高原低氧環境對腸道菌群影響的研究進展

杜文琪，閆 馨，馬 燕，張 偉

1 青海大學高原醫學研究中心，青海西寧 810001；2 青海大學醫學部，青海西寧 810001；3 高原醫學教育部重點實驗室，青海西寧 810001；4 青海-猶他高原醫學聯合重點實驗室，青海西寧 810001

腸道是人體共生細菌的最大儲存庫。腸道菌群是腸道微環境的主要組成部分，促進形成穩定的營養平衡微環境，與人體相互作用，影響免疫、代謝和疾病的形成。越來越多的證據強調腸道微生物群在人類健康和疾病中的重要性。腸道菌群的多樣性是宿主選擇和共同進化的結果，受到多種因素的影響[1]。低壓缺氧是高原環境的一個主要特征，導致生活在高原上的個體發生許多變化。暴露于低氧環境會增加胃腸道炎癥、氧化應激和胃腸道通透性，同時伴有血漿代謝組學和腸道微生物群組成及活性的變化[2-3]。本文對高原低氧環境如何影響腸道菌群變化及其可能原因進行綜述。

1 腸道菌群及其影響因素

腸道菌群已鑒定出的細菌包括厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門、梭桿菌門、疣微球菌門和藍藻菌門等。其中，擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門和放線菌門占總數量98% 以上[4]。腸道菌群的功能類似于內分泌器官，產生生物活性代謝物，如三甲胺-N-氧化物、短鏈脂肪酸和膽汁酸，可以干擾宿主的生理功能[5]。腸道菌群失衡和腸道功能障礙與多種疾病有關，包括動脈粥樣硬化、高血壓、心力衰竭、肥胖癥和糖尿病等。胃腸道中豐富多樣的微生物群發揮著重要作用，包括腸道屏障的維護、營養代謝、抗腫瘤作用和免疫調節等。腸道微生物群在一生中會不斷影響腸道屏障功能和完整性[6]，對于腸上皮屏障功能的維護和生理穩態的維持至關重要[5]。腸道菌群與免疫系統之間經常發生相互作用，在腸道菌群缺乏的情況下，腸道免疫系統也會受到影響[7]。

腸道菌群在出生期間或出生后不久定居在人類腸道中，并持續生長和發展，直到在成人腸道中建立穩定的環境，隨年齡持續增長又會進入老年退化期[8-10]。目前研究發現的影響腸道菌群的因素有很多，腸道菌群的變化是各種因素交互作用的結果。人類腸道菌群的可變性和復雜性受到生活方式的影響，包括飲食、運動、心理和吸煙等；此外，環境、衰老、藥物和疾病也會改變我們腸道菌群的組成和功能[11-12]。環境因素對微生物群的穩態控制也具有重大作用，包括溫度變化、氧氣濃度和大氣污染等[13-14]。

2 高原低氧對腸道菌群的影響

人類腸道微生物群與免疫、激素和代謝穩態、各種疾病和特定的環境密切相關。腸道微生物群是人類適應環境的重要指標。生活在不同海拔地區的人，腸道微生物群組成是不同的。環境對腸道菌群的影響在動物和人身上都得到了證實。

研究人員在低氧條件下飼養的小鼠中發現了不同于氧供給充足條件下小鼠的糞便微生物群落，但在α 多樣性方面沒有觀察到顯著差異[15]。功能分析表明，受高原低氧影響的微生物群落與多種代謝途徑相關，這進一步表明高原低氧可改變微生物群落，從而導致生理和代謝功能障礙[15]。采用低壓氧艙模擬海拔5 000 m 高度，構建8 周齡雄性小鼠低氧模型，隨機分為1 d、3 d、5 d、7 d、14 d 和 30 d 低氧組和常氧對照組，通過16S rDNA測序分析發現不同低氧時間組與其常氧對照組的腸道菌群構成有統計學差異，在菌屬水平上，低氧組中普雷沃菌屬、阿克曼菌屬、顫螺菌屬、擬桿菌屬、脫硫弧菌屬和臭氣桿菌屬，相對豐度較高且有統計學差異(P＜0.05)[16]。Sun 等[17]也發現高原低氧環境導致大鼠糞便中擬桿菌屬數量顯著增加(P＜0.05)，而棒狀桿菌、普雷沃菌屬和糞球菌數量下降(P＜0.05)。此外，高原低氧環境導致大鼠腸道菌群代謝活動減弱，改變了藥物的生物利用度，大鼠迅速上升到平臺期后，對阿司匹林的吸收增加[18]。Zhang 等[19]同樣發現高原低氧環境可引起腸道微生物數量和組成的變化，改變了腸道菌群的代謝活性，這些變化會增加硝苯地平的生物利用度。Wan 等[20]將小鼠分為平原組、高原低氧組和高原低氧給予益生菌組，平原組小鼠腸道菌群以乳桿菌科為主，高原低氧組小鼠腸道菌群以葡萄球菌科為主，高原低氧環境下給予了益生菌后的小鼠腸道菌群組成與平原組小鼠相似。葡萄球菌與腸道感染密切相關，是腸道潛在的致病菌。這一結果表明高海拔缺氧環境可能會導致更多的致病菌成為優勢種。但這一假設有待后續研究分析來確定。Pan 等[21]將大鼠放入低壓低氧環境中，發現低壓低氧可導致大鼠腸道菌群組成發生長期變化，其特征是副桿菌屬、另枝菌屬和乳球菌屬的豐度增加，擬桿菌屬與普雷沃菌屬的比例增加。

通過比較海南、南寧、貴州、西昌、劍川和西藏地區的中國恒河猴種群腸道菌群特征，同時也發現不同地理環境對腸道菌群的影響，恒河猴腸道菌群在門水平上主要由厚壁菌門和擬桿菌門組成，這種情況與人類和其他哺乳動物相似，西藏恒河猴厚壁菌門豐度高于其他5 個地區恒河猴，擬桿菌門豐度低于其他5 個地區恒河猴，西藏類群厚壁菌門豐度較高的主要原因是瘤胃球菌科和克里斯滕森菌科的顯著增加[22]。Ma 等[23]發現高原低氧地區食草動物往往具有相似的腸道菌群組成，這也表明其腸道菌群可能參與了機體適應高原低氧環境。

一項關于在高原地區居住時間不同的漢族和藏族人群腸道菌群變化的研究，共采集了393 例中國青年男性的糞便和血液樣品，包括了居住在平原的漢族96 例，在青藏高原居住4～ 6 d 的漢族61 例，在青藏高原居住3 個月以上的漢族50 例，離開青藏高原并在平原地區生活了3 個月的漢族84 例，以及家族世代生活在高原的藏族102 例[24]。該研究提供的數據表明，在高原居住4～ 6 d，漢族個體的腸道菌群發生了變化，并且這些變化在高原上至少維持3 個月，與平原漢族人群相比，高原漢族人群的腸道菌群與藏族人群的菌群更相似，高原低氧環境對腸道微生物區系有顯著影響，這種影響是快速、一致、定向和持久的，并且微生物區系的變化可能與漢族人群的高原適應過程有關[24]。高中山等[25]收集了8 例高海拔藏族(海拔3 600～ 4 500 m)冠心病患者、14 例中海拔(海拔2 260 m) 冠心病患者和14 例低海拔(海拔13 m)冠心病患者的糞便組織樣本，并對腸道菌群做了16sRNA 測序分析，發現高海拔冠心病患者腸道菌群與中低海拔患者相比，在α 多樣性和β 多樣性方面均存在統計學差異(P＜0.05)；在腸道菌群組成方面，高海拔組也顯示出不同于中低海拔組的特征，其致病菌如鏈球菌、埃希菌_志賀菌和克雷伯菌的相對豐度下降，有益菌如糞桿菌、產黑素普雷沃菌、鏈型桿菌和乳酸桿菌的相對豐度升高。

通過既往的研究結果發現，環境對腸道菌群的影響是明確的，高原低氧環境下動物和人腸道菌群的改變都是顯著的，但具體到菌屬的變化會有不同的研究發現，其可能是氧濃度不同、海拔高度差異、在高原低氧環境下生活的時長及飲食方面的差異等原因造成。

3 低氧環境造成腸道菌群改變的可能原因

高原低氧環境會對人體功能和發育造成影響，不同生存環境下的人適應高原環境的機制是不同的。藏族人為了適應低氧環境，在進化過程中部分基因發生了變化，形成了自然選擇的結果。全基因組相關研究揭示了EPAS1 和EGLN1 基因含有的序列變異，在高原世代居住人群中高度富集，在平原地區不存在或很少[26-27]。EPAS1 基因編碼轉錄因子低氧誘導因子-2α(hypoxia inducible factor-2α，HIF-2α)，刺激紅細胞的產生，從而增加血液中血紅蛋白的濃度和血液黏稠度，但在世代居住于高原低氧地區的人群中EPAS1 會發生變異，這一變異體在高原低氧地區只會輕微提高血紅蛋白和紅細胞水平，血紅蛋白濃度隨著海拔的增加而增加很少或沒有變化[28-30]。藏族人群的EGLN1 基因攜帶兩個特有的錯義突變，這導致缺氧條件下HIF 降解增加，從而減輕HIF 介導的紅細胞生成增加，保護人在高海拔地區免受紅細胞增多癥的影響[30]。有研究發現基因的差異會導致腸道微生物群的組成發生變化[31]。Wu 等[32]研究發現HIF-2α 可以通過控制腸道Ldha 基因的表達正向調節腸道乳酸水平，從而影響腸道菌群的改變，使乳酸水平降低，擬桿菌減少，扭鏈瘤胃球菌增加。

根據以往研究，高原低氧環境下，參與碳水化合物消化吸收和能量代謝的基因及腸道菌群相對豐度會增加。有關研究發現高低海拔人群之間在梭狀芽孢桿菌屬、脫硫弧菌屬、擬桿菌屬、乳酸桿菌和普雷沃菌屬方面有統計學差異。這些微生物群均與短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)的產生有關[33-34]。生活在高海拔地區的人有很高的能量需求和肺動脈壓力[35]。腸道菌群產生的代謝物通過參與宿主代謝而在宿主健康中發揮重要作用。腸道菌群可以利用結腸中不可消化的碳水化合物，并產生SCFAs，主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[36]。SCFAs 可作為腸上皮細胞的能量來源，還廣泛影響細胞功能，可能具有抗癌和抗炎的潛力，并在飽腹感和氧化應激中發揮作用[37]。腸道微生物群產生的SCFAs 也具有降壓作用，這種降壓作用可能是依賴于丁酸鹽的直接血管舒張作用[38]。丁酸鹽被認為是上皮能量穩態的有利代謝底物。在氧氣不足情況下，高濃度的丁酸鹽可以調節代謝避免糖酵解，并進一步利用丁酸鹽[34]。研究表明，腸道微生物群可通過調節獲取的能量和血壓應對高原缺氧環境的反應，從而影響健康狀況[39]。此外，短鏈脂肪酸可以降低宿主血壓，緩解肺動脈高壓，保護心肌功能，幫助機體高效利用能量以適應高原環境[40]。Du 等[41]的研究也發現可以通過重塑腸道菌群來適應新環境，腸道菌群通過增加宿主能量和多糖生物合成，促進宿主對高原低氧環境的適應。

高原的特殊地理環境使高原人群與平原人群在生活飲食方面都有不小的差異。已經有研究確定擬桿菌屬和普雷沃菌屬的比例是人類腸道菌群個體間差異的主要驅動因素，擬桿菌屬和普雷沃菌屬的比例也與長期習慣性飲食模式相關，但在短時間內似乎相對穩定，即使有重大飲食變化也是如此。這些發現也表明，擬桿菌屬和普雷沃菌屬的比例可以作為一個用于識別可能對高原低氧作用更敏感的個體的標記[42]。

高原低氧對于腸道菌群結構的具體作用機制研究尚未見報道。綜上所述，腸道菌群的改變主要是為了更好地適應環境，世代居住在高原低氧環境下的人群會發生特定的基因改變來適應環境，基因的改變從而也會影響到腸道菌群的變化。

4 結語

近年來，越來越多的研究證實腸道菌群受環境的影響較大，高原低氧環境可以塑造腸道微生物群落，改變腸道菌群的組成和結構，但人們對于高原等極端環境對腸道菌群影響的認知還遠遠不夠。越來越多證據表明，低壓缺氧暴露后腸道微生物群發生了變化。然而，這種微生物組的變化究竟是宿主生理變化的衍生反映，還是協同加劇了高原疾病，仍難以確定。高原惡劣環境在人群中形成了自然選擇的結果，低壓低氧、低溫和高輻射等外環境條件影響了生物體的繁衍與生存，也加速了人群的進化和生理改變，同時對不耐受人群也造成了高原反應或高原疾病，引發機體腸道菌群失衡。腸道菌群不僅會受到高原環境的影響，本身也可以作為重要的調控因子，反過來調節機體的適應過程。腸道菌群合成的各種酶、代謝產物和分解宿主腸道物質所生成的各種小分子，均有可能通過各種信號通路影響機體對高原環境的反應程度。

不同海拔高度人群和高海拔不同民族腸道菌群具體是如何變化的，高原環境對人腸道菌群的影響具體是通過什么途徑、哪些機制，是否與高原病存在相互關聯，都還有待繼續研究，可通過哪些更有效的手段來避免高原腸道菌群失衡也需要不斷探索。這對于高原土著居民、初入高原人群和駐守部隊官兵都有重要意義。

作者貢獻杜文琪：總體構思，起草和修改論文主要內容；閆馨：總體構思，起草和修改部分內容；馬燕：總體構思，對文章知識性內容進行審閱；張偉：總體構思，監督指導。

利益沖突所有作者聲明無利益沖突。