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肠道气体生理病理效应值得关注

已有 6484 次阅读 2014-2-11 12:53 |个人分类:科研思路分享|系统分类:科研笔记

肠道菌群现在已经受到广泛关注，人们对这些细菌和人类健康的密切关系十分吃惊，并希望通过研究细菌的种类和代谢特征以确定和人体健康的具体联系。细菌是活的生物，和我们人体属于共生关系，你可以对他们忽视，但他们可不会忽视我们，因为我们是他们的宇宙，是他们的衣食父母。任何身体上的细微变化，特别是饮食上的变化都会影响到这些内部成员的生存和发展。他们的寿命有限，抵抗力不强，只能依靠协同、联合和变化来应对外界的变化。当在某一定范围内，这些变化可能对我们人体的健康影响不大，但如果这些细菌发生的变化比较剧烈，例如某些细菌的比例增加或下降，到了不应该去的部位，例如小肠。就真的会产生明显的问题，导致人类疾病的发生。在细菌和人体关系中，代谢物是一种比较重要的介质，而气体作为细菌的代谢物，也不可避免地影响人体生理功能。在这些气体中，甲烷和氢气由于数量巨大，可能具有比较重要的地位。

肠道内气体种类非常多，主要包括甲烷、氢气、二氧化碳、氮气、硫化氢、吲哚等，其中惰性气体主要包括氢气和甲烷，这里说惰性气体是指生物活性比较弱，不容易发生普通化学反应的气体。肠道内细菌是这些气体的最重要来源，而氢气和甲烷则是最主要的成分。长期以来，人们一直没有意识到这些气体的生理学效应，最近几年，人们逐渐发现氢气和甲烷具有生物活性，给这些细菌代谢的气体增添了更多神秘色彩。虽然现在我们仍不能全面了解这些气体的生理效应，但可根据目前所了解的资料进行初步猜测。个人认为，氢气的主要生理效应是作为一种重要的内源性抗氧化剂，而甲烷不仅是一种抗氧化剂，而且对肠道运动具有重要调节作用。

肠道内产生氢气和甲烷的最重要条件是存在人体小肠不能消化的物质，例如纤维素、多糖和寡聚糖等成分，这些能量物质不能直接被人体消化和吸收，在大肠内可以被细菌利用，这些细菌首先大量产生氢气，而厌氧的甲烷菌则可以利用这些氢气合成甲烷，形成一个理想的细菌食物链。关于甲烷菌有许多研究，常见反刍动物可以大量产生甲烷，甚至有人试图通过调节这些动物饮食结构、疫苗和抗生素等方法控制甲烷产量，以解决这些动物引起的温室气体（因为可破坏臭氧层，甲烷被认为属于温室气体）排放问题。（Eckard R J, Grainger C, De Klein C A M. Options for the abatement ofmethane and nitrous oxide from ruminant production: A review[J]. LivestockScience, 2010, 130(1): 47-56.）

总体上看，氢气的生物学作用以正面为主，而甲烷的生物学作用则相对负面。例如认为甲烷和肠道疾病如便秘、肠易激综合征，甚至和肥胖的发生也有关系。

产甲烷菌属于古菌域（Archaea），广域古菌界（Euryarchaeon），宽广古生菌门（Euryarchaeota），在进化上和细菌、真核生物分别属于三个不同的分支。甲烷细菌的能源和碳源物质主要有5种，即氢气、二氧化碳、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸。产甲烷菌不再归类为原核生物，因为他们存在部分真核细胞的特征，需要厌氧条件，培养比较困难，需要特殊的培养基。由于细胞壁缺乏肽聚糖，因此对某些细菌如青霉素和氨基糖苷类抗生素敏感。人类大肠内产甲烷菌种类比较少，只发现有3个系统发育型phylotypes，Methaninobrevibacter smithii是其中最主要的类型，其次是Methanospaerastadmagnae，Methannobrevibacter oralis则主要居于口腔内（和牙周病有关）。甲烷菌到底在肠道内有多少比例目前仍存在争议，用分子技术和培养发现大约为10%，但用PCR技术则发现有80%，甚至100%。

目前的观点认为，产甲烷菌将氢气转化为甲烷的最大生理意义是将这些气体的体积降低到原来的1/4（这似乎没有必要）。从1970年到2005年，虽然抗生素被普遍使用，产甲烷者的比例并没有下降。提示，尽管甲烷菌对抗生素敏感，但使用抗生素似乎对甲烷菌并不会造成致命影响。一系列动物和人体的在体和离体研究证据表明，甲烷具有明显抑制肠道运动的作用，可发挥类似神经递质样效应。不过最近一些研究也发现一些奇怪现象，虽然甲烷可以抑制肠道运动，但在氢气存在的情况下，作用可以被逆转（Jahng, J., et al. "The effects of methane and hydrogen gasesproduced by enteric bacteria on ileal motility and colonic transit time."Neurogastroenterology & Motility 24.2 (2012): 185-e92.）（这个研究也许可以解释许多便秘患者使用氢气效果理想的原因）。