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人类健康和疾病中肠道微生物的研究已经有所进展，但都是从粪便中推断出来的，因为粪便易于取样且微生物十分丰富。众多科研工作者已经接受以粪便微生物代表整个肠道中所有的微生物群体，从而研究肠道微生物组与宿主健康和疾病之间的关系。然而，每个胃肠道区段的功能异质性使肠道微生物群体也具有区域差异。在本研究，作者总结了沿口部到尾骨轴每个区段中肠道微生物的相关文献，同时阐述了不同肠道区段与肠道疾病发生之间的关系，从而强调区域微生物群对宿主健康和疾病的重要性，并讨论了推进这一研究领域发展的方向。 论文ID 原名：Regional Diversity of the Gastrointestinal Microbiome 译名：胃肠道微生物群的区域多样性 期刊：Cell Host & Microbe IF：15.753 发表时间：2019年9月 通讯作者：Eugene B. Chang 通讯作者单位：美国芝加哥大学医学系 综述内容 探索新的微生物领域 胃肠道（GIT）是一个多器官系统，具有很大的区域多样性，可以容纳大量肠道微生物并且提供多种功能。每一个部位所在的位置都专注于基因功能表达，调节复杂且多样化的消化、免疫、代谢和内分泌过程。无论是胃液的酸度、胆汁酸（BAs）和胰腺分泌物的切入点、小肠（SI）的消化吸收表面，还是结肠中水分的吸收和粪便的形成，这些特性都会产生重要的环境条件，从而决定微生物群落的组合、适应性和功能，使宿主和微生物互利（图1）。这些部位中微生物群落的获取并不是随机的，而是通过动态互相促进的相互作用就特定宿主的需求经过仔细筛选定制产生的。 图1.胃肠道中从嘴部到尾骨轴上（水平）代表性的宿主、微生物因子和群落成员之间的关系。胃肠道的不同区域在宏观和微量营养素的消化和吸收方面具有独特的功能。这些独特的特征以及许多宿主来源的因素，比如上皮细胞的类型和表面、粘液浓度、运动性和收缩性、pH、氧张力和流速等，影响着从口到肛门这个胃肠道中肠道微生物的多样性和丰富性。此外，肠道的每个部位都分泌独特的免疫因子，这些免疫因子可以与肠道菌群互作，从而在特定区域塑造群落成员之间关系。几种宿主因子分泌到肠道中，例如初级胆汁酸（BAs），它们对于消化很重要但也可以引起直接的抗菌作用，比如初级和次级胆汁酸。由于pH和氧气的张力，肠道中其他部位支持的复杂纤维素源的微生物发酵，导致胃肠道远端的短链脂肪酸含量增加，这不仅影响局部的上皮细胞，而且进一步影响区域微生物群落及对健康和疾病很重要的远端组织部位。 本文考察了胃肠道（GIT）沿口部到尾骨轴整个过程中肠道微生物的广泛异质性。作者汇集了目前区域肠道微生物群组成和功能的知识，概述了宿主、环境或饮食是如何干扰并造成不良的后果。目前有很多挑战阻碍了区域肠道微生物群的研究，特别是人体中的研究。话虽如此，新兴的技术和模型系统将会在未来取得重大的进展。 胃肠道（GIT）微生物群口部-尾骨轴的探索和绘制 整个GIT中微生物的丰度和多样性通常从近端到远端肠道增加，且受宿主特征以及微生物群落动态的影响。局部的氧含量、生物营养的利用率、pH、BAs、胃肠道运转时间、粘液和免疫因子都是微生物筛选的重要决定因素（图1）。因为大多数研究仅局限于通过16S rRNA测序来描述局部微生物群落成员的关系，但回避了微生物方面的深刻理解，且几乎没有功能性的见解。 口腔 消化始于口腔，通过牙齿、舌头和唾液分泌物之间的协调作用来促进食物的咀嚼和大量营养素的酶消化。多种因素影响口腔微生物的组合，包括微米级表面结构的差异、这些表面的功能和剥落以及营养流和氧气的水平。尽管口腔微生物与远端GIT相比存在生态学差异，但其群落复杂多样，包含近200亿个微生物，它们可以代表已经鉴定的700多种细菌种类。 口腔内微生物群所在区域如牙齿、牙龈、舌头、硬和软腭粘膜以及扁桃体都是独特且高度结构化的。例如，牙龈上斑块的微生物群在空间组织上呈现棒杆菌的“刺猬”型排列，为向外延伸细丝的斑块形成奠定了基础，然而其他分类群在这个部位周围和内部却拥有不同的生态结构。这赋予了牙齿强大的结构基础，以抵抗物理破坏，如刷牙。非剥落表面比如牙齿、假牙或植入物也可以作为口腔内生物膜形成的基础。 口腔的功能特征包括呼吸、感觉受体的表达、用于食物咀嚼和酶消化的唾液分泌，以及作为宿主和环境之间的免疫屏障。这些特征决定了常驻微生物的组合及其引发的双向作用关系。例如，直接暴露在氧气环境中有利于需氧菌和兼性厌氧菌。脂肪的感知能力受肠道微生物的影响，因为无菌（GF）小鼠表现出长链脂肪酸转位酶CD36（舌头上的一个脂质传感器）的表达降低。唾液的产物以各种方式都会影响微生物的组成，例如（1）从口腔中冲洗食物和细菌，（2）通过消化酶释放的营养物质可以用于细菌的代谢，（3）释放促进细菌聚集的黏蛋白，（4）提供各种免疫因子，包括抗菌化合物。值得注意的是，唾液量的减少可以改变pH从而会影响口腔微生物组。 口腔中的共生细菌增强了免疫功能且可以抑制参与牙龈和牙齿上生物膜形成的病原菌，而这些病原菌是龋齿形成的因素。共生的微生物（比如Veillonella，Streptococcus和Granulicatella gingiva）增加了抗微生物肽（AMP）的产生及炎性细胞因子的分泌，这可以造成3D重建人类牙齿中牙龈上皮屏障功能和粘膜厚度的增加（图1）。 在正常条件下，口腔微生物连续传播到远端GI的数量要大于单独摄入食物时预期的数量。然而，某些口腔微生物的传播可能潜在地促进遗传易感宿主中远端肠道疾病的发生。通过口腔进入的Klebsiella菌被发现可以定殖在结肠，其通过T辅助细胞1（Th1）的细胞活化和发炎促进粘膜炎症的发生。类似的，与几种其它不同属的分离株相比，从克罗恩病和溃疡性结肠炎（UC）患者分离Klebsiella菌在GF小鼠中诱导了Th1的免疫应答。值得注意的是，这些Klebsiella菌株具有抗生素抗性，使得它们非常适于在遗传易感宿主（即IL-10-/-小鼠）中建立结肠生态位并产生炎症反应。 食管 作为一个将部分消化的食物导入到胃部的导管，食道为微生物群和宿主免疫因子提供了一个复杂的环境。食道微生物的组成与包含主要门类的口腔微生物组成相似，都包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形杆菌门、梭杆菌门和糖酵母以及普氏菌属、韦荣氏菌属和链球菌属（图1）。 与其它胃肠道（GIT）部位十分相似，食道微生物受饮食的影响很大。例如，一个肥胖人的饮食可以改变食道微生物的组成，其组成具有Clostridium sensu strico菌属增加的典型特征。其它的研究发现，增加膳食纤维摄入量且低脂肪饮食（LFD）可以促进厚壁菌门的丰度，减少变形菌门和革兰氏阴性菌的丰度，而降低膳食纤维素的摄入与普氏菌属、奈瑟菌属和艾肯菌属的丰富程度有关。这些变化是否与食道疾病有关却尚未有相关研究。 胃 胃部通过蠕动作用和酸性环境中食物组分的分解来不断消化，其通过内分泌功能在调节食物摄入方面发挥着的重要作用。它包含比胃肠道（GIT）远端部位更少的总微生物数，大约为101~103个菌落形成单位。虽然胃部pH、粘液浓度及蠕动作用限制了微生物的生长，但胃部微生物群仍是多样的，包括主要的菌门，比如厚壁菌门、拟杆菌门、梭杆菌门、放线菌门和变形菌门，以及在属水平上的普氏菌属、链球菌属、韦荣氏菌属、罗氏菌属和嗜血菌属。 肠道微生物的存在可能有助于胃部发挥重要的作用，甚至有可能导致系统性疾病。比如，与常规饲养的小鼠相比，GF小鼠出现GI饥饿激素释放水平显著增高的现象，这可以刺激食欲，促进食物摄入和胃蠕动，从而导致肥胖，表明胃部调节时微生物发挥的作用。由于胃部内G细胞释放胃饥饿素，胃部微生物可能会影响宿主的内分泌信号和代谢。 小肠（SI） 小肠中单层高度极化的肠上皮细胞（IECs）包含多种细胞类型，比如有吸收型、杯状型、潘氏细胞、簇生细胞、内分泌细胞，以及随着小肠长度差异分布的其它细胞类型，这些细胞类型赋予了区域特异性的规则，决定了微生物的丰度、多样性和功能。与更远端部位相比，小肠中微生物数量水平更低的一个原因可能是，小肠的存在目的是为了大量和微量营养素的吸收和免疫调节。例如，它的运转模式主要取决于无推动力环形收缩的一个梯度，它可以使消化液和内容物最大程度的混合，产物运输的时间大约在3~5h。相比之下，结肠的运输时间更长（大于30h）。这种差异可能导致小肠内较低的微生物群落多样性和丰度，仅仅是因为较少的时间在SI中定殖从而建立稳态。与这种概念一致的是，当小肠淤积发生时，小肠腔内微生物群转变为和结肠相似的微生物群，其表现出更大的多样性、丰富性和丰度。 十二指肠。尽管它长度较短且胃部食糜运输比较快，但十二指肠是消化和吸收的主要部位，其中胆汁和胰腺分泌物促进了大量营养元素的分解。肝脏中通过胆固醇和甘氨酸（人类）、牛磺酸（小鼠）或硫酸盐缀合物形成的初级BAs被运输到十二指肠中。BAs不仅可以乳化脂肪用于消化，而且还能利用胆汁耐受性微生物和核受体发出的信号来影响宿主基因的表达。IECs对消化的蛋白、碳水化合物和脂质的吸收是从此处开始，与远端的肠道部位相比，此处覆盖的粘膜屏障更薄。 十二指肠包含大约101~103CFU/ml。上部小肠区域中细菌丰度的降低归因于运输时间减少、氧气水平增高、如BAs类抗菌类化合物的存在、pH水平的升高以及消化酶的存在。由吞咽空气、从宿主组织的传送及通过胰腺和胆汁分泌物氧化作用造成的氧气梯度变化可以影响上部SI中微生物群丰度及类型，其中在小鼠中主要由放线菌门和变形菌门组成。反过来，十二指肠中肠道微生物群的组分和功能的显著变化可能对宿主产生重要的影响。对肥胖和瘦但健康的受试者十二指肠宏基因组分析表明，在肥胖个体中参与碳水化合物代谢的微生物基因减少，而与脂质代谢有关的基因增加了。因此，十二指肠微生物可能影响宿主对饮食营养的生物利用率。 空肠。虽然空肠采样比较难，但空肠是营养吸收的主要部位。内窥镜样本是这类信息的主要来源，因为这些样本通常是在个体出现一定健康问题的情况下采集的，这限制了对健康的上部GI微生物组的理解。基于此，我们对于这些部位大部分知识的获取都是来源于动物研究，其中粘膜样本和肠腔样本都可以轻易获得。影响空肠微生物群的因素包括饮食、氧气水平、胆汁酸、运输时间和覆盖较薄的粘液。空肠微生物群落估计由104~107CFU/ml组成，主要包括以厚壁菌门为代表的菌属，但是也包含变形菌门、放线菌门和拟杆菌门。类似的分类群存在于人类受试者的空肠中，但与粪便的微生物群明显不同。 粪便微生物移植到GF小鼠中后，其与GF对照小鼠相比，在第一天就引起了空肠转录组的功能性变化。这种急性转录组响应特异性地仅发生在空肠中，在GIT的其它部位并没有发现。然而，这个实验的限制之处是使用的粪便微生物组成本身就与SI微生物不同。研究表明，高脂肪饮食（HFDs）影响小鼠小肠（SI）微生物的组成和功能的程度要远远大于盲肠和粪便的微生物群，其中厚壁菌门特别是Clostridiaceae数量增多。当HFD诱导的空肠微生物群转移到GF小鼠中时，与接受LFD诱导的小鼠相比，接受HFD诱导的小鼠对脂质的吸收量增加。因此，与LFD微生物群相比，HFD诱导的微生物群差异地激活了GF肠道对脂肪的吸收。 回肠。与其他部位相比，回肠的消化和吸收是独特的，因此毫不奇怪它的微生物群落组成和功能也有所不同。回肠内据估计微生物群大约103~108CFU/ml，主要是由兼性和专性厌氧菌组成。从人类有限的相关研究来看，回肠微生物群似乎主要由拟杆菌门、梭菌门、肠杆菌门、乳杆菌和韦荣氏菌组成。总的来说，回肠IECs作为营养物质（如B类维生素、未被近端吸收的残留营养素）的主要吸收部位，同时对BA进行再摄取后进入肝脏循环，而且后者被肠道微生物的影响更大。 远端回肠表达参与BA信号传导的核受体，例如法尼醇X受体（FXR）和G蛋白偶联受体TGR5，其对下游的代谢途径产生深远影响。与常规饲喂小鼠相比，GF小鼠的总BAs水平以及SI鼠胆酸的丰度均升高。常规小鼠的远端回肠表达的初级BA转运蛋白以及FXR靶基因的水平增加，特别是Shp和Fgf15，它们是重要的BA肝脏共用中间体。微生物介导的Fgf15上调降低了肝脏中BA的合成，而这是由肝脏Cyp7a1（一种BA合成速率限制酶）的降低表达介导的。相反，通过抗生素处理常规饲喂小鼠，可以将这些基因的表达恢复到GF小鼠中检测到的水平。 BAs本身可以反过来直接或间接地影响局部的肠道微生物群。某些BAs缀合物的口服给药可以抑制细菌的过度生长，并恢复屏障的完整性。近期的研究工作揭示，FXRα上调造成粘膜免疫因子的激活，特别是在回肠中，可以对胆管结扎引发的厌氧和需氧菌过度生长起到保护作用。因此，BAs和肠道微生物群可以深刻的影响肝脏循环，进而影响宿主的代谢和免疫。 在封闭条件下，特定的微生物群落成员可以改变回肠的基因图谱。与Bacteroides thetaiotamicron有单一关联的成熟GF小鼠显著影响了与微量和常量营养素摄取相关基因的表达。这些发现部分解释了与常规饲养的小鼠相比，GF小鼠为什么每天要消耗更多的卡路里来维持同样的体重。另外，B. thetaiotamicron显著增加了回肠隐窝中辅脂肪酶基因和许多与肠屏障功能、免疫应答和宿主异生素代谢等相关基因的表达。由B细胞产生的免疫球蛋白A（IgA）和参与IgA胞转作用的聚合免疫球蛋白受体（PIgR）都在细菌定植后出现升高现象，这表明回肠的先天和适应性免疫功能都受到肠道微生物的显著影响。 回肠末端是粘膜免疫的重要部位，这里的粘膜较薄，并且潘氏细胞产生较为广泛的先天免疫因子（如AMPs），同时包括杀微生物肽、C型凝集素和防御素。各种与微生物相关的分子模式包括LPS、肽聚糖、鞭毛、细菌DNA/RNA、真菌细胞壁和脂质A都可以诱导AMP和其它粘膜适应性免疫组分（比如IgA）的表达。GF小鼠常规化增加了AMPs的转录和翻译水平，尤其是REGIIIγ，它是由潘氏细胞和吸收性肠细胞共同产生的对革兰氏阳性菌有杀菌性的一种C型凝集素。共生的肠道微生物增加了REGIIIγ的表达，然而常规饲养的小鼠中HFD诱导的微生物群落降低了AMPs在回肠中的表达，包括REGIIIγ，这提示了区域肠道微生物对饮食调节功能的重要机制。 微生物对于驱动回肠中先天性和适应性粘膜免疫反应以及系统性免疫功能都具有重要作用。比如可以产生白介素(IL)-17A/IL-17F，IL-21和IL-22的CD4+ RORγt+ Th17细胞依赖于分段的丝状真菌（SFB）存在。实际上，GF小鼠以及新生小鼠在其固有层内表现出很少（如果存在的话）的Th17细胞。然而，SFB紧紧附着在肠上皮细胞和回肠末端的集合淋巴结上，这是免疫介导的Th17细胞激活的必要条件。此外，RORγt + T细胞表达的IL-17A被发现定殖在回肠上，这是对SFB的一种响应。SFB可以通过增强Th17介导的免疫来阻止肠道病原体的入侵，比如Citrobacter rodentium，Salmonella Typhimurium或线虫类Nippostrongylus brasiliensis。SFB的存在也可以减弱非肥胖糖尿病小鼠模型中糖尿病的发生，尽管它不能影响HFD诱导下的肥胖结果。 昼夜节律有助于维持代谢功能和免疫力，当然这可能被进餐时间或饮食类型而打断。近期一些研究揭示了宿主昼夜节律系统与肠道微生物群之间的联系。例如，肠道微生物群在回肠IEC隔室中驱动天然免疫Toll-like受体的节律信号下调，从而调节分子生物钟功能。肠道微生物也在群落成员和功能上表现出昼行性的模式，从而为宿主节律和下游代谢功能提供重要的输入。膳食和宿主因素都是微生物组成及其波动的重要决定因素。远端肠道微生物（盲肠、结肠和粪便）也表现出昼夜变化，这可能受昼夜节律扰乱、基因操纵、时差诱导以及食物摄入时间等的影响。在SI中，昼夜节律转录因子白细胞介素-3（NFIL3或E4BP4）以微生物依赖型的方式推动免疫和代谢功能。在本研究中，来自GF小鼠的回肠IECs与常规饲养小鼠相比表现出Nfil3表达水平的降低。IEC特异性Nfil3敲除的小鼠与野生型（WT）幼鼠相比，甚至在HFD条件下也保持瘦且健康的状态，这与在GF小鼠中观察到的现象一致。NFIL3最终被证实通过影响脂质吸收的方式来引起饮食诱导的肥胖，因为Nfil3敲除的小鼠表现出上皮脂质吸收水平的降低且粪便中的脂质增加，以上表明了回肠中微生物群落的重要，宿主的昼夜节律及代谢相互作用。 结肠 通过其独特的功能、储存能力和生理作用，结肠相对于SI拥有更大的微生物丰度和多样性。尽管它的长度较短，但结肠的传输时间（>30h）比SI要更久。较厚的内部和外部黏液层是抵抗细菌（据估计大约有1010~1012CFU/ml，门类包括厚壁菌门、拟杆菌门和毛螺菌科、拟杆菌科、普雷沃氏菌科等家族）的重要屏障。结肠具有功能性的独特区域，其中盲肠和结肠的近端区域是发酵的主要部位，而远端结肠主要是提取液体和电解质（大约1.3L/天）。当进行未处理的结肠镜检察时，也可以理解结肠粘膜相关微生物群宏基因组谱的区域异质性。在这里，近端和远端结肠微生物群在功能子系统中表现不同，包括短链脂肪酸（SCFA）的产生、初级到次级BA的转化和GI运动性的调节。 结肠中严格厌氧菌比如Clostridia，Eubacteria和Roseburia发酵复杂的碳水化合物和纤维，产生SCFAs，比如醋酸盐、丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐，它们是弱酸性的2~5个碳原子化合物，并且是结肠细胞的主要能量来源。它们被上皮细胞主动和被动地运输，但也可以激活结肠和外周组织中的G蛋白偶联受体（GPCRs）。丁酸盐和丙酸盐均可调节组蛋白脱乙酰基辅酶（HDAC），其与免疫功能和癌症相关。SCFAs还增强了适应性免疫细胞的抗炎特性，并影响一系类生理过程。 盲肠和结肠是通过一系列微生物处理从而将初级BAs转化为超过20种类型次级BAs的主要部位。虽然通过羟基类固醇脱氢酶是初级BAs氧化和差向异构化的主要途径，但也可以进行初级甘氨酸或牛磺酸偶联BAs通过胆汁酸水解酶向次级BAs的转化。结肠中含有广泛的细菌属，包括Clostridium，Lactobacillus，Bifidobacterium，Bacteroides和肠道病原体如Listeria，它可编码BSH并发挥这种功能。根据微生物的特性，BSH活性可以解毒BAs。结肠BSH去缀合是7α/β-脱羟基化的作用，促进脱氧胆酸（DCA）和石胆酸（LCA）的主要形成。在Clostridium scindens和C. hyelomonae中鉴定了编码脱羟基酶的BA诱导型基因网络。与均衡饮食或素食相比，短期内人类以肉食为主会导致粪便中DCA丰度的增加，这与BSH表达水平的增加相对应。DCA和LCA均与结肠癌有关。然而DCA可以与肝脏中的牛磺酸或甘氨酸重新缀合，降低其毒性，但LCA必须经过氨基酸结合且硫酸化，在那之后主要存在粪便中然后从体内排出。 初级BAs向次级BAs的转化涉及到微生物衍生的酯化酶和可形成酯的硫酸酯酶。使用牛奶来源的高饱和脂肪喂食龋齿动物可以促进盲肠和结肠中Bilophila wadsworthia的增加，它具有利用牛磺酸衍生亚硫酸盐作为末端电子受体的能力。这种菌体增加与产生Th1干扰素的CD4+细胞增加相对应，从而导致遗传易感性IL-10-/-小鼠结肠炎的严重程度增加。这一研究跟人体内研究结果一致，其中肉类饮食增加了耐胆汁Bilophila，Alistipes和Bacteroides的丰度，同时细菌亚硫酸还原酶（dsrA）的基因表达水平也增加了，使亚硫酸盐还原为H2S。 胃肠动力还受到结肠中携带的微生物类型和功能影响。与常规小鼠相比，GF小鼠出现胃肠动力减弱且运输时间增加的现象。对GF小鼠和常规饲养小鼠结肠环进行体外刺激发现，GF小鼠的结肠对卡巴胆碱（一种刺激肌肉收缩的胆碱能激动剂）和KCl更加敏感，表现为高敏性。便秘是由洛哌丁胺引起的，它可以减缓肠道运输速度，改变肠道微生物的组成和能力，而这些微生物可以直接影响结肠的收缩。微生物通过SCFA诱导的蠕动来影响GI动力，因为在离体条件下对小鼠中部到远端结肠进行SCFA处理时发现，通过5-羟基色胺的释放可以引发蠕动。此外，与健康肠道相关的产芽孢厌氧菌类肠道微生物产生的色氨酸可以增加结肠中的肠嗜铬细胞，从而产生更多5-HT刺激胃肠动力。总之，这些结果突出了宿主和微生物之间以区域特异性的方式进行双向交流，以调节肠胃动力。 区域特异性肠道微生物和疾病 GIT微生物群的区域特向性可能是特定疾病的决定因素。例如，胃中的Helicobacter pylori可以促进人类消化性溃疡疾病和胃癌的产生，而不同的物种比如Helicobacter hepaticus则可以在易感小鼠中引起结肠炎。类似地，由广谱抗生素引起结肠微生物群和生态位条件（如初级胆汁酸的增加）的剧烈波动有利于Clostridium difficile的萌发和生长，从而引起结肠炎。 口腔、食道和胃部的疾病 龋齿和牙周疾病受牙周病原体的影响，包括Aggregatibacter actinomycetemcomitans，Porphyromonas gingivalis和Actinomyces israelii。Saccharibacteria在牙齿和龈上斑块的形成中存在很多，这也可能导致牙周疾病的产生。 以前忽视了食道微生物在食道疾病中发挥的作用。然而，它们在诸如Barrett食管、嗜酸性粒细胞性食管炎、食道癌和食道鳞状细胞癌等疾病中的作用正在被重新审视。来自HFD喂养的L2-IL1B小鼠（一个Barrett食管的小鼠模型）粪便微生物在转移到LFD喂养的GF小鼠中时，增加了癌症发生的概率，说明微生物和食道肿瘤的产生存在因果关系。然而，本研究中使用的是粪便微生物，而食道微生物在该疾病中的确切作用仍不清楚。 胃酸为幽门螺旋杆菌创造了独特的有利环境，其中幽门螺旋杆菌是最常见的人类自身微生物之一，因为它能够在这种条件下茁壮成长。在卫生条件改善之前，许多人通过增强胃酸诱导和能够阻止许多病原体的粘膜免疫机制而从幽门螺旋杆菌中获益。然而，随着卫生条件的改善和各个社会成员寿命的延长，人类自身的幽门螺旋杆菌带来的负面后果逐渐突显出来，例如消化类疾病和癌症。此外，幽门螺旋杆菌诱导T细胞响应的免疫耐受性使新生小鼠中细菌水平展现出增加10倍的现象，这可能影响其消化和吸收，使其对其他病原体十分敏感。 小肠：小肠细菌过度生长（SIBO），减肥手术、营养不良和腹腔疾病 由小肠蠕动力减弱、宿主免疫功能受损和胃酸屏障减弱引起的SIBO特征在于其细菌数为105或106CFU/ml，而正常的细菌水平为103/ml。除了消化不良和吸收不良外，SIBO还能促成其它几种疾病，包括肠易激综合征、乳糜泻（CD）、克罗恩病、非酒精性脂肪型肝炎和肥胖症。与SIBO相关的时期创造了有利于微生物定殖的条件，这些微生物可能并不是该部位的土著（如结肠样），可能导致微生物因竞争营养而过度生长，进而干扰关键性的共生微生物-宿主之间的互作，从而造成粘膜炎症。 限制性和旁路性减肥手术，比如roux-en-y胃旁路术（RYGB）、袖状胃切手术、胃束带术和十二指肠控制的胆胰分流术，通过改变小肠解剖结构和功能来促进体重的降低，但也可能发挥其它机制从而改变宿主新陈代谢的状态。例如，这些过程改变了小肠微生物群，可以直接预防因饮食诱发的肥胖。类似地，在小鼠小肠中观察到胆汁逆转到空肠或回肠后小肠微生物群落发生了显著变化，这可能与预防因饮食诱发的小鼠肥胖相关。这些影响是由胆汁酸对宿主的直接影响（例如通过FXR的激活），或通过肠道微生物群中胆汁介导的变化引起。 孟加拉国营养不良的儿童患有环境性肠病，其特征是小肠绒毛钝化和与未成熟微生物群相关的炎症。将马拉维人饮食的生长受阻但健康的婴儿粪便微生物转移至GF小鼠中显示其生长受损，然而给予小鼠健康供体的微生物群则可以防止生长受损，说明了微生物群在营养不良中的因果关系。即时补充食物的治疗方式只能部分地恢复代谢紊乱。同样，在微生物可利用碳水化合物缺乏的饮食情况下会导致共生微生物的丧失。然而，MAC的补充并不能恢复耗尽的微生物丰度，这些微生物的丰度只能通过饮食习惯的改变来恢复。值得注意的是，两组都检测了粪便中的微生物群，这就引出了一个问题：“缺失”区域微生物能否更好地恢复SI的吸收和消化功能。 乳糜泻是一种具有遗传倾向的慢性肠病，患者表达一种MHC分子（HLA-DQ2或DQ8），它可以被小麦、黑麦和大麦中的谷蛋白成分触发。慢性粘膜炎症会对肠道上皮造成长期损伤，从而导致消化不良和吸收不良。尽管HLA-DQ单体型是一个必要条件，但也可能存在其他因素起作用，因为在患乳糜泻的个体中包含了2%~5%的HLA-DQ2/DQ8。其中，与HLA-DQ单体型相关的免疫状态改变与小肠微生物群的改变相关。虽然一些研究表明因炎症SI微生物群会出现一个群落扩张，但其它研究表明，对于免疫发育很重要的关键微生物丧失具有重要作用。从十二指肠和回肠中得到的部分活检样本揭示了活跃性乳糜泻患者体内肠道菌群的变化。例如，从未治疗的乳糜泻、治疗后的乳糜泻、口服谷蛋白后的乳糜泻和对照组儿童患者中收集的远端十二指肠/近端空肠活组织检查中，发现杆状和球状细菌黏附于粘膜上。与对照和治疗后的乳糜泻受试者相比，未经治疗和口服谷蛋白的乳糜泻患者活体组织检查中发现粘膜黏附的杆状细菌增加。一些研究还显示，与对照组相比，乳糜泻受试者中十二指肠变形杆菌数量增加，然而其它研究表明SCFAs在活跃性乳糜泻患者体内显著减少，这可能是患者经过长达一年坚持无麸质饮食后恢复的。 IL-15是由IEC产生的细胞因子，通常在乳糜泻疾病中被上调。在IEC中过表达IL-15的小鼠内，肠道微生物群受整个肠道的影响，其中在回肠中可以观察到最显著的差异。产丁酸盐细菌的相对丰度和丁酸盐水平都出现了明显下降。尽管IL15T小鼠没有出现明显的乳糜泻现象，但这些研究表明IL-15的表达变化可以显著的改变微生物群落成员和功能，这可能有利于乳糜泻的研究进展。 结肠疾病：炎症性肠病和C. difficile诱发的结肠炎 炎症性肠病（IBD）是宿主遗传、肠道微生物和环境因素等的共同作用引起的复杂免疫疾病。病变的区域性和局部性是这种疾病的标志，并且说明局部因素（微生物及微生物产物）与其发育密切相关。溃疡性结肠炎（UC）是临床IBD的表型之一，它仅涉及到结肠，其繁殖过程通常从直肠开始发展到粘膜炎症前缘汇合处。在具有左侧UC的个体中，经常可以看到患病区域和未患病区域之间的清晰界限。在此处，粘膜相关的微生物群之间的差异被认为是导致或促成这种现象的重要潜在因素。类似地，克罗恩病是IBD的另一种临床表现，它涉及到从口腔到肛门整个胃肠道中的任何部分。典型的病变起始，是一种溃疡性溃烂，从粘膜表面开始，随着疾病的发生，病变区域变宽变深，最后可能发展到肠壁穿透。然而，克罗恩病粘膜病变周围的组织在内腔镜检查和组织学检查上显示正常。一些研究试图基于16S rRNA扩增子的方法来绘制IBD患者中涉及和未涉及粘膜区域在分类学特征上的差异。虽然差异已经被报道，但仍不清楚这是疾病的起因还是疾病造成的后果，以及它们的功能学意义是什么。发生在回肠末端的克罗恩病通常与受干扰的细菌群体和增加的真菌量有关。关于后者，许多患者在血清水平上存在抗酿酒酵母的抗体（ASCA），而这种抗体针对的是多形态真菌（例如白色念珠菌）的细胞壁成分——寡甘露聚糖。当然也可以检测到其它微生物的抗体水平，比如Ecsherichia coli和Pseduomonas fluorescens。 专性孢子形成的革兰氏阳性厌氧菌艰难梭菌是抗生素诱导且毒素介导复发性结肠炎的主要原因。虽然在健康人类中观察到的艰难梭菌水平较低，特别是婴儿体内，但抗生素诱导的自身结肠微生物群的破坏，以及由此导致结肠初级胆汁酸浓度的增加并促进其生长，产生毒素并入侵机体。后者对艰难梭菌孢子的萌发很重要，而特异性的次级BAs能够抑制这一过程。共生物微生物，比如C. scindens和C. sordellii，具有7α-脱羟基化的能力，通过色氨酸代谢途径分泌一种抗生素类似分子来抑制病原菌艰难梭菌的生长。通过次级BAs、DCA和LCA的存在进一步增强了这些分子的作用。艰难梭菌结肠炎的一线治疗仍然使用抗生素（比如甲硝唑或万古霉素），但来自健康供体的FMT越来越多地用于复发性艰难梭菌的感染。在治疗性FMT后，观察到DCA、LCA和SCFAs水平的增加，甚至在治疗6个月后也可以观察到，这可能是因为比如Lachnospiraceae，Ruminococcaceae和Clostridiales等菌类的扩增。 即将来临的：探索未知的下一代技术和方法 从胃到回肠远端（难以取样的部位）的人类肠道微生物仍然有很大部分尚未开发。从动物研究中的推断可以获得一些有利的概念性见解，但这些部位的人类微生物群在物种形成、组成和功能方面可能非常不同。该领域的人类研究相关的技术挑战和混杂因素仍让人生畏。 上消化道的取样属于入侵性的，并且仅限于表征某疾病情况下的内腔镜检测结果。因此，“健康”上消化道的微生物信息是非常有限的。对具有回肠造口术患者采样是一种可能的非入侵性采样方法，但即便如此，患者的潜在疾病也可能是一种混淆因素。正在开发的非入侵性方法，比如食管柱测试，用棉网将可膨胀的气球包裹并附着在橡胶管或细胞海绵上，这是一种带绳栓的胶囊，它可以在胃中释放出3厘米的网筛，然后通过嘴巴将其拉出来。这个方法的局限性在于取出时口腔微生物的潜在污染。此外，通过胃肠道（GIT）内采取腔内容物的程序化或可触发吞咽生物采样胶囊正在开发当中，尽管它们目前并不能对粘膜相关部位的微生物进行采样。 另外需要考虑的挑战是微生物群落一般研究的通用类挑战。该领域的研究严重依赖于16S rRNA扩增子测序，其提供的功能性信息十分有限。区域采样的宏基因组学和宏转录组学可以提供更多的信息，但由于有限的生物量以及人类DNA和转录本的严重污染，使其难以进行。尽管通过更新的宏基因组装配方法已经取得了一些进步，但处理这些数据从而鉴别微生物菌株或聚生体的基因组和功能仍是一个主要障碍。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）与文化经济学和基于测序的方法共同结合，也成功应用于人类粪便样本临床微生物学研究中单一菌株的分离和鉴定。微流控培养体系的开发已经实现更加快速地分离和表征之前不可培养的微生物菌株。有人已经将高通量和微液滴平台相结合，可以实现单细胞培养从而获得关于微生物群落个体成员的功能参数信息。应用于区域样本的方法可以帮助鉴定和表征在关键宿主-微生物互作中非常重要的新菌株。 此外，还需要了解肠道区域微生物群落的组织结构。共聚焦显微镜与免疫荧光的结合可以提供一些信息，同时荧光原位杂交（FISH）等更多的标准方法可以对信息进行补充。Sonnenburg课题组的研究表明，荧光标记的拟杆菌菌株有助于深入理解粘膜相关细菌和宿主之间在不同肠道区域中的动态互作。通过合成生物学设计细菌传感器可以检测并跟踪肠道中的特定情况。类似的方法也被用于设计细菌，尤其是大肠杆菌，其能以潜在的治疗方式来感知并调节环境，其中的一些已经通过了人类临床的第一试验阶段。装置细化且新靶标确定后，可以通过吞咽这些装置来实现对重要宿主或微生物因子的检测。 为了鉴定和探测区域特异性宿主-微生物互作背后的机制，需要扩展体外模型系统。例如，类器官（肠上皮类器官）可以是通过活体检查（来自人）或在组织分化时（小鼠）从肠道不同区域获得的分化细胞，或也可以通过诱导多能干细胞/胚胎干细胞后由人类肠道类器官产生。二维或三维类器官可以通过来自单个生物体的条件培养基进行处理，也可以微注射活生物体，以此检查它们是如何影响特定部位上参与大量营养物摄取或炎症的上皮途径。这些方法与其他工具（例如肠道芯片，从局部粘膜、生物反应器上获得的免疫细胞群体的共培养实验）相结合，可以提供对健康和疾病中特定于区域条件下宿主-微生物相互作用的新颖见解。 评论 随着人们健康意识的增强，肠道微生物的研究愈发成为热点。本文分述了从口部到尾骨整个胃肠道中每个区段中肠道微生物的组成及发挥的作用，同时也将不同区段的胃肠道微生物与肠道疾病结合起来，强调了胃肠道微生物与宿主之间的互作关系。本研究还对胃肠道微生物群整个研究领域的发展进行了讨论，为该研究领域的推进奠定了基础。 |
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