【论文故事】破译与肝硬化相关的肠道菌群变化

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人们的肠道中存在着大量微生物，正常粪便中有超过三分之一的物质是这些微生物的菌体。肠道菌群中不同菌种所占的比重，以及每个菌种所处的不同生活状态，都可能反映乃至影响“主人”的健康状态。

当前，肝硬化已成为备受重视的全球性疾病。肝脏通过肝门以及胆汁分泌系统与肠道相通。肝硬化会对肠道微生物造成什么影响，而肠道菌群的变化，又如何左右肝硬化的病情发展？浙江大学第一附属医院感染性疾病诊断与治疗国家重点实验室的李兰娟院士与其团队，对肝硬化和肠道菌群的关系进行了深入的研究，确定了15个特异指示肝硬化发病的标志基因。这些高特异性标志基因的发现，可能为肝硬化的临床检测提供了新的手段。研究论文于近日发表于《自然》（Nature）上。

以人类肠道宏基因组计划（Metagenomics of the Human Intestinal
ract consortium, MetaHIT）所提供的研究方法为基础，研究者选取98个肝硬化病人和83个健康人对照组的肠道菌群作为样本，对其中微生物菌群宏基因组进行了研究分析，并成功构建了相应的基因目录。研究的样本来源都为中国汉族人。

研究者利用肝硬化患者肠道菌群的基因组构建了含2688468个基因的基因目录，并将此目录与三个已有的肠道菌群目录——人类肠道宏基因组计划目录、美国国家卫生研究院人类微生物组工程（The US National Institutes of Health Human Microbiome Project, HMP）目录和二型糖尿病肠道菌群宏基因组（type 2 diabetes, T2D）目录——进行了比对分析。研究者发现，与其他三个基因目录相比，有794647个基因是肝硬化病人肠道菌群宏基因组中特有的，这表明肝硬化患者肠道菌群的种类发生了特异性变化。

为了进一步探明菌群宏基因组变化的原因，研究者对肠道菌群中菌种进行了分析。研究发现，相比于健康个体，肝硬化患者的样本中拟杆菌门的菌种数量减少了，但梭菌门和变形菌门的菌种数量增加了。此外，肝硬化患者的肠道菌群中有20种菌种数量增加，其中4种是链球菌（Streptococcus），6种是韦荣氏球菌（Veillonella）。另外有19种菌种数量减少，其中12种是拟杆菌，7种是厚壁菌。这些结果提示，链球菌和韦荣氏球菌可能在肝硬化病情发展中扮演了重要的角色。

随后，研究者使用物种宏基因组分析法（metagenomic species, MGS），再次对25位肝硬化病人和31位健康对照者的肠道菌群进行了分析比较，用另一种方法验证了肠道微生物菌群变化与肝硬化之间的相关性。此外，他们还惊奇地发现，肝硬化病人肠道中多了一些通常存在于口腔中的病菌。研究者推测，由于肝硬化患者的胆汁分泌情况发生了变化，肠道可能更易于被外来细菌入侵。这些外来菌种会打破正常肠道菌群的平衡，扰乱肠道微生物环境，进一步影响病人的健康。

最后，研究人员鉴定发现，肝硬化病人肠道菌群中，参与氨合成代谢的基因存在异常。肝性脑病是肝硬化病人常出现的并发症，此病症的标志性特征就是高血氨。而当肠道菌群产生过量的氨，就可能提高病人的血氨浓度。如果能针对性地降低肝硬化患者肠道菌群产氨的能力，或许能开辟治疗肝性脑病的新思路。

为了进一步了解此项研究背后的故事，果壳网对文章的通讯作者、传染病学专家李兰娟院士进行了采访。

果壳网：最初是什么契机让你开始研究肝硬化和肠道菌群之间的关系？

李兰娟： 肝硬化患者常有内毒素血症及自发性腹膜炎等并发症，如肝硬化是否存在肠道微生态失衡及程度如何，有无肠道定植抗力的改变，肠道微生态变化与内毒素血症之间的关系如何，及其在肝硬化发病机理中有何作用等诸多问题还不清楚。另一方面，广谱抗生素的应用并不能完全解决血液科、呼吸科及ICU病人的感染问题，甚至会加重疾病的进展。抗生素的滥用还会导致细菌耐药的增加，甚至出现无药可用。因此，维持微生态的平衡成为治疗疾病的新理念。为探究这些问题，我们对微生态的临床及基础进行了系列研究，并进一步研究了肝硬化与肠道菌群之间的关系。

果壳网： 在中国，肝硬化的现状是怎样的？此项研究在肝疾病诊断方面的重要意义？

李兰娟：肝病是威胁世界人口健康的重要疾病。我国肝病患者众多，仅慢性乙肝患者就有2千万，每年因肝病死亡近50万人。肝硬化在我国发病率较高，我国有病毒性肝炎及脂肪性、酒精性、药物性、免疫性肝病等患者逾一亿。肝硬化是由急慢性肝损伤所致的进行性肝病，包括酗酒、过度肥胖及肝炎病毒感染。肠道微生态失衡尤其是菌群移位及代谢产物通过肠粘膜屏障与肝硬化进展有关联。不过，与肝硬化进展相关的肠道微生物的系统发育及功能成分的变化还不清楚。

有研究表明，肠道微生物的改变在终末期肝硬化并发症中起重要作用，会诱导早期肝脏疾病及促进肝损伤，但肠道菌群与人肝脏病理之间的明确关联仍然未知。我们的研究首次发现肝硬化患者口腔菌移位至肠道，这在肝硬化发生发展中或许起了重要作用。同时，我们发现了15个高特异性和灵敏性的微生物基因，建立了预测疾病的模型，今后不仅有助于肝硬化诊断，还能用于肝硬化疗效的评估。

果壳网：这项研究对大量基因进行测序和分析，在基因分析的过程中，你们遭遇过最困难事情是什么？

李兰娟： 阐释和解析基因组远比获得基因有更大的挑战，高通量测序产生的海量数据以及对这些数据背后隐藏的生物信息的深度挖掘是关键。现有的生物信息数据库的不完整性，对我们的信息分析起到一定的限制性作用。另外，因为宏基因组学是个新兴的学科，基因组信息分析挖掘方法及生物计算软件分析工具不完善等问题，是都会阻碍基因分析的结果。

果壳网：相对于健康被试的肠道菌群，肝硬化病人的肠道菌群主要发生了什么变化？这些菌群变化是肝硬化导致的结果还是共同诱发肝硬化的前提？

李兰娟：在属的水平上，相对于健康对照组的肠道菌群，肝硬化病人组肠道菌群主导菌属——拟杆菌属在肝硬化组含量明显减少。韦荣球菌属、链球菌属、梭状芽孢杆菌属及普氏菌属在肝硬化组中含量增多。在种的水平上，肝硬化组含量增加的最多的20种，4个属于链球菌属，6个属于韦荣球菌属。

在本研究构建的基因集当中，有75245个基因在肝硬化患者和健康人志愿者中呈现显著差异，可以聚类到66个基因簇，其中在肝硬化患者中富集的是28个基因簇，健康志愿者中富集的是38个基因簇，菌群的变化很可能是肝硬化导致的结果。

肝硬化患者肝脏合成、代谢功能下降，门脉高压等导致上消化道出血、自发性腹膜炎及肝性脑病等并发症，从而诱发肠道菌群失衡，失衡的肠道菌群同时又促进了自发性腹膜炎、肝性脑病等并发症的发生。肠道菌群与肝脏疾病相互影响，促进疾病的发展。

果壳网： 通过调节肠道菌群来治疗疾病的可行性高吗，所遇到的主要问题是什么呢？

李兰娟：通过调节肠道菌群来治疗疾病，是全世界最新研究的一个热点，调理个人的肠道菌群达到有益菌增多，有害菌去除的结果，有些报道已经提到。调理菌群确实达到一种改善效果，若要达到治疗的目的，还需要长期的实验和动物模型来验证。

我们的研究首次建立了世界上第一个肝硬化肠道菌群基因集，确定了健康人和肝硬化患者相关的肠道菌群的群落结构及功能成分特征，在健康人中富集且具有抗炎性基因簇柔嫩梭菌、通过产生丁酸盐促就肠道健康的陪伴粪球菌，从肠道菌群发生紊乱的角度揭示肝硬化发生发展的机制，对于调节肠道菌群治疗疾病具有指导性意义。所遇到的主要问题在于需要严格标准化后才能被推广，如健康的菌群来源过程中如何严格筛选，对于不同来源的益生菌植入某类人是否存在免疫反应的风险也是未知的。

果壳网：是否有计划基于现阶段成果展开临床检测或治疗方面的尝试？

李兰娟：我们这个研究是基于973计划项目的支持上进行的，对于后期的实验进展也是基于现阶段研究成果上出发的，这个计划书本身就是研究肠道菌群和感染性疾病之间的关联，找到与肝病等感染性疾病密切相关的细菌功能基因，并在相应的动物感染模型中验证该基因功能，揭示供体菌群中发挥重要作用的关键细菌及其基因的功能。后期主要是通过微生态的干预，探索肝病感染的微生态防治的新思路与机制。（编辑：Calo）

参考文献：

Nan Qin, et al. Alterations of the human gut microbiome in liver cirrhosis. Nature, doi: 10.1038/nature13568