母-胎肠道内微生物群落以及母-胎微生物传输的研究进展

　　正体的体表(皮肤、毛发、指甲等)以及与相通的腔道中, 都存在着不同的微生物群落, 其种类及数量不同[1]。人体微生物组(microbiome)是指与人类共生共栖并在一定条件下引发各种疾病的微生物遗传信息的总称[2]。

　　自2007年以来,美国国立卫生研究院主持并启动了人类微生物基因组计划[3](human microbiome project); 后欧盟资助的“人类肠道宏基因组计划[4]”(metagenomics of the human intestinal tract, Meta HIT)开始进行迄今最大的肠道细菌基因研究, 这标志着肠道宏基因组研究的时代已经到来。目前研究人员已经开展了 1 000 多种细菌基因组的测序工作, 这些参考细菌基因组主要来源于人体胃肠道、呼吸道、口腔和皮肤[5], 而且其他非细菌性微生物的序列也将会被测定, 最终这个数据库将包含3 000 多种微生物基因序列[6]。

　　人体内微生物基因组分析结果显示, 人体不同部位与不同个体间的微生物群落组成都具有惊人的多样性, 同时还发现了一些新的基因和蛋白质, 其中有些对人类健康发挥重要作用, 有些与疾病密切相关, 如肠道易激惹综合征、炎症性肠病、肥胖、结肠癌、类风湿关节炎, 甚至重度抑郁症、帕金森综合征以及自闭症等[7]。表明微生物群落的组成或许不能作为宿主表型的生物标志, 而其代谢产物可能可以作为生物标记物, 用于疾病的早期诊断与治疗。然而, 微生物组学研究在妇产科领域的研究则存在较多的空白和困惑: 如在妇科方面, 通过外源性补充乳酸杆菌或提高其产H2O2 能力, 调节免疫状态, 继而影响人乳头瘤病毒(HPV)感率, 减少宫颈病变患病率, 这种疗法是否的确奏效, 还需我们深入探索[8]; 在产科方面, 饮食、感染等因素引起的妊娠妇女肠道微生物改变与不良妊娠结局及不良新生儿结局之间的关系及其病因学研究不足[9]。

　　近年来, 随着新一代测序技术的发展, 越来越多的研究从微生物视角来解析人类的生物学发育过程。妊娠是胚胎和胎儿在母体内发育成长的变化极为复杂、但又极为协调的生理过程。妊娠期妇女肠道微生物群落会发生改变已得到普遍认同, 并且有研究认为, 可能存在特定的微生物传输通将母体与胎儿微生物联系起来[10-11]。母体肠道微生物群落内间的多样性、丰度以及相互关系的变化, 对整个群体发挥生理作用, 对宿主乃至其子代健康有着决定性的影响[12-14]。

　　因此, 解析人体生命早期肠道微生物群落建立的机制, 对认识其生理学功能及其对人体机能调控的影响均具有重要意义。与正常育龄期妇女相比, 妊娠母体代谢情况和肠道微生物是否有所改变?这些改变是否是造成妊娠不良结局及胎儿发育不良的病因之一?子代生命早期的肠道微生物群落来自母体的哪一或哪些生态位?微生物群落在胎儿体内定植的时间及机制, 母-胎之间微生物群落的交互作用对子代的发育及其日后健康有何影响等等, 目前尚不明确。本文拟对母 - 胎肠道微生物群落的研究进展及母 - 胎之间微生物传输的有关猜想进 行 综 述 。

　　妊娠是一个极为复杂的生理过程, 期间会发生各种系统的改变, 比如内分泌系统、免疫系统、代谢等, 因此母体肠道微生物群落发生改变毫不奇怪。而且, 肠道微生物群落的改变虽然与一些妊娠并发症相关, 但或许也是维持正常妊娠直至分娩所必须的[15]。本部分将从正常孕期肠道微生物特点、肥胖、妊娠期糖尿病、饮食等对母体肠道微生物的影响这几个方面分别阐述。1.1 正常孕期肠道微生物群落的特点 妊娠一般分3个阶段, 从末次月经的第1日开始计算, 妊娠12周末以前称为早期妊娠; 第13~27周末称为中期妊娠; 第28周及其后称为晚期妊娠。2012 年 Baker 等[16]采集健康妇女妊娠早期和晚期的粪便样本, 通过DNA测序表明, 虽然妊娠期妇女肠道微生物基因库保持稳定, 但从妊娠早期到妊娠晚期, 个体肠道微生物群落丰度(α-多样性)下降, 个肠道微生物群落丰度(β-多样性)升高。

　　这意味着, 随着妊娠进展, 由于不同个体丢失了不同的菌群, 个体间肠道微生物群落差异越来越大, 很多研究均关注孕晚期—这个肠道微生物改变最剧烈的阶段, 母体肠道菌群的改变。也有研究得出了类似的结论, 孕早期妇女肠道微生物组成与非孕妇女存在更多的重叠, 以厚壁菌门和拟杆菌门为主[17]; 孕中期母体肠道菌群组成与母体生理状况相关, 比如Odoribacter 的丰度与血压水平呈负相关[18]; 虽然孕晚期α多样性呈下降趋势, 肠道内隐秘杆菌属等其他产短链脂肪酸的菌群下降, 变形菌门和放线菌门丰度是增加的, 炎症标志物、血糖和脂肪沉积也同步增加了, 这种改变与肥胖或患有代谢综合征倾向的人群肠道微生物组成类似[19]。

　　研究者把从粪便样品中提取的细菌移植到无菌小鼠体内, 结果与妊娠早期样本相比, 接收妊娠晚期样本菌群的小鼠变得更胖, 胰岛素性更低。可以推测, 肠道内微生物群落至少参与了这个变化, 或者驱动了这一变化。而且, 发生在妊娠期间的生理变化可能反过来改变肠道微生物群落, 从而创建了一个正反馈循环来维持这一变化。Koren 等[20]研究表明,并非所有的妊娠晚期妇女肠道变形菌门增加, 提示尚存在其他因素促进这一改变, 比如微生物组内的其他、基因表达 等 。虽然, 大部分的研究均显示妊娠期间母体各个解剖学部位的微生物群落均发生了极大的改变。也有一些研究持反对意见, Di Giulio等[21]对49位妊娠妇女(其中15位出现早产)进行病例对照研究, 结果除了早产的孕妇以外, 宿主、肠道及口腔微生物群落从孕期至产后均保持相对稳定。这些研究结果的差异, 很大程度上是由于样本采集、储存和处理过程中的污染, 以及检测手段的局限等造成的, 比如, 应用培养方法就会大大低估肠道微生物群落的组分, 因为很多微生物是需要特定的营养物质以及培养条件才能够生长的。在以后的研究设计和实施过程中, 可以结合培养和非培养手段共同检测样本中的微生物群落组分, 使实验结果更具 说 服 力 。

　　1.2 肥胖、孕期体质量过度增加对母体肠道微生物群落的影响

　　Collado等[22]对产前超重的和正常体质量的妇女进行前瞻性随访研究, 记录从产前至产后这 2 种情况的妇女体质量增加情况以及粪便微生物群落改变情况, 结果表明孕前母亲的体质量和体质量指数(BMI)值与拟杆菌属、梭菌属和葡萄球菌属的相关性更高, 过高丰度的拟杆菌属可能与孕期体质量过度增加有关。Koren 等[20]也对肥胖孕妇的肠道微生物群进行了研究, 结果表明肥胖孕妇厚壁菌门的葡萄球菌和变形菌门的大肠杆菌丰度上升, 这一特点在妊娠晚期尤为明显。近期一项研究[23]通过对比实施胃切除减脂手术前后肥胖非妊娠患者肠道微生物以及血清中谷氨酸浓度的改变情况,结果显示减脂手术可以部分逆转肥胖相关的肠道微生物群落及代谢性改变, 包括降低多形拟杆菌丰度, 提高血清中谷氨酸浓度等。以上结果表明, 虽然妊娠晚期妇女和肥胖患者一些肠道微生物特点相似, 但它们造成宿主肥胖的机制不同: 肥胖者体内拟杆菌门与厚壁菌门的比例减小, 同时与单糖摄取有关的基因表达增加, 能量摄取增多。

　　而孕晚期, 拟杆菌门和厚壁菌门的相对丰度不变, 特殊基因表达以及代谢旁未变,但却有大量的能量流失, 而且这些流失的能量可能用于支持胎儿生长发育。换言之, 虽然肥胖对于人体的长期健康是有害的, 但是肥胖以及对胰岛素的性下降对正常妊娠妇女是有益处的, 因为它们可以支持胎儿的生长发育, 并且为分娩做能量储备。也有研究认为[24], 肥胖的身体状况对母体肠道微生物群落的组成并无太大的影响, 但是孕期体质量过度增加会极大地改变肠道微生物群落的组成。同时, 也有研究认为[15,19], 肠道微生物反过来也可以通过增加宿主葡萄糖和脂肪酸的摄入、脂肪细胞饥饿因子的, 激活分解代谢旁, 以及与免疫系统相互作用来调控孕期体质量的增加。那么, 孕期母体的肥胖状态, 体质量增加情况与母体肠道微生物群落组成的改变, 它们之间具体关系如何, 哪几类菌群相互作用或者是否有特定的菌种主要调控孕期母体代谢状况等, 这些问题还需要更深入地研究。理清它们之间的相互影响, 有利于将微生物制剂更好地应用于临床, 以改善肥胖孕妇、孕期体质量过度增加孕妇的身体状况, 利于妊娠的维持乃至影响子代的健康。

　　1.3 妊娠期糖尿病对母体肠道微生物的影响 有研究表明[19],妊娠期糖尿病孕妇厚壁菌门丰度下降, 而且拟杆菌门与厚壁菌门比例与血糖浓度呈正相关, 但与BMI值无关; 也有研究显示[20], 在孕早期, 妊娠期糖尿病孕妇肠道内微生物群落多样性比正常妊娠妇女低得多; 孕中期, 肠道中柯林斯菌的丰度与母体胰岛素水平呈正相关[17]; 妊娠期糖尿病孕妇产后3~6个月的粪便样本与正常孕妇产后 3~6个月的样本相比, 普雷沃氏菌科丰度上升, 而厚壁菌门丰度下降[25]; Fugmann等[26]也检测了妊娠期糖尿病孕妇与正常孕妇产后3~16个月肠道微生物群落的改变情况, 结果组间α-多样性和β-多样性并没有统计学差异, 但是妊娠期糖尿病患者厚壁菌门丰度相对较低, 而在Ⅱ型糖尿病患者的肠道内, 厚壁菌门丰度也相对较低; 也有1项对胎盘微生物群落的研究指出[17], 与正常孕妇相比, 妊娠期糖尿病孕妇胎盘微生物群落中的假单胞菌和不动杆菌属丰度大大下降, 而肠道微生物群落很可能通过循环系统在胎盘定植, 或许, 肠道微生物群落改变更早于胎盘微生物群落。

　　以上研究均表明, 肠道菌群失调会导致孕期炎症状态以及血糖紊乱, 其机制可能是短链脂肪酸减少, 相关激素分泌紊乱,肠道上皮细胞间紧密连接减少等[27]。或许, 肠道微生物群落的组成是孕期代谢性疾病的治疗靶点, 通过刺激特定肠道微生物的扩增以调控母体代谢。有趣的是, 广泛使用的降糖药—二甲双胍有利于缓解肠道菌群失调相关的糖尿病和肥胖。在人体和动物实验中[28-29], 二甲双胍都与肠道内产生短链脂肪酸的菌群丰度呈正相关。那么二甲双胍是否可以应用于妊娠期糖尿病呢?如果可以, 它不仅可以控制母体病情,而且还可致糖尿病菌群在母 - 胎之间的传输。

　　1.4 饮食对母体肠道微生物的影响

　　Gohir等[30]利用雌性C57BL/6小鼠, 探究孕前高脂饮食与妊娠相关的母体肠道微生物群落改变之间的关系。结果显示, 与非妊娠小鼠相比, 妊娠小鼠肠道内 4 种优势菌(所占比例>1%)—梭菌属、双歧杆菌属、拟杆菌属和 Akkermansia菌属比例有所增加, 而无壁菌门的粪芽孢菌属与梭菌属、厚壁菌门的八叠球菌则大大减少, 并且这些改变持续于整个孕期。正常饮食组和高脂饮食组的肠道微生物改变区别在于双歧杆菌, 前者从孕0.5周开始缓慢增加, 孕5.5周达到峰值, 后降至非妊娠小鼠水平, 而后者则从孕期开始持续增加, 同时其肠道黏膜渗透性、与脂类代谢、糖酵解、糖异生旁相关的基因丰度也增加。

　　也有研究[31]通过在母体饮食中添加益生菌、增加膳食纤维的比例等来观察母体肠道微生物的改变以及相应妊娠相关并发症的发生、发展等, 均未获得统一的结论。但可以肯定的是, 孕前和孕期饮食对妊娠相关的肠道微生物群落改变是有影响的, 但是妊娠因素和饮食因素哪一个造成的影响更大, 母体内基因表达出现改变是由肠道微生物群落改变直接引起, 还是由妊娠、饮食、肠道微生物三者共同作用的结果, 这种结果如何对子代产生影响还有待于深入的研究。总之, 一旦妊娠开始, 妊娠相关的微生物群落就立即发生改变, 随着妊娠进展改变越来越显著。而且, 这种变化易受母体 B M I 、年龄、种族、遗传、母体胰岛素抵抗程度、孕龄、生活方式, 尤其是膳食补充等因素的影响, 想要获知这些因素如何影响肠道微生物群落, 还需要依赖于更多临床方面的探索、更精细的实验技术和更科学的推理分。

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