近年来，随着对肠道菌群的研究不断深入，越来越多的人们认识到肠道菌群在人类及动物健康、维持机体免疫和代谢稳态以及防止病原体入侵方面发挥着重要作用。肠道菌群作为生物体微生态系统的重要组成部分，数量非常庞大，种类多种多样，按其在肠道中的作用大致分为三类：肠道中的优势菌被称为有益菌，分为专性或兼性厌氧菌群；与宿主共栖的条件致病菌，是肠道非优势菌群，以兼性需氧菌为主；病原菌，多为过路菌，长期定植的机会较少，当肠道微生态平衡紊乱，定植的细菌数量超出一定水平，就会引起动物体发病[1-2]。越来越多的研究已经证实，肠道菌群能够影响机体的免疫应答水平，同时机体的免疫状态也能够引起肠道菌群的变化，充分了解和认识肠道菌群，并深入探究肠道菌群在宿主感染和免疫应答中的作用机制，才能够更好地利用肠道菌群来提高动物机体的免疫力。

肠道菌群与机体进化共生的过程中，不仅演化出物种的特异性，更重要的是演化出不同物种之间的多样性，肠道菌群中占主要地位的是厚壁菌门(Firmicutes，占60%–65%)和拟杆菌门(Bacteroidetes，大约占20%–25%)，包括拟杆菌属、普氏菌属、卟啉单胞菌属、梭状芽孢杆菌属、柔嫩梭菌属、真杆菌属、瘤胃球菌属和乳杆菌属，另外变形菌门(Proteobacteria，大约占5%–10%)，包括产杆菌科细菌、幽门螺旋菌和华德萨特菌和放线菌门(Actinobacteria，大约占3%)，包括双歧杆菌属和产气柯林斯菌属，还有古菌门(Archaea)、脱铁杆菌门(Deferribacteres)、梭菌门(Fusobacteria)、螺旋体门(Spirochaetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、VadinBE97门、蓝细菌门、产甲烷古菌门等占比极小(< 1%)[3-10]，肠道细菌的多样性丰富了自然界中肠道菌群的种类和数量。研究发现多种因素影响着肠道菌群的多样性。

自然界中不同动物的消化道结构以及饮食结构存在明显差异，影响着肠道菌群的组成。研究证实不同动物种群粪便内的各大细菌群类，以及肠道内黏膜黏附菌都表现出显著的个体差异，但肠道菌群中主要细菌门类具有高度相似性，对于相同膳食类别的动物，其肠道菌群组成也有一定趋同性[11]。人和小鼠肠道菌群的研究最为深入，研究发现特定种类的肠道微生物丰度在一定程度上受宿主基因型调控[12]。最近Moeller等利用在两个野生种群捕获的17只小鼠繁殖了11代，结果发现第11代和第1代小鼠的肠道菌群组成几乎一样，表明物种的特异性能够让肠道微生物的组成稳定遗传[13]。Vatanen等报道来自芬兰、爱沙尼亚和俄罗斯的儿童肠道菌群的多样性与居住地位置和成长的环境有关，出生后的最初两年，菌群结构的多样性导致了菌群代谢功能的多样性和特异性[14]。纳入美国肠道计划与人类微生物计划两个项目组选择1673个健康个体，分析种族对肠道菌群的影响发现，12个科或者属水平的细菌受种族影响，大部分细菌包括遗传力最高的Christensenellaceae，均已被报道与宿主基因遗传具有相关性[15]。

物种特异性决定了肠道菌群的组成，但动物体内肠道菌群的组成并不是一成不变，有研究证实当环境和饮食发生改变，会改变肠道菌群的组成。Vangay等研究了从东南亚移民到美国的人群的肠道菌群，结果显示移民的肠道菌群快速地西方化，肠道微生物组多样性减少，导致更加容易肥胖[16]。Rothschild等研究由1046名以色列人组成的一个独特的数据库发现，遗传因素在决定微生物组的组成方面起着微小的作用，98%的人体肠道微生物组差异是由饮食和生活方式决定的[17]。Liu等组织志愿者从北京飞往特立尼达和多巴哥，然后停留6个月后再次返回北京，测定志愿者的粪便菌群，发现人类肠道菌群在较长时间内受饮食改变而发生动态变化，但在变化的过程中具有很高的可塑性[18]。研究显示来自不同海拔高度的高原鼠兔的饮食结构有显著差异，肠道菌群的组成也显著不同，饮食构成的α多样性与高原鼠兔肠道菌群的α多样性无关，β多样性却与高原鼠兔肠道菌群的β多样性正相关[19]。这些研究结果都显示肠道菌群的组成受环境的改变发生变化。

物种特异性和环境的改变能够影响肠道菌群的组成以外，同一动物个体肠道菌群的组成会随着生长发育的各个时期呈现动态变化。对贵州从江地区断奶仔猪的肠道菌群的研究发现，随着仔猪年龄的增长，肠道细菌的α多样性显著下降，24个细菌属的相对丰度明显下降，7个细菌属的相对丰度显著增加[20]。研究71只赤色倭狐猴的肠道菌群动态变化发现，年龄影响肠道菌群丰度及多样性，肠道菌群随着时间的变化发生改变[21]。同一个体在一年内，肠道菌群会呈现明显的变化，有研究分析12名婴儿出生第一年内的2684份粪便菌群发现，婴儿肠道菌群发育轨迹高度个体化，呈非线性动态变化，菌群多样性随时间增加，其中双歧杆菌属快速增长、厚壁菌门减少[22]。肠道菌群的组成在一天内也处于动态变化中，有研究对28名健康男女的一天内的77份粪便进行分析发现，35%细菌OTU与时间有关，肠道菌群与进食频率、早间能量消耗和夜间禁食时间长短有关，肠道菌群的组成和功能随一天时间的推移而变化[23]。对6周时间内北京鸭的盲肠菌群进行动态监测发现，盲肠组成始终处在动态变化过程中，在孵化后第4天到第10天期间变化最大，变形菌门在出生后的前3天占主要部分，从出生后第4天起，厚壁菌门增加且开始占主要部分[24]。

肠道菌群与机体相互依存，构成肠道的微生态系统。当微生态系统处于平衡状态时，会促进食物消化，产生纤维素等多种营养物质，同时能够刺激机体免疫应答抵御外来致病菌的入侵等重要作用[25-26]；平衡一旦被打破，肠道微生态系统失衡，机体各方面功能会出现紊乱，机体的免疫应答水平下降，容易引发疾病。疾病的引发通常表现为一些需氧菌及梭状芽孢杆菌的增加，同时，作为有益菌群的双歧杆菌、乳杆菌及丁酸盐产生菌等显著减少。

当动物机体发生炎症时，体内的免疫系统会受到严重影响，肠道菌群作为参与宿主免疫应答反应的重要组成部分会发生变化。有研究发现在炎症性肠病患者和小鼠结肠炎模型中，肠道微生物菌群中属于肠杆菌科的细菌成员不受控制地生长，同时发现在小鼠结肠炎模型中，口服含有钨酸盐的饮用水会选择性地阻止肠杆菌科细菌成员大量繁殖，但有益菌不受影响。因此，接受钨酸盐治疗会让小鼠结肠炎模型体内的肠道微生物菌群转向更加正常的状态[27]。研究发现，发生结肠炎的小鼠肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae)和奇异变形杆菌(Proteus mirabilis)数量增加[28]。Dejea等报道肠道菌群参与结肠癌的发生与发展，结果显示，脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)和大肠杆菌(Escherichia coli)两种肠道菌群共同形成生物膜，损坏结肠粘膜会促进结肠癌发生[29]。细菌性疾病能够影响肠道菌群的组成，尤其是肠道细菌性疾病，能够直接影响肠道菌群的组成。艰难梭菌是一种能够形成孢子的厌氧革兰氏阴性菌，感染后肠道菌群的丰度明显降低，肠道氨基酸浓度增加，通过移植低脯氨酸的菌群能够抑制艰难梭菌的扩增[30]。

病毒性疾病能够影响宿主肠道菌群发生变化，甲型流感病毒感染后，发现下呼吸道和肠道两个位点的菌群结构和功能失调，菌群丰度明显降低，宿主小肠易受肠炎沙门氏菌的感染[31]。吴莎等研究发现流感病毒感染可致小鼠肺部组织免疫细胞中TLR7信号传导通路活化，肠道菌群失调会抑制TLR7信号通路活化，益生菌治疗后可以通过上调TLR7信号传导通路而发挥抗流感病毒的作用[32]。呼吸道合胞体病毒感染小鼠模型发现，小鼠的肠道菌群多样性明显改变，拟杆菌门的丰度增加，厚壁菌门的丰度减少，但感染后会导致粪便中脂质运载蛋白-2的表达明显增加，提示低度肠道炎症的发生，并增加结肠中的黏蛋白Muc5ac的水平[33]。人类免疫缺陷病毒(HIV)感染患者的肠道菌群组成与未感染者显著不同，HIV感染期间肠道生态改变与免疫缺陷及慢性炎症的持续性存在有关，HIV患者肠道菌群的多样性降低，抗逆转录病毒治疗能够增强肠道菌群的失调[34]。

多种病原共感染会引起不同个体在同一群体中表现出不同的感染状态，导致宿主产生不同的易感性，进而影响病原在不同个体之间的传播，共感染情况下同样会导致肠道菌群发生变化[35]。研究报道，关于猪高致病性蓝耳病和猪圆环病毒II型共感染的情况下，粪便微生物多样性的变化与猪生长速度有关，其中生长速度快的猪与生长缓慢的猪相比，在科和种的水平上都增加微生物的多样性，高生长率的微生物丰度变化包括甲烷杆菌科减少、瘤胃球菌科增加、链球菌科增加[36-37]。

肠道菌群与免疫系统的关系十分密切，在小鼠模型中研究发现，肠道微生物的丰富度和多样性降低后，肠道的免疫状态改变，机体对肠道内的病原微生物的易感性增加[38]。已经有大量研究证实肠道微生物能够对全身性的固有免疫、特异性免疫以及自身免疫疾病产生重要影响(图 1)。

固有淋巴细胞ILCs广泛存在于黏膜组织中，是呈现淋巴样形态但缺乏重排的抗原受体样细胞。大多数ILCs的生长发育受微生物菌群直接或间接调控，按照功能和表型分为3个亚组：ILC1、ILC2和ILC3[39]。研究发现ILCs分泌细胞因子IFN-γ可以影响肠道菌群的组成成分及其在肠道内分布的区域[40]。肠道菌群维持动态平衡是机体内重要的稳态系统，它能够通过与肠黏膜细胞紧密结合成形成肠道的生物性机械屏障，有效抵御细菌和病毒等抗原的侵入。定植于肠道的细菌能够与肠道上皮细胞分泌的黏液共同构成化学屏障，从而抑制致病菌的大量繁殖，能够很大程度上抵御外来致病菌的侵袭，大大增强机体免疫力[41]。树突状细胞作为抗原递呈细胞在固有免疫中发挥了巨大作用。树突状细胞表面的模式识别受体(PRRs)包括Toll样受体(TLRs)能够识别肠道菌群中的特定微生物，通过NOD2蛋白激活NF-κB信号通路分泌细胞因子，进而促进调节性T细胞的分化，限制效应T细胞对肠道菌群的识别，树突状细胞同时被证实能够表达相关基因，产生如IL-10、TGF-β等细胞因子，防止病原微生物入侵，保持肠道菌群的稳态[42-43]。

肠道菌群通过维持肠道屏障的完整性来完善黏膜功能，肠道部位最直接的特异性免疫就是由黏膜免疫系统提供，黏膜内的T细胞、B细胞以及B细胞激活后分泌至肠腔中的sIgA等共同完成肠道局部黏膜免疫功能[44]。B细胞发育主要从骨髓开始，研究表明，在小鼠小肠Th1、Th17和调节性T细胞固有层中的B细胞处于不同的发育时期，从而证实小鼠小肠固有层被看作是B细胞发育的另一个重要部位，同时肠道菌群能够影响固有层中的B细胞的发育。有研究表明，肠道菌群能够诱导肠上皮细胞和单核巨噬细胞分泌细胞因子，从而促进IgA类型转换并预防病原菌的感染[45]。

肠道内分布大量的T淋巴细胞，它们参与各种免疫功能的调节，研究表明，肠道菌群对T细胞的极化及功能有着重要的调节作用。宿主的TLR能够识别肠道菌群，同时激活MYD88和TRAM-TRIF信号通路，分泌调节性T细胞极化的细胞因子，维持细菌的耐受与免疫平衡[44]。不同肠道菌群对T细胞的免疫调节作用有所不同，研究证实柔嫩梭菌群可以通过提高T细胞的调节作用进而抑制由化学药物诱导形成的小鼠结肠炎。同时有研究发现梭状芽孢杆菌能够诱导CD4+Foxp3+Treg细胞在肠道固有层中的富集进而抑制小鼠结肠炎[46]。肠道菌群能够对特异性T淋巴细胞产生影响，研究发现分段丝状细菌能够诱导肠Th17型T细胞活化引发自身免疫性关节炎[47]。双歧杆菌被证实能促进抗黑色素瘤的免疫反应[48]。梭菌属的混合菌能够诱导肠道Treg细胞活化，抑制全身性炎症反应，肠道菌群能够影响类风湿性关节炎的发生[49]。

自然杀伤性T细胞(NKT)是一种淋巴细胞，同时具有NK受体和T细胞两种受体，又能够显示NK细胞和T细胞的特性。研究表明，无菌小鼠能够通过增加NKT细胞介导的恶唑酮诱导的结肠炎。同时，肠道菌群的代谢产物被证实能够显著调节诱导Foxp3+-iTreg的发育和分化。由此可见，肠道菌群对淋巴细胞群的发育和极化起到了重要的调节作用[50]。

自身免疫性疾病是由于机体自身免疫系统过度活化，产生自身抗体，导致多种器官和多种系统出现大面积损伤的慢性炎症性疾病，研究表明肠道菌群能够产生特异性的分子进而诱导炎性细胞和炎性因子形成，来调节肠黏膜屏障的完整性，完善黏膜免疫的多种功能[51]。研究指出，肠道细菌与抑制程序性死亡受体PD-1的共同作用直接影响自身免疫疾病的形成。PD-1受体自身也能够抑制免疫系统，缺失该受体后，免疫系统会出现过激反应，与肠道菌群造成的影响共同作用会引发多种免疫抑制疾病，如自身免疫性脑脊髓炎和HIV感染等[52]。在系统性红斑狼疮(SLE)患者中发现，致病共生菌鹑鸡肠球菌能够从小肠向肝脏部位移位，怀疑是由于驱动干扰素相关基因的表达和自身抗体的产生，肠道菌群的早期定植能够直接塑造B细胞库，通过共生菌诱导表达的核糖核蛋白Ro60蛋白，通过触发交叉免疫反应引起易感个体产生自身免疫性疾病[53]。

肠道菌群调节免疫系统的发育和功能，同时免疫系统也以某种方式调节肠道菌群的动态平衡。IgA与多种共生多形拟杆菌结合可在一定程度上诱导其表达，同时IgA还能够调节肠道菌群的组成。研究表明，RORγt+-ILCs产生的IL22能够直接诱导肠上皮细胞产生RegⅢγ，进而限制分段丝状细菌的繁殖，分段丝状细菌的过度生长不仅能够增加Th17细胞的数量，同时能够引发Th17细胞介导的肠道炎症，ILCs的T-bet表达在一定程度上限制了肺炎克雷伯菌和奇异变形杆菌的积累[47]。

模式识别受体分子(PRRs)已经被广泛证实是通过他们的保守序列结构来完成对肠道菌群的识别，PRRs有四大类模式识别受体，他们主要为TLR样受体、RIG-I样受体、NOD样受体和C型凝集素受体(CLECs)。试验证实敲除PRRs相关基因会直接引起肠道菌群的失调。缺失TLR5基因的小鼠会出现肠道菌群紊乱和代谢综合征[28]。敲除CARD基因能够通过改变肠道菌群诱发结肠炎的发生[54]；同时，研究表明，缺失NOD2基因的小鼠共生菌竞争抑制作用显著下降，不能有效阻止病原体在肠道定殖，从而增加肠道细菌感染的几率[55]。Fulde等发现肠道受体蛋白TLR5在生命早期的肠道上皮细胞中的表达是发育过程中的一个检查点，这个发育过程与微生物定殖相协调，从而实现宿主与它的菌群之间的健康共生。TLR5能够结合到一种被称作鞭毛蛋白的细菌蛋白上，而且这些研究人员发现这会促进抗菌蛋白Reg3γ分泌。TLR5和Reg3γ都有助于限制表达鞭毛蛋白的细菌的早期定殖，在野生型小鼠中，缺乏鞭毛蛋白的沙门氏菌菌株的肠道定殖效果始终高于含有鞭毛蛋白的沙门氏菌菌株的肠道定殖[56]。

研究发现适应性免疫应答B淋巴细胞能够对肠道菌群产生影响，B细胞分泌的sIgA能够调节肠道菌群稳态，sIgA不仅能够抑制细菌接近上皮细胞，同时也能够增加肠道菌群的多样性，促进肠上皮细胞免疫应答反应[57-58]。AIDG23S转基因小鼠通过诱导活化胞嘧啶核苷脱氨酶的点突变引起体细胞较高的突变率，突变后小鼠的肠IgA+ B细胞不能维持在正常水平，但Peyer’s patches中发现B细胞明显增多，同时其对霍乱毒素和小肠结肠炎耶尔森氏菌的易感性也增加[59]。证实通过肠道菌群诱导Peyer’s patches中IgA+B细胞能够引起体细胞高突变，维持sIgA的分泌，促进体液免疫应答。在炎症性肠病(IBD)模型中，有研究发现sIgA可以通过特异性的作用影响肠道菌群的组成[60]。适应性免疫应答对肠道菌群的影响研究发现，敲除RAG1–/–基因的小鼠与野生型小鼠相比，肠道菌群的组成不同[61]。

肠道菌群被证实能够影响机体的免疫应答水平，为通过改变肠道菌群提高机体免疫提供了理论依据。Harri等究发现，利用抗生素可通过改变肠道微生物菌群的组成，影响人体对轮状病毒疫苗的反应；接受抗生素治疗的个体体内表现大量病毒脱落现象，表明改变肠道微生物组能影响人体对病毒疫苗的免疫原性[62]。Mao等发现，给小鼠注射通常在奶酪中发现的乳酸乳球菌(Lactococcus lactis)会以益生菌形式让它们免受霍乱伤害[63]。在溃疡性结肠炎的小鼠模型中，利用FMT手段改变BALB/c小鼠肠道菌群结构、调节宿主的免疫系统、降低细胞炎症因子的水平、调节淋巴细胞比例等途径发挥作用，能够最终达到治疗目的[64]。Ma等通过使用三种小鼠肝癌模型，发现当利用抗生素混合物消灭肠道细菌时，接受抗生素治疗的小鼠形成的肝脏肿瘤更小并且降低肿瘤转移到肝脏中[65]。抗生素治疗增加了小鼠肝脏中的一类被称作自然杀伤性T细胞(NKT)的免疫细胞的数量，因而导致肝脏肿瘤生长下降。这些NKT细胞在肝脏中的积累是由于位于肝脏毛细血管内部的肝窦内皮细胞表面上的CXCL16蛋白表达增加所导致的。进一步揭示了抗生素治疗导致小鼠肠道内一种被称作Clostridium scindens的梭菌物种增加，控制了肠道中的胆酸代谢，导致肝脏中的CXCL16表达、NKT细胞积累，进而抑制肿瘤的生长。

由于抗生素在猪病防控中的滥用，给食品安全带来了巨大的安全隐患，迫切需要抗生素的替代品来预防腹泻。有研究报道将健康猪的粪便微生物群转移到仔猪体内，具有抗腹泻的能力，并进一步鉴定L. gasseri LA39和L. frumenti可以作为抗生素替代品，预防哺乳动物腹泻，其抗腹泻作用主要依赖于环肽乳酸菌素A，该菌素是由细菌分泌的，与肠上皮细胞表面的角蛋白19结合，通过mTOR介导增加磷酸二酯酶活性，导致第二信使cAMP和cGMP的水平降低，增强肠道的液体吸收并减少分泌[66]。在猪粪菌移植的标准化建立上也日趋完善，建立了猪FMT技术中供体筛选的标准、粪便菌液的制备方法、粪便微生物移植的步骤[67]。

粪菌移植(fecal microbiota transplantation，FMT)技术是将健康动物的功能菌群，处理后通过口腔或者直肠移植到患病动物胃肠道内，重建新的肠道菌群，达到治疗疾病的目的。粪菌移植治疗胃肠道疾病的理念在约1700年前由中国医学科学家葛洪首次提出[68]。近些年粪菌移植技术得到了进一步的完善，为治疗肠道菌群失调疾病提供了可能。FMT在艰难梭菌感染引起的伪膜性结肠炎患者中取得疗效[69]。FMT在2013年通过FDA作为实验性用药[70]。有研究将10岁儿童的粪便悬液接种至剖腹产SPF仔猪中，构建了人类微生物相关(HMA)的自主模型，HMA仔猪的微生物组成与人的肠道微生物组成有更高的相似度[71]。1989年，首次报道通过粪菌移植成功治疗炎症性肠病(IBD)，方法是将健康供体的粪菌移植，经过体外加工处理，移植给重度活动期溃疡性结肠炎(UC)患者，6个月后发现患者的症状得到明显改善，在后续结肠活检取样中并没有复发炎症反应[72]。克罗恩病(CDI)是由艰难梭菌产生的细胞毒素，可引起抗生素相关性腹泻和伪腹泻性肠炎。通过输注捐赠者的粪菌，可以给CDI患者的肠道重塑肠道微生物群多样性，使得患者的症状得到缓解[73]。粪菌移植治疗肠易激综合症(IBS)的总体缓解率为70%。

目前，在饲料中添加抗生素仍然是我国养殖业防控疫病的重要手段，随着我国全面禁止养殖业在饲料中添加抗生素的条例实施推进，亟需寻找能够替代甚至优于抗生素效果的微生态制剂。肠道菌群作为动物机体重要的组成部分，已被大量研究证实具有广泛参与机体免疫应答的巨大潜力，被看作亟待挖掘的丰富资源，能够为疾病的预防和治疗提供新的思路和手段，但具体的分子机制仍然是全世界科学家共同面临的问题和挑战。目前在肠道菌群资源库中一些可以对免疫系统产生影响的具体菌株已经被证实，同时也深度获知部分菌株在免疫系统中发挥作用的分子机制，但由于肠道内菌种数量庞大，要确定每种细菌的特异性功能需要更广泛、更深入的研究积累与合作。近年来随着宏基因组技术、高通量测序、基因芯片等技术的发展，为肠道菌群研究的不断深入提供了强有力的技术支撑，作为机体“第二器官”的肠道菌群，有望在预防和治疗动物及人的疾病上作出重大贡献。同时，作为实验动物与比较医学研究领域的工作者，我们也在积极探索实验动物的肠道菌群在开展人类及动物相关科研工作中存在的潜在作用，尤其是在比较医学高速发展的今天，能否通过“肠道菌群”这一桥梁建立更加适用于人类医学研究领域开展相关科研探索的模型与平台，为人类医学研究领域的开展提供更丰富的资源，为人类的健康贡献绵薄之力。