肥胖炎症和肠道微生物菌群

【综述】肥胖、炎症和肠道微生物菌群引言肥胖已成为一个全球性的健康问题，营养过剩和超重的发病率与营养不良的发病率相当[1]。据世界卫生组织（WorldHealthOrganization，WHO）统计，目前多达35%的20岁以上成人存在超重[身体质量指数（bodymassindex，BMI）25kg/m2]，而11%符合肥胖标准（BMI30kg/m2），这意味着全球有25亿人受到肥胖问题的困扰。超重已被列为全球第五大致死风险因素[2]。然而，在前四项致死风险因素中，高血压、高血糖和缺乏体育锻炼均可以导致超重，也可以由超重引起，这进一步凸显了肥胖相关发病率和死亡率问题的严重性。肥胖的病因非常复杂，既包括生物因素也包括环境因素，这些因素通过促进高热量饮食和减少体力活动影响肥胖的发生发展。事实上，在许多高收入国家久坐不运动的生活方式非常普遍，超过60%的成人存在超重或肥胖[3-5]。因此，肥胖相关疾病包括代谢综合征（如高血压、血脂异常、胰岛素抵抗）、2型糖尿病、心血管疾病、终末期肾病与非酒精性脂肪性肝病的发病率不断增加也就不足为奇。全球激增的肥胖问题对社会和经济造成了严重影响。对个体而言，肥胖者的医疗保健花费比非肥胖者高1.5~1.8倍[6]。此外，除了医疗方面的直接经济损失，相关间接损失如旷工、生产力丧失和过早死亡也进一步加重了肥胖所带来的潜在而巨大的经济损失。炎症是肥胖相关疾病的一个关键因素炎症被认为参与了肥胖及其相关疾病发生的生物学基础。事实上，已证实许多关键的炎症标记物与肥胖及肥胖相关疾病的不良结局风险密切相关。一项包括51项独立的横断面研究的荟萃分析结果证实，身体成分与全身炎症标记物C反应蛋白水平呈正相关[7]。此外，已有报道指出，红细胞沉降率[8]、纤溶酶原激活物抑制因子1[9]和关键的炎症细胞因子[10,11]等与也存在与上述相似的关联，这进一步支持了肥胖和炎症之间可能存在相互作用。同时也发现一系列炎症标记物的增加与肥胖相关疾病包括心血管疾病[12,13]、2型糖尿病[14,15]的风险增加密切相关。尽管存在这些关联，但肥胖、炎症及疾病风险之间的因果关系机制尚未完全明确。超重或肥胖个体中存在持续、低度的炎症反应，阐明这一炎症反应的触发因素将为减轻肥胖及其相关疾病风险提供新的干预策略。在本项系统回顾中，我们认为肠道微生物菌群、肠黏膜和相关淋巴组织间的相互作用构成了肥胖相关疾病的生物网络基础。肥胖与肠道微生物菌群肠道微生物菌群定义为胃肠道中各种共生的微生物种群（被认为500种）[16]，在人体肠道中，优势菌门包括肠道拟杆菌门（如拟杆菌属）、厚壁菌门（如梭菌属和芽孢杆菌属）和放线菌门（如双歧杆菌属）[17]，据估计肠黏膜中的微生物总数超过100万亿，是人类细胞数量的10倍以上[16]。人们已逐步认识到这些常驻微生物群对宿主机能发挥着重要作用，进而关系到机体的健康与疾病。肠黏膜共生菌群的主要功能包括：（1）通过直接竞争性占取营养物质及粘附区、以及产生抗菌物质阻止致病性微生物的侵染；（2）促进上皮细胞的增殖和分化，维持肠黏膜的完整性；（3）通过启动树突状细胞的成熟、B淋巴细胞和T淋巴细胞的分化，促进肠道相关淋巴组织的生长；（4）从不易消化的淀粉类食物中获取能量[16,18]。在肥胖条件下肠道微生物菌群促进能量吸收的这一潜能尤其受到关注。来自动物试验的初步证据表明，肠道微生物菌群有助于能量吸收，进而与身体成分有关。有报道指出，无菌小鼠的体重和体脂含量低于相应的野生型小鼠[19]，即使给予小鼠高脂高糖饮食（发达国家典型的饮食模式）后依然如此[20]。这一结果表明，在没有胃肠道细菌的情况下，能量的吸收能力下降。将野生型小鼠的微生物菌群移植到无菌小鼠体内，则可以使其体重恢复正常[19]。相反，将肥胖小鼠的肠道微生物菌群移植到无菌小鼠体内，结果导致无菌小鼠的脂肪含量增加[21]，这表明在肥胖动物中独特的肠道微生物组成促进了体重过度增加。另有研究显示，对大鼠模型给予高脂饮食后，各类微生物菌门的数量均发生显著变化[22,23]，这表明不仅肠道微生物菌群能够影响身体组成，饮食模式也可以改变微生物组成，进而加重超重倾向。随后的人体研究直接比较了肥胖个体和瘦的个体的肠道微生物菌群组成。Ley等人[24]比较了12例肥胖受试者和2例瘦的受试者的粪便微生物组成，发现肥胖者的拟杆菌门相对丰度比对照组显著减少，而厚壁菌门的相对丰度显著增加。随后有研究者对54名同卵或异卵双胞胎成年女性的身体组成进行研究，结果发现，与瘦的个体相比，肥胖者的肠道微生物菌群多样性明显降低，拟杆菌门的相对丰度减少而放线菌门较高，但厚壁菌门无显著差异[25]。也有其他一些研究结果与之相矛盾，例如，在一项包括68例超重者与30例瘦的对照者的队列研究中，发现超重者的拟杆菌门相对丰度较高[26]；在另一项包括9例肥胖者和12例瘦的受试者的研究中，发现两者中上述三种优势菌门没有显著差异[27]；另一项包括29例肥胖者和14例瘦的受试者的研究中，发现拟杆菌门的相对丰度没有显著差异[28]。上述研究的样本量小并且结果不一致，尚有待开展更多的临床试验，对肠道微生物菌群与人体组成之间的关系进行深入探讨。尽管存在一些挑战，但已在人群中开展了饮食干预和移植研究。摄入卡路里增加（2400vs.3400kcal/d，但主要营养素相似：24%蛋白质、16%脂肪、60%碳水化合物）仅3天后，较高热量摄入组的厚壁菌门数量增加，拟杆菌门数量减少[27]，说明饮食可以改变肠道微生物菌群的组成。另一项针对10例健康个体的饮食干预研究表明，在给予高脂饮食后24小时内即可发生肠道微生物菌群的组成改变[29]。已证实减肥饮食也会使肠道微生物菌群发生改变[28,30,31]。给予18例男性肥胖者低碳水化合物减肥饮食4周后，可观察到拟杆菌门无明显变化，但一些特定的厚壁菌门减少了[28]。另一项研究中，给予17例男性肥胖者高蛋白、低碳水化合物饮食4周后，其拟杆菌门相对丰度降低[30]。最后，一项交叉研究结果证实了食物对肠道微生物组成的影响，11例受试者接受为期5天的植物性或者动物性食物为主的饮食后，结果发现其肠道微生物菌群组成发生显著改变，能明确反映出碳水化合物饮食或蛋白质饮食[31]。上述研究显示的肠道微生物菌群改变是否仅仅归结于饮食结构的差异尚不清楚；并且肠道微生物菌群改变促进能量吸收与西方典型饮食结构之间的因果关系，以及其与体重增加之间的关系均有待探讨。从肠道微生物菌群的功能来看，其除了能够促进能量吸收外，还可促进黏液和抗菌肽的分泌[32,33]，并通过代谢产物发挥信号作用，这些功能机制也会增加肥胖及其相关疾病的风险。肠道通透性肠黏膜的通透性受到精细调节，从而在保证其屏障作用的同时亦可以促进任何必要物质的吸收。各种膜蛋白和细胞骨架之间的相互作用通过细胞间紧密连接（肠道通透性的重要调节器）为维持肠黏膜的完整性提供了结构框架。其他因素包括杯状细胞分泌的黏液、潘氏细胞释放的抗菌肽、宿主免疫细胞分泌的免疫球蛋白，这些均有助于肠黏膜屏障发挥有效的屏障功能[34]（图1）。然而，肠道微生物菌群有助于肠黏膜表面的重塑16]这一潜在作用可引发以下问题：肠道微生物菌群的变化是否有助于调节肠道通透性。鉴于已有报道指出肠道通透性和BMI之间存在关联[35]，因此，上述可能性尤其受到关注。动物和体外模型已被用于初步认识肠道微生物菌群和肠道通透性之间的关系。体外实验表明，培养的肠上皮细胞暴露于共生益生菌可导致关键紧密连接蛋白的表达上调和磷酸化增加[36,37]。在动物模型中，暴露于益生菌群能够使动物在应对急性感染时更好地维持紧密连接结构（组织学观察）[38]。同样，无菌小鼠和疾病动物模型的移植试验可导致关键紧密连接关键蛋白表达上调[39]和肠道屏障功能正常化[36,39]。总的来说，上述研究结果似乎均支持肠道微生物对肠道通透性的调节作用。迄今为止，很少有人体研究直接观察肠道微生物菌群和肠道通透性调控之间的关系。现有的一些综述主要是回顾了肠道微生物菌群调控（主要是补充益生菌）对普通队列人群和特定疾病状态的影响[40-42]。然而，这些研究对于结局的评估常常是基于症状，往往忽略了对肠道通透性的客观评估。在一项纳入7名健康个体的安慰剂交叉对照试验中，受试者在经过6小时的益生菌溶液鼻饲后，其十二指肠活检标本中的紧密连接蛋白较前增加[43]。在我们开展的试验中[44]，对22名健康受试者补充含有4株益生菌、1种益生元、牛乳清衍生乳铁蛋白和免疫球蛋白的合成共生菌21天后，通过双糖吸收实验评估肠道通透性，结果显示肠道通透性没有任何变化。相比之下，一项为期更长的双盲安慰剂对照试验中，对23名受过耐力训练的男性补充6株益生菌长达14周，结果显示，试验组受试者粪便中的关键紧密连接蛋白zonulin排出量显著减少[45]，提示肠黏膜完整性较好。类似地，在一项针对中国汉族人群的队列研究中，受试者接受为期9周的益生元干预后，其肠道微生物菌群随之变化，双糖吸收实验显示肠道通透性明显下降[46]。尽管这些结果广泛支持靶向调控肠道通透性的可能性，但肠道微生物菌群的构成和肠道通透性之间的关系仍有待进一步阐明。短链脂肪酸肠道微生物菌群可能通过短链脂肪酸这一介质促进肠黏膜的完整性，尽管其作用机制尚未完全明确。短链脂肪酸（主要是醋酸、丙酸和丁酸）是不易消化的淀粉类食物（公认的益生元）通过肠道时被细菌发酵的产物，主要产生于结肠[47]。尤其是丁酸，其被认为是结肠上皮细胞的主要能量来源，且能够促进血液流动、刺激胃肠激素的分泌、增加液体和电解质的吸收以及及粘蛋白的释放[47,48]，而这些生物学作用均有助于维持肠黏膜的完整性。用短链脂肪酸处理体外培养的肠上皮细胞，可导致跨上皮电阻增加[49,50]。跨上皮电阻是公认的通过紧密连接反映渗透性的替代指标，一般来讲，阻力增加等效于渗透性降低。此外，丁酸可以抑制人结肠癌细胞株增殖[51]，丁酸和丙酸不足还与细胞凋亡减少和肿瘤的发生相关[52]。总的来说，这些证据表明短链脂肪酸参与了细胞周期的调控。短链脂肪酸调节细胞增殖和凋亡可以影响肠上皮细胞的生长和脱落，因为肠上皮细胞需要不断地进行自我更新，这是调节肠道通透性的一个关键步骤。短链脂肪酸对肠道通透性影响的早期认识来自动物模型。在啮齿类动物模型中，应用短链脂肪酸灌注封闭的盲肠端后，肠系膜血流中的放射性标记物减少了50%以上，说明当暴露于短链脂肪酸环境时，肠黏膜的通透性下降[53]。在小鼠模型中，结肠中丁酸盐不足与局部代谢下降和自噬增强有关[54]。此外，一项有关猪饲料的研究显示，马铃薯原淀粉可使近端结肠丁酸浓度倍增，导致细胞增殖和凋亡减少，并促进粘蛋白硫化[55]，证明短链脂肪参与维持肠黏膜的结构与功能。人体临床转化研究的开展因各种伦理和协调方面的挑战而受到限制，并且研究结果的重复性较差。病程长短和疾病严重程度的差异、现有的治疗方案以及短链脂肪酸混合物的组成成分都是潜在的混杂因素。然而，在溃疡性结肠炎时，肠道通透性改变，有研究通过灌肠或结肠灌洗使短链脂肪酸到达结直肠组织，结果显示溃疡症状评分减少，且肠黏膜组织学变化也有所改善[56]。其他课题组[57]和本课题组[58]的研究均显示，健康成人在补充益生元后粪便中的短链脂肪酸浓度增加（图2）。然而，在这些研究中没有同时测定肠道通透性的相关标记物，因此无法在健康人群中进一步分析短链脂肪酸和肠道通透性之间的关联。除了研究短链脂肪酸和肠黏膜完整性之间的关系，一些研究已经开始关注短链脂肪酸发挥其积极作用的信号传导机制。短链脂肪酸已被证实是表达于肠上皮细胞、脂肪组织和免疫细胞表面的一系列G-蛋白耦联受体（G-protein-coupledreceptor，GPR）的配体[59]。不同的短链脂肪酸激活不同的GPR：丙酸对GPR41和GPR43表现出高亲和力；醋酸对GPR43表现出高亲和力；丁酸对GPR41和GPR109A表现出高亲和力[60]。下游被激活的信号通路主要参与免疫及炎症反应调节[61]。例如，来源于GRP41和GPR43基因敲除小鼠的肠上