腸道菌群在腸道穩(wěn)態(tài)和炎癥性腸病中的研究進(jìn)展

張迎娣 張紅杰

南京醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院消化內(nèi)科(210029)

炎癥性腸病(IBD)包括潰瘍性結(jié)腸炎(UC)和克羅恩病(CD)，是一類慢性非特異性腸道炎癥性疾病，具有不可治愈性和易復(fù)發(fā)性。目前 IBD的病因和發(fā)病機(jī)制仍未完全明確，主要與菌群失調(diào)、免疫異常、環(huán)境、遺傳易感等因素相關(guān)，其中腸道菌群失調(diào)是近年來研究的熱點(diǎn)。本文就腸道菌群在腸道穩(wěn)態(tài)和IBD中的研究進(jìn)展作一綜述。

一、腸道菌群的種類和分布

哺乳動(dòng)物腸道內(nèi)定植著復(fù)雜的微生物群落，超過1 000種細(xì)菌，總重量約1 kg。腸道菌群主要分為四大門類:厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門［1-2］。胃腸道不同部位的菌群構(gòu)成和濃度不同，胃和小腸細(xì)菌較少，主要為需氧菌，如乳酸菌屬、鏈球菌屬;結(jié)腸細(xì)菌濃度高達(dá)1011/g～1012/g結(jié)腸內(nèi)容物，主要為厭氧菌，如擬桿菌屬、梭菌屬、雙歧桿菌屬、腸桿菌屬［3］;盲腸中兼性厭氧菌占總菌數(shù)量的25%［4］。

二、腸道菌群與腸道穩(wěn)態(tài)

腸黏膜共生菌對(duì)腸道穩(wěn)態(tài)有至關(guān)重要的作用，其不僅可為機(jī)體提供營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)生重要的代謝產(chǎn)物，亦能促進(jìn)機(jī)體免疫系統(tǒng)成熟，尤其胃腸道局部免疫。黏膜共生菌的作用主要體現(xiàn)在:①共生菌的定植抗力，高度進(jìn)化的菌群占據(jù)腸道內(nèi)的生態(tài)位點(diǎn)，阻止各種病原體侵入黏膜固有層。早在2000年，Bonang等［5］進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于母乳對(duì)嬰幼兒腸道菌群定植抗力影響的研究，結(jié)果顯示母乳喂養(yǎng)組嬰幼兒腸道大腸桿菌數(shù)量顯著低于配方乳組，此與前者腸道菌群具有較高的定植抗力有關(guān);②固有微生物對(duì)腸黏膜持續(xù)的低度炎癥性刺激，有助于腸道免疫系統(tǒng)的形成和完善，進(jìn)而能及時(shí)有效地監(jiān)控并清除有害菌，維持機(jī)體健康;③參與機(jī)體重要的生理代謝活動(dòng)，如費(fèi)氏丙酸桿菌ET-3可產(chǎn)生大量維生素K2前體物質(zhì)，后者可通過激活芳香烴受體，參與物質(zhì)代謝、解毒以及抑制腸道炎癥［6］;④當(dāng)腸道共生菌構(gòu)成發(fā)生變化時(shí)，腸道菌群失衡，引起腸道免疫反應(yīng)［7］。

三、腸道菌群改變與腸道炎癥和IBD的關(guān)系

動(dòng)物模型證實(shí)腸道菌群是腸道炎癥形成的先決條件。Taurog等［8］的研究顯示，無菌環(huán)境下飼養(yǎng)的HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠不發(fā)生腸道炎癥。Sellon等［9］的研究發(fā)現(xiàn)，白細(xì)胞介素-10(IL-10)基因敲除小鼠在無特定病原菌(SPF)環(huán)境下，可發(fā)生中度結(jié)腸炎，而在無菌條件下，結(jié)腸無炎癥性改變。無菌小鼠腸道黏膜免疫系統(tǒng)活化程度顯著低于SPF級(jí)小鼠。Kobayashi等［10］的研究亦支持“無菌無炎癥”觀點(diǎn)。此外，IBD患者腸道炎癥最嚴(yán)重的部位往往亦是腸道菌群定植數(shù)量最多的部位，炎癥程度多與細(xì)菌脂多糖(LPS)內(nèi)毒素活性強(qiáng)度有關(guān)［1］。

近年來研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者存在腸道菌群構(gòu)成改變、腸道生態(tài)系統(tǒng)多樣性減少，其中厚壁菌門、擬桿菌門等優(yōu)勢(shì)菌的多樣性減少最為顯著。McLaughlin等［11］應(yīng)用16S rRNA基因克隆和測(cè)序法分析16例UC患者和8例健康對(duì)照者的結(jié)腸袋黏膜組織標(biāo)本，結(jié)果顯示UC患者腸道組織變形菌門顯著增加，而擬桿菌屬和柔嫩梭菌屬顯著減少。大腸桿菌尤其是黏附侵襲性大腸桿菌(AIEC)與CD的發(fā)病機(jī)制密切相關(guān)，但與UC的關(guān)系尚存爭(zhēng)議。研究［12-13］顯示，CD患者腸黏膜大腸桿菌數(shù)量顯著高于正常對(duì)照組，而黏膜相關(guān)柔嫩梭菌豐度顯著低于正常對(duì)照組。研究［14-15］發(fā)現(xiàn)，IBD患者硫酸鹽還原菌水平增加，其代謝產(chǎn)物H2S可滲過腸上皮細(xì)胞膜，當(dāng)H2S超過生理性濃度時(shí)可抑制丁酸鹽氧化，導(dǎo)致腸上皮細(xì)胞損傷、死亡以及炎癥發(fā)生。此外，IBD患者亦有腸道真菌構(gòu)成改變、多樣性增加。研究［16-17］顯示，白色念珠菌、棒曲霉、新型隱球菌數(shù)量增加可能與腸黏膜炎癥、細(xì)胞因子和血清CRP水平以及CD疾病活動(dòng)度呈正相關(guān)，因此，需進(jìn)一步研究真菌是否是IBD的觸發(fā)因素。

正常情況下，腸道黏膜上皮屏障具有選擇滲透性功能，不僅可吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，亦可產(chǎn)生代謝廢物。腸道黏膜滲透性增加是IBD的主要特點(diǎn)之一。Nakanishi等［18］的研究顯示，葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠的腸黏膜屏障完整性和功能受損，革蘭陽性共生菌發(fā)生易位，并招募單核/巨噬細(xì)胞遷移至結(jié)腸，導(dǎo)致結(jié)腸炎的發(fā)生。研究［19-20］發(fā)現(xiàn)，IBD腸道屏障缺失或功能異常與上皮細(xì)胞緊密連接蛋白ZO-1、claudin-1減少，成孔蛋白claudin-2增加有關(guān)，亦可能與樹突細(xì)胞異?；罨约胺植际Ш庥嘘P(guān)。Carroll等［21］認(rèn)為細(xì)菌蛋白酶在特定條件下可成為毒力因子，通過增加黏膜滲透性參與腸道炎癥的發(fā)生、發(fā)展。

四、腸道菌群、腸道免疫與microRNAs(miRNAs)

腸道菌群使腸道黏膜面臨巨大的挑戰(zhàn)，既要對(duì)有益菌形成耐受，又要快速、有效地清除病原菌，此與細(xì)菌表面抗原成分或其代謝終產(chǎn)物使免疫細(xì)胞活化以及細(xì)胞因子表達(dá)有關(guān)。適應(yīng)性免疫應(yīng)答在IBD發(fā)病中至關(guān)重要，T細(xì)胞發(fā)揮核心作用，其異?；罨蓪?dǎo)致細(xì)胞因子和趨化因子大量釋放，放大炎癥效應(yīng)。一般認(rèn)為CD是由Th1細(xì)胞介導(dǎo)的，Th2細(xì)胞則與UC的發(fā)生相關(guān)。近年來研究［22-23］發(fā)現(xiàn)IBD患者腸黏膜固有層中浸入大量Th17細(xì)胞，產(chǎn)生促炎因子IL-17A，并伴隨黏膜相關(guān)恒定T細(xì)胞(MAIT)數(shù)量增多、活性增強(qiáng)。Treg細(xì)胞可抑制體內(nèi)外Th0細(xì)胞增殖分化、產(chǎn)生抗炎因子IL-10以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)，參與腸道黏膜穩(wěn)態(tài)的維持［24］。Poniedzialek等［25］的研究發(fā)現(xiàn)，CD患者Treg細(xì)胞凋亡比例較正常人群顯著增加。

對(duì)免疫學(xué)和遺傳學(xué)研究表明，固有免疫應(yīng)答在腸道炎癥中亦發(fā)揮重要作用。黏膜固有層中某些特定細(xì)胞，包括巨噬細(xì)胞、樹突細(xì)胞以及非免疫性細(xì)胞(腸上皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞等)，持續(xù)監(jiān)視腸道菌群和食物抗原，并通過模式識(shí)別受體識(shí)別細(xì)菌成分，如跨膜Toll樣受體(TLRs)識(shí)別細(xì)菌LPS等成分激活胞內(nèi)級(jí)聯(lián)效應(yīng)，通過典型的MyD88-依賴或非依賴途徑，發(fā)揮免疫監(jiān)視作用［26］。Lahiri等［27］的研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)刺激細(xì)胞內(nèi)模式識(shí)別受體NOD2可誘導(dǎo)金屬硫蛋白表達(dá)，增加細(xì)胞自噬以及細(xì)菌清除作用。模式識(shí)別受體信號(hào)通路主要參與調(diào)節(jié)體內(nèi)共生菌平衡和上皮細(xì)胞增殖，亦參與誘導(dǎo)病原菌入侵時(shí)的炎癥反應(yīng)。

近年研究顯示miRNAs通過參與調(diào)控腸道菌群對(duì)腸道炎癥產(chǎn)生影響，miRNAs是真核生物細(xì)胞中高度保守的調(diào)節(jié)分子，是短鏈、非編碼RNAs，通過靶向結(jié)合mRNAs調(diào)節(jié)各種基因表達(dá)，從而抑制轉(zhuǎn)錄水平后蛋白表達(dá)和功能，甚至影響mRNAs的穩(wěn)定性。Nguyen等［28］的研究顯示，感染AIEC后，后者通過激活核因子-κB(NF-κB)途徑上調(diào) miRNA30C和miRNA130A表達(dá)，這些上調(diào)的miRNAs可降低自噬相關(guān)基因ATG5/ATG16L1水平，進(jìn)而抑制腸上皮細(xì)胞自噬作用，導(dǎo)致自噬介導(dǎo)的胞內(nèi)細(xì)菌清除功能缺陷，從而促進(jìn)炎癥反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)腸上皮細(xì)胞給予miRNA30C和miRNA130A抑制劑處理后，可阻斷AIEC引起的ATG5/ATG16L1水平降低，并使腸上皮細(xì)胞恢復(fù)自噬作用。Xue等［29］從B6小鼠腸腔分離出大腸桿菌以及帶有鞭毛A4共生菌(后者可產(chǎn)生CBir1鞭毛蛋白，為一種細(xì)菌抗原)，用細(xì)菌裂解產(chǎn)物刺激骨髓來源的樹突細(xì)胞，24 h后采用實(shí)時(shí)定量PCR檢測(cè)顯示，miR-10A表達(dá)水平顯著低于未刺激組。IL-12/IL-23p40是miR-10A的靶基因，是固有免疫應(yīng)答的重要分子。Xue等［29］的研究還表明，腸道菌群可通過負(fù)向調(diào)節(jié)miR-10A，上調(diào)IL-12/IL-23p40表達(dá)，從而導(dǎo)致IL-10缺陷小鼠結(jié)腸炎的發(fā)生。Brain等［30］和 Koukos 等［31］的研究進(jìn)一步提示 miRNAs 可能是IBD患者免疫應(yīng)答的主要調(diào)節(jié)者。上述研究為探索IBD的發(fā)病機(jī)制開辟了新前景。

五、微生態(tài)制劑對(duì)IBD的治療作用

微生態(tài)制劑主要包括益生菌、益生元等。益生菌是一類活性微生物，具有良好的耐受性，適宜劑量有益機(jī)體健康，這類益生菌包括雙歧桿菌、乳酸桿菌等。益生元是一種不可消化的膳食補(bǔ)充劑，影響腸道特定共生菌的生長(zhǎng)活性、改變菌群構(gòu)成，如乳果糖、低聚果糖、菊粉、發(fā)芽大麥?zhǔn)称返?。微生態(tài)制劑發(fā)揮作用的可能機(jī)制為:①調(diào)節(jié)腸道菌群，維持菌群穩(wěn)態(tài)，協(xié)調(diào)共生菌定植，減少病原菌入侵;②可改善腸黏膜上皮屏障的通透性。Natividad等［32］的研究發(fā)現(xiàn)，短雙歧桿菌菌株NCC2950能改善Nod1-/-;Nod2-/-結(jié)腸炎小鼠的腸黏膜上皮屏障功能;③可通過誘導(dǎo)Treg細(xì)胞發(fā)揮抗炎特性。多種有益菌能產(chǎn)生短鏈脂肪酸，刺激Treg細(xì)胞，改善上皮屏障功能，抑制免疫應(yīng)答，減輕腸道炎癥反應(yīng)。Lorea Baroja等［33］的研究發(fā)現(xiàn)，益生菌的抗炎效應(yīng)與外周血Treg細(xì)胞數(shù)量呈平行關(guān)系。van’t Land等［34］的研究顯示，益生元如低聚糖可通過CD25+Treg細(xì)胞進(jìn)行免疫調(diào)節(jié)。然而，Rahimi等［35］進(jìn)行的一項(xiàng)Meta分析顯示，無法證實(shí)益生菌能維持CD緩解以及預(yù)防復(fù)發(fā)。Jonkers等［36］在一篇系統(tǒng)回顧分析中指出，大多數(shù)研究支持大腸桿菌Nissle 1917以及VSL#3等微生物制劑對(duì)具有UC治療作用，但無確切證據(jù)表明益生菌對(duì)CD的療效。亦有研究［37］表明益生菌可通過加快胃腸通過，誘發(fā)IBD患者發(fā)生腹瀉或大便次數(shù)變化，加重疾病活動(dòng)性。因此，仍需進(jìn)一步探討以明確微生物制劑在治療IBD中的具體作用機(jī)制和療效。

六、糞菌移植(FMT)與IBD

近年來，F(xiàn)MT成為治療IBD的新方法。FMT是指將正常供者的糞便經(jīng)一定處理后灌入IBD患者腸道內(nèi)，其目的是重新恢復(fù)腸道正常菌群的多樣性，調(diào)節(jié)菌群失衡，而非清除腸道內(nèi)的病原體。Khoruts等［38］的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)難治性難辨梭狀芽孢桿菌感染性腹瀉患者行FMT治療兩周后，患者的糞便菌群構(gòu)成與糞便供者極為相似，以擬桿菌屬和產(chǎn)丁酸鹽菌為主，同時(shí)伴有腹瀉癥狀改善，此與供者的糞便菌群快速占據(jù)受者腸壁，以利于腸道菌群功能的恢復(fù)有關(guān)。Kunde等［39］采用FMT治療10例中重度兒童UC患者，治療1周后的臨床應(yīng)答率和臨床緩解率分別為78%和33%，提示FMT是治療兒童UC的有效手段，但該研究樣本量較小，相關(guān)結(jié)論有待行大樣本量研究證實(shí)。目前對(duì)FMT治療IBD有效性、安全性的研究有限，尚不明確FMT治療的長(zhǎng)期預(yù)后，如代謝狀態(tài)改變、疾病復(fù)發(fā)以及腫瘤性疾病的易感性等。有研究［40］報(bào)道FMT可導(dǎo)致菌血癥發(fā)生。由此可見，F(xiàn)MT治療IBD具有一定潛力，其可能為IBD患者尤其是傳統(tǒng)方法治療無效的患者提供新的治療途徑，但需行更多臨床研究證實(shí)。

七、結(jié)語

近幾十年的研究尚未發(fā)現(xiàn)與IBD發(fā)病有關(guān)的特征性腸道菌群構(gòu)成變化，亦未發(fā)現(xiàn)某種特異性細(xì)菌。目前已明確IBD患者除了優(yōu)勢(shì)菌定植能力降低、腸上皮屏障功能減弱外，細(xì)菌抗原、細(xì)菌DNA亦可能經(jīng)特定途徑導(dǎo)致免疫反應(yīng)參與IBD的發(fā)生、發(fā)展，但相關(guān)機(jī)制尚未完全闡明，需進(jìn)一步研究。miRNAs參與調(diào)控菌群對(duì)IBD產(chǎn)生影響，提示從基因?qū)用嫣剿髂c道菌群改變產(chǎn)生的影響，可能為IBD治療提供新靶點(diǎn)。目前，盡管存在對(duì)IBD患者腸道菌群常規(guī)培養(yǎng)困難、菌群復(fù)雜性高等問題，但隨著實(shí)驗(yàn)方法和新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用以及對(duì)腸道微生物在IBD發(fā)病中作用認(rèn)識(shí)的不斷深入，有望為以腸道微生物為靶點(diǎn)的IBD治療提供新途徑。

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