作为人体额外器官的肠道微生物群
人体内寄居着大量的微生物——主要是细菌，但也包括病毒、原生动物、真菌和古菌。它们统称为微生物组。肠道微生物群、肠道菌群或微生物组是指生活在人类和其他动物消化道中的微生物。虽然某些细菌与疾病有关，但其他细菌对健康的许多方面都至关重要。事实上，人体内的细菌细胞数量超过了人体细胞——大约有 40 万亿个细菌细胞，而人体细胞仅有 30 万亿个。这些微生物的总重量可能与大脑相当。它们共同作为人体的一个额外器官，在人类健康中发挥着巨大作用。肠道微生物群的基因组集合超过了人体内人类 DNA 总量的 100 倍。考虑到微生物群巨大的遗传潜力，预计它在人体几乎所有的生理过程中都发挥着作用。肠道细菌与多种精神疾病有关，研究发现，患有抑郁症、双相情感障碍、精神分裂症和自闭症等各种精神疾病的患者，其肠道微生物的组成发生了显著改变。
自 2000 年以来，人们对肠道微生物群与人类健康（特别是心理健康）之间关系的兴趣呈指数级增长，这一点可以通过在CAS Content CollectionTM中的搜索得到证实。目前，关于肠道微生物群与心理健康关系的出版物已超过 7,000 篇（图 1）。
婴儿在出生时获得了第一批微生物。人类肠道微生物群的发育
人们普遍认为子宫是一个无菌环境，细菌定植始于出生时。新生儿的微生物组因分娩方式而异：顺产婴儿的微生物组类似于母亲的阴道微生物组，而剖宫产婴儿的微生物组则类似于母亲的皮肤微生物组。其他多种因素也会影响新生儿微生物组的发育，例如早产和喂养方式。饮食似乎是成年后肠道微生物群组成的主要决定因素。微生物组组成会随着饮食摄入的变化而迅速改变。植物性饮食与动物性饮食表现出不同的特征模式。肠道微生物群的发育和改变也受到其他多种因素的影响。根据在CAS Content Collection中的搜索结果，压力暴露是影响肠道微生物群组成的第二大重要因素（仅次于饮食）。其他因素包括：分娩方式和婴儿喂养方式、环境条件、药物、生命周期的阶段和方式、合并症以及医疗程序（图 2）。由功能组成和代谢活动失衡或局部分布改变引起的微生物群稳态破坏被称为菌群失调，表明微生物失衡或适应不良。
考虑到饮食对肠道微生物群组成的重要作用以及肠道微生物群对健康的至关重要影响，一个价值百万美元的问题依然存在：什么样的饮食是有益的，从而值得推荐来保持我们肠道细菌的健康？虽然目前还没有明确的答案指出某种特定食物是治疗某种疾病的良方，但已经总结出了一些主要指南。高纤维饮食对肠道微生物群有特殊影响。膳食纤维只能被结肠中微生物群的酶消化和发酵。发酵会释放短链脂肪酸，从而降低结肠的 pH 值。高酸性环境决定了能够存活的微生物群类型。较低的 pH 值限制了某些有害细菌（如艰难梭菌）的生长。菊粉、淀粉、树胶、果胶和低聚果糖等高纤维食物被称为益生元，因为它们能为我们的有益微生物群提供营养。通常，水果、蔬菜、豆类和全谷物（如小麦、燕麦和大麦）中含有大量的此类益生元纤维。另一类非常有益的食物含有益生菌，即对消化系统有益的活细菌，它们可能进一步改善我们的肠道微生物群。这些食物包括发酵食品，如开菲尔、含有活性菌种的酸奶、腌制蔬菜、康普茶、泡菜、味噌和酸菜。
肠道微生物群的参与者
人类肠道微生物群分为许多称为“门”的组别。肠道微生物群主要由四个主要门组成，包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门，其中厚壁菌门和拟杆菌门占肠道微生物群的 90%。大多数细菌栖息在胃肠道内，其中绝大多数厌氧菌居住在大肠中（图 3）。
肠-脑轴——作为“第二大脑”的肠道微生物群
目前已确定，肠道和大脑之间存在持续的双向交流，微生物群及其代谢产物是其中的重要组成部分。迈克尔·格尔森（Michael Gershon）在其 1999 年的著作中将消化系统称为“第二大脑”，当时科学家们开始意识到人类的肠道和大脑之间在进行持续的对话，且肠道微生物显著调节着大脑功能。
目前普遍认为，肠道微生物群通过神经、内分泌和免疫途径与中枢神经系统进行交流，从而控制大脑功能。研究表明，肠道微生物群在调节焦虑、情绪、认知和疼痛方面发挥着重要作用。因此，新兴的微生物群-肠-脑轴概念表明，调节肠道微生物群可能是开发中枢神经系统疾病新型疗法的有效策略。
肠道微生物群与 COVID-19
近期有报告指出，COVID-19 患者的肠道菌群组成与细胞因子及炎症标志物水平之间存在相关性。COVID-19。研究表明，肠道微生物组通过调节宿主免疫反应，在 COVID-19 的严重程度中发挥作用。此外，肠道菌群失调可能导致疾病康复后仍存在持续性症状，这凸显了深入了解肠道微生物如何参与炎症及 COVID-19 的必要性。
肠道微生物神经活性代谢物
肠道菌群-脑轴异常已成为神经系统疾病病理生理学中的一个关键因素，因此，越来越多的研究致力于探索肠道微生物代谢产物的神经活性潜力。目前，主要的神经活性肠道微生物代谢产物如下。
神经递质
肠道微生物组可产生调节大脑活动的神经递质。大多数中枢神经系统神经递质也存在于胃肠道中，并在局部发挥作用，如调节肠道动力、分泌和细胞信号传导。肠道菌群成员能够合成神经递质，例如乳杆菌和双歧杆菌可产生 GABA；大肠杆菌可产生血清素和多巴胺；乳杆菌可产生乙酰胆碱。（图 4）它们通过迷走神经向大脑发送信号。
短链脂肪酸
短链脂肪酸是膳食碳水化合物经厌氧发酵后在盲肠和结肠中产生的小分子有机化合物，可为其他细菌提供营养，并易于在大肠中被吸收。短链脂肪酸参与消化、免疫和中枢神经系统的功能，尽管关于其对行为影响的观点尚存分歧。肠道微生物组产生的三种最丰富的短链脂肪酸是乙酸、丁酸和丙酸（图 5）。研究证明，给予这些物质可缓解小鼠的抑郁症状。发酵膳食纤维产生短链脂肪酸的革兰氏阳性厌氧菌包括粪杆菌属和粪球菌属细菌。粪杆菌是肠道中的优势菌群，在免疫调节方面具有重要作用，并与包括抑郁症在内的多种疾病的临床相关。
色氨酸代谢物
色氨酸是一种参与蛋白质合成的必需氨基酸。其经细菌酶（色氨酸酶）代谢分解后，会产生具有明确情绪调节特性的神经活性分子，包括血清素、犬尿氨酸和吲哚（图 6）。研究发现，膳食摄入色氨酸可以调节人体中枢神经系统内血清素的浓度，而色氨酸缺乏会加重抑郁症状。
乳酸
乳酸（图 6）是一种主要由乳酸菌（如乳酸乳球菌、加氏乳杆菌和罗伊氏乳杆菌）、双歧杆菌和变形菌发酵膳食纤维而产生的有机酸。乳酸可被多种细菌转化为短链脂肪酸，从而增加短链脂肪酸的总量。乳酸可被吸收入血并穿过血脑屏障。乳酸在脑部中枢神经系统信号传导中具有公认的作用。由于它能被代谢为谷氨酸，因此被神经元用作能量底物。它还有助于突触可塑性并触发记忆形成。
维生素
肠道中的大多数细菌（如乳杆菌和双歧杆菌）在代谢过程中会合成维生素（特别是 B 族维生素和维生素 K）。人类依赖肠道菌群来获取维生素。维生素是关键的微量营养素，在人体（包括大脑）的多种生理过程中发挥着普遍作用。活性转运蛋白可将其运送过血脑屏障。在中枢神经系统中，它们的作用涵盖了从能量稳态到神经递质产生的各个方面。维生素缺乏会对神经功能产生显著的负面影响。叶酸（维生素 B9）是一种微生物来源的维生素，已被广泛认为与抑郁症的病理机制有关。
一种创新的调查性治疗方法——粪便微生物群移植，已在临床试验中得到测试，并显示出极大的治疗前景。在过去五年中，CAS 内容合集中每年收录约 1,000 篇与粪便移植相关的文献。例如，有报道称粪便微生物群移植能够治愈 80-90% 对抗生素无反应的复发性艰难梭菌感染。粪便微生物群移植在临床试验中的独特意义，以及其作为多种疾病潜在治疗手段的研究日益增多，亟待深入探索。
目前，通过胃肠道菌群调节肠-脑轴的研究是一门新兴的创新前沿科学。现有的大部分数据基于基础科学或动物模型，可能无法直接转化为有效的人体干预措施。因此，针对特定益生元化合物和益生菌菌株的个性化处方，作为营养和生活方式医学个性化的理想目标，仍充满希望。持续致力于进一步表征微生物组的功能及其宿主-微生物相互作用的机制，将有助于更好地理解微生物组在健康和疾病中的作用。
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