肠道菌群和人体健康

导入：

从2005年到2010年，上海交通大学赵立平教授将中医与肠道菌群研究相结合来了解和对抗自身肥胖，减肥20公斤。通过分离并检测自身肠道菌群，发现一些有害菌数量下降而一些有益菌比如一种能够产生丁酸盐的抗炎细菌，从一开始用测序的方法检测不到，到最后变成占整个菌群的14.5%。                 

问题：赵教授是通过先减肥然后使菌群结构改变还是先改变菌群结构然后减肥成功的？

一、“粪毒入血，百病蜂起”

资料1：学术届将肠道菌群称作微生物组，指的是生活在肠道里的所有微生物总称，其中细菌占60% -80%，如双歧杆菌、乳酸杆菌，同时还生活着一些真菌等。按照微生物与氧气的关系，可将其分成好氧菌（在较高氧浓度下才能生存）、厌氧菌（短时间与氧气接触后，其生长会受到抑制甚至死亡和兼性厌氧菌）和兼性厌氧菌（有氧条件下生长为主，厌氧条件下生长为辅）。下图曲线表示氧浓度和氧分压对三类微生物生长的影响：

 

问题1：三类微生物分别可用A、B、C中哪条曲线表示？

 

问题2：肠道氧分压范围在0～0.001atm，请分析肠道菌群中哪一类微生物占据优势？

 

资料2：研究表明，阴沟肠杆菌B29 菌株剧增后释放的内毒素——脂多糖（ LPS），入血后引发动物炎症反应，从而加重肥胖、胰岛素抵抗等炎症相关的慢性疾病，且对动物细胞产生毒害作用。无菌小鼠能够抵抗高脂饮食诱导的肥胖，为了探究阴沟肠杆菌B29 菌株能否通过定植于无菌小鼠肠道内而降低这种抵抗现象，科研人员进行了如下实验。

（NCD：正常饮食；HFD：高脂饮食；LB培养液：一种无菌培养液）

问题1：请补全下表：

 

 

问题2：在第一周连续灌胃期间，发现灌胃B29菌株的两组小鼠体重有所下降，且各有一只小鼠死亡，如下图1所示，这说明了什么？

 

图1 四组无菌小鼠的生长曲线

 

问题3：最后通过测量发现D组小鼠最终达到同高脂饲养正常菌群小鼠同样的肥胖状态，请分析图1中四组无菌小鼠的生长曲线并推测高脂饮食可导致动物肥胖的机理。

 

 

【典例1】肠道菌群能通过菌体自身或其代谢产物对人脑产生影响，人脑也能通过调节影响肠道菌群，部分机制如下图所示。请回答下列问题。

(1) 细胞Ⅰ摄取肠道菌，将抗原处理后呈递在________，然后传递给细胞Ⅱ____________(填名称)，细胞Ⅱ表面的特定分子发生变化并与细胞Ⅲ结合，同时分泌细胞因子。

(2) 细胞因子含量上升，促进下丘脑分泌物质a。物质a是___________

_____，其功能是__________________

_____，最终引起肾上腺皮质激素增多。

(3) 致病菌产生的毒素可刺激肠嗜铬细胞分泌5­HT，5­HT与迷走神经元上的________结合，引起迷走神经产生兴奋，信号沿着外周神经传递到脑，进而产生呕吐反射，同时兴奋传递到________产生痛觉。呕吐的生理意义是_____________________________________。

(4) 研究表明，长期肠道菌群失调引起的炎症反应可能导致抑郁症。抑郁症情况越严重的大鼠对糖水的偏好度越低，明暗箱实验中停留在明箱的时间越短。药物X能通过缓解肠道炎症治疗抑郁症。L­茶氨酸能改善情绪，治疗抑郁症。科研人员探究生理盐水配制的L­茶氨酸是否是通过缓解肠道炎症来治疗大鼠的抑郁症，进行了如下实验。请补全下表：

二、“正气内存，邪不可干”

资料3：在我们肠道中存在的微生物绝大多数对人体是有益的或者中性的，科学家发现一类产生短链脂肪酸（如乙酸、丙酸、丁酸）的菌存在于所有健康人的肠道中。人体摄入的膳食纤维的无法被自身消化吸收，而这类优势菌能代谢膳食纤维，释放的能量一部分用于自身生长，另一部分能量以短链脂肪酸的形式释放，为人类肠道细胞提供能量，减轻炎症、较少癌变等。

问题1：产生短链脂肪酸的菌与人体之间存在怎样的关系？肠道菌群之间可能存在怎样的关系？

问题2：短链脂肪酸同必需氨基酸类似，是人体必须的营养物质，推测癌变患者的肠道菌群结构。

 

资料4：研究人员为了探究高膳食纤维能否通过干预肠道菌群来改善糖尿病，他们随机把二型糖尿（T2D）病人分为U组（常规饮食，对照组）和W组（常规饮食和多种类高膳食纤维40g/d，实验组），两组糖尿病人同时服用阿卡波糖（一种降糖药），三个月后测定结果如图1所示。（糖化血红蛋白（HbA1c）是人体血液中红细胞内的血红蛋白与血糖结合的产物，通常可以反映患者近8-12周的血糖控制情况；血糖（Blood glucose））

             

                        图1                              图2   

问题1：除糖尿病外，尿糖超标的原因还可能有_______（填序号）。

①一次性摄糖过多          ②低血糖患者  

③抗利尿激素分泌不足      ④肾小管重吸收功能障碍

问题2：分析图1数据并给出实验结论：

 

 

问题3：科学家将W组和U组干预前（pre）后（post）病人的粪便菌群分别移植给无菌小鼠后，结果如图2所示，请分析图2数据并给出实验结论。

 

二、“菌群健康，快乐长寿”

资料5：2024年赵立平教授的团队，基于环境条件发生剧烈变化时菌群之间仍然保持稳定的竞争或协作关系的思路，利用高膳食纤维干预，首次鉴别出两组对人体健康维护至关重要的“核心菌群”，即“基石功能群”（即“大树细菌”）与“病生功能群”菌群。这两个功能群相互竞争，呈现负相关。当基石功能群占据优势时，人体肠道菌群处在健康状态。当病生功能群占据优势且优势越来越大时，预示人体健康出现问题。

问题1：高膳食纤维干预对核心菌群的发现起到什么作用？

问题2：请从进化的角度分析两种功能群之间为什么会长期维持稳定的关系？

 

 

 

问题3：结合资料分析为什么“病生功能群”也是维持人体健康所必需？

 

 

 

【典例2】人和高等动物摄食和胃肠道活动受神经、体液等多种方式调节，调节摄食行为的摄食中枢和饱中枢位于下丘脑的不同区域，摄食中枢兴奋促进进食，饱中枢兴奋使食欲下降，部分调节过程如下图。请回答下列问题：

 

(1) 调节过程a和b中，后天形成的是过程_____________。摄食中枢兴奋后产生饥饿感，促进进食，并引起___________(填“交感神经”或“副交感神经”)兴奋促进胃肠道活动。
(2) 下丘脑中NPY/AgRP神经元能释放神经肽Y(NPY),若去除小鼠NPY/AgRP神经元，小鼠食欲下降，说明该神经元位于下丘脑_____中枢，NPY 可能会____(填“促进”或“抑制”)交感神经兴奋。
(3) 摄食和胃肠道活动还受多种激素调节。
①人体进食后胰岛素分泌增加，促进_________________________(至少答两点)，从而使血糖水平下降。胰岛素还可与脑部毛细血管壁细胞膜上的受体作用而透过血脑屏障，进而与下丘脑中NPY/AgRP神经元上的受体结合,使NPYmRNA的表达量_____。该过程中脑部毛细血管壁细胞膜上胰岛素受体的功能是__________________________________。
②瘦素主要是由白色脂肪组织合成并分泌的一种蛋白质类激素，可通过抑制相关神经元活动减少进食。多数肥胖者常伴有血清瘦素水平升高且出现瘦素抵抗现象，该现象可能与瘦素受体______有关。
(4) 过度进食障碍患者对合理饮食的控制能力变弱，在短时间内摄入大量食物，引起诸多慢性健康问题。科研人员利用小鼠进行相关实验，用适量_____清除健康小鼠肠道微生物，小鼠表现出过度进食症状，将健康小鼠的粪便微生物移植到过度进食障碍模型小鼠肠道中，观察___________，并进一步测定小鼠_____，为过度进食障碍相关疾病提供治疗方向与策略。

 

【典例3】膳食纤维是不能被人体消化酶所消化且不能吸收的非淀粉多糖物质，如纤维素、半纤维素、果胶等，下列有关糖、脂的叙述不合理的是(    )

A.纤维素、果胶、几丁质属于膳食纤维范畴

B.膳食纤维无法为人体直接供能，所以不是人体必需的

C.脂质激素可调节人体生理活动

D.适量摄入糖、脂同时合理运动有利于健康

四、阅读资料补充

在我们肠道中存在的微生物绝大多数对人体是有益的或者中性的。人类其实是由人体自身和微生物共同组成的超级生物体，90%以上的微生物生活在人体的肠道里。因此我们携带两套基因，一套是人体自身的基因组，另一套则是人体内微生物的基因组，前者大约有 23,000 个基因组成，然而后者包含了近三百万个基因，我们称之为微生物组。从遗传角度来讲，我们仅仅从父母那里继承了约 1%的基因，而剩下的约 99%的基因则是从我们刚出生所直接接触的环境，尤其是母体的产道和母乳中获取。不管是人体自身的基因还是肠道菌群的基因，一起同环境互作，共同影响人类的生老病死。

人体血液中甚至有多达三分之一的小分子源自于肠道菌群。一些源自微生物群的代谢物对宿主有着积极影响，包括具有抗炎活性，抗氧化活性，止痛活性，另外有些代谢物可作为维他命或者能源，可以调节肠道屏障功能。例如，膳食纤维经细菌发酵后产生的（短链脂肪酸）丁酸盐可以作为细菌细胞的能源，可以增加供应。丁酸盐对于缓解炎症、减少癌变、减轻氧化应激、提高肠道屏障功能均有作用。相比之下，另一些微生物产生的代谢物则对宿主有毒，包括细胞毒素，基因毒素以及免疫毒素。例如一直由革兰氏阴性菌释放的内毒素——脂多糖（LPS）可以引起炎症反应，从而加重肥胖、胰岛素抵抗等炎症相关的慢性疾病。

正所谓“人如其食”，吃下去什么样的食物，就会为健康带来什么样的后果，那么如何获取“大树细菌”，方法之一就在日常的饮食结构中，适当摄入益生菌，食用多样化的膳食纤维，但并不是多吃蔬菜（因为90%以上都是水，膳食纤维含量少），而是多吃粮食的种子（不可破碎研磨，否则破坏其中的淀粉粒，释放淀粉，被人体消化吸收后，血糖升的很快，能量也很高），那么如何做好全粮餐，建议大家尝试这种方法：将谷物和豆类3：1混合，浸泡过夜，上笼蒸熟，冰箱冻存，吃前取一小份再煮，这样一个完整种子的膳食纤维全在里面，淀粉粒也被包埋在里面，即便被咬碎也比不上磨面机打碎的程度，来不及接触自身的消化酶，便进入肠道，被肠道菌群分解。

五、综合检测

1.乳糖不耐受症患者因消化乳糖的乳糖酶缺乏导致无法完全消化乳制品中的乳糖，因此，在食用或饮用乳制品后会出现腹泻、腹胀、腹痛等消化系统症状。未被消化的乳糖进入结肠后被肠道菌群发酵产生氢气、二氧化碳和短链脂肪酸等。下列叙述正确的是（    ）

A.乳糖是一种存在于人和动物乳汁中的多糖

B.通过测定氢气产生水平可以直接反映肠道内乳糖的消化吸收状况

C.腹泻的原因可能是未消化的乳糖及发酵产物使肠道渗透压升高

D.饮食中控制乳糖摄入量不可避免不耐受症状

2.人体内的肠道菌群是一个复杂而多样的微生物群落，对宿主健康有着重要影响。下列叙述错误的是（    ）

A.肠道菌群包括有益菌、有害菌和中性菌等多种类型，它们之间保持着动态平衡。

B.肠道菌群可以帮助人体消化食物，尤其是难以消化的纤维素，产生人体所需的短链脂肪

酸等营养物质。

C.肠道菌群的变化与肥胖、糖尿病、自身免疫性疾病等多种健康问题密切相关。

D.为了维持肠道菌群的健康，人们应该长期服用抗生素，以消灭所有潜在的有害菌。

 

 

 

 

3.糖尿病是一种慢性代谢性疾病。胰岛素是降血糖的常见药物,下图1为胰岛素降低血糖的作用机理图,请回答下列问题。

(1)胰岛素受体是一种酪氨酸激酶。图1中,当胰岛素与靶细胞膜上胰岛素受体的            亚基结合后,可激活受体酪氨酸激酶,催化IRS-1酪氨酸(Tyr)残基被       而激活,进而发挥作用。

(2)激活后的IRS-1可经过细胞内信号转导,通过促进过程①将含有GLUT4的囊泡与细胞膜融合以促进葡萄糖通过      方式进入组织细胞,同时可促进过程②中葡萄糖氧化分解、                。

(3)引发糖尿病的原因有多种。某种糖尿病是因图1中过程①受阻所致,试分析图2中磺脲类降糖药物是否是治疗该种糖尿病的最佳用药,并说明理由                         。

(4)受到自由基攻击造成损伤后,胰岛B细胞中的胰岛素转录激活因子PDX-1的表达量会降低,进而引发糖尿病。研究发现,玫瑰花提取物有控制糖尿病及抑制并发症的作用,为研究其抗糖尿病的机制,科研工作者开展了以下实验:

实验一 实验材料:肠提取物(含α葡萄糖苷酶,能促进小肠麦芽糖等寡糖水解)、玫瑰花水提取物(Ms)母液、玫瑰花醇提取物(Mc)母液、阿卡波糖(一种治疗糖尿病的药物)、磷酸盐缓冲液(pH6.8)

实验步骤目的	简要操作过程
处理肠提取物	取50μL肠提取物加入磷酸盐缓冲液,37℃水浴温孵10min
处理玫瑰花提取物	①
设置对照组和实验组	实验组:向处理后的肠提取液中分别加入等量不同浓度的Ms、Mc稀释液
	对照组1:向处理后的肠提取液中加入等量相应浓度的阿卡波糖溶液; 对照组2:②
测定分析	样品溶液置于96孔板中用酶 标仪于405nm处测定吸光度,每 组反应平行进行3次。计算不同 组对α-葡萄糖苷酶的抑制率,绘制 曲线(如右图)。

本实验结果表明:                                                         。

实验二 研究者每天对部分糖尿病模型鼠灌胃Mc提取物,7天后检测胰腺细胞相关物质的分 泌量并制成表格如下(表中SOD为超氧化物歧化酶,可清除自由基):

组别	Mc 提取物/(mg/kg)	SOD相对含量	PDX-1基因的表达量/相对含量	胰岛素/相对含量
组1	-	0.75±0.4	2.15±0.16	4.96±0.10
组2	5	0.91±0.13	2.56±0.23	6.60±0.47

请根据上述数据，对该表命名:                                                    。