腸道微生態(tài)與消化系統(tǒng)健康和疾病*

陳 燁 劉 樂(lè)

南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院消化科(510515)

胃腸道中含有廣泛多樣、宿主特異性的微生物群，它們不僅適應(yīng)了胃腸道中獨(dú)特而多樣的環(huán)境，而且能對(duì)外界各種變異原迅速作出反應(yīng)，通過(guò)一系列生化信號(hào)與宿主相互作用，協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)交換，調(diào)控免疫功能。宿主與微生物之間的相互作用建立在內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)之上，菌群失調(diào)可參與或促進(jìn)疾病的發(fā)生、發(fā)展。腸道菌群并沒(méi)有所謂的最佳組成，群落平衡對(duì)人類(lèi)健康至關(guān)重要。本文從微生態(tài)學(xué)角度研究腸道菌群與人類(lèi)宿主的關(guān)系，對(duì)近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的腸道微生態(tài)與消化系統(tǒng)疾病的關(guān)系進(jìn)行總結(jié)。

一、腸道微生態(tài)的功能

腸上皮將腸腔細(xì)菌與黏膜固有層分隔，形成一道天然的物理屏障，允許有限分子的細(xì)胞側(cè)轉(zhuǎn)運(yùn)，精確調(diào)節(jié)上皮細(xì)胞間緊密連接對(duì)于維持腸上皮完整性至關(guān)重要[1]。腸上皮表面覆蓋著一層黏液，內(nèi)層致密，外層松散，其高密度的特性可阻止大多數(shù)細(xì)菌移位。黏蛋白在個(gè)體間表現(xiàn)出高度保守性，在腸道細(xì)菌選擇中起重要作用[2]。只有少數(shù)微生物能黏附于黏液之上并幾乎完全附著于黏液外層，是否具有黏附能力取決于該細(xì)菌是否表達(dá)凝集素。正常人結(jié)腸中含有豐富的具有降解黏蛋白功能的阿克曼菌(Akkermansiamuciniphila)，其在維持腸道完整性方面發(fā)揮重要作用[3]。

先天免疫系統(tǒng)(innate immune system)是抵御病原體感染的第一道防線(xiàn)。Nod樣受體信號(hào)激活可誘導(dǎo)具有細(xì)胞保護(hù)作用的細(xì)胞因子、熱休克蛋白以及抗菌肽表達(dá)，發(fā)揮宿主防御功能。固有淋巴細(xì)胞(innate lymphoid cells, ILCs)是腸道先天免疫系統(tǒng)的重要組成部分，Ⅲ型ILC的分化成熟受腸道微生物調(diào)控，其分泌的白細(xì)胞介素-22(IL-22)可促進(jìn)腸上皮細(xì)胞和Paneth細(xì)胞合成、分泌抗菌肽，促進(jìn)宿主防御，維持腸穩(wěn)態(tài)[4]。腸道共生菌也參與調(diào)節(jié)黏膜固有層T細(xì)胞亞群的募集和分化。分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacteria)緊密黏附于小腸上皮細(xì)胞和集合淋巴結(jié)，誘導(dǎo)黏膜Th17細(xì)胞反應(yīng)，促進(jìn)腸道細(xì)菌與宿主之間的共生[5]。脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)和梭菌可促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞分化、擴(kuò)增，誘導(dǎo)腸道免疫耐受[6-7]。此外，B細(xì)胞來(lái)源的IgA分泌至腸腔中可與細(xì)菌抗原結(jié)合，阻止細(xì)菌移位，也是腸屏障的重要組成部分[8]。

腸道菌群與宿主能量代謝之間也有密切聯(lián)系，部分細(xì)菌可直接合成激素或激素樣化合物，也可通過(guò)調(diào)節(jié)腸道內(nèi)分泌細(xì)胞的功能間接參與內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。梭菌發(fā)酵膳食纖維的代謝物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)可作用于腸道內(nèi)分泌細(xì)胞L細(xì)胞，調(diào)控胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)、酪酪肽、葡萄糖依賴(lài)性促胰島素多肽的釋放，調(diào)節(jié)機(jī)體胰島素敏感性和能量代謝，也可促進(jìn)腸嗜鉻細(xì)胞合成、分泌5-羥色胺(5-HT)，參與腸道運(yùn)動(dòng)、分泌反射以及血小板功能的調(diào)節(jié)[9]。此外，經(jīng)腸道微生物轉(zhuǎn)化而來(lái)的次級(jí)膽酸可結(jié)合L細(xì)胞上的法尼酯X受體(FXR)，刺激GLP-1分泌，參與血糖平衡的調(diào)節(jié)[10]。

腸道共生菌還可通過(guò)多種機(jī)制影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，包括調(diào)節(jié)下丘腦-垂體-腎上腺軸、神經(jīng)免疫反應(yīng)、神經(jīng)元發(fā)育、迷走神經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和血腦屏障的穩(wěn)定性[11]。膳食纖維代謝物SCFAs不僅可調(diào)控腸道內(nèi)分泌細(xì)胞合成、分泌5-HT，維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)和腸神經(jīng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，還可調(diào)節(jié)神經(jīng)傳遞過(guò)程和血腦屏障的穩(wěn)定性，從而影響情緒和行為。

二、腸道微生態(tài)與消化系統(tǒng)疾病

1.艱難梭菌感染(Clostridiumdifficileinfection, CDI)：1935年Hall和O’Toole從健康新生兒糞便中成功分離出革蘭陽(yáng)性厭氧產(chǎn)芽孢桿菌艱難梭菌，其孢子廣泛存在于外界環(huán)境中，對(duì)熱、酸和多數(shù)抗菌藥物耐受，通過(guò)糞-口途徑傳播[12]。約5%的成人和15%～70%的嬰兒可發(fā)生CDI，住院患者和養(yǎng)老院老人的感染率則是前者的數(shù)倍。正常菌群的定植抗性是抑制病原體感染的主要生物屏障。一般情況下，初級(jí)膽酸通?？纱碳てD難梭菌孢子萌發(fā)，經(jīng)7α-去羥化腸道細(xì)菌轉(zhuǎn)化而來(lái)的次級(jí)膽酸則抑制這一過(guò)程[13]。腸道菌群失衡后，艱難梭菌開(kāi)始定植于并支配結(jié)腸，這可能是CDI發(fā)生的第一步。然而只有部分艱難梭菌定植患者會(huì)出現(xiàn)CDI癥狀。艱難梭菌在致病過(guò)程中主要產(chǎn)生腸毒素A和細(xì)胞毒素B，艱難梭菌轉(zhuǎn)氨酶是部分艱難梭菌，包括流行的高毒力PCR-核糖體型027分泌的第三種毒素。這些毒素引起腸道黏膜損傷和炎癥，導(dǎo)致艱難梭菌相關(guān)性腹瀉，如不及時(shí)醫(yī)治可發(fā)生嚴(yán)重的偽膜性腸炎和膿毒血癥，病死率高達(dá)15%～24%[14]。幾乎所有抗菌藥物都會(huì)增加對(duì)CDI的易感性，特別是頭孢菌素和氟喹諾酮類(lèi)，克林霉素和青霉素類(lèi)引發(fā)CDI的風(fēng)險(xiǎn)最高。在過(guò)去十年中，CDI已成為最重要的醫(yī)院感染之一。接受抗菌藥物治療的老年住院患者CDI發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)最高，糞菌移植(fecal microbiota trans-plantation, FMT)已成為復(fù)發(fā)性CDI非常有效的治療方法之一。

2.炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)：克羅恩病(Crohn’s disease, CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)是IBD的兩種主要類(lèi)型，近十余年來(lái)，IBD患病率在全球范圍內(nèi)急劇上升，其病因目前尚不清楚，主要與遺傳易感性、黏膜屏障受損、免疫紊亂、環(huán)境改變以及菌群失調(diào)等有關(guān)。IBD是最早對(duì)腸道菌群進(jìn)行深入研究的疾病之一，相關(guān)研究揭示了IBD患者腸道菌群多樣性和穩(wěn)定性降低，具體表現(xiàn)為真桿菌、擬桿菌、梭菌減少，腸桿菌、梭形桿菌、腸球菌增加。同時(shí)，代謝組學(xué)研究顯示SCFAs等有益的菌群產(chǎn)物減少，原代膽酸及其甘氨酸和牛磺酸結(jié)合物明顯增加[15]。全基因組關(guān)聯(lián)研究鑒定出163個(gè)與IBD相關(guān)的易感基因位點(diǎn)，先天免疫基因如NOD2、ATG16L1、IRGM等與CD發(fā)病顯著相關(guān)[16]。然而，并非所有攜帶IBD易感基因變異體的個(gè)體都會(huì)發(fā)病，基因突變?cè)贗BD發(fā)病中僅起有始動(dòng)作用。腫瘤壞死因子(TNF)ΔARE小鼠表現(xiàn)為主要累及回腸的CD樣透壁性炎癥，但Schaubeck等[17]的研究發(fā)現(xiàn)，TNFΔARE小鼠自發(fā)性腸炎的嚴(yán)重程度是微生物依賴(lài)性的，無(wú)菌TNFΔARE小鼠不發(fā)生腸道炎癥，常規(guī)TNFΔARE小鼠經(jīng)抗菌治療后回腸炎癥減輕；分別將炎癥和非炎癥TNFΔARE小鼠的糞便移植至無(wú)菌TNFΔARE小鼠體內(nèi)，僅前者可成功誘導(dǎo)CD樣回腸炎，證實(shí)腸道細(xì)菌是引發(fā)IBD炎癥損傷的重要驅(qū)動(dòng)因素。IBD藥物治療與腸道菌群也有一定關(guān)聯(lián)。與未經(jīng)治療者相比，美沙拉嗪治療可降低糞便細(xì)菌和黏膜黏附細(xì)菌濃度，在體外可以劑量依賴(lài)性的方式抑制鳥(niǎo)分枝桿菌副結(jié)核亞種生長(zhǎng)，后者與CD病因密切相關(guān)[18]；同時(shí)可抑制沙門(mén)菌的侵襲性和抗菌藥物耐藥性相關(guān)基因表達(dá)，抑制感染后IBD發(fā)生[19]。以抗TNF-α抗體誘導(dǎo)IBD緩解，應(yīng)答者治療前和治療過(guò)程中的腸道普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)豐度均顯著高于無(wú)應(yīng)答者[20]。如能利用糞便細(xì)菌作為生物學(xué)標(biāo)志物，以非侵入性的方式預(yù)測(cè)IBD患者的治療應(yīng)答，臨床醫(yī)師將能更迅速地確定有效治療方案，從而提高患者的生活質(zhì)量。

3.結(jié)直腸癌(colorectal cancer, CRC)：CRC是全球第三大常見(jiàn)惡性腫瘤，低收入和中等收入國(guó)家的CRC發(fā)病率增速最快，主要與西方化飲食的生活方式有關(guān)。從發(fā)病機(jī)制角度，腸上皮細(xì)胞惡性轉(zhuǎn)化并進(jìn)展至CRC至少包括三個(gè)主要步驟：Lgr5陽(yáng)性腸干細(xì)胞發(fā)生致癌突變；Wnt/β-catenin信號(hào)改變；促炎信號(hào)的級(jí)聯(lián)放大效應(yīng)。腸道菌群紊亂是CRC病情進(jìn)展的一個(gè)重要危險(xiǎn)因素。一項(xiàng)全基因組關(guān)聯(lián)研究[21]證實(shí)，高比例的擬桿菌、梭形桿菌和腸桿菌與CRC局部炎癥和腫瘤分期密切相關(guān)；與攝入水果和蔬菜相反，肉類(lèi)飲食(紅肉)可降低腸道產(chǎn)丁酸菌和膽汁酸代謝菌豐度，表明飲食方式在CRC發(fā)病中起重要作用。目前，已比較明確的是，具核梭桿菌(Fusobacteriumnucleatum)、產(chǎn)大腸菌素的大腸埃希菌(Escherichiacoli)和產(chǎn)毒素型脆弱擬桿菌與CRC進(jìn)展間可能存在因果關(guān)系。然而，目前對(duì)于靶向腸道細(xì)菌防治CRC的機(jī)制知之甚少。從機(jī)制角度看，腫瘤組織中大量富集的具核梭桿菌FadA黏附素是上皮細(xì)胞E-cadherin的配體，可激活下游β-catenin信號(hào)，引起腸上皮細(xì)胞生長(zhǎng)失控、腺瘤樣表型形成和細(xì)胞極性喪失，與微衛(wèi)星不穩(wěn)定型和BRAF基因突變型CRC密切相關(guān)[22]。此外，提示預(yù)后不良和腫瘤分期較差的腸黏膜大腸埃希菌多含有基因組聚酮合酶(polyketide synthase, PKS)毒力基因島，編碼基因毒素colibactin，能誘導(dǎo)哺乳動(dòng)物上皮細(xì)胞DNA損傷和基因突變[23]。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌核苷酸代謝基因可影響5-氟尿嘧啶和喜樹(shù)堿的抗腫瘤效應(yīng)[24]；由腸道菌群介導(dǎo)的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制與機(jī)體對(duì)免疫檢查點(diǎn)抑制劑如程序性死亡分子-1(programmed death-1, PD-1)/PD-1配體(PD-L1)單抗的免疫應(yīng)答密切相關(guān)，如雙歧桿菌可顯著增強(qiáng)抗PD-L1治療的療效[25]，PD-1單抗的療效強(qiáng)烈依賴(lài)于阿克曼菌誘導(dǎo)的Th1型免疫反應(yīng)[26]。具核梭桿菌可通過(guò)Toll樣受體4信號(hào)通路和某些miRNAs激活自噬等復(fù)雜機(jī)制導(dǎo)致CRC對(duì)化療耐藥[27]，抑制具核梭桿菌及其黏附受體可能阻止化療耐藥的產(chǎn)生。

4.腸易激綜合征(irritable bowel syndrome, IBS)：IBS是最常見(jiàn)的消化系統(tǒng)疾病之一，其特征是慢性、復(fù)發(fā)性腹痛和排便習(xí)慣改變。目前IBS仍缺乏有效的診斷以及預(yù)測(cè)病情進(jìn)展的生物學(xué)標(biāo)志物，疾病的異質(zhì)性使其管理差強(qiáng)人意。神經(jīng)-免疫-內(nèi)分泌系統(tǒng)在表觀遺傳學(xué)和性別上的差異、腦-腸軸、膽汁酸代謝以及遺傳因素都可能涉及IBS發(fā)病的調(diào)控。IBS的遺傳易感特質(zhì)可與細(xì)菌感染、毒性物質(zhì)、飲食方式、生活事件相關(guān)因素等共同作用，增加腸屏障通透性，最終引起黏膜免疫微炎癥和局部微環(huán)境失調(diào)。研究發(fā)現(xiàn)急性胃腸炎后發(fā)生IBS的風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，其機(jī)制可能與感染觸發(fā)物(細(xì)菌、病毒或寄生蟲(chóng))在易感個(gè)體中激活異常免疫反應(yīng)有關(guān)，部分患者對(duì)菌群調(diào)節(jié)治療策略有積極應(yīng)答[28]。因此，菌群失調(diào)可能是IBS病理生理學(xué)機(jī)制的一個(gè)重要影響因素。組學(xué)研究證實(shí)IBS患者腸道中腸桿菌等促炎細(xì)菌種類(lèi)相對(duì)豐富，梭菌、雙歧桿菌數(shù)量相應(yīng)減少[29]。雙歧桿菌可與其他細(xì)菌或宿主相互作用，分泌細(xì)菌素，對(duì)外來(lái)病原體有一定殺菌作用，也可刺激樹(shù)突細(xì)胞調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)功能。IBS患者中比例較低的雙歧桿菌、梭菌、瘤胃球菌、韋榮球菌等均為產(chǎn)SCFAs菌，而SCFAs具有一定的抗炎和胃腸動(dòng)力調(diào)節(jié)作用[30]。甲烷短桿菌是最常見(jiàn)的產(chǎn)甲烷菌，甲烷可抑制腸道轉(zhuǎn)運(yùn)，與便秘型IBS(IBS-D)的病情有一定關(guān)聯(lián)[31]。此外，明確IBS病情嚴(yán)重程度的影響因素與腸道菌群組成之間的相互作用也十分重要。一項(xiàng)基于正常人群的菌群研究[32]表明，性別與腸道微生態(tài)結(jié)構(gòu)、多樣性和功能單元豐度(同源集群)密切相關(guān)，女性相對(duì)于男性表現(xiàn)出更高的菌群功能單元豐度。然而在IBS菌群相關(guān)研究[33]中，盡管男、女性患者間各“腸型”(腸道微生物菌型)的分布比例存在一定差異，但并未發(fā)現(xiàn)整體菌群功能單元豐度受到性別因素的影響。IBS患者的精神心理改變與腸道菌群失調(diào)也存在一定關(guān)聯(lián)，將腹瀉型IBS(IBS-D)患者的糞菌移植入無(wú)菌小鼠可使其產(chǎn)生焦慮樣行為[34]。因此，性別和精神疾病可能是解釋IBS特異性微生物變化的重要變量。

5.乳糜瀉(celiac disease, CeD)：CeD是一種由免疫失調(diào)介導(dǎo)的腸道疾病，獨(dú)特之處在于已明確其具體觸發(fā)因素為麩質(zhì)蛋白。目前治療主要采用無(wú)麩質(zhì)飲食(gluten-free diet, GFD)。數(shù)項(xiàng)研究確定了CeD患者與健康人的差異菌群，表現(xiàn)為棒狀細(xì)菌如擬桿菌、梭菌、大腸埃希菌豐度增加，雙歧桿菌、鏈球菌、普氏菌、乳桿菌豐富降低[35]。然而這些研究大部分是描述性的，難以確定腸道菌群改變是CeD的原因還是后果。為了解CeD中腸道菌群的致病機(jī)制，分別將CeD患者和健康人的小腸細(xì)菌移植入無(wú)菌小鼠，結(jié)果顯示乳桿菌具有保護(hù)作用，條件致病菌銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa)則與CeD發(fā)生相關(guān)[36]。銅綠假單胞菌可分泌纖維素酶LasB，該酶可破壞腸屏障并促進(jìn)麥醇溶蛋白移位至黏膜固有層，激活黏膜免疫反應(yīng)；相反，乳桿菌產(chǎn)生的蛋白酶可進(jìn)一步分解人胃蛋白酶部分降解的麥醇溶蛋白肽或銅綠假單胞菌生成的免疫原性肽，有效降低這些多肽分子的免疫原性。益生菌被認(rèn)為是可使腸道菌群恢復(fù)至抗炎狀態(tài)的重要治療手段，然而目前尚缺乏支持益生菌用于治療CeD的數(shù)據(jù)。

三、結(jié)語(yǔ)

腸道生理微結(jié)構(gòu)如黏液層厚度、腸上皮細(xì)胞密度和受體位點(diǎn)對(duì)微生物與宿主間的相互作用、腸屏障完整性的維持和免疫系統(tǒng)的調(diào)控都有一定影響，細(xì)菌與上皮細(xì)胞之間的正常通訊是維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素。腸道菌群不僅參與維持胃腸道健康，對(duì)疾病的發(fā)生、發(fā)展也起有重要作用。目前研究的不足之處在于，多數(shù)研究都停留在關(guān)聯(lián)分析階段，缺乏特定細(xì)菌參與消化系統(tǒng)疾病發(fā)生的直接證據(jù)。然而，腸道菌群在宿主生理功能中的作用可能揭示了菌群失調(diào)與宿主功能紊亂之間的某種聯(lián)系。益生菌可糾正腸道菌群的失衡狀態(tài)，特別是益生菌的代謝物，如細(xì)菌素、抗菌肽以及SCFAs等，具有良好的抗炎作用。研究、開(kāi)發(fā)與腸道其他微生物和諧共處的益生菌組合、促進(jìn)內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)是當(dāng)前相關(guān)研究領(lǐng)域面臨的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。