医学微生态学的平衡与失调

医学微生态学的平衡与失调贾文祥：《医学微生物学》，人民卫生出版社，2001医学微生态学是一门与临床各科联系都非常密切的医学基础课程，是研究与人类生存有关的微生物的组成、性状、功能及其与人体相互关系的学科，具体地说，医学微生态学是研究寄居在人体体表和腔道粘膜表面的微生物与微生物、微生物与人体，以及维生素和人体与外界环境的相互依存和相互制约的学科，是研究微生态平衡(eubiosion)、生态失调(dysbiosis)和生态调整(ecologicaladjustment)的一门新兴学科。本文重点阐述的是寄居在人体体表与腔道粘膜表面的微生物群，其中在机体健康时无致病性者称为正常微生物群。他们既能拮抗病原菌生长，又对人体免疫系统有激活作用。但是，由于使用抗生素等因素使他们生长受抑，则出现微生态失调，甚至引起微生态失调症(二重感染)。另外，在使用激素类药物、病毒感染、外科手术等多种因素影响下，造成机体免疫功能下降时，会导致感染，故将其称为机会致病菌。机会致病菌引起的感染，目前有日益增多的趋势，是当前临床医疗实践中必须引起重视的课题。一、生物种群之间的关系自然界中的生物极少单独存在，常以种群形式出现。各种不同的生物种群与周围环境共同形成系统。长期演化过程中，形成以下不同的关系。共生(symbiosis)：指两种或两种以上的生物处于同一环境生存，按生物间的得失关系，分为下列几种：中生(neuralism)：亦称无关共栖，指两种生物间不发生任何相互影响。常见于对营养要求根本不同的微生物，如人体上呼吸道各种微生物形成的正常微生物群之间就是中生关系。栖生(commensalism)：亦称偏利共栖，指两种生物共同生长时，一方收益，另一方不受任何影响。兼性厌氧菌在生长过程中消耗氧，使氧气压力下降，从而为专性厌氧菌的生长提供了理想的生活环境，专性厌氧菌从对方受益。专性厌氧菌在氧占优势的地方如口腔，就是靠这种栖生关系得以生存的。互生(synergism):是指两种或两种以上共同生长的生活互相受益的专性关系。互生是有选择的。拮抗共生(antagonlisticsymbiosis):是指两种生物共同生存时为获得能源、空间或有限的生长因子而发生的争夺现象。(5)偏生(amensalism):指两种生物共同生存时，一方产生抑制对方生长的因子，前者本身不受不利的影响或反而受益。某些真菌能产生抗生素，抗生素能抑制或杀死其他微生物如细菌，但真菌的生长不受影响。寄生(parasitism):有宿主和寄生物两方面组成，一般说来，寄生物比宿主小，寄生物从宿主体内摄取营养成分；有的寄生物完全依赖宿主提供营养来源，称专性寄生，如病毒。病原生物中的寄生现象非常多见。婴儿从母体分娩1〜2h即可从其体内分离出细菌。在成人，凡与外界接触或互通的部位皆有微生物或寄生虫存在，形成了人体的微生态环境。人体内生物群中多数形成对人体无害的共生关系，有的只在机体内短暂停留，有的则伴随人的终生。二、正常微生物群及其分布1•正常微生物群一个健康成人机体约由1013细胞组成，而人体体表及胃肠道、呼吸道等与外界相通的腔道粘膜表面栖居的细胞则达1014个，即人体携带的细菌相当于人体细胞的10倍。这些微生物在长期的进化过程中和人形成共生关系。许多微生物对人不仅无害，而且有益。通常把这些人体各部位经常寄居而对人体无害的微生物称为正常微生物群(normalfloramicrobe)或正常菌群(normalfloraofbacteria)2•分布机体的多数组织器官在正常情况下是无菌的。正常微生物群中的细菌偶尔少量侵入血流和器官组织，可由机体天然防御机能如吞噬作用迅速消灭。人体的正常微生物群分布见表12—1。人体各部位的正常菌群均各有特点，肠道内微生物生长最多的地方是盲肠，其pH一般都在5.0〜7.5。耐酸的乳杆菌可分布在胃的没有腺体分泌的区域。在人的肠道内，厌氧菌占总数的95%以上，厌氧菌大约较需氧菌或兼性厌氧菌多一千倍。表12—1人体各部位的正常菌群部位细菌种类皮肤葡萄球菌、类白喉棒状杆菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、丙酸杆菌等外耳道葡萄球菌、类白喉棒状杆菌、铜绿假单胞菌眼结膜葡萄球菌、结膜干燥杆菌等鼻咽腔葡萄球菌、甲型链球菌、卡他摩拉球菌、流感嗜血杆菌、大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、拟杆菌等口腔葡萄球菌、甲型链球菌、卡他摩拉球菌、大肠埃希菌、类白喉棒状杆菌、乳杆菌、梭菌，拟杆菌、消化球菌、消化链球菌等肠道大肠埃希菌、产气杆菌、变形杆菌、铜绿假单细胞菌、肠球菌、葡萄球菌、产气荚膜梭菌、破伤风梭菌、拟杆菌、双岐杆菌、消化球菌、消化链球菌等尿道 表皮葡萄球菌、类白喉棒状杆菌、耻垢分枝杆菌等三、正常微生物群的生理作用（一）拮抗作用正常微生物群，特别是在正常菌群中占绝对优势的厌氧菌对来自人体以外的致病菌有明显的生物拮抗作用。阻止其在机体内定植（colonization）,从而构成一道生物屏障。这种拮抗作用的机制主要是：①改变pH：厌氧菌产生的脂肪酸降低环境中的pH与氧化还原电势，从而抑制外来菌的生长繁殖；②占位性保护作用：大多数正常微生物群的细菌与粘膜上皮细胞紧密接触，形成一层生物膜。如果这种生物膜受抗生素或辐射因素的损伤而被破坏，外来的病原菌就容易定植。③争夺营养：正常菌群由于数量大，在营养的争夺中处于优势；④抗生素与细菌素的作用：如大肠埃希菌产生的大肠菌素可抑制志贺菌的生长。（二） 营养作用正常微生物群影响人体物质代谢，营养转化与合成。除参与蛋白质、碳水化合物及脂肪的代谢及维生素的合成外，还参加胆汁代谢、胆固醇代谢及激素转化等过程。（三） 免疫作用机体的抗感染免疫力与其受内环境定居细菌抗原的刺激有密切关系。正常微生物群作为一种抗原刺激，使宿主产生免疫，从而限制了他们本身的危害性。乳杆菌和双岐杆菌对胃肠道粘膜抗感染免疫的激活作用具有重要意义。双岐杆菌诱导分泌型IgA（slgA）的产生，双岐杆菌的可溶性物质或整个细菌能通过M细胞进入集合淋巴结，激活Th2细胞，产生大量的IL—5,能活化集合淋巴结生发中心的B细胞，使其转化为浆细胞产生sLgA，排列到肠道粘膜上。由于双岐杆菌含有肠道寄生菌共同抗原，因此，sLgA能与大肠埃希菌为代表的肠内细菌反应，阻断了它们对肠道粘膜上皮的吸附和穿透。双岐杆菌能使单核巨噬细胞活性增强，双岐杆菌对固有层的CD4+T细胞有激活作用，进入集合淋巴结后使其增殖活化，产生IFN,激活巨噬细胞增强其吞噬作用，杀伤细胞内寄生菌和病毒。（四） 抑癌作用将等量亚硝胺基胍（MNNG）分别滴入无菌大鼠和普通大鼠结肠内，癌症的诱发率前者比后者高2倍，说明肠内菌群有抑制肿瘤发生的作用。至于究竟是哪些细菌具有抑癌作用，目前尚不十分清楚。但多数报告认为双岐杆菌和乳杆菌有抑制肿瘤的作用。这些细菌的抑癌作用机理，一方面与其能降解亚硝酸铵为仲胺和亚硝酸盐有关；另一方面可能与其能激活巨噬能力也有重要关系。四、人体各部位微生态系（一） 口腔微生态系人的口腔有一个完整的生态系。它有适宜各种微生物定植的温度（35°C—36°C）、湿度和营养源（宿主的食物、唾液和龈液等）给口腔内各种微生物生存繁殖和定居提供了非常适宜的环境和条件。口腔链球菌（Oralstreptococcus）是颊、硬颚粘膜最常见的正常菌群成分，约占该部分可培养菌总数的60%。缓症链球菌（S.mitis）又是口腔链球菌的主要菌群。唾液链球菌Ssalivarius）和革兰阳性丝状菌是舌背的优势菌。龈沟优势菌群是革兰阳性球菌和杆菌，约占可培养菌总数70%以上，也常从龈沟分离出厌氧韦荣球菌和口腔类杆菌。唾液可培养菌总数为6x109/ml,唾液链球菌、口腔链球菌是唾液的优势菌群，约占50%左右，其中以唾液链球菌和缓症链球菌最多见。口腔菌群的组成不仅在不同个体间有差异，在同一个体或同一部位相邻位点的差异也是明显的。所以口腔菌群组成的复杂性和多变性是成年期口腔的重要特征。（二）食管与胃微生态系在人类，尚未发现食管上皮细胞上有原籍菌群。整个胃肠道菌群都存在膜菌群与腔菌群的区分。胃液的pH是控制胃中细菌生长的主要因素，胃内的微生物群落大部分是外籍菌。近年发现螺旋体和幽门螺杆菌（Helicobacterpylori），因与上皮细胞保持密切的联系，可认为是原籍菌群，但与溃疡病等疾病的关系密切，故不属于正常菌群。（三）肠道微生态系肠道是一组庞大的微生态系，不但层次复杂，微生物群生物量也相当的庞大。人体携带的微生物主要在肠道，占人体总微生物量的78.68%，粪便重量的1/3—2/5是微生物，见表12—2。表12—2健康人胃肠道微生物群的分布部位微生物群咽、喉链球菌、乳杆菌、奈瑟菌、其它胃、十二指肠乳杆菌、酵母菌空肠、回肠乳杆菌、链球菌、大肠埃希菌、其它盲肠、结肠双岐杆菌、拟杆菌、棒状杆菌、大肠埃希菌、其它1•小肠哺乳动物的小肠可分为上、中、小三个生态环境，上部为十二指肠，中部为空肠、下部为回肠。这三个生态环境分别具有不同微生物群落，总菌数与各种群的活菌数都不同。小肠内容物的定量检测证明，从十二指肠到回肠末端，即回盲辫以近，总菌数和活菌数是逐渐增加的。在回肠末端，pH低、Eh为阳性，利于专性厌氧菌生长，此处微生物最多，95%以上是厌氧菌。2•大肠大肠微生态系包括盲肠与结肠。两个生态环境比较接近，微生物群落也比较接近。粪便是肠道大生态系中的一个生态环境，有一个最大的微生物群落。粪便重量的40%是微生物，而且90%以上是活的。肠道正常微生物群可分为三类：①致病性类型菌数0〜104n/g，包括葡萄球菌、变形杆菌和假单胞菌等。在生态平衡时，这些菌数量小，不会致病，是必要组成部分。如果数量超过正常水平则可发起宿主发病。②共生性类型菌数109〜10^n/g，包括双岐杆菌、拟杆菌、优杆菌和消化球菌等。肠道正常菌群对宿主有益而无害的菌主要是专性厌氧菌，它们是生理性微生物，数量大，恒定存在。共生性微生物具有合成维生素、蛋白质，消化吸收，生物拮抗及免疫等生理作用，有保持宿主健康的作用。③中间性类型菌数105〜108n/g,包括乳杆菌、大肠埃希菌、链球菌和韦荣球菌（veillonella）等。能产生毒素、促进老化，有生理作用和致病作用两方面，即具有潜在的有害性。（四）阴道微生态系人的阴道有一个完整的微生态系。主要的常住菌有乳杆菌、表皮葡萄球菌、大肠埃希菌、梭状杆菌、粪链球菌等。主要的过路菌有色金黄葡萄球菌、肠杆菌、丙酸杆菌、消化链球菌、伟荣球菌等。健康妇女阴道排出物中，厌氧菌与需氧菌的比例为5:1,活菌数为102-109/ml,菌数可达8X107/ml,可分离出16种乳杆菌虫。常分离出疱疹病毒2型（HSV-2）和巨细胞病毒。乳杆菌细胞壁的多糖体或脂蛋白等，粘附在无腺体的阴道粘膜上皮细胞上。乳杆菌检出率高的个体，白假丝酵母菌、丙酸杆菌、棒状杆菌检出率也高，提示它们之间有共同关系。孕妇阴道菌群中大肠埃希菌、消化球菌、拟杆菌的检出率低，这有利于孕妇和胎儿在妊娠期间的卫生•孕妇中乳杆菌、白色念珠菌、丙酸杆菌等分离杆菌与B族链球菌，大肠埃希菌、拟杆菌、金黄色葡萄球菌间有拮抗作用。乳杆菌能产生酸性生存环境和免疫激活作用。（五） 呼吸道微生态系在鼻中经常可分离到类白喉棒状杆菌与葡萄球菌，而不溶血链球菌与奈瑟球菌属卡他摩拉球菌在健康人的鼻咽和扁桃腺上则很少检出。肺炎链球菌、溶血性链球菌及流感嗜血杆菌等具有致病潜能的细菌，在鼻咽和扁桃腺部位则较常发现。人的鼻窦是无菌的。气管和支气管在无感染存在时，只有少量的细菌。在健康人的呼吸道，尤其是细小支气管以下的部位，肺内和胸腔中是无菌的。上呼吸道、下呼吸道及其粘膜上皮细胞的菌量，存在有量的区别。在健康人的鼻液中平均存在着葡萄球菌1.6x106/ml、厌氧性乳杆菌类6.3x106/ml；而在健康人气管、支气管粘膜上则没有永久的细菌定居。（六） 皮肤微生态系在皮肤上主要常住微生物有葡萄球菌（包括表皮葡萄球菌）、丙酸杆菌、类白喉棒状杆菌（diphtheriodbacilli）和铜绿假单胞菌等。皮肤微生态系中优势种群是丙酸杆菌和表皮葡萄球菌，是最重要的常住菌。皮脂腺内寄生的丙酸杆菌可将皮脂中三酰甘油分解成游离脂肪酸，对皮肤表面的金黄色葡萄球菌、链球菌和白假丝酵母菌和皮肤癣菌有一定抑制作用。表皮葡萄球菌能分泌自溶酶，常住菌对此不敏感，单能溶解一些潜在致病菌与过路菌，它对保持常住菌的稳定性，维持微生态平衡起重要作用。皮肤表面微生物群落形成的生物屏障是第一道及其主要的保护屏障，有营养作用、参与皮肤细胞代谢、资助皮肤生理功能和自净作用。五、微生态平衡与失调微生态平衡1、 微生态平衡(microeubiosis)是指在长期进化过程中形成的正常微生物群与其宿主生态环境的生理性动态平衡，也就是说正常微生物群的组成是变化的，宿主的生态环境随着年龄、生理状态(如哺乳妊娠)等因素也发生变化，但是，当这些因素相对稳定时，正常微生物群的组成(包括种类与数量)都是稳定的。微生态平衡包括正常微生物群在某一特定的生态环境中的定位。定性和定量等三个方面内容。定位：是指某种正常微生物群存在的生态环境。在某一生态环境经常寄居的称为原籍菌，对人体多为有益的正常微生物群。如果转移向另一生态环境则变成外籍菌，就可能是有害的，如肠道中的大肠埃希菌侵入到腹腔就会引起化脓性炎症。定性：是指正常微生物群的种类。在某一生态环境中正常微生物群的种类是相对稳定的，其组成包括细菌、支原体、螺旋体和真菌等所有的微生物群落的成员。定量：是指正常微生物群的总菌数和各种群落成员的活菌数。优势菌(prendominantbacteria)常常是决定微生态平衡的核心因素。肠道中厌氧菌占优势，如果下降或消失，就会导致微生态平衡的破坏。如在呼吸道查到少量大肠埃希菌是正常的，单如果占优势就会引起宿主发生疾病。2、 评价评价微生态是否平衡必须要考虑到综合性因素宿主因素：要参考人体发育阶段和生理功能的变化。如肠道微生物群在婴儿、青少年、成年和老年存在着有规律的动态变化。小儿在出牙时口腔链球菌的种类和数量都有改变。妊娠7—9个月口腔厌氧菌明显增加，与雌二酮分泌有关。微生物因素：微生物的定量、定性与定位指标都是动态的平衡。生理性波动和病理性波动是交叉的。在分析所取得的指标时，要从宿主、外环境和微生物三者的互相作用综合考虑。如尿中查到大肠埃希菌，其数量达到105/ml方有病理意义。微生态失调1■微生态失调(microdysbiosis)是指正常微生物群与宿主之间、各种群落成员之间的平衡，在外界环境影响下，由生理性组合转变为病理性组合的状态称为微生态失调(microdysbiosis)。从医学微生态学的理论和实际出发，微生态失调可分为以下四类：菌群失调：菌群失调是指在原生态环境内正常微生物群发生定量或定性的异常变化。其中正常菌群在组成上和数量上的异常变化则称为菌群失调。按其轻重程度分为：①一度失调只能从细菌定量检查上发现有变化，在临床上往往没有表现或只有轻微反应，不加治疗，即可自然恢复。②二度失调是不可逆的。在临床上多有慢性病的表现，例如慢性肠炎、慢性肾盂肾炎、慢性口腔炎或咽峡炎等。③三度失调表现为原来的正常菌群大部分被抑制，只有少数原来占劣势的菌种演变成优势菌，进而引起疾病。例如葡萄球菌及艰难梭菌(Clostridiumdifficile)引起的伪膜性肠炎(pseudomembranouscolitis)等，其它如变形杆菌、铜绿假单胞菌、白假丝酵母菌、肺炎克雷伯菌及大肠埃希菌等，都可引起三度失调。三度失调引起的疾病亦称菌群交替症或二重感染。。定位转移：正常菌群由原定位的生态环境向周围转移，也称为横向转移。例如下消化道菌向上消化道的转移。小肠感染综合症就是明显的小消化道菌向上转移的一个例证。上呼吸道菌转移到下呼吸道，下泌尿道菌转移到肾盂，阴道菌转移到子宫输卵管等，也是常见的定位转移。除横向转移外，许多正常菌群还可以从表层向深层转移，侵犯粘膜上皮细胞、淋巴组织和网状内皮细胞系统。正常菌群寄居部位的改变称为异位寄生(abnormalhabitation),进而可引起疾病。血行感染：血行感染可出现在定位转移之前，也可出现在定位转移之后。血行感染可作为易位菌传播的一种途径，而血行感染本身又是一种易位感染。完全健康的人群中，大约有4%—10%的人有一次性菌血症。正常菌群的定位转移，血行途径具有重要意义，正常菌群进入血行虽然常见，但在正常情况下并不能形成感染，只有在身体衰弱免疫功能下降时才能发生感染。易位病灶：正常微生物群在远隔的脏器或组织形成病灶。这样病例多与脓毒败血症连续发生或同时发生有关。2■微生态失调的诱发因素主要有以下几方面：射线照射：人或动物在接受一定量放射物质与放射线照射后，吞噬细胞的功能与数量均下降，淋巴细胞功能减弱，血清的非特异性杀菌作用减少或消失，免疫应答能力明显遭到破坏，此时易发生微生态失调，微生物对照射的抵抗力明显大于其宿主，人或动物主要有数个GY就可产生病理作用，而细菌则需几百个GY才能损伤机构，而且微生物在照射后对抗生素耐药性提高，毒性亦增强。使用抗生素：抗生素使用可以引起菌群失调。I度失调是可逆的，11度失调是慢性失调，临床表现为慢性炎症，如慢性结肠炎、慢性肾盂炎及慢性支气管炎等。III度失调是急性失调或菌群交替症，临床表现为急性炎症，如白假丝酵母菌、铜绿假单胞菌等引起的局部炎症和全身感染。在抗生素的选择作用下，能提高正常微生物群对抗生素的耐药性。在肠道正常菌群中，耐药性传递是相当频繁的。如耐药性葡萄球菌、铜绿假单胞菌等正常生物群常导致医院内感染。外科手术：包括手术、整形、插管以及一切不利于宿主生理解剖结构的方法与措施，都有利于正常菌群的易位转移，因此在微生态失调的诱发因素中，外科治疗措施占有主要位置。其它因素：包括医源性因素、使用免疫抑制剂、细胞毒性药物和激素等所有的能使机体免疫功能下降的因素。正常菌群突破机体免疫功能引起的感染称为内源性感染(endogenousinfection)或自身感染(autogenicinfection),例如肠道正常菌群中的脆弱拟杆菌(B.Fragilis)和消化球菌等厌氧菌在微生态失调时，常可成为机会致病菌而引起内源性感染。微生态失调的防治根据微生态学的理论，在微生态失调的防治中必须采取综合性措施，主要应该注意以下的几个方面：保护好微生态环境，矫正微生态失调首先应努力治疗宿主的疾病，如胃酸缺乏症和消化功能紊乱，治愈