高原低氧環境下腸道微生態失調及防治的研究現狀※

段坤坤綜述 王亞峰審校

(1.青海大學醫學院；2.青海省人民醫院)

高原低氧環境下腸道微生態失調及其防治研究是近年來的熱門領域，其觀點不一、亂點紛呈，本文就此作一簡要綜述。

1.高原低氧環境下腸道微生態失調

1.1 高原低氧環境對腸黏膜屏障的影響

高原低氧環境會導致胃腸道應激反應，并伴有腸黏膜屏障損傷，進而導致細菌和內毒素移位，誘發全身炎癥反應綜合征和多器官功能障礙。目前高原低氧環境導致腸黏膜屏障損傷的分子機制尚未定論，有觀點認為[1]，缺氧誘導因子-1α(Hypoxia inducible factor-1α：HIF-1α)的表達在腸黏膜損傷中起關鍵作用。Zhang等[2]研究發現，高原低氧環境導致大鼠腸黏膜損傷，并上調了腸內HIF-1α和誘導型一氧化氮合酶(Inducible nitric oxide synthase：iNOS)的表達，推測HIF-1α可能通過調節iNOS的表達，使腸道內一氧化氮水平持續上調，導致腸黏膜損傷。另有多個研究發現[3，4]，在高原低氧環境下，大腸上皮細胞內過氧化氫酶、超氧化物歧化酶活性顯著降低，丙二醛水平升高，這可能加劇腸道屏障功能障礙和腸黏膜損傷。

還有觀點認為[5]，促炎細胞因子的釋放與Toll樣受體4/核因子-κB(Toll-like receptor 4/ Nuclear factor-κB：TLR4/NF-κB)信號通路的激活導致腸黏膜損傷。Toll樣受體(Toll-like receptor：TLRs)在先天免疫系統中起著關鍵作用，TLR4是識別細菌的關鍵跨膜蛋白，構成了胃腸道的第一道免疫屏障[6]。Luo等[7]研究發現，在高原低氧環境下，大鼠腸道TLR4、NF-κB的表達增加，NF-κB抑制劑的使用可逆轉其上調趨勢，因此TLR4/NF-κB信號通路的激活可能在缺氧誘導的腸屏障功能受損機制中發揮重要作用。Xu等[6]研究發現，TLR4/NF-κB信號蛋白的表達水平與腸道緊密連接蛋白Occludin的表達水平呈負相關，TLR4/NF-κB信號通路的激活可能影響腸道緊密連接蛋白的水平。Khanna等[8]研究發現，暴露于高原環境后，大鼠體內促炎細胞因子白細胞介素-17(Interleukin-17：IL-17)的水平升高，輔助性T細胞17(Helper T cell 17：Th17)的免疫反應增強，是導致腸黏膜損傷的可能因素。

目前很多研究報道了高原低氧環境導致腸黏膜屏障損傷的現象[9，10]，研究者據此提出了多種可能的分子作用機制，但高原低氧環境對腸黏膜屏障的影響是一個極其復雜的過程，一種機制不足以解釋腸黏膜損傷的所有病理生理學變化情況，所以這些機制之間未必存在矛盾，相反，不同的機制間還可能存在著一定的關聯性。Kelly等[11]認為，腸道菌群代謝產生的丁酸鹽可以通過影響HIF-1α的穩定性改善腸道屏障功能。Yang等[12]研究發現，干擾素-γ通過NF-κB途徑上調HIF-1α的表達，誘導上皮屏障功能和緊密連接蛋白的損傷，說明上述各種觀點中的促炎細胞因子和HIF-1α/iNOS、TLR4/NF-κB及菌群代謝物等可能通過多種生物學功能影響腸黏膜屏障的完整性，不同分子機制在腸黏膜損傷的病理生理學過程中可能相互影響。

1.2 高原低氧環境對腸道菌群的影響

1.2.1 腸道菌群組成結構的改變

人體腸道菌群主要由擬桿菌門和厚壁菌門組成，其他如變形菌門、放線桿菌門、梭桿菌門、古生菌門和疣狀桿菌門數量相對較少[13]。研究證明[14]，腸道菌群的組成結構與遺傳關聯較弱，外部因素是決定腸道菌群組成結構的關鍵因素。目前很多研究發現，高原低氧環境導致了腸道菌群組成結構的改變。Zhang等[15]研究發現，暴露于高原環境的大鼠體內擬桿菌數量顯著增加、普雷沃氏菌數量減少。另一項研究發現[16]，高海拔組小鼠體內腸桿菌屬、放線菌屬、丹毒桿菌屬和螺桿菌屬的相對豐度顯著降低(大多為需氧菌和兼性厭氧菌)，而擬桿菌屬的相對豐度增加。

不同民族人群的腸道菌群組成結構不同。Li等[17]研究發現，與平原漢族人群相比，高原藏族人群的厚壁菌門相對豐度較高，擬桿菌門相對豐度較低，但生活在同一高海拔地區的漢族和藏族人群之間沒有顯著差異。Zeng等[18]研究發現，高原環境下不動桿菌屬和假單胞菌屬等優勢細菌的含量更高，這可能與能量代謝、氨基酸代謝和碳水化合物代謝密切相關。綜上所述，高原低氧環境會導致不同群體腸道菌群組成結構發生相似的改變，這種改變可能是機體適應高原低氧環境的應變機制之一。

久居高原人群與急進高原人群腸道菌群組成結構存在較大差異。Li等[17]研究發現，在海拔4 800 m的地區生活的藏族人群腸道內表現出產丁酸鹽菌群的富集現象，包括梭菌、脫硫弧菌、擬桿菌、乳酸桿菌和普雷沃氏菌等。Kleessen等[19]研究發現，暴露于5 000 m高海拔環境的登山運動員腸道內產丁酸鹽的雙歧桿菌等有益菌減少。兩項研究的結果不同，提示久居高原人群腸道菌群組成結構的改變可能是機體對高原低氧環境的適應性改變；與此同時，急進高原人群腸道菌群組成結構的變化引起腸道菌群失調，加劇腸黏膜屏障損傷，可能是一種失適應的反映。

1.2.2 腸道菌群代謝方式的改變

人體腸道菌群絕大部分都是專性厭氧菌[20]。在腸道內環境呈穩態時，專性厭氧菌將復雜的碳水化合物水解為短鏈脂肪酸，短鏈脂肪酸有助于降低血壓、適應能量需求和改善缺氧性肺動脈高壓[21]。短鏈脂肪酸中的丁酸鹽可以通過激活腸上皮細胞過氧化物酶體增殖物激活受體(Peroxisome proliferator activated receptor-γ：PPAR-γ)促進細胞氧化磷酸化，維持上皮細胞高耗氧量和腸腔的厭氧環境[22]。此外丁酸鹽還可以通過HIF-1α途徑抑制炎癥、維持腸黏膜屏障和腸道內環境的穩態[23]。丁酸鹽水平的降低將引起HIF-1α水平的上調[24]，HIF-1α可能通過調節iNOS的表達和TLR4/NF-κB信號通路的激活等機制加重局部炎癥和感染，破壞機體的健康狀態。高海拔地區生活的藏族人群腸道菌群的組成結構表現出產丁酸鹽菌群的富集現象[17]，這可使機體更好地適應高原低氧環境。急進高原人群與久居高原人群的腸道菌群組成結構存在較大差異，代謝方式也有所不同，主要體現在急進高原人群體內代謝產生短鏈脂肪酸的有益菌減少、短鏈脂肪酸尤其是丁酸鹽水平降低[24]。

2.高原低氧環境下腸道微生態失調的防治

一半以上的急進高原者都會發生明顯的腸黏膜屏障損傷及腸道菌群失調，目前仍缺乏有效的防治方法。吸氧與高原氧預處理可有效降低急進高原人群中胃腸道應激反應的發病率，應用較為廣泛，但局限性較大。此外，補充益生元和益生菌可以選擇性增加有益菌的數量，使其代謝產生的短鏈脂肪酸水平升高，維持腸黏膜屏障的完整性，預防腸道微生態失調。合理使用抗生素也是一種較常見的腸道微生態失調的防治方法，抗生素的種類、劑量、給藥時間和途徑不同，防治效果不同[25]。合理使用抗生素有助于選擇性消除腸道菌群中對機體有害的菌株[26]。適度運動和增加膳食纖維的攝入可以增加腸道菌群的多樣性，可作為防治腸道微生態失調的輔助手段。

除此之外，目前的研究還發現了多種恢復腸道微生態穩態的方法。Xu等[6]研究發現，補充維生素E可以抑制高原缺氧引起的血清丙二醛濃度的升高和超氧化物歧化酶活性的降低，有效緩解高原低氧暴露導致的腸道屏障功能障礙，降低腸道通透性，維持腸黏膜結構和屏障功能的完整性。Xu等[10]研究發現，在低氧環境下，谷氨酰胺可以保護腸黏膜屏障并調節腸道菌群的組成結構和多樣性。Zhao等[27]研究發現，一些中藥組分如多酚類化合物可以發揮類益生元功能，進而通過調節腸道菌群的組成結構發揮有益作用。但這些都是以實驗動物為研究對象得出的結論。

3.展望

高原低氧環境下外部因素與內部因素對腸道微生態的影響錯綜復雜，要確定其具體的分子作用機制較為困難，且目前仍沒有針對腸道微生態失調的特異、有效的防治方法。如今對高原低氧環境導致腸道微生態失調的研究較為深入，但仍有許多不足之處，如模擬實驗與高原現場實驗的差異、模型與機體在高原低氧環境下腸道內環境的差異、實驗動物與人體的種屬差異等，需要研究者不斷改善研究方法來克服。此外，基因測序技術的發展使我們對腸道菌群的結構和功能有了深刻的認知，但目前還不能解釋菌群結構的改變與疾病狀態之間的關系。要解決上述問題，宏基因組學、宏蛋白組學和代謝組學將會是未來相關研究的重要工具，有望在腸道菌群的基因表達、功能和代謝方向取得突破性進展，進而發現高原低氧環境下腸道微生態失調的有效防治方法。