腸道菌群與炎癥性腸病的研究進(jìn)展

彭 帥，沈 磊

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化內(nèi)科，武漢 430060)

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種非特異性的慢性復(fù)發(fā)性腸道炎癥疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病[1]。IBD曾被認(rèn)為是一種“西方”疾病，但近年來，全球范圍內(nèi)IBD的發(fā)病率不斷增加，確切病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚[2]。目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，IBD是遺傳因素、環(huán)境因素、腸道菌群和宿主免疫系統(tǒng)的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致的異常免疫反應(yīng)和慢性腸道炎癥[3]。人體腸道含有復(fù)雜而豐富的微生物聚集體，統(tǒng)稱為腸道微生物群。新一代測序技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)確定了IBD中腸道微生物群的組成和功能改變，稱為腸道菌群失調(diào)[4]。相關(guān)臨床和實驗數(shù)據(jù)表明，腸道菌群失調(diào)可能在IBD的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用；確定針對IBD診斷的標(biāo)志物不僅能檢測疾病的進(jìn)程、減少并發(fā)癥的發(fā)生，還能為疾病的早期干預(yù)和治療選擇合適的方案提供幫助[5]?，F(xiàn)對腸道微生物群的生理功能以及腸道微生物群與IBD發(fā)病機(jī)制的關(guān)聯(lián)予以綜述。

1 腸道菌群概述

近年來，人們對腸道微生物的關(guān)注度越來越高。人體腸道內(nèi)有100萬億種微生物，包括細(xì)菌、病毒、真菌等，它們構(gòu)成了微生物群，也稱微生物菌群[6]。細(xì)菌是正常微生物群中最突出的成分，約有1 000種細(xì)菌存在于胃腸道中，腸道微生物的集體基因組含有的基因數(shù)約是人類基因組基因數(shù)的100倍[7]。腸道微生物群是人體的“第二個基因組”[8]。胃腸道不同部位的細(xì)菌數(shù)量和組成不同，少數(shù)細(xì)菌物種棲息在胃和小腸的上部，從空腸到結(jié)腸細(xì)菌的數(shù)量逐漸增加。人體腸道菌群中，超過99%的腸道細(xì)菌屬于厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形桿菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)，其中厚壁菌門和擬桿菌門在健康成人的腸道微生物群中占主導(dǎo)地位[9]。健康個體的腸道微生物群為宿主提供許多健康益處，涉及生物屏障、促消化、營養(yǎng)吸收、免疫、抗腫瘤以及代謝作用等。腸道微生物群與人類共生，人類宿主和微生物群之間的各種共生相互作用是維持人類健康所必需的。腸道菌群失調(diào)改變了微生物與宿主細(xì)胞間的相互作用以及微生物代謝產(chǎn)物與宿主的代謝過程，并通過多元化的模式(如菌群數(shù)量、菌群代謝產(chǎn)物、菌群組成成分等的變化)發(fā)揮作用而引發(fā)疾病[10]。

2 腸道菌群生理功能

腸道菌群是復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，以人體胃腸道為生存環(huán)境，將人體消化的食物殘渣作為生存條件，在體內(nèi)發(fā)揮重要的病理生理作用。腸道健康是身體健康的基礎(chǔ)，腸道菌群的生態(tài)平衡是腸道健康的關(guān)鍵，可參與許多重要的生理功能。

2.1促消化和營養(yǎng)吸收功能 腸道菌群與腸道內(nèi)環(huán)境的動態(tài)平衡為宿主提供能量和營養(yǎng)，參與各種物質(zhì)的代謝和吸收。腸道微生物在微量營養(yǎng)素的合成中起重要作用。人類共生細(xì)菌(如雙歧桿菌)可以合成和提供維生素，如維生素K和水溶性B族維生素[11]。腸道菌群不僅能合成多種機(jī)體生長發(fā)育所需的維生素，還能利用蛋白質(zhì)殘渣合成非必需氨基酸，并通過腸道細(xì)菌轉(zhuǎn)化為各種信號分子和抗菌肽，促進(jìn)消化和抗感染，還可促進(jìn)機(jī)體對多種礦物質(zhì)(如鐵、鎂、鋅)的吸收[12]。腸道中的微生物可編碼大量的碳水化合物活性酶，使其能夠分解難消化的膳食殘留物，釋放對健康和免疫有重要作用的短鏈脂肪酸(C2～C6)。短鏈脂肪酸是結(jié)腸中的主要陰離子，主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，其中丁酸鹽是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能量來源。IBD中短鏈脂肪酸的顯著降低，可能是影響內(nèi)部和免疫穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素[13]。

2.2免疫調(diào)節(jié)作用 腸道微生物群對宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育起重要作用。反之，宿主免疫系統(tǒng)決定了腸道微生物群的結(jié)構(gòu)和功能[14]。在無菌或抗生素治療的小鼠中，腸黏膜中輔助性T細(xì)胞17的豐度顯著降低，表明腸道微生物群可對輔助性T細(xì)胞17的發(fā)育起作用[15]。B細(xì)胞發(fā)育的早期階段發(fā)生在腸黏膜以及胎兒的肝臟和骨髓中，且發(fā)育中B細(xì)胞受體的編輯似乎受腸道微生物群誘導(dǎo)的細(xì)胞外信號的調(diào)節(jié)[14]。比較無菌小鼠與常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的研究表明，無菌小鼠的腸道微生物群缺乏，表現(xiàn)為免疫發(fā)育受損，以未成熟的淋巴組織、腸淋巴細(xì)胞數(shù)量減少、抗菌肽和IgA水平降低為特征；用腸道微生物群重建無菌小鼠腸道環(huán)境則可恢復(fù)以上免疫系統(tǒng)的缺陷和異常[16]。宿主免疫系統(tǒng)的成熟依賴于宿主特有的微生物，故無菌小鼠的免疫系統(tǒng)欠發(fā)達(dá)[17]。由此可見，腸道菌群對宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)起關(guān)鍵作用，可抑制病原體侵襲，抗炎癥并提高宿主免疫力。

2.3生物屏障作用 腸道內(nèi)壁是人體與外界接觸面積最大的區(qū)域，腸道菌群在腸道中可形成重要的生物屏障，維護(hù)腸道生態(tài)平衡，抵御外來致病菌的侵害。無菌動物的腸道易受腸道病原體的感染，黏膜免疫系統(tǒng)的異常可導(dǎo)致腸道病原體的易感性。此外，腸道菌群可通過競爭性地定植共生微生物群占據(jù)胃腸道的物理空間和營養(yǎng)生態(tài)位。正常菌群占據(jù)腸道后，在物理空間上限制了外來微生物的定植和入侵；由于腸道營養(yǎng)物質(zhì)有限，正常菌群數(shù)量巨大，處于優(yōu)先生長狀態(tài)；而外來細(xì)菌則處于劣勢，防止了體外病原體的定植，競爭性地防止病原體侵入共生細(xì)菌，此機(jī)制被稱為“定植抗性”[18]。腸道微生物群通過直接和間接作用機(jī)制增強(qiáng)對腸道病原體的定植抗性。一些共生細(xì)菌通過產(chǎn)酸(乙酸、丙酸、乳酸等)或誘導(dǎo)抑制物質(zhì)(防御素、細(xì)菌素、過氧化氫、抗菌肽等)的產(chǎn)生直接抑制腸道病原體[19]。共生微生物群和微生物代謝產(chǎn)物通過激活免疫反應(yīng)，間接抵御病原體，分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacteria)促進(jìn)B細(xì)胞分泌IgA，產(chǎn)生抗菌肽，并在腸黏膜中形成輔助性T細(xì)胞17；短鏈脂肪酸能夠被G蛋白偶聯(lián)受體41和G蛋白偶聯(lián)受體43識別，刺激以上受體，促進(jìn)腸肽分泌；丙酸鹽可作為免疫調(diào)節(jié)因子促進(jìn)免疫細(xì)胞分泌抗菌因子，并抑制腫瘤細(xì)胞增殖；丁酸鹽可通過與宿主細(xì)胞的相互作用影響腸道菌群環(huán)境，進(jìn)而阻止病原體入侵[10]。

3 腸道菌群與IBD

腸道菌群失調(diào)與宿主-微生物共生的破壞可能是IBD發(fā)展的決定性事件。根據(jù)不同的生理功能，可將腸道內(nèi)細(xì)菌分為共生菌、條件致病菌和病原菌三大類。伴隨著分子生物學(xué)和宏基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多研究表明，IBD患者的腸道菌群發(fā)生了明顯變化，且腸道菌群在IBD的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[2-3,20]。腸道菌群可從主要的“共生”微生物轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘挠泻Α爸虏　蔽⑸颷21]。與健康的個體相比，IBD患者腸道中的致炎細(xì)菌增加、抗炎細(xì)菌減少，且腸道微生物群的多樣性減少以及厚壁菌門的豐度降低[22]。有研究表明，IBD患者可能存在擬桿菌屬物種的物理空間重組，與對照組相比，脆弱擬桿菌在IBD患者生物膜質(zhì)量中占較大比例[23]。

大多數(shù)已知的人類致病菌屬于變形桿菌門，并在 IBD中起關(guān)鍵作用[24]。與厚壁菌門相比，變形桿菌(主要是大腸埃希菌)在克羅恩病患者中相對增加，特別是與糞便樣品相比，黏膜相關(guān)的微生物群出現(xiàn)相對增加。有文獻(xiàn)報道，活動性克羅恩病患者中黏附侵襲性大腸埃希菌的數(shù)量增加約38%，而健康受試者黏附侵襲性大腸埃希菌的數(shù)量為6%[25]。具有黏附腸道上皮能力的病原菌(如黏附侵襲性大腸埃希菌)的增加可影響腸道的通透性，進(jìn)而改變腸道微生物群的多樣性和組成，并通過調(diào)節(jié)炎性基因的表達(dá)誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致腸道炎癥的發(fā)生[26]。腸道微生物的組內(nèi)轉(zhuǎn)變伴隨著厚壁菌門專性厭氧菌的減少和變形桿菌兼性厭氧菌的增加，從而引發(fā)“氧氣”假說[27]。Hughes等[28]的研究表明，炎癥可改變環(huán)境，干擾腸道厭氧菌的生長，大腸埃希菌往往在機(jī)體發(fā)生炎癥等情況時，影響正常腸道功能。在炎癥發(fā)生過程中，氧氣的增加有助于大腸埃希菌在炎癥腸道中生存。腸道中有益細(xì)菌的呼吸作用所產(chǎn)生的大量廢棄物會被大腸埃希菌再度循環(huán)利用，大腸埃希菌可利用代謝廢物促進(jìn)大腸埃希菌群體的快速增長。與IBD患者腸道微生物組的變化相關(guān)的類似功能性破壞可能具有更長期的影響。腸道菌群失調(diào)引起的腸道環(huán)境的改變對腸道功能的影響將有助于IBD患者補(bǔ)救治療措施的選擇。

腸道微生物群是宿主免疫系統(tǒng)刺激的主要來源。結(jié)腸上皮細(xì)胞與多種微生物的持續(xù)作用對維持體內(nèi)的正常平衡至關(guān)重要。微生物可能對營養(yǎng)供應(yīng)、異生物質(zhì)代謝以及對病原微生物的保護(hù)等有害，并可導(dǎo)致腸道炎癥，由于微生物識別、處理或清除策略中的宿主免疫缺陷，IBD患者腸道的微妙平衡受到干擾[29]。模式識別受體在區(qū)分非常復(fù)雜的相互作用中必不可少，并是遺傳因素導(dǎo)致異常免疫環(huán)境的關(guān)鍵。有研究表明，Toll樣受體和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域的蛋白2參與IBD發(fā)病[30]。對IBD患者 Toll樣受體表達(dá)變化的研究發(fā)現(xiàn)，潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病中Toll樣受體4均上調(diào)，而Toll樣受體2和Toll樣受體5的水平保持不變[31]。遺傳多態(tài)性導(dǎo)致核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域的蛋白2的功能發(fā)生改變，進(jìn)而無法識別煙草胞壁酰二肽，最終導(dǎo)致核因子κB下游的信號傳導(dǎo)失效。與Toll樣受體功能受損類似，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域的蛋白2缺乏可增加腸道細(xì)菌向固有層的轉(zhuǎn)運(yùn)[32]。

腸道菌群失調(diào)影響代謝物的產(chǎn)生也與IBD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。由于產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌(如柔嫩梭菌群)減少，IBD患者的短鏈脂肪酸水平有所下降[13]。短鏈脂肪酸的減少影響調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化和擴(kuò)增以及上皮細(xì)胞的生長，而上皮細(xì)胞對維持腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)起重要作用[33]。此外，IBD患者腸道中脫硫弧菌等硫酸鹽還原菌的數(shù)量較多，導(dǎo)致硫酸氫鹽的產(chǎn)生，損害腸上皮細(xì)胞，并誘發(fā)黏膜炎癥[34]。綜上所述，腸道微生物群的改變與IBD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，腸道菌群通過多元化模式(菌群數(shù)量、菌群代謝產(chǎn)物、菌群組成成分、宿主間相互作用等)發(fā)揮作用。

4 腸道菌群與IBD診斷

宿主血清學(xué)微生物標(biāo)志物在IBD的診斷和預(yù)后方面具有獨特的地位[5]。Palm等[35]發(fā)明了一種獨立且重要的檢測IBD相關(guān)微生物群的新方法，基于流式細(xì)胞儀的細(xì)菌細(xì)胞分選與16S測序相結(jié)合，從糞便中分離和鑒定被IgA包被的細(xì)菌。由于個體之間以及每個個體中的微生物具有異常的多樣性，因此，IBD患者之間以及患者與健康個體之間的微生物組成存在很大差異，故目前該分析方法的臨床適用性尚不成熟[36]。目前，大多數(shù)對于腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)的研究并不能體現(xiàn)具體微生物數(shù)量改變給宿主帶來的影響，研究相對忽略了整體微生物豐度變化可能是引起宿主產(chǎn)生疾病的主要原因。但Vandeputte等[37]構(gòu)建的基于序列擴(kuò)增和流式細(xì)胞計數(shù)技術(shù)的新型微生物計數(shù)和定量方法，能夠更為精準(zhǔn)地描述不同人類個體的腸道菌群特征，可將不同患者的腸道菌群與自身的腸道差異聯(lián)系起來，更加真實地反映腸道微生態(tài)；采用此方法進(jìn)行糞便檢測確定的微生物豐度改變是導(dǎo)致克羅恩病患者腸道微生物結(jié)構(gòu)改變的根本原因。

5 腸道菌群與IBD治療

遺傳學(xué)因素、環(huán)境因素、腸道菌群和宿主免疫系統(tǒng)等之間的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致異常免疫反應(yīng)和慢性腸道炎癥，這些都可能成為潛在的治療靶點[3]。目前，在IBD發(fā)病機(jī)制的個體化治療靶點中，約5%針對環(huán)境因素、接近10%針對腸道菌群、約90%集中在免疫系統(tǒng)。針對環(huán)境因素的IBD治療，絕大多數(shù)靶點是未知的，治療效果難以控制；基因?qū)用娴腎BD治療靶點高度個體化，但目前技術(shù)尚不成熟，治療風(fēng)險未知，療效不確切；而IBD的免疫系統(tǒng)治療的療效確切，但靶點較局限，通常存在不良反應(yīng)，且隨時間推移療效降低，對個體免疫狀態(tài)的依賴性較強(qiáng)。

目前，多種生物制劑可靶向調(diào)節(jié)IBD相關(guān)免疫系統(tǒng)的細(xì)胞因子、受體和信號通路，但臨床應(yīng)用的生物制劑(如阿達(dá)木單抗、英夫利西單抗、維多珠單抗)的治療效果并不滿意。干預(yù)IBD腸道菌群的方式主要有抗生素(消除或抑制不良微生物)、益生菌(引入缺失的微生物)、益生元(促進(jìn)有益細(xì)菌的增殖)、糞便移植(引入正常菌群取代致病菌群)、增強(qiáng)防御(補(bǔ)充抗菌肽以控制腸道微菌群)[38]。微生物治療可作為很有前景的IBD治療選擇。Paramsothy等[39]提出，糞便移植很可能成為設(shè)計更精良微生物聯(lián)合療法的跳板，對緩解潰瘍性結(jié)腸炎可能有效，但長期的安全性仍不明確，需要進(jìn)一步研究的證實。目前，糞便移植仍為實驗性治療，必須在監(jiān)管下進(jìn)行IBD治療，由于未能對供體進(jìn)行恰當(dāng)篩查，故可能發(fā)生明顯的不良反應(yīng)[40]。有證據(jù)顯示，糞便移植可改善人類受體的代謝表型，可見糞便移植可用于其他用途，并可能對受體的代謝健康產(chǎn)生有害影響[41]。因此，糞便移植的安全性和治療標(biāo)準(zhǔn)化問題亟待解決。

IBD的治療藥物也影響腸道微生物群的組成。有研究表明，美沙拉嗪可抑制副結(jié)核分枝桿菌的生長，在體外呈劑量依賴性，并與克羅恩病的病因密切相關(guān)[42]。與未治療患者相比，美沙拉嗪可減少糞便細(xì)菌和黏膜黏附細(xì)菌的濃度[43]。另有研究發(fā)現(xiàn)，美沙拉嗪下調(diào)了腸道傷寒沙門菌侵襲性和耐藥性相關(guān)基因的表達(dá)，并可能促進(jìn)感染后IBD的發(fā)病[44]。與其他藥物(包括抗腫瘤壞死因子-α抗體、美沙拉嗪和皮質(zhì)類固醇)相比，硫基嘌呤的使用顯著降低了IBD中糞便樣品的細(xì)菌多樣性和豐度[45]。綜上所述，治療IBD的藥物可以改變或調(diào)節(jié)腸道微生物群，但可靠證據(jù)很少。此外，尚無法確定腸道微生物群的變化是藥物所致還是腸道炎癥改善的結(jié)果。

6 展 望

隨著醫(yī)療科研技術(shù)的不斷發(fā)展，對IBD腸道菌群作用機(jī)制的深入認(rèn)識將為臨床IBD的診斷、治療及預(yù)后提供更加精準(zhǔn)的方法。但人體腸道菌群的個體差異性、功能多樣性、組成復(fù)雜性以及與宿主作用的不確定性導(dǎo)致其在IBD診斷和治療方面的收效甚微。精準(zhǔn)醫(yī)療是一種預(yù)防和治療疾病的全新方法，根據(jù)基因、環(huán)境和生活方式的個體差異，對患者進(jìn)行更精準(zhǔn)、更有針對性的治療。此外，通過系統(tǒng)生物學(xué)的方法，在臨床實踐中為不同患者找到個體化的治療方案。通過腸道菌群——“人體第二個基因組”來提高IBD的診療效果，還需長期的探索和研究。