腸道產(chǎn)甲烷菌與腸道疾病的關(guān)系研究進(jìn)展

易 鑫，肖嫩群，譚周進(jìn)

(湖南中醫(yī)藥大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410208)

腸道產(chǎn)甲烷菌不是致病菌，但腸道產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量異常會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生一定影響。正常情況下，腸道產(chǎn)甲烷菌和其他微生物之間相互共生與競(jìng)爭(zhēng)，形成動(dòng)態(tài)平衡[1]。若平衡破壞，機(jī)體會(huì)出現(xiàn)病理及生理上的改變。研究[2]表明，腸道產(chǎn)甲烷菌與肥胖、腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)、炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、結(jié)直腸癌(colorectal cancer，CRC)、憩室病等疾病存在一定聯(lián)系。本文通過查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，對(duì)腸道產(chǎn)甲烷菌與腸道疾病的關(guān)系研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，著重梳理腸道產(chǎn)甲烷菌在人體腸道疾病中可能發(fā)生的機(jī)制，以期探尋治療腸道疾病的有效靶點(diǎn)。

1 產(chǎn)甲烷菌的特點(diǎn)及種類

產(chǎn)甲烷菌是一類厭氧型原核生物，屬古生菌，廣泛分布于淡水、海洋沉積物、潮濕土壤和腸道等環(huán)境中，包括甲烷桿菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目、甲烷八疊球菌目、甲烷火菌目、甲烷胞菌目六個(gè)目，屬歐亞大陸門[3]。腸道主要產(chǎn)甲烷菌為史氏甲烷短桿菌(Methanobrevibactersmithii)，其次是斯氏甲烷球形菌(Methanosphaerastadtmanae)，在腸道黏膜和糞便中還發(fā)現(xiàn)了其他腸道產(chǎn)甲烷菌，見表1。其中來源于腸道黏膜的菌群不易受外界環(huán)境影響，較糞便菌群穩(wěn)定[7]。根據(jù)產(chǎn)甲烷菌底物不同，分為氫營(yíng)養(yǎng)型、甲基營(yíng)養(yǎng)型和乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌[8]，見圖1。腸道產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)物主要為甲烷，因?yàn)楫a(chǎn)甲烷菌的特殊細(xì)胞成分及甲烷代謝功能，能將底物在厭氧條件下發(fā)酵轉(zhuǎn)化成甲烷[10]。甲烷生成有甲基營(yíng)養(yǎng)型、二氧化碳還原型和乙酸裂解型途徑，三種途徑都形成甲基輔酶M，然后在甲基輔酶M還原酶Ⅰ(MCR-Ⅰ)和甲基輔酶M還原酶Ⅱ(MCR-Ⅱ)催化下形成甲烷[11-12]。腸道產(chǎn)生的甲烷主要以腸道廢氣排出體外，其余通過循環(huán)系統(tǒng)由肺排出。甲烷的排出不僅能縮小腸道氣體體積，還能為腸道提供良好的厭氧環(huán)境，促進(jìn)其他厭氧菌生長(zhǎng)[1]。此外，腸道產(chǎn)甲烷菌能與其他菌群互利共生，共同促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)代謝，還能與硫酸鹽還原菌同時(shí)存在且相互競(jìng)爭(zhēng)氫氣。若菌群平衡偏向于硫酸鹽還原菌，會(huì)生成對(duì)腸道有害的硫化氫，導(dǎo)致炎癥和上皮細(xì)胞損傷。腸道產(chǎn)甲烷菌與腸道菌群之間的共生競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，對(duì)穩(wěn)定腸道微生物區(qū)系，保障腸道健康有著重要意義。

表1 目前已知人體腸道產(chǎn)甲烷菌的種類及來源

2 腸道產(chǎn)甲烷菌的定植特征

產(chǎn)甲烷菌在人體腸道中普遍存在且早期定植。研究[13-14]發(fā)現(xiàn)，新生兒出生1d胃就定植史氏甲烷短桿菌，且早產(chǎn)兒胎糞中檢測(cè)到產(chǎn)甲烷菌，新生兒腸道產(chǎn)甲烷菌可能來源于分娩過程中與母體陰道和腸道菌群的接觸[4]。從腸道產(chǎn)甲烷菌的早期定植來看，腸道產(chǎn)甲烷菌不是致病菌，但其定植數(shù)量受年齡、性別、遺傳和環(huán)境等因素影響。腸道產(chǎn)甲烷菌至青少年時(shí)期基本穩(wěn)定，并達(dá)到成年人水平。在青少年和成人群體中，女性產(chǎn)生的甲烷明顯多于男性[15]。雙胞胎對(duì)比研究[5]發(fā)現(xiàn)，史氏甲烷短桿菌在同卵雙胞胎中比異卵雙胞胎具有更高的遺傳性。產(chǎn)甲烷菌在人體結(jié)腸中的分布與糞便黏稠度有關(guān)，而左半結(jié)腸糞便較硬，產(chǎn)甲烷菌更占優(yōu)勢(shì)[4,9]。根據(jù)甲烷呼氣試驗(yàn)情況，可分為產(chǎn)甲烷者和非產(chǎn)甲烷者。1/3的正常人能通過呼氣試驗(yàn)檢測(cè)到甲烷，但呼吸試驗(yàn)缺乏敏感性，需產(chǎn)甲烷菌達(dá)到約108/g糞便時(shí)才能檢測(cè)到甲烷，因此一般情況下呼氣試驗(yàn)檢測(cè)不到甲烷，但腸道中可能存在產(chǎn)甲烷菌[15-16]。

3 腸道產(chǎn)甲烷菌與疾病的關(guān)系

3.1 與肥胖 肥胖及其相關(guān)代謝性疾病，如2型糖尿病、高血壓、動(dòng)脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝等已成為全球性公共衛(wèi)生難題[17]。腸道產(chǎn)甲烷菌能影響宿主的能量和代謝，促使肥胖發(fā)生。第一，史氏甲烷短桿菌與酵解多糖的多形擬桿菌混合接種小鼠的體重高于單一菌種接種小鼠的體重[2]。可能是因?yàn)槭肥霞淄槎虠U菌消耗氫氣，使腸道氣體體積縮小，維持腸道厭氧環(huán)境，其他厭氧菌的發(fā)酵效率和無氧酵解效率提高，從而升高了短鏈脂肪酸水平，并提高了多形擬桿菌酵解多糖的能力，可吸收的能量增多[1-2]。第二，肥胖受試者中發(fā)現(xiàn)腸道產(chǎn)甲烷菌數(shù)量高于健康人群[17]。腸道產(chǎn)甲烷菌增多，氫氣消耗增多，導(dǎo)致腸道處于低氫分壓狀態(tài)，這種狀態(tài)使得NADH氧化還原中的電子以氫原子形式釋放，因此發(fā)酵微生物通過還原質(zhì)子形成氫氣而不是還原丙酮酸形成二羧酸和乙醇再氧化NADH，這使丙酮酸積累，導(dǎo)致底物水平磷酸化獲得更多ATP，同時(shí)發(fā)酵微生物生成更多乙酸，乙酸和氫氣又能作為腸道產(chǎn)甲烷菌的底物供其生長(zhǎng)、代謝，形成了一個(gè)能量更多的代謝循環(huán)[18]。另外，甲烷氣體也可通過腸道運(yùn)輸和腸道神經(jīng)肌肉功能來影響肥胖發(fā)生。將甲烷氣體注入小腸，小腸蠕動(dòng)速度減慢59%，促使腸道微生物聚集，且食糜在腸道停留和消化時(shí)間延長(zhǎng)，提高機(jī)體對(duì)營(yíng)養(yǎng)的吸收[19]。因此，腸道產(chǎn)甲烷菌的種群動(dòng)態(tài)可作為肥胖發(fā)病機(jī)制的標(biāo)志。

3.2 與腸道疾病

3.2.1 IBS IBS 是一種慢性復(fù)發(fā)性功能性腸病，根據(jù)糞便性狀主要分為便秘型(IBS-C)、腹瀉型(IBS-D)和混合型(IBS-M)[20]。研究[21]指出，IBS-C的腸道氣體以甲烷為主，IBS-D以氫氣為主，IBS-M以氫氣和甲烷為主，其中IBS-C腸道產(chǎn)甲烷菌主要為史氏甲烷短桿菌[20]。腹瀉帶來的腸道沖洗會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌定植，導(dǎo)致IBS-D和IBS-M腸道產(chǎn)甲烷菌減少，進(jìn)而使產(chǎn)甲烷菌耗氫減少，腸道氣體體積增加，可部分解釋IBS患者腸道脹氣的原因[20,22]。IBS患者中，甲烷呼氣試驗(yàn)陽性的患者大多數(shù)為IBS-C，且甲烷產(chǎn)生量與便秘的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[21]。甲烷呼氣試驗(yàn)陽性的IBS患者在進(jìn)食糖類1 h后，血清素水平低于甲烷呼氣試驗(yàn)陰性患者，而血清素水平降低會(huì)使腸道蠕動(dòng)減慢，可解釋IBS患者便秘的原因[20]。

3.2.2 IBD IBD是一種病因復(fù)雜的腸道慢性炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎兩種形式，主要臨床表現(xiàn)為腹瀉、腹痛、糞便異常等癥狀[23]。IBD與腸道產(chǎn)甲烷菌存在一定關(guān)聯(lián)。一方面，研究[24-25]發(fā)現(xiàn)，IBD患者中史氏甲烷短桿菌數(shù)量明顯低于健康人群，而史氏甲烷短桿菌數(shù)量較低會(huì)使硫酸鹽還原菌增加，導(dǎo)致硫化氫生成增多，誘發(fā)炎癥和上皮細(xì)胞損傷。另一方面，IBD患者糞便中斯氏甲烷球形菌數(shù)量高于健康人群，而斯氏甲烷球形菌增多，易引起炎癥反應(yīng)。斯氏甲烷球形菌誘導(dǎo)外周血單核細(xì)胞釋放促炎細(xì)胞因子能力比史氏甲烷短桿菌強(qiáng)4倍，在人體外周血單核細(xì)胞中高度促炎，還能維持與粒細(xì)胞反應(yīng)相關(guān)的髓樣樹突狀細(xì)胞反應(yīng)，具有較強(qiáng)的免疫原性[5,26]。因此腸道產(chǎn)甲烷菌在IBD的發(fā)生過程中起著關(guān)鍵作用。

3.2.3 CRC CRC是一種消化系統(tǒng)的惡性腫瘤，包括結(jié)腸癌和直腸癌，為僅次于肺癌的全球第二大癌癥。腸道微生物區(qū)系不僅是CRC的主要環(huán)境調(diào)節(jié)器，還是CRC發(fā)生的關(guān)鍵環(huán)境因素[27]。大量試驗(yàn)表明腸道產(chǎn)甲烷菌與CRC存在一定關(guān)聯(lián)。研究[27]認(rèn)為，CRC可能與糞便中丁酸鹽濃度較低有關(guān)，若產(chǎn)甲烷菌勝過產(chǎn)乙酸菌，則會(huì)缺乏乙酸鹽和具有抗癌作用的丁酸鹽。而產(chǎn)甲烷者體內(nèi)腸道產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較多，結(jié)腸厭氧作用增強(qiáng)，高度厭氧的腸道環(huán)境可增強(qiáng)膽汁酸產(chǎn)生致癌物的能力，產(chǎn)甲烷者更易患上CRC[20]。此外，與健康人群相比，CRC黏膜樣本中有更高水平的腸道產(chǎn)甲烷菌，且腺癌階段的腸道產(chǎn)甲烷菌水平遠(yuǎn)高于管狀腺瘤[27]。腫瘤本身也可能通過阻塞增加甲烷產(chǎn)生，腸內(nèi)容物排空時(shí)間延長(zhǎng)，腸道厭氧狀態(tài)加重，產(chǎn)甲烷菌作用時(shí)間延長(zhǎng)[20]。相反，研究[28]認(rèn)為，右半結(jié)腸癌的發(fā)生可能與腸道產(chǎn)甲烷菌數(shù)量減少和糞便pH值降低有關(guān)。綜上所述，腸道產(chǎn)甲烷菌與CRC存在密切聯(lián)系，但個(gè)體差異等因素可能對(duì)試驗(yàn)結(jié)果存在一定影響，還需大量試驗(yàn)來證實(shí)腸道產(chǎn)甲烷菌在CRC中的發(fā)生機(jī)制。

3.2.4 憩室病 憩室病是結(jié)腸壁肌層薄弱導(dǎo)致結(jié)腸黏膜下層突出的疾病，通常無癥狀[29]。腸道微生物組成的改變可以產(chǎn)生有毒代謝物，破壞腸道微生態(tài)與免疫系統(tǒng)之間的平衡，使上皮功能障礙、腔內(nèi)壓力增加和延遲腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間來促使憩室病發(fā)展[29]。根據(jù)糞便產(chǎn)甲烷菌直接計(jì)數(shù)發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸憩室病患者糞便產(chǎn)甲烷菌數(shù)量較非憩室病有所增加[30]。這是因?yàn)轫夷転槟c道產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)提供良好環(huán)境，其一，氫氣在憩室中滯留，可以優(yōu)先轉(zhuǎn)化為甲烷而非通過糞便排出；其二，憩室保護(hù)生長(zhǎng)緩慢的腸道產(chǎn)甲烷菌，使產(chǎn)甲烷菌不被腸道清除[20]。憩室病起病于左半結(jié)腸功能紊亂，促使氫氣積聚，左半結(jié)腸產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)增多，甲烷含量升高，產(chǎn)生于左半結(jié)腸的氫氣通過腸道產(chǎn)甲烷菌可迅速轉(zhuǎn)化為甲烷，使腔內(nèi)壓力增加[20]。而右結(jié)腸憩室與腸道細(xì)菌產(chǎn)生的氣體無明顯關(guān)系，但沒有考慮憩室的時(shí)間依賴性[29]。因此需要進(jìn)一步研究腸道產(chǎn)甲烷菌與右結(jié)腸憩室之間的關(guān)系。

4 腸道產(chǎn)甲烷菌及其產(chǎn)物的檢測(cè)方法

4.1 腸道產(chǎn)甲烷菌檢測(cè)方法 檢測(cè)腸道產(chǎn)甲烷菌最多的方法是分子生物學(xué)方法。聚合酶鏈反應(yīng)可估計(jì)特定樣品中產(chǎn)甲烷菌的豐富度；實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)用于研究反芻動(dòng)物和其他環(huán)境中產(chǎn)甲烷菌的多樣性，并確定人體結(jié)腸中氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌的豐富度[31]。熒光原位雜交用于量化產(chǎn)甲烷菌，目前用來研究人體口腔產(chǎn)甲烷菌，但對(duì)腸道產(chǎn)甲烷菌的定量研究不多。二代基因測(cè)序能在樣品中獲取從產(chǎn)甲烷菌基因組數(shù)據(jù)到宏基因組數(shù)據(jù)的多樣性信息[31]。分子標(biāo)記物也可用于腸道產(chǎn)甲烷菌的研究，其中mcrA基因可描述產(chǎn)甲烷的生化途徑和相關(guān)能源守恒，但斯氏甲烷球形菌只具有MCR-Ⅱ；mtaB基因用于描述甲烷球菌目，存在于斯氏甲烷球形菌中，是研究腸道產(chǎn)甲烷菌多樣性的標(biāo)記基因，但單獨(dú)使用可能會(huì)產(chǎn)生偏差；伴侶蛋白被用作研究古細(xì)菌發(fā)育多樣性的靶標(biāo)，其序列更多樣；將原核、細(xì)菌和古生菌的引物同時(shí)測(cè)序研究豬腸道微生物群，檢測(cè)到古細(xì)菌成分并確定產(chǎn)甲烷菌，該法可能對(duì)研究人體腸道產(chǎn)甲烷菌有幫助。此外，三級(jí)連續(xù)生物反應(yīng)器能接種產(chǎn)甲烷者的新鮮糞便，可用于腸道產(chǎn)甲烷菌的體外培養(yǎng)[31]。以上檢測(cè)方法都有各自的優(yōu)勢(shì)和局限性，在今后研究中不斷提高檢測(cè)的精確度和準(zhǔn)確度，對(duì)進(jìn)一步探究腸道疾病具有重要意義。

4.2 腸道產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)物檢測(cè)方法 除直接檢測(cè)腸道產(chǎn)甲烷菌以外，還能通過檢測(cè)呼吸中的甲烷來間接監(jiān)測(cè)腸道產(chǎn)甲烷菌的新陳代謝。氣相色譜法中熱導(dǎo)檢測(cè)器可用于氫的定量；火焰離子化檢測(cè)器可用于甲烷的定量；脈沖氦放電離子化檢測(cè)器可從人體呼吸樣本中同時(shí)檢測(cè)并分離出氫氣和甲烷，靈敏度比熱導(dǎo)檢測(cè)器高500倍，比火焰離子化檢測(cè)器高50倍[5,32]。光譜檢測(cè)方法中，二級(jí)管激光光譜可檢測(cè)氣體濃度變化；光學(xué)參量振蕩器可檢測(cè)甲烷氣體的吸收波長(zhǎng)，且連續(xù)波光學(xué)參量振蕩器與光聲光譜技術(shù)相結(jié)合的方法也已在人體呼吸甲烷的測(cè)量中顯示出效用[15,33]。壓電傳感器可對(duì)氫氣和甲烷實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，通常取決于氣體填充檢測(cè)腔的時(shí)間；電化學(xué)傳感器是基于甲烷與甲烷氧化菌反應(yīng)的間接測(cè)量；安培傳感器等電流傳感器也被用于檢測(cè)甲烷[15,33]。另外，乳果糖氫呼氣試驗(yàn)用于測(cè)定氫氣、甲烷濃度，高甲烷產(chǎn)生者被定義為初始讀數(shù)≥5 mg/L，低甲烷產(chǎn)生者的初始讀數(shù)<4 mg/L[34]。Lactotest 202儀器使用電化學(xué)氫傳感器和紅外傳感器檢測(cè)甲烷和二氧化碳，主要用于呼吸中的甲烷和氫的臨床常規(guī)檢測(cè)；Quintron BreathTrackerTMSC可將氫氣和甲烷與所有其他還原氣體分離，用于測(cè)量呼吸中氫氣、甲烷和二氧化碳的濃度；GastroCH4ECKTM使用紅外傳感器同時(shí)測(cè)量呼吸中的氫、甲烷和氧，通過電化學(xué)傳感器測(cè)量甲烷和氫的水平[15]。由于其他結(jié)腸生物或宿主細(xì)胞沒有甲烷氣體代謝，通常以半定量分析腸道產(chǎn)甲烷菌的代謝，測(cè)量呼吸中的甲烷為研究腸道產(chǎn)甲烷菌提供了快速、簡(jiǎn)單的方法[4,20]。

5 總結(jié)與展望

綜上所述，腸道產(chǎn)甲烷菌不是致病菌，但其數(shù)量的異常與疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。腸道產(chǎn)甲烷菌引起疾病發(fā)生的機(jī)制主要表現(xiàn)在改變腸腔內(nèi)環(huán)境、與其他菌群競(jìng)爭(zhēng)底物、減少氫氣積累、改變腸道蠕動(dòng)速度等。因此，腸道產(chǎn)甲烷菌失調(diào)能使腸道健康狀態(tài)發(fā)生改變，應(yīng)將產(chǎn)甲烷菌作為調(diào)節(jié)腸道微生物群來降低疾病風(fēng)險(xiǎn)和改善健康的重要目標(biāo)。當(dāng)產(chǎn)甲烷菌過多時(shí)，一些抗菌藥物可抑制腸道菌群的生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)腸道甲烷水平，但選擇性抑制產(chǎn)甲烷菌的藥物并不多，需要進(jìn)一步研究。產(chǎn)甲烷菌缺乏時(shí)，可將產(chǎn)甲烷菌作為益生菌進(jìn)行治療。此外，還可采取飲食干預(yù)措施調(diào)節(jié)腸道產(chǎn)甲烷菌的組成來改善健康。但是目前部分相關(guān)致病機(jī)制與環(huán)境、遺傳等相關(guān)問題尚不清楚，腸道產(chǎn)甲烷菌的檢測(cè)方法也不夠準(zhǔn)確。因此，應(yīng)深入研究其具體致病機(jī)制，使其與腸道微生物之間維持動(dòng)態(tài)平衡，保持腸道穩(wěn)定，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)腸道產(chǎn)甲烷菌及其產(chǎn)物檢測(cè)方法的改進(jìn)與創(chuàng)新，提高檢測(cè)方法的精確度和準(zhǔn)確度。以上對(duì)腸道疾病的治療、診斷和預(yù)防有著重要意義，不僅可以促進(jìn)人體腸道健康，還可能找到一個(gè)全新治療腸道疾病的有效靶點(diǎn)。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。