腸道微生物群在膿毒癥中作用的研究進(jìn)展

賈 璇, 潘郭海容, 田 圓, 王瀚黎, 梁 群

(黑龍江中醫(yī)藥大學(xué), 黑龍江 哈爾濱, 150040)

膿毒癥是由于感染引起宿主免疫失調(diào)反應(yīng)而導(dǎo)致臟器功能衰竭的全身炎癥反應(yīng)綜合征(SIRS), 亦是引發(fā)多器官功能障礙綜合征(MODS)的最主要原因[1]。膿毒癥至今仍缺乏成熟、有效的治療手段[2]。臨床普遍采用抗生素療法，療效提升并不顯著，近年來大量臨床研究表明，全程使用單一抗生素會破壞腸道微生物群，使膿毒癥患者病情加重[3]。腸道在吸收營養(yǎng)和防止腸內(nèi)微生物群、毒素異常位移方面起著至關(guān)重要的作用[4], 長期以來腸道一直被認(rèn)為是膿毒癥MODS的發(fā)動(dòng)機(jī)。研究[5]表明，腸道受損后，微生物群和毒素從腸腔內(nèi)轉(zhuǎn)移到血液循環(huán)系統(tǒng)中，正常腸道微生物群的結(jié)構(gòu)和功能遭到破壞，進(jìn)而誘發(fā)膿毒癥發(fā)生或加速膿毒癥的進(jìn)展。因此，基于腸道微生物群對膿毒癥的影響機(jī)制，探尋非傳統(tǒng)抗生素療法是膿毒癥潛在的治療靶點(diǎn)[6]。本研究從3個(gè)方面討論腸道微生物群與膿毒癥的相互作用。首先，在膿毒癥發(fā)病之前，腸道微生物群機(jī)制發(fā)生改變，包括致病性腸道細(xì)菌的增多、刺激免疫系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的促炎反應(yīng)及減少有益微生物群產(chǎn)物的生產(chǎn)，會導(dǎo)致膿毒癥的易感性增強(qiáng); 其次，膿毒癥期間，腸屏障功能受損，腸道微生物群紊亂，發(fā)生易位，導(dǎo)致膿毒癥病情惡化并增加MODS發(fā)生的概率; 最后，基于腸道微生物群開展的一系列生物療法，如益生菌療法、選擇性消化道去污染及糞菌移植療法，可以在一定程度上恢復(fù)腸道微生物群正常結(jié)構(gòu)，緩解炎癥反應(yīng)，降低膿毒癥惡化風(fēng)險(xiǎn)，改善膿毒癥的預(yù)后。

1 膿毒癥易感性增強(qiáng)的腸道原因

人體從出生開始，在幾周之內(nèi)完成各系統(tǒng)多樣化發(fā)育，獲得腸道有益共生菌，保護(hù)機(jī)體免受病原體的侵襲[7]。當(dāng)有益共生菌缺乏時(shí)，包括葡萄球菌在內(nèi)的致病性腸道細(xì)菌占據(jù)主導(dǎo)地位，這些細(xì)菌的大量易位引起膿毒癥發(fā)生。研究[8]表明，抗生素的過度使用是破壞腸道微生物群、導(dǎo)致專性厭氧菌缺乏的主要原因。隨著抗生素使用時(shí)間延長，腸道微生物群逐漸失衡，膿毒癥患者的病情也不斷惡化，二者之間呈正相關(guān); 因微生物群紊亂而發(fā)生各類疾病的患者，再次發(fā)生感染進(jìn)而誘發(fā)嚴(yán)重膿毒癥概率極高[9]。

腸道微生物群是免疫系統(tǒng)的重要調(diào)節(jié)器，腸道有益共生菌是應(yīng)對感染的重要因素。當(dāng)機(jī)體處于正常情況下，如若少數(shù)革蘭氏陰性共生菌從腸道位移，機(jī)體隨后產(chǎn)生抗原源，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生保護(hù)性IgG，誘導(dǎo)產(chǎn)生的IgG通過直接包被細(xì)菌的方式促進(jìn)吞噬細(xì)胞的殺傷，從而避免機(jī)體發(fā)生全身性感染; 革蘭氏陰性菌表層細(xì)胞壁中的脂多糖(LPS)通過Toll樣受體4(TLR4)被腸道細(xì)胞識別，隨之而來的信號級聯(lián)導(dǎo)致中性粒細(xì)胞從骨髓重新聚集到血液中[10]; 隨后，這些中性粒細(xì)胞可有效清除血源性病原體，對機(jī)體形成保護(hù)作用，以維持腸道內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)[11]。而當(dāng)腸道微生物群紊亂時(shí)，則會損害免疫細(xì)胞功能。有動(dòng)物實(shí)驗(yàn)[12]發(fā)現(xiàn)，小鼠在感染肺炎鏈球菌后，與對照組相比，有益共生菌缺乏組的小鼠，肺泡巨噬細(xì)胞代謝途徑的上調(diào)，中性粒細(xì)胞細(xì)胞外陷阱的豐度低、對肺炎鏈球菌的捕獲能力下降，導(dǎo)致免疫調(diào)節(jié)反應(yīng)失控，小鼠膿毒癥易感性增高，同時(shí)器官衰竭率和病死率升高。因此，腸道微生物群對腸外組織和器官具有系統(tǒng)性影響。

腸道微生物群對機(jī)體的防御功能主要?dú)w因于共生腸道細(xì)菌產(chǎn)生的代謝物，這些代謝物對于調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能至關(guān)重要。共生腸道菌代謝物如厭氧細(xì)菌發(fā)酵的產(chǎn)物短鏈脂肪酸丁酸鹽具有抗炎作用[13]。短鏈脂肪酸丁酸鹽可以驅(qū)動(dòng)單核細(xì)胞向巨噬細(xì)胞分化并抑制組蛋白脫乙酰酶-3, 通過這種抑制，丁酸鹽介導(dǎo)巨噬細(xì)胞代謝并誘導(dǎo)抗菌肽的產(chǎn)生; Rag-Ragulator調(diào)控復(fù)合物是觸發(fā)細(xì)胞焦亡的關(guān)鍵因子，晚期內(nèi)含子/溶酶體適配子和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)是Rag-Ragulator復(fù)合物的成員[14-15]。丁酸鹽通過上調(diào)晚期內(nèi)含子/溶酶體適配子、絲裂原活化蛋白激酶和MTOR信號通路激活劑2促進(jìn)清除巨噬細(xì)胞細(xì)菌，從而增強(qiáng)患者體內(nèi)、體外的抗菌性[16]。當(dāng)腸道微生物群豐度減小，可以對免疫激活做出反應(yīng)的共生菌也相應(yīng)減少，其代謝產(chǎn)物水平改變，無法在急性免疫激活期間保持相對穩(wěn)定，進(jìn)而不能通過提高應(yīng)激耐受性來保護(hù)自己，抗菌性、抗炎性減弱，導(dǎo)致膿毒癥的易感性增強(qiáng)[17]。

2 膿毒癥與腸道微生物群影響機(jī)制

膿毒癥與腸道生物群的相互影響主要通過炎性因子持續(xù)刺激腸上皮細(xì)胞，破壞腸屏障功能，造成大量菌群異常位移，免疫反應(yīng)改變，有益共生菌及其代謝物減少，腸道微生物群紊亂，出現(xiàn)各器官損傷甚至發(fā)展為MODS后，進(jìn)一步加重腸屏障損傷，導(dǎo)致惡性循環(huán)，持續(xù)加重病情[18]。

2.1 細(xì)菌易位

細(xì)菌易位是指細(xì)菌從腸道經(jīng)上皮黏膜進(jìn)入固有層，然后進(jìn)入腸系膜淋巴結(jié)及其他無菌的器官[19]。大量的臨床前和臨床證據(jù)已經(jīng)證明了細(xì)菌易位現(xiàn)象在不同臨床狀態(tài)中的存在[20]。

腸屏障功能損傷導(dǎo)致細(xì)菌易位。膿毒癥患者的腸道屏障出現(xiàn)結(jié)構(gòu)和功能紊亂，導(dǎo)致腸道通透性增加。膿毒癥導(dǎo)致腸屏障損傷分3個(gè)階段推進(jìn): 第1次損傷是內(nèi)臟灌注不足或缺血[21]; 第2次損傷是復(fù)蘇期間腸血流的恢復(fù)，導(dǎo)致缺血-再灌注損傷; 第3次損傷是腸屏障功能的喪失，造成腸屏障功能障礙，腸上皮細(xì)胞緊密連接改變，通透性增強(qiáng)，使得腸內(nèi)細(xì)菌、內(nèi)毒素可以穿過黏膜屏障[22]。異常移位的腸內(nèi)細(xì)菌、內(nèi)毒素首先產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子，在病原相關(guān)分子入血后，會啟動(dòng)PAMPs模式，脂多糖結(jié)合蛋白(LBP)識別LPS，并與TLR4結(jié)合，活化NF-κB、MAPK信號通路，引起級聯(lián)反應(yīng)，釋放大量的炎癥介質(zhì)，發(fā)生局部腸道炎癥反應(yīng)。即使易位的細(xì)菌和病原相關(guān)分子被困在腸上皮或腸淋巴結(jié)內(nèi)，臨床表現(xiàn)為局部炎癥反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)未能遍及全身，這些物質(zhì)依然通過腸系膜淋巴管進(jìn)入體循環(huán)。

細(xì)菌易位引起膿毒癥及器官損傷。微循環(huán)再灌注恢復(fù)后，腸道內(nèi)DAMPs首先被吸收到腸系膜淋巴系統(tǒng)，這些DAMPs經(jīng)由腸系膜淋巴管排入乳糜池，后通過胸導(dǎo)管在左鎖骨下靜脈排入體循環(huán)。肺動(dòng)脈是DAMPs經(jīng)由腸系膜淋巴管到達(dá)的首個(gè)血管，因此，肺也是膿毒癥患者最常見的受損器官; 而DAMPs進(jìn)入體循環(huán)后，全身細(xì)胞因子-趨化因子反應(yīng)的過度釋放，造成急性腎損傷[23]; 急性期反應(yīng)中的線粒體功能障礙及內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激相關(guān)炎癥最終導(dǎo)致肝功能衰竭[24]。因此，腸道微生物群和其產(chǎn)物通過腸淋巴管的移位可以在理論上解釋，膿毒癥患者經(jīng)常出現(xiàn)各器官的急性損傷，造成MODS甚至多器官功能衰竭[25]。

2.2 免疫反應(yīng)改變

免疫功能低下的患者，易位細(xì)菌的系統(tǒng)性傳播會增高膿毒癥的發(fā)病率和病死率。患者腸道微生物群組成的不同，其對膿毒癥的免疫反應(yīng)也就存在了差異性。實(shí)驗(yàn)[26]證明，增加小鼠腸道微生物組α的多樣性，不僅提高了膿毒癥小鼠存活率，還改變了小鼠對膿毒癥的免疫反應(yīng)。當(dāng)為這些小鼠植入與造模時(shí)腸道定植細(xì)菌相似菌種，再次感染引發(fā)膿毒癥時(shí)，由于T細(xì)胞對這些特異性細(xì)菌抗原的反應(yīng)增強(qiáng)，其二次感染的預(yù)后結(jié)果有所改善[27]。除了影響T細(xì)胞反應(yīng)外，腸道微生物群還影響體液免疫: 共生細(xì)菌直接產(chǎn)生IgA, 通過細(xì)菌同源性在隨后的膿毒癥中起保護(hù)作用[28]。這些研究表明，腸道微生物群在“啟動(dòng)”免疫系統(tǒng)對膿毒癥做出反應(yīng)方面發(fā)揮了作用。

膿毒癥發(fā)生后，腸道微生物群中共生菌豐度的變化會引起機(jī)體炎癥反應(yīng)的變化。共生菌對免疫途徑的影響會造成特定細(xì)胞因子表達(dá)上的差異性，一項(xiàng)對500名健康成人的研究表明，當(dāng)外周血單核細(xì)胞受到體外微生物抗原刺激時(shí)，腸道微生物群組成與細(xì)胞因子反應(yīng)相關(guān)聯(lián)，共生菌中糞球菌會影響細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β(IL-1β)和白細(xì)胞介素-6(IL-6)的產(chǎn)生，以調(diào)節(jié)對白色念珠菌等感染的引起急性炎癥反應(yīng)[29]。因此可知，腸道微生群中的共生物種與細(xì)胞因子表達(dá)之間相互作用。

目前，關(guān)于腸道微生物群對膿毒癥患者免疫調(diào)節(jié)影響的臨床試驗(yàn)開展依然較少，而體外實(shí)驗(yàn)和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不能完全展現(xiàn)人類膿毒癥期間的各項(xiàng)生理、病理狀態(tài)，鑒于免疫失調(diào)在膿毒癥發(fā)病機(jī)制中的重要性，腸道微生物群在膿毒癥免疫反應(yīng)中的作用值得進(jìn)一步研究。

2.3 腸道共生菌代謝物

腸道微生物群衍生的代謝物調(diào)節(jié)了關(guān)鍵的免疫途徑。其中，最重要的是共生菌代謝物-短鏈脂肪酸(SCFAs)，SCFAs在生理上是連接共生菌群和黏膜免疫系統(tǒng)的重要信號，具有調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境的功能[30]。

丁酸鹽是SCFAs之一，由梭狀芽孢桿菌和糞便桿菌產(chǎn)生，作為一種有效的調(diào)節(jié)因子，是機(jī)體和微生物群之間的關(guān)鍵介體，通過上調(diào)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子Foxp3, 影響結(jié)腸調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化[31], 并抑制組蛋白去乙?；詼p少由NF-κB調(diào)節(jié)的TNF-α和IL-6等促炎細(xì)胞因子[32]。除了調(diào)節(jié)免疫功能的作用外, SCFAs對上皮細(xì)胞功能也至關(guān)重要[33]。乙酸由腸道共生雙歧桿菌產(chǎn)生，能夠調(diào)節(jié)腸道pH值，調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞的相關(guān)功能，減少由LPS刺激產(chǎn)生的致炎因子NO、TNF-α、IL-1β和IL-6, 維持腸上皮細(xì)胞內(nèi)穩(wěn)態(tài)，通過影響上皮細(xì)胞功能來保護(hù)機(jī)體免受腸道大腸桿菌易位的影響[34]。戊酸鹽是唯一的不僅能夠增加白細(xì)胞介素-10(IL-10)分泌，還能顯著抑制B細(xì)胞凋亡的SCFAs。戊酸引起B(yǎng)細(xì)胞和CD4+效應(yīng)T淋巴細(xì)胞代謝重新分布，導(dǎo)致糖酵解、丙酮酸氧化和免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞因子IL-10分泌增加，發(fā)揮其免疫調(diào)節(jié)作用[35]。

膿毒癥期間，感染未得到控制，腸道微生物群豐度銳減，代謝產(chǎn)物隨之減少，炎癥因子會越發(fā)產(chǎn)生，對免疫功能的調(diào)控能力降低甚至完全喪失，直至出現(xiàn)機(jī)體免疫抑制，免疫抑制會造成不可彌補(bǔ)的致命感染，發(fā)生更嚴(yán)重的內(nèi)毒素易位及級聯(lián)樣瀑布反應(yīng)，造成全身炎癥反應(yīng)。

如上所述，腸道微生物群通過菌群易位、免疫反應(yīng)失調(diào)、腸道共生菌代謝物減少增加膿毒癥易感性，同時(shí)，膿毒癥也通過以上途徑加重腸道微生物群的紊亂。二者相互作用，互為因果，最終導(dǎo)致機(jī)體出現(xiàn)不可逆的損傷甚至死亡。

膿毒癥患者腸道微生物多樣性降低，與包括革蘭氏陰性需氧桿菌在內(nèi)的潛在致病菌豐度較高有關(guān)[36-37]。SIRS患者的專性厭氧菌豐度較低，腸道微生物群富含如葡萄球菌和假單胞菌等潛在致病菌，這些致病菌在膿毒癥期間定植于腸道內(nèi)，并大量增殖。研究人員利用深度測序技術(shù)，發(fā)現(xiàn)膿毒癥患者體內(nèi)的腸道微生物群的組成發(fā)生了顯著變化[38-39]。這些研究表明，在膿毒癥過程中，腸道通常被單一細(xì)菌屬“淹沒”[40], 如梭狀芽孢桿菌屬和腸球菌屬等具有致病性、抗藥性的細(xì)菌，而可以產(chǎn)生SCFAs的有益共生菌，如糞桿菌屬、普雷沃特氏菌屬、藍(lán)藻屬和反芻球菌科等，豐度銳減[41-42]。

關(guān)于膿毒癥引起腸道微生物群變化機(jī)制的研究尚不足，但是可以肯定的是，長時(shí)間使用抗生素是膿毒癥相關(guān)微生物群改變的主要原因[43]。膿毒癥的治療方案一直以使用傳統(tǒng)抗生素為主，大量臨床調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全程單一使用抗生素的患者預(yù)后不佳，因此亟需尋找新型有效的治療手段。

3 基于腸道微生物群的新型治療手段

目前膿毒癥的臨床治療主要包括使用抗生素和營養(yǎng)支持。然而，傳統(tǒng)療法對腸道微生物群持續(xù)產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致抗生素耐藥性，而抗生素耐藥性至今仍然是影響全球危重患者治療的難題，基于腸道微生物群的新型生物療法則可以解決該難題。其中包括使用選擇性消化道脫污染消除潛在的致病菌，通過益生菌、益生元或合生元替代有益共生菌或微生物群衍生的代謝物，糞便微生物群移植替代部分腸道微生物群。

3.1 選擇性消化道去污染療法

選擇性消化道去污染(SDD)旨在防止?jié)撛诩?xì)菌病原體出現(xiàn)繼發(fā)定植和過度生長，同時(shí)保留厭氧菌群，從而預(yù)防膿毒癥患者出現(xiàn)繼發(fā)感染[44]。SDD包括口服或灌服不經(jīng)腸道吸收的抗生素，常配伍微生態(tài)調(diào)節(jié)劑，針對致病性革蘭氏陰性需氧性桿菌，對共生厭氧菌作用最小，以保留能阻止細(xì)菌定植的正常專性厭氧菌; 微生態(tài)調(diào)節(jié)劑在腸腔分解成乳酸和醋酸，抑制致病性革蘭氏陰性菌生長繁殖，減少產(chǎn)生尿素酶，同時(shí)調(diào)節(jié)腸道內(nèi)酸堿平衡度，抗內(nèi)毒素活性，直接使腸道游離內(nèi)毒素失活，有效清除自由基，減輕缺血-再灌流損傷，保護(hù)腸黏膜，使患者腸道共生菌的定植抗力增加，以緩解膿毒癥期間的各種胃腸道不適癥狀[45]。

3.2 益生菌、益生元或合生元療法

恢復(fù)微生物多樣性旨在重建正常腸道微生物穩(wěn)態(tài)，可以選擇使用益生菌、益生元或合生元來維持腸道菌群[46]。益生菌是活的非致病微生物，可以調(diào)節(jié)自然殺傷細(xì)胞活性、NF-κB、絲裂原活化蛋白激酶、IL-6、IL-8和TNF-α等炎癥途徑和免疫系統(tǒng)中上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞的基因表達(dá)[47]; 益生元作為一種不可消化的營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)腸道微生物群的共生生長，通過補(bǔ)充腸道微生物群數(shù)量，維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài); 合生元是兩者的組合[48]。

3.3 糞便微生物群移植療法

糞便微生物區(qū)系移植(FMT)是一種通過健康供體糞便來恢復(fù)膿毒癥患者腸道正常環(huán)境的治療方法, FMT在微生物群組成和免疫系統(tǒng)修改后改善臨床結(jié)果[49]。FMT恢復(fù)的微生物群，改變了干擾素調(diào)節(jié)因子3的表達(dá)，激活TLR信號通路，推動(dòng)清除全身性病原體，通過增加有益共生菌的豐度，減少腸道病原體的豐度，恢復(fù)腸道微生物屏障功能，提高膿毒癥患者的存活率[50]。益生菌和合生菌只能補(bǔ)充1種或一小部分腸內(nèi)有益共生菌，而FMT則可以為患者提供供體的整個(gè)腸道微生物群。FMT可通過產(chǎn)生SCFAs、免疫調(diào)節(jié)等機(jī)制，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的微生物群重建，并影響膿毒癥的轉(zhuǎn)歸?？傊瑧?yīng)用FMT的目的是重建一個(gè)正常的腸道生態(tài)系統(tǒng)，提高機(jī)體對病原體的免疫功能。

4 總結(jié)與展望

基于現(xiàn)有研究可見，腸微生物群表現(xiàn)出多向性作用。膿毒癥前，及時(shí)調(diào)整腸微生物群穩(wěn)定性，增加有益共生菌豐度，增加包括SCFAs在內(nèi)的衍生代謝物，降低膿毒癥易感性; 膿毒癥時(shí)，合理補(bǔ)充腸微生物群多樣性及數(shù)量，降低腸屏障功能受損程度，減少BT的發(fā)生，糾正免疫麻痹及炎性風(fēng)暴，避免腸微生物群紊亂，對于膿毒癥引起的SIRS、MODS存在治療意義; 膿毒癥后，選擇性補(bǔ)充益生菌、合生元，能夠提高患者生存質(zhì)量，使膿毒癥預(yù)后向好。

雖然已有大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)，微生物群的調(diào)節(jié)作用可以降低急危重疾病的病死率，但因未能開展多中心、大規(guī)模臨床試驗(yàn)，這些療法仍需不斷完善，膿毒癥患者進(jìn)行FMT或補(bǔ)充益生菌、合生元之前，供體的選擇、移植時(shí)機(jī)的選擇及益生菌、合生元最佳給藥途徑在內(nèi)的幾個(gè)因素需要進(jìn)一步研究。在具體實(shí)踐中，應(yīng)基于患者自身?xiàng)l件，個(gè)性化制訂診療路徑，精準(zhǔn)選擇益生菌，這將有助于未來使用更加安全、有效的微生物靶向治療; 同時(shí)，還需要尋找更精確的生物標(biāo)志物、研發(fā)應(yīng)用更廣泛的檢測手段，服務(wù)于臨床。關(guān)于微生物群對膿毒癥機(jī)體調(diào)控機(jī)制的研究仍需不斷深化，這將為指導(dǎo)臨床用藥、豐富膿毒癥新型微生物靶向治療提供基石。