胃肠道的细菌定植

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1、胃肠道的细菌胃肠道的细菌定植定植 Konstantions C.Konstantions C.Mountzouris Mountzouris 1 1, , Glenn R.Glenn R.GibsonGibson2 2 1 1 希腊希腊雅典农业大学动物营养部，雅典农业大学动物营养部，Iera Odos 75, GR 118 55Iera Odos 75, GR 118 55 雅典，希腊雅典，希腊 2 2 英国英国 ReadingReading 大学食物生物科学学院食物微生物科，大学食物生物科学学院食物微生物科，Whiteknights, PO Box 226, Reading RG6 Whit

2、eknights, PO Box 226, Reading RG6 6AP6AP, , 英国英国 前言前言 胃肠道的细菌定植是一复杂的有多因素决定的过程，其特征是环境、食物微生物相关和宿主相关因素动态的相互作用的结果。定植可被定义为微生物在身体特定部位长久存在而在正常情况下并不导致健康宿主的病变，不同于感染，因为后者是指微生物在体内长期停留而有引起病变的可能1。 大体而言，人和动物身体的不同部位和胃肠道均存在数量巨大的原核和真核生物细胞，据估计在人类其总数约为 1014个。成人大约有 1013个细胞，而定植于其体内的微生物细胞数是人体细胞的 10 倍2。因此，可以推测其在代谢、营养、免疫和生理

3、过程中的深刻影响作用。 在不断变化的环境中，肠道代表了一种动态的和稳定的微生物生态系统。胃肠道是人类细菌定植最多的地方。所谓“肠道菌群”或“内源性菌群”通常用来描述定植在胃肠道的微生物的集合和形成特定的优势群落，这通常存在于正常成人的肠道中。在胃肠道的各个解剖区域内（从口腔到肛门） ，大肠（如结肠）是整个肠道内定植菌群最多最密集的部分。结肠内有超过 400 种不同种类的微生物，每克肠内容物中含有 10101011微生物细胞3。 人们越来越认识到肠道菌群在健康及疾病状态时的作用。有证据显示胃肠道菌群的组成和活性对宿主具有有益或有害的作用。Gibson 和 Roberfroid 等4总体上将人粪便

4、中的细菌分为三种主要的菌群，他们对宿主产生有害或有益的作用。 细菌的健康促进作用可源于：）从到达结肠的饮食中的碳水化合物和蛋白质的发酵中挽救能量5。） 合成维生素，主要是 B 族和 K 族维生素，尽管这种作用在后肠的代谢关联性下降3，6。） 作为细菌代谢的终末产物形成短链脂肪酸（SCFA） ，后者可降低肠道 pH 值抗病原微生物，促进结肠对水的吸收4，6。） 产生抗病原微生物物质7-9。） 与肠粘膜上的病原微生物竞争结合黏附受体，增强肠道的屏障功能，与病原微生物竞争营养物质和刺激宿主免疫系统3，10-12。 成人大约有成人大约有 10101313个细胞，而定植于其体内的微生物细胞数是人体细胞的

5、个细胞，而定植于其体内的微生物细胞数是人体细胞的 1010 倍。主要的粪便细菌倍。主要的粪便细菌对宿主产生有害或有益的影响。对宿主产生有害或有益的影响。 然而，肠道菌群对宿主健康亦会产生不利的有害影响。这些病理性的作用可能产生于：把致非癌物质或促癌物质转化成致癌物，并产生蛋白质代谢的毒性终末产物（如氨、酚化合物和胺类） ；口服抗生素、休克或其他情况时，胃肠道微生态破坏，病原微生物过度生长；和细菌透过粘膜屏障到达肠系膜淋巴结和其他肠道外部位（细菌转位）可以造成机会感染，尤其是免疫受损或受伤的宿主3-5。 现在有大量的科学的、医学的和商业的关注改进我们对肠道菌群的作用和功能的理解，以产生对宿主有益

6、的调节策略。例如，越来越多的证据显示用功能性食物（益生菌和益生原）能够通过肠道菌群组成和活性的修改对宿主产生健康促进作用13。尤其是婴儿的敏感期中的肠道菌群定植关键期，已受到更多的关注，因为它对以后生活也能产生影响。 本综述的目的是通过对影响胃肠定植因素的分析理解胃肠定植过程和描述婴儿肠道菌群的组成和代谢活性。新生儿肠道定植是一很复杂的过程，依赖于外界环境和饮食、微生物相关及宿主相关因素的合力作用。因此，我们将重点讨论母乳喂养和配方乳喂养对肠道菌群的组成及代谢活性的影响。 影响胃肠菌群定植过程的因素影响胃肠菌群定植过程的因素 环境和饮食因素环境和饮食因素 出生后不久，先前无菌的肠道被一系列专性

7、厌氧菌和兼性厌氧菌所定植。新生儿生后首先接触的是产道和其周围的细菌。诸如孕母生殖道的菌群组成14-16、卫生条件17，18、产科技术19、分娩是阴道分娩还是剖宫产10，20，21、细菌的区域分布18，20，22 等因素都能影响定植到婴儿肠道的各种菌株的量和频率。 拿母乳喂养和配方乳喂养为例，不同的喂养方式对胃肠道微菌群的组成和胃肠道疾病的发生率总拿母乳喂养和配方乳喂养为例，不同的喂养方式对胃肠道微菌群的组成和胃肠道疾病的发生率总体上也是有差别的，这种不同可能是由于母乳中的某些成份目前仍不能在婴儿配方乳中复制添加。体上也是有差别的，这种不同可能是由于母乳中的某些成份目前仍不能在婴儿配方乳中复制添

8、加。 总的说来，发展中国家出生的婴儿在生后早期细菌接触和感染的频率与发达国家比较是有显著差别的。在发达国家，产科病房和新生儿室的旨在尽可能减少病原菌传播的产科卫生措施可能延迟了甚至防止了某些菌群的成功定植。新生儿期遇到的少量微生物能在胃肠道的不同部位定植，因而在出生后不久很快消失2。 拿母乳喂养和配方乳喂养作为例，不同的喂养方式对胃肠道微菌群的组成和胃肠道疾病的发生率总体上也是有差别的18，22，24-27，这种不同可能是由于母乳中的某些成份目前仍不能在婴儿配方乳中复制添加。人乳是种族特异的，且是婴儿的标准营养品，其中含有许多有益的成份如分泌型的免疫球蛋白 A（SIgA） 、肽和非肽类激素、生

9、长因子、蛋白质和肽、脂肪、母乳脂膜部分和寡糖28，这些都由于存在复杂的质和量的差别29，因而，配方乳很难复制母乳中这些具有生物活性和免疫调节功效的物质。这也是长期的流行病学研究所证实的母乳喂养比配方乳喂养能更好地抵御胃肠道、呼吸道和泌尿道感染的原因30，31。 其它影响细菌胃肠道定植的饮食因素包括一些乳蛋白可通过调节肠道动力、抗菌活性和双歧的特性对肠道微生物菌群产生影响32，33。另外，人们已经知道母乳中的寡糖（NMO）作为黏附受体的拟似物竞争结合微生物从而抑制其与粘膜上皮细胞的黏附34，35。寡糖中的乳糖-氮-四肽酶和乳糖-氮-新四肽酶作为肺炎链球菌的表面受体，岩藻糖苷低聚糖是大肠杆菌的受体

10、，而唾液酸低聚糖是流感病毒 A、B 和 C 及幽门螺杆菌和肺炎支原体可识别的受体结合位点34。 微生物相关因素微生物相关因素 结肠细菌必须找到一个合适的肠道黏附（栖息）之地并黏附其上。肠道中有四种特征性的细菌栖生地：肠腔、静止的粘膜层或覆盖于上皮表面的粘液胶，及肠隐窝和粘膜上皮细胞表面的粘液胶深层3，23。 专性厌氧菌是数量上占优的胃肠道固有菌，与肠壁结合成层地堆积在粘膜上皮上，与宿主细胞接触的微生物的表面必须尽可能与宿主抗原相似才能避免引发免疫反应2。要长久存留于肠道内，定植微生物必须能够适应肠道的生理化学要求（如消化液的冲刷、pH 值和氧化还原电位） ，并能成功地竞争过其他已经存在的和试图

11、占领同一肠道位点的生物群。微生物需要充足的营养供给以支持其充分发育和繁殖。新分裂的细菌取代从定植点被消化液蠕动波冲刷的死去的细菌和与因上皮细胞更新而脱落的上皮细胞一起移去的细菌。 宿主相关因素宿主相关因素 胃肠道不同的解剖部位其定植菌群的组成和定植水平是有差别的。成年人，口腔中含有约 200 种固有微生物菌群，在牙斑有密集的菌群（1011/g）而在唾液中仅为短暂的过路菌群。胃部和小肠上半部（十二指肠和空肠）的微生物含量相对较低（103104细菌/毫升胃与肠道内容物） 。主要是受到低的pH 和消化液的快速流动所致。这些微生物大多为耐酸的乳酸杆菌和链球菌，很快从口腔内通过而不是中上段肠道固有的细菌

12、2，3。远端小肠（回肠）具有更多种类的微生物菌群和更多的细菌密度（108细菌/ml 肠内容物） ，并且是上段肠道中稀少的微生物菌群和结肠中大量的结肠微生物菌群（10101011细菌/ml 胃与肠道内容物）的分界区。大肠是微生物定植的主要部位，主要是因为这里营养供给充足，消化液流动速度慢和较低的氧化还原电位等综合作用的结果4。 另外，有许多的宿主相关的因素会影响和决定微生物菌群在宿主胃肠道特定区域的定植，其中包括年龄、性别、肠道 pH 值和氧化还原电位、内源性的营养素，各种生理功能如肾上腺功能、肠蠕动（肠道动力） 、消化酶的分泌、盐酸、胆汁和粘液宿主免疫机制、肠粘膜受体和情感应激等2，23，36

13、。 胃肠道微生物菌落的组成和定植调节是一多因素作用的过程。然而任一或全部因素可能都会起作用。对任一群体而言，这些因素必须保持微妙的平衡才能更好地维持群落的结构正常2。 婴儿肠道微生物菌群的组成和代谢活性婴儿肠道微生物菌群的组成和代谢活性 有许多细菌试图在新生儿身上定植，因而产生了多样化的肠道菌落，优势的菌种或属的名称（源于婴儿粪便）如表所示，在生后第一周，兼性厌氧菌如肠杆菌（如 E.coli）和链球菌看来是最初的肠道定植菌，其后为更加严格的双歧杆菌和拟杆菌定植24-26。兼性厌氧菌的首先定植介导了肠腔内氧化还原电位的降低，反过来也成为后来的厌氧菌实现定植的前提条件25。 表 在婴儿肠道内定植的

14、优势菌属和菌种 兼性厌氧菌 专性厌氧菌 埃希杆菌属 大肠埃希杆菌 双歧杆菌属 短双歧杆菌 长双歧杆菌 成人双歧杆菌 两歧双歧杆菌 婴儿双歧杆菌 葡萄球菌属 金黄色葡萄球菌 类杆菌属 脆弱类杆菌 表皮葡萄球菌 吉氏类杆菌 普通类杆菌 卵形类杆菌 多形类杆菌 单形类杆菌 链球菌属 粪链球菌 艰难梭菌 产气荚膜菌 粪链球菌 艰难梭状芽孢杆菌 丁酸梭状芽孢杆菌 第三梭状芽孢杆菌 腐败梭状芽孢杆菌 肠杆菌属 阴沟肠杆菌 乳酸杆菌属 嗜乳酸杆菌 酵解乳酸杆菌 短乳酸杆菌 唾液乳酸杆菌 趾乳酸杆菌 克雷伯杆菌属 肺炎克雷伯杆菌 真杆菌属 空气真杆菌 迟缓真杆菌 直肠真杆菌 变形真杆菌属 奇异变形杆菌 韦永球

15、菌属 小粒球菌 柠檬酸杆菌属 弗氏柠檬酸杆菌 消化球菌科 糖分解消化球菌 假单胞菌属 绿脓杆菌 消化链球菌属 产生消化链球菌 厌氧消化链球菌 母乳喂养和奶瓶喂养肠道菌群的比较母乳喂养和奶瓶喂养肠道菌群的比较 许多不同的研究均证实婴儿肠道微菌群的组成非常依赖于喂养方式，母乳喂养的婴儿其肠道微菌群是以双歧杆菌为主的，而配方乳喂养的婴儿更可能会形成复杂的微菌群（包括兼性厌氧菌、类杆菌和梭菌） ，与肠道喂养者相比，其水平与出现频率会更高18，22，25，27，尽管与同龄母乳喂养儿相比，配方乳喂养者其肠道双歧杆菌占优势也很常见，但其数量和频率较低22，25，26，37-40。然而，根据实验性婴儿配方乳的

16、组成不同，有证据表明，奶瓶喂养婴儿其双歧杆菌并不占优势，相反地，类杆菌18，19，39、大肠杆菌19，24，41和肠球菌41却占优。 母乳喂养婴儿同时辅以配方乳喂养者其肠道微菌群似乎又转到配方乳喂养婴儿同样的肠道菌群24，当添加固体食物后母乳喂养和配方乳喂养儿肠道菌群组成的差别消失，到生后的第二年其菌群的组成就与成人相似23，25，40。 表表 纯母乳喂养（BF）和配方乳喂养（FF）婴儿在不同时期（生后 1 周、3-4 周和 6-12 周）粪便中主要的细菌属群（log10CFU/g 粪便）值 主要的细菌属 1 周 3-4 周 6-12 周 成人* BF FF BF FF BF FF 双歧杆菌属 8.3 8.0 9.5 9.0 9.1 9.1 10.2 乳酸杆菌属 7.9 6.6 7.1 7.6 7.3 7.9 9.6 类杆菌属 7.1 7.8 7.7 8.7