膿毒癥與腸道微生物相互作用的研究進(jìn)展

白圓圓 董貝貝 于泳浩

天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院麻醉科，天津 300052

膿毒癥是由潛在或感染等因素引起的全身炎癥反應(yīng)，可誘發(fā)感染性休克及多器官功能障礙危及生命。全球每年有超過(guò)1000 萬(wàn)嚴(yán)重膿毒癥病例，每天約14 000 人死于膿毒癥[1]。膿毒癥不僅嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量，而且給患者及其家庭帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[2]。除了抗生素和全身支持治療以外，目前尚無(wú)有效的治療方法，因此膿毒癥的發(fā)病率和死亡率至今居高不下。腸道微生物參與了膿毒癥的發(fā)生發(fā)展過(guò)程，可能成為膿毒癥潛在治療靶點(diǎn)[3]。本文將綜述腸道微生物群與膿毒癥相互作用的相關(guān)研究進(jìn)展。

1 腸道微生物群對(duì)膿毒癥的影響

1.1 腸道微生物群的破壞影響宿主對(duì)膿毒癥及相關(guān)器官功能障礙的易感性

雖然關(guān)于腸道微生物群的變化對(duì)成人膿毒癥的易感性的影響尚缺乏系統(tǒng)完善的總結(jié)，但一項(xiàng)早期研究已經(jīng)證明了腸道微生物群的定植和易位在術(shù)后膿毒癥中的致病作用，即腸道菌群多樣性降低、致病性革蘭氏陰性菌和腸球菌相對(duì)豐度較高的患者膿毒癥的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)更高[4-6]。

此外，腸道微生物多樣性的變化也影響動(dòng)物模型中宿主對(duì)膿毒癥的反應(yīng)。在一項(xiàng)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中[7]，來(lái)自不同供應(yīng)商，基因相同的小鼠卻具有組成不同的腸道微生物群落（即β 多樣性）和不同數(shù)量的多樣性（即α多樣性），且α 多樣性較大的比α 多樣性較低的膿毒癥小鼠存活率更高，而共居后因達(dá)到了α 和β 兩組間多樣性的平衡，生存率顯著提高。將膿毒癥存活小鼠的腸道微生物通過(guò)糞便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）給易感膿毒癥小鼠時(shí)，其發(fā)病率顯著降低[8]。膿毒癥的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中[9]發(fā)現(xiàn)，腸道微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性的失衡對(duì)膿毒癥的死亡率產(chǎn)生不利影響[10-11]。

許多小鼠模型已經(jīng)證明了“腸-器官軸”的存在，例如“腸-肺軸”和“腸-腦軸”等[12]。除了細(xì)胞因子，這些軸可能與腸道微生物相關(guān)分子模式（microorganism-associated molecular patterns，MAMPs）如脂多糖、肽聚糖和鞭毛蛋白，以及微生物衍生的代謝物相關(guān)，這些代謝物能夠從腸道轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)處器官，可能通過(guò)調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞增強(qiáng)促炎反應(yīng)，起到多器官保護(hù)作用[12-13]。但是，一旦發(fā)生腸道菌群失調(diào)和腸黏膜屏障完整性和通透性破壞，將增加腸道MAMPs 向腸系膜淋巴組織中轉(zhuǎn)移，從而引起各種系統(tǒng)疾病的發(fā)生和發(fā)展[14-15]。

在人體中，腸道微生物群的破壞是否會(huì)加重膿毒癥及其結(jié)局現(xiàn)仍不清楚[16]。腸道微生物可能是調(diào)節(jié)全身性膿毒癥炎癥反應(yīng)綜合征的眾多因素之一，但需要更多的研究來(lái)闡明腸道微生物參與膿毒癥發(fā)生發(fā)展的具體調(diào)控機(jī)制。

1.2 腸道微生物影響宿主對(duì)膿毒癥的易感性的相關(guān)機(jī)制研究

1.2.1 條件致病菌的激活 在保護(hù)性共生菌群存在的情況下，存在于健康宿主腸道內(nèi)的具有潛在致病性的細(xì)菌（即致病菌）可能無(wú)法增殖并引起疾病，但保護(hù)性菌群的缺失會(huì)引起致病菌的大量增殖[17-18]。在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，喂食高脂飼料或正常脂肪飼料的小鼠被給予廣譜抗生素后行肝部分切除術(shù)。結(jié)果顯示，與喂食正常飼料[19]的小鼠比較，高脂飲食的小鼠腸道微生物群的微生物多樣性降低，術(shù)后生存率下降，多重耐藥性革蘭氏陰性菌數(shù)量增多，腸道細(xì)菌傳播更多，死亡率更高。因此，腸道微生物多樣性的減少可能導(dǎo)致腸道菌群易位，引起致病菌的大量繁殖，破壞腸道保護(hù)屏障，增加機(jī)體對(duì)疾病的易感性。

1.2.2 宿主免疫反應(yīng)的改變 微生物對(duì)宿主免疫反應(yīng)的影響始于新生兒時(shí)期腸道微生物在消化道的定植此后可以改善宿主免疫功能障礙，使其對(duì)膿毒癥的易感性降低[4]。由于T 細(xì)胞對(duì)特定細(xì)菌抗原的反應(yīng)性提高，當(dāng)膿毒癥存活小鼠暴露于與其腸道定植菌群相似的膿毒癥致病細(xì)菌時(shí)，其預(yù)后顯著改善[20]。腸道微生物同樣影響宿主的體液免疫[21]：根據(jù)細(xì)菌同源性特征，共生菌群直接產(chǎn)生IgA，在之后宿主對(duì)膿毒癥的免疫反應(yīng)中起到保護(hù)作用。上述結(jié)果表明，腸道微生物群“啟動(dòng)”免疫系統(tǒng)，包括細(xì)胞免疫和體液免疫，從而改善機(jī)體對(duì)膿毒癥的免疫反應(yīng)。

然而，膿毒癥發(fā)生后，腸道微生物豐度降低，包括腸道真菌和/或真菌分子的豐度，艾克曼菌屬和毛螺旋菌屬相對(duì)豐度及運(yùn)動(dòng)預(yù)處理（與腸道微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度的差異有關(guān)），會(huì)影響宿主的免疫炎癥反應(yīng)，從而在膿毒癥發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[8-10,22-26]。

1.2.3 有益微生物代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量減少 已有報(bào)道[4]稱(chēng)腸道微生物群產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）能夠調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境。數(shù)據(jù)顯示[27]，產(chǎn)生短鏈脂肪酸丁酸鹽的細(xì)菌的豐度較低可能是膿毒癥發(fā)生的危險(xiǎn)因素[28]。急性口服丁酸可抑制小鼠下丘腦促食欲素神經(jīng)元的活動(dòng)，抑制孤束核和迷走神經(jīng)背側(cè)復(fù)合體的神經(jīng)元活動(dòng)，提示丁酸對(duì)腸-腦神經(jīng)回路有動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用[29]。在體外，丁酸刺激大鼠小膠質(zhì)細(xì)胞和海馬細(xì)胞可以降低LPS 誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，但在小鼠小膠質(zhì)細(xì)胞中，它表現(xiàn)出促炎作用[14]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)缺乏腸道內(nèi)SCFAs（包括乙酸、丙酸和丁酸）以及相關(guān)腸道擬桿菌屬和毛螺旋菌屬小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞形態(tài)和基因表達(dá)均發(fā)生了變化，但通過(guò)外源性給予SCFAs 后，小膠質(zhì)細(xì)胞免疫缺陷得到了顯著改善[30]。

由此可見(jiàn)，腸道菌群的改變可誘發(fā)膿毒癥的機(jī)制，可能與致病菌的增殖，免疫反應(yīng)失調(diào)，有益于SCFAs的產(chǎn)生減少有著密切的關(guān)聯(lián)。

2 膿毒癥對(duì)腸道微生物群的影響

2.1 膿毒癥加重腸道微生物群的破壞

腸道菌群不僅影響膿毒癥發(fā)病前宿主對(duì)膿毒癥的易感性，膿毒癥的病理進(jìn)程也會(huì)進(jìn)一步加重宿主腸道菌群結(jié)構(gòu)的異常。已有一篇關(guān)于膿毒癥對(duì)腸道微生物潛在影響的綜述發(fā)表在了《柳葉刀》雜志[31]。膿毒癥患者胃腸動(dòng)力受損，腸上皮完整性被破壞，導(dǎo)致“有益”厭氧菌的喪失（如毛螺菌科和瘤胃球菌科），進(jìn)一步加重了腸上皮功能的損害，并引起機(jī)會(huì)致病菌的擴(kuò)張和潛在移位[12]。同時(shí)，研究者們發(fā)現(xiàn)膿毒癥對(duì)微生物群的影響不僅限于胃腸道，還影響到了其他組織器官，如肺部和皮膚微生物群的組成[31]。在一項(xiàng)臨床研究認(rèn)為膿毒癥患者的糞便中SCFAs 較少[4]，可能會(huì)加重膿毒癥患者的腸道上皮完整性破壞和免疫功能障礙[3-4]。幾項(xiàng)前瞻性隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn)，膿毒癥患者腸道微生物多樣性減少與潛在致病菌相對(duì)豐度較高存在相關(guān)性[4,24]。

2.2 膿毒癥的腸道微生物與終末器官損傷

膿毒癥通過(guò)多種機(jī)制影響終末器官損傷，包括“腸-器官軸”中腸道微生物結(jié)構(gòu)和功能的改變。膿毒癥患者腸上皮細(xì)胞凋亡和壞死，導(dǎo)致腸黏膜屏障嚴(yán)重受損，使得大量細(xì)菌和毒素經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)移至腸外器官，進(jìn)一步加重機(jī)體免疫紊亂，最終可能引起多器官功能衰竭。膿毒癥小鼠的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，腸道微生物來(lái)源的SCFAs 對(duì)急性腎損傷具有保護(hù)作用[32]，同樣，膿毒癥小鼠腸道微生物對(duì)盲腸結(jié)扎穿刺法誘導(dǎo)的膿毒癥小鼠的死亡和肝損傷也具有重要的保護(hù)作用[8]。腸道微生物還可以通過(guò)調(diào)節(jié)宿主炎癥反應(yīng)間接影響譫妄的發(fā)生，在膿毒癥誘發(fā)譫妄的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中報(bào)道了腸源性細(xì)菌易位到膿毒癥患者的大腦中，使膿毒癥小鼠的微生物群多樣性下降，引起認(rèn)知功能障礙[26,33]。由于腸道微生物通過(guò)“腸-腦軸”調(diào)節(jié)中樞神經(jīng)系統(tǒng)[12]，因此細(xì)菌易位也可能與膿毒癥的急性神經(jīng)炎有關(guān)。更加意外的是，肺部未受侵的膿毒癥小鼠的肺部微生物群中富集了腸道特異性細(xì)菌（主要是擬桿菌屬）[34]。

3 基于微生物的雙向治療

3.1 選擇性腸道去污、益生菌及其制劑

在過(guò)去的30 年里，關(guān)于靶向腸道微生物改善危重患者的預(yù)后研究取得了顯著進(jìn)展。選擇性腸道去污（selective decontamination of the digestire tract，SDD）是指使用不被腸道吸收的抗生素清除腸道內(nèi)定植菌群，抑制腸道條件致病菌增殖，在一定程度上減少腸道菌群易位的發(fā)生[35]。

益生菌，即具有潛在有益特性的細(xì)菌，是研究最多的預(yù)防膿毒癥和改善膿毒癥預(yù)后的微生物療法。伴有腸道菌群失調(diào)的危重患者早期行腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)聯(lián)合益生菌可改善胃腸排空能力、促進(jìn)腸道營(yíng)養(yǎng)吸收，還可抑制病原菌生長(zhǎng)，維持腸道免疫平衡，改善患者生存質(zhì)量[35]。念珠菌感染的早產(chǎn)兒補(bǔ)充益生菌后可減少由念珠菌導(dǎo)致的胃腸道定植和侵入性感染，減輕膿毒癥早產(chǎn)患兒的神經(jīng)損傷[36]。一項(xiàng)臨床研究中，肝性腦病患者服用益生菌及其合生元后其認(rèn)知功能障礙得到了顯著的改善，提示益生元可能通過(guò)“腸-腦軸”對(duì)腦功能產(chǎn)生影響[14]。

Morowitz 等[22]在小鼠糞便中發(fā)現(xiàn)，艾克曼菌（一種從糞便中分離到的嚴(yán)格厭氧腸道菌）與膿毒癥生存率增加有關(guān)；在另一項(xiàng)研究中[37]，艾克曼菌通過(guò)引導(dǎo)T細(xì)胞分化，提供了可能改善膿毒癥預(yù)后的一種治療選擇。但將這些發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于膿毒癥患者之前，還需考慮益生菌治療對(duì)宿主菌群的結(jié)構(gòu)和對(duì)腸道微環(huán)境的潛在不利影響。

3.2 糞便微生物群移植（fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）

FMT 可在受體體內(nèi)定植于整個(gè)腸道。因此，F(xiàn)MT或許可以重建更強(qiáng)大的微生物群，通過(guò)多種機(jī)制影響膿毒癥患者的預(yù)后，如SCFAs 的產(chǎn)生對(duì)宿主的免疫調(diào)節(jié)作用等。近年來(lái)有許多FMT 成功地應(yīng)用于治療膿毒癥患者多器官功能障礙和腸道菌群失調(diào)的研究報(bào)道，尤其FMT 是對(duì)難治性艱難梭菌感染的療效確切，有效率可達(dá)80%～90%[7]。Wei 等[38]發(fā)現(xiàn)，將健康大鼠腸道菌群移植給膿毒癥大鼠后，膿毒癥相關(guān)腦病的癥狀得到明顯改善。

4 小結(jié)

腸道微生物通過(guò)多種途徑影響宿主對(duì)膿毒癥的易感性和免疫反應(yīng)。一旦膿毒癥發(fā)生，腸道菌群的異常改變也會(huì)受其影響而進(jìn)一步惡化，從而引起多器官功能障礙，包括ARDS 和譫妄等。在膿毒癥發(fā)生前或發(fā)病過(guò)程中改變腸道微生物的策略（如FMT），可能會(huì)改善宿主體內(nèi)微生物結(jié)構(gòu)和功能。因此，了解腸道微生物群和膿毒癥之間相互作用的機(jī)制對(duì)探索膿毒癥新的治療靶點(diǎn)具有重要的科學(xué)意義和臨床價(jià)值。