腸道微生物

腸道微生物指動物腸道中存在的數量龐大的微生物,這群微生物依靠動物的腸道生活,同時幫助寄主完成多種生理生化功能。腸道不僅是人體消化吸收的重要場所，同時也是最大的免疫器官，在維持正常免疫防禦功能中發揮著極其重要的作用。人體腸道為微生物提供了良好的棲息環境，具有人體自身不具備的代謝功能。

作為人體最龐大、最複雜的微生態系統，腸道微生物本身及其代謝產物不僅能調節人體健康，更在膳食和宿主之間起到了重要的橋樑作用。正如諾貝爾獎獲得者Joshua Lederberg曾指出的，人體與人體共生微生物構成了超級生物體(superorganism)。

基本介紹

• 中文名：腸道微生物
• 外文名：intestinal microbiota

研究發現

1972年，微生物學家托馬斯·拉奇(Thomas Luckey)，在論文中估計消化道容積約有1升，而每克腸道內容物的細菌含量約有10，由此得出腸道細菌的數量大致為10。

2016年，以色列和加拿大的幾位研究者對人體細菌與細胞估算，得出：一個體重70千克、身高1.7米的“標準參考人”身上的細菌/細胞比值平均為1.3：1。

結構與組成

人群共同點

2 0 0 5 年， Eckburg 等通過宏基因組研究發現，腸 道 微 生 物 在 系 統 發 育 地 位 上 基 本 分 屬 厚 壁 菌 門( Firmicutes ) 、擬桿菌門( Bacteroidetes ) 、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、梭桿菌門(Fusobacteria)6大門，其中擬桿菌門和厚壁菌門為主要優勢菌群。2010年，歐盟Meta HIT項目組在Nature發表了人體腸道微生物菌落的基因目錄，共獲得330萬個人體腸道元基因組的有效參考基因，約是人體基因組的150倍。從這一基因集中估計，人體腸道中至少存在著1000～1150種細菌，平均每個宿主體內約含有160種優勢菌種。進一步研究表明，不同年齡、體質量、性別及國籍的人群腸道微生物都大致可分為三種類型，即擬桿菌型(Bacteroides)、普氏菌型(Prevotella)及瘤胃球菌型(Ruminococcus)。

人群差異

雖然人體腸道微生物的主要組成類群非常相似，但在不同宿主個體間，不同微生物類群的相對含量和菌株種類存在著很大差異。影響微生物菌群差異的因素包括宿主的地域、年齡、生理狀況、飲食習慣等因素。在地域方面，一項對來自非洲、南美和美國的人群展開的研究表明來自不同文化和地理位置的人們腸道細菌多樣性上存在著顯著的差異。在年齡方面，嬰兒的腸道微生物組成與成年人有很大不同。而老年人(65歲以上)腸道微生物中擬桿菌屬所占比例比年輕人(28～46歲)高出16%，且梭菌屬在兩者之間也存在著豐度差異。從生理狀況角度，一項對孕婦腸道微生物組成的調查表明懷孕前3個月和後3個月的時間裡，微生物組成發生了顯著改變；在懷孕期間，孕婦腸道中的有益細菌數量明顯降低，相反，致病細菌的數量急劇上升，研究者認為這是免疫系統或者激素在發揮作用。而接受長期護理的患病老年人腸道微生物的菌群多樣性也顯著低於健康老人的菌群。

值得一提的是，膳食因素也是改變腸道微生物的重要因素之一，更是最容易改變或控制的因素。不同人群由於膳食習慣的不同，對於膳食因子的攝入有很大不同，由此引起的腸道微生物組成、結構與功能也會存在較大差異。人體腸道中核心主導菌群與膳食模式中蛋白、脂肪和糖類成分的比例有關，擬桿菌屬在長期以蛋白質和脂肪為主要膳食成分的人群中占主導地位，而在以碳水化合物，膳食纖維類，植物性飲食為主要膳食成分的人群中，普氏菌屬則占核心地位。此外，富含高飽和脂肪酸的膳食能改變腸道微生物組成，並促進原本較低豐度的亞硫酸鹽還原菌及沃氏嗜膽菌的增殖。另一項對歐洲兒童(西方特色飲食)及非洲兒童(非洲農村飲食)的腸道微生物研究表明，相比於歐洲兒童，非洲兒童腸道微生物種群中厚壁菌門量偏低而擬桿菌量偏高。通過對腸道微生物宏基因組的挖掘，有研究發現日本人群腸道中含有能夠分泌藻類代謝酶的微生物菌株，且該菌株屬於日本人群腸道特有微生物。其原因可能在於日本居民長期以海藻類植物為食，最終使能夠分泌降解海洋性植物酶的微生物在腸道里逐漸定殖。

功能

功能基因的發掘

隨著宏基因組學、宏轉錄組學等技術的發展，腸道微生物的生理功能逐漸在基因層面得到了發掘和證實。2006 年美國基因組研究所在採用鳥槍測序法對人體腸道微生物組進行宏基因組測序基礎上，解析了腸道微生物的基因功能。結果表明與同源基因信息庫(COG)中其他微生物相比，腸道微生物基因組中富含參與碳水化合物、胺基酸、甲烷、維生素和短鏈脂肪酸代謝的基因，其中很大一部分是人體自身所不具備的，表明腸道微生物是人體代謝的重要參與者。

對生理功能的調控

腸道微生物是人體代謝的重要參與者，為人類代謝過程提供底物、酶和能量；同時代謝產生的脂肪酸等促進人體上皮細胞生長與分化，並參與了維生素的合成和各種離子的吸收。由於腸道是人體內最大的免疫器官，腸道微生物與宿主在腸道黏膜表面的交流促進了免疫系統的建立和發展，成為人體重要的免疫屏障。另外，腸道微生物還通過形成“菌膜屏障”而為人體提供保護功能。

與腸道疾病的關係

人們已經認識到，濫用抗生素導致的腸道微生物失調會提高腸道疾病發生的幾率。一個較為經典的例子就是因手術入院治療的病人在服用廣譜抗生素後易患感染性腹瀉，其主要原因為腸道微生物失調而引起的偽膜性結腸炎。隨著對腸道微生物功能的不斷挖掘，腸道菌群失調與腸道疾病發生之間的機制逐漸得到闡釋。

與肥胖的關係

肥胖已經成為一個世界性的難題。據國際衛生組織估計，全世界約有10億人體質量超標，全球人口的12%都屬於肥胖範疇。近年來腸道微生物和肥胖的關係受到了廣泛關注。研究人員發現，與瘦志願者相比，肥胖者腸道內擬桿菌門比例降低，放線菌門比例升高。肥胖志願者75%腸道微生物基因來源於放線菌；而瘦志願者42%的腸道微生物基因來源於擬桿菌門。另外有研究表明與正常個體比較，肥胖個體腸道中厚壁菌門比例較高；當肥胖個體體質量減輕時，其腸道微生物中厚壁菌門比例則與正常個體變得較為相似。

與糖尿病的關係

統計數據顯示，2010年全球範圍內用於預防和治療糖尿病及其併發症的成本多達3760億美元，預計這一數字將在2030年超過4900億美元，糖尿病已成為一項重大公共衛生問題。人類基因組計畫雖然完成，但人類自身遺傳密碼的破譯並沒有幫助人們找到徹底克服糖尿病的方法，科學家開始將目光轉向與人類共生，卻具有100倍於人體基因的腸道微生物上。腸道微生物中蘊含的海量遺傳信息可能是治療糖尿病的新突破口。以Ⅱ型糖尿病為例，我國華大基因研究院等單位率先完成了腸道微生物與Ⅱ型糖尿病的宏基因組關聯分析，並發表於2012年的Nature雜誌中。該研究明確了中國人群中的糖尿病患者與非糖尿病患者在腸道微生物組成上的差異，發現Ⅱ型糖尿病患者均有中等程度的腸道微生態紊亂，且表現出產丁酸細菌種類的缺乏。