腸道菌群影響因素的研究進展?

桓宗錦 陳紅衛 趙 波 劉選珍 毛 杰

[成都動物園（成都市野生動物研究所） 四川成都 610000]

腸道菌群是動物體內最復雜、最龐大的微生態系統。腸道菌群與宿主、菌群群落之間形成了相互制約、相互依存的動態平衡關系[1]。腸道菌群在宿主營養代謝、免疫、環境適應及行為等方面具有不可替代的作用[2]。由于腸道菌群與宿主機體健康的關系密切，近年來生物醫學領域中腸道菌群的研究發展迅速。腸道菌群在宿主慢性病的早期診斷、干預和治療方面也存在巨大潛力[3]。腸道菌群反映了消化生理、食物、宿主遺傳等因素的綜合影響[4]。隨著研究的深入，發現越來越多的因素可影響腸道菌群。一些研究已估測了宿主系統發育和遺傳、食物及環境等因素對哺乳動物種間和種內腸道菌群多樣性的影響。

1 宿主遺傳因素對腸道菌群的影響

宿主物種是決定腸道菌群組成最重要的因素。哺乳動物宿主的系統發育影響腸道菌群的組成，在新近分化的哺乳動物中表現更為強烈[5]。宿主腸道中的微生物是動物消化系統的重要組成部分，它們與宿主之間的相互作用有著悠久的進化史。宿主通過促進有益菌群向子代的遷移和利用腸上皮黏液屏障識別菌群的表面分子將菌群進行隔離，并限制菌群的出入調控菌群[6]。宿主親緣關系可指示腸道菌群結構的相似性，宿主遺傳距離是腸道微生物組成的一個強有力的預測因子。在對共享同一個棲息地的田鼠屬（Microtus）、姬鼠屬（Apodemus）和鼩鼠青屬（Sorex）的研究顯示，宿主遺傳差異對腸道微生物的影響占主導地位，宿主物種是決定腸道微生物區系組成的最重要因素[7]。分析黑白疣猴（Colubusguereza）、紅疣猴（Piliocolobus tephrosceles）和紅長尾猴（Cercopithecus ascanius）的糞便樣本，發現同一物種的腸道菌群具有更高的相似性[8]。在對馬達加斯加6種哺乳動物的腸道菌群研究中，同時考慮食物、基因和生態因素，發現腸道菌群組成受到親緣關系的強烈影響[4]。Amato等[9]對18種非人靈長類動物的腸道菌群進行了研究，發現雖然食性（食葉和非食葉）可影響微生物群落結構，但宿主的進化關系才是決定性因素。同時，宏基因組測序結果也表明，菌群的功能也受到宿主系統發育關系的影響。

宿主基因影響腸道微生物群落的組成。在人和小鼠模型的研究中都清晰表明，特定種類的腸道微生物豐度，一定程度上受宿主基因型的調控[10]。在野生家鼠研究中也發現了20個與腸道菌群相關的基因[11]。在分析英國雙胞胎的腸道菌群中發現可遺傳的細菌類群，這些類群與宿主的代謝和嗅覺相關基因有關[12]。宿主基因在一定程度上決定了腸道微生物群落的組成，Christensenel‐laceae科、Methanobrevibacter屬和Faecalibacterium屬等幾種常見腸道微生物是可遺傳的[13]。這些研究證明宿主遺傳背景是決定腸道微生物組成的重要因素。

2 食物因素對腸道菌群的影響

食物是影響動物腸道菌群多樣性最直接的因素[14]。食物是微生物發酵的底物，驅動微生物群落的組成和代謝[15]，是腸道菌群的直接影響因素，也是動物及其腸道菌群協同進化的關鍵因素[16-17]。因為物種在適應一個特定的食性過程中，腸道菌群通過為宿主提供關鍵的代謝通路而發揮重要的作用，宿主也為腸道菌群提供了進化的機會，即宿主腸道環境與食性的相互適應，促進宿主主導的雙方多樣化和協同進化。研究發現，普氏菌屬（Prevotella）和毛螺菌屬（Lachnospira）與植食性呈正相關，而鏈球菌屬（Streptococcus）與肉食性呈正相關，且與植食性呈負相關。長期攝食蛋白質和動物脂肪的人群腸道菌群以擬桿菌科（Bacteroidaceae）為主。人體腸道中優勢菌群與食物中的蛋白質、糖類和脂肪的比例有關[18]。

2.1 碳水化合物與腸道菌群 人每天攝入的碳水化合物中，約有40 g逃脫了宿主酶的消化而到達結腸[19]，主要有抗性淀粉、非淀粉多糖和寡糖，以及一些雙糖和單糖。微生物可在盲腸和結腸內發酵碳水化合物產生短鏈脂肪酸，包括乙酸、丙酸和丁酸等，這些發酵產物的產生也往往會降低結腸的pH。這些弱酸會影響微生物的組成，從而直接影響宿主的健康。有研究表明，在長達4周的時間內，改變碳水化合物的種類或數量，對成人志愿者腸道微生物及其代謝產物的組成具有深刻而迅速的影響[20]。比較生活在非洲農村和意大利城市兒童腸道菌群，發現2組兒童的菌群分別聚類。非洲兒童腸道擬桿菌門（Bacteroidetes）中的優勢菌是Prevotella屬和Xylanibactern屬，這些細菌擅長發酵木聚糖和植物纖維[21]。

2.2 蛋白質與腸道菌群 小腸中未完全消化的蛋白質和肽被大腸內的細菌充分發酵利用，同時產生吲哚類、胺類和硫化氫等代謝物[22]。共生細菌可通過食物和內源性蛋白質為宿主提供氨基酸。肽和氨基酸也可被糖化細菌和非糖化細菌作為碳、氮和能量的來源[21]。從人類糞便中，已鑒定出降解蛋白質的細菌，主要包括產氣莢膜桿菌（Clostridium perfringens）、擬桿菌屬（尤其是Bactevoides fragilis）、丙酸桿菌屬（Propionibacterium）、芽孢桿菌屬（Bacillus）、鏈球菌屬（Streptococcus）和葡萄球菌屬（Staphylococcus）[23]。腸道菌群會顯著地受到攝入蛋白質的組成和含量的影響。攝入高蛋白質食物會增加腸道中代謝蛋白質的微生物和致病菌的數量。而且動物蛋白和植物蛋白對腸道菌群的影響也不同。研究發現，大豆產品促進雙歧桿菌（Bifidobacterium）和乳桿菌（Lactobacillus）的增加[24]，但攝入糖化牛血清白蛋白卻顯著降低了腸道中雙歧桿菌的含量[25]。

2.3 脂肪與腸道菌群 腸道菌群以多種途徑參與能量和脂質代謝。攝入過多的富含飽和脂肪酸的脂肪會增加腸道中變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和梭菌屬（Clostridium）等，從而改變代謝過程中膽汁酸等信號分子，增加了宿主腸道的通透性和炎癥的發生[26]。研究表明，高脂肪低碳水化合物食物的攝入會顯著降低腸道中雙歧桿菌和短鏈脂肪酸（例如，丁酸）的含量[20]。Guo等[27]研究也發現高脂肪的攝入會改變腸道菌群結構，引起腸道炎癥。高脂肪攝食可誘導腸道內產內毒素的微生物豐度增加，減少保護腸黏膜屏障的雙歧桿菌的豐度，從而促進了氧化應激，使腸道通透性增加。長期攝入單不飽和脂肪酸能降低腸道菌群數量，其中，雙歧桿菌含量明顯降低。ω-3多不飽和脂肪酸能增加上皮細胞的抵抗力、改善上皮細胞的完整性[28]。Simoes等[29]研究發現，長時間攝入ω-3多不飽和脂肪酸，能提高腸道中乳酸菌的含量。

2.4 食物烹飪方式的影響 高溫會改變食物的理化性質，從而影響腸道菌群。烹飪通過淀粉糊化提高碳水化合物在小腸的消化率，減少到達結腸的數量，而結腸是微生物較多的地方，從而影響結腸發酵碳水化合物的腸道細菌數量。之前已有研究顯示，攝入生的和熟的植物性食物，對腸道菌群的塑造作用存在顯著差異[30]。食用含淀粉的塊莖類食物（例如，土豆）時，與生食相比，熟食的腸道菌群α多樣性降低，厚壁菌門的比例減少，而擬桿菌門的比例增加。研究發現，烹飪或不烹飪植物性食物對人類腸道微生物區系有顯著差異[30]。

3 高海拔環境對腸道菌群的影響

最近的研究顯示，腸道菌群的多樣性組成對宿主的環境適應起到了積極的作用[31]。環境因素中，高海拔地區是一種極端的環境，熱能和氧氣可用性的降低對生物體構成極大挑戰。最近，高海拔環境對哺乳動物腸道菌群的影響受到關注，研究表明，哺乳動物的腸道微生物隨著海拔高度而變化，例如，嚙齒動物、反芻動物和人類[11]。對生活在高海拔地區和低海拔地區的反芻動物進行對比研究發現，生活在高海拔地區的反芻動物腸道菌群結構與在低海拔相比存在顯著差異[31]。在高海拔環境中的哺乳動物含有多種可產生短鏈脂肪酸的微生物類群。這種生產短鏈脂肪酸的微生物數量的增加與食物無關，可促進高海拔群體更有效地攝入能量，從而有利于宿主應對高海拔的低溫環境。最近已證明，微生物來源的短鏈脂肪酸可影響宿主血壓調節系統[32]，因此，短鏈脂肪酸生產者的增加可能有助于高海拔環境的血壓調節。由此推測，腸道微生物可幫助哺乳動物應對高海拔的極端條件。

4 總結

腸道菌群受多種因素，包括宿主遺傳、食物、環境等因素的綜合影響。隨著研究的深入，越來越多的因素被證明可影響腸道菌群。但還需更進一步的研究，以精確地揭示動物腸道菌群多樣性變化的驅動機制。