重磅综述|Nat Rev Gastroenterol Hepatol：人类胃肠道中的产甲烷古菌
期刊：Nat Rev Gastroenterol Hepatol
影响因子：73.082
发表时间：2022年9月
一、摘要
人类微生物群与人类健康和疾病密切相关。除了细菌、病毒和真核生物外，人类胃肠道中许多古菌与甲烷的产生有关，临床上可以通过甲烷呼吸分析进行测量。甲烷是各种疾病的重要指标，包括肠道甲烷菌过度生长。值得注意的是，因为非细菌生物学和检测技术的原因，生产甲烷的古菌在人类微生物组研究中很大程度上被忽视了。因此，迄今为止，它们对健康和疾病的重要性在很大程度上仍不清楚，没有一个古菌明确具有致病性。本研究讨论了目前关于产甲烷古菌临床相关性的知识，解释了古菌对抗生素的独特反应及其对人类生理的消极和积极影响，并提出了目前对使用甲烷作为诊断标记的理解。
二、背景
微生物组研究已成为优化人类疾病诊断和治疗的关键课题。尽管有大量的科学研究，但这一领域的研究仍处于起步阶段，对常规临床实践有直接影响的决定性研究结果只会慢慢出现。由于微生物组的研究尚处于起步阶段，人类微生物组中单个微生物组分的功能和作用往往不得而知。这一点在非细菌微生物群落中尤为明显，除细菌外，人类微生物群还包括小型真核生物、真菌、病毒和古菌，它们越来越被认为是人类胃肠道微生物群整体功能的重要贡献者。一个特定生物群落的古微生物群落被称为“古菌群”。
古菌是单细胞微生物，40年前在胃肠道中发现，因为检测方法不足和它们自身的性质（普遍性、非致病性）等原因，古菌被认为与人类健康无关。大多数与肠道有关的古菌都有独特的代谢过程:它们消耗细菌发酵的最终产物，如氢气、二氧化碳、甲酸盐、醋酸盐、甲醇，可能还有乙醇，以及产生气态甲烷的甲基化合物。通过该代谢途径，产甲烷古菌提高了细菌代谢的效率，因此大大促进了微生物之间和宿主体内的能量流动。
三、主要观点
1. 古菌的特点
1）自然和宿主生态系统
古菌是广泛存在的微生物，生活在各种自然生态系统。尽管它经常被忽视，古菌的活动对有机和无机物的再循环仍具有重要性。这些活动包括它们在土壤和水生环境中作为氨氧化物或在缺氧生物群落中产生甲烷的作用。后者是有机生物量分解的最后一步，它通过产甲烷菌与环境中的细菌之间的相互作用或与盐生生物(如牛、白蚁)发生结合。因此，产甲烷古菌是甲烷排放的主要贡献者，在很大程度上加剧了全球变暖。
对人类来说，古菌在胃肠道中最为丰富(约占整个微生物群落的1.2%)，但在皮肤、泌尿生殖道或呼吸道等其他表面也有不同的分类菌群。胃肠道产甲烷菌是严格的厌氧菌，在含氧条件下会抑制生长或死亡。
2）非细菌的生物学
尽管古菌具有类似细菌的形态，但它们在细胞壁结构和分子机制上有所不同。这些差异也解释了古菌对广泛使用的抗生素具有独特敏感性，特别是，针对细菌细胞壁成分和RNA聚合酶的抗生素往往由于结构适应而无效。
3）缺乏古菌致病性
迄今为止还没有发现单一的古菌病原体。虽然在胃肠道中产甲烷古菌的丰度与某些疾病中呼出的甲烷量之间可能存在联系，并且在脑脓肿中检测到产甲烷古菌或与牙周炎有关，但根据Koch假设来自各种宿主系统的罕见的古菌分离物不能被归类为病原体。古菌在所有被研究的宿主系统中无致病性的原因可能是多方面的：①古菌经常依赖它们的细菌伙伴进行合成;②古菌没有获得性致病性，基因转移载体缺失或不兼容;③古菌不会从宿主资源中受益，它们是自给自足的，适应了长期的能源压力。然而，到目前为止，这些观点都没有得到充分的研究，需要进一步的研究和重点分析。
4）人体肠道微生物群落
目前，绝大多数的研究着眼于粪便样本的古菌组成，只有少数研究关注从胃肠道系统除结肠以外的其他区域提取的活检样本。虽然从活检样本中只能获得半定量的信息，但可以推断，包括上消化道在内的整个胃肠道都是产甲烷古菌的栖息地。
关于上消化道，在口腔窝洞中也发现了产甲烷菌（口腔甲烷短杆菌），与牙周炎或种植体周围炎有联系，由于口腔甲烷短杆菌不是这些发炎区域的唯一微生物，因此人们认为这种古菌是通过消耗氢气来促进发酵细菌。
人类古菌群以多种方式与人类宿主和肠道菌群相互作用。尽管根据目前的知识，宿主与细菌的相互作用主要基于营养物质的交换，但宿主采用各种措施来控制微生物组中的古菌成分，例如通过抗菌肽、胆汁酸和专门的免疫反应。
图 肠道内宿主-古菌-微生物群的相互作用
人类古菌与微生物群中的真菌和病毒成分的相互作用的研究很少，但古菌与细菌的共营养联系是巨大的，影响着肠道微生物的整体组成和功能。特别是，与甲酸盐和产氢细菌的共发生已被频繁报道，为古菌产甲烷途径提供了底物。
2. 古菌在人类健康中的作用？
1）甲烷与人体生理学
临床实践中，使用激光技术的呼气气体分析仪就可以比较容易地检测出古菌活动的独特代谢产物甲烷。通过古菌活动，人体平均每天释放0.35L甲烷。然而，甲烷的含量与胃肠道中古菌的丰度高度相关。据观察，甲烷在全球人口中具有高度的变化。在西方国家，大约40%的成年人是甲烷排放者。非洲人口的这一比例要高得多(接近80%)，东亚人口的这一比例要低得多(8-14%)。
甲烷对人体的生理过程有直接影响。动物研究表明，在狗体内甲烷可减缓59%的肠道运动。在豚鼠回肠肌外植体实验中，发现甲烷与肠神经系统胆碱能通路有关。这些观察结果解释了在人类中观察到的高水平呼气甲烷和便秘之间的联系。例如，洛伐他汀被认为可以抑制古菌生长，被认为是改善便秘和相关疾病的一种潜在方法。
2）甲烷作为诊断性生物标志物
由于排泄模式通常显示氢和甲烷为拮抗关系，有人建议额外测量呼吸甲烷浓度有助于提高灵敏度。然而，根据结肠的pH值、硫酸盐的有效性和微生物组的组成，除甲烷生成外，结肠内容物中存在多种相互竞争的氢处理途径，包括硫酸盐还原细菌(如Desulfovibrio)或乙酰原(如Blautia)的代谢，分别形成硫化氢和醋酸盐。然而，产甲烷古菌的氢利用率阈值总体上低于其他提到的消耗者，因此效率更高。
事实上，对儿童和青少年进行额外的甲烷或二氧化碳测量并没有显著影响碳水化合物吸收不良的检出率，因此，测量甲烷用于诊断的临床效用仍然存在争议。除了较高的设备成本和调整呼吸收集程序的要求之外，还没有对表明检测结果为阳性的阈值进行严格评估。从理论上讲，在摄入碳水化合物后，甲烷浓度增加5ppm应该与氢浓度增加20ppm具有相同的生物学意义，这是普遍接受为呼气测试异常的诊断标准。然而，在临床实践中，更常见的是使用呼吸甲烷浓度的临界值为10ppm。这反映了对检测微小甲烷浓度变化的准确性的担忧，尽管临床上用于检测呼气中甲烷的仪器设置在0到200ppm之间的检测范围内，分辨率为1ppm，精确度为±10%。除了在摄入碳水化合物后刺激甲烷排放之外，科学和临床兴趣还集中在呼吸中基础甲烷排放上，这是不受口服碳水化合物负荷刺激的。事实上，以往的研究已经揭示了甲烷生产和(急性)临床状态之间的一些潜在的有意义的关联。
3）小肠细菌过生长（SIBO）与肠道甲烷生产过量（IMO）
SIBO是一种小肠被过量的好氧和厌氧微生物定植的情况，而这些微生物通常在大肠中发现。细菌和宿主之间的正常平衡是由许多因素维持的。最重要的控制机制是胃酸分泌、解剖完整性，消化道、推进蠕动活动、IgA分泌免疫球蛋白，以及在较小程度上的其他分泌物。这些机制的失效可能导致肠道微生物失衡，如SIBO。在大多数保守的研究中，SIBO被定义为空肠吸出物中每毫升结肠细菌至少存在105个菌落形成单位。大多数报告表明，在这种情况下结肠革兰氏阴性厌氧菌起主要作用。然而，一些出版物也表明产甲烷古菌可能与这种疾病有关。2021年发表的400名SIBO患者的一系列研究表明了后者的重要性，其中49.8%的患者只产生氢气，38.8%的患者只产生甲烷，11.4%的患者两种气体都产生。值得注意的是，产生甲烷的SIBO患者表现出不同的症状，包括维生素B12缺乏症发生率降低，证实产甲烷菌的功能独立于膳食维生素。
美国胃肠病学学院于2020年发表的一份指南建议，在呼吸测试中检测到甲烷产生过多的情况下，使用“肠道甲烷原过度生长”(IMO)一词。目前的文献中也经常使用甲烷阳性SIBO来代替IMO。在2020年ACG指南中，SIBO或IMO的葡萄糖或乳果糖呼气测试阳性的定义分别是:在测试期间的任何时刻，氢气增加超过基线值≥20ppm 90分钟，甲烷增加≥10ppm 。虽然经典的呼吸测试和重复测量甲烷排泄通常用于诊断IMO，但这种方法很麻烦，特别是在重复使用来监测治疗反应时。一项研究报道，空腹单项甲烷测量呼吸浓度≥10ppm可准确诊断IMO，与便秘和粪便中甲烷俯伏杆菌(Methanobrevibacter smithii)含量相关;单次甲烷测量结果在没有处理的情况下稳定，在抗生素处理后下降。
SIBO的临床表现是高度多变的。它可以是无症状的，也可以引起腹痛和腹胀与肠易激综合征(IBS)难以区分，或导致严重的症状不仅影响碳水化合物的消化，而且影响氨基酸和胆汁酸的代谢，损害维生素B12和其他营养的摄取。甲烷可以减缓体外回肠蠕动速度的实验证据表明，产生甲烷的微生物可能通过改变肠蠕动引起便秘。另一方面，古菌生长缓慢，影响肠道细菌代谢产物的积累，这有利于产生甲烷的古菌的生长。根据对17项研究的系统综述，不同病因的腹泻疾病，如IBS-D或炎症性肠病，通常与肠道通过时间缩短有关，与肠道甲烷产生的低流行率有关。
IMO对胃肠道症状和疾病的临床重要性的不确定性。到目前为止，还缺乏足够的证据表明IMO应该以改善胃肠道症状为目的进行治疗。尽管小型临床试验表明，抗生素治疗(例如，利福昔明)减少肠道甲烷的产生也能改善便秘，但这一观察结果还需要大型高质量随机对照试验的证实。因此，目前不建议用抗生素常规治疗IMO。
4）古菌与结直肠癌（CRC）
CRC是西方发病率第三的癌症类型，也是2020年癌症死亡的第二大原因。除了遗传背景外，饮食和环境因素对CRC的发生和进展也有很大影响。在过去几年的研究也表明，肠道菌群中的某些微生物参与了结肠癌的发生过程。
呼吸中的甲烷排放与结肠癌之间的相关性已经被多次报道，然而也有些研究报道两者没有相关性。2020年发表的一项更大的研究表明，CRC患者中嗜盐古菌的潜在增加和产甲烷古菌的减少有关。基于机器学习算法，古菌的蛋白质组成可用于预测CRC，准确率为82%。
2020年，Poore等人提供了癌症基因组图谱(TCGA)数据集中预测癌症微生物组，有助于挖掘未来与微生物诊断应用的新靶点。除了病毒和细菌特征外，本研究还揭示了古菌序列在鉴定结肠腺癌方面的预测潜力。因此，基于最保守的设置，分配给甲烷反杆菌的序列被确定为分类模型中所有样本类型的一个重要特征。根据所使用的数据库的不同，不仅检测到了产甲烷菌，而且还检测到了其他古菌的特征。然而，在这一课题的大多数研究中，作者无法揭示结肠古菌的特征是促进结肠癌的发生还是对结肠癌的发生作出反应。因此，还需要进一步的研究来验证古菌在该病发病机制中的作用。
图 产甲烷古菌及呼吸中甲烷检测与人类疾病的关系
5）有益的一面
有研究表明古菌的丰度大幅降低与某些胃肠道模式有关，包括严重营养不良、阑尾切除术、肌减性肝硬化或炎症性肠病，但目前尚不明确的正相关关系。
产甲烷古菌是人类微生物群中最具遗传力的分支之一，表明其宿主基因谱具有很强的依赖性。产甲烷菌与克里斯汀森菌科(Christensenellaceae)构成了一种深度的共营养关系，高度表明了一种精益表型。与肥胖个体相比，体重指数在正常范围的个体中克里斯滕森菌科的含量显著增加。此外，产甲烷菌的存在与胃肠道中某些短链脂肪酸(丙酸、丁酸)水平的增加是平行的。事实上，尽管潜在的机制仍不清楚，但古菌特征与健康人类表型的相关性可以在一个大数据集中得到证实。然而，这一发现要么反映了古菌的因果关系，要么只是反映健康状况的间接关联，因此需要进一步的分析。
许多关于动物和细胞培养的研究都集中在甲烷作为气体传递器的活动上。尽管作用模式尚不清楚，Boros等人研究表明吸入2.5%甲烷可改善犬缺血再灌注损伤的程度，或外源性甲烷抑制体外白细胞浸润。用富含甲烷的生理盐水在小鼠和大鼠身上进行的其他研究表明，甲烷可能与增强运动能力、增加胰高血糖素样肽1的分泌、或与抗炎和神经保护作用有关。
三甲胺（TMA）是胃肠道细菌在摄入某些食物后产生的，TMA进入血液后，在肝脏中被氧化为TMA氧化物，这与心血管疾病风险的增加高度相关。然而，古菌可以使用TMA作为甲烷生成的底物。产甲烷菌属细菌与粪便样本中TMA浓度的降低有关，并且在啮齿动物实验中发现，在获得产甲烷古菌后，血浆TMA氧化物含量降低。古菌中也存在着益生菌，其可以降低动脉粥样硬化的风险。
四、讨论
在过去的十年中，对古菌群的研究提出了许多关于古菌在人类微生物群中的作用的问题。然而，古菌研究仍然受制于以细菌为中心的方法论，这可能导致对古菌贡献的全面低估或错误的认知。为了确定古菌在健康和疾病中的作用，并了解整体的临床相关性，需要进行分析和假设驱动的对照临床研究。目前，绝大多数人类微生物群的古菌成员仍然没有公开的代表。然而，只有培养才能在体外和体内进行详细的功能研究。
基于本综述讨论，古菌可能与甲烷阳性SIBO或IMO、便秘相关疾病以及CRC有较高的相关性。事实上，许多已经开始和完成的临床试验已经检查了SIBO中呼吸甲烷和便秘主导的肠易激综合征的关系，并关注使用各种抗生素进行治疗。另一方面，古菌与整体健康表型的整体联系需要进一步关注。产甲烷菌及其与有益的克里斯滕森菌科的相互作用可能是寻找“健康微生物组”的关键。
参考文献
Methanogenic archaea in the human gastrointestinal tract.Nat Rev Gastroenterol Hepatol.2022
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DOI:10.1053/j.gastro.2022.05.048