胃肠微生态系统的研究进展

胃肠微生态系统的研究进展

微生态系统（微生态系统）是指所有微生物系统，包括正常的微生态区系（micolite）微系统。胃肠微生态系统是指胃肠这个特殊微生态环境(habitate)内寄居的全部微生物系统。在早期的文献中称微生物生态系统(microbialecosystem)。这个提法有些片面,因为只重视微生物的生态方面。后来发现,微生物与宿主同等重要,甚至比宿主更重要,因而大部分学者都喜欢用微生态系统(micro-ecosystem)这一新术语。这方面的研究进展很快,由于涌现出大量科学信息,使学术界不得不断更新有关的学术观点和科学理论。这就是微生态学已成为生物学界,特别是医学界热门话题的关键所在。本文将对这方面的研究进展作扼要介绍。1肝脏微生物细胞在胃肠这个特殊的微生态环境(micro-habitaie)内寄居着400~500种微生物,其中包括细菌、真菌和原生动物。这些微生物的总质量约为1kg,其体积相当于1个人的肝脏,其数量为1014个,而人体自身的细胞只有1013个,也就是人体自身的细胞只占其所拥有细胞的10%。胃肠微生物细胞在宿主(人、动物)出生后不久(1~2h)就开始出现,逐渐形成一个微生态系统,终生与宿主保持互动状态。在不同宿主的生理阶段有着相应的时空变化。这种变化是有规律的生理变化。在宿主遭遇意外环境和生理发育期的剧烈变化或患病时,这个生态系统也有相应的、有规律的变化,即病理变化。胃肠微生态系和宿主其他生理系统一样,都是宿主(人或高等动物)不可或缺的生理结构的一部分。2正常微生物群对生命的存在是一个共识经过百余年的研究,人们终于认识到,对正常微生物群的学术观念,应从病理学观念向生理学观念转变。正常微生物群不是可有可无,而是绝对必须的。从进化的观点出发,一切生命都是在共生(synbiosis)过程中发生、发展和消亡的。现在研究指出,正常微生物群参与宿主的全部生理和病理过程,没有正常微生物群的参与,生命的存在就不可能。无菌动物(germ-freeanimal)的养成,只是在实验条件下的一种假设,没有人工模仿,平常动物(conventional)生活条件的设计是不可能养成的。21世纪初,一位资深的微生态学家DwayneC.Savage(美国田那西州大学微生物研究室名誉教授)于2002-02-28在日本东京召开的“21世纪肠内菌细菌学”国际会议上提出,应注意以下两点:(1)正常微生物群是自然中的人(或高等动物)生存必须的生理器官。(2)人(或高等动物)是动物真核细胞和微生物原核细胞的综合体。上述两点已得到大多数科学家的认可。在人体已有的几个生理系统中应该把正常微生物群系统列入第13个生理系统。这个系统是人类必须承认的全部生理学系统的一部分。同免疫系统一样,都是与全身生理学系统不可分割的组成部分。3调节着大气的温度和湿度“凯雅科学(gaia)”是一个复杂的、一切生物及其代谢产物及其尸体的统一的地球生命的总和,是地球表面的一切生物——细菌、真菌、原生动物、植物、动物及其代谢产物和尸体动态的、共生的统一体。凯雅是1996年由凯雅学说的作者英国伦敦大学的化学家FamesLevelock在一次学术会上提出的问题。他认为,任何星球能有生命必须有被生命利用的流体,如大气、海洋、河流和湖泊等存在。这些都是生命循环必需的基础。生命需要营养,也必须能有剔除其代谢产物及尸体的能力。地球上的大气主要是甲烷CH4和20%的氧(O2)。如果没有生命的调节就会发生强烈的爆炸。同样浓度的气体混合,如果送到火星上就会爆炸。产生这种气体速度较其排泄物的转化速度快,因而能保持大气中的气体处于正常的、生命能存在的浓度,同时调节着大气的温度和湿度。这一理论获得了1997年的诺贝尔化学奖。人体是一个“小地球”,人体终生寄居着几百亿(1014)的正常微生物群,参与人体全方位的共生生理学过程。过去由于受纯种观点的控制,很少考虑这方面的因素,因而影响了我们对人体生理学的全面了解,更不要说把微生态系统看作是人体一个生理学系统的新观点了。地球生命必须保持生态大循环,而人或动物个体,在大循环的控制下必然或必须保持个体的小循环,这就是微生态学在地球生命系统所占据的恰当的地位。4菌株腔菌群oprkenicflusa肠道正常微生物群靠两种形态存在,一是膜菌群(membraneflora),另一是腔菌群(lumenflora)。现在膜菌群又叫生物膜菌群(biofilm,BF),腔菌群也叫浮游菌群(planktonicflora)。细菌生物膜(BF)是指附着于有生命或无生命物体表面被细菌细胞外大分子包裹的微生物群体。BF中含有可高达97%的水分。除了水与细菌外,BF还可含有微生物分泌的大分子,如多聚糖、吸附的营养物质和细菌的菌体裂解物。BF中存在着各种主要的大分子,如蛋白质、多糖、DNA、RNA、肽聚糖、脂质和磷脂等活性物质。BF多细胞结构的形成是动态的生态过程。这个过程包括细菌对肠黏膜上皮细胞的粘附起始阶段、BF的形成阶段和BF的成熟阶段。BF的细菌在各阶段具有特征性的生理生化表现。4.1细菌单一黏附作用细菌对宿主细胞的表面粘附是BF形成的第1步。这种粘附作用是细菌粘附素(adhesin)识别宿主细胞的特异性受体(receptor)的结果。4.2抗菌、细菌回复突变acchicdBF的形成具有高度的组织性和结构性,并高速调节其基因表达,分泌大量胞外多糖(exopolysaccharide,EPS),EPS粘结单个细菌形成细菌团块,亦叫微菌落(microcolony)。大量微菌落形成菌膜。菌膜形成后,作为细菌的群体,其生物学功能已发生了改变,基因交换率增加,耐药性增强,对紫外线的抗性增加,因此正常微生物群的生理作用和临床意义也有很大的改变。4.3bf对细菌的生长和免疫成熟的BF具有高度组织性和特异的结构。BF的结构是不均质的,其遗传性也有改变,不是单纯的细菌组合,而是具有新的遗传性和生理功能的改变。浮游菌群,具体的菌种和菌种的药敏试验,与膜菌群并不完全符合。许多情况下,药敏试验的结果,在临床上得不到预期效果,这是因引起感染的细菌在BF中得到其他细菌代谢产物的庇护或其自身遗传性的改变。目前,对BF的研究正是对胃肠道微生态系的研究的热门话题。关键的问题是免疫力和功能的改变。有关方面的研究已深入到分子水平和基因水平。5对肠道微生态系统的认识生物与环境是统一的,任何生物包括微生物与高等生物都必须与环境保持密切的通讯系统,保证信息的交流,生命才能存在。人、动物、植物与微生物是统一的大生态系统和微生态系统。这个系统的适应性和协调性都是在信息交流中进行着。信息交流的终止就是生命的终止。只有信息的交流才能启动细胞功能的正常运转。人、动物和植物宿主的外环境是多层次的,水、大气、土壤和生物是第1层次。而正常微生物群,即微生态系统是第2层次。第2层次与宿主关系最为直接或密切,因而正如前述,是人或动物甚至是植物一个生理系统或器官。在这里微生物与宿主已融为一体了。动物细胞与微生物细胞都参与了整体的细胞的通讯系统了。微生物细胞把信息传给宿主细胞核,DNA作出相应反应并经mRAN传输到线粒体,进行翻译和复制,产生相应的功能酶,作用于靶细胞,产生相应的反应。致病的信息就产生病理信号,生理的信息就产生健康信号。因此,胃肠微生态系统是最大的病理和(或)生理信号的来源。如果把胃肠黏膜的皱襞、隐窝、微绒毛、刷状缘表面都展开,其总表面积竟可同篮球场一样大,这么大的一个表面上由一个BF膜覆盖着,并且与黏膜上细胞表面和间隙紧密相连。如果这个BF遭到如抗生素之类的外环境影响,其结构和功能就可能遭到破坏,因而细胞通讯系统就会发生故障。由此可见,保护这个BF正常结构和生理功能就不能忽视了。6细菌易位bt细菌易位(bacterialtranslocation)是微生态系统的重要内容之一。人体包括胃肠道是一个复杂的解剖学结构,对微生物来说不同结构就是不同微生态环境,每个微生态环境定居的微生物群落(micro-community)和微种群(micropopulation)都不同。在微生态环境中定居的微生物叫做原籍菌群(autochthonousflora),在正常情况下不会转移到其他微生态环境,如果转移了微生态环境一般不能定植(colonization),但是一旦转移成功了,它就变成外籍菌群(allochthonousflora)。细菌易位(BT),一是由原籍菌转为外籍菌,而成为浮游菌群;另外是胃、肠道菌群包括过路菌向肠黏膜下转移。关于细菌易位,最初由Herbst在1844年提出的。他认为大的颗粒如淀粉等可以通过肠道屏障进入体内。1968年,Wolkheimer与Schulz证实淀粉颗粒的确可以通过健康人的肠壁进入体内。但是,细菌易位这个术语直到1977年才被BergRD与Garlington,AW证实。他们认为,肠腔内活的细菌能通过黏膜进入黏膜下的基底层(laminapropria),并进而进入肠系膜淋巴结(MLN)或其他器官。BT的认识和防治是当代抗感染、调节微生态平衡的重要举措。许多慢性病如癌症、肝功障碍衰竭、贫血及多脏器功能衰竭等,以及外伤、烧伤、暴饮暴食、酒精中毒等都可能发生