腸道微生態(tài)與胰腺疾病

楊子涵 吳東

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院消化內(nèi)科 疑難重癥及罕見(jiàn)病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100730

【提要】 腸道微生態(tài)由腸道微生物及其基因組和生存環(huán)境共同構(gòu)成，其異常改變與全身各類炎癥、腫瘤和代謝疾病密切相關(guān)。近年來(lái)，腸道微生態(tài)異常改變與急性胰腺炎、慢性胰腺炎及胰腺癌的關(guān)系研究不斷增多，引起臨床重視。胰腺炎癥可能并發(fā)或造成腸道微生態(tài)紊亂，反之腸道微生態(tài)紊亂又可能加重胰腺炎癥反應(yīng)，增加全身及局部并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)，甚至誘發(fā)胰腺腫瘤。本文旨在探討腸道微生態(tài)參與調(diào)控胰腺疾病的機(jī)制及其潛在的臨床應(yīng)用前景。

腸道微生態(tài)由腸道微生物及其基因組和生存環(huán)境共同構(gòu)成，在消化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)調(diào)控中發(fā)揮重要作用。腸道微生態(tài)異常改變與全身各類炎癥、腫瘤和代謝疾病密切相關(guān)。目前認(rèn)為，內(nèi)源性或外源性因素可通過(guò)破壞腸屏障功能，促進(jìn)腸黏膜通透性增加和炎癥改變，從而對(duì)腸道微生物產(chǎn)生選擇作用，導(dǎo)致易感人群腸道機(jī)會(huì)病原體增殖并向致病微生物轉(zhuǎn)變。失調(diào)的腸道微生物及其基因產(chǎn)物進(jìn)而引起局部或系統(tǒng)的病理變化，最終導(dǎo)致疾病發(fā)生[1]。腸屏障系統(tǒng)主要包括黏膜化學(xué)屏障、機(jī)械屏障、免疫屏障和生物屏障，由腸上皮細(xì)胞連接復(fù)合體及其分泌物、腸道免疫細(xì)胞及腸內(nèi)正常菌群組成。近年來(lái)，腸道微生態(tài)紊亂與胰腺疾病的關(guān)系引起臨床高度重視。研究顯示，AP的發(fā)生和發(fā)展會(huì)導(dǎo)致患者腸道菌群失調(diào)，而腸道微生態(tài)紊亂會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)AP的病情惡化[2-3]。本文從AP腸道微生態(tài)紊亂的發(fā)生、進(jìn)展及并發(fā)癥等角度出發(fā)，結(jié)合CP和胰腺腫瘤，闡述腸道微生態(tài)在上述疾病中的作用機(jī)制及干預(yù)腸道菌群的臨床應(yīng)用前景。

一、腸道微生態(tài)紊亂參與調(diào)控AP病情進(jìn)展

AP是世界范圍內(nèi)消化疾病急診住院的首要病因，全球發(fā)病率約為34/10萬(wàn)，近年來(lái)呈明顯增高趨勢(shì)，消耗了大量醫(yī)療資源[4]。大部分AP患者病情較輕，但約20%患者會(huì)進(jìn)展為SAP，出現(xiàn)全身炎癥反應(yīng)綜合征和器官功能衰竭。SAP病情危重且缺乏特異性藥物，治療難度大，病死率高達(dá)20%～30%，是嚴(yán)重威脅人民生命健康的急危重癥[5]。因此早期、準(zhǔn)確地評(píng)估病情和預(yù)測(cè)預(yù)后對(duì)AP患者尤為重要。當(dāng)前臨床上常用的APACHEⅡ、BISAP、Ranson等評(píng)分系統(tǒng)存在應(yīng)用繁瑣、時(shí)效性差等局限。近年來(lái)，有關(guān)預(yù)測(cè)AP嚴(yán)重程度及預(yù)后的生物標(biāo)志物研究取得了很大進(jìn)展，包括CRP、鳶尾素、致癌因子2和微小RNA在內(nèi)的多種標(biāo)志物顯示出良好的預(yù)測(cè)價(jià)值[6]，其中也不乏將特定腸道菌群作為生物標(biāo)志物來(lái)預(yù)測(cè)AP疾病嚴(yán)重程度的研究[7]。

腸道菌群是腸道微生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，具有保護(hù)腸黏膜屏障、介導(dǎo)宿主免疫反應(yīng)及調(diào)節(jié)代謝等作用[8]。腸黏膜完整性需要腸內(nèi)正常菌群參與維持，而在AP早期即出現(xiàn)的腸道菌群失調(diào)則破壞了這一穩(wěn)態(tài)。AP導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的機(jī)制主要包括胃腸動(dòng)力障礙、缺血再灌注損傷、氧化應(yīng)激和免疫功能紊亂[2]。在上述多重因素影響下，腸道菌群多樣性降低，菌群結(jié)構(gòu)和數(shù)量發(fā)生改變，表現(xiàn)為有益菌數(shù)量明顯減少，機(jī)會(huì)病原菌數(shù)量增多。Zhu等[9]研究發(fā)現(xiàn)，增加腸道有益菌阿克曼菌的豐度可增強(qiáng)腸道黏膜緊密連接蛋白ZO-1和occludin的表達(dá)，提示腸道菌群失調(diào)會(huì)影響腸道黏膜的機(jī)械屏障能力。此外，Tan等[10]發(fā)現(xiàn)血清IL-6與潛在病原菌如腸桿菌科和腸球菌的豐度呈正相關(guān)，與有益菌雙歧桿菌的豐度呈負(fù)相關(guān)；血清內(nèi)毒素含量與潛在病原菌腸球菌的豐度呈正相關(guān)，提示腸道菌群失調(diào)可能通過(guò)促進(jìn)腸道炎癥及免疫反應(yīng)，破壞腸黏膜屏障完整性。

短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）是腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物，也是腸道上皮細(xì)胞的主要能量來(lái)源。SCFAs可促進(jìn)腸道上皮細(xì)胞的增殖與分化，減少細(xì)胞凋亡，也可通過(guò)促進(jìn)腸上皮緊密連接蛋白ZO-1和occludin的表達(dá)增強(qiáng)腸黏膜屏障功能[11]。腸道菌群失調(diào)可導(dǎo)致產(chǎn)SCFAs的益生菌減少，進(jìn)而影響腸黏膜屏障的完整性，從而加重AP的嚴(yán)重程度[3]。一項(xiàng)薈萃分析顯示，約60%的AP患者存在腸屏障損傷[12]。在此情況下，腸黏膜通透性增加進(jìn)而導(dǎo)致腸道菌群移位、胰腺組織壞死感染，炎癥風(fēng)暴從局部擴(kuò)散至全身，甚至發(fā)生多器官功能障礙綜合征，危及生命[13]。故AP的病理生理機(jī)制與腸道微生態(tài)密切相關(guān)，腸道微生態(tài)紊亂是AP患者腸屏障被破壞的主要原因，腸屏障功能受損、細(xì)菌和內(nèi)毒素移位是AP病情惡化的重要推動(dòng)因素。筆者團(tuán)隊(duì)研究[14]發(fā)現(xiàn)，不同嚴(yán)重程度AP患者在腸道菌群的組成和功能上存在顯著差異，MAP、MSAP和SAP患者中占據(jù)主導(dǎo)地位的腸道菌群分別是擬桿菌屬、大腸埃希菌屬-志賀菌屬和腸球菌屬。MAP患者大芬戈?duì)柕戮鷮亠@著增多，布勞特菌屬顯著減少；MSAP患者厭氧球菌屬顯著增多，霍氏真桿菌顯著減少；SAP患者則腸球菌顯著增多，霍氏真桿菌顯著減少[14]。上述研究表明腸道菌群的改變參與調(diào)控AP的病情進(jìn)展，未來(lái)需要更多研究探索其具體機(jī)制。

急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）是SAP最常見(jiàn)的嚴(yán)重并發(fā)癥，也是SAP患者早期死亡的主要原因[15-16]。疾病后期（發(fā)病時(shí)間＞4周）發(fā)生的胰腺組織感染壞死及繼發(fā)的多種局部或全身并發(fā)癥構(gòu)成了SAP治療的主要瓶頸。腸道微生態(tài)改變與胰腺壞死的發(fā)生密切相關(guān)，胰腺組織感染壞死一般發(fā)生在患者入院10 d之后，通常認(rèn)為是細(xì)菌從腸道移位而導(dǎo)致[17]。約30%無(wú)菌性胰腺壞死會(huì)進(jìn)展為感染性胰腺壞死，從患者壞死胰腺組織中可培養(yǎng)出葡萄球菌、腸球菌、大腸埃希菌及克雷伯菌等病原體[18]。Li等[19]采用16s rDNA測(cè)序技術(shù)識(shí)別出AP患者移位菌群的特征，展示了膿毒血癥與AP嚴(yán)重程度之間的關(guān)聯(lián)性。筆者團(tuán)隊(duì)收集AP患者入院時(shí)直腸拭子樣本行16s rDNA測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，急性壞死性胰腺炎患者相較非壞死性胰腺炎具有獨(dú)特的腸道微生態(tài)改變；糞腸球菌（Enterococcus faecium）和大芬戈?duì)柕戮‵inegoldia magna）可作為生物標(biāo)志物預(yù)測(cè)胰腺壞死和感染，為SAP早期預(yù)測(cè)及治療提供了思路[7]。此外，Hu等[20]比較了AP伴或不伴ARDS患者的腸道菌群改變，發(fā)現(xiàn)AP伴ARDS患者腸道菌群在組成和功能上出現(xiàn)了特定的變化，主要表現(xiàn)在變形菌門、腸桿菌科、大腸埃希菌屬-志賀菌屬和肺炎克雷伯菌豐度較高，而雙歧桿菌屬豐度較低。進(jìn)一步通過(guò)隨機(jī)森林建模分析發(fā)現(xiàn)，大腸埃希菌屬-志賀菌屬的豐度差異能夠區(qū)分AP伴ARDS和AP不伴ARDS，提示腸道菌群的特異性變化在SAP進(jìn)程中可能具有潛在的預(yù)測(cè)價(jià)值。

總之，腸道微生態(tài)改變?cè)贏P的發(fā)病、進(jìn)展及并發(fā)癥中發(fā)揮重要作用。腸道菌群及其代謝產(chǎn)物失調(diào)可能導(dǎo)致炎癥反應(yīng)激活、腸屏障功能減弱和胰腺組織損傷，從而促進(jìn)SAP的發(fā)生和進(jìn)展。此外，腸道微生態(tài)的改變還與胰腺壞死、胰周感染壞死和全身并發(fā)癥相關(guān)。有理由相信，未來(lái)的研究將有助于深入探究腸道微生態(tài)與AP之間的關(guān)系，為臨床治療和判斷預(yù)后提供新的思路。

二、腸道微生態(tài)變化與CP并發(fā)癥及癌變之間的關(guān)系

研究表明，CP患者腸道微生物豐富度及多樣性顯著降低。在門水平上，CP患者腸道擬桿菌門豐度減少，變形菌門豐度增加[21]。此外，乳酸桿菌屬、雙歧桿菌屬、糞桿菌屬、普雷沃菌屬豐度減少，大腸埃希菌和糞腸球菌豐度則增高[22-23]。CP患者腸道微生態(tài)改變與胰腺外分泌功能不全（pancreatic exocrine insufficiency, PEI）密切相關(guān)，進(jìn)而促進(jìn)CP病情進(jìn)展并增加并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)。例如，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腸道中過(guò)量的脂肪會(huì)導(dǎo)致微生態(tài)失調(diào)、產(chǎn)脂多糖內(nèi)毒素菌群增加及免疫細(xì)胞Toll樣受體激活，導(dǎo)致腸黏膜炎癥加重、腸道屏障功能受損及循環(huán)內(nèi)毒素水平增加[24]。當(dāng)前腸道微生態(tài)改變調(diào)控CP的具體機(jī)制尚未明確，但CP腸道菌群豐富度及多樣性的降低與患者腹瀉、腹痛、腹脹、惡心等癥狀相關(guān)，經(jīng)抗生素如利福昔明治療后，上述癥狀可好轉(zhuǎn)[25-26]。現(xiàn)有證據(jù)表明，腸道微生態(tài)改變及相應(yīng)的病理改變可能影響CP疾病進(jìn)展及并發(fā)癥，包括胰腺外分泌功能不全、糖尿病及胰腺癌等。

1.腸道微生態(tài)與CP進(jìn)展：腸道微生態(tài)改變引起CP進(jìn)展的證據(jù)首先來(lái)源于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)。例如，將CP小鼠的腸道菌群通過(guò)糞便移植的方式移植至無(wú)菌小鼠，可誘導(dǎo)后者出現(xiàn)CP；而補(bǔ)充胰腺消化酶和益生菌，保持腸道微生態(tài)穩(wěn)定則可減輕CP嚴(yán)重程度[23]。此外，健康供體的糞菌移植顯著減輕了CP小鼠的胰腺損傷和纖維化，而CP小鼠的糞菌移植則使胰腺中CD4+T細(xì)胞和巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)數(shù)量增加，進(jìn)而加劇胰腺纖維化[27]。另有研究顯示CP患者腸道大腸埃希菌豐度提高可促進(jìn)全身炎癥反應(yīng)及CP病情發(fā)展[22]。以上結(jié)果提示腸道微生物組的變化與CP的嚴(yán)重程度有關(guān)。

2.腸道微生態(tài)與PEI：PEI為CP并發(fā)癥之一，其發(fā)生率為30%～48%，可引起消化不良、脂肪瀉、體重下降、脂溶性維生素缺乏及骨質(zhì)疏松[28]。研究發(fā)現(xiàn)，存在PEI的CP患者腸道微生態(tài)紊亂的發(fā)生率是無(wú)PEI患者的2.5倍[29]。當(dāng)存在小腸細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)時(shí)，腸道菌群代謝的改變會(huì)加劇PEI，而腸道微生態(tài)失調(diào)可引起胰腺抗菌肽合成減少，誘發(fā)小腸細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)[23,30]。已知CP患者腸道雙歧桿菌的豐度與PEI的發(fā)生呈負(fù)相關(guān)[21]。此外，PEI患者腸道微生態(tài)中普雷沃菌屬豐度增加，擬桿菌屬豐度減少。而普雷沃菌屬的某些菌種可產(chǎn)生硫酸氫鹽，通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的方式引起胰腺損傷，可能導(dǎo)致胰腺外分泌功能進(jìn)一步下降[31]。

3.腸道微生態(tài)與糖尿?。禾悄虿镃P常見(jiàn)并發(fā)癥，新診斷的CP患者15個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)約為36%，33個(gè)月后則高達(dá)60%。CP相關(guān)性胰腺損傷可引起3c型糖尿?。╰ype 3c diabetes mellitus,T3cDM）。一項(xiàng)系統(tǒng)綜述指出，相較于無(wú)T3cDM的CP患者，并發(fā)T3cDM患者胃腸道內(nèi)擬桿菌門豐度較高，糞桿菌屬豐度較低[22]。例如，T3cDM的CP患者腸道微生態(tài)中普氏棲糞桿菌豐度減少，這種腸道微生態(tài)變化引起腸道菌群脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）合成顯著增加，進(jìn)而導(dǎo)致血清內(nèi)毒素水平增加，與糖代謝受損有關(guān)[32-33]。這是因?yàn)長(zhǎng)PS可通過(guò)Toll樣受體和NF-κB通路誘導(dǎo)胰島β細(xì)胞產(chǎn)生炎癥，導(dǎo)致β細(xì)胞功能障礙[33]，但具體機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。此外，有研究發(fā)現(xiàn)CP患者布氏瘤胃球菌豐度減少，該菌種在人類結(jié)腸抗性淀粉的降解中具有重要的生理作用，而抗性淀粉的降解減少可促進(jìn)胰島素抵抗的發(fā)生，導(dǎo)致葡萄糖代謝的改變[32]。CP患者腸道普氏棲糞桿菌減少可能參與調(diào)控T3cDM發(fā)生及惡化。

4.腸道微生態(tài)與CP癌變：相較于正常人群，CP患者群體胰腺癌總體發(fā)病率增加[34]，尤其是攜帶KRAS突變基因的CP患者[32]。其中，腸道微生態(tài)改變?nèi)缧∧c細(xì)菌過(guò)度生長(zhǎng)可能通過(guò)LPS驅(qū)動(dòng)的炎癥反應(yīng)和TLRs介導(dǎo)的NF-κB通路刺激KRAS突變基因表達(dá)，引起慢性炎癥和氧化損傷從而加速胰腺癌的發(fā)展[32]。此外，腸道微生態(tài)改變可以通過(guò)多種途徑激活免疫系統(tǒng)，包括腫瘤浸潤(rùn)淋巴細(xì)胞（tumor infiltrating lymphocytes, TILs）、固有免疫細(xì)胞及相關(guān)細(xì)胞因子等。TILs可產(chǎn)生促炎遞質(zhì)激活STAT3和NF-κB通路，促進(jìn)細(xì)胞增殖和抑制細(xì)胞凋亡，從而促進(jìn)癌癥發(fā)生[32]。

可見(jiàn)，腸道微生態(tài)和CP之間存在相互作用，CP患者腸道微生態(tài)改變可源于PEI，而這種微生態(tài)改變可進(jìn)一步影響CP的病程及并發(fā)癥。從腸道微生態(tài)的角度進(jìn)行干預(yù)，有望為預(yù)防CP進(jìn)展和提高患者生活質(zhì)量提供新的思路。

三、腸道微生態(tài)與胰腺腫瘤

胰腺癌因其發(fā)病率增長(zhǎng)且預(yù)后較差，現(xiàn)已成為全球癌癥死亡的第7位病因[35]。其中胰腺導(dǎo)管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）作為胰腺最常見(jiàn)的惡性腫瘤，其發(fā)病與疾病進(jìn)展亦受到腸道菌群的調(diào)節(jié)。PDAC患者的腸道菌群組成與健康人群存在差異。一項(xiàng)對(duì)中國(guó)PDAC患者腸道菌群的薈萃分析報(bào)道，與健康對(duì)照人群比較，PDAC患者腸道菌群α多樣性顯著減低，變形菌門、普氏菌屬明顯增加，而厚壁菌門、雙歧桿菌屬和梭菌屬等則明顯減少[36]。在西方PDAC患者腸道菌群中也發(fā)現(xiàn)了相似的改變[37]。菌群及菌群代謝物的改變可能和胰腺癌預(yù)后存在相關(guān)性。研究表明，在胰腺癌患者腸道中多胺合成途徑的活性提高，丁酸合成途徑的活性降低，這些代謝物的改變被認(rèn)為可能參與腫瘤的發(fā)生和轉(zhuǎn)移[38]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群紊亂可能促進(jìn)腫瘤生長(zhǎng)，調(diào)節(jié)或抑制特定菌群可能成為預(yù)防或治療胰腺腫瘤的一種潛在策略。在胰腺癌、結(jié)直腸癌、黑色素瘤等多種腫瘤模型中，無(wú)菌小鼠的腫瘤負(fù)荷、肝轉(zhuǎn)移負(fù)荷均明顯減輕[39]。口服抗生素也明顯減少了胰腺癌小鼠的腫瘤負(fù)荷[37]。益生菌喂養(yǎng)后的胰腺癌小鼠腫瘤組織中多種miRNA明顯上調(diào)，這些基因的高表達(dá)與胰腺癌更好的預(yù)后和更長(zhǎng)的生存期有關(guān)[40]。

盡管腸道菌群參與胰腺癌發(fā)生發(fā)展的調(diào)控機(jī)制尚不明確，既往研究仍提示了一些潛在作用機(jī)制，例如免疫調(diào)節(jié)機(jī)制。在缺乏成熟T和B淋巴細(xì)胞的小鼠中，無(wú)菌小鼠的腫瘤抑制作用趨于消失，提示菌群可能通過(guò)適應(yīng)性免疫應(yīng)答參與調(diào)控胰腺癌的進(jìn)展[39]。除了通過(guò)免疫細(xì)胞調(diào)節(jié)，細(xì)菌遷移也是一種潛在機(jī)制。越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)胰腺癌患者的胰腺組織內(nèi)存在細(xì)菌。與正常胰腺組織相比，PDAC患者和胰腺癌小鼠胰腺組織的細(xì)菌豐度顯著增加。與腸道菌群改變相似，PDAC患者胰腺菌群中的變形菌門豐度也明顯增加[37]。胰腺組織的菌群結(jié)構(gòu)不僅對(duì)患者的長(zhǎng)期生存具有高度預(yù)測(cè)性[41]，還與多種化療藥物的療效與耐藥性密切相關(guān)[42]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)小鼠模型中標(biāo)記的糞腸球菌和大腸埃希菌（Escherichia coli）可以從腸道遷移到胰腺，對(duì)該器官的微環(huán)境產(chǎn)生直接影響[37]。

腸道菌群可能有助于PDAC患者的早期識(shí)別與治療決策。75%的PDAC患者在診斷時(shí)已處于進(jìn)展期，失去了手術(shù)根治性切除的機(jī)會(huì)，長(zhǎng)期預(yù)后較差[42]。對(duì)胰腺癌小鼠腸道菌群縱向改變的研究發(fā)現(xiàn)，早期胰腺癌小鼠就已經(jīng)發(fā)生了菌群失調(diào)，隨著胰腺腫瘤的進(jìn)展菌群差異會(huì)更加顯著，但仍與早期菌群失調(diào)存在一致性[43]。該結(jié)果提示腸道菌群可能有助于胰腺癌的早期診斷，從而改善預(yù)后?？紤]到菌群不僅與PDAC的生存期相關(guān)，還與化療藥物的療效與耐藥性及術(shù)后并發(fā)癥風(fēng)險(xiǎn)緊密相關(guān)[44]，腸道菌群的變化可能有助于制定個(gè)體化的醫(yī)療決策，通過(guò)精準(zhǔn)治療改善患者預(yù)后。腸道菌群調(diào)節(jié)也是一種潛在的治療策略。菌群代謝物吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid, 3-IAA）被發(fā)現(xiàn)具有治療胰腺癌的潛力，血清3-IAA濃度與胰腺癌患者化療后的無(wú)進(jìn)展生存期、總生存期均存在顯著相關(guān)性[45]。未來(lái)，化療聯(lián)用抗生素、糞菌移植、益生菌等治療手段有望成為治療胰腺癌的新療法[46]。

綜上所述，胰腺疾病的發(fā)生、發(fā)展與腸道菌群失調(diào)之間存在密切聯(lián)系，涉及機(jī)制復(fù)雜（圖1）。隨著對(duì)腸道微生態(tài)在胰腺疾病中作用的深入了解，未來(lái)的研究聚焦于如何調(diào)節(jié)或改善腸道微生態(tài)來(lái)治療或預(yù)防胰腺疾病上。腸道菌群的調(diào)節(jié)與干預(yù)或?qū)⒊蔀轭A(yù)防和治療AP、CP和胰腺腫瘤的新策略。

利益沖突所有作者聲明無(wú)利益沖突

志謝感謝北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院龐可博士為本文繪制插圖