肠道稳态由肠道黏膜屏障、肠道内环境及其代谢产物等构成，彼此之间相互作用而形成一种动态平衡。在肠道稳态研究中，肠道黏膜屏障一直备受研究者的关注，而与肠道黏膜屏障结构与功能密切相关的肠道菌群，是近年来国内外肠道稳态研究中的热点。人类胃肠道中栖息着大量微生物，组成极其复杂的微生态系统，保持肠道稳态，在维持人类健康中起着重要作用。肠道稳态一旦被打破，导致肠道菌群在种类、数量、比例、定位、生物学特性及功能上的异常变化，乳酸菌等益生菌显著减少，革兰阴性肠道病原菌过度繁殖，产生大量内毒素，使肠道通透性增加，肠腔内细菌移位到其他组织，引起肠源性感染，内毒素被大量吸收入血，通过Toll样受体4激活转录因子NF-κB和AP1，促进TNF-α、IL-1β、IL-6、IFN-γ等炎症因子的释放，进一步加重肠黏膜屏障的损伤，更易导致肠道细菌移位及内毒素的吸收，形成恶性循环，最终引起多脏器功能衰竭。
黏膜屏障系统由肠道上皮细胞连接复合体及其分泌物、肠相关免疫细胞、肠内正常菌群组成，主要包括黏膜化学屏障、机械屏障、免疫屏障和生物屏障（图1）。
图1 肠道菌群对肠道黏膜屏障的影响
1.1 化学屏障化学屏障主要由肠道黏膜绒毛下侧的隐窝组织分泌的黏液和酶构成。肠道被覆的黏液主要成分是杯状细胞分泌的以黏液蛋白（mucus protein，Muc）为主的糖蛋白。Muc聚集在细胞表面，隔离肠道内容物和肠道黏膜；Muc可以改变致病菌及条件致病菌的进攻位点，抵抗有害物质对黏膜的损伤；Muc在抗原物质入侵时，向树突状细胞传递信号，激发肠道黏膜免疫应答。结构致密的无菌内黏液层附着在肠道上皮细胞的表面，内黏液层通过蛋白水解作用转化为外黏液层，可供肠道细菌的栖息。此外，肠道中的酸、胆汁等消化液中的溶菌酶、防御素等成分均可杀死外来病原微生物。
1.2 机械屏障肠道上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs）、细胞间的紧密连接（tight junction，TJ）与黏液层是肠道机械屏障重要组成部分。紧密连接是决定黏膜通透性的关键因子，由多种紧密连接蛋白组合构成，包括ZO蛋白（Zona occludens，ZO）、咬合蛋白（Occludin）、闭合蛋白（Claudin）、连接粘附分子（Junctional adhesion molecule，JAM）等。由紧密连接介导的细胞旁路途径可有效阻止无电荷大分子物质如细菌肽聚糖、脂多糖等通过，防止肠道内多种抗原物质以渗透方式进入肠道深层组织和血液循环。此外，肠道黏膜上皮细胞通过紧密连接形成生物膜，由细菌及其与上皮细胞的代谢成分构成，阻断外来菌的定植和入侵。
1.3 免疫屏障免疫屏障由肠道相关淋巴组织（gut associated lymphoid tissue，GALT）、免疫细胞与相关免疫分子组成，存在于肠上皮黏膜层和黏膜下层组织中。GALT主要包括肠道固有层、肠系膜淋巴组织、肠上皮淋巴组织与派伊氏结（peyer's patch，PP）；免疫细胞则包括肠道上皮及固有层内淋巴细胞、巨噬细胞、树突状细胞、PP结内的微皱褶细胞等；细胞因子主要包括白细胞介素如IL-6、IL-10，一些Th2细胞分泌型因子如转化生长因子（TGF）-β和分泌型免疫球蛋白A（secreted Immunoglobulin A，sIgA）、肠三叶因子（intestinal trefoil factor，ITF/TFF3）、防御素、补体等，可以中和毒素、杀灭致病菌或协助免疫细胞清除致病菌。
1.4 生物屏障狭义的肠道微生态只包括细菌，而广义的肠道微生态以细菌为主要组成，并包括病毒、真菌等非原籍微生物。肠道菌群按生理功能可分为共生菌、病原菌和条件致病菌。按在肠道中的层次则分为：（1）腔菌群：浅层主要含肠球菌、大肠埃希菌等需氧菌，通常不定植，对宿主有损伤作用，深层主要包括兼性厌氧菌如拟杆菌、消化链球菌等，能够消耗游离氧，维持肠道厌氧状态，但也具有条件致病性；（2）膜菌群：主要由双歧杆菌和乳杆菌组成，被肠上皮杯状细胞分泌的黏液包裹，通过粘附作用紧密结合在肠上皮细胞上，防止病原菌粘附定植。
据估计，人肠道有1 000多种微生物，但占总量99%以上的肠道菌群是由30~40种细菌构成，其他微生物占比较小。目前在人体肠道微生态系统中，仅发现9个门的细菌：厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、放线菌门（Actinobacteria）、梭杆菌门（Fusobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobia）、蓝藻菌门（Cyanobacteria）、螺旋体门（Spirochaeates）和VadinBE97门，其中厚壁菌门和拟杆菌门为优势种群，占92%以上。肠道菌群随消化道的变化呈现自上而下逐渐增加的趋势，其中优势菌群在十二指肠主要为链球菌、葡萄球菌和乳杆菌等革兰阳性需氧菌或兼性厌氧菌，在小肠段则为双歧杆菌和乳杆菌。食物主要停滞在盲肠和结肠，此肠段细菌浓度迅速增加到1010~1011 CFU/mL，优势菌群为严格厌氧菌，主要包括拟杆菌、真杆菌、双歧杆菌及厌氧的革兰阳性球菌。已有的研究表明，肠道菌群主要功能包括：（1）厌氧代谢糖类、蛋白质、肽类等物质产生短链脂肪酸，合成B族维生素及维生素K等关键分子；（2）诱导肠道上皮细胞分化增殖，抑制凋亡；（3）参与肠道黏膜免疫系统功能的维持与促进；（4）阻止病原菌的定植与生长。上述功能与肠道菌群维护黏膜屏障密切相关，构成生物屏障的主要菌群是乳杆菌与双歧杆菌，维持肠道无氧内环境，限制需氧菌的定植。
2.1 调控肠道微生态平衡当肠道菌群中的原籍菌比例和数量正常时，膜菌群可产生定植抗力，阻止致病菌的繁殖与定居。益生菌通过多种机制抑制病原菌增殖，如抢夺粘附位点、分泌细菌素和有机酸等物质抑菌、维持无氧内环境、与病原菌竞争营养等。双歧杆菌通过磷壁酸与肠道上皮细胞特异性结合，及产生细胞外糖苷酶降解肠道黏蛋白低聚糖和乳酸系列Ⅰ型糖鞘脂，影响病原菌在肠壁的定植。缺血再灌注后的肠道菌群失衡可由双歧杆菌分泌的黏附素而得以改善，从而保护肠黏膜屏障功能，减少肠道细菌移位，降低内毒素血症的发生。此外，益生菌能产生有机酸，降低肠道Eh和pH，抑制病原菌生长，亦能促进肠道蠕动，及时排出有害物质。处于肠道稳态或活跃性炎症时，低氧和缺氧诱导因子主导正常肠道代谢和屏障功能的调节。益生菌消耗肠道内氧气，维持无氧环境，影响需氧菌的生长，从而调节肠道菌群平衡。炎症会改变肠道低氧内环境，使大肠埃希菌更易生存。大肠埃希菌再度循环利用有益菌呼吸作用产生的丁酸、琥珀酸（盐）等大量代谢物，快速生长扩张，其中甲酸氧化已被认为是结肠炎的代谢信号。因此，通过寻找能干扰丁酸等代谢物产生的共生菌，有望限制大肠埃希菌等有害菌的代谢和生长，进而保护肠道微生态平衡。
2.2 促进黏液的分泌肠道黏液层主要由杯状细胞分泌的Muc、抵抗素样分子β（RELMβ）及ITF／TFF3组成，能有效将机体与肠道病原菌、食源性抗原隔离。研究表明，益生菌混合物使Muc-2在HT-29细胞中的分泌量显著增多，多种益生菌如罗伊乳杆菌（Lactobacillus reuteri）、嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）等均可诱导肠道上皮杯状细胞分泌黏液蛋白Muc-1、Muc-2和Muc-3。发酵乳杆菌（Lactobacillus fermentum）可增加空肠和回肠中杯状细胞密度及Muc-2的mRNA转录水平。Muc能阻止病原菌与肠黏膜接触，抑制病原菌对肠壁的粘附；还可以特异性结合病原菌，促进肠蠕动，排出病原菌。益生菌还能够诱导肠上皮细胞分泌TFF3，如枯草芽胞杆菌可显著提高TFF3的表达水平，TFF3与Muc交联和结合形成弹性凝胶，增加黏液黏度及降低酸渗透，从而增强肠道黏膜的防御能力及维持肠道黏膜屏障的完整性。
2.3 影响紧密连接和肠道上皮通透性益生菌通过上调热休克蛋白Hsp72、Hsp25、编码细胞骨架锚定蛋白、Occludin蛋白及微管蛋白的基因表达水平，从而保护肠道黏膜屏障。研究显示，嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus）能够粘附结直肠癌相关细胞HT-29和Caco-2，通过激活细胞内蛋白激酶C信号通路，诱导ZO-1的表达，促进Claudin、Occludin的磷酸化，增强紧密连接的组装，显著降低细胞通透性。此外，TNF-α、IL-6、血小板活化因子等炎症因子均可提高肠道上皮细胞通透性，而益生菌通过促进IL-10、IL-4、TGF-β等抗炎因子的分泌，中和炎症因子，抑制细胞因子信号通路介导的肠道黏膜损伤。益生菌诱导表达的TFF3通过影响Ｅ-钙黏连素/β-连结素定位和表达，促进肠上皮细胞的迁移，快速修复肠道上皮的损伤。如鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus GG）能够诱导活性氧的产生，又能激活细胞迁移的关键蛋白——黏着斑激酶（focal adhesion kinase，FAK）的磷酸化，从而调节细胞的迁移。
相反，致病性大肠埃希菌（Enteropathogenic Esherichia coil, EPEC）及福氏痢疾杆菌均可使Occludin去磷酸化，从而解离出紧密连接而进入细胞质。免疫共沉淀实验进一步证明，EPEC感染后，紧密连接蛋白解聚，Claudin-1、Occludin和ZO-1无序散布在肠道上皮细胞间。
2.4 激发肠道黏膜免疫功能，引起免疫反应益生菌可促进免疫器官的发育，且通过活化肠道上皮细胞中的树突状细胞、自然杀伤细胞及巨噬细胞，促进T与B淋巴细胞的分化成熟，诱导巨噬细胞分泌IL-10、TGF-β等抗炎因子，诱导树突状细胞分泌IL-12、IL-10等细胞因子，调节Th17/Tregs、Th1/Th2平衡以及增加肠液中免疫球蛋白的含量等多种途径提高肠道免疫力。戊糖乳杆菌（Lactobacillus pentosus b240）能够通过Toll样受体-2介导途径促进树突状细胞分泌IL-6、IL10及IFN-γ等细胞因子。益生菌混合物可诱导调节性树突状细胞免疫耐受，从而激发CD4+Foxp3+ Treg细胞增殖，其富集与趋化因子CCL1和CCL2上调有关，可抑制免疫失调。益生菌还可以诱导肠道上皮细胞分泌sIgA，直接裂解致病菌或中和毒素。肠道上皮细胞表面的模式识别受体可特异性识别细菌脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）、多糖、磷脂酸、甘露糖、细菌DNA、双链RNA和糖苷等病原相关分子结构（PAMPs），其中Toll样受体是肠道黏膜免疫细胞的主要信号识别受体，在识别LPS等PAMPs后，激活NF-κB、MAPK、JAK、PKC等信号通路。如脆弱类拟杆菌能将LPS的信号传递到宿主肠道树突状细胞中，进而诱导其分泌IL-10，促进Treg细胞的分化，激发肠道黏膜免疫应答。
肠道菌群失调可持续激活NF-κB、环氧合酶2、前列腺素等信号通路，释放促炎因子，导致炎症的发生。如产肠毒素脆弱类杆菌分泌BFT（bacteroides fragilis toxin）可激活STAT3信号通路，选择性Th17免疫反应活跃，诱发结肠炎及大肠癌变。
2.5 调控肠道上皮细胞凋亡进程益生菌可调控凋亡抑制基因的表达，阻断凋亡信号通路，进而影响凋亡过程。鼠李糖乳杆菌及其释放的可溶性因子通过PI3K依赖的模式激活Akt/PKB抗凋亡信号通路，抑制p38/MAPK促凋亡途径活化，从而阻止肠道上皮细胞的凋亡。此外，加氏乳杆菌（Lactobacillus gasseri SF1183）分泌分子作用于肠道细胞HCT116，显著降低HCT116细胞的凋亡水平。植物乳杆菌（Lactobacillus plantarum 299v）可提高凋亡蛋白家族抑制剂成员（HIAP2/clap）的表达水平。这些途径能够有效地保护肠道上皮的完整性，恢复肠道黏膜屏障功能，增强机体对病原生物的抵抗。而肠道致病菌大量增殖时，常会诱发肠道上皮细胞的异常凋亡，使致病菌易于进入深层肠组织，发生细菌移位，如铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）通过分泌毒素ExoT，诱导肠道上皮细胞的凋亡。
2.6 影响肠道上皮细胞DNA稳定性 在结肠上皮细胞含氧腔表面，粪肠球菌（Enterococcus faecalis）可产生胞外过氧化物，在酸性条件下，可自发生成过氧化氢，并扩散至上皮细胞，与DNA形成羟基自由基，导致碱基修饰、DNA断裂和DNA-蛋白交联。携带保守聚酮合酶（polyketide synthase，pks）基因岛的大肠埃希菌可以产生基因毒素——大肠杆菌素，能够诱导肠道上皮细胞DNA双键断裂，从而增加基因和染色体突变的频率。无论从热点图分析还是基因集富集分析（Gene Set Enrichment Analysis，GSEA）都可以看到，益生菌可减少或还原TLR3激动剂对CASP3、DUSP9等多重基因的调控，恢复生理平衡。肠道上皮细胞DNA稳定性的下降，可能导致Muc等关键分子表达失调、病原相关分子识别障碍、上皮细胞异常增殖等功能性失常，从而影响肠道黏膜屏障的结构和功能，危害肠道稳态。
2.7 产生特殊代谢产物肠道益生菌可产生二乙酰、乙醛、过氧化氢、细菌素等多种广谱抗菌代谢物，显著抑制或杀灭沙门菌、EPEC等致病菌。肠道菌群还能产生水解酶类（糖苷酶、酯酶等）、脱羧酶、氧化还原酶和氢化酶等一系列酶类，催化底物生成乙酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸，参与糖代谢过程，为肠道上皮细胞生长提供主要能量来源。此外，丁酸可促进肠道黏膜的修复，抑制致炎细胞因子的形成，降低结肠炎的发病率；并可以减少肠道上皮细胞分泌肿瘤坏死因子，诱导肿瘤细胞的分化和凋亡，降低癌变几率，具有一定的抗炎和抗肿瘤作用。而硫酸盐还原菌利用氢气还原硫酸盐产生硫化氢，致使肠壁渗漏。近年来，研究发现酿酒酵母可增强宿主肠道内的嘌呤代谢，导致尿酸增加，易诱发结肠炎。
近年来，大量研究证实肠道微生态紊乱会导致肠道致病菌急剧增殖，并释放大量内毒素等各种毒素，严重损伤肠道屏障结构和功能，导致肠源性内毒素血症，促进肥胖症、糖尿病及其并发症、心血管疾病等多种代谢综合征的发生发展。而乳杆菌、双歧杆菌等肠道益生菌具有多重维护肠道黏膜屏障的效应，如阻止病原菌定植、促进黏液分泌、增强紧密连接、维持肠道免疫、抑制上皮细胞凋亡等。此外，益生菌还能够减弱LPS上调的肠道上皮细胞的自噬作用，从而缓解黏膜屏障的损伤。这些研究结果提示，以适当方法补充益生菌有望抵抗致病菌对肠道黏膜屏障的损伤，或以肠道菌群为靶点的营养干预、药物干预将为慢性疾病的预防及临床治疗提供新的策略。
