攝取的食物種類，將可能影響動物體內腸內菌的組成。那麼，腸道疾病的發生，是否與飲食習慣有關呢？
程樹德
西曆1831 年夏，年輕的達爾文（Charles Robert Darwin, 1809~1882）剛從劍橋大學神學院畢業。當時他還不想立刻進入教會，實習如何當執事或牧師，於是就趁空陪著老師賽吉維克（Adam Sedgwick, 1785~1873）到蘇格蘭做地質調查。幾週後，達爾文回到家中，見桌上靜靜擺著植物學老師韓士婁（John Stevens Henslow, 1796~1861）的信，告訴他一個探險的好機會：有一位年輕有為的海軍艦長費茲羅（Robert FitzRoy, 1805~1865），為了上級所派任務，即將前往南美洲南部與西部的智利、祕魯，並及於太平洋諸島，進行內陸及海岸的測繪；而他倒是誠心地邀請一位牛津或劍橋畢業的博物學家上船，期盼能對各地動植物及地質，進行深入蒐集。
小獵犬號啟程與演化論的萌芽
私邀非軍職平民上軍艦，這是怎麼回事？19世紀30年代，正是鴉片戰爭前夕，英帝國雖已經以鴉片毒害中國人許久，並賺走了大量的金銀，但尚未能順利地打敗並掠奪中國；反倒是其皇家海軍，在過去的兩百多年裡，依次擊敗西班牙、荷蘭以及法國海軍，儼然稱霸世界三大洋。為了持續這海上優勢，其海軍總部且不時派出軍艦，到全球各海域蒐集氣象水文及沿海資料，製作航海用地圖及海圖，以便貿易及戰爭時使用，而剛畢業的達爾文，正好遇上了即將啟航的「小獵犬號」。
根據英國海軍的規定，隨船的軍醫，自然就兼任了自然學家，當然小獵犬號上本來就有位編制內的軍醫，叫麥考密（Robert McKormick），他為了當軍醫，還曾認真學過動植物標本製作法，也算是個稱職的人，費茲羅何以還堅決再私邀一位呢？
原來英國海軍傳統，要求船長不能與屬下有任何社交，這是維持權威的一種作法。在那孤獨的海上，賦予船長獨裁的權利，該是西方文化內，由一位暴烈的頭頭，率領一群虎狼般夥計，進行強盜或打仗等暴力事業時，常用的規範吧！
而年方26的歲的費茲羅，當也深知，長期缺乏社交，不能與人放鬆地接觸交往，對一位船長而言，心理上折磨極大，而小獵犬號的前一位船長，就是因三年遠航，致精神崩潰而舉槍自殺。何況費茲羅心中很清楚，費氏家族有遺傳性的精神異常傾向，像他舅舅，曾當過英帝國外相的凱塞瑞子爵（Viscount Castlereagh, 1769~1822），就是因發狂而切喉自殺的。
故費茲羅要額外聘一位紳士級自然學家上船，是要為他在吃飯時，找個伴，陪他吃船上的每一頓飯。費茲羅想藉此逃避因孤獨而精神崩潰，然而他邀到了一位曠世奇才上船，其所帶來的「副作用」卻是他所始料未及的。這位陪著吃飯，聽船長高談闊論的溫柔紳士，反而因為這5年田野的經驗，醞釀出了演化及天擇理論，而這正是篤信基督教及創世論的費茲羅難以容忍的。
也許達爾文於1859年出版《物種起源》一書的舉動，始終讓費茲羅船長深深懊悔。因為1860年，牛津舉辦「英國科學促進會」之年會時，牛津大主教瑋柏福（Samuel Wilberforce ,1805~1873）大肆攻擊「演化」，而演化論支持者赫胥黎（Thomas Henry Huxley ,1825~1895）奮起反擊，在群情喧騰中，已晉升少將的費茲羅卻高舉聖經，追逐群眾，高喊「聖經、聖經」。五年後，他割喉自殺。
探索腸內菌的變化
時至今日，演化論已然成為生物學的核心思想之一，現代人也逐漸了解到，微生物的演化與人體健康關係密切。有人陪著進餐，心情確實愉快些，但不管有沒有人相伴，當吃飯時，在我們的腸道裡，可是有著數兆的微生物，正等著分享美食！接下來，我們便來談談食物如何影響腸道內與寄主共生的細菌。
在前幾期的專欄中（見2012年四月號，〈腸內菌，玄機多！〉一文），筆者曾報導，腸內菌可以幫動物身體消化某些植物多醣，提供小分子給寄主當能源，故有腸內菌的實驗鼠，與沒腸內菌的無菌鼠相比，體態要胖些，體脂肪多了40％。並且，胖鼠與瘦鼠體內的腸內菌明顯不同。最近Nature期刊出現了一篇由芝加哥大學張尤金（Eugene B. Chang）實驗室發出的成果，顯示寄主所吃的食物種類，能影響腸內菌的種類，而吃了某些飽和油脂，更有可能引發發炎性腸病（Inflammatory Bowel Disease），這使得寄主與腸內菌之互動，更為精彩。
西方食物，尤其美式食物，脂肪比例達到40％左右，這麼高比例的油脂，恐怕也非人類在整個舊石器時代（從250~1萬年前農業文化興起之前）的典型食物比例。故張尤金的小組設計了三種膳食：低脂、飽和高脂肪（牛乳脂肪或是豬油）、不飽和的高脂（有許多雙鍵的紅花油，safflower oil），以之餵食高純度品系無特殊病原存在的小鼠（C57 BL16）及基因改造鼠（將上品系小鼠的兩份10號介白素基因均皆剔除了），高脂的各組，脂肪提供37％總熱量，自21天後，開始分析，止於第24週。
首先看腸內菌種類有無變化，張尤金取小鼠盲腸或糞便內細菌，抽取其核酸，用高速定序機器，定出大量細菌的分類歸屬。他們發現，低脂食物讓小鼠腸內，格蘭氏陽性菌（Firmicutes）的種類增加，然而紅花油及牛奶脂肪卻讓類桿菌 （Bacteroides）大增，但又減少格蘭氏陽性菌種類；最有趣的，倒是只有牛奶脂肪增加了華氏喜膽汁菌（ Bilophila wadsworthia），使之高達6％。
牛奶中的脂肪，增加了腸道疾病風險？
華氏喜膽汁菌屬於真細菌域中，最大的分支，變形菌門（Proteobacteria）內第四綱（Deltaproteobacteria）。它是厭氧的，它能還原亞硫酸根，並很能激發寄主免疫反應，它在健康人腸內難以測得，但在盲腸炎及其他小腸的炎症中就出現了，這就引發不少學者的側目，是否它是這些病的元兇呢？
研究小組檢驗的第二項目，是大腸炎的比例。對沒有10號介白素突變的野生種小鼠而言，三種膳食，均不引發大腸炎，但對10號介白素基因剔除鼠而言，低脂食品中有25~30％的自發率，這是這種品系的最低狀態，牛奶脂肪讓60％小鼠患大腸炎（這是食用6個月後的總計），但多重不飽和的紅花油組，卻與低脂肪組相似，沒有額外引發大腸炎。
介白素是蛋白質的信號分子，由一種淋巴細胞分泌，藉此影響別種淋巴細胞的行為，這行為可以是分子層次，即讓基因提高表現量，或是整體層次，即讓細胞有方向地運動。第1 0號介白素主要由單核球（monocytes）分泌，有多重調節免疫活動及降低發炎的效果，尤其對腸道內免疫反應有調節效果，即能對抗過度之免疫反應，所以把兩份10號介白素基因都剔除的小老鼠，會有自發的大腸炎。
張氏小組這一系列檢驗，指出吃很多牛奶脂肪，可讓這華氏喜膽汁菌大增，也讓基因有缺陷的老鼠，患大腸炎的比例增加一倍多，兩者間的相關性，是否即為因果關係呢？即是否華氏菌能突破腸黏膜，進而造成發炎潰瘍呢？
合理的下一步實驗，您一定猜到了！就是讓基因剔除鼠，先沒有任何腸內菌，再餵以三種不同食物，再用灌食的方法，將純種華氏喜膽汁菌注入可憐小鼠的食道內，五週後檢查鼠糞或盲腸，看純菌可曾安穩地住在腸道內。他們先灌了一億隻活菌進去，五週後在低脂及紅花油組老鼠盲腸中，找不到活菌，顯示只有牛奶脂肪能支持喜膽汁菌在腸內建立根據地。
而牛奶加華氏菌可讓大腸炎指數上升，由1以下上升至3左右。這發炎反應，可由丙種干擾素（Interferon γ）及第12號介白素在腸繫膜淋巴結或樹枝狀細胞內的增加看出端倪，依免疫學標準判斷，他們認為這是由第一號幫手T細胞所引發的免疫反應，也即由於華氏菌進駐腸道，其某種物質能破壞腸黏膜的防禦，以致誘發了T細胞及樹枝狀細胞的免疫反抗，對菌發動反擊，順便引發大腸炎。
飲食習慣，決定腸內菌種類
既然初步建立了華氏菌與大腸炎之因果關係，現在他們要討論牛奶脂肪何能獨厚喜膽汁菌的生長呢？此菌既名叫喜膽汁菌，就非膽汁不長。這深綠色的苦澀膽汁，很能破壞及溶化脂肪膜，一旦細菌或細胞的脂肪細胞膜被溶解了，細胞內容物流出，細胞就死亡，故腸內菌通常早已演化了特殊細緻結構，將膽鹽阻擋於細胞膜外，而何以喜膽汁菌特別喜愛膽汁呢？
這要談到牛磺酸（taurine）了。牛磺酸是一種小的有機酸，有個乙烷的骨幹，一頭加了胺基，另一端是磺酸（Solfonic acid）。它並非胺基酸（即非蛋白質的最小單元），但廣泛存於動物組織內；它在膽汁內存量多，可結合膽酸，而成牛黃膽酸，另外也扮演抗氧化、調節滲透壓、穩定細胞膜等諸功能，故增強精力飲料中，常大肆吹噓牛磺酸的效果。
由於牛磺酸有個氧化態的硫原子，故喜膽汁菌極喜歡牛磺酸，將它拿入細菌內，當其電子傳送鏈的最後電子接受者，副產物即為硫化氫，這由喜膽汁菌所排出的硫化氫，是否即為殺腸壁細胞之元兇？可能性很大，但有待未來實驗呢！
張尤金的團隊知道，別人曾報導過，由於牛奶脂肪比較厭水，因此喝牛奶後，會刺激肝多分泌牛磺酸，以此結合膽酸，形成牛黃膽酸，其乳化牛奶脂肪能力增強，方能吸收入小腸內。他們第三項實驗，即要證實：老鼠吃了三種不同食物後，其膽汁內的牛磺膽酸是否不同量呢？
這可以先餵小鼠三種食物五週，然後取膽汁，以質譜儀偵測所含的牛磺膽酸量，果然其含量由低脂食物的30％，到紅花油食物之40％多，至牛奶脂肪組的90％，支持他們的假設，即牛奶脂肪能強力刺激牛磺膽酸分泌。
其最後一系列實驗，首先要試驗，在培養皿內，牛磺膽酸能否支持喜膽汁菌生長，進一步，若無菌鼠腹中，只給低脂食物及灌以華氏菌，就可以鑑驗是否純粹的牛磺膽鹽或別種膽鹽，能幫助華氏菌在腸內定居。
這兩項實驗都指出：的確，華氏菌在培養皿或鼠腸裡，一定要有牛磺膽酸才能生存。張氏小團隊一系列實驗，環環相扣，建立了他們的主要論點，即動物吃的食物，會決定何種腸內菌能生長，而某些腸內菌生長後，反破壞腸壁，導致嚴重發炎或潰瘍。
由這個小鼠實驗，作者們很快想到，西方飲食不但脂肪比例高，而且牛奶用量大。人類除了飲用鮮奶，還使用奶油及乳酪於多種食品中。而包含潰瘍性結腸炎及克隆氏症的所謂發炎性腸症（inflammatory bowel disease），在西方過去半世紀持續增加，連台灣的發病率也高昇，達到萬分之二點五；是否即因飲食西化而來，當然除了增食牛奶脂肪外，還要有遺傳上的傾向，方可能導致腸子發炎。
作者們一下子捉住三個因素：牛奶、華氏菌、抗發炎介白素之缺失，可以說，為發炎性腸炎之研究，做了重大的突破。
參考資料
- Devkota, S. et al., Dietary-fat-induced taurocholic acidpromotes pathobiont expansion and colitis in Il10-/-mice, Nature, Vol. 487: 104-108, 2012.
程樹德任教陽明大學微免所
原文發表於科學月刊第四十三卷第八期
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