新型冠狀病毒肺炎對腸道微生物群及腸黏膜屏障缺陷影響機制的研究進展

孫強，宋維亮

新型冠狀病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）感染后，常常會伴隨機體器官功能改變［1］。一項薈萃分析表明，17．6% 的新型冠狀病毒（respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV-2）感染者存在胃腸道癥狀［2］。一項對14 例SARS-CoV-2 感染后4 個月已無癥狀患者進行腸黏膜活檢分析研究發(fā)現(xiàn)，7 例患者SARS-CoV-2 核酸及免疫反應(yīng)陽性，且可持續(xù)6 個月以上［3］。鑒于SARS-CoV-2 對腸道功能存有潛在持續(xù)影響，本文對COVID-19 所致腸道微生物群及相關(guān)腸黏膜屏障缺陷機制的研究進展進行綜述，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 腸道功能紊亂影響機體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)

近年來，腸道對于多種疾病發(fā)生、發(fā)展的影響日益凸顯，關(guān)鍵原因在于其獨特的微環(huán)境與區(qū)域免疫功能［4］。Rutsch等［5］研究顯示，腸道微生物群改變與中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病存在緊密聯(lián)系。Lewis等［6］研究發(fā)現(xiàn)，腸黏膜屏障功能可作為心血管系統(tǒng)疾病患者的治療靶點，有效改善此類患者預(yù)后。Burberry 等［7］研究表明，腸道微生物可以產(chǎn)生神經(jīng)活性分子及神經(jīng)遞質(zhì)，直接或間接影響腦細胞生理，從而促進腸道與大腦的溝通。Braniste 等［8］將梭菌家族特定細菌定植于無菌（germfree，GF）環(huán)境飼養(yǎng)的小鼠腸道黏液層后，其產(chǎn)生的丁酸鹽等抗炎代謝物可調(diào)節(jié)免疫及腸道穩(wěn)態(tài)，誘導GF 小鼠腦組織閉鎖蛋白（occludin，OCLN）、閉合蛋白（claudin，CLDN）-5水平升高，使其血腦屏障完整性恢復(fù)至無特定病原體（specific pathogen free，SPF）小鼠水平。Sandek 等［9］研究顯示，慢性心力衰竭患者腸道血流減少，腸黏膜通透性增加，且這一功能改變可能與及循環(huán)炎性標志物如C 反應(yīng)蛋白（C reactive protein，CRP）、動脈利鈉肽前體（pro-atrial natriuretic peptide，Pro-ANP）升高有關(guān)。Zhou等［10］研究發(fā)現(xiàn)，在ST段抬高型心肌梗死患者體內(nèi)，與慢性心力衰竭患者腸黏膜滲透性標志物類似的血清標志物如脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）、D-乳酸（D-lactate）呈高表達，證實腸功能障礙與心肌缺血程度存在緊密聯(lián)系。

2 腸道微生物群與腸黏膜屏障間有交互作用

研究表明，腸道微生物群與腸黏膜屏障之間存在著復(fù)雜的交互影響［11］。Allam-Ndoul 等［12］發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群與腸上皮細胞（intestinal epithelial cells，IECs）間的相互作用是調(diào)節(jié)上皮細胞通透性的關(guān)鍵因素，其調(diào)控機制與對腸上皮細胞緊密連接的影響有關(guān)。有些益生菌，如鼠李糖乳桿菌可以通過增加ZO-1 與occludin 蛋白的表達，從而增強腸道上皮功能［13］。腸道菌群與IECs間的相互作用對維持腸道穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，外源微生物的感染可以改變腸道微環(huán)境，包括擾亂腸道微生物群與IECs，此時，腸道微生物群會向IECs 傳遞相關(guān)信號，有助于抵御感染。Hu等［14］研究發(fā)現(xiàn)，在革蘭陽性菌感染時，腸道微生物群可誘導產(chǎn)生一種新型腸道抗菌蛋白—富含脯氨酸小蛋白2A（SPRR2A），該蛋白由Paneth 細胞及杯狀細胞分泌，可以破壞革蘭陽性菌細胞膜，阻止此類細菌突破腸道屏障。

3 SARS-CoV-2感染后腸道微生物群的改變與調(diào)節(jié)

研究顯示，SARS-CoV-2 感染期和恢復(fù)期患者的腸道微生物群均會產(chǎn)生變化［15］。Zuo 等［16］研究顯示，糞芽孢菌屬、多枝梭菌及梭狀芽孢桿菌的豐度與COVID-19的嚴重程度呈正相關(guān)，而普拉梭菌的豐度則與COVID-19 的嚴重程度呈負相關(guān)。Ren 等［17］研究顯示，普拉梭菌具有抗炎特性，是反映人類腸道健康的潛在生物標志物。此外，腸道微生物群的組成變化可以作為識別SARS-CoV-2 病毒相關(guān)傳染范圍的特定微生物特征。研究表明，具有高傳染性的SARS-CoV-2患者糞便中，產(chǎn)氣柯林斯菌、田中柯林斯菌、嬰兒鏈球菌及摩氏摩根菌豐度較高，具有低甚至無傳染性的SARS-CoV-2患者糞便中短鏈脂肪酸的細菌（如擬桿菌屬）豐度則較高［18］。

目前，SARS-CoV-2 對腸道菌群影響的病理、生理學機制已逐漸明確。SARS-CoV-2感染后，炎癥刺激觸發(fā)微生物產(chǎn)物和細胞因子的釋放，引起微生物穩(wěn)態(tài)失調(diào)，誘發(fā)炎性環(huán)境，導致腸道細胞因子釋放進入循環(huán)系統(tǒng)，加重COVID-19的全身炎癥反應(yīng)［19］。因此，研究腸道細菌對SARS-CoV-2感染的反應(yīng)機制至關(guān)重要。SARS-CoV-2主要通過S蛋白與血管緊張素轉(zhuǎn)換酶Ⅱ（angiotensin-convert enzyme Ⅱ，ACE2）受體結(jié)合進入宿主細胞［20］。ACE2受體在人類易受病毒感染的各種器官組織（包括肺和腸道）中均有表達。SARS-CoV-2 可能導致腸道ACE2 表達下調(diào)，從而增加腸道炎癥和腹瀉的易感性；ACE2 可以維持氨基酸穩(wěn)態(tài)及腸道微生物群的抗菌肽表達，在腸道炎癥中發(fā)揮抑制作用，對腸道微生物群的組成具有重要影響，在SARS-CoV-2感染過程中，ACE2轉(zhuǎn)運可以調(diào)控腸道微生物菌群生態(tài)［21］。Hashinoto 等［22］研究表明，在ACE2基因敲除小鼠中，抗菌肽呈現(xiàn)低表達，腸道微生物群組成發(fā)生紊亂。Yang 等［23］在感染SARS-CoV-2 的定菌大鼠中觀察到ACE2 表達下調(diào)，且這種變化加速了COVID-19 的病理進程。因此，COVID-19患者中ACE2失衡可能會加劇包括腸道在內(nèi)的多器官組織炎癥反應(yīng)。

COVID-19 患者往往存在免疫系統(tǒng)異常。Wu 等［24］研究表明，197例COVID-19患者中約34．5%出現(xiàn)中性粒細胞增多癥。感染SARS-CoV-2 可引發(fā)炎性細胞因子紊亂。研究證實，COVID-19 患者的細胞因子過度表達與疾病嚴重程度呈正相關(guān)［25］。細胞因子紊亂與COVID-19 進展過程中的肺外多臟器功能不全有關(guān)，其可能是該類患者胃腸道癥狀加劇的原因［26］。COVID-19 患者外周血淋巴細胞減少，炎性細胞因子腫瘤壞死因子α（TNF-α）、干擾素γ（IFN-γ）水平升高，這些因素可導致細胞因子釋放綜合征（cytokine release syndrome，CRS），大量細胞因子與腸道微生物群相互作用，致腸道微生物群組成改變，嚴重影響腸道細胞狀態(tài)［27］。腸道微生物群組成發(fā)生變化時，體內(nèi)保護機制被破壞，多臟器組織炎癥風險增加。鑒于腸道微生物群具有重要的免疫反應(yīng)，利用腸道微生物群改變腸-肺軸的方案有望保護人類免受呼吸道感染［28］。腸-肺軸是一種常見的黏膜免疫系統(tǒng)，腸道與肺存在關(guān)聯(lián)，在呼吸道免疫與抗感染反應(yīng)中表現(xiàn)尤為明顯，免疫反應(yīng)及失調(diào)可以影響腸道與呼吸道之間的關(guān)系［29］。遺傳因素或外源性因素（包括飲食調(diào)節(jié)或抗菌素治療）可以通過改變腸道微生物群組成，從而導致局部或全身免疫反應(yīng)能力發(fā)生變化［30］。Mullish 等［31］研究顯示，益生菌具有減少該類患者上呼吸道感染癥狀的潛在用途：在COVID-19病程中，益生菌安全且耐受性良好，可在穩(wěn)定及預(yù)防腸道微生物群組成變化方面發(fā)揮潛在作用，以應(yīng)對上呼吸道感染。

4 SARS-CoV-2感染后腸黏膜屏障的改變與調(diào)節(jié)

腸黏膜屏障功能的維持需要保持上皮細胞種類與結(jié)構(gòu)的完整性，而該特性依賴于腸道干細胞的分化。腸道干細胞可以促使上皮細胞內(nèi)膜再生，促進上皮損傷和腸屏障功能恢復(fù)以防止各種損傷和感染［32］。引起COVID-19 患者胃腸道癥狀的主要機制可能為：SARS-CoV-2感染后病毒對黏膜上皮產(chǎn)生直接侵襲作用，促使?jié){細胞和淋巴細胞浸潤腸固有層發(fā)生炎癥反應(yīng)，進而導致腸上皮細胞發(fā)生功能障礙、吸收不良［33］。Carvalho 等［34］研究表明，SARS-CoV-2 感染狀態(tài)下腸黏膜結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，表現(xiàn)為腸黏膜炎癥，漿細胞及淋巴細胞發(fā)生浸潤，固有層水腫，腸內(nèi)鏡直視下即可見腸黏膜損傷。

另有研究顯示，SARS-CoV-2 感染后，腸上皮細胞與免疫細胞之間的相互作用會觸發(fā)機體固有免疫應(yīng)答，引起促炎介質(zhì)分泌，從而加重免疫反應(yīng)，增加腸黏膜組織損傷［35］。研究表明，免疫益生菌可以通過Toll 受體3 與腸上皮細胞及固有層相關(guān)免疫細胞相互作用，誘導免疫細胞產(chǎn)生不同的細胞因子或趨化因子；同時，上述免疫細胞可將信號傳遞至其他免疫細胞，最終導致腸黏膜免疫系統(tǒng)激活及T 細胞激活［36］。其中，進入腸黏膜的效應(yīng)CD4+T細胞是黏膜免疫與腸道慢性炎癥的關(guān)鍵，而趨化因子受體9（CCR9）是CD4+T細胞進入腸壁所必需的趨化因子受體。Wang 等［37］研究發(fā)現(xiàn)，呼吸道流感病毒感染后機體肺源性CD4+T細胞增加，小腸上皮細胞產(chǎn)生趨化因子C-C 基序配體25（CCL25），CCL25 結(jié)合CCR9 后誘導CD4+T 細胞進入小腸，導致腸道黏膜免疫損傷，破壞腸道菌群穩(wěn)態(tài)。

5 小結(jié)與展望

胃腸道被認為是人體最大的免疫器官，其中，腸道微生物群及腸黏膜屏障形成特殊的黏膜網(wǎng)絡(luò)以維持腸道穩(wěn)態(tài)，可在人類健康與疾病預(yù)防方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。細菌、病毒等多種病原體感染會破壞腸道微生物群的多樣性，影響腸黏膜屏障及其正常功能代謝。目前業(yè)界已公認SARS-CoV-2 可以通過不同方式直接或間接影響腸道生理，引起腸道菌群失調(diào)，感染和（或）破壞腸道屏障，腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)與微環(huán)境在COVID-19的發(fā)病機制及全身炎癥反應(yīng)中起重要作用。關(guān)于腸道菌群與黏膜屏障在SARS-CoV-2 感染過程中的改變?nèi)绾螀⑴c調(diào)節(jié)全身炎癥反應(yīng)仍需進一步研究，進而可以將腸道微生物群及黏膜屏障做為重要的治療靶點，有效地緩解甚至逆轉(zhuǎn)COVID-19的病理進程。