腸道菌群與肥胖發(fā)生的研究進展

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作者：王京晶

+ b  }* O0 B! J& U7 e2 q! U上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究生

; S% X$ m- K( d學(xué)號：0080809032

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摘要
目前，肥胖對人類健康的影響越來越顯著，因此研究肥胖的發(fā)生機理和治療策略十分必要。這篇文章總結(jié)了腸道菌群與肥胖發(fā)生的研究進展。研究表明，腸道菌群能夠幫助宿主從飲食中的多糖成分中獲得更多的卡路里，并儲藏在脂肪細胞中備用。腸道菌群還可以通過關(guān)閉Fiaf基因和增加ChREBP/ SREBP、Acc1和Fas的表達來增加脂肪在脂肪組織和肝臟中的儲存。并且，腸道中革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的脂多糖LPS，引發(fā)了全身慢性低水平炎癥反應(yīng)，然后導(dǎo)致肥胖。因此，通過益生菌、益生元或抗生素修飾腸道菌群可能成為未來治療肥胖的有效方法。
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: _/ @* S3 o5 C9 B7 a8 u關(guān)鍵詞  腸道菌群，肥胖，能量吸收，脂肪代謝，慢性低水平炎癥反應(yīng)
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肥胖是一種慢性代謝疾病，是導(dǎo)致高血壓、糖尿病、心腦血管疾病及非酒精性脂肪肝等疾病的重要因素。近年來，隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提高和人們生活方式的改變，
/ R& d. C4 t7 T8 o* ~6 |0 A- ?肥胖率呈上升趨勢。在美國將近1／3的成人超重或者肥胖，而全世界超重或肥胖人群已超過5億，肥胖已成為日益嚴峻的全球性公共衛(wèi)生問題。目前，關(guān)于肥胖的病因研究進展迅速。多數(shù)學(xué)者認為，肥胖是多因素互相作用的結(jié)果[1]，基因、環(huán)境、營養(yǎng)等是研究的重點。而最新研究表明，腸道菌群與肥胖的形成有一定關(guān)系，可能發(fā)揮著重要的作用。本文就此作簡要綜述。以期能為解釋肥胖成因，預(yù)防和治療肥胖提供依據(jù)。

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1  腸道菌群概述

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人的腸道是一個復(fù)雜、活躍、同時維持著相對平衡的系統(tǒng)。其中定植著數(shù)目龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物群落，因此，人被稱為“超級生物體”。這個生態(tài)系統(tǒng)擁有1014個細胞，是人體細胞總數(shù)的10倍；大約500-1000種細菌，包含100多萬個基因，數(shù)目是人類基因組的100倍。[2]
8 f! d7 ~# S0 }5 W5 T- b其中的30-40 種優(yōu)勢細菌構(gòu)成了人體腸道細菌總量的 99％。腸道菌群和宿主之前存在著密不可分的互利共生關(guān)系，在宿主的消化吸收、免疫反應(yīng)、代謝活性方面都發(fā)揮著重要的作用。其中，在門水平上，厚壁菌門和擬桿菌門為兩個優(yōu)勢菌門，大多數(shù)糞便細菌都是一些不可培養(yǎng)的類型，且不同個體之間糞便樣品中的細菌組成也有顯著差異；在屬水平上，擬桿菌，柔嫩梭菌，乳酸菌，雙歧桿菌是四類與人類健康密切相關(guān)的優(yōu)勢菌，也是現(xiàn)階段人們對腸道微生物研究的重點。[3]
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2  腸道菌群的研究方法

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( ]& p- [$ N! @$ k4 F在分子水平上研究腸道微生物生態(tài)，除了以往經(jīng)常用到的分子指紋圖譜（ARDRA、ERIC-PCR、DGGE/TGGE、T-RFLP）和克隆文庫的技術(shù)，元基因組學(xué)和代謝組學(xué)目前逐漸成為主要的研究方法[4]。元基因組學(xué)是指人體及其體內(nèi)所有微生物的基因信息的集合，測序速度大大提高對元基因組的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。代謝組學(xué)是關(guān)于定量描述生物內(nèi)源性代謝物質(zhì)的整體及其對內(nèi)因外因變化應(yīng)答規(guī)律的科學(xué)，利用高通量、高靈敏度與高精確度的現(xiàn)代分析技術(shù)，把研究對象作為一個整體來觀察和分析，是系統(tǒng)生物學(xué)的重要組成部分。

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& g2 C! m- C8 v1 c9 v3  腸道菌群與肥胖

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肥胖作為一種慢性全身性代謝性疾病，嚴重影響人們的正常生活。以往多關(guān)注的是基因?qū)Ψ逝职l(fā)生的影響。但基因從人一出生就確定了，以后就不再改變。但人的身體狀況是在后天不斷變化的，這說明基因并不是決定肥胖的關(guān)鍵因素。腸道菌群與人類長期共進化，可能是產(chǎn)生肥胖的關(guān)鍵因素之一，而且越來越多的證據(jù)證明了這點。
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3.1  腸道菌群與能量吸收

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Backhed等人研究發(fā)現(xiàn)[5]，正常喂養(yǎng)的小鼠的體脂含量比無菌小鼠高40%，性腺脂肪含量高47%，并且正常小鼠的進食量比無菌小鼠低。將正常小鼠的腸道菌群克隆到無菌小鼠體內(nèi)，飼喂條件不變，兩周后其脂肪量增加60%，并且出現(xiàn)胰島素抵抗。這表明肥胖可能與腸道菌群有關(guān)。導(dǎo)致體重增加的可能因素是：①腸道內(nèi)葡萄糖的吸收增強。②腸道菌群能發(fā)酵人體不能消化的多糖形成短鏈脂肪酸，提供多余的能量，同時短鏈脂肪酸能夠誘導(dǎo)脂肪合成。③高血糖和胰島素血癥刺激脂肪生成。

Ley等人的研究表明[6]，肥胖可能和腸道菌群的改變有關(guān)。他們對肥胖的ob/ob小鼠和對照的非肥胖小鼠(-／-)腸道內(nèi)5000多種細菌的16s rRNA基因序列進行分析，ob小鼠擬桿菌門的數(shù)量少50％，同時具有更多的厚壁菌門細菌。這個小組也對肥胖和非肥胖的人的腸道菌群做了研究[7]。他們對12名肥胖患者進行跟蹤研究，通過分別給予脂肪限制的飲食和碳水化合物限制的飲食進行治療。一年后前者體重下降2％，后者體重下降6％
，進行16s rRNA基因研究表明，攝入食物的總能量不變的前提下，通過兩種飲食減肥后，腸道內(nèi)的厚菌門數(shù)量下降，而擬桿菌門數(shù)量上升。
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這些研究只說明了肥胖改變了腸道菌群，并不能說明腸道菌群的改變導(dǎo)致了肥胖的產(chǎn)生。但以下的研究可以證明這個假說。Turnbaugb等人的研究表明[8]，肥將胖小鼠(ob／ob)的腸道菌群轉(zhuǎn)移到非肥胖無菌小鼠體內(nèi)，2周后非肥胖小鼠就和肥胖小鼠一樣，具有更高的能量吸收的效率，并且其排泄物中能量更低，還具有明顯的體重增加。由此可見，在營養(yǎng)攝人相同的條件下，腸道微生物幾乎可以決定宿主的能量吸收。同時，肥胖小鼠富含早期降解多糖的酶．能經(jīng)KEGG通路代謝淀粉、半乳糖、丁酸鹽，有明顯的體重增加。此外，肥胖小鼠腸道中含有更多的古生菌。
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人體腸道幾乎不含多糖消化酶，不能消化植物多糖，如纖維素、半纖維素、果膠、抗性淀粉等，而微生物將多糖降解為短鏈脂肪酸，二氧化碳和氫氣。并且體內(nèi)多余的葡萄糖，除少量合成糖原儲存在肝臟和肌肉以外，大部分將合成脂酸和脂肪在脂肪組織中儲存，所以，高血糖對于肥胖有促進作用。研究表明[9]，碳水化合物來源的能量，有1O％～15％依賴于腸道細菌的酵解。腸道細菌中擬桿菌門和厚壁菌門對肥胖有較大的影響。多形擬桿菌能編碼64種多糖降解相關(guān)的酶，從而降解多糖，為宿主提供額外的能量。接種多形擬桿菌10d后的小鼠，其盲腸內(nèi)己糖的濃度顯著降低，說明細菌能促進宿主對單糖的吸收。這個結(jié)果和上面肥胖患者體內(nèi)擬桿菌門含量少有些矛盾。厚壁菌門也具有降解人體所不能降解的多糖，為人體提供能量的作用。比如，直腸真桿菌(厚壁菌門)至少含有44種與抗性淀粉降解酶有關(guān)的基因。腸道菌群中的古生菌也對肥胖有一定得影響。古生菌是多糖代謝鏈的最后的微生物環(huán)節(jié)。嗜溫產(chǎn)甲烷菌通過產(chǎn)生甲烷來降低氫氣的分壓．有利于維持厭氧的環(huán)境，并因此增加了微生物的發(fā)酵效率[10]。對小鼠接種人體腸道內(nèi)的產(chǎn)甲烷菌和擬桿菌后，與單一接種相比，提高了發(fā)酵的效率，從而顯著提高了肥胖的發(fā)生率。

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3.2  腸道菌群與脂肪代謝
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Backhed等人 [5]通過對無菌小鼠、正常小鼠、和克隆了正常小鼠腸道菌群的無菌小鼠的研究，說明了腸道微生物與脂肪代謝的關(guān)系 。無菌小鼠在食物消耗量增加的情況下，身體脂肪含量的增長卻比定植菌群的小鼠低。他們研究認為，腸道菌群一方面增加對食物中多糖的利用，增加碳水化合物反應(yīng)結(jié)合元件蛋白ChREBP/固醇反應(yīng)元件結(jié)合蛋白SREBP的表達，它們是協(xié)同介導(dǎo)肝臟細胞對胰島素和葡萄糖的反應(yīng)并進行脂肪生成的轉(zhuǎn)錄因子，并使之與乙酰輔酶A羧化酶Acc1和脂肪酸合酶Fas（表達量也增加）結(jié)合，從而使甘油三脂在肝臟中積累，增加宿主肝臟脂肪合成；另一方面，腸道菌群能夠抑制禁食誘導(dǎo)脂肪因子Fiaf（一種LPL-脂蛋白脂肪酶抑制因子）的表達，使脂蛋白脂肪酶LPL增加，它可以催化肌肉和心臟脂肪的脂蛋白釋放脂肪酸—甘油三脂，從而使得脂肪組織中積累甘油三脂。

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該組人員[11]又通過實驗解釋無菌小鼠能夠抵抗高脂食物誘導(dǎo)的肥胖的機理，這包括兩個調(diào)控脂肪酸代謝的途徑：無菌小鼠（1）提高了Faif的水平，誘導(dǎo)了過氧化物酶體增殖物激活受體輔助激活因子Pgc-1α（一種新型輔助轉(zhuǎn)錄激活因子,其與棕色脂肪細胞的分化及其生理功能關(guān)系密切,可能是新的減肥藥物作用靶點）的表達，啟動了脂肪氧化的代謝途徑，即消耗了脂肪；（2）提高了AMP活化蛋白激酶（AMPK）及其下游參與脂肪氧化的靶點（乙酰輔酶A羧化酶等）的磷酸化水平，即提高了它的活性，打開了分解代謝途徑，同時關(guān)閉消耗ATP的通路，即可分解脂肪。
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可見，腸道菌群對脂肪的儲存發(fā)揮了重要的作用。

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3.3  腸道菌群與慢性低水平炎癥反應(yīng)

最新研究表明[12]，肥胖癥和胰島素抵抗都被證明與全身的慢性低水平的炎癥有關(guān)。肥胖發(fā)生后，由于巨噬細胞對脂肪組織的滲透和脂肪細胞自身產(chǎn)生炎癥因子，使得脂肪組織發(fā)炎。巨噬細胞會聚集很多脂類，形成泡沫狀細胞。脂肪細胞和巨噬細胞表現(xiàn)出同樣的特征，即表達炎癥因子、FABPs(脂肪酸結(jié)合蛋白)、核激素受體等。

Cani等人提出了一個腸道菌群改變促使肥胖發(fā)生機制的假說[13]，腸道中存在的革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的脂多糖（LPS）是引發(fā)炎癥反應(yīng)的關(guān)鍵因子。給正常小鼠喂高脂飲食后和直接皮下注射LPS一樣，都會導(dǎo)致炎癥反應(yīng)和小鼠的肥胖發(fā)生；但是給CD14突變小鼠注射LPS卻不能引起炎癥反應(yīng)和肥胖。這一系列的實驗表明，①高脂飲食增加炎癥反應(yīng)，并且影響腸道內(nèi)主要菌群的數(shù)量，主要是B caecal contents Fish，革蘭氏陰性菌MIB降低，而另外兩種革蘭氏陽性菌Bifidobacterium和Eubacterium related –C.coccoides 也顯著減少。②慢性代謝性炎癥反應(yīng)導(dǎo)致肥胖、胰島素抵抗和糖尿病。代謝性內(nèi)毒素進入血液后，通過依賴CD14的機制引起炎癥因子（IL-1, IL-6 和 TNF-α等）的表達。LPS在LBP（LPS-binding protein）的轉(zhuǎn)運作用下，與其co-receptor CD14 及TLR4（Toll like receptor 4）結(jié)合，從而引起表面能夠表達CD14、TLR4的免疫細胞（如巨噬細胞、嗜中性粒細胞等）的一系列信號傳遞，然后釋放炎性因子[14]。由此表明，LPS/CD14系統(tǒng)控制著肥胖和糖尿病的開始[13]。對人類的研究也證明了這些結(jié)論。還有研究證明[15]，二型糖尿病患者比對照組試驗者具有較高的LPS水平。
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0 r0 B9 p0 ~; G6 x$ F讓試驗者服用抗生素多粘菌素B，這種抗生素作用于革蘭氏陰性菌，可以看到LPS表達受到了抑制。[16]
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' x. A0 k- f  r% v( {$ K) |$ ?Cani等人還通過實驗證明[17]，選擇性地添加雙歧桿菌，可以增強血管屏障，阻止內(nèi)毒素進入血液，因而降低了全身性慢性炎癥反應(yīng)的發(fā)生，對預(yù)防和治療肥胖和糖尿病有很好的指導(dǎo)意義。而像硫酸鹽還原菌等可將食物代謝產(chǎn)生H2S氣體，破壞腸道屏障，使內(nèi)毒素進入到血液中，增加炎癥反應(yīng)的發(fā)生。
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綜上所述，腸道菌群可能通過改變能量吸收、脂肪代謝和引發(fā)全身低水平慢性炎癥反應(yīng)來引起肥胖的發(fā)生（如圖所示）。其中，能量吸收和脂肪代謝的改變依靠腸道菌群利用難消化食物和關(guān)閉人類Fiaf基因、增加ChREBP/ SREBP、Acc1和Fas的表達來實現(xiàn)；而全身性慢性炎癥反應(yīng)由革蘭氏陰性菌產(chǎn)生的LPS引發(fā)，但像雙歧桿菌這樣的益生菌可以形成血管屏障，阻止炎癥反應(yīng)的發(fā)生，而像硫酸鹽還原菌等可將食物代謝產(chǎn)生H2S氣體，破壞腸道屏障，使內(nèi)毒素進入到血液中，增加炎癥反應(yīng)的發(fā)生。這種全身性的炎癥反應(yīng)有兩種原因引起：內(nèi)毒素和病原菌壁上的抗原。越來越多的學(xué)者傾向于慢性炎癥的機制，但仍有爭議。他們認為這比其他機制，能從更根本的基礎(chǔ)上解釋肥胖的成因，但目前還需進一步的證明。
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! g# X- U$ @0 g/ l  a4  肥胖的治療策略


目前，通過飲食和運動來治療肥胖為大多數(shù)人的選擇。有實驗證明，利用抗生素、益生元、益生菌來改變腸道菌群，也可以治療肥胖。

  v" N9 H0 ~0 v4 T1 \' ^, G& j1 T益生菌是指通過改善腸內(nèi)菌群的平衡,對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雙歧桿菌。研究表明[17]，雙歧桿菌科保護腸屏障，抑制內(nèi)毒素進入血液，導(dǎo)致肥胖。因此我們可以通過食用益生菌來預(yù)防肥胖。益生元是指一種不消化的食物成分，它能有選擇地刺激一種或幾種結(jié)腸中的對宿主健康有好處的微生物的生長和活力，從而改善宿主的健康，誘導(dǎo)腸腔內(nèi)系統(tǒng)性免疫，改善宿主體質(zhì)，目前對菊粉和低聚果糖的研究較多[url=][[/url]18] [19]。低聚果糖可使飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠恢復(fù)腸道內(nèi)雙歧桿菌的含量[17]。抗生素能在低微濃度下有選擇地抑制或殺滅其它生物機能的有機物質(zhì)，也可以改變腸道菌群。試驗者服用抗生素多粘菌素B后，LPS表達受到了抑制，可能用于肥胖等代謝性疾病的治療[15]。這些都可能成為將來治療肥胖的有效策略。

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  I4 M. @, N0 R0 B) o5  問題和展望


雖然對腸道菌群與肥胖的研究取得了很多的成果，但是我們?nèi)匀幻媾R著一些問題。①具體菌株是如何調(diào)節(jié)體重的？②擬桿菌門、厚壁菌門和古菌在人或小鼠體內(nèi)相對比例的機制有待探索。③修飾腸道菌群的其他方法有什么？④抗生素，益生菌、益生元的安全性是否可以保障。這些問題，都需要我們進一步地研究。而腸道菌群改變和肥胖孰因孰果這個問題尤為重要。Kalliomi等人[20]，通過對一些兒童從出生到7歲的糞便樣品進行檢測，發(fā)現(xiàn)7歲時體重正常的兒童比超重的兒童，他們在6-12個月時的糞便樣品含有較多的雙歧桿菌和較少的葡萄球菌。這就可以說明，腸道菌群差異是導(dǎo)致肥胖的原因。
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