肠道菌群与机体免疫(精)

**章肠道微生物群概述 **节对肠道微生物群的再认识 一、消化道不仅发挥“消化”功能 消化道包括口腔、咽、食管、胃、肠道、肛门，本书以肠道作为主体，探讨消化道的复杂功能。作为人体*大的器官，肠道主要包括小肠和大肠两个部分，其主要器官功能是进行食物的消化和吸收。此外，随着人们对肠道功能的进一步发掘，肠道在免疫、代谢、神经调节等方面的作用也逐渐得到了广泛的认同。其中，肠道微生物在肠道诸多功能的正常运转中发挥了至关重要的作用。 二、对肠道微生物群复杂性的再认识 “人类微生物群”是生活在人体内和体表的所有微生物的总称。人类微生物存在于皮肤、口腔和胃肠道、呼吸道和泌尿生殖道，占人体总体重的1%～3%。其中，胃肠道是人体微生物*丰富的部位，人体肠道生存着超过100万亿个微生物，形成了一个独特的基因组，这些微生物随年龄、饮食、地理位置及营养状况变化。肠道微生物包括几种不同的生物群，包括细菌、病毒、真菌、古细菌等，迄今研究*为广泛的生物群是细菌，因此本书主要阐述肠道菌群肠道内的大部分细菌定植于人体结肠内，每克肠内容物的细菌含量高达1012CFU。在同一个体中，由于肠道各部位pH、氧化还原电位和食物转运时间上的差异，导致微生物在肠道不同部位的分布也有所差异。此外，由于局部、个人、遗传和随机因素的差异，肠道菌群的组成在个人和种群之间也存在很大的不同。 探讨肠道微生物群落组成的研究*早是采用培养法，通过这种方法，人们发现了可以在成年人类肠道中定居的多种不同的微生物物种。但是这种方法对于微肠道微生物群分布的研究具有明显的局限性，因为它只能用于研究个别可培养的细菌。此后，随着16SrRNA测序法的快速发展，可满足一次对几十万至几百万DNA分子的测序需求，极大地促进了对复杂多样的肠道菌群的深入研究。高通量测序技术的发展使得人们对复杂生态系统的认识得到了进一步提高。 三、对肠道微生物群功能的再认识 人类肠道微生物与人类共同进化，两者密不可分，肠道微生物在人体的健康和疾病方面都发挥着重要作用。当肠道微生物群与人体和谐相处时，宿主和微生物可以彼此协调以维持体内平衡，促进人体健康。肠道微生物对人体的正面作用，主要包括代谢、营养和保护三个方面。这种作用可以直接通过微生物基因的表达，为人类宿主提供其自身基因组所缺乏的一些代谢能力，也可以间接地通过与人体生理的相互作用，特别是与免疫系统的相互作用来实现。 利用微生物来调节和改善人体健康状况具有极大的可行性，目前在临床上，益生菌和粪菌移植（fecal　microbiota　transplantation，FMT）对肠道菌群的调节作用和部分疾病的防治作用已得到了一定的肯定。反之，若肠道微生物群之间或宿主和常驻微生物群之间的平衡被打破，则会触发遗传易感个体的免疫炎症反应，可能引发肥胖症、糖尿病、心血管动脉粥样硬化、结直肠癌等多种疾病。 人体代谢是由宿主自身基因组调节的各种代谢途径及微生物基因组调节的代谢过程共同完成的，这种宿主与微生物之间的共代谢过程*终调节着宿主的整体代谢。因此研究肠道菌群与宿主整体代谢及其与慢性代谢性疾病的相关性，寻找影响宿主代谢变化的重要功能成员，能够更好地理解肠道菌群对人体健康和疾病的重要作用。然而肠道菌群的复杂性使得确定每种细菌详细的代谢功能十分困难，因此研究者们选择运用气相色谱-质谱法来分析生物样本中微生物代谢产物，并且使用微生物的代谢模型来模拟特定微生物群中物种之间的代谢情况。 下面将从肠道菌群的定义、分类、与宿主的关系、研究方法、组成、其代谢产物以及可行的研究方法等几个方面介绍人体肠道菌群。 第二节什么是人体肠道菌群 一、人体肠道简述 肠道是指从胃幽门至肛门的消化管，在解剖学上主要包括小肠（包括十二指肠、空肠、回肠）、大肠（包括盲肠、升结肠、横结肠、降结肠、乙状结肠、直肠）两个部分。小肠长5～6m，是消化道中*长的一段，位于腹中，上端接幽门与胃相通，下端通过回盲瓣在右下腹与盲肠连接，是食物消化吸收的主要场所。食物经过小肠内胰液、胆汁和小肠液的化学性消化及小肠运动的机械性消化后，基本完成了消化过程，同时营养物质（特别是脂质和简单碳水化合物）大部分都被小肠黏膜吸收。小肠液的成分比较复杂，主要含有多种消化酶、脱落的肠上皮细胞及微生物等。所含有的各种消化酶中，有肠激活酶、淀粉酶、肽酶、脂肪酶及蔗糖酶、麦芽糖酶和乳糖酶等，这些酶对于将各种营养成分进一步分解为*终可吸收的产物具有重要作用。由回肠末端突入盲肠而形成的上、下两个半月形的瓣称回盲瓣，位于回肠和结肠的交界处，有阻止小肠内容物过快流入大肠和防止盲肠内容物逆流到回肠的作用。结肠在右髂窝内续于盲肠，分为升结肠、横结肠、降结肠和乙状结肠4个部分。结肠是水分持续再吸收、摄取微生物衍生的维生素和粪便成形的场所。直肠是结肠的肌肉末端部分，肛门是消化道的末端，也是粪便排出的部位。 作为人体*大的器官，肠道具有诸多重要的生理功能：①人体肠道的主要器官功能是进行食物的消化、营养吸收、分泌和运动，此外肠道还在这种消化环境中建立了一个保护性的上皮屏障，可以在一定程度上抵御病原微生物的入侵。②肠道可以通过代谢药物调节全身生理。③通过门静脉血流与肝脏和胰腺等其他器官进行交流。④人体肠道含有一个独立的肠神经系统。结肠由肠系膜上、下神经丛支配，它们所含的交感神经纤维来自腰交感神经节，分布于全部结肠。迷走神经纤维仅分布于结肠脾曲以上的结肠，降结肠和乙状结肠则由骶2～4脊髓节的副交感神经分布。肠神经系统可以与中枢神经系统关联，构成肠-脑轴的一部分。⑤同时，肠道也是肠道微生物群中的共生微生物与肠道淋巴组织和宿主免疫系统生活及相互作用的主要场所，这对肠内稳态有重要作用。 这些功能需要极为复杂的生物系统的交织。以前的研究主要采用药理学、病理生理学、生化和遗传学方法来描述肠道器官中的细胞群体和类型。*近在单细胞转录分析方面的技术进步使人们能够更精确、全面地描述许多器官的细胞类型和亚群。 二、肠道菌群定义 如前文所述，肠道微生物包括细菌、病毒、真菌、古细菌等不同的微生物群，而我们主要对目前研究*为广泛的肠道细菌进行阐述。在人类漫长的生存过程中，细菌是从何时开始定植于肠道中的呢？一些学者认为，婴儿在子宫内就开始接触母亲的粪便细菌或细菌成分，有许多研究都在胎粪样本中检测出了细菌DNAP°。另有学者对此持有不同观点，他们认为在母亲子宫内的胎儿肠道处于无菌状态’随着婴儿出生时与母体产道的接触及外界环境因子的影响，细菌才开始在肠道内迅速定植。Katherine等认为此前大多数研究中用于分析的胎粪均取自婴儿出生后，他们在2021年的*新研究中利用直肠试纸进行出生前胎粪的收集’通过16SrRNA基因测序证实出生前的胎粪中无细菌定植。因此，关于人类肠道细菌的初始定植，学者们众说纷纭，目前尚存在争议。在婴儿刚出生的一段时间内，兼性厌氧菌在肠道中占据优势地位，约在3岁，人类厌氧肠道环境开始建立，严格厌氧细菌，如梭状杆菌（Clostridium）、拟杆菌（Bacteroides、、双歧杆菌（&；如）等开始在肠道定植，导致肠道微生物的日益多样化和复杂化，此后微生物多样性逐渐增加；5岁儿童的肠道菌群就基本能达到成人水平，但仍存在一些重要差异，如甲烧短杆菌MetTaanobrevibacter）、克里斯滕森菌（Christensenellaceae）等细菌丰度低于成人，而活泼瘤胃球菌（AMOT/WOCOCCMSgWaVMS）等细菌丰度则高于成人；在青春期和成年时期人体肠道菌群达到相对稳定，成人肠道内的严格厌氧菌占主要地位，其数量远超兼性厌氧菌和需氧菌。此外，有研究指出，母乳喂养在人体早期微生物群的形成中起着重要作用，与配方奶粉喂养相比，母乳喂养的婴儿肠道中的双歧杆菌（Bifdobacterium）和拟杆菌（Bacteroides）占主导地位。肠道菌群的多样性很大程度上是在生命的*初几年里建立起来的，此后则受环境因素，如年龄、饮食、生活方式、卫生条件和疾病状态的影响。通过研究不同人体肠道组织和粪便中菌群的组成和结构，可以发现不同人体肠道菌群的多样性存在明显差异。*新公布的人类肠道菌群基因组图谱通过从11850个人类肠道微生物群落中重建基因组，确认了1952种人体肠道细菌。这一研究扩大了人类肠道微生物群的已知物种储备，使得系统发育多样性增加了281%，并且使非洲和南美洲人群的肠道菌群分类提高了200%以上。 人类胃肠道是一个复杂的系统，始于食管，止于肛门，但出于标本采集的实际考虑，迄今获得的绝大多数微生物群数据均来自于远端结肠。重要生理条件，如pH、胆汁含量等，会随着消化道的不同部位而发生变化，这就造成了上、下消化道的微生物群落组成的差异。在本节中，我们将对口腔、食管、胃以及小肠和结肠中健康细菌群落的组成进行描述（图1-1）。 三、肠道微生物群的分类 （一）消化道不同部位的微生物群组成 1.口腔　口腔是消化道的起始部分，由两唇、两颊、硬腭、软腭等构成，腔内有牙齿、舌、唾液腺等器官，其微生物丰富度仅次于肠道。这些丰富的口腔微生物与人体健康息息相关，它们与2型糖尿病、类风湿关节炎、神经系统及心血管系统的多种疾病具有密切联系。2008年美国波士顿福赛斯研究所和伦敦国王学院的科学家联手创立了人类口腔微生物组数据库（Human　Oral　Microbiome　Database，HOMD），对口腔细菌的类型、新陈代谢、致病能力等进行了详细记录。口腔中的优势菌属为孪生球菌属（Gemella）、韦荣球菌属（Veillonella）、奈瑟菌属（INeisseria）、梭杆菌属（Fusobacterium）、链球菌属（Streptococcus）、普雷沃菌属（Pre-votella）、假单胞菌属（Pseudomonas）、放线菌属（Jctoomjces）。 2.食管　食管是咽和胃之间的消化管，过去常被认为没有独特的细菌群。究其原因，一是人们认为任何存在于食管的细菌大多都是从口咽或胃移位而来的，二是食管微生物组在取样和培养方面具有挑战性，在一定程度上限制了人们对食管菌群的研究。近年来，随着食管组织活检等技术的普及，人们对于食管菌群有了全新的认识，有研究揭示了健康人群中3种不同的细菌群落类型：链球菌属（包括轻型链球菌、口腔链球菌、肺炎链球菌）为主型、普雷沃菌属（产黑色素普雷沃菌和苍白普雷沃菌）和韦荣球菌属为主型，以及嗜血杆菌属（Haemophilus）和罗氏菌属（Aoha）为主型。同时，食管菌群与人体健康与疾病有密切联系，包括胃食管反流病、Barrett食管、食管癌、嗜酸性食管炎等疾病都被证明与食管菌群紊乱相关。 3.胃　胃是人体非常重要的一个消化器官，它含有蛋白水解酶和胃酸，能够对摄入体内的食物进行消化。由于其特殊的酸性环境，许多细菌的生长都会受到抑制。幽门螺杆菌（Helicobacter　pylori，H.pylori）是人类*知名的致病性胃菌群成员，在没有幽门螺杆菌感染的情况下，胃微生物群与口腔菌群有很高的相似性；有幽门螺杆菌感染的个体其胃内微生物的a多样性（Alpha多样性：指一个特定区域或生态系统内的多样性，是反映丰富度和均匀度的综合指标）会显著降低。正常成人胃内的优势菌属包括链球菌属、杆菌属、肠杆菌属、纤毛菌属、韦荣球菌属、假单胞菌属和螺杆菌属。 4.小肠　小肠位于腹中，上衔幽门，下接盲肠，其功能主要包括消化、吸收、分泌和运动。由于肠道蠕动速度快、肠分泌杀菌物质导致小肠菌群数量较少（103～105CFU/ml），而小肠中细菌异常增多的现象称为小肠细菌过度生长，这一现象往往会导致一系列的胃肠道症状。小肠菌群易受环境、饮食、时间影响，随着小肠部位的变化会出现独特的微生物组成：十二指肠中以需氧菌和兼性厌氧菌为主，如链球菌属（Streptococcus）、普雷沃菌属（Pr