腸道產甲烷菌與腸道疾病的關系研究進展

易 鑫，肖嫩群，譚周進

(湖南中醫藥大學，湖南 長沙 410208)

腸道產甲烷菌不是致病菌，但腸道產甲烷菌的數量異常會對人體產生一定影響。正常情況下，腸道產甲烷菌和其他微生物之間相互共生與競爭，形成動態平衡[1]。若平衡破壞，機體會出現病理及生理上的改變。研究[2]表明，腸道產甲烷菌與肥胖、腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)、炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、結直腸癌(colorectal cancer，CRC)、憩室病等疾病存在一定聯系。本文通過查閱國內外文獻，對腸道產甲烷菌與腸道疾病的關系研究進展進行綜述，著重梳理腸道產甲烷菌在人體腸道疾病中可能發生的機制，以期探尋治療腸道疾病的有效靶點。

1 產甲烷菌的特點及種類

產甲烷菌是一類厭氧型原核生物，屬古生菌，廣泛分布于淡水、海洋沉積物、潮濕土壤和腸道等環境中，包括甲烷桿菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目、甲烷八疊球菌目、甲烷火菌目、甲烷胞菌目六個目，屬歐亞大陸門[3]。腸道主要產甲烷菌為史氏甲烷短桿菌(Methanobrevibactersmithii)，其次是斯氏甲烷球形菌(Methanosphaerastadtmanae)，在腸道黏膜和糞便中還發現了其他腸道產甲烷菌，見表1。其中來源于腸道黏膜的菌群不易受外界環境影響，較糞便菌群穩定[7]。根據產甲烷菌底物不同，分為氫營養型、甲基營養型和乙酸營養型產甲烷菌[8]，見圖1。腸道產甲烷菌產物主要為甲烷，因為產甲烷菌的特殊細胞成分及甲烷代謝功能，能將底物在厭氧條件下發酵轉化成甲烷[10]。甲烷生成有甲基營養型、二氧化碳還原型和乙酸裂解型途徑，三種途徑都形成甲基輔酶M，然后在甲基輔酶M還原酶Ⅰ(MCR-Ⅰ)和甲基輔酶M還原酶Ⅱ(MCR-Ⅱ)催化下形成甲烷[11-12]。腸道產生的甲烷主要以腸道廢氣排出體外，其余通過循環系統由肺排出。甲烷的排出不僅能縮小腸道氣體體積，還能為腸道提供良好的厭氧環境，促進其他厭氧菌生長[1]。此外，腸道產甲烷菌能與其他菌群互利共生，共同促進營養代謝，還能與硫酸鹽還原菌同時存在且相互競爭氫氣。若菌群平衡偏向于硫酸鹽還原菌，會生成對腸道有害的硫化氫，導致炎癥和上皮細胞損傷。腸道產甲烷菌與腸道菌群之間的共生競爭關系，對穩定腸道微生物區系，保障腸道健康有著重要意義。

表1 目前已知人體腸道產甲烷菌的種類及來源

2 腸道產甲烷菌的定植特征

產甲烷菌在人體腸道中普遍存在且早期定植。研究[13-14]發現，新生兒出生1d胃就定植史氏甲烷短桿菌，且早產兒胎糞中檢測到產甲烷菌，新生兒腸道產甲烷菌可能來源于分娩過程中與母體陰道和腸道菌群的接觸[4]。從腸道產甲烷菌的早期定植來看，腸道產甲烷菌不是致病菌，但其定植數量受年齡、性別、遺傳和環境等因素影響。腸道產甲烷菌至青少年時期基本穩定，并達到成年人水平。在青少年和成人群體中，女性產生的甲烷明顯多于男性[15]。雙胞胎對比研究[5]發現，史氏甲烷短桿菌在同卵雙胞胎中比異卵雙胞胎具有更高的遺傳性。產甲烷菌在人體結腸中的分布與糞便黏稠度有關，而左半結腸糞便較硬，產甲烷菌更占優勢[4,9]。根據甲烷呼氣試驗情況，可分為產甲烷者和非產甲烷者。1/3的正常人能通過呼氣試驗檢測到甲烷，但呼吸試驗缺乏敏感性，需產甲烷菌達到約108/g糞便時才能檢測到甲烷，因此一般情況下呼氣試驗檢測不到甲烷，但腸道中可能存在產甲烷菌[15-16]。

3 腸道產甲烷菌與疾病的關系

3.1 與肥胖 肥胖及其相關代謝性疾病，如2型糖尿病、高血壓、動脈粥樣硬化、非酒精性脂肪肝等已成為全球性公共衛生難題[17]。腸道產甲烷菌能影響宿主的能量和代謝，促使肥胖發生。第一，史氏甲烷短桿菌與酵解多糖的多形擬桿菌混合接種小鼠的體重高于單一菌種接種小鼠的體重[2]?？赡苁且驗槭肥霞淄槎虠U菌消耗氫氣，使腸道氣體體積縮小，維持腸道厭氧環境，其他厭氧菌的發酵效率和無氧酵解效率提高，從而升高了短鏈脂肪酸水平，并提高了多形擬桿菌酵解多糖的能力，可吸收的能量增多[1-2]。第二，肥胖受試者中發現腸道產甲烷菌數量高于健康人群[17]。腸道產甲烷菌增多，氫氣消耗增多，導致腸道處于低氫分壓狀態，這種狀態使得NADH氧化還原中的電子以氫原子形式釋放，因此發酵微生物通過還原質子形成氫氣而不是還原丙酮酸形成二羧酸和乙醇再氧化NADH，這使丙酮酸積累，導致底物水平磷酸化獲得更多ATP，同時發酵微生物生成更多乙酸，乙酸和氫氣又能作為腸道產甲烷菌的底物供其生長、代謝，形成了一個能量更多的代謝循環[18]。另外，甲烷氣體也可通過腸道運輸和腸道神經肌肉功能來影響肥胖發生。將甲烷氣體注入小腸，小腸蠕動速度減慢59%，促使腸道微生物聚集，且食糜在腸道停留和消化時間延長，提高機體對營養的吸收[19]。因此，腸道產甲烷菌的種群動態可作為肥胖發病機制的標志。

3.2 與腸道疾病

3.2.1 IBS IBS 是一種慢性復發性功能性腸病，根據糞便性狀主要分為便秘型(IBS-C)、腹瀉型(IBS-D)和混合型(IBS-M)[20]。研究[21]指出，IBS-C的腸道氣體以甲烷為主，IBS-D以氫氣為主，IBS-M以氫氣和甲烷為主，其中IBS-C腸道產甲烷菌主要為史氏甲烷短桿菌[20]。腹瀉帶來的腸道沖洗會抑制產甲烷菌定植，導致IBS-D和IBS-M腸道產甲烷菌減少，進而使產甲烷菌耗氫減少，腸道氣體體積增加，可部分解釋IBS患者腸道脹氣的原因[20,22]。IBS患者中，甲烷呼氣試驗陽性的患者大多數為IBS-C，且甲烷產生量與便秘的嚴重程度呈正相關[21]。甲烷呼氣試驗陽性的IBS患者在進食糖類1 h后，血清素水平低于甲烷呼氣試驗陰性患者，而血清素水平降低會使腸道蠕動減慢，可解釋IBS患者便秘的原因[20]。

3.2.2 IBD IBD是一種病因復雜的腸道慢性炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎兩種形式，主要臨床表現為腹瀉、腹痛、糞便異常等癥狀[23]。IBD與腸道產甲烷菌存在一定關聯。一方面，研究[24-25]發現，IBD患者中史氏甲烷短桿菌數量明顯低于健康人群，而史氏甲烷短桿菌數量較低會使硫酸鹽還原菌增加，導致硫化氫生成增多，誘發炎癥和上皮細胞損傷。另一方面，IBD患者糞便中斯氏甲烷球形菌數量高于健康人群，而斯氏甲烷球形菌增多，易引起炎癥反應。斯氏甲烷球形菌誘導外周血單核細胞釋放促炎細胞因子能力比史氏甲烷短桿菌強4倍，在人體外周血單核細胞中高度促炎，還能維持與粒細胞反應相關的髓樣樹突狀細胞反應，具有較強的免疫原性[5,26]。因此腸道產甲烷菌在IBD的發生過程中起著關鍵作用。

3.2.3 CRC CRC是一種消化系統的惡性腫瘤，包括結腸癌和直腸癌，為僅次于肺癌的全球第二大癌癥。腸道微生物區系不僅是CRC的主要環境調節器，還是CRC發生的關鍵環境因素[27]。大量試驗表明腸道產甲烷菌與CRC存在一定關聯。研究[27]認為，CRC可能與糞便中丁酸鹽濃度較低有關，若產甲烷菌勝過產乙酸菌，則會缺乏乙酸鹽和具有抗癌作用的丁酸鹽。而產甲烷者體內腸道產甲烷菌數量較多，結腸厭氧作用增強，高度厭氧的腸道環境可增強膽汁酸產生致癌物的能力，產甲烷者更易患上CRC[20]。此外，與健康人群相比，CRC黏膜樣本中有更高水平的腸道產甲烷菌，且腺癌階段的腸道產甲烷菌水平遠高于管狀腺瘤[27]。腫瘤本身也可能通過阻塞增加甲烷產生，腸內容物排空時間延長，腸道厭氧狀態加重，產甲烷菌作用時間延長[20]。相反，研究[28]認為，右半結腸癌的發生可能與腸道產甲烷菌數量減少和糞便pH值降低有關。綜上所述，腸道產甲烷菌與CRC存在密切聯系，但個體差異等因素可能對試驗結果存在一定影響，還需大量試驗來證實腸道產甲烷菌在CRC中的發生機制。

3.2.4 憩室病 憩室病是結腸壁肌層薄弱導致結腸黏膜下層突出的疾病，通常無癥狀[29]。腸道微生物組成的改變可以產生有毒代謝物，破壞腸道微生態與免疫系統之間的平衡，使上皮功能障礙、腔內壓力增加和延遲腸道轉運時間來促使憩室病發展[29]。根據糞便產甲烷菌直接計數發現，結腸憩室病患者糞便產甲烷菌數量較非憩室病有所增加[30]。這是因為憩室能為腸道產甲烷菌生長提供良好環境，其一，氫氣在憩室中滯留，可以優先轉化為甲烷而非通過糞便排出；其二，憩室保護生長緩慢的腸道產甲烷菌，使產甲烷菌不被腸道清除[20]。憩室病起病于左半結腸功能紊亂，促使氫氣積聚，左半結腸產甲烷菌生長增多，甲烷含量升高，產生于左半結腸的氫氣通過腸道產甲烷菌可迅速轉化為甲烷，使腔內壓力增加[20]。而右結腸憩室與腸道細菌產生的氣體無明顯關系，但沒有考慮憩室的時間依賴性[29]。因此需要進一步研究腸道產甲烷菌與右結腸憩室之間的關系。

4 腸道產甲烷菌及其產物的檢測方法

4.1 腸道產甲烷菌檢測方法 檢測腸道產甲烷菌最多的方法是分子生物學方法。聚合酶鏈反應可估計特定樣品中產甲烷菌的豐富度；實時定量聚合酶鏈反應用于研究反芻動物和其他環境中產甲烷菌的多樣性，并確定人體結腸中氫營養型產甲烷菌的豐富度[31]。熒光原位雜交用于量化產甲烷菌，目前用來研究人體口腔產甲烷菌，但對腸道產甲烷菌的定量研究不多。二代基因測序能在樣品中獲取從產甲烷菌基因組數據到宏基因組數據的多樣性信息[31]。分子標記物也可用于腸道產甲烷菌的研究，其中mcrA基因可描述產甲烷的生化途徑和相關能源守恒，但斯氏甲烷球形菌只具有MCR-Ⅱ；mtaB基因用于描述甲烷球菌目，存在于斯氏甲烷球形菌中，是研究腸道產甲烷菌多樣性的標記基因，但單獨使用可能會產生偏差；伴侶蛋白被用作研究古細菌發育多樣性的靶標，其序列更多樣；將原核、細菌和古生菌的引物同時測序研究豬腸道微生物群，檢測到古細菌成分并確定產甲烷菌，該法可能對研究人體腸道產甲烷菌有幫助。此外，三級連續生物反應器能接種產甲烷者的新鮮糞便，可用于腸道產甲烷菌的體外培養[31]。以上檢測方法都有各自的優勢和局限性，在今后研究中不斷提高檢測的精確度和準確度，對進一步探究腸道疾病具有重要意義。

4.2 腸道產甲烷菌產物檢測方法 除直接檢測腸道產甲烷菌以外，還能通過檢測呼吸中的甲烷來間接監測腸道產甲烷菌的新陳代謝。氣相色譜法中熱導檢測器可用于氫的定量；火焰離子化檢測器可用于甲烷的定量；脈沖氦放電離子化檢測器可從人體呼吸樣本中同時檢測并分離出氫氣和甲烷，靈敏度比熱導檢測器高500倍，比火焰離子化檢測器高50倍[5,32]。光譜檢測方法中，二級管激光光譜可檢測氣體濃度變化；光學參量振蕩器可檢測甲烷氣體的吸收波長，且連續波光學參量振蕩器與光聲光譜技術相結合的方法也已在人體呼吸甲烷的測量中顯示出效用[15,33]。壓電傳感器可對氫氣和甲烷實現快速檢測，通常取決于氣體填充檢測腔的時間；電化學傳感器是基于甲烷與甲烷氧化菌反應的間接測量；安培傳感器等電流傳感器也被用于檢測甲烷[15,33]。另外，乳果糖氫呼氣試驗用于測定氫氣、甲烷濃度，高甲烷產生者被定義為初始讀數≥5 mg/L，低甲烷產生者的初始讀數<4 mg/L[34]。Lactotest 202儀器使用電化學氫傳感器和紅外傳感器檢測甲烷和二氧化碳，主要用于呼吸中的甲烷和氫的臨床常規檢測；Quintron BreathTrackerTMSC可將氫氣和甲烷與所有其他還原氣體分離，用于測量呼吸中氫氣、甲烷和二氧化碳的濃度；GastroCH4ECKTM使用紅外傳感器同時測量呼吸中的氫、甲烷和氧，通過電化學傳感器測量甲烷和氫的水平[15]。由于其他結腸生物或宿主細胞沒有甲烷氣體代謝，通常以半定量分析腸道產甲烷菌的代謝，測量呼吸中的甲烷為研究腸道產甲烷菌提供了快速、簡單的方法[4,20]。

5 總結與展望

綜上所述，腸道產甲烷菌不是致病菌，但其數量的異常與疾病的發生、發展密切相關。腸道產甲烷菌引起疾病發生的機制主要表現在改變腸腔內環境、與其他菌群競爭底物、減少氫氣積累、改變腸道蠕動速度等。因此，腸道產甲烷菌失調能使腸道健康狀態發生改變，應將產甲烷菌作為調節腸道微生物群來降低疾病風險和改善健康的重要目標。當產甲烷菌過多時，一些抗菌藥物可抑制腸道菌群的生長，調節腸道甲烷水平，但選擇性抑制產甲烷菌的藥物并不多，需要進一步研究。產甲烷菌缺乏時，可將產甲烷菌作為益生菌進行治療。此外，還可采取飲食干預措施調節腸道產甲烷菌的組成來改善健康。但是目前部分相關致病機制與環境、遺傳等相關問題尚不清楚，腸道產甲烷菌的檢測方法也不夠準確。因此，應深入研究其具體致病機制，使其與腸道微生物之間維持動態平衡，保持腸道穩定，同時加強對腸道產甲烷菌及其產物檢測方法的改進與創新，提高檢測方法的精確度和準確度。以上對腸道疾病的治療、診斷和預防有著重要意義，不僅可以促進人體腸道健康，還可能找到一個全新治療腸道疾病的有效靶點。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突。