靶向腸道微生物群治療膿毒癥研究進展

盧中秋 李 瑞

膿毒癥是指因感染引起的宿主反應(yīng)失調(diào)導(dǎo)致的危及生命的器官功能障礙。膿毒性休克定義為膿毒癥合并嚴(yán)重的循環(huán)、細(xì)胞和代謝紊亂, 其死亡風(fēng)險較單純膿毒癥更高。它一直是世界范圍內(nèi)健康損害的主要原因之一。經(jīng)過多年的努力,其發(fā)生率和病死率并未明顯下降,早期預(yù)防、發(fā)現(xiàn)、干預(yù)顯得尤為重要。而腸球菌主導(dǎo)的感染是ICU內(nèi)患者全因感染和死亡的重要危險因素,多個部位不同病原菌的感染也證實與腸道微生物群有所關(guān)聯(lián)。近年來大量研究顯示,腸道微生物群與體內(nèi)免疫、感染都有千絲萬縷的聯(lián)系,膿毒癥與腸道微生物群間的關(guān)系也存在多種理論與假設(shè)。筆者嘗試整理膿毒癥病原菌來源與腸道微生物群關(guān)系的相關(guān)研究,歸納整理了目前可應(yīng)用與腸道微生物群調(diào)節(jié)的干預(yù)措施,有助于全面了解其發(fā)病機制,為膿毒癥早期預(yù)測、診斷及治療提供了重要的臨床指導(dǎo)價值。

一、腸道微生物群

1.膿毒癥病原菌來源與腸道微生物群關(guān)系:良好平衡的微生物群對于維持腸道和全身免疫平衡必不可少。多種腸道疾病如抗生素相關(guān)性腹瀉、炎癥性腸病、克羅恩病和結(jié)直腸癌與腸道微生物群失調(diào)密切相關(guān)。腸道微生物群完整性的破壞可能增加對膿毒癥的敏感度。膿毒癥感染病死率最高的部位是腹部、肺部及泌尿道等,而這些部位的感染病原菌均與腸道微生物群相關(guān)。在膿毒癥小鼠模型和急性呼吸窘迫綜合征患者中,肺部微生物群富含腸道相關(guān)細(xì)菌[1]。血液感染大腸桿菌和肺炎克雷伯菌的患者同時存在這些微生物的腸道定植,提示腸道可能是這些感染的來源[2]。對腎臟移植受者的糞便標(biāo)本測序結(jié)果顯示,大腸桿菌的相對腸道豐度是尿路感染的獨立危險因素[3]。對于基因相同但腸道微生物不同的膿毒血癥小鼠,其病死率存在較大差異。若控制腸道微生物群基本一致后,二者病死率差異明顯縮小。即腸道微生物群改變了膿毒癥的免疫表型和生存率[4]。與健康對照組比較,膿毒癥患者腸道共生菌群破壞,腸球菌屬豐度升高,動物實驗亦驗證了這一點。此外,擬桿菌屬(尤其是尋常擬桿菌)負(fù)荷高的患者急性生理學(xué)和慢性健康評估Ⅱ評分較高,重癥監(jiān)護病房住院時間較長。代謝組學(xué)檢測顯示,膿毒癥患者存在腸道氨基酸代謝紊亂[5]。而膿毒癥有無特異的腸道微生物改變?nèi)圆磺宄?這可能與感染及抗生素應(yīng)用的多樣性相關(guān)。

2.膿毒癥病原菌影響腸道微生物群機制:目前,我們對微生物群紊亂如何影響膿毒癥相關(guān)的免疫反應(yīng)傾向,甚至使其失調(diào)的機制的理解并不完整。在危重疾病中,微生物群可能是腸道源性感染、膿毒癥和多器官功能障礙發(fā)展的積極參與者。腸道微生物失調(diào)可能通過增加腸道通透性和誘導(dǎo)黏膜免疫功能障礙,從而導(dǎo)致細(xì)菌易位。根據(jù)目前的研究,腸道微生物群紊亂、宿主免疫缺陷和腸道通透性增加是促進細(xì)菌易位和腸道源性感染的3個關(guān)鍵因素。腸道及其微生物的緊密關(guān)系在膿毒癥中被病原微生物所打破。由于腸道通透性改變和細(xì)胞凋亡累及腸淋巴系統(tǒng),病原體及其產(chǎn)物得以進入腸外空間。

3.抗生素與腸道微生物群關(guān)系:抗生素可以改變腸道微生物群結(jié)構(gòu),也可直接殺死相應(yīng)靶點的病原菌,破壞或恢復(fù)腸道微生物的平衡,是一把雙刃劍?？股貙δc道微生物組的破壞通過抑制既定感染的免疫反應(yīng),增加小鼠假體關(guān)節(jié)周圍感染的風(fēng)險[6]。對于連續(xù)7天不接受治療或接受廣譜抗生素后誘發(fā)一過性膿毒癥樣綜合征的健康人,其所有受試者的腸道微生物群多樣性均因抗生素治療而顯著降低。但廣譜抗生素的腸道微生物群破壞不會影響系統(tǒng)性先天免疫反應(yīng)[7]。不同腸道微生物群結(jié)構(gòu)的無菌小鼠對抗生素刺激的反應(yīng)方式不同,可表現(xiàn)出類似的微生物群失衡的宿主反應(yīng)[8]。

4.腸道病毒與膿毒癥關(guān)系:相對細(xì)菌,我們對病毒與腸道微生物群關(guān)系知之甚少。呼吸道合胞病毒或流感病毒肺部感染引起的細(xì)胞免疫反應(yīng)導(dǎo)致食欲不振,進而改變腸道微生物組和代謝組。感染后,糞便代謝組中鞘脂類、多不飽和脂肪酸和戊酸短鏈脂肪酸的豐度均增加[9]。與非COVID-19患者比較,COVID-19患者腸道微生物組的組成發(fā)生了顯著改變。幾種已知的具有免疫調(diào)節(jié)功能的腸道共生菌豐度減少,且表現(xiàn)出與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)的分層,這與炎性細(xì)胞因子和血液標(biāo)志物的濃度升高一致[10]。ZIKV病毒感染引發(fā)免疫活性患者腦損傷和抗病毒反應(yīng),小鼠實驗中,其引起的微生物群的調(diào)節(jié)可能導(dǎo)致腸上皮損傷和腸黏膜上大量白細(xì)胞募集[11]。

5.腸道真菌與膿毒癥關(guān)系:真菌在腸道微生物群中占比較小,但腸道中其數(shù)量和種類仍然十分多樣。其中包括最常見的念珠菌屬、霉菌屬、酵母菌屬、馬拉菌屬等,還有一些較少見的毛孢子菌屬、德巴利酵母菌屬、枝孢菌屬等。真菌通過直接遷移,侵襲等方式參與膿毒癥的發(fā)病過程。常駐于皮膚的馬拉菌也常出現(xiàn)在腸道糞便樣本中,大多數(shù)已發(fā)表的馬拉菌導(dǎo)致的系統(tǒng)性疾病病例報告和小范圍傳播的患者均有嚴(yán)重的免疫抑制,同時存在嚴(yán)重的并發(fā)疾病[12]。Dectin-1由巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞表達,并與真菌細(xì)胞壁中常見的葡萄糖聚合物結(jié)合。腸道黏膜損傷和中性粒細(xì)胞減少會影響Dectin-1通路表達,從而減弱腸道屏障的抗真菌作用[13]。

二、干預(yù)措施

目前有多種干預(yù)措施可調(diào)節(jié)腸道微生物群,進而影響多種疾病的預(yù)后,這些干預(yù)措施也可對膿毒癥的預(yù)后存在一定的影響,進而為膿毒癥預(yù)防及治療提供思路。

1.益生菌:益生菌包括細(xì)菌和酵母菌,是對人體健康有益的活性微生物食品補充劑,并且可以維持或改善腸道微生物平衡,世界衛(wèi)生組織將其定義為“當(dāng)適量使用時,對宿主健康有益的活微生物”。近年來,人們對益生菌進行了不斷的研究,并考慮將其應(yīng)用于各種腸道疾病的輔助治療中。許多臨床試驗證明,益生菌可以塑造腸道微生物群,從而潛在地控制多種腸道疾病,促進整體健康。有研究表明,早期膿毒癥患者接受多種類益生菌[Winclove 607 based on Omnibiotic(R) 10 AAD]治療28天后,腸道通透性沒有改變,但內(nèi)毒素、內(nèi)毒素結(jié)合蛋白和肽聚糖升高。由此可見,益生菌干預(yù)成功地增加了糞便中的益生菌株,提高了功能的多樣性[14]。嚴(yán)重膿毒癥兒童補充益生菌7天可使促炎性細(xì)胞因子水平顯著降低,抗炎性細(xì)胞因子增加,序貫器官衰竭評估評分顯著降低,但病死率沒有明顯改善[15]。

預(yù)防性合生劑可調(diào)節(jié)腸道微生物群和環(huán)境,對膿毒癥患者腸炎和呼吸機相關(guān)性肺炎的發(fā)生有預(yù)防作用。在糞便細(xì)菌分析中,合成菌組的雙歧桿菌和乳酸桿菌數(shù)量顯著高于未合成菌組[16]。一項納入33個隨機對照試驗的系統(tǒng)性評價顯示,益生菌可以降低小兒急性上呼吸道感染的發(fā)生率和癥狀的嚴(yán)重程度[17]。Rao等[18]進行了益生菌治療早產(chǎn)兒晚發(fā)性膿毒癥的Meta分析研究,描述了接受益生菌治療患者的早產(chǎn)兒晚發(fā)性膿毒癥發(fā)生率從安慰劑組的16.3%降低到13.9%。如果對乳酸菌、雙歧桿菌或單一或多種益生菌治療的嬰兒進行分析,差異仍然顯著。在發(fā)展中國家使用益生菌治療的早產(chǎn)兒中,遲發(fā)性膿毒癥和死亡也顯著減少[19]。對于陰道毛滴蟲和細(xì)菌混合感染患者,在常規(guī)抗菌治療中添加益生菌,治療后炎癥明顯控制,陰道的物理化學(xué)參數(shù)有顯著變化,即益生菌能提高抗菌治療的臨床療效[20]。

(1)布拉酵母菌:布拉酵母菌作為治療性益生菌用于假膜性腸炎、腸易激綜合征、急性成人腹瀉、克羅恩病、賈第鞭毛蟲病、HIV相關(guān)性腹瀉的療效和安全性均有循證依據(jù)。在成人中,推薦使用布拉酵母菌散預(yù)防抗生素相關(guān)性腹瀉(antibiotic-associated diarrhea, AAD)和旅行者腹瀉。膿毒癥患者往往需要抗生素長期治療,抗生素相關(guān)性腹瀉和假膜性腸炎發(fā)生率較高。一項Meta分析發(fā)現(xiàn),布拉酵母菌在預(yù)防AAD方面具有顯著療效(RR=0.47,95% CI: 0.35～0.63,P<0.001)。布拉酵母菌有望預(yù)防艱難梭菌病的復(fù)發(fā)[21]。隨機試驗也支持使用這種酵母益生菌預(yù)防腸內(nèi)營養(yǎng)相關(guān)腹瀉和減少幽門螺桿菌抗生素治療相關(guān)不良反應(yīng)[22]。

(2)鼠李糖乳桿菌GG:鼠李糖乳桿菌GG (Lactobacillus rhamnosus GG, LGG)是應(yīng)用最廣泛的益生菌之一。因其具有抗酸、抗膽汁、良好的生長特性和對腸上皮層的黏附能力,是潛在的益生菌菌株。但其在改善感染相關(guān)疾病預(yù)后的效果上仍有較大爭議。在一項針對嬰兒腸絞痛的隨機對照研究中,持續(xù)補充LGG 28天,可使嬰兒平均每日全力哭泣時間減少,糞便鈣衛(wèi)蛋白顯著降低[23]。而另一項臨床隨機對照研究顯示,LGG未能改善兒童急性胃腸炎的腹瀉持續(xù)時間及24h內(nèi)最大腹瀉發(fā)作次數(shù),對于預(yù)后亦無明顯改善[24]。一項大型隨機對照研究發(fā)現(xiàn),對于需要機械通氣的危重患者,與安慰劑比較,給予LGG對于預(yù)防呼吸機相關(guān)肺炎的發(fā)展方面差異無統(tǒng)計學(xué)意義[25]。LGG對住院成人患者清除耐萬古霉素糞腸球菌的定殖或菌群多樣性方面無明顯影響[26]。暴露于抗微生物藥物后結(jié)腸菌群的改變允許抗微生物耐藥生物(antimicrobial-resistant organisms, AROs)定植。而LGG群落既沒有阻止AROs的繁殖,也沒有加速AROs的定植[27]。

2.糞便微生物群移植:糞便菌群移植(fecal microbiota transplantation, FMT)可顯著調(diào)節(jié)膿毒癥大鼠腸道的菌群失調(diào),激活膽堿能抗炎通路,改善腦功能障礙。當(dāng)艱難梭菌感染時,腸道氨基酸濃度增加。有研究觀察到一種不能使用脯氨酸作為能量來源的艱難梭菌突變體,它不能感染移植了益生菌或健康人類腸道菌群的無菌小鼠。而預(yù)防性使用低脯氨酸或低蛋白飲食進行飲食干預(yù)的群落失調(diào)小鼠,其野生型艱難梭菌的擴張減少[28]。從致命膿毒癥患者身上分離出來的病原體菌群感染小鼠而引起的膿毒癥,與清除病原體所需的宿主轉(zhuǎn)錄組的全身抑制和丁酸表達降低有關(guān)。FMT通過干擾素調(diào)控因子3依賴的方式恢復(fù)宿主免疫,從而增強病原體清除,逆轉(zhuǎn)了致命膿毒癥的進程。FMT可能是與免疫抑制相關(guān)的敗血癥的一種治療選擇,這種保護作用可能與產(chǎn)生丁酸鹽的擬桿菌的擴張有關(guān)[29]。一項納入30例接受抗反轉(zhuǎn)錄病毒治療的人類免疫缺陷病毒感染者的隨機對照研究報告了FMT是安全的,并可減輕HIV相關(guān)的腸道微生物群生態(tài)失調(diào)[30]。作為機體對引入活的微生物的自然反應(yīng),FMT也具有一系列不良反應(yīng),最常見的往往與胃腸道不適有關(guān)。

3.特定微生物來源的成分和產(chǎn)品:在胃腸道中,短鏈脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)對上皮細(xì)胞具有保護作用。通過對腸道微生物群和糞便轉(zhuǎn)移的分析發(fā)現(xiàn),喂食高ω-6脂肪酸的飼料的小鼠表現(xiàn)出更高水平的代謝內(nèi)毒素血癥和全身低級別炎癥,而組織ω-3脂肪酸的增加可促進腸道堿性磷酸酶的產(chǎn)生和分泌,從而引起腸道細(xì)菌組成的改變,導(dǎo)致脂多糖的產(chǎn)生和腸道通透性下降,最終降低代謝性內(nèi)毒素血癥和炎癥[31]。膳食二肽γ- L-谷氨酰基-L-纈氨酸通過降低促炎性細(xì)胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β在血漿和小腸中的表達,表現(xiàn)出抗菌活性,進而改善抗炎多肽誘導(dǎo)膿毒癥小鼠模型的炎性反應(yīng)[32]。

4.選擇性消化道去污:選擇性消化道去污(selective decontamination of the digestive tract, SDD)是通過腸內(nèi)口服不可吸收的抗菌藥物,即多黏菌素和妥布霉素,選擇性根除需氧革蘭陰性菌。SDD通過選擇性調(diào)節(jié)腸道菌群,進而影響腸道環(huán)境及機體免疫,與改善膿毒癥預(yù)后、減少耐藥病原菌發(fā)生具有相關(guān)性。選擇性口咽去污(selective oropharyngeal decontamination, SOD)和SDD與ICU患者的預(yù)后改善相關(guān)。SOD/SDD的引入與所有抗菌藥物耐藥率的降低有關(guān)。但在SDD應(yīng)用后,產(chǎn)延伸光譜內(nèi)酰胺酶的肺炎克雷伯菌迅速出現(xiàn)黏菌素耐藥性,多黏菌素及妥布霉素耐藥的發(fā)生率和比例均有所增加。因此,當(dāng)耐藥細(xì)菌普遍存在時,SDD不應(yīng)應(yīng)用于暴發(fā)環(huán)境。

5.飲食干預(yù):西方飲食(western diet, WD)定義為一種高脂肪、高蔗糖、低纖維的飲食。在膿毒癥模型中,用西方飲食喂養(yǎng)的小鼠與用標(biāo)準(zhǔn)富含纖維的食物喂養(yǎng)的小鼠比較,會引起更嚴(yán)重的疾病和不良預(yù)后。重要的是,WD依賴的膿毒癥嚴(yán)重程度的增加和更高的病死率是獨立于微生物組的,這表明飲食可能通過一種未知的機制直接調(diào)節(jié)先天免疫系統(tǒng)。高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖,可能通過改變了心臟STAT3信號通路,增加了微生物膿毒癥小鼠心肌損傷的可能。膳食纖維增加了將纖維代謝為SCFA的細(xì)菌的豐度,并提供了對多藥耐藥細(xì)菌的腸道定殖的耐藥性。在接受廣譜靜脈抗生素的ICU患者中,腸內(nèi)膳食纖維與SCFA產(chǎn)生菌相對豐度的增加和SCFA水平非顯著趨勢的增加有關(guān)[33]。因此,膳食纖維在飲食中的比重可能影響膿毒癥預(yù)后,通過對高危病人增加膳食纖維攝入比例也許可以降低膿毒癥的發(fā)生率。

綜上所述,膿毒癥的病理機制十分復(fù)雜,多種機制均直接或間接影響腸道微生物群平衡,進而影響膿毒癥的臨床表現(xiàn)及預(yù)后。腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物可通過多種機制調(diào)節(jié)膿毒癥患者的腸道功能。腸道微生物群調(diào)節(jié)作為一種新興的膿毒癥治療途徑,在膿毒癥腸道微生物群微生態(tài)機制研究領(lǐng)域值得進一步探索。