影響大腸桿菌定植動物腸道的相關因素

曹婷婷 ， 王少林

(中國農業大學動物醫學院 ， 北京 海淀 100193)

哺乳動物出生后幾乎立即產生一個存在于胃腸道新的微生物生態系統。哺乳動物胃腸道中定植的菌群面臨著來自宿主和競爭微生物的巨大挑戰，其中包括腸道蠕動排出內容物，宿主細胞和競爭菌群產生的抗微生物劑，以及腸道菌群的營養競爭，從而導致腸道產生定植抗性[1]。大腸桿菌均可在適宜條件下定植于哺乳動物腸道內，通常被認為是第1個在動物和人類腸道定居的細菌，并且終生存活于體內。然而，目前關于大腸桿菌如何定植腸道的機制尚不完全清楚。因此，了解大腸桿菌在哺乳動物腸道內定植的相關因素，以及定植抗性產生的原因及影響因素，可及時采取應對措施，從而保障人類健康。

1 腸道菌群的構成

微生物在動物宿主腸道內形成復雜的生態系統，其基因比人類基因組多150倍以上，而且這些微生物比人類宿主具有更大的代謝能力[2]。與人體其他器官(例如皮膚、陰道和耳朵)相比，人類腸道尤其是大腸，在體內具有最多的微生物群。腸道中豐富的微生物群落中有數萬種細菌，這些細菌屬于數百種不同的物種。然而，從食道到直腸的整個生命周期中，微生物分布都存在動態變化[3]。腸道菌群的組成和腸道的完整性屏障功能對于宿主的健康非常重要。不僅在于腸道菌群形成黏膜屏障，而且也參與食物消化，刺激免疫功能。同時，它們被視為與人類疾病相關(包括癌癥)的內在環境因素。

1.1 分類與分布

人體消化道由胃、小腸和大腸3個器官組成，大多數人類微生物組研究的重點為大腸的微生物群[4]。每個人腸道中估計有150～400種物種組成，這些菌種中大多數屬于厚壁菌、擬桿菌、放線菌和變形桿菌(圖1)。這些分類單元中每個分類的相對比例在個體之間，甚至個人內部之間都存在顯著差異[5-7]。硬毛菌門主要是由革蘭陽性菌組成(如艱難梭菌)。擬桿菌門主要包括擬桿菌、黃桿菌和鞘脂桿菌。放線菌為對胃腸道有益的革蘭陽性菌(如雙歧桿菌)，常用于益生菌制劑。變形桿菌為革蘭陰性菌，最顯著的是腸桿菌科(如大腸桿菌和肺炎克雷伯菌)。

圖1 人體胃部和腸道主要微生物組成根據文獻[8]繪制

1.2 腸道菌群的功能作用 腸道菌群具有3個主要功能：代謝、營養和保護性。哺乳動物腸道具有大量的共生微生物，這遠遠超過寄生宿主的數量。腸道菌群可產生短鏈脂肪酸和維生素，從而確保宿主健康和代謝功能，同時還可參與腸上皮細胞生長、繁殖和分化。大腸桿菌作為哺乳動物胃腸道中主要的兼性厭氧菌，與腸道中其他厭氧菌具有共生關系。厭氧菌可降解復雜的多糖，為大腸桿菌提供單糖和二糖。大腸桿菌可通過清除氧氣制造厭氧環境。微生物群落的組成反應了宿主和微生物的共同進化關系，從而達到平衡、互利的狀態。

胃腸道的微生物群正在成為控制動物機體健康和疾病的主要因素，其在宿主體內的基本功能證明其重要性。這些功能主要包括將難消化的食物成分發酵成可吸收的代謝物，機體必需維生素的合成，有毒化合物的消除，病原體的競爭，腸道屏障作用的增強以及免疫系統的刺激和調節[9]。這些功能大部分是相互關聯的，并且與宿主生理學緊密相關。健康的腸道微生物群在維持免疫穩態方面起著至關重要的作用。

2 大腸桿菌的特性

大腸桿菌為革蘭陰性桿菌，是哺乳動物胃腸道中的主要兼性厭氧菌。通常情況下大腸桿菌在盲腸和結腸黏液層中以無害的方式持續存在(圖2)[10]。由于大腸桿菌的生長方式和表型的廣泛性，是研究對不同生長條件和生態位適應性的最合適的生物模型。在早期人體腸道內存在共生性和致病性大腸桿菌，也有極大的可能性存在耐藥性大腸桿菌。大腸桿菌主要定植于人類和其他哺乳動物的腸道內，并可通過糞便和廢水處理排放到環境中。大腸桿菌菌株幾乎可對所有主要類別抗生素產生耐藥性，包括產廣譜β-內酰胺酶(ESBL)、對氨基糖苷類、氟喹諾酮類、多黏菌素和磺胺甲基異噁唑/甲氧芐啶耐藥[11]。

圖2 動物腸道內大腸桿菌的特性

大腸桿菌可定植于人體的各個位置，定植的優先部位是腸道，尤其是大腸和盲腸。共生菌位于腸道的黏液層，大腸桿菌將其作為代謝的營養物質來源，從而生長繁殖。大腸桿菌驚人的新陳代謝和調控能力促進了其在不同生態環境中的定植，包括環境和食物。然而，隨著大腸桿菌菌株進化，一部分致病性菌株可以引起不同的疾病現象。

3 定植抗性

腸道菌群是一個復雜的微生物生態系統，并且受到眾多環境因素影響，例如：出生方式、母乳、營養、抗生素和外界壓力等。細菌定植是指各種微生物(細菌、真菌等)從不同環境進入其寄生或共生宿主，并能在一定部位(如胃腸道)定居和不斷生長、繁殖后代[12-13]。而腸道作為一個復雜的微生物菌群載體，其影響定植的因素較為復雜。

從細菌的角度，成功定植于腸道是一項艱巨的任務。細菌通過自然環境(水源)進入動物機體，經食道、胃，通過腸道內找到合適的生長位置，獲得營養開始菌群的復制。當入侵菌群復制到足夠數量后才能抵抗腸道蠕動，以此避免被腸道清除。在此過程中，侵入的菌群必須不斷與已建立的腸道微生物群落競爭并爭奪其生態位和營養，并應對宿主菌群產生的免疫反應。因此，定植抗性在幼年動物腸道微生物群發育和保護動物腸道免受病原體侵襲中起著重要作用。

3.1 定植抗性的產生 在腸道中，為防止外源病原微生物入侵，定植抗性可能是資源競爭、空間排斥或共生微生物直接抑制的結果，也可能是宿主因素介導[14]。二十世紀五六十年代，有研究發現，經鏈霉素處理的小鼠增加了對致病性腸道沙門菌和共生大腸桿菌的易感性，從而提出了“定植抗性”。動物健康機能過程中，在沒有抗生素暴露條件下，腸道微生物群可以通過病原微生物來抑制定植和過度生長。這種現象稱為“抗定植化”，與腸道穩定而多樣的微生物群串聯在一起，并控制著炎癥的發生，其涉及與黏膜免疫系統和微生物群之間的特定相互作用[15]。當腸道平衡系統中所有生態位被腸道菌群占據時，就會發生定植抗性。

3.2 定植抗性的影響因素 細菌物種對腸道定植能力取決于其利用有限營養物質的能力。對大腸桿菌而言，病原菌的抗性產生是由營養物質介導的。腸道內源性菌群在定植抗性中起著不可或缺的作用，而抗生素的使用也可影響腸道菌群的定植抗性。在抗生素治療期間，具有藥物抗性的腸桿菌可以在動物體內定植[16]。因此，影響定植抗性的主要因素為微生物群繁殖的抑制產物的消耗，抗生素的使用和腸道營養物質的利用[15,17-19]。

3.2.1 腸道微生物—微生物—宿主間的相互作用 腸道菌群在正常腸道功能和維持宿主健康中起著重要作用。腸道宿主菌對外源性入侵病原體的生長具有抑制作用，這種腸道微生物—微生物之間的相互作用是定植抗性的關鍵組成部分。腸道菌群具有多種可利用生態位，其中一種微生物代謝副產物可能成為另一種微生物的生長底物。腸道微生物通過對營養的消耗，從而抑制其他菌群的定植。腸道內微生物群的代謝活動可抑制入侵病原體的生長和致病基因的表達。短鏈脂肪酸(Short chain fatty acid,SCFA)為致病性腸桿菌科致病基因表達的抑制劑，同時SCFA的產生還可導致腸道局部pH的降低，從而抑制大腸桿菌在體內的復制速度。腸道內微生物群的代謝活動同時減少了腸腔內O2含量，這種厭氧環境可限制大部分病原體毒力的產生[20]。

然而，人們對宿主微生物群如何與哺乳動物互作以建立互利關系知之甚少。有研究表明，腸道菌群可通過上皮細胞來影響腸道功能[21]。例如，管腔內微生物群影響胃腸道生物活性肽的釋放，并有助于調節胃腸道內分泌細胞和上皮結構。Toll樣受體(TLR)和核苷酸結合寡聚化樣受體(NOD)是關鍵的宿主受體。這些受體位于特定的宿主細胞器內和細胞質內，從而識別腸道微生物及其產物。TLR/NOD分別對病原體啟動宿主防御和炎癥的反應至關重要。腸道固有層特定的T細胞對建立和維持定植抗性具有重要意義。有研究表明，小鼠腸道內微生物群似乎可以促進Th17細胞活化，這與定植抗性的增加有關[22]。

3.2.2 腸道對大腸桿菌營養限制作用 腸道定植的重要環境因素是飲食的性質。由于食物中的脂肪酸和簡單碳水化合物在通過小腸過程中會被吸收和消耗，因此結腸細菌生態系統的可持續性通過復雜多糖的發酵來延續，而復雜多糖是菌群到達結腸的主要碳源[14]。腸道中擬桿菌屬能夠分解來自飲食和宿主的多糖物質，它通過表達諸如糖基轉移酶、糖苷水解酶和多糖裂解酶來進行代謝。擬桿菌屬具有1個可編碼260多種水解酶的基因組，遠遠超過人類基因組編碼的數量。腸道菌群對脂質代謝、蛋白質代謝和維生素代謝均會產生影響。擬桿菌可通過上調脂酶的表達來提高脂水解的效率；腸壁細胞壁上的集中氨基酸轉運蛋白可促進氨基酸從腸腔進入細菌[23]。

微生物菌群在腸道定植的營養物質主要來源于腸道脫落的上皮細胞、膳食纖維和黏膜多糖，而大腸桿菌主要利用單糖和低聚糖(糊精)。為了成功在腸道中定植，大腸桿菌必須競爭限制營養素，一次可利用多種糖，且對營養素的需求靈活，這依賴于腸道內糖原的儲存。腸道營養素的競爭方式主要為：通過利用腸道共生菌不需要的營養素；菌體自身加快繁殖生長；與厭氧菌發生共生關系，釋放其優選的糖類。與厭氧菌相比，大腸桿菌不能分泌細胞外多糖水解酶，因為不能降解膳食纖維衍生物和黏蛋白衍生的寡糖和多糖，因此提出“Restaurant”假說，腸道共生大腸桿菌可在腸道定居生長，猜測其利用分解厭氧菌(可降解多糖)提供單糖、二糖和麥芽糖糊精[24]。

3.2.3 抗生素的使用 抗生素的使用，主要用于預防和治療各種細菌感染。但近年來，各項研究表明，使用抗生素對正常腸道菌群的生態環境產生短期和長期的影響[3]。健康腸道菌群對抗病原體的主要特性之一是引起競爭排斥的能力，而抗生素可能會導致競爭性排斥機制的破壞，從而導致抗生素治療后感染其他病原菌。藥代動力學主要研究藥物在動物機體代謝過程，這有助于了解其對腸道微生物的影響。理論上，藥物只有通過口服直接作用于腸道，才能改變腸道微生物群，但是全身給藥也能間接到達腸道。考慮腸道對抗生素的吸收也至關重要，包括腸道黏膜結構的完整性，抗生素的特性以及對藥物的轉運機制。被腸道容易吸收的抗生素會導致腸腔內的最終濃度低，從而會減少對腸道微生物群的影響[25]。

目前用于研究大腸桿菌定植腸道的動物模型具有一定的局限性。而小鼠由于其體態大小，較短的傳代時間和遺傳特征，常作為研究腸道菌群動物模型。然而，常規飼養的成年小鼠通常對大腸桿菌具有定植抗性[26]。鏈霉素可抑制兼性厭氧菌生長，常用于清除定植動物模型的定植抗性[27-28]。經鏈霉素處理的小鼠腸道模型，由于藥物打亂腸道正常菌群，這有利于其他致病菌或耐藥菌株的定植。除了改變正常腸道微生物多樣性外，廣譜抗生素的使用也引起了人們的關注，主要是通過水平基因轉移傳播耐藥菌株的現象。已有研究表明，人類腸道微生物進行水平轉移的可能性比其他環境高25倍[29]。

4 展望

近年來，關于腸道菌群定植的研究一直備受關注，但很少有關于探究大腸桿菌在動物腸道定植因素的報道。本文系統闡述了哺乳動物腸道內微生物環境及菌群特征，以及對腸道菌群的定植抗性產生及影響因素，為未來定植抗性療法提供理論依據。腸道早期對定植菌接觸會影響動物的消化、生長和發育，這對動物養殖生產性能產生極大的影響。通過提高飼養管理水平，益生菌的補充以及糞菌移植等方法來改良動物腸道環境，增強其腸道免疫機能，這都是切實可行的解決方案。