Akkermansia muciniphila對(duì)腸道疾病的作用以及菌群治療的展望

朱 凱 張振玉

南京醫(yī)科大學(xué)附屬南京醫(yī)院(南京市第一醫(yī)院)消化內(nèi)科(210006)

Akkermansiamuciniphila(A.muciniphila)是一種定植于腸上皮黏液層的細(xì)菌，由Derrien首次從健康人的糞便樣本中分離出來(lái)，其以降解黏液作為單一的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源[1]。由于這種獨(dú)特的功能及其在正常人幾乎所有生命階段中均具有高度的普遍性和豐富性[2]，A.muciniphila已受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究。A.muciniphila與眾多宿主疾病具有很強(qiáng)的臨床相關(guān)性，如肥胖癥、糖尿病等代謝性疾病患者腸道A.muciniphila豐度明顯低于健康人群[3]。A.muciniphila在腸道疾病的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程中亦扮演重要的角色。本文就A.muciniphila在腸道疾病如腸易激綜合征(irritable bowel syndrome, IBS)、炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)、腸道腫瘤等中的作用以及菌群治療作一綜述。

一、A. muciniphila概述

A.muciniphila是一種卵圓形的嚴(yán)格厭氧、革蘭陰性細(xì)菌，無(wú)動(dòng)力，不形成內(nèi)生孢子[1]，大量定植于宿主腸黏膜層，以盲腸中數(shù)量最多。該細(xì)菌在人出生后1年內(nèi)穩(wěn)定定植于人體腸道，并最終達(dá)到與健康成人相同的水平，但在老年人中逐漸減少[4]。作為疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)在人類(lèi)腸道中的惟一代表，A.muciniphila在其他菌門(mén)中(包括厚壁菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、放線菌門(mén)和變形菌門(mén))較易被檢測(cè)到[5]。A.muciniphila被分為三個(gè)物種水平的系統(tǒng)發(fā)育群，具有明顯的代謝特征，但目前的研究集中于菌株MucT(=ATCC BAA-835T=CIP 107961T)[6]。A.muciniphila在生物體內(nèi)定植豐度的減少與IBS、IBD等腸道疾病密切關(guān)聯(lián)，而疾病改善后，A.muciniphila定植水平隨之提高，提示A.muciniphila在腸道疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

二、A. muciniphila與常見(jiàn)腸道疾病的關(guān)系

1. IBS：Rigsbee等[7]發(fā)現(xiàn)IBS患兒體內(nèi)A.muciniphila數(shù)量明顯減少。A.muciniphila數(shù)量在感染后IBS模型大鼠糞便中亦明顯減少[8]。Cruz-Aguliar等[9]發(fā)現(xiàn)，13例IBS患者接受糞菌移植治療后腹痛癥狀減輕，應(yīng)用16S rRNA技術(shù)進(jìn)行糞便菌群測(cè)序，發(fā)現(xiàn)A.muciniphila豐度明顯提高。提示A.muciniphila可能在減輕IBS患者腹痛中扮演重要角色。然而，關(guān)于A.muciniphila減輕疼痛作用或機(jī)制的研究相當(dāng)少見(jiàn)。目前認(rèn)為兩種主要的短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)乙酸鹽和丙酸鹽均為A.muciniphila降解黏液的最終產(chǎn)物，可能調(diào)節(jié)內(nèi)臟痛覺(jué)。SCFA受體G蛋白偶聯(lián)受體43(對(duì)乙酸鹽和丙酸鹽具有相同的親和力)已被證實(shí)可降低健康人內(nèi)臟疼痛的敏感性[10]。此外，A.muciniphila可通過(guò)增加腸內(nèi)源性大麻素和抗菌肽的產(chǎn)生，或通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)源性腸神經(jīng)肽如胰高血糖素樣肽1和2的產(chǎn)生，來(lái)改善小鼠腸黏膜屏障功能障礙[11-12]，而這些肽水平在IBS患者中下調(diào)。但并非所有IBS患者的A.muciniphila豐度均下降，Gobert等[13]的研究發(fā)現(xiàn)部分便秘型IBS患者A.muciniphila豐度顯著高于正常人。因此仍需進(jìn)一步的研究來(lái)闡明A.muciniphila與IBS的關(guān)系。

2. IBD：Png等[14]發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，IBD患者腸黏膜活檢中發(fā)現(xiàn)A.muciniphila數(shù)量降低。Kang等[15]應(yīng)用葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium, DSS)建立小鼠結(jié)腸炎模型，并采用16S rDNA技術(shù)對(duì)小鼠糞便菌群進(jìn)行測(cè)序，發(fā)現(xiàn)A.muciniphila細(xì)胞外囊泡(extracellular vesicle, EV)減少；給予小鼠口服A.muciniphilaEV后，可改善DSS誘導(dǎo)的IBD表型，如體質(zhì)量減輕、結(jié)腸長(zhǎng)度和結(jié)腸壁炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)；A.muciniphilaEV還可減少大腸埃希菌EV誘導(dǎo)的結(jié)腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生的促炎因子白細(xì)胞介素(IL)-6。表明A.muciniphilaEV對(duì)DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎具有保護(hù)作用。Zhai等[16]證實(shí)，A.muciniphila的兩種菌株鼠源的分離株(139)和人源的模式菌株(ATCC)在體外呈現(xiàn)相似的抗炎性，均能減少TNF-α刺激HT-29細(xì)胞生成IL-8。而在DSS誘導(dǎo)的慢性結(jié)腸炎小鼠中，這兩種菌株均具有抗炎的作用，可改善包括脾臟重量、結(jié)腸炎癥指數(shù)和結(jié)腸組織學(xué)評(píng)分在內(nèi)的臨床指標(biāo)。同時(shí)這兩種菌株能降低結(jié)腸中TNF-α和IFN-γ等促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，促進(jìn)腸道菌群正常化。有研究[17]還發(fā)現(xiàn)A.muciniphila的一種外膜蛋白Amuc-1100可激活由腸上皮細(xì)胞Toll樣受體2(Toll-like receptor 2, TLR2)介導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)，進(jìn)而增強(qiáng)腸屏障的保護(hù)作用。Amuc-1100還能誘導(dǎo)產(chǎn)生IL-10，起抗炎的作用。上述研究均證實(shí)了A.muciniphila對(duì)IBD的有益作用。目前還缺乏直接干預(yù)A.muciniphila的人體試驗(yàn)來(lái)闡明這種細(xì)菌與結(jié)腸炎之間的因果關(guān)系，其抑制結(jié)腸炎的機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

3. 腸道腫瘤：結(jié)腸具有復(fù)雜的微生物群落，對(duì)維持機(jī)體平衡、調(diào)節(jié)代謝功能、鞏固腸道屏障和控制免疫反應(yīng)至關(guān)重要。A.muciniphila在健康人結(jié)腸中的相對(duì)豐度較高，約占結(jié)腸微生物群的1%～4%[18]。A.muciniphila可降解腸上皮細(xì)胞中作為黏液素釋放的高分子質(zhì)量糖蛋白，使細(xì)菌能調(diào)節(jié)選擇性滲透的物理屏障系統(tǒng)，從而保護(hù)宿主免受腸道微生物、毒素、飲食抗原等的侵犯[19]。由于降解黏液蛋白的能力，在結(jié)腸中富集的A.muciniphila可作為一種病理因子促發(fā)炎癥條件，加重腸道炎癥，從而可能增加腫瘤風(fēng)險(xiǎn)[20]。近年越來(lái)越多的研究顯示A.muciniphila與腸道腫瘤密切關(guān)聯(lián)。A.muciniphila在結(jié)直腸腺瘤黏膜中明顯增加[21]。Weir等[22]的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)患者糞便中A.muciniphila數(shù)量為健康受試者的4倍。有研究[23]表明，減少食物攝入量會(huì)導(dǎo)致A.muciniphila相對(duì)含量顯著增加。而CRC患者的食物攝入量明顯減少，因此需進(jìn)行飲食信息的分析才能合理解釋A.muciniphila與CRC之間的聯(lián)系。Dingemanse等[18]發(fā)現(xiàn)A.muciniphila與炎癥相關(guān)的結(jié)腸腫瘤負(fù)荷增加呈正相關(guān)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)A.muciniphila能增加腸道黏液層厚度以及杯狀細(xì)胞密度，在調(diào)節(jié)小鼠腸道微生物菌群組成以及腸道腫瘤的發(fā)生、發(fā)展中起有重要作用。Howe等[24]的研究發(fā)現(xiàn)腸上皮細(xì)胞缺乏同源性磷酸酶-張力蛋白(phosphatase and tensin homolog, PTEN)的小鼠并不會(huì)形成腸道腫瘤，而糞便中A.muciniphila明顯減少，表明A.muciniphila豐度下降可能在預(yù)防這類(lèi)小鼠腸道腫瘤的形成中起有重要作用。關(guān)于A.muciniphila在腸道腫瘤形成過(guò)程中與宿主的復(fù)雜拮抗和相互作用仍需進(jìn)一步研究。

4. 其他腸道疾病：Swidsinski等[25]的研究采用特異性細(xì)菌探針研究70例腹腔鏡闌尾切除標(biāo)本中的菌群組成，結(jié)果顯示A.muciniphila豐度與闌尾炎病情嚴(yán)重程度呈負(fù)相關(guān)。Sonoyama等[26]給予小鼠喂食一種特殊水稻(用于對(duì)大米過(guò)敏的過(guò)敏性皮炎患者)，發(fā)現(xiàn)其能降低卵清蛋白引起的過(guò)敏性腹瀉的發(fā)病率，而對(duì)這些小鼠糞便菌群的分析結(jié)果顯示A.muciniphila豐度減少。

三、A. muciniphila在治療中的應(yīng)用

A.muciniphila已被用于治療一些代謝性疾病的動(dòng)物模型和人體試驗(yàn)中。H?nninen等[27]將單株A.muciniphila移植至糖尿病高發(fā)的小鼠體內(nèi)，結(jié)果顯示可降低糖尿病的發(fā)病率。Chelakkot等[28]給予小鼠口服A.muciniphilaEV能改變高脂飲食小鼠的腸道通透性和屏障完整性，改善代謝功能。最近一項(xiàng)隨機(jī)雙盲安慰劑對(duì)照試驗(yàn)[29]將40例超重/肥胖的胰島素抵抗患者分為3組，2個(gè)干預(yù)組每天口服1010的A.muciniphila活菌或死菌，療程持續(xù)3個(gè)月。結(jié)果表明A.muciniphila的安全性和耐受性良好，且未影響腸道菌群整體結(jié)構(gòu)。與安慰劑組相比，補(bǔ)充死菌可顯著降低胰島素水平、胰島素抵抗和血漿總膽固醇，減少白細(xì)胞計(jì)數(shù)和血液脂多糖，并略微降低體質(zhì)量、脂肪量和臀圍。而補(bǔ)充活菌的益處總體上不明顯。由此可見(jiàn)，A.muciniphila有望成為治療代謝性疾病的潛在療法。van der Lugt等[30]給予一種特殊小鼠(加速衰老小鼠模型，平均壽命約20周)連續(xù)10周口服A.muciniphila后，發(fā)現(xiàn)小鼠結(jié)腸黏液層厚度增加約3倍，結(jié)腸基因表達(dá)譜顯示與炎癥和免疫功能相關(guān)的基因和通路表達(dá)減少，回腸基因表達(dá)譜顯示代謝和免疫相關(guān)過(guò)程以及抗菌肽的產(chǎn)生減少，提示補(bǔ)充A.muciniphila能阻止老年時(shí)結(jié)腸黏液層厚度隨年齡增長(zhǎng)而下降，減輕炎癥和免疫相關(guān)過(guò)程，有助于結(jié)腸健康地衰老。Wang等[31]報(bào)道了第一例通過(guò)糞菌移植成功治療免疫檢查點(diǎn)抑制劑(immune checkpoint inhibitors, ICIs)相關(guān)性結(jié)腸炎的患者，其A.muciniphila數(shù)量明顯提高，表明腸道菌群的調(diào)節(jié)可能緩解ICIs相關(guān)性結(jié)腸炎。Kang等[15]的研究結(jié)果亦表明A.muciniphila在結(jié)腸炎的治療方面有一定的潛力。Routy等[32]對(duì)249例肺癌、腎癌或膀胱癌患者給予ICIs治療發(fā)現(xiàn)，與不使用抗菌藥物的患者相比，使用抗菌藥物的患者對(duì)PD-1抗體的反應(yīng)較差，生存時(shí)間較短。而Ijssennagger等[33]的研究表明，抗菌藥物能殺滅降解黏液的細(xì)菌(如A.muciniphila)。Routy等[32]進(jìn)一步分析了ICIs的治療效果與不同癌癥患者腸道菌群的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，對(duì)PD-1抗體反應(yīng)較差患者的腸道黏膜A.muciniphila數(shù)量顯著低于反應(yīng)良好者，這與Ijssennagger等[33]的研究結(jié)果基本吻合。此外，Routy等[32]將免疫治療反應(yīng)良好患者的糞便菌群移植至無(wú)菌小鼠體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)能改善PD-1抑制劑的抗腫瘤作用。然而將免疫治療無(wú)效患者的糞便菌群移植至無(wú)菌小鼠體內(nèi)時(shí)，并未達(dá)到這一效果，但給予這些小鼠口服A.muciniphila后，可恢復(fù)PD-1抑制劑的療效。Matson等[34]發(fā)現(xiàn)，4例轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者對(duì)抗PD-1免疫治療反應(yīng)積極，糞便中A.muciniphila豐度升高；進(jìn)一步將糞便菌群移植至黑色素瘤的小鼠模型中，發(fā)現(xiàn)能有效控制腫瘤生長(zhǎng)，免疫治療效果亦更好。上述研究結(jié)果均表明腫瘤免疫治療聯(lián)合A.muciniphila菌群治療有望在不久的將來(lái)取得較好的臨床效果。

四、問(wèn)題與展望

除通過(guò)口服或糞菌移植的方法外，如何通過(guò)其他手段增加腸道內(nèi)A.muciniphila數(shù)量已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。有研究指出，攝入雙歧桿菌、低聚果糖、短鏈碳水化合物、二甲雙胍、大黃提取物等能提高A.muciniphila豐度，而高脂飲食和大量飲酒則會(huì)降低腸道內(nèi)A.muciniphila豐度[35]。目前尚缺乏關(guān)于A.muciniphila毒理學(xué)特性的研究，如劑量反應(yīng)研究等?，F(xiàn)階段初步人體數(shù)據(jù)表明口服A.muciniphila是安全的，但其效果需更多的臨床試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

五、總結(jié)

總之，A.muciniphila豐度在IBD中降低，而在CRC等腸道腫瘤中高于正常人，說(shuō)明了A.muciniphila與宿主環(huán)境的復(fù)雜關(guān)系。A.muciniphila作為一種潛在的益生菌，有望成為治療代謝性疾病、IBD、腸道腫瘤等與微生物相關(guān)疾病的靶點(diǎn)。