腸道菌群在炎性腸病發(fā)病機制中作用的研究進展

李 云 肖倩倩 趙娟妮 李 毅

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)包括了潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(crohn′s disease,CD)，UC患者主要的臨床表現(xiàn)為持續(xù)或反復(fù)發(fā)作的腹瀉、黏液膿血便伴腹痛、里急后重和不同程度的全身癥狀，病程多在 4～6 周以上，CD患者主要的臨床表現(xiàn)為腹瀉和腹痛、體重減輕、發(fā)熱、食欲不振、疲勞、貧血、可有血便等[1]。有調(diào)查指出，IBD患者還具有不同程度的腸外表現(xiàn)(extraintestinal manifestation，EIM)，如腎臟、呼吸系統(tǒng)、肌肉骨骼、膽管、眼部和皮膚病變，并且該項調(diào)查還指出，EIMs的出現(xiàn)可能會早于IBD的診斷[2]。雖引起IBD的病因及發(fā)病機制目前尚不明確，但已有研究證實其與遺傳、免疫、飲食、神經(jīng)心理等因素有關(guān)[3]。

在健康的成年人腸道中，有數(shù)百萬億計的細菌定植在這里，所有細菌的數(shù)量是人體細胞數(shù)的8～10倍，它們種類繁多、功能各異，并且在組成上，每個人腸道菌群構(gòu)成比例又具有很大的差異，故腸道菌群又被稱作是人類的“第二個基因庫”或“人類的第二張身份證”，可見其重要性。目前認識的細菌多達50個門，主要的菌門有厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門，其中厚壁菌門和擬桿菌門占絕大多數(shù)(>92%)。這些細菌根據(jù)對人體的作用又可分為3類：①優(yōu)勢菌(又稱作有益菌或益生菌)在健康人體的腸道內(nèi)所占比例最大，對于人體的作用也最大，如乳酸桿菌、雙歧桿菌，可分解食物，給腸道提供營養(yǎng)；②致病菌在腸道內(nèi)少量存在，一般情況下不致病，只有當其大量繁殖或者優(yōu)勢菌相對減少嚴重的情況下會引起疾病；③機會致病菌在腸道中有雙重作用，在腸道中也是少量存在，一般情況下機會致病菌對人體有益，但一旦機會致病菌增殖或者轉(zhuǎn)移到腸道以外的器官或組織，就可引起疾病，如大腸桿菌、腸球菌[4，5]。由此可見各類細菌處在一個共生的環(huán)境中，彼此之間相互制約、相互影響，并且發(fā)揮著特別重要的作用。并且更有趣的是，在人成長過程中，腸道菌群的種類還有數(shù)量不是不變的，其處在一個動態(tài)的平衡之中，新生兒出生時，腸道菌群的建立與母體有關(guān)，在0～2歲時，腸道菌群的數(shù)量還有種類變化比較大，這與外界環(huán)境的刺激、飲食結(jié)構(gòu)、遺傳等因素有關(guān)，然而在新生兒2歲時，腸道菌群就已經(jīng)變?yōu)槌扇怂?，并且之后都一直處在一個變化比較小的動態(tài)平衡中[6～8]。

一、腸道菌群與腸黏膜屏障

既然腸道中定植著數(shù)量如此龐大的“外界”生物，那么腸道是如何保持自身的穩(wěn)定呢？原來腸道在接觸大量食物、致病微生物的過程中，腸屏障的防御體系起了關(guān)鍵性的作用，有效的抵擋了腸腔內(nèi)寄生菌及毒素向腸腔外及機體侵襲。腸屏障是由機械屏障、化學屏障、免疫屏障、生物屏障和腸蠕動共同構(gòu)成[9]。然而在構(gòu)成這一系列屏障的過程中，腸道有益微生物發(fā)揮著極其重要的作用：①一些厭氧菌如雙歧桿菌、腸道乳桿菌可通過磷壁酸黏附作用占據(jù)于腸上皮表面，形成一層菌膜屏障，與腸黏膜上皮細胞緊密連接，形成腸道機械屏障，從而有效地阻止了其他有害微生物在腸上皮的定植，這也稱為定植抗性[10]；②某些益生菌的代謝產(chǎn)物對腸屏障的防御作用也有增強，厭氧菌的代謝產(chǎn)物可以調(diào)節(jié)腸上皮細胞的增殖和分化，這種代謝分解也可以促進維生素K的吸收，營養(yǎng)腸上皮細胞，間接調(diào)節(jié)腸機械屏障[11]。還有研究發(fā)現(xiàn)，厭氧菌的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸(SCFAs)可通過調(diào)節(jié)免疫平衡來發(fā)揮免疫穩(wěn)態(tài)的作用，能促進腸免疫屏障的成熟，并且SCFAs作為厭氧菌合成的必要代謝物，還具有抗氧化、抗癌和抗炎活性的作用，SCFAs也可以維持腸道的低pH值，改變腸道微環(huán)境，也抑制了某些有害細菌的定植[12]。當某些原因引起腸屏障功能受損時，腸道防御機制產(chǎn)生不平衡，則使得更多的細菌直接接觸上皮細胞和引起黏膜免疫反應(yīng)，微生物與腸屏障之間的相互作用引發(fā)了免疫反應(yīng)的激增，從而引起或加重了IBD[13]。在整個腸道防御機制中，腸道菌群扮演了雙重身份，它既是組成腸屏障的參與者，當腸屏障功能受損，又是引起免疫激增的關(guān)鍵因素。

二、遺傳、腸道菌群與炎性腸病

有項國內(nèi)的Meta分析提示，遺傳易感性是IBD的特征性和決定性因素，IBD患者有很強的家族聚集性[14]。那么與人體共生關(guān)系的微生物群也受到基因以及遺傳的影響嗎？答案是肯定的，腸道微生物的定植也受到基因的調(diào)控，盡管宿主遺傳變異和腸道微生物群多樣性之間的關(guān)系在很大程度上尚不清楚，但已經(jīng)有越來越多的研究在逐漸揭示宿主遺傳和腸道微生物群復(fù)雜的相互作用。有項關(guān)于雙胞胎的研究表明，雙胞胎腸道中厚壁菌門疣微菌科和毛螺菌科細菌家族的豐度具有一定的遺傳性，并且這兩種細菌已經(jīng)被證實具有產(chǎn)生丁酸，以及將乙酸可以轉(zhuǎn)化為丁酸的功能[15]。Imhann等[16]將313例(原有357例，有44例不符合條件)來自荷蘭格羅寧根大學醫(yī)學中心的胃腸病學和肝病專科門診的IBD患者和1174例健康人的基因以及腸道微生物進行比對，發(fā)現(xiàn)NOD2基因的特異性變異與IBD患者腸桿菌科家族豐度的變化有關(guān)，IBD風險等位基因數(shù)量越多，厚壁菌門羅氏菌屬的豐度越低，并且該研究還指出，IBD患者的患病部位與腸道菌群也有一定的相關(guān)性。雖然遺傳對于腸道菌群的調(diào)控沒有特別準確的說法，但是遺傳變異可以影響腸道菌群，為預(yù)測IBD的發(fā)生以及從腸道菌群方面治療IBD提供了新的思路。

三、免疫系統(tǒng)、腸道菌群與炎性腸病

1.免疫系統(tǒng)的發(fā)育與腸道菌群：就免疫系統(tǒng)的發(fā)育來說，新生兒免疫系統(tǒng)的發(fā)育及成熟離不開腸道微生物的作用。新生兒剛出時生免疫系統(tǒng)發(fā)育不完全，當新生兒離開母體暴露在空氣中時，腸道開始有細菌的定植，并且開始大量繁殖，此時腸道微生物的定植影響了腸道CD4+或CD8+T細胞數(shù)、刺激T淋巴細胞活化、刺激CD4亞群和腸微結(jié)構(gòu)[17]?？偟膩碚f，為了應(yīng)對外界微生物的定植，腸道中CD4+、CD25+、Tregs細胞數(shù)量迅速增加，這也象征著腸道免疫系統(tǒng)雛形的形成。后來這一結(jié)論再次得以證實，由于新生兒自身無法合成IgA，腸道內(nèi)的IgA只能來自母乳，只有當腸道內(nèi)細菌大量定植時，才可刺激B淋巴細胞分化，并且產(chǎn)生IgA，并且該項研究發(fā)現(xiàn)新生兒出生后的1～7天內(nèi)腸道微生物呈現(xiàn)爆炸性生長，然而這一時間段腸道內(nèi)中性粒細胞也呈現(xiàn)指數(shù)性生長，這也說明了腸免疫系統(tǒng)的發(fā)育離不開腸道微生物的定植[18]。腸道微生物的定植與免疫系統(tǒng)的成熟度有關(guān)，丁再萌等[7]對160例(80例出生體重<1500g的早產(chǎn)兒，80例出生體重>2000g的足月兒)新生兒腸道微生物數(shù)量進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)在出生3天時足月兒組糞便標本的DGGE圖譜條帶數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)顯著高于早產(chǎn)兒組，然而兩組新生兒3周后糞便標本的DGGE圖譜條帶數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)比較差異已經(jīng)無統(tǒng)計學意義，這一統(tǒng)計說明了腸道微生物的定植也離不開免疫系統(tǒng)的發(fā)育情況，由于早產(chǎn)兒免疫細胞的發(fā)育不太成熟，所以導(dǎo)致了出生3天時腸道菌群數(shù)量的差異，由此可以發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的定植與免疫系統(tǒng)的發(fā)育呈正相關(guān)。所以免疫系統(tǒng)的發(fā)育與腸道微生物是相互促進的共生關(guān)系，免疫系統(tǒng)的發(fā)育促進微生物的定植，微生物的定植刺激免疫系統(tǒng)的發(fā)育。

2.免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)、腸道菌群與炎性腸?。好庖叻€(wěn)態(tài)的失衡是IBD的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，然而有大量研究已經(jīng)表明，在一系列復(fù)雜的免疫穩(wěn)態(tài)的改變過程中，腸道微生物都直接或間接地參與了免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)。在腸穩(wěn)態(tài)的維持過程中，離不開CD4+T細胞的各種亞型之間的協(xié)同作用，CD4+T細胞主要包括Th1、Th2、Th17、Treg 4種亞型，現(xiàn)在已有研究證明在IBD的發(fā)病過程中，Th17/Treg的平衡失調(diào)是導(dǎo)致腸道炎癥的主要原因，具體表現(xiàn)為Th17細胞的過反應(yīng)以及Treg細胞的抑制。Th17細胞能夠分泌產(chǎn)生IL-17A、IL-17F、IL-6以及TNF-α等，這些細胞因子可以集體動員、募集及活化中性粒細胞。然而Treg細胞的功能和Th17細胞相反，Treg細胞主要是維持機體免疫耐受的主要因素之一[19，20]。FOXP3是調(diào)節(jié)Treg細胞分化的重要轉(zhuǎn)錄因子，F(xiàn)OXP3缺失會損害Treg細胞的功能，在無菌小鼠的實驗中，筆者發(fā)現(xiàn)無菌小鼠與野生的小鼠比較，腸上皮細胞中的CD8+T細胞含量明顯減少，Th17/Treg比例上升，并且在腸系膜淋巴結(jié)區(qū)可見FOXP3活性減小和抑制能力降低，進一步說明了腸道菌群可以通過影響Treg的分化，從而影響了IBD的進程[21]。既往研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群對于Th17/Treg平衡的影響主要通過其代謝產(chǎn)物實現(xiàn)，SCFAs作為腸道益生菌最主要的代謝產(chǎn)物，也承擔著腸道微生物和腸免疫系統(tǒng)信息交換的任務(wù)，其作用廣泛[22，23]。微生物源性SCFAs可刺激CD4+T淋巴細胞中FOXP3的形成，并增強人腸道固有層中產(chǎn)生IL-10的FOXP3+Tregs細胞的活性，并且SCAFs還可與Treg細胞表面受體Ffar2作用，從而作為一種組蛋白脫乙酰酶抑制劑促進Treg增殖。因此，在腸免疫系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中，腸道菌群的作用不可或缺，可以認為，IBD是T淋巴細胞應(yīng)對腸道菌群而產(chǎn)生的異常免疫應(yīng)答，尤其是在調(diào)控Treg細胞抑制腸道炎癥方面。

四、飲食、腸道菌群與炎性腸病

在人體內(nèi)，腸道菌群和人體是屬于共生關(guān)系，腸道菌群通過代謝分解腸內(nèi)容物給自己提供能量，同時其代謝產(chǎn)物也影響著腸道。人們飲食的多樣性決定著腸道菌群的豐富程度，換句話說，人類飲食結(jié)構(gòu)越完整，腸道菌群豐富度越高，適應(yīng)外界改變的能力就越強，相比飲食結(jié)構(gòu)單一的人群來說更不容易患IBD。有項流行病學調(diào)查發(fā)現(xiàn)，飲食結(jié)構(gòu)不合理，膳食纖維(dietary fiber，DF)缺乏是引起IBD的危險因素[24]。DF是一種不能被消化酶分解的復(fù)合碳水化合物，雖然DF不能被我們自身分解代謝，但是可以被腸道共生菌分解，從而進一步對機體產(chǎn)生影響。美國醫(yī)學研究所發(fā)現(xiàn)，飲食富含纖維的人群與飲食缺乏纖維的人群比較，DF的攝入可以改善腸道功能，并且可以降低血糖濃度，降低血液膽固醇，增加飽腹感，降低患某些癌癥和心血管疾病的風險，最主要的是DF可以影響腸道菌群的組成和代謝活動，尤其是上文提到的SCFA的產(chǎn)生[25]。在Ley等[26]在實驗中發(fā)現(xiàn)，瘦型和胖型小鼠中，擬桿菌門和厚壁菌門的比例不同，胖型小鼠擬桿菌門少而厚壁菌門多，經(jīng)低碳水化合物飲食治療后，表現(xiàn)出擬桿菌門豐度增加而厚壁菌門豐度減少，這也證實了食物對腸道微生物的影響，食物可以選擇性刺激腸道中的細菌生長和繁殖，以至于使細菌的繁殖朝著有益于機體的方面發(fā)展。李知翰等[27]將100例IBD患者分為觀察組和對照組兩組，每組50例，觀察組患者給與添加可溶性膳食纖維的腸內(nèi)營養(yǎng)制劑治療，對照組患者則給予百普力(短肽型營養(yǎng)配方制劑)治療，經(jīng)治療后，觀察組患者治療總有效率為96.0%，對照組僅為68.0%，并且較對照組相比較觀察組患者的T淋巴細胞亞群和IFN-γ水平呈現(xiàn)出了顯著增加，然而炎性細胞因子IL-6和IL-8水平則顯著低于觀察組，這一結(jié)果說明了通過飲食干預(yù)確實能顯著增強IBD患者的治愈率，這也從臨床的角度再次驗證了飲食、腸道菌群和IBD三者之間的關(guān)系。

五、神經(jīng)系統(tǒng)、腸道菌群與炎性腸病

神經(jīng)系統(tǒng)是機體內(nèi)對生理功能活動的調(diào)節(jié)起主導(dǎo)作用的系統(tǒng)，同樣腸道的生理活動也受到神經(jīng)的支配，除外來的神經(jīng)系統(tǒng)外，還主要受腸神經(jīng)系統(tǒng)(enteric nervous system，ENS)的調(diào)控。而ENS在外連接微生物群體、代謝物以及各種營養(yǎng)物，在內(nèi)連接免疫細胞和基底細胞，并且腸道微生物、ENS以及腸細胞之間是相互作用，相互影響的，在出生時大部分ENS細胞已經(jīng)就位，但腸道神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功能成熟于產(chǎn)后腸道微環(huán)境中，并且在腸道微生物群和黏膜免疫系統(tǒng)的影響下完成的。有趣的是腸道微生物不僅僅使腸神經(jīng)系統(tǒng)更加成熟，還一直維持并且影響著ENS的某些功能，如已有研究證明益生菌可以影響腸神經(jīng)元的興奮性，從而改變腸蠕動的強度[28]。

值得注意的是，腸蠕動減慢通常也伴有腸道的細菌的滋生。并通過對無菌小鼠ENS的電生理特性研究發(fā)現(xiàn)，與正常小鼠比較，無菌小鼠腸受到較低刺激后，腸神經(jīng)的興奮性降低、動作點位后超級化延后，然而當無菌小鼠接種益生菌后，上述的反應(yīng)可以恢復(fù)至正常，所以腸道菌群失調(diào)也影響了腸神經(jīng)的興奮性，導(dǎo)致腸痛覺相對遲鈍，這也就解釋了EIMs的出現(xiàn)可能會早于IBD的診斷的原因[29]。同樣，神經(jīng)系統(tǒng)也會影響腸微生物的定植，腸道菌群的數(shù)量和生理學特征也隨著神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育一步步進行改變。另有研究通過應(yīng)激刺激小鼠發(fā)現(xiàn)，當小鼠處于應(yīng)激暴露環(huán)境中，小鼠腸內(nèi)類桿菌屬的相對豐度降低，梭菌屬的相對豐度增加，由此說明不良的精神狀態(tài)可以對腸道菌群的結(jié)構(gòu)造成一定影響，而小鼠腸道微生物群改變可能導(dǎo)致細菌或細菌產(chǎn)物更容易穿過腸道屏障，從而引起或加重了IBD。自主神經(jīng)系統(tǒng)影響下丘腦-垂體-腎上腺軸可誘導(dǎo)胃腸道應(yīng)激激素的釋放；迷走神經(jīng)影響自主神經(jīng)系統(tǒng)可以引起胃腸道微境的改變；機體對免疫系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)等進行調(diào)控，可能會誘導(dǎo)菌群結(jié)構(gòu)和生物學特征的改變，由此也引出了腦-腸軸的概念，并將它定義為神經(jīng)系統(tǒng)與腸道微生物共同合作影響人體生理功能的網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述，雖然IBD的發(fā)病機制尚不明確，但影響因素大致包括遺傳、飲食、免疫、神經(jīng)、生活習慣等，并且各個因素之間并不是單獨存在的，他們相互影響，共同導(dǎo)致了IBD的發(fā)生，而本文只是從腸道菌群入手討論這些因素可能導(dǎo)致IBD發(fā)病的機制，在臨床疾病認識過程中不能單獨處理某一特定病因，本文只是提供了用腸道菌群治療IBD的理論支撐，目前已有很多關(guān)于糞便移植的報道，并且都取得了不錯的療效，希望以后的治療能多從腸道菌群入手，預(yù)期會取得不錯的效果。