胃腸道微生物和健康的關(guān)系優(yōu)秀課件

第十三章胃腸道微生物和健康的關(guān)系

在西方國家，由于濫用抗生素和膳食不正常引起的胃腸道微生物菌群的變遷與過敏癥和哮喘密切相關(guān)。這些微生物菌群（微生物區(qū)系）在粘膜耐受，包括呼吸道的發(fā)育過程中起著關(guān)鍵性的調(diào)節(jié)作用。應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的是這些微生物在胃腸道發(fā)育、免疫應(yīng)答和炎癥性胃腸道疾病發(fā)生過程中所起的作用。本章將主要概述胃腸道微生物在進(jìn)食以后的發(fā)酵過程和功能，微生物系統(tǒng)對胃腸內(nèi)腔中的過敏原（變應(yīng)原）免疫耐受，并提出一個問題：胃腸道微生物是免疫系統(tǒng)的重要調(diào)控者嗎？第一節(jié)腸道微生物菌群和變應(yīng)原

在發(fā)達(dá)國家，過敏性呼吸道疾病的發(fā)病率比過去四十年有了顯著的提高。在美國、加拿大、英國、愛爾蘭、新西蘭和澳大利亞等地，13~14歲的兒童普遍患有此類疾病，而且發(fā)病率高達(dá)22%~32%。然而，在過去的四十年中，哮喘病的發(fā)病率在發(fā)展中國家并沒有多大變化。根據(jù)現(xiàn)在哮喘病發(fā)病范圍的不同（發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家），哮喘癥發(fā)病率的增加，會出現(xiàn)兩種不同的發(fā)展趨勢，這就表明了生活環(huán)境的變化是哮喘病發(fā)展的重要因素。這些觀察結(jié)果，最終引發(fā)了關(guān)于過敏病和哮喘癥的“衛(wèi)生假說”，這一假說認(rèn)為：如果在生命的早期缺乏微生物刺激，那么在接下來的生命中會導(dǎo)致對無害抗原產(chǎn)生異常的免疫應(yīng)答。然而，關(guān)于這一假說有兩種可能的解釋，在西方國家中，濫用抗生素或飲食習(xí)慣的不同都有可能導(dǎo)致胃腸道微生物菌群的漲落和變遷，而這種變化會破壞免疫耐受的發(fā)展機(jī)制。包括關(guān)于發(fā)達(dá)國家濫用抗生素與哮喘癥和/或過敏癥之間的關(guān)系，以及微生物菌群的漲落與變遷和過敏癥發(fā)生之間的關(guān)系等很多資料都支持這種關(guān)于“微生物系統(tǒng)漲落與變遷”的解釋。無菌動物在免疫應(yīng)答發(fā)生過程中顯示出很多缺陷和不足，所以抗生素誘導(dǎo)胃腸道微生物菌群發(fā)生漲落和變遷是哮喘發(fā)病的一個重要因素。一、抗生素、膳食以及嬰幼兒飲食對腸道微生物的影響1、抗生素抗生素對腸道微生物的下游效應(yīng)依賴于幾種藥理學(xué)變化。然而，腸道微生物定植抵抗能力（由伺機(jī)性病原菌抵抗定植）的缺乏是由大多數(shù)抗生素治療所產(chǎn)生的一種常見的副作用。在人和動物模型中，抗生素治療會導(dǎo)致有益厭氧菌（例如，雙歧桿菌屬、乳酸菌和類桿菌屬）的長期減少而增加一些潛在的有害微生物的繁殖（例如，革蘭氏陰性需氧菌、厭氧病原菌、難辨梭狀芽孢桿菌和白色念珠酵母菌）?？股刂委熯€能夠降低短鏈脂肪酸的水平，長期的抗生素治療能夠?qū)е?6srRNA微生物指紋圖譜發(fā)生顯著變化，指紋圖譜的變化能反映微生物構(gòu)成的變化。3、嬰幼兒飲食一個世紀(jì)以前，科學(xué)家作了關(guān)于這方面的第一個實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)飲用母乳和飲用牛奶的嬰幼兒胃腸道內(nèi)微生物的組成存在差異。這個結(jié)論是通過對不同時期嬰幼兒胃腸道中微生物的定植情況進(jìn)行觀察而得出的，并且得到了反復(fù)印證。兩種飲食攝生法的最大差別是，飲用母乳的嬰幼兒微生物的主要組成為乳酸菌，而飲用牛奶的嬰幼兒腸道微生物組成卻有所不同，主要是厭氧細(xì)菌和需氧細(xì)菌的混合物，推測這和母乳中的抗體組成和細(xì)胞因子組成有很大關(guān)系，當(dāng)然也與其蛋白質(zhì)和各種營養(yǎng)有關(guān)。近來的研究主要集中在微生物群體對腸道發(fā)育的影響，以及免疫系統(tǒng)如何適應(yīng)胃腸道中微生物的存在。研究的重點(diǎn)是腸道微生物在引發(fā)炎癥性疾病中的作用，例如炎癥性腸疾病和關(guān)節(jié)炎。本節(jié)著重論述在接受外源性抗原刺激時，腸道微生物在維持黏膜免疫耐受中所起的作用。二、正常微生物菌群：特點(diǎn)和發(fā)育胃腸道管中微生物定植的過程會導(dǎo)致一系列的生態(tài)演替，最終導(dǎo)致穩(wěn)定的微生物菌群（微生物區(qū)系）的建立，這個穩(wěn)定的微生物菌群對不同的個體具有唯一性。穩(wěn)定的微生物群體由固有種（永久成員）和外來種（從外來物種暫時獲得的短暫定居者）組成。這種微生物菌群由400~1000個種組成，大約有60%的微生物在胃腸道以外的環(huán)境是不可培養(yǎng)的。然而，這些菌中已被證實(shí)僅有30~40種微生物。胃腸道中既存在真核微生物也存在原核微生物，細(xì)菌起主導(dǎo)作用。大部分細(xì)菌是嚴(yán)格厭氧菌（97%），而僅有3%為需氧菌（耐氧厭氧菌）。微生物群體組成的不同不僅表現(xiàn)在沿著胃腸腔的長度有所變化，更具代表性的是定居在胃腸道粘膜和內(nèi)腔中微生物數(shù)量的不同。根據(jù)濃度定量，胃腸道內(nèi)最普遍的厭氧菌是類桿菌屬，雙歧桿菌屬，真桿菌屬，梭形桿菌屬，梭狀芽胞桿菌屬和乳酸菌。需氧菌中有革蘭氏陰性腸細(xì)菌（大腸桿菌屬和沙門氏菌屬）和革蘭氏陽性球菌屬（腸球菌、葡萄球菌和鏈球菌）。除需氧細(xì)菌外，需氧真菌種屬，如白色念珠菌屬，也是正常微生物菌群的成員。圖13.1腸道系統(tǒng)的微生物系統(tǒng)分類。每一個樣品的每一個細(xì)菌系統(tǒng)類型的序列數(shù)目。Y軸表示相鄰的遺傳系統(tǒng)分類樹中各分類單位的代表的合并點(diǎn)(分枝點(diǎn))。該項(xiàng)研究共有395個系統(tǒng)類型；每一行是一個不同的系統(tǒng)類型。共有7個微生物門：似細(xì)菌門(Bacteroidetes),非變形菌門(non-Alphaproteobacteria)、未明確分類的藍(lán)藻菌近緣微生物門(Cyanobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、梭桿菌門(Fusobacteria)和阿爾法蛋白細(xì)菌門(Alphaproteinobacteria),全部列在圖的上部。在系統(tǒng)分類樹中用不同的顏色表示出來。對于每一個系統(tǒng)分類類型用刻度的灰色值表示出其菌落豐度。圖13.3人類消化道(GI)中各種細(xì)菌的豐度估算。主要依據(jù)16SrRNA基因序列的變異水平。分布在“屬”以下水平的同源性為95%，“種”以下水平的同源性為98%，到菌株水平只有基于獨(dú)特的序列。計(jì)算依據(jù)于GenBank數(shù)據(jù)庫，各分類單位則同源性分布于80~100%之間。1、真菌微生物：白色念珠菌在人體中最主要的真菌微生物種屬是酵母白色念珠菌。它極少量的定居在口，陰道和胃腸道（GI）管中。影響粘膜表面白色念珠菌數(shù)量的因素是多方面的，包括正常微生物菌群、激素、壓力、先天性免疫和獲得性免疫。無菌而經(jīng)抗生素治療的小鼠，對白色念珠菌感染更為敏感。在人體中，酵母菌感染粘膜系統(tǒng)是抗生素治療產(chǎn)生的一個最常見的副作用。因此，通過正常菌群來控制白色念珠菌是非常重要的。細(xì)菌微生物之所以能夠控制和預(yù)防白色念珠菌感染，部分是因?yàn)樗鼈兡芡ㄟ^生存競爭將白色念珠菌排除出有利的生存環(huán)境。口腔細(xì)菌可以抑制酵母白色念珠菌在裂解為菌絲的過程中轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化可加強(qiáng)對上皮細(xì)胞的入侵。乳酸菌被認(rèn)為可以抑制白色念珠菌在小鼠胃腸道上皮細(xì)胞的定植，及其引發(fā)的菌絲入侵和全身感染。在胃腸道患念珠菌病的小鼠模型中，預(yù)先接種乳酸菌可以降低白色念珠菌的水平，并可減少它的入侵。研究證實(shí)，有幾株乳酸菌可以抑制白色念珠菌菌絲的轉(zhuǎn)化，而菌絲轉(zhuǎn)化是菌侵染上皮細(xì)胞和由共生到病原菌轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟。正常微生物菌群的成員，例如乳酸菌，能夠產(chǎn)生大量具有生物活性的短鏈脂肪酸。這些脂肪酸是厭氧發(fā)酵的副產(chǎn)物，具有抗炎功能。丁酸是一種短鏈脂肪酸，因具有免疫調(diào)節(jié)活性而被人們所熟知。然而，丁酸也可以抑制白色念珠菌菌絲的轉(zhuǎn)化。短鏈脂肪酸是一種代謝副產(chǎn)物，可通過乳酸菌發(fā)酵大量生產(chǎn)。因此，抑制白色念珠菌菌絲的轉(zhuǎn)化是乳酸菌的一個重要的益生菌活性。2、改變微生物菌群環(huán)境壓力，例如抗生素的使用，飲食不正常以及接種微生物等，都可能導(dǎo)致微生物群體短暫和永久的變更為另一形態(tài)穩(wěn)定的微生物菌群。僅為宿主生產(chǎn)有益物質(zhì)的微生物被稱為有益菌，包括乳酸菌屬和雙歧桿菌屬。此外，潛在致病微生物（PPO）也是組成微生物種群的一部分，包括需氧腸細(xì)菌，梭菌屬以及白色念珠菌。然而，在健康個體中，PPO僅占微生物種群總量的一小部分。微生態(tài)失衡主要表現(xiàn)在有益厭氧微生物的減少以及需氧細(xì)菌和真菌（大部分是一些潛在致病菌）和有害厭氧微生物的增加。腸道微生物定植抗力是專性厭氧菌所具有一種抑制活性，它能抑制潛在的有害固有種和外來種的過度繁殖。微生物定植抗力的減少，最終可能表現(xiàn)出無臨床癥狀（僅導(dǎo)致微生態(tài)失衡）或者是播散性感染。三、益生菌和益生元胃腸道微生物菌群的控制和穩(wěn)定可作為免疫治療的一種手段。益生菌理論由EliMetchnikoff首次提出，解釋了保加利亞農(nóng)民身體健康、長壽與日常飲用不含腐敗微生物的發(fā)酵乳制品之間的關(guān)系。通過這些觀察，他認(rèn)為維持健康的腸道微生物菌群是實(shí)現(xiàn)健康長壽的關(guān)鍵。益生菌因此被定義為有活性的微生物添加劑，它是非致病菌，可對健康產(chǎn)生有益的影響。添加益生菌不僅能夠?qū)е略谏矬w中的定植，而且能夠改變微生物種群其它成員的豐度。以發(fā)酵食品的形式添加益生菌，在西方國家和部分歐洲地區(qū)很流行?？脊艑W(xué)研究也支持這一理論，在數(shù)千年之后這一習(xí)慣擴(kuò)大并遍及多個文明社會。由這個事實(shí)得出，我們的胃腸道生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)通過日常供給和獲取一定劑量的活乳酸菌來完成其進(jìn)化。在西方國家，兒童過敏性癥狀已經(jīng)被證實(shí)得到了緩解，主要是因?yàn)樗麄兊纳罘绞?，包括減少抗生素的使用和每天攝入一定量的益生菌，這種現(xiàn)象印證了上面的觀點(diǎn)。現(xiàn)在臨床研究表明添加益生菌能改良健康狀況。我們不應(yīng)該僅僅注意對健康有特殊療效的微生物的挑選，也應(yīng)該注意用于促進(jìn)這些微生物添加劑生長發(fā)育并能提高其活性的食品添加劑（益生元）。每日攝取含有鼠李糖乳酸菌的乳制品，對其進(jìn)行長期調(diào)查，看其對排泄微生物組成產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明添加益生菌超過六個月會導(dǎo)致短暫的可操作細(xì)菌定植。然而，在益生菌添加停止兩個月后檢測，發(fā)現(xiàn)大部分實(shí)驗(yàn)中鼠李糖乳酸菌都沒檢出?？梢娨嫔娜粘z取對于獲取最大功效可能是必需的。四、微生物群體變動與過敏癥之間的流行病學(xué)聯(lián)系抗生素，膳食和嬰幼兒飲食攝生法都與過敏癥和哮喘癥的發(fā)展密切相關(guān)。這三種因素對微生物群體組成的影響都很大。目前，基于對流行病學(xué)的研究，反對用微生物在過敏病患者中做實(shí)驗(yàn)直接證明和檢測這一觀點(diǎn)。但是大量研究顯示胃腸道微生物菌群的組成在患有遺傳性過敏癥和非遺傳性過敏癥的個體中是不同的，在發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家也是不同的。飲食變更，例如增大飲食中優(yōu)質(zhì)食物的比例，可能是造成發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家GI中微生物組成不同的主要原因。檢測來自過敏性疾病高流行（瑞典）和低流行（愛沙尼亞）國家中兒童體內(nèi)的微生物組成，結(jié)果顯示來自不同國家的患過敏癥的兒童具有相同的微生物組成。過敏癥兒童（利用陽性皮膚點(diǎn)刺試驗(yàn)檢測普通過敏原）需氧微生物的水平增加，并且厭氧微生物降低，尤其是乳酸桿菌的水平。其他研究調(diào)查了嬰兒出生后前兩年體內(nèi)微生物群體的組成，并監(jiān)控了瑞典和愛沙尼亞這兩個國家中過敏癥的發(fā)展情況。有趣的是，患有過敏癥的嬰幼兒體內(nèi)雙歧桿菌和腸球菌的水平都很低，而梭狀芽孢桿菌和金黃色葡萄球菌的水平卻有所提升。這些研究表明，微生物的組成可能是過敏性疾病的潛在因素，盡管在這兩個國家中還存在其它環(huán)境因子的差異。第二節(jié)微生物菌群的變動和免疫學(xué)推論

一、引言早在幾年前人們就已經(jīng)意識到胃腸道微生物菌群的變更可以影響?zhàn)つっ庖?。無菌動物含有極少量的腸道集合淋巴結(jié)，極少量的上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞，和低水平的分泌型IgA。在超敏反應(yīng)(變態(tài)反應(yīng))的前后，可以阻止無菌動物的口服耐受性誘導(dǎo)，這種現(xiàn)象能阻礙IgE的產(chǎn)生。用腸細(xì)菌接種無菌鼠（程式化/規(guī)范化），可以使其產(chǎn)生口服耐受的能力得到恢復(fù)。免疫耐受，包括口腔耐受，通過被稱為調(diào)節(jié)性T細(xì)胞群中不同的T細(xì)胞對其進(jìn)行調(diào)控，這些T細(xì)胞具有抗炎功能，由白細(xì)胞介素(IL)-10和/或轉(zhuǎn)化生長因子(TGF)-抑制。調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的生長發(fā)育情況強(qiáng)烈受抗原呈遞細(xì)胞（APC）類型和成熟度的影響。樹突狀細(xì)胞(DCs)是一種有效的APCs，它們通過改變性能來誘導(dǎo)T細(xì)胞分化。未成熟DCs（沒有接收到炎癥信號）誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化，而成熟DCs（接收到了炎癥信號）則誘導(dǎo)輔助性T細(xì)胞(Th1和Th2)的分化。大量事實(shí)顯示，胃腸道微生物群體也能夠調(diào)控腸粘膜上DC的分化。例如，乳酸桿菌素能夠下調(diào)DCs的成熟，并能減少CD4+T細(xì)胞（類似調(diào)節(jié)性T細(xì)胞）的體外增殖。有趣的是，已有報道稱幼鼠經(jīng)卡那霉素治療后，相對于Th1免疫應(yīng)答，基于Th2的免疫應(yīng)答會有所增加，包括增加循環(huán)的IgE,IgG1和抗-CD3-刺激的脾臟IL-4的產(chǎn)生，同時減少脾臟IFNγ的產(chǎn)生。這些經(jīng)抗生素治療的鼠經(jīng)口注入腸細(xì)菌，抑制了脾臟中基于Th2響應(yīng)的上調(diào)。結(jié)果表明：通過改變GI中微生物的組成可以促使Th2響應(yīng)上調(diào)機(jī)制發(fā)生?？偠灾?，大量事實(shí)開始支持這一模式，解釋了為何微生物群體的破壞可以通過干擾DCs（促進(jìn)抗原特異性調(diào)節(jié)T細(xì)胞免疫應(yīng)答）的分化來破壞口服耐受（圖13.5）。二、胃腸道微生物的改變在過敏性呼吸道疾病中的作用現(xiàn)已提出肺這一微環(huán)境通常傾向于進(jìn)行Th2免疫應(yīng)答。然而，在肺部經(jīng)鼻腔吸入抗原的再三接觸會導(dǎo)致Th2應(yīng)答的減少，這是耐受的一種形式?？诜褪苡烧{(diào)節(jié)性T細(xì)胞免疫應(yīng)答調(diào)控，它能夠下調(diào)遍及全身各處相同抗原的Th2應(yīng)答，也包括肺部。在無菌鼠中口服耐受無法形成，這表明GI微生物在口腔耐受產(chǎn)生中起到了關(guān)鍵作用。那么口服耐受與耐受吸入的過敏原究竟有什么關(guān)系呢？大量的研究顯示，從鼻腔進(jìn)入的流體，微粒和微生物隨后很大程度上都能在GI管中被即刻檢測到。即使將2.5μl這樣小的劑量經(jīng)鼻腔注入小鼠，也能被完全吸收，主要是因?yàn)楸茄是缓叙つだw毛。因此，胃腸道會接觸并捕獲任何抗原，同時呼吸道也會捕獲這些抗原。因?yàn)樵S多抗原的的攝取可能會引起對相應(yīng)抗原的耐受（如眾所周知的“口服耐受”現(xiàn)象），這種有趣的觀點(diǎn)認(rèn)為，胃腸道黏膜免疫系統(tǒng)在耐受吸入抗原的過程中擔(dān)當(dāng)?shù)目赡苁莻鞲衅鞯慕巧?。如果這種假設(shè)是正確的，那么它在理論上將被繼續(xù)下去，即這個“傳感器”體系經(jīng)由遺傳學(xué)（具有影響力的先天免疫細(xì)胞）可能會有所改進(jìn)，并且由抗生素和飲食引起的微生物變化會將這一體系擴(kuò)大和延伸（圖13.5）。最近報道指出白色念珠菌（和許多其它真菌）分泌前列腺素樣分子denovo或經(jīng)由外來的花生四烯酸轉(zhuǎn)化。PGE2(前列腺素E2)可交叉反應(yīng)的混合物對哺乳動物細(xì)胞具有生物活性，它的生物活性與從白色念珠菌中提取精制的PGE2沒有多大差異。前列腺素是一種有效的免疫調(diào)節(jié)分子，它能夠抑制Th1-型免疫應(yīng)答、細(xì)胞因子產(chǎn)生、吞噬作用加強(qiáng)和淋巴細(xì)胞增殖，并能提升Th2-型免疫應(yīng)答應(yīng)答和促進(jìn)組織嗜曙紅細(xì)胞增殖。PGD2受體(DP)敲除的鼠對卵清蛋白(OVA)沒有呼吸道Th2型免疫應(yīng)答?，F(xiàn)在大量事實(shí)證明前列腺素（尤其是PGE2）在整個免疫調(diào)節(jié)中都有作用（積極的或消極的）。源自微生物的前列腺素D2（PGD2）能夠改變DC的遷移和生存。在組織中真菌細(xì)胞壁葡聚糖也是一種有效的炎癥刺激物，并且在胃腸道中具有酵母的免疫調(diào)節(jié)活性。因此，增加真菌微生物的水平，這種現(xiàn)象通常發(fā)生在抗生素治療的過程中，可能會降低產(chǎn)生耐受抗原的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞免疫應(yīng)答能力，或者通過真菌樣類脂和葡聚糖干擾抗原耐受性誘導(dǎo)的表達(dá)。已經(jīng)建立了一個由抗生素誘導(dǎo)破壞微生物菌群的小鼠模型，包括穩(wěn)定增加胃腸道中（GI）的腸細(xì)菌和GI中的假絲酵母菌的水平，而沒有將微生物引入肺中。將頭孢哌酮放入鼠飲用水中，喂養(yǎng)處理小鼠5天，接著僅經(jīng)口喂入白色念珠菌。這會導(dǎo)致胃腸道微生物菌群中GI細(xì)菌數(shù)量的變化，增加酵母菌的數(shù)量，這種現(xiàn)象至少會持續(xù)2~3周。如果隨后將此鼠經(jīng)鼻引入過敏原，這種微生物變化將引起由IL-13和CD4+T細(xì)胞介導(dǎo)的過敏性呼吸道免疫應(yīng)答。對這些動物模型的研究強(qiáng)調(diào)了這樣一種觀點(diǎn)，微生物的變化在調(diào)節(jié)肺中對吸入抗原的免疫應(yīng)答起很重要的作用。四、微生物菌群是免疫系統(tǒng)的主要調(diào)控者嗎？一個世紀(jì)以來，科學(xué)家已經(jīng)意識到飲食能夠顯著地改變微生物菌群的組成和豐度。幾十年以來，科學(xué)家已經(jīng)能夠利用小鼠模型證明：微生物菌群對免疫系統(tǒng)的發(fā)展和維護(hù)具有重要作用。然而，直到40年前，這些關(guān)于人們健康的影響因素才顯現(xiàn)出來。在這個時期，對日常生活引入這些因素產(chǎn)生了強(qiáng)有力的影響，能長時間大幅度地改變微生物菌群。在發(fā)達(dá)國家，抗生素的廣泛使用和飲食的不規(guī)律，致使過敏癥和哮喘病發(fā)病率有了明顯的提高。因此，用這些動物模型，我們證明了微生物菌群對調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答的確具有很重要的作用。獲得性免疫在幾十年前已經(jīng)提出，