(yàn)組小鼠（小鼠可自由出入轉(zhuǎn)輪裝置進(jìn)行鍛煉）和不鍛煉（小鼠無(wú)法進(jìn)入轉(zhuǎn)輪裝置）的對(duì)照組小鼠的糞便分別移植到無(wú)菌小鼠體內(nèi)，觀(guān)察無(wú)菌小鼠體內(nèi)腸道菌群的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示接受鍛煉的小鼠腸道內(nèi)阿克曼菌（Akkermansia）、毛螺菌科（Lachnospiraceae）和瘤胃菌科（Ruminococcus）的含量顯著高于不鍛煉的小鼠，而普雷沃氏菌科（Prevotellaceae）顯著低于不鍛煉的小鼠。另外，接受鍛煉組小鼠體內(nèi)還有較多含量的丁酸，丁酸可以調(diào)節(jié)腸黏膜細(xì)胞的增殖和分化并具有抗炎的作用。

動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)動(dòng)可以改變腸道菌群結(jié)構(gòu)。那么，在人體中運(yùn)動(dòng)是否也能發(fā)揮此作用？Allen等[29]又進(jìn)行了后續(xù)的試驗(yàn)，研究中共納入了32名在工作和生活中經(jīng)常久坐不動(dòng)的受試者，參加一項(xiàng)為期六周、每周三次、每次持續(xù)半個(gè)小時(shí)至一個(gè)小時(shí)的有氧運(yùn)動(dòng)，之后再恢復(fù)到之前的久坐不動(dòng)模式，持續(xù)六周。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，飲食習(xí)慣保持與往常一樣。對(duì)糞便樣本進(jìn)行高通量測(cè)序發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)后糞便中短鏈脂肪酸特別是丁酸濃度明顯升高。當(dāng)參與者恢復(fù)到久坐的生活方式后，這些短鏈脂肪酸水平再次下降。

已有研究結(jié)果表明馬拉松運(yùn)動(dòng)等耐力運(yùn)動(dòng)會(huì)立即引起血液、尿液、肌肉和淋巴的代謝變化，這些變化可能會(huì)在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)影響腸道微生物群[30-31]。Zhao等[32]以業(yè)余半程馬拉松運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)某些細(xì)菌的豐度在跑步前后表現(xiàn)出顯著差異。跑步雖不影響腸道菌群的α多樣性，但在“門(mén)”的水平上黏膠球形菌門(mén)（Lentisphaerae）和酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）在跑步后的腸道菌群中被特異性地檢出，而其功能目前還未知。在“屬”的水平上，假丁酸弧菌屬（Pseudobutyrivibrio）、糞球菌屬-2（Co-prococcus-2）、柯林斯氏菌屬（Collinsella）和光岡菌屬（Mitsuokella）這四種菌的數(shù)量在運(yùn)動(dòng)后增加最為顯著。上述研究結(jié)果從腸道菌群的角度強(qiáng)調(diào)了鍛煉對(duì)健康的益處。Munukka等[33]選取了17名經(jīng)常處于久坐不動(dòng)的肥胖女性，為其安排了每周3次、為期六周的自行車(chē)耐力運(yùn)動(dòng)。在此期間不改變她們的飲食和生活方式，只是增加了運(yùn)動(dòng)。六周后發(fā)現(xiàn)有害菌數(shù)量減少了，而可以改善人體代謝的阿克曼菌（Akkermansia）的數(shù)量增加。該研究也證實(shí)了僅僅六周即使不改變飲食僅通過(guò)運(yùn)動(dòng)也有助于改善腸道菌群。以上研究通過(guò)不同的研究對(duì)象、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度以及不同的技術(shù)手段證實(shí)了運(yùn)動(dòng)可對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極影響。可能是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)能提高人體的免疫系統(tǒng)并激活人體循環(huán)系統(tǒng)中的一些蛋白酶和激素類(lèi)物質(zhì)，而免疫系統(tǒng)對(duì)維持腸道菌群的穩(wěn)態(tài)具有重要作用，蛋白酶和激素是腸道菌群重要的環(huán)境因子。鑒定并分離運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的有益菌，可能會(huì)為干預(yù)治療運(yùn)動(dòng)功能相關(guān)的疾病提供一個(gè)全新的視角。

3 藥物對(duì)腸道菌群的影響

研究表明服用抗菌藥物可改變腸道微生態(tài)，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面：抗菌藥物可減少腸道菌群的多樣性[34]；減少微生物功能多樣性[35]；降低共生菌對(duì)入侵病原體的定植抗性[36]；增強(qiáng)抗菌藥物耐藥基因在腸道微生物群中的傳播[37-38]?？股貙?duì)腸道菌群的影響取決于抗生素的類(lèi)別、劑量、給藥方式、抗生素暴露的時(shí)期等[39]。

Yassour等[40]深度分析了嬰幼兒從出生到三歲這段時(shí)間內(nèi)腸道菌群的變化，發(fā)現(xiàn)在此期間使用過(guò)抗生素的兒童，其腸道菌群會(huì)變得不穩(wěn)定，特別是在抗生素治療階段腸道菌群的多樣性會(huì)下降。袁靜等[41]對(duì)新生Balb/c無(wú)菌小鼠接種純母乳喂養(yǎng)的嬰兒糞便獲得IHFA小鼠（嬰兒菌群人源化小鼠），小鼠出生后第7天開(kāi)始給其灌喂100 mg/kg阿莫西林，對(duì)照組給予等量的生理鹽水，持續(xù)兩周，隨后檢測(cè)21日齡及53日齡的小鼠腸道菌群，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在哺乳期使用治療劑量的阿莫西林會(huì)對(duì)小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)?dǎo)致其成年后腸道菌群也不能完全恢復(fù)。張瑜杰等[42]以20只新生小鼠為研究對(duì)象，隨機(jī)分為兩組，每組10只，自出生起分別投喂滅菌水和混合廣譜抗生素共21天，測(cè)序發(fā)現(xiàn)糞便菌群多樣性Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均降低，變形菌門(mén)增多，擬桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)減少；奈瑟菌屬和顆粒鏈菌屬增多，副桿菌屬減少。美國(guó)斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)招募22位身體健康的志愿者隨機(jī)分成兩組，一組口服廣譜抗生素5 d，一組服用安慰劑作為對(duì)照，研究發(fā)現(xiàn)口服抗生素組在服用抗生素第3天腸道菌群數(shù)量達(dá)到最低值且比對(duì)照組低3至4個(gè)數(shù)量級(jí)，之后菌群數(shù)量雖又恢復(fù)到正常水平但豐富度和多樣性卻沒(méi)有完全恢復(fù)。另外，研究人員還招募了一些近三年從未接種過(guò)流感疫苗，體內(nèi)流感抗體含量極低的志愿者讓其口服廣譜抗生素3 d，然后接種流感疫苗，接種后第7天檢測(cè)體內(nèi)流感抗體的含量結(jié)果顯示口服抗生素組的IgG1和IgA水平遠(yuǎn)低于口服安慰劑的對(duì)照組。上述研究結(jié)果充分表明使用抗生素不僅會(huì)導(dǎo)致腸道菌群紊亂而且還會(huì)影響機(jī)體對(duì)疫苗的免疫應(yīng)答[43]。

人們往往認(rèn)為只有抗生素才會(huì)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生影響，而最新的研究表明非抗生素類(lèi)藥物對(duì)腸道菌群結(jié)構(gòu)也有顯著影響。Le Bastard等[44]系統(tǒng)性評(píng)估了一些目前最常見(jiàn)的非抗生素類(lèi)處方藥物如質(zhì)子泵抑制劑（PPIs）、鈣通道阻滯劑、非甾體類(lèi)抗炎藥（NSAIDs）、抗組胺藥、抗精神病藥、二甲雙胍、阿片類(lèi)藥物等，發(fā)現(xiàn)這些非抗生素類(lèi)處方藥物對(duì)腸道菌群的影響程度與抗生素類(lèi)藥物大致相同。Maier等[45]使用40種常見(jiàn)的人體腸道菌株，篩查了逾1 100種上市藥物，包括抗菌藥、抗病毒藥、作用于人體細(xì)胞的藥物以及獸藥。研究發(fā)現(xiàn)，有78%的抗細(xì)菌藥物和27%的非抗生素類(lèi)藥物會(huì)影響至少一種腸道細(xì)菌的生長(zhǎng)，即超過(guò)四分之一的非抗生素類(lèi)藥物會(huì)擾亂腸道菌群。

藥物影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)，腸道菌群對(duì)藥物的藥效毒性也有重要影響，它們之間相互影響。藥物以及人體內(nèi)細(xì)菌的種類(lèi)眾多，具體哪些藥物可以對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生影響、影響程度如何以及某一具體藥物可對(duì)哪些細(xì)菌產(chǎn)生影響都是后續(xù)研究的重點(diǎn)方向。腸道菌群的研究為評(píng)價(jià)藥物的有效性和安全性提供了一個(gè)新的視角，這對(duì)新藥研發(fā)以及臨床上如何合理選擇藥物以維持腸道菌群平衡至關(guān)重要。

4 miRNA對(duì)腸道菌群的影響

miRNA作為小片段非編碼RNA，在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用越來(lái)越受到重視。研究表明，miRNA可影響宿主腸道菌群的組成，在調(diào)節(jié)腸道菌群穩(wěn)態(tài)、維持腸道健康這一過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

Liu等[46]的研究發(fā)現(xiàn)，宿主糞便中的miRNA可進(jìn)入具核梭桿菌（F.nucleatum）和大腸桿菌（E.coli）等腸內(nèi)細(xì)菌并調(diào)控細(xì)菌基因的表達(dá)與生長(zhǎng)。如果糞便中缺少miRNA，腸道菌群就會(huì)紊亂并且加重大腸炎的癥狀。Johnston等[47]利用基因敲除手段制作miRNA-21-/-小鼠模型，并在無(wú)菌小鼠中移植miRNA-21-/-小鼠的糞便，測(cè)序結(jié)果顯示移植miRNA-21-/-小鼠糞便組和野生型小鼠相比腸道菌群組成存在顯著差異，揭示了miRNA-21可改變腸道菌群從而影響腸道炎癥的發(fā)生發(fā)展。Teng等[48]從生姜中提取一種類(lèi)外泌體納米顆粒，給小鼠喂食這種外泌體納米顆粒，一周后檢測(cè)小鼠糞便微生物組成，發(fā)現(xiàn)乳酸菌和擬桿菌數(shù)量增多了，而易于致病的梭菌減少了。該研究還證實(shí)，是由于姜類(lèi)外泌體中的miRNA通過(guò)基因調(diào)控促進(jìn)了乳桿菌的繁殖并影響其代謝，進(jìn)而抑制有害菌在腸上皮的粘附生長(zhǎng)。Hoban等[49]研究發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠相比，在無(wú)菌環(huán)境中長(zhǎng)大的不含腸道菌群的小鼠大腦中有大量的miRNA發(fā)生了變化，其中杏仁核和前額皮質(zhì)分別有103種和31種miRNA發(fā)生變化。在飼料中添加相應(yīng)菌群后，其杏仁核和前額皮質(zhì)中的miRNA水平則恢復(fù)正常。

許多疾病都伴隨著miRNA表達(dá)和腸道菌群結(jié)構(gòu)的改變。miRNA可以正向或負(fù)向調(diào)控腸道的免疫調(diào)節(jié)功能和屏障功能；腸道菌群也可作為miRNA和宿主之間的橋梁，通過(guò)改變miRNA的表達(dá)水平進(jìn)而與宿主相互作用，調(diào)節(jié)宿主基因的表達(dá)來(lái)維持腸道穩(wěn)態(tài)。充分了解miRNA與腸道菌群相互作用的機(jī)制將會(huì)對(duì)疾病的診斷和治療提供新的思路和方法。

5 展望

腸道菌群和宿主之間相互影響，正常情況下二者之間保持一種動(dòng)態(tài)平衡。腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可影響宿主的代謝與免疫，對(duì)人體的健康狀態(tài)及疾病的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生重要影響。而宿主本身的行為如生活方式、飲食、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣等又會(huì)影響體內(nèi)的腸道菌群，改變腸道菌群的多樣性。截至目前，許多研究結(jié)果僅僅是發(fā)現(xiàn)了某些疾病伴隨著腸道菌群的改變，但是未能闡明其中的因果關(guān)系。比如許多癌癥患者與正常人群體內(nèi)腸道菌群存在差異，是因?yàn)槟c道菌群的變化導(dǎo)致了癌癥的發(fā)生還是癌癥發(fā)生以后導(dǎo)致了腸道菌群的變化，其中的具體機(jī)制仍不清楚。而且，目前的研究多以無(wú)菌小鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，而無(wú)菌小鼠本身就是一種病態(tài)的動(dòng)物模型，因此實(shí)驗(yàn)結(jié)果能否適用于臨床還是未知的。深入研究腸道菌群的具體結(jié)構(gòu)和功能及其影響因素并探討其中的作用機(jī)制仍是未來(lái)開(kāi)展腸道菌群研究的重點(diǎn)方向。