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精准医疗:有关肠道微生物与人体健康研究进展

2021-10-11 03:48:01
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  人类肠道中定居着许多对宿主有益的微生物,包括细菌、病毒、真核生物等,它们在肠道内能与其他微生物及免疫系统相互作用,对人体健康具有重要影响,被称为“被遗忘的器官”,它们的基因组也被誉为人类的“第二基因组”,与人体的能量代谢及物质代谢有关。本文总结了人体肠道中病毒、真核生物、细菌和宿主免疫系统的相互作用,微生物群的失衡可能导致的疾病如肥胖和克罗恩病等,以及微生物环境在人体内的成熟过程,期望有助于诊断和治疗与肠道微生物失衡相关的疾病。

  一、人体肠道微生物

  人体的微生物主要分布在体表、肠道和口腔,微生物的种类及数量构成是不同的。其中,肠道中的微生物数量约为机体自身细胞(1013)的10倍,在自然界中,结肠中分离出的微生物密度最高,人体粪便干重的 60%为细菌。已有文献表明,婴儿肠道菌群的结构差异较大,而随着年龄的增长,正常成年人的肠道菌群结构趋于近似,拟杆菌属占肠道菌群的30%,而肠杆菌属和肠球菌属的含量少于1%。肠道中的专性厌氧菌本身对于维持肠道菌群结构的平衡起着至关重要的作用,专性厌氧菌在肠道中形成菌膜屏障,主要通过2条途径阻止肠道潜在致病菌(通常为兼性厌氧或需氧菌)及毒素对肠上皮细胞的黏附及侵袭:其一,通过与肠上皮细胞紧密结合,占据空间;其二,通过竞争营养物质,产生酸性代谢产物,降低肠道中的pH值。

  为进一步了解人体生理状况与自身微生物之间的相互作用和关系,2007年12月19日,美国国立卫生研究院(NIH)人类路线图计划(road map plan)正式启动一项新的基因工程——人体微生物群系项目(Human Microbiome Project,HMP),旨在确定不同个体间是否存在共同的核心微生物群系,研究人体微生物群系变化与人体健康状况之间的关系,开发新的技术和生物信息学工具,关注HMP项目相关的伦理、法律和社会问题等。目前研究人员已经开展了500多个细菌基因组的测序工作,这些参考细菌基因组主要来源于人体胃肠道(29%),其次为口腔(26%)和皮肤(21%),最终这个数据库将包含900多种人体内细菌、真菌和病毒的基因组。分析结果显示,人体内的微生物具有惊人的多样性,即使是孪生姐妹,其微生物群中细菌的相似程度也低于50%,而病毒的相似度更低。同时还发现了一些新的基因和蛋白质,其中有些对人类健康发挥重要作用,有些与疾病密切相关。通过这些研究,人们正逐渐了解究竟是什么因素决定了人体的微生物群,其中宿主的遗传基因对微生物群的形成起到了重要的作用。研究证明,特定的基因位点对细菌群落的构成有影响,而对病毒的影响有待考证。

  2010年,欧盟资助的“人类肠道宏基因组计划”开始进行迄今最大的肠道细菌基因研究,旨在探索人类肠道中的所有微生物群落,进而了解肠道细菌的物种分布,为后续研究肠道微生物与人的肝硬化、肥胖、肠炎、糖尿病等疾病的关系提供重要的理论依据。以前的研究通常着眼于真核生物、病毒与人类疾病的关系,其实,健康人体也含有大量的病毒和真核生物。人们低估了健康人体中病毒的丰富度,近期从人体提取出的大量全新的病毒片段证明了人体病毒构成方式与细菌一样,也很多样化。因此,人们亟须将视野从个体研究转移到群体研究上去。

  通过微生物预测个体未来的健康情况,人们首先需要测定人体微生物环境随时间产生的变化。结果显示,健康人体的细菌、真核生物含量及组成相对而言更加平稳,一些外界变量,包括饮食习惯改变、疾病和环境等则可能导致人体微生物内环境的变化。其中,饮食习惯改变对人体微生物环境有巨大影响。在一年内,健康的成人体内 95%以上的病毒序列只有极小的变化,这意味着病毒环境基本不变。Minot 等的实验则证明,节食可以使不同的成年人的病毒环境趋于一致。另外,在小鼠实验中研究人员发现,将高糖、高脂的饮食习惯改变为低糖、低脂的饮食习惯,可以在一天内改变小鼠的微生物环境。节食也会影响到真核生物的生长分布,以动物脂肪为主要能量来源的人,其微生物内环境含较多的拟杆菌属,而以碳水化合物为主食的个体则含有较多的普氏菌。人体的微生物环境是在出生时决定的,婴儿的出生方式对其未来的人体微生物环境建立有着巨大的影响。母体的羊水中有少量的微生物,其种类、数量都很少,这是人体接触的第一类微生物。通过检测胎便中的 DNA 片段,可以证明羊水中有少量细菌。接下来,婴儿的微生物环境会受到其出生后遇到的第一个外环境影响,如果是正常顺产,其体内微生物群来自母体的阴道;如果是剖宫产,其体内微生物群来自母体的皮肤环境。事实证明,顺产婴儿的体内微生物环境与母体的阴道微生物种类相似。相对的,剖宫产的婴儿微生物群与体表分布相似,多含有金黄葡萄球菌和丙酸杆菌等。另外,剖宫产的婴儿排泄物中细菌种类少,且体内含有更多的免疫细胞。婴儿体内的细菌和病毒丰富度会随着时间而增加,其种类也会有所变化。最初的人体微生物多为好氧微生物,因为肠道内最初有氧,随后逐渐被成人体内常见的厌氧微生物取代。婴儿的肠道微生物环境构成变化很快,大部分第一周检测出的微生物在第二周之后就消失了,在前三个月内,婴儿的肠道微生物一直以这样的速率变化着。这与成年人一年内95%微生物种类不变的现象不同。母乳、配方奶粉中并未检测到病毒片段,这说明在喂养婴儿之前,婴儿就已经通过环境、母体获得了大量的微生物。对单独的婴儿个体的跟踪研究证实,婴儿出生后其体内的微生物种类随时间增加,而其微生物环境在使用抗生素、食用固体食物等几个时间点会产生巨大的变化。

  宏基因组学方法揭示了婴幼儿的微生物环境是如何变得越来越复杂多样。最初,婴儿的食物是母乳及奶粉,这使得其微生物环境变得适宜消化、利用乳酸。在进食固体食物前,婴儿已具有消化植物性多糖的能力,这说明在更改食谱前,婴儿已做好了从母乳转向固体食物的准备,而并非由外界环境的变化所引起。第一年内,婴儿的微生物环境开始向成年人的方向靠拢,在2.5年时,几乎与成年人并无不同。一旦微生物环境成熟,就会长期保持稳定,直到老年。研究人员发现,老年人体内的微生物环境与年轻人不同,尤其是杆菌属和梭状芽孢杆菌2类。另外,老年人的微生物环境构成种类远比年轻人要多,这可能是由于老年人多患有各种疾病,药物的使用会对微生物构成造成影响。抗生素对人体微生物环境的平衡有着巨大的影响,使用抗生素后,平衡的人体微生物环境被打破,所有微生物类群都会受到不同程度的影响,有的类群在治疗后数月都不能恢复。这种失衡导致外界的微生物入侵人体,取代了原本平衡健康的微生物环境,导致疾病。另外,长期、重复使用抗生素会增加整个微生物环境对抗生素的抗性。

  二、免疫系统与微生物

  免疫系统与微生物之间有着复杂的关系。首先,免疫系统的成熟完善过程离不开微生物。利用无菌小鼠动物模型研究发现,无菌小鼠肠道中IgA的分泌量减少,肠道淋巴组织减少,Peyer 斑和肠系膜淋巴结变小。这说明由于肠道内有共生菌,肠黏膜表面分泌 IgA,而一旦肠道内菌量减少,IgA 的分泌量也会减少。因此,肠道菌群促进了淋巴组织成熟并分泌IgA的过程。在先天免疫系统中,免疫细胞通过微生物群相关分子模式(microbe associated molecular pattern,MAMP),如细菌的细胞壁内容物(脂多糖、肽聚糖)、鞭毛等,识别不同的微生物。Toll 样受体(Toll-like receptors,TLR)是一类用于识别相关微生物抗原的宿主蛋白。如果人体内没有TLR,肠道、肠系膜免疫系统无法正常运作。共生菌通过 TLR 可以增强抗炎症作用,提高免疫系统的耐受力。Nod样受体(Nod-like receptors,NLR)是另一类典型的微生物组织结构识别蛋白,可以形成炎性体,应答外界损伤类型的免疫。例如,NLRP6的缺失会导致 IL-18 量减少,从而影响一些肠道微生物的增生。后天免疫系统也会受共生菌群的影响。微生物会影响 T 细胞的分化过程,这说明 T 细胞的成熟不仅取决于细胞个体差异,也取决于外界的微生物环境。同时,共生菌反过来也会影响机体的周围环境,例如,多形拟杆菌会减少其他肠道细菌在生理过程中产生的多肽。另外,一些细菌能够通过减少自身组成蛋白质的免疫系统相关受体,减少IgA 的量,从而在人体肠道内更好地生存。因此,可以推测,如果没有微生物菌群对人体的影响,人体或许会更容易罹患自身免疫性疾病。

  三、肠道微生物与疾病

  人体肠道微生物菌群失调可以导致自身免疫性疾病、过敏反应、肥胖、炎症性肠疾病(inflammatory bowel disease,IBD)、糖尿病等。肥胖与微生物环境的关系非常密切,硬壁菌门(Bacteroidetes)、拟杆菌门(Firmicutes)细菌的含量是衡量肥胖的一个重要微生物指标。在节食的个体中可以观测到硬壁菌门的微生物量减少、拟杆菌门的微生物量增加。另外,通过对孪生姐妹的观察发现,硬壁菌门微生物的减少对应着放线菌的增加。通过对人体菌类数量的调整,个体可以更好地吸收食物中的能量,减少炎症反应。使用动物模型模拟宿主基因改变、环境因素改变导致肥胖的过程,发现通过改变微生物环境,将肥胖个体的微生物转接入健康、苗条的个体体内,能够改变能量利用的表现型,使之呈现出肥胖个体的表现型。肥胖会导致一种与普通炎症完全不同的低量炎症反应,诱导产生温和的细胞因子,如TNF-α、IL-1b、CCL2等,诱导产生肥大细胞、T细胞、巨噬细胞等。双歧杆菌的增加会导致胰高血糖素肽2增加,减少大肠的通透性,从而使病原菌的脂多糖难以异位。再如TLR5可以识别细菌鞭毛,是先天免疫系统的主要受体之一。TLR5 缺陷型小鼠的肠道微生物环境发生了巨大的变化,表现出代谢综合征。仅仅通过将肥胖小鼠的微生物环境转移至正常野生型小鼠体内,也能够导致这种代谢综合征引起的肥胖。

精准医疗

  克罗恩病(Crohn's disease)主要表现为胃肠道功能紊乱、胃黏膜炎症反应,其病因尚不明确。目前了解到,基因组、病毒组、微生物环境等因素相互作用,共同导致克罗恩病。研究人员以 Atg16L1基因缺陷型小鼠为对象,研究环境因素与个体基因与克罗恩病的关系。使用鼠诺沃克病毒感染Atg16L1缺陷型小鼠及野生型小鼠,缺陷型小鼠的潘氏细胞不正常生长,而野生型小鼠的潘氏细胞不变,这说明病毒和致病基因共同导致潘氏细胞异常。自身免疫性疾病也与微生物环境有关。Ⅰ型糖尿病小鼠模型中,微生物环境对先天免疫系统作用,导致糖尿病。与没有自身免疫的个体相比,高风险患糖尿病的儿童基因中有着独特的微生物环境构成,其微生物种类随时间减少,而卵形拟杆菌、硬壁菌含量则相对较高。肠道微生物对多发性肝硬化和类风湿关节炎也有影响,而无菌小鼠中不会产生这些疾病。在多发性肝硬化小鼠模型中,将某些微生物引入无菌小鼠会使之变成疾病型,这是一个肠道微生物作用于后天免疫系统从而引起自身免疫疾病的典型例子。因此,利用共生菌的鞭毛多糖,可以防止自身免疫疾病。

  此外,还有一类由多种微生物共同作用导致的疾病,其机理较为复杂,由于不是由单独的微生物导致,研究其微生物菌群的组成及相互关系就非常重要。例如,潜伏的疱疹病毒可以保护小鼠,使宿主不被单核细胞李斯特菌和鼠疫耶尔森菌侵染,这是因为疱疹病毒诱发生成了 IFN-γ和细胞坏死因子。由此可以猜测,通过互益共生,疱疹病毒增强了宿主的健康,其终生潜伏也有益于这类病毒的生存。

  幽门螺杆菌会导致胃癌和胃溃疡,但大部分人群都是该菌的携带者而并无病理反应。通常,幽门螺杆菌的感染都伴随着呼吸道疾病,比如慢性阻塞性肺病和肺结核。有研究表明,感染幽门螺杆菌导致这类呼吸道疾病的患病几率增大,而近期也有研究得到了相反的结论,认为感染幽门螺杆菌会减少胃溃疡患病率,携带有幽门螺杆菌的实验猴体内含有更高的结核抗原诱导的 IFN-γ水平,从而增强了Th1反应,降低了幽门螺杆菌携带者的胃溃疡患病率。早期的细菌感染会导致分化的T细胞减少,而增强Th1反应,其机理尚不清楚。幽门螺杆菌环境通常在人出生的前10年开始成熟,并在不使用抗生素的情况下保持稳定状态。发展中国家几乎所有成年个体体内都携带幽门螺杆菌,而由于滥用抗生素等原因,发达国家的成年个体携带幽门螺杆菌的比例小很多,这将导致在该人群中居高不下的各种过敏性紊乱疾病。所以,使儿童适当暴露在较为复杂的环境中、减少抗生素的使用等,可以有效预防过敏症。

  随着生活水平的提高,现代生活中人们的微生物菌群已与过去不同,由于缺少了部分必需的微生物菌群信号,人体的免疫系统常常不能正常运作,自身免疫性疾病中以过敏为主的患病率大大增长,过敏原的种类也增加了许多。“卫生假说”认为,幼年接触的致病源稀少,免疫系统无法正常成熟,从而引发哮喘。在发展中国家,过敏人群远小于发达国家,这很可能是由于其庞大的家庭结构,使得每一个家庭成员有更多接触致病菌的机会,而糟糕的卫生环境、少使用抗生素等因素也增加了个体接触微生物的机会。“卫生假说”的一种可能的机理是与IL-10的反调节作用有关。IL-10 是一种抗炎症反应的细胞因子,在先天免疫和后天免疫过程中都发挥着重要作用。当微生物入侵人体后,会导致IL-10分泌量增加,减缓炎症反应,同时使人体暴露在过敏原中。另外,基因与环境共同作用,会影响人体过敏反应。例如,血清 IgE水平与CD14启动子区的单核苷酸SNP位点有关。拥有该基因的儿童,若与宠物狗接触更多,则有较高的IgE水平。寄生虫也会导致人体分泌IgE,有人认为,由于西方国家人们接触寄生虫较少,导致西方国家人群易产生过敏症状。

  四、结语

  为了更好地理解疾病与人体微生物间的关系,亟须设定一种通用评判标准,用以衡量人体微生物环境的构成和丰富度,并依此判断人体的健康程度。另外,如何完整地衡量微生物、人体、外界环境之间的关系,从而对可能产生的疾病进行预判,也是一个未来研究的方向。总之,虽然已进行了许多相关研究,但缺少一个统一的评判标准,这是该领域研究所面临的最大问题。

  另外,在一些案例中,从一个健康的个体环境引入新的微生物可以治疗一些疾病,使患病个体环境恢复稳态,如将肥胖个体的微生物群转移至健康野生型个体中,会将野生型个体转变为肥胖个体。那么,我们为什么不能通过这种转移微生物菌群的方式治疗相关疾病呢?这是因为,首先,人们尚未寻找到一个合适的体外转移条件;其次,不同的研究人员对“健康个体”并没有一个相同的衡量标准;第三,人们尚不清楚不同的患病个体需要对应怎样的健康个体。因此可以看出,在微生物治疗上,我们仍有很长的路要走。

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