腸道微生物組：一把打開祖國醫(yī)學寶庫的鑰匙

趙玲 張兆洲 卞兆祥 季光

前言

隨著高通量組學技術(shù)及生物信息學的高速發(fā)展，微生物組學已成為當下醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、環(huán)境等多個領(lǐng)域的研究熱點。為更全面、系統(tǒng)地研究微生物組，包括其與基因組、蛋白質(zhì)組、代謝組以及微生物與宿主的互作關(guān)系，已有多個國家陸續(xù)開展了微生物組研究計劃。例如：2007年美國國立衛(wèi)生研究院啟動“人體微生物組計劃”、2008年歐盟啟動“人類腸道宏基因組計劃”、2010年美國阿貢國家實驗室啟動“地球微生物組計劃”、2017年中國科學院牽頭啟動“中國微生物組計劃”等。人類微生物組研究已明確，腸道是人體微生物的主要棲息器官之一，腸道微生物組對人體的免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)、中樞及外周神經(jīng)系統(tǒng)的生長發(fā)育至關(guān)重要。而腸道微生態(tài)長期、持續(xù)紊亂不僅誘發(fā)腸道疾病（如功能性腸病、炎癥性腸病及消化道腫瘤等），而且參與許多腸外慢性疾?。ㄈ缣悄虿　⒎逝?、心血管疾病及精神疾病等）的發(fā)生發(fā)展。隨著微生物組研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)其與中國醫(yī)學的整體觀念、陰陽學說、邪正盛衰等理論之間存在著諸多相似之處。腸道微生物組不僅已成為現(xiàn)代醫(yī)學疾病診治及新藥研發(fā)的重要靶標，也是闡釋中醫(yī)經(jīng)典理論內(nèi)涵、闡明中藥臨床療效及其作用機理的關(guān)鍵抓手。

消化道中寄生著數(shù)萬億個微生物，其結(jié)構(gòu)組成因人而異

人類腸道中寄生著數(shù)萬億個微生物，以細菌、真菌和病毒為主。其中，腸道細菌細胞數(shù)量高達100萬億個，占人體總微生物量的78%，其所攜帶的基因大約是人類自身基因數(shù)量的150倍。目前，基因測序已成功鑒定超過1 952種腸道細菌，其中僅有400余種細菌可被培養(yǎng)。生態(tài)分類學結(jié)果顯示，人類腸道菌群主要由厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門、梭桿菌門和疣微菌門構(gòu)成。由于不同腸段的含氧量、酸堿度、營養(yǎng)成分等存在差異，腸道菌群的物種及分類結(jié)構(gòu)也有所不同（圖1）。腸道菌群結(jié)構(gòu)受到生產(chǎn)方式、哺乳方式、年齡、地理、氣候、生活及飲食習慣等諸多機體內(nèi)、外因素的影響（圖2）。

圖1 人體消化道內(nèi)菌群的數(shù)量及組成

圖2 腸道菌群易受年齡、地理、生活及飲食習慣等諸多因素影響

腸道菌群具有強大的代謝功能， 廣泛影響機體的生理病理過程

腸道菌群已被視為一種“隱秘”內(nèi)分泌器官，具有強大的代謝功能，主要包括：發(fā)酵未消化的食物殘渣產(chǎn)生短鏈脂肪酸、有機酸等從而為腸道、肌肉及其他遠端器官供能；代謝或降解藥物及其他外源化學成分；合成微量元素、B和K族維生素等；產(chǎn)生內(nèi)毒素、次級代謝小分子等通過門靜脈入循環(huán)血，從而影響宿主消化器官（腸、肝、膽、胰腺等）及其他遠端臟器（心、腎、腦）的代謝功能。同時，腸道菌群衍生的代謝分子也可幫助宿主抵御致病微生物侵害、為有益細菌提供有利生存條件。

微生物組研究陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，腸道菌群通過其自身代謝信號或調(diào)控宿主代謝信號，廣泛影響宿主機體生理功能，主要包括：1）影響以肝-腸循環(huán)為典型通路的機體消化吸收功能；2）促進機體免疫系統(tǒng)的發(fā)育、成熟，進而影響先天性、適應(yīng)性免疫應(yīng)答；3）參與消化道神經(jīng)-內(nèi)分泌系統(tǒng)功能，影響腸-腦軸交互。當腸道菌群結(jié)構(gòu)及其代謝功能異變，可擾亂消化道乃至遠端多個器官的神經(jīng)、免疫、內(nèi)分泌功能，進而誘發(fā)多器官功能性或器質(zhì)性病變。

維持腸道微生態(tài)平衡對人類的健康至關(guān)重要

何為“健康”的腸道菌群，目前尚無明確定論?？茖W家提出了一種“森林假說”，即腸道菌群像一個原始森林，物種豐富、相互依存、互利互惠，共同構(gòu)建腸內(nèi)蔥郁、健康的“微生物森林”；人體自身免疫、代謝系統(tǒng)是這片森林的“土壤環(huán)境”，及時調(diào)整，有益于腸道森林的健康。然而，在諸多外在或內(nèi)在環(huán)境（不良飲食習慣、作息時間、疾病史、遺傳因素等）刺激下，腸道菌群結(jié)構(gòu)易于發(fā)生改變，“森林”生態(tài)系統(tǒng)平衡易被打破，從而引發(fā)多種疾病。

腸道微生態(tài)與中醫(yī)學理論不謀而合

中醫(yī)藥學博大精深，源遠流長，濃縮著中華民族幾千年來的健康養(yǎng)生觀念和臨床實踐經(jīng)驗。習近平總書記明確指出：中醫(yī)藥學是中國古代科學的瑰寶，也是打開中華文明寶庫的鑰匙。

整體觀念是中醫(yī)學的基本特點之一，它是關(guān)于人體自身的完整性以及人與自然和社會環(huán)境統(tǒng)一性的認識，是整體思維方法在中醫(yī)理論中的具體體現(xiàn)。整體觀念包涵了人是一個有機的整體、人與自然環(huán)境相統(tǒng)一以及人與社會環(huán)境相統(tǒng)一等基本內(nèi)容。如前所述，腸道微生態(tài)不僅組成復雜、功能強大，而且參與機體的多種生理病理活動，導致多種腸道疾病和腸外疾病的發(fā)生發(fā)展。目前針對肝-腸軸、腦-腸軸等的大量研究已經(jīng)將腸道微生物作為腸道與其他臟器相關(guān)聯(lián)的重要橋梁。因此，從腸道微生態(tài)的研究著手，能夠從微觀上闡釋和豐富中醫(yī)學整體觀念的科學內(nèi)涵。

陰陽學說是中國古代哲學理論用來闡述宇宙間萬事萬物發(fā)生、發(fā)展和變化規(guī)律的一種學說。中醫(yī)學在發(fā)展的過程中引入陰陽學說，從陰陽之間的對立制約、相互依存和相互轉(zhuǎn)化等關(guān)系解釋機體的生理病理活動。在腸道微生態(tài)中，也客觀存在著腸道菌群之間的對立制約、相互依存等關(guān)系。當腸道菌群的“陰陽平衡”狀態(tài)被打破，則出現(xiàn)菌群失調(diào)，產(chǎn)生疾病。古代中醫(yī)用人中黃等藥治療天行熱、瘟毒、疫戾、痰火、痘疹等疾病，可能是通過調(diào)節(jié)腸道菌群發(fā)揮治療作用?，F(xiàn)代醫(yī)學用微生物制劑治療疾病，其作用機制也主要是通過調(diào)節(jié)腸道菌群實現(xiàn)的。

正邪理論是中醫(yī)病機學的重要組成部分，中醫(yī)認為“正氣存內(nèi)，邪不可干”“邪之所湊，其氣必虛”。中醫(yī)理論認為，正氣不足是疾病發(fā)生發(fā)展的根本原因，而邪氣侵襲是發(fā)病的重要條件，這與西醫(yī)學對機體免疫功能的論述頗為相似。有研究認為，機體“正氣”的構(gòu)成因素包括微生態(tài)平衡、免疫系統(tǒng)正常的應(yīng)答能力及表達功能，而“邪氣”包括了病原微生物、外來抗原物質(zhì)和由于免疫失調(diào)產(chǎn)生的自身抗體、免疫復合物等。機體的腸道微生物屏障可以抵御病原微生物的入侵，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物包含了大量的免疫原性物質(zhì)。對于正常菌群所產(chǎn)生的抗原，腸黏膜免疫系統(tǒng)表現(xiàn)出免疫耐受從而維持腸道微生態(tài)穩(wěn)定，對于病原微生物則做出免疫排斥反應(yīng)。腸道微生態(tài)失衡，運用正邪理論解釋，主要是因為機體的正氣不足和（或）邪氣侵襲，產(chǎn)生正邪力量的消長盛衰變化，從而影響疾病的發(fā)生、發(fā)展、預后等。

腸道微生物組學相關(guān)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代中醫(yī)藥的臨床和基礎(chǔ)研究。研究發(fā)現(xiàn)中藥方劑、針灸、推拿等的臨床療效均與腸道菌群的改變密切關(guān)聯(lián)，中醫(yī)藥可通過調(diào)節(jié)腸道菌群及其代謝功能有效防治疾?。▓D3）。

圖3 腸道微生態(tài)是研究中醫(yī)理論和中藥防治疾病機理的重要路徑

聚焦功能性胃腸病，從腸道菌群探究病-證的內(nèi)在聯(lián)系

臨床發(fā)現(xiàn)，很多功能性胃腸病患者往往伴有焦慮、抑郁等心理障礙。近年來，隨著腸道微生態(tài)研究的不斷深入，腦-腸-微生態(tài)軸互動在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用以及患者的心理問題逐漸得到重視。而隨著醫(yī)學模式從傳統(tǒng)的生物醫(yī)學模式轉(zhuǎn)變?yōu)樯?心理-社會醫(yī)學模式，精神心理因素在功能性胃腸病診治中的作用日益凸顯。

中醫(yī)理論認為，肝胃不和、肝郁脾虛是功能性消化疾病的常見證候類型，其中肝郁作為核心病機貫穿疾病的全過程。肝主疏泄，具有調(diào)暢氣機、調(diào)暢情志和促進脾胃運化的生理功能。脾主運化，胃主受納腐熟水谷，脾氣以升為健，胃氣以降為和。脾胃運化功能的正常發(fā)揮，不僅需要脾的升清與胃的降濁之間維持協(xié)調(diào)平衡，而且需要肝主疏泄功能的正常發(fā)揮。如果肝失疏泄，影響到脾的升清功能，在上表現(xiàn)為眩暈，在下則表現(xiàn)為泄瀉；肝失疏泄，影響到胃的降濁功能，在上則表現(xiàn)為嘔逆噯氣，在中則表現(xiàn)為不思飲食、腹脹腹痛，在下則表現(xiàn)為便秘等?；谏鲜霾C，中醫(yī)治療功能性胃腸病常用具有調(diào)和肝脾功效的方藥，比如四逆散、逍遙散、痛瀉要方等。研究表明，痛瀉要方可通過調(diào)節(jié)腸道菌群、改善情志狀態(tài)以及調(diào)節(jié)腦-腸-微生態(tài)軸等途徑治療腸易激綜合征。

基于宏基因組測序及其他表型組學（代謝組、蛋白組、轉(zhuǎn)錄組等）檢測，國內(nèi)研究團隊對脾胃病的這兩大證候的生物學內(nèi)涵開展了初步探究。例如：脾虛證（脾氣虛證、脾陽虛證）人群腸道菌群結(jié)構(gòu)及其多糖分解、脂肪酸及膽汁酸代謝等功能明顯異常。聚焦腸道菌群及其代謝功能，本課題組發(fā)現(xiàn)肝郁脾虛證腸易激綜合征患者腸道梭菌類細菌明顯富集，且與患者腸道癥狀（如腹瀉、腹痛）的嚴重程度呈正相關(guān)。體內(nèi)外實驗證據(jù)揭示，梭菌科梭菌屬細菌（以梭狀芽胞桿菌為例）通過調(diào)節(jié)腸道內(nèi)膽汁酸比例，削弱腸道法尼醇X受體介導的負反饋信號進而增加宿主膽汁酸合成、排泄水平，刺激腸道動力、分泌功能導致腹瀉。另一項研究發(fā)現(xiàn)，顫螺菌科瘤胃球菌屬細菌（以活潑瘤胃球菌為例）可將芳香族氨基酸（苯丙氨酸、色氨酸）代謝為芳香族微量胺（苯乙胺、色胺），通過激活腸道微量胺受體信號通路刺激腸道上皮分泌型細胞合成血清素，進而加速腸道蠕動并引起腹瀉。以上科學發(fā)現(xiàn)從腸道微生態(tài)角度科學闡釋了證候與疾病間的關(guān)聯(lián)性。

腸道菌群也被視為病-證結(jié)合防治疾病的關(guān)鍵靶點。多種不同消化疾?。êδ苄员忝?、克羅恩病、非酒精性脂肪肝等）的濕熱證患者腸道內(nèi)普遍有大量致病細菌富集，并伴有腸屏障損傷及腸道炎癥。具有清熱化濕功效的中藥復方（以葛根芩連湯為例）能夠?qū)駸嵝湍c道菌群結(jié)構(gòu)進行重塑，降低致病細菌豐度及其內(nèi)毒素釋放水平，恢復腸黏膜屏障功能并降低促炎因子表達。由此可見，腸道微生物組是探究疾病及其中醫(yī)證候演變規(guī)律的重要橋梁，也是闡釋中醫(yī)辨證論治的科學性、有效性的重要路徑。

腸道菌群助益中藥復方療效評價及機理闡述

中藥多以口服方式發(fā)揮作用，而進入消化道的中藥成分不可避免與腸道微生物接觸并發(fā)生互作，對腸道菌群的結(jié)構(gòu)及功能產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。中藥與腸道微生物互作的模式主要包括兩種：第一，中藥直接調(diào)節(jié)腸道微生物組，改變的微生物及其衍生的代謝產(chǎn)物發(fā)揮效應(yīng)。例如：研究發(fā)現(xiàn)人參可通過調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構(gòu)，增加其戊酸的產(chǎn)生并降低色氨酸-犬尿氨酸代謝，進而抑制調(diào)節(jié)性T細胞、誘導效應(yīng)T細胞，從而有效增強免疫檢查點抑制劑的抗腫瘤效應(yīng)。第二，中藥通過腸道菌群的代謝及生物轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生新的具有生物活性的藥物成分或藥物原成分結(jié)構(gòu)得到一定的修飾后進而發(fā)揮效應(yīng)。例如：肉蓯蓉富含苯乙醇苷類成分，其口服利用度極低，無法通過腸道重吸收進入體內(nèi)，其通過腸道菌群的多步化學反應(yīng)，可生成具有抗腫瘤、抗氧化等活性的羥基酪醇、咖啡因小分子進入血循環(huán)發(fā)揮療效。

圖4 中藥調(diào)節(jié)腸道微生物組或影響藥物化學成分的生物轉(zhuǎn)化從而發(fā)揮效應(yīng)

此外，藥物微生物組研究發(fā)現(xiàn)，與肝臟藥物代謝不同，腸道菌群的藥物代謝更傾向于極性、分子量較低的化合物（常見糖苷、多酚類），其生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)主要包括：水解、氧化、還原、異構(gòu)化、重排、酯化、縮合等，具有高效、選擇性和物種特異性等特點。因人而異的腸道微生物組是中藥乃至其他藥物療效、毒副反應(yīng)存在個體差異的主要原因之一?；谒幬镂⑸锝M學技術(shù)，通過探究腸道微生物組與藥物互作關(guān)系，有助于發(fā)展中醫(yī)藥精準治療。

總結(jié)和展望

綜上所述，腸道微生物組學已經(jīng)成為闡明疾病發(fā)生發(fā)展規(guī)律和藥物作用機制的重要手段和關(guān)鍵突破口。然而，腸道微生物組學研究目前還存在著一些問題，比如：1）目前腸道微生物研究對象主要以細菌為主，對腸道中其他物種的研究不足；2）腸道微生物研究過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)整合、生物信息分析技術(shù)以及大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)仍有待完善；3）基于腸道微生物組的中醫(yī)藥研究剛剛起步，亟須開展高質(zhì)量的基礎(chǔ)和臨床研究等。

基于上述問題，我們組建了涵蓋微生物學、中醫(yī)學、中藥學、中西醫(yī)結(jié)合、分子生物學以及細胞生物學專家的研究團隊。秉持多學科交叉融合、開展有組織科研的科學研究理念，緊密結(jié)合臨床實際需求，以功能性胃腸病為研究重點，充分利用腸道微生物組學等現(xiàn)代技術(shù)手段，開展病證結(jié)合理論、中藥復方療效評價及其作用機制研究?；诖罅吭鷮嵉那捌谘芯炕A(chǔ)，展望未來，我們堅信，腸道微生物組學將會是一把打開祖國醫(yī)學寶庫的鑰匙！