胃肠道微生物生态研究的现状与展望

胃肠道微生物生态研究的现状与展望

微生态学是一门科学的研究微生物正常组与主枝之间的依赖和相互限制规律的科学。我国著名微生态学专家康白教授对微生态系统的定义是:微生态系统是指在一定结构的空间内,正常微生物群以其宿主的组织和细胞及其代谢产物为环境,在长期的进化过程中形成的能独立进行物质、能量及信息相互交流的统一的生物系统。分布在消化道、呼吸道、泌尿生殖道及皮肤等特定部位的微生物群,构成机体重要的生物和化学屏障。胃肠道微生态系统是机体最重要的微生态系统。宿主肠道内存在着的大量微生物有营养、免疫、刺激生长和生物屏障等作用,它们与机体之间互相制约,互相依存构成了一个动态的统一平衡体,在肠道系统中有重要意义,因此,对肠道微生物进行系统而深入的研究变得日益迫切。1肠道微生物胃肠道原籍菌、外籍菌和其上皮细胞等生物成分与食源性非生物成分(未被消化的食物)及来自胃、肠、胰和肝的分泌物(如激素、酶、黏液和胆盐等)共同构成胃肠道微生态系统。当宿主处于健康状态时,其胃肠道内微生物按一定的种群比例定植在肠壁上,处于一种稳定的菌群平衡,它们对于宿主有益无害,是其内环境中不可缺少的组成部分。胃肠道微生物可分为3类:(1)共生性细菌:它是主要菌群(>90%),宿主终生携带。常为专性厌氧菌,包括球菌、丙酸菌、乳酸菌及双歧杆菌等。这类细菌对宿主有利而无害。细菌将复杂的碳水化合物(纤维素或非淀粉多糖)发酵成为乳酸或挥发性脂肪酸(如丙酸)。乳酸在肠道形成酸性环境,对其他致病菌可产生“竞争排除作用”,乳酸堆积多也会刺激肠道蠕动,使肠道内容物排空加快。(2)机会性细菌:约占10%,与宿主共栖,包括无病原性的大肠埃希菌、链球菌及肠球菌等。这些机会性细菌在肠道菌群生态平衡时是无害的,但在特定条件下可产生毒素,具有侵袭性,可视肠道环境而改变停留在肠道的数量及时间。(3)致病性细菌:含量极少(<0.01%)的致病性菌群,包括梭菌、葡萄球菌、假单胞菌、病原性大肠埃希菌、弧菌及部分真菌。这类菌群不仅具有致病性,同时它们也会消耗宿主的能量,而且其发酵产物(如氨气等)也可能对宿主有害。在大量细菌共生的环境中,不同菌种间的相互作用,维系着消化道微生物生态系统的平衡。2微生物在胃微生态系统中的研究2.1肠道菌群分布目前关于胃肠道微生态系统中菌群多样性的研究有很多。小儿一般在2岁时形成稳定的成人模式的胃肠道菌群,在此之前的胃肠道菌群构成受多种因素的影响,如分娩方式、环境和地域分布、喂养方式、抗生素的应用等方面。兰和魁等研究发现母乳喂养与奶粉喂养对早产新生儿胃肠道菌群的发育存在明显差异。2种不同喂养方式的新生儿喂养前胃肠道菌群类似,以梭状芽胞杆菌、链球菌和克雷伯菌为主,开奶2周后(约生后20d),母乳喂养儿以双歧杆菌为主,奶粉喂养儿胃肠道菌群显示其明显的多态性,有双歧杆菌、梭状芽胞杆菌、链球菌、大肠埃希菌、克雷伯菌、韦荣菌、沙雷菌以及许多不经培养细菌。不同民族、不同地区人群的胃肠道菌群构成也有区别。王占国等通过对赤峰地区蒙古族与汉族老年人肠道微生态学研究发现,该地区蒙古族老年人肠道中的肠杆菌、链球菌、酵母菌、双歧杆菌均明显高于汉族人群,而真杆菌、消化球菌均明显低于汉族人群。与国内其他地区(大连、广州地区)老年人肠道菌群检测结果的比较发现,肠杆菌、肠球菌、乳杆菌、真杆菌、类杆菌、腐败梭菌和消化球菌明显高于其他地区,双歧杆菌又明显低于其他地区。这种菌群分布与人群的饮食习惯密不可分。该地区老年人乳杆菌数量多主要与食入大量的奶制品(如酸奶)有关;生活习惯及“卫生观念”的原因使肠杆菌、肠球菌数量较多,这样结构的菌群对该地区人群由于摄食较多动物性脂肪而引起的血液胆固醇增高起到了缓解作用。动物的胃肠道菌群和其食性也是密切联系的。李可俊等采用PCR-DGGE分析技术对长江河口捕获的8种野生鱼类的肠道菌群的差异性进行了分析。其中,以甲壳类、底栖动物和水生昆虫为主营底栖生活的舌鰕虎鱼的肠道菌群和其他7种野生鱼有着明显的差异,其他7种鱼的肠道菌群多样性的差异与它们的食性差异相关。2.2肠道菌群变化新生儿降生时肠道是无菌的,出生后1~2h细菌开始在肠道定植,此后肠道菌群发生快速演替。FAVIER等应用DGGE技术连续10个月对2个新生儿肠道菌群进行检测,对人类自出生之日起肠道微生态系统的发生发展的变化规律进行了动态描述。王小卉等研究显示正常健康婴儿1月龄时双歧杆菌为优势菌,同时还含大量大肠埃希菌和乳酸杆菌。随生长发育,双歧杆菌数量略有增加,仍为优势菌,乳酸杆菌逐渐增加,而大肠埃希菌在6个月时明显下降,以后相对平稳。双歧杆菌是肠道最主要和最大量的益生菌,其对大肠埃希菌等潜在致病菌生长起拮抗作用。双歧杆菌与大肠埃希菌比值(B/E)可反映肠道抵抗病原菌侵袭能力,其研究显示健康婴儿B/E值随生长而升高,提示随着肠道正常菌群形成,肠道防御功能不断增强。研究还发现食物过敏婴儿肠道的双歧杆菌和乳酸杆菌较健康婴儿明显减少,而大肠埃希菌数量却明显增多,B/E比值下降。这为双歧杆菌、乳酸杆菌等益生菌制剂调节婴儿肠道免疫,预防和治疗食物过敏提供依据。肠道菌群的变化在宿主的正常生理和病理过程中起重要的作用。冯伟明通过对急慢性腹泻患者的粪便研究发现,与对照组比较,急性腹泻患者肠杆菌增加,肠球菌、双歧杆菌、乳酸杆菌及类杆菌减少,慢性腹泻患者肠杆菌增加,乳酸杆菌减少。急性腹泻与慢性腹泻比较,类杆菌和乳酸杆菌减少更明显。表明急慢性腹泻患者都存在肠道菌群失调,且急性比慢性更严重。肖党生等发现糖尿病患者的生理和病理改变引起肠道菌群变化,在空腹血糖和糖化血红蛋白升高的同时肠道菌群出现有害菌,肠杆菌科细菌升高,而双歧杆菌数量下降。倪学勤等通过对不同周龄蛋鸡嗉囊、十二指肠、空肠、回肠和盲肠内容物菌群的结构和多样性进行比较,发现随着周龄的增加,消化道微生物经历了由简单(2周)到复杂(4周),再回复简单(6周)到复杂(8周)的变化过程。况炜等用DGGE技术评价抗生素处理过程中肠道菌群的动态变化。发现随着头孢曲松灌胃时间的延长,实验组小鼠的肠道菌群丰富度(DGGE图谱泳道中的条带数)呈现逐渐减少的演替过程,而一些耐药菌株的数量则有增加的趋势。2.3设计筛选抗菌剂筛选几种病原菌,dage分析近年来,分子生物学的发展推动了肠道微生态学的研究。由于肠道中的大部分微生物生长需要特定条件,难以用传统的培养法进行分类鉴定,将DGGE与种属特异性引物相结合,可从种属水平上对微生物进行鉴定。于卓腾等将16SrDNA技术与DGGE结合,发现用黄豆苷元饲喂仔猪35d后,DGGE图谱显示盲肠、结肠、直肠中出现3条优势条带,经克隆测序后鉴定它们分别与产丁酸菌(butyrate-producingbacterium)、Clostridiumbutyricum和Ruminococcusobeum最相似。说明黄豆苷元可选择性的促进某些菌群的富集。赵琴丽等利用双歧杆菌类群特异性引物进行DGGE分析,研究胆管结扎对大鼠肠道双歧杆菌组成的影响,发现与对照组相比,模型组的DGGE图谱中假长双歧杆菌(Bifidobacteriumpseudolongu)所对应的条带亮度显著增强,而动物双歧杆菌(B.animal)所对应的条带明显减弱,表明这2种双歧杆菌类型发生了数量上的变化,可能跟肠道内胆汁缺乏以及由此引起的各种生理条件的改变有关。3肠道菌群的认识随着微生物、细胞生物和分子生物新技术的不断涌现,对胃肠道菌群的认识也日益清楚。胃肠道菌群在人、动物的生长过程中保持着动态平衡,这种平衡维持了机体的一系列重要功能。3.1肠道微生态系统微生态理论认为,宿主与正常微生物菌群间存在一种共生关系,这种关系的实质是营养关系,它在胃肠道中表现更为明显。胃肠道微生态系统能合成大量的维生素、氨基酸等,从而加强宿主的营养代谢,促进机体生长。如双歧杆菌能合成维生素B,大肠埃希菌能合成维生素K,链球菌能合成维生素C。胃肠道微生物可利用氨基酸分解的NH3合成蛋白质或其他氨基酸,同时更重要的是它们具有利用非蛋白氮合成氨基酸、蛋白质的生物固氮能力。3.2短链脂肪酸和短链脂肪酸目前已证实,胃肠道益生菌可增加短链脂肪酸的产生和减少氨的释放。而短链脂肪酸是结肠黏膜的重要能源物质,能促进陷窝底部正常细胞增生。同定植有正常微生物的小鼠相比,无菌小鼠隐窝上皮细胞的更新率降低,隐窝细胞的数目较少,这说明胃肠道的微生物影响肠黏膜的增生。3.3抑菌屏障及保护菌群的发展和宿主肠黏膜屏障的建立是一个渐进而互动的过程。肠道菌群是黏膜屏障的重要组成部分,其参与构成机械屏障、与黏膜共价结合、与机体产生的酶和活性肽及代谢产物共同组成化学屏障等,能阻止潜在致病菌的入侵或外袭菌在黏膜上的定植。致病微生物是黏着于宿主细胞表面的糖蛋白或糖脂质糖链而构成感染的,正常肠道菌群在肠黏膜表面形成一层菌膜屏障,能产生细胞外糖苷酶,降解上皮细胞上作为潜在致病菌及内毒素结合受体的复杂多糖,竞争性地抑制肠道内源性及外源性潜在致病菌对肠上皮细胞的黏附及定植,促使它们离开感染的肠道。3.4免疫组化检测细胞免疫功能胃肠道内某些微生物能够激活机体吞噬活性,提高机体抗感染能力。通常认为,胃肠道产生免疫作用主要依赖于原籍菌群,细菌及其裂解产物可激活淋巴细胞和促进淋巴细胞因子分泌,增强免疫系统对恶变细胞的识别能力和抗感染能力的作用。有研究表明,无菌动物的体液免疫、细胞免疫功能均低于普通动物。如无菌动物血液中γ球蛋白含量降低,基本测不出分泌型IgA。无菌小鼠血液中的IgG含量仅为普通小鼠的1/10无菌动物淋巴细胞增殖能力很低,浆细胞形成受抑制,细胞免疫反应能力弱。这说明正常微生物不仅能刺激机体免疫器官的发育,而且对增强机体特异性细胞和体液免疫是不可缺少的。3.5小分子物质联合其它正常菌群可产生分解糖、脂肪、蛋白质和纤维素等营养物质的消化酶,从而促进其分解为小分子物质,有利于机体吸收。比如双歧杆菌和乳酸杆菌等益生菌可利用本身所特有的一些酶类(如半乳糖苷酶等)来补充宿主在消化酶上的不足,帮助分解消化道内未被充分水解吸收的营养物质。肠道微生物还可以明显的促进亚油酸的吸收,促进胆固醇向类固醇的转化。3.6硫化酶对肝肠循环的作用胃肠道菌群通过细菌酶的化学反应对外源性及内源性的物质进行代谢。细菌的β葡萄糖醛酸酶、硫化酶对许多化合物的肝肠循环起重要作用。胆红素、胆汁酸、雌激素、胆固醇等的肝肠循环中,胃肠道微生物参与了其大部分过程。胃肠道微生物的改变影响着肥胖