益生菌对肠道菌群作用研究报告

益生菌对肠道菌群作用研究报告 2014 年 5 月 29 日, 世界胃肠病学组织全球指南-益生菌和益生元 世界胃肠病学组织（WGO） WGO 基金会（WGO-F） 东井街 555 号，1100 套房 密尔沃基，威斯康星州，美国 53202 电话: + 1 (414) 918 9798 传真: + 1 (414) 276 3349 电子邮件： 网站：； 目录 微生物群.2 肠道微生物群的作用5 人类肠道微生物群的组成和结构.9 人体肠道菌群的获得.13 饮食对肠道细菌的影响.26 抗生素与肠道细菌 .29 功能性肠道疾病中的肠道菌群.32 微生物群 （续） 益生菌：概念34 益生菌在腹泻疾病中的作用.40 益生菌在功能性肠道紊中的应用.45 益生菌疗法对炎症性肠道疾病的诱发和缓解57 益生菌与小儿科61 粪菌移植（FMT ）.64 收获未来微生物69 微生物群落 Claudia Herrera， 医学博士 西班牙巴塞罗那西伦布瓦 尔附属医院消化系统研究 所 Francisco Guarner， 医学博士 西班牙巴塞罗那西伦布瓦尔 附属医院消化系统研究所 地球上的生命 大约在地球地壳形成的 10 亿年后，细菌 开始出现在地球上，迄今为止它们在地 球上的历史已经有 35 亿年。化石和相关 生物活性的地球化学特征表明微生物曾 经居住于太古宙时期的海洋里（25-37 亿年以前） 。人们普遍认为，存在于地球 早期历史中的和蓝藻形态上相似的化石是 大气中游离氧气的起源，这表明生氧光合 作用和真核细胞的有氧呼吸都来源于由微 生物引起的生化过程 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 在现代，蓝藻依然大量存在，我们可以 在诸如海洋和淡水中的浮游生物细胞中发 现它们。它们也存在于潮湿的土壤里或 者湿润的岩石上。它们不需要有机营养 物质，完全依靠无机物质生长。蓝藻通 过光合作用获取它们所须的能量，将太 阳能转化成储存性生物化学能。和植物 一样，蓝藻释放氧气，通过促进二氧化 碳气体形成碳水化合物来帮助碳素固定。 某些类型的蓝藻细胞能够将氮气修复成 可以被植物吸收和转换成蛋白质和核酸 的氨、亚硝酸 盐和硝酸盐（氮气对植物来说不具有生 物可利用性） 。 微生物群落无处不在，它们是维持地球 生物生存条件所必需的。美国微生物科 学院召开的一次学术讨论会中的报告总 结道，我们可以在地球的任何一个角落 发现微生物群，从北极圈的冻土到撒哈 拉以南非洲的白蚁的肠道里，它们存在 于各个生物圈范围内，小至显微镜下的 生物薄膜，大到大规模的浮游生物群。 由于微生物群拥有全球范围的庞大规模， 它们对全世界都具有巨大影响。它们的 不同作用影响着生活的多个方面，不仅 涉及动物或者人类感染病，更重要的是， 对地球上维持生命的重要元素周期循环 发挥作用。大气层气体的产生、无机物 合成有机物、有机物质腐败、侵蚀、降解、 生物修复成无机物等都是实现全球碳、 氧、 氮循环的重要生态功能，是与地球 生命体相关的关键周期循环。 原核细胞 细菌是原核生物，即没有细胞核、线粒 体和其他有膜细胞器的单细胞生物，它们 往往比植物和动物身上的真核细胞要小 得多。原核细胞的基因组存在于无核膜 的细胞质中，包含稳定的单回路的染色体 DNA，加上其他被称为质粒的卫星 DNA 结构，这些可移动的基因成分为细胞内基 因的水平转移提供了机制（图 1） 。相比 之下，我们发现真核生物细胞中的 DNA 微生物群 （续） 是紧密绑定和组织缜密的染色体，并不 适合基因水平转移。 图 1：原核细胞没有细胞核。原核细胞的 基因组存在于无核膜的细胞质中并包含 稳定的单回路的染色体 DNA，加上其他 被称为质粒的卫星 DNA 结构。 原核生物中的基因组数量和编码基因数 量比真核生物中要少得多。基因大小是 一个既定物种的相关生物资源的估计总 量，与一系列的细胞功能和有机体级别 有关，包括细胞大小、体型大小、器官 复杂性和面临灭绝的风险。因此，单一 的微生物物种可能没有足够的遗传资源 用于生存和维系。单个物种有可能与其 他物种有专性的依赖关系，包括其他微 生物、动物或植物宿主。因此，具有复 杂营养依存性和社会依存关系的多物种 群落是大多数原核微生物的自然生活和 生存方式。 天然的微生物群多种多样，但是其行为 方式类似于一个简单的多细胞生物。微 生物群的一个极好的属性是其适应环境 变化的能力。微生物群能够通过改变群 体生理和物种组成来适应激进的居住条 件变化，并自我修复。通过这种方式， 它们能够随着时间的推移维持结构和功 能的稳定。我们已知的微生物群属性包 括基因多样性和可塑性（通过水平转移 的基因获取） 、功能性过剩、代谢合作、 细胞间的信号传递和协调一致的集体行 为。这些属性通过确保微生物能够进化、 适应和应对环境压力来促进群体生存。 肠道菌群 人类与数量庞大和种类繁多的微生物有 着密切的关系，这些微生物居住在我们 的身体表面和我们与外环境相连的腔道 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 中。有利于宿主的微生物相关物质以及 微生物都被归于“共生”这个类目下， 微生物的伙伴们被称作“共生体” 。在使 用显微镜观察的基础上，微生物的普遍性 已经是被长时间公认的，但是由于培养和 隔离这些微生物群中的主要部分所涉及 的困难，我们在分子生物学技术时代以 前还尚未探索出共生的起源和其大多数 的功能。 人类的皮肤、口腔、阴道、上呼吸道感 染和肠胃道居住着具有专门结构和功能 的定点特殊微生物群。 “菌群”是某个特 定小生境中的微生物群的集体性名词， 这种表达方式优于“植物区系”或“微 生物区系” ，因为后者将细菌当作是植物 已经是一种过时的分类。因此， “肠道菌 群”一词是指已经适应了在肠粘膜表面 或者肠道腔内生存的微生物生态系统。 在人的身体中，消化道上居住着超过 1000 多种微生物菌群，其中有两百多万 亿个微生物细胞，其中大部分属于细菌 域（图 2） 。消化道中的微生物群包括永 久寄生于肠道的本地物种和一系列可变 化的暂时在肠道中过境的微生物。另一 方面，胃肠道粘膜构成了一个和外环境 的主要接口，它也是与微生物世界相互 作用的主要场所。胃肠道粘膜展示出非 常巨大的表面积（估计平放的话有大约 4000 平方英尺） ，并包含与微生物双向 通信的适当结构和功能，其通信对象包 括大量的预成型受体、微生物识别机制、 宿主微生物的串扰通路以及微生物的特 定适应性反应。 图 2：消化道上居住着超过 1000 多种微 生物种群的两百多万亿个微生物细胞， 其中大部分属于细菌域。由于慢传输时 间和发酵基质的可用性，大肠是细菌最 密集的栖息地。 微生物群 （续） 胃和十二指肠居住着非常少量的微生物， 通常每克内容物不超过一千个细菌细胞， 主要是乳酸杆菌和链球菌。酸、 胆汁和 胰腺分泌物抑制了大部分微生物的摄入， 并且阶段性推进的肌动活动妨碍微生物在 内腔中的繁殖。细菌的数量沿着空肠和 回肠逐步增加，空肠中大约有 1 万个细 胞，而在回肠末端，增加到每克内容物 含有 1000 万个细胞。在上部肠道中， 细菌密度较低并且细菌过境速度快，但 由于一大批小肠黏膜淋巴组织结构存在， 我们通常认为这一结构对免疫功能具有 重要影响。这些结构有专门的上皮细胞 用于抗原的摄取和取样，并包含诱导适 应性免疫反应的淋巴中心。然而，在结 肠内，微生物的传送时间缓慢，并有机 会通过发酵来自于饮食或内源性分泌物 的可用基材来进行细胞分裂繁殖。大肠中 大量地定居了每克细胞腔内容物含有数以 亿计的厌氧菌。到目前为止，具有最多人 类微生物共生的是结肠，导致了 60%的 固体结肠内容物。居住在肠道内腔的几 百克细菌确实以不同的方式对宿主的生 理和病理造成影响，为了充分理解其医 学方面的影响，这个话题是目前大量医 学研究的焦点。 参考文献： 1. Buckley MR. Microbial Communities: From Life Apart to Life Together. Washington, DC: American Academy of Microbiology; 2003. Available at: / images/stories/documents/microbial communities.pdf 2. Dethlefsen L, McFall-Ngai M, Relman DA. An ecological and evolutionary perspective on human- microbe mutualism and disease. Nature. 2007 Oct 18;449(7164):811-8. 3. Lozupone CA, Stombaugh JI, Gordon JI, Jansson JK, Knight R. 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 Diversity, stability and resilience of the human gut micro- biota. Nature. 2012;489 (7415):220-30. 4. Pace NR. Mapping the tree of life: progress and prospects. Microbiol Mol Biol Rev 2009; 73: 565576 5. Schopf JW. Fossil evidence of Archaean life. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 2006;361:869885. 6. Shapiro JA. Thinking about bacterial populations as multicel- lular organisms. Annu. Rev. Microbiol. 1998; 52: 81104. 肠道微生物群的作用 微生物群 （续） Francisco Guarner 医学博 士 西班牙巴塞罗那西伦布瓦尔 附属医院消化系统研究所 肠道与肠道微生物群间的正常相互作用是 一种共生关系，解释为对双方都是互惠互利的。 肠道为微生物群提供了养分充足的栖息地，微 生物群则有益于宿主的健康。过去几十年的证 据表明，当一些肠道细菌变成显性时，它们会 产生毒素并带有致病性（如艰难梭菌）。当完 整黏膜屏障的功能受到破坏，其他种类的细菌 也会成为潜在的病原体（如革兰氏阴性杆菌）。 但是，已证实的肠道杆菌对人体健康的益处还 处于初级阶段。目前，在人体肠道内对潜在健 康细菌的定义或特征方面人们还达不成共识。 因此，我们目前对于肠道与肠道微生物群共生 关系的概念还主要由对无菌动物模型的观察支 持。 对比在无菌环境下哺育的动物与常规环境 中养大的配对动物（常规微生物群），我们可 以发现一系列解剖学特征与生理机能都与微生 物群的出现有关。无菌动物为保持体重对养分 要求极高并且它们易受感染（见图 1）。除此 之外，无菌动物的器官重量（包括心脏、肝脏 和肺）、心输入量、肠壁厚度、胃肠蠕动、血 清丙种球蛋白水平、淋巴结数量以及其他一些 特征指标都有减少或萎缩。而经过 无菌动物 vs.常规动物 减少的： 器官重量（心脏、肝脏、肺） 心输出量 耗氧量 增加的： 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 食物摄入量 减少的： 肠系膜和全身淋巴结 粘膜相关淋巴样组织 血清免疫球蛋白水平 增加的： 易感染水平 图 1：无菌环境中生长的动物显示出微生 物群对于肠道解剖方面与生理机能方面的影响。 当与正常环境生长的动物相比较，无菌动物需 要更多的营养以维持体重，并且它们更易受感 染，会有结构方面以及功能方面的缺陷。而用 一个微生物群对无菌生物进行重新构建，这些 缺陷就会被修复。这就说明肠道微生物群对肠 道宿主内稳态起到特殊而重要的作用。 用微生物群重塑的无菌生物，它们身上的 这些缺陷大多可以得到修复，这就说明肠 道微生物群对肠道自动调节动态平衡起到 特殊而重要的作用。而用这些动物模型积 累的证据也表明微生物群的主要功能可以 归为一下三类：代谢、防护以及营养功能。 代谢功能 肠道微生物群的集体代谢活动使它就 像一个在肠胃腔中实质的器官一样。微生 物群落中的基因多样性为肠道提供了各种 各样的酶以及生化途径，而这是与宿主自 身基本的资源截然不同的。 对哺乳动物来讲，由基因编码的用于 许多必需有机化合物合成的酶在进化的早 期就已丢失。细菌或真菌的共生体在进化 过程中，就已适应提供必需的有机化合物 （必需氨基酸和维他命），以及从不同来 源获取能力的能力。反刍动物的肠道是用 来研究宿主与微生物代谢关系的好样品。 共生群落负责拆分摄入植物的复合多糖物， 并为微生物群和宿主提供营养。对于吃难 消化低蛋白食物的反刍动物，它们的氨基 酸供给绝大程度上依赖前胃中的微生物活 性。 对人类来说，肠道末端相当于厌氧生 物反应器，那里聚集着大规模的微生物。 因为运输结肠内容物时间很长，在那里驻 微生物群 （续） 扎的微生物就有足够的机会降解可利用的 基质，这就包括降解无法消化的膳食残渣 以及内源分泌物。结肠的微生物群落为获 得其他营养物提供了基因方面和代谢方面 的帮助。 碳水化合物被结肠中的菌群发酵为短 链脂肪酸，主要包含醋酸酯、丙酸酯、丁 酸酯和许多其他的代谢物，如乳酸盐、丙 酮酸盐、乙醇、琥珀酸盐和一些气体，如 氢气、二氧化碳、甲烷、硫化氢。短链脂 肪酸酸化腔内的酸碱度，这就抑制了病原 体的生长并促进了盲肠内对离子（钙、镁、 铁）的吸收。短链脂肪酸也影响着肠动力 并为宿主供给能量。醋酸酯在人体的肌肉、 肾脏、心脏及脑部发生代谢。丁酸酯大部 分在结肠上皮代谢，而结肠上皮是主要的 能量基质，也是细胞生长和分化的调节器。 人体近端结肠是一个糖分解的环境， 大多数进入结肠的碳水化合物都在这个区 域发酵。在结肠末端，碳水化合物有效性 降低，来源于上皮脱落产生的蛋白质变为 细菌生长越来越重要的能量来源（图 2）。 因此，在结肠末端，过多的蛋白质 图 2: 人体近端结肠是一个糖分解的环境。未消 化的碳水化合物发酵后就会产生大量的短链脂 肪酸，并且加快细菌生长。相比之下，在结肠 末端，碳水化合物的有效性降低，蛋白质的腐 烂过程也会成为细菌的主要能量来源。 发酵就有可能导致结肠癌和慢性溃疡性结 肠炎，就会对整个肠道的末端都产生影响。 因此，人们意识到要多吃不可消化的碳水 化合物，从而将肠内发酵转变成糖分解活 动。 保护功能 肠内菌群一个重要作用就是屏障效应， 以防止病原体入侵。肠内细菌对于外源微 生物群或条件致病菌的定植起到抵抗作用， 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 而且也会限制肠内细菌的生长。肠道常驻 菌的种类平衡也会对微生物种群起到稳定 作用，但是抗生素会打破这种平衡（例如， 肉毒梭狀芽孢桿菌的增生）。 还有一些机制也与屏障效应有关。细 菌为了小肠上皮细胞刷状缘的附着位点而 竞争。依附的非致病菌可以防止附着，并 且防止后来的致病侵肠性细菌进入上皮。 除此之外，细菌也会在小生态中争夺有效 的营养物，并通过调节和消耗所有资源来 维系共有的栖息地。一项前瞻性研究通过 使用与多形拟杆菌单关联的小鼠表明，宿 主为细菌提供所需的营养物，细菌也会积 极向宿主反映其需求量。这种共生关系就 防止了过多无用营养物的产生，这些营养 物质有利于潜在致病性的微生物竞争者侵 入。最后，细菌就会产生叫做细菌素的抗 菌物质来抑制它们竞争者的生长。这种合 成细菌素的能力广泛分配在胃肠道内。 营养功能 营养功能包括控制上皮细胞增生与分 化，调节特定的神经内分泌途径和稳态调 节免疫系统。上皮细胞分化受寄居的微生 物交互作用影响，如同无菌动物各种基因 的表达与特定细菌菌株和人类进食的益生 菌乳酸菌有单一联系一样。上皮细胞与微 生物的相互作用会产生深远影响。例如， 微生物群通过脂蛋白脂肪酶抑制剂、脂类 快速趋化因子（Fiaf）抑制小肠上皮细胞表 达，从而促进甘油三酯在脂肪细胞中贮存。 肠内菌与大脑交流从而影响生物行为 的能力，是一种新兴的振奋人心的观点。 近期报告显示，肠内寄居的微生物群会影 响哺乳类动物脑部发育及其成年后的行为。 对老鼠来讲，存在或缺失常规的肠内微生 物群都会影响它们的行为，并会伴随大脑 神经化学变化。无菌环境中生长的老鼠会 增加运动行为而减少焦虑感。这种行为表 型与在脑部控制运动和类似焦虑行为区域 内的关键基因表达变化有关。当在无菌老 鼠生命早期就用菌群复制再造它们的肠道 菌群，它们就会和正常老鼠的脑部特征类 似。因此，肠内微生物群可以影响脑部的 微生物群 （续） 正常发展。 肠内微生物群也对健康的免疫系统发 育起到重要作用。出生于无菌环境下的动 物的肠黏膜里淋巴细胞密度低，血清免疫 球蛋白的水平也较低。当无菌生物一接触 到共生微生物群，它的黏膜淋巴细胞的数 量就会激增，淋巴滤泡中的次级淋巴小结 的大小也增加。免疫球蛋白生成细胞在固 有层中出现，该部位是血清免疫球蛋白数 量激增的重要区域。更有趣的是，共生体 在响应肠道淋巴滤泡中的调节性 T 细胞的 过程中起到关键作用。调节性 T 细胞调和 的控制通路对于内环境稳定机制非常重要， 有了它，宿主就能在肠道或者其他部位不 发炎的情况下忍受无害抗原带来的巨大负 担。 对于无菌动物的研究已经可以清楚地 证明，微生物群在确保免疫系统结构和功 能上的最佳发展状态方面起着关键作用。 例如，无菌老鼠有免疫缺陷，且易受病原 介导和伺机性感染。另外，它们也无法正 常适应食物性抗原，如卵白蛋白。其口服 耐受机制也受到压制或完全废止。这些异 常都可以通过用一个正常的微生物群进行 重组解决，但这种方法只对新生儿管用， 对更年长的老鼠并不适合。肠内微生物群 落和早期黏膜免疫室的相互作用对合理构 建免疫系统起到至关重要的作用。在今后 的生活中，微生物群、上皮和肠内淋巴组 织还会通过多样的交互作用不停的重塑局 部和系统免疫力。 总而言之，人体对外部环境作出的自 我调整深受微生物群落与免疫系统间动态 平衡的影响。 参考文献： 1.Bckhed F, Ley RE, Sonnenburg JL, Peterson DA, Gordon JI. Host-bacterial mutualism in the human intestine. Science. 2005 Mar 25; 307(5717): 1915-20. 2.Cryan JF, OMahony SM. The microbiome-gut-brain axis: from bowel to behavior. Neurogastroenterol Motil. 2011 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 Mar; 23(3): 187-92. 3.Guarner F, Malagelada JR. Gut flora in health and disease. Lancet. 2003 Feb 8; 361(9356): 512-9. 4.Hamer HM, Jonkers D, Venema K, Vanhoutvin S, Troost FJ, Brummer RJ. Review article: the role of butyrate on colonic function. Aliment Pharmacol Ther. 2008 Jan 15;27(2):104-19. 5.Hooper LV, Macpherson AJ. Immune adaptations that maintain homeostasis with the intestinal microbiota. Nat Rev Immunol. 2010 Mar; 10(3): 159- 69. 6.Kuhn KA, Stappenbeck TS. Peripheral education of the immune system by the colonic microbiota. Semin Immunol 2013 Nov 30; 25(5): 364-9. 7.OHara AM, Shanahan F. The gut flora as a forgotten organ. EMBO Rep. 2006 Jul; 7(7): 688- 93. 8.Wostmann BS. The germfree animal in nutritional studies. Annu Rev Nutr. 1981; 1:257-79. 人类肠道微生物群在属级的分类学分配。色带代表 129 个人不同的排泄物样本（作者：西班牙 ValldHebron 医院研究部 Chaysavanh Manichanh）。 微生物群 （续） 人类肠道微生物群的组成和结构 Virginia Robles- Alonso, 医学博士 西班牙巴塞罗那西伦布 瓦尔附属医院消化系统 研究所 Francisco Guarner, 医 学博士 西班牙巴塞罗那西伦布 瓦尔附属医院消化系统 研究所 Dusko Ehrlich，博士 全国性的农业研究协会 法国、联合王国伦敦国王 学院 英国伦敦 高通量测序技术的出现是一个我们理解人 类肠道微生物定植的转折点。通过分析遗 传物质存在的环境，这种非培养的测量方 法能够将所有的微生物群落特征视为一个 整体。最常见的方法是从生物样品中提取 DNA，随后扩增和测序这个样本的 16SRNA。16SRNA 基因存在于所有类型 的细菌，并且包含所有的变量以及守恒量。 因此，16SRNA 基因核苷酸序列的异同使 得生物识别能够从区域识别的水平上升到 物种识别的水平。分类鉴定是基于样本 16SRNA 序列和数据库中的序列进行对比 而进行的。通过这种方式，能够在一个给 定的样本中研究细菌物种组成以及多样性 的相关信息。 高通量测序技术作为最强大的测序技术， 并不局限于 16SRNA 测序，而是能够确定 样本中的所有基因序列。伴随着大型数据 集的计算分析的发展 DNA 测序的成本的 降低和测序速度的增加，使得即使是复杂 混合物的整个基因组都能被合理覆盖分析。 通过分析群体遗传的遗传信息，整个群落 的功能和代谢网络可以被准确推断。重要 的是，高通量测量技术还提供包括病毒、 酵母和原生生物在内的非细菌生物的遗传 信息。 这种技术方法的优点是不仅提供微生物群 落成员的系统特征,也揭示了微生物群落的 生物功能。 肠道微生物群的多样性 测算表明，迄今为止最大的人体微生物群 落存在于人体结肠部位，有超过1014 个微生物细胞，其中的绝大部分是区域性 细胞。通过对粪便样本分子的研究可以发 现，在 55 个已知的局部细菌中，只有 7-9 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 个是在人类粪便或者是从人类肠道粘膜标 本中发现的。约 90%的细菌属于两个类群： 拟杆菌和厚壁菌。在人类粪便中发现的其 他类型的细菌有：变形菌门，放线菌， Fusobacteria 和 Verrucomicrobia。同时 只有极少数的 Archea(主要是 Methanobrevibacter smithii)在人体远端 肠道被发现。真核生物（酵母和原生生物） ,病毒（phagi 和动物病毒）也存在于粪便 样本中。如图 1 所示。 图 1: 欧洲人的粪便样本中发现了能够系统分 类的、丰富的微生物基因（对数刻度） 。绝大 多数的细菌基因序列属于局部型细菌，而且 因为尚未被认知所以无法被分类。只有较低 的百分比被列为 Archea、真核生物或病毒。 数据提取自 Arumugam 的文件。 每个人都有其独特的肠道微生物群落模式， 但粪便样本和粘膜上的菌落群 16S RNA 基 因序列分析表明，同一个人体内的不同菌 落群也存在着差异。在直肠和盲肠部分的 细菌成分是明显不一样的，而粪便样本中 的细菌根本不可能在胃肠道腔内繁殖。相 较之下，个人大肠末端回肠附近的粘膜上 的细菌群落则是高度稳定的。因为粪便具 有容易采样的特点，因此被广泛接受可作 为研究肠道微生物最好的研究材料，而且 可以作为研究其他内容的过度，能够提供 更加简便的研究路径。 饮食、药物摄入量,旅行或者结肠转运时间 等因素能够随着时间推移影响一个个体的 体内微生物组成。因此，个体内的微生物 群的组成波动可以是巨大的，但微生物生 态系统倾向于回归到其典型的繁殖模式， 而且大多数菌株在个体体内数十年都会是 稳定的。这种现象被称为韧性。 微生物群落的组成和多样性在工业化地区 人口和非工业化地区人口中是有显著差别 的。微生物多样性变化随着年龄的增长而 不断变化，但比较成人粪便中的微生物多 样性时可发现，北美大都市地区人口比非 洲和南美洲的农村非工业人口的粪便样本 中的微生物多样性要高。 表 1:人类肠道的宏基因组和其他基因组。 通过对欧洲成人受试者的粪便样本进行宏 基因组分析，可以得知这些受试者一共存 在 330 万冗余的微生物基因。对于 50%的 人来说，每个人平均有 600000 冗余胃肠 道微生物基因（表 1） ，和大约 300000 个 常见微生物基因。大约 60 种细菌曾在 90%的个体中被观察到。有趣的是,拟杆菌, Faecalibacterium 和双歧杆菌是最丰富的 菌群，但它们的相对比例在不同个体间是 高度不同的。 微生物群 （续） 肠上皮细胞 物种丰富度在个体间的网状分析表明，人 类微生物群落能够很好维持宿主微生物和 共生物种的平衡状态。这个研究的最初数 据是从美国人、欧洲人和日本人那里采集 来的肠道微生物序列，但这三个数据集都 被认为是效果欠佳的。通过水平观测拟杆 菌（菌群 1） ，普氏菌（菌群 2）和瘤胃球 菌属（菌群 3） ，任意的三个子集都是可以 准确观测的。菌群集群是未知的，但似乎 随着国籍、性别、年龄、身体质量指数的 不同，各个集群也是不一样的。如图 2 所 示，三个菌群在中国人和欧洲人之间的区 别。 图 2:肠道微生物群在欧洲和中国人中的菌落 分布。研究中的数据来自 Arumugam et al 失调 炎症性肠病、肥胖、2 型糖尿病、肠易激 综合症，难治性梭状芽孢杆菌相关疾病等 都和肠道微生物群组成的变化有关，被统 称为失调。对于这些症状的一致性研究仍 然非常缺乏，原因之一是缺乏完全标准化 的研究方法。此外，这种关联性并不代表 微生物在疾病发病机制和致病作用中存在 决定性作用，他们也可能是疾病所产生的 后果之一。后续的研究旨在发现如何恢复 正常肠道微生物组成的方法。 通过宏基因组测量方法测序粪便样本的全 基因组测序被称为量化宏基因组学，是在 研究人类肠道微生物多样性最科学的方法。 这种方法可以用来评估包括细菌病毒和真 核生物（酵母、原生生物）在内的已知或 未知的基因分类单元。这种方法表明，很 大比例的欧洲人（23%）表现出微生物基 因计数低于历史上欧洲人的中位数 600.000。微生物基因计数可以作为一个 精确的肠道微生物多样性和丰富性的精确 生物标志。有趣的是，与具有较高基因计 数的人群相比，个人微生物基因计数较低 （低于 480.000）的人群更容易患上肥胖 症和炎症。随着时间的推移，肥胖患者的 体重会在低微生物基因计数的作用下升高， 而这反过来又会作用于基因计数，形成了 一个恶性的肥胖循环。低基因丰富性似乎 是各种相关并发症、例如 2 型糖尿病，肝 和心脑血管疾病的潜在危险因素。 一些细菌能够根据微生物丰富度的差别来 识别，因此能容易识别出处于危险境况的 人群。从功能性的角度来看，低多样性与 产丁酸菌有关，同时增加粘液降解能力， 降低氢和甲烷结合形成硫化氢的能力，并 增加潜在的氧化应激管理。微生物基因群 因此而变得不健康。重要的是，营养干预 能导致基因丰富度的提高，让微生物群落 恢复健康，从而减少某些慢性疾病的风险。 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 概括来说就是，丰富度较高是一个健康肠 道微生物群落的一个关键特征，基因多样 性较低与体内不同菌群的不平衡有关，并 且可能引发炎症。 参考文献 1.Arumugam M, Raes J, Pelletier E et al. Enterotypes of the hu- man gut microbiome. Nature 2011; 12 473(7346): 174-80. 2.Cho, I. 13: 260-270. 3.Eckburg PB, Bik EM, Bernstein CN et al. Diversity of the hu- man intestinal microbial flora. Science 2005; 308, 1635-1638. 4.Le Chatelier E, Nielsen T, Qin J, et al. Richness of human gut microbiome correlates with metabolic markers. Nature 2013; 500 (7464): 541-546. 5.Cotillard A, Kennedy, S., Kong, L.C. et al., Dietary interven- tion impact on gut microbial gene richness. Nature 2013; 500 (7464): 585-588. 微生物群 （续） 6.Lozupone CA, Stombaugh JI, Gordon JI, Jansson JK, Knight R. Diversity, stability and resilience of the human gut micro- biota. Nature. 2012; 489 (7415):220-30. 7.Qin J, Li R, Raes J et al. A human gut microbial gene cata- logue established by metagenomic sequencing. Nature 2010; 4 464(7285): 59-65. 8.Qin J, Li Y, Cai Z,et al. A metagenome-wide association study of gut microbiota in type 2 diabetes. Nature 2012; 490(7418):55-60. 9.Yatsunenko, T. et al. Human gut microbiome viewed across age and geography. Nature 2012; 486: 222227. 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 人体肠道菌群的获得 周燕郊,医学博士 博士儿科基因组研究所 的微生物基因组学集团 华盛顿大学医学院。美国路易 安娜州 Barbara B. Warner, MD 儿科基因组研究所的微生物 基因组学集团华盛顿大学医 学院。美国路易安娜州 Phillip I. Tarr, MD 儿科基因组研究所的微生物 基因组学集团华盛顿大学医 学院。美国路易安娜州 简介 在婴儿诞生后一段时间，通常是数天或者 数个星期，其肠道就将产生属于自己身体 的微生物，而后其体内的细菌群体平衡反 应将开始进行。这些早期的微生物族群很 可能将影响到人体未来的生活。通过研究 婴儿出生后肠道细菌群落的发展，我们可 以得到一个人体内生态循环演替是如何发 展的有趣例子，但是同时这个研究其实并 不被重视。通过研究这个微生物生态的形 成，我们可以更好理解肠道是如何获得维 持其正常功能的微生物的。在这个形成过 程中，各种菌落的数量平衡是第一步，也 是很重要的一步（Yatsunenko 等， 2012；Faith 等，2013；周 肠道微生物 群收敛于 1 岁时。 全面描述婴 儿的肠道微 生物群的发 展 芬兰、西班牙 （Collado, Isolauri et al. 2010） 42 （1 岁、6 个月） 2qPCR 婴儿肠道微 生物影响孕 产妇 BMI 和 BMI 的获 得 母亲的微生 物群对婴儿 的健康是一 个重要因素 美国 （Koenig, Spor et al. 2011） 1 （0-2.5 岁） 60454 FLX pyrosequencing (V1-2) 微生物演替 与饮食和其 他生活事件 有关;肠道细 菌在 1 岁开 始稳定 精细时间取 样的一个婴 儿 非洲、美国、印 第安人 (Yatsunenko, Rey et al. 2012) 146 （0-3 岁） 1Illumina HiSeq 2000 (V4) 微生物群随 地理位置和 年龄而改变， 但在 3 岁时 开始趋于稳 定 在一个广泛 年龄分布区 间，对人口 进行跨国调 查微生物变 化 瑞士 （Jost, Lacroix et al. 2012） 7 （4-30 天） 3Sanger (V1-9), culture and 454 pyrosequencing 厌氧菌是先 锋定植的菌 种,他们的丰 使用互补技 术研究肠道 定植的早期 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 (V4-5) 富度在生命 前几周就已 经很高 阶段 瑞典 65 （1-8 周） 4Culture 早期肠道微 生物群包括 大肠杆菌和 双歧杆菌导 致 B 细胞活 化和记忆分 化 肠道定植模 式与人类免 疫系统的发 展 美国 （Song, Lauber et al. 2013） 12 （小于 1 岁） 1Illumina GAIIx (V2) 肠道微生物 组在漫长的 时间内明显 发生改变 外生肠道细 菌群落结构 的影响。 加拿大 (Azad, Konya et al. 2013) 24 （4 个月） 1High throughput se- quencing (V5- 7) 人工喂养的 宝宝比母乳 喂养的婴儿 有较高的丰 富性。梭状 芽孢杆菌在 吃配方奶的 宝宝们更丰 富。 小横截面研 究饮食和交 付方式如何 在早期生命 的一天内可 能影响微生 物群落结构 表 1。婴儿肠道菌落研究的最新案例 胎粪 经典理论告诉我们，胎粪是不含出生微生 物（TISSIER 1900）的。然而，过去数十 年里报告与研究促使我们重新考虑这一观 点（Funkhouser (DiGiulio, Romero et al. 2008); (Rautava, Collado et al. 2012)。 此外，过往几十年的 悉生生物研究表明，婴儿肠道中存 活的细菌并不是由母亲直接遗传的。 如果第一代或任意一代细菌的来源 都是从外部来的，且都是保持活性 的，那么人们以前所设计的限菌技 术就是失败的。同时有一种观点认 为，羊水感染/定植或者早产也是 值得重视的来源，但是在进行进一 步研究之前，胎膜里的细菌会导致 早产这个观点还是不能妄下定论。 婴儿体内的首代细菌 有几项研究已经表明，在初生婴儿体内细 菌存在连续的定植发展阶段。这些研究提 出了“后勤挑战”这一概念，因为从居住 在社区中的家庭那里获得持续性的婴儿粪 便来研究是非常困难的，同时不同研究之 间的取样和测序方法都存在着很大的不同。 表1总结了自从2007年以来所发布的8个序 列。成年人中微生物汇聚到肠道上的情况 直到人类3岁前都不会发生。革兰氏阴性菌 在成人和年龄较大儿童中的浓度明显较大 (Zhang, DiBaise et al. 2009, Saulnier, Riehle et al. 2011) 。有趣的是，抗生素 的使用并不是均匀地改变各种微生物的含 量的，这也就是为什么有些人使用过后体 内细菌情况会产生大的波动，而另一些则 不会(Palmer, Bik et al. 2007) 。厌氧菌作 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 为一个肠道菌群成员，是婴儿出生数天后 体内很有代表性的一个菌种(Jost, Lacroix et al. 2012). (Karlsson, Molin et al. 2011) 。初始喂养方式的选择（母乳或者配方牛 奶）和饮食习惯的改变是先于肠道微生物 种群的持续变化的(Koenig, Spor et al. 2011) 。产妇的体型条件也可能会影响到 婴儿体内的肠道微生物含量，孕妇体重指 数的提高与高浓度粪便杆菌，梭状芽孢杆 菌，葡萄球菌属以及较低浓度双歧杆菌有 关。如果孕妇有着正常的体重指数，那么 Akkermansia muciniphila，葡萄球菌和 艰难梭菌在婴儿体内的含量会较低 (Collado, Isolauri et al. 2010) 。 另一方面，从早产儿那里获得的数据也相 当有限。表2展示的是在早产儿中没有实质 性公开的肠病理的序列。而至于在足月婴 儿方面，到目前为止，已发表的研究大多 利用不同频率采样和细菌计数的策略，包 括基于凝胶培养的方法，以及测序分集的 方法。因为早产儿的粪便测序还没有进行， 而且取样一般都是有限的，所以很难对早 产儿的肠道细菌形成达成一个很明确的结 论。然而，-变形菌目前在年龄较大儿童 和成人中的比例特别高(Zhang, DiBaise et al. 2009, Saulnier, Riehle et al. 2011) 。 Study reference Subjects Sampling Sample n Method(s)* (de la Cochetiere, Piloquet et al. 2004) 9 Weekly 23 TTGE (Wang, Hoenig et al. 2009) 10 Once 10 16S (V1-9) 微生物群 （续） (Chang, Shin et al. 2011) 10 500 毫升的粪便，97%能被分辨出，而 只有 80%200 毫升的粪便被改进3。这些协议 利用不同的粪便量，并没有指定粪便重量，这使 最佳浓度的确定变得困难。最终，粪便中 50 克 菌群的患者有四倍被难辨梭状芽孢杆菌二重感染 （CDI）的风险3。在我们的机构，50 克是衡量 捐赠者粪便的最低标准。大便被乳化在 300 毫升 无添加物的无菌生理盐水中，通过手动摇晃和搅 2014 年 5 月 29 日世界消化系统健康日（WDHD） ，世界肠胃病学组织（WGO）肠道微生物手册 拌直至看到浓稠的一致的棕色。该样品在一个开 放的容器上通过一个单层 44 的无菌纱布垫被拉 紧两次以过滤掉颗粒物。最后，通过结肠镜检查 粪菌移植，然后剩余的溶液在五个 60 毫升注射器 里被抽出。为了去除生物量和残余的艰难梭菌， 患者接受分次剂量的乙二醇进行肠道准备，用强 有力的灌入执行结肠镜检查以及在插入时吸痰。 所有五瓶捐献者粪便的注射器尽可能注入结肠附 近理想的情况下进入回肠末端或盲肠。粪菌 移植，为方便粪便储存，需要单剂量口服洛哌丁 胺和患者术后被放置特伦德伦伯卧位 2 个小时。 筛查 血液 粪便 接受者甲型肝炎免疫球蛋白 M 乙型肝炎核心免疫球蛋白 M 和 G 乙型肝炎表面抗原 乙型肝炎表面抗体 丙型肝炎免疫球蛋白 G 艾滋病病毒 1 型 2 型 快速血浆反应素 捐赠者甲型肝炎免疫球蛋白 M 乙型肝炎核心免疫球蛋白 M 和 G 乙型肝炎表面抗原 乙型肝炎表面抗体 丙型肝炎免疫球蛋白 G 艾滋病病毒 1 型 2 型 快速血浆反应素 艰难梭菌毒素 B 聚合酶链式反应 贾第虫属,诺瓦克病毒抗原 环孢子虫 等孢球虫 虫卵和寄生虫 志贺毒素，大肠杆菌，沙门氏菌， 志贺氏杆菌， 耶尔森氏鼠疫杆菌， 弯曲杆菌，非典型霍乱弧菌 志贺毒素 表 1 粪菌移植筛查传染病 改编自欧文斯，等，微生物的趋势，2013。 1.没有任何已知的传染性疾病。 2.近期(3 个月内)没有使用抗生素的。 3.没有慢性腹泻史。 4.没有免疫紊乱史,包括过敏性疾病，包括湿疹、哮喘或胃肠道嗜酸细胞性疾病。 5.没有并发的免疫抑制剂。 6.没有炎症性肠疾病史、慢性便秘或肠易激综合症。 7.没有恶性肿瘤史（除了非黑色素瘤皮肤癌） 。 8.近期(6 个月)没有前往流行性腹泻的地区。 9.目前没有抗肿瘤药物治疗。 10.当前没有胃肠道症状。 11.没有危险因素 IVDA，高危性行为、 纹身、 当前或历史的监禁或身体穿孔 (6 个月)。 12.没有糖尿病 II 型或代谢综合征。 微生物群 （续） 表 2 粪菌移植捐献者的选择标准 粪菌移植对于肠道异常 的治疗 传染性法氏囊病（IDB）是一种慢性炎症性疾病， 主要有两个显性性状：克罗恩病（CD）和溃疡性 结肠炎（UC）.虽然传染性法氏囊病（IDB）的明 确病因仍然是未知的,假说包括过多的黏膜免疫反 应导致慢性发炎和不可避免地扰乱正常肠道菌群4。 通过保留灌肠剂来进行粪菌移植，最初是在 20 世 纪 80 年代后期由患溃疡性结肠炎班纳特的个人实 验中执行的。他成功地缓解了持续至少六个月5的 溃疡性结肠炎症状（出血性腹泻，腹痛，里急后 重，皮肤病变，关节炎） 。虽然传染性法氏囊病 （IDB）患者有粪菌移植疗效的病例报告，但我们 不推荐这种治疗，直到随机对照试验（RCT）数 据支持其使用。有几个这样的试验在儿童和成年 人中正在进行。 还有大多数人对粪菌移植使用在慢性便秘和肠道 易激综合征（IBS）的治疗很感兴趣，尤其是某些 证据证明了病理生理学上微生物群对肠道易激综 合征（IBS）的治疗有一定的作用。必须进行对照 试验。 我们不能推荐粪菌移植治疗肠道易激综合征 （IBS） 。 粪菌移植对于非胃肠道疾病 关于肠道菌群与神经系统疾病之间的关系的资料 是有限的。抑郁症与碳水化合物吸收不良，梭状 芽胞杆菌水平和自闭症与慢性幽门螺旋杆菌感染 患者喂养方式的改变存在微弱的联系6。由于这个 原因以及其他原因，还有一些人对粪菌移植在神 经系统疾病（包括多发性硬化症和帕金森病）上 的应用感兴趣。粪菌移植在这些疾病中的作用是 不确定的，并且在临床实践中还需要积极的对照 试验。我们不推荐粪菌移植治疗这些疾病。 粪菌移植的风险 总之，与微生物群有关的数据有很多，一些人对 其在病理生理学上的作用甚至是各种疾病的治疗 有着强烈的兴趣。研究