高原低氧對腸道菌群影響的研究進展

姜占青，榮光宏，馬穎才

（青海大學研究生院，青海 西寧）

1 腸道菌群的概述

人體腸道中棲息著遠遠超過人體自身細胞數量的微生物，這些微生物被統稱為腸道菌群；腸道菌群是人體腸道的正常微生物，大約由400～500 種不同的細菌組成，其中30～40 種占腸道菌群的99%[1]。人體腸道細菌的數量約為體細胞的10 倍，大體分為生理性菌群、條件致病菌及病原菌3 種；生理性菌群是腸道優勢菌群，數量大，種類密集，具有免疫調節、營養等作用；條件致病菌在正常情況下無害，當機體免疫力降低時具有侵襲性；病原菌能產生致病物質，腸道優勢菌群失調時，宿主免疫力低下，可以大量增殖而致機體感染[2]。腸道的正常微生物在促進營養物質吸收、保護腸道黏膜屏障、促進上皮細胞的生長發育、促進腸道淋巴組織的形成、調節腸道 pH 值 、免疫應答、生物拮抗等方面發揮關鍵作用[3]。最近研究表明腸道不僅是消化和吸收營養物質的重要臟器，而且還具有免疫調節、內分泌、黏膜屏障保護等功能，更是人體最大的排毒器官，而腸道菌群是腸道生物屏障的重要組成部分，缺氧可引起胃腸黏膜的病理性損傷，破壞腸黏膜完整性，細菌侵入，一方面腸道毒素入血，另一方面引起腸道細菌移位，進而引起MODS（多器官功能障礙綜合征），從而形成惡性循環[4]。由此可見，腸道微生態系統對維持人體腸道屏障的穩態至關重要，腸道菌群與宿主健康之間始終處于動態平衡中，形成互相依存、相互制約的系統，當腸道內菌群組成、比例失調時，腸道菌群就會從短鏈脂肪酸、內毒素血癥、膽堿、膽汁酸代謝等多種途徑打破機體與腸道菌群之間的平衡[5]。

2 高原低氧的概述

在地理學上，海拔在500m 以上稱為高原；在醫學角度上，確定海拔2500m 以上為高原。高原地區所形成的特殊氣候環境，具有高寒、低氣壓、低氧、強紫外線輻射等氣候特點[6]。高原缺氧環境可以引起胃腸道運動功能減弱，胃腸黏膜病理性損傷，黏膜屏障保護作用減弱，導致腸黏膜上皮細胞脫落凋亡，破壞腸黏膜的完整性，從而導致腸道菌群失調[7,8]。高原缺氧環境可引起機體復雜的病理生理改變，消化道病癥很常見，包括上腹部疼痛、食欲減退、消化不良、燒心、胃腸道出血和消化性潰瘍等[4]。其中，以胃腸道出血最為嚴重，當海拔超過3000m 時，就可出現程度輕度不等的高原胃腸道出血，而海拔5000m 以上更容易罹患[9]。

3 低氧對腸道菌群的影響

3.1 急性缺氧對腸道菌群的影響

急進高原缺氧環境后可引起一系列胃腸道反應，導致胃、腸黏膜病理性損傷，出現黏膜糜爛、壞死、出血和潰瘍形成[10]。正常情況下，小腸黏膜上皮組織代謝旺盛，新老細胞更新替換，血液中的氧彌散入組織，組織中的氧濃度維持著腸黏膜上皮細胞的正常代謝；當機體出現缺氧時，無氧代謝增加，局部代謝產物堆積，胃、十二指腸黏膜的毛細血管損害加重，從而使胃、 十二指腸黏膜受損進一步加重[11]。楊文翠、張方信[7,12]等建立急性高原缺氧模型（分為：A 組：3848m；B 組：4767m；對照組C），從以下七個觀察指標進行研究：（1）大鼠菌群失調率：A 組：53%；B 組：87%；C組：23%；可見高原缺氧模型組大鼠菌群失調率高于平原對照組，表明大鼠急進高原缺氧環境后，出現腸道菌群失衡，表現為隨海拔增高，腸道菌群失衡更明顯；（2）大鼠糞便PH 值失調率：A 組：53%；B 組：80%；C 組：20%；可見模型組PH 值失調率明顯高于對照組；（3）腸粘膜組織TNF-α 和IL-6 的含量：模型組TNF-α 和IL-6 的含量明顯高于對照組，表明大鼠暴露于高原缺氧環境后，體內炎癥反應增強，細胞因子浸潤，且隨海拔升高，腸黏膜損傷進一步加重，導致腸道菌群失衡更明顯；（4）腸道組織形態學變化：大鼠急進高原缺氧環境后，腸黏膜絨毛上皮細胞剝離、脫落，上皮下間隙水腫，小腸黏膜變薄、絨毛縮短和吸收面積減少；（5）腸道菌群變化：模型組雙歧桿菌比例減少，大腸埃希菌比例增加；表明雙歧桿菌隨著上皮細胞的脫落而減少，減弱腸黏膜的保護作用，從而使條件致病菌數量增多，定植力增強，并且隨海拔升高，腸道菌群失調更明顯；（6）細菌易位率：A 組：15%；B 組：37.5%；C 組：2.5%；可見模型組細菌易位率明顯高于對照組，表明大鼠急進高原缺氧環境后，導致腸黏膜損傷，增加了腸黏膜的通透性，條件致病菌數量增多，定植力增強，導致腸道菌群紊亂，使細菌和內毒素穿過損傷的腸黏膜進入組織（腸系膜淋巴結、肝、脾、血液）發生易位；（7）建立急性高原缺氧模型（分為：A 組：4500m；B 組：5500m；對照組C）小腸黏膜超微結構變化：觀測表明上皮細胞微絨毛排列紊亂，大量萎縮、脫落，細胞內線粒體腫脹，內質網擴張，細胞結構紊亂[13]。

3.2 慢性持續缺氧對腸道菌群的影響

在腸黏膜的絨毛和微絨毛上，微生物通過分泌黏附因子等方式在腸黏膜上定殖[14]。人或動物的腸黏膜處于高灌注狀態，于是對缺血、缺氧極度敏感，不論人體整體還是胃腸道局部缺血、缺氧的狀態都會直接損傷腸黏膜，進而顯著影響腸道微生物的定殖[15-16]。馬燕[17]等研究表明：將SD 大鼠分為對照組(海拔43.5 m)和實驗組(模擬海拔4 500m)，提取大鼠腸道微生物DNA，分別從腸道微生物群落多樣性、相對豐度以及組間差異性等方面觀察大鼠糞便后得出結論：（1）腸道微生物群落多樣性分析：α 多樣性示：對照組第28 天時大鼠腸道微生物群落豐富度最為顯著；β 多樣性示：對照組第 21、28 天大鼠的腸道微生物群落構成相似；上述結果表明：低氧暴露會改變 SD 大鼠腸道微生物群落的α 及β 多樣性，低氧暴露過程中SD 大鼠腸道微生物群落的結構和豐富度呈動態變化；（2）不同低氧暴露時間組腸道微生物群落的厚壁菌門與擬杄菌門的比值（Firmicutes/Bacteroidetes，F/B 值)低于同時間對照組；（3）對照組SD 大鼠腸道微生物群落中碳水化合物代謝相關菌群(普氏菌和擬杄菌)明顯增加；（4）通過 PICRUst 分析發現，不同低氧暴露時間組和對照組SD 大鼠腸道微生物群落的功能存在一定差異。周靜[18]等研究表明：腸道粘膜的損傷隨著海拔高度和缺氧時間的延長而加重。在海拔高度與缺氧時間相同的情況下，小腸的損傷較結腸嚴重，但空腸和回腸的損傷無明顯差異；結腸損傷可能與高原暴露時間有關，早期不明顯，隨著缺氧暴露時間的延長，結腸損傷越明顯。

3.3 慢性間歇性低氧對腸道菌群的影響

3.3.1 間歇式低氧是低氧和常氧反復交替周期循環的一種供氧模式[19,20]。近幾年來，短期間歇性低氧暴露引起的高原習服反應受到重視。短期間歇性低氧暴露的主要目的是提高運動員的有氧能力或提高高山運動員的高原適應反應，因為這類項目會導致紅細胞質量的增加。慢性間歇性低壓低氧(Chronic intermittent hypobaric hypoxia ,CIHH)是一種模擬高原常氧中斷的中度缺氧治療，CIHH 可以促進血管生成因子等分子的作用，促進多種組織類型的修復和恢復[21]。

3.3.2 Tian YanMing[22]等研究發現

將大鼠置于低壓低氧室中，用于模擬5000m 高度28 天，每天6 小時(不包括上升和下降時間)的低壓低氧處理后，CIHH 組的Shannon 指數高于對照組，表明CIHH 大鼠糞便樣本中物種分布的均勻性增加，優勢物種的豐度下降，而群落中的主要物種保持不變。在門水平上，最主要的是厚壁菌門，其次是擬桿菌門、變形菌門；與對照組相比，CIHH 大鼠的Firmicutes/Bacteroidetes(F/B)比值明顯低于對照組；在屬水平上，CIHH 組乳桿菌屬、布勞特氏菌屬減少，顫螺菌屬、別樣棒菌屬菌相對豐度增多；Alpha 多樣性指數示：與常氧對照組比較，CIHH 組微生物群落物種OTUs 總數明顯降低；這與間歇性低氧（每天8 小時）處理大鼠8 周后結果一致[23]。

4 總結與展望

急進高原后，胃腸道蠕動減慢，抑制消化腺的分泌，唾液、腸液、膽汁、腸淀粉酶等消化食物的分泌物均減少，但胰腺分泌輕度增加；胃腸道鋇餐提示：胃腸道功能紊亂，表現為蠕動亢進或減弱[24]。因此出現不同程度的消化系統癥狀：主要有腹脹、食欲不振、惡心、嘔吐、腹痛、便秘、黑便等[25]。在慢性缺氧下，由于血紅蛋白濃度增高、血液粘稠、血流速度緩慢等因素，胃黏膜微循環受到直接影響，胃黏膜嚴重缺血、缺氧，黏膜出血、糜爛和壞死，易導致慢性胃炎和胃潰瘍，慢性高原病（高原紅細胞增多癥）患者胃鏡及病理學主要表現為慢性糜爛性胃炎、慢性淺表性胃炎和胃竇部線形潰瘍等。顯微鏡下約90%可見胃黏膜出血或出血斑，呈水腫樣變，約81%有黏膜糜爛壞死，少數人在組織學上有輕度腸上皮化生和增生性改變。

綜上所述，高原缺氧的惡劣環境，造成機體腸道菌群紊亂，可引起胃腸黏膜的病理性損傷，最終導致高原胃腸道疾病；無論是急性缺氧、慢性持續缺氧還是慢性間歇性缺氧均會對腸道菌群產生影響。隨著DNA 測序技術的不斷成熟、腸道宏基因組計劃的實施以及代謝組學的不斷發展，基因水平的研究為進一步發現高原缺氧環境對腸道菌群的影響提供了新的參考。未來的研究方向或許應該是常見益生菌制劑是否通過何種機制可以預防急進高原及長期高原居住人群腸道菌群紊亂，從而更明確的指導高原胃腸道疾病的診治。