肠道微生物菌群的生物学意义
谢飞 南京农业大学
营养学研究表明，人体肠道内寄居着大量的微生物，其主要定植于盲肠和结肠，种类大约有数百种之多。肠道内栖息的菌群是微生物与宿主在长期进化过程中双向选择的结果，其中以拟杆菌门和厚壁菌门两大类为主。这些数量巨大的菌群参与了宿主许多的生理生化反应，包括在肠道水平下对病原体的防御作用、通过分子机制和代谢产物对机体进行免疫调节、促进肠道微绒毛的生长、不能被消化的膳食纤维等的酵解(如抗性淀粉或寡糖)及一些维生素的合成(如维生素B]2和维生素K)。因此，在某种程度上可以将肠道菌群看作是具有多种调节功能的“体外器官”。
1.肠道微生物菌群参与机体代谢
畜牧研究发现，结肠微生物菌群的主要代谢功能是对食物残渣以及肠道上皮细胞分泌的勃液进行发酵分解，基因的多样性使肠道菌群为宿主提供多种不同的酶与生化途径，由此产生的一些复杂代谢产物对宿主而言是能量和可吸收底物的回收，同时也为细菌自身的生长与繁殖提供了能量和营养。
在结肠，碳水化合物在微生物的作用下，发酵生成短链脂肪酸，而非消化性碳水化合物主要为多糖和某些逃避了消化的单糖，它们代谢的终产物也多为短链脂肪酸(SCFA);蛋白质和肤类物质在菌群作用下也进行无氧代谢，产物也多为短链脂肪酸，但在反应过程中也会产生一系列的潜在毒性物质，如氨、胺、苯酚、琉基化合物以及叫睬。对于成人，结肠每天消化大约20一609糖类和5一209蛋白质。在盲肠和右结肠，细菌的发酵反应很强烈，产生大量的短链脂肪酸，导致肠道呈酸性环境，pH值为5一6，并且细菌生长繁殖迅速;然而，在左钡U和远端结肠，发酵反应产物很少，pH接近中性，细菌生长多处于静止状态。结肠菌群在维生素的合成以及钙、铁、镁等离子吸收方面也发挥重要的作用。通过碳水化合物的发酵，其短链脂肪酸产物，特别是乙酸盐，丙酸盐和丁酸盐能促进盲肠对无机离子的吸收。而所有这些脂肪酸产物对宿主也有着重要的生理功能:丁酸盐是结肠上皮细胞的主要能量来源，几乎全被吸收利用，丙酸盐和乙酸盐通过门静脉进入体内，它们最终被肝脏(丙酸盐)或外周组织(乙酸盐)分解代谢。
2.肠道微生物菌群参与机体能量平衡
Backhed等研究首次发现了肠道菌群作为一个环境因素能够调节机体的能量储备，结果显示:普通小鼠与无菌小鼠相比，全身脂肪含量多40%，性腺脂肪含量多47%，试验还发现普通小鼠的摄食量比无菌小鼠低;同时，研究者在无菌小鼠肠道定植普通小鼠肠道菌群后，无菌小鼠2周内体重增加了60%，血糖升高并产生胰岛素抵抗。这些都暗示了肠道菌群能够参与机体的能量代谢。Ley等在动物实验中也发现，肥胖症与肠道菌群的改变也存在某种相关。运用分子生物学手段，通过对细菌特异性的 165rRNA基因测序来鉴定肠道菌群，发现肥胖型小鼠肠道内类杆菌比非肥胖型小鼠减少50%，而硬壁菌则相应增加，表明了肠道菌群的改变能够影响肥胖型小鼠与非肥胖型小鼠的能量吸收。对于肥胖个体，调整肠道菌群结构也许能够成为是一种调节机体能量吸收的有效手段。Ley等通过12位肥胖者与非肥胖对照组，比较了肥胖人群与非肥胖人群远端结肠菌群的差异，发现肥胖者远端结肠内类杆菌比对照组明显减少，而硬壁菌则相应增加，而且肥胖者体重减轻1年后，硬壁菌的比例变得与非肥胖者相似。这些从动物和人体研究中得出的结论，说明了肥胖机体出现了肠道菌群改变，但是肠道菌群的改变是否导致了机体的肥胖呢?为了验证这一假说，Ley等进行了另一实验，将肥胖型小鼠和非肥胖型小鼠的肠道菌群分别定植于两组非肥胖型无菌小鼠肠道，2周后发现，定植肥胖型小鼠肠道菌群的无菌小鼠，比起另一组小鼠，体重增加，这充分说明了小鼠体重的增加可能归因于肠道菌群的不同。
然而，肠道菌群促进体重的变化的观点也存在着争议。由于尚不清楚机体能量吸收的细微变化是否能引起有意义的体重改变，因此，相关方面的研究也在正成为该领域的研究热点。
3.肠道微生物菌群参与机体免疫代谢
动物的非特异性免疫应答，主要依靠机体的屏障作用发挥生理作用。非特异性免疫应答系统主要包括正常菌群、机体的皮肤粘膜、补体等体液因子、吞噬细胞等;其中肠道菌群与肠道勃膜发挥重要的作用，肠道勃膜是肠道免疫系统与外环境之间的主要界面，而肠道勃膜表面菌群与宿主的相互作用对机体肠道免疫系统的发育、成熟十分重要。Butler等研究发现无菌动物肠勃膜中淋巴细胞数量少、滤泡结构小，循环中免疫球蛋白浓度低。进一步的研究发现，菌群在无菌动物肠道定植后，肠道相关淋巴组织的构成出现改变，肠上皮淋巴细胞增加，滤泡和勃膜固有层中的B淋巴细胞增多，血清中免疫球蛋白浓度升高。
动物出生时的肠道是无菌的，肠道菌群定植开始于出生后，菌群的发展和肠勃膜屏障的建立是一个渐进而互动的过程。一般认为，肠道产生免疫作用依赖于原籍菌群。肠道菌群是肠勃膜屏障重要的组成部分，包括其参与构成机械屏障、菌群与勃膜共价结合、与机体产生的酶和活性肤以及代谢产物共同组成化学屏障、免疫激活作用产生IgA和IgM及其各种免疫活性细胞和细胞因子等。对营养不良的鼠喂以乳杆菌测定小肠免疫球蛋白分泌细胞、上皮层内的淋巴细胞、杆细胞和杯状细胞的结构和超微结构，发现由营养不良导致的肠勃膜屏障和勃膜免疫功能损害，可以通过L.oasei的补充而恢复。而Medsen等用益生菌治疗IL-10基因缺陷鼠的大肠炎，发现益生菌对肠勃膜屏障功能有上调作用。
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