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探索新的微生物領(lǐng)域

胃腸道（GIT）是一個多器官系統(tǒng)，具有很大的區(qū)域多樣性，可以容納大量腸道微生物并且提供多種功能。每一個部位所在的位置都專注于基因功能表達，調(diào)節(jié)復(fù)雜且多樣化的消化、免疫、代謝和內(nèi)分泌過程。無論是胃液的酸度、膽汁酸（BAs）和胰腺分泌物的切入點、小腸（SI）的消化吸收表面，還是結(jié)腸中水分的吸收和糞便的形成，這些特性都會產(chǎn)生重要的環(huán)境條件，從而決定微生物群落的組合、適應(yīng)性和功能，使宿主和微生物互利（圖1）。這些部位中微生物群落的獲取并不是隨機的，而是通過動態(tài)互相促進的相互作用就特定宿主的需求經(jīng)過仔細篩選定制產(chǎn)生的。

圖1.胃腸道中從嘴部到尾骨軸上（水平）代表性的宿主、微生物因子和群落成員之間的關(guān)系。胃腸道的不同區(qū)域在宏觀和微量營養(yǎng)素的消化和吸收方面具有獨特的功能。這些獨特的特征以及許多宿主來源的因素，比如上皮細胞的類型和表面、粘液濃度、運動性和收縮性、pH、氧張力和流速等，影響著從口到肛門這個胃腸道中腸道微生物的多樣性和豐富性。此外，腸道的每個部位都分泌獨特的免疫因子，這些免疫因子可以與腸道菌群互作，從而在特定區(qū)域塑造群落成員之間關(guān)系。幾種宿主因子分泌到腸道中，例如初級膽汁酸（BAs），它們對于消化很重要但也可以引起直接的抗菌作用，比如初級和次級膽汁酸。由于pH和氧氣的張力，腸道中其他部位支持的復(fù)雜纖維素源的微生物發(fā)酵，導(dǎo)致胃腸道遠端的短鏈脂肪酸含量增加，這不僅影響局部的上皮細胞，而且進一步影響區(qū)域微生物群落及對健康和疾病很重要的遠端組織部位。

本文考察了胃腸道（GIT）沿口部到尾骨軸整個過程中腸道微生物的廣泛異質(zhì)性。作者匯集了目前區(qū)域腸道微生物群組成和功能的知識，概述了宿主、環(huán)境或飲食是如何干擾并造成不良的后果。目前有很多挑戰(zhàn)阻礙了區(qū)域腸道微生物群的研究，特別是人體中的研究。話雖如此，新興的技術(shù)和模型系統(tǒng)將會在未來取得重大的進展。

胃腸道（GIT）微生物群口部-尾骨軸的探索和繪制

整個GIT中微生物的豐度和多樣性通常從近端到遠端腸道增加，且受宿主特征以及微生物群落動態(tài)的影響。局部的氧含量、生物營養(yǎng)的利用率、pH、BAs、胃腸道運轉(zhuǎn)時間、粘液和免疫因子都是微生物篩選的重要決定因素（圖1）。因為大多數(shù)研究僅局限于通過16S rRNA測序來描述局部微生物群落成員的關(guān)系，但回避了微生物方面的深刻理解，且?guī)缀鯖]有功能性的見解。

口腔

消化始于口腔，通過牙齒、舌頭和唾液分泌物之間的協(xié)調(diào)作用來促進食物的咀嚼和大量營養(yǎng)素的酶消化。多種因素影響口腔微生物的組合，包括微米級表面結(jié)構(gòu)的差異、這些表面的功能和剝落以及營養(yǎng)流和氧氣的水平。盡管口腔微生物與遠端GIT相比存在生態(tài)學(xué)差異，但其群落復(fù)雜多樣，包含近200億個微生物，它們可以代表已經(jīng)鑒定的700多種細菌種類。

口腔內(nèi)微生物群所在區(qū)域如牙齒、牙齦、舌頭、硬和軟腭粘膜以及扁桃體都是獨特且高度結(jié)構(gòu)化的。例如，牙齦上斑塊的微生物群在空間組織上呈現(xiàn)棒桿菌的“刺猬”型排列，為向外延伸細絲的斑塊形成奠定了基礎(chǔ)，然而其他分類群在這個部位周圍和內(nèi)部卻擁有不同的生態(tài)結(jié)構(gòu)。這賦予了牙齒強大的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，以抵抗物理破壞，如刷牙。非剝落表面比如牙齒、假牙或植入物也可以作為口腔內(nèi)生物膜形成的基礎(chǔ)。

口腔的功能特征包括呼吸、感覺受體的表達、用于食物咀嚼和酶消化的唾液分泌，以及作為宿主和環(huán)境之間的免疫屏障。這些特征決定了常駐微生物的組合及其引發(fā)的雙向作用關(guān)系。例如，直接暴露在氧氣環(huán)境中有利于需氧菌和兼性厭氧菌。脂肪的感知能力受腸道微生物的影響，因為無菌（GF）小鼠表現(xiàn)出長鏈脂肪酸轉(zhuǎn)位酶CD36（舌頭上的一個脂質(zhì)傳感器）的表達降低。唾液的產(chǎn)物以各種方式都會影響微生物的組成，例如（1）從口腔中沖洗食物和細菌，（2）通過消化酶釋放的營養(yǎng)物質(zhì)可以用于細菌的代謝，（3）釋放促進細菌聚集的黏蛋白，（4）提供各種免疫因子，包括抗菌化合物。值得注意的是，唾液量的減少可以改變pH從而會影響口腔微生物組。

口腔中的共生細菌增強了免疫功能且可以抑制參與牙齦和牙齒上生物膜形成的病原菌，而這些病原菌是齲齒形成的因素。共生的微生物（比如Veillonella，Streptococcus和Granulicatella gingiva）增加了抗微生物肽（AMP）的產(chǎn)生及炎性細胞因子的分泌，這可以造成3D重建人類牙齒中牙齦上皮屏障功能和粘膜厚度的增加（圖1）。

在正常條件下，口腔微生物連續(xù)傳播到遠端GI的數(shù)量要大于單獨攝入食物時預(yù)期的數(shù)量。然而，某些口腔微生物的傳播可能潛在地促進遺傳易感宿主中遠端腸道疾病的發(fā)生。通過口腔進入的Klebsiella菌被發(fā)現(xiàn)可以定殖在結(jié)腸，其通過T輔助細胞1（Th1）的細胞活化和發(fā)炎促進粘膜炎癥的發(fā)生。類似的，與幾種其它不同屬的分離株相比，從克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎（UC）患者分離Klebsiella菌在GF小鼠中誘導(dǎo)了Th1的免疫應(yīng)答。值得注意的是，這些Klebsiella菌株具有抗生素抗性，使得它們非常適于在遺傳易感宿主（即IL-10-/-小鼠）中建立結(jié)腸生態(tài)位并產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。

食管

作為一個將部分消化的食物導(dǎo)入到胃部的導(dǎo)管，食道為微生物群和宿主免疫因子提供了一個復(fù)雜的環(huán)境。食道微生物的組成與包含主要門類的口腔微生物組成相似，都包括厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形桿菌門、梭桿菌門和糖酵母以及普氏菌屬、韋榮氏菌屬和鏈球菌屬（圖1）。

與其它胃腸道（GIT）部位十分相似，食道微生物受飲食的影響很大。例如，一個肥胖人的飲食可以改變食道微生物的組成，其組成具有Clostridium sensu strico菌屬增加的典型特征。其它的研究發(fā)現(xiàn)，增加膳食纖維攝入量且低脂肪飲食（LFD）可以促進厚壁菌門的豐度，減少變形菌門和革蘭氏陰性菌的豐度，而降低膳食纖維素的攝入與普氏菌屬、奈瑟菌屬和艾肯菌屬的豐富程度有關(guān)。這些變化是否與食道疾病有關(guān)卻尚未有相關(guān)研究。

胃

胃部通過蠕動作用和酸性環(huán)境中食物組分的分解來不斷消化，其通過內(nèi)分泌功能在調(diào)節(jié)食物攝入方面發(fā)揮著的重要作用。它包含比胃腸道（GIT）遠端部位更少的總微生物數(shù)，大約為10¹~10³個菌落形成單位。雖然胃部pH、粘液濃度及蠕動作用限制了微生物的生長，但胃部微生物群仍是多樣的，包括主要的菌門，比如厚壁菌門、擬桿菌門、梭桿菌門、放線菌門和變形菌門，以及在屬水平上的普氏菌屬、鏈球菌屬、韋榮氏菌屬、羅氏菌屬和嗜血菌屬。

腸道微生物的存在可能有助于胃部發(fā)揮重要的作用，甚至有可能導(dǎo)致系統(tǒng)性疾病。比如，與常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠相比，GF小鼠出現(xiàn)GI饑餓激素釋放水平顯著增高的現(xiàn)象，這可以刺激食欲，促進食物攝入和胃蠕動，從而導(dǎo)致肥胖，表明胃部調(diào)節(jié)時微生物發(fā)揮的作用。由于胃部內(nèi)G細胞釋放胃饑餓素，胃部微生物可能會影響宿主的內(nèi)分泌信號和代謝。

小腸（SI）

小腸中單層高度極化的腸上皮細胞（IECs）包含多種細胞類型，比如有吸收型、杯狀型、潘氏細胞、簇生細胞、內(nèi)分泌細胞，以及隨著小腸長度差異分布的其它細胞類型，這些細胞類型賦予了區(qū)域特異性的規(guī)則，決定了微生物的豐度、多樣性和功能。與更遠端部位相比，小腸中微生物數(shù)量水平更低的一個原因可能是，小腸的存在目的是為了大量和微量營養(yǎng)素的吸收和免疫調(diào)節(jié)。例如，它的運轉(zhuǎn)模式主要取決于無推動力環(huán)形收縮的一個梯度，它可以使消化液和內(nèi)容物最大程度的混合，產(chǎn)物運輸?shù)臅r間大約在3~5h。相比之下，結(jié)腸的運輸時間更長（大于30h）。這種差異可能導(dǎo)致小腸內(nèi)較低的微生物群落多樣性和豐度，僅僅是因為較少的時間在SI中定殖從而建立穩(wěn)態(tài)。與這種概念一致的是，當(dāng)小腸淤積發(fā)生時，小腸腔內(nèi)微生物群轉(zhuǎn)變?yōu)楹徒Y(jié)腸相似的微生物群，其表現(xiàn)出更大的多樣性、豐富性和豐度。

十二指腸。盡管它長度較短且胃部食糜運輸比較快，但十二指腸是消化和吸收的主要部位，其中膽汁和胰腺分泌物促進了大量營養(yǎng)元素的分解。肝臟中通過膽固醇和甘氨酸（人類）、牛磺酸（小鼠）或硫酸鹽綴合物形成的初級BAs被運輸?shù)绞改c中。BAs不僅可以乳化脂肪用于消化，而且還能利用膽汁耐受性微生物和核受體發(fā)出的信號來影響宿主基因的表達。IECs對消化的蛋白、碳水化合物和脂質(zhì)的吸收是從此處開始，與遠端的腸道部位相比，此處覆蓋的粘膜屏障更薄。

十二指腸包含大約10¹~10³CFU/ml。上部小腸區(qū)域中細菌豐度的降低歸因于運輸時間減少、氧氣水平增高、如BAs類抗菌類化合物的存在、pH水平的升高以及消化酶的存在。由吞咽空氣、從宿主組織的傳送及通過胰腺和膽汁分泌物氧化作用造成的氧氣梯度變化可以影響上部SI中微生物群豐度及類型，其中在小鼠中主要由放線菌門和變形菌門組成。反過來，十二指腸中腸道微生物群的組分和功能的顯著變化可能對宿主產(chǎn)生重要的影響。對肥胖和瘦但健康的受試者十二指腸宏基因組分析表明，在肥胖個體中參與碳水化合物代謝的微生物基因減少，而與脂質(zhì)代謝有關(guān)的基因增加了。因此，十二指腸微生物可能影響宿主對飲食營養(yǎng)的生物利用率。

空腸。雖然空腸采樣比較難，但空腸是營養(yǎng)吸收的主要部位。內(nèi)窺鏡樣本是這類信息的主要來源，因為這些樣本通常是在個體出現(xiàn)一定健康問題的情況下采集的，這限制了對健康的上部GI微生物組的理解?；诖?，我們對于這些部位大部分知識的獲取都是來源于動物研究，其中粘膜樣本和腸腔樣本都可以輕易獲得。影響空腸微生物群的因素包括飲食、氧氣水平、膽汁酸、運輸時間和覆蓋較薄的粘液。空腸微生物群落估計由10⁴~10⁷CFU/ml組成，主要包括以厚壁菌門為代表的菌屬，但是也包含變形菌門、放線菌門和擬桿菌門。類似的分類群存在于人類受試者的空腸中，但與糞便的微生物群明顯不同。

糞便微生物移植到GF小鼠中后，其與GF對照小鼠相比，在第一天就引起了空腸轉(zhuǎn)錄組的功能性變化。這種急性轉(zhuǎn)錄組響應(yīng)特異性地僅發(fā)生在空腸中，在GIT的其它部位并沒有發(fā)現(xiàn)。然而，這個實驗的限制之處是使用的糞便微生物組成本身就與SI微生物不同。研究表明，高脂肪飲食（HFDs）影響小鼠小腸（SI）微生物的組成和功能的程度要遠遠大于盲腸和糞便的微生物群，其中厚壁菌門特別是Clostridiaceae數(shù)量增多。當(dāng)HFD誘導(dǎo)的空腸微生物群轉(zhuǎn)移到GF小鼠中時，與接受LFD誘導(dǎo)的小鼠相比，接受HFD誘導(dǎo)的小鼠對脂質(zhì)的吸收量增加。因此，與LFD微生物群相比，HFD誘導(dǎo)的微生物群差異地激活了GF腸道對脂肪的吸收。

回腸。與其他部位相比，回腸的消化和吸收是獨特的，因此毫不奇怪它的微生物群落組成和功能也有所不同。回腸內(nèi)據(jù)估計微生物群大約10³~10⁸CFU/ml，主要是由兼性和專性厭氧菌組成。從人類有限的相關(guān)研究來看，回腸微生物群似乎主要由擬桿菌門、梭菌門、腸桿菌門、乳桿菌和韋榮氏菌組成。總的來說，回腸IECs作為營養(yǎng)物質(zhì)（如B類維生素、未被近端吸收的殘留營養(yǎng)素）的主要吸收部位，同時對BA進行再攝取后進入肝臟循環(huán)，而且后者被腸道微生物的影響更大。

遠端回腸表達參與BA信號傳導(dǎo)的核受體，例如法尼醇X受體（FXR）和G蛋白偶聯(lián)受體TGR5，其對下游的代謝途徑產(chǎn)生深遠影響。與常規(guī)飼喂小鼠相比，GF小鼠的總BAs水平以及SI鼠膽酸的豐度均升高。常規(guī)小鼠的遠端回腸表達的初級BA轉(zhuǎn)運蛋白以及FXR靶基因的水平增加，特別是Shp和Fgf15，它們是重要的BA肝臟共用中間體。微生物介導(dǎo)的Fgf15上調(diào)降低了肝臟中BA的合成，而這是由肝臟Cyp7a1（一種BA合成速率限制酶）的降低表達介導(dǎo)的。相反，通過抗生素處理常規(guī)飼喂小鼠，可以將這些基因的表達恢復(fù)到GF小鼠中檢測到的水平。

BAs本身可以反過來直接或間接地影響局部的腸道微生物群。某些BAs綴合物的口服給藥可以抑制細菌的過度生長，并恢復(fù)屏障的完整性。近期的研究工作揭示，F(xiàn)XRα上調(diào)造成粘膜免疫因子的激活，特別是在回腸中，可以對膽管結(jié)扎引發(fā)的厭氧和需氧菌過度生長起到保護作用。因此，BAs和腸道微生物群可以深刻的影響肝臟循環(huán)，進而影響宿主的代謝和免疫。

在封閉條件下，特定的微生物群落成員可以改變回腸的基因圖譜。與Bacteroides thetaiotamicron有單一關(guān)聯(lián)的成熟GF小鼠顯著影響了與微量和常量營養(yǎng)素攝取相關(guān)基因的表達。這些發(fā)現(xiàn)部分解釋了與常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠相比，GF小鼠為什么每天要消耗更多的卡路里來維持同樣的體重。另外，B. thetaiotamicron顯著增加了回腸隱窩中輔脂肪酶基因和許多與腸屏障功能、免疫應(yīng)答和宿主異生素代謝等相關(guān)基因的表達。由B細胞產(chǎn)生的免疫球蛋白A（IgA）和參與IgA胞轉(zhuǎn)作用的聚合免疫球蛋白受體（PIgR）都在細菌定植后出現(xiàn)升高現(xiàn)象，這表明回腸的先天和適應(yīng)性免疫功能都受到腸道微生物的顯著影響。

回腸末端是粘膜免疫的重要部位，這里的粘膜較薄，并且潘氏細胞產(chǎn)生較為廣泛的先天免疫因子（如AMPs），同時包括殺微生物肽、C型凝集素和防御素。各種與微生物相關(guān)的分子模式包括LPS、肽聚糖、鞭毛、細菌DNA/RNA、真菌細胞壁和脂質(zhì)A都可以誘導(dǎo)AMP和其它粘膜適應(yīng)性免疫組分（比如IgA）的表達。GF小鼠常規(guī)化增加了AMPs的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平，尤其是REGIIIγ，它是由潘氏細胞和吸收性腸細胞共同產(chǎn)生的對革蘭氏陽性菌有殺菌性的一種C型凝集素。共生的腸道微生物增加了REGIIIγ的表達，然而常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠中HFD誘導(dǎo)的微生物群落降低了AMPs在回腸中的表達，包括REGIIIγ，這提示了區(qū)域腸道微生物對飲食調(diào)節(jié)功能的重要機制。

微生物對于驅(qū)動回腸中先天性和適應(yīng)性粘膜免疫反應(yīng)以及系統(tǒng)性免疫功能都具有重要作用。比如可以產(chǎn)生白介素(IL)-17A/IL-17F，IL-21和IL-22的CD4+ RORγt+ Th17細胞依賴于分段的絲狀真菌（SFB）存在。實際上，GF小鼠以及新生小鼠在其固有層內(nèi)表現(xiàn)出很少（如果存在的話）的Th17細胞。然而，SFB緊緊附著在腸上皮細胞和回腸末端的集合淋巴結(jié)上，這是免疫介導(dǎo)的Th17細胞激活的必要條件。此外，RORγt + T細胞表達的IL-17A被發(fā)現(xiàn)定殖在回腸上，這是對SFB的一種響應(yīng)。SFB可以通過增強Th17介導(dǎo)的免疫來阻止腸道病原體的入侵，比如Citrobacter rodentium，Salmonella Typhimurium或線蟲類Nippostrongylus brasiliensis。SFB的存在也可以減弱非肥胖糖尿病小鼠模型中糖尿病的發(fā)生，盡管它不能影響HFD誘導(dǎo)下的肥胖結(jié)果。

晝夜節(jié)律有助于維持代謝功能和免疫力，當(dāng)然這可能被進餐時間或飲食類型而打斷。近期一些研究揭示了宿主晝夜節(jié)律系統(tǒng)與腸道微生物群之間的聯(lián)系。例如，腸道微生物群在回腸IEC隔室中驅(qū)動天然免疫Toll-like受體的節(jié)律信號下調(diào)，從而調(diào)節(jié)分子生物鐘功能。腸道微生物也在群落成員和功能上表現(xiàn)出晝行性的模式，從而為宿主節(jié)律和下游代謝功能提供重要的輸入。膳食和宿主因素都是微生物組成及其波動的重要決定因素。遠端腸道微生物（盲腸、結(jié)腸和糞便）也表現(xiàn)出晝夜變化，這可能受晝夜節(jié)律擾亂、基因操縱、時差誘導(dǎo)以及食物攝入時間等的影響。在SI中，晝夜節(jié)律轉(zhuǎn)錄因子白細胞介素-3（NFIL3或E4BP4）以微生物依賴型的方式推動免疫和代謝功能。在本研究中，來自GF小鼠的回腸IECs與常規(guī)飼養(yǎng)小鼠相比表現(xiàn)出Nfil3表達水平的降低。IEC特異性Nfil3敲除的小鼠與野生型（WT）幼鼠相比，甚至在HFD條件下也保持瘦且健康的狀態(tài)，這與在GF小鼠中觀察到的現(xiàn)象一致。NFIL3最終被證實通過影響脂質(zhì)吸收的方式來引起飲食誘導(dǎo)的肥胖，因為Nfil3敲除的小鼠表現(xiàn)出上皮脂質(zhì)吸收水平的降低且糞便中的脂質(zhì)增加，以上表明了回腸中微生物群落的重要，宿主的晝夜節(jié)律及代謝相互作用。

結(jié)腸

通過其獨特的功能、儲存能力和生理作用，結(jié)腸相對于SI擁有更大的微生物豐度和多樣性。盡管它的長度較短，但結(jié)腸的傳輸時間（>30h）比SI要更久。較厚的內(nèi)部和外部黏液層是抵抗細菌（據(jù)估計大約有10¹⁰~10¹²CFU/ml，門類包括厚壁菌門、擬桿菌門和毛螺菌科、擬桿菌科、普雷沃氏菌科等家族）的重要屏障。結(jié)腸具有功能性的獨特區(qū)域，其中盲腸和結(jié)腸的近端區(qū)域是發(fā)酵的主要部位，而遠端結(jié)腸主要是提取液體和電解質(zhì)（大約1.3L/天）。當(dāng)進行未處理的結(jié)腸鏡檢察時，也可以理解結(jié)腸粘膜相關(guān)微生物群宏基因組譜的區(qū)域異質(zhì)性。在這里，近端和遠端結(jié)腸微生物群在功能子系統(tǒng)中表現(xiàn)不同，包括短鏈脂肪酸（SCFA）的產(chǎn)生、初級到次級BA的轉(zhuǎn)化和GI運動性的調(diào)節(jié)。

結(jié)腸中嚴(yán)格厭氧菌比如Clostridia，Eubacteria和Roseburia發(fā)酵復(fù)雜的碳水化合物和纖維，產(chǎn)生SCFAs，比如醋酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽和戊酸鹽，它們是弱酸性的2~5個碳原子化合物，并且是結(jié)腸細胞的主要能量來源。它們被上皮細胞主動和被動地運輸，但也可以激活結(jié)腸和外周組織中的G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）。丁酸鹽和丙酸鹽均可調(diào)節(jié)組蛋白脫乙酰基輔酶（HDAC），其與免疫功能和癌癥相關(guān)。SCFAs還增強了適應(yīng)性免疫細胞的抗炎特性，并影響一系類生理過程。

盲腸和結(jié)腸是通過一系列微生物處理從而將初級BAs轉(zhuǎn)化為超過20種類型次級BAs的主要部位。雖然通過羥基類固醇脫氫酶是初級BAs氧化和差向異構(gòu)化的主要途徑，但也可以進行初級甘氨酸或?；撬崤悸?lián)BAs通過膽汁酸水解酶向次級BAs的轉(zhuǎn)化。結(jié)腸中含有廣泛的細菌屬，包括Clostridium，Lactobacillus，Bifidobacterium，Bacteroides和腸道病原體如Listeria，它可編碼BSH并發(fā)揮這種功能。根據(jù)微生物的特性，BSH活性可以解毒BAs。結(jié)腸BSH去綴合是7α/β-脫羥基化的作用，促進脫氧膽酸（DCA）和石膽酸（LCA）的主要形成。在Clostridium scindens和C. hyelomonae中鑒定了編碼脫羥基酶的BA誘導(dǎo)型基因網(wǎng)絡(luò)。與均衡飲食或素食相比，短期內(nèi)人類以肉食為主會導(dǎo)致糞便中DCA豐度的增加，這與BSH表達水平的增加相對應(yīng)。DCA和LCA均與結(jié)腸癌有關(guān)。然而DCA可以與肝臟中的?；撬峄蚋拾彼嶂匦戮Y合，降低其毒性，但LCA必須經(jīng)過氨基酸結(jié)合且硫酸化，在那之后主要存在糞便中然后從體內(nèi)排出。

初級BAs向次級BAs的轉(zhuǎn)化涉及到微生物衍生的酯化酶和可形成酯的硫酸酯酶。使用牛奶來源的高飽和脂肪喂食齲齒動物可以促進盲腸和結(jié)腸中Bilophila wadsworthia的增加，它具有利用?；撬嵫苌鷣喠蛩猁}作為末端電子受體的能力。這種菌體增加與產(chǎn)生Th1干擾素的CD4+細胞增加相對應(yīng)，從而導(dǎo)致遺傳易感性IL-10-/-小鼠結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度增加。這一研究跟人體內(nèi)研究結(jié)果一致，其中肉類飲食增加了耐膽汁Bilophila，Alistipes和Bacteroides的豐度，同時細菌亞硫酸還原酶（dsrA）的基因表達水平也增加了，使亞硫酸鹽還原為H₂S。

胃腸動力還受到結(jié)腸中攜帶的微生物類型和功能影響。與常規(guī)小鼠相比，GF小鼠出現(xiàn)胃腸動力減弱且運輸時間增加的現(xiàn)象。對GF小鼠和常規(guī)飼養(yǎng)小鼠結(jié)腸環(huán)進行體外刺激發(fā)現(xiàn)，GF小鼠的結(jié)腸對卡巴膽堿（一種刺激肌肉收縮的膽堿能激動劑）和KCl更加敏感，表現(xiàn)為高敏性。便秘是由洛哌丁胺引起的，它可以減緩腸道運輸速度，改變腸道微生物的組成和能力，而這些微生物可以直接影響結(jié)腸的收縮。微生物通過SCFA誘導(dǎo)的蠕動來影響GI動力，因為在離體條件下對小鼠中部到遠端結(jié)腸進行SCFA處理時發(fā)現(xiàn)，通過5-羥基色胺的釋放可以引發(fā)蠕動。此外，與健康腸道相關(guān)的產(chǎn)芽孢厭氧菌類腸道微生物產(chǎn)生的色氨酸可以增加結(jié)腸中的腸嗜鉻細胞，從而產(chǎn)生更多5-HT刺激胃腸動力。總之，這些結(jié)果突出了宿主和微生物之間以區(qū)域特異性的方式進行雙向交流，以調(diào)節(jié)腸胃動力。

區(qū)域特異性腸道微生物和疾病

GIT微生物群的區(qū)域特向性可能是特定疾病的決定因素。例如，胃中的Helicobacter pylori可以促進人類消化性潰瘍疾病和胃癌的產(chǎn)生，而不同的物種比如Helicobacter hepaticus則可以在易感小鼠中引起結(jié)腸炎。類似地，由廣譜抗生素引起結(jié)腸微生物群和生態(tài)位條件（如初級膽汁酸的增加）的劇烈波動有利于Clostridium difficile的萌發(fā)和生長，從而引起結(jié)腸炎。

口腔、食道和胃部的疾病

齲齒和牙周疾病受牙周病原體的影響，包括Aggregatibacter actinomycetemcomitans，Porphyromonas gingivalis和Actinomyces israelii。Saccharibacteria在牙齒和齦上斑塊的形成中存在很多，這也可能導(dǎo)致牙周疾病的產(chǎn)生。

以前忽視了食道微生物在食道疾病中發(fā)揮的作用。然而，它們在諸如Barrett食管、嗜酸性粒細胞性食管炎、食道癌和食道鱗狀細胞癌等疾病中的作用正在被重新審視。來自HFD喂養(yǎng)的L2-IL1B小鼠（一個Barrett食管的小鼠模型）糞便微生物在轉(zhuǎn)移到LFD喂養(yǎng)的GF小鼠中時，增加了癌癥發(fā)生的概率，說明微生物和食道腫瘤的產(chǎn)生存在因果關(guān)系。然而，本研究中使用的是糞便微生物，而食道微生物在該疾病中的確切作用仍不清楚。

胃酸為幽門螺旋桿菌創(chuàng)造了獨特的有利環(huán)境，其中幽門螺旋桿菌是最常見的人類自身微生物之一，因為它能夠在這種條件下茁壯成長。在衛(wèi)生條件改善之前，許多人通過增強胃酸誘導(dǎo)和能夠阻止許多病原體的粘膜免疫機制而從幽門螺旋桿菌中獲益。然而，隨著衛(wèi)生條件的改善和各個社會成員壽命的延長，人類自身的幽門螺旋桿菌帶來的負面后果逐漸突顯出來，例如消化類疾病和癌癥。此外，幽門螺旋桿菌誘導(dǎo)T細胞響應(yīng)的免疫耐受性使新生小鼠中細菌水平展現(xiàn)出增加10倍的現(xiàn)象，這可能影響其消化和吸收，使其對其他病原體十分敏感。

小腸：小腸細菌過度生長（SIBO），減肥手術(shù)、營養(yǎng)不良和腹腔疾病

由小腸蠕動力減弱、宿主免疫功能受損和胃酸屏障減弱引起的SIBO特征在于其細菌數(shù)為10⁵或10⁶CFU/ml，而正常的細菌水平為10³/ml。除了消化不良和吸收不良外，SIBO還能促成其它幾種疾病，包括腸易激綜合征、乳糜瀉（CD）、克羅恩病、非酒精性脂肪型肝炎和肥胖癥。與SIBO相關(guān)的時期創(chuàng)造了有利于微生物定殖的條件，這些微生物可能并不是該部位的土著（如結(jié)腸樣），可能導(dǎo)致微生物因競爭營養(yǎng)而過度生長，進而干擾關(guān)鍵性的共生微生物-宿主之間的互作，從而造成粘膜炎癥。

限制性和旁路性減肥手術(shù)，比如roux-en-y胃旁路術(shù)（RYGB）、袖狀胃切手術(shù)、胃束帶術(shù)和十二指腸控制的膽胰分流術(shù)，通過改變小腸解剖結(jié)構(gòu)和功能來促進體重的降低，但也可能發(fā)揮其它機制從而改變宿主新陳代謝的狀態(tài)。例如，這些過程改變了小腸微生物群，可以直接預(yù)防因飲食誘發(fā)的肥胖。類似地，在小鼠小腸中觀察到膽汁逆轉(zhuǎn)到空腸或回腸后小腸微生物群落發(fā)生了顯著變化，這可能與預(yù)防因飲食誘發(fā)的小鼠肥胖相關(guān)。這些影響是由膽汁酸對宿主的直接影響（例如通過FXR的激活），或通過腸道微生物群中膽汁介導(dǎo)的變化引起。

孟加拉國營養(yǎng)不良的兒童患有環(huán)境性腸病，其特征是小腸絨毛鈍化和與未成熟微生物群相關(guān)的炎癥。將馬拉維人飲食的生長受阻但健康的嬰兒糞便微生物轉(zhuǎn)移至GF小鼠中顯示其生長受損，然而給予小鼠健康供體的微生物群則可以防止生長受損，說明了微生物群在營養(yǎng)不良中的因果關(guān)系。即時補充食物的治療方式只能部分地恢復(fù)代謝紊亂。同樣，在微生物可利用碳水化合物缺乏的飲食情況下會導(dǎo)致共生微生物的喪失。然而，MAC的補充并不能恢復(fù)耗盡的微生物豐度，這些微生物的豐度只能通過飲食習(xí)慣的改變來恢復(fù)。值得注意的是，兩組都檢測了糞便中的微生物群，這就引出了一個問題：“缺失”區(qū)域微生物能否更好地恢復(fù)SI的吸收和消化功能。

乳糜瀉是一種具有遺傳傾向的慢性腸病，患者表達一種MHC分子（HLA-DQ2或DQ8），它可以被小麥、黑麥和大麥中的谷蛋白成分觸發(fā)。慢性粘膜炎癥會對腸道上皮造成長期損傷，從而導(dǎo)致消化不良和吸收不良。盡管HLA-DQ單體型是一個必要條件，但也可能存在其他因素起作用，因為在患乳糜瀉的個體中包含了2%~5%的HLA-DQ2/DQ8。其中，與HLA-DQ單體型相關(guān)的免疫狀態(tài)改變與小腸微生物群的改變相關(guān)。雖然一些研究表明因炎癥SI微生物群會出現(xiàn)一個群落擴張，但其它研究表明，對于免疫發(fā)育很重要的關(guān)鍵微生物喪失具有重要作用。從十二指腸和回腸中得到的部分活檢樣本揭示了活躍性乳糜瀉患者體內(nèi)腸道菌群的變化。例如，從未治療的乳糜瀉、治療后的乳糜瀉、口服谷蛋白后的乳糜瀉和對照組兒童患者中收集的遠端十二指腸/近端空腸活組織檢查中，發(fā)現(xiàn)桿狀和球狀細菌黏附于粘膜上。與對照和治療后的乳糜瀉受試者相比，未經(jīng)治療和口服谷蛋白的乳糜瀉患者活體組織檢查中發(fā)現(xiàn)粘膜黏附的桿狀細菌增加。一些研究還顯示，與對照組相比，乳糜瀉受試者中十二指腸變形桿菌數(shù)量增加，然而其它研究表明SCFAs在活躍性乳糜瀉患者體內(nèi)顯著減少，這可能是患者經(jīng)過長達一年堅持無麩質(zhì)飲食后恢復(fù)的。

IL-15是由IEC產(chǎn)生的細胞因子，通常在乳糜瀉疾病中被上調(diào)。在IEC中過表達IL-15的小鼠內(nèi)，腸道微生物群受整個腸道的影響，其中在回腸中可以觀察到最顯著的差異。產(chǎn)丁酸鹽細菌的相對豐度和丁酸鹽水平都出現(xiàn)了明顯下降。盡管IL15T小鼠沒有出現(xiàn)明顯的乳糜瀉現(xiàn)象，但這些研究表明IL-15的表達變化可以顯著的改變微生物群落成員和功能，這可能有利于乳糜瀉的研究進展。

結(jié)腸疾病：炎癥性腸病和C. difficile誘發(fā)的結(jié)腸炎

炎癥性腸?。↖BD）是宿主遺傳、腸道微生物和環(huán)境因素等的共同作用引起的復(fù)雜免疫疾病。病變的區(qū)域性和局部性是這種疾病的標(biāo)志，并且說明局部因素（微生物及微生物產(chǎn)物）與其發(fā)育密切相關(guān)。潰瘍性結(jié)腸炎（UC）是臨床IBD的表型之一，它僅涉及到結(jié)腸，其繁殖過程通常從直腸開始發(fā)展到粘膜炎癥前緣匯合處。在具有左側(cè)UC的個體中，經(jīng)?？梢钥吹交疾^(qū)域和未患病區(qū)域之間的清晰界限。在此處，粘膜相關(guān)的微生物群之間的差異被認(rèn)為是導(dǎo)致或促成這種現(xiàn)象的重要潛在因素。類似地，克羅恩病是IBD的另一種臨床表現(xiàn)，它涉及到從口腔到肛門整個胃腸道中的任何部分。典型的病變起始，是一種潰瘍性潰爛，從粘膜表面開始，隨著疾病的發(fā)生，病變區(qū)域變寬變深，最后可能發(fā)展到腸壁穿透。然而，克羅恩病粘膜病變周圍的組織在內(nèi)腔鏡檢查和組織學(xué)檢查上顯示正常。一些研究試圖基于16S rRNA擴增子的方法來繪制IBD患者中涉及和未涉及粘膜區(qū)域在分類學(xué)特征上的差異。雖然差異已經(jīng)被報道，但仍不清楚這是疾病的起因還是疾病造成的后果，以及它們的功能學(xué)意義是什么。發(fā)生在回腸末端的克羅恩病通常與受干擾的細菌群體和增加的真菌量有關(guān)。關(guān)于后者，許多患者在血清水平上存在抗釀酒酵母的抗體（ASCA），而這種抗體針對的是多形態(tài)真菌（例如白色念珠菌）的細胞壁成分——寡甘露聚糖。當(dāng)然也可以檢測到其它微生物的抗體水平，比如Ecsherichia coli和Pseduomonas fluorescens。

專性孢子形成的革蘭氏陽性厭氧菌艱難梭菌是抗生素誘導(dǎo)且毒素介導(dǎo)復(fù)發(fā)性結(jié)腸炎的主要原因。雖然在健康人類中觀察到的艱難梭菌水平較低，特別是嬰兒體內(nèi)，但抗生素誘導(dǎo)的自身結(jié)腸微生物群的破壞，以及由此導(dǎo)致結(jié)腸初級膽汁酸濃度的增加并促進其生長，產(chǎn)生毒素并入侵機體。后者對艱難梭菌孢子的萌發(fā)很重要，而特異性的次級BAs能夠抑制這一過程。共生物微生物，比如C. scindens和C. sordellii，具有7α-脫羥基化的能力，通過色氨酸代謝途徑分泌一種抗生素類似分子來抑制病原菌艱難梭菌的生長。通過次級BAs、DCA和LCA的存在進一步增強了這些分子的作用。艱難梭菌結(jié)腸炎的一線治療仍然使用抗生素（比如甲硝唑或萬古霉素），但來自健康供體的FMT越來越多地用于復(fù)發(fā)性艱難梭菌的感染。在治療性FMT后，觀察到DCA、LCA和SCFAs水平的增加，甚至在治療6個月后也可以觀察到，這可能是因為比如Lachnospiraceae，Ruminococcaceae和Clostridiales等菌類的擴增。

即將來臨的：探索未知的下一代技術(shù)和方法

從胃到回腸遠端（難以取樣的部位）的人類腸道微生物仍然有很大部分尚未開發(fā)。從動物研究中的推斷可以獲得一些有利的概念性見解，但這些部位的人類微生物群在物種形成、組成和功能方面可能非常不同。該領(lǐng)域的人類研究相關(guān)的技術(shù)挑戰(zhàn)和混雜因素仍讓人生畏。

上消化道的取樣屬于入侵性的，并且僅限于表征某疾病情況下的內(nèi)腔鏡檢測結(jié)果。因此，“健康”上消化道的微生物信息是非常有限的。對具有回腸造口術(shù)患者采樣是一種可能的非入侵性采樣方法，但即便如此，患者的潛在疾病也可能是一種混淆因素。正在開發(fā)的非入侵性方法，比如食管柱測試，用棉網(wǎng)將可膨脹的氣球包裹并附著在橡膠管或細胞海綿上，這是一種帶繩栓的膠囊，它可以在胃中釋放出3厘米的網(wǎng)篩，然后通過嘴巴將其拉出來。這個方法的局限性在于取出時口腔微生物的潛在污染。此外，通過胃腸道（GIT）內(nèi)采取腔內(nèi)容物的程序化或可觸發(fā)吞咽生物采樣膠囊正在開發(fā)當(dāng)中，盡管它們目前并不能對粘膜相關(guān)部位的微生物進行采樣。

另外需要考慮的挑戰(zhàn)是微生物群落一般研究的通用類挑戰(zhàn)。該領(lǐng)域的研究嚴(yán)重依賴于16S rRNA擴增子測序，其提供的功能性信息十分有限。區(qū)域采樣的宏基因組學(xué)和宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)可以提供更多的信息，但由于有限的生物量以及人類DNA和轉(zhuǎn)錄本的嚴(yán)重污染，使其難以進行。盡管通過更新的宏基因組裝配方法已經(jīng)取得了一些進步，但處理這些數(shù)據(jù)從而鑒別微生物菌株或聚生體的基因組和功能仍是一個主要障礙。基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時間質(zhì)譜（MALDI-TOF）與文化經(jīng)濟學(xué)和基于測序的方法共同結(jié)合，也成功應(yīng)用于人類糞便樣本臨床微生物學(xué)研究中單一菌株的分離和鑒定。微流控培養(yǎng)體系的開發(fā)已經(jīng)實現(xiàn)更加快速地分離和表征之前不可培養(yǎng)的微生物菌株。有人已經(jīng)將高通量和微液滴平臺相結(jié)合，可以實現(xiàn)單細胞培養(yǎng)從而獲得關(guān)于微生物群落個體成員的功能參數(shù)信息。應(yīng)用于區(qū)域樣本的方法可以幫助鑒定和表征在關(guān)鍵宿主-微生物互作中非常重要的新菌株。

此外，還需要了解腸道區(qū)域微生物群落的組織結(jié)構(gòu)。共聚焦顯微鏡與免疫熒光的結(jié)合可以提供一些信息，同時熒光原位雜交（FISH）等更多的標(biāo)準(zhǔn)方法可以對信息進行補充。Sonnenburg課題組的研究表明，熒光標(biāo)記的擬桿菌菌株有助于深入理解粘膜相關(guān)細菌和宿主之間在不同腸道區(qū)域中的動態(tài)互作。通過合成生物學(xué)設(shè)計細菌傳感器可以檢測并跟蹤腸道中的特定情況。類似的方法也被用于設(shè)計細菌，尤其是大腸桿菌，其能以潛在的治療方式來感知并調(diào)節(jié)環(huán)境，其中的一些已經(jīng)通過了人類臨床的第一試驗階段。裝置細化且新靶標(biāo)確定后，可以通過吞咽這些裝置來實現(xiàn)對重要宿主或微生物因子的檢測。

為了鑒定和探測區(qū)域特異性宿主-微生物互作背后的機制，需要擴展體外模型系統(tǒng)。例如，類器官（腸上皮類器官）可以是通過活體檢查（來自人）或在組織分化時（小鼠）從腸道不同區(qū)域獲得的分化細胞，或也可以通過誘導(dǎo)多能干細胞/胚胎干細胞后由人類腸道類器官產(chǎn)生。二維或三維類器官可以通過來自單個生物體的條件培養(yǎng)基進行處理，也可以微注射活生物體，以此檢查它們是如何影響特定部位上參與大量營養(yǎng)物攝取或炎癥的上皮途徑。這些方法與其他工具（例如腸道芯片，從局部粘膜、生物反應(yīng)器上獲得的免疫細胞群體的共培養(yǎng)實驗）相結(jié)合，可以提供對健康和疾病中特定于區(qū)域條件下宿主-微生物相互作用的新穎見解。

隨著人們健康意識的增強，腸道微生物的研究愈發(fā)成為熱點。本文分述了從口部到尾骨整個胃腸道中每個區(qū)段中腸道微生物的組成及發(fā)揮的作用，同時也將不同區(qū)段的胃腸道微生物與腸道疾病結(jié)合起來，強調(diào)了胃腸道微生物與宿主之間的互作關(guān)系。本研究還對胃腸道微生物群整個研究領(lǐng)域的發(fā)展進行了討論，為該研究領(lǐng)域的推進奠定了基礎(chǔ)。