胃肠微生态学是研究消化道微生物群落与宿主间相互关系和作用的科学。胃肠微生态的发展与方法学的进展密切相关。胃肠微生态的研究方法从分离培养法、分子生物学检测发展为宏基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等多组学技术，胃肠微生态的结构和功能逐渐被揭示，多组学技术的发展大大加快了胃肠微生态与消化系疾病和其他系统疾病相关的临床转化研究的进展。饮食调整、微生态调节剂的补充、肠道微生态环境的重建等微生态干预措施为多种疾病的预防和治疗提供了新的靶点和途径。回顾40年来《中华消化杂志》发表的胃肠微生态相关研究和国际发表的重要临床研究，对了解胃肠微生态的发展历程、把握未来研究方向具有重要意义。
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胃肠微生态学是研究胃肠道微生物群落与宿主间相互关系和作用的科学。胃肠微生态在机体发育、营养、衰老，以及疾病的发生、发展、诊断和治疗等方面都具有重要意义，胃肠微生态对机体健康和疾病的影响已成为当代生命科学的前沿研究方向和引人关注的研究领域。《中华消化杂志》创刊40年来，一直聚焦消化领域的研究热点，对胃肠微生态领域的进展给予及时和高度关注，发表相关研究论文近百篇，特别是最近10余年的相关研究报道逐渐增多。回顾相关研究进展，有助于了解胃肠微生态的发展历程、把握未来研究方向。
肠道菌群研究早期采用的方法是分离培养法。以日本学者Mitsuoka Tomotari为代表的微生物学家建立和完善了肠道菌群的分离培养方法，通过定量检测需氧和厌氧环境下培养的健康人体粪便菌群的菌落数研究健康人体的肠道菌群，以及年龄和饮食等因素对人体肠道菌群的影响[1]。《中华消化杂志》1984年刊登的《胃、十二指肠溃疡的念珠菌感染56例分析》[2]报道了应用分离培养法研究几种常见慢性胃病的胃内主要菌群特征和胃、十二指肠真菌感染情况。此后，《中华消化杂志》分别于1995和2002年刊登的《肝炎后肝硬化患者肠道菌群变化初步分析》[3]和《功能性消化不良患者抗幽门螺杆菌治疗后肠道微生态变化及意义》[4]等均采用分离培养法研究肠道菌群特征。体外培养法与肠道自然环境差异很大，绝大多数肠道菌群尤其是厌氧菌群均无法通过体外培养法成功分离，依靠形态学、生理和生物化学检测难以准确鉴定菌株类型。人类基因组学的DNA指纹图谱分析技术和16S rRNA基因序列分析技术的应用有力促进了肠道菌群的结构研究。目前应用较多的是二代测序技术，该技术根据细菌的16S rRNA具有保守序列和特异序列的特点进行测序，不仅可以检测已知甚至未知的微生物种类，还可以检测到低丰度的细菌，通过α多样性分析和β多样性分析以发现菌群的结构差异。《中华消化杂志》分别于2019、2021年刊登的《基于高通量测序技术的轻度急性胰腺炎病程中肠道微生态变化》[5]和《食管癌患者与健康对照者的食管菌群差异分析》[6]即应用二代高通量测序和生物信息学分析方法，描述了相关疾病状态下机体的菌群特征，初步探索了与疾病相关的关键菌属，提出了潜在的菌群标志物。二代测序技术虽然能够比较多种疾病状态下肠道微生物与健康人体肠道微生物的差异，检测和鉴定细菌、真菌、病毒等多种病原微生物并为治疗提供可能的靶点，但是难以确定微生物差异与疾病的因果关系。宏基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学等技术的发展和综合应用为全面深入研究胃肠道微生物-宿主的相互作用机制提供了强有力的手段，为研究疾病的发病机制、诊断和干预策略等指明重要方向。
《中华消化杂志》2018年刊登的《肠道微生态研究方法评价》[7]总结了肠道微生态研究进入基因组学时代以来在方法学上的三大进步。一是用于生物样本的稳定剂开发，解决了常温保存粪便样本的难题，可以长时间保持样本中DNA的完整性和稳定性，满足了肠道宏基因组学研究地域广、规模大的人群采样需求。二是参考基因集的构建和更新，2010年Nature发表的封面论文[8]，在国际上第1次采用高通量测序数据进行短序列组装，构建人体肠道菌群参考基因集，获得宏基因组样本中所有已知和未知物种基因的信息，该方法在后续研究中被广泛应用于疾病解析、新菌种发现、宏转录组学分析和宏蛋白质组学分析。三是宏基因组学数据分析方法更丰富和完善，分析过程主要包括物种组成情况和功能分析，在此基础上进一步挑选标志性菌群基因或物种作为生物标志物，构建疾病预测模型，达到了较高的特异度和灵敏度。胃肠微生态研究方法的进步极大推动了肠道微生态研究向纵深发展，为解释菌群差异与疾病的关系提供了有力工具。
随着肠道微生态研究深入到基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、培养组学、营养组学、微生态移植、转化医学等多方面，微生态研究对生物样本提出了更严格的要求。统一标准和高质量的生物样本是保证研究数据真实性、可重复性、一致性，以及整合、应用数据的基础，也是进行基础和临床大数据研究的重要保障。中华医学会消化病学分会消化微生态学组于2014年成立，并在2018年组织国内相关领域的学者制定了《消化道微生态标准化样本库共识》[9]，以共同推动中国消化道微生态研究向更高质量迈进。
随着对胃肠微生态结构和功能研究的不断深入，胃肠微生态与机体健康的相关性逐步引起重视。笔者曾撰文《肠道微生态的重要作用与研究展望》[10]，指出肠道微生物群落、宿主遗传易感性、宿主先天和获得性免疫因素三者间相互作用，共同参与疾病的发病机制。此外，肠道微生物如肠道细菌之间，以及肠道细菌和真菌之间也存在诸多交互作用机制，影响不同微生物种属之间的生长繁殖、营养代谢、毒性和免疫调控等，这些也是肠道微生物群落致病机制研究需要深入的方向。《中华消化杂志》2013和2018年刊登多篇肠道菌群与疾病发病机制的研究，分别论述了肠道菌群与炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)、结直肠癌和肝硬化等消化系疾病的关系。
IBD是美国人类微生物组计划研究中与微生物组具有紧密关联性的3种疾病之一。在过去50年或更长的时间里，随着城市化等多重因素的介入，以及饮食模式、抗菌药物的使用，我国IBD发病率不断上升。1990至2017年，我国IBD标化患病率由101.27/10万增长至136.25/10万，增幅达34.54%。《中华消化杂志》2018年刊登的《肠道微生态与炎症性肠病》[11]指出，在IBD病理生理过程中，肠道微生物在炎症的发展过程中起到重要的启动作用。外界饮食环境、基因易感等因素可能影响肠道菌群的改变，菌群失调进而调节肠道黏膜免疫反应，促发肠道黏膜炎症损伤。肠道细菌除了通过自身有害抗原的病原相关分子模式影响肠道黏膜免疫系统发育外，细菌代谢产物对肠道免疫系统的调节作用也引起高度重视，其中最受关注的是短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)。SCFA可以通过刺激肠上皮细胞膜G蛋白偶联受体43信号，促进其产生更多的抗菌肽，如β-防御素。SCFA也可通过促进肠道免疫球蛋白A的产生，维持肠道稳态。此外，SCFA不仅能促进调节T细胞的分化，也能促进T细胞产生更多的白细胞介素-10，从而发挥抑制炎症的效应[11]。
2019年5月，Nature刊登了IBD多组学研究结果[12]。研究者在1年的时间里随访了5个临床中心共132例IBD患者，收集了基线期肠道活体组织检查样本651份，每季度收集的血液样本529份，每2周收集的粪便样本1 785份，应用宏基因组学、宏转录组学、蛋白质组学、代谢组学和病毒组学的组学数据和血清学数据，建立了IBD多维分子互作网络，对于理解IBD的发病机制和为IBD的治疗寻找新靶点都具有重要意义。
结直肠癌是全球常见的恶性肿瘤之一，以往西方国家发病率较高，近年来，我国结直肠癌发病率呈现上升趋势。1991年，江绍基和萧树东教授团队在《中华消化杂志》发表《甲烷、产甲烷菌与大肠癌及其它肠病关系的探讨》[13]，研究结果显示大肠癌组的产甲烷率和甲烷值均高于健康人组，手术切除病灶前的产甲烷率和甲烷值均高于手术切除病灶后，差异均有统计学意义(P均<0.05)；厌氧菌定量培养发现，大肠癌组的总厌氧菌和梭菌数目均高于健康人组，而双歧杆菌数目低于健康人组，推测大肠癌癌变过程中，可能是各种因素(主要是饮食)导致肠道厌氧菌群发生改变，尤其梭菌数量明显增多使肠道致癌物质增多，双歧杆菌数量减少使降解致癌物质的功能下降，促使肿瘤发生，较早提出大肠癌的发病机制可能与肠道细菌有关。此后，随着16S rRNA基因测序和宏基因组测序等技术的应用，对肠道微生态在结直肠正常黏膜发展为腺瘤、结直肠癌等过程中的作用进行了较全面的研究。2020年，香港中文大学于君教授在《中华消化杂志》发表《肠道微生态与结直肠癌：基础和临床转化研究进展》[14]，以其团队的研究工作为主综述了该领域的新进展，该团队对中国人群的队列研究发现，结直肠癌患者粪便中的微小微单胞菌、厌氧消化链球菌、莫氏细小杆菌和具核梭形杆菌数目均增多。Nakatsu等[15]对配对的结直肠正常组织、结直肠腺瘤和结直肠癌组织进行16S rRNA基因测序发现，结直肠癌黏膜组织中的脆弱拟杆菌属、孪生球菌属、微单胞菌属、消化链球菌属和颗粒链球菌属细菌数目均增多，提示这些细菌极有可能参与了结直肠癌多阶段发生、发展的演变过程。除细菌外，病毒、真菌和古菌等微生物在结直肠癌发生、发展过程中的作用也得到初步研究。于君和杨佳[14]的研究指出，与健康对照者比较，结直肠癌患者中肠道噬菌体的多样性显著增加；包括正布尼亚病毒、丝状病毒、Tuna样病毒和L5样病毒在内的22种病毒在结直肠癌患者中显著富集；结直肠癌患者存在肠道真菌结构失调，粪便中马拉色菌和嗜盐古菌显著富集，而酵母菌纲和肺孢子菌纲显著减少。这些研究一定程度上表明结直肠癌患者存在肠道微生态紊乱，相关细菌、病毒、真菌和古菌结构改变可能对结直肠癌发生、发展起协同促进作用。
功能性胃肠病是消化系一大组疾病，发病机制不明。近年来学者们逐渐提出微生态肠-脑轴的功能状态与功能性胃肠病密切相关的观点。研究发现，肠易激综合征(irritable bowel syndrome, IBS)患者体内存在肠道菌群构成改变和小肠细菌过度生长等肠道菌群紊乱现象，口服利福昔明后一些IBS患者的腹泻、腹痛等症状得到不同程度的缓解，表明肠道菌群与IBS的发病机制相关。达彬琳等[16]对肠道微生态在IBS发病机制中的作用进行了总结，指出IBS患者的一些脑区存在持续激活，包括与内源性疼痛调节相关的前额叶内侧皮质、后扣带回皮质和双侧顶叶皮质等，以及与情绪激发相关的前扣带回皮质和杏仁核；精神应激可通过影响肠道稳态和下丘脑-垂体-肾上腺轴活化，使促肾上腺皮质激素释放激素、促肾上腺皮质激素和皮质醇水平改变，从而使肠道菌群失调，进而通过神经内分泌、免疫和迷走神经途径影响大脑功能、行为和肠道功能。
肠道微生态紊乱也参与肝硬化的病理生理过程。肠道微生态失衡可通过细菌的直接作用及其代谢产物进一步损伤肝脏，促进肝脏炎症，激活肝脏免疫系统，导致肝纤维化和肝硬化。肝硬化患者的低蛋白血症和门静脉高压引起的肠壁水肿、肠道通透性增加和肠道内环境改变，又可进一步导致和加重肠道微生态系统的失衡。早期应用分离培养法发现肝硬化患者肠道内大肠埃希菌、葡萄球菌、酵母菌、拟杆菌和双歧杆菌数目低于健康对照者，伴腹泻者真杆菌减少，梭菌增加，并且肠道菌群失调的程度与肝功能损害程度呈正相关[3]。近年来，应用16S rRNA和宏基因组测序技术发现，肝硬化患者菌群多样性低于健康人，菌群结构和丰度与健康人也不同。已有研究报道肝硬化患者体内丰度升高的肠道细菌包括韦荣球菌属、链球菌属、肠杆菌属、普雷沃菌属、变形杆菌属和梭菌属，丰度下降的肠道细菌包括拟杆菌属、厚壁菌门、毛螺菌属、瘤胃菌属、梭状芽孢杆菌属等[17]。肝移植后，放线杆菌、大肠埃希菌和志贺菌属的丰度下降，而小单孢菌科、脱硫杆菌科、真杆菌科的八叠球菌属和阿克曼菌的丰度升高[18]。
除外消化系疾病，肠道微生态也涉及其他系统疾病的发病机制，如心脑血管、呼吸系统、肾脏、内分泌代谢、风湿免疫、神经精神类疾病和皮肤病等[19,20,21,22]。这些研究不仅改变和加深了对疾病发病机制的认识，也为疾病治疗提供了新的靶点。
肠道微生态的干预策略包括饮食调整、微生态调节剂的补充、抗生素治疗、肠道微生态环境的重建等治疗方法。
肠道微生态通过微生物不断定植形成相对稳态，基于人群调查提出的肠型概念指肠道内多方位密集分布的主体菌，具有很强的抗性和弹性，主要包括普氏菌属、拟杆菌属和瘤胃球菌属。人体肠型主要在出生后9~36个月建立，与年龄、性别、体重指数、国籍等的相关性小，主要与长期饮食结构密切相关，短期饮食方式转换尽管会引起肠型内微生物组成改变，但是基本保持稳定。目前研究最多的饮食结构有西方化饮食、素食饮食、地中海饮食和生酮饮食。西方化饮食和生酮饮食缺少肠道微生物可利用的碳水化合物，导致肠道微生态多样性下降。素食饮食和地中海饮食有足够的膳食纤维摄入，可有效改善肠道微生态的多样性和稳定性。高雅琪和房静远[23]指出，未来有望通过明确饮食-肠道微生态-宿主疾病的相互作用关系，选择正确的饮食结构，制订个体化饮食方案，调整肠道微生态，从而达到干预和防治疾病的目的。
微生态调节剂包括益生菌、益生元和合生元，补充微生态调节剂可以一定程度改善肠道微生态失衡的状态。目前临床应用于人体的益生菌主要有乳杆菌属、双歧杆菌属、肠球菌属、链球菌属、芽孢杆菌属、梭菌属和酵母菌属。益生元指对双歧杆菌等益生菌有促进作用的物质，如低聚糖、可溶性膳食纤维等。益生菌和益生元并存的制剂称为合生元。临床上已有大量应用益生菌治疗肠道微生态失衡相关性疾病的研究和经验。《中华消化杂志》也刊登过相关研究，从临床疗效和作用机制等方面探讨了益生菌在改善肠道微生态失衡中的作用和途径。2016年《中华消化杂志》刊登了中华预防医学会微生态学分会制定的《中国消化道微生态调节剂临床应用专家共识(2016版)》[24]，对微生态调节剂在幽门螺杆菌相关性胃炎、非酒精性脂肪性肝病、肝代谢性疾病、肝硬化、肝功能衰竭、肝移植、抗生素相关性腹泻、IBS、IBD、结直肠癌、胃肠道黏膜微生态屏障功能障碍和衰竭等疾病中的应用提出一些意见。
小肠细菌过度生长指远端肠道内的细菌因各种原因迁移、移位进入小肠，可引起营养吸收不良、腹泻、腹胀和小肠动力异常等症状。利福昔明口服治疗可改善肠道菌群组成，减少肠道细菌的酵解及酵解产生的氢和甲烷，从而改善患者的临床症状。抗生素治疗IBS有一定效果，但抗生素治疗引起的抗生素相关性腹泻甚至真菌感染、艰难梭菌感染(Clostridium difficile infection，CDI)等是临床需要高度重视的问题，临床中需权衡利弊、个体化评估以合理应用抗生素，避免出现肠道微生态失衡。
肠道微生态环境的重建包括粪微生态移植(fecal microbiota transplantation，FMT)，也称为菌群移植或肠道微生态移植(intestinal microbiota transplantation)，目前名称不统一。FMT是将经过严格标准筛选的健康供体的新鲜或冻存粪便，按要求进行医学制备，将制备成的微生态移植物移植入受体胃肠道内，以恢复受体肠道微生态的一种干预方法。2013年以来，FMT已被美国、法国、英国等多个国家的医疗指南推荐用于治疗复发和难治性CDI，近年来国内外一些临床研究也将FMT扩展至CDI以外的消化道疾病和消化道外其他系统疾病的治疗。在CDI和IBD治疗领域，无论是供体移植或自体移植、单供体移植或混合多供体移植等，FMT均取得优于对照组的缓解疗效。FMI供体筛选方法、菌液制备、移植途径等方法学的研究也取得进展，正在逐渐走向规范化。FMT涉及的领域还包括功能性胃肠病、代谢综合征、孤独症、抽动障碍、帕金森病、抑郁症、特发性血小板减少性紫癜、放射性肠炎、多重耐药菌感染和多器官功能衰竭等。
肠道微生态研究经过40年的发展，从单种细菌的培养到宏基因组测序和多组学研究，越发全面和深入了解微生物组细菌、真菌、病毒、古菌的数据集，从描述性、关联性研究到验证机制的深入探讨和应用转化研究，经历了跨越式的发展，使得对微生物的认识进入了全新的阶段。未来随着胃肠微生态研究的深入，运用胃肠微生物标志物构建疾病诊断模型，应用特定肠道菌群个体化辅助治疗特定疾病，靶向菌群预防疾病等领域将会取得更多进展或突破。胃肠微生态的研究正在进入新纪元。
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