健康與科學

腸道菌大普查

腸道微生物環境決定你肥胖或纖瘦?

撰文/華立斯(Claudia Wallis)
翻譯/黃榮棋

健康與科學

腸道菌大普查

腸道微生物環境決定你肥胖或纖瘦?

撰文/華立斯(Claudia Wallis)
翻譯/黃榮棋

對每天要與肥胖奮戰的35%美國成年人而言,肥胖原因早已耳熟能詳:不健康的飲食、久坐不動的生活習慣,有些則拜遺傳所賜。但近年來,研究人員越來越相信我們腸道中數不清的微生物扮演著重要角色。

人類演化至今,定居腸道的微生物一直在幫助人體分解植物纖維,以換取長住營養湯的特權。不過它們的角色似乎不只消化而已!新證據指出,腸道菌種會改變人體儲存脂肪的方式、影響血糖濃度的平衡,也會改變人體對產生飢餓與飽食感的激素的反應。打從娘胎出生以來,錯誤的微生物組合,似乎會促成肥胖與糖尿病。

幸運的是,研究人員正開始了解腸道中錯誤與健康微生物組合的差別,以及造成這些差別的因素。他們想知道,究竟要如何培養人體內的微生物生態系,才能預防甚至治療肥胖。醫生為肥胖下的定義是:身體質量指數(BMI,體重(公斤)/身高平方(平方公尺))超過30。舉例來說,想像我們可以設計出對腸道有益並且抑制有害微生物的食物、嬰兒配方奶或營養補充劑。美國聖路易華盛頓大學的高登(Jeffrey Gordon)就認為:「我們必須從人體腸道環境的角度來設計食物。」

物種豐富的雨林 vs. 營養過剩的池塘

研究人員很早就知道,人體內住著各式各樣的微生物,但直到10年前左右,他們才知道微生物比人體細胞數目多了10倍。快速基因定序技術的分析結果指出,皮膚表面與生殖道內雖有為數可觀的微生物社區,但人體最大且最多樣的微生物「都會區」卻是在大腸與口腔裡頭。

胎兒出生通過產道時,會開始組合獨特的微生物大軍,最先是母體的細菌,然後終其一生持續從環境召募新成員。透過探討這些不同微生物的基因(統稱為微生物群系),研究人員已經找到許多最常見的微生物種類,不過,這會因不同族群或不同個人而有很大差異。近年來研究人員已經從單純普查,升級成要確定這些體內微小居民的工作任務以及它們對身體健康的影響。

曾有研究把肥胖與纖瘦者的腸道菌種相互比較,結果發現,腸道微生物可能在肥胖上扮演一角。根據肥胖或纖瘦雙胞胎的研究發現:纖瘦者的腸道環境就像物種豐富的雨林一般,而肥胖者的腸道則沒那麼多樣化,比較像是少數物種主宰的營養過剩池塘。例如,纖瘦者似乎有較多樣的擬桿菌門菌種(Bacteroidetes),這是微生物的一大分支,擅長把大分子的植物澱粉以及纖維分解成小分子,變成身體可以吸收的能量。

尋找因果關係

不過,確立了腸道細菌環境的差異,不代表就是這些差異造成肥胖。要證明因果關係,高登及同事利用所謂的擬人化小鼠,進行一系列漂亮的實驗,結果發表在去年9月的《科學》。首先,他們把基因完全相同的幼鼠養在無菌的環境,以確保腸道內完全沒有任何細菌。之後他們從肥胖女子及其雙胞胎纖瘦姊妹(三對異卵雙胞胎與一對同卵雙胞胎)身上取得腸道微生物,注入小鼠的腸道,給小鼠吃等量的相同食物,結果顯示:與接受雙胞胎中纖瘦者的腸道微生物的小鼠相比,接受雙胞胎中肥胖者的腸道微生物的小鼠比較重,體脂肪也比較多。一如所料,胖鼠的腸道微生物種類沒那麼多樣化。

高登團隊後來重複這個實驗,但做了點小修改:在為幼鼠注入腸道微生物之後,把牠們養在同一個籠子,結果這兩群小鼠都一樣瘦。研究顯示:擁有肥胖女子腸道微生物的小鼠,也會從同籠纖瘦小鼠身上獲得部份腸道微生物(尤其是各種擬桿菌門菌種)這有可能是因為吃了同伴的糞便。吃糞便也許不雅,卻是小鼠常有的行為。為進一步證實這點,研究人員把某些瘦鼠身上蒐集到的54種細菌,植入帶有肥胖腸道微生物環境的小鼠身上,結果發現,原本應該變胖的小鼠也變成健康體重的瘦鼠。但是只植入39種就無法產生這種效果。高登說:「總而言之,這些實驗提供相當有力的證據,說明其間的因果關係,並指出預防肥胖的可能性。」

高登的理論認為,胖鼠的腸道缺乏某些維持健康體重與正常代謝的微生物。高登的胖鼠血液與肌肉裡,有比瘦鼠高濃度的支鏈胺基酸與醯基肉鹼(acylcarnitine),這兩種化學物質在肥胖與第二型糖尿病患者身上通常也會升高。

另一種肥胖者可能欠缺的微生物,就是稱為幽門螺旋桿菌(H. pylori)的胃菌。美國紐約大學布拉斯(Martin Blaser)的研究結果指出,幽門螺旋桿菌會調節刺激飢餓感的飢餓素濃度,因而可以調節食慾。布拉斯在他的新書《失落的微生物》中指出,衛生環境的改善與抗生素的使用,讓滿佈美國人消化道的幽門螺旋桿菌數量減少。

剖腹出生也有關係?

飲食是決定腸道生態系統的重要因子。舉例來說,高度加工食品可能使人體腸道微生物環境的多樣化降低。高登團隊配製了脂肪含量高、蔬果與纖維含量低的不健康飼料,餵食擬人化小鼠,結果證實食物、微生物與體重之間的複雜互動。若以這種「西方飲食」餵養擁有肥胖微生物腸道的小鼠,即使是與瘦鼠養在同一籠,這些小鼠也會累積脂肪,這種不健康食物防礙益菌的入住與繁衍。

飲食與腸道菌種的互動關係,可能影響人體易發胖的程度,而出生方式也會影響將來的肥胖程度。研究顯示,與母乳餵養或自然產的嬰兒相比,配方奶餵養與剖腹產的嬰兒,日後肥胖與糖尿病的風險會比較高。美國科羅拉多大學波爾德分校的奈特(Robert Knight)與紐約大學的多明格斯貝約(Maria Gloria Dominguez-Bello)發現,新生兒通過產道時會吞下細菌,這有助於日後乳汁的消化,剖腹產的嬰兒沒經過這道細菌洗禮。配方奶餵養的嬰兒面臨不同的問題:因為缺乏母乳內的物質,所以無法促進益菌生長,也無法限制有害細菌的滋長。最近加拿大的研究指出,在開始吃固體食物之前,配方奶嬰兒的腸道含有母乳嬰兒所未見的細菌。多明格斯貝約說,腸道與免疫系統還沒成熟前就出現這些細菌,或許就是造成這些嬰兒比較容易過敏、氣喘、濕疹、乳糜瀉,以及肥胖的因素之一。

腸道微生物會影響體重的新觀念,加強了人們對孩童過度使用抗生素的疑慮。布拉斯的研究指出,接受低劑量抗生素的幼鼠,會比沒有施打抗生素的小鼠多增加15%的體脂肪。抗生素也許會消滅部份協助維持健康體重的細菌,多明格斯貝約說:「抗生素就像森林裡的一把火,而嬰兒腸道森林正在成長,放一把火燒尚未成形的森林,註定要毀滅這座森林。」布拉斯的研究生考克斯(Laurie Cox)讓小鼠同時接受高脂肪飼料與抗生素,小鼠就變胖了。他注意到美國各州使用抗生素的頻率大不相同,如同各州肥胖的好發率也大不相同,有趣的是,這兩者的地理分佈雷同,抗生素使用最頻繁與最多肥胖者都出現在美國南方某些地區。

單靠益生菌無法戰勝肥胖

許多研究微生物群系的人認為,他們的研究將啟發治療與預防肥胖的新世代療法。不過,研究人員也很清楚,這個研究領域還很年輕,問題遠比知道的多。美國馬里蘭大學的弗雷澤(Claire Fraser)研究保守的美國新教徒教派「舊秩序艾米許族群」的成員,其肥胖與腸道微生物關係,他說:「人類的研究結果要比小鼠混亂得多。」即使像同質性這麼高的艾米許族群,也有著巨大的個人差異,因此想要找出人體微生物環境與肥胖的關係很困難。

即便如此,許多科學家正積極發展可能的治療方法。在這個領域不會有人相信單靠腸道益生菌就可以戰勝肥胖,不過,運動與正確飲食之外,似乎還需要加上培養我們腸道的微生物大軍。