人肠道微生态系统的研究进展

人肠道微生态系统的研究进展

金红芝　李堃宝　(上海交通大学生命科学技术学院)

关键词　微生态系统　肠道菌群　分子生物技术

简述了人胃肠道菌群的组成、分布、影响因素以及肠道菌群的生理功能.着重介绍了近几年来分子生物学技术(例如:16S rRNA基因的聚合酶链式反应、变性梯度凝胶电泳、脉冲场凝胶电泳、限制性片段长度多态性、荧光原位杂交等)在肠道微生态学研究中的应用进展.

人的胃肠道栖息着大约30属500多种细菌[1],可以分为生理性细菌、条件致病菌、病原菌.肠道菌群保持共生或拮抗关系,与人的健康及疾病有密切关系.这些微生物群落分别对宿主及环境产生物质流、能量流及基因流,同时它们也受宿主遗传性的控制,从而构成了宿主小生境特定的微生态系统.这些菌群在人体内构成微生态平衡,与宿主间有着相对稳定的作用,对人体是有益的.当这些正常的微生物群落受宿主及外环境影响,其种群数和菌量、活性发生了异常或定位转移时,这些群落中就容易容纳外籍菌,原先的平衡遭到破坏,出现菌群失调,使宿主致病.肠道菌群随着人生长发育、营养变化、生育和年龄增长而发生生理性演替[2].研究人体肠道中的基本微生态规律是纠正菌群失调、增强体质、提高健康水平、发展相应微生态制剂的必要的理论基础. 随着近几年来分子微生态学技术的进步,人们对肠道微生物菌群的结构与特性有了全新的认识.研究发现,肠道菌群中,在光学显微镜下可直接观测到的细菌总数中有40%～80%[3]是不能通过常规微生物学的实验方法培养出来的,只有通过分子生态学的方法测定它们的存在.在这些迄今无法培养的细菌中,有些种类如梭状芽胞杆菌属中的Segmeneted filamentous actria在动物和人体的免疫系统成熟方面起着非常重要的作用;在鸡的小肠内也发现了一种巨大的细菌,这种细菌和肠黏膜的上皮分泌细胞紧密相粘,表明其与上皮细胞是一种共生的关系[4].分子微生态学技术的发展有可能给肠道微生态学带来革命性的突破.

一、胃肠道菌群的组成、分布及影响因素

1.胃肠道菌群的组成与分布[1,5]

人的胃肠道细菌,主要由厌氧菌、兼性厌氧菌和好氧菌组成,其中专性厌氧菌占99%以上,而仅类杆菌与双歧杆菌就占细菌总数的90%以上.乳杆菌和双歧杆菌是胃肠道正常微生物区系中的重要成员并与宿主终生伴随.胃、十二指肠、空肠细菌的种类及数量极少,主要为革兰阳性好氧菌,如链球菌、葡萄球菌和乳酸杆菌,其中乳酸杆菌的数量约为103CFU/ml.在回肠末端,细菌数逐渐增加到105～108CFU/ml,主要含乳酸杆菌(102～105CFU/ml)、大肠杆菌、类杆菌和梭状芽孢杆菌等.至结肠,细菌数明显增加,浓度为109～1012CFU/ml,主要为厌氧菌:双歧杆菌(108～1011CFU/ml)、类杆菌、乳酸杆菌(104～109CFU/ml)占绝对优势,为优势菌群而有潜在致病性的梭状芽孢杆菌和葡萄球菌仅占少量.

肠道微生物群落可分为三大部分:①与宿主共生的生理性细菌.为专性厌氧菌,是肠道的优势菌群,如双歧杆菌、类杆菌、优杆菌和消化球菌等是膜菌群的主要构成者,具有营养及免疫调节作用;②与宿主共栖的条件致病菌,以兼性需氧菌为主,为肠道非优势菌群,如肠球菌、肠杆菌,在肠道微生态平衡时是无害的,在特定的条件下具有侵袭性,对人体有害;③病原菌.大多为过路菌,长期定植的机会少,生态平衡时,这些菌数量少,不会致病,如果数量超出正常水平,则可引起人体发病.如变形杆菌、假单胞菌和韦氏梭菌等.

2.胃肠道菌群的影响因素[6]

消化道正常菌群的种类、数量和分布不是固定不变的,而是受多种因素影响,诸如宿主、微生物及微生物之间的互相作用.又与饮食密切相关.

(1)宿主因素

pH、分泌物:胆酸、胃酸、免疫球蛋白、淋巴因子(lym phokines)、盐类和酶类等.运动特性:胃肠蠕动,运动速度.

生物学特性:区室化作用(com partmentalisation).

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片状剥落细胞:黏蛋白、黏液层、微绒毛膜、细胞组织.

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微生物因素

定植力:黏附力、定植抗性、运动性.

菌的特性:孢子、膜、酶类、抗微生物物质(细菌素)、世代时间.

(3)微生物之间的互相作用

协同作用:代谢的协同作用,生长因子和维生素分泌、氧化还原电位(Eh )、pH 、氧气.

拮抗/刺激:短链脂肪酸、胺、Eh 、pH 、氧气;定植抗性、抗微生物物质(细菌素)、铁载体、营养需求等. (4)饮食

成分:非消化纤维、药物等.

3.菌群失调[1,7]

肠道正常菌群的种类、数量和比例发生异常变化,偏离正常的生理组合,转变为病理性组合状态,即菌群失调.菌群失调会引起许多相关疾病,临床上以腹泻为最明显症状.其他如肠道菌群中潜在致病菌引起的内源性感染和一些过敏性疾病,如特异性反应性湿疹、过敏性皮炎和炎症性肠病等.这些症状被认为与菌群变化导致肠道屏障功能损害有关.

抗生素抗菌谱过广,时间应用过长,在杀死病菌的同时也杀死有益菌群,破坏了肠道微生态平衡,是引起菌群失调的主要诱发因素.放射性同位素、激素及放射治疗和化疗均可在治疗疾病的同时降低人体免疫力,影响益生菌,使人体潜在的致病菌定植.另外,手术、外伤、感染、肿瘤及环境恶化等也会引起菌群失调.

二、肠道正常微生物群的生理功能

[8,9]

肠道正常微生物群落是原籍微生物群落,是微生物与其宿主在共同的历史进化过程中形成的.这些微生物群数量巨大,对其寄主非但无害,而且是有有益和必要的,因为它们含有种类繁多的酶系统,参与宿主能量、物质及遗传信息运转等一系列生理过程.

1.营养作用

肠道内一些正常微生物,如:双歧杆菌、乳杆菌、真杆菌和大肠杆菌等能合成多种蛋白质和维生素,供宿主利用.肠道微生物可结合氨基酸分解的NH 3,合成蛋白质或其他氨基酸,同时它们具有利用非蛋白氮合成氨基酸、蛋白质的生物固氮能力.此外,肠道微生物能促进亚油酸的吸收,促进胆固醇向类固醇的转变,促进胆汁酸

脱饱和、脱羟基等正常代谢,并参与一些药物、毒物的体内代谢.

2.提高防御能力

随人个体生长发育到不同阶段,不同种类和数量的正常微生物群定植在胃肠道黏膜及胃肠道内容物中,形成胃肠道的动态微生态平衡,该平衡能有效阻止致病细菌和病毒等外籍微生物的入侵和繁殖.人胃肠道中,厌氧菌占绝对优势(占90%以上),这些菌在代谢过程中产生挥发性脂肪酸和乳酸,降低小生境内的pH 和Eh ,从而抑制外籍菌的生长繁殖.同时,厌氧菌与胃肠道黏膜上皮细胞紧密结合,形成一层叫膜菌群的生物膜,这层膜对宿主起到了占位性保护作用.由于厌氧菌数量巨大,在营养竞争上处于优势,加之在厌氧条件下繁殖很快,因而限制了兼性菌的生长.此外,厌氧菌产生的H 2O 2对不能产生过氧化氢酶的细菌有抑制作用.

3.免疫调节作用

正常微生物群落尤其是在胃肠道的微生物能剌激宿主建立完备的免疫系统.在检查无菌动物的免疫系统时,发现同其淋巴系统、抗体形成系统等均发育不良,如无菌鸡回盲部的淋巴结比普通鸡减少了4/5.此外,从新生儿免疫系统的发育过程也可看出正常菌群的作用.无菌动物的体液免疫、细胞免疫功能均低于普通动物,如无菌动物血液中γ球蛋白含量降低,基本测不出分泌型

IgA.无菌小鼠血液中的IgG 含量仅为普通小鼠的1/10.

无菌动物淋巴细胞增殖能力很低,浆细胞形成受抑制,细胞免疫反应能力弱.这说明正常微生物不仅能刺激机体免疫器官的发育,而且对增强机体特异性细胞和体液免疫是不可缺少的.

4.微生态平衡与抗生素

抗生素的使用严重破坏了人胃肠道的微生态平衡,还引起耐药性菌株的产生.就个体而言,抗生素破坏胃肠道的膜菌群,外籍致病菌便乘机而入,导致二重感染.一般来说,抗生素的抗菌谱愈广,发生菌群失调和二度感染的频率愈高.针对抗生素的弊端,近年来提出了微生态疗法的概念,主要包括营养调整、抗菌调整、内服菌群促进物质和活菌制剂(益生素)等四个方面,其目的是恢复和稳定原有的微生态平衡,而稳定的胃肠道正常微生态平衡有助于人抵抗病原菌感染.如可通过细菌拮抗作用、细菌干扰作用、屏障效应、定居抗性作用和竞争排斥作用等机制来实现抗感染.

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