西班牙学者揭示抗生素对肠道菌群及代谢影响巨大.doc

西班牙学者揭示抗生素对肠道菌群及代谢影响巨大2013-12-29 18:32来源：丁香园作者：tiancai_erbao字体大小-|+肠道的微生态是一个复杂的生态系统，而人类结肠则可以被看做是一个厌氧的生物反应器。肠道存在着万亿数量级的微生物，这大大增加了宿主基因组资源。同时这些庞大的微生物生态系统为人体能量捕获、食物消化、生物活性物质的合成等等提供了补充性代谢途径，否则人体将无法实现饮食中营养物质的同化。人类肠道菌群主要分为五类细菌：厚壁菌门、拟杆菌、放线菌（包括柯林斯菌和双歧杆菌等益生菌）、变形菌门和疣微菌。这一微生态平衡系统极易受外界因素影响而发生紊乱，抗生素的使用即是其中最常见的因素之一。抗生素可以有效治疗细菌感染，对抗生素耐药的细菌可以在人类肠道持续生存，这就对人类健康造成了极大威胁。前期研究表明广谱抗生素可以显著减少肠道拟杆菌而同时增加厚壁菌的数量。但是各项研究报道的结果并不一致，甚至相互矛盾。所以对于抗生素应用究竟可引起肠道菌群怎样的改变，这其中又有怎样的动态变化和潜在机制，我们对此仍知之甚少。西班牙瓦伦西亚大学生物与进化多样研究所 Ana Elena Prez-Cobas 及其团队在不同的时间点从使用- 内酰胺类抗生素人群的粪便中提取肠道微生物菌群，并进行了首次比较性观察分析，结果发表在 2013 年 11 月的 Gut 杂志上。作者采用多种组学分析相结合的方法分析了使用抗生素治疗 14 天的患者每天的粪便中肠道菌群的 16S rDNA 和活化的 16S rRNA、宏基因组学、宏转录组学（mRNAs）、宏代谢组学（方法：高效液相色谱与电喷雾电离作用和四极飞行时间质谱分析）、宏蛋白质组学（方法：超高效液相色谱法结合轨道阱质谱分析）。结果观察到了一个动态往复的过程。肠道菌群组成以及代谢水平改变在抗生素使用第 6、11、14 天最为剧烈。在应用抗生素早期（第 6 天）革兰氏阴性微生物减少，接着第 11 天，肠道微生物多样性发生了“全面崩溃”的改变，肠道寄生菌群数目显著减少，只有一些所谓的天然耐受菌群定植在结肠。到第 14 天革兰氏阳性菌群开始生长，肠道菌群多样性有所恢复。在此过程中，具有活性微生物数目失衡最为显著的时刻发生在第 14 天，比全部微生物数目失衡最剧烈的时间要晚（出现在第 11 天）。第 11 天时，肠道微生物的生物多样性和丰度都达到最低值。此外，最主要的代谢变化发生在应用抗生素第 6 天。在抗生素应用的早期，肠道菌群受宿主应激系统激活对抗生素的应用产生应答，肠道菌群“推定性”缩减其全部能量代谢，降低对胆酸、胆固醇、激素和维生素的运转和代谢，以逃避药物应用引起的“抗菌作用”。在停止使用抗生素后，宿主体内的微生物及其与宿主之间的相互作用显著恢复。作者将研究结果总结成一个“推定性”模型。具体内容如下：图 2. 受抗生素应用影响的人肠道菌群及代谢成分改变的“推定性”模型。“推定性”模型解释说明：该模型是建立在多种“组学”研究联合应用的实验结果基础上。抗生素的胆汁排泄触发了一系列代谢事件的级联反应。在使用抗生素早期，细菌通过促进反应系统进行应答逃避药物的抗菌作用（表达- 内酰胺酶、抗菌肽转运蛋白、多药物外排泵以及丙三基磷脂），间断进行营养供给并减少多糖类和脂多糖的产生。涉及细胞膜生物合成、肽聚糖样组分降解的基因表达增加直至抗生素应用的终止，而且这一反应的持续时间比其他类型药物造成的影响还要持久。最终，肝脏胰腺相关的胆酸、激素以及胆固醇合成涉及的细菌代谢受抗生素应用的影响而减弱，因此可能影响到肠 - 肝再循环和系统性脂类代谢，也就是说膳食脂肪的乳化、吸收和转运受到了抗生素使用的影响。然而这些代谢影响因素在停止使用抗生素后可显著改善。相似的，在抗生素使用停止后，有肠道微生物直接合成的维生素池（pool）也显著改善。在抗生素使用第 6 天明显下降的营养供给代谢，如糖酵解、丙酮酸脱羧、三羧酸循环、谷氨酸代谢、铁的摄取等在抗生素应用的后期仍呈下降状态，在抗生素停止应用之后仍显著下降。这说明受抗生素影响之后可以恢复的肠 - 肝再循环中结肠细菌参与产生和转运的铁、糖、支链氨基酸、短链有机酸和丙酮酸的数量很少。在具有活性的细菌结构水平，观察到了一个明显的震荡（可恢复式）组群动态变化模式。有初始的活化性拟杆菌占大多数，在抗生素停止使用后变为了伯克氏菌科为主。虚线表示的是每种肠道细菌组分在抗生素使用的情况下变动的大趋势。该项概念验证研究对宿主应用- 内酰胺类药物引起的肠道菌群的应答性变化提供了一个更为广泛、宏观的描述。该项结果证实在应用抗生素针对某一特定细菌感染引起的相关疾病进行治疗时可以改变整个肠道的微生物环境以及该微生态系统与宿主之间的相互作用，而且这一影响是巨大的，远远超过我们当初的认识。糖酵解、丙酮酸脱羧、三羧酸循环、谷氨酸代谢、铁的摄取等在抗生素停用后也无法立即恢复正常。组学研究方法使我们宏观了解肠道微生物在抗生素使用情况下的变化情况，提示我们在未来的抗生素应用中应更加关注药物对肠道代谢产生的影响，并尽量避免由此而产生的不良反应，及早进行干预。肠道菌群与肠易激综合征关系的研究进展2014-11-11 16:38 来源：国际消化病杂志作者：周晓艳 李铭 李延青字体大小-|+肠易激综合征 (lBS) 是一种以腹痛或腹部不适伴排便习惯改变为特征的功能性肠病，经检查排除可引起这些症状的器质性疾病。IBS 潜在的病理生理机制至今尚未完全清楚，但胃肠道动力异常、内脏感觉过敏、脑肠轴功能改变、轻度炎性反应、精神社会因素等对肠道菌群可能起了一定的作用。研究表明肠道菌群紊乱参与 IBS 的病理生理过程，IBS 患者的肠道菌群中存在厚壁菌对拟杆菌的比例 (firmicutes to bacteroidetes ratio,FBR) 增加，菌群多样性减少，黏膜相关菌群数量增多和组成成分改变等诸多变化。因此，肠道微生态干预成为治疗包括 IBS 在内的多种功能性胃肠疾病的新方法。1 肠道菌群1.1 肠道菌群的建立哺乳类动物宿主与微生物之间的相互作用，通过促进共生菌的定植和抵抗致病菌的黏附，刺激肠屏障功能的成熟。人体肠道菌群是一个动态变化的过程，新生儿出生时是无菌的，早期定植在肠道的微生物是高度不稳定的，主要是需氧菌，个体之间差异很大。随着肠黏膜免疫功能的发展成熟及肠道微环境、肠道菌群本身的变化，成人肠道菌群中的优势菌群逐渐替代早期定植菌，使得整个菌群变得更复杂、更稳定，处于一种共生模式。早期定植菌诱导肠上皮细胞岩藻糖转移酶 2(FUT2)的表达，活化肠免疫系统，因此平衡稳定的肠道菌群对宿主健康具有十分重要的作用。有研究报道人体肠道优势菌群存在宿主特异性，可以分为 3 种肠型（拟杆菌肠型、普雷沃菌肠型、瘤胃球菌肠型），其不以性别、年龄及身体质量指数 (BMI) 而改变 。1.2 肠道菌群与人类健康的关系人类肠道细菌数量是人体自身细胞数量的 10 倍，其基因数量是人体的 100 倍，生理状态下，肠道微生物的组成、功能与宿主之间存在动态平衡，即肠道稳态。数目庞大、种类多样的微生物组成复杂的微生态系统，显著调节消化道免疫、营养物质吸收、能量代谢和肠道生物屏障功能。正常的肠道菌群对免疫系统有很大影响。有研究发现肠相关淋巴组织和肠绒毛毛细血管在无菌动物是发育不良的，拟杆菌属类产生的多糖类物质有助于维持 Thl 细胞和 Th2 细胞的动态平衡，而 B 细胞的正常发育也需要共生菌的参与。肠道菌群紊乱在肥胖症、糖尿病、结直肠癌、炎症性肠病 (IBD)、及 IBS 等多种疾病的发病机制中起着重要的作用。2 研究菌群的方法研究菌群的方法基本上可以分为两大类：培养性方法和培养非依赖性分子技术方法。采用培养为基础的方法研究发现肠道微生物由高度复杂的群落组成，虽然这种方法在鉴别功能群组和选择计数（例如致病菌）方面是有价值的，但 80% 以上的细菌是无法培养的。培养非依赖性的分子技术方法，基于分析微生物的 16SrRNA 基因序列，16SrRNA 是原核细胞核糖体构成的基本原件，其不但含有高度保守的序列区域，还有中度保守和高度变化的序列区域，因此适用于微生物种系发育学的研究，而且它的分子量大小适中，约 1 540 bp，便于测序分析。基于 16SrRNA 基因分析的指纹分析方法（如变性梯度凝胶电泳）和定位方法（如荧光原位杂交、实时定量 PCR 等），提供了更强大、更方便的用于监测胃肠道微生物群落变化的方法。新的高通量测序方法和激光扫描显微镜的应用，进一步有助于对胃肠道微生物的了解。2.1 高通量测序技术及其与组学间的联系高通量测序技术，又称深度测序，通过扩增 16SrRNA 基因，对 DNA 或互补 DNA(cDNA) 进行直接测序，省去了克隆的步骤，增加了测序产量，进一步扩大了肠道微生物的多样化信息，为分析肠道微生物组学提供了新的可能性。目前常用的测序平台主要有 Roche/454FLX 焦磷酸测序、Illumina Solexa 合成测序及 ABI SOLID 连接法测序。从肠道或粪便中提取全部微生物的 DNA，并构建宏基因组文库，利用基因组学的研究策略研究样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能，称为宏基因组学。运用高通量测序或芯片分析方法检测胃肠道样本的 RNA 表达，可以直接反映实时环境表达信息，称为宏转录组学，具有重要的生物学意义。采用蛋白质分离和测序技术来描述存在于肠道或粪便中的主要蛋白质，称为宏蛋白质组学，可以提供实时环境功能信息。代谢组学，其不是直接与微生物的遗传信息相联系，而是通过检测肠道微生物产物的代谢谱，提供代谢产物的总体信息。2.2 激光扫描显微镜的应用激光扫描显微镜 (LSM) 可以提供细菌在离体状态下的肠黏膜高分辨率图像，其原理是根据已知微生物的种群特异性 DNA 序列，通过特定分子的荧光标记探针，在细胞内与特定的核苷酸序列原位杂交，通过激发杂交探针的荧光来检测信号，检测该微生物的存在与丰度。通过 16SrRNA 基因测序技术方法发现，肠腔内菌群组成与黏膜菌群组成存在显著差异；此外，非致病菌黏附在上皮细胞表面，发挥生物屏障功能，增加宿主对致病菌的抵抗能力。Parkes 等发现 IBS 患者黏膜菌群中拟杆菌和梭状芽胞杆菌数量增加，而双歧杆菌减少。Kerckhoffs 等研究发现，IBS 患者粪便样本和十二指肠黏膜样本中双歧杆菌数量显著减少，约为正常人的一半，而其他菌群无显著变化。3 lBS 中肠道菌群变化的相关研究3.1 抗生素与 IBS肠道菌群紊乱参与 IBS 的发病过程，而抗生素可以改变肠道菌群，随着小肠细菌过度生长 (SIBO) 在 IBS 中的作用日益受到肯定，一种新的方法即利用抗生素治疗 IBS 也逐渐引起重视。研究发现非吸收性广谱抗生素利福昔明不仅可以改善 IBS 的症状，也可以根除 SIBO，但再次治疗的有效性及耐受性需要更大样本的临床试验来验证。Villarreal 等研究发现，广谱抗生素的使用（尤其是大环内酯类和四环素类抗生素）可增加 IBS 的发病率。抗生素的应用与感染后 IBS(PI-IBS) 的风险增加也有关系。这表明抗生素在 IBS 应用的合理性及安全性，有待进一步研究。3.2 炎性反应与 IBSMeta 分析发现，患细菌性胃肠炎（主要是志贺氏菌、空腔弯曲菌和沙门氏菌）后 1 年内有相当高的风险发生 IBS(RR=6.5，95%CI：2.615.4)，而 36 个月后此效应依然明显 (RR=3.9，95%CI:3.05.0)。而病毒性胃肠炎与细菌性胃肠炎相比，却可以降低 PI-IBS 的发生率。传统的培养研究方法显示，PI-IBS 患者肠道内厌氧菌（如拟杆菌属和真杆菌属）含量下降 10 倍，而需氧菌的变化不大，表明在急性感染阶段正常厌氧菌 / 需氧菌比例逆转。目前运用培养非依赖性研究方法倾向于证实这些发现。有研究发现厌氧菌是结肠保留未吸收碳水化合物的关键菌群，它们可能通过阻止食物发酵为短链脂肪酸从而对腹泻型 IBS 患者有利。3.3 肠道菌群宿主相互作用肠道菌群与宿主在维持正常黏膜的免疫功能、上皮屏障完整性、肠道运动与营养物质吸收等方面存在相互作用。研究发现大部分 IBS 患者中黏膜的固有和适应性免疫反应有低度活化，黏膜免疫活化对 IBS 患者的感觉运动功能有潜在的影响。Barbara 等发现 IBS 患者黏膜活检标本中释放的组胺和类胰蛋白酶引起了肠系膜感觉传人通路的活化，将这些炎性介质应用到受体鼠时，可诱导内脏高敏感的产生。肠道菌群可能是刺激免疫系统的积极参与者，也可能是由于肠上皮通透性增加使免疫系统暴露于异常的微生物抗原负载。Turco 等分别用侵袭性大肠杆菌和乳酸菌刺激肠胶质细胞 (ECG)，发现 ECG 上表达不同的 Toll 样受体 (TLR)，可以特异性识别致病菌和有益菌。总之，肠道菌群与宿主之间的相互作用可能是通过微生物的组成成分，其可穿过黏液黏附在上皮细胞上，诱导活化黏膜固有免疫反应。心理因素在 IBS 中发挥重要作用，动物实验研究发现某种类型的心理应激可诱导肠道菌群组成变化，并伴有全身性细胞因子反应和肠道通透性增加。4 益生菌4.1 益生菌的应用益生菌是可以包装成多种剂型的含一种或多种细菌的微生物制剂，有广泛的生物活性，当给机体一个合适的剂量时，可以改善宿主的微生态平衡，发挥有益的作用，最常用的是乳酸杆菌和双歧杆菌。Rousseaux 等研究发现，口服乳杆菌属类益生菌制剂可诱导上皮细胞表达阿片样和大麻素受体，表明肠道微生物可以影响痛觉感知，在 IBS 患者内脏高敏感相关的腹痛中起作用。Zeng 等研究发现，短期应用乳酸杆菌治疗可调节腹泻型 IBS 患者的小肠黏膜屏障功能，改善患者的腹痛和腹胀症状，并可降低患者的 IBS 总体症状评分。OMahony 等研究发现，IBS 患者服用婴儿双歧杆菌 35624(110CFU) 10 周后，不仅改善了 IBS 的症状，也纠正了患者的细胞因子水平。这表明益生菌可能在 IBS 的一些假定的病理生理机制方面有效应，如内脏高敏感、胃肠道动力障碍、肠道通透性增加、肠道菌群紊乱和免疫功能等方面，不同微生物制剂对这些效应的影响可能明显不同。4.2 益生菌在肠道的定植早期研究发现，经植物乳杆菌治疗 4 周的 IBS 患者中，84% 的患者粪便培养检出摄入的益生菌，而只有 32% 的肠黏膜活检培养阳性，安慰剂组粪便和黏膜活检培养则全部为阴性。有研究发现，经婴儿双歧杆菌 35624 治疗 8 周的 IBS 患者，其粪便中检出摄入的益生菌量在 4 周到 8 周内较安慰剂组明显升高，并达稳定水平；治疗结束后 2 周，粪便检出的益生菌量虽仍较安慰剂组高，但呈现下降趋势；IBS 患者经益生菌治疗 8 周后，除梭状芽胞杆菌较安慰剂组明显升高外，其余细菌种类数量变化的差异无统计学意义。这表明益生菌在改善 IBS 症状的同时，其在肠道的代谢过程及其他菌群组成变化情况，还需进一步研究。4.3 罗马委员会对于益生菌调节 IBS 患者肠道菌群的临床指导大量研究报道益生菌的应用可改善 IBS 的症状，但 Ligaarden 等研究发现，服用植物乳杆菌 MF1298 后却加重了 IBS 的症状。目前仍不清楚哪些患者受益于哪种类型的益生菌，因此罗马委员会提出如下问题：单种益生菌制剂与多种益生菌的混合制剂孰优孰劣？哪种益生菌药物剂型最合适（液体或胶囊）? 益生菌的生存能力和生物利用度如何得到保证？最佳的给药方案和疗程是什么？益生菌在宿主定植的频率是多少？益生菌并非强有力的药物制剂，应针对哪种类型的患者？是否某些患者对益生菌是禁忌的（如新生儿、免疫功能低下者或重病患者）?是否应该针对 IBS 的特殊亚型给予不同的益生菌制剂？IBS 的哪些症状是治疗的主要目标？症状改善的可能机制是什么？5 结语肠道菌群组成、结构及比例与健康息息相关，IBS 患者存在肠道菌群失调。肠道菌群在 IBS 中的研究为明确 IBS 的发病机制、病理生理及治疗提供了新的思路。研究肠道菌群技术方法的革新，进一步帮助了学者们对肠道菌群的了解。益生菌是可以调节肠道菌群紊乱的生物制剂，在治疗 IBS 方面日益受到重视，但这方面尚处于试验研究阶段。关于益生菌摄人体内后能否定植及定植在何处的研究相对缺乏，特别是改善症状的具体机制方面还有待进一步研究，这对阐明益生菌治疗 IBS 的机制，优化益生菌的临床应用，具有深远的意义。本文作者：周晓艳 李铭 李延青方便的10天的疗程有对消费者有吸引力，并可提高抗生素治疗的依从性。总部位于迈阿密的生物制品和营养补充品制造商Scimera生物科学公司宣布推出其新的益生菌配方Asprega ProPac，以解