衰老及衰老相关疾病与肠道菌群的关系研究进展

刘爱玲，吕红，钱家鸣

【提要】 衰老及衰老相关疾病与肠道菌群关系密切。衰老影响肠道菌群构成，而肠道菌群失调也可能促发衰老相关疾病。随着全球人口老龄化，促进老年人的身体健康、提高其生活质量是世界各国面临的问题。本文就衰老及衰老相关疾病与肠道菌群的关系及作用机制方面做一综述，以提高临床医师的认识。

衰老是极为复杂的过程，它影响着生理、代谢和免疫功能[1]。衰老过程伴随分子、细胞、组织和器官损伤的不断累积，导致机体功能减退，使之易受疾病侵害。随年龄增长，机体免疫功能减退、肠道生理功能变化、饮食结构改变，肠道菌群也发生相应改变。肠道菌群与肠粘膜屏障、促炎和抗炎因子平衡、免疫等相关，肠道菌群失调与衰老相关的慢性疾病相关[2-3]。与衰老相关的慢性疾病包括心血管疾病、感染、自身免疫性疾病、癌症、糖尿病、肥胖和神经退行性病变等。

目前关于衰老及衰老相关疾病与肠道菌群的研究较多，但关系及作用机制尚不清楚。笔者通过复习文献，从以下方面做一综述。

1 人体肠道菌群的变化

肠道菌群在人生的不同年龄段具有一定的演化过程，特别在婴幼儿时期。早期认为，人体肠道微生物的定植开始于出生后[4]。但近期发现动态而复杂的微生物定植过程可能开始于子宫内，这一推测被存在于胎盘、羊膜腔、脐带和胎粪的细菌所证实[5-6]。肠道菌群并非一成不变。出生后因受各种因素，如分娩和喂养的模式、接触的抗生素、母体的饮食和肠道菌群、周围的环境等影响[7]，肠道微生物构成发生明显变化，尤其是出生三年内[8]。研究显示，阴道分娩的婴儿肠道早期即有丰富的乳酸杆菌、拟杆菌和普氏菌属定植，而这些菌主要来源于出生时母体的阴道及粪便菌群中；而剖腹产的婴儿肠道菌群影响因素很多，比如未接触母体的阴道及粪便菌群、长时间住院、长时间使用抗生素等，其产气荚膜梭菌、大肠埃希菌、艰难梭菌定植较多，而拟杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌定植少且晚[9]。而在使用抗生素的婴儿中，乳酸杆菌、双歧杆菌和肠球菌数量减少[10]。出生后，喂养的模式也是影响肠道菌群的重要因素。母乳喂养的婴儿有较多的双歧杆菌、乳杆菌、葡萄球菌和链球菌定植；非母乳喂养的婴儿有较高的拟杆菌、梭状芽孢杆菌、变形菌门定植[10-11]。断奶并给予固体食物后，肠道菌群差异逐渐消失，其构成趋于稳定。此后，饮食成为肠道菌群的主要影响因素[12]。

2 肠道菌群和衰老

老年和青年人的肠道菌群不同，这种差异与衰老本身相关，如老年人生活方式、饮食改变、运动量减少和免疫功能减弱等[13]。一般而言，老年人肠道菌群的多样性减少，有益菌减少而兼性厌氧菌增多[14]。具体而言，与青年人比较，老年人厚壁菌门(主要是梭菌属XIVa 和柔嫩梭菌)、放线菌门(主要是双歧杆菌)减少，而变形菌门增多。以双歧杆菌为例，婴儿时期所占比例为90%，而至成年下降至5%；随年龄增长，双歧杆菌数量下降。部分肠道菌属在老年人中的研究结果并不一致。例如，Odamaki等报道367例日本人的肠道菌群，发现老年人中拟杆菌门升高[15]。Salazar等报道76例西班牙人，发现老年人中拟杆菌门减少，乳酸杆菌增加[16]。Hopkins等报道26例英国人，老年人中乳酸杆菌减少。对于老年人肠道菌群的研究结果不同，可能是因为地域差异或菌群检测方法不同[17]。从菌群功能的角度来看，与青年人比较，老年人优势菌群的特点是短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)合成和糖分解的能力下降，而蛋白分解能力增强[18]。

百岁老人是健康衰老的代表，因为其能延缓和避免慢性疾病发生。在这一群体中的肠道菌群，可作为健康肠道菌群的典范。Kong等研究[19]，纳入中国的老年人(90～99岁)和百岁老人(≥100岁)，发现百岁老人肠道菌群多样性较高，产SCFAs的梭菌属XIVa增加。分析长寿老人的肠道菌群，有益菌(Akkermansia、Bifidobacterium、Christensenellaceae)的数量增加。Eubacterium limosum 被认为是一种可预测长寿的细菌，因其在百岁老人中明显增高。因此，有学者认为，给患有衰老相关疾病的老年人移植百岁老人的粪便，使之获得健康的肠道菌群，或可缓解症状及提高生活质量。

3 肠道菌群与免疫、炎症反应关系

肠道菌群参与肠粘膜免疫系统的发育，调节免疫稳态和炎症反应，而肠粘膜免疫系统也调控肠道菌群的组成和功能[20-21]。一旦这种平衡关系被打破，则会引起消化系统疾病。辅助性T细胞17(Th17)是近年来发现的一类新的CD4+辅助T细胞亚群，可分泌IL-17、IL-21、IL-22等。其中IL-17不仅本身作为促炎因子，还可促进TNF-α和IL-1β分泌，加重炎症反应。研究显示[22]，无菌小鼠中的Th1和Th17细胞明显减少，重建肠道菌群后两种免疫细胞恢复。Furusawa等报道[23]，梭菌属可以通过产生丁酸盐诱导调节性T细胞(Treg，一类控制体内自身免疫反应性的T细胞亚群)。无菌小鼠肠腔中SCFAs水平下降，同时肠道Treg细胞也减少；给予无菌小鼠共生菌或者SCFAs后，Treg细胞数量恢复。提示肠道细菌对于免疫系统及炎症反应的重要性。

Wolford在1969年首次提出，与增龄高度相关的免疫功能失调，即免疫衰老(immunosenescence)。Franceschi等于2000年时提出，机体衰老过程中，固有免疫被激活，导致出现一种低水平、慢性炎症状态，即炎性衰老(inflamm-aging)。两者均与衰老相关疾病的发生有关。肠道菌群调节免疫稳态和炎症反应，无疑也参与衰老相关疾病的发病。

4 肠神经系统、肠粘膜屏障与衰老

肠神经系统(enteric nervous system，ENS)由形态和功能特异的神经元组成，这些神经元聚集成神经节，散在分布于整个消化道中。肠神经系统是机体最大最复杂的外周神经系统，在消化道中有着重要的调节作用，如肠道动力、营养物质吸收、粘液和内分泌激素分泌等[24]。肠道菌群影响ENS的发育和功能，如通过分泌5-羟色胺促进肠神经系统的发育成熟[25-26]。与机体其他部分的神经元比较，肠神经元更容易受到衰老相关的影响，这可能归因于衰老过程中肠道菌群失调、促炎因子增加[27]。机体衰老过程中，ENS是否退化仍有争议。Gamage等研究显示，老年小鼠远端结肠的肌间神经元数量并未减少[28]。然而，在很多研究中均可见衰老相关的ENS退化，如肠神经节形态改变、老化的神经元中脂褐素沉积、α-突触核蛋白免疫反应性聚集体和高磷酸化的tau蛋白等[29-31]。衰老过程中ENS退化，其机制尚不明确，神经细胞的氧化应激或自由基的损伤、钙失调、钠离子通道改变等或与之相关[30, 32]。

正常的肠黏膜屏障可以阻挡病原微生物入侵，对于维持机体的健康具有重要作用。肠黏膜屏障功能损伤可引起肠道渗透性增高、炎性因子增加、肠道菌群失调，从而引发炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)、乳糜泻等疾病[33]。目前衰老是否引起肠黏膜屏障功能减退尚有争议[34]。Thevaranjan等[35]研究显示，衰老相关的肠道菌群失调可引起肠黏膜屏障功能减退和肠道渗透性增加，细菌及其产物进入循环系统，激活巨噬细胞，引发炎症反应。而Valentini等[36]研究认为，小肠黏膜屏障功能并未随机体衰老而减退。但是，机体衰老对于肠粘膜屏障影响的具体机制尚不清楚。有研究认为衰老过程中低度炎症状态会增加肠粘膜渗透性[37]。

5 肠道菌群和衰老相关的疾病

随年龄增长，与肠道菌群紊乱相关疾病的发生率增高[38]。全球人口老龄化而导致代谢性疾病发生率升高。肠道菌群失调与肠粘膜屏障损伤、促炎因子增加相关。这些因素与很多代谢性疾病相关，如肥胖、胰岛素抵抗、脂肪肝、动脉粥样硬化、心血管疾病(cardiovascular disease，CVD)等[39]。CVD的发生和发展与脂质代谢和肥胖密切相关。研究显示肠道菌群在肥胖和脂质代谢性中起重要作用[40]。与健康人比较，CVD患者的粪便标本中拟杆菌较低，梭菌属和乳酸杆菌较多[41]。Kelly等研究显示[42]，肠道菌群多样性增加与心脏疾病风险减低相关。

衰老相关的肠道菌群改变，通过ENS影响脑-肠轴，阻断神经、内分泌、营养和免疫信号，并在中枢神经系统疾病中也起到一定的作用，如帕金森综合征(Parkinson’s disease，PD)、阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease，AD)、多发性硬化、孤独症、抑郁症、焦虑症等[43]。PD的消化系统症状包括便秘、营养不良、吞咽困难、胃排空障碍、幽门螺旋杆菌(Helicobacter pylori，HP)感染、小肠细菌过度增长等。这可能与ENS受累和肠道菌群改变相关[44]。PD患者中某些肠道菌属变化较大。例如，HP感染在PD患者中高发，其通过延迟左旋多巴的吸收，引起胃肠动力损伤[45]。

淀粉样物质是异常折叠的不可溶性蛋白聚集体，参与AD的发病。肠道菌属如Bacillus、Staphylococcus aureus、Streptomyces和E.coli可以分泌淀粉样蛋白，其可诱导氧化应激反应，激活小神经胶质细胞，促进TNF-α、IL-1、IL-6等炎症因子释放。随着衰老进程，肠上皮细胞层和血脑屏障的渗透性升高，这些肠道菌群的代谢产物通过血脑屏障进入脑内，诱发AD。临床研究显示，乳酸菌、双歧杆菌可调节肠道菌群，对AD患者的认知功能具有改善作用。这些有益菌产生的外源性多胺可能与之相关。多胺可抑制炎症因子的产生，也具有抗氧化的作用。肠道菌群可通过调节色氨酸的代谢，从而调控体内5-羟色胺的水平。肠道菌群的代谢产物可以刺激肠内分泌细胞释放5-羟色胺，平衡AD患者体内的神经递质[46]。

年龄相关的骨质疏松，也称为老年性骨质疏松，是骨质疏松的一种类型。伴随衰老进程，骨内干细胞向脂肪细胞转化，成骨细胞减少，破骨细胞增加，骨代谢失衡，导致骨密度下降、骨脆性增加，易发生骨折。肠道菌群影响骨代谢过程。Sjogren等发现[47]，与正常小鼠比较，无菌小鼠远端股骨的骨密度增高、破骨细胞数目减少；通过移植正常的肠道菌群，小鼠的骨密度恢复正常。肠道菌群可能通过改变免疫反应，影响破骨细胞介导的骨吸收。

结肠癌是消化系统常见的恶性肿瘤，平均诊断年龄为70岁。越来越多的证据表明肠道菌群与结肠癌的发生关系密切[48]。基因组分析显示，结肠癌和结肠腺瘤组织中梭菌属较非癌组织多；结肠癌和腺瘤患者的粪便标本中也有较多的梭菌属[49]。比较结肠癌和非结肠癌患者的粪便菌群，结肠癌的患者中产丁酸的细菌减少，机会性病原菌增加[50]。推测这些改变加重了炎症反应，促进了癌症的发生。

难辨梭菌感染(Clostridium difficile infection，CDI)是急性腹泻的常见病因。与青年人比较，老年人CDI发生率较高。究其原因，老年人去医院、护理机构的次数较多，常使用抗生素和接触难辨梭菌孢子；另外，机体在衰老过程中，潘氏细胞功能和lgA介导的肠粘膜免疫功能下降、促炎因子水平升高和肠粘膜渗透性增加，均增加了老年人感染的风险[37]。抗生素(如甲硝唑、万古霉素)虽可用于治疗CDI，但复发率高达35%。对于复发的CDI患者，粪便菌群移植(fecal microbiota transplantation，FMT)不失为一种可行的方法[51]。

6 调节肠道菌群治疗衰老相关疾病及延缓衰老

衰老和肠道菌群关系密切，通过调节肠道菌群预防和治疗衰老相关性疾病，甚至延缓衰老，也成为研究的热点[52]。调节肠道菌群以延缓衰老的机制目前还在研究中，比如给予益生菌、高纤维饮食等，可恢复肠道菌群稳态，改善健康状态；调节肠道菌群可能减轻炎症反应和减少适应性免疫应答；其他的机制，包括增强抗氧化活性、调节宿主脂肪储存和代谢、抑制胰岛素抵抗、恢复肠粘膜屏障和免疫稳态、提高短链脂肪酸的水平、上调涉及异生物质代谢相关的基因等[53]。

微生物的代谢产物SCFAs(丁酸盐、丙酸盐、醋酸盐)有益于机体的代谢和生理健康，如维持肠腔酸性环境、增加有益菌、促进粘液分泌、维持肠粘膜屏障功能等。主要的短链脂肪酸可作为肠粘膜上皮细胞能量来源的5%～10%[54]。丁酸盐可能通过抑制组蛋白脱乙酰酶，预防结肠癌[55]；也有研究显示，丁酸盐通过减轻结肠炎症，抑制结肠癌发生[56]。丙酸盐有助于胆固醇的合成，对于肝脏的糖异生具有重要作用，并可预防转移性肝癌[57]。醋酸盐作为肝脏脂肪生成和胆固醇合成的物质，可调节结肠血供，预防肝癌[58]。

与青年人比较，老年人饮食改变(高纤维素饮食减少)、服用抗生素较多，其菌群代谢产物如SCFAs的水平下降[59]。SCFAs水平下降会增加有害菌数量，增加病原菌进入肠粘膜的风险，也会增加IBD的风险。衰老相关的SCFAs水平下降可能是衰老相关的慢性疾病的原因之一。例如，丁酸盐水平降低可增加肠粘膜渗透性、增加感染风险，与肠道炎症性疾病相关[54]。丙酸盐水平降低则可影响肠道糖原异生，通过GPR-41影响脑肠轴[60]。研究显示，SCFAs水平降低可影响神经和免疫活动，增加与神经退行性病变相关的肠道疾病的风险，包括腹泻、便秘、肥胖和糖尿病等[61]。因此，干预老年人的饮食，如给予高纤维膳食、难以消化的碳水化合物，这些物质经肠内细菌发酵产生SCFAs，可恢复肠道内环境稳态，从而达到治疗疾病的目的。

益生菌是对健康有益的活菌制剂(主要是双歧杆菌和乳酸杆菌)；益生元是不易被机体消化的物质(菊粉、低聚半乳糖、低聚果糖等)，在结肠中可促进有益菌的生长。两者不仅治疗目标相同，即可恢复和维持肠道内环境稳态，而且还具有协同作用。益生菌可将益生元发酵分解，升高SCFAs、特别是丁酸盐的水平，从而发挥免疫调节和抗炎的作用[62-63]。

FMT是将健康人的粪便移植到患者的肠道，可用于治疗难治性难辨梭菌感染[64]。对于其他肠道相关的疾病，如IBD、IBS、肥胖、2型糖尿病等，也可能具有较好的治疗前景[65]。FMT主要的挑战是技术标准化及除外感染的风险。预测可以通过移植长寿老人的粪便，达到预防衰老相关疾病和延缓衰老的目的。但是其有效性及相关副作用还需要深入研究。

综上所述，衰老及衰老相关疾病与肠道菌群关系密切。衰老影响肠道菌群构成，而肠道菌群失调也可能促发衰老相关疾病。随着全球人口老龄化，促进老年人的身体健康、提高其生活质量是世界各国面临的问题，调节和维持老年人肠道菌群稳态可能是预防和治疗衰老相关疾病及延缓衰老的手段，值得深入探讨和研究。