腸道菌群和腸-肺軸在熱射病中的作用*

江利亞， 王 嬌， 張玉想

（解放軍總醫(yī)院第八醫(yī)學(xué)中心重癥醫(yī)學(xué)科，北京100091）

熱射病（heat stroke，HS）是中暑最嚴(yán)重的一種疾病狀態(tài)，其特點(diǎn)是核心體溫≥40℃和中樞神經(jīng)系統(tǒng)異常（主要為意識(shí)障礙），并伴有多器官功能障礙綜合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的臨床表現(xiàn)。根據(jù)有無劇烈運(yùn)動(dòng)史和易感人群的不同，HS可分為經(jīng)典型HS（classic HS，CHS）和勞力型HS（exertional HS，EHS）。CHS主要由于被動(dòng)暴露于熱環(huán)境引起機(jī)體產(chǎn)熱與散熱失衡而發(fā)病，常見于年幼體弱者或有慢性基礎(chǔ)疾病的個(gè)體。EHS 主要由于高強(qiáng)度體力活動(dòng)引起機(jī)體產(chǎn)熱與散熱失衡而發(fā)病，常見于進(jìn)行高溫作業(yè)的官兵和建筑工人，以及熱愛運(yùn)動(dòng)的健康青年人［1］。如不得到有效救治，HS 病死率高達(dá)70%［2］。HS 發(fā)生時(shí)，腸道內(nèi)皮損傷，腸道細(xì)菌移位，可誘發(fā)或加重HS 全身炎癥反應(yīng)。近年來，隨著腸道菌群的研究熱度不斷攀升，腸道菌群在HS 發(fā)病機(jī)制中的作用逐漸引起人們重視。腸道菌群紊亂能使腸道通透性增加，加速HS 進(jìn)展［3］。本文將著重對(duì)腸道菌群失調(diào)及腸-肺軸在HS發(fā)生發(fā)展中的作用進(jìn)行綜述。

1 HS相關(guān)概述

HS 主要發(fā)病機(jī)制通常包括高溫直接熱損傷和炎癥因子介導(dǎo)的氧化應(yīng)激反應(yīng)。高溫環(huán)境下，機(jī)體核心體溫升高，為了散熱，皮膚外周血流量增加，內(nèi)臟血流量減少。隨著受熱時(shí)間的延長，機(jī)體從代償階段（散熱＞產(chǎn)熱）到失代償階段（產(chǎn)熱＞散熱），中心靜脈壓下降，大量熱蓄積刺激機(jī)體，內(nèi)臟器官處于缺血、缺氧狀態(tài)，各器官功能發(fā)生障礙。研究表明，一方面機(jī)體溫度超過41.8 ℃會(huì)對(duì)正常細(xì)胞產(chǎn)生損傷反應(yīng)，而腸道和肝臟是最早出現(xiàn)損傷的臟器；另一方面缺血和熱應(yīng)激也會(huì)通過炎癥反應(yīng)使機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激，二者結(jié)合致使腸道通透性進(jìn)一步擴(kuò)大，屏障功能被破壞，釋放的內(nèi)毒素逐漸超過肝臟的排毒代謝能力從而導(dǎo)致內(nèi)毒素血癥。內(nèi)毒素釋放入血液后激活免疫系統(tǒng)，釋放炎癥因子如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細(xì)胞介素1β（interleukin 1β，IL-1β），過量的促炎因子（IL-2、IL-6 和IL-8）級(jí)聯(lián)放大炎癥反應(yīng)，如此循環(huán)，最終導(dǎo)致MODS?？梢娔c道屏障功能破壞導(dǎo)致內(nèi)毒素進(jìn)入循環(huán)是HS 發(fā)病機(jī)制中的重要環(huán)節(jié)［4-5］。

EHS救治的核心應(yīng)遵循3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：迅速降低核心體溫、血液凈化及防治彌散性血管內(nèi)凝血（disseminated intravascular coagulation，DIC）。EHS 的院前急救至關(guān)重要，黃金“半小時(shí)”（30 min 內(nèi)溫度降至39 ℃以下）和白金“兩小時(shí)”（2 h內(nèi)溫度降至38.5 ℃）的降溫措施可顯著降低病死率，改善預(yù)后。入院后的器官功能支持也是提高存活率的關(guān)鍵，盡早開始連續(xù)性血液凈化［如連續(xù)性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy，CRRT）］及早期糾正凝血功能紊亂治療，不僅能延緩EHS的疾病進(jìn)展，預(yù)防MODS，還能減少其并發(fā)癥［6］。

2 腸道菌群及其作用

2.1 腸道菌群 腸道菌群是對(duì)占據(jù)腸道內(nèi)數(shù)量和種類數(shù)以萬計(jì)的微生物群的總稱。腸菌總體數(shù)量是人體細(xì)胞總和的10 倍以上。微生物群在腸道不同部位的分布具有差異性，例如空腸在多樣性和密度方面主要支持革蘭氏陽性需氧菌和兼性厭氧菌的生長，包括乳酸桿菌、腸球菌和鏈球菌，而向回腸過渡時(shí)，好氧菌則占優(yōu)勢(shì)［7］。正是因?yàn)槟c道細(xì)菌分布的密度和類型不同，腸道區(qū)域敏感性對(duì)免疫應(yīng)答有著很大的影響［8］。腸道菌群和人體健康息息相關(guān)，不同生理狀態(tài)、疾病和飲食都會(huì)影響其構(gòu)成［9］。正常情況下，腸道微生物群與宿主處于平衡狀態(tài)，相互制約，相互作用。不僅能維持機(jī)體免疫穩(wěn)定，腸道微生物代謝產(chǎn)生的主要產(chǎn)物短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）還能及時(shí)給腸道提供營養(yǎng)，維持腸道正常的生理功能［10］。

2.2 HS 與腸道菌群失調(diào) HS 急性期因高熱、血容量不足、胃腸道缺血（胃腸道血液分流至皮膚和肌肉）、DIC 等有害因素，常造成腸壁水腫、腸腔積液甚至出血。發(fā)病3 d 內(nèi)HS 患者即可出現(xiàn)腸道損傷的臨床表現(xiàn)：惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉、水樣便等［1-2］。腸壁黏膜是機(jī)體和外界相通的最大界面，其構(gòu)成的黏膜屏障成為抵御外界有害物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)環(huán)境的第一防線。正常情況下，腸上皮細(xì)胞主要以緊密連接、縫隙連接、黏附連接等方式構(gòu)成腸道屏障的完整性［11］。熱應(yīng)激可損害腸道屏障，增加緊密連接的通透性，從而改變腸道菌群的多樣性［12］。Duracy 等［13］的研究表明，熱應(yīng)激會(huì)降低小鼠腸道厭氧/需氧細(xì)菌比例，有益菌減少，而溶血性細(xì)菌、葡萄球菌、大腸桿菌等病原菌數(shù)量增加。許多研究證實(shí)，小鼠在發(fā)生HS 時(shí)，腸道菌群多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)均降低，進(jìn)一步分析菌群結(jié)構(gòu)組成可知，HS 組擬桿菌門豐富度顯著升高，而厚壁菌門和變形菌門豐富度則明顯降低［14-15］。鏡下觀察到熱應(yīng)激打擊后腸腔黏膜受損、微絨毛丟失、細(xì)胞出現(xiàn)空泡化等現(xiàn)象［16］。長期高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)亦會(huì)導(dǎo)致腸通透性增高，造成腸道微生物種類多樣性減少，雙歧桿菌含量明顯下降［17］。這提示熱應(yīng)激與劇烈運(yùn)動(dòng)對(duì)于腸道屏障功能損害具有協(xié)同作用。

2.3 HS 致腸道菌群失調(diào)的分子機(jī)制 腸道屏障功能障礙是HS導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的重要機(jī)制。而腸道屏障主要由有活性的腸道上皮細(xì)胞及表達(dá)正常的緊密連接蛋白構(gòu)成。大量熱蓄積及運(yùn)動(dòng)可直接打開腸道緊密連接，增強(qiáng)黏膜通透性（圖1）。He 等［18］證實(shí)，熱應(yīng)激可通過下調(diào)腸道細(xì)胞骨架蛋白表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞骨架發(fā)生重組，從而提高腸道通透性。他們繼而利用相對(duì)和絕對(duì)定量同位素標(biāo)記技術(shù)（isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）證實(shí)了熱應(yīng)激誘導(dǎo)細(xì)胞骨架重組和炎癥反應(yīng)是通過激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信號(hào)通路而導(dǎo)致腸道損傷的。Yang 等［19］證明，熱應(yīng)激介導(dǎo)的氧化應(yīng)激通過抑制腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）軸下調(diào)豬支持細(xì)胞緊密連接蛋白o(hù)ccludin 和ZO-1 的表達(dá)。腸道緊密連接蛋白的下調(diào)使腸道內(nèi)皮細(xì)胞之間“縫隙”變大，革蘭氏陰性細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）大量釋放入血，造成內(nèi)毒素血癥。LPS 與宿主細(xì)胞膜表面的Toll 樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）結(jié)合，誘導(dǎo)一系列下游反應(yīng)，通過髓樣分化因子 88 依賴途徑發(fā)出信號(hào)，激活MAPK、NF-κB 等介導(dǎo)的信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)促炎因子如IL-1β、IL-6和TNF-α表達(dá)，造成組織損傷和腸道通透性增加［20］。

L-精氨酸是人體必需氨基酸，已有證據(jù)表明它可參與多種分子途徑，包括蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞遷移和免疫反應(yīng)等［21］。Huang 等［22］先前研究表明，在 HS 條件下L-精氨酸能促進(jìn)緊密連接蛋白的產(chǎn)生，保護(hù)腸道完整性。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究證實(shí)，L-精氨酸通過AMPK 依賴的方式促進(jìn)緊密連接如ZO-1 和claudin-1的表達(dá)來改善被熱應(yīng)激破壞的黏膜完整性［23］。

3 腸-肺軸在HS中的作用

3.1 腸-肺軸 腸道內(nèi)富含大量定殖菌群，起著維持器官功能、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和免疫調(diào)節(jié)的重要作用。當(dāng)腸道局部菌群發(fā)生變化時(shí)，不僅腸道功能和遠(yuǎn)隔臟器（肝、肺等）的免疫功能受到影響，肺部抵抗力也會(huì)減弱，肺部疾病的患病率增加；同樣的，當(dāng)肺部疾病發(fā)生時(shí)消化道也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的癥狀［24］。這種腸肺間的相互影響稱為腸-肺軸［25-26］。腸與肺不僅具有相同的胚胎起源，結(jié)構(gòu)上也有相似性。二者具有的黏膜結(jié)構(gòu)，既是多種微生物群的生存場所，也是構(gòu)成黏膜免疫系統(tǒng)保護(hù)機(jī)體免受病原體侵害的重要結(jié)構(gòu)［27］。

Figure 1. The mechanism of intestinal damage caused by exercise or heat stress. A：in the whole body，the thermoregulatory response shifts the splanchnic blood flow to the peripheral blood circulation，resulting in hypoxia in intestines and intestinal barrier dysfunction. B：at the cellular level，hyperthermia leads to disruption of intestinal epithelial integrity，mainly by affecting the tight junctions（TJs）and adherens junctions（AJs），which are responsible for sealing the paracellular space between adjacent cells. Damage to TJs and AJs facilitates the transfer of luminal toxins and pathogens（light blue bodies）through the epithelial barrier into the lamina propria，harboring numerous immune cells that are activated and contribute to the exaggeration of inflammatory reactions，which may further worsen the intestinal damage. ZO：zonula occludens protein.圖1 熱應(yīng)激/運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致腸道損傷的機(jī)制

腸-肺軸是一個(gè)可被雙向刺激、雙向調(diào)節(jié)的環(huán)路，腸內(nèi)刺激可轉(zhuǎn)移到肺，肺也可反饋給腸道［28-29］。正常腸道中的微生物群通過LPS 和SCFAs 來維持胃腸道和肺的免疫應(yīng)答［30］，而免疫細(xì)胞從腸到肺的遷移則被認(rèn)為是它們之間重要的聯(lián)系通路，遷移則又是借助淋巴細(xì)胞完成的，因此淋巴系統(tǒng)很可能是肺與腸之間“相互交流”的重要途徑［29］。關(guān)于腸-肺軸的相互作用，目前認(rèn)為可能與腸道微生物所影響的全身機(jī)體免疫系統(tǒng)改變有關(guān)（圖2）。

3.2 肺腸之間的聯(lián)系和影響 腸-肺軸表明腸道和肺臟在功能上相互為用且病變上相互影響，這一點(diǎn)早在中醫(yī)理論學(xué)說“肺與大腸相表里”中得到證實(shí)［31］，并經(jīng)驗(yàn)性地有效運(yùn)用在臨床上［32-33］。

當(dāng)機(jī)體受到熱應(yīng)激時(shí)，誘導(dǎo)產(chǎn)生一系列炎癥反應(yīng)，腸道血管通透性增加，細(xì)菌易位，最后形成膿毒癥。肺是細(xì)菌易位后最易受損的器官，從而也更容易導(dǎo)致急性肺損傷。李巖［34］在急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）大鼠模型的糞便樣本中檢測(cè)出腸道菌群梭菌門、幽門螺菌屬和羅氏菌屬數(shù)量減少，其菌門、屬的減少可能是腸道對(duì)ARDS 的發(fā)生作出的應(yīng)激反應(yīng)，提示腸、肺之間存在密切聯(lián)系。Dickson 等［35］利用菌群多樣性測(cè)序分析盲腸結(jié)扎穿孔法（cecal ligation and puncture，CLP）模型組及對(duì)照組小鼠肺部菌群來源的變化，結(jié)果顯示膿毒癥后肺部菌群明顯富含小鼠腸道相關(guān)細(xì)菌，包括擬桿菌、腸球菌和毛螺桿菌，并且肺部菌群的多樣性變化在第5 天達(dá)到峰值，隨著CLP 后時(shí)間的延長，肺部菌群多樣性差異逐漸減小，在2 周后恢復(fù)正常。鑒于膿毒癥后“腸道細(xì)菌向肺移位”的這一證據(jù)，作者利用同樣方法對(duì)ARDS 患者的支氣管肺泡灌洗液進(jìn)行測(cè)序，結(jié)果亦顯示富含腸道相關(guān)擬桿菌，且觀察到腸道擬桿菌的相對(duì)豐度與血清TNF-α 濃度之間存在顯著相關(guān)性。因此這些結(jié)果說明腸道菌群在膿毒癥和ARDS 的發(fā)病機(jī)制中具有潛在的共性，腸道菌群可能是肺與腸之間聯(lián)系的橋梁。

Figure 2. Gut-lung axis. Gut and lung are linked organs that can reciprocally influence their homeostasis. The gut microbiota dysbiosis is associated with lung health. A healthy intestinal microbiota maintains homeostatic local immune responses through exposure to structural ligands（e.g. LPS）and secreted metabolites（e.g.SCFAs）. Invading microorganisms and absorbed metabolites influence circulating lymphocytes and contribute to the regulation of systemic immune responses. When the gut microbiota is disturbed，the normal microbiota-derived signals are altered，which leads to changing immune response of the lung.圖2 腸-肺軸

關(guān)于腸道菌群及內(nèi)毒素易位的途徑還尚不明確。Jakobsson 等［36］用 LPS 法建立肺炎模型實(shí)驗(yàn)中提示肺部細(xì)菌可能是通過血液到達(dá)腸道。而最新提出的“腸系膜淋巴途徑”可能也參與熱應(yīng)激后腸源性活性因子TNF-α、IL-6、IL-1β 等炎癥因子的運(yùn)輸。腸系膜淋巴結(jié)被認(rèn)為是缺血后腸道毒性因子滲出物（如細(xì)菌和或內(nèi)毒素）進(jìn)入循環(huán)導(dǎo)致器官損傷的重要來源，在Tong 等［37］前期的研究中證實(shí)結(jié)扎腸系膜淋巴結(jié)有助于減輕HS 后人臍靜脈血管內(nèi)皮損傷，改善預(yù)后。肺是暴露于腸系膜淋巴通路的第一血管床。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)扎腸系膜淋巴管是否可減輕HS 導(dǎo)致的腸源性肺損傷，該作者利用結(jié)扎腸系膜淋巴管的方法來觀察大鼠血清炎癥因子和肺損傷的變化，結(jié)果顯示，與HS組相比，HS+結(jié)扎腸系膜淋巴管組大鼠血漿促炎細(xì)胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和高遷移率族蛋白B1的水平明顯降低，肺損傷評(píng)分也顯著降低，肺功能得到改善，但未降至正常水平，從而更進(jìn)一步證實(shí)結(jié)扎腸系膜淋巴管可在一定程度上減輕大鼠HS肺損傷，包括保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞、改善凝血功能及PaCO2、PaO2、動(dòng)脈血pH等肺功能指標(biāo)。但需提出的是，此實(shí)驗(yàn)僅可延緩HS 的發(fā)病時(shí)間，如HS+結(jié)扎腸系膜淋巴管組的發(fā)病時(shí)間比HS組平均遲8.4 min，但生存時(shí)間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，表明HS 的致病機(jī)制復(fù)雜，腸系膜淋巴源性損傷只是其中之一［38］?！澳c系膜淋巴途徑”同樣見于急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）腸道菌群易位導(dǎo)致的肺損傷機(jī)制中［39］。AP常伴有腸屏障功能受損，菌群易位、紊亂，特點(diǎn)為有害菌（大腸埃希菌、腸桿菌等）增多并伴有益菌（雙歧桿菌、糞桿菌等）減少，造成遠(yuǎn)隔器官（如肺）衰竭，形成“二次打擊”［40-41］。Pan等［42］在AP模型小鼠注射腸道菌群代謝產(chǎn)物丁酸后觀察到血清IL-6、TNF-α 等炎癥因子降低，中性粒細(xì)胞浸潤減少，肺損傷減輕。腸道菌群代謝產(chǎn)物通過介導(dǎo)TLR4 途徑來調(diào)節(jié)下游NF-κB、IL-6等炎癥因子水平，從而減輕LPS 誘導(dǎo)的急性肺損傷［43］，說明腸道菌群能通過TLR4 途徑來減輕肺損傷。HS的肺-腸軸機(jī)制目前尚不清楚，而腸道菌群參與AP相關(guān)性肺損傷的發(fā)現(xiàn)，可為以后HS的發(fā)病機(jī)制及進(jìn)一步的微生物治療研究提供參考資料。

在其他疾病，也有研究表明腸和肺之間存在相互作用。例如，慢性阻塞性肺疾病患者的腸通透性增高，其潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病的患病率升高［44］；新型冠狀病毒通過血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2（angiotensinconverting enzyme 2，ACE2）進(jìn)入細(xì)胞，而ACE2 在肺和回結(jié)腸上皮細(xì)胞中呈高度表達(dá)［45］。上述研究說明腸和肺之間相互影響，腸病傷及肺，肺病亦致腸損傷，而腸道菌群有可能則是它們相互聯(lián)系的基礎(chǔ)。這一理論為HS的腸-肺軸機(jī)制研究打下基礎(chǔ)。

4 總結(jié)

綜上所述，腸作為HS 發(fā)病過程中重要的受損器官之一，在HS 發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。早期快速降溫和積極液體復(fù)蘇是HS 救治的關(guān)鍵，是減輕和防止胃腸損傷，阻斷病程進(jìn)展的重要措施［1］。保護(hù)腸道，盡早腸內(nèi)營養(yǎng)，可避免腸道進(jìn)行性損傷加重、大量細(xì)菌釋放入血導(dǎo)致的二次打擊乃至膿毒癥休克。此外，腸在指導(dǎo)免疫反應(yīng)方面發(fā)揮著重要作用，腸道內(nèi)代謝物，如SCFAs 等，隨血流釋放到各臟器可發(fā)揮抗感染的特性［46］。目前菌群與宿主之間的影響，以及局部菌群與遠(yuǎn)端器官的交叉影響仍處于研究的初始階段，腸-肺軸間的相互作用具體涉及哪些細(xì)胞與因子仍未可知。因此有必要進(jìn)一步探索HS 發(fā)病機(jī)制、腸肺損傷特點(diǎn)及腸-肺軸相互作用機(jī)制，在此基礎(chǔ)上探索新的治療途徑，將會(huì)對(duì)HS 的治療及預(yù)后改善起到重要作用。