综述：影响寿命的肠道微生物群的分子特征

《Biochemical Pharmacology》：Molecular signatures of the gut microbiota that affect longevity

　　摘要：据估计，人类结肠微生物群包含38万亿个细菌，而人体体细胞总数为30万亿。宿主与微生物群之间的互利关系历史悠久，可追溯至6亿多年前。除了具有消化功能以及为宿主提供某些维生素外，肠道微生物群还有一个重要且核心的功能，即通过调节宿主的代谢和免疫功能来维持体内平衡。保持肠道微生物群的平衡状态、避免其失衡，对于实现长寿健康的生活至关重要。微生物群失衡会引发多种非传染性疾病，如高血压、心血管疾病、肥胖、糖尿病、炎症性肠病和癌症，这些疾病都会缩短寿命。仅糖尿病和心脏病这两者就可能导致寿命缩短15至23年。尽管已有大量研究探讨人类肠道微生物群的细菌数量与多样性，但对其产生的代谢物，尤其是在与疾病发生和死亡率相关的方面的研究却相对较少。通过对与长寿相关的肠道细菌种类进行深入分析，我们发现了一些对宿主有益的代谢物。这些代谢物的作用凸显了一个重要原则：肠道微生物群从健康饮食中产生的物质决定了健康的衰老进程，进而影响寿命长短。未来关于肠道微生物群功能的研究应聚焦于那些能够延长健康寿命和总寿命的有益细菌代谢物的具体作用机制。

引言：“人如其食”，这一观点源自路德维希·安德烈亚斯·冯·费尔巴哈在1850年对雅各布·莫莱肖特的《民众食物论》的批判，该书将营养与人类的思想、行为和社会结构联系起来。费尔巴哈认为，合理的饮食对人类的自由、健康和智力发展至关重要。在之后的近两个世纪里，医学界逐渐认识到营养因素具有延长寿命的潜力。根据2019年世界人口展望报告，到2050年，全球每6人中就有1人年龄超过65岁，而2019年为每11人中有1人。预计到2050年，65岁以上的人口数量将是对5岁以下儿童数量的两倍多，全球65岁及以上的人口数量也将超过15至24岁的青少年和青年人数。显然，全球寿命的延长不能仅仅归因于营养因素。在本综述中，我们将探讨肠道微生物群在延长寿命方面的潜在作用。肠道微生物群是一个庞大而复杂的群体，包含约100万亿种微生物，包括细菌、病毒、真菌和古菌，它们存在于人类的胃肠道中，在各种生理过程中发挥着关键作用。人们认为，肠道微生物群的代谢物可能在衰老和寿命延长过程中发挥作用。1897年8月28日，英国医院协会的一本期刊上发表了一篇关于长寿的文章，文中指出：“从已记录的案例来看，似乎确实存在这样一种情况：人们在极为不同的生活条件下都能达到极长的寿命，以至于很难确定其中哪个因素最为重要。如果说那些长寿者普遍具备某种共同特征的话，那很可能就是避免过量进食，或者说习惯于适度饮食……对于那些希望长寿的人来说，我们的建议就是少食。”一个多世纪后，营养在人类发展、健康生活和寿命延长方面起着重要作用这一观点已得到广泛认可。在美国，1901年的平均预期寿命（男性和女性）为49.24岁，到1936年上升至60.81岁，而2024年根据CDC的数据，这一数字已升至79.0岁，其中女性为81.4岁，男性为76.5岁。目前美国的预期寿命分别为女性82.2岁、男性77.4岁，而中国分别为81.8岁（女性）、76.4岁（男性），日本分别为88.2岁（女性）、82.1岁（男性），意大利则为86.1岁（女性）、82.1岁（男性）。我们所摄入食物的质量或数量异常被称为营养不良，世界卫生组织对其定义如下：“所有形式的营养不良都包括营养不足（消瘦、发育迟缓、体重过轻）、维生素或矿物质缺乏、超重、肥胖以及由此引发的与饮食相关的非传染性疾病。”世卫组织还指出：“2022年，有25亿成年人超重，其中8.9亿人患有肥胖症，而3.9亿人体重过轻。”衰老与寿命呈负相关关系，因此减缓衰老速度是延长寿命、挽回预期寿命每年增长幅度的关键方法。哈佛医学院的著名衰老研究专家大卫·辛克莱教授与一些英国经济学家一起提出了这样的问题：“与努力根除特定疾病相比，针对衰老本身进行治疗能带来哪些益处？”他们认为，针对衰老的治疗具有极高的价值，据估计，每让寿命延长1年，其价值相当于38万亿美元，而若能延长10年，则价值高达367万亿美元。有研究表明，在45至74岁之间、且初始时没有患癌症、心血管疾病或糖尿病的14,159名中国受试者中，饮食与健康衰老之间存在关联。研究人员认为，在他们的研究群体中，中年时期遵循各种健康饮食模式与日后更有可能实现健康衰老有关。然而，尽管有上述经济方面的论证，大多数营养研究仍然集中在降低特定疾病的发病率上，而非直接针对衰老本身。考虑到问题的严重程度，这其实并不令人意外。据估计，美国每10个成年人中就有6人至少患有一种慢性疾病，而约有4/10的人患有两种或更多慢性疾病，这类疾病是指持续时间至少一年且需要持续医疗护理的疾病，包括心血管疾病、癌症、糖尿病和阿尔茨海默病等。首先，关于饮食对心血管疾病的影响已有充分研究，尤其是牛奶、黄油、奶酪、牛肉、羊肉、猪肉、家禽、棕榈油和椰子油中的饱和脂肪酸会通过降低肝脏清除低密度脂蛋白胆固醇的能力来升高血液中的低密度脂蛋白胆固醇水平。相比之下，橄榄油、菜籽油、花生油、红花油和芝麻油以及牛油果、花生酱和许多坚果种子中的单不饱和脂肪酸，以及大豆油、玉米油和葵花籽油以及一些坚果种子、豆腐和大豆中的多不饱和脂肪酸，则可以通过增加肝脏低密度脂蛋白受体活性来降低低密度脂蛋白胆固醇水平。膳食中的碳水化合物，尤其是果糖等添加糖，也会升高低密度脂蛋白胆固醇水平。相反，膳食纤维和植物甾醇则可以通过减少肠道对胆固醇的吸收来降低低密度脂蛋白胆固醇水平。低密度脂蛋白胆固醇是导致心脏病和中风的主要风险因素，因为它会促进动脉粥样硬化的形成。此外，肠道微生物群通过控制全身炎症、调节胆固醇代谢以及促使某些特定代谢物升高，对动脉粥样硬化有着重要影响，这一点在慢性肾脏病患者中尤为重要，此类疾病影响着全球超过10%的人口。肠道微生物群组成的失衡（即微生物群失调）会增加肠道通透性，从而使细菌产生的炎症物质促进动脉粥样硬化斑块的形成。其次，饮食对多种癌症发病风险的影响也已被充分证实。有研究显示，采用类似人类祖先饮食习惯的旧石器时代饮食——即食用未加工的食物，如瘦肉、鱼类、水果、蔬菜、坚果和种子，同时避免乳制品、精制糖和加工食品——可显著降低中国人群的结直肠癌发病风险。此外，在一项涵盖31项研究的荟萃分析中，遵循地中海饮食——即摄入大量水果和蔬菜、坚果和种子、豆类和谷物、鱼类和海鲜，同时摄入健康的脂肪和油脂，如特级初榨橄榄油、牛油果油和坚果油，同时避免高度加工的食品、精制碳水化合物、高脂肪或加工肉类以及高钠或高饱和脂肪食品——可显著降低乳腺癌的发病风险，尤其是绝经后的女性。在一项涵盖9项研究的荟萃分析中，专门用于衡量地中海饮食遵循程度的地中海饮食评分与肺癌发病风险呈负相关关系，该评分的范围为0到9分，每个饮食成分对应0分或1分。这些研究结果表明，地中海饮食具有预防肺癌的作用。有观察发现，南欧那些遵循地中海饮食的国家，其前列腺癌的发病率低于其他欧洲国家。不过，目前针对地中海饮食与前列腺癌发病率之间关系的研究并不多，而且有一些数据并不支持遵循地中海饮食与前列腺癌风险之间存在关联的观点。这一领域还需要进一步的研究。在一项涉及646,222名研究参与者、其中包括3,639例新发膀胱癌病例的研究中，发现遵循地中海饮食与较低的膀胱癌发病风险相关。以上所有关联都只是描述性的，目前对于地中海饮食等饮食方式如何降低多种器官部位的癌症风险，其背后的机制仍知之甚少。因此，有必要探讨肠道微生物群在调节饮食带来的癌症风险降低作用中可能扮演的角色。2013年，洛佩兹-奥廷及其同事在《衰老的标志》一文中将衰老定义为“生理完整性的逐渐丧失，从而导致功能受损和死亡风险增加”。他们提出的衰老标志包括基因组不稳定、端粒缩短、表观遗传改变、蛋白质稳态失衡、营养感知失调、线粒体功能障碍、细胞衰老、干细胞耗竭以及细胞间通讯异常。十年后，这些学者又新增了三个衰老标志，其中包括上文提到的微生物群失调，即肠道微生物群组成失衡，表现为有益细菌数量减少、有害微生物过度生长或微生物多样性下降。因此，直到相对近期，微生物群组成在衰老过程中的关键作用才被正式认可。那么，衰老是否是癌症的必然原因呢？虽然衰老是癌症的主要风险因素，但它并非不可避免的原因。在美国，癌症诊断时的平均年龄为67岁，大多数癌症死亡病例都发生在老年人身上，因为50岁以后癌症风险会急剧上升，在70至80岁之间达到峰值。虽然癌症是85岁以下人群的主要死因，但在所有癌症死亡病例中，约有8%发生在85岁以上的老年人身上。由于这部分人仅占全球总人口的2%，但他们所承受的癌症负担却相当沉重，尤其是肺癌、乳腺癌、前列腺癌和结直肠癌的发病率，这一趋势与年轻人群相似。人类胃肠道内的微生物数量（约38万亿）与人体内的体细胞数量（30万亿）大致相当。这些微生物大多为细菌，其中大部分存在于结肠中。成人肠道中最常见的细菌属包括双歧杆菌、乳酸杆菌、拟杆菌、梭菌、大肠杆菌、链球菌和反刍球菌。大约60%的细菌属于拟杆菌门或芽孢杆菌门。肠道微生物群中约有7%为古菌和真菌，其中包括产甲烷古菌，其中一种名为Methanomassiliicoccus luminyensis的古菌其数量会随着年龄的增长而增加。从中年到晚年，肠道微生物群会随着年龄的增长而逐渐呈现独特的特征。在80岁以上的健康个体中，其肠道微生物群会持续向一种特定的组成状态发展，而在健康状况较差的个体中则不会出现这种变化。拟杆菌属的细菌是膳食纤维的重要发酵菌，它们能产生乙酸、丙酸和丁酸等短链脂肪酸，以及异戊酸和乳酸。虽然拟杆菌是在阴道分娩过程中从母亲那里获得的，但在出生后的4至6天内，几乎所有足月、通过阴道分娩的婴儿都会被厌氧细菌定植，而这些婴儿中有61%携带B. fragilis菌株。拟杆菌属的细菌通常与宿主之间存在互利关系。例如，脆弱拟杆菌可通过其荚膜多糖A激活CD4+辅助T细胞，这一过程属于适应性免疫系统的一部分[42]。因此有充分证据表明，共生肠道细菌产生的免疫调节分子能够通过刺激CD4+ T细胞群的克隆扩增，从而对某些免疫反应的发育产生有益影响[43]。尽管脆弱拟杆菌仅占人类结肠菌群的0.5%，但它却是从临床样本中分离出的最常见的厌氧病原体[44]。一旦脱离肠道，它就可能引发严重的病理反应，导致高发病率和死亡率，包括在多个部位（如腹部、大脑、肝脏、骨盆和肺部）形成脓肿，以及可能发展为败血症的菌血症[45]。研究百岁老人的情况是探讨肠道微生物组对长寿影响的绝佳途径，已有研究者发现这些长寿者体内的拟杆菌数量较多（见表1）。具体而言，研究人员比较了297名长期居住在中国广西地区的社区百岁老人（100–117岁）的肠道微生物组特征，与314名年轻人（20–44岁）、277名中年人（45–65岁）、386名老年人（66–85岁）以及301名90–99岁的高龄老人的特征。研究发现，与同龄的老年人相比，百岁老人的肠道微生物组具有更年轻的特征，表现为拟杆菌比例较高。研究者由此得出结论，他们的发现揭示了长寿个体的肠道微生物组存在与年轻状态相关的衰老模式[46]。需要指出的是，表1中所列的微生物群谱并未附带相应的功能注释，这是所有仅通过16S rRNA基因测序或鸟枪法宏基因组测序来确定属种组成，而未进行代谢组学分析以将特定微生物与其代谢产物关联起来的研究的共性缺陷[47][48]。实际上，要确定粪便样本中数百种代谢产物与构成微生物群的数千种微生物中的哪一种相关，目前尚无明确方法。因此，表1中所列的代谢产物并非在所描述的研究中检测得到的，而是通过针对表1中列出的各属各种的独立研究获得的。在哈萨克斯坦进行的一项研究调查了46名健康且活跃的90岁及以上老人及百岁老人的微生物组，同时设置了两个年龄较小的对照组，分别为31名35–48岁的人群和50名46–60岁的人群。此外，与对照组相比，长寿组七种促炎细胞因子、四种抗炎细胞因子以及三种生长因子的血清水平均有显著升高[49]。90岁及以上的老人和百岁老人拥有更丰富的核心微生物群属，拟杆菌、梭菌、大肠杆菌和阿利斯蒂佩斯菌的占比更高，而瘤胃球菌、福西卡滕菌和多雷亚菌的丰度则有所下降。这些发现与中国的相关研究结果基本一致[46]。另一项研究则采用了孟德尔随机化这一流行病学方法来探究微生物组与长寿之间的关联[50]。该研究利用了MiBioGen联盟开展的四项全基因组关联研究（GWAS）的汇总统计数据，这些研究共涉及18,340名受试者；此外还使用了荷兰微生物组项目的数据（7,738名受试者）、德国人的数据（8,956名受试者）以及芬兰人的数据（5,959名受试者）。至于长寿相关的汇总统计数据，则来自五项GWAS荟萃分析，其中包括一项关于人类健康寿命的研究（300,447名受试者）、一项关于长寿的研究（36,745名受试者）、一项关于寿命的研究（1,012,240名受试者）、一项关于父母长寿的研究（389,166名受试者）以及一项关于虚弱状况的研究（175,226名受试者）。这些研究者发现，马赛拟杆菌与长寿呈负相关，而苏布多利格兰努姆属及阿利斯蒂佩斯属，尤其是塞内加尔阿利斯蒂佩斯种和沙希阿利斯蒂佩斯种，则与某些长寿相关特征呈正相关[53]。值得注意的是，马赛拟杆菌属于拟杆菌属中的次要物种，与脆弱拟杆菌、泰奥塔米克拟杆菌或普通拟杆菌等常见物种相比，在人类肠道微生物组中的占比相对较低[45]。在肠道微生物组研究中，其相对丰度通常在0.02%到0.24%之间[54]，而全部22种拟杆菌物种则占结肠微生物组的25%到30%[55]。也有研究者持相反观点，认为健康衰老与拟杆菌物种数量的减少有关。在80岁以上人群中保持较高的肠道拟杆菌水平，或者肠道微生物组的独特性较低，都会在为期四个月的随访中降低生存率[56]。这些研究者在对9,000多名个体的研究中发现，微生物群的组成独特性与血清中由微生物产生的氨基酸衍生物之间存在密切关联，这类衍生物主要是苯丙氨酸和酪氨酸的共代谢物，如苯乙酰谷氨酰胺、对甲酚葡萄糖醛酸苷、对甲酚硫酸盐，以及色氨酸的代谢物，如3-吲哚基硫酸盐、6-羟基吲哚硫酸盐、吲哚-3-乙酸、吲哚-3-丙酸。微生物群会将苯丙氨酸转化为苯乙酸，将酪氨酸转化为对甲酚，再将色氨酸转化为吲哚基（1H-吲哚-3-醇）、6-羟基吲哚（1H-吲哚-6-醇），随后肠道和/或肝脏会将它们与血浆中的上述共代谢物结合。苯乙酸可由梭状芽孢杆菌、泰奥塔米克拟杆菌、脆弱拟杆菌以及奇异变形杆菌等微生物产生[57][58][59]，而对甲酚则主要由艰难梭菌和泰奥塔米克拟杆菌共同产生，其中艰难梭菌因其能获得生长优势而成为主要生产者[61]。高水平的吲哚基硫酸盐和对甲酚硫酸盐都与心血管疾病有关[60][62][63]。此外，与重大不良心血管事件发生及生存风险增加相关的关键肠道微生物代谢物还包括：源自苯丙氨酸的苯乙酰谷氨酰胺和苯乙酰甘氨酸、源自酪氨酸的对甲酚及其衍生的对甲酚硫酸盐和对甲酚葡萄糖醛酸苷、源自酪氨酸的4-羟基苯乙酸及其衍生的4-羟基苯甲酸和4-羟基嘌呤酸、源自色氨酸的吲哚及其衍生的吲哚基葡萄糖醛酸苷和吲哚基硫酸盐、源自色氨酸的吲哚-3-丙酸及其衍生的吲哚-3-乙酸和吲哚-3-乙酰谷氨酰胺，以及源自色氨酸的5-羟基吲哚-3-乙酸[63]。这类代谢物常被称为尿毒症毒素，因为它们会在慢性肾脏病患者体内积累，进而可能诱发心血管疾病[60][62][63][64][65][66]。图1展示了部分常见尿毒症毒素的形成过程。由于结肠微生物组会生成这些尿毒症毒素[67]，因此将特定微生物与尿毒症毒素的出现联系起来具有重要的研究价值。早在十多年前就有研究指出，长寿过程会影响人类肠道微生物组的组成，意大利的百岁老人尿液中苯乙酰谷氨酰胺和对甲酚硫酸盐的排泄量较高，便是明证[68]。另有研究显示，随着年龄增长，肠道肠杆菌科细菌的数量也会增加[69]。肠杆菌科是一大类革兰氏阴性细菌，包括大肠杆菌、沙门氏菌、克雷伯氏菌、志贺氏菌、肠杆菌、变形杆菌以及耶尔森氏菌等属。表1汇总了来自22个国家的25项独立研究的结果，这些研究探讨了肠道微生物组组成与长寿之间的关系，同时列出了已知由各类微生物产生的、且被认为与长寿相关的代谢物。在每项研究中，研究者们都确定了粪便中的微生物种类，而非代谢成分，这些信息是通过独立观察相关微生物的门、目、科、属和种得出的。表2则列出了长寿者肠道微生物组所产生的主要有益代谢物，包括乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐、乳酸、琥珀酸盐、吲哚，以及二氧化碳、氢气、硫化氢和甲烷等气体。结肠微生物组会发酵膳食纤维——主要为水溶性和不可溶性两类，这类纤维大多来源于植物细胞壁。由于人体消化酶无法分解复杂的植物结构成分，膳食纤维会以未被消化的状态进入结肠[70][71]。常见的膳食纤维包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶、树胶和黏液质，它们存在于全谷物、水果、蔬菜和豆类中[72]。在结肠对膳食纤维的发酵过程中，主要产生的代谢物是短链脂肪酸，即乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐，此外还有氢气、二氧化碳，有时还会有甲烷[73][74]。那么，这些代谢物以及结肠微生物发酵产生的相关物质究竟是如何促进长寿或延缓衰老过程的呢？需要了解的是，短链脂肪酸可满足结肠上皮细胞约60–70%的能量需求，同时也占人类整体能量需求的5–15%[75]。结肠微生物组的发酵作用会产生乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，三者的比例约为60:25:15[34][76]，其中90%到99%的短链脂肪酸会在肠道内部被利用[74]。多种细菌物种都能产生乙酸盐，虽然芽孢杆菌门是主要贡献者，但乙酸盐的生成机制较为多样，分布于许多不同的细菌属中（见表2）。乙酸盐是一种关键的信号分子，主要负责调控能量代谢和免疫反应。在能量代谢方面，乙酸盐作为重要信号分子，可调节宿主的代谢过程和能量平衡，它主要被肠道上皮细胞及外周组织中的G蛋白偶联受体GRP43（也称为游离脂肪酸受体2，FFA2）和GRP41（FFA3）识别。细胞外的乙酸盐可通过溶质转运蛋白SLC16A家族的成员进入哺乳动物细胞，尤其是SLC16A1（MCT1）和SLC16A7（MCT2）[77]。细胞内的乙酸盐随后可通过乙酰辅酶A合成酶（ACSS）转化为乙酰辅酶A，这类酶既有线粒体形式的ACSS1，也有细胞质形式的ACSS2[78][79]。乙酰基在三羧酸循环中的分解或进一步氧化可生成ATP，而乙酰辅酶A的合成代谢或还原生物合成过程则可生成脂质，这一过程被称为从头脂肪生成[80]。通过这些方式，肠道微生物对膳食纤维的发酵能为结肠上皮细胞提供能量代谢所需的乙酸盐。在免疫调节方面，乙酸盐也是一种关键的代谢免疫调节剂，它能促进抗炎反应，增强病原体防御能力，还能提升T细胞的效应功能、调节性T细胞的稳定性，增强巨噬细胞的杀菌能力，同时抑制过度产生的促炎细胞因子，因此在调节先天免疫和适应性免疫方面发挥着复杂的作用[81]。有趣的是，ACSS2在乙酸盐的免疫抑制作用中起关键作用，而GPR41和GPR43则没有这种作用，这表明乙酰辅酶A的合成在乙酸盐下游的代谢效应中起着重要作用，而这些效应涉及NF-κB p65和HIF-1α介导的糖酵解过程[82]。总体而言，乙酸盐主要是作为宿主细胞的营养物质，通过抑制组蛋白去乙酰化酶和NF-κB的活化来维持上皮屏障的完整性，从而增强上皮屏障的功能[83]。乙酸盐通过多种机制影响衰老过程。首先，它能减轻全身性炎症，已被证明可以逆转与年龄相关的动脉硬化现象。通过抑制EGR-1信号通路，乙酸盐可改善内皮功能，保护心脏健康[78][79][84][85][86]。其次，在衰老的干细胞中，乙酸盐能够改变染色质结构，有助于修复与年龄相关的表观遗传缺陷，从而恢复干细胞的活性，提升细胞的再生能力[87]。第三，长期接触乙酸盐可激活骨骼肌中的关键能量感应通路，如AMPK和AKT通路，这有助于缓解与年龄相关的线粒体功能下降，防止脂肪沉积的形成[88]。第四，乙酸盐可转化为乙酰辅酶A，进入细胞核后能增加组蛋白的乙酰化程度，进而上调神经保护基因的表达，同时促进自噬作用的发生[86][89]。与乙酸盐类似，丙酸盐也是结肠上皮细胞的能量来源，同时还能帮助肝脏进行糖异生。有一项研究指出，由植物乳杆菌、泰奥塔米克拟杆菌、肥胖布劳氏菌、伪粪球菌、普通拟杆菌、粘液阿克曼氏菌以及小维永氏菌组成的所谓产丙酸菌群，可在用克林霉素破坏结肠微生物组导致菌群失调后恢复微生物组的平衡状态[90]。此外，丙酸盐还能通过作为信号分子来影响结肠上皮细胞，促使饱腹激素PYY和GLP-1的释放，从而有助于控制体重并维护代谢健康。事实上，增加结肠内的丙酸盐含量可防止超重成年人体重上升[91]。丙酸盐也通过多种机制影响衰老过程。首先，它能刺激PYY和GLP-1等饱腹激素的释放，这些激素可提高胰岛素敏感性，帮助调节血糖水平，而这两者都是预防与年龄相关的代谢疾病的关键因素[92]。其次，丙酸盐已被证明能够降低胆固醇水平，同时对肝脏的碳水化合物和脂质代谢有积极影响[93]。尽管丁酸盐在短链脂肪酸中含量最低，但它仍是结肠上皮细胞的主要能量来源[94]，同时也是肠道免疫稳态的关键调节因子。它的主要作用包括维持上皮屏障的功能，同时在免疫系统中营造出抗炎、耐受性的环境[95]。与乙酸盐一样，丁酸盐也能与肠道上皮细胞上的G蛋白偶联受体GRP43和GRP41结合[96]。许多研究表明，丁酸盐在调节免疫和炎症反应以及维持肠道屏障功能方面发挥着重要作用[97][98]。总之，丁酸在短链脂肪酸中最为重要，它是结肠细胞的主要能量来源（为其提供约70–80%的ATP），同时还是维持肠道屏障完整性的关键调节因子。与乙酸和丙酸不同，丁酸还具有最强的HDAC抑制剂作用，能够影响基因表达并减轻炎症[99]。丁酸通过两种方式影响衰老：其一，通过抑制HDAC来减少促炎细胞因子的生成；其二，阻止衰老T细胞释放炎症标志物[100]、[101]。此外，丁酸还能激活AMPK和SIRT-1等与长寿相关的通路，同时抑制mTOR通路，从而促进自噬并改善线粒体功能。丁酸还能通过抑制肝脏中的HDAC 3来促进长寿因子FGF21的生成[102]。通过减轻神经炎症并维护肠脑轴，丁酸有望延缓或预防与年龄相关的认知功能下降[103]、[104]、[105]。

人体肠道中产生乳酸的主要细菌来自乳杆菌属、双歧杆菌属、链球菌属和肠球菌属。它们将碳水化合物发酵为乳酸，对肠道健康起着重要作用[106]。在人类肠道微生物中，乳酸的产生十分普遍（见表2）。大多数单糖（来自膳食纤维分解）生成乳酸的主要途径是糖酵解，随后是对生成的丙酮酸进行还原[106]。而乳酸的利用则似乎仅限于相对较少的物种和属[107]。总体而言，乳酸作为关键的代谢中间体，为有益细菌提供养分，这些细菌会将其转化为丁酸和丙酸等短链脂肪酸，从而稳定人体肠道微生物群。乳酸还能降低肠道pH值，营造酸性环境，抑制大肠杆菌等病原体，同时促进有益的乳杆菌和双歧杆菌生长[107]。

乳酸通过多种方式影响衰老。首先，在模式生物（如秀丽隐杆线虫）中，幼年时期接触低剂量乳酸可激活细胞的防御机制，提高其对氧化应激的抵抗力[108]。其次，乳酸会引发氧化还原反应和脂质重塑，使身体的代谢模式向更有效的能量管理方向转变[108]。第三，体育锻炼会产生乳酸，而乳酸又能刺激脑源性神经营养因子（BDNF）的分泌，清除细胞内的废物，并有助于大脑的可塑性[109]。相反，大脑皮层和海马体中乳酸水平升高则是正常脑衰老和阿尔茨海默病的特征。脑细胞（神经元和胶质细胞）中乳酸的过度生成与有毒中性脂质的积累以及记忆功能受损有关[110]。

琥珀酸是由肠道中少数几种微生物产生的，这类微生物属于拟杆菌门、假单胞菌门、芽孢杆菌门和疣微菌门（见表2）。琥珀酸主要是在肠道微生物群中，由拟杆菌属和普雷沃氏菌属等细菌对膳食纤维和碳水化合物进行厌氧发酵后生成的。它是丙酸生成的关键中间体，通常通过琥珀酸-丙酸途径或乙醛酸旁路生成，相关中间体包括：琥珀酰辅酶A ? 甲基丙二酰辅酶A → 丙酰辅酶A → 丙酸[111][112]。增加肠道中的二氧化碳浓度（见下文及表2）可提升磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的活性，从而促进琥珀酸的生成。维生素B12是甲基丙二酰辅酶A变位酶的辅因子，该酶能催化琥珀酰辅酶A与甲基丙二酰辅酶A之间的可逆异构反应（见上述途径）。因此，限制维生素B12的水平可控制琥珀酸的生成[112]。

琥珀酸对衰老的影响如下：琥珀酸的存在会促使组蛋白上添加琥珀酰基团。研究表明，核内琥珀酰化程度升高会促进染色质凝缩。实际上，最近有研究提出组蛋白琥珀酰化可能是反映长寿潜力的表观遗传生物标志物[113]。

吲哚主要是在肠道微生物群中，通过细菌对膳食中的必需氨基酸色氨酸进行代谢而产生的。包括大肠杆菌、粪肠球菌、梭菌属和拟杆菌属在内的多种肠道细菌，会利用色氨酸酶将色氨酸分解为吲哚、丙酮酸和氨。吲哚在体内进一步被3-羟基化形成吲哚酚，随后与硫酸结合生成吲哚酚硫酸盐（见图1）。吲哚对于维持肠道稳态、减轻炎症以及增强肠道屏障功能至关重要。它能提升黏膜屏障功能，通过芳烃受体和孕烷X受体调节免疫反应[114]、[115]、[116]、[117]，同时还有助于抵御病原体[118]、[119]。

吲哚是一类具有生物活性的分子，其主要作用是延长健康寿命而非绝对寿命。它们虽由微生物群产生，但也存在于十字花科蔬菜中，可作为信号分子来减轻全身性炎症并保持细胞活力[120]。

如表2所示，这四种气体都是由肠道微生物群的多种成员产生的。分子氢在肠道中是一种重要的微生物代谢产物，由细菌发酵膳食中的碳水化合物产生。它能调节发酵过程，促进有益细菌的生长，同时还具有抗炎和抗氧化作用，可保护肠道屏障。肠道微生物对氢的摄取有助于维持健康的厌氧环境[121]、[122]。甲烷并非惰性物质，它会影响胃肠道的收缩速度，延长食物通过的时间。研究表明，产甲烷菌的结肠传输时间明显长于非产甲烷菌（分别为约80小时和约61小时）[123]。肠道中的硫化氢是由宿主组织及硫酸盐还原菌共同产生的气体信号分子。适量时，它能为细胞提供能量，减轻炎症，稳定黏液层，从而有助于维护肠道健康[124]。二氧化碳在肠道中具有多重功能，既是微生物发酵的重要副产品，也能调节厌氧环境，同时还是一种信号分子，可促进有益细菌的生长。它是人类结肠中产生的最常见气体之一，通常占排气总量的5%到50%[125]。

要实现健康老龄化以延长寿命，就需要避免那些发病率和死亡率较高的非传染性疾病。健康的饮食（见1.1.1节）能为肠道微生物群提供养分，而微生物群通过产生有益代谢物在这一过程中发挥着关键作用（见表1、表2）。尤其是短链脂肪酸能够增强肠道屏障的完整性，从而防止细菌毒素侵入，避免引发代谢疾病。此外，短链脂肪酸还能抑制炎症细胞因子的生成，促进调节性T细胞的发育，抑制HDAC酶的活性，进而调控免疫细胞的功能。强大的免疫系统可通过有效清除衰老细胞、降低慢性疾病风险以及控制炎症，从而减缓生物衰老进程。因此，微生物群通过其消化和代谢功能，有助于实现健康老龄化与长寿。

肠道微生物群代谢产生的气体——氢气、甲烷、硫化氢和二氧化碳，可作为气体信号分子或细胞信号发挥作用[126]。它们能够调节氧化应激、细胞衰老和能量代谢等与衰老相关的关键因素，其中两种具有主要的抗衰老作用，另外两种则可能带来代谢压力或作为感觉信号[127]、[128]、[129]、[130]。具体而言，硫化氢可通过过硫化作用稳定蛋白质，使其免受氧化损伤，从而促进长寿[131]。氢气则能靶向具有高度活性的羟基自由基（氧化应激的主要诱因），并将其转化为水，以此减轻细胞衰老，保护端粒，降低慢性炎症反应，同时不会干扰有益的细胞信号传导[128]、[133]。虽然二氧化碳本质上是呼吸作用的副产品，但生物学模型（如果蝇实验）表明，其浓度升高可作为一种感觉信号[129]。肠道中古菌产生的甲烷与某些消化特征及能量提取效率相关，会影响随年龄增长的整体代谢健康状况[134]。

微生物分子特征是指由特定肠道微生物群体产生的生物活性代谢物（如短链脂肪酸）的可测量谱型，这些代谢物共同反映了微生物群的功能状态及其对宿主的生理影响。微生物分子特征的各个组成部分对健康和长寿既有益处，也可能带来危害。这些成分包括胆汁酸、多胺、TMAO以及苯丙氨酸衍生的代谢物。

• 胆汁酸：
- 有益作用：次级胆汁酸可作为信号分子，通过FXR和TGR5等受体调节脂质/葡萄糖平衡及炎症反应[135]、[136]。
- 有害作用：某些经微生物改变后的胆汁酸，如脱氧胆酸，可能会积累并加剧氧化应激，引发神经炎症（如早期阿尔茨海默病），还会促进肿瘤发展[137]。

• 多胺（腐胺、精胺、亚精胺）：
- 有益作用：对细胞更新、自噬、肠道屏障完整性以及预防与年龄相关的认知功能下降至关重要[138]、[139]、[140]、[141]。
- 有害作用：某些细菌若多胺合成出现异常或水平升高，则可能与胰腺癌和结直肠癌的快速细胞增殖及肿瘤进展有关[142]。

• 三甲胺N-氧化物：
- 有益作用：尽管通常被认为具有危害性，但由微生物产生的三甲胺（TMAO的前体）相关途径是某些基础代谢过程的重要组成部分。TMAO可作为有机渗透压调节剂，其独特的两亲性结构能够保护细胞蛋白免受尿素、高温及高静水压的破坏，从而维持正常的酶功能，防止蛋白质错误折叠[143]。
- 有害作用：TMAO会通过改变胆固醇的转运方式并促进巨噬细胞泡沫细胞的形成，进而引发动脉粥样硬化和心血管疾病[144]、[145]。

• 苯丙氨酸衍生的代谢物（如对甲酚）：
- 有益作用：芳香族氨基酸代谢物有助于强化肠道的紧密连接，同时可作为免疫功能的调节因子[146]。
- 有害作用：这些代谢物在肝脏中被硫酸化后会以尿毒症毒素的形式积累，可能与肾脏损伤、血管问题及炎症性疾病相关[147]。

肠道微生物群产生的代谢物，如短链脂肪酸和吲哚，首先需要穿过肠道屏障进入门静脉，最终进入全身血液循环，这一过程如图2所示。短链脂肪酸通过MCT1和SMCT1这两种转运蛋白跨上皮屏障运输[148]，而吲哚代谢物则因其相对的亲脂性而通过被动扩散的方式穿过屏障[149]。一旦到达目标器官，短链脂肪酸就会发挥组蛋白去乙酰化酶抑制剂的作用。通过阻断HDAC酶的活性，短链脂肪酸可促进组蛋白的乙酰化，进而改变基因表达[150]、[151]。这一机制是肠道微生物群调控炎症、免疫细胞发育及肠道健康的重要方式[152]。NF-κB是免疫系统的核心转录调节因子。当细胞受到压力或感染时，NF-κB会结合到各种炎症基因的启动子区域，直接驱动这些基因的转录，进而产生包括IL-6和TNF-α在内的关键促炎细胞因子[153]。因此，短链脂肪酸通过抑制HDAC酶，可降低IL-6和TNF-α等促炎细胞因子的水平。短链脂肪酸还能进入巨噬细胞，与其中的HDAC酶结合并使其失活，从而使免疫细胞从促炎的M1状态转变为具有抗炎作用且能修复组织的M2状态[154]。此外，短链脂肪酸还能与G蛋白偶联受体GPR41、GPR43和GPR109A结合，而这条SCFA-GPCR信号通路在调节代谢、炎症及能量平衡方面起着重要作用[155]、[156]。短链脂肪酸还可通过激活Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶β来激活AMPK，进而抑制糖异生作用[157]。短链脂肪酸与GPR43结合后，会激活细胞内相关通路，上调线粒体生物合成的核心调节因子PGC-1α的活性，从而增加功能性线粒体的数量和质量[158]。

相比之下，被吸收的吲哚会作用于AhR受体，直接诱导抗炎基因如IL-10的转录，同时还会与NF-κB结合，阻止TNF-α、IL-1β和IL-6等促炎细胞因子的转录[159]。吲哚通过三种机制减轻与年龄相关的慢性炎症：第一，如前所述，抑制NF-κB介导的促炎细胞因子的转录；第二，AhR的激活能与Nrf2通路发生交叉调控，这种协同作用可增加细胞内抗氧化剂和细胞保护酶的生成，帮助中和导致细胞损伤的氧化应激；第三，AhR在免疫细胞和肠道上皮细胞中的激活可促进IL-22的生成，进而修复肠道黏膜，防止“肠漏”现象，避免细菌毒素进入血液并持续刺激全身免疫系统[160]、[161]、[162]。如图2所示，这些通路展示了微生物群代谢物如何调节组织炎症、免疫功能及代谢状况。

考虑各种有助于微生物群产生上述有益代谢物的干预措施，对于提升健康水平和延长寿命具有重要意义。这些干预措施包括粪便微生物移植、益生元、益生菌、后生元、饮食调整以及运动锻炼。

• 粪便微生物移植：粪便微生物移植是一项具有前景的、处于研究阶段的延长寿命技术。研究人员正在探索其能否用于恢复肠道微生物群的健康状态，减轻全身性炎症，以及治疗虚弱和认知功能下降等与年龄相关的疾病。目前，FMT仅获得FDA批准用于治疗复发性艰难梭菌感染，因此其用于延长寿命的应用仍处于研究阶段。•益生元：国际益生菌与益生元科学协会（ISAPP）将益生元定义为“能被宿主微生物选择性利用并带来健康益处的底物”。如今，通过体外和体内实验以及针对啮齿动物和人类的研究，已经发现了多种特定的益生元成分与消化、免疫、代谢及认知健康方面的益处之间的关联[163]、[164]。•益生菌：已有充分证据表明，某些特定益生菌在某些疾病治疗中具有疗效且安全性良好，例如在服用抗生素期间使用益生菌来维护肠道功能，或降低呼吸道感染的风险[165]。临床研究指出，有多种益生菌菌株与健康衰老相关，其中包括：(i)双歧杆菌属（如长双歧杆菌、乳动物双歧杆菌）。这类菌株在健康百岁老人的微生物群中极为常见（见表1）。它们对于维持肠道屏障完整性、增强免疫功能以及减轻炎症至关重要[166]；(ii)植物乳杆菌。研究表明它能够改善皮肤弹性（减少光老化）[167]，降低血压[168]，并调节胆固醇水平[169]、[170]；(iii)鼠李糖乳杆菌GG。这是研究最为透彻的益生菌菌株之一，它能够强化免疫防御，稳定肠道微生物群，还能对抗与年龄相关的系统性炎症[171]；(iv)罗伊氏乳杆菌。研究显示它能维护肠道黏膜健康，提高老年人的骨密度，还能促进抗炎反应[172]。•后生元：这些是由活的益生菌产生的有益副产品、代谢物以及失活的细胞成分。它们通过强化肠道屏障、降低慢性炎症以及调节新陈代谢来促进长寿，相较于活的益生菌而言更具安全性和稳定性[173]。典型的后生元包括短链脂肪酸、胞外多糖、细胞壁碎片以及细菌裂解物[174]。•饮食：饮食是肠道微生物群的主要能量来源，它建立了共生关系，进而直接影响代谢健康、免疫反应以及生物衰老过程。摄入富含纤维的全食物饮食，可以为有益细菌提供养分，这些细菌会将复杂的碳水化合物转化为有助于健康的分子，如短链脂肪酸。相反，高比例超加工食品的饮食则会让有益微生物缺乏养分，从而引发系统性炎症，加速与年龄相关的疾病发展[34]、[175]、[176]、[177]。•运动：饮食和运动在影响老龄化人群肠道微生物群的组成、多样性及功能方面的作用目前尚未完全明了，还需要进一步研究[175]。定期运动可以通过增加肠道微生物的多样性以及提升诸如粘液芽孢杆菌这类有益细菌的数量来促进长寿。这些微生物会产生短链脂肪酸，如丁酸，这类物质能够强化肠道屏障，降低慢性系统性炎症，同时调节免疫系统，从而帮助人们拥有更长的健康寿命[178]。拟杆菌属、梭菌属、大肠杆菌属以及阿利斯蒂普斯菌属这四种菌群的独特共存模式[46]、[49]表明，肠道微生物群的存在遵循一种高度特化的、贯穿一生的时空演化轨迹，而非处于静态状态。随着年龄增长，这四种核心菌属的个体动态变化及其协同功能生态学特征可归纳如下：在青年期和稳定的成年期，健康的结肠以高度的专性厌氧环境以及严格的空间分层为特征。拟杆菌属和阿利斯蒂普斯菌属（拟杆菌门）是成年肠道中主要的糖类分解者，它们栖息在远端结肠的外层黏液层及黏膜微环境中，负责分解复杂的膳食碳水化合物。与此同时，一些特殊的梭菌属菌株（如属于IV群和XIVa群的菌株）会将这些分解后的糖类发酵成丁酸等短链脂肪酸。丁酸可为结肠细胞提供能量，增加局部氧气消耗，从而使肠道腔内保持缺氧状态。这种严格的缺氧环境会将兼性厌氧菌，如大肠杆菌属（假单胞菌门）限制在上皮边界附近的较小且受控的区域内，防止其过度生长[56]、[179]、[180]、[181]、[182]。当人们进入典型的老年阶段（65–80岁以上），肠道微环境会发生显著变化。生理机能的改变，如胃排空延迟、肠道蠕动减弱以及轻度的黏膜炎症，都会改变肠道的空间结构。在常规的老龄化群体中，这通常表现为拟杆菌属等核心厌氧菌群的减少，以及梭菌群落的严重重组，从而导致有益的短链脂肪酸生成减少。由于上皮细胞功能受损，氧气得以渗入肠道腔内。这种空间氧梯度的破坏往往会促使机会性、促炎性的病原体大量滋生，尤其是大肠杆菌属[56]、[179]、[182]、[183]、[184]。与典型的不健康衰老过程不同，百岁老人身上这四种关键菌群呈现出独特的适应型演化轨迹。与那些出现大肠杆菌属无节制增殖的病理状况不同，健康的长寿者能够让大肠杆菌属与拟杆菌属及阿利斯蒂普斯菌属保持稳定且独特的共存关系。有研究显示，从百岁老人体内分离出的拟杆菌属往往具有更为丰富的代谢途径，比如能够生成新的胆汁酸或具有保护作用的胆固醇硫酸盐，这些物质可直接抑制炎症和病原体入侵。与此同时，虽然某些正常成年人体内产生丁酸的梭菌群落数量会下降，但极端长寿的个体往往会出现梭菌IV群的适应性重构。这种重构再加上阿利斯蒂普斯菌属的持续存在，形成了一个功能性缓冲机制。这样的特殊生态系统使得大肠杆菌属能够在一种共生且具有免疫调节作用的微环境中生存，既有助于支持宿主防御，又不会引发全身性的炎症组织损伤[46]、[179]、[180]、[182]、[185]、[186]。章节节选微生物群与长寿之间的分子关系上文我们回顾了来自22个国家的25项人类研究，以及针对从昆虫到哺乳动物共7种动物的相关研究。这些积累的数据清楚地表明，长寿与肠道微生物群之间存在相互影响的关系。不过我们的论点并不直接依赖于这些微生物学数据，而是关注肠道微生物群的分子特征，以及这些特征如何可能有助于促进长寿。在我们的综述中，我们确定了十项……CRediT作者贡献声明Diren Beyo?lu：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，概念构思。Jeffrey R. Idle：写作——审稿与编辑，写作——初稿撰写，概念构思。利益冲突声明作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。Diren Beyo?lu|Jeffrey R. Idle美国马萨诸塞州斯普林菲尔德市，西新英格兰大学药学与健康科学学院，邮编01119