包括人類在內，在動物腸道內的每克內容物中，定植著1011～12的腸道細菌，其種類也是極其多樣的。如今，雖然將這些複雜的微生物統稱為腸道菌群，但是，關於其構成以及對機體的作用，仍有很多不明之處。可是，如同在益生菌等所見到的那樣，在世界範圍內，正在嚐試著積極利用常居性腸道細菌，以期待著闡明腸道菌群的作用。本綜述將介紹把特定的腸道細菌種單獨或混合定植於由無菌動物來說的悉生動物的試驗成果，進而來論述腸道菌群的作用。
從比較無菌動物和清潔動物(主要為大鼠)的試驗成果來說，腸道菌群的存在，對於宿主動物的生理，尤其對腸道影響很大。這方麵雖然受到了啟發，但是還有許多基本的疑點。例如：
疑點1 使無菌動物腸粘膜的特征普通化所必需的細菌種是什麽?
如上所述，觀測腸內容物、糞便中的100種以上的微生物，雖然形成腸道生態係，但是，腸粘膜的特征向普通動物型變化，是否需要如此之多種多量的腸道細菌?另外，各菌種的有用率是否相同?(根據腸粘膜各自的特征，能夠充分地予測到有用的腸道細菌的菌種是不同的，所以，首先有必要特定腸粘膜的特征。)
疑點2 腸道菌群對小腸發揮著怎樣的作用機理?
迄今，在比較和研究無菌動物和普通化動物過程中，絕大多數認為小腸的特征有著明顯的差異。不言而喻，雖然認為對小腸的理解較大腸有所進展，但是，一般來說，小腸的腸道細菌的菌種、菌量都少。對小腸粘膜帶來特征變化的腸道細菌，究竟是存在於小腸內的腸道細菌中呢?還是通過棲息在大腸內的大量的腸道細菌，間接地誘導小腸粘膜的變化呢?
疑點3 腸道菌群和宿主動物的結合有特異性嗎?
各種動物構成了各具特征的腸道菌群，用顯微鏡觀察鼠和人類糞便菌群的塗片標本，能很容易地判斷其差異。一般認為，兩者的差異主要起因於梭菌屬是否含有梭形菌型(Fusiform type)。但是，從分類學上，多是以種的標準表示著在腸道菌群不同種動物的構成差異。這種情況究竟是暗示了宿主動物和腸道菌群的密切結合呢?還是反映了食性差異等環境要因呢?腸道菌群的構成及其宿主動物種間是否有著必然的聯係?
上述疑問，在影響腸道細菌種及其腸道細菌的宿主動物方麵，特定其特征，如果能夠正確了解其對應關係的話，則都能夠很明確地搞清楚。
1 分節絲狀體細菌的存在及其細菌學方麵的性質
如在疑問2所提及的那樣，與大腸相比，小腸中的腸道細菌非常少。既使在內容物開始滯留的回腸部內，也僅是大腸中的千分之一的程度。但是，我們了解在多數動物種中，結合並棲息在小腸上皮細胞管腔內的腸道細菌種。在顯微鏡下觀察到的用福爾馬林固定小鼠回腸絨毛的標本，有竟達到數百微米的分節絲狀細菌。這就是分節絲狀菌(segmented filamentous bacteria)。如果提高倍數，可以看到裂殖體進入菌體中的現象。如後所述，我們製作並解析了裂殖體細菌單獨定植小鼠和大白鼠，明確了該細菌引起宿主方麵的的特征、尤其修飾和活化小腸粘膜的特征。於是，首先決定該細菌的16SrRNA的堿基配列，為了劃定細菌學上的應有位置，進行了係統分類。迄今，在我們的研究組和Snell的研究組中，決定了小鼠、大白鼠、猴、雞的4種6係統動物的裂殖體細菌的16SrRNA堿基配列。一般認為裂殖體細菌間的相同性極高，形成一種自然群。雖然認為在已知的細菌種中，分節絲狀菌是從梭菌屬的某個種中分岔出來的，但是，從堿基置換率來看，其距離相距很遠，分節絲狀菌以其自身形成一個獨立群的想法大概是事實。Tannock等和Koopman等報答了分節絲狀菌在小鼠和大白鼠之間也不能互相交叉定植，證實了係統分類的結果。其他普通細菌學性質，因不能在試管內培養，是今後待研究的課題。
2 無菌動物和普通化動物
為了解腸道細菌的作用，比較無菌動物和普通化動物是最合適的手段。試驗成果指出，二者之間，不僅在消化道，而且在全身都存在著明顯的差異。本文的焦點放在腸粘膜免疫係統、尤其放在最近被重視的腸上皮細胞淋巴細胞(IEL)上，試圖解析腸道菌群的成分。
首先，將小鼠自身的糞便菌群強製地定植地無菌小鼠內，追蹤腸道菌群形成時IEL的行跡。無菌小鼠的rδTCR陽性細胞(rδIEL)比αβTCR陽性細胞(αβIEL)多3倍，但普通化後，αβIEL和rδIEL的比率發生逆轉，清潔化2周以後，αβIEL則處於優勢。如果用細胞數進行比較的話，rδIEL的細胞數僅有少量增加，而αβIEL則增加10倍以上。另外，Thy-1陽性IEL也明顯增加。大約rδIEL的全部和αβIEL的大部分為CD8陽性，其中，在IEL中有特征性的CD8α的同型二聚體占50%以上。上述結果從給無菌、普通及清潔小鼠注射胸腺嘧啶核甙的類似體——溴脫氧尿核甙(BrdU)，並進行連續標記時，從IEL的各亞群的BrdU標記率的變化中也能夠得到證實。以上試驗顯示了，把握αβIEL和rδIEL兩個亞群的動態，在解析腸道菌群的效果方麵，能夠形成有效的參數。因此，作為解析腸道菌群的第1階段，將IEL的兩個亞群的比率作為指標，來劃分腸道菌群分離源的不同影響和腸道菌群。
3 修飾、活化小腸粘膜特征的腸道菌群分離源的影響和腸道菌群成分的劃分
為了評價腸道菌群對機體的作用，如前所述，以IEL特征作為指標，調查了宿主方麵的應答。尤其著眼於迄今已知的將無菌鼠的盲腸尺寸縮小到清潔小鼠的大小的厭氧性有芽胞菌，將各種動物的糞便和用氯仿處理的糞便投入到無菌小鼠內。如前所述，將小鼠的IELT細胞的構成比變成清潔小鼠型，僅限於小鼠糞便菌群或用氯仿處理的糞便菌群。人和大白鼠的糞全未見效果。另外，搞清楚了該結果不單單是IEL的構成比，關於IEL的細胞障礙活性和腸上皮細胞的各種特征、盲腸大小也得出同樣的結果。因此，雖然是在所限定的種的範圍內，但是，使小鼠腸粘膜的特征變成清潔小鼠型，暗示出是需要來源於小鼠的腸道菌群。這種情況可以推測出以前所提倡的原藉菌群的通用結果。將耐氯仿的腸道菌群在試管內用EG瓊脂培養基作厭氧培養，無選擇地收集100個菌落，將它們投到無菌小鼠，但其劃分未發現效果，使腸粘膜特征變成普通型的腸道細菌是耐氯仿的，至少可以推測是用EG培養基不能培養的腸道細菌種。尤其在鼠的腸內容物中，所觀察到的菌數和能夠培養的菌數的差距是極大的，這種耐氯仿的腸道細菌，不能培養的居多，極難於進一步劃分，目前尚未著手。然而，先前所介紹的粘附於小腸上皮細胞的分節絲狀菌因耐氯仿(具有形成芽胞的性能)，目前也尚未培養成功，是無菌小鼠普通化所必需的腸道細菌的一個侯補。從迄今的結果來看，任這種分節絲狀菌單獨定植的悉生動物中，除了盲腸尺寸外，我們所解析的小腸粘膜特征都變成普通化小鼠型，分節絲狀菌不是單一侯補，正在成為極為有力的候補。
4 用悉生動物解釋動物腸道菌群和宿主動物相互作用
采用已經單獨定植分節絲狀菌的小鼠，將其糞便用生理鹽水製成懸液，經口投入無菌小鼠(BALB/C)，在無菌隔離室內飼養。其後，逐時殺死，測定腸上皮細胞間淋巴細胞(IEL)的細胞數、表現型、細胞障礙活性、腸內容物的IgA量、以及小腸上皮細胞(IEC)的分裂指數、組織相容性複合體組Ⅱ分子的發現、糖脂質GM1 fucosy1化、吸收細胞/杯狀細胞的比率、二糖類分解酶活性。
4.1 對腸粘膜免疫係統的效果
在裂殖體細菌投入前和投入後，在腸粘膜的機體防禦係統中，逐時地調查了發揮重要作用的IEL細胞數、表現型、細胞障礙活性。從投入分節絲狀菌之後的第14日起，IEL細胞數明顯增加。明確了具有αβT細胞受體的T細胞、有Thy-1抗原的成熟T細胞的比例增加的現象。這些IEL顯示出以癌細胞——P815細胞作為標靶的細胞障礙活性。還進一步促進分泌型lgA的產生。
4.2 對腸上皮細胞的機體防禦因子及其他因子的效果
認為是病原細菌受體的GM1糖脂質，通過投入裂殖體細菌，呈現出能引起Fucosyl化。進而，為了提示對T細胞的腸道抗原，必要的級組Ⅱ分子是在投入裂殖體細菌之後的7～14日，在腸上皮細胞上發現的。
其他，作為腸上皮細胞分裂指數的促進指標、腸粘膜上皮細胞的成熟指標所用的吸收細胞杯/狀細胞的比率也增加，二糖類分解酶活性也因投入分節絲狀菌而與普通的SPF小鼠相同。
4.3 裂殖體細菌和梭型細菌對大腸特征的影響
當觀察裂殖體細菌對單獨定植小鼠結腸IEL的影響時，盡管分節絲狀菌單獨定植，IEL的表現型雖然與無菌小鼠不同，卻顯示出與小腸不同而清潔小鼠型的變化小。這可以認為在大腸內裂殖體細菌定植性不良的起因，嚐試著將構成鼠大腸的主要菌種——梭型菌單獨定植(實際上是梭型菌厭氧菌的混合)或者與絲狀體細菌混合定植。其結果，發現梭型菌定植小鼠，比分節絲狀菌單獨定植小鼠能向普通化型變化。觀察到裂殖體細菌和梭型菌細菌混合定植小鼠，向普通化型變化更強。尤其是這種變化，發現αβIEL中的 cD4和CD8的T細胞的構成比CD8的α同型二聚體和αβ異型二聚體的構成比都是明顯的。在盲腸的IEL中，也都顯示出同樣的傾向。
另外，迄今關於采用普通化指標的盲腸重量，未發現裂殖體細菌單獨定植使盲腸縮小，與無菌小鼠幾乎相同，觀察到可培養的梭型菌群(主要的)的定植開始增加，盲腸變小。盲腸縮小的現象，從前述的人菌群小鼠和大白鼠菌群小鼠也能發現的情況以及裂殖體細菌單獨定植小鼠的盲腸縮小的很小的情況，可以推測出盲腸大小縮小的機理和迄今所述的小腸各種特征、大腸IEL的變化機理是不同的。
分節絲狀體菌和梭形菌的混合、定植小鼠的裂殖體細菌糞便中的菌數比單獨定植的抑製低，在小腸(回腸)內容物中，梭形菌也定植，大約能確認105個/g分節絲狀體菌。
4.4 小結
通過對無菌小鼠投入裂殖體細菌，顯示出對消化道粘膜的機體防禦發揮很大作用的IEL的增加和活性化，在小腸上皮細胞中，為了提示對T細胞的腸道內抗原，必要的級組Ⅱ分子被腸上皮細胞所誘導。進而，作為銅綠假單胞菌)(Pseudomonas aeruginosa)的細胞粘附受體而發揮作用的GM1糖脂質也被腸上皮細胞所fucosy1化，顯示出病原菌和病毒受體活性被阻滯的可能性。其他，作為小腸上皮細胞分裂指數的促進指標和小腸粘膜上皮細胞的成熟指標而采用的吸收細胞/杯狀細菌比率、二糖類分解酶活性都通過投入裂殖體細菌，與普通的SPF小鼠相同。一般認為，這些情況暗示為了功能性地消化吸收而增加潛在的能力。以上的結果都是通過不含病原性細菌的常居性腸道菌群所引起的效果。即明確了在腸道菌群中，裂殖體細菌至少是擔當這些生理作用的腸道細菌的一種。
裂殖體細菌的效果在小腸中尤其明顯，通過分節絲狀體細菌，大腸的IEL表現特征雖然接近於普通化，但沒有發現用普通化小鼠、耐氯仿細菌群觀察的盲腸尺寸的縮小、結腸上皮細胞的分裂指數的增加的情況。用分節絲狀體菌和小鼠大腸的主要構成菌種——梭形菌菌群的混合定植小鼠，首先看到盲腸尺寸的縮小的情況，一般認為，當IEL的表現特征更接近清潔型時，對大腸特征的普通化來說，梭形菌的存在是必要的。分節絲狀體細菌和梭形菌群混合定植小鼠中，確認了分節絲狀體菌在小腸、梭形菌在大腸都有更多的分布。另外，這次所用的梭形菌群以耐氯仿性用EG瓊脂培養基在厭氧條件下可增殖，大部分細菌是梭形菌集團的狀態，一般認為今後這些菌群進一步純化是可能的。在評價腸道細菌方麵，腸粘膜的各種特征對宿主的生理機能來說，是極為重要的。因此，如上所示，可推測出以分節絲狀體細菌為中心的常住性腸道細菌對消化道產生特異作用，並與宿主動物很好的共存著。
5 關於腸道菌群在腸粘膜中的作用機理的假諮
關於腸道菌群的作用機理，一般理解為腸道細菌產生的代謝產物、通過腸道細菌引起的代謝、被修飾的來自宿主的物質、腸道細菌的細胞壁等菌體成分直接地影響腸粘膜，或者由消化道吸收後影響機體。雖然考慮到裂殖體細菌的場合也相當於任何一種場合，但是，普通的腸內容物的分析與無菌動物的內容物幾乎無變化。另外，還觀察到分節絲狀細菌跟腸上皮細菌有很強的接合像，但尚未見到在機體內易位的報告。當考慮到這種情況時，一般認為分節絲狀體細菌的作用機理與前述的機理有可能不同。這時，特別應該注意的是裂殖體細菌在腸內存在的形式。現在，我們就其結合機理進行解析，假定在與腸上皮細胞的某種成分之間，存在受體配體的相互作用。設想分節絲狀體細菌的菌體的一部分跟腸上皮細胞受體結合，誘引某種信號傳導變異，可能導致向腸上皮細胞、IEL的一係列變化。從Regnault等的報告中，明確了比較無菌小鼠和清潔小鼠的IEL的αβT細胞抗原受體(TCR)，兩者使用β鏈的頻率相同，在各克隆大小上存在不同。該結果暗示著與其說IEL不是認識腸道細菌的多樣性，不如說腸道細菌的定植促進調節著IEL增殖的應答機理。分節絲狀菌單獨定植小鼠的β鏈雖然未解析，卻予想到盡管分節絲狀菌單獨定植，β鏈的使用頻率也是相同的，以上的結果大概是更好地理解盡管單獨定植，也能誘導IEL增殖應答的結果吧。
根據上述討論的裂殖體細菌和宿主動物的作用機理，對於最初提出的疑點，雖然得到了部分的解答，但是關於分節絲狀菌以外的腸道細菌的作用，仍然還是不清楚。另外，這次介紹的結果，在人等動物種中是否還具有普遍性，仍未解釋清楚。雖然觀察到一部分乳酸菌對胃、腸粘膜也有強力的結合，但對機體的影響仍為今後的問題。通過裂殖體細菌的作用機理的解析，期待著明確腸道菌群廣範效果的一部分。
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