腸道微生物組在炎癥性腸病發(fā)病機(jī)制和治療中的作用研究進(jìn)展

李博文，劉寧寧，王 慧

上海交通大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院，上海 200025

人體微生物組是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，包含細(xì)菌、真菌、病毒和古細(xì)菌四界微生物。人體腸道微生物通過(guò)代謝和免疫耐受與宿主進(jìn)行密切的相互作用，例如合成短鏈脂肪酸和必需維生素、調(diào)節(jié)腸道免疫系統(tǒng)和維持黏膜屏障［1］。與人類(lèi)基因組相比，腸道微生物組擁有超過(guò)100 萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞，這提供了更多的遺傳多樣性。盡管現(xiàn)有研究尚不清楚個(gè)體內(nèi)部和個(gè)體間腸道微生物組的變異是否影響人類(lèi)健康，但它們與宿主的相互作用與多種人類(lèi)疾病有關(guān)，如胃腸道疾病和精神障礙。

炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，ⅠBD），包括克羅恩?。–rohn's disease，CD）和潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC），是一種慢性復(fù)發(fā)性胃腸道疾病，年輕患者較多，并嚴(yán)重影響其生活質(zhì)量。21世紀(jì)以來(lái)，ⅠBD 從西方國(guó)家蔓延到新興工業(yè)化國(guó)家，世界各地ⅠBD 的發(fā)病率都在增長(zhǎng)。在亞洲，ⅠBD 的發(fā)病率因國(guó)家或地區(qū)而異，每10 萬(wàn)人平均年發(fā)病數(shù)為1.50例［2］。

過(guò)去的幾十年中，盡管ⅠBD的病因?qū)W研究取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但仍未闡明其準(zhǔn)確病因。ⅠBD 是由遺傳易感性、環(huán)境因素和對(duì)腸道微生物組的失調(diào)反應(yīng)共同引起的［3］。家族聚集性在該病發(fā)病機(jī)制中有重要意義，且CD 的遺傳易感性強(qiáng)于UC。此外，亞洲移民ⅠBD流行病學(xué)的變化表明，環(huán)境因素在促進(jìn)遺傳易感個(gè)體的腸道炎癥中起著重要作用［4］。這可能是因?yàn)榄h(huán)境對(duì)共生微生物的組成和功能有影響。有研究報(bào)道，清潔的生活條件、西化的生活方式、抗生素的廣泛使用，以及與病原體接觸的減少，都會(huì)導(dǎo)致成年期免疫相關(guān)疾病的發(fā)病率上升。這表明腸道微生物組的改變會(huì)影響ⅠBD 的易感性。近年來(lái)，腸道菌群及其與胃腸道疾病尤其是ⅠBD 之間相關(guān)性的研究廣泛開(kāi)展，為胃腸道疾病的病因?qū)W研究和無(wú)創(chuàng)診斷提供了新的視角。腸道共生微生物建立了環(huán)境與腸道之間的聯(lián)系，因此腸道微生物組功能組成的改變，即生態(tài)失調(diào)，在ⅠBD 的發(fā)生和發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用。本文總結(jié)了微生物失調(diào)在ⅠBD發(fā)病機(jī)制中的作用及其潛在機(jī)制的現(xiàn)有證據(jù)，同時(shí)探討微生物組潛在療法的應(yīng)用前景。

1 微生物組測(cè)序技術(shù)的發(fā)展

高通量測(cè)序技術(shù)的進(jìn)步為揭示ⅠBD發(fā)病機(jī)制的復(fù)雜性提供了新的視角。既往研究已經(jīng)證明了ⅠBD中的細(xì)菌微生物群落的改變，揭示了細(xì)菌在ⅠBD發(fā)展中的作用。16S 核糖體核糖核酸（ribosomal ribonucleic acid，rRNA）擴(kuò)增子的分類(lèi)分辨率已廣泛用于細(xì)菌微生物組的分析。然而，它只能識(shí)別門(mén)或?qū)偌?jí)別的相關(guān)性，而無(wú)法識(shí)別物種級(jí)別的這些變化，具有局限性。因此，宏基因組測(cè)序的蓬勃發(fā)展進(jìn)一步揭示了微生物群落的變化以及人類(lèi)腸道集體微生物組的功能。然而，宏基因組測(cè)序依然存在局限性，它只能提示共生微生物的功能潛力而不是其實(shí)際情況。宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)則可以研究ⅠBD 中微生物組的實(shí)際基因表達(dá)和動(dòng)態(tài)，從而彌補(bǔ)這種缺陷。腸道微生物組產(chǎn)生的小分子代謝物具有調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)、幫助消化和維持腸道屏障的功能。代謝組學(xué)揭示了患者腸道中代謝物的改變，并確定了ⅠBD中豐富的化學(xué)物質(zhì)。整合代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)研究可以幫助我們利用物種與代謝之間的關(guān)聯(lián)。總之，多組學(xué)的結(jié)合可以對(duì)炎癥活動(dòng)期間微生物組的組成和功能失調(diào)進(jìn)行全面研究，并幫助我們更好地了解ⅠBD患者的宿主和微生物活動(dòng)［5］。

2 IBD中的細(xì)菌微生物組失調(diào)

大量證據(jù)表明，微生物組的變化在ⅠBD的發(fā)病中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。總的來(lái)說(shuō)，ⅠBD 患者的微生物群落多樣性降低；細(xì)菌分類(lèi)群組成改變，包括變形菌門(mén)（Proteobacteria） 種群的擴(kuò)大，特別是腸桿菌科（Enterobacteriaceae）的成員［6］。一種合理的解釋是炎癥作為一種氧化狀態(tài)，可能會(huì)促進(jìn)耐氧分類(lèi)群的生長(zhǎng)，例如腸桿菌科物種。其他證據(jù)表明，腸道炎癥會(huì)誘導(dǎo)小分子（如甲酸鹽）的產(chǎn)生。甲酸鹽作為電子供體與氧作為兼性厭氧菌（如腸桿菌科）的末端電子受體一致［6］。大多數(shù)大腸埃希菌菌株是無(wú)害的，是健康腸道共生體的一部分；而有些菌株具有致病性，可導(dǎo)致嚴(yán)重疾病或產(chǎn)生志賀毒素等毒素。黏附性和侵襲性大腸埃希菌（adherent and invasiveE. coli，AⅠEC）與ⅠBD 中的回腸黏膜有關(guān)。AⅠEC 可以侵入遺傳敏感宿主的黏膜層，并通過(guò)1 型菌毛黏附素FimH 及其與細(xì)胞黏附分子 6 （cell adhesion molecule 6，CEACAM6）受體的相互作用黏附到腸上皮細(xì)胞［7］。它還可以通過(guò)長(zhǎng)極菌毛表達(dá)進(jìn)入微折疊細(xì)胞并轉(zhuǎn)移，逃避巨噬細(xì)胞和逃避自噬，從而在免疫細(xì)胞中存活、復(fù)制和活躍［7］。此外，AⅠEC 可以通過(guò)抑制腸上皮細(xì)胞中γ 干擾素（interferon-γ，ⅠFN-γ）介導(dǎo)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄磷酸化激活因子來(lái)逃避宿主免疫反應(yīng)，從而阻止適當(dāng)?shù)目咕磻?yīng)［8］。

與變形菌門(mén)的擴(kuò)增相反，在ⅠBD患者中發(fā)現(xiàn)了厚壁菌門(mén)（Firmicutes）的消耗［9］。厚壁菌門(mén)中的幾個(gè)物種可以分泌抑制炎癥代謝物，例如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）。微生物組衍生的SCFA 主要是醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，可以調(diào)節(jié)保護(hù)性免疫反應(yīng)并下調(diào)炎癥信號(hào)通路，從而減輕組織炎癥并加強(qiáng)上皮屏障［10］。另一方面，一些研究報(bào)告了梭菌簇（Clostridiumcluster）Ⅳ和ⅩⅣ物種的豐度下降［11］，它們通常占總細(xì)菌的10%～40%，在調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮著不可或缺的作用。普氏桿菌（Faecalibacterium prausnitzii，F(xiàn). prausnitzii） 在ⅠBD患者中豐度降低，它通過(guò)刺激免疫細(xì)胞分泌更高水平的細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-10（interleukin-10，ⅠL-10）以及更低水平的ⅠL-12 和ⅠFN-γ 來(lái)發(fā)揮抗炎作用［12］。已有證據(jù)表明，普氏桿菌的上清液可通過(guò)恢復(fù)腸道菌群多樣性和抑制炎癥因子分泌來(lái)減輕炎癥的嚴(yán)重程度［13］。此外，由F.prausnitzii產(chǎn)生的具有抗炎特性的相對(duì)分子質(zhì)量為15 000的蛋白能夠抑制腸上皮細(xì)胞中的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路，從而減輕小鼠的結(jié)腸炎［14］?？傊@些結(jié)果表明，普氏桿菌在維持腸道正常生理機(jī)能方面起著至關(guān)重要的作用，這促使人們將其列入下一代益生菌的名單。與普氏桿菌相似，屬于梭菌簇ⅩⅣa 的羅氏菌（Roseburia）在ⅠBD 患者腸道中也顯著減少［15］。人羅斯拜瑞菌（Roseburia hominis，R. hominis）的豐度與ⅠBD 患者產(chǎn)生更豐富的?；鈮A有關(guān)［5］。在UC 和CD 患者中均可觀察到R.hominis豐度降低。據(jù)報(bào)道［16］，該菌是乙酸鹽到丁酸鹽的轉(zhuǎn)換器，具有抗炎作用。此外，一項(xiàng)研究［17］表明，另一種羅氏菌物種的上清液可以通過(guò)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)減輕小鼠結(jié)腸炎。瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）是健康人類(lèi)腸道微生物組中的厭氧革蘭陽(yáng)性菌。研究［18］表明，瘤胃球菌和CD之間存在特別強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。瘤胃球菌在CD患者腸道中富集，并且該菌的豐度與癥狀的嚴(yán)重性有關(guān)。瘤胃球菌產(chǎn)生炎癥多糖，通過(guò)toll 樣受體4 （toll-like receptor 4，TLR4）誘導(dǎo)樹(shù)突狀細(xì)胞產(chǎn)生炎癥細(xì)胞因子如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），從而導(dǎo)致疾病發(fā)作［18］。除ⅠBD 外，瘤胃球菌的增加還與其他炎癥性疾病有關(guān)，包括脊柱關(guān)節(jié)炎、嬰兒濕疹、接受全結(jié)腸切除術(shù)的UC患者的儲(chǔ)袋炎和過(guò)敏性疾病。

此外，研究還確定ⅠBD 患者中擬桿菌屬（Bacteroides） 物種的改變。 脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）是一種共生菌，在ⅠBD 的發(fā)展過(guò)程中同時(shí)發(fā)揮了有益和有害作用。產(chǎn)腸毒素型脆弱擬桿菌（Entero-toxigenicBacteroides fragilis，ETBF）通過(guò)誘導(dǎo)T 輔助細(xì)胞17（Th17）免疫反應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及激活轉(zhuǎn)錄激活因子3 （signal transducer and activator of transcription 3，Stat3） 來(lái)提高黏膜通透性，從而促進(jìn)炎癥發(fā)展［19］。另一方面，脆弱擬桿菌產(chǎn)生的多糖（polysaccharide A，PSA）通過(guò)刺激ⅠL-10 的分泌，調(diào)節(jié)T 輔助細(xì)胞（Th1/Th2）的平衡來(lái)發(fā)揮抗炎功能［20］。

嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，A.muciniphila）顯示出抵抗ⅠBD 的潛力，目前被稱(chēng)為下一代益生菌。研究［21］表明ⅠBD 患者A.muciniphila的豐度降低。此外，A.muciniphila治療在小鼠模型中改善了葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的UC，表明其具有成為UC新治療策略的潛力［22］。總而言之，細(xì)菌微生物組是腸道中研究最充分的組成部分，并為針對(duì)微生物標(biāo)志物的診斷和治療提供了新的策略。

3 IBD中的真菌微生物組失調(diào)

大多數(shù)研究集中于細(xì)菌在ⅠBD 發(fā)病機(jī)制中的作用，而忽略了其他腸道群落，如真菌和病毒。真菌約占腸道微生物總數(shù)的0.1%，占比較低，且由于當(dāng)前測(cè)序技術(shù)有限，往往被忽視。然而，現(xiàn)在觀點(diǎn)認(rèn)為真菌也會(huì)影響ⅠBD 的發(fā)展。一項(xiàng)研究［23］證實(shí)，ⅠBD 中真菌分類(lèi)學(xué)變化的特點(diǎn)是擔(dān)子菌（Basidiomycota）與子囊菌（Ascomycota）的物種比例增加；顯著的特征之一是ⅠBD 中擔(dān)子菌的擴(kuò)增，以及子囊菌的減少［23］，尤其是在疾病發(fā)作期。

假絲酵母菌（Candida）、酵母菌（Saccharomyces）和枝孢菌（Cladosporium）是健康個(gè)體中最豐富的真菌屬［24］。幾項(xiàng)研究一致顯示ⅠBD 患者中假絲酵母菌種類(lèi)的豐度升高，特別是白色假絲酵母菌（Candida albicans）在ⅠBD 患者腸道中富集［23］。有證據(jù)表明，白色假絲酵母菌甘露聚糖（假絲酵母菌的主要細(xì)胞壁蛋白）和具有病原體相關(guān)分子模式的β-葡聚糖之間的相互作用會(huì)刺激Th17 的分化，并增加促炎細(xì)胞因子如ⅠL-12和TNF-α的分泌［25］。據(jù)報(bào)道，熱帶假絲酵母菌（Candida tropicalis）在CD 患者腸道中的比例增加，并且與家族性CD 的發(fā)病呈正相關(guān)［26］。此外，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)表明，與野生型小鼠相比，熱帶假絲酵母菌定植的無(wú)特定病原體小鼠發(fā)生了嚴(yán)重的結(jié)腸炎［27］。同樣，光滑假絲酵母菌（Candida glabrata）在CD 患者中也增多，尤其是在發(fā)炎的黏膜中［28］。

有趣的是，ⅠBD 患者糞便樣本中白色假絲酵母菌和釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的豐度呈負(fù)相關(guān)［23］。與健康個(gè)體相比，ⅠBD 患者的糞便和黏膜中釀酒酵母的比例降低［23］?？贯劸平湍缚贵w（antibodies againstSaccharomyces cerevisiae，ASCA）是一種可與甘露聚糖相互作用的CD 標(biāo)志物，目前已用于診斷CD。通常情況下，釀酒酵母對(duì)ⅠBD 具有保護(hù)作用。一項(xiàng)研究［29］表明，小鼠模型中的釀酒酵母CNCM Ⅰ-3856 菌株通過(guò)阻止AⅠEC 黏附到黏膜而有助于改善結(jié)腸炎。然而，也有研究［30］表明釀酒酵母可增強(qiáng)宿主嘌呤代謝并增加小鼠的腸道通透性。

限制性馬拉色菌（Malassezia restricta）是皮膚微生物組中的常見(jiàn)定植菌。研究發(fā)現(xiàn)，限制性馬拉色菌通過(guò)胱天蛋白酶募集域蛋白9（caspase recruitment domain-containg protein 9，CARD9）的某種作用機(jī)制加劇了小鼠的結(jié)腸炎［31］，而CARD9參與了針對(duì)真菌的固有免疫反應(yīng)中C 型凝集素受體的炎癥信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。此外，限制性馬拉色菌通常在攜帶CARD9風(fēng)險(xiǎn)等位基因的ⅠBD 患者中富集，并且可以被ASCA 識(shí)別［31］。在ⅠBD患者中發(fā)現(xiàn)真菌失調(diào)，表明真菌在維持腸道菌群平衡方面發(fā)揮著不可或缺的作用。

4 IBD中的病毒微生物組失調(diào)

除了細(xì)菌和真菌外，腸道還含有大量可能導(dǎo)致ⅠBD 發(fā)病的病毒。例如，鼠諾如病毒（murine norovirus）感染可與自噬相關(guān)基因ATG16L1的突變相互作用，該突變?yōu)镃D 易感性等位基因，可以導(dǎo)致帕內(nèi)特細(xì)胞異常［32］。此外，腸道病毒組含有多種噬菌體。近年來(lái)，更嚴(yán)格的研究［32］發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照個(gè)體相比，ⅠBD 患者的尾狀病毒噬菌體數(shù)量增加。研究［33］表明，來(lái)自活動(dòng)性UC 患者的噬菌體刺激了促炎細(xì)胞因子ⅠFN-γ 的分泌?？偟膩?lái)說(shuō)，需要進(jìn)一步研究腸道病毒組在ⅠBD發(fā)病機(jī)制中的作用。

5 基于微生物組的IBD療法

目前通用的ⅠBD治療方法，包括類(lèi)固醇和抗腫瘤壞死因子或抗整合素之類(lèi)的生物制品，并不直接針對(duì)導(dǎo)致該疾病的微生物。然而，這些療法的疾病緩解率較低。針對(duì)宿主或微生物組的新療法可能有助于緩解ⅠBD。

5.1 飲食

飲食對(duì)腸道微生物群落的組成有很大影響。飲食療法可以獨(dú)立有效地影響微生物群組成從而緩解炎癥。某些飲食成分可以改變炎癥。例如，高蛋白質(zhì)攝入會(huì)降低假絲酵母菌種類(lèi)的總豐度，而富含碳水化合物的飲食會(huì)產(chǎn)生相反的效果［34］。膳食纖維通過(guò)腸道微生物代謝為短鏈脂肪酸，從而起到保護(hù)作用。臨床研究［35］表明，攝入更多膳食纖維與降低CD 風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。菊粉是一種益生元，可以保留微生物種群，加強(qiáng)上皮屏障，防止病原體易位，從而對(duì)ⅠBD 起作用［36］。因此，增加菊粉的攝入量可以緩解炎癥。此外，完全腸內(nèi)營(yíng)養(yǎng)（exclusive enteral nutrition，EEN）通過(guò)管飼提供患者營(yíng)養(yǎng)完整的元素和聚合物配方飲食，與皮質(zhì)類(lèi)固醇一樣有效，可緩解兒科CD 患者的癥狀［37］。然而，EEN 不適用于成年患者，這可能歸因于患者依從性差。

5.2 糞便菌群移植

糞便菌群移植（faecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT）是將健康供體的糞便轉(zhuǎn)移到ⅠBD患者腸道的方法，通過(guò)糾正微生物群落中的不平衡而使微生物恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。FMT 已被證實(shí)是治療艱難梭菌感染的有效療法［38］。到目前為止，一定數(shù)量的ⅠBD 患者已經(jīng)接受FMT 治療并且對(duì)該療法表現(xiàn)出不同的反應(yīng)，約30%的UC 患者獲得了臨床緩解［39］。此外，由于隊(duì)列規(guī)模有限，F(xiàn)MT 在CD 患者中的有效性仍不清楚。需要進(jìn)一步研究FMT 治療ⅠBD 的機(jī)制和制定更有效、更精確的方案。

5.3 抗生素和益生菌

廣譜抗生素可有效治療嚴(yán)重的急性和慢性結(jié)腸炎；然而，抗生素可以同時(shí)消滅病原菌和有益共生體。因此，抗生素治療ⅠBD的作用仍然有限。益生菌是活的微生物，給予足夠的量時(shí)會(huì)對(duì)宿主有益。乳桿菌屬（Lactobacillus） 中的羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）物種治療ⅠBD 有效［40］。在UC 患者中，益生菌E.coliNissle 1917 表現(xiàn)出積極作用，與金標(biāo)準(zhǔn)療法美沙拉嗪同樣有效，但在CD 患者中的相關(guān)研究較少。除了這些傳統(tǒng)的益生菌， 下一代益生菌如普氏桿菌和A.muciniphila也值得深入研究。同時(shí)，合成生物學(xué)的進(jìn)步也為ⅠBD的治療和管理提供了新的策略。

6 展望

ⅠBD 是一種涉及宿主、微生物和環(huán)境因素的復(fù)雜疾病。近年來(lái)，研究人員在ⅠBD的發(fā)病機(jī)制方面取得了很大進(jìn)展。然而，我們對(duì)該病的發(fā)病機(jī)制尚不完全清楚，現(xiàn)有的治療方法也不能完全治愈ⅠBD。本文總結(jié)了ⅠBD中發(fā)生改變的微生物種類(lèi)，以及當(dāng)前針對(duì)微生物組的治療策略。然而，目前大多數(shù)研究?jī)H揭示了單一細(xì)菌或真菌對(duì)疾病的影響，或從表面上推測(cè)微生物-宿主相互作用對(duì)ⅠBD 發(fā)展的影響。細(xì)菌-真菌相互作用及其在疾病機(jī)制中的作用，有待進(jìn)一步研究。總體而言，微生物組和ⅠBD的研究獲得了較大進(jìn)展，期待未來(lái)該領(lǐng)域取得新的突破。