肠道微生物群在健康与疾病中的作用

The Role of Gut Microbiota in Health and Disease | by Azra Butt | Medium

人类肠道微生物群包含近万亿的微生物，包括细菌、病毒和其他微生物（真菌除外）。这种肠道微生物群与其人类宿主共同进化，形成了一种不仅控制食物消化，还调节新陈代谢甚至免疫功能的共生系统。然而，这种平衡非常脆弱——一旦失衡，即发生菌群失调，便可能导致疾病；多种肠道炎症性疾病、肥胖症甚至某些心理障碍都可能是这种失衡的结果。本文将详细阐述肠道微生物群对人类健康的重要性，它在消化、新陈代谢和免疫机制中的作用，以及微生物群失衡如何引发病理过程并导致各种疾病。

肠道微生物群概述

人类肠道内寄居着超过一千种微生物，它们统称为肠道微生物群。这些微生物以不同数量遍布整个消化道，但在大肠内的数量最为丰富。多种因素影响着这些微生物的组成：遗传因素、饮食习惯、年龄、地理来源以及抗生素的使用。

肠道微生物群具有相对代表性且高度多样化，主要由几个细菌门类组成，其中肠道生态系统主要由厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）主导。微生物群落维持着一些正常的生理功能。如今，菌群失调或失衡被认为是导致多种病理状况的因素之一。

肠道微生物群在消化中的作用

肠道微生物群在消化过程中扮演着重要角色，因为人体自身无法消化某些食物成分。虽然人类消化系统可以轻松消化简单的碳水化合物、蛋白质和脂肪，但复杂碳水化合物和纤维的分解通常需要依靠微生物发酵过程。

肠道微生物群分解大部分未被消化的多糖类复杂碳水化合物。发酵主要发生在大肠，拟杆菌属（Bacteroides）和瘤胃球菌属（Ruminococcus）通过酶的作用将多糖分解为短链脂肪酸（SCFAs），包括乙酸、丙酸和丁酸。这些短链脂肪酸为结肠细胞提供能量，并通过其抗炎作用、支持改善肠道屏障功能以及调节葡萄糖和脂质代谢，在维持全身健康方面发挥着重要作用。

蛋白质代谢

肠道微生物群可以消化从小肠腔漏出的蛋白质，并将这些蛋白质运输到需要它们的地方——大肠。这个过程始于微生物发酵，蛋白质被分解为其组成氨基酸以及其他副产物，包括氨、硫化氢和支链脂肪酸。蛋白质消化被描述为一种"双刃剑"，其效果取决于各种细菌（如梭菌属Clostridium和拟杆菌属Bacteroides）的微生物活性水平。

维生素合成

有大量证据表明肠道微生物能产生必需维生素。其中关键的维生素包括B族维生素（如叶酸、核黄素和生物素）以及维生素K。这些维生素几乎都在细胞内发挥作用，参与代谢活动、能量产生以及血液凝固过程。因此，只有当饮食缺乏时，微生物产生的维生素才具有重要意义，这也体现了宿主健康与其肠道微生物群之间的直接关联。

肠道微生物群与代谢功能

除了消化功能外，肠道微生物群还决定着宿主代谢的调控方式。肥胖和代谢紊乱的形成与其主要功能相关，即控制体内的能量储存和营养处理过程。肠道微生物群与不同的代谢途径相互作用。

能量获取

肠道微生物群催化宿主高效提取能量，主要是通过发酵未被吸收的碳水化合物产生短链脂肪酸（SCFAs），这些短链脂肪酸被吸收利用。肥胖个体的厚壁菌门/拟杆菌门比例高于瘦个体，这导致脂肪储存增加和能量提取增多。因此，肠道微生物组成与能量平衡控制相关，使个体更容易发生肥胖。

肠道微生物群与脂质代谢及调控

肠道微生物群在脂质代谢中发挥多种功能，主要涉及胆固醇的合成、吸收和排泄三个方面。丙酸等短链脂肪酸通过减少肝脏中的胆固醇合成和减少脂肪组织的形成来调节脂质代谢。菌群失调可能与血脂异常和心血管疾病相关，原因是产短链脂肪酸的有益细菌减少。

血糖稳态调节

肠道微生物群通过胰岛素信号通路调节葡萄糖代谢。肠道微生物群产生的短链脂肪酸可增加细胞对胰岛素的敏感性，并调节血糖水平。然而，产短链脂肪酸的细菌减少而致病菌增加，会导致胰岛素敏感性下降，增加2型糖尿病的易感性。

肠道微生物群与免疫功能

肠道内含有大量免疫细胞，这些细胞不断接触微生物抗原，因此肠道微生物群的平衡至关重要。这不仅对维持人体免疫稳态必要，还能预防感染和炎症。

肠道微生物群在肠道黏膜屏障上维持着抵御病原体的第一道防线。它们通过乳酸杆菌（Lactobacillus）和双歧杆菌（Bifidobacterium）等有益细菌产生的短链脂肪酸的作用，增加黏蛋白和紧密连接蛋白的分泌，从而增强肠道屏障。强大的屏障能阻止病原菌和毒素进入血液，因此不会发生全身性炎症。

免疫系统调节

肠道微生物群能够调节先天性和适应性免疫系统的发育和功能。共生细菌促进调节性T细胞的分化，从而诱导免疫耐受，这对于过度活跃的免疫反应和自身免疫疾病都很重要。一些微生物代谢物，例如短链脂肪酸，已被证明能通过减少促炎性免疫细胞的激活来增加抗炎细胞因子的产生。

抵抗病原体

肠道微生物群抑制病原体定植。它们通过竞争附着位点和共享营养物质，以及共生细菌产生细菌素和短链脂肪酸等抗菌物质来抑制病原微生物的增殖。当发生菌群失调时，这种保护机制会被破坏，导致对感染的易感性增加。

菌群失调与疾病

各种疾病状况都与肠道微生物群失衡相关。可诱发菌群失调的因素包括抗生素使用、饮食、慢性压力和感染，这些因素会导致有益细菌减少或致病微生物过度生长。

炎症性肠病患者

炎症性肠病患者通常表现出微生物多样性下降以及肠道微生物群组成变化。例如，双歧杆菌（Bifidobacterium）和普拉梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）等有益菌种减少，而大肠杆菌（Escherichia coli）等有害细菌增加。这会损害肠道屏障的完整性，因为病原体及其毒素会破坏黏膜，引发强烈的免疫反应，导致失衡的炎症反应，造成IBD特征性的组织损伤。

尽管对益生菌、益生元和粪便微生物移植（FMT）等新型治疗方法的潜在机制仍有许多未知之处，但这些方法正在成为治疗选择。

肥胖与代谢紊乱

肠道微生物群失调与肥胖和代谢紊乱的发病机制密切相关。事实上，肥胖状态通常伴随着微生物多样性降低，厚壁菌门/拟杆菌门比例升高（甚至高于正常体重对照组），从而导致肠道微生物群更高效地提取能量用于脂肪储存。

除了能量获取外，菌群失调还导致肠道通透性增加，使微生物副产物如脂多糖（LPS）进入血液。这引发全身性低度炎症，损害胰岛素信号传导分子，导致胰岛素抵抗和代谢综合征的发生。其短链脂肪酸的产生也受到干扰，导致脂质和葡萄糖代谢的有益效应降低。

此外，针对肠道微生物群调控、饮食和益生菌的高级治疗方法已改善了代谢结局，为肥胖及相关疾病的治疗管理提供了新途径。

肠-脑轴与心理健康障碍

肠-脑轴是指中枢神经系统（CNS）与肠道微生物群之间的双向通讯途径。近年来的研究表明，肠道微生物群失调是焦虑、抑郁和自闭症谱系障碍等心理健康问题的主要病因之一。

微生物代谢物（包括短链脂肪酸）已被证明能够穿越血脑屏障，影响炎症和神经可塑性，与神经炎症以及行为和认知的可测量变化相关。

治疗原则基于平衡肠道微生物群并改善肠-脑相互作用的理念，即使用"精神益生菌"（psychobiotics）来改善心理健康。然而，需要开展更多基于干预的临床试验来验证这一可能性。

结论

人类肠道微生物群长期以来已知会影响宿主的消化、代谢、免疫功能甚至心理健康。几十年来，人们已经认识到健康的微生物群与体内稳态和疾病抵抗力相关；然而，菌群失调越来越被认为是多种病理状况的标志，从炎症性肠病到肥胖症，再到心理健康问题。近年来，肠道研究的发现促使公众关注和意识到平衡肠道微生物群的重要性。通过益生菌、益生元和饮食干预等手段调节肠道微生物群，可能会增强对由菌群失调引发的各类疾病的预防和治疗潜力。

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