腸道微生物生態(tài)系統(tǒng)的研究進(jìn)展

胃微生物生態(tài)系統(tǒng)是人和動(dòng)物體內(nèi)最復(fù)雜、最具生態(tài)系統(tǒng)的微生態(tài)系統(tǒng)。據(jù)推測(cè)，成人體內(nèi)含有500多種細(xì)菌。新生兒出生時(shí)胃腸道是無(wú)菌的,免疫系統(tǒng)幾乎沒有發(fā)育,但很快有種類繁多的細(xì)菌定植。隨著細(xì)菌的定植,腸道菌群的建立,刺激機(jī)體產(chǎn)生大量的淋巴細(xì)胞和淋巴組織,促進(jìn)全身免疫系統(tǒng)和黏膜免疫系統(tǒng)的正常發(fā)育并逐步成熟,這其中也包括腸相關(guān)淋巴組織(gut-associatedlymphoidtissues,GALTs)的發(fā)育和成熟。GALTs發(fā)育成熟的結(jié)果是對(duì)腸道原籍菌群的耐受和對(duì)病原菌的免疫反應(yīng)。近年來(lái)隨著分子生物學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)腸道菌群與腸道免疫關(guān)系與作用機(jī)制有了進(jìn)一步的了解,其在炎癥性腸炎、過敏性疾病、抗生素相關(guān)性腹瀉等疾病的發(fā)生發(fā)展中起了重要作用。1腸道微生態(tài)特性腸道微生態(tài)系統(tǒng)是機(jī)體最龐大、最重要的微生態(tài)系統(tǒng)。健康成人的腸道棲息著1014個(gè)細(xì)菌,是人體細(xì)胞總數(shù)的10~20倍,有多達(dá)近500余種細(xì)菌,其重量約1kg,每1克大便的細(xì)菌數(shù)量達(dá)到1012。大量腸道細(xì)菌主要位居于結(jié)腸和遠(yuǎn)端小腸,胃、十二指腸、空腸及回腸上端細(xì)菌較少。腸道微生物群落可分為三大部分:(1)與宿主共生的生理性細(xì)菌,為專性厭氧菌,是腸道的優(yōu)勢(shì)菌群,占到99%~99.9%,如雙歧桿菌、類桿菌、優(yōu)桿菌和消化球菌等是腸菌群的主要構(gòu)成者;(2)與宿主共棲的條件致病菌,以兼性需氧菌為主,為腸道非優(yōu)勢(shì)菌群,如腸球菌、腸桿菌,在腸道微生態(tài)平衡時(shí)是無(wú)害的,在特定的條件下具有侵襲性,對(duì)人體有害;(3)病原菌,大多為過路菌,長(zhǎng)期定植的機(jī)會(huì)少,生態(tài)平衡時(shí),這些菌數(shù)量少,不會(huì)致病,如果數(shù)量超出正常水平,則可引起人體發(fā)病,如變形桿菌、假單胞菌和韋氏梭菌等。腸道眾多的益生菌和共生菌在腸道黏膜形成具有十分重要作用的菌膜,正常情況下,腸道黏膜菌群的表層主要是大腸埃希菌和腸球菌,它們附著在腸黏膜的表面稱腔菌群,可以游動(dòng),屬于兼性厭氧或需氧菌;中層是類桿菌為主的兼性厭氧菌;深層即緊貼黏膜上皮者為雙歧桿菌和乳酸桿菌。以雙歧桿菌、乳酸桿菌為主的專性厭氧菌與腸黏膜上皮表面特異性受體相結(jié)合,形成組分相當(dāng)固定的菌膜結(jié)構(gòu)和生物屏障,構(gòu)成腸道定植抗力,可有效地抵御過路菌對(duì)機(jī)體的侵襲。雙歧桿菌等益生菌對(duì)人體的生長(zhǎng)發(fā)育、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝、免疫賦活、預(yù)防疾病、維護(hù)腸壁吸收分泌功能、合成機(jī)體必需的一些維生素和微量元素、抵御致病菌侵入、分解代謝腸道中的有害物質(zhì)、參與膽紅質(zhì)的腸肝循環(huán)、維護(hù)肝臟功能及保護(hù)機(jī)體健康等方面起到不可取代的作用。兒童腸道微生態(tài)的特點(diǎn)嬰幼兒時(shí)期因?yàn)槟c道免疫功能不健全,而且腸道菌群也處于生理性演替過程中,其腸道定植抗力等生理功能也處于相對(duì)不穩(wěn)定時(shí)期,年齡越小,特別是嬰幼兒腸道微生態(tài)平衡穩(wěn)定性非常脆弱,容易受到各種因素(如分娩方式、喂養(yǎng)方式、年齡、生活習(xí)慣、衛(wèi)生環(huán)境、過敏、疾病和抗生素的應(yīng)用等)的影響,導(dǎo)致嚴(yán)重的腸道微生態(tài)紊亂。兒童腸道微生態(tài)平衡紊亂主要表現(xiàn)于:一方面以雙歧桿菌為主的益生菌數(shù)量明顯減少,各菌群之間正常比例嚴(yán)重失調(diào);另一方面腸道正常菌的轉(zhuǎn)移和一些機(jī)會(huì)菌(主要是過路菌)大量的生長(zhǎng)繁殖引起疾病。當(dāng)腸道菌群的種類、數(shù)量和比例發(fā)生異常變化,偏離正常的生理組合,轉(zhuǎn)變?yōu)椴±硇越M合狀態(tài),即出現(xiàn)菌群失調(diào),引起許多相關(guān)疾病。2對(duì)食物掃描信號(hào)的作用和腸道菌群的建立、定植和演替一樣,出生時(shí)GALTs的活性較低,與新生兒期間,全身免疫系統(tǒng)短時(shí)間不成熟是一致的。新生兒生后,其外周血中幾乎測(cè)不到分泌IgA的B型漿細(xì)胞——推測(cè)這種B細(xì)胞是由GALTs衍生出來(lái),然后隨血流到達(dá)黏膜效應(yīng)部位。1個(gè)月后,這些細(xì)胞顯著增加,12個(gè)月后達(dá)到最高峰值。這就意味著有持續(xù)不斷的微生物和外界環(huán)境對(duì)GALTs的刺激所致。無(wú)菌鼠的PP結(jié)(Peyer′spatches)發(fā)育程度低下:僅有極少的生發(fā)中心,數(shù)量很少的淋巴細(xì)胞,主要是CD4+T細(xì)胞、α-βTCRCD8+細(xì)胞和分泌IgA漿細(xì)胞;脾臟和淋巴結(jié)的少有B-和T-細(xì)胞帶或區(qū)域,異常內(nèi)皮微血管的過度增生,以致結(jié)構(gòu)不完整。正常的口服飲食抗原免疫耐受能力缺失?；謴?fù)大齡無(wú)菌鼠的正常腸道菌群,食物抗原的免疫耐受功能依舊缺失。這說明在很早的初級(jí)階段,腸道菌群的建立、定植和成熟,對(duì)先天免疫系統(tǒng)和獲得免疫的啟動(dòng)有著極其重要的作用。的確腸道菌群通過“入侵”腸上皮細(xì)胞和M細(xì)胞,對(duì)GALTs的發(fā)育起著很重要的作用。GRONLUND等研究0~6個(gè)月的健康的新生兒時(shí),發(fā)現(xiàn)腸道內(nèi)脆弱類桿菌和雙歧桿菌定植的時(shí)間越早,外周血中IgA定向細(xì)胞的含量可以越早地被檢測(cè)到;隨著腸內(nèi)脆弱類桿菌和雙歧桿菌數(shù)目的增加,外周血中的IgA定向細(xì)胞的數(shù)量也逐漸增加。GALTs在未成熟的初期,允許有2種顯著對(duì)立作用:(1)適度、恰當(dāng)?shù)尼槍?duì)病毒和細(xì)菌病原體的炎癥反應(yīng)調(diào)控免疫防御機(jī)制的發(fā)育;(2)促進(jìn)對(duì)食物抗原產(chǎn)生免疫耐受的極其復(fù)雜的免疫機(jī)制。在嬰兒期的腸道菌群不斷的、進(jìn)行的構(gòu)建和演替過程中,GALTs對(duì)這些復(fù)雜的腸道菌群產(chǎn)生耐受的同時(shí),也有助于免疫系統(tǒng)誘導(dǎo)產(chǎn)生上述2種功能。3腸道黏膜確定腸道黏膜免疫系統(tǒng)是由免疫反應(yīng)啟動(dòng)的有高度器官化場(chǎng)所和分散在固有層和腸上皮間的效應(yīng)淋巴細(xì)胞等兩部分組成的防御系統(tǒng)。外來(lái)的抗原物質(zhì),如細(xì)菌、病毒、食物中的大分子蛋白質(zhì)等被攝入到GALTs(如PP結(jié))和腸壁淋巴結(jié)內(nèi),這些高度器官化的二級(jí)淋巴器官結(jié)構(gòu)是誘導(dǎo)腸特異性免疫的主要部位。被抗原激活的B細(xì)胞和T細(xì)胞從誘導(dǎo)場(chǎng)所通過淋巴引流管遷移到腸系膜淋巴結(jié),然后進(jìn)入血液循環(huán),隨著血流最后再歸巢到黏膜效應(yīng)部位。這些效應(yīng)部位是由抗原特異性的T細(xì)胞和B細(xì)胞、分化的漿細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞(DC)以及嗜酸性粒細(xì)胞、嗜堿性粒細(xì)胞和肥大細(xì)胞等組成。總之,黏膜免疫系統(tǒng)的誘導(dǎo)部位和效應(yīng)部位產(chǎn)生黏膜和血清抗體反應(yīng),T細(xì)胞介導(dǎo)免疫,局部免疫刺激或免疫抑制介質(zhì)以及系統(tǒng)免疫無(wú)能(systemicanergy)。PP結(jié)位于腸黏膜下,是誘導(dǎo)腸特異性免疫的主要場(chǎng)所。在PP結(jié)圓頂區(qū)上分布有微皺褶細(xì)胞(microfoldcell,M細(xì)胞)。M細(xì)胞攝取和轉(zhuǎn)運(yùn)腸腔的抗原,如腸道病原菌、腸道原籍菌、病毒、食物中的抗原等到腸上皮下圓頂區(qū),在此進(jìn)行抗原處理和誘導(dǎo)特異性的免疫反應(yīng)。圓頂區(qū)內(nèi)有以B細(xì)胞為主的生發(fā)中心淋巴慮泡和以T細(xì)胞、巨噬細(xì)胞以及DC的濾泡間區(qū)。生發(fā)中心內(nèi)含大量增殖淋巴母細(xì)胞,多數(shù)為IgA+細(xì)胞,另外含有以下包括TGF-β、IL-10以及由DCs釋放的細(xì)胞信使和CD+CD40L+T細(xì)胞(促使同源的IgM細(xì)胞轉(zhuǎn)換為IgA+細(xì)胞)。在濾泡間區(qū)的T細(xì)胞包括CD4+和CD8+T細(xì)胞,95%以上的T細(xì)胞表達(dá)αβTCR,而一小部分表達(dá)γδTCR,在PP結(jié)中50%~60%αβTCRT細(xì)胞是CD4+(輔助)T細(xì)胞,剩下的是CD8+(細(xì)胞毒/抑制)T細(xì)胞。腸道黏膜免疫系統(tǒng)的防御機(jī)制是非常復(fù)雜的,除腸道的內(nèi)環(huán)境非常復(fù)雜外,還需要依靠嚴(yán)格的調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)區(qū)分來(lái)自于腸道內(nèi)環(huán)境中的危險(xiǎn)信號(hào)和無(wú)害信號(hào)。在生物體的腸道黏膜免疫系統(tǒng)持續(xù)地受到包括病原體、食物蛋白和共生菌群在內(nèi)的信號(hào)刺激,對(duì)于無(wú)害信號(hào)刺激,GALT或是保持一種低反應(yīng)性的免疫監(jiān)視狀態(tài),或是調(diào)動(dòng)免疫耐受機(jī)制;而對(duì)于危險(xiǎn)信號(hào),GALTs則及時(shí)反應(yīng)將其清除,從而維持腸道內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。腸道內(nèi)有大量的微生物定居,腸道生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期進(jìn)化最終導(dǎo)致GALTs下調(diào)針對(duì)正常存在的共生菌群的固有炎癥反應(yīng),有人把它稱之為“生理性炎癥”。GALT對(duì)共生菌的低反應(yīng)性主要是由共生菌自身的特點(diǎn)、小腸上皮細(xì)胞(intestinalepithelialcell,IEC)表面的特性及腸道黏膜固有層(laminapropria,LP)內(nèi)免疫細(xì)胞的特點(diǎn)等三個(gè)方面的因素所決定。(1)共生菌自身的特點(diǎn):與致病菌不同,共生菌不能表達(dá)粘蛋白酶及黏附、定居和侵入因子,因此不能分解腸道內(nèi)保護(hù)性的粘液層,小腸蠕動(dòng)形成的粘液層流可以將共生菌沖離腸道表面,使其不能粘附IEC,破壞上皮屏障。(2)IEC表面缺少識(shí)別共生菌病原相關(guān)分子模式(pathogen-associatedmolecularpattern,PAMP)的Toll樣受體(Tolllikereceptor,TLR),如TLR2、TLR4、MD2和CD14,因此不能有效地識(shí)別共生菌的PAMP。研究發(fā)現(xiàn),誘導(dǎo)活化細(xì)胞核受體過氧化物酶體增殖子活化受體γ(proliferator-activatedreceptor-γ,PPAR-γ)可抑制TLR誘導(dǎo)的NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)通路,從而抑制了炎癥反應(yīng)的發(fā)生。(3)LP內(nèi)含有特殊的耐受性DC、巨噬細(xì)胞和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞,這些免疫細(xì)胞可以產(chǎn)生許多抗炎癥的細(xì)胞因子,從而下調(diào)針對(duì)共生菌的固有炎癥反應(yīng),維持了腸道內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定。對(duì)于正常的食物蛋白,腸道黏膜免疫系統(tǒng)主要通過由調(diào)節(jié)性T細(xì)胞介導(dǎo)的主動(dòng)抑制和抗原特異性T細(xì)胞克隆無(wú)反應(yīng)或缺失(clonalanergyordeletion)等機(jī)制誘導(dǎo)的口服耐受來(lái)防止對(duì)食物蛋白的過敏反應(yīng)。GALTs針對(duì)病原體引發(fā)的危險(xiǎn)信號(hào)的反應(yīng)起始于PP結(jié)、腸系膜淋巴結(jié)或小腸黏膜中的孤立淋巴濾泡。病原體主要是通過M細(xì)胞進(jìn)行攝取,并呈遞到抗原呈遞細(xì)胞(antigen-presentingcell,APC),APC繼而將抗原呈遞到黏膜內(nèi)的淋巴細(xì)胞,活化的淋巴細(xì)胞在歸巢受體的介導(dǎo)下到達(dá)效應(yīng)組織。在效應(yīng)位點(diǎn)處,抗原起始的免疫球蛋白A(IgA)B細(xì)胞分化成為IgA漿細(xì)胞,并向腸腔內(nèi)分泌大量的抗原特異性的二聚化或多聚化的IgA,以捕獲和清除腔內(nèi)的抗原。另外,效應(yīng)組織中還含有多種T細(xì)胞亞型,表現(xiàn)出輔助、調(diào)節(jié)和細(xì)胞毒性T淋巴細(xì)胞(CTL)等活性,以完成和調(diào)節(jié)黏膜表面保護(hù)性的免疫反應(yīng)。同時(shí),黏膜組織攝取的抗原還可以進(jìn)入淋巴循環(huán),誘導(dǎo)全身性免疫反應(yīng)的發(fā)生。對(duì)于小腸過量的共生菌,這種危險(xiǎn)信號(hào)可以被隱窩內(nèi)上皮細(xì)胞表面的TLR和NOD2/CARD15分子識(shí)別,繼而引發(fā)固有免疫反應(yīng),誘導(dǎo)潘氏細(xì)胞(panethcell)分泌抗菌多肽,清除過量存在的微生物體。4益生菌的增加益生菌是活的微生物,作為食物的一部分,攝取足夠的量可以對(duì)宿主的健康產(chǎn)生有益影響,。常見菌種:乳酸桿菌和雙歧桿菌。益生菌應(yīng)具有以下特點(diǎn):非致病性,不被機(jī)械消化過程所破壞,不被胃酸和膽汁消化,可粘附于腸道上皮或在腸道內(nèi)形成暫時(shí)細(xì)菌集落,對(duì)宿主有益處。益生菌有益作用:降低腸壁滲透性,增加腸黏膜對(duì)細(xì)菌及細(xì)菌產(chǎn)物的屏障作用,調(diào)整腸道菌群平衡,預(yù)防致病菌種植于腸黏膜,調(diào)節(jié)局部和全身免疫,增加抗炎細(xì)胞因子產(chǎn)生。4.1炎癥性腸疾病(InflammatoryBowelDisease,IBD)是發(fā)病機(jī)制與免疫有關(guān)的一組腸道炎癥疾病。主要包括Crohn病和潰瘍性結(jié)腸炎。目前認(rèn)為,IBD的產(chǎn)生與腸道菌群失調(diào)及宿主對(duì)腸道內(nèi)的菌群不耐受有關(guān)。巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞和炎癥細(xì)胞因子的活化是IBD的早期表現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn),IBD患者厭氧菌的濃度雖沒大的改變,但雙歧桿菌數(shù)量顯著下降,普通類擬菌和脆弱擬桿菌數(shù)量上升;潰瘍性結(jié)腸炎病人發(fā)病期較靜止期厭氧菌和乳酸桿菌數(shù)量顯著下降。與健康者比較,UC患者體內(nèi)有高水平的抗正常菌群的黏膜IgG,而乳酸桿菌和雙歧桿菌明顯減少,。腸道菌群的失衡導(dǎo)致宿主耐受腸道菌群的能力下降、腸道屏障功能削弱,細(xì)菌附著而導(dǎo)致黏膜清除力下降、調(diào)節(jié)能力減低,引起上述巨噬細(xì)胞、T淋巴細(xì)胞和炎癥細(xì)胞因子的活化,因而與IBD的發(fā)生有關(guān)。在HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠中,單一的普通擬桿菌即可引起結(jié)腸炎。研究證實(shí)N0D2/CARD15是與CD密切相關(guān)的基因,它由兩個(gè)caspase恢復(fù)區(qū)域(caspaserecruitmentdomain,CARD)、一個(gè)核苷酸結(jié)合區(qū)域(nucleotide-bindingdomain,NBD)和一個(gè)富有亮氨酸的重復(fù)區(qū)域(1eucin-rich-repeat,LRR)構(gòu)成。其中LRR與細(xì)菌的肽聚糖結(jié)合,其缺失可激發(fā)和活化NF-κB途徑?；加蠧D樣結(jié)腸炎的IL-10基因缺陷小鼠體內(nèi),移生細(xì)菌的種類和水平均有顯著改變,添加VSL#3益生菌混合物可使腸道屏障功能恢復(fù)。通過益生菌治療以維持腸道正常菌群和減少腸黏膜炎癥。GUSLANDI等,將32例臨床緩解的CD患者隨機(jī)分為2組,一組用美沙拉嗪1gtid治療,另一組用美沙拉嗪1gtid加布拉地酵母菌(Saccharomycesboulardii)1g/d治療,療程均為6個(gè)月,結(jié)果前者復(fù)發(fā)率為37.5%,而后者僅為6.25%。4.2對(duì)于過敏性疾病的研究,以往認(rèn)為遺傳和環(huán)境因素相互作用決定著疾病的表現(xiàn)和發(fā)展。目前一些研究表明,小兒過敏性疾病的發(fā)生與小兒免疫形成初始化過程有關(guān),腸道菌群結(jié)構(gòu)的變化對(duì)過敏性疾病的發(fā)生發(fā)展起重要作用。BJORKSTEN等,的研究顯示過敏兒童腸道中需氧菌特別是大腸埃希菌和金黃色葡萄球菌數(shù)量多而乳酸桿菌和雙歧桿菌數(shù)量少。過敏性疾病的發(fā)生發(fā)展與腸道菌群失衡有關(guān)。眾多研究表明,腸道中雙歧桿菌、類桿菌可抵抗過敏性疾病的發(fā)生。腸菌群結(jié)構(gòu)中梭狀芽孢桿菌比例增加,過敏性疾病的發(fā)生率增加。原因是:(1)梭狀芽胞桿菌抑制Th1型免疫應(yīng)答;(2)破壞口服免疫耐受;(3)梭狀芽孢桿菌可引起腸道組織的炎癥,導(dǎo)致黏膜屏障的通透性增加,促進(jìn)過敏物質(zhì)的穿透。嬰兒期補(bǔ)充益生菌會(huì)對(duì)兒童期后的疾病,如過敏性疾病、哮喘、Ⅰ型糖尿病等自身免疫性疾病產(chǎn)生預(yù)防作用。KALLIONAKI等,進(jìn)行的隨機(jī)雙盲安慰劑對(duì)照臨床研究,150名母親和嬰兒參與了該項(xiàng)研究,孕婦產(chǎn)前2周給予益生菌(鼠李糖乳酸桿菌,LGG),產(chǎn)后嬰兒服用6個(gè)月,結(jié)果表明與安慰劑組比較,益生菌組兒童生后2年內(nèi)發(fā)生特應(yīng)性疾病的風(fēng)險(xiǎn)率降低50%。表明益生菌可以預(yù)防過敏性疾病的發(fā)生。MAJAMAISOLAURI等,采用雙盲隨機(jī)對(duì)照研究,給患有濕疹和對(duì)牛奶過敏的小兒服用部分水解乳清蛋白+乳酸桿菌配方奶為治療組,對(duì)照組只服用部分水解乳清蛋白,發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌可以改善過敏性皮炎的癥狀,降低腸道炎性物質(zhì)如a-抗胰蛋白酶和NTF-a的濃度。4.3抗生素相關(guān)性腹瀉(AAD)是指臨床使用抗生素后導(dǎo)致患者腸道正常菌群紊亂基礎(chǔ)上發(fā)生的腹瀉。同時(shí),AAD也應(yīng)包括由于抗生素本身直接或間接損傷腸道功能所致腹瀉?？股貙?duì)腸道微生態(tài)的影響表現(xiàn)為:腸道各正常菌群之間比例失衡,益生菌明顯下降,機(jī)會(huì)病原菌不斷增多,菌群轉(zhuǎn)移(移位),腸道免疫下降,致病菌