嗜黏蛋白阿克曼氏菌及其在肥胖機(jī)制中的研究進(jìn)展

沈 男，劉 毅，蓋中濤*

(1.濟(jì)南大學(xué) 山東省醫(yī)學(xué)科學(xué)院 醫(yī)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022；2.山東大學(xué)齊魯兒童醫(yī)院， 山東 濟(jì)南 250022)

肥胖是由遺傳和環(huán)境因素共同作用引發(fā)的疾病，常伴隨體內(nèi)多器官新陳代謝的功能紊亂。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，自1980年以來，世界范圍內(nèi)的肥胖人數(shù)已增加1倍以上，且不論是在發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家，其發(fā)病率都在逐年上升，為社會(huì)增添了沉重的醫(yī)療和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。此外，肥胖還可以增加2型糖尿病、心血管疾病以及非酒精性脂肪肝，甚至一些惡性腫瘤的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)和病死率[2]。目前，肥胖已經(jīng)成為全球最受關(guān)注的健康問題。盡管臨床上已經(jīng)通過飲食、運(yùn)動(dòng)、手術(shù)或藥物治療等方面取得了良好效果，但仍未有一個(gè)長(zhǎng)期有效的治療或預(yù)防措施可以消除肥胖的發(fā)生與發(fā)展。近10年，隨著腸道微生態(tài)學(xué)研究的進(jìn)展，以及高通量測(cè)序技術(shù)的應(yīng)用，腸道菌群與肥胖的相關(guān)性已經(jīng)明確，其中，嗜黏蛋白阿克曼氏菌(Akkermansiamuciniphila)在肥胖的發(fā)生、發(fā)展及其預(yù)后中發(fā)揮著極其重要的作用，可能在以后肥胖的干預(yù)和預(yù)防中提供一個(gè)嶄新的方向和潛在的靶向途徑。

1 Akkermansia muciniphila(A.muciniphila)

1.1 A.muciniphila基本生物學(xué)特征

A.muciniphila隸屬疣微菌門，最初由健康成人的糞便分離而得，是一種革蘭陰性厭氧菌[3]。在相差顯微鏡下，菌體呈橢圓形，非運(yùn)動(dòng)，無芽孢，其長(zhǎng)軸隨培養(yǎng)基質(zhì)的不同而改變，波動(dòng)于0.6～1.0 mm[4]。生長(zhǎng)方式多為單個(gè)或成對(duì)，極少呈鏈狀，但常呈聚集態(tài)，菌體間可見半透明的物質(zhì)層。增殖的最適溫度為37 ℃，最適pH為6；可在20～40 ℃或pH 5.5～8.0增殖，倍增時(shí)間約1.5 h[4]。

1.2 A.muciniphila相關(guān)基因

A.muciniphila的全部基因組由一環(huán)狀染色體構(gòu)成，A.muciniphilaATCC BAA- 835的基因組測(cè)序顯示，長(zhǎng)度2 664 102 bp，G+C含量占55.8%[5]?；蚪M中包含大量編碼分泌蛋白的基因(2 176個(gè)開放閱讀框中占567個(gè))，其中61個(gè)基因參與編碼蛋白酶、糖水解酶、唾液酸酶和硫酸酯酶[6]；對(duì)比已注釋的基因發(fā)現(xiàn)，該菌可合成所有20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，以及重要的輔酶因子和維生素[7]；還可以代謝多種糖類，如半乳糖、纖維二糖、果糖和蜜二糖[5]。這些重要的功能為A.muciniphila在腸道黏液層中分解黏蛋白提供了極佳的條件。

1.3 A.muciniphila的代謝、定植和分布

腸道黏液層中含有豐富的黏蛋白，它們高度糖基化，為A.muciniphila的生存和增殖提供了必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。除此之外，黏蛋白也可以作為A.muciniphila唯一的碳源、氮源和能量來源，并在酵解過程中產(chǎn)生乙酸鹽、乙醇、丙酸鹽和硫酸鹽[4]。所以，即便沒有維生素的參與，A.muciniphila也可以在僅含黏蛋白的培養(yǎng)基中培養(yǎng)和純化。A.muciniphila廣泛分布于人類和動(dòng)物的腸道黏液層中，可在90%以上的健康成人中檢出；同時(shí)也是腸道高豐度共生菌之一，通過熒光原位雜交技術(shù)測(cè)得其構(gòu)成腸道微生物總量的1%～5%[6]。A.muciniphila的腸道定植相對(duì)晚于雙歧桿菌和乳酸桿菌，但在新生兒時(shí)期已開始定植，并迅速繁殖，于1歲內(nèi)達(dá)健康成人水平(108個(gè)/g)，在年老時(shí)逐漸降低[8]。在腸道不同部位，A.muciniphila的定植量也不盡相同。無菌鼠模型定植A.muciniphila后，通過對(duì)回腸、盲腸和結(jié)腸3個(gè)部位分別進(jìn)行16S rRNA定量PCR技術(shù)測(cè)定確切其菌種豐度，顯示盲腸是A.muciniphila定植最多的地方，也是黏蛋白產(chǎn)生最多的地方[8]。

1.4 A.muciniphila定植途徑和定植位置

目前，關(guān)于A.muciniphila通過結(jié)合何種物質(zhì)定植在黏液層中仍存在不同的結(jié)論。A.muciniphila與黏液或黏蛋白息息相關(guān)，卻未曾在其蛋白質(zhì)組中發(fā)現(xiàn)可結(jié)合黏液或黏蛋白的典型結(jié)構(gòu)域，由此有學(xué)者推測(cè)A.muciniphila并非是依靠結(jié)合與其關(guān)系極其親密的黏液或黏蛋白而定植腸道。在一項(xiàng)體外實(shí)驗(yàn)中，A.muciniphila強(qiáng)黏附于體外培養(yǎng)的Caco- 2和HT- 29結(jié)腸細(xì)胞系，卻并不黏附于結(jié)腸黏液；也可黏附于細(xì)胞外基質(zhì)蛋白成分中的層連蛋白，而不黏附于膠原蛋白Ⅰ型、膠原蛋白Ⅳ型、纖連蛋白和胎球蛋白[6]。但從12例患者(7例結(jié)腸癌，5例潰瘍性結(jié)腸炎)結(jié)腸中分離出的黏蛋白均可被A.muciniphila黏附[9]。且當(dāng)A.muciniphila定植無菌鼠后，在腸道檢測(cè)到該菌都和腸上皮細(xì)胞保持50 μm以內(nèi)的距離[8]。這些實(shí)驗(yàn)得出的不同結(jié)果或許和物種的不同、實(shí)驗(yàn)環(huán)境各異和檢測(cè)方法不一等有關(guān)，對(duì)此仍需進(jìn)一步考證。

1.5 A.muciniphila的耐氧性

生理情況下，定植于黏液層的A.muciniphila常常暴露于腸上皮細(xì)胞釋放的少量氧氣中。 既往因A.muciniphila在無還原劑的培養(yǎng)基上不能增殖，就一直認(rèn)為其是一種嚴(yán)格的厭氧菌。但近來研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于完全厭氧的環(huán)境，A.muciniphila能夠在含有毫微摩爾濃度氧氣的環(huán)境中增加其增殖速率和代謝物產(chǎn)量，同時(shí)也具有一定的還原能力(2.26 mU/mg總蛋白)[10]。通過光譜測(cè)量發(fā)現(xiàn)A.muciniphila的基因組中存在細(xì)胞色素bd1 (Amuc_1695)和bd2 (Amuc_1694)基因，在接觸氧氣后上調(diào)轉(zhuǎn)錄、表達(dá)。細(xì)胞色素bd復(fù)合體功能相當(dāng)于其呼吸作用中的終末氧化酶，可以在呼吸作用中有效的利用氧氣，減少活性氧(ROS)危害[10]。即使在正常空氣中，A.muciniphila依然可以存活48 h。這微弱的氧氣利用能力或許是A.muciniphila在黏液層中與其他嚴(yán)格厭氧菌競(jìng)爭(zhēng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

2 A.muciniphila與肥胖

肥胖是由于能量的正向平衡所致的，即攝入的能量超過所消耗的量。所以，高脂飲食(high-fat diet，HFD)是肥胖發(fā)生的最重要病因，也是肥胖中研究最多的環(huán)境因素。高脂飲食可以降低腸道緊密連接蛋白的表達(dá)，提高腸道的通透性，從而增加腸道革蘭陰性菌產(chǎn)生的內(nèi)毒素進(jìn)入血液循環(huán)，導(dǎo)致代謝內(nèi)毒素血癥和長(zhǎng)期低度炎性反應(yīng)狀態(tài)，該過程對(duì)于肥胖的發(fā)生和發(fā)展至關(guān)重要[11]。因此，HFD和腸道菌群在肥胖的生理病理中緊密聯(lián)系。

2.1 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

首先，A.muciniphila的豐度和肥胖是呈負(fù)相關(guān)的。給予10周齡的C57BL/6雄性鼠高脂飲食(脂肪含量占60%)8周，通過檢測(cè)盲腸中菌群豐度發(fā)現(xiàn)，A.muciniphila的豐度降低了100倍[12]。其后的相關(guān)實(shí)驗(yàn)也得出一致的結(jié)論，且還發(fā)現(xiàn)在飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠中，A.muciniphila的豐度改變與脂質(zhì)代謝和炎性反應(yīng)標(biāo)志物的表達(dá)以及一些循環(huán)指標(biāo)(如葡萄糖、胰島素、三酰甘油和瘦素等)明顯相關(guān)[13]。相反，在CD1新生小鼠中，相比對(duì)照組，蛋白質(zhì)-能量營(yíng)養(yǎng)不良的小鼠具有豐度更高的A.muciniphila[14]。其次，在給予A.muciniphila干預(yù)的小鼠，可以顯著改善高脂飲食誘導(dǎo)的代謝紊亂，包括脂肪量獲得、代謝性內(nèi)毒素、脂肪組織炎性反應(yīng)和胰島素抗性，從而緩解了肥胖的發(fā)生發(fā)展[12]。迄今，有關(guān)A.muciniphila在抑制肥胖過程中的作用仍未完全明確，但已有部分機(jī)制被闡明。A.muciniphila可以修復(fù)并更新受損的黏液層，增加其厚度，通過改善腸道的通透性，減少了代謝性內(nèi)毒素的吸收。同時(shí)，A.muciniphila還可以增加腸道的內(nèi)源性大麻素2-花生四烯酸甘油(2-arachidonoylglycerol 2-AG)水平，其可以減少循環(huán)炎性因子水平，也可以減輕體內(nèi)的代謝性內(nèi)毒素血癥[12]。不僅如此，在近期的一項(xiàng)研究中，通過口服A.muciniphila的CREBH-null鼠還可以增加其肝臟中低密度脂蛋白受體和載脂蛋白E的表達(dá)，促進(jìn)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)殘留的富含三酰甘油的脂蛋白(triglyceride-rich lipoprotein,TRL)、乳糜微粒和中間密度脂蛋白的清除，從而明顯改善高三酰甘油血癥[15]。A.muciniphila及其代謝產(chǎn)物丙酸鹽也參與調(diào)節(jié)細(xì)胞脂質(zhì)代謝的多種轉(zhuǎn)錄因子和基因的表達(dá)，如空腹誘導(dǎo)脂肪因子(fasting-induced adipose factor, FIAF)、G蛋白偶聯(lián)受體43(Gpr43)、組蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases,HDACs)和過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor gamma, PPARγ)，它們都是轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控、細(xì)胞周期控制、脂質(zhì)分解和飽腹感的重要調(diào)節(jié)者[16]。A.muciniphila的這些效應(yīng)都是建立在活菌的基礎(chǔ)之上，高溫滅菌后的A.muciniphila不具備上述作用。在A.muciniphila的分子結(jié)構(gòu)研究中，外膜蛋白Amuc- 1100*可以通過TLR- 2受體信號(hào)傳導(dǎo)通路改善高脂飲食誘導(dǎo)的高膽固醇血癥、胰島素抗性和腸道屏障功能[17]；其分泌的細(xì)胞外囊泡也可以降低結(jié)腸上皮促炎細(xì)胞因子IL- 6的產(chǎn)生，緩解結(jié)腸壁炎性細(xì)胞的浸潤(rùn)，從而降低了循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)炎性因子的濃度水平，也在一定程度上緩解了肥胖的進(jìn)展[18]。

2.2 人體實(shí)驗(yàn)

與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，在超重或肥胖的個(gè)體中，A.muciniphila的豐度也是降低的，而且在肥胖的亞臨床階段已經(jīng)表現(xiàn)出A.muciniphila豐度的降低[19]。近期一項(xiàng)肥胖和糖尿病飲食干預(yù)的研究表明，超重和肥胖的受試者中A.muciniphila的豐度與空腹血糖、腰臀比以及脂肪細(xì)胞直徑呈負(fù)相關(guān)；具有高豐度A.muciniphila的受試者也表現(xiàn)出更健康的代謝狀態(tài)，尤其在空腹血糖、三酰甘油和體脂分布方面；且在熱量限制飲食后6周，具有高豐度A.muciniphila的受試者血糖和血脂有更好的改善[20]。在臨床治療方面，腸道中A.muciniphila的豐度與肥胖患者的質(zhì)量減輕是息息相關(guān)的，且還可以作為肥胖患者減肥成功與否的一項(xiàng)常規(guī)指標(biāo)。在一項(xiàng)對(duì)33例肥胖患者進(jìn)行為期3個(gè)月飲食干預(yù)的研究中，通過16S rDNA實(shí)時(shí)定量PCR方法對(duì)糞便微生物測(cè)序，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量減輕后的A.muciniphila豐度較質(zhì)量未減輕前明顯增加[21]。此外，在近期的一項(xiàng)研究中，通過選擇16名肥胖患者進(jìn)行為期1年的減肥療程(包括低熱量飲食、運(yùn)動(dòng)和行為療法等)后再繼續(xù)跟蹤隨訪1年，并分別在干預(yù)前、1年后以及2年后對(duì)其糞便標(biāo)本進(jìn)行DNA鳥槍法測(cè)序，同樣證明了肥胖患者質(zhì)量減輕后的A.muciniphila豐度顯著增加，且結(jié)束干預(yù)的1年后，這些干預(yù)措施所改變的腸道菌群結(jié)構(gòu)及豐度已逐漸回到干預(yù)前的狀態(tài)，除了A.muciniphila的豐度依然保持穩(wěn)定[22]。這些發(fā)現(xiàn)均說明A.muciniphila的豐度代表著肥胖水平改善的程度，且A.muciniphila的豐度較其他腸道共生菌更相對(duì)穩(wěn)定。在肥胖的外科治療中，Roux-en-Y胃旁路手術(shù)(RYGB)是對(duì)于病態(tài)肥胖實(shí)現(xiàn)持續(xù)減肥的有效手段，在術(shù)后質(zhì)量減輕和代謝改善的同時(shí)，腸道菌群的多樣性也明顯增加并維持1年以上，其中A.muciniphila的豐度增加顯著[23]，但該菌在術(shù)后減輕質(zhì)量效應(yīng)中的具體機(jī)制目前還需要進(jìn)一步的研究。此外，A.muciniphila還參與了一些臨床藥物的作用機(jī)制。二甲雙胍作為2型糖尿病的一線治療藥物，尤其適用于肥胖的2型糖尿病患者，有研究顯示，口服二甲雙胍在降低患者血糖的同時(shí)，還可以提高腸道A.muciniphila的豐度，從而緩解了患者的肥胖狀態(tài)[24]。相對(duì)于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，A.muciniphila在人體中的研究非常少，其安全性也未有明確的驗(yàn)證，但已有小樣本試驗(yàn)表明人體口服合成培養(yǎng)基上增殖的或巴氏滅菌后的A.muciniphila是相對(duì)安全的[17]。

3 A.muciniphila的相關(guān)飲食

腸道菌群受飲食的影響，A.muciniphila也不例外。在相關(guān)飲食的研究中，鮮食葡萄可以增加腸道內(nèi)A.muciniphila的豐度并減少體內(nèi)的脂肪含量和肝臟的脂肪合成[25]；藍(lán)莓中的紫檀芪(pterostilbene)可以改變腸道菌群的組成向更健康的菌群結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，并在Zucker大鼠中發(fā)現(xiàn)其具有的抗肥胖效應(yīng)與A.muciniphila豐度增加相關(guān)[26]；膳食多酚(dietary polyphenols)可以促進(jìn)腸道中A.muciniphila的生長(zhǎng)并拮抗高脂飲食誘導(dǎo)的代謝綜合征[27]；龍舌蘭(agave salmiana)及其提取物皂苷(saponin)在C57BL6鼠中也可以增加腸道A.muciniphila的豐度并逆轉(zhuǎn)肥胖和肝臟的脂肪變性[28]。這些相關(guān)飲食或許可以為肥胖的患者提供一個(gè)更優(yōu)的飲食成分比例，也可能為飲食治療肥胖提供一個(gè)新的方向。

4 問題與展望

目前A.muciniphila的研究已經(jīng)涉及多種系統(tǒng)疾病，如肥胖、糖尿病、自閉癥、酒精性脂肪肝以及冠狀動(dòng)脈硬化等，但其主要集中于代謝性相關(guān)疾病，而且研究對(duì)象多局限于動(dòng)物。其次，雖然尚未有研究發(fā)現(xiàn)A.muciniphila對(duì)動(dòng)物或人體產(chǎn)生不良的效應(yīng)，且有可能成為下一代益生菌的候選者，但其在人體的安全性仍缺乏更多的數(shù)據(jù)的支持，所以A.muciniphila是否可以成為臨床所用的有益菌目前仍處于研究階段。在以后的研究中，更多的A.muciniphila相關(guān)疾病會(huì)被逐漸發(fā)現(xiàn)，在疾病中的作用機(jī)制也會(huì)被逐漸認(rèn)知。在以后的臨床活動(dòng)中，通過檢測(cè)腸道A.muciniphila豐度的改變輔助相關(guān)疾病的診斷及分型，或通過增減腸道新靶向A.muciniphila的豐度而實(shí)現(xiàn)某疾病的精準(zhǔn)治療也都將成為可能。