急性胰腺炎腸道微生態(tài)的研究現(xiàn)狀與進展

賈 鋒,李 風(fēng),白凱淞,鄒小龍

賈鋒,杜爾伯特縣中醫(yī)醫(yī)院 黑龍江省大慶市 163000

李風(fēng),白凱淞,鄒小龍,哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院群力院區(qū)肝膽胰外科 黑龍江省哈爾濱市 150081

賈鋒,李風(fēng),白凱淞,鄒小龍,哈爾濱醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院群力院區(qū)重癥醫(yī)學(xué)重點實驗室 黑龍江省哈爾濱市 150081

0 引言

急性胰腺炎(acute pancreatitis,AP)是普外科常見的急腹癥,其病程往往具有異質(zhì)性,約20%-30%的患者進展為中度或重度的急性壞死性胰腺炎(acute necrotizing pancreatitis,ANP),常伴隨較高死亡率(13%-35%)[1].AP患者早期階段病情加重主要涉及全身性炎癥反應(yīng)綜合征和多器官功能障礙綜合征,而后期則涉及一系列感染性并發(fā)癥.最近研究證據(jù)顯示腸道微生態(tài)紊亂、免疫失衡、黏膜屏障功能破壞導(dǎo)致腸道菌群移位是AP病情進展的關(guān)鍵機制[2].腸道微生物與胰腺的相互作用增加了AP機制的復(fù)雜性和多樣性.一方面,胰腺通過其內(nèi)、外分泌功能影響腸道菌群的組成并調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)[3];另外AP病程中條件致病菌(如腸桿菌和腸球菌屬)移位及其代謝產(chǎn)物改變可能影響局部和全身免疫-炎癥反應(yīng)[4].因此,恢復(fù)腸道微生態(tài)平衡是AP的潛在治療策略,近年來逐漸得到關(guān)注.然而腸道菌群改變與AP病理機制之間的因果關(guān)系仍存在爭議,以恢復(fù)腸道微生態(tài)為目的的一系列治療(如益生菌制劑、糞菌移植和免疫營養(yǎng)治療等)具體療效仍有待更深入的研究.本文就近期腸道微生態(tài)在AP病程中的作用機制進行綜述,重點關(guān)注菌群代謝物和基于腸道微生態(tài)的治療策略.

1 AP患者的腸道菌群改變

目前已有大量研究顯示AP患者病程中常伴隨菌群多樣性降低和菌群結(jié)構(gòu)改變.動物實驗表明AP發(fā)病后1 wk-2 wk內(nèi)常出現(xiàn)腸道通透性增加,促進條件致病菌和內(nèi)毒素入血,從而導(dǎo)致腸源性感染和全身炎癥反應(yīng)[5].Li等[6]的一項隨機對照研究提示AP患者在疾病早期外周血細菌DNA檢出率高達68.8%,常見的移位細菌包括埃希-志賀菌屬和腸球菌屬.Tan等[7]通過PCR變性梯度凝膠電泳技術(shù)發(fā)現(xiàn)AP患者病程早期中顯著的菌群構(gòu)成改變,包括腸桿菌、腸球菌屬豐度增加,以及雙歧桿菌和布勞特氏菌屬豐度降低,并且腸道條件致病菌水平與白細胞介素(interleukin,IL)-6和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)水平呈正相關(guān).Zhu等[8]通過16S rDNA基因測序發(fā)現(xiàn)AP患者的菌群多樣性與健康對照組在不同分類層次均存在顯著異質(zhì)性: 在門水平上,AP患者腸道變形菌和擬桿菌門豐度升高,厚壁菌和放線菌門豐度下降;在屬水平上,埃希-志賀菌、腸球菌和芽孢桿菌屬相對豐度增加,而雙歧桿菌和普雷沃氏菌屬豐度降低.Yu等[9]則采用宏基因組測序研究菌群變化,研究顯示AP患者腸道鏈球菌、腸球菌和埃希菌屬豐度顯著升高,而產(chǎn)短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)功能的細菌(如布勞特氏菌屬)顯著減少,從而誘導(dǎo)腸道免疫功能和腸屏障功能障礙,促進菌群移位.

在AP病程中,腸道菌群結(jié)構(gòu)改變還與疾病的嚴重程度相關(guān).研究顯示在輕型AP(mild acute pancreatitis,MAP)、中重型AP(moderately severe acute pancreatitis,MSAP)和重型AP(severe acute pancreatitis,SAP)患者的直腸拭子樣本中,擬桿菌、大腸桿菌-志賀菌和腸球菌分別是優(yōu)勢菌屬,提示腸道微生態(tài)紊亂在AP進展中發(fā)揮了潛在作用[10].Liu等[11]比較了不同階段AP大鼠模型中腸道菌群構(gòu)成的變化,發(fā)現(xiàn)SAP組厚壁/擬桿菌門(Firmicutes/Bacteroidetes,F/B)比值在模型誘導(dǎo)后72 h顯著升高,而MAP組F/B比值與對照組相比顯著降低,提示腸道菌群構(gòu)成可以作為AP嚴重程度的潛在預(yù)測指標.Zhu等[8]的研究顯示與輕中型AP相比,SAP患者腸道菌群中不動桿菌、地芽孢桿菌和寡養(yǎng)單胞菌屬顯著富集,并且其豐度與血清炎癥因子(IL-6、TNF-α等)以及腸屏障損傷指標(D-乳酸和二胺氧化酶)水平呈正相關(guān).此外,另一項研究顯示[5],屎腸球菌和芬溝德氏菌能夠較好地區(qū)分感染和非感染性ANP,因此腸道菌群構(gòu)成是預(yù)測感染性胰腺壞死(infected pancreatic necrosis,IPN)的潛在標志物.

常見的AP病因包括膽源性、酒精性和高脂血癥,不同病因患者腸道菌群多樣性和構(gòu)成也存在差異.Hu等[12]的研究顯示,與未合并高脂血癥的AP患者相比,高脂血癥組嗜蛋白胨菌、厭氧球菌和腸球菌屬豐度顯著升高,擬桿菌屬豐度降低,并且高脂血癥性AP的菌群改變與潘氏細胞功能障礙有關(guān),提示控制血脂水平和維持潘氏細胞功能可能有助于恢復(fù)高脂血癥性AP腸道微生態(tài)紊亂.最近研究還提示酒精和腸道菌群在AP病程中的復(fù)雜交互作用,腸道細菌能夠?qū)⒁掖即x為乙醛并破壞腸上皮細胞緊密連接蛋白,增加腸道屏障通透性,從而促進條件致病菌和內(nèi)毒素進入血液循環(huán).Vonlaufen等[13]研究顯示微生態(tài)紊亂和內(nèi)毒素誘導(dǎo)的TLR4激活促進酒精性胰腺炎大鼠模型的胰腺損傷.因此,深入研究腸道微生態(tài)紊亂和AP的因果機制可能有助于改善疾病診斷和尋找新的治療靶點.

2 腸道微生態(tài)紊亂與AP病程進展的關(guān)系

近年越來越多的研究表明健康的腸道微生態(tài)在預(yù)防外源性細菌感染、維持腸黏膜屏障功能和免疫穩(wěn)態(tài)等方面發(fā)揮重要的保護作用,而腸道微生態(tài)紊亂則可能通過多種機制促進AP進展.Li等[14]的研究表明,在無菌或抗生素治療小鼠中腸道微生物耗竭能夠緩解胰腺損傷并抑制SIRS,而疾病小鼠糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)則潛在逆轉(zhuǎn)其保護作用,提示“腸-胰”軸在AP進展過程的關(guān)鍵作用.AP患者中腸道微生態(tài)紊亂的可能機制包括酶原分泌減少、線粒體功能障礙、氧化應(yīng)激損傷、免疫穩(wěn)態(tài)失衡、腸道微循環(huán)和屏障功能障礙[15].在AP病程中,受損腺泡細胞和浸潤的炎癥細胞能夠產(chǎn)生過量的活性氧自由基(reactive oxygen species,ROS),并通過TLR4/NF-κB通路促進腸道屏障功能損傷,導(dǎo)致以變形菌門和放線菌門等為主的條件致病微生物過度繁殖[16].相反腸道條件致病菌細菌產(chǎn)生的某些代謝產(chǎn)物,例如硫化氫、吲哚-3-乙酸和脂多糖,可能促進了腺泡細胞線粒體功能障礙和ROS產(chǎn)生[17],而腸道共生菌產(chǎn)生的煙酰胺單核苷酸通過促進線粒體去乙?；窼IRT3激活,從而減少腸道缺血再灌注損傷和線粒體氧化應(yīng)激[18].因此,調(diào)節(jié)菌群代謝產(chǎn)物可能是緩解AP過程中腸道上皮細胞和胰腺局部氧化損傷的有效策略.

在AP病程早期循環(huán)血容量不足和隨后的液體復(fù)蘇治療可能導(dǎo)致腸道缺血再灌注損傷(I/R injury),促進腸道粘膜屏障功能障礙和通透性增加[19],位于小腸隱窩底部的潘氏細胞通過分泌各種抗菌肽(antimicrobial peptides,AMPs)如溶菌酶、α-防御素等維持正常黏膜屏障功能和腸免疫穩(wěn)態(tài),對于緩解I/R損傷導(dǎo)致的菌群移位和免疫-炎癥反應(yīng)可能發(fā)揮關(guān)鍵作用[2].最近研究顯示高脂飲食引起的潘氏細胞功能障礙可以促進腸道通透性增加和病原菌移位,從而加重AP進展[20],而乳桿菌屬可能以NOD2依賴的方式激活潘氏細胞分泌功能,緩解AP小鼠腸道粘膜損傷[21].因此,補充AMPs以恢復(fù)潘氏細胞部分功能,有望為緩解AP中腸道功能障礙和菌群移位提供新的治療思路和方法.

腸道免疫對于維持腸道微生態(tài)穩(wěn)定和免疫系統(tǒng)平衡具有重要作用[4].李等人的研究提示NLRP3炎癥小體與腸道菌群之間的相互作用介導(dǎo)AP病程中炎癥反應(yīng)的嚴重程度[14],敲除小鼠NLRP3基因有助于維持腸道微生態(tài)平衡,包括恢復(fù)乳酸菌和羅斯拜瑞氏菌的豐度,降低埃希-志賀氏菌鼠豐度,促進緊密連接蛋白-1和閉合蛋白等連接分子的表達,進而緩解期間腸黏膜屏障損傷.在AP后期階段,腸道通透性增加和細菌遷移至壞死區(qū)域并繼發(fā)IPN是病情加重的主要危險因素[22].Glaubitz等[4]最近的研究表明Treg/Th17免疫細胞平衡對于維持宿主-微生態(tài)至關(guān)重要,清除小鼠CD25+/FOXP3+Treg有助于緩解AP期間腸道微生態(tài)紊亂,阻止十二指腸來源的條件致病菌移位至胰腺壞死區(qū)域.研究還提示RORγt+Th17細胞對維持腸道屏障功能完整性發(fā)揮重要作用,通過激活Th17細胞能夠阻止Treg介導(dǎo)的腸道免疫功能抑制和細菌移位.深入研究腸道菌群與免疫系統(tǒng)的雙向調(diào)控關(guān)系,能夠為減輕AP炎癥反應(yīng)和病程進展提供新思路.

3 腸道菌群來源代謝產(chǎn)物對AP的影響

腸道菌群能夠通過分解膳食成分產(chǎn)生多種生物活性代謝產(chǎn)物,例如SCFAs、乳酸、膽汁酸(bile acids,BAs)、吲哚類化合物、生物胺等,上述代謝產(chǎn)物吸收后通過腸-肝循環(huán)進入全身血液循環(huán)系統(tǒng),從而調(diào)節(jié)宿主的免疫-炎癥反應(yīng).AP中多種菌群代謝產(chǎn)物均能夠?qū)Σ〕坍a(chǎn)生影響[23].

3.1 短鏈脂肪酸在AP中的作用 菌群代謝產(chǎn)生的SCFAs是一類含有1-6個碳原子的飽和脂肪酸,主要包括丁酸、乙酸和丙酸等,是腸上皮細胞的重要能量來源.SCFAs通過激活G蛋白偶聯(lián)受體和抑制組蛋白去乙?；妇S持腸粘膜屏障功能和免疫穩(wěn)態(tài)[24].研究顯示SAP患者糞便樣本中布勞特氏菌和異普雷沃菌屬等產(chǎn)丁酸菌屬相對豐度顯著降低,表明SCFA可能參與AP病程進展[10].Pan等[25]的研究顯示丁酸通過抑制STAT1/AP1/NLRP3通路減輕雨蛙素誘導(dǎo)AP的嚴重程度.此外,腸道有益菌產(chǎn)生的丁酸通過促進固有淋巴細胞和CD4+T細胞產(chǎn)生IL-22來維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[26].田等人的研究顯示丙酸通過調(diào)節(jié)TLR4受體減輕AP相關(guān)急性肺損傷[27].因此,補充外源性SCFA可能是緩解AP炎癥反應(yīng)的有效策略.

3.2 膽汁酸代謝物在AP中的作用 腸道菌群通過法尼酯X受體和G蛋白偶聯(lián)膜受體5調(diào)節(jié)膽汁酸的合成和代謝,研究顯示不同疏水特征的BAs對AP嚴重程度具有異質(zhì)性的調(diào)控作用: 菌群代謝產(chǎn)生的疏水性次級BAs能夠加重L-精氨酸或胰管結(jié)扎誘導(dǎo)AP動物模型的離體原代腺泡細胞損傷,而緩解雨蛙素引起的胰腺損傷,親水性BAs如?；切苋パ跄懰釀t起到相反作用[28].另一項研究顯示腸道菌群可以將次級BAs轉(zhuǎn)化為3-氧石膽酸和異石膽酸,并通過抑制RORγt阻斷Th17細胞分化,從而恢復(fù)腸道免疫穩(wěn)態(tài)[29].菌群-腸-肝軸腸道免疫平衡和AP炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)作用還有待深入探索.

3.3 氨基酸代謝物在AP中的作用 腸道菌群如雙歧桿菌、乳桿菌等能夠?qū)⒎枷阕灏被峤徒鉃檫胚犷惢衔?研究顯示色氨酸降解生成的3-甲基吲哚及其他衍生物可以通過芳烴受體(Aryl-hydrocarbon receptor,AhR)調(diào)節(jié)腸道上皮緊密連接相關(guān)分子的表達,增強腸道屏障功能[30].此外,吲哚衍生物還能夠通過AhR調(diào)控T細胞向Treg和Th17分化,并促進IL-22分泌,從而維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[31].結(jié)腸細菌對氨基酸的分解代謝是機體多胺的主要來源,包括精胺、腐胺和亞精胺等,上述多胺通過腸粘膜進入循環(huán),通過多種機制調(diào)節(jié)腸粘膜屏障和宿主適應(yīng)性免疫應(yīng)答.實驗研究顯示精脒/精胺能夠使AP模型多胺耗竭,促進胰腺蛋白酶原的活化和腺泡細胞壞死,而外源性補充多胺類似物可以緩解胰腺損傷[32].三甲胺N-氧化物是腸道菌群特異性代謝物,高脂和西方飲食能夠促進腸道厚壁和變形菌門代謝產(chǎn)生三甲胺,通過肝黃素單加氧酶(flavin-containing monooxy-genases,FMOs)氧化產(chǎn)生三甲胺N-氧化物,促進NF-κB及NLRP3等炎癥因子活化參與AP進展[33].總之,腸道微生物可以通過多種途徑發(fā)酵食物蛋白,從而調(diào)控AP患者腸粘膜免疫屏障功能,深入探索其機制有助于開發(fā)基于菌群代謝途徑的腸內(nèi)營養(yǎng)干預(yù)策略.

3.4 其他代謝物在AP中的作用 雙歧桿菌、乳桿菌和乳球菌等有益菌及其代謝產(chǎn)物對腸道免疫平衡的維持也起到關(guān)鍵作用.最近研究顯示腸道共生雙歧桿菌代謝產(chǎn)生的乳酸能夠通過抑制TLR4/MYD88/NF-κB通路的激活,改善胰腺局部和全身炎癥[34].此外,益生菌產(chǎn)生的乳酸和乙酸還能夠通過降低結(jié)腸pH值抑制病原菌生長和保護腸屏障功能.還原型谷胱甘肽作為機體重要的抗氧化劑,通過抑制ROS產(chǎn)生減輕氧化應(yīng)激損傷.研究顯示乳桿菌屬等益生菌能夠誘導(dǎo)還原型谷胱甘肽合成,緩解AP模型腸道屏障功能障礙和腺泡細胞損傷[35].

4 基于腸道菌群的AP治療策略

隨著對腸道微生態(tài)的深入研究,基于調(diào)節(jié)菌群及其代謝物的AP治療策略展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景,包括益生菌、益生元、合生元、后生元等微生態(tài)制劑和FMT等.微生態(tài)制劑改善AP炎癥反應(yīng)的機制主要包括: (1)益生菌作為微生態(tài)屏障抑制病原菌生長;(2)增強腸道機械屏障功能和促進潘氏細胞分泌AMP;(3)通過產(chǎn)生有益代謝物抑制炎癥反應(yīng);(4)調(diào)節(jié)腸道局部和全身免疫反應(yīng);(5)與腸道自主神經(jīng)系統(tǒng)互作促進腸道蠕動[15].盡管益生菌治療在理論上具有上述效果,但在實際臨床研究中仍存在諸多爭議.早期Oláh等[36]的單中心RCT研究納入了45例非膽源性AP患者,隨機分為治療組(接受活性植物乳桿菌和纖維素多糖載體)和對照組(接受滅活植物乳桿菌),研究結(jié)果顯示益生菌治療組IPN發(fā)生率顯著低于對照組,補充益生菌降低了AP患者手術(shù)干預(yù)風(fēng)險.荷蘭胰腺炎研究組設(shè)計的多中心PROPATRIA研究納入了296例發(fā)病72 h預(yù)測為SAP的患者,以評估預(yù)防性復(fù)合益生菌治療的安全性和療效,研究結(jié)果顯示1010CFU/d的Ecologic 641治療與SAP患者腸道缺血風(fēng)險和死亡率增加相關(guān),而感染并發(fā)癥的發(fā)生率未出現(xiàn)顯著下降[37].后續(xù)分析顯示AP病程中腸道菌群大量繁殖通常在24 h以內(nèi),在72 h后給予乳桿菌屬為主的益生菌制劑和多糖未能逆轉(zhuǎn)菌群構(gòu)成,反而促進了細菌發(fā)酵,增加腸道耗氧量和炎癥反應(yīng),減少腸粘膜血液灌注,增加菌群移位和腸缺血風(fēng)險[38].最近的一項薈萃分析顯示聯(lián)合益生菌制劑對SAP患者的臨床結(jié)局沒有顯著有益或有害影響[39].考慮到治療起始時間、益生菌劑量和種類以及患者個體菌群的異質(zhì)性,目前尚缺乏高質(zhì)量的循證醫(yī)學(xué)證據(jù)指導(dǎo)臨床個體化應(yīng)用益生菌制劑.

FMT是治療腸道微生態(tài)紊亂相關(guān)疾病的另一種較有潛力的策略,其通過將健康供體的糞便功能轉(zhuǎn)移至患者腸道,以期重建正常腸道菌群,FMT已被FDA批準應(yīng)用于復(fù)發(fā)性艱難梭狀芽胞桿菌感染,并逐步探索應(yīng)用于其他消化系統(tǒng)疾病[40].與微生態(tài)制劑相比,來自健康供體的功能菌群更符合正常腸道微生態(tài)模式,可能更有效地改變腸道菌群構(gòu)成.Ding等[41]最近的一項RCT研究發(fā)現(xiàn)FMT對AP患者的感染并發(fā)癥和腹內(nèi)高壓沒有顯著影響.Liu等[18]的研究提示來自健康對照組的正常糞菌移植通過誘導(dǎo)NAD相關(guān)代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生改善AP的嚴重程度.目前,FMT應(yīng)用于AP的臨床研究還處于初步階段,其安全性和有效性還有待進一步評估.

目前許多高質(zhì)量循證證據(jù)均提示早期腸內(nèi)營養(yǎng)(EN)對于維持AP患者腸道微生態(tài)平衡和預(yù)防細菌移位具有積極的作用[42].最近多項研究顯示在EN中添加益生元(如殼寡糖)或后生元(如SCFAs)有助于改善腸道屏障功能和維持免疫穩(wěn)態(tài)[43].Mei等[16]的研究提示在動物模型中早期灌胃給予殼寡糖能夠通過抑制氧化應(yīng)激緩解SAP小鼠炎癥反應(yīng),van den Berg等[44]的研究表明口服給予丁酸鹽能夠預(yù)防ANP小鼠感染并發(fā)癥,提高小鼠存活率.因此,聯(lián)合微生態(tài)制劑的早期EN是治療AP較有潛力的方案.

5 結(jié)論

當前,腸-胰軸和菌群-代謝-免疫機制開啟了AP研究的新前沿,許多研究證據(jù)均顯示腸道微生態(tài)多樣性和構(gòu)成改變參與AP的病程進展.然而,目前大部分研究設(shè)計都是基于橫斷面和相關(guān)性研究,多數(shù)觀察性研究尚不足以確定腸道微生態(tài)紊亂是AP的原因或者炎癥反應(yīng)的結(jié)果,也有可能僅反應(yīng)個體患者的流行病學(xué)差異[45].因此,需要嚴格設(shè)計的研究明確腸道菌群及其代謝物與AP機制之間的因果關(guān)系,這對于實現(xiàn)腸道微生態(tài)為基礎(chǔ)的個體化治療的臨床轉(zhuǎn)化至關(guān)重要.腸道微生態(tài)領(lǐng)域研究已經(jīng)進入因果推斷的新階段,以無菌動物模型、微生物培養(yǎng)組學(xué)和宏基因組學(xué)為代表的一系列新技術(shù)將有助于更深入地理解腸-胰軸的互作機制,以開發(fā)更有效的治療方案,改善AP患者的臨床預(yù)后[46].此外,在進行腸道微生態(tài)相關(guān)的臨床研究設(shè)計時,研究人員應(yīng)盡可能減少受試者基線菌群特征的異質(zhì)性,以減少患者個體差異差異帶來的結(jié)果偏倚.通過整合多組學(xué)數(shù)據(jù)分析和嚴格的因果推斷實驗設(shè)計,將有助于闡明不同病因和遺傳特征AP患者的腸道微生態(tài)和代謝圖譜,并設(shè)計具有特定免疫和代謝活性的工程改造微生物.未來,腸道微生態(tài)領(lǐng)域?qū)⒏鼜V泛地應(yīng)用于AP的個體化預(yù)防、診斷和治療.