腸道菌群治療炎癥性腸病的研究進(jìn)展

趙紅艷,張慧文 綜述 徐琦德 審校

炎癥性腸病(Inflammatory bowel disease,IBD)是腸道的一種慢性炎癥,其全球的患病率呈上升趨勢,特別是在歐洲和北美。IBD可以由異常的黏膜免疫反應(yīng)觸發(fā),這與受損的腸屏障功能和腸道微生物豐度相關(guān)。近年來,腸道微生物在IBD發(fā)病機制中的作用受到了廣泛的關(guān)注。腸道菌群具有多種功能,例如,腸道菌群有助于宿主的營養(yǎng)和代謝,維持腸道細(xì)胞的增殖和分化并調(diào)節(jié)宿主的免疫系統(tǒng)功能[1]。因此,以腸道菌群為治療核心來改善腸道屏障功能及減少腸黏膜炎癥,對未來治療IBD 有著重大意義[2]。目前益生菌攝入、腸道菌群移植、飲食結(jié)構(gòu)調(diào)整、噬菌體治療都有著較好療效,尤其通過中藥提純后物質(zhì)來改善腸道菌群失調(diào)的方法已取得了不可忽視的成果。因此了解腸道菌群作用、如何改善腸道菌群及相關(guān)臨床應(yīng)用對于臨床上給予患者更全面、個體化的治療方案有著重要臨床意義。

1 腸道菌群與IBD

人類腸道微生物群中含有500～1000種不同的細(xì)菌、真菌和病毒,其微生物數(shù)量估計為1018CFU/g,10倍于人體細(xì)胞總量。從胃腸道的近端向遠(yuǎn)端細(xì)菌的數(shù)量逐漸增加。大腸中含有超過70%的微生物,這些微生物通常與宿主的健康狀態(tài)有關(guān)[3]。腸道微生物群現(xiàn)如今被證實與代謝疾病有著密不可分的聯(lián)系,且被認(rèn)為是一個參與宿主免疫和維持能量穩(wěn)態(tài)的內(nèi)分泌器官[4]。同時腸道微生物可通過共生作用產(chǎn)生維生素,抑制病原微生物的增殖,促進(jìn)食物的消化[5]。

腸道菌群最具代表性的細(xì)菌門(90%)由四種類型組成:厚壁菌門(firmicutes)、擬桿菌門(bacteroidetes)、變形菌門(proteobacteria)和放線菌門(actinobacteria)[6]。IBD的腸道菌群紊亂表現(xiàn)在腸道有益菌豐度的減少,包括厚壁菌門(firmicutes)和擬桿菌門(bacteroidetes)、乳酸菌門(lactobacillus)和真細(xì)菌(eubacterium)在內(nèi)的特定類群的減少[7],能產(chǎn)生丁酸酯的微生物種類減少(丁酸酯是一種短鏈脂肪酸,可積極調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)并減少炎癥)以及有害菌的豐度增加,包括大腸桿菌及梭狀桿菌的相對增加[8]?？傊?IBD患者腸道內(nèi)菌群總量和菌群多樣性會減少。

2 腸道菌群的功能

2.1 腸道菌群與營養(yǎng) 糖類根據(jù)其聚合程度在腸道內(nèi)顯示出不同的吸收特性[9]。小腸會使其水解并吸收單糖,而大腸中的微生物會降解低聚果糖、低聚半乳糖以及菊粉。不溶性纖維不被消化,變成糞便排出體外[10]。同時,糖類又對腸道菌群有潛在作用,其機制是腸道吸收失衡導(dǎo)致腸腔中碳水化合物分布不均,這會促進(jìn)特定病原菌的過度生長[9]。動物研究表明,高糖類的攝入更容易導(dǎo)致菌群失調(diào)。低纖維攝入也與IBD發(fā)病率增高有關(guān)[11]。纖維在結(jié)腸內(nèi)發(fā)酵,維持了細(xì)菌多樣性,促進(jìn)短鏈脂肪酸如丁酸酯的產(chǎn)生來保護(hù)黏膜屏障,從而積極調(diào)節(jié)腸道穩(wěn)態(tài)[12],并減少炎癥反應(yīng)。一項研究顯示高糖和低纖維攝入與IBD特別是與克羅恩病發(fā)病密切相關(guān)[13]。故此,腸道菌群有利于營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,宿主的飲食、生活方式、衛(wèi)生習(xí)慣或抗生素攝入也會導(dǎo)致腸道菌群快速而持續(xù)的變化。而IBD顯然與腸道營養(yǎng)不良有關(guān)。在遺傳易感背景下,伴隨環(huán)境因素干預(yù)時,個體腸道菌群的變化在疾病的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用[14]。

2.2 腸道菌群參與腸道免疫調(diào)控 腸道免疫系統(tǒng)的成熟與腸道菌群密不可分,首先CD4+T 細(xì)胞增殖、分化受腸道菌群的調(diào)節(jié),其分化而來的Th17細(xì)胞以IL-17A、IL-17F、IL-22的分泌保證了免疫系統(tǒng)的功能完整。腸道菌群能夠調(diào)節(jié)腸黏膜Treg 和Th17的平衡[15],在腸道防御及自身免疫中發(fā)揮重要作用[16]。腸道菌群通過與病原體競爭營養(yǎng)物質(zhì),產(chǎn)生細(xì)菌素、過氧化氫和短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFA)即丁酸、乙酸、丙酸,能有效地保護(hù)宿主免受有害菌的感染[17, 18]。同時在有害菌入侵時,腸道菌群代謝產(chǎn)物長期的刺激作用使腸黏膜及時產(chǎn)生分泌型免疫球蛋白 A( secretory immunoglobulin A,SIgA),有效防止有害菌對腸道的攻擊和定植[19, 20]。有研究表示,腸道菌群及其代謝產(chǎn)物作為抗原可破壞腸黏膜屏障的完整性,改變腸道條件致病菌和優(yōu)勢菌的豐度,從而引起自體免疫反應(yīng)并誘導(dǎo) IBD 發(fā)生[21]。故此,腸道菌群有利于腸道免疫系統(tǒng)的成熟,與IBD的發(fā)生發(fā)展有著密切聯(lián)系。

2.3 腸道菌群參與腦-腸-菌軸的構(gòu)建 與菌群完整的小鼠相比,無菌小鼠的神經(jīng)遞質(zhì)和腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子水平異常,焦慮反應(yīng)增多,活動減少[22],這是第一個支持腸道菌群參與腦-腸軸的證據(jù)。隨后的研究表明,微生物群衍生的短鏈脂肪酸和發(fā)酵產(chǎn)物促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞的成熟和功能[23],而一種共生細(xì)菌脆弱芽孢桿菌(B. fragilis)可以恢復(fù)神經(jīng)功能[24]。此前的一項研究表明,黑腹果蠅體內(nèi)的KDM5缺失可導(dǎo)致腸道菌群改變相關(guān)的社會行為改變,而益生菌可以部分挽救腸道微生物群[25]。腦-腸-菌軸是通過激活副交感神經(jīng)系統(tǒng)中一部分的迷走神經(jīng)來實現(xiàn)的,得到了多項研究的支持。在一個化學(xué)誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型中,定植在腸道中的長雙歧桿菌通過激活迷走神經(jīng)通路,獨立于腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的產(chǎn)生,減少了類似焦慮的行為[26]。因此,腸道菌群通過迷走神經(jīng)與大腦交流,可以改善壓力、焦慮和抑郁相關(guān)的行為。

3 腸道菌群參與IBD的機制

菌群失調(diào)可通過多種途徑作用于IBD 的發(fā)生、發(fā)展過程:(1)病原微生物本身或內(nèi)毒素的致病性;(2) 改變腸道內(nèi)代謝產(chǎn)物的組成;(3)破壞腸道黏膜屏障完整性,使免疫調(diào)節(jié)功能紊亂。當(dāng)前有關(guān)IBD發(fā)病機制的理論是,慢性腸道炎癥是由異常的黏膜免疫反應(yīng)導(dǎo)致的,這種異常的黏膜免疫反應(yīng)會影響遺傳易感的個體,其腸道菌群也會發(fā)生改變[27],同時腸道炎癥也會加劇菌群紊亂。二者相輔相成,互相影響。

4 通過腸道菌群治療IBD的臨床應(yīng)用

4.1 腸道微生態(tài)制劑

4.1.1 糞菌移植 糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)給人們帶來了新的方向。FMT對葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的潰瘍性結(jié)腸炎模型有明顯的改善作用,不僅降低了關(guān)鍵細(xì)胞因子的表達(dá)和氧化狀態(tài),還下調(diào)了NF-κB信號通路相關(guān)基因表達(dá)。通過16SrRNA基因測序結(jié)果表明,FMT干預(yù)通過增加腸道菌群的相對豐度,降低類桿菌和變形桿菌的豐度[28]。有關(guān)FMT的隨機對照試驗證明了FMT聯(lián)合安慰劑誘導(dǎo)8周后,臨床緩解方面優(yōu)于安慰劑組[29]。對于IBD合并艱難梭菌感染,相比經(jīng)典的美沙拉嗪治療方案,該方法也具有明顯的優(yōu)勢。

4.1.2 益生菌、益生元、合生元 益生菌既通過Toll樣受體促進(jìn)固有免疫功能并改善膜屏障功能,增加腸道菌群多樣性,又通過調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫,提高TNF-α及炎癥因子的水平,從而減輕腸道炎癥[30]。益生菌還可與病原菌競爭營養(yǎng)物質(zhì)或產(chǎn)生抑菌性物質(zhì)直接抑制病原菌的生長[31],并產(chǎn)生神經(jīng)遞質(zhì)參與調(diào)節(jié)腦腸軸。由于益生菌通常具有良好的耐受性,目前已被廣泛應(yīng)用于潰瘍性結(jié)腸炎患者的輔助治療。相關(guān)研究表明盡管益生菌被認(rèn)為是IBD的一種安全的輔助治療,但它們在誘導(dǎo)、維持緩解和控制復(fù)發(fā)方面的效果至今仍存在疑問,缺乏強有力的證據(jù)支持[32]。益生元指代的是一些不被宿主消化吸收卻能夠選擇性地促進(jìn)體內(nèi)有益菌的代謝和增殖,從而改善宿主健康的有機物質(zhì),且多為非淀粉多糖或低聚糖。合生元則是指益生菌及益生元的混合物?？傊峭ㄟ^補充有益菌來控制病情。

4.2 新型納米微粒技術(shù) 采用噴霧干燥制備技術(shù)合成了美沙拉嗪混合物微?！猠udragit S-100(美沙拉嗪和益生菌的聚合物)[33]。這項研究利用了pH依賴性和時間控制的聚合物,利用微粒系統(tǒng)來提高穩(wěn)定性和控制釋放,形成pH決定性藥物傳遞通路,并進(jìn)一步提高治療效果。該方法不但可以實現(xiàn)pH值控制結(jié)腸中美沙拉嗪的定點活化,而且益生菌的抗氧化作用和抗炎作用仍然可以發(fā)揮,可以顯著減少美沙拉嗪引起的惡心、嘔吐等相關(guān)黏膜炎癥,而且與傳統(tǒng)單純治療相比該方法的不良反應(yīng)可忽略不計。

4.3 噬菌體 細(xì)菌通常受到由糖、蛋白質(zhì)和脂類所構(gòu)成生物膜的保護(hù),這給抗生素和相關(guān)抗菌藥物的起效帶來了挑戰(zhàn),但是噬菌體可以降解生物膜,可對一些難治的細(xì)菌產(chǎn)生療效。既往認(rèn)為大腸桿菌LF82可促進(jìn)腸道炎癥的進(jìn)展,有實驗證明噬菌體顯著降低了大腸桿菌LF82菌株的菌落形成單位(CFU)。值得注意的是,只需一劑噬菌體制劑就能達(dá)到這一效果[34]。另一項研究用僅含噬菌體的糞便懸浮液治療克羅恩病患者,結(jié)果表明,5例克羅恩病患者的癥狀全部消失且病情緩解持續(xù)了六個月[35]。但是目前尚無大型隨機對照研究,將噬菌體作用于腸道菌群從而治療IBD的思路需要更多驗證。

4.4 中藥提純后物質(zhì)

4.4.1 青黛 由爵床科植物馬藍(lán)、蓼科植物蓼藍(lán)、十字花科植物菘藍(lán)的葉或莖葉經(jīng)加工制得的。在日本的一項多中心雙盲隨機安慰劑對照試驗評估了青黛對潰瘍性結(jié)腸炎的臨床療效及安全性。試驗表明治療后的腸道菌群有著極大改變,擬桿菌的豐度與健康人相似且較未給予治療前明顯升高,而乳酸菌超出了健康人的豐度,雙歧桿菌則恢復(fù)到了健康人水平[36],但是青黛是一種粗制的植物提取物,而且口服青黛會引起肺動脈高壓、肝損傷[37]。目前還有許多中藥成分被檢測出對動物模型有效。例如,靛玉紅、靛藍(lán)和色胺菊酯(TRYP),此外許多未知成分也發(fā)揮著抗炎作用。我們還需進(jìn)一步闡述活性成分及相關(guān)作用機制,才有助于發(fā)現(xiàn)安全有效的治療方案。

4.4.2 小檗堿 又稱黃連素,是從中藥黃連中分離的一種季銨生物堿。具有抗菌消炎、抗氧化、調(diào)節(jié)機體免疫、修復(fù)腸道屏障等作用[38],在治療 IBD 方面也顯示出重要價值。有研究顯示,小檗堿明顯抑制病原菌腸桿菌和腸球菌的生長,促進(jìn)有益菌乳桿菌和雙歧桿菌的生長,作用隨濃度增加而增強[39]。

4.4.3 白藜蘆醇 是一種許多植物受到刺激時產(chǎn)生的非黃酮類多酚有機化合物。大多數(shù)擬桿菌作為耐藥細(xì)菌,與腸道炎癥的發(fā)展及遷延有著密切關(guān)系,白藜蘆醇可有效降低擬桿菌門的數(shù)量[40]。然而,另一項研究表明,添加白藜蘆醇[200 mg/(kg·d),連續(xù)12周]可促進(jìn)小鼠的擬桿菌門與厚壁菌門比值升高[41]。同樣,最近的證據(jù)表明,類桿菌、乳酸菌、雙歧桿菌的相對豐度隨著白藜蘆醇的補充而增加[42]。之前的研究也表明,在高脂肪喂養(yǎng)的小鼠中,白藜蘆醇可導(dǎo)致乳酸菌數(shù)量增加,糞腸球菌和大腸桿菌種類減少[43]。所以仍需要進(jìn)一步研究來評估藥效。

4.4.4 中醫(yī)多糖 是指多種中藥材中由多個單糖分子脫水聚合以糖苷鍵連接而成的大分子物質(zhì)。研究表明,多糖會增加有益菌的豐度,具有調(diào)節(jié)腸道微環(huán)境、降低腸道pH值、刺激腸道免疫等功能,可對抗炎癥。一項研究證明從猴頭菇中提取的多糖,能有效降低致病菌豐度,穩(wěn)定改善腸道微生態(tài)環(huán)境來緩解葡聚糖硫酸鈉(dextran sulphate sodium, DSS)誘導(dǎo)的腸道菌群紊亂[44]。另一研究表明,多糖可減輕三硝基苯磺酸(trinitro-benzene-sulfonic acid,TNBS)誘發(fā)的大鼠結(jié)腸炎模型的炎癥。其不僅逆轉(zhuǎn)了TNBS誘導(dǎo)的腸道菌群失調(diào),使短鏈脂肪酸(SCFAs)的產(chǎn)生菌、乳酸菌增多,還降低了擬桿菌門、變形桿菌門和硫酸鹽還原菌的數(shù)量,也改善了基礎(chǔ)代謝[45]。因此,利用多糖類物質(zhì)可有效預(yù)防、緩解并治療IBD。雖然多糖類物質(zhì)能夠影響腸道微生物及其代謝產(chǎn)物,但其具體機制仍需進(jìn)一步探索。

4.4.5 納米姜黃素 是一種疏水性多酚。姜黃素具有多種生物學(xué)功能,如抗炎、抗癌、抗氧化、抗微生物、傷口愈合和降血糖活性[46]。姜黃素的多靶點活性是通過抑制各種細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路來介導(dǎo)的,這些信號通路包括NF-κB,STAT3,Nrf2,ROS和COX-2。一項研究使用了實時熒光定量PCR技術(shù)證實了用納米姜黃素可改變DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠中腸道菌群的分布,表現(xiàn)為產(chǎn)丁酸鹽的細(xì)菌豐度增加,如梭狀芽孢桿菌,并伴有糞便丁酸鹽的升高。納米姜黃素誘導(dǎo)CD4+、Foxp3+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞和CD103+、CD8α-、 CD11c+樹突狀細(xì)胞的增加,上調(diào)Treg細(xì)胞的數(shù)量來下調(diào)效應(yīng)T細(xì)胞的誘導(dǎo)和增殖[47],起到抗炎效果。但由于姜黃素具有高度疏水性,臨床應(yīng)用受到限制。而納米姜黃素具有改善水溶性和口服生物利用度的優(yōu)點,與口服姜黃素粉相比,服用納米姜黃素其血清含量水平顯著升高[48]。這些發(fā)現(xiàn)表明,納米姜黃素是治療IBD的新選擇。姜黃素的安全性與耐受性已通過人類臨床試驗證實。但目前尚無關(guān)于包括IBD在內(nèi)的胃腸疾病的納米姜黃素的基礎(chǔ)或臨床報道。

腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可參與腸道營養(yǎng)吸收,刺激并維持腸黏膜固有免疫及特異性免疫功能的建立,通過迷走神經(jīng)與大腦交流調(diào)控宿主腸道功能。菌群失調(diào)與IBD的關(guān)系十分密切,二者相互影響。故腸道菌群與 IBD 的關(guān)系研究十分重要,可以進(jìn)一步闡明腸道菌群在IBD的發(fā)病及治療過程中的重要作用,并為益生菌、FMT、噬菌體及中藥提純后物質(zhì)、噬菌體等治療方法應(yīng)用于 IBD提供更多、更權(quán)威的臨床循證學(xué)依據(jù)。