BBC 肠道八问 (7-8) : 空气污染对肠道有何影响?还有哪些已知与未知?

原标题:BBC 肠道八问 (7-8) : 空气污染对肠道有何影响?还有哪些已知与未知?

编者按:今天我们继续关注 BBC 的肠道系列科普文章,人们最关注的 8 个肠道健康问题之第 7 问和第 8 问,如果你还没来得及看前 6 问,请移步下面的文章先行了解:

BBC 肠道八问 (1-2) : 吃抗生素后要吃益生菌吗?纯素食真的好吗?

BBC 肠道八问 (3-4) : 脑病肠治?菌群决定你的胖瘦?

BBC 肠道八问 (5-6) : 特定食物能养出好肠道吗? 排排毒更健康吗?

本文仅代表原作者个人观点,不意味着我们完全支持相关观点。

翻译 | Richard

审校 | Susan

第 7 问:空气污染对肠道健康有何影响?

作者 | Jessica Brown

我们的肠道菌群由数十亿细菌组成,科学家们一直致力于揭示肠道菌群如何影响我们的健康,如何促进一些疾病,如何与包括大脑在内的身体重要器官和系统相互作用。还有大量的未知需要揭示。

尽管关于健康的肠道菌群应该是什么样这个问题目前还没有答案,但人们普遍认为饮食等环境因素能改变肠道菌群。现在出现了一种新的结论就是空气污染也是影响因素之一,在引发衰竭性疾病上起到一定作用,这对我们的肠道来说不是好事,因为在全世界范围内空气污染愈演愈烈。

哥本哈根大学副教授 Marie Pedersen 表示,虽然我们健康状况的很多方面早在童年时期就已注定,但我们的肠道却不一样。肠道菌群是动态的,可能会因为各种环境暴露而发生变化——肠道与我们接触的各种环境因素会发生很多互相作用。

我们已经知道,这些环境暴露在炎症性肠病(IBD)中起一定作用,包括克罗恩病(CD)和溃疡性结肠炎(UC),这两种疾病都会伴随终生,目前没有有效的治疗方法。当肠黏膜内的免疫系统出现异常,身体开始自我攻击,就会导致肠道内溃疡和炎症的发生。

Chron’s and Colitis UK(英国结肠炎和克罗恩病组织)的 Jaina Shah 说:“想象一下在你的身体里有个伤口永远无法愈合,每次吃喝就像是在伤口上撒盐。”

溃疡性结肠炎病变发生在大肠,而克罗恩病能够在肠道的任何部位产生病变。这两种病都会给身体的每个方面带来影响,比如激素、消化、能量水平及心理健康。Shah 说,这些人需要终生服药,大多情况下还得做手术。

“克罗恩病和溃疡性结肠炎有遗传因素,加上免疫系统对肠道中的某些细菌产生异常反应,这些异常反应可能是由环境中某些影响因素触发的。” Shah 说。

研究表明,环境诱因包括饮食、压力。另外卫生假说认为,生活在洁净的环境中不利于免疫系统正常发育,这也是诱因之一。

基因和环境因素会以相似的方式破坏肠道健康,卡尔加里大学的助理教授 Gilaad Kaplan 解释说。他发表过几篇关于肠道与空气污染之间关系的论文。

“目前已知有超过200个 IBD 易感基因。这些基因与肠黏膜有关,有些与肠黏膜中的免疫系统如何对抗有害菌有关。”Kaplan 说。

“就像基因突变会破坏肠道屏障的保护作用,环境暴露也会造成相同的结果。如果你携带的基因使免疫系统或肠道功能低下,那么容易引发 IBD。”

IBD 的发病模式使得科学家们开始寻找空气污染是否是环境诱因之一。一些数据显示,IBD 的城市发病率高于农村,发达国家的发病率也更高一些。有分析发现,发病率最高的地方是欧洲和北美,在亚洲、非洲、南美的新兴工业国家中发病数量也呈稳步上升趋势。

不少人认为,空气污染对肠道菌群的改变促进了 IBD 的发展,引起异常免疫反应和炎症。

2005年,Kaplan 出席了一个有关空气污染影响心脏的研讨会,意识到这与他的专业领域 IBD 有交叉的部分。

他说:“我研究的第一步是查看数据,看看空气污染严重的地区是否有更多的 IBD 病例。”

Kaplan 历经 3 年分析了超过 900 个 IBD 病例的数据。虽然他没有发现 IBD 新发病例与整体空气污染水平之间的联系,但他发现克罗恩病更常见于二氧化氮暴露较多的年轻人。Kaplan 还发现,空气污染与阑尾炎和腹痛之间存在类似的联系。

Kaplan 说,这些研究的棘手之处在于生活在重污染地区的人不会很长寿。而且,也无法证明这些数据之间的因果关系,所以探究数据背后的作用机制就重要。

空气中含有多种污染物,包括一氧化碳、氮氧化物(柴油车排放所致)、臭氧、硫化物和颗粒物(灰尘、花粉、煤灰、烟雾等)。这些污染物与很多健康状况都相关,包括肺病、心脏病、中风、阿尔茨海默病、糖尿病和哮喘,是造成疾病和死亡的主要因素。

但是科学家们仍然不清楚罪魁祸首具体是哪种污染物。

“大部分研究者使用的数据来自各个城市的固定监测站,但是研究这些混合污染物是有局限性的。”Kaplan 说。

“比如,氮氧化物主要来源于汽车尾气,是在城市空气中监测到的主要污染物,所以研究就说氮氧化物能导致疾病。这就像我们研究香烟中尼古丁的影响一样,事实上香烟中含有多种化学物质。所以将影响因素缩小到确切的污染物来源比较有挑战性。”

众所周知,二手烟污染也是克罗恩病的风险因素之一,这也是 IBD 相关研究中,研究最多的环境风险因素。然而,这个领域中仍然存在很多未解之谜,其中最令人惊讶的是,为什么吸烟本身却又能起到预防 IBD 的作用。

除了吸入空气污染物,吞咽也会吸入这些污染物,食物很容易被污染。在这个过程,粘液纤毛清除防御系统会过滤我们吸入的空气,然后以口腔分泌物的形式回到喉咙后部,通过吞咽进入消化系统,然后进入肠道。

Kapla 继续在实验室中研究空气污染的影响,与其他研究人员一起发现暴露在颗粒物(PM)中可引发一系列胃肠道疾病。研究人员让两组小鼠暴露在高浓度的 PM 中,一组持续 14 天,另一组持续 35 天 。

研究人员的意图是模拟持续暴露于高浓度 PM 和受污染的食物中,PM 浓度是 18mcg/m3。城市 PM 的最高浓度从 20 到1000 mcg/m3,这就意味着 24 小时的吸入量可达到 20000 mcg/m3。

他们发现一小段时间后小鼠的免疫基因表达就会发生变化,出现炎症迹象,先天性免疫反应增强,肠道通透性增加。肠黏膜通透性被认为是 IBD 的主要影响因素之一。

Kaplan 说:“肠黏膜具有屏障作用,能防止有害菌进入循环系统,能让有益菌发挥作用。如果肠壁屏障的完整性被破坏,就会在肠壁上产生小洞,致病菌就会进入从而引发免疫反应。”

暴漏在 PM 中 35 天的小鼠结肠处也出现炎症反应,肠道菌群也发生了改变。

但污染物可能不仅仅是引发 IBD 发病的原因之一,它还可能通过改变肠道菌群来改变疾病的性质。

在另一项研究中,Kaplan 比较了 13 个城市的非穿孔性阑尾炎和穿孔性阑尾炎的病例,发现风险较大的穿孔性阑尾炎与较高的空气污染暴露有关。因此他认为空气污染或许会改变肠道疾病的类型。

“如果你住在空气质量好的地方,你可能只会患上普通阑尾炎,而空气污染可能会加重阑尾炎穿孔的症状。”他说,在其它肠道相关疾病中可能也会有这样的情况,但目前还没有深入研究。

研究还没有确切解释为什么 IBD 在城市更高发,虽然城市化在 IBD 发病中确实起到了作用,但是究竟城市化的哪些潜在特征会诱发 IBD 不得而知。

牛津大学约翰拉德克里夫医院的 Simon Travis 研究了新兴工业化国家的 IBD 发病情况,他说:“在这些国家中,上一代人从来没有出现过这种情况。他们的胃肠病学家直到最近才开始遇到 IBD 的病例,而且每天都能遇得上。”

不仅如此,有一些研究认为 IBD 的增加与工业革命有关,因为克罗恩的第一次出现是在 20 世纪 30 年代汽车时代的到来。然而,第一例溃疡性结肠炎出现在 19 世纪末。

“在当前的环境下,工业化的确对 IBD 发病有影响,但是我们也不得不怀疑,因为在世界上许多重污染地区例如中国和俄罗斯的部分城市,IBD 并不常见。” Travis 说。

他发现这些疾病在印度的大城市中如德里和孟买更为普遍,并不是在所有城市中发生。但是他坚信无论怎么说,IBD 绝对是城市化导致的一种疾病。

目前的共识是,空气污染不是导致肠道疾病的主因,但可能是引发肠道疾病的诸多因素之一。

他说:“IBD 成因复杂,一系列的环境因素都会影响 IBD 的发展,包括婴儿期使用抗生素、母乳喂养、吸烟。每一个因素都会 ‘蚕食’ 健康大厦,直到最后大厦倾覆。”

“雪崩发生时,每一片雪花都不是无辜的。”Kaplan 说道。

“肠道菌群的改变是引发克罗恩和溃疡性结肠炎的主要原因,很多原因都会影响肠道菌群,空气污染只是其中一个,除此之外还有好多其它原因。”

Travis 认为进一步的研究必须集中在新兴工业化国家。

“如果我们想找到引发 IBD 的原因,这些原因最有可能在各种环境因素不断变化的新兴工业化国家,因为在西方和北美国家,各种情况几乎已经完全成型了。”

第 8 问:关于肠道健康有哪些已知与未解?

尽管目前对菌群的研究越来越多,但是要想研究透彻还为时尚早。BBC Future 回顾了一下到目前为止肠道领域的科学进展。

饮食

饮食对我们的肠道菌群有巨大的影响。研究发现,西方饮食(通常指高动物脂肪、高蛋白质、低膳食纤维的饮食方式)与致癌物质增加和炎症反应增多有关系,而地中海饮食(通常指高膳食纤维、多红肉的饮食方式)被认为与粪便中短链脂肪酸含量增加有关,短链脂肪酸具有抗炎和增强免疫力的功能。

科学家们希望通过对大规模人群的研究促进现有的认知。美国正在开展的一个肠道研究项目,收集比较了数以千计生活在美国的人群的肠道菌群。项目负责人 Daniel McDonald 说,到目前为止,研究表明饮食中以植物性食物为主的人群,其肠道菌群更具多样性,并且与其他人相比有很大不同。

“我们非常明确那些饮食中富含水果蔬菜的人群,其肠道菌群更为健康。另外,目前还不清楚如果这些人转换到不那么健康的饮食方案后,肠道菌群是否会很快发生变化以及如何变化。” McDonald 说。

益生菌

近些年围绕着益生菌和益生元的各种功能宣传铺天盖地,尽管它们越来越多地用于包括克罗恩病和溃疡性结肠炎等炎症性肠病的治疗中,但还需要对具体使用哪些菌株,以及剂量进行进一步研究。

大名鼎鼎的以色列魏兹曼研究所的免疫学家 Eran Elinav 最近发现,有些人会对益生菌产生免疫反应。不过他开展的这项研究规模相对较小,还需要进一步研究才能有明确的结论。

他让 25 名健康成年人服用含 11 种益生菌的组合或安慰剂,持续三周时间,然后通过结肠镜和内窥镜检查它们的肠道菌群和功能。

“结果发现,可以根据肠道菌群的定植特性把这些人分为两类:一类人的肠道中的原生菌群对益生菌比较欢迎,益生菌容易定植;另一类人对益生菌表现出定植抵抗,益生菌吃进去后无法存活下来,白走一遭。” Elinav说。

Elinav说,肠道菌群的定植特性不同,这或许表明我们需要升级个体化的益生菌定制方案,以满足不同人的需求。

健康

肠道菌群在胃肠道健康和功能中发挥重要作用,肠易激综合征(IBS)等肠道疾病通常伴随着肠道菌群的改变,但菌群为我们的整体健康发挥更大的作用,而这很大程度上取决于生命早期阶段的肠道菌群组成。

从出生起微生物就在开始肠道内定植,我们的菌群从生命初始就开始建立。英国诺维奇研究园区微生物组研究负责人 Lindsay Hall 说,顺产的婴儿要比剖腹产的婴儿肠道菌群更丰富,因为前者接触到了母亲阴道和肠道内的菌群。

Hall 说:“剖腹产婴儿错过了最初接触菌群的机会,他们的初始菌群来自皮肤接触和空气中的细菌。”

她说:“大量研究表明,剖腹产会对健康产生长期影响,也有有力证据表明,剖腹产会导致高过敏风险。如果肠道菌群不够稳定,意味着更容易受到外界因素的干扰,比如抗生素的影响。但是没有有效证据能表明肠道菌群的差异对免疫系统具体意味着什么。”

母乳喂养和奶粉喂养的婴儿肠道菌群也有差异。母乳喂养的婴儿其肠道内与健康有密切关系的双歧杆菌更为丰富。

“我们知道双歧杆菌能够消化母乳中的低聚糖,这些成分在奶粉中是没有的,这也是为什么奶粉喂养的婴儿体内缺乏双歧杆菌,” Hall 解释说。

科学家们对于如何通过肠道菌群治疗疾病越来越了解。最新的治疗方式是粪菌移植,就是将来自合格健康供体的肠道菌群移植到患者肠道内。

这种方法主要用于治疗跟抗生素耐药性相关的艰难梭菌感染。尽管潜在机制还未明了,但是通过粪菌移植能够重建肠道菌群多样性,并有助于减少有害菌。

粪菌移植面临的最大问题是如何界定什么是正常的肠道菌群。

伦敦帝国理工学院的科学家 Fiona Pereira 说:“这不是说要建立一个统一标准,菌群是个体化的,健康的菌群应该是什么样并没有统一标准,这取决于他们的人种、生活环境和经历。”

Pereira解释说,如果科学家们能够清楚描绘不同种族中不同年龄阶段的健康肠道菌群模式,那么他们就可以对一个人进行分析,观察他们的肠道菌群变化以及这些变化与什么有关——比如饮食、环境、某些疾病的遗传易感性等。

抗生素

众所周知,抗生素可以极大地改变我们的肠道菌群。

英国伯明翰大学教授 Willem van Schaik 说,在肠道环境中,有益菌和有害菌与引起机会性感染的病原体都有非常密切的联系。

他主导了一项新的研究,鉴定出超过 6000 多种新的抗药性基因病原体。

他发现这些基因大多数与可移动 DNA 无关,这也意味着这种基因没有从正常细菌转移到病原体上的直接风险。

但是,许多被认为在某些细菌中固定的基因,可能会由于过度使用抗生素而开始转移,这是因为抗生素会给细菌细胞内的固定基因造成压力,使得它们被激活。

Schaik 说:“我们发现微生物中存在着很多抗性基因,并且有可能因为抗性转移成为机会病原体,这应该引起我们的警惕。”

大脑

大脑和肠道存在着一个强大的双向交流系统——肠-脑轴。研究发现,大脑的正常发育离不开肠道菌群,但科学家还未找到具体哪种肠道细菌对大脑发育起至关重要的作用。

牛津大学微生物组-肠-脑轴研究人员 Katerina Johnson 说,进一步的研究正在揭示肠道和大脑之间的相互联系,包括肠道与情绪、心理健康等的关系。

她说:“研究发现,如果我们把抑郁症患者的肠道菌群移植给小鼠后,小鼠行为模式和生理状况都会表现出抑郁的症状。”

肠道菌群能够产生大脑中绝大多数的神经递质如血清素,它对情绪调控非常关键。所以希望科学家能尽快阐明如何通过肠道菌群来调控神经递质,从而治疗神经系统疾病,如帕金森病和多发性硬化症。

行为

我们也开始了解肠道菌群是如何影响行为的。例如,一些动物实验表明,某些类型的肠道菌群能影响大脑的化学反应和行为,使动物更具有社会性。

没有菌群的无菌动物会表现出社交行为不足。Johnson 的研究发现,通过添加特定类型的细菌(如酸奶中常见的乳杆菌)能恢复这一功能。

最近一篇题为《为什么微生物组会影响行为》的文章中描述,肠道菌群已经进化到可以操控人类宿主使其更有利于自身延续,就像是寄生虫一样,通过增强宿主的社会性从而有利于其传播。

这篇文章认为这是有可能的,行为改变可能是菌群在肠道中生存和竞争过程的副产品。

Johnso 说:“肠道菌群非常多样化,即便是有一种细菌能产生刺激信号调控行为,但是很快这些细菌就会被那些不消耗任何额外能量就生产这种化合物的细菌所取代。”

展望

目前科学家仍未定义出健康的肠道菌群是什么样的,离得出结论还有很长的路要走。不过已经越来越多的共识认为,环境因素如饮食、抗生素要比基因对肠道菌群的影响大,肠道菌群的多样化对我们来说是好事。

Johnson 说:“尽管我们能够通过饮食改变肠道菌群,但似乎存在着某种惯性的状态,在经过短暂的扰动后肠道菌群又会恢复到该状态。但至少有件事我们可以做,就是多吃各种富含膳食纤维的食物,增加肠道菌群的多样性,这样就更有利于健康。”

虽然近年来菌群研究取得了一些进展,挑战仍然存在。

McDonald 说,其中一个挑战就是通过 16S rRNA 测序,对于少数种属中的细菌不能区分到种的水平,大肠杆菌就是个例子。

“虽然有致病性的大肠杆菌,肠道中也存在着很多中性和有益的大肠杆菌,目前我们的研究方法还不能将它们区分。大肠杆菌增多并不意味着对你有害。”McDonald 建议我们保持谨慎的态度。

McDonald 说:“微生物组研究将会带来很多有趣的事情,现在的进展也很令人激动。尽管研究的进步必将带来健康的改善,但是很多都是与基础研究相关的,离真正的应用还有距离。而且由于安全性的问题,很多实验只能在小鼠身上开展而不能在人体上进行。”

在搞清楚之前,大多数科学家的建议是多吃各种蔬菜,至少这一点我们随时都可以开始。

(全文结束)

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