肠道菌群与衰老的关系及其潜在机制

综述目录

1 前言

2 人体肠道菌群的组成和功能

3 与年龄相关的肠道菌群的变化

4 长寿老年人的肠道菌群

5 健康老龄化的途径和潜在机制

6 结论

主要内容

1 前言

人体微生物与宿主共同进化形成了一种错综复杂的互利关系，对宿主健康产生必不可少的影响。越来越多的研究发现，肠道菌群的平衡和稳定在维持人体健康中发挥着重要的作用。衰老、疾病、压力、抗生素、不良饮食习惯和生活方式等因素都会影响菌群多样性和组成，造成肠道菌群失调。尤其衰老，往往会伴随着肠道屏障功能下降，免疫下降，增加患心血管疾病、糖尿病、阿尔兹海默症、结直肠癌等疾病的风险。尽管过去几十年里，我们对衰老的原因和影响有了一定的深入了解，但衰老仍是一个无法避免的生物学问题。现代物质水平和医疗水平的提高降低了老年疾病的风险，也在一定程度上延长了人类的寿命。平均寿命的延长使老年人占总人口比重加大，老年人的福祉需要被重视，了解衰老与肠道菌群之间的关系和机制有助于更好的改善老年人的健康状况。长寿老人是健康衰老的代表，近年来有很多学者研究长寿老人的肠道菌群特点，探索肠道菌群在健康衰老和长寿中可能发挥的作用。然而，长寿这种健康的衰老究竟是伴随肠道菌群发育的结果，还是肠道菌群变化的原因，目前尚不清楚。既然长寿与肠道菌群有着密不可分的联系，那么如何通过靶向调节肠道菌群，进而影响健康衰老，帮助老年人预防或改善一些老年疾病的发生，是一个值得探究的方向。本篇综述总结了肠道菌群的年龄效应以及不同国家的百岁老人肠道菌群结构的异同，并且强调了饮食干预、粪菌移植、益生菌这些方法，特别是益生菌在调节肠道菌群改善老年人健康方面的潜力。

2 人体肠道菌群的组成和功能

胃肠道是人体中微生物密集的地方，据估计，胃肠道的微生物数量超过1014个。主要以细菌为主，还包括真菌、病毒、古菌和原生生物。其中，细菌和病毒(主要为噬菌体)目前被广泛研究。

肠道菌群中存在1000-1150种细菌，主要由四个菌门组成(厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门)约占肠道菌群数量的98%，健康肠道菌群由拟杆菌门和厚壁菌门为主。占主导地位且与人类健康相关的菌属包括Bacteroides、Lactobacillus、Bifidobacterium、Clostridium clusters XIVa、Eubacteria、Faecalibacterium、Roseburia。肠道中还存在一些致病菌如Escherichia coli、Clostridium difficile、Shigella、Salmonella、Listeria、Vibrio cholerae等。此外，健康的人类肠道中大约有1015个噬菌体，某些活跃噬菌体在维持健康肠道生态系统的结构和功能中起着关键作用。肠道菌群通过分泌各种因子来调节肠道通透性、上皮细胞功能、先天性和适应性免疫、肠道运动和神经传递。有益菌可参与短链脂肪酸、胆固醇、胆汁酸、维生素、氨基酸等的代谢，对肠上皮细胞具有保护作用，使肠道处于稳态。有害菌在肠道中分泌毒素，破坏肠道上皮细胞，进而引发一系列炎症和疾病。肠道生态系统是一个由宿主及菌群相互协调的动态且平衡的系统，如果这种平衡被打破，可能会导致一些疾病发生，例如胃肠道疾病、代谢性疾病和中枢神经系统相关疾病。因此有一个稳定、平衡的肠道菌群对人体健康非常重要。近年来，关于衰老如何影响肠道菌群的研究越来越多。婴儿出生时肠道菌群开始定植，随着生长发育而变化，并在某种程度上决定了人在早期和晚期对疾病的易感性，进而影响人的寿命。

3 与年龄相关的肠道菌群的变化

一个世纪以来，科学界一直持有“宫内无菌”的观点，直到2014年一项研究发现，胎盘中有少量与口腔菌群相似的细菌，推测婴儿微生物群定植的动态和复杂过程可能在子宫内就开始。而近期研究表明，人类胎盘中不包含微生物群，但可能存在病原体。总之目前，关于婴儿的肠道菌群定植是否从出生前开始还存在争议。

与成人相比，婴儿具有动态且高度个体化的微生物特征。随着母乳喂养，婴儿出生后1周里简单的专性厌氧菌(主要为双歧杆菌)开始定植，变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门增加，形成简单的群落。6个月左右开始引入固体食物，婴儿肠道菌群多样性继续增加，双歧杆菌仍是婴儿肠道的优势菌群。是否足月、分娩方式、喂养方式都会在一定程度上影响婴儿肠道内双歧杆菌或乳杆菌的定植和肠道菌群多样性。在3岁之前，儿童逐渐形成了一个稳定的肠道结构，但与成人之间的功能和分类仍存在差异。儿童肠道菌群的组成在很大程度上受到食物类型、生活的环境和生活方式的影响。研究表明，学龄前和学龄儿童的肠道菌群在整体组成方面与成人相似，但某些特征尚未完全成熟，双歧杆菌仍比成人更丰富，这个趋势可能会逐渐下降直到成年。

青春期是性成熟相关的生理变化和向成年过渡的阶段，性别可以解释大约1%的个体肠道菌群差异，还有4%与胎龄有关。据研究表明，与成年人比，梭状芽胞杆菌和双歧杆菌在青少年中较为丰富，但两组之间的物种数量仍然相似，肥胖会使青少年菌群多样性下降。有人提出，在从婴儿期到青春期的成熟过程中，微生物群会发展出一种抗生素耐药性基因，生命早期抗生素的使用对微生物组成的影响似乎在青春期阶段逐渐淡化了。

利用肠型可以将成年人肠道菌群分为三类：拟杆菌型(Bacteroides)、普雷沃菌型(Prevotella)和瘤胃球菌型(Ruminococcus)。肠型似乎与国籍、性别、年龄或体重指数无关，与长期饮食模式有关，并受到短期饮食影响。肠道菌群的多样性随着年龄的增长而增加，年轻女性的肠道多样性大于男性，这种差异可持续到40岁。有学者提出了不同年龄群所共有的一个核心微生物群，包括拟杆菌科、瘤胃球菌科和毛螺菌科，而随着年龄增长优势菌科的比例会有所变化。我们实验室曾对来自中国9个省份7个民族20个农村和城市队列的314名健康成年人(18到35岁)的粪便样本进行分析，发现所有样本拥有一个共同的核心菌群，包括Bacteroides、Phascolarctobacterium、Roseburia等9个生产短链脂肪酸的菌属，而这些菌属的物种水平组成特征又受到民族、地理位置、生活方式影响。以上研究都表明，健康人的肠道菌群可能普遍存在一个系统发育核心，对人类健康有着不可或缺的功能，受环境影响与宿主共同进化。

随着衰老，人类肠道内的微生物多样性减少，老年人与年轻人相比厚壁菌门和放线菌门比例减小，变形菌门比例增加。由于个体间差异较大，老年人的“典型”肠道菌群很难定义。这种差异来自于生活方式和饮食习惯的改变、免疫力的减弱、肠道整体功能的降低、肠道形态和生理机能的改变及抗生素的使用等。

4 长寿老年人的肠道菌群

世界卫生组织对老年人进行了年龄划分，60-74岁为年轻老年人，75-89岁为普通老年人，90岁及以上可称为长寿老年人。长寿是衰老的积极一面，是环境、遗传、表观遗传和环境相互作用的结果。肠道菌群作为健康衰老的重要介质，已受到越来越多的关注。百岁老人可以延迟甚至避免慢性疾病，因此被用作健康老龄化研究的一个模型。我们实验室曾利用乳酸菌和双歧杆菌特异性引物结合PacBio SMRT测序技术，全面分析了中国不同年龄组肠道中乳酸菌和双歧杆菌的多样性及结构组成。结果显示，长寿组的短双歧杆菌和长双歧杆菌的相对丰度高于其他年龄组。百岁老人失去了成年人中一些重要的核心菌群，并同时获得了大量新的微生物成分包括潜在的病原体和外来微生物，但仍能维持健康的状态，说明长寿老人的肠道菌群是一种独特的存在。

通过对意大利、中国、韩国、印度、俄罗斯等国家百岁老人肠道菌群的对比分析，我们发现了一些共同的特征：在门水平上，厚壁菌门亚群的相对比例发生了重排，变形菌门丰度增加；且他们共同的优势菌科都包含瘤胃球菌科、毛螺菌科、拟杆菌科和克里斯坦森菌科；一些潜在的致病菌增加，如肠杆菌科和脱硫弧菌科。属水平上，Akkermasia和Methanobacter增加，而Faecalibacterium和Prevotella减少。与传统观点(即肠道菌群多样性随着衰老过程而减少)不同，几乎所有地方的百岁老人都比其他年龄组表现出更高的肠道生物多样性。

此外，不同国家或不同地区长寿老人的肠道菌群也有着各自的特点。意大利百岁老人队列中发现了高水平的Bifidobacterium longum subsp. longum和 Bifidobacterium adolescentis。相比于其他国家，印度长寿老人的丹毒科、肠杆菌科和瘤胃菌科更丰富。俄罗斯百岁老人的肠道菌群结构与意大利队列更相似，但Lactobacillus更丰富，Desulfovibrio丰度较低。日本一项包含0~100岁样本的研究显示，肠道菌群多样性随年龄增长而增多，队列中长寿老人肠道中的Faecalibacterium、Roseococcus、Prochlorococcus、Clostridium、Enterobacter丰度下降。中国的长寿地区有很多，广西巴马县的百岁老人与年轻的老人相比双歧杆菌种类更丰富，Lactobacillus、Faecalibacterium、Parabacteroides、Akkermansia等菌属丰度明显较少，Roseburia和Escherichia的丰度更高。中国湖南省高田村的长寿老人肠道内的Enterococcus、Lactobacillus、Clostridium perfringens等水平普遍高于同地区的中年人，并且发现了一定比例的Methanobacterium、Butyricimonas、Deinococcus、Streptococcaceae。Luan等人对百岁老人的肠道菌群进行1年以上的纵向抽样，发现从死亡前7个月开始，海南百岁老人肠道菌群组成发生变化，如Akkermasia的丰度呈下降趋势，Bifidobacterium longum subsp. longum的丰度随身体状况的下降而增加。另外，研究者推测百岁老人在缺乏碳水化合物降解基因的情况下，仍有具有很高的中枢代谢能力，特别是糖酵解、短链脂肪酸、丁酸盐的生产。

多种因素可能导致不同地区百岁老人肠道菌群的差异，如宿主生理下降、饮食变化、免疫功能下降、炎症增加和遗传，运动、药物治疗、生活方式和健康状况也可能是重要的因素。由于很难进行关于长寿老人的纵向实验，迄今为止还无法说明这种独特的肠道菌群结构是长寿的原因，还是随着健康衰老而产生的结果。

5 健康老龄化的途径和潜在机制

肠道菌群在人类生命的几十年仍在继续发展，与年龄相关的免疫系统功能下降和慢性炎症，可能是引起与衰老相关的肠道菌群改变的原因。近年来，肠道菌群成为与衰老相关的疾病的潜在治疗靶点，越来越多的报道称通过饮食干预、粪便微生物群移植和益生菌干预来靶向调节肠道菌群，可以影响宿主的健康和衰老。

在动物实验中，热量限制(CR)可以平衡肠道菌群的结构，以促进健康，被认为是能有效延长实验动物寿命的实验方案。近年来，模拟CR的干预措施也被开发出来，包括间歇性禁食、常量营养素调节和限时饮食。许多报告声称，CR对与衰老相关的疾病有保护作用，如肥胖和糖尿病、心血管疾病、肾脏疾病、自身免疫性疾病和癌症，从而延长了预期寿命。研究发现，CR和禁食期间的代谢、转录、蛋白质组学和微生物群的改变可能增强机体抗性、细胞和DNA修复、自噬和线粒体功能，从而发挥有益作用。然而，限制热量通常会减少正常热量摄入的20-40%，这可能导致营养不良、骨质疏松症、肌肉质量减少和其他不良现象。热量限制和禁食的临床使用仍处于起步阶段，特别是对于特殊人群如老年人和低BMI的人群，因此未来需要更多相关的临床试验来验证。另一方面，许多研究发现饮食方案与心血管疾病等老年相关疾病风险之间存在联系，包括地中海饮食、冲绳饮食和预防高血压的饮食方法。一项来自五个国家共同开展的“NU-AGE”项目，对老年人进行了为期1年的饮食干预。研究结果表明，地中海饮食可以调节肠道菌群，从而有可能促进更健康的衰老。由于国家、性别和个人因素的复杂性，饮食模式对延长寿命的作用和机制仍不清楚。

粪便微生物群移植(FMT)是一种有效治疗老年人艰难梭菌感染的新选择，此外，使用FMT来改善老年人常见的代谢性疾病、炎症性肠病、克罗恩病和神经退行性疾病也显示出了一些有希望的试验结果。FMT成功的一个重要方面是因为它能使受体获得供体的肠道菌群，恢复宿主的代谢缺陷。在一项动物实验中，将老年小鼠的粪便微生物群移植到年轻小鼠中会导致肠上皮屏障完整性的破坏和加速衰老相关炎症，而将年轻小鼠的粪便微生物群移植到老年小鼠中则逆转了上述衰老相关特征。在另一项实验中，野生型小鼠粪便菌群移植到早衰小鼠体内，改善了小鼠健康和寿命延长，代谢组学分析显示其肠道菌群产生的次级胆汁酸得到恢复。肠道菌群及其代谢物的修复被认为是健康衰老的潜在过程。因此，FMT有望通过调节肠道菌群来影响代谢物水平，以治疗炎症相关组织衰退，并在老年获得更长的寿命，但这需要广泛的基于人群和临床试验来验证。而FMT治疗老年疾病的传递方法和微生物菌株还需要合理设计和严格控制，并考虑微生物多样性、分类组成和供体-受体因素。

益生菌、益生元通过调节肠道菌群组成，增加有益菌，抑制条件致病菌、产生有益代谢物(短链脂肪酸、丁酸盐)，从而恢复肠道生态、减轻氧化炎症、积极影响与年龄相关的免疫功能障碍，从而改善老年人健康状况。

研究的益生元包括菊粉、低聚果糖(FOS)、低聚异麦芽糖(IMO)和低聚木糖(XOS)。研究表明，FOS能够通过增加丁酸盐的产生和乳酸杆菌的数量，来抵消抗生素对老年人肠道菌群产生的影响，XOS可以增加双歧杆菌百分比。一项研究中，XOS显着增加了老年人双歧杆菌的数量和粪便的水分含量，降低了粪便的pH值，但只是短期效应，在3周后又恢复基线水平。Vulevic等人发现一种半乳糖-寡糖混合物B-GOS可增加健康老年人肠道内的有益菌，提高抗炎细胞因子IL-10产生，对免疫反应有积极影响。

双歧杆菌属和乳酸菌属是传统的益生菌，被研究报导的也多。在一些动物实验中，益生菌可以调节衰老小鼠的肠道菌群，改善代谢特性，增加小鼠的寿命和记忆，并减少大脑氧化应激。秀丽隐杆线虫被认为是研究衰老的合适的生物学模型，一项研究发现，几种益生菌菌株通过与胰岛素/胰岛素样生长因子-1和p38丝裂原活化蛋白激酶等常见的生化途径相互作用，可以减缓线虫的衰老。混合益生菌(Lactiplantibacillus plantarum、Limosilactobacillus fermentum、Bifidobacterium longum subsp. infantis)和Triphala(一种新型富含多酚的益生元)的组合可改变果蝇肠道菌群并延长寿命。也有研究持相反结果，Ma等人发现混合益生菌可以使果蝇肠道细菌多样性增加，但果蝇平均寿命和中位寿命却下降了。

目前已有大量人群试验表明，不同菌株的益生菌可以缓解老年人的便秘问题，常测试的细菌菌株是长双歧杆菌。有研究表明，Bifidobacterium longum subsp. longum Bar33和Lactobacillus helveticus Bar13联合可改善老年人衰老过程中肠道和外周部位的免疫功能。但也有实验结果无差异，Lacticaseibacillus rhamnosus GG和Bifidobacterium animalis subsp. lactisBB-12联合干预6个月，对居住在疗养院的老年人的广泛免疫生物标志物没有任何影响。Bifidobacterium breve A1可改善阿尔兹海默症和轻度认知障碍受试者的记忆力，减少炎症和氧化应激，有维持记忆障碍老年人认知功能的潜力。目前有很多研究发现将益生菌与益生元结合，比单独利用益生菌效果更好，例如可溶性玉米纤维与鼠李糖乳杆菌联合使用有增加老年妇女的自然杀伤细胞活性来促进先天免疫的趋势。此外，有学者提出益生菌与植物多酚结合具有协同效应，多酚可以增加益生菌在胃肠道的存活，并影响短链脂肪酸等某些代谢物，有助于缓解衰老和相关疾病。

Lacticaseibacillus casei Zhang(LCZ)、Lactiplantibacillus plantarum P-8、Bifidobacterium animalis subsp. lactis V9是我们实验室研究多的明星菌株。通过研究这3株益生菌的复合制剂对不同年龄段犬肠道菌群的影响，发现其对老年犬的作用明显：益生菌改变了老年犬的肠道菌群结构，增加有益菌，减少潜在有害菌，促使老年犬肠道菌群向着更年轻的状态转变。LCZ分离自传统发酵马乳，是我国第1株完成全基因组测序的乳酸菌，并具有极高的遗传稳定性。在一项长期临床试验中，服用LCZ改善了老年人的排便频率和一些血液参数。在此基础上又分析了LCZ对成人和老年人肠道菌群的影响，发现长期使用LCZ可稳定成人和老年人的肠道菌群，并使老年人肠道更加年轻化，但老年人受试者可能需要更长时间的治疗才能达到肠道菌群的稳定作用。总的来说，长期服用LCZ以年龄依赖性的方式调节肠道菌群。LCZ的益生菌特性已被体外和体内实验广泛表征，但其调节肠道菌群的机制尚不完全清楚。

肠道菌群是衰老过程中的可控因素，益生菌益生元通过调节肠道菌群及其代谢物的组成和结构，从而促进代谢和肠道免疫，可能是健康衰老的潜在途径之一。尽管在体外机制和动物研究中已经发现了益生菌几种可能的抗衰老机制，但新的临床数据强调，益生菌对健康老年人的免疫调节作用是其主要的健康功效。目前，益生菌对衰老的积极作用是高度可变的，对老年人使用益生菌的研究缺乏对其对多种健康结果的影响的全面概述，迄今为止的研究只测试了较短的干预时间或样本量有限，而且大多数研究只关注健康的老年人。住在养老院的老年人不可避免地会有更多的健康问题。在未来，养老院的老年人也应该被纳入研究，益生菌在摄入后持续的时间也值得深入探索。

结论

人类肠道菌群菌群从出生时就存在，并可能在一定程度上决定了早期和晚年疾病的易感性而影响寿命。越来越多的证据表明，在衰老过程中肠道菌群结构和功能发生变化。长寿与肠道菌群的变化之间确实存在着复杂的联系，但两者的因果关系还未可知。益生菌在调节肠道菌群促进健康衰老中展现出很大的潜力，其疗效依赖于菌株特异性、疾病、剂量和治疗时间，同样受个体差异性和肠道抗药性的影响。关于益生菌在稳定人类肠道菌群方面的作用，特别是针对年龄依赖的调节作用的研究相当有限，未来我们还需要进行大量更大规模、更高质量的临床试验探究益生菌、肠道菌群与长寿之间的关系，进而揭示促进长寿背后的潜在机制。