腸道微生態(tài)與腸道疾病

陳 曦

（成都大學附屬醫(yī)院 消化內科，成都610000）

人類腸道微生態(tài)是一個包含了約1013～1014個微生物的復雜生態(tài)系統(tǒng)［25］，這些微生物在長期的進化過程中與宿主相互依賴、相互制約，形成了和諧共生的整體，當這個和諧的整體受到破壞時，便會發(fā)生相應的腸道疾病。本文將就目前腸道微生態(tài)與腸道疾病的研究進展進行簡單綜述。

1 腸道微生態(tài)

當人們認識到腸道微生態(tài)的存在以及它可能與人類腸道生理及病理過程有重要關聯時，就不斷試圖認清它的本質，因此誕生了人類微生態(tài)計劃和人類腸道系統(tǒng)基因組計劃（MetaHIT）等［26，27］較為系統(tǒng)的以人類正常腸道微生態(tài)結構和功能為對象的研究計劃。隨著這些研究計劃的開展，學者已經發(fā)現人類不同個體的腸道微生態(tài)在基因水平存在一個由大量微生物基因及相關傳導通路組成的共同核心，偏離這個核心就會影響人類健康、導致疾病發(fā)生［27，28］。同時，人們對腸道微生物與宿主之間相互作用的具體機制也有了更深的理解。學者發(fā)現，腸道上皮細胞和粘膜免疫細胞廣泛存在著與特定微生物相互識別的模式受體（Pattern recognition receptors，PRR），包括視黃酸誘導基因-I樣RNA解螺旋酶、C-型血凝素受體（C-typelectin receptors，CLR）、富有亮氨酸的核苷酸結合域蛋白／N樣受體（Nodlike receptors，NLR）和 T 樣受體（Toll-like receptors，TLR）［29，30］。腸道微生物通過與這些受體的模式結合激活相應的信號轉導通路，參與宿主免疫細胞及腸道上皮細胞的凋亡、增生等生理活動。

另外，腸道微生態(tài)越來越多的生理功能被發(fā)現。除了傳統(tǒng)的促進消化吸收、參與物質代謝和抑制腸道致病菌生長外，腸道微生態(tài)還在胃腸道系統(tǒng)的發(fā)生和自穩(wěn)過程中起關鍵作用［31］，對心血管系統(tǒng)［32，33］和免疫系統(tǒng)［34］亦有著重要影響。腸道微生態(tài)失調，與肥胖癥［35］、脂肪肝［36］、糖尿?。?7］、關節(jié)炎等［38］許多疾病相關，其中包括腸易激綜合征、炎癥性腸病及結直腸惡性腫瘤在內的腸道疾病與腸道微生態(tài)的關系尤為密切。

2 腸道微生態(tài)與腸道疾病

2．1 腸道微生態(tài)與腸易激綜合征

腸易激綜合征（Irritable bowel syndrome，IBS）是多因素引起的胃腸道功能紊亂。其主要的致病機制包括胃腸道動力失調、內臟神經高敏感、神經-免疫-內分泌傳遞通路紊亂等。

近年來，許多報道都證明腸道微生態(tài)與上述IBS致病機制有密切關系。有研究發(fā)現腸道菌群缺乏的動物小腸蠕動速度明顯減慢、結腸擴張［39］，而重建腸道菌群后動物也重新建立起正常的腸道蠕動，其機制可能與腸道菌群對內源及外源物質的分解代謝有關［39］。腸道菌群通過分解代謝增加相關酶的表達，促進神經調節(jié)因子（如：γ-氨基丁酸）及特殊肌蛋白的合成，代謝產生的氫氣、甲烷及短鏈脂肪酸可調節(jié)胃腸道動力［39］、影響胃腸道的敏感性。因此，腸道微生態(tài)失調，可導致胃腸道動力失調及內臟神經敏感性改變［24］，最終導致IBS發(fā)生。

IBS患者的腸道微生態(tài)失調可分為兩種類型：腸道細菌數量的改變和腸道菌群構成的改變。早在1998年就有學者發(fā)現IBS患者的結腸產氣量增多，提示腸道產氣菌增加可能與IBS發(fā)病相關［40］，后有研究通過C-木糖呼氣實驗［41］及乳果糖呼吸實驗［42］分別證實了IBS患者存在小腸細菌生長過度（Small intestinal bacterial over growth，SIBO），SIBO 導致腸道氫氣和甲烷產生增多，促使炎癥反應出現及小腸動力紊亂。另有研究證實新霉素［43］或利福昔明［44］治療甲烷產量明顯增多的IBS后，患者癥狀得到明顯改善，亦支持SIBO導致IBS的假說。盡管在確診是否存在SIBO的方法上仍然存在一些爭議，但最近有一項將不同研究方法整合后的META分析顯示，IBS患者腸道細菌的數量約為對照組的4倍［45］，因此將SIBO視為IBS的致病因素之一，特別是以腹脹為主訴、存在胃腸道動力紊亂的IBS，是合理的。1982年就有學者通過糞便細菌培養(yǎng)發(fā)現IBS患者腸道菌群中乳酸桿菌和雙歧桿菌較對照組明顯減少，而大腸桿菌增多［46］，提示腸道菌群構成改變可能導致IBS發(fā)生。后人采用結腸粘膜活檢［47］、聚合酶鏈反應-變性梯度凝膠電泳法等［48］方法均證實了IBS患者的確存在腸道菌群構成的變化。進一步的研究發(fā)現，在腹瀉-便秘型中 Allisonellahe和Bacteroide增多，雙歧桿菌減少則更多見于腹瀉型IBS［49］。而腸道菌群構成改變引起IBS的具體機制還有待進一步研究。

在IBS患者中，約20%繼發(fā)于胃腸道急性細菌感染，提示除腸道細菌數量的改變和腸道菌群構成的改變外，急性胃腸道感染可能是發(fā)生IBS的獨立危險因素。感染持續(xù)的時間是感染后是否發(fā)生感染后腸 易 激 綜 合 征 （Post infectious irritable bowel syndrome，PI-IBS）的關鍵，感染持續(xù)的時間越長，發(fā)生PI-IBS的概率越大，當感染持續(xù)時間超過3周時，PI-IBS發(fā)生的危險性增加11倍［50］。另外，感染的年齡較小和焦慮或抑郁的情緒狀態(tài)也是導致PIIBS發(fā)生的重要原因［50］。有研究發(fā)現，急性胃腸道細菌感染3個月后前炎癥因子IL-1β仍然高表達的患者PI-IBS患病率增高［51］，提示細菌感染后持續(xù)的低水平炎癥反應可能是PI-IBS的主要致病機制。

2．2 腸道微生態(tài)與炎癥性腸病

炎癥性腸?。↖nflammatory bowel disease，IBD）是一類病因未明的慢性腸道疾病，主要包括Crohn病（Crohn’s disease，CD）和潰瘍性結腸炎（Ulcerative colitis，UC）。近年來遺傳易感［52］、腸道微生態(tài)和環(huán)境改變的相互作用被認為是IBD主要的病理生理過程，其中腸道菌群引起的腸粘膜異常免疫應答損傷尤為重要。

早在1994年就有報道嬰兒時期腸道在惡劣衛(wèi)生環(huán)境中的暴露會降低未來CD的患病概率［53］，流行病學相關研究發(fā)現在衛(wèi)生條件更好的發(fā)達國家，IBD的患病率比發(fā)展中國家更高［54］，后人關于IBD病因的諸多研究亦提示IBD的環(huán)境危險因素正是減少感染性疾病傳播的有利因素。猜測其機理可能是早期胃腸道缺乏病原體暴露，導致機體對腸腔內常駐菌群抗原的耐受不足［55］，機體產生對腸道常駐菌群的異常免疫反應，最終導致腸道粘膜損傷。常駐腸道細菌參與的免疫應答損傷假說在許多早期的動物實驗中都得以印證。研究發(fā)現，HLA-B27轉基因大鼠可自發(fā)慢性結腸炎，而無菌環(huán)境飼養(yǎng)的HLA-B27大鼠則不會發(fā)生慢性結腸炎［56］。類似的研究還有T細胞受體基因缺陷的小鼠在無菌環(huán)境中不發(fā)生結腸炎、IL-2基因缺陷的小鼠可在10周齡時發(fā)生組織特點類似人類UC的炎癥性腸病，而該小鼠在無菌環(huán)境飼養(yǎng)時并不發(fā)生此病變［57］等等。另有實驗結果顯示，腸道非致病性細菌可加重IL-10基因敲除小鼠的腸道炎癥反應［58］。早期不吸收抗生素治療可減輕粘膜損傷的研究也間接證明了腸道菌群參與了腸道的免疫炎性損傷［59-61］。

進一步的研究聚焦在不同菌種對IBD的不同影響。實驗證明，在引起腸道免疫炎性損傷的細菌中，厭氧菌導致的炎性損傷最為嚴重［62］，且以單核細胞滲出浸潤為主。另有實驗發(fā)現CD患者回腸末端粘膜及肉芽腫中粘附侵襲性大腸桿菌（Adherent invasive E．coli，AIEC）含量明顯增多［63］，而從 CD 患者中分離的AIEC在體外可誘發(fā)形成肉芽腫［64］。而乳酸桿菌可顯著減少腸粘膜固有層中表達IL-2受體的T淋巴細胞數，并降低IL-6、TNF-α及而Bcl-2族蛋白的表達量，從而減輕炎癥反應。亦有學者提出副結核分枝桿菌、幽門螺桿菌和病毒在IBD發(fā)病中可能起促進作用，但尚缺乏充分的實驗證據。

IBD腸道粘膜免疫損傷的具體機制也是研究的重點之一，而異常免疫反應發(fā)生和黏液-上皮屏障被破壞是損傷機制的兩個核心環(huán)節(jié)。研究發(fā)現無菌小鼠的漿細胞、淋巴濾泡、T細胞和Paneth細胞減少，產生的粘膜IgA也減少，而IBD患者腸道粘膜組織中產生IgG的淋巴細胞較對照組顯著增多［65］。正常的胃腸道免疫排異反應主要以產生IgA抗體為主且局限在上皮表面，并不會導致組織的炎性損傷，但異常的IgG抗體可形成免疫復合物激活補體，引起完全免疫應答。最近有研究發(fā)現一些細菌通過與癌胚抗原相關細胞黏附分子-6（Carcinoembryonic antigen associated cell adhesion molecule-6，CEACAM-6）作用黏附至粘膜上并侵襲入上皮細胞，誘導TNF-α分泌并啟動后續(xù)免疫反應［66］，還有研究表明多形擬桿菌作為T樣受體傳導通路的下游信號可激活NF-κB31啟動異常免疫反應。另一些細菌則可通過抑制核因子-κB（Nuclear factor-κB，NF-κB）的激活抑制免疫反應的發(fā)生。通過上述異常免疫應答導致腸道黏液-上皮屏障的破壞，進而導致IBD的發(fā)生。動物實驗證明，正常菌群可增加杯狀細胞的黏液分泌，構成黏液-上皮屏障的重要部分，腸道菌群失調使黏液分泌減少，讓腸道上皮直接暴露在損傷因子下，如腸道有毒代謝產物等等［67］。另外，正常腸道菌群通過增加相關蛋白的表達可加強上皮細胞間的緊密連接［68］，而上皮穿透性增加是嚴重IBD的特征之一［69］。

另外，隨著腸道上皮和腸道菌群模式作用的發(fā)現，與IBD發(fā)病相關的信號傳導通路也逐漸被了解，而這些傳到通路與結直腸癌的發(fā)生也有一定關系，下文將進一步總結相關研究的結果。

2．3 腸道微生態(tài)與腸道腫瘤

結直腸癌（Colorectal cancer，CRC）在發(fā)達國家的發(fā)概率高發(fā)展中國家，除了基因和環(huán)境因素，IBD發(fā)病率的差差異也是導致CRC發(fā)病率差異的原因之一，長期受炎性刺激的人，如IBD患者，在確診10年后發(fā)生CRC的危險比對照組高1%／年［70］。前文已概述腸道微生態(tài)在IBD病理生理過程中的重要作用，但越來越多的研究證明，腸道微生態(tài)不僅通過參與IBD的病理生理過程間接結作用于CRC的發(fā)病過程［71］，更通過腸道微生物代謝產生致癌物質直接郵到腫瘤發(fā)生。

自上個世紀60年代起至今，有許多動物實驗研究都發(fā)現，一些外源或內源性物質，通過非胃腸道途徑給藥或者采用無菌小鼠胃腸道給藥并沒有致癌作用，但通過胃腸道給予有胃腸道菌群的小鼠時，該物質則可被微生物分泌酶催化轉換成具有致癌作用的產物，通過誘發(fā)胃腸道上皮細胞基因突變等途徑導致腫瘤發(fā)生。如外源性的蘇鐵素可通過小鼠腸道微生物分泌的β-葡萄糖苷酶轉換成具有致癌作用的非結合甲基氧化偶氮甲醇［72］，又如進入腸道的膽鹽在腸道厭氧菌群如脆弱擬桿菌的作用下，通過去結合及脫羥作用生成可溶性更差的膽鹽，這些膽鹽無法參與腸肝循環(huán)，經生化反應后形成有致癌作用的去氧膽酸［73，74］。其它與結直腸腫瘤發(fā)生有關的腸道微生物代謝酶包括β-葡萄糖醛酸酶、硫酸酯酶、β-豐乳糖酶、β-硝基還原酶、偶氮還原酶及膽固醇脫氫酶等［75］。

但并非所有的腸道菌群都會因為自身代謝活動參與CRC的發(fā)生。早在1971年就有研究發(fā)現腸道微生態(tài)中類桿菌增多與結腸癌發(fā)生有關。后陸續(xù)發(fā)現，結腸癌與結腸息肉患者腸道中雙歧桿菌和乳酸桿菌數量明顯減少，而腸球菌、類桿菌和酵母菌數量增多［76］。對腸道微生態(tài)中不同菌種的進一步動物實驗研究發(fā)現，分泌B．脆弱毒素（Bacteroides fragilis toxin，BFT）的產腸毒素脆弱類桿菌（Enterotoxigenic Bacteroides fragilis，ETBF）可誘發(fā)小鼠多種腸道新生物［77］，而擬桿菌的普通亞型卻可通過誘發(fā)IL-10基因敲除小鼠腸道的低水平炎癥減少CRC的發(fā)生［78］。證實腸道微生態(tài)中不同菌種可能促進、也可能抑制CRC的發(fā)生發(fā)展，可能與不同菌種產生的腫瘤相關代謝酶不同有關。

3 聯系與差別

不難發(fā)現，IBS、IBD和CRC的發(fā)生均和腸道微生態(tài)失調引起異常免疫反應等機體正常生理功能紊亂相關。于是有學者提出，IBS、IBD和CRC并非完全獨立的腸道疾病，而腸道微生態(tài)正是三者之間最關鍵的連接點［79，80］！特別是當PI-IBS和IBD相關的CRC這兩個概念提出后，PI-IBS、IBD和IBD相關的CRC似乎更像是同一疾病的不同階段。但進一步的研究發(fā)現，三者不僅是量的不同，更有著質的不同，其關系并非疾病的連續(xù)變化這么簡單。

PI-IBS雖然也存在著低水平的炎癥反應，但參與炎癥反應的細胞及相關細胞因子種類與IBD有很大不同［81］，另外，中樞和外周神經系統(tǒng)的相互作用在IBS的發(fā)病中起重要作用，但IBD受中樞神經系統(tǒng)的影響微乎其微，再次，對IBS和IBD的具體菌種分析結果也提示兩者的主要致病菌譜并不一致。然而仍有不少報道稱IBD患者中既往很多都曾出現IBS癥狀［82］，且近期一項流行病學研究發(fā)現，IBD患者的一級親屬中IBS患者較正常對照組明顯增多［83］。因此，盡管更多證據提示IBS和IBD并非同一疾病，但IBS與IBD之間仍然可能存在著直接或間接的關聯，比如IBS是否是IBD的危險因素之一等等，這些問題尚有待進一步研究證實。

隨著微生物與腸道上皮細胞模式受體相互作用的機制被發(fā)現，IBD和CRC之間“共同”的信號傳導通路為IBD和CRC的密切聯系提供了除流行病學證據外的、更為確切的分子依據。研究最為熱門的，當屬對IBD和CRC發(fā)展起阻礙作用的NOD1［84］和NLRP3［85］通路，以及起促進炎癥和腫瘤發(fā)生作用的TLR／MyD［88］通路［87］。盡管如此，仍有不少動物實驗結果發(fā)現慢性炎癥也可能對腫瘤的發(fā)生起阻礙作用［78］，而且事實上，有近80%的IBD患者并不會發(fā)展成CRC［87］。綜合前述腸道微生物代謝活動可直接誘導CRC發(fā)生的結論，目前較為一致的意見是，IBD可能是腸道微生態(tài)與CRC之間的聯系紐帶之一，但并不是唯一的聯系。IBD與CRC之間的絕對因果關系尚需考證。

而另一項關于IBS和CRC的Cohort研究發(fā)現，在IBS診斷后的第一個十年里，CRC的發(fā)病率較對照組有所下降［88］，提示IBS可能是CRC的保護性因素，但尚沒有其他任何證據證明IBS與CRC之間有直接關系。

4 結論

綜上所述，隨著腸道微生物的基因構成及其與腸道上皮的相互作用模式被逐步揭曉，學者對腸道微生態(tài)與人類腸道疾病之間關系的探索又邁入了一個新的階段。然而要完全弄清腸道微生態(tài)復雜的結構與功能、為相關疾病的診斷和治療尋找新的突破口，還需要更多的努力。

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