食管微生態(tài)與食管疾病

馬 雙, 王賽宇, 朱蘭平, 陳 鑫 王邦茂

馬雙, 王賽宇, 朱蘭平, 陳鑫, 王邦茂, 天津醫(yī)科大學總醫(yī)院消化內(nèi)科天津市 300052

核心提要： 食管微生態(tài)特別是食管菌群和牙周致病菌與食管疾病密切相關(guān), 探究特定菌群在食管疾病中的作用和機制, 可能是食管疾病潛在的診斷和治療靶點.

0 引言

隨著宏基因組學的發(fā)展, 目前的研究發(fā)現(xiàn)食管微生態(tài)特別是食管菌群以及牙周致病菌可能參與了食管疾病的發(fā)生和發(fā)展, 但其具體作用機制仍不明確. 本文綜述了健康成人、胃食管反流病(gastroesophageal reflux disease, GERD)、嗜酸性粒細胞性食管炎(eosinophilic esophagitis, EoE)、Barrette's食管(barrett's esophagus,BE)、食管腺癌(esophageal adenocarcinoma, EAC)及食管鱗狀細胞癌(esophageal squamous cell cancer, ESCC)患者和相應(yīng)動物模型的菌群特征.

1 正常食管菌群

正常食管菌群是以鏈球菌屬(Streptococcus)為主的復雜菌群, 與口腔菌群具有相似性. Pei等[1]人使用16S rRNA測序技術(shù)對4例正常成人的食管菌群進行檢測, 發(fā)現(xiàn)正常食管菌群在門水平上與口腔菌群大致相同, 主要由厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroides)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、梭桿菌門(Fusobacteria)和TM7共6種門類及95種細菌組成, 其中常見的菌屬是鏈球菌屬(39%)、普氏菌屬(Prevotella)(17%)和韋榮氏球菌屬(Veilonella)(14%), 但缺乏在口腔菌群中普遍存在的螺旋體門(Spirochaetes). Norder Grusell等[2]利用食管活檢及活檢刷中的樣本培養(yǎng)出了23種菌屬, 鏈球菌屬、奈瑟氏球菌屬(Neisseria)、嗜血桿菌屬(Haemophilus)和普氏菌屬為主要菌屬, 其中鏈球菌屬在食管活檢及活檢刷中的檢出率為95%-98%. 上述研究表明在正常生理情況下, 食管具有自身獨立的定植菌群,而不是短暫停留在食管黏膜上皮的口腔菌群.

2 影響食管菌群的因素

2.1 質(zhì)子泵抑制劑 有研究報道, 質(zhì)子泵抑制劑(proton pump inhibitors, PPI)可能通過抑制胃酸分泌或直接靶向作用于含P型ATP酶的細菌[如肺炎鏈球菌和幽門螺桿菌(Helicobacter pylori, H. pylori)]質(zhì)子泵影響胃和食管的菌群[3]. 目前的研究表明PPI可能在酸反流相關(guān)性疾病的基礎(chǔ)上影響食管菌群結(jié)構(gòu), 但暫不明確PPI是否影響正常的食管菌群. Amir等[4]對8例GRED患者的遠端食管活檢組織及胃液中的菌群進行分析, 發(fā)現(xiàn)遠端食管活檢組織的菌群經(jīng)PPI處理后發(fā)生顯著變化, 叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)減少而梭菌科(Clostridiaceae)、毛螺菌科(Micrococcaceae)等梭菌門增加, 但這些改變的利弊仍不明確. Deshpande等[5]采用16S rRNA和18S rRNA擴增測序技術(shù)和鳥槍測序法全面分析了106例食管微生物組發(fā)現(xiàn), PPI對GERD患者菌群的影響較正常人明顯, PPI可使乙酸鹽產(chǎn)生途徑和細菌性抗生素合成途徑增加, 這可能與PPI影響食管菌群結(jié)構(gòu)相關(guān).

2.2 膳食 食管菌群與口腔菌群具有相似性, 膳食可能影響食管菌群. Nobel等[6]對47例BE患者的食管黏膜菌群進行回顧性研究, 發(fā)現(xiàn)增加纖維膳食攝入量可使厚壁菌門相對豐度增加, 變形菌門和革蘭陰性菌相對豐度降低, 但脂肪膳食對食管的菌群結(jié)構(gòu)無顯著影響, 提示未來對食管菌群的研究需將飲食作為一影響因素. 此外,膳食影響食管菌群的機制可能是多方面的: 其一, 通過影響相鄰胃腸道區(qū)域的菌群從而間接影響食管菌群; 其二, 通過改變宿主的代謝狀態(tài)影響食管菌群. 但Kaakoush等[7]的動物研究表明, 長期高脂飲食可使大鼠的食管菌群發(fā)生顯著改變, 狹義梭菌屬(Clostridium sensu stricto)在食管上段和下段富集, 并且微生物源類胡蘿卜素合成途徑在食管下段明顯減少, 提示不健康的高脂飲食可使食管菌群發(fā)生改變, 由高脂飲食導致的梭桿菌屬豐度增加和微生物源類胡蘿卜素合成途徑改變是未來重要的研究方向.

3 食管菌群與食管疾病

3.1 GERD和BE 由于受胃酸、膽汁酸和其他胃內(nèi)容物反流的影響, GERD和BE患者的食管優(yōu)勢菌群由革蘭陽性菌向革蘭陰性菌轉(zhuǎn)變, 并且伴有菌群多樣性的改變, 多個研究比較了GERD和BE患者與健康者的食管菌群(表1). Macfarlane等[8]報道, BE患者具有菌種豐富的食管菌群, 在57%(4/7)BE患者食管菌群中發(fā)現(xiàn)了高水平的與腸炎、牙周感染和腫瘤形成相關(guān)的彎曲桿菌(Campylobacter), 然而在非BE的對照組中未發(fā)現(xiàn)類似特征, 彎曲桿菌可能在食管疾病的病程中發(fā)揮作用. Yang等[9]的研究將食管菌群分為與正常食管相關(guān)的Ⅰ型菌群和與食管炎和BE相關(guān)的Ⅱ型菌群, Ⅰ型菌群以鏈球菌等革蘭陽性菌為主, 而Ⅱ型菌群則含有較大比例的革蘭陰性厭氧或微需氧菌(如擬桿菌門、變形菌門、梭桿菌門及螺旋體門), 遠端食管炎癥、腸化可能與食管菌群改變相關(guān). Liu等[10]也指出正常食管、GERD和BE患者遠端食管菌群在門和屬水平上存在差異, 但是在數(shù)量上不存在差異, 在GERD和BE患者遠端食管菌群中發(fā)現(xiàn)了正常食管菌群中不存在的梭桿菌門. 但也有文獻報道, 在正常人、GERD及BE患者的食管黏膜菌群間未發(fā)現(xiàn)顯著的差異[11,12]. Yu等[11]的研究表明, 我國GERD患者食管菌群總體數(shù)量和多樣性只有輕度降低, 差異無統(tǒng)計學意義. 樣本量較小、個體差異以及飲食習慣的差異可能導致上述結(jié)果不同. 一項針對口腔菌群與BE的研究報道, BE患者具有高度獨特的口腔微生物結(jié)構(gòu), 其厚壁菌門豐度相對增加而變形菌門豐度降低, 包含一定豐度的勞特羅普氏菌屬(Lautropia)、鏈球菌屬和未分類的擬桿菌屬的特征性菌群模型可較準確區(qū)分BE和非BE患者[13].另有一項體外研究發(fā)現(xiàn), 當兩種不同的BE細胞系分別與雙歧桿菌和乳酸桿菌培養(yǎng)時, TNF-α和cox2的表達降低, 提示益生菌可能具有抑制BE發(fā)展的作用[14].

表1 胃食管反流病和Barrette's食管患者食管菌群的研究匯總

表2 食管腺癌和食管鱗狀細胞癌患者食管菌群的研究匯總

脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)是革蘭陰性菌細胞壁的重要成分, LPS可直接或間接刺激食管上皮細胞或炎性細胞表面的Toll樣受體4(toll-like receptors 4, TLR4),從而激活核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)信號通路[15]. 活化的NF-κB信號通路促使誘導型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase, iNOS)高表達, 合成大量的NO, 通過減緩胃排空和增加食管下段酸暴露時間, 導致GERD和BE食管黏膜炎癥進一步加重. Nadatani等[16]指出, 在BE細胞中, LPS可通過TLR4信號通路激活NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3, NLRP3)炎性小體, 引起促炎性細胞因子釋放和BE細胞焦亡, 食管菌群可能通過觸發(fā)炎癥相關(guān)的分子事件促進BE發(fā)展過程中炎性反應(yīng)介導的致癌作用. 總體而言, GRED及BE患者食管菌群中增加的革蘭陰性菌可能通過誘導食管黏膜慢性炎癥的發(fā)生, 并引發(fā)炎癥級聯(lián)反應(yīng), 從而促使EAC的發(fā)生.

3.2 EAC和ESCC 食管癌是全球癌癥相關(guān)死亡的第六大病因, 主要分為起源于遠端食管腺體細胞的EAC和食管上皮細胞的ESCC, 由于組織學來源不同, 二者的病因及流行病學特征差異較大[17]. 現(xiàn)就關(guān)于EAC和ESCC患者與健康者食管菌群變化的研究進行匯總分析(表2). 有薈萃分析表明, 在西方國家EAC發(fā)病率上升與H. pylori感染率下降一致,H. pylori可能具有降低EAC發(fā)病風險的作用, 而與ESCC的發(fā)生沒有顯著關(guān)聯(lián)[18].H. pylori感染與EAC發(fā)病關(guān)聯(lián)的機制尚不明確, 可能與胃黏膜萎縮相關(guān)的低酸性環(huán)境有關(guān)[19]. Blackett等[20]報道, GERD和BE患者食管菌群數(shù)量除彎曲桿菌屬外均顯著下降, 且簡明彎曲桿菌(C. concisus)的豐度明顯增加, 簡明彎曲桿菌的豐度與促進BE向EAC發(fā)展的炎性細胞因子IL-18的表達相關(guān). 有研究表明, 簡明彎曲桿菌可能以時間依賴的方式誘導BE細胞系中CDX1表達, 從而促進BE向EAC發(fā)展[21]. 此外, Elliott等[12]的研究發(fā)現(xiàn), 與健康對照組和BE患者的食管菌群相比, EAC患者的菌群多樣性下降,食管菌群中發(fā)酵乳桿菌屬(Lactobacillus fermentum, L fermentum)豐度增加. Deshpande等[5]報道EAC級聯(lián)過程中微生物來源的乳酸產(chǎn)生途徑增加, 過度的乳酸代謝具有致癌作用[22]. 鑒于已有文獻報道在胃腺癌中產(chǎn)乳酸相關(guān)細菌豐富增加, 所以進一步探究EAC級聯(lián)過程中產(chǎn)乳酸的特定菌群及其作用于宿主細胞的機制具有一定的研究意義[23]. Peters等[24]研究口腔菌群與食管癌風險的關(guān)系發(fā)現(xiàn), 牙周致病菌福賽斯坦納菌(Tannerella forsythia)與EAC患病高風險相關(guān), 肺炎鏈球菌和奈瑟菌豐度降低與EAC患病低風險相關(guān), 并且強調(diào)由細菌源類胡蘿卜素可能具有抗EAC的作用.

探究食管菌群與EAC關(guān)系的實驗結(jié)果暫不一致, 但目前累積的證據(jù)表明食管菌群在EAC中具有重要作用.Zaidi等[25]的采用大鼠EAC模型發(fā)現(xiàn), 在60%的BE和全部的EAC黏膜菌群中檢測到大腸桿菌(E. coli), 但在癌旁正常組織、不典型增生及GERD黏膜菌群中未檢測到大腸桿菌. 與正常食管組織相比, TLRs 1-3、6、7和9在EAC中明顯升高, 表明TLR信號通路與大腸桿菌之間存在關(guān)聯(lián), 菌群可能介導了大鼠EAC模型中的早期分子變化. 但Sawada等[26]發(fā)現(xiàn), 抗生素可使食管菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生變化, 但不影響EAC發(fā)生率. 經(jīng)抗生素干預(yù)后, 大鼠食管乳酸桿菌屬豐度相對降低而梭狀芽孢桿菌屬XIVa和XVIII豐度升高, 提示食管菌群結(jié)構(gòu)的變化不影響大鼠EAC的發(fā)病率, 食管菌群可能與EAC的發(fā)生無關(guān).

口腔菌群與ESCC的發(fā)生密切相關(guān), 其中牙齦卟啉單胞菌是目前較為明確的ESCC患病高風險相關(guān)性細菌. 有研究報道, 食管菌群的多樣性與食管鱗狀上皮異型增生呈負相關(guān)[27]. 口腔健康狀況差、口腔衛(wèi)生習慣不良和ESCC患病風險呈正相關(guān)[28]. 一項研究報道, 牙周致病菌牙齦卟啉單胞菌存在于61%的ESCC黏膜組織中,12%的癌旁組織中, 而極少在正常食管黏膜組織中檢測到, 且牙齦卟啉單胞菌感染與ESCC的分化、轉(zhuǎn)移及預(yù)后呈正相關(guān), 牙齦卟啉單胞菌可能成為ESCC篩查的生物標志物, 根除常見的口腔致病菌可能是防治ESCC的新靶點[29]. Peters等[24]的研究也指出牙齦卟啉單胞菌與ESCC發(fā)病高風險相關(guān). 常在ESCC或食管不典型增生鱗狀上皮中檢測到牙齦卟啉單胞菌, 而極少在癌旁、正常食管組織上皮、賁門胃底癌或其他類型胃癌黏膜上皮中檢測到[30]. Gao等[31]報道, 牙齦卟啉單胞菌的IgG和IgA抗體是ESCC潛在的血清生物標志物, 可用于ESCC的早期檢測, IgG或IgA抗體滴度與ESCC的預(yù)后呈負相關(guān). 此外, 也有研究表明食管具核梭桿菌(Fusobacterium Nucleatum, F. nucleatum)與ESCC患者腫瘤相關(guān)性生存期密切相關(guān), 具核梭桿菌可能通過激活特定的趨化因子增加腫瘤的侵襲力(如CCL20)[32]. 但由于菌群在個體間的差異性, 因此需要更多的研究來證實并進一步闡明食管菌群對腫瘤生物學行為的影響機制.

3.3 EoE EoE是一種慢性免疫介導的炎癥性食管疾病,其發(fā)病機制尚未完全明確, 有研究表明食管菌群失調(diào)可能是EoE發(fā)病機制中的一方面. Dellon等[33]在一項基于美國病理數(shù)據(jù)庫的橫斷面研究表明,H.pylori感染和EoE的發(fā)病率呈負相關(guān). Harris等[34]報道, EoE患者食管黏膜中細菌總數(shù)增加, 且與治療與否和黏膜嗜酸性粒細胞浸潤程度無關(guān). 與正常食管黏膜菌群相比, 未接受治療的EoE患者食管黏膜中嗜血桿菌(Haemophilus)明顯增加. 另有研究表明, EoE與非EoE食管菌群結(jié)構(gòu)顯著不同,在EoE食管菌群中存在奈瑟菌屬和棒狀桿菌屬等變形菌門細菌富集, 且這種差異在活動性過敏性炎癥期間最大[35]. 在活動性EoE黏膜中菌群數(shù)量及TLR1、2、4和9的表達顯著增加, 提示食管菌群和固有免疫可能與EoE的發(fā)病有關(guān)[36]. 目前的研究提示EoE食管菌群發(fā)生了改變, 但缺乏證據(jù)來說明這些改變?nèi)绾卧贓oE的發(fā)生和發(fā)展過程中發(fā)揮作用.

4 結(jié)論

正常食管菌群是以鏈球菌屬為主的復雜菌群, PPI、膳食可能會影響食管菌群結(jié)構(gòu). 與正常食管菌群不同,GERD和BE的優(yōu)勢菌群由革蘭陽性菌向革蘭陰性菌或厭氧菌轉(zhuǎn)變, 菌群失調(diào)介導的炎性免疫反應(yīng)通過誘導食管黏膜慢性炎癥的發(fā)生, 促使GERD和BE向EAC發(fā)展.牙周致病菌與食管癌的發(fā)病及預(yù)后密切相關(guān), EoE病程中伴有食管菌群結(jié)構(gòu)的改變. 總之, 食管菌群在食管疾病的發(fā)生和發(fā)展中可能具有重要作用, 但目前的研究僅局限于小樣本的橫斷面研究, 暫不明確食管菌群失調(diào)或特定菌群與食管疾病的因果關(guān)系. 未來研究特定菌群在食管疾病中的作用和機制對于基于微生態(tài)的食管疾病干預(yù)具有重要意義.