肠道微生态

                                                                                                                                                                                                            

肠 道 微 生 态

一、概述
（一）肠道正常菌群
人类正常胃肠道系统内的细菌极为复杂，包括多种需氧菌、兼性厌氧菌和厌氧菌。正常菌群在人体内分布很广，其中以肠道的菌量最多，且具有代表性。正常肠道微生物群的研究在人体微生态学中最具成效。
出生后由于和空气、饮食及外界环境接触，数小时内即有细菌进入体内并定植。正常情况下，这些细菌并不致病，其菌落也基本上终生不变，其定居在肠道的就称为肠道正常菌群。其中9种常见的以均数顺序依次为类杆菌、双歧杆菌、肠杆菌、乳酸杆菌、肠球菌、梭菌、葡萄球菌和酵母样菌，其以厌氧菌为主。
肠道菌群对人体既有益又有害，无害的肠菌只有两种，即双歧杆菌属和乳杆菌属：
1．双歧杆菌属 双歧杆菌主要分布在结肠。迄今为止被识别的24种双歧杆菌中从人类身上分离出来的主要有9种：两歧双歧杆菌、婴儿双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌、青春双歧杆菌、齿双歧杆菌、角双歧杆菌、小链双歧杆菌及假小链双歧杆菌。婴儿体内最普通的种类是婴儿双歧杆菌，长双歧杆菌，短双歧杆菌。而青春双歧杆菌和长双歧杆菌在成人肠道内占优势。
2．乳杆菌属 乳杆菌分布较广，从口腔到直肠此皆存在，但以小肠最多。人类消化系统中的乳杆菌由不同的种类、亚种、生物型基团组成，最常见的在人体中分离出的乳杆菌有六大种类：嗜酸乳杆菌、唾液乳杆菌、乳酪乳杆菌、植物乳杆菌、福明顿乳杆菌和短乳杆菌。
（二）微生物菌群的主要功能
通过对无菌动物的研究，可以了解到肠道正常菌群对宿主的生理机能和病理表现的影响。
1．代谢功能 结肠中的菌群可以对不能被消化的食物残渣和上皮分泌的内源性粘液进行发酵。由于基因的多样性，这些肠道菌群具有多种和宿主自身完全不同的酶和生理代谢途径。这种复杂的代谢活动给宿主提供代谢能量和可吸收的基质，并给细菌本身的生长和繁殖提供能量和营养物质。在结肠中，糖的发酵是主要的能量来源，代谢的最终产物是短链脂肪酸。
肠道菌群的代谢与肝脏的代谢密切相关，肝功能异常可影响肠道菌群，肠道菌群失调又可影响肝脏功能。肠菌的β－葡萄糖醛酸酶和硫化酶对胆红素、胆汁酸、雌激素、胆固醇等的肠肝循环起重要作用。许多研究还表明肠道菌群有降解胆固醇，促其形成胆汁酸的作用。另外，肠道细菌存在尿素酶能将尿素转化为二氧化碳和氨，并利用部分氨中的氮来维持自身的生存，而大部分氨则经过门静脉吸收入肝脏，在肝脏重新合成尿素。这即尿素的肠—肝循环。
对于维生素的合成，钙离子、镁离子和铁离子的吸收，结肠内的菌群也起一定的作用。糖类的发酵和短链脂肪酸的产生会增加这些离子的吸收。被结肠上皮细胞几乎全部吸收的丁酸盐是结肠细胞的主要能量来源。
2．营养功能 短链脂肪酸对于结肠生理机能最重要的贡献可能就是其对结肠上皮细胞的营养效应、促使其生长和分化。在体内，三种主要的短链脂肪酸都能刺激大、小肠上皮细胞的增殖和分化。然而，丁酸盐却抑制细胞的增殖，但在体外，丁酚盐会刺激肿瘤细胞系的上皮细胞的分化。而且，丁酸盐会促进肿瘤细胞向非肿瘤细胞表现型的回复。
3．宿主的免疫性 肠道正常菌群对其宿主的免疫作用或与宿主免疫的相互关系，是一个十分重要而且复杂的问题。大量研究证实，免疫是肠道正常菌群的一个重要生理功能。
无菌动物由于缺乏菌群的免疫刺激，其体内淋巴细胞密度较低，专性滤泡结构少，血循环中的免疫球蛋白的浓度也很低。一旦与肠菌群接触，上皮内的淋巴细胞数目立即大量上升，生发中心在滤泡和固有层中快速出现，血清中免疫球蛋白的浓度也会大量提高。
4．参与宿主的肠道防御
正常肠道菌群最重要的作用是抑制致病菌的生长，使肠杆菌、粪链球菌、铜绿假单孢菌、梭形芽胞菌不能繁殖。对于抵御外来微生物的定植，寄居的正常菌群是一道极其重要的防线。肠道内定植的正常菌种间的平衡可使在正常条件下，个体内菌群数量保持恒定。
细菌之间相互竞争肠道上皮细胞刷状缘上的附着点。附着的非病原性细菌能够阻止肠侵袭性病原菌对上皮细胞的黏附和侵入。此外，细菌还能竞争同一生态位中的营养供给，并通过支配和消耗所有的营养来源来维持他们共同的栖息地。宿主与正常的细菌间的共生关系能够防止不需要的营养物质的过度产生。大部分胃肠道内的菌群能够合成一种被称为细菌素的抗菌物质来抑制竞争者的生长。又由于大部分的细菌素是能够被消化酶降解的蛋白质成分，因此宿主能够控制这种物质的生成。故，细菌素主要在局部生态位中发挥作用。
二、肠道菌群紊乱与临床关系
（一）结肠癌
肠道中的正常菌群以厌氧菌组成为主，正常时与机体处于相对的平衡状态，当这种平衡被打破后大多数的正常菌群变为内源致病菌，产生多种致癌物质，对结肠癌的发生具有重要作用。这类致癌物质主要由肠道细菌的酶将肠道中前致癌物转化而形成的：(1)72-脱羟基酶：主要由肠道的厌氧菌产生，能将胆汁酸的某些成分转化成致癌物。进入肠道的胆汁酸在完成对脂肪的消化后大部分经肠肝循环回到肝脏，但少部分不再重吸收，而在结肠的72-脱羟基酶的作用下形成脱氧胆酸和石胆酸，两者均为结肠癌的辅助诱变物。(2)β-葡萄糖醛酸酶：由它介导的葡糖醛酸化作用是人体内最常见的代谢过程之一，也是脱毒的主要途径。它在结肠中活性最高，主要来源是肠道菌群中的厌氧菌；也可由兼性菌产生，如梭状芽胞杆菌，类杆菌等。(3)β-葡糖苷酶：广泛地存在于肠道菌群中。此外，肠道菌群还产生具有致癌活性的代谢产物。
肠道菌群引起结肠癌的可能机制归纳如下：(1)前致癌物经胃肠道等途径被吸收后由肝脏分泌入肠腔，在肠道菌群的作用下释出活性成分。(2)食物中或随食物摄入的致癌前物和复合致癌物经肠道的菌群作用释出活性成分。(3)肠道细菌产生的某些代谢产物的致癌变作用。
肠道菌群对机体具有双重作用，在一定条件下可促进肿瘤的发生，而另一些条件下则可以抑制肿瘤的发生，一些微生物如BCG、棒状杆菌属，溶血性链球菌或某些细菌代谢产物，通过局部或全身注入，诱导局部炎症反应或增强机体肿瘤免疫力可以抑制肿瘤生长的研究，已早有报道。
现知，类杆菌属，梭菌属的细菌增加了动物结肠癌的发病率和生长率，而乳酸杆菌和双歧杆菌则可以防止肿瘤发生。结肠内的定植菌是影响人类结肠癌发病率的一项主要的环境因素。
肠道菌群抑癌作用的可能机制：(1)细菌及其代的产物对肿瘤细胞的直接细胞毒性。(2)局部炎症反应对肿瘤细胞的非特异性杀伤。(3)细菌免疫可增强机体特异性抗肿瘤的免疫力。(4)上述几种可能途径的联合作用。
（二）炎症性肠病
在人类炎症性肠病中，定植的菌落是引起炎症的主要因素之一。克罗恩氏病患者，其小肠T淋巴细胞对细菌抗原高度敏感，这种病人的局部耐受机制消失。另外，克罗恩病和溃疡性结肠炎患者肠道分泌的IgG抗体量增加，用以对抗广谱的共生细菌。由IgG介导的炎症免疫应答对肠道粘膜有损伤作用，这主要是由于他们激活了补体反应和一系列炎症介质的级联反应。而且，在肠道发炎的病人中，粘附于上皮表面的细菌数量比健康人的多。菌落成份对肠道免疫系统的无限制激活，在炎症性肠道疾病的病理生理学上可能起着至关重要的作用。一些克罗恩病患者(17%-25%)调节宿主对细菌免疫应答的NOD2/CARD15基因有突变。
（三）小肠污染综合征
肠道内正常量的细菌并不影响肠道功能，但过度繁殖就会导致疾病的发生。在胃大部切除、萎缩性胃炎、服用质子泵抑制剂、H2受体阻滞剂致胃酸减少或小肠动力减弱时，可导致空肠内细菌数量明显增多。以及任何引起小肠上段淤滞的因素均可使小肠菌群增加。如小肠中结肠型菌群的增加可伴发各种代谢紊乱，包括脂肪泻、维生素缺乏及碳水化合物吸收不良等。
1．脂肪吸收不良 约1/3的小肠污染综合征患者有脂肪吸收不良，临床上为脂肪泻，其发生机制主要是由于小肠中肠菌明显繁殖，影响胆汁酸的代谢，使脱结合的游离胆盐增加中，导致甘油三酯和脂酸不能被充分吸收，此外，脂酸与钙离子结合形成钙皂，肠脂酸被肠菌羟化，具有蓖麻油一样的致泻作用。不是所有的细菌都能结合，形成非结合胆汁酸，仅大多数拟杆菌，韦荣球菌、肠球菌、双歧杆菌和梭状芽胞杆菌具有这种酶系统。
2.维生素B12吸收不良 维生素B12吸收不良是本病的常见症状，严重者可发生神经系统病变，小肠污染综合征时胃分泌的内因子无异常，回肠维生素B12受体和吸收功能均正常。当空肠内菌群过度繁殖时，细菌竞争性利用维生素B12。许多细菌能结合游离维生素B12，以厌氧菌的作用最强，但细菌对已与内因子相结合的维生素B12亲和力较对游离维生素 B12低20%-90%。被细菌结合的维生素B12，初期仍能被内因子夺去，因为此时维生素B12仅结合于细菌表面，一旦维生素B12进入菌体内，便不能再被内因子结合。小肠内的细菌还可将维生素B12代谢为无活性的钴硼酰胺(combamide)，后者可封闭内因子和回肠维生素B12受体，阻碍维生素B12吸收，甚至可置换已储存在肝内的维生素 B12，由于不能以能吸收的形式被利用，所以患者缺乏维生素 B12，可引起巨幼红细胞性贫血。
3.低蛋白质血症 本病70%-90%的病例有低蛋白的血症，必需氨基酸浓度降低。偶有严重营养不良，导致低蛋白血症的原因是综合性的，其中包括：(1)本病患者肠内细菌每小时约利用营养物5.25g，以致消耗大量蛋白质。(2) 本病肠黏膜内原用于消化吸收蛋白质的肠激酶活力减弱，胰蛋白酶降低。（3）内源性蛋白质从肠壁丢失增多。反之，蛋白质营养不良可加剧肠黏膜损害，使胰外分泌功能减低，从而使已存在的小肠菌群增殖和吸收不良更为严重。因此，本病中蛋白质营养不良系小肠菌群持续过度繁殖的维持因素。
4．碳水化合物吸收不良 在儿童患者中糖吸收不良多见。虽然成人病例的葡萄糖耐量试验结果正常，但约2/3空肠憩室病例的木糖耐量异常。又因刷状缘水解酶降低。乳糖酶降低更显著，所以黏膜摄入单糖也有问题。菌丛又能利用未吸收的碳水化合物及蛋白质产生短链脂肪酸及有机酸，使膳食中脂肪吸收困难，并在到达大肠后引起渗透性腹泻。
5．叶酸缺乏症 虽然肠内细菌制造叶酸，空肠吸收叶酸可导致本病患者肠管内和血中叶酸浓度常升高。但由于细菌同时能释放分解叶酸的酶（主要是乳酸杆菌），因此有些患者亦可出现叶酸缺乏症。
尽管菌群含有需氧菌和厌氧菌，然而在本病中厌氧菌是引起本病生理性紊乱的主要原因。拟杆菌族却是体内引起非结合胆盐增加的主要原因。
（四）肠源性内毒素血症
肝脏正常功能状态与肠道微生素系统构成了一个生物控制状态，如果其正常，对人体将会发挥其正常的作用，反之，就会导致恶性循环，出现各种病理及病理生理表现。肝脏功能异常可影响肠道微生态系统，而肠道微生态失调又可影响肝脏功能，两者互为因果。
在100余年前，Richard. Pfeiffer首次报道革兰阴性杆菌的细胞壁中含一种有毒物质，他在研究霍乱弧菌病感染的发病机制时，发现该菌在崩解后可释放出一种非蛋白质成分，于是，将其称为内毒素(endotoxin)。目前已经清楚内毒素存在于革兰阴性菌细胞壁中内脂多糖(lipopolysacharides，LPS)即含有亲水性的多糖部分和一个疏水的类脂A。
由于肠道内定居着大量的厌氧菌和少量革兰阴性杆菌，因此，肠道的功能之一是阻止肠腔内细菌和内毒素移位到其他组织。肠道屏障功能下降，致使肠腔内大量内毒素向肠外组织迁移的过程称为内毒素移位。对于不伴有革兰阴性菌感染的内毒素血症患者，其内毒素源于肠道内毒素池(toxin pool)的移位，称之为肠源性内毒素血症。由于内毒素分子明显小于细菌，即使肠黏膜通透性轻微增加，内毒素也可通过肠黏膜屏障经过门静脉进入肝脏，由kupffer细胞清除。如内毒素量过多或肝病导致kupffer细胞功能减退，便可形成肠源性内毒素血症，而细菌易位常发生于内毒素易位之后。此外，内毒素可以激活kupffer细胞释放一系列炎症介质，如肿瘤性死因子(TNF)-α，白细胞介素(IL)-1、IL-6、IL-8和氧自由基等。TNF-α、IL-6等炎症介质通过肠一肝轴由胆管进入小肠，引起肠黏膜损伤，通透性增加，更易导致肠道细菌易位。而大量炎症介质可以引起全身炎症反应综合征，甚至多器官功能障碍综合征。
三、新的人体生理系统
微生态学的发展，当今已把微生物的作用，从主要是致病作用的观点转移到主要是生理作用的观点。这种观点的转变是经历了一个多世纪的学术研究和科学发展才取得的。Dwayne C. Savage 于2002年2月28日在日本召开的“二十一世纪肠内细菌学”国际会议上宣称：“在21世纪应把以下两点放在心上（prepare minds）”。这两点是：正常微生物群是自然界中的人（或高等动物）生存必须的一个器官。人（或高等动物）是动物真核细胞和细菌原核细胞构成的综合体。
上述两点说明：正常微生物群不仅是人类或动物的长期进化结果，而且是研究人类或动物生理学和健康的根本依据。
过去只看到微生物的致病性，未看到微生物的生理性，根据近百年的科研，现在已经可以得出结论，人体或其他生物体所携带的正常微生物群即微生态系统应当成为宿主的一个新的生理功能系统。人体的生理系统换最新分类法为12个：附属系统（毛发、指（趾）甲及皮肤）、骨骼系统、肌肉系统、神经系统、淋巴（免疫）系统、呼吸系统、消化系统、内分泌系统、心血管系统、泌尿系统、男性生殖系统及女性系统（Morieb EN,1995）。微生态系统应该成为第13个生理系统。这个系统与其他系统一样，是人体生理学中不可缺少的具有重要生理功能的新的生理系统。
四、生态制剂的应用
生态制剂又称为微生态制剂或称为微生态调节剂（microecologiao modulator）是根据微生态学原理，调整微生态失调，保持微生态平衡，利用对宿主有益无害的正常微生物成员或其促进物质形成的制剂，其可提高宿主（动物、植物和人）健康水平或增进健康佳态（well being）。生态制剂按成分的属性分类：益生菌（probiotics）、益生元(Prebiotics)、合生素（synbiotics） 三类。
益生菌的定义为：含有特定的、充足数量（＞109cFu/d）活菌的制剂，该制剂可以改变宿主的微生物群，有益于宿主健康。近年来该定义又得到了扩充，益生菌制剂包括了活菌、死菌及其代谢产物，它的作用也从仅限于改善肠道菌群扩大到改善宿主多部位正常菌群。从肠道生物环境扩大到所有生物环境，如呼吸道、口腔、泌尿生殖道及皮肤等。新的益生菌定义为：益生菌是含活菌和（或）包括菌体组分及代谢产物的死菌的生物制品，经口或其他粘膜投入，旨在粘膜表面处改善微生物与酶的平衡或刺激特异性与非特异性免疫，作为益生菌必须具备的要素包括：（1）能与人体细胞粘附；（2）在胃酸和胆汁中有较好的稳定性；（3）能产生抗微生物物质或有抗菌活性。
最常用的益生菌是乳酸菌类（Lactic acid bacterial , LAB），包括乳杆菌属、双歧杆菌属、链球菌属、肠球菌属。益生菌已广泛用于临床防治多种疾病，并成为人类防治疾病的重要生物武器。
益生元是指一类非消化性的物质，但可作为底物被肠道正常菌群利用，能选择性刺激结肠内1种或几种细菌生长和/或活性，对宿主健康具有益作用，这类物质是寡糖类，如低聚异麦芽糖、低聚果糖、低聚木糖、乳果糖等，益生菌与益生元在定义上有一定的重叠，益生元主要对肠道的双歧杆菌及乳杆菌的生长有促进作用，而对肠杆菌类或***菌有抑制作用，因而益生元对恢复肠道菌群生态平衡具有重要作用。此外，益生元还可调节宿主对矿物质的吸收，如寡糖显著增加钙、镁的吸收，减少其排出。益生元较益生菌有若干优越性，如不存在保存活菌的技术难关，稳定性好，有效期长。
合生素是指益生菌与益生元的混合制品，或再加入维生素，微量元素等。其能增进双歧杆菌存活率，增加肠道有益菌的数量。
五、微生态制剂的选择
提高微生态制剂质量应注意4个关键：选育优良菌种、提高活菌含量、延长保质期和添加有益菌的生长促进剂。R. Fuller 主编的“益生菌的科学基础专著”中曾提出过4个标准：（1）是可用工业规模生产的活菌制品；（2）在保存和使用的条件下，能长期保持稳定和存活；（3）能在人体肠道中存活（但不一定繁殖）；（4）对宿主动物能提供有益作用。国内学者袁佩娜提出有关益生菌质量的4个标准，包括①安全性、无副反应；②有效性；③稳定性；④可接受性，即制剂的生产工艺、条件、成品的外观、包装等，优良的菌种（株），是质量的基础，活菌含量是质量的关键。
微生态制剂已广泛应用于临床各领域，证实它具有很好的安全性，生态制剂在不同的人群中具有很好的耐受性。但是，对于免疫抑制的人群使用益生菌，仍然需要慎重。另外需关注的是肠球菌用作为益生菌的问题，因为肠球菌有可能具有多重耐药性。带有耐药质粒菌株不应用作益生菌。有关抗生素耐药质粒从益生菌转移到致病微生物的问题值得进一步研究。
微生态制剂有两大类，一类是活菌制剂，是利用对宿主无害有益的活菌来抵抗外袭菌，克服菌群失调，部分取优抗生素的治疗作用。另一类是死菌及其代谢产物，亦可用作调整肠道菌群失调，其可与抗生素合用。
凡有可导致胃酸明显减低或小肠淤滞时，可用益生菌和（或）益生元预防小肠污染综合征，一旦发生小肠污染综合征，除对症治疗外，必须给予针对厌氧菌的抗生素，如甲（替）硝唑，林可霉素或头孢菌素类抗生素。此时需选用耐抗生素的益生菌制剂（如米雅BM、整肠生、medilac-s肠溶胶囊等）。但环丙沙星，亚胺培南等抗生素还是比较敏感的，此时最好选用死菌制剂和益生元制剂。动物实验证明，死菌制剂促生理菌群繁殖，恢复菌量的作用虽略逊于活菌，但在应用抗生素的条件下，其疗效优于不耐菌的益生菌制剂。
目前，人体双歧杆菌的增殖途径主要为口服活菌制剂和促使其在肠道自然增殖两种。相比而言，采用口服双歧因子使双歧杆菌在肠道中自然增殖远比口服活菌制剂安全、稳定、有效。在众多双歧因子中尤以低聚木糖为优。
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