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口腔微生物與腸道微生物的關系

日期:2018/2/27 12:55:07 點擊次數 4374 發布單位:天義生物谷  錄入:李清

    人類自身的數十萬億細胞所攜帶的遺傳信息,構成了人類的“第一基因組”,而每個個體攜帶的超過10 000種、總量數十億的微生物遺傳信息的總和構成了人類“第二基因組”,即人體微生物組。人類第一基因組和第二基因組共同決定了人體疾病與健康狀態。2007年,美國國立衛生研究院(National Institutes of Health,NIH)啟動“人類微生物組計劃”(Human Microbiome Project,HMP),旨在通過繪制人體五大部位(口腔、鼻腔、陰道、腸道、皮膚)微生物基因組結構,解析微生物菌群結構變化對人類健康的影響。


    人類微生物組計劃不僅建立了權威的樣本采集方法和納入排除標準,規范了高通量測序流程,更獲得了豐富的人類微生物組資源,可為后續的科學研究提供重要參考。2015年8月美國又啟動“全民個體微生物組檢測項目”,開展大規模人群微生物群落信息研究,旨在以口腔、皮膚及腸道微生物群落為主要研究靶點,將HMP研究結果進行臨床轉化,從“第二基因組”中尋找更加精準的疾病預警分子標記。自Marshall和Krajden分別相繼從胃和口腔中培養分離出幽門螺桿菌(Helicobacter pylori,H. pylori)后,大量研究發現牙周組織中幽門螺桿菌的定植是牙周炎發生的重要原因之一,口腔定植的幽門螺桿菌與胃食管感染密不可分。盡管目前對口腔幽門螺桿菌感染與胃幽門螺桿菌感染的因果關系存在爭議,但上述研究結果提示人體口腔、鼻腔、陰道、腸道、皮膚等五大部位的微生物可能在結構和功能上存在一定重疊,口腔微生物和胃腸道微生物可以交互影響,在疾病過程中共同發揮作用。


    口腔和腸道是人體消化道的重要組成部分,也是人體最主要的兩大微生物生態位點,兩者定植微生物群落間的相互關系已經成為近年來人體微生物組研究的熱點。


1.口腔微生物和腸道微生物群落結構和功能



1.1 口腔微生物群落


    作為人體微生物群落的重要組成部分,口腔微生物群落因取材方便、與口腔及全身健康關系密切,成為HMP及“全民個體微生物組檢測項目”的重點關注對象?谇晃⑸锒嘁陨锬ば问浇M成復雜群落,行使微生物生理學功能。當與宿主處于平衡狀態時,口腔微生物群落可阻止外源性致病菌的入侵,發揮生理性屏障作用;當微生物群落與宿主間生態關系失衡時,可誘發多種口腔慢性感染性疾病,包括齲病、牙周病、牙髓根尖周病、智齒冠周炎、頜骨骨髓炎等,嚴重危害口腔健康。更為重要的是,口腔微生物可作病灶,與全身系統性疾病關系密切。近期研究發現,口腔微生物與口腔癌、糖尿病、類風濕性關節炎等疾病有著密切聯系,可作為上述疾病的潛在生物學標記。


    口腔微生態系作為僅次于腸道微生態系的復雜系統,其不同生態位點內微生物群落物種組成及基因種類均存在顯著差異,這種差異不僅與宿主的健康及疾病狀態相關,同時受到宿主年齡、性別、牙列狀態、民族、居住區域等遺傳及環境因素的影響。課題組通過各種高通量分析技術(454焦磷酸測序,illumina測序以及GeoChip微生物功能基因組芯片),在宏基因組學層面對口腔微生物群落進行了初步探索。研究發現,口腔典型微生態境內細菌的分布模式存在顯著差異。厚壁菌為唾液及頰黏膜的優勢細菌門,而變形菌、厚壁菌、擬桿菌及梭桿菌為齦上菌斑優勢菌門;口腔細菌組成隨著人的年齡及牙列狀態改變呈現波動狀態,頰黏膜菌群中螺旋體的豐度隨著年齡的增長而呈現遞增趨勢。


    目前擁有人類口腔細菌16S rRNA和基因組資源最全的數據庫是由美國Forsyth研究所和英國國王學院聯合在NIH牙顱頜面研究所(National Institute of Dental and Craniofacial Research,NIDCR)建立的人類口腔微生物組數據庫(Human Oral Microbiome Database,HOMD;www.HOMD. org)。該數據庫共有13門691種口腔細菌,其中344種已命名,112種可培養未命名,232種不可培養。


1.2 腸道微生物群落


    從胃幽門至肛門的腸道是人體消化道最長、功能最重要的一段。腸道微生物組成人體最大的微生態系統,定植細菌超過35 000種。腸道細菌主要由擬桿菌門和厚壁菌門組成,其次是放線菌門和疣微菌門。生理狀態下,腸道共生菌參與食物消化和藥物代謝,調控宿主免疫,阻止病原體侵入組織和器官。該生態平衡一旦被打破,致病菌將占據主導地位,細菌毒素和代謝物質等有害因素侵襲腸上皮細胞,可引起炎性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)、應激性結腸綜合征(irritable bowel syndrome,IBS)、結腸癌及肥胖和糖尿病等代謝性疾病。腸道微生物群落物種組成及基因種類存在時空差異。小腸、大腸和直腸作為腸道的三部分,其微生物叢組成和結構具有較大差異,與每部分的生理功能密切相關。不同個體中腸道微生物組成差異較大,而單一個體相對穩定。飲食、抗生素使用或宿主生理狀態均可能導致腸道微生物的一過性變化。腸道微生物群落的建立與唾液微生物群落類似,成人平均每天產生>1 000 mL唾液,幾乎全部進入胃腸道,因此唾液細菌有很大機會進入并定植于腸道,提示唾液微生物群落可在一定程度影響腸道微生物群落結構的發展。


    隨著美國HMP計劃和歐洲人體腸道宏基因組計劃(Metagenomics of the Human Intestinal Tract,MetaHIT)的開展,人類對腸道微生物的理解更加深入。兩項大規模人群計劃從基因的水平系統探索了腸道微生物的結構和功能。發現腸道微生物群落組成具有很大個體差異,雙生子腸道中相同的細菌種類少于50%,相同的病毒序列則更少。遺傳因素在腸道菌群的建立和發展過程中發揮著重要作用,宿主染色體上某些特殊位點可影響微生物群落的組成。在微生物群落功能層面,學者們對腸道微生物在疾病發生、發展中的作用機制有了更加全面的認識,對疾病的防治有了新的手段,近期研究發現,可以通過益生菌、某些抗糖尿病藥和糞菌移植等手段,改變腸道代謝狀況,從而干預代謝紊亂性疾病的發生、發展及轉歸。


2.口腔微生物與腸道微生物相互定植及致病作用


    口腔細菌是否可通過進食和唾液吞咽進入胃腸道定植,腸道細菌是否通過糞-口途徑或者胃鏡檢查定植于口腔?口腔和腸道微生物相互定植后是否影響原來的生態平衡而引起相應疾病?盡管針對上述科學問題尚無明確的結論,但近期大量研究結果對深入了解口腔與腸道微生物的交互作用提供重要線索。


2.1 口腔微生物在腸道中定植


    牙周病被公認為是許多系統性疾病的危險因素,其主要致病菌牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonas gingivalis)在口腔中的定植可導致腸道微生物群落結構紊亂,桿菌門數量增加,厚壁菌門數量減少,血清內毒素水平增加,導致腸道炎癥發生。牙齦卟啉單胞菌還可入侵肝臟,引起相關疾病。有學者發現肝硬化患者腸道微生物組結構改變主要歸因于大量口腔細菌入侵腸道。具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)是牙周病的另一個重要相關菌。正常情況下幾乎無法在腸道中檢測出,但該細菌可定植于腸道,在結直腸腫瘤和炎性腸病中發揮重要作用。近期研究證實,具核梭桿菌可抑制T細胞介導的免疫反應,促進結直腸癌的發生,并與結腸癌的預后密切相關。


    闌尾是人體微生物的儲備庫,定植于闌尾的微生物在特定情況下可重新定植于胃腸道。學者研究了急性闌尾炎患者闌尾的微生物組成,發現厚壁菌門是主要定植菌,其次是大量變形菌門、擬桿菌門和放線菌門等腸道菌群。同時檢出了許多口腔常駐細菌,如雙球菌屬、微單胞菌屬和梭桿菌屬等,且梭桿菌屬與闌尾炎嚴重程度密切相關。進一步研究發現,闌尾炎患者闌尾切除樣本中梭桿菌屬數量較健康人群顯著增加,擬桿菌屬數量顯著減少,并檢出卟啉單胞菌屬定植。唾液鏈球菌(Streptococcus salivarius)是口腔早期定植菌,可定植于腸道中,下調小腸上皮細胞的核因子κB(nuclear factor κB,NF-κB),在腸道炎癥反應和內穩態中發揮重要作用。


    等通過對肝硬化患者以及肝硬化并發肝性腦病患者糞便微生物群落16S rRNA序列分析,發現唾液鏈球菌可移位到肝硬化患者腸道并過度增殖,是肝硬化以及肝硬化并發肝性腦病的重要誘因。白色假絲酵母菌在義齒性口炎的發生發展中發揮重要作用,Sugita等將其接種到無菌鼠口腔中,在小鼠糞便中檢測到該菌,發現它在腸道中的定植與易感人群的食物過敏密切相關。有學者通過人群問卷調查發現,不良口腔衛生保健行為可改變口腔菌叢,引起腸道微生物失衡,導致IBD的發生。


2.2 腸道微生物在口腔中定植


    腸道微生物幾乎不能在口腔定植。He等在小鼠口內成功建立了一個包含10種以上細菌的穩定微生物群落,該群落可識別大腸埃希菌表面脂多糖,產生H2O2抵御小鼠腸道來源大腸埃希菌或外源接種的大腸埃希菌標準株在口腔的定植。盡管如此,腸道微生物可間接影響口腔微生物群落結構。IBD被公認為是腸道菌群紊亂引起宿主免疫反應改變,進而引起的炎癥反應。IBD患者常伴有唾液微生物組成變化和相應的口腔癥狀,提示病理狀態下腸道微生物可能通過影響宿主免疫,直接或間接影響口腔微生物群落組成。


3.口腔微生物和腸道微生物與系統性疾病的相關性


    隨著基因組學和生物信息學的發展,人們逐漸認識到微生物在系統性疾病發生發展過程中的作用?谇晃⑸锖湍c道微生物可單獨引起一系列系統性疾病,但兩者是否同時參與系統性疾病的發生發展,并在疾病發生發展過程中各自扮演怎樣的角色,亟待深入系統的研究。


3.1 心血管疾病


    心血管疾病,又稱循環系統疾病,指發生在人體運送血液的器官和組織,包括心臟、血管(動脈、靜脈、微血管)等疾病的總稱。牙周致病菌(尤其是牙周“紅色復合體”)、牙菌斑微生物所導致的炎癥反應、免疫反應、生態失衡和膽固醇水平變化與心血管疾病的發生密切相關。另一方面,腸道微生物可通過調控肥胖、胰島素抗性、血脂濃度等心血管疾病的高危因素,參與該類疾病的發生發展。Armingohar等發現伴有牙周炎的血管疾病患者中細菌數量和多樣性比不伴有牙周炎的血管疾病患者多,樣本中不僅存在大量口腔共生菌,還頻繁檢測出腸桿菌,提示腸道微生物和口腔微生物均可能參與到血管疾病的發生。動脈粥樣硬化(atherosclerosis)是發病率和死亡率極高的一類常見心血管疾病,發病機制上屬于代謝和炎性疾病,患者血漿膽固醇水平升高,動脈壁巨噬細胞富集。目前已有大量研究證實牙周微生物與該病發生、發展密切相關,近期有學者發現腸道微生物也參與其中。Koren等發現動脈粥樣硬化患者的動脈硬化斑塊中存在細菌,細菌DNA的量與斑塊中白細胞的量相關。


    運用細菌16S rRNA測序深入分析斑塊中細菌的組成,發現所有斑塊中均存在金色單胞菌屬(Chryseomonas),大部分斑塊中存在韋榮球菌屬(Veillonella)和鏈球菌屬(Streptococcus),兩者的豐度與其在口腔中的豐度密切相關。動脈粥樣斑塊中另外幾種常見細菌種型也在同一個體口腔或腸道樣本中檢出,說明斑塊中細菌來源除口腔外,還有腸道?谇缓湍c道中某些細菌門類與患者血漿膽固醇水平相關,提示口腔和腸道微生物群落與動脈粥樣硬化的生物標志物具有一定關聯。


3.2 類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis,RA)


    RA是一類自身免疫性疾病,在全球范圍內影響數千萬人,并由于心腦血管等全身性并發癥導致大量患者死亡。微生物因素作為該疾病的激發因子之一,在疾病發生、發展中起著重要作用。近期一項研究利用宏基因組鳥槍法測序(metagenomic shot gun sequencing)和元基因組關聯分析(metagenome wide association study,MGWAS)檢測RA患者和健康對照組糞便、牙齒、唾液樣本中微生物群落的組成和功能。研究發現口腔微生物組和腸道微生物組在豐度和功能上存在重疊。


    兩者的改變可將RA患者區分于健康人群。這些微生物特異性改變包括患者口腔和腸道中嗜血菌屬(Haemophilus)減少,唾液乳桿菌(Lactobacillus salivarius)數量增加,兩個位點微生物群落中鐵、硫、鋅等離子和精氨酸轉運/代謝發生改變。RA經過治療后,微生物組成在一定程度上恢復正常,提示口腔和腸道微生物群落的特異性改變可以作為預測和診斷RA的潛在手段?谇晃⑸镏醒例l卟啉單胞菌與RA的發生密切相關。牙齦卟啉單胞菌可以產生肽精氨酸脫亞胺酶(peptidylarginine deiminase),使精氨酸轉化為瓜氨酸,許多黏膜蛋白被瓜氨酸化后可使體內產生抗瓜氨酸化蛋白抗體(anti-citriullinated protein antibodies,ACPA),后者是RA的特異性生物標志物。腸道微生物主要通過大量革蘭陰性菌的代謝毒物進入血液循環,進而影響RA的發生、發展。


    目前尚不能斷定腸道菌群生態紊亂是RA的直接致病因素,還是其通過導致局部或全身炎癥而間接誘發RA。此外,RA患者腸道菌群改變所導致的酶效應和代謝改變仍待深入研究。


3.3 肝硬化


    肝硬化(hepatic sclerosis)是臨床常見的慢性進行性肝病,由一種或多種病因長期或反復作用形成的彌漫性肝損害,肝性腦病是肝硬化的常見并發癥,是肝硬化患者死亡的主要原因之一。研究發現腸道微生物變化可作為肝硬化發病標志。李蘭娟院士課題組比較了肝硬化患者和健康人群糞便微生物組成,發現肝硬化患者擬桿菌門豐度顯著下降,變形菌門和梭桿菌門顯著上升。在細菌科水平,肝硬化患者腸桿菌科、韋榮球菌科及鏈球菌科檢出率顯著增高,毛螺旋菌科豐度下降,這4個細菌科水平的變化與肝硬化診斷及預后密切相關。有學者發現肝硬化患者豐度較高的腸道微生物中有54%來源于口腔,其中優勢菌主要是口腔唾液鏈球菌和韋榮菌屬,提示口腔細菌移殖到腸道在肝硬化發病過程中起到重要作用,唾液鏈球菌和韋榮菌屬可作為診斷肝硬化的微生物標記。Patel等也發現口腔唾液鏈球菌是肝硬化及并發肝性腦病患者早期監測和后期療效評估的重要微生物標記。此外,有學者發現肝硬化患者唾液和糞便中土著菌豐度降低,腸桿菌和腸球菌數量增加,提示肝硬化發生、發展與口腔和腸道微生物群落結構變化密切相關。


3.4 其他


    唾液乳桿菌Ren(Lactobacillus salivarius Ren)是分離于我國巴馬少數民族的一株益生菌,它是口腔和腸道的土著菌。研究發現該菌不僅可有效預防口腔癌發生,還可逆轉1,2-二甲基肼(1,2-dimethylhydrazine)誘導的結腸癌模型中小鼠腸道菌叢的變化,促進腸道微生物群落結構恢復到正常水平?谇晃⑸稂S褐二氧化碳嗜纖維菌(Capnocytophagaochracea)和腸道大腸埃希菌可以表達特異性肽激活T細胞反應,誘發舍格倫綜合征(Sjögren’s syndrome)。此外,Saxena等發現人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)患者口腔和腸道微生物發生改變,細菌和病毒之間的串話可望為HIV感染提供新的診斷和治療手段。


4.小結


    隨著高通量組學技術的快速發展,以及HMP和MetaHIT等項目的推動,人類對口腔和腸道微生物群落的認識不斷深入,獲得了海量大數據信息。通過整合和挖掘這些生物學大數據資源,發現口腔微生物和腸道微生物具有各自相對穩定的群落結構和組成,并發揮相應的功能?谇晃⑸锟啥ㄖ灿谀c道成為其微生物群落中的一員,影響疾病的發生;兩者受某些系統性疾病的影響,在疾病發生、發展過程中發揮一定作用?谇晃⑸锖湍c道微生物的交互作用,以及兩者所組成的復雜生態系統的代謝通路、致病機制亟待深入研究。筆者所在課題組于20世紀80年代末率先在國內開展口腔微生物生理定植與致病機制的系統研究,目前已初步建立了中國人口腔微生物資源數據庫,并正著手建立中國人唾液樣本庫,基于四川大學華西口腔醫院與口腔疾病研究國家重點實驗室平臺開展唾液臨床診療新技術,開展口腔微生物與腸道微生物定植與交互作用、腸道微生物與口腔疾病易感性等熱點問題的前瞻性探索,旨在解析疾病發生共性病理新機制,開發口腔甚至全身疾病防治臨床新技術,實現對口腔疾病、腸道疾病以及相關全身疾病的風險評估、早期診斷和預后預測,切實推動疾病的個體化精準醫療。

 
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