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肠道菌群与衰老关系的研究进展
更新时间:2016/8/8 11:44:29
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中国临床医学 2014年12月 第 21 卷 第 6 期

复旦大学附属中山医院老年病科,上海200032 邬佳瑜、罗蔓

近年来,肠道微生物的重要性已经得到公认,它们是影响人体健康且与人类共同进化的共生菌。人体肠道的共生菌种类繁多,有500-1000种,数量达108个,而人体自身的体细胞不足106个 。人类肠道细菌基因组计划证明人体肠道菌群约有300万个基因,而人体细胞核内的基因约有2万个,肠道菌群的基因数量约为人体基因数量的150倍。

肠道微生物和人体为互利共生的关系,近年被称为“超级有机体”(meta organisms)。肠道微生物一方面利用胃肠道里的食物残渣为人体提供各种维生素、必须氨基酸与多肽;另一方面通过分解一些有害物质(如亚硝胺、硫化氢和乳酸等),抑制蛋白质的腐败嘲;此外,它们还参与肠道上皮完整性的维持、肠道屏障作用、人体能量代谢、肠道微环境稳定、肠道及机体的炎性和免疫反应,并可抑制有害病菌的繁殖和生长。当肠道菌群发生紊乱时,人体就可能罹患急慢性胃肠道疾病,如腹泻、便秘、溃疡性结肠炎和克罗恩病等。肠道菌群还与肥胖、糖尿病、心血管疾病、骨质疏松、自闭症和痴呆等多种疾病有关。

近年来,有研究发现肠道菌群与衰老有密切关系,本文就此作一综述。

1、人体肠道茵群的组成及老年人肠道菌群的特点

人体肠道菌群的数量从食道、胃、空肠、回肠到结肠是呈梯度递增的,胃细菌浓度小于103CFU/mL、空肠细菌浓度105CFU/mL、回肠细菌浓度1O6~107CFU/mL,结肠细菌浓度达1011~1012CFU/mL。目前常用高通量测序技术分析末端结肠的肠道菌群结构。研究发现,肠道菌群主要是由厚壁菌门和拟杆菌(90%~99% )组成,此外还有放线菌门(3%~15% )、变形菌门(1%~20%)、疣微菌门(0.1%)、梭杆菌门、螺旋体门和黏胶球形菌门。

厚壁菌主要由梭菌X Ⅳ a和Ⅳ(50%~80%)组成。研究发现,梭菌X Ⅳ a(也称为产气荚膜梭菌或真杆菌相关菌株)在74~94岁的健康日本老年人、6O岁以上的意大利人、7O岁以上的芬兰人和意大利的百岁老年人中减少,而在60岁以上的德国老年人中却是增加的。梭菌Ⅳ的子群普拉梭菌已被证实与衰老有关,其在意大利的60岁以上老年人和百岁老年人中是减少的,但在法国、德国、瑞典和爱尔兰的65岁以上老年人中却是增多的。

肠道拟杆菌的数量也可能与国家和种族相关。拟杆菌在60岁以上意大利老年人中减少,但在德国78~94岁的健康老年人和奥地利70岁以上的住院老年人中却是增加的。厚壁菌门与拟杆菌的数量比值可能反映肠道微生物的整体状态,厚壁菌门与拟杆菌的比值在爱尔兰老年人中是降低的,但在意大利百岁老年人、60~80岁的老年人和20~4O岁的成年人中却无差异。目前我国尚没有相关的数据。

80%以上的肠道细菌是对人体有益的细菌,如双歧杆菌、乳酸杆菌、乳链球菌等,但也有少数对人体有害,如产气荚膜杆菌、假单胞菌、葡萄球菌和绿脓杆菌等。随着年龄的增长,兼性厌氧菌的数量增加,如链球菌、葡萄球菌、肠球菌和肠杆菌等。肠杆菌科细菌具有潜在的致病性,最近被定义为“patho—bionts”,即细菌在健康的肠道环境下浓度不高,但当机体发生炎性反应、抵抗力下降或衰老时大量增加。早期研究用16sRNA基因测序分析发现,人体衰老时,肠道双歧杆菌的丰度和物种多样性减少。有研究发现,在90岁以上的老年人中,双歧杆菌的数量减少;但也有研究显示,双歧杆菌的数量在健康老年人和年轻人中没有显著差异。

2、肠道菌群与饮食和健康

健康的饮食方式有助于维持均衡的肠道微生物环境。健康的饮食结构是指膳食中含有较多的蔬菜、水果,而含有较少的高脂食物,这种情况下的肠道菌群结构是普氏菌的种类和丰度比拟杆菌高。

在衰老过程中,牙齿数目的减少、咀嚼功能的失调、嗅味觉的退化、唾液腺功能衰退、肠道蠕动时间延长、饮食结构的改变都能影响肠道菌群的组成。在一些动物模型及小规模的人体研究中已证实,控制饮食可以改变肠道菌群的组成。在对178例老年人的研究中发现,多样性的健康饮食(高纤维、低脂肪)可增加肠道有益菌的种类;同时发现,长期接受护理的老年人的肠道菌群多样性比居住在社区的老年人差。

饮食所致的肠道菌群的改变会影响老年人的健康状况。研究已证实,素食可促进人类肠道的普拉梭菌和直肠真杆菌产生丁酸,这两种菌分别来自梭状芽孢杆菌Ⅳ和X IV a。丁酸能通过表观遗传调节和肠道屏障作用等发挥抗癌、抗炎及调节衰老作用。对肠道菌群组成进行分析发现,杂食老年人梭状芽孢杆菌Ⅳ和X Ⅳ a的比例低于素食老年人,肠道丁酸的产生量也较少。

此外,居住环境也影响着老年人肠道菌群的组成。相对于住院老年人,居家护理老年人的肠道双歧杆菌的物种多样性较好、平均数量较高。双歧杆菌通过抑制有害菌生长及减少其代谢产物中的氨、硫化氢和吲哚等有害物质的生成而调节衰老。

3、肠道菌群、机体免疫与免疫衰老

肠道黏膜表面覆盖着大量的肠道微生物,这些微生物持续地威胁着肠道黏膜细胞及肠道屏障的功能,所以人类在进化的过程中建立了自身免疫屏障来应对这些微生物的威胁。肠道相关淋巴组织(gut-associated lymphatic tissue,GALT)监督着这些微生物,同时肠道黏膜上皮细胞通过监测肠道微生物的密度与距离来协同参与GALT介导的免疫反应和免疫耐受。肠道菌群定植在远离肠道上皮细胞的黏液层里,对于这些共生菌,肠道上皮细胞发出耐受信号,使局部树突状细胞免疫耐受。但是,当各种原因导致这种平衡被打破时,上皮细胞递呈抗原给天然CD4+T细胞,使其成为具有促炎作用的CD4+T辅助细胞(TH1、TH2和TH17);同时,上皮细胞也将抗原递呈给B淋巴细胞,使其分泌IgA到浆细胞。2个IgA分子在浆细胞间隙合并成胃肠道特有的分泌型slgA,最终被释放到肠上皮细胞的黏液层乜引。肠道相关淋巴组织和黏膜上皮细胞共同参与阻挡“pathobionts”的侵害。

正常情况下,肠道菌群与肠道黏膜上皮细胞和平共处,互惠互利,通过精密的调控机制,二者处于动态平衡状态;但在病理状态或衰老时,促进炎性反应的“pathobionts”逃脱了免疫监视,使人体处于高炎性反应状态,并最终影响到胃肠道微生物的平衡。

肠道上皮细胞的杯状上皮细胞、潘氏细胞、M细胞和内分泌细胞组成完整的肠道细胞屏障,其作为固有免疫系统在第一线防止病原微生物入侵肠道。缺乏髓样分化因子MyD88的小鼠易被35种病原菌(包括19种细菌、7种病毒、5种寄生虫和4种真菌)感染。紧密连接(tight junction,TJ)是维持肠道黏膜上皮机械屏障和通透性的重要结构。ZO-1和ZO-2是重要的紧密连接蛋白。在T84单层肠道上皮细胞模型中,大肠杆菌EcN通过上调ZO-1和ZO-2的表达,来加固和修复肠道屏障。一些正常菌群与肠道黏膜上皮细胞结合产生的黏蛋白和抗菌肽具有非特异性免疫防御功能,其中黏蛋白可以在肠道上皮细胞表面形成黏液层并捕获病原菌,防止病原菌与肠道上皮细胞表面接触;而抗菌肽可以在宿主被感染后的极短时间内控制、延缓甚至阻止细菌的生长。研究发现,益生菌可使小鼠回肠sIgA和白介素-10(IL-10)的分泌增加,前者对病原体产生非特异性固有免疫,后者是抗炎性细胞因子,可以调节炎性反应。此外,肠道菌群可以对肠黏膜的抗原提呈起活化作用,如对小鼠骨髓树突状细胞与乳酸杆菌共同培养,结果发现,组织相容性复合体Ⅱ类(MHC-Ⅱ)和CD86的表达增加,表明乳酸杆菌促进了小鼠树突状细胞的成熟和分化。  

免疫衰老即当人类衰老时,固有免疫和适应性免疫功能下降。免疫衰老伴随着炎性反应的上调。衰老时肠道黏膜的免疫功能发生了改变,包括肠道抗原特异性IgA抗体的减少。Biagi等对百岁老年人、60~80岁的老年人及2O~40岁的年轻人的肠道菌群和免疫功能进行分析,结果发现,百岁老年人T细胞及B细胞亚群数量无明显差异,但是和年轻人相比,随着年龄的增加,所有的老年人自然T细胞减少而记忆T细胞增加。然而,免疫衰老和肠道菌群的关系及机制,目前尚不明确。

4、肠道菌群与炎性衰老

炎性衰老(inflamm-aging)为慢性炎性反应伴随的衰老。炎性衰老和免疫衰老有协同作用,但也可能是同一机制下的不同表现。Guigoz认为,炎性反应可能是由肠道菌群的自身免疫耐受下降及衰老引起的肠道菌群组成改变导致其异常免疫激活引起的。局部和持续的肠道微生物异常活动可对肠道黏膜产生致炎作用,而局部的炎性反应常常会导致全身慢性低度炎性反应的发生。

老年人因营养缺乏或组织衰退会触发原本无害的共生菌失衡,导致机体发生致病性炎性反应。此外,老年人肠蠕动减慢、粪便嵌塞和便秘导致肠道细菌排泄减少,使致病性微生物在肠道蓄积,造成过量的细菌负荷。当人体免疫力下降时,致病微生物会逃脱免疫监视,并加快繁殖,从而导致炎性反应的发生。

一些肠道有益菌如普拉梭菌、双歧杆菌和乳酸杆菌能够下调促炎反应,而多形拟杆菌可以间接地抑制促炎性基因的转录。研究提示,随着年龄的增长,肠道中的肠杆菌和其他革兰氏阴性细菌增多,导致脂多糖(LPS)释放增加,当肠道黏膜屏障功能受损时,LPS通过肠道屏障吸收入血,易导致内毒素血症,刺激大量炎性因子产生。Biagi等发现,相对于年轻人,百岁老年人的促炎因子IL-6、IL-8是升高的,IL-Iβ和INF-r却没有显著变化;抗炎细胞因子TGF-β和IL-10也无显著变化,而IL-2是降低的。在9O岁以上的人群中,产生丁酸和具有抗炎作用的肠道细菌如F.prausnitzii减少,由此导致的肠道菌群失调可能与机会性细菌增殖有关,而机会性细菌的数量与一些炎性因子IL-6、IL-8的表达正相关。Ouwehand等研究发现,老年人肠道双歧杆菌的数量与肿瘤坏死因子一α(TNF-α)和IL-10的表达呈负相关,增加双歧杆菌的数量可减轻炎性反应。

肠道免疫系统参与炎性因子的产生。肠道固有免疫细胞上的模式识别分子受体(PRRs)包括Toll样受体(TLRs)和NOD样受体(NLRs),它们可以识别微生物相关分子模式(MAMPs)及损伤相关分子模式(DAMPs),并由此保证肠道环境的稳定及平衡。肠道内TLR2和TLR4是低表达的,TLR3和TLR5则是高表达的,而肠道菌群会影响TLRs的表达 。老年人肠道中的厌氧菌及双歧杆菌减少,革兰氏阴性杆菌如肠杆菌增加,后者的细胞壁可产生LPS。LPS与脂多糖结合蛋白(LBP)、可溶性CD14(sCD14)形成三联复合物,然后与TLR4结合,激活髓样分化因子88(MyD88)和肿瘤坏死因子受体相关因子6(TRAF6),分别活化丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和核因子KB(NF-KB)信号转导通路,释放IL-6、TNF-a和一氧化氮(NO)等炎性因子。此外,MAMPs和DAMPs通过ATP门控的P2X7受体(P2X7R)依赖的pannexin-1通道的开放,促使钾离子外流,而它们本身则内流至细胞浆,并诱导NLR家族成员之一的NLRP3活化,进一步激活caspase-1,产生炎性因子IL-1β和IL-18,这些炎性因子参与维持机体的长期慢性低度炎性反应状态。

衰老的过程与低度慢性炎性反应的因果关系目前并不清楚,但是衰老时,肠道菌群参与慢性低度炎性反应,所以推测肠道菌群与炎性衰老有关。

5、肠道菌群的调节与展望

应用益生菌、益生元和合生素来调节老年人肠道菌群是延缓衰老的一个很好的策略。目前用于人类的益生菌主要有乳酸菌、双歧杆菌、嗜热链球菌、肠球菌和一些芽胞杆菌。双歧杆菌可以增加老年人健康肠道菌群的丰度和数量,并可减轻其便秘和炎性状态。益生菌的细胞壁成分、DNA和代谢产物具有免疫调节功能,因此预期益生菌可以改善随年龄增长的免疫衰老。益生元是不易消化的食物成分,包括低聚果糖(FOS)、低聚半乳糖(GOS)、甘露低聚糖(MOS)、低聚木糖(XOS)和arabinoxy-lan oligosaccharide(AXOS)等,它们通过刺激一些肠道有益细菌的生长而调节肠道菌群。给老年人补充FOS可以促进肠道双歧杆菌的增长,并能够增加大便次数,降低炎性指标水平口。合生素是既含有益生菌,又含有益生元的复合物。Macfar-lane等研究发现,65~90岁的老年人服用4周的合生素(包含有长双歧杆菌和菊粉)后,肠道双歧杆菌、放线菌和厚壁菌的数量增加,变形杆菌的数量减少,丁酸的产生增加,血清TNF-a的含量减少,但其他炎性指标和代谢性指标没有明显变化。

然而,目前对肠道菌群尚未全面了解,能补充的有益菌也只限于几个菌株,而且不能确定菌株在肠道的定植能力。肠道菌群移植为此开辟了一个新的渠道,粪便菌群移植(fecal microbiota transplan—tation,FMT)是将健康人的粪便悬液经鼻肠管或灌肠送至患者的肠道,对于复发性艰难梭状芽胞杆菌感染的疗效最为肯定,也可用于治疗炎性肠病、肠易激综合征、特发性便秘、黏膜相关性淋巴瘤以及一些非肠道疾病如自闭症和自身免疫性疾病等。对肥胖老鼠进行粪便菌群移植,可以改善肥胖,增加胰岛素释放,在少数人群中也得到相似的结果。

6、小结

肠道菌群以多方面机制参与了衰老的过程,但目前对肠道菌群的组成及作用机制还知之甚少。基于目前对肠道菌群的了解,补充益生菌及益生元可以改善人体的免疫功能及代谢水平,健康的肠道菌群移植是较好的方法。随着基因组学等技术的发展,我们对肠道菌群的种类及数量会有更全面的了解,结合转录组学、蛋白质组学和代谢组学可以确定具有核心功能的人类肠道菌群种类,为人类疾病的诊治及预防提供新的方向。

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