腸道菌群與腸道疾病的研究進展

鄭 鵬(綜述)，嵇 武(審校)

(南京軍區(qū)南京總醫(yī)院普通外科，南京 210002)

人類腸道菌群與機體在長期進化過程中逐漸發(fā)展為一種相互適應、互利共生的關(guān)系[1-3]。在人體，胃腸道菌群共同構(gòu)成了一個復雜的微生態(tài)系統(tǒng)，棲息著30屬500～1000種，約1014個細菌，其是體細胞數(shù)量的10倍[4]。正常情況下，腸道菌群能保持動態(tài)平衡，起到保護和維持機體健康的作用。根據(jù)腸道微生物群落對宿主的作用，腸道菌群可分為三大類：①與宿主共生的生理性菌群，其附著于深層黏膜上皮細胞，多為專性厭氧菌，是腸道的優(yōu)勢菌群(如雙歧桿菌、類桿菌、消化球菌等)，具有營養(yǎng)及免疫調(diào)節(jié)的作用，對機體有益無害；②與宿主共棲的條件致病菌，以兼性需氧菌為主，為腸道的非優(yōu)勢菌群(如腸球菌、腸桿菌等)，在腸道微生態(tài)平衡時無害，在特定條件下具有侵襲性，對人體有害；③病原菌大多為過路菌(變形桿菌、假單胞菌和韋氏梭菌等)，微生態(tài)平衡時，過路菌長期定植的機會少、擴增數(shù)量少且不會致病，如腸內(nèi)外環(huán)境改變導致腸道優(yōu)勢菌群失勢，進而引起腸道菌群失調(diào)，過路菌或條件致病菌數(shù)量超出正常水平可導致人體發(fā)病。隨著分子生物學技術(shù)及微生態(tài)預防醫(yī)學在感染微生態(tài)學上的應用，人們對腸道微生物菌群的功能特性有了全新的認識：它不僅可以促進腸道上皮細胞的發(fā)育和成熟、還可促進腸道血管及組織再生、調(diào)節(jié)骨內(nèi)穩(wěn)態(tài)代謝、促進宿主免疫系統(tǒng)成熟等，還可誘發(fā)某些腸道疾病或加重某些腸道疾病的病理進展，如急慢性腹瀉、便秘、假膜性腸炎、潰瘍性結(jié)腸炎、腸道腫瘤等，越來越多的臨床及實驗證明腸道微生態(tài)失調(diào)與多種疾病息息相關(guān)。

1 腸道菌群定植

胃和小腸上皮細胞黏附了極少量的細菌(如乳酸桿菌、鏈球菌、雙歧桿菌、梭菌、韋榮球菌、大腸埃希菌類及酵母菌等)，腸腔內(nèi)也僅存一部分過路菌，而大腸內(nèi)卻包含了一個由復雜、動態(tài)、高濃度活性細菌構(gòu)成的微生態(tài)系統(tǒng)[1]。胃和小腸內(nèi)細菌的稀缺可能與管腔內(nèi)介質(zhì)(胃酸、膽汁、胰液分泌)及胃腸蠕動等有關(guān)，介質(zhì)可以殺死大多數(shù)攝入到胃腸腔的微生物，而蠕動波的推進阻礙了管腔內(nèi)細菌的定植。部分細菌(如腸球菌、腸桿菌等)具有潛在致病性，當腸道內(nèi)環(huán)境紊亂時，這些細菌可以是內(nèi)源性感染或敗血癥的感染源[5]。部分腸道菌群(如雙歧桿菌、乳酸桿菌)在機體出生時便開始形成，隨后逐步完善。最初，新生兒的分娩及喂養(yǎng)方式?jīng)Q定菌群的定植模式。出生在發(fā)達國家和出生在發(fā)展中國家的嬰兒之間、不同等級醫(yī)院出生的嬰兒之間腸道菌群都存在差異[6]。向無菌小鼠腸道內(nèi)移植正常小鼠糞便的實驗發(fā)現(xiàn)，移植糞便后無菌小鼠腸黏膜上皮細胞分化更加成熟，最先定植的細菌能夠調(diào)節(jié)宿主腸道上皮細胞基因的表達，并創(chuàng)造一個有利于它們定植的環(huán)境，同時抑制隨后進入這一環(huán)境的細菌的生長[7]。也有研究表明，不成熟的腸道菌群與早期兒童營養(yǎng)不良相關(guān)[8-9]。因此，在最終的常駐共生菌群中，最初定植的細菌非常重要[9]。此外，腸道菌群隨人身體狀況而發(fā)生生理或病理性演變，不同的生理階段有許多特定組合的優(yōu)勢菌種，發(fā)現(xiàn)并定義菌種之間的差異，分析菌種不同時期的變化可反映個體特定時期的生理或病理狀態(tài)[10]。

2 腸道菌群與腸道疾病

2.1腸道菌群與消化系統(tǒng)疾病 急性腹瀉、急性胃腸炎患者常伴有腸道優(yōu)勢菌群(腸球菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌及類桿菌)比例失調(diào)，常駐菌群明顯減少，其中厭氧菌數(shù)量下降最為顯著，且上升速度緩慢；另外過路菌群定植增多。腸道菌群失調(diào)多見于急性腸感染、細菌性食物中毒、急性化學物質(zhì)中毒、急性全身感染、變態(tài)反應性疾病、內(nèi)分泌疾病、藥物不良反應等，相反菌群失調(diào)又可誘發(fā)或加重腹瀉，并增加腸道對致病菌的易患性。盲目運用抗生素不僅不利于治療，反而有可能加重病情，導致菌群進一步失調(diào)。

慢性腹瀉的病因較多，也較為復雜，腸道菌群失調(diào)是其主要致病因素之一，其他常見的病因有腸易激綜合征、急性痢疾后腹瀉、吸收不良綜合征等。慢性腹瀉患者的腸道細菌，如擬桿菌、雙歧桿菌、腸球菌、腸道桿菌數(shù)量顯著降低，真桿菌、韋榮球菌、產(chǎn)氣莢膜桿菌顯著增多。

便秘是由多種因素引起的一組臨床綜合征，老年性便秘是臨床常見的疾病之一，目前尚無理想的治療方法?；颊咭话汩L期依賴潤腸性、刺激排便類藥物等促排便，不良反應較多。長期便秘患者存在嚴重的腸道菌群紊亂，致病菌產(chǎn)生的亞硝胺、酚類、氨類等致癌物質(zhì)不能及時排出體外，這些物質(zhì)長期慢性刺激腸道腺體并部分吸收入血可誘發(fā)結(jié)腸炎癥、偽膜性炎，最終演變?yōu)榻Y(jié)腸腫瘤。

肝功能異常(如梗阻性黃疸、肝硬化等)患者均存在不同程度的優(yōu)勢菌群比例改變，尤其是梗阻性黃疸患者。膽汁酸具有很強的抗菌活性，膽汁引流不暢，膽汁淤積可導致腸道雙歧桿菌結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，腸桿菌屬、腸球菌屬數(shù)量顯著增加，雙歧桿菌屬、擬桿菌屬、梭菌屬數(shù)量顯著下降。

由此可見，部分消化系統(tǒng)疾病與腸道菌群失調(diào)相互作用，互為因果。正常生理狀態(tài)下，結(jié)腸菌群可以發(fā)酵不易消化的食物殘渣并代謝上皮細胞產(chǎn)生的內(nèi)源性黏液，為宿主產(chǎn)生可吸收的營養(yǎng)物質(zhì)及能量，促進細菌自身生長和增殖。腸道優(yōu)勢菌群還可通過競爭營養(yǎng)抑制過路菌群定植，同時產(chǎn)生細菌素、短鏈脂肪酸等物質(zhì)來降解病原體毒素，降低其毒性。盲腸和右半結(jié)腸中(特別是回盲部)發(fā)酵異常活躍，可產(chǎn)生大量的短鏈脂肪酸，如乙酸、丙酸和丁酸等，其中丁酸幾乎完全被結(jié)腸上皮細胞所消耗，它是結(jié)腸主要的能量來源[11]；短鏈脂肪酸還可延緩慢性潰瘍性結(jié)腸炎的發(fā)生和發(fā)展、抑制致癌物或輔致癌物的形成、轉(zhuǎn)化某些致癌物質(zhì)為非致癌物質(zhì)、激活巨噬細胞、降低結(jié)腸癌的發(fā)生等[12]。微生物通過何種機制發(fā)揮其有利或不利的作用仍需要進一步研究。

2.2腸道菌群與腸道免疫相關(guān)性疾病 腸道是人體中富含淋巴組織最為豐富的組織之一，而腸黏膜則是免疫系統(tǒng)與外部環(huán)境的主要接觸點[4,13]，腸道相關(guān)淋巴組織中含有大量免疫活性細胞。無菌環(huán)境下培養(yǎng)的動物，其腸道黏膜淋巴樣細胞密度低，囊泡結(jié)構(gòu)較小，循環(huán)血液中的免疫球蛋白水平較低。胃腸道微生物在無菌動物胃腸道內(nèi)定植后能夠影響腸道相關(guān)淋巴組織的組成，促進腸上皮內(nèi)淋巴細胞數(shù)量的增加，小囊及固有層中免疫球蛋白生發(fā)中心生長迅速，血清中免疫球蛋白水平升高。以上研究表明，微生物在促進腸道免疫系統(tǒng)發(fā)育中起著至關(guān)重要的作用。成人機體與腸道菌群持續(xù)的相互作用使腸道免疫力不斷改變，正常腸道微生物可以避免免疫反應的發(fā)生，如人結(jié)腸中的脆弱類桿菌可通過產(chǎn)生不同的囊性多糖體來改變它的表面抗原，使生物體避開免疫監(jiān)視，保持腸道中微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。

人體固有的免疫反應不僅依靠白細胞，小腸的腸上皮細胞也可產(chǎn)生大量的炎性介質(zhì)并傳遞信號來指導下行細胞進行免疫反應。與健康人群相比，炎性腸病患者的腸上皮細胞黏附有大量細菌。菌群可能是激活腸道免疫系統(tǒng)、誘發(fā)炎性腸道疾病的一個關(guān)鍵因素，而常駐菌群失調(diào)可能是驅(qū)動炎性腸病的重要因素[14]，腸道炎癥的發(fā)生可同時引起多種不同類型的即時細胞因子產(chǎn)生，潛伏在人體炎性腸道黏膜中的非致病性細菌在誘導組織及表層固有淋巴細胞的轉(zhuǎn)變中起到一定的保護功能。一部分T細胞亞群可根據(jù)它們產(chǎn)生的細胞因子驅(qū)動促炎性反應[3]。腸道菌群通過定植活動可刺激Treg細胞發(fā)生炎性反應[15]。腸道微生物群還可誘導CD4+Th17細胞產(chǎn)生，其在炎癥性腸道疾病的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用[16]。在克羅恩病的炎性過程中，腸道T淋巴細胞對細菌抗原具有高反應性，這可能與此類患者的局部耐受性機制被破壞有關(guān)[17]。此外，克羅恩病或潰瘍性結(jié)腸炎患者腸黏膜分泌免疫球蛋白(immunoglobulin，IG)G型抗體對抗共生菌，通過IgG與腸道菌群相互作用調(diào)節(jié)免疫反應。動物實驗證明，大鼠腸道常駐菌群參與了腸道黏膜的炎性反應，而給予適量廣譜抗生素后，大鼠的這種腸道炎性反應明顯下降，說明腸易激綜合征與腸道菌群失調(diào)有一定相關(guān)性[18]。不同種類的細菌可誘發(fā)不同效果的免疫炎癥。腸溶菌引發(fā)的炎性反應局限于膿腫中心，局部存在膠原沉積。一些厭氧菌(脆弱擬桿菌，擬桿菌，梭狀芽孢桿菌)誘導輕度粒細胞反應和廣泛彌漫性的單核細胞浸潤，因此其有可能誘導腸壁彌漫性纖維化反應。在炎癥性腸病中，調(diào)節(jié)共生菌群的相互作用及其對腸黏膜的炎性刺激，充分引流腸腔內(nèi)容物可預防克羅恩病的復發(fā)。潰瘍性結(jié)腸炎患者，短期廣譜抗生素腸溶制劑的應用能迅速減少腸黏膜釋放細胞因子和類花生酸類物質(zhì)，其較靜脈滴注非甾體類消炎藥能更有效地降低炎性反應。目前，研究者正在評估使用益生菌而不是抗生素來達到拮抗細菌的目的。

3 腸道菌群與益生菌

在腸道菌群、宿主自身狀態(tài)及外部環(huán)境的共同作用下，腸道微環(huán)境維持在一個穩(wěn)定的動態(tài)平衡，對人體的健康起重要作用。飲食習慣可以改變宿主自身微生態(tài)結(jié)構(gòu)[19]。益生菌是一類以活菌為主的新型菌制劑，它不僅能提供特定的成分，還能補充被消耗的優(yōu)勢細菌(如雙歧桿菌、優(yōu)桿菌、乳酸桿菌和類鏈球菌等)，還可以改善人類健康。在嬰幼兒配方奶粉中添加益生菌還可防治腹瀉，如鼠李糖乳桿菌GG株可預防營養(yǎng)不良兒童腹瀉的發(fā)生，特別是針對非母乳喂養(yǎng)的兒童?？诜嫔€可以增加特異性IgA水平，減少兒童輪狀病毒的感染概率，即使是輪狀病毒感染后應用也能起到降低患兒糞便排泄量、減少排便次數(shù)的作用。在急性胃腸炎兒童中，補充益生菌可以顯著減少腹瀉的持續(xù)時間。口服益生菌還可以有效保護由脂多糖誘導的肝損傷和腸道屏障破壞[20]。補充優(yōu)勢腸道菌群可有效保護由D-半乳糖胺誘導的急性肝損傷，益生菌對重癥肝病患者腸道菌群的干預也獲得了良好的效果，如口服乳糖醇不僅能調(diào)節(jié)腸道菌群，還能降低慢性乙型肝炎患者血清中的內(nèi)毒素水平。另外，研究也顯示益生菌干預能有效改善肝硬化患者的肝功能指標[21-23]。益生菌可減少某些酶類的代謝活動，減少其產(chǎn)生的腫瘤誘導物質(zhì)，從而預防結(jié)腸癌并減少患結(jié)腸癌的風險[24]。

復雜的腸道微生態(tài)系統(tǒng)與機體生長發(fā)育、免疫功能、營養(yǎng)、發(fā)病機制及健康等密切相關(guān)。腸道內(nèi)細菌的分離、鑒定以及定量分析對于研究腸道內(nèi)菌群的功能以及與機體的相互作用非常重要。1993年，Muyzer等[25]闡述了變性梯度凝膠電泳(polymerase chain reaction-denaturing gradient gel electrophoresis，PCR-DGGE)技術(shù)對探索未知微生物種群多樣性的重要性。PCR-DGGE技術(shù)克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法的不足，其能即時反應微生物變化及多樣性改變，聯(lián)合其他生物技術(shù)，將更實際地反映微生物群落的結(jié)構(gòu)、功能及動態(tài)變化，其可提供微生物的空間分布、群落演替及原位生理等信息，促進人們對微生物生態(tài)的認識，為微生物資源的開發(fā)利用提供指導[26]。454焦磷酸測序技術(shù)因其自動化操作而被廣泛用于臨床實驗研究。McKenna等[27]運用454 焦磷酸測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，患有慢性腸炎的短尾猿的糞便菌群與正常菌群存在顯著差異。Turnbaugh等[28]運用該技術(shù)發(fā)現(xiàn)，肥胖人群腸道菌群的多樣性略低于非肥胖人群。

4 小 結(jié)

人體腸道疾病的生理病理進展與腸道菌群息息相關(guān)。腸道菌群在人類健康中的作用逐漸被人們所重視，隨著分子生物學的發(fā)展，定義、分離、培養(yǎng)了一部分腸道菌群成員，并闡述了其與宿主自身、腸道內(nèi)各種微生物間的作用。腸道菌群具體調(diào)控的微生態(tài)的機制一直是研究者長期以來致力于研究的一個重要領(lǐng)域。相信隨著分子生物學工具的飛速發(fā)展，將對腸道菌群與機體間維持穩(wěn)態(tài)的這一分子靶點有進一步的認識，從而有望發(fā)現(xiàn)新的方法來治療相關(guān)疾病，并保持人類健康。

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