微生态学在航天医学领域中的应用

微生态学在航天医学领域中的应用

人类为了生存和繁殖，必须适应国内外环境，即外部环境的宏观生态和内部环境的微观生态（微生态）。随着微生态学的发展,人们逐步认识到人体的健康与本身所携带的正常微生物群密切相关。肠道作为人体正常微生物群最集中的部位,也是最大的细菌库和毒素池,它们对人体有着重要的生理和病理意义。航天员作为一种特殊的人群,工作在极端的航天环境条件下,肠道微生态平衡易发生变化,将影响航天员的健康和工作效能,甚至导致疾病的发生。我国在突破载人航天后,使航天医学面临许多新的挑战,对如何保障航天员的健康和工作能力提出了新的要求。微生态学在航天医学领域中的应用尚未引起足够的重视,特别是航天员肠道菌群的变化,直接关系到航天员的健康和任务的执行能力。因此,如何应用微生态学的原理和方法,促进双歧杆菌等有益菌在肠道内增殖,维持或调整肠道微生态平衡,促进肠道菌群向更加有利于宿主健康的生理性组合状态转变,对保护和提高航天员的健康,防止相关疾病的发生将具有重要的意义。肠道菌群与健康肠道正常菌群是指随宿主长期进化过程中形成的,在宿主一定时期定植于宿主肠道粘膜上的微生物群落。就目前已经认识的种群而言,肠道正常菌群至少包括40个菌属400~500个种,约占粪便湿重的40%,约有1.0kg重湿菌,它对机体生理过程必然会产生十分重要的影响。肠道菌群是由大量具有代谢活性的微生物组成的复杂的生态系,它的功能是多种微生物共同活动的结果。在正常情况下,肠道菌群间互相保持着共生与拮抗的关系,以宿主摄取的食物和分泌于消化道内的机体成份作为营养源,从而不断的增殖和被排泄,在数量和种类比例上处于一种自稳平衡状态,对宿主非但无害,而且有益,也是必需的。数量上占绝对优势的原籍菌参与宿主的生命活动,与宿主细胞进行物质、能量和基因的交流,在宿主的生长发育、营养、免疫和生物拮抗等方面发挥不可替代的生理作用;而在数量上处于劣势的腐败菌、致病菌所产生的酶类、有害物质和毒素的量不足以影响宿主的健康。同时,肠道菌群又是十分敏感的生理系统,宿主在器质上、功能上或精神上的改变,外界环境中的物理、化学或生物因素的变化,都可影响到菌群的变化。当肠道菌群的变化超过本身调节能力的阈值时,自稳平衡状态破坏,又可反馈性地引起宿主一系列生理和病理变化。因肠道菌群的组成和代谢活性发生改变,降低了肠道菌群的定植抗力,肠道有害菌过度生长产生的代谢产物对宿主产生不良的影响,轻者发生腹痛、腹泻,重者可因肠腔中细菌和内毒素的侵入引起肠源性感染,导致疾病的发生。航天员肠道菌群的变化载人航天的实践已经证明,飞行过程由于特殊物理因素、环境因素、生活条件及职业特点的影响,人体的功能状态发生一系列变化,其中航天员肠道菌群的变化是重要的环节之一。对不同飞行时间航天员肠道微生物种群特点的研究表明,不论是短期或长期航天,所有航天员都不同程度的发生系统性的、规律性的微生物种群改变。主要表现为以双歧杆菌和乳杆菌为代表的防御菌群数量下降,甚至消失,大肠杆菌、梭状芽孢杆菌、变形杆菌、假单孢菌和其它条件致病菌增加;降低了肠道的屏障能力,增加了对条件致病菌的易感性。在肠道双歧杆菌和乳杆菌明显下降的情况下,因航天任务的扩展导致的菌群失调和飞行后菌群失调反应存在扩大化的可能性,这已被内源性感染的事实所证实。在地面高压舱(hyperbaricchamber,35℃,相对湿度90%,CO23.7%)实验中,被试者肠道双歧杆菌降到4×106CFU/g,乳杆菌下降到6×104CFU/g,条件致病菌CitrobacterKlebsiella、肠杆菌显著增加,大肠杆菌增加到4×108CFU/g而成为优势菌;在头低位卧床实验中也证实了肠道菌群的组成发生变化,双歧杆菌和乳杆菌下降,条件致病菌增加;航天员在地面训练期间双歧杆菌的水平也有所下降。我们在卧床实验中初步观察到被试者肠道双歧杆菌水平下降,在模拟失重对大鼠肠道菌群影响的研究以及饮用加银水对模拟失重大鼠肠道微生态及骨钙代谢的研究中,进一步证实了在模拟失重条件下大鼠肠道菌群出现失调,双歧杆菌显著下降,乳杆菌有不同程度的减少,类杆菌有增加的趋势,外籍菌肠杆菌和肠球菌显著增加;饮用加银水加重了模拟失重大鼠肠道微生态失调和骨钙代谢的紊乱。在航空飞行员肠道菌群变化的研究中也观察到歼击机飞行员肠道菌群发生变化,肠杆菌、类杆菌明显增加,双歧杆菌和消化球菌明显下降。引起航天员肠道菌群的变化与航天特因环境因素的综合作用有关。经研究,精神情绪紧张、胃肠功能和免疫系统的变化、运动功能减退、工作负荷提高、狭小的隔离环境以及特殊的饮食等都是造成航天员肠道菌群变化的原因。改变了肠道微生物的生长条件,影响肠道正常微生物的粘附、定植,导致肠道菌群的“三定”(定位、定性、定量)发生变化,微生态平衡破坏。航天员肠道微生态失调又可反馈地引起宿主一系列生理和病理变化,可能加重因航天环境导致的机体功能紊乱。双歧杆菌等有益菌的下降,大肠杆菌、梭状芽孢杆菌、变形杆菌等(条件)致病菌的增加,不仅改变了航天员肠道固有菌群的组成,对肠道的分泌功能、蛋白质、脂肪、碳水化合物和矿物质等的代谢和吸收也会产生不良影响,造成宿主内环境紊乱和失调,甚至出现脂肪泻、营养吸收不良、贫血、低蛋白血症和过敏反应等;而且因肠道黏膜屏障功能下降,肠道通透性增加,降低了自身的防御能力,增加对条件致病菌的易感性,发生内源性感染。航天员长时间处于肠道微生态失调状态,可能会导致菌群失调反应加重。在密闭的座舱环境,肠道微生物代谢的改变使其排出的气体种类和成份上发生改变,以及座舱内积累的各种代谢产物,使座舱内的卫生学和流行病学的状态改变,在这样的环境中生活不排除航天员之间产生心理不相融的可能性。因此,应重视航天员肠道菌群的变化和失调反应扩大化的可能性,采取措施预防和纠正航天员肠道菌群的变化。微生态保健食品的研制与应用肠道菌群的生长底物主要来自上消化道没有消化或没有吸收的食物成份,直接影响肠道菌群的组成和活性。因此,预防和纠正航天员肠道菌群失调最为直接有效的方式是应用微生态保健食品。双歧杆菌的其它活菌制品微生态保健食品是应用微生态学的原理,利用肠道正常生理细菌如双歧杆菌、乳杆菌等经生物技术研制成的一类保健食品。它不仅具有食品本身的营养,同时又具有调整肠道微生态平衡的作用,起到有病辅治、未病防病、无病保健的作用。微生态保健食品具体包括活菌体、死菌体、菌体成分、代谢产物及其促进物,根据其作用机制,常分为益生菌、益生元和合生元制品3大类。目前采用的菌种主要包括原籍菌、共生菌和生理性真菌,其中双歧杆菌作为人体肠道的最重要生理性细菌之一,目前尚未发现有任何毒副作用,是航天微生态保健食品首选的菌种。以双歧杆菌为主的活菌制品在飞行前和飞行中口服双歧杆菌制品是最为有效的方式,直接补充肠道正常生理性细菌。国外已采用这类活菌制品如冻干双歧杆菌、冻干双歧杆菌发酵奶和干酪等,预防航天员肠道菌群失调取得了良好的效果,在年度飞行中未发生菌群失调。近来大量资料证明双歧杆菌的代谢产物、死菌同样具有微生态制剂的功效,如培养液中含有黏附素物质可促进双歧杆菌的黏附;代谢产物中的有机酸及细菌素能抑制或杀死有害菌,促进微生态平衡;培养液中还含有人体所必需的营养物质以及有用的酶;双歧杆菌菌体成分脂磷壁酸和肽聚糖具有很强的免疫赋活作用。以双歧杆菌促进因子(双歧因子)为中心的保健食品双歧杆菌是厌氧菌,营养要求高,作为活菌制剂存在一定的局限性,不易保存,菌数不稳定,通过胃液强酸的作用存活率低,影响其功效。为避开保持活菌数这一技术难关,人们将注意力转到双歧因子的研究上来。现已发现的双歧因子主要包括含氮多糖或寡糖、酶类、辅酶前体、粘蛋白、肽类、氨基酸、维生素等。在双歧因子中尤为突出的是益生元类物质如低聚果糖、大豆低聚糖等,在上消化道不能消化而被肠道细菌利用,能选择性促进双歧杆菌的生长,作为微生态保健食品的一大类而得到迅速发展。双歧因子广泛存在食物中,我们在体外和动物实验中都证实了螺旋藻含有促进双歧杆菌生长的物质,具有调整肠道菌群的作用。在中药作为微生态制剂的研究中也发现虫草、人参、枸杞、阿胶、刺五加、五味子等具有促进双歧杆菌生长的作用,不仅能起到调整阴阳、扶正祛邪的目的,还能调整肠道微生态,在航天保健食品中具有广阔的应用前景。双歧杆菌和双歧因子配伍的合生元制剂这类制品是兼顾前两者制品的优势,既可发挥益生菌的生理活性,又可选择性促进双歧杆菌的生长,起到协同增效的作用,是微生态制剂的重要发展方向。面元药药在航天纺织品中的应用针对航天员的职业特点,对抗其肠道菌群失调应采取防治结合,以预防为主的对策。飞行前预防,提高航天员健康水平和适应能力。国外研究表明,航天员在地面训练期间肠道双歧杆菌水平低下。因此,应加强飞行前航天员地面训练期间的饮食调控和肠道菌群正常值的监控,补充微生态保健食品来提高双歧杆菌等有益菌的水平,促进航天员肠道菌群向更加有利于宿主健康的生理性组合转变,提高航天员的健康水平和对航天环境的适应能力,防止菌群失调和相关疾病的发生。在飞行中防治结合,防止肠道菌群失调的发生、发展。在飞行中发生肠道菌群失调对航天员的健康造成威胁,应积极防治。3类制品各有优势,在航天中采用哪种类型的产品、产品的形式以及其作用效果还有待进一步实验研究。前苏联曾在复水饮料中添加双歧杆菌活菌粉,来改善和调整肠道微生态平衡。飞行后积极治疗,帮助健康恢复。在飞行后航天员的康复中,根据航天员肠道菌群的变化程度,针对性的采用微生态保健食品,防止进一步恶化,帮助健康恢复。结束语肠道作为人体最大的细菌库和毒素库,与人体的健康和疾病密切相关。航天员肠道菌群的变化与航天环境导致的机体功能紊乱有关,