肠道微生物代谢产物对肠道粘膜上皮屏障的调

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肠道微生物代谢产物对肠道粘膜上皮屏障的调控研究与设想

供稿人：程伟、谭向

经研究发现，肠道微生物能通过肠-肝、肠-脑与肠-肌等代谢通路广泛参与人和动物由生到死的各种生理或病理代谢过程，包括免疫系统的建立与完善，社会行为的产生，衰老，肌少症，抑郁症与精神分裂症，肿瘤的发生与发展等。越来越多的证据表明，肠道微生物的失衡或紊乱会导致许多疾病的发生。因此，肠道健康在很大程度上预示着机体的全身心健康，而肠粘膜屏障具备良好的完整性与适当的通透性是肠道健康的结构基础。

肠道粘膜屏障是指肠道能够防止肠内有毒有害物质穿过肠粘膜进入机体内其他组织、器官和血液循环的结构和功能的总和，包括：肠粘膜上皮、肠粘液、肠道菌群、分泌性免疫球蛋白、肠道相关淋巴组织、胆盐、激素和胃酸等。由于兼并行使营养吸收与防止入侵的双重功能，它既要合理开放，以保证机体所需营养物质的高效吸收利用，又要仔细甄别与竭力抵抗，防止“不法分子”的入侵，避免炎症等疾病的发生。

作为宿主防御共生细菌和肠道病原体入侵的第一道防线，肠道粘膜屏障由生物屏障、化学屏障、机械屏障与免疫屏障共同组成；除了受共生菌与黏液层的保护，机械屏障作为第一线的最前沿阵地，构成了肠粘膜屏障最重要的部分。机械屏障是指完整的彼此紧密连接的肠粘膜上皮结构，包括肠粘膜上皮细胞与相邻肠细胞间的连接等，其中紧密连接是细胞间最重要的连接方式，只允许离子与小分子可溶性物质通过，而阻挡微生物及有毒有害大分子的侵袭。它与另外三层屏障相辅相成，共同有效阻止细菌与内毒素等有害物质透过肠粘膜进入血液，继而循环到不同组织器官，造成损伤。机械屏障受损代表着肠漏的发生，往往预示着炎症的开始，即使低浓度的慢性炎症，若持续时间较长，也会给机体造成深重的灾难，而完整的机械屏障则可以有效防止不良入侵，避免炎症的发生等；正常健康的机械屏障具备良好且适当的通透性，从而保证营养物质的高效吸收与利用。总言之，机械屏障双重功能（选择性屏障和维持栅栏）的正常发挥正是建立在肠道上皮紧密连接是一种动态的通透性屏障的基础上。

肠道微生物与肠道上皮细胞之间看似“一河”之隔，却从来不缺乏互动与交流，甚至片刻的暂停都不曾有过，由此可见，“你来我往”的局面是常态，对正常机体而言，这种常态更是一种动态的平衡。直到无菌动物的出现，这种平衡才被人为的干预给打破。由于微生物及其代谢产物的整体缺失，无菌动物肠道屏障的结构与功能发生相应改变，主要表现在肠黏液层与肠壁均变薄，肠绒毛变长，肠上皮细胞更新速率降低，肠上皮紧密连接增强，肠上皮细胞旁与细胞间通透性降低等。

Hayes等比较了无菌小鼠和常规小鼠，以及人类粪便微生物群定植的小鼠，并在定植后的1天、7天和21天进行追踪，研究发现：（1）与SPF小鼠相比，GF小鼠肠上皮细胞旁通透性和跨细胞通透性都降低，且细胞旁通透性显著降低，但肠微绒毛显著变长；（2）经进一步研究分析发现，紧密连接相关蛋白claudin-1（细胞间表达）与Occludin（被覆于上皮细胞）表达水平显著增高，其中Occludin极显著增高；（3）经FMT后，无菌小鼠逐渐恢复正常化，至第21天时并没有引起肠道损伤与炎症，至定植7天和21天与SPF鼠相比，没有显著差异，包括粘液层也在FMT7天后得以恢复正常。这提示我们，肠道微生物在调节肠粘膜上皮屏障的过程中可能主要依赖于其代谢产物发挥作用，而且这种调节作用主要是针对上皮细胞间的紧密连接相关蛋白的表达与定位等。

此外，无菌动物还具有异于常规动物的组织发育特征，以无菌小鼠为例，其盲肠过大，免疫系统缺陷，骨骼肌萎缩等，这可能是肠道屏障功能改变导致营养物质消化吸收效率降低而无法满足机体需求，或缺乏肠道微生物的某些特定代谢产物而引发代谢紊乱的结果。基于绝大多数肠道微生物不与肠上皮直接接触而发挥作用，我们完全有理由相信，肠道微生物依靠其代谢产物作为“功效因子”，不仅参与了肠道机械屏障完整性与通透性的调节，继而影响营养物质的消化吸收效率等，而且这些产物能在前者的基础上选择性地透过肠道屏障进入体液循环，分散到全身不同组织器官发挥各自的特定功能。

因此，探讨肠道微生物的代谢产物对肠道粘膜屏障（尤其是机械屏障）动态变化的影响，将有利于我们更好地认识肠道微生物在调控机体肠道健康，乃至全身心健康过程中所起到的关键作用及其可能的作用方式。

目前，经研究发现，肠道微生物在利用饮食中的物质进行自身代谢，获取营养与能量的同时产生代谢产物，这些代谢产物反过来作用于机体，影响肠道粘膜上皮屏障的结构与功能。截至目前为止，人们发现的肠道微生物代谢产物主要分为维生素类、短酸类、多胺类、胆汁酸类、甲胺类与多酚类等，下面我们综述不同代谢产物对肠粘膜上皮屏障结构与功能的影响，希望在此基础上提出自己的见解与设想，以供交流学习。

01

维生素类

肠道菌群可以合成与机体健康有关的维生素等代谢产物，例如：维生素B1、维生素B12、维生素K、生物素、泛酸与叶酸等。研究表明，维生素D由于增强了控制粘膜上皮通透性的紧密连接，在维持肠屏障的完整性方面起着重要作用。研究发现，在小肠和结肠中高表达的维生素D受体（VDR）除了对肠屏障的完整性有影响，还对肠道内的天然免疫和宿主防御有很强的保护作用。维生素D缺乏可能会损害小鼠肠道粘膜屏障，从而成为诱发IBD的原因之一。

维生素A(vitaminA,VA)在维持肠道粘膜上皮屏障功能的完整性、调节粘膜免疫反应以及抗感染中起到重要的作用。肠道相关树突状细胞可表达合成视黄酸所必需的酶(retinaldehydrogenase,RALDH)，合成RA。RA通过诱导T、B细胞产生整合素α4β7和CCR9，使其归巢到肠道，提高肠道粘膜sIgA的水平。RA可增强天然CD4+T细胞分化为Foxp3+Treg细胞，抑制Th17细胞的生成。当机体VA缺乏时可降低肠道屏障功能，下调肠道粘膜免疫反应，增加肠道疾病的易感性。维生素A也是强化肠屏障的关键，在年的一项研究中，研究人员发现，仅仅几周的时间里，缺乏维生素A的饮食会损害肠道屏障。另一个研究小组发现，血浆中较低浓度的维生素A（视黄醇）与肠道通透性相关。

在对豚鼠的研究中，发现维生素C可以抑制内毒素血症。其他研究表明，补充维生素C可以通过在肠道中促进胶原蛋白合成来改善屏障功能。

在体外实验中，维生素E对正常组和LPS组的结构蛋白的表达有上调作用,并对结构蛋白完整性和通透性有保护作用。水溶性维生素E对结构蛋白同样有上调作用，并且同一浓度时，作用更强。维生素E能够上调仔猪肠道粘膜和十二指肠等肠道组织中的紧密连接蛋白的表达，并对十二指肠的影响最为显著。这些均表明，维生素E对肠道粘膜屏障结构蛋白有保护作用。

不同维生素对肠道粘膜上皮屏障结构与功能的调节作用可能发生在肠道不同部位，而且其作用机制也存在一定差异，正是这种多元化精细化的调控路径方才成就了肠道不同部位的高效运转模式。

02

短酸类

短链脂肪酸（SCFAs）包括乙酸、丙酸、丁酸和戊酸等，是由分解膳食纤维的细菌发酵而成，是肠道内最丰富的微生物代谢物之一。肠道短链脂肪酸参与肠上皮细胞的能量供应，可影响肠腔PH和电解质平衡、肠粘膜上皮屏障的完整性与通透性、肠道高敏感和肠道动力的调节、抗炎及抗肿瘤作用等。

专性厌氧菌产生的丁酸是一种在结肠腔内发现的短链脂肪酸（SCFAs），主要通过膳食纤维发酵转化，通过促进紧密连接、细胞增殖和增加杯状细胞分泌黏液蛋白来提高肠上皮细胞的完整性。丁酸对肠道通透性的作用取决于其浓度和研究使用的模型或动物。在评估丁酸在体外对肠道上皮细胞株的影响的过程中，有研究发现：低浓度时，丁酸诱导HT29和Cac02细胞株浓度依赖性的可逆的通透性降低；而高浓度时，丁酸会增加Cac02细胞株通透性。然而，丁酸在体内不同浓度时的作用仍有待研究。

此外，肠道微生物来源的SCFAs能够诱导小鼠肠道杯状细胞分泌粘液，从而调节无菌小鼠及SPF小鼠肠道上皮屏障功能和炎症，在代谢疾病中具有治疗潜能。在已知的17种人类或者小鼠黏蛋白中，Muc2的重要性是强调和研究的最多的，因为小鼠缺失Muc2基因后，由于细菌和肠上皮细胞接触的机会更多了，会导致炎症的发生。总言之，SCFAs既能给肠上皮细胞供能，调节其增殖分化以及其完整性与通透性，又能刺激杯状细胞产生粘液，形成保护层，共同维持粘膜屏障的结构与功能。

03

胆汁酸类

胆汁酸对肠粘膜营养作用的缺失，导致肠粘膜厚度、绒毛的密度显著减少，肠粘膜细胞有丝分裂减少，增生受到抑制，粘膜上皮细胞的紧密连接蛋白断裂。长期高脂饮食易引起胆汁酸分泌过剩，常伴有全身炎症因子升高、自身免疫性疾病，如炎症性肠病发病率升高等，这提示高脂饮食引起的高胆汁酸水平与肠屏障功能障碍有关。临床实践中常见的梗阻性黄疸，由于胆道阻塞，胆汁不能正常分泌进入肠腔，肠道内处于低胆汁状态，也伴有肠道屏障功能异常。这提示生理浓度的胆汁才能维持肠道的屏障功能。

此外，最新研究表明，肠道细菌代谢物——脱氧胆酸（一种C-7上缺羟基的胆汁酸，是胆汁酸失去一个氧原子衍生而得的一种游离胆汁酸）在结肠上皮损伤的修复过程中（屏障重建、伤口通道形成和隐窝重生）起了关键作用，它通过与宿主间的有序互动，帮助结肠伤口顺利完成修复。这进一步表明，胆汁酸经肠道微生物代谢后的产物能影响肠道粘膜上皮屏障的结构与功能。

04

多酚类

多酚经人体摄入后，少部分直接被小肠吸收进入血液，大部分经肠道菌群以水解和还原反应为主的代谢降解成酚或酚酸类物质。肠道菌群通过解除结合多酚和分解多酚为更简单并易吸收的酚类物质进入体液循环，不仅提高了血浆中酚类化合物的浓度，也提高了母体化合物的生物活性。

多酚类物质是水果和蔬菜中天然存在的大分子物质，在小肠不易被吸收，超过90%到达结肠供微生物转化利用，为宿主健康发挥有益作用；多酚类物质对肠道菌群的调节作用主要表现在促进（例如：双歧杆菌，乳酸杆菌和艾克曼菌等）或者抑制（例如：普雷沃式菌，拟杆菌和梭菌等）细菌生长，并增加短链脂肪酸的合成；肠道中有益菌数量增加能促进多糖降解，增强肠道屏障功能，减少炎症和胰岛素耐受，这对于进一步减少代谢疾病及其并发症至关重要。

席进等研究发现绿茶多酚(GTP)通过抑制肠道JAK2/STAT3信号通路发挥抗炎及肠粘膜屏障结构保护作用。此外，高脂饮食喂养的菌群人源化小鼠，同时喂食绿茶多酚，可改善结肠菌群的组成、丰度与多样性，并调节短链脂肪酸水平以及脂代谢，进而影响肠道粘膜上皮屏障的结构与功能。

综合以上发现，我们可以推论，多酚类物质经肠道微生物转化后的产物对肠道粘膜屏障的影响很可能属于一种间接作用，它可以通过对其它三层屏障的作用来反馈调节肠道粘膜上皮的完整性与通透性。

05

多胺类

多胺(腐胺、亚精胺、精胺等)是动物体内一类具有生物活性的低分子量脂肪族化合物。多胺能调控动物肠道稳态，参与动物肠道的生长发育、肠道粘膜屏障、抗氧化代谢等生理过程。多胺既能通过调节细胞质蛋白和跨膜蛋白来影响肠道上皮屏障的紧密连接，又能通过改变E钙粘素依赖性的黏着连接来调控肠道粘膜的机械屏障。

多胺通过促进肠道上皮细胞的增殖分化等不同形式来促进肠道生长发育。所有的多胺均能促进细胞的增殖，精胺或亚精胺能通过促进肠道形态的成熟与功能的完善来调节肠道的生长。在仔鼠中的研究表明，精胺能显著增加十二指肠与回肠中柱状细胞和杯状细胞的数量，调控空肠和回肠的绒毛高度、绒毛宽度和隐窝深度。在仔猪上的试验也发现，精胺能线性提高仔猪小肠重量，十二指肠和空肠粘膜重量，粘膜蛋白质、DNA和RNA含量，增加绒毛高度和隐窝深度。另外，饲喂不同时间段的精胺也能显著提高哺乳仔猪空肠和回肠的绒毛高度、绒毛宽度和绒毛表面积等。这些绒毛的增生和肠粘膜面积的增大使肠道能够快速适应日益增加的营养供给。此外，多胺在促进ZO-1、ZO-2和occludin等蛋白质的合成和稳定性的维持上具有重要作用。综上所述，多胺类物质能通过直接或间接的方式调控肠道粘膜上皮屏障的结构与功能。

06

吲哚类

肠道中含有色氨酸衍生物，如吲哚，是一种微生物衍生信号分子。吲哚被宿主肠道上皮细胞吸收，有助于增强肠道屏障的完整性，改善屏障功能，被认为是微生物与宿主相互作用的一种有益途径。

体外和体内研究均表明，吲哚通过上调参与维持上皮细胞结构和功能的基因表达来增强肠上皮屏障的结构与功能。吲哚丙酸（IPA）通过充当异生素传感器、孕烷X受体（PXR）的配体尤其在吲哚存在的情况下调节小鼠肠屏障功能。IPA还可降低高脂肪饮食小鼠的肠道通透性，如将无菌小鼠定植野生型或fldC突变C.sporogenes（IPA生成需要完整fldC基因），结果显示定植fldC突变组小鼠表现出FITC-葡聚糖渗透性增加，与肠道IPA水平降低一致（详见Nature：通过基因操纵肠道“君”调节菌群代谢物IPA影响宿主健康）。吲哚丙烯酸(IA)可通过促进杯状细胞分化和粘液分泌来促进肠上皮屏障功能并减轻小鼠的炎症反应，这也可能是由AHR激活介导。这些研究表明色氨酸代谢物可能通过PXR和AHR信号增强肠上皮屏障功能。

至于甲胺类，目前尚无相关报道它会直接影响肠道粘膜屏障的结构与功能，但目前研究最多的TAM与TMAO可能导致机体炎症的发生，从而影响血清中细胞因子浓度改变，最终刺激肠道屏障通透性改变。

上述提到的7类肠道微生物代谢产物，细分后我们会发现，其实每一类都有许多种，而且它们对肠道粘膜上皮屏障的调控作用也不尽相同——有的直接作用于肠上皮细胞，影响紧密连接蛋白的表达与定位等，有的则进入体液循环后刺激其效应细胞产生其它物质因子或自身进一步转化成其它物质，再反过来起调节作用等。此外，甚至还可能存在许多目前未被发现的代谢物，它们或许有利于形成微环境，帮助产生菌竞争有利生存空间，或许能刺激肠道粘膜上皮屏障，调整其结构的改变（完整性与通透性的变化），进而影响宿主的生理或病理代谢过程等。总之，肠道微生物代谢产物作为“功效因子”，类似于人体内的许多调控或功能因子，例如：分泌性蛋白质，外激素，miRNAs与lncRNAs等，它们不仅参与宿主和其它微生物的代谢调节，甚至可能反馈调节自身的代谢过程，从而影响肠道微生物与宿主不同代谢过程的动态变化。

在过去15年里，科学家们已经证明，肠道微生物参与营养吸收、物质代谢、免疫防御等重要生理过程，与多种疾病的发生有关联，例如糖尿病、心脏病、过敏和抑郁等。其中一个重要原因是：它们会分泌代谢产物，一部分可直接或间接调节肠道粘膜上皮屏障的完整性与通透性，另一部分进入血液循环，对其它靶向器官组织发挥调节作用。然而，明确特定细菌代谢产物的种类以及它们与宿主互作的具体机制，一直是个挑战。

现在，我们很清楚地认识到这是一件“说起来容易，做起来难的事情”，但仍希望借助这次机会提出一个不成熟的想法，供大家交流学习。我们设想一下，如果将正常健康小鼠的肠内容物与粪便混合后用适量无菌纯水溶解，再先后经目筛、0.49um和0.22um微孔径滤器进行过滤除菌（如果过滤后仍无法达到完全无菌，可加入适量的广谱抗生素），经微生物检测为无菌状态后，可喂给无菌小鼠；饲喂不同时间段后，可采集无菌小鼠的粪样、血样、肝脏、肾脏、骨骼肌（趾伸长肌、股四头肌、腓肠肌与比目鱼肌）、不同肠段（回肠、盲肠与结肠）等组织样品，分别与无菌小鼠和SPF级小鼠进行对比研究，检测各组织器官是否发生变化。后续可针对肠道微生物的不同类代谢产物进行“返饲”，再检测无菌小鼠的组织器官变化，从而确定其功能以及靶向作用器官等。相较于FMT技术，这种功能性产物的“返饲”可能会首先在肠道特定部位营造一个有益于代谢产生这些产物的微生物生长与定植的微环境，从而形成自发性地菌群组成、结构与分布的调整，也可能通过调控肠道粘膜上皮屏障的完整性与通透性，继而协助机体恢复正常健康状态，这种方式相较于粪菌移植而言可能更加安全和易于操作，尤其在对患者的心理影响方面，该方式更加容易被患者接受。尽管从浩如烟海的初级或次级代谢产物中分离鉴定靶向特定代谢过程的功能性物质是如此的艰难，但这的确是一件值得去做的事情，尤其对于无菌鼠的实际生产而言，这样的营养改善或许能在一定程度上弥补肠道微生物缺失的功能性缺陷，从而提高实际生产效率，有利于无菌小鼠的商业推广与研究应用，同时也为“肠道微生物—微生物代谢产物—宿主生长、繁殖等表型—宿主基因互作调控”的理论研究提供实际参考和依据。

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