腸道菌群及其在炎癥性腸病中的作用①

劉樂恒 張 茜 薛慶節(jié) 王秋靈

(安徽醫(yī)科大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，合肥 232000)

腸道菌群為寄生在人體腸道內(nèi)的龐大的細(xì)菌種群。腸道菌群在人體的物質(zhì)代謝、免疫調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮巨大的作用，是人體不可分割的一部分，故腸道菌群可被視為人體的另一大器官。隨著腸道微生物基因組學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)于腸道菌群的研究越來越重視，腸道菌群的組成、功能及其與一些疾病發(fā)生的因果關(guān)系也日益清晰。腸道菌群在許多疾病的治療中具有光明的前景。

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis,UC)與克羅恩病(Crohn′s disease,CD)，是一組發(fā)病原因尚不明確的自身免疫性疾病。UC是一種結(jié)腸非特異性的炎癥性疾病，可見于任何年齡，呈慢性進(jìn)展，常反復(fù)發(fā)作，病變局限于大腸黏膜及黏膜下層，多位于直腸和乙狀結(jié)腸，有時(shí)可延伸至降結(jié)腸乃至整個(gè)結(jié)腸；CD是一種腸道炎癥性疾病，至今原因不明，可發(fā)生于胃腸道的任何部位，但多發(fā)于右半結(jié)腸和末端回腸。臨床表現(xiàn)為腹瀉、腹痛、腸梗阻，可伴有發(fā)熱、營(yíng)養(yǎng)障礙及眼、口腔黏膜、關(guān)節(jié)、皮膚、肝臟等腸外損害。

我國(guó)雖無IBD的流行，但近年來IBD的發(fā)病趨勢(shì)逐漸上升，已經(jīng)逐漸成為消化系統(tǒng)中的常見病[1]。IBD與多種因素有關(guān)，包括遺傳因素、環(huán)境因素、免疫因素及腸道菌群失調(diào)，其發(fā)病為多種因素共同作用下使自身免疫系統(tǒng)異常激活，從而引起腸黏膜的損傷。在IBD的治療中，除了傳統(tǒng)的以氨基水楊酸及激素為主的內(nèi)科治療與以手術(shù)切除的外科治療外，應(yīng)用微生態(tài)制劑調(diào)節(jié)腸道菌群已成為臨床上常用的治療手段，且有著非常廣闊的治療前景。本文就腸道菌群的失調(diào)與紊亂對(duì)IBD的病因?qū)W作用以及應(yīng)用微生態(tài)制劑調(diào)節(jié)腸道菌群對(duì)IBD治療的臨床應(yīng)用作一綜述。

1 腸道菌群

1.1腸道菌群組成 微生態(tài)學(xué)研究表明，正常人體腸道菌群由分屬于30個(gè)屬500個(gè)種的細(xì)菌組成[2],且數(shù)量極多，可超過1014個(gè)以上[3]。腸道內(nèi)大部分細(xì)菌屬于5個(gè)門類，即擬桿菌門(Bacteroidetes)、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和疣微菌門(Verrucomic-robia)，其中擬桿菌門和厚壁菌門數(shù)量較多，占健康人腸道細(xì)菌90%以上，而放線菌門、變形菌門和疣微菌門的數(shù)量較少[4]。見表1。正常人體腸道菌群可分為需氧菌、兼性厭氧菌以及厭氧菌，其中專性厭氧菌數(shù)量最多，可占腸道菌群的99.9%[5]。見表2。數(shù)量較多的幾類細(xì)菌有雙歧桿菌、真桿菌、類桿菌、消化球菌等，其他諸如大腸埃希菌、腸球菌、乳桿菌、韋榮球菌等占少數(shù)，還有極少數(shù)如銅綠假單胞菌、變形桿菌等為過路菌而并非腸道常駐菌群[6]。雖然構(gòu)成腸道細(xì)菌的種類大致相同，但在不同個(gè)體以及每個(gè)個(gè)體的不同階段，腸道菌群的具體組成和占比存在較大的差異。

表1 主要腸道菌群門類[4]Tab.1 Major intestinal flora[4]

表2 糞便中常見細(xì)菌數(shù)量[5]Tab.2 Number of common bacteria in feces[5]

1.2腸道細(xì)菌的定植與演替 伴隨人的生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老，其腸道菌群也在不斷進(jìn)行著演替[7]。嬰兒剛出生時(shí)其腸道處于無菌狀態(tài)，出生后細(xì)菌可以通過口和肛門侵入體內(nèi)并完成定植。由于新生兒腸道環(huán)境處于有氧狀態(tài)，早期出現(xiàn)的細(xì)菌為需氧菌，如腸球菌、大腸埃希菌等，在出生2 d后，雙歧桿菌等厭氧菌定植并迅速生長(zhǎng)，逐漸取代需氧菌成為優(yōu)勢(shì)菌，在3個(gè)月后腸道菌群逐漸趨于穩(wěn)定[8]。研究表明嬰兒在2～3歲時(shí)其腸道菌群已經(jīng)接近成年人腸道菌群水平[9]。隨著人的衰老，腸道菌群也會(huì)發(fā)生一定程度的演替，即擬桿菌門和雙歧桿菌等厭氧菌數(shù)量的減少和厚壁菌門數(shù)量的增多[10]。腸道菌群在一定時(shí)期內(nèi)保持一定的穩(wěn)定狀態(tài)，但并不是一成不變的，它會(huì)受到各種原因的影響，如飲食結(jié)構(gòu)的改變、環(huán)境因素和疾病狀態(tài)。有研究發(fā)現(xiàn)改變?nèi)说娘嬍辰Y(jié)構(gòu)后，腸道菌群在一段時(shí)間內(nèi)(24 h以內(nèi))即發(fā)生顯著的改變[11]。不同的環(huán)境也會(huì)對(duì)腸道菌群產(chǎn)生影響，如季節(jié)的更替、海拔的高低等。

2 腸道菌群與IBD

2.1腸道菌群失調(diào)與IBD的發(fā)生 正常情況下腸道菌群與人體保持一定的平衡，共同參與人的生命活動(dòng)。當(dāng)各種原因打破這種平衡時(shí)如菌群移位、免疫紊亂、菌群失調(diào)等，腸道菌群就可能會(huì)促進(jìn)一些疾病的發(fā)生。研究表明IBD的發(fā)生與腸道菌群密切相關(guān)，主要體現(xiàn)在如下方面：①無菌無炎癥，具體表現(xiàn)在應(yīng)用基因敲除獲得的具有免疫缺陷的IBD動(dòng)物模型中，設(shè)置無菌的腸道環(huán)境時(shí)不會(huì)誘發(fā)IBD的發(fā)生[12]；②部分IBD患者治療過程中，應(yīng)用針對(duì)腸道菌群的抗生素有一定的療效。

多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者存在著腸道菌群失調(diào)現(xiàn)象，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是致病菌數(shù)量增加，二是腸道菌群的正常比例改變。Ormsby等[13]對(duì)CD患者糞便標(biāo)本分析發(fā)現(xiàn)，其腸道細(xì)菌含量明顯高于正常人。Wang等[14]對(duì)CD患者腸道菌群進(jìn)行定量分析，發(fā)現(xiàn)其腸道中產(chǎn)丁酸鹽細(xì)菌含量較正常人明顯減少。張艷麗等[15]對(duì)120余例CD患者統(tǒng)計(jì)研究發(fā)現(xiàn)，CD活動(dòng)期患者的大腸桿菌與腸球菌較正常人多，而雙歧桿菌與乳桿菌等益生菌數(shù)量減少。而亦有研究者發(fā)現(xiàn)CD患者雙歧桿菌、擬桿菌及乳桿菌等益生菌數(shù)量增多，可能為腸道菌群紊亂后，經(jīng)腸黏膜屏障發(fā)揮調(diào)節(jié)腸道菌群作用而產(chǎn)生的結(jié)果[16,17]。

致病菌的增多與腸道菌群失調(diào)可通過如下幾種方式在IBD的發(fā)生發(fā)展方面起到誘導(dǎo)促進(jìn)作用：①腸道致病菌數(shù)量增多，致病菌可通過侵襲力及分泌毒素破壞正常的腸道機(jī)械屏障與免疫屏障，使腸黏膜通透性增高，為細(xì)菌移位創(chuàng)造條件；移位的細(xì)菌過度激活免疫反應(yīng)，從而引起腸道組織被免疫系統(tǒng)攻擊、損害。Buhner等[18]發(fā)現(xiàn)，CD患者腸黏膜通透性較正常人明顯增高，腸道內(nèi)大量細(xì)菌及毒素易于進(jìn)入腸黏膜，激活免疫細(xì)胞，從而會(huì)誘發(fā)強(qiáng)烈的免疫反應(yīng)損傷腸道黏膜。②腸道發(fā)生菌群失調(diào)導(dǎo)致正常存在的益生菌數(shù)量減少。正常存在的腸道益生菌如雙歧桿菌、乳桿菌等可以通過多種作用抑制病原菌的生長(zhǎng)。益生菌可使腸道黏膜的通透性恢復(fù)正常，從而使菌群失調(diào)得以緩解[19]；腸道細(xì)菌中的擬桿菌屬可激活腸道內(nèi)的Paneth細(xì)胞分泌抗菌肽產(chǎn)生正常的抗菌作用，當(dāng)腸道致病菌明顯增多、擬桿菌減少時(shí)，抗菌肽分泌減少，引起免疫過度激活而損傷腸黏膜[20]。③腸道菌群失調(diào)打破了機(jī)體正常的免疫耐受狀態(tài)。Hu等[21]將UD患者腸黏膜組織中的單個(gè)核細(xì)胞在體外與包含自身腸道細(xì)菌的腸液共同培養(yǎng)，單個(gè)核細(xì)胞出現(xiàn)明顯增殖反應(yīng)且大量釋放炎癥因子如TNF-α、IL-1、IL-2等，而正常人卻無這種現(xiàn)象，提示UD患者機(jī)體的免疫系統(tǒng)產(chǎn)生針對(duì)正常腸道黏膜、細(xì)胞的損傷作用。

因此，腸道菌群失調(diào)誘發(fā)人體代謝成分紊亂，使致病菌產(chǎn)生的毒性因子通過與腸道黏膜受體的結(jié)合、刺激炎癥因子分泌，與腸道其他微環(huán)境的變化一起，引起腸道炎癥[22]。總體來說，腸道菌群失調(diào)誘導(dǎo)IBD的發(fā)病過程可概括為：存在遺傳易感因素的個(gè)體中，可由于基因、環(huán)境以及致病菌增多、免疫耐受被打破、免疫過度激活等因素共同作用下，誘導(dǎo)IBD的病理過程。

2.2腸道菌群失調(diào)引起IBD的機(jī)制 目前關(guān)于IBD的發(fā)病機(jī)制主要是以免疫調(diào)節(jié)假說為主[22]。在IBD的始動(dòng)環(huán)節(jié)中，涉及多種免疫細(xì)胞及炎癥因子，其中T細(xì)胞分化亞群(Th1/Th2細(xì)胞、Th17細(xì)胞、Treg細(xì)胞等)所介導(dǎo)的免疫反應(yīng)起著至關(guān)重要作用，而腸道菌群便可通過多方面的作用影響免疫調(diào)節(jié)過程，從而誘導(dǎo)IBD的發(fā)生[23]。

2.2.1Th1/Th2細(xì)胞 Th細(xì)胞為CD4+T細(xì)胞，在不同抗原刺激下可分化為Th1細(xì)胞及Th2細(xì)胞。Th1細(xì)胞主要表達(dá)的細(xì)胞因子為IFN-γ、TNF-α及IL-2等，而Th2細(xì)胞主要表達(dá)IL-4、IL-5及IL-10等。Th1細(xì)胞主要起誘導(dǎo)細(xì)胞免疫的作用，而Th2細(xì)胞主要功能是輔助體液免疫應(yīng)答?，F(xiàn)階段研究中，普遍觀點(diǎn)是認(rèn)為CD的發(fā)生主要與Th1細(xì)胞、Th17細(xì)胞相關(guān)，而UC的發(fā)生為Th1、Th2細(xì)胞共同作用的結(jié)果[24,25]。正常情況下，腸黏膜屏障主要包括機(jī)械屏障(腸上皮細(xì)胞的完整性及其之間的緊密連接)和免疫屏障(上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞及其分泌的sIgA),阻止病原菌的入侵。如上所述，當(dāng)腸道菌群紊亂時(shí)，腸黏膜通透性增加、出現(xiàn)菌群移位以及免疫耐受狀態(tài)被打破，引起腸系膜淋巴組織中的淋巴細(xì)胞大量分泌炎癥因子，在CD時(shí)主要表現(xiàn)為IFN-γ、TNF-α、IL-17等增高，在UC時(shí)主要表現(xiàn)為TNF-α、IL-5、IFN-γ等增高[26]。增高的炎癥細(xì)胞因子通過募集中性粒細(xì)胞，激活NF-κB等炎癥信號(hào)通路，引起炎癥反應(yīng)從而造成組織損傷。

2.2.2Th17細(xì)胞與Treg細(xì)胞 Th17細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子主要為IL-17(包括IL-17A及IL-17F)、IL-21、IL-22等，在介導(dǎo)免疫損傷與自身免疫病的發(fā)生中起到促進(jìn)作用。許多研究發(fā)現(xiàn)，在CD患者中Th17細(xì)胞及其相關(guān)細(xì)胞因子數(shù)量明顯增多，且Th17細(xì)胞的異常激活與IBD的發(fā)生發(fā)展呈正相關(guān)[27,28]。Eddy等[29]研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物感染是導(dǎo)致IL-17異常激活的重要原因，系由腸道微生物感染壞死的腸黏膜細(xì)胞誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-6、TGF-β等炎癥因子，通過STAT3及RORγ等轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控作用，誘導(dǎo)了Th細(xì)胞向Th17細(xì)胞分化。

Treg細(xì)胞是T細(xì)胞家族中的調(diào)控細(xì)胞，其主要轉(zhuǎn)錄因子為Foxp3。Treg細(xì)胞可以通過直接接觸抑制或通過分泌TGF-β及IL-10對(duì)免疫系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)性調(diào)控。Th17細(xì)胞與Treg細(xì)胞為CD4+T細(xì)胞在不同細(xì)胞因子的刺激下所分化的不同細(xì)胞，上述Th17細(xì)胞的分化因子主要為IL-6及TGF-β，而Treg細(xì)胞的分化因子主要為TGF-β，顯而易見，IL-6在決定CD4+T細(xì)胞的分化方向上起主要作用。在UD患者腸黏膜標(biāo)本中，IL-6及其可溶性受體與Th17細(xì)胞的表達(dá)上調(diào)，而Treg細(xì)胞的表達(dá)下調(diào)[30,31]。Th17細(xì)胞分泌的IL-17對(duì)中性粒細(xì)胞的動(dòng)員過程有極強(qiáng)的興奮作用，也可以通過激活CXC趨化因子等途徑共同促進(jìn)炎癥細(xì)胞的募集過程，同時(shí)由于減少了Treg細(xì)胞的負(fù)性調(diào)控作用，從而出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的炎癥反應(yīng)[32]。

3 IBD的微生態(tài)療法

腸道菌群的穩(wěn)態(tài)是人體保持健康的必要條件，很多疾病的發(fā)生與腸道菌群的失調(diào)密切相關(guān)。在IBD的臨床治療上，采用腸道菌群的益生菌制劑如益生元、合生元、糞菌移植技術(shù)(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)等以及某些抗菌藥物如喹諾酮類均取得了不錯(cuò)的療效，未來針對(duì)腸道微生物靶向治療也許是常規(guī)IBD治療的突破。

3.1益生菌、益生元、合生元制劑 益生菌是一類有利于維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)的活的微生物制劑，通過補(bǔ)充一種或多種對(duì)人體有益的細(xì)菌(如雙歧桿菌、乳酸菌等)從而起到穩(wěn)定腸道菌群的作用[3]。益生元是一類人體較難消化的成分，可以促進(jìn)結(jié)腸中部分有益菌的生長(zhǎng)，對(duì)人體產(chǎn)生積極的生理作用[3]。合生元是一類將益生菌和益生元聯(lián)合使用的制劑。

腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)(enteral nutrition,EN)是指通過經(jīng)口攝食或管飼途徑補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)素的支持性治療。研究表明：益生菌、益生元、合生元這三種制劑作為腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)制劑的添加成分，可能通過調(diào)節(jié)腸道菌群數(shù)量及比例減少IBD患者的腸道致病菌，維持腸道菌群的多樣性和平衡性，從而發(fā)揮治療效果；還可以維持腸道黏膜屏障的完整性，降低腸黏膜的滲透性；人工制成的EN還去除了普通飲食中引起腸道炎癥的致敏因子，減少腸道黏膜抗原的暴露，從而達(dá)到減輕炎癥的目的[33]。臨床試驗(yàn)證明，添加益生菌的低脂高蛋白腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)制劑比普通低脂高蛋白制劑更能改善IBD患者的營(yíng)養(yǎng)狀況，并能更好地維持腸道菌群的穩(wěn)定[34]。Petersen等[35]以雙歧桿菌制劑作用于UC活動(dòng)期患者，發(fā)現(xiàn)較對(duì)照組而言緩解率有所提升且差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

3.2糞菌移植技術(shù)(FMT) 糞菌移植是一項(xiàng)有著悠久歷史的治療技術(shù)，我國(guó)在東晉時(shí)期便有相關(guān)記載。明朝李時(shí)珍在《本草綱目》上也有記載以糞便為處方治療腹瀉等疾病[36]。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)對(duì)此進(jìn)行改良，通過將健康人的腸道菌群移植到患者腸道內(nèi)，改善患者腸道菌群失調(diào)狀態(tài)，從而對(duì)疾病的轉(zhuǎn)歸產(chǎn)生積極的影響。難辨梭狀芽胞桿菌(clostridium difficile infection,CDI)是與IBD發(fā)病相關(guān)的致病菌，而FMT對(duì)CDI的復(fù)發(fā)性感染有著較好的療效，且CDI的治愈率與IBD的治療進(jìn)展、預(yù)后呈正相關(guān)[37,38]。Colman等[39]對(duì)FMT在IBD的治療案例中進(jìn)行Meta分析，發(fā)現(xiàn)相較于UC(22.0%)，CDI患者應(yīng)用FMT治療后療效較好(60.5%)。FMT在重癥IBD的治療中，取得了非常矚目的效果，目前在臨床上已得到了一些應(yīng)用[40]。

4 展望

人們對(duì)腸道細(xì)菌的認(rèn)識(shí)僅有百余年的歷史，對(duì)每種腸道細(xì)菌的具體作用以及腸道菌群在疾病發(fā)生中的具體機(jī)制還沒有完全認(rèn)知，但以腸道菌群為靶點(diǎn)的治療方法在臨床上已經(jīng)取得了不錯(cuò)的療效。益生菌、益生元、合生元制劑與糞菌移植技術(shù)在IBD等疾病中已展現(xiàn)出其獨(dú)特的功效。目前在臨床上，VSL#3等一些微生物制劑已被用于UC疾病的治療，并且已被寫入臨床指南[33,34]；但另外一些治療IBD的方法，例如糞菌移植等仍存在一些爭(zhēng)議。近年的研究中，一些新的進(jìn)展顯示糞菌移植對(duì)于UC的治療是有效的，但迄今為止，仍無證據(jù)證明糞菌移植可以治療CD患者[36]。IBD的發(fā)生發(fā)展與腸道菌群紊亂密切相關(guān)，針對(duì)腸道菌群的臨床醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景十分光明，還需要科研人員的進(jìn)一步探索。或許在未來以腸道細(xì)菌為靶點(diǎn)可以成為更多難治疾病治療的突破點(diǎn)。