腸道菌群在炎性腸病中的研究進展

張嘉峻，李文璇，崔馨方，周方

(1.鄭州大學(xué)附屬兒童醫(yī)院消化內(nèi)科，鄭州 450018; 2.鄭州大學(xué)醫(yī)學(xué)院，鄭州 450052)

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一組病因尚未闡明的慢性非特異性腸道炎癥性疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病[1]。目前關(guān)于IBD的確切發(fā)病機制尚無定論，但普遍認為IBD的發(fā)病與遺傳易感性、免疫反應(yīng)失衡、環(huán)境因素以及腸道菌群等有關(guān)。近年來，我國IBD的發(fā)病率逐年升高，遷延的病程和不良的預(yù)后嚴重影響了患者的工作和生活[2]。

腸道菌群是定植在人體腸道內(nèi)的一大類共生微生物群，正常情況下參與腸道的代謝、營養(yǎng)、屏障以及免疫等生理活動，維持正常的機體穩(wěn)態(tài)，與機體處于互利共生的平衡狀態(tài)。隨著對腸道菌群研究的深入發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)與IBD的發(fā)生有著密切且又復(fù)雜的聯(lián)系。腸道菌群的組成或多樣性發(fā)生變化時會導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)，進而影響腸道正常的代謝過程，擾亂腸道免疫系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)，促進或誘導(dǎo)疾病的發(fā)生、發(fā)展[3]。氨基水楊酸類、糖皮質(zhì)激素、免疫抑制劑以及生物制劑等是治療IBD的常用藥物，近年來改善菌群紊亂的微生態(tài)制劑(益生菌、益生元等)也逐漸用于IBD的治療[4]?，F(xiàn)就腸道菌群與IBD的研究進展予以綜述，以期為IBD的診治提供參考。

1 腸道菌群

人體腸道中存在多種多樣的微生物，包括細菌、病毒、真菌等[5]，這些微生物與宿主處于相互影響的共生狀態(tài)，構(gòu)成了腸道內(nèi)復(fù)雜而又穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)。個體遺傳和環(huán)境因素影響腸道微生物的同時，腸道微生物在營養(yǎng)、代謝、宿主防御等方面具有一些宿主難以實現(xiàn)的功能。

1.1腸道菌群構(gòu)成 在大部分健康個體中，腸道微生物以細菌為主，種類有500余種，數(shù)量可達1014個，絕大部分腸道細菌為專性厭氧菌，主要由厚壁菌門、擬桿菌門兩大菌門組成，其次是變形菌門和放線菌門[1,3,6]。根據(jù)腸道菌群與人體腸道的關(guān)系，可分為有益菌、條件致病菌、致病菌三類[6]。有益菌(乳桿菌、雙歧桿菌、產(chǎn)丁酸菌等)作為腸道的優(yōu)勢菌群，在促進腸道代謝方面有積極作用；條件致病菌(如埃希桿菌、腸球菌、普雷沃菌)在正常情況下可維護腸道功能穩(wěn)態(tài)，但在一定條件下如腸道菌群失調(diào)時會誘發(fā)疾病；致病菌(變形桿菌、沙門菌等)多是外來侵襲性細菌，會抑制正常腸道菌群的功能，破壞腸黏膜，誘發(fā)慢性炎癥，從而導(dǎo)致疾病發(fā)生[7]。隨著人體的生長發(fā)育，腸道菌群也發(fā)生著動態(tài)變化：嬰幼兒期，腸道處于無菌狀態(tài)，隨后厭氧菌(雙歧桿菌、腸桿菌等)開始定植于腸道內(nèi)；至2歲時，腸道菌群的組成和多樣性開始與成人接近，且優(yōu)勢菌群也會隨著年齡的增加、飲食習(xí)慣及環(huán)境等的改變而變化[8-9]。

1.2腸道菌群功能 在腸道微生物基因多樣性背景下，腸道菌群可以輔助機體消化食物，并產(chǎn)生相應(yīng)的代謝產(chǎn)物參與維持腸道健康。此外，胃腸道是與外界相通的器官，有更多的機會發(fā)生病原菌侵入，而腸道菌群具有拮抗病原菌的作用，并作為刺激源促進腸黏膜免疫系統(tǒng)發(fā)育。

1.2.1營養(yǎng)代謝功能 腸道菌群的基因多樣性提供了不同于宿主自身代謝活動的各種酶和生化途徑，使其可通過酵解的方式對不可消化的碳水化合物(如抗性淀粉、果膠、纖維素)進行代謝，產(chǎn)生能量供給機體和微生物本身，并生成短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)，此外腸道微生物對蛋白質(zhì)的厭氧代謝也會產(chǎn)生SCFAs[10]。SCFAs中的丙酸鹽和丁酸鹽可調(diào)節(jié)腸道的生理和免疫功能，乙酸鹽可作為糖異生和脂肪生成的底物，同時SCFAs有促進腸上皮細胞增殖和分化的功能[10-11]。有研究表明，SCFAs有益于改善胰島素敏感性[11]，2型糖尿病患者體內(nèi)產(chǎn)生丁酸鹽的細菌數(shù)量明顯減少[12]。此外，腸道菌群也參與維生素的代謝，可以促進維生素K、葉酸和煙酸的合成，并可通過調(diào)節(jié)成纖維細胞生長因子-23的表達參與維生素D在體內(nèi)的代謝過程[13-14]。

1.2.2屏障保護功能 腸黏膜屏障由上皮細胞和杯狀細胞分泌的黏液層組成，含有共生細菌。腸黏膜屏障是抵御腸道病原微生物群的第一道防線，其中腸上皮細胞構(gòu)建的化學(xué)和物理屏障將腸道微生物群與腸黏膜免疫細胞隔離，以避免異常的免疫反應(yīng)，進而建立共生互利的關(guān)系。同時，腸道菌群也可通過多種機制維持屏障功能穩(wěn)態(tài)，如鼠李糖乳桿菌通過促進杯狀細胞產(chǎn)生黏液及增加緊密連接蛋白Occludin和上皮鈣黏素的表達水平增強腸黏膜屏障功能[15]，嗜酸乳桿菌和多形擬桿菌可抑制細胞因子誘導(dǎo)的腸黏膜通透性增加，嗜熱鏈球菌UASt-09可促進黏蛋白和抗微生物肽的合成，以改善腸黏膜屏障功能[16]。此外，腸道菌群代謝產(chǎn)生的SCFAs也可通過促進腸上皮細胞的增殖、分化以及隱窩結(jié)構(gòu)的形成，調(diào)節(jié)腸道屏障功能[17]。另一方面，腸道菌群本身也可以抵抗外來病原微生物的入侵，起到一定的防御保護作用。非致病細菌可在腸上皮細胞的刷狀邊緣爭奪附著位點，從而防止侵襲性細菌附著和侵入腸上皮細胞，而無菌動物則非常容易感染；同時，腸道有益菌也會通過相互競爭營養(yǎng)物質(zhì)和細菌素的分泌，抑制其他致病菌的入侵。

1.2.3免疫功能 作為人體重要的淋巴器官，腸道相關(guān)淋巴組織包含人體最大的免疫細胞群，其免疫功能的建立和發(fā)揮也受腸道菌群的影響[2]。腸黏膜上皮細胞通過模式識別受體(包括Toll樣受體和NOD樣受體)識別微生物群表達的微生物相關(guān)分子模式[18]，激活先天免疫系統(tǒng)，導(dǎo)致核因子κB和炎癥通路激活，從而刺激促炎性細胞因子和趨化因子產(chǎn)生，進而增強組織的穩(wěn)態(tài)和黏膜耐受性。與正常動物相比，無菌動物腸黏膜中的淋巴細胞密度、派伊爾斑大小和數(shù)量以及血液免疫球蛋白水平均偏低，而暴露于腸腔內(nèi)微生物后，生發(fā)中心在濾泡和固有層中迅速出現(xiàn)，淋巴細胞數(shù)量和免疫球蛋白水平顯著升高[19]。腸道微生物的定植可刺激淋巴濾泡和腸系膜淋巴結(jié)發(fā)育和成熟，促進產(chǎn)分泌型免疫球蛋白B細胞的成熟，以及誘導(dǎo)T細胞分化和修復(fù)免疫系統(tǒng)的異常[20]，如益生菌唾液乳桿菌Ls33和鼠李糖乳桿菌Lr32可通過Toll樣受體2受體和NOD2受體依賴通路，誘導(dǎo)樹突狀細胞生成吲哚胺2，3-雙加氧酶，進而促進CD4+CD25+T細胞分化[21]。此外，腸道菌群的代謝產(chǎn)物也具有免疫調(diào)節(jié)活性，如SCFAs可誘導(dǎo)上皮細胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)化生長因子-β而促進調(diào)節(jié)性T細胞的增殖和分化，乳酸鹽通過影響固有層的巨噬細胞而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)活性[10]。部分細菌屬(如雙歧桿菌屬、乳桿菌屬和糞桿菌屬)也具有抑制炎癥通路激活和巨噬細胞產(chǎn)生促炎性細胞因子的作用[22]。

2 菌群失調(diào)與IBD

目前，全基因組研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多個IBD易感基因，其中部分基因產(chǎn)物可以感知和影響腸道微生物的變化，并可通過自噬途徑清除病原微生物，保證機體腸道微生態(tài)平衡。當這些基因發(fā)生突變時，微生物感知能力和細菌清除能力受損，腸道菌群構(gòu)成發(fā)生改變而出現(xiàn)紊亂，進一步破壞腸黏膜屏障功能，并出現(xiàn)腸道黏膜免疫失衡，從而增加IBD的發(fā)生風險。

2.1腸道菌群變化 盡管IBD的病因尚不清楚，但多項研究發(fā)現(xiàn)IBD患者存在腸道菌群紊亂現(xiàn)象，且菌群失調(diào)也參與了IBD炎癥的發(fā)生和發(fā)展[19,23-24]。Vich Vila等[5]對355例IBD患者的糞便樣本進行高分辨率宏基因組測序發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)丁酸鹽細菌減少，有益菌株多樣性減少，而大腸埃希菌、志賀菌等機會致病菌株增加，且部分編碼抗生素抗性蛋白基因的細菌豐度增加。與健康個體相比，IBD患者腸道共生細菌多樣性減少，尤其是厚壁菌門和擬桿菌門減少，而腸桿菌、放線菌和變形菌等侵襲性致病菌相對增加[3]。有研究者在UC患者的回腸結(jié)腸活檢標本中分離出黏附-侵襲性大腸埃希菌菌株[23]。此外，在腸道菌群紊亂的背景下，侵襲性細菌和細菌毒素可侵犯入血，部分IBD患者血清樣本中艱難梭菌、沙門菌和金黃色葡萄球菌等細菌毒素水平顯著升高[24]?？傊?，IBD患者腸道菌群的正常比例發(fā)生變化，腸道微生態(tài)的不穩(wěn)定性升高，其紊亂失調(diào)主要體現(xiàn)在菌群組成和多樣性改變兩方面，表現(xiàn)為有益菌種類和數(shù)量的減少，而機會致病菌和致病菌的顯著增加。

2.2屏障功能障礙 在IBD患者腸道微生態(tài)失衡和IBD易感基因突變的背景下，機體腸道防御和免疫功能發(fā)生失調(diào)，腸黏膜的完整性和滲透性發(fā)生改變，其中益生菌的減少和致病菌的增加可能是導(dǎo)致腸黏膜屏障功能障礙的兩個主要途徑[1,19]。

2.2.1有益菌的減少 腸道菌群在正常情況下有利于腸黏膜屏障功能的發(fā)揮，當益生菌的數(shù)量和多樣性減少時，正常的代謝功能不能完全發(fā)揮，如SCFAs生成減少導(dǎo)致對黏液分泌的促進作用以及下調(diào)炎癥細胞因子的作用減弱[10]。有研究發(fā)現(xiàn)，活動性UC患者的結(jié)腸黏液中黏蛋白顯著減少[25]，導(dǎo)致腸黏膜屏障缺陷，從而引起腸道細菌的入侵和免疫的過度激活，最終導(dǎo)致腸黏膜損傷、感染及炎癥。此外，益生菌的功能受到抑制也會導(dǎo)致抗菌肽生成減少以及對致病菌的競爭作用減弱[17,20]，這進一步加劇了致病菌的侵襲作用。

2.2.2致病菌的增加 IBD患者腸道內(nèi)致病菌增多，一方面，由于腸道屏障功能缺陷，致病菌更易浸潤腸道黏膜和損傷腸上皮細胞，從而引發(fā)腸道炎癥；另一方面，致病菌的侵襲性和毒素也會進一步破壞腸道屏障功能。在黏膜屏障功能障礙的基礎(chǔ)上，一些機會致病菌會表現(xiàn)出一定的致病能力，如大腸埃希菌、志賀菌等可侵入腸黏膜上皮，導(dǎo)致結(jié)腸潰瘍和血性腹瀉，大腸埃希菌可能參與誘導(dǎo)克羅恩病肉芽腫的形成[26-27]。Rhee等[28]通過口服產(chǎn)腸毒素的脆弱芽孢桿菌誘導(dǎo)小鼠腸黏膜通透性增加，之后小鼠出現(xiàn)持續(xù)性結(jié)腸炎表現(xiàn)，并提出上皮屏障功能障礙可能先于黏膜炎癥的發(fā)生。通過對IBD患者的腸黏膜進行熒光原位雜交分析發(fā)現(xiàn)，黏膜相關(guān)黏附性細菌的豐度增加，這些病原菌的增加可能會誘導(dǎo)炎癥細胞因子的產(chǎn)生，引起腸黏膜通透性增加，進而誘發(fā)細菌移位，加劇炎癥反應(yīng)，同時多種致病菌產(chǎn)生的毒素也更易通過屏障功能受損的腸黏膜進入血液循環(huán)，引發(fā)相關(guān)全身癥狀，并參與IBD的進程[1,24]。

2.3菌群失調(diào)與免疫 在菌群紊亂和腸道屏障功能缺陷的基礎(chǔ)上，大量侵襲性致病菌和免疫細胞浸潤到腸道固有層，并在局部組織產(chǎn)生高水平的促炎性細胞因子，如白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-6、IL-18、腫瘤壞死因子-α、γ干擾素等，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)過度激活，進而驅(qū)動炎癥反應(yīng)的發(fā)生[29]；同時IBD患者對腸道菌群的免疫耐受受限，腸黏膜分泌的抗廣譜共生細菌的免疫球蛋白G型抗體增加，而免疫球蛋白G激活補體和炎癥介質(zhì)級聯(lián)反應(yīng)介導(dǎo)的免疫炎癥反應(yīng)會進一步損傷腸黏膜[30]。腸道菌群紊亂也會引起T細胞分化異常。正常情況下，幼稚T細胞在抗原呈遞細胞產(chǎn)生的效應(yīng)細胞因子調(diào)控下分化為輔助性T細胞(helper T cell,Th細胞)1、Th2、Th17和調(diào)節(jié)性T細胞，而腸道菌群失調(diào)會打破腸道Th17細胞和調(diào)節(jié)性T細胞的平衡。Britton等[31]將來自健康和IBD供體的腸道微生物群定植到無菌小鼠上，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與定植健康供體微生物群的無菌小鼠相比，定植IBD供體微生物群的無菌小鼠腸道中的Th17細胞和Th2細胞數(shù)量明顯增加，而調(diào)節(jié)性T細胞數(shù)量減少。其中，Th17細胞被認為在IBD的發(fā)病機制中具有關(guān)鍵作用，其分泌的IL-17(如IL-17A和IL-17F)是強促炎性細胞因子，通過激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄活化因子3信號通路，刺激強烈的慢性免疫炎癥反應(yīng)發(fā)生[32]。調(diào)節(jié)性T細胞在保持免疫穩(wěn)態(tài)和建立對非致病性抗原(如共生細菌)的免疫耐受方面起關(guān)鍵作用，其通過表達叉頭框轉(zhuǎn)錄因子P3抑制Th17型相關(guān)細胞因子的表達，進而表現(xiàn)出抗炎活性，因此調(diào)節(jié)性T細胞功能的衰竭也參與了IBD的發(fā)生發(fā)展[33-34]。

3 腸道菌群調(diào)節(jié)與IBD治療

目前IBD的治療藥物仍以糖皮質(zhì)激素、氨基水楊酸類、免疫抑制劑以及生物制劑為主[4]，但隨著對腸道菌群研究的深入，旨在改善菌群失調(diào)的益生菌、益生元、腸道糞菌移植(faecal bacteria transplantation，F(xiàn)MT)等治療方式也逐漸應(yīng)用于IBD的臨床治療。

3.1益生菌 益生菌是對人體健康有益的一類微生物，可以是非腸道定居菌。目前多種乳制品中含有益生菌補充劑，如雙歧桿菌、唾液乳桿菌以及由多種菌株組合而成的細菌制劑VSL#3、大腸埃希菌Nissle 1917等[35]。對于IBD患者，益生菌具有調(diào)節(jié)黏膜免疫和炎癥反應(yīng)的功能，有助于維持腸道微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)，對緩解疾病活動度和降低復(fù)發(fā)率有一定的有益作用。Matsuoka等[36]研究顯示，與使用安慰劑相比，口服雙歧桿菌發(fā)酵乳可以維持靜止期UC患者的疾病緩解率。另一項臨床對照試驗顯示，采用布拉酵母菌聯(lián)合美沙拉嗪治療的活動期克羅恩病患者臨床緩解率高于單獨使用美沙拉嗪的患者[37]。在一項涉及327例IBD患者的雙盲、隨機試驗中，口服大腸埃希菌Nissle 1917組和口服美沙拉嗪組停藥后的復(fù)發(fā)率相似[38]。以上研究表明，益生菌在一定程度上可作為美沙拉嗪的輔助或替代治療，用于緩解IBD活動期病情和降低靜止期疾病復(fù)發(fā)率。

3.2益生元 益生元是人體腸酶不可消化的碳水化合物，常見的益生元產(chǎn)品有菊粉、瓜爾豆膠、低聚半乳糖、低聚果糖等，其可被腸道有益菌利用以提供能量，產(chǎn)生SCFAs等代謝產(chǎn)物，調(diào)節(jié)腸道酸堿度，促進巨噬細胞分泌免疫球蛋白A，拮抗病原微生物，直接或間接促進腸道有益菌生長，改善腸道微生態(tài)[39]。有研究者采用UC大鼠評價杭白菊多糖對腸道菌群的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大鼠腸道內(nèi)有益菌多樣性增加，而條件致病菌多樣性降低，抗炎性細胞因子(如IL-4、IL-10、IL-11)增加，促炎性細胞因子(如IL-17、IL-1β、γ干擾素)減少[7]。提示益生元改善腸道微生態(tài)的重要機制可能是促進腸道有益菌群生長以及調(diào)節(jié)腸黏膜免疫功能。

3.3FMT 在公元4世紀我國就有類似糞菌移植的相關(guān)記載，即通過口服人類糞便懸浮液以治療食物中毒或嚴重腹瀉[40]。FMT是將健康供體糞便中的功能菌群通過上消化道或下消化道移植到患者腸道內(nèi)，旨在恢復(fù)患者腸道菌群的穩(wěn)態(tài)以改善疾病轉(zhuǎn)歸，其是近年來興起的一種腸道微生態(tài)治療手段。目前已有多項關(guān)于FMT治療IBD患者安全性和有效性的研究，且接受FMT治療UC組患者的臨床緩解率高于安慰劑組[41-42]。一項關(guān)于FMT治療IBD的Meta分析表明，F(xiàn)MT是治療IBD的一種安全有效的方法，新鮮或冷凍的供體糞便、分娩方式和抗生素預(yù)處理與否對FMT治療IBD的效果無影響，且FMT在中重度IBD患者中具有更高的臨床緩解率[43]。FMT治療后對患者糞便樣品進行16S核糖體RNA測序發(fā)現(xiàn)，患者腸道菌群組成變化趨勢傾向于供體，且多樣性有所增加[44]。也有研究認為，產(chǎn)丁酸鹽細菌的補充可能是FMT治療有效的關(guān)鍵因素之一[45]。目前關(guān)于FMT治療嚴重不良反應(yīng)的報道較少，僅發(fā)生過一些輕度或自限性不良反應(yīng)，如腹痛、發(fā)熱、腹瀉，但長期安全性需要進一步研究[46]。

4 展 望

IBD的發(fā)病涉及遺傳、免疫反應(yīng)、環(huán)境等多個因素，但其確切發(fā)病機制尚未完全闡明。腸道菌群在維持腸道功能穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用，腸道菌群組成和功能的改變可通過影響代謝、免疫及腸黏膜屏障功能等方面參與IBD的發(fā)生發(fā)展。腸道菌群與IBD錯綜復(fù)雜的關(guān)系還有待進一步的研究，如腸道菌群紊亂與IBD發(fā)生是否存在先后因果關(guān)系，哪些特定菌群種類在IBD發(fā)病中起重要作用，宿主遺傳易感性和腸道菌群是否存在關(guān)聯(lián)，腸道菌群紊亂影響IBD的潛在分子生物學(xué)機制。對以上問題的探討有助于進一步了解IBD的發(fā)病機制以及尋找新的治療靶點。此外，腸道菌群組成與IBD的分型、病情嚴重程度以及預(yù)后評估的關(guān)系或許可以成為未來臨床研究的方向。關(guān)于微生物療法，益生菌、益生元等制劑治療已經(jīng)取得了較好的療效，如何選擇合適的菌株和開展個性化治療成為未來研究的重點；而FMT雖有一定的療效，但長期安全性如對免疫功能的影響和潛在感染等仍需要更多的臨床試驗進行研究。