肠道菌群与肥胖发生的研究进展

肠道菌群与肥胖发生的研究进展 作者：作者：益生菌专家 摘要摘要 目前，肥胖对人类健康的影响越来越显著，因此研究肥胖的发生机理和治疗策略十 分必要。这篇文章总结了肠道菌群与肥胖发生的研究进展。研究表明，肠道菌群能够帮助 宿主从饮食中的多糖成分中获得更多的卡路里，并储藏在脂肪细胞中备用。肠道菌群还可 以通过关闭Fiaf基因和增加 ChREBP/ SREBP、Acc1 和 Fas 的表达来增加脂肪在脂肪组织 和肝脏中的储存。并且，肠道中革兰氏阴性菌产生的脂多糖 LPS，引发了全身慢性低水平 炎症反应，然后导致肥胖。因此，通过益生菌、益生元或抗生素修饰肠道菌群可能成为未 来治疗肥胖的有效方法。 关键词关键词 肠道菌群，肥胖，能量吸收，脂肪代谢，慢性低水平炎症反应 肥胖是一种慢性代谢疾病，是导致高血压、糖尿病、心脑血管疾病及非酒精性脂肪肝 等疾病的重要因素。近年来，随着社会经济水平的不断提高和人们生活方式的改变， 肥 胖率呈上升趋势。在美国将近 13 的成人超重或者肥胖，而全世界超重或肥胖人群已超 过 5 亿，肥胖已成为日益严峻的全球性公共卫生问题。目前，关于肥胖的病因研究进展迅 速。多数学者认为，肥胖是多因素互相作用的结果1，基因、环境、营养等是研究的重点。 而最新研究表明，肠道菌群与肥胖的形成有一定关系，可能发挥着重要的作用。本文就此 作简要综述。以期能为解释肥胖成因，预防和治疗肥胖提供依据。 1 1 肠道菌群概述肠道菌群概述 人的肠道是一个复杂、活跃、同时维持着相对平衡的系统。其中定植着数目庞大、结 构复杂的微生物群落，因此，人被称为“超级生物体”。这个生态系统拥有 1014个细胞， 是人体细胞总数的 10 倍；大约 500-1000 种细菌，包含 100 多万个基因，数目是人类基因 组的 100 倍。2 其中的 30-40 种优势细菌构成了人体肠道细菌总量的 99。肠道菌群和 宿主之前存在着密不可分的互利共生关系，在宿主的消化吸收、免疫反应、代谢活性方面 都发挥着重要的作用。其中，在门水平上，厚壁菌门和拟杆菌门为两个优势菌门，大多数 粪便细菌都是一些不可培养的类型，且不同个体之间粪便样品中的细菌组成也有显著差异； 在属水平上，拟杆菌，柔嫩梭菌，乳酸菌，双歧杆菌是四类与人类健康密切相关的优势菌， 也是现阶段人们对肠道微生物研究的重点。3 2 2 肠道菌群的研究方法肠道菌群的研究方法 在分子水平上研究肠道微生物生态，除了以往经常用到的分子指纹图谱 （ARDRA、ERIC-PCR、DGGE/TGGE、T-RFLP）和克隆文库的技术，元基因组学和代谢组学目 前逐渐成为主要的研究方法4。元基因组学是指人体及其体内所有微生物的基因信息的集 合，测序速度大大提高对元基因组的发展发挥了重要的作用。代谢组学是关于定量描述生 物内源性代谢物质的整体及其对内因外因变化应答规律的科学，利用高通量、高灵敏度与 高精确度的现代分析技术，把研究对象作为一个整体来观察和分析，是系统生物学的重要 组成部分。 3 3 肠道菌群与肥胖肠道菌群与肥胖 肥胖作为一种慢性全身性代谢性疾病，严重影响人们的正常生活。以往多关注的是基 因对肥胖发生的影响。但基因从人一出生就确定了，以后就不再改变。但人的身体状况是 在后天不断变化的，这说明基因并不是决定肥胖的关键因素。肠道菌群与人类长期共进化， 可能是产生肥胖的关键因素之一，而且越来越多的证据证明了这点。 3.13.1 肠道菌群与能量吸收肠道菌群与能量吸收 Backhed 等人研究发现5，正常喂养的小鼠的体脂含量比无菌小鼠高 40%，性腺脂肪 含量高 47%，并且正常小鼠的进食量比无菌小鼠低。将正常小鼠的肠道菌群克隆到无菌小 鼠体内，饲喂条件不变，两周后其脂肪量增加 60%，并且出现胰岛素抵抗。这表明肥胖可 能与肠道菌群有关。导致体重增加的可能因素是：肠道内葡萄糖的吸收增强。肠道菌 群能发酵人体不能消化的多糖形成短链脂肪酸，提供多余的能量，同时短链脂肪酸能够诱 导脂肪合成。高血糖和胰岛素血症刺激脂肪生成。 Ley 等人的研究表明6，肥胖可能和肠道菌群的改变有关。他们对肥胖的 ob/ob 小鼠 和对照的非肥胖小鼠(-)肠道内 5000 多种细菌的 16s rRNA 基因序列进行分析，ob 小 鼠拟杆菌门的数量少 50，同时具有更多的厚壁菌门细菌。这个小组也对肥胖和非肥胖 的人的肠道菌群做了研究7。他们对 12 名肥胖患者进行跟踪研究，通过分别给予脂肪限 制的饮食和碳水化合物限制的饮食进行治疗。一年后前者体重下降 2，后者体重下降 6 ，进行 16s rRNA 基因研究表明，摄入食物的总能量不变的前提下，通过两种饮食减 肥后，肠道内的厚菌门数量下降，而拟杆菌门数量上升。 这些研究只说明了肥胖改变了肠道菌群，并不能说明肠道菌群的改变导致了肥胖的产 生。但以下的研究可以证明这个假说。Turnbaugb 等人的研究表明8，肥将胖小鼠 (obob)的肠道菌群转移到非肥胖无菌小鼠体内，2 周后非肥胖小鼠就和肥胖小鼠一样， 具有更高的能量吸收的效率，并且其排泄物中能量更低，还具有明显的体重增加。由此可 见，在营养摄人相同的条件下，肠道微生物几乎可以决定宿主的能量吸收。同时，肥胖小 鼠富含早期降解多糖的酶能经 KEGG 通路代谢淀粉、半乳糖、丁酸盐，有明显的体重增 加。此外，肥胖小鼠肠道中含有更多的古生菌。 人体肠道几乎不含多糖消化酶，不能消化植物多糖，如纤维素、半纤维素、果胶、抗 性淀粉等，而微生物将多糖降解为短链脂肪酸，二氧化碳和氢气。并且体内多余的葡萄糖， 除少量合成糖原储存在肝脏和肌肉以外，大部分将合成脂酸和脂肪在脂肪组织中储存，所 以，高血糖对于肥胖有促进作用。研究表明9，碳水化合物来源的能量，有 1O15 依赖于肠道细菌的酵解。肠道细菌中拟杆菌门和厚壁菌门对肥胖有较大的影响。多形拟杆 菌能编码 64 种多糖降解相关的酶，从而降解多糖，为宿主提供额外的能量。接种多形拟 杆菌 10d 后的小鼠，其盲肠内己糖的浓度显著降低，说明细菌能促进宿主对单糖的吸收。 这个结果和上面肥胖患者体内拟杆菌门含量少有些矛盾。厚壁菌门也具有降解人体所不能 降解的多糖，为人体提供能量的作用。比如，直肠真杆菌(厚壁菌门)至少含有 44 种与抗 性淀粉降解酶有关的基因。肠道菌群中的古生菌也对肥胖有一定得影响。古生菌是多糖代 谢链的最后的微生物环节。嗜温产甲烷菌通过产生甲烷来降低氢气的分压有利于维持厌 氧的环境，并因此增加了微生物的发酵效率10。对小鼠接种人体肠道内的产甲烷菌和拟 杆菌后，与单一接种相比，提高了发酵的效率，从而显著提高了肥胖的发生率。 3.23.2 肠道菌群与脂肪代谢肠道菌群与脂肪代谢 Backhed 等人 5通过对无菌小鼠、正常小鼠、和克隆了正常小鼠肠道菌群的无菌小鼠 的研究，说明了肠道微生物与脂肪代谢的关系 。无菌小鼠在食物消耗量增加的情况下， 身体脂肪含量的增长却比定植菌群的小鼠低。他们研究认为，肠道菌群一方面增加对食物 中多糖的利用，增加碳水化合物反应结合元件蛋白 ChREBP/固醇反应元件结合蛋白 SREBP 的表达，它们是协同介导肝脏细胞对胰岛素和葡萄糖的反应并进行脂肪生成的转录因子， 并使之与乙酰辅酶 A 羧化酶 Acc1 和脂肪酸合酶 Fas（表达量也增加）结合，从而使甘油 三脂在肝脏中积累，增加宿主肝脏脂肪合成；另一方面，肠道菌群能够抑制禁食诱导脂肪 因子 Fiaf（一种 LPL-脂蛋白脂肪酶抑制因子）的表达，使脂蛋白脂肪酶 LPL 增加，它可 以催化肌肉和心脏脂肪的脂蛋白释放脂肪酸甘油三脂，从而使得脂肪组织中积累甘油三 脂。 该组人员11又通过实验解释无菌小鼠能够抵抗高脂食物诱导的肥胖的机理，这包括 两个调控脂肪酸代谢的途径：无菌小鼠（1）提高了 Faif 的水平，诱导了过氧化物酶体增 殖物激活受体辅助激活因子 Pgc-1（一种新型辅助转录激活因子,其与棕色脂肪细胞的 分化及其生理功能关系密切,可能是新的减肥药物作用靶点）的表达，启动了脂肪氧化的 代谢途径，即消耗了脂肪；（2）提高了 AMP 活化蛋白激酶（AMPK）及其下游参与脂肪氧 化的靶点（乙酰辅酶 A 羧化酶等）的磷酸化水平，即提高了它的活性，打开了分解代谢途 径，同时关闭消耗 ATP 的通路，即可分解脂肪。 可见，肠道菌群对脂肪的储存发挥了重要的作用。 3.33.3 肠道菌群与慢性低水平炎症反应肠道菌群与慢性低水平炎症反应 最新研究表明12，肥胖症和胰岛素抵抗都被证明与全身的慢性低水平的炎症有关。 肥胖发生后，由于巨噬细胞对脂肪组织的渗透和脂肪细胞自身产生炎症因子，使得脂肪组 织发炎。巨噬细胞会聚集很多脂类，形成泡沫状细胞。脂肪细胞和巨噬细胞表现出同样的 特征，即表达炎症因子、FABPs(脂肪酸结合蛋白)、核激素受体等。 Cani 等人提出了一个肠道菌群改变促使肥胖发生机制的假说13，肠道中存在的革兰 氏阴性菌产生的脂多糖（LPS）是引发炎症反应的关键因子。给正常小鼠喂高脂饮食后和 直接皮下注射 LPS 一样，都会导致炎症反应和小鼠的肥胖发生；但是给 CD14 突变小鼠注 射 LPS 却不能引起炎症反应和肥胖。这一系列的实验表明，高脂饮食增加炎症反应，并 且影响肠道内主要菌群的数量，主要是B caecal contents Fish，革兰氏阴性菌 MIB 降 低，而另外两种革兰氏阳性菌Bifidobacterium和Eubacterium related C.coccoides 也显著减少。慢性代谢性炎症反应导致肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病。代谢性内毒素进 入血液后，通过依赖 CD14 的机制引起炎症因子（IL-1, IL-6 和 TNF- 等）的表达。 LPS 在 LBP（LPS-binding protein）的转运作用下，与其 co-receptor CD14 及 TLR4（Toll like receptor 4）结合，从而引起表面能够表达 CD14、TLR4 的免疫细胞 （如巨噬细胞、嗜中性粒细胞等）的一系列信号传递，然后释放炎性因子14。由此表明， LPS/CD14 系统控制着肥胖和糖尿病的开始13。对人类的研究也证明了这些结论。还有研 究证明15，二型糖尿病患者比对照组试验者具有较高的 LPS 水平。 让试验者服用抗生素多粘菌素 B，这种抗生素作用于革兰氏阴性菌，可以看到 LPS 表 达受到了抑制。16 Cani 等人还通过实验证明17，选择性地添加双歧杆菌，可以增强血管屏障，阻止内毒素 进入血液，因而降低了全身性慢性炎症反应的发生，对预防和治疗肥胖和糖尿病有很好的 指导意义。而像硫酸盐还原菌等可将食物代谢产生 H2S 气体，破坏肠道屏障，使内毒素进 入到血液中，增加炎症反应的发生。 综上所述，肠道菌群可能通过改变能量吸收、脂肪代谢和引发全身低水平慢性炎症反 应来引起肥胖的发生（如图所示）。其中，能量吸收和脂肪代谢的改变依靠肠道菌群利用 难消化食物和关闭人类 Fiaf 基因、增加 ChREBP/ SREBP、Acc1 和 Fas 的表达来实现；而 全身性慢性炎症反应由革兰氏阴性菌产生的 LPS 引发，但像双歧杆菌这样的益生菌可以形 成血管屏障，阻止炎症反应的发生，而像硫酸盐还原菌等可将食物代谢产生 H2S 气体，破 坏肠道屏障，使内毒素进入到血液中，增加炎症反应的发生。这种全身性的炎症反应有两 种原因引起：内毒素和病原菌壁上的抗原。越来越多的学者倾向于慢性炎症的机制，但仍 有争议。他们认为这比其他机制，能从更根本的基础上解释肥胖的成因，但目前还需进一 步的证明。 图 肠道菌群引起肥胖的机制 4 4 肥胖的治疗策略肥胖的治疗策略 目前，通过饮食和运动来治疗肥胖为大多数人的选择。有实验证明，利用抗生素、益 生元、益生菌来改变肠道菌群，也可以治疗肥胖。 益生菌是指通过改善肠内菌群的平衡,对宿主起到有益作用的活性微生物，目前研究 最多的是乳酸菌和双歧杆菌。研究表明17，双歧杆菌科保护肠屏障，抑制内毒素进入血 液，导致肥胖。因此我们可以通过食用益生菌来预防肥胖。益生元是指一种不消化的食物 成分，它能有选择地刺激一种或几种结肠中的对宿主健康有好处的微生物的生长和活力， 从而改善宿主的健康，诱导肠腔内系统性免疫，改善宿主体质，目前对菊粉和低聚果糖的 研究较多18 19。低聚果糖可使饮食诱导的肥胖小鼠恢复肠道内双歧杆菌的含量17。抗 生素能在低微浓度下有选择地抑制或杀灭其它生物机能的有机物质，也可以改变肠道菌群。 试验者服用抗生素多粘菌素 B 后，LPS 表达受到了抑制，可能用于肥胖等代谢性疾病的治 疗15。这些都可能成为将来治疗肥胖的有效策略。 5 5 问题和展望问题和展望 虽然对肠道菌群与肥胖的研究取得了很多的成果，但是我们仍然面临着一些问题。 具体菌株是如何调节体重的？拟杆菌门、厚壁菌门和古菌在人或小鼠体内相对比例的机 制有待探索。修饰肠道菌群的其他方法有什么？抗生素，益生菌、益生元的安全性是 否可以保障。这些问题，都需要我们进一步地研究。而肠道菌群改变和肥胖孰因孰果这个 问题尤为重要。Kalliomi 等人20，通过对一些儿童从出生到 7 岁的粪便样品进行检测， 发现 7 岁时体重正常的儿童比超重的儿童，他们在 6-12 个月时的粪便样品含有较多的双 歧杆菌和较少的葡萄球菌。这就可以说明，肠道菌群差异是导致肥胖的原因。 作者：王京晶 上海交通大学生命科学技术学院研究生 参参 考考 文文 献献 1 Eliot M hal1Public Enemy Number One：Tohacco or Obesity，Science，2004,25（3）:304804 2 Ley, R.E., D.A. 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