胃腸道微生物生態(tài)研究的現(xiàn)狀與展望

胃腸道微生物生態(tài)研究的現(xiàn)狀與展望

微生態(tài)學(xué)是一門科學(xué)的研究微生物正常組與主枝之間的依賴和相互限制規(guī)律的科學(xué)。我國著名微生態(tài)學(xué)專家康白教授對微生態(tài)系統(tǒng)的定義是:微生態(tài)系統(tǒng)是指在一定結(jié)構(gòu)的空間內(nèi),正常微生物群以其宿主的組織和細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物為環(huán)境,在長期的進(jìn)化過程中形成的能獨(dú)立進(jìn)行物質(zhì)、能量及信息相互交流的統(tǒng)一的生物系統(tǒng)。分布在消化道、呼吸道、泌尿生殖道及皮膚等特定部位的微生物群,構(gòu)成機(jī)體重要的生物和化學(xué)屏障。胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)是機(jī)體最重要的微生態(tài)系統(tǒng)。宿主腸道內(nèi)存在著的大量微生物有營養(yǎng)、免疫、刺激生長和生物屏障等作用,它們與機(jī)體之間互相制約,互相依存構(gòu)成了一個(gè)動(dòng)態(tài)的統(tǒng)一平衡體,在腸道系統(tǒng)中有重要意義,因此,對腸道微生物進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究變得日益迫切。1腸道微生物胃腸道原籍菌、外籍菌和其上皮細(xì)胞等生物成分與食源性非生物成分(未被消化的食物)及來自胃、腸、胰和肝的分泌物(如激素、酶、黏液和膽鹽等)共同構(gòu)成胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)。當(dāng)宿主處于健康狀態(tài)時(shí),其胃腸道內(nèi)微生物按一定的種群比例定植在腸壁上,處于一種穩(wěn)定的菌群平衡,它們對于宿主有益無害,是其內(nèi)環(huán)境中不可缺少的組成部分。胃腸道微生物可分為3類:(1)共生性細(xì)菌:它是主要菌群(>90%),宿主終生攜帶。常為專性厭氧菌,包括球菌、丙酸菌、乳酸菌及雙歧桿菌等。這類細(xì)菌對宿主有利而無害。細(xì)菌將復(fù)雜的碳水化合物(纖維素或非淀粉多糖)發(fā)酵成為乳酸或揮發(fā)性脂肪酸(如丙酸)。乳酸在腸道形成酸性環(huán)境,對其他致病菌可產(chǎn)生“競爭排除作用”,乳酸堆積多也會(huì)刺激腸道蠕動(dòng),使腸道內(nèi)容物排空加快。(2)機(jī)會(huì)性細(xì)菌:約占10%,與宿主共棲,包括無病原性的大腸埃希菌、鏈球菌及腸球菌等。這些機(jī)會(huì)性細(xì)菌在腸道菌群生態(tài)平衡時(shí)是無害的,但在特定條件下可產(chǎn)生毒素,具有侵襲性,可視腸道環(huán)境而改變停留在腸道的數(shù)量及時(shí)間。(3)致病性細(xì)菌:含量極少(<0.01%)的致病性菌群,包括梭菌、葡萄球菌、假單胞菌、病原性大腸埃希菌、弧菌及部分真菌。這類菌群不僅具有致病性,同時(shí)它們也會(huì)消耗宿主的能量,而且其發(fā)酵產(chǎn)物(如氨氣等)也可能對宿主有害。在大量細(xì)菌共生的環(huán)境中,不同菌種間的相互作用,維系著消化道微生物生態(tài)系統(tǒng)的平衡。2微生物在胃微生態(tài)系統(tǒng)中的研究2.1腸道菌群分布目前關(guān)于胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)中菌群多樣性的研究有很多。小兒一般在2歲時(shí)形成穩(wěn)定的成人模式的胃腸道菌群,在此之前的胃腸道菌群構(gòu)成受多種因素的影響,如分娩方式、環(huán)境和地域分布、喂養(yǎng)方式、抗生素的應(yīng)用等方面。蘭和魁等研究發(fā)現(xiàn)母乳喂養(yǎng)與奶粉喂養(yǎng)對早產(chǎn)新生兒胃腸道菌群的發(fā)育存在明顯差異。2種不同喂養(yǎng)方式的新生兒喂養(yǎng)前胃腸道菌群類似,以梭狀芽胞桿菌、鏈球菌和克雷伯菌為主,開奶2周后(約生后20d),母乳喂養(yǎng)兒以雙歧桿菌為主,奶粉喂養(yǎng)兒胃腸道菌群顯示其明顯的多態(tài)性,有雙歧桿菌、梭狀芽胞桿菌、鏈球菌、大腸埃希菌、克雷伯菌、韋榮菌、沙雷菌以及許多不經(jīng)培養(yǎng)細(xì)菌。不同民族、不同地區(qū)人群的胃腸道菌群構(gòu)成也有區(qū)別。王占國等通過對赤峰地區(qū)蒙古族與漢族老年人腸道微生態(tài)學(xué)研究發(fā)現(xiàn),該地區(qū)蒙古族老年人腸道中的腸桿菌、鏈球菌、酵母菌、雙歧桿菌均明顯高于漢族人群,而真桿菌、消化球菌均明顯低于漢族人群。與國內(nèi)其他地區(qū)(大連、廣州地區(qū))老年人腸道菌群檢測結(jié)果的比較發(fā)現(xiàn),腸桿菌、腸球菌、乳桿菌、真桿菌、類桿菌、腐敗梭菌和消化球菌明顯高于其他地區(qū),雙歧桿菌又明顯低于其他地區(qū)。這種菌群分布與人群的飲食習(xí)慣密不可分。該地區(qū)老年人乳桿菌數(shù)量多主要與食入大量的奶制品(如酸奶)有關(guān);生活習(xí)慣及“衛(wèi)生觀念”的原因使腸桿菌、腸球菌數(shù)量較多,這樣結(jié)構(gòu)的菌群對該地區(qū)人群由于攝食較多動(dòng)物性脂肪而引起的血液膽固醇增高起到了緩解作用。動(dòng)物的胃腸道菌群和其食性也是密切聯(lián)系的。李可俊等采用PCR-DGGE分析技術(shù)對長江河口捕獲的8種野生魚類的腸道菌群的差異性進(jìn)行了分析。其中,以甲殼類、底棲動(dòng)物和水生昆蟲為主營底棲生活的舌鰕虎魚的腸道菌群和其他7種野生魚有著明顯的差異,其他7種魚的腸道菌群多樣性的差異與它們的食性差異相關(guān)。2.2腸道菌群變化新生兒降生時(shí)腸道是無菌的,出生后1~2h細(xì)菌開始在腸道定植,此后腸道菌群發(fā)生快速演替。FAVIER等應(yīng)用DGGE技術(shù)連續(xù)10個(gè)月對2個(gè)新生兒腸道菌群進(jìn)行檢測,對人類自出生之日起腸道微生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展的變化規(guī)律進(jìn)行了動(dòng)態(tài)描述。王小卉等研究顯示正常健康嬰兒1月齡時(shí)雙歧桿菌為優(yōu)勢菌,同時(shí)還含大量大腸埃希菌和乳酸桿菌。隨生長發(fā)育,雙歧桿菌數(shù)量略有增加,仍為優(yōu)勢菌,乳酸桿菌逐漸增加,而大腸埃希菌在6個(gè)月時(shí)明顯下降,以后相對平穩(wěn)。雙歧桿菌是腸道最主要和最大量的益生菌,其對大腸埃希菌等潛在致病菌生長起拮抗作用。雙歧桿菌與大腸埃希菌比值(B/E)可反映腸道抵抗病原菌侵襲能力,其研究顯示健康嬰兒B/E值隨生長而升高,提示隨著腸道正常菌群形成,腸道防御功能不斷增強(qiáng)。研究還發(fā)現(xiàn)食物過敏嬰兒腸道的雙歧桿菌和乳酸桿菌較健康嬰兒明顯減少,而大腸埃希菌數(shù)量卻明顯增多,B/E比值下降。這為雙歧桿菌、乳酸桿菌等益生菌制劑調(diào)節(jié)嬰兒腸道免疫,預(yù)防和治療食物過敏提供依據(jù)。腸道菌群的變化在宿主的正常生理和病理過程中起重要的作用。馮偉明通過對急慢性腹瀉患者的糞便研究發(fā)現(xiàn),與對照組比較,急性腹瀉患者腸桿菌增加,腸球菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌及類桿菌減少,慢性腹瀉患者腸桿菌增加,乳酸桿菌減少。急性腹瀉與慢性腹瀉比較,類桿菌和乳酸桿菌減少更明顯。表明急慢性腹瀉患者都存在腸道菌群失調(diào),且急性比慢性更嚴(yán)重。肖黨生等發(fā)現(xiàn)糖尿病患者的生理和病理改變引起腸道菌群變化,在空腹血糖和糖化血紅蛋白升高的同時(shí)腸道菌群出現(xiàn)有害菌,腸桿菌科細(xì)菌升高,而雙歧桿菌數(shù)量下降。倪學(xué)勤等通過對不同周齡蛋雞嗉囊、十二指腸、空腸、回腸和盲腸內(nèi)容物菌群的結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)隨著周齡的增加,消化道微生物經(jīng)歷了由簡單(2周)到復(fù)雜(4周),再回復(fù)簡單(6周)到復(fù)雜(8周)的變化過程。況煒等用DGGE技術(shù)評價(jià)抗生素處理過程中腸道菌群的動(dòng)態(tài)變化。發(fā)現(xiàn)隨著頭孢曲松灌胃時(shí)間的延長,實(shí)驗(yàn)組小鼠的腸道菌群豐富度(DGGE圖譜泳道中的條帶數(shù))呈現(xiàn)逐漸減少的演替過程,而一些耐藥菌株的數(shù)量則有增加的趨勢。2.3設(shè)計(jì)篩選抗菌劑篩選幾種病原菌,dage分析近年來,分子生物學(xué)的發(fā)展推動(dòng)了腸道微生態(tài)學(xué)的研究。由于腸道中的大部分微生物生長需要特定條件,難以用傳統(tǒng)的培養(yǎng)法進(jìn)行分類鑒定,將DGGE與種屬特異性引物相結(jié)合,可從種屬水平上對微生物進(jìn)行鑒定。于卓騰等將16SrDNA技術(shù)與DGGE結(jié)合,發(fā)現(xiàn)用黃豆苷元飼喂仔豬35d后,DGGE圖譜顯示盲腸、結(jié)腸、直腸中出現(xiàn)3條優(yōu)勢條帶,經(jīng)克隆測序后鑒定它們分別與產(chǎn)丁酸菌(butyrate-producingbacterium)、Clostridiumbutyricum和Ruminococcusobeum最相似。說明黃豆苷元可選擇性的促進(jìn)某些菌群的富集。趙琴麗等利用雙歧桿菌類群特異性引物進(jìn)行DGGE分析,研究膽管結(jié)扎對大鼠腸道雙歧桿菌組成的影響,發(fā)現(xiàn)與對照組相比,模型組的DGGE圖譜中假長雙歧桿菌(Bifidobacteriumpseudolongu)所對應(yīng)的條帶亮度顯著增強(qiáng),而動(dòng)物雙歧桿菌(B.animal)所對應(yīng)的條帶明顯減弱,表明這2種雙歧桿菌類型發(fā)生了數(shù)量上的變化,可能跟腸道內(nèi)膽汁缺乏以及由此引起的各種生理?xiàng)l件的改變有關(guān)。3腸道菌群的認(rèn)識隨著微生物、細(xì)胞生物和分子生物新技術(shù)的不斷涌現(xiàn),對胃腸道菌群的認(rèn)識也日益清楚。胃腸道菌群在人、動(dòng)物的生長過程中保持著動(dòng)態(tài)平衡,這種平衡維持了機(jī)體的一系列重要功能。3.1腸道微生態(tài)系統(tǒng)微生態(tài)理論認(rèn)為,宿主與正常微生物菌群間存在一種共生關(guān)系,這種關(guān)系的實(shí)質(zhì)是營養(yǎng)關(guān)系,它在胃腸道中表現(xiàn)更為明顯。胃腸道微生態(tài)系統(tǒng)能合成大量的維生素、氨基酸等,從而加強(qiáng)宿主的營養(yǎng)代謝,促進(jìn)機(jī)體生長。如雙歧桿菌能合成維生素B,大腸埃希菌能合成維生素K,鏈球菌能合成維生素C。胃腸道微生物可利用氨基酸分解的NH3合成蛋白質(zhì)或其他氨基酸,同時(shí)更重要的是它們具有利用非蛋白氮合成氨基酸、蛋白質(zhì)的生物固氮能力。3.2短鏈脂肪酸和短鏈脂肪酸目前已證實(shí),胃腸道益生菌可增加短鏈脂肪酸的產(chǎn)生和減少氨的釋放。而短鏈脂肪酸是結(jié)腸黏膜的重要能源物質(zhì),能促進(jìn)陷窩底部正常細(xì)胞增生。同定植有正常微生物的小鼠相比,無菌小鼠隱窩上皮細(xì)胞的更新率降低,隱窩細(xì)胞的數(shù)目較少,這說明胃腸道的微生物影響腸黏膜的增生。3.3抑菌屏障及保護(hù)菌群的發(fā)展和宿主腸黏膜屏障的建立是一個(gè)漸進(jìn)而互動(dòng)的過程。腸道菌群是黏膜屏障的重要組成部分,其參與構(gòu)成機(jī)械屏障、與黏膜共價(jià)結(jié)合、與機(jī)體產(chǎn)生的酶和活性肽及代謝產(chǎn)物共同組成化學(xué)屏障等,能阻止?jié)撛谥虏【娜肭只蛲庖u菌在黏膜上的定植。致病微生物是黏著于宿主細(xì)胞表面的糖蛋白或糖脂質(zhì)糖鏈而構(gòu)成感染的,正常腸道菌群在腸黏膜表面形成一層菌膜屏障,能產(chǎn)生細(xì)胞外糖苷酶,降解上皮細(xì)胞上作為潛在致病菌及內(nèi)毒素結(jié)合受體的復(fù)雜多糖,競爭性地抑制腸道內(nèi)源性及外源性潛在致病菌對腸上皮細(xì)胞的黏附及定植,促使它們離開感染的腸道。3.4免疫組化檢測細(xì)胞免疫功能胃腸道內(nèi)某些微生物能夠激活機(jī)體吞噬活性,提高機(jī)體抗感染能力。通常認(rèn)為,胃腸道產(chǎn)生免疫作用主要依賴于原籍菌群,細(xì)菌及其裂解產(chǎn)物可激活淋巴細(xì)胞和促進(jìn)淋巴細(xì)胞因子分泌,增強(qiáng)免疫系統(tǒng)對惡變細(xì)胞的識別能力和抗感染能力的作用。有研究表明,無菌動(dòng)物的體液免疫、細(xì)胞免疫功能均低于普通動(dòng)物。如無菌動(dòng)物血液中γ球蛋白含量降低,基本測不出分泌型IgA。無菌小鼠血液中的IgG含量僅為普通小鼠的1/10無菌動(dòng)物淋巴細(xì)胞增殖能力很低,漿細(xì)胞形成受抑制,細(xì)胞免疫反應(yīng)能力弱。這說明正常微生物不僅能刺激機(jī)體免疫器官的發(fā)育,而且對增強(qiáng)機(jī)體特異性細(xì)胞和體液免疫是不可缺少的。3.5小分子物質(zhì)聯(lián)合其它正常菌群可產(chǎn)生分解糖、脂肪、蛋白質(zhì)和纖維素等營養(yǎng)物質(zhì)的消化酶,從而促進(jìn)其分解為小分子物質(zhì),有利于機(jī)體吸收。比如雙歧桿菌和乳酸桿菌等益生菌可利用本身所特有的一些酶類(如半乳糖苷酶等)來補(bǔ)充宿主在消化酶上的不足,幫助分解消化道內(nèi)未被充分水解吸收的營養(yǎng)物質(zhì)。腸道微生物還可以明顯的促進(jìn)亞油酸的吸收,促進(jìn)膽固醇向類固醇的轉(zhuǎn)化。3.6硫化酶對肝腸循環(huán)的作用胃腸道菌群通過細(xì)菌酶的化學(xué)反應(yīng)對外源性及內(nèi)源性的物質(zhì)進(jìn)行代謝。細(xì)菌的β葡萄糖醛酸酶、硫化酶對許多化合物的肝腸循環(huán)起重要作用。膽紅素、膽汁酸、雌激素、膽固醇等的肝腸循環(huán)中,胃腸道微生物參與了其大部分過程。胃腸道微生物的改變影響著肥胖