动物宿主—肠道微生物代谢轴研究进展丨微生态前沿

机体肠道中栖息着数量庞大、种类繁多的微生物，并且这些微生物具有可遗传和相对稳定性的特点。肠道微生物能够参与调节宿主的多个代谢途径，形成宿主与微生物菌群的代谢互作、信号转导，在生理上连接肠道、肝脏、肌肉和大脑的免疫-炎症轴。肠道微生物与宿主免疫系统的互作从出生开始，参与机体免疫系统发育形成过程，同样，机体免疫系统也会对微生物的组成产生影响。微生物与机体免疫系统之间的互作是通过一个复杂的信号转导途径来完成，包括不仅局限于免疫系统的许多不同类别的分子。这些通过免疫介导的信号转导过程，结合微生物与宿主之间的直接化学作用，作用于机体的多个器官，如肠道、肝脏、肌肉和大脑，而这些复杂的相互作用包含了一系列宿主-微生物代谢轴，例如微生物-肠-肝轴、微生物-肠-脑轴等。

Nicholson等提出宿主-微生物代谢轴（Host-microbe metabolic axis），并将其定义为能够将一些特定的宿主细胞通路和一系列微生物种类、亚生态系统及微生物代谢活动联系在一起的、多向的、互作的化学信号高速联通的途径。在代谢轴中，多个微生物基因组能够共同有序的调节代谢过程，从而使微生物代谢产物与宿主基因组结合，比如微生物生产出的一些对宿主机体健康有利的代谢产物，如胆汁酸、胆碱以及短链脂肪酸（SCFAs）。此外，微生物的代谢产物还能够有助于调节宿主的代谢表型，如肥胖、T2D等，从而降低宿主的患病风险。

肠道微生物与机体形成了宿主-微生物代谢轴，对动物机体营养素代谢和免疫应答起重要作用。肠道内正常的微生物菌群能够代谢机体从外界摄入的以及内源性的大分子碳水化合物、蛋白质以及脂肪酸等物质，同时微生物还能与机体代谢互作产生各种代谢产物，如SCFAs、氨基酸、小肽、多胺以及胆酸盐、甲基供体等，这些代谢产物对肠上皮组织乃至整个机体的物质代谢和免疫稳定发挥着重要的作用。一方面，肠道内微生物及其代谢产物与宿主肠上皮组织存在广泛的互作机制；另一方面，肠道微生物还参与宿主肠腔营养素的代谢作用。因此，微生物菌群结构的改变常常伴随肠道内环境各项生理功能的改变，进而引起机体整体代谢稳态的变化。

肠道与肝脏在功能上存在广泛的联系，其相互作用被称为“肠-肝轴”，也称肠肝循环。肠道静脉血液中富含的细菌产物、环境毒素需依赖肝脏的固有免疫系统发挥防御作用，同时肝脏可通过胆汁的分泌来调节机体代谢、内分泌及免疫应答，进而影响肠道功能。肠道微生物在介导肠-肝轴中发挥着重要角色。研究显示，通过改善肠道微生物组成，能够在一定程度上促进肝脏的健康。益生菌摄入有效降低了非酒精性脂肪肝患者血清肝酶，并且改善了肝脏氧化应激、代谢压力、脂质贮积及肝细胞脂肪变性。

肠-脑轴是由中枢神经系统、自主神经系统以及肠神经系统共同构成的网络系统，该系统广泛存在于动物肠道上，能够特异性识别肠道中的脑肠肽激素。此外，动物肠道内分泌系统能够感应肠腔中的微生物及其代谢产物，通过肠-脑轴作用于中枢神经系统，调节机体各项生理功能。大量试验表明，微生物代谢产物SCFAs能够被分布于小肠和结肠上皮的内分泌细胞的游离脂肪酸受体2和3识别表达，作用于机体的脑-肠轴，可促进脑肠肽的分泌，进而调节动物机体的摄食行为和能量代谢；同时肠道FFAR2和FFAR3受体的激活还能够参与机体急性炎症的调控作用。肠道内分泌系统不仅参与机体食欲和能量代谢调控，同时其还可通过脑-肠轴介导肠道各项生理功能。同样，肠道与脑也存在着互作关系。一方面，肠道微生物影响着动物机体的行为和意识，并对大脑具有潜在的保护机制。SCFAs已被报道能够调节组蛋白去乙酰化酶，刺激交感神经系统，并能够影响啮齿类动物的社会行为。另一方面，动物行为和意识的变化反过来影响着肠道微生物菌群结构。Mack等研究显示神经性厌食症患者体重增加后，机体粪样菌群、支链脂肪酸及胃肠道症状均未得以改善。

在动物消化代谢食物和外源性物质（非宿主本身的化合物，主要来源于进入肠道的食物以及由微生物产生的代谢物）过程中，机体及其肠道微生物能够代谢产生大量的小分子物质，如酚类、SCFAs、生物胺以及胆汁酸（胆盐）等，这些小分子物质在关联宿主细胞和与宿主共生的微生物之间的信息过程中以及对机体的健康起到至关重要的作用。

宿主-微生物代谢轴在动物体内发挥重要的生理作用。机体肠道内正常的微生物菌群能够代谢宿主从外界摄入的以及内源性的大分子碳水化合物、蛋白质以及脂肪酸等物质，同时微生物还能与机体代谢互作产生各种代谢产物，如SCFAs、氨基酸、小肽、多胺以及胆酸盐、甲基供体等。而正是这些代谢产物对肠上皮组织乃至整个机体的物质代谢和免疫稳定发挥着重要的作用。一方面，微生物具备对营养素较强的代谢和应答能力，进而发挥其在机体代谢和免疫调节中的角色。另一方面，宿主机体本身的营养状态和机体代谢产物又会对微生物机体产生影响，进而影响微生物的活动和代谢产物，最终对动物机体的健康产生一定的影响。研究肠道微生物组成与宿主营养素的代谢，了解宿主-微生物代谢轴，有助于加深关于肠道微生物对动物机体代谢贡献的认识，为维持动物健康乃至人的健康提供理论参考依据。

参考文献 皮宇《动物宿主-肠道微生物代谢轴研究进展》