腸道菌群與肥胖發(fā)生的研究進展

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作者：王京晶

上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院研究生

學(xué)號：0080809032
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摘要
! f* M' t; Q- x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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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)

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，
- v+ B4 d2 A% P- n+ H% f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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" z' x& W. Q, P) \$ t, ?5 Z1 M& u# j1  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]
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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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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3  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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1 F' k( t/ L: _3 s1 |& e; {# v3 r3.1  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。

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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％
8 q- k9 k7 z) r# c% e% V& i. o/ ^，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。

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。

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。

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。

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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" L3 }3 A) }+ X. Y3.3  腸道菌群與慢性低水平炎癥反應(yīng)
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* @% g1 f; @) i+ y$ g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。
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, A- z+ G/ X! X1 z4 v& _8 U& DCani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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2 |; K/ X3 U" {- P1 N5 V6 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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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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4  肥胖的治療策略
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$ l+ s* i) M9 u9 Q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。

. n/ H# z6 ^# O4 u0 S+ J0 j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]?？股?/font>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。


+ `1 X# Z& h' b2 V6 @5  問題和展望
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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。