第十三章 胃肠道微生物和健康的关系ppt课件

第十三章 胃肠道微生物和健康的关系 在西方国家，由于滥用抗生素和膳食不正常引起的胃肠 道微生物菌群的变迁与过敏症和哮喘密切相关。这些微生物 菌群（微生物区系）在粘膜耐受，包括呼吸道的发育过程中 起着关键性的调节作用。应该重点关注的是这些微生物在胃 肠道发育、免疫应答和炎症性胃肠道疾病发生过程中所起的 作用。本章将主要概述胃肠道微生物在进食以后的发酵过程 和功能，微生物系统对胃肠内腔中的过敏原（变应原）免疫 耐受，并提出一个问题：胃肠道微生物是免疫系统的重要调 控者吗？ 第一节 肠道微生物菌群和变应原 在发达国家，过敏性呼吸道疾病的发病率比过去四十年有了显著的提高 。在美国、加拿大、英国、爱尔兰、新西兰和澳大利亚等地，1314岁的儿 童普遍患有此类疾病，而且发病率高达22%32%。然而，在过去的四十年 中，哮喘病的发病率在发展中国家并没有多大变化。根据现在哮喘病发病范 围的不同（发达国家还是发展中国家），哮喘症发病率的增加，会出现两种 不同的发展趋势，这就表明了生活环境的变化是哮喘病发展的重要因素。这 些观察结果，最终引发了关于过敏病和哮喘症的“卫生假说”，这一假说认为 ：如果在生命的早期缺乏微生物刺激，那么在接下来的生命中会导致对无害 抗原产生异常的免疫应答。然而，关于这一假说有两种可能的解释，在西方 国家中，滥用抗生素或饮食习惯的不同都有可能导致胃肠道微生物菌群的涨 落和变迁，而这种变化会破坏免疫耐受的发展机制。包括关于发达国家滥用 抗生素与哮喘症和/或过敏症之间的关系，以及微生物菌群的涨落与变迁和过 敏症发生之间的关系等很多资料都支持这种关于“微生物系统涨落与变迁”的 解释。无菌动物在免疫应答发生过程中显示出很多缺陷和不足，所以抗生素 诱导胃肠道微生物菌群发生涨落和变迁是哮喘发病的一个重要因素。 一、 抗生素、膳食以及婴幼儿饮食对肠道微生物的影响 1、抗生素 抗生素对肠道微生物的下游效应依赖于几种药理学变化。 然而，肠道微生物定植抵抗能力（由伺机性病原菌抵抗定植） 的缺乏是由大多数抗生素治疗所产生的一种常见的副作用。在 人和动物模型中，抗生素治疗会导致有益厌氧菌（例如，双歧 杆菌属、乳酸菌和类杆菌属）的长期减少而增加一些潜在的有 害微生物的繁殖（例如，革兰氏阴性需氧菌、厌氧病原菌、难 辨梭状芽孢杆菌和白色念珠酵母菌）。抗生素治疗还能够降低 短链脂肪酸的水平，长期的抗生素治疗能够导致16srRNA微 生物指纹图谱发生显著变化，指纹图谱的变化能反映微生物构 成的变化。 2、膳食 宿主与微生物通过营养交换表现它们之间的共生关系。宿 主为微生物提供生存的微环境和养料，微生物生产一些有益的 次生代谢产物，如维生素和短链脂肪酸作为交换。20世纪前 叶，科学家致力于研究膳食对微生物的影响，这主要受益于益 生菌理论的提出者梅奇尼可夫（Eli Metchnikoff）的观点的普 及。这些早期的研究表明啮齿动物肠道菌群的构成会随着膳食 的改变发生急剧的变化。进食营养丰富的狗会抑制耐药微生物 的恢复，这一点已经得到了证实。现在大部份研究都集中在寻 找一种优质有效的饮食碳水化合物。益生元碳水化合物，像菊 粉和低聚果糖，能刺激双歧杆菌的生长，反之，果糖等单糖能 刺激大肠菌群和好氧微生物的生长。因此，宿主的膳食组成决 定了微生物的物种组成以及它们的代谢活动，这跟不同的物种 需要生长在不同的培养基上是同样的道理。 3、婴幼儿饮食 一个世纪以前，科学家作了关于这方面的第一个实验，发 现饮用母乳和饮用牛奶的婴幼儿胃肠道内微生物的组成存在差 异。这个结论是通过对不同时期婴幼儿胃肠道中微生物的定植 情况进行观察而得出的，并且得到了反复印证。两种饮食摄生 法的最大差别是，饮用母乳的婴幼儿微生物的主要组成为乳酸 菌，而饮用牛奶的婴幼儿肠道微生物组成却有所不同，主要是 厌氧细菌和需氧细菌的混合物，推测这和母乳中的抗体组成和 细胞因子组成有很大关系，当然也与其蛋白质和各种营养有关 。近来的研究主要集中在微生物群体对肠道发育的影响，以及 免疫系统如何适应胃肠道中微生物的存在。研究的重点是肠道 微生物在引发炎症性疾病中的作用，例如炎症性肠疾病和关节 炎。本节着重论述在接受外源性抗原刺激时，肠道微生物在维 持黏膜免疫耐受中所起的作用。 图13.2 人类肠道系统的细菌多样性。(A) 基于8903个16S rRNA基因序列的基因芯 片进行的肠道系统细菌多样调查和系统 分类所绘制的系统树。楔形图表示的各 分类领域(超领域)：在人的消化道中具有 较大丰度的用红色表示，非常罕见的种 类用绿色表示，未鉴定的用灰色表示。 楔形图长度表示与其祖先的进化距离， 粗度表示其丰度。(B) CFB分类的系统树 是基于GenBank (900核苷酸)1561序列 及其生态学的逻辑关系。CFB主要亚类 的楔形图：用象征符号表示其来源：地 球、环境、牛、反刍动物、啮齿动物、 老鼠和/或小鼠、人类、人类消化道(GI) ，其它还有白蚁、蟑螂、虫子(包括热水 中的虫)和猪。图中的比例是指人的消化 道中存在的数目和亚类中总数的比值： 红色、黄色和黑色分别表示多数、少数 和人类GI中不存在。(C) 简化的细菌类系 统树。细菌菌株的分类是基于形态学的 用红色表示，这些菌株还没有得到16S rRNA分析的证实。已经进行过序列分析 的用粗体表示。黑色圆点表示具有高支 持度的节点(70%)。分枝长度代表聚类 的遗传距离，也就是16S rRNA基因的核 苷酸序列差异。 图13.3 人类消化道(GI) 中各种细菌的丰度估算 。主要依据16S rRNA 基因序列的变异水平。 分布在“属”以下水平的 同源性为95%，“种”以 下水平的同源性为98% ，到菌株水平只有基于 独特的序列。计算依据 于GenBank数据库，各 分类单位则同源性分布 于80100%之间。 1、真菌微生物：白色念珠菌 在人体中最主要的真菌微生物种属是酵母白色念珠菌。它极少量的定居 在口，阴道和胃肠道（GI）管中。影响粘膜表面白色念珠菌数量的因素是多 方面的，包括正常微生物菌群、激素、压力、先天性免疫和获得性免疫。无 菌而经抗生素治疗的小鼠，对白色念珠菌感染更为敏感。在人体中，酵母菌 感染粘膜系统是抗生素治疗产生的一个最常见的副作用。因此，通过正常菌 群来控制白色念珠菌是非常重要的。细菌微生物之所以能够控制和预防白色 念珠菌感染，部分是因为它们能通过生存竞争将白色念珠菌排除出有利的生 存环境。口腔细菌可以抑制酵母白色念珠菌在裂解为菌丝的过程中转化，这 种转化可加强对上皮细胞的入侵。乳酸菌被认为可以抑制白色念珠菌在小鼠 胃肠道上皮细胞的定植，及其引发的菌丝入侵和全身感染。在胃肠道患念珠 菌病的小鼠模型中，预先接种乳酸菌可以降低白色念珠菌的水平，并可减少 它的入侵。研究证实，有几株乳酸菌可以抑制白色念珠菌菌丝的转化，而菌 丝转化是菌侵染上皮细胞和由共生到病原菌转化的关键步骤。正常微生物菌 群的成员，例如乳酸菌，能够产生大量具有生物活性的短链脂肪酸。这些脂 肪酸是厌氧发酵的副产物，具有抗炎功能。丁酸是一种短链脂肪酸，因具有 免疫调节活性而被人们所熟知。然而，丁酸也可以抑制白色念珠菌菌丝的转 化。短链脂肪酸是一种代谢副产物，可通过乳酸菌发酵大量生产。因此，抑 制白色念珠菌菌丝的转化是乳酸菌的一个重要的益生菌活性。 2、改变微生物菌群 环境压力，例如抗生素的使用，饮食不正常以及接种微生 物等，都可能导致微生物群体短暂和永久的变更为另一形态稳 定的微生物菌群。仅为宿主生产有益物质的微生物被称为有益 菌，包括乳酸菌属和双歧杆菌属。此外，潜在致病微生物（ PPO）也是组成微生物种群的一部分，包括需氧肠细菌，梭菌 属以及白色念珠菌。然而，在健康个体中，PPO仅占微生物种 群总量的一小部分。微生态失衡主要表现在有益厌氧微生物的 减少以及需氧细菌和真菌（大部分是一些潜在致病菌）和有害 厌氧微生物的增加。肠道微生物定植抗力是专性厌氧菌所具有 一种抑制活性，它能抑制潜在的有害固有种和外来种的过度繁 殖。微生物定植抗力的减少，最终可能表现出无临床症状（仅 导致微生态失衡）或者是播散性感染。 图13.4机体学会了如何从多形类 杆菌(B.thetaiotaomicron)那里 获得可利用的糖类。(1) 多形类 杆菌没有黏附的细胞器。没有 外膜的多糖类结合蛋白介导的 黏附到富含糖的营养颗粒，所 以它将会冒很大被肠道生物反 应器洗刷掉的风险。这也就是 底物有限的情况。(2) 少量的未 经消化或部分消化的营养颗粒 ，例如饮食的纤维素、流动的 上皮细胞或粘膜片段。这也就 是动力学平衡过程，在这种情 况下，微生物发酵这些未完全 消化物质，诱导一系列的多糖 结合蛋白和多糖水解酶。(3) 耐 热的产甲烷细菌通过发酵这些 糖类释放出甲烷，从而从多糖 中把能量全部释放出来。(4) 当 饮食缺乏多糖的时候，多形类 杆菌就通过发展一套不同的多 糖结合蛋白和配糖水解酶为宿 主粘膜提供多糖。这种适应性 反映出宿主粘膜多糖的多样性 和多形类杆菌的不同的适应能 力。 三、益生菌和益生元 胃肠道微生物菌群的控制和稳定可作为免疫治疗的一种手段。益生菌理 论由Eli Metchnikoff首次提出，解释了保加利亚农民身体健康、长寿与日常饮 用不含腐败微生物的发酵乳制品之间的关系。通过这些观察，他认为维持健 康的肠道微生物菌群是实现健康长寿的关键。益生菌因此被定义为有活性的 微生物添加剂，它是非致病菌，可对健康产生有益的影响。添加益生菌不仅 能够导致在生物体中的定植，而且能够改变微生物种群其它成员的丰度。以 发酵食品的形式添加益生菌，在西方国家和部分欧洲地区很流行。考古学研 究也支持这一理论，在数千年之后这一习惯扩大并遍及多个文明社会。由这 个事实得出，我们的胃肠道生态系统应通过日常供给和获取一定剂量的活乳 酸菌来完成其进化。在西方国家，儿童过敏性症状已经被证实得到了缓解， 主要是因为他们的生活方式，包括减少抗生素的使用和每天摄入一定量的益 生菌，这种现象印证了上面的观点。现在临床研究表明添加益生菌能改良健 康状况。我们不应该仅仅注意对健康有特殊疗效的微生物的挑选，也应该注 意用于促进这些微生物添加剂生长发育并能提高其活性的食品添加剂（益生 元）。每日摄取含有鼠李糖乳酸菌的乳制品，对其进行长期调查，看其对排 泄微生物组成产生的影响，结果表明添加益生菌超过六个月会导致短暂的可 操作细菌定植。然而，在益生菌添加停止两个月后检测，发现大部分实验中 鼠李糖乳酸菌都没检出。可见益生菌的日常摄取对于获取最大功效可能是必 需的。 四、微生物群体变动与过敏症之间的流行病学联系 抗生素，膳食和婴幼儿饮食摄生法都与过敏症和哮喘症的发展密切相 关。这三种因素对微生物群体组成的影响都很大。目前，基于对流行病学 的研究，反对用微生物在过敏病患者中做实验直接证明和检测这一观点。 但是大量研究显示胃肠道微生物菌群的组成在患有遗传性过敏症和非遗传 性过敏症的个体中是不同的，在发达国家和发展中国家也是不同的。饮食 变更，例如增大饮食中优质食物的比例，可能是造成发达国家和发展中国 家GI中微生物组成不同的主要原因。检测来自过敏性疾病高流行（瑞典） 和低流行（爱沙尼亚）国家中儿童体内的微生物组成，结果显示来自不同 国家的患过敏症的儿童具有相同的微生物组成。过敏症儿童（利用阳性皮 肤点刺试验检测普通过敏原）需氧微生物的水平增加，并且厌氧微生物降 低，尤其是乳酸杆菌的水平。其他研究调查了婴儿出生后前两年体内微生 物群体的组成，并监控了瑞典和爱沙尼亚这两个国家中过敏症的发展情况 。有趣的是，患有过敏症的婴幼儿体内双歧杆菌和肠球菌的水平都很低， 而梭状芽孢杆菌和金黄色葡萄球菌的水平却有所提升。这些研究表明，微 生物的组成可能是过敏性疾病的潜在因素，尽管在这两个国家中还存在其 它环境因子的差异。 第二节 微生物菌群的变动和免疫学推论 一、引言 早在几年前人们就已经意识到胃肠道微生物菌群的变更可以影响黏膜免疫。无 菌动物含有极少量的肠道集合淋巴结，极少量的上皮内淋巴细胞，和低水平的分泌 型IgA。在超敏反应(变态反应)的前后，可以阻止无菌动物的口服耐受性诱导，这种 现象能阻碍IgE的产生。用肠细菌接种无菌鼠（程式化/规范化），可以使其产生口 服耐受的能力得到恢复。免疫耐受，包括口腔耐受，通过被称为调节性T细胞群中不 同的T细胞对其进行调控，这些T细胞具有抗炎功能，由白细胞介素(IL)-10和/或转化 生长因子(TGF)-抑制。调节性T细胞的生长发育情况强烈受抗原呈递细胞（APC） 类型和成熟度的影响。树突状细胞(DCs)是一种有效的APCs，它们通过改变性能来 诱导T细胞分化。未成熟DCs（没有接收到炎症信号）诱导调节性T细胞的分化，而 成熟DCs（接收到了炎症信号）则诱导辅助性T细胞(Th1 和 Th2)的分化。大量事实 显示，胃肠道微生物群体也能够调控肠粘膜上DC的分化。例如，乳酸杆菌素能够下 调DCs的成熟，并能减少CD4+ T细胞（类似调节性T细胞）的体外增殖。有趣的是 ，已有报道称幼鼠经卡那霉素治疗后，相对于Th1免疫应答，基于Th2的免疫应答会 有所增加，包括增加循环的IgE, IgG1和抗-CD3-刺激的脾脏IL-4的产生，同时减少脾 脏IFN的产生。这些经抗生素治疗的鼠经口注入肠细菌，抑制了脾脏中基于Th2响 应的上调。结果表明：通过改变GI中微生物的组成可以促使Th2响应上调机制发生 。总而言之，大量事实开始支持这一模式，解释了为何微生物群体的破坏可以通过 干扰DCs（促进抗原特异性调节T细胞免疫应答）的分化来破坏口服耐受（图13.5） 。 图13.5 胃肠道（GI）微生物如何控制肺部的免疫应答模型。吸入的抗原（Ags）被先天免疫细胞捕获 ，接下来在次级淋巴器官如淋巴腺（LN）和脾脏中激活获得性免疫。接触抗原后，抗原特异性T细胞 被募集到肺脏。调节性T细胞网络对预防呼吸道中过度的Th2应答是非常必要的，Th2应答是针对吸入 性非易感（花粉）或极低易感（霉菌孢子）抗原产生的应答。吸入性抗原能进入机体，是因为鼻腔和 上呼吸道在解剖学上被设计成适合于将环境中抗原（浮质，微细颗粒）黏附到粘膜层上的结构，然后 将它们卷入喉咙，最终将它们吞下。吸入的Ag随后被GI管中的树突状细胞(DCs)获得。在非炎症条件 下，这些DCs能促进调节性T细胞对抗原的免疫应答。依据介导口服耐受的机制保持微生物平衡有利 于维持T细胞调节网络。然而，GI管能够捕获呼吸进肺部和鼻腔中的抗原。这会导致调节性T细胞应 答的产生，从而控制无感染时的炎症。在抗生素诱导GI微生物菌群（细菌和真菌）发生长期变化的过 程中，会出现抗生素使用与肺免疫失调之间的联系，这将造成调节性T细胞应答环境的改变。饮食改 变与抗生素使用具有相同的效果。宿主也能通过改变先天识别反应来调节免疫应答。 二、胃肠道微生物的改变在过敏性呼吸道疾病中的作用 现已提出肺这一微环境通常倾向于进行Th2免疫应答。然而，在肺部 经鼻腔吸入抗原的再三接触会导致Th2应答的减少，这是耐受的一种形式 。口服耐受由调节性T细胞免疫应答调控，它能够下调遍及全身各处相同 抗原的Th2应答，也包括肺部。在无菌鼠中口服耐受无法形成，这表明GI 微生物在口腔耐受产生中起到了关键作用。那么口服耐受与耐受吸入的过 敏原究竟有什么关系呢？大量的研究显示，从鼻腔进入的流体，微粒和微 生物随后很大程度上都能在GI管中被即刻检测到。即使将2.5l这样小的剂 量经鼻腔注入小鼠，也能被完全吸收，主要是因为鼻咽腔含有黏膜纤毛。 因此，胃肠道会接触并捕获任何抗原，同时呼吸道也会捕获这些抗原。因 为许多抗原的的摄取可能会引起对相应抗原的耐受（如众所周知的“口服耐 受”现象），这种有趣的观点认为，胃肠道黏膜免疫系统在耐受吸入抗原的 过程中担当的可能是传感器的角色。如果这种假设是正确的，那么它在理 论上将被继续下去，即这个“传感器”体系经由遗传学（具有影响力的先天 免疫细胞）可能会有所改进，并且由抗生素和饮食引起的微生物变化会将 这一体系扩大和延伸（图13.5）。 最近报道指出白色念珠菌（和许多其它真菌）分泌前列腺 素样分子de novo或经由外来的花生四烯酸转化。PGE2 (前列 腺素 E2)可交叉反应的混合物对哺乳动物细胞具有生物活性， 它的生物活性与从白色念珠菌中提取精制的PGE2没有多大差 异。前列腺素是一种有效的免疫调节分子，它能够抑制Th1-型 免疫应答、细胞因子产生、吞噬作用加强和淋巴细胞增殖，并 能提升Th2-型免疫应答应答和促进组织嗜曙红细胞增殖。 PGD2受体(DP)敲除的鼠对卵清蛋白(OVA)没有呼吸道Th2型免 疫应答。现在大量事实证明前列腺素（尤其是PGE2）在整个 免疫调节中都有作用（积极的或消极的）。源自微生物的前列 腺素D2（PGD2）能够改变DC的迁移和生存。在组织中真菌 细胞壁葡聚糖也是一种有效的炎症刺激物，并且在胃肠道中具 有酵母的免疫调节活性。因此，增加真菌微生物的水平，这种 现象通常发生在抗生素治疗的过程中，可能会降低产生耐受抗 原的调节性T细胞免疫应答能力，或者通过真菌样类脂和葡聚 糖干扰抗原耐受性诱导的表达。 已经建立了一个由抗生素诱导破坏微生物菌群的小鼠模 型，包括稳定增加胃肠道中（GI）的肠细菌和GI中的假丝酵 母菌的水平，而没有将微生物引入肺中。将头孢哌酮放入鼠 饮用水中，喂养处理小鼠5天，接着仅经口喂入白色念珠菌 。这会导致胃肠道微生物菌群中GI细菌数量的变化，增加酵 母菌的数量，这种现象至少会持续23周。如果随后将此鼠 经鼻引入过敏原，这种微生物变化将引起由IL-13和CD4+T 细胞介导的过敏性呼吸道免疫应答。对这些动物模型的研究 强调了这样一种观点，微生物的变化在调节肺中对吸入抗原 的免疫应答起很重要的作用。 三、微生物菌群能被用来改变超敏反应吗？ 大量研究显示，添加益生菌和益生元在治疗和预防疾病方面都能产生不 错的疗效。已经有一些证据表明，添加益生菌能够减轻和/或预防过敏性疾 病的发展。尽管过敏症包含许多种疾病，但是异位性湿疹是在幼儿和儿童中 最早显现的一个病症。在一个随机空白对照实验研究中，口服鼠李糖乳酸菌 GG可以降低高危儿童异位性湿疹的发病率。这一研究持续两年，结果表明 在儿童的幼年早期供给益生菌添加剂可预防过敏性疾病。对幼年患有异位性 湿疹的幼儿进行实验，这些研究显示饮用益生菌添加剂的儿童比严格控制没 有饮用益生菌添加剂的儿童更能有效减轻疾病的严重程度。对患病幼儿的排 泄物进行微生物组分测定，结果显示，大肠杆菌的水平与过敏性疾病之间存 在相关性，并且添加双歧杆菌后能够降低大肠杆菌的水平。有趣的是，怀有 可能患病的幼儿的妈妈服用益生菌添加剂也能预防并发性异位性湿疹。无论 是在出生前还是出生后添加益生菌，均使一组高危幼儿患异位性皮炎的机率 降低了50%。对已经患有异位性皮炎的儿童进行试验研究，发现添加乳酸菌 能够减轻病人的临床症状。在鼠中，经口服干酪乳酸杆菌Shirota能够有效 地抑制OVA刺激的IgE的产生。总而言之，这些研究指出，调控儿童和幼儿 胃肠道中的微生物可以作为预防和治疗过敏性疾病的策略。还需要做大量的 研究来确定选取最优益生菌的方案，并确定这个方案对患有过敏性呼吸道疾 病病人的有效性。 四、微生物菌群是免疫系统的主要调控者吗？ 一个世纪以来，科学家已经意识到饮食能够显著地改变微 生物菌群的组成和丰度。几十年以来，科学家已经能够利用小 鼠模型证明：微生物菌群对免疫系统的发展和维护具有重要作 用。然而，直到40年前，这些关于人们健康的影响因素才显现 出来。在这