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腸道微生物

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腸道微生物指動物腸道中存在的數量龐大的微生物,這羣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着極其重要的作用。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。 [1] 
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)。 [2] 
中文名
腸道微生物
外文名
intestinal microbiota

目錄

  1. 1 研究發現
  2. 2 結構組成
  3. ▪ 共同點
  4. ▪ 差異點
  5. 3 功能

腸道微生物研究發現

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1011，由此得出腸道細菌的數量大致為1014。 [3] 
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。 [3] 

腸道微生物結構組成

腸道微生物共同點

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羣。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着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、性別及國籍的人羣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)。 [4] 

腸道微生物差異點

雖然人體腸道微生物的主要組成類羣非常相似，但在不同宿主個體間，不同微生物類羣的相對含量和菌株種類存在着很大差異。影響微生物菌羣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、南美和美國的人羣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着顯著的差異。 [5]  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佔比例比年輕人(28～46歲)高出16%，且梭菌屬在兩者之間也存在着丰度差異。 [6]  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個月的時間裏，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。 [7]  而接受長期護理的患病老年人腸道微生物的菌羣多樣性也顯著低於健康老人的菌羣。 [8] 
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。不同人羣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羣與膳食模式中蛋白、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羣中占主導地位，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羣中，普氏菌屬則佔核心地位。此外，富含高飽和脂肪酸的膳食能改變腸道微生物組成，並促進原本較低丰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羣中厚壁菌門量偏低而擬桿菌量偏高 [9]  。通過對腸道微生物宏基因組的挖掘，有研究發現日本人羣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羣腸道特有微生物。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。 [10] 

腸道微生物功能

功能基因的發掘
隨着宏基因組學、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、氨基酸、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。 [11] 
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。 [12]  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。 [2] 
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。隨着對腸道微生物功能的不斷挖掘，腸道菌羣失調與腸道疾病發生之間的機制逐漸得到闡釋。 [13] 
與肥胖的關係
肥胖已經成為一個世界性的難題。據國際衞生組織估計，全世界約有10億人體質量超標 [13]  ，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 [14]  。
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衞生問題。人類基因組計劃雖然完成，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。腸道微生物中藴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羣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。 [15] 
與漸凍症的關係
據英國《自然》雜誌2019年23日發表的一項研究，德國科學家利用小鼠數據分析和初步人體研究結果表明，肌萎縮側索硬化症（ALS，又名“漸凍症”）的進展或受到腸道微生物組的調節。這是迄今已知的首個微生物組與該神經退行性疾病之間有確切功能聯繫的研究。
“漸凍症”是一種遺傳性疾病，但環境因素一直被認為對“漸凍症”進展有一定作用。此次，德國癌症研究中心（DKFZ）癌症—微生物組研究組艾倫·艾林納夫及其團隊，研究了腸道菌羣在ALS中的潛在作用。他們在“漸凍症”小鼠模型中鑑定出了與疾病嚴重程度相關的幾種不同的共生菌，並發現小鼠微生物組的組成會在其出現運動神經元功能障礙症狀前發生改變。研究顯示，某些細菌種類的濃度升高會加劇疾病進展，而嗜黏蛋白阿克曼菌 [19]  （Akk菌 [18]  ）等其它細菌的濃度則會隨疾病進展而下降。
團隊發現，提高“漸凍症”小鼠模型的嗜黏蛋白阿克曼菌濃度，可以改善症狀、延長生存期。 [16] 
與心血管疾病的關係
2021年8月，作為通訊作者之一、美國範德堡大學醫學中心助理教授Mariana Byndloss發表於《科學》的一項研究表明，高脂肪飲食會破壞腸道內壁及其微生物羣落的生物學特性，並促進一種可能導致心臟病的代謝物的產生。動物模型的發現支持了腸道和微生物羣在心血管疾病的發展過程中發揮的關鍵作用。 [17] 
參考資料
  • 1.    Sender, R., S. Fuchs, and R. Milo, Are We Really Vastly Outnumbered? Revisiting the Ratio of Bacterial to Host Cells in Humans. Cell, 2016. 164(3): p. 337-340.
  • 2.    翟齊嘯，田豐偉，王剛，陳衞 . 腸道微生物與人體健康的研究進展 . 食品科學，2013,01
  • 3.    人體細菌有多少？細菌與細胞數量比例沒有你想的誇張  ．新浪[引用日期2019-07-04]
  • 4.    腸型（Enterotypes） Wu G D, Chen J, Hoffmann C, et al. Linking Long-Term Dietary Patterns with Gut Microbial Enterotypes[J]. Science, 2011, 334(6052):105-108.
  • 5.    YATSUNENKO T, REY F E, MANARY M J, et al. Human gut microbiome viewed across age and geography[J]. Nature, 2012, 486: 222-227.
  • 6.    CLAESSON M J, CUSACK S, O’SULLIVAN O, et al. Composition, variability, and temporal stability of the intestinal microbiota of the elderly[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, 108(Suppl 1): 4586-4591.
  • 7.    KOREN O, GOODRICH J K, CULLENDER T C, et al. Host remodeling of the gut microbiome and metabolic changes during pregnancy[J]. Cell, 2012, 150(3): 470-480.
  • 8.    CLAESSON M J, JEFFERY I B, CONDE S, et al. Gut microbiota composition correlates with diet and health in the elderly[J]. Nature, 2012, 488: 178-184.
  • 9.    De Filippo, C., et al., Impact of diet in shaping gut microbiota revealed by a comparative study in children from Europe and rural Africa. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2010. 107(33): p. 14691-14696.
  • 10.    Hehemann J H, Correc G, Barbeyron T, et al. Transfer of carbohydrate-active enzymes from marine bacteria to Japanese gut microbiota.[J]. Nature, 2010, 464(7290):908.
  • 11.    Gill SR, Pop M, Deboy RT, Eckburg PB, Turnbaugh PJ, Samuel BS et al. (2006). Metagenomic analysis of the human distal gut microbiome. Science 312: 1355–1359.
  • 12.    Olszak T, An D, Zeissig S, et al. Microbial Exposure During Early Life Has Persistent Effects on Natural Killer T Cell Function[J]. Science, 2012, 336(6080):489-93.
  • 13.    Peterson DA, Frank DN, Pace NR, Gordon JI. (2008). Metagenomic approaches for defining the pathogenesis of inflammatory bowel disease. Cell Host Microbe 3: 417–427.
  • 14.    Dicksved J, Halfvarson J, Rosenquist M, Ja¨rnerot G, Tysk C, Apajalahti J et al. (2008). Molecular analysis of the gut microbiota of identical twins with Crohn’s disease. ISME J 2: 716–727.
  • 15.    Qin J, Li Y, Cai Z, et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes.[J]. Nature, 2012, 490(7418):55-60.
  • 16.    微生物與“漸凍症”之間存在聯繫--人民健康網--人民網  ．人民網．2019-07-24[引用日期2021-02-19]
  • 17.    高脂飲食傷腸道損菌羣促心臟病—新聞—科學網  ．科學網．2021-08-18[引用日期2021-09-03]
  • 18.    國人研究發現Akk菌或能預防腸癌 - 全球腫瘤快訊 - 北京大學腫瘤醫院 北京大學臨牀腫瘤學院、北京市腫瘤防治研究所  ．北京大學臨牀腫瘤學院．2020-04-23[引用日期2021-09-03]
  • 19.    嗜粘蛋白阿克曼菌在糖尿病和肥胖中的作用  ．微生物學報[引用日期2021-09-03]
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