腸道菌群與炎癥性腸病關(guān)系的研究現(xiàn)狀

郭宇冰，王曉娜，劉欣，張占鐸

1中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九八九醫(yī)院科研部/全軍肛腸外科研究所/全軍重點實驗室 河南洛陽471000

2中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊第九八九醫(yī)院全軍重點實驗室 河南洛陽471000

炎癥性腸病 （inflammatory bowel diseases，IBD）是一種慢性復(fù)發(fā)性的腸道炎癥疾病，包括克羅恩病（Crohn’s disease，CD）和潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）。UC通常局限于結(jié)腸，表現(xiàn)為彌漫性黏膜炎癥以及固有層和隱窩中性粒細胞浸潤[1-2]。相比之下，CD可累及腸道任何部位，但典型的最先受累區(qū)域是小腸，特別是回腸末端和結(jié)腸[1]。遺傳易感性、環(huán)境因素、免疫應(yīng)答異常、腸道屏障功能障礙和腸道菌群失衡均與IBD的發(fā)生和發(fā)展有關(guān)[1,3]。IBD患者體內(nèi)腸道菌群的改變能夠影響IBD的多種致病因素，例如上皮屏障功能受損、細菌識別缺陷、抗原呈遞和自噬、T細胞反應(yīng)失調(diào)導(dǎo)致的先天性免疫反應(yīng)異常等[1,3]。隨著下一代測序技術(shù)的發(fā)展，腸道菌群組成和功能的變化在IBD致病過程中的重要作用越來越受到關(guān)注，如何將腸道菌群應(yīng)用到IBD的治療中也是近年來的研究熱點，現(xiàn)圍繞相關(guān)內(nèi)容研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 腸道菌群組成及生理功能

人體微生物群由10～100萬億個微生物組成，包括細菌、病毒、原生動物和真菌，其中居于腸道的最多，密度達到1011至1012個細胞/mL。腸道菌群的組成受年齡、飲食、環(huán)境、性別、種族和微生物群落與其宿主之間共同進化的影響。盡管有著獨特的生物多樣性，腸道菌群中占主導(dǎo)地位的是硬毛菌、擬桿菌、放線菌和變形桿菌[4]。腸道菌群被認為對人類健康至關(guān)重要，它們與宿主之間互利共生，發(fā)揮著重要的代謝、免疫和腸道保護作用。

腸道菌群可以為宿主提供營養(yǎng)和能量。它能夠分解食物中的碳水化合物和難消化的低聚糖，合成丁酸、丙酸和乙酸鹽等短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），為腸道上皮提供豐富的能量[5]，腸道菌群還可以合成必需的維生素（B和K）、煙酸、生物素和葉酸，并完成膽汁酸的腸肝循環(huán)[6-7]。

腸道菌群可以促進免疫系統(tǒng)的成熟。與常規(guī)飼養(yǎng)的小鼠相比，無菌小鼠表現(xiàn)出嚴重的腸道免疫系統(tǒng)發(fā)育受損：由于杯狀細胞數(shù)量的減少，無菌小鼠的上皮內(nèi)淋巴細胞數(shù)量大大減少，派伊爾斑和隱斑的大小和數(shù)量減少，隱窩結(jié)構(gòu)改變，并且黏液厚度減小[8-10]。微生物群定植可以修復(fù)免疫系統(tǒng)的缺陷和異常，誘導(dǎo)無菌小鼠免疫系統(tǒng)的成熟，例如分段絲狀菌（segmented flamentous bacteria，SFB）可以在腸黏膜表面粘附，刺激黏膜免疫應(yīng)答的成熟[11]。

腸道菌群可以調(diào)節(jié)腸道免疫系統(tǒng)的先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)。微生物相關(guān)分子模式（microbial-associated molecular patterns，MAMPs）可以被腸上皮細胞和固有層中的髓樣細胞所識別，進而誘導(dǎo)多種反應(yīng)，其中包括組織修復(fù)和產(chǎn)生抗菌肽[12]。病原相關(guān)分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）被先天免疫細胞和腸道上皮細胞所表達的模式識別受體 （pattern recognition receptors，PRRs）所識別，包括Toll樣受體（toll-like receptors，TLRs） 和 Nod樣受體 （nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors，NLRs）[12]。腸道菌群的特定組分例如SCFAs、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和鞘脂可以刺激B細胞轉(zhuǎn)換為產(chǎn)生IgA的漿細胞，誘導(dǎo)T細胞分化為Th17細胞，并促進調(diào)節(jié)性T細胞（regulatory T cell，Treg）增殖和分化[12]?？乖岢始毎?（antigen-presenting cells，APCs）也依靠微生物群來產(chǎn)生免疫反應(yīng)[13]。另外，腸道菌群還有助于宿主防御病原體，它通過產(chǎn)生抗菌因子并發(fā)揮定植抗性，拮抗?jié)撛诘牟≡臓I養(yǎng)和受體來阻止其生長[14]。

2 IBD患者腸道菌群失調(diào)

IBD患者腸道菌群的組成以及多樣性的改變被認為是導(dǎo)致疾病的關(guān)鍵因素。菌群組成的改變會破壞腸道菌群與腸道上皮之間的相互作用，從而導(dǎo)致菌群失衡，降低宿主對病原菌定植和生長的抵抗力。與健康人群相比，IBD患者體內(nèi)細菌多樣性減少，不穩(wěn)定性增高，具有抗炎作用的細菌種類減少，而引起炎癥的細菌種類增加。健康腸道中正常存在的微生物（例如擬桿菌和硬壁菌門的細菌）在IBD患者中顯著減少，同時有害菌群（例如放線菌和變形桿菌）有所增加[15]，乳桿菌和雙歧桿菌屬等許多有益細菌的數(shù)量也大大減少[16]。此外，有益厭氧菌減少會導(dǎo)致炎癥因子的產(chǎn)生并誘發(fā)腸道炎癥。粘附在腸上皮的致病菌的增加會影響腸上皮的通透性，誘導(dǎo)產(chǎn)生免疫抑制蛋白，從而導(dǎo)致免疫功能異常，破壞腸上皮細胞并影響能量代謝導(dǎo)致腸道炎癥[17]。Gevers等[18]的報道顯示，腸道菌群多樣性與CD患者的疾病活動指數(shù)之間呈負相關(guān)。與健康人群相比，CD患者回腸中粘附侵襲性大腸埃希菌（enteroinvasiveEscherichia Coli，EIEC）的數(shù)量增加，耶爾森氏菌和艱難梭狀芽胞桿菌豐度增加[19-21]。Qin等[22]通過宏基因組測序發(fā)現(xiàn)IBD患者僅攜帶健康人群黏膜微生物基因組序列的25%甚至更低。在IBD患者的糞便和黏膜樣本中也發(fā)現(xiàn)了腸道菌群組成的減少和改變[23-24]。近來發(fā)表的一項基于132名IBD患者的多組學研究表明腸道菌群對宿主轉(zhuǎn)錄組和代謝組以及宿主免疫因子的影響與疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[25]。

腸道菌群參與保持腸道上皮的完整性，影響腸道上皮細胞更新和凋亡，以及緊密連接的表達和功能，但IBD患者的腸道上皮的屏障功能受到破壞。腸道菌群產(chǎn)生的信號分子可參與調(diào)控腸道上皮細胞的凋亡、增殖和分化，從而導(dǎo)致無菌動物的腸上皮形態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。腸上皮細胞緊密連接改變會引起黏膜通透性改變，進而誘導(dǎo)或者加重IBD癥狀[26]。全基因組關(guān)聯(lián)研究（genome-wide association study，GWAS）已經(jīng)確定了幾種與細胞間連接功能相關(guān)的IBD風險基因[27]。通過對與人類IBD患者遺傳缺陷相似的Claudin-7缺陷小鼠的實驗研究也證實了細胞間連接功能在保持腸道上皮完整性方面的重要性[28-29]。長期的炎癥狀態(tài)加上細胞間連接功能的改變導(dǎo)致腸上皮細胞完整性受到破壞，使得病原體穿過腸道屏障，造成固有層中TLR、Dectin-1和CARD9的活化，加重炎癥反應(yīng)[30]。腸道相關(guān)淋巴組織（gutassociated lymphoid tissues，GALT）一方面可以對病原微生物表現(xiàn)出免疫反應(yīng)，另一方面又對腸道菌群具有耐受性，兩者維持在一個平衡狀態(tài)。IBD患者則表現(xiàn)出GALT針對腸道菌群的異常免疫活化，導(dǎo)致腸道炎癥的發(fā)展[31]。

腸道菌群失衡導(dǎo)致IBD患者T細胞分化異常。T細胞與腸道菌群的相互作用對于維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)非常重要。腸道菌群失衡會打破Th17細胞和Treg細胞之間的動態(tài)平衡，這是IBD病情發(fā)展的一個重要原因。腸道菌群在Th17細胞的發(fā)育過程中起重要作用[32]。在無菌動物或抗生素存在的情況下，腸道中Th17細胞的分化程度會大大降低，而內(nèi)源性腸道菌群可以誘導(dǎo)Th17細胞的分化[33]。例如，分段絲狀菌（SFB）作為一種關(guān)節(jié)梭狀芽胞桿菌（Clostridium arthromitus）相關(guān)的物種，能夠促進小鼠Th17細胞的發(fā)育[34]。此外，SFB的定植可以增強宿主對檸檬酸桿菌等腸道病原體的抵抗力[34]。Th17細胞分化需要芳烴受體（AhR）參與，小鼠體內(nèi)腸道菌群能夠參與色氨酸代謝產(chǎn)生AhR的配體3-吲哚乙醛[35]。Treg細胞在維持免疫穩(wěn)態(tài)和抑制炎癥中起著至關(guān)重要的作用，其功能異常會導(dǎo)致炎癥的發(fā)展。與正常小鼠相比，無菌小鼠結(jié)腸固有層中Treg細胞明顯減少，提示腸道菌群對結(jié)腸Treg細胞的發(fā)育有重要的影響。例如，梭菌屬細菌（尤其是從Ⅳ和ⅪVa簇獲得的梭菌）可以通過產(chǎn)生丁酸鹽誘導(dǎo)小鼠結(jié)腸黏膜中Treg細胞的增殖和分化，并可以緩解結(jié)腸炎[36]。有文獻報道IBD患者的糞便樣本中梭菌屬的Ⅳ、ⅪVa和ⅩⅧ簇細菌數(shù)量較正常人減少，導(dǎo)致體內(nèi)SCFAs的濃度下降，影響Treg細胞的分化，進而影響腸上皮細胞的生長，不利于維持腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)[37-38]。

3 IBD治療的研究進展

由于IBD標準化療法存在部分不良反應(yīng)和無效性，尋找新的有效療法一直都是研究人員與臨床醫(yī)師追求的目標。目前，研究人員致力于通過恢復(fù)腸道微生物平衡來治療IBD，通過使用益生菌、益生元、合生元和糞便微生物移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）作為補充和替代藥物（complementary and alternative medicine，CAM）等來改善腸道炎癥。

3.1 益生菌

益生菌是發(fā)揮有益作用的活性微生物，適量的攝入對宿主的健康有益。益生菌通過抑制病原菌繁殖、調(diào)節(jié)黏膜免疫應(yīng)答、增強IBD患者的抗炎反應(yīng)、維持腸道屏障功能來發(fā)揮其作用。目前已經(jīng)從食品，尤其是乳制品中分離出了多種益生菌菌株，包括乳酸桿菌、雙歧桿菌、大腸桿菌Nissle1917（非致病性大腸桿菌）、釀酒酵母、丁酸梭菌、VSL＃3（8種不同益生菌菌株的混合物）和乳酸乳球菌[39]。在UC患者中，益生菌在誘導(dǎo)UC緩解和維持緩解方面都顯示出積極的作用。一項新的薈萃分析表明，使用VSL＃3可有效誘導(dǎo)活動期UC緩解，并且證實了益生菌的安全性，可以作為5-氨基水楊酸酯（5-ASA）的替代物來治療疾病[40]。另一項薈萃分析也證實了這一結(jié)果，認為益生菌尤其是VSL＃3在UC的治療中顯示出巨大的療效[41]。此外，在患有IBD的兒童中混合使用乳酸桿菌和VSL＃3也顯示出了高療效[40]。然而，在CD患者中，益生菌在誘導(dǎo)活動期CD的緩解、預(yù)防緩解期CD的復(fù)發(fā)或在預(yù)防手術(shù)誘導(dǎo)的CD緩解后復(fù)發(fā)方面沒有益處[40]。由于缺乏大樣本的數(shù)據(jù)支持，關(guān)于益生菌在誘導(dǎo)CD緩解方面的作用還需要進一步的高質(zhì)量隨機對照研究[41]。

3.2 益生元

益生元是能夠被腸道細菌選擇性發(fā)酵并能夠促進細菌自身發(fā)育或活性的難以消化的碳水化合物，通常作為膳食補充劑改善宿主健康。益生元通常包括菊粉、低聚果糖（fructo-oligosaccharide，F(xiàn)OS）、低聚半乳糖（galacto-oligosaccharide，GOS）和乳果糖。益生元主要通過選擇性地刺激腸道中一種或者幾種細菌的生長和增加腸道內(nèi)SCFAs的產(chǎn)生來發(fā)揮作用。腸道內(nèi)SCFAs含量的增多會使腸內(nèi)pH值降低，抑制腸內(nèi)病原微生物粘附，改變結(jié)腸細胞的形態(tài)和功能，從而在IBD患者腸上皮修復(fù)中發(fā)揮有益作用，還可以刺激表皮生長因子受體（epidermal growth factor receptor，EGFR）從而維持腸道穩(wěn)態(tài)，抑制促炎細胞因子的作用，抑制NF-κB的活性[42-45]。

3.3 合生元

合生元是指益生菌和益生元的組合。合生元結(jié)合了益生菌和益生元的有益作用，可改善胃腸道膳食補充劑中活性微生物的存活率。合生元有助于減少不良微生物的代謝活動，例如抑制一些代謝途徑的限速酶[46]，可減少有害菌群（例如梭菌和腸桿菌），以及增加有益菌株（例如乳酸桿菌和雙歧桿菌）[47-48]，可改善肝臟疾病患者的肝功能[49-50]，以及通過上調(diào)黏液產(chǎn)生和誘導(dǎo)宿主免疫調(diào)節(jié)活性來恢復(fù)腸道上皮屏障功能組織的細菌移位[51]。有系統(tǒng)綜述認為，予以合生元可能是急性和活動期CD的有效治療方式[52]。對于UC患者，合生元的使用似乎在維持緩解方面有積極的成果，同時降低了促炎細胞因子的表達并誘導(dǎo)了抗炎細胞因子的表達[52]。盡管現(xiàn)有數(shù)據(jù)較為有力體現(xiàn)了某些細菌種群在IBD治療中的積極作用，但開展進一步的臨床試驗對于明確合生元對CD/UC患者的作用是必要的。

3.4 糞菌移植（FMT）

糞菌移植是將健康人群糞便中的功能菌群移植到患者胃腸道內(nèi)的過程。在IBD患者中使用FMT是期望通過恢復(fù)患者的腸道微生物穩(wěn)態(tài)來達到治療疾病的目的。Fang等[53]關(guān)于FMT在IBD中的作用的薈萃分析表明，F(xiàn)MT是一種有效且安全的治療方法，并且指出使用新鮮或冷凍的供體糞便、分娩方式的不同以及之前是否采用抗生素治療等情況不會影響FMT對IBD患者的療效。關(guān)于FMT在UC患者中的療效，多項薈萃分析得出的結(jié)論是一致的，認為FMT為UC的治療帶來了新的希望[54-58]。對小兒UC患者進行的一項Ⅰ期試驗表明，1周內(nèi)臨床反應(yīng)率很高（79%），并且未觀察到嚴重的不良反應(yīng)[59]。但與此同時，對于FMT在IBD治療中的有效性和安全性也存在一些爭議。Imdad等[60]搜索了多個數(shù)據(jù)庫進行隨機研究，匯總了不同研究的數(shù)據(jù)評估FMT治療IBD的有效性和安全性。其中發(fā)現(xiàn)四項研究（277名參與者）評估了FMT對成人活動期UC的有效性，沒有發(fā)現(xiàn)任何評估FMT在CD患者或兒童中效果的隨機研究。此外也沒有發(fā)現(xiàn)任何評估緩解期IBD參與者維持緩解的研究。由于研究樣本量少、數(shù)據(jù)質(zhì)量低以及缺乏有關(guān)FMT嚴重不良事件發(fā)生率的可靠數(shù)據(jù)，因此無法得出明確的結(jié)論。此外，在一些研究中，F(xiàn)MT通常與免疫調(diào)節(jié)藥物聯(lián)合使用，因而FMT被認為作為輔助治療可能更有效[61]。新近的ECCO指南指出，F(xiàn)MT對活動期UC患者有較好的療效，同時仍需要進行其他研究以確定最佳治療方案（給藥途徑、供體特征、治療頻率和持續(xù)時間）以此提高該方法的有效性和安全性[62]。

3.5 中草藥

中草藥由于其總體藥性溫和、療效良好，不良反應(yīng)在一定程度上比西藥少見而逐漸受到患者的歡迎和接受。中草藥作為治療包括IBD在內(nèi)的幾種慢性疾病的藥物的應(yīng)用有增多趨勢，中草藥通過多種潛在機制發(fā)揮治療作用，包括糾正腸道菌群紊亂、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、抑制白三烯B4的活性、抗氧化、抑制NF-κB的活性和抗血小板活性等[63]，已逐漸成為IBD藥物研究的熱點。其免疫抑制優(yōu)勢及與腸道微生物共存等藥理作用使它們成為IBD輔助治療中的常用藥物[64]。通過預(yù)防細菌移位，顯著增加益生菌（如乳酸桿菌和雙歧桿菌）以及減少腸桿菌科和腸球菌的數(shù)量，黃芪多糖與麗珠腸樂相比在TNBS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎緩解中顯示出更好的效果[65]。同樣，馬齒莧多糖在降低了DSS誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎模型小鼠外周血內(nèi)毒素含量的同時還增加了雙歧桿菌和乳桿菌的含量[66]。

4 小結(jié)與展望

腸道菌群在維持腸道穩(wěn)態(tài)以及宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和激活中起著重要作用，以腸道菌群作為作用點為IBD的治療提供了新的選擇。盡管目前以益生菌、糞菌移植等為代表的療法取得了一定的成效，但仍然存在一些爭議，如何提高腸道菌群療法的有效性和安全性是下一步研究的關(guān)鍵。另外，未來針對不同患者開展個性化治療還要考慮治療時間、宿主年齡、如何選擇合適菌株等因素，通過臨床實踐為不同患者找到個性化的治療方案還需要長期的研究和探索。