益生菌在治療炎癥性腸病方面的應用

朱軍偉 杭鋒 王欽博 宋馨 侯建平

摘要從炎癥性腸疾病（IBDs）的發病原因入手，重點闡述了益生菌在調節腸道菌群平衡、維護腸粘膜屏膜功能以及調節腸相關免疫體系平衡緩解和治療炎癥性腸疾病方面的作用機理。

關鍵詞益生菌；炎癥性腸疾病；腸道菌群

中圖分類號S852.6文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）01-00124-04

基金項目“十二五”國家科技支撐計劃（2012BAD12B08，2013BAD18B01）。

作者簡介朱軍偉（1988- ），男，上海人，初級工程師，碩士，從事乳制品研究，Email：juvid.zhu@icloud.com。

收稿日期20131204炎癥性腸病（Inflammatory bowel disease，IBD）是一種慢性腸道炎癥性疾病，其主要臨床形式是克羅恩病（Crohns disease，CD）和潰瘍性結腸炎（Ulcerative colitis，UC ）。克羅恩病可以影響胃腸道的任何一個部分，潰瘍性腸炎則主要發生在結腸粘液膜。目前普遍認為IBD可能是環境、免疫、遺傳以及腸道微生物相互作用的結果。同時，一些抗生素的使用會引起腸道正常菌群的失調，加重炎癥反應[1]。以前我國炎性腸病較為少見，但近年來我國IBD患者逐漸增多。

益生菌是一類活的微生物，當攝入一定數量時對宿主的健康有益。研究表明，益生菌在預防和治療炎癥性腸病方面起到有益的作用。乳桿菌屬（Lactobacillus）、雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）和腸球菌（Enterococcus）屬的一些菌株常被作為益生菌。菌株L.plantarum 299v[2]可以緩解和減輕IL10缺陷小鼠炎癥的發生。甲氨蝶呤處理的小鼠口服菌株L.plantarum 299v減少了結腸炎的發生率、降低結腸炎的嚴重程度[3]。筆者對炎癥性腸病的發病原因、益生菌的作用機制及其在預防和緩解炎癥性腸病方面的作用等進行了綜述，旨在為益生菌制劑的研發提供一定的理論支持。

1炎癥性腸病的發病原因

炎癥性腸病（IBDs）是強烈和長久的炎癥反應。引起炎性腸病的重要原因之一是腸道內菌群失衡，腸道菌群失去多樣性，革蘭氏陰性菌數量增多。革蘭氏陰性菌的脂多糖（LPS）被腸上皮細胞模式識別受體（PRRs）識別，通過核轉錄因子κB（NFκB）途徑激發炎癥反應，促炎細胞因子白細胞介素8（IL8）大量表達。長時間的感染導致腸上皮細胞持續釋放IL8，高水平的IL8導致中性粒細胞的滲透性增加，最終破壞腸上皮細胞，腸道屏障功能失調，引起永久炎癥，甚至引發腸道癌變[4]。抗生素的濫用、飲食構成等因素導致腸道菌群失調，使腸道內腐敗菌、致病菌數量增加，致病菌分泌的腸毒素增加腸粘膜通透性，并且致病菌會直接侵襲損傷腸上皮細胞，破壞粘膜的屏障功能、或者破壞宿主細胞質引起炎癥性腸病[5]。

采用傳統和分子生物技術研究炎癥性腸病患者腸道菌群組成，發現腸道有益菌（如雙歧桿菌屬和乳桿菌屬）的細菌數量減少，而有害菌（擬桿菌屬和大腸桿菌屬的細菌）數量增加，這種生態失調引起腸道中有益菌和有害菌的失衡，從而導致炎癥的發生。克羅恩病患者糞便中厭氧菌的數量特別是擬桿菌屬細菌比健康個體顯著增多[6]。潰瘍性結腸炎患者中，結腸粘膜活組織和糞便樣品中需氧微生物增加[7]，厭氧菌及乳桿菌的數量減少，同時硫酸鹽還原菌大量增加，乳桿菌和雙歧桿菌的數量大量減少，使腸道中短鏈脂肪酸減少，產生過量的硫化氫，阻滯腸上皮細胞對丁酸鹽的代謝作用，導致腸粘膜層變薄[8]。

腸道致病菌破壞腸上皮組織及其屏障功能的機制包括誘導宿主細胞死亡，破壞腸上皮細胞緊密連接（TJ）和粘附連接，增加上皮細胞滲透性，降低上皮細胞的跨膜電阻，引起炎癥損傷[9]。致病菌還可以通過代謝過程中產生毒素來侵襲宿主細胞[10]。研究表明，益生菌可以有效調節腸道菌群平衡，預防炎癥性腸疾病。

2益生菌預防和緩解炎癥性腸病的機理

益生菌在腸道中產生有機酸、過氧化氫和細菌素來抑制病原菌和腐敗菌增殖，維持腸道菌群平衡；益生菌維持腸粘膜屏障功能，防止病原菌侵襲腸粘膜；促進腸相關淋巴系統發育，調節腸道免疫平衡[11]，從而起到預防和緩解腸炎的作用。

2.1抑制病原菌的生長繁殖IBD的發病與腸道菌群失衡緊密相關，因此維持腸道正常菌群平衡可以預防IBD的發生。益生菌及其代謝產物（如短鏈脂肪酸及細菌素）可以殺死或抑制致病菌的生長繁殖，同時益生菌還可以抑制致病菌毒素的產生，減少病原菌對腸道的破壞，維持腸道正常菌群平衡和腸道屏障功能，從而預防和緩解IBD。

由葡聚糖（Dextranesodiumsulphate，DSS）誘發結腸炎小鼠服用乳桿菌和雙歧桿菌后，抑制了結腸炎小鼠腸道中有害微生物的生長繁殖，這是因為益生菌代謝產生短鏈脂肪酸，降低了腸道pH，形成不利于病原菌生長的微環境[12]。雙歧桿菌代謝產生的醋酸通過調節腸上皮細胞增強腸道防御功能，阻止侵襲性病原菌的入侵，維持腸道中正常菌群的平衡[13]。L.reuteri產生的一種潛在的抗菌物質Reuterin可以阻止腸道中病原菌的過度生長，維持腸道菌群平衡[14]。另外，益生菌還可以通過交互凝集作用使致病菌更容易從腸道中排出。L.coryniformis DSM20001T可以與E.coli K88，Campylobacter coli以及C.jejuni發生共凝集作用，有利于致病菌在腸道中排出[15]。

2.2干擾病原菌在腸上皮細胞的粘附致病菌粘附到腸上皮細胞是引起腸道疾病的第一步，粘附可以使細菌定植在腸粘膜上，引起腸上皮細胞的進一步損傷。益生菌與病原菌競爭粘附位點和營養物質，干擾病原菌在腸道中粘附定植，可以阻止腸道損傷，改善病原菌引起的腸道炎癥。菌株L.acidophilus Bar13、L.plantarum Bar10及B.longum Bar33等可以有效抑制S.typhimurium和E.coli在caco2細胞上粘附，減少腸上皮細胞表達IL8，從而預防腸炎的發生[16]。菌株L.rhamnosus 和 L.acidophilus可以阻礙1型痢疾志賀氏菌（Shigella dysenteriae 1）在caco2細胞上粘附及侵入細胞，并降低腫瘤壞死因子α（TNFα）和IL8的表達，因此降低了腸炎發生的風險[17]。口服菌株Saccharomyces boulardii的結腸炎小鼠與未服用S.boulardi的小鼠相比，其粘膜粘附的Citrobacter rodentium顯著減少，表明S.boulardii通過抑制C.rodentium在腸粘膜上的粘附，從而改善炎癥[18]。菌株L.rhamnosus R0011和L.helveticus R0052可以減少小鼠腸腔中微生物的粘附和轉移，降低了小鼠患腸炎的風險[19]。體外和體內試驗結果均表明益生菌可以干擾病原菌的粘附，保護腸道屏障功能，預防炎癥的發生。

益生菌不僅本身具有抑制腸道致病菌在腸上皮粘附的功能，同時其細胞組分也可以抑制腸道致病菌的粘附，從而保護腸上皮免受致病菌的侵襲，保護腸道健康。L.crispatus ZJ001的表面蛋白可以顯著抑制E.coli O157∶H7 和 S.typhimurium在HeLa細胞上的粘附[20]。L.plantarum BMCM12分泌的胞外蛋白質可以顯著減少腸道致病菌在粘液層的粘附數量[21]。L.kefir中分離的表面蛋白預處理Salmonellal，顯著降低了Salmonellal在Caco2上的粘附數以及對細胞的入侵[22]。

2.3腸上皮細胞的屏障功能以及益生菌對其完整性的影響胃腸道的上皮層是消化道與外界接觸的主要接觸面。腸上皮細胞屏障包括粘液層、上皮細胞以及腸上皮細胞產生的抗菌物質。

研究表明，益生菌可以增強腸上皮細胞的屏障功能，從而抑制病原微生物在腸粘膜上粘附入侵。益生菌可以促進腸上皮細胞防御素、黏蛋白和腸上皮緊密連接相關蛋白的表達，使腸上皮細胞屏障功能得到加強（圖1）。

益生菌對腸道具有多種有益作用：①通過產生抑菌物質和競爭粘附抑制病原菌對腸上皮細胞的有害作用；②益生菌通過增強先天免疫、增加抗炎因子的產生和抑制促炎因子的產生，維持機體免疫平衡；③益生菌通過增強腸上皮細胞存活性、屏障功能和細胞保護反應，促進腸上皮細胞穩定[23]。

相鄰的腸上皮細胞通過緊密連接（Tight junction，TJ）相互連接，緊密連接對于阻止微生物的滲透以及運輸營養物質起著非常重要的作用。腸上皮緊密連接（TJ）主要的連接相關蛋白是ZO1和ZO2，在IBD的炎癥過程中細胞因子的產生會引發ZO1的重組，導致腸道滲透性的增加。益生菌會影響TJ蛋白的表達和分布，增強腸道屏障功能。病原菌感染腸上皮細胞后，引起腸上皮跨膜電阻（Transepithelial electrical resistance，TEER）下降，對大分子物質的滲透性增強，增加了病原菌入侵腸組織的機會。菌株L.rhamnosus GG保護上皮單層細胞免受腸出血性大腸桿菌（Enterohemorrhagic E.coli，EHEC）誘導的TJ相關蛋白claudin1和ZO1的重新分布，改善上皮組織滲透性，阻止TEER的下降，可以有效預防致病菌引起的急性腹瀉、出血性腸炎以及溶血尿毒性綜合征[24]。Heli Putaala等研究表明經不同益生菌發酵上清液處理的Caco2細胞的跨膜電阻都有不同程度增加，阻止了EHEC毒素對腸緊密連接的損傷[25]。益生菌菌體及其發酵產物都對腸上皮細胞的緊密連接有一定的保護作用。在DSS誘發結腸炎小鼠中，occludin、ZO1、claudin1、claudin3、claudin5減少，經混合型益生菌VSL#3處理后，阻止TJ蛋白表達的改變，增強了腸道的屏障功能，有效的保護腸道免受致病菌的入侵[26]。

與正常部位相比，腸道炎癥部位的粘膜層較薄，粘附的細菌數增加并且其滲透性增強。益生菌可以促進上皮細胞分泌粘液來提高腸道屏障功能。一些Lactobacillus屬益生菌可以促進Caco2（MUC2）和HT29（MUC2和MUC3）細胞系分泌粘液，增強腸上皮屏障功能，從而阻止E.coli的入侵和粘附[27-28]。

革蘭氏陰性菌通過NF κB途徑激發炎癥反應和IL8的大量表達，引發炎性腸疾病。NF κB可以被病原微生物和病原相關分子模式（Pathogen associated molecular patterns，PAMP）激活，NF κB的激活引起致病菌感染部位的炎性細胞因子表達上調，這些因子是宿主對入侵微生物免疫應答的重要分子，而大量炎性因子的表達將損傷腸上皮組織[30]。益生菌通過產生抑菌物質、誘導腸上皮細胞產生熱休克蛋白，或者通過抑制腸上皮細胞NFκB途徑的激活來抑制或者減少促炎細胞因子的表達，如抑制促炎細胞因子（包括IL8、TNFα、IL1β）的表達，而促進抗炎細胞因子（IL10）的表達，從而預防和緩解炎癥反應[31]。Bifidobacterium和Lactobacillus屬的菌株可以顯著抑制NF κB途徑的激活和IL8的產生，從而抑制和緩解腸炎。菌株L.crispatus K243和K313可以抑制病原菌S.braenderup在腸上皮細胞上粘附，并降低S.braenderup誘導腸上皮細胞產生的IL8水平，因此可用于抑制腹瀉性腸炎[32]。

熱休克蛋白（Hsp）可以在應激條件下保護細胞存活。熱休克蛋白的表達可以減少IL8的分泌，降低炎性因子對腸上皮細胞的損傷作用[33]。腸炎沙門氏菌感染腸道引起急性免疫反應，使IL8炎性細胞因子大量表達，Lactobacillus屬菌株及其代謝產物可抑制S.enteritidis增殖及IL8的表達，并促進熱休克蛋白（HSP）表達，從而緩解S.enteritidis引起的腸道炎癥[34]。

野生型小鼠口服B.breve可以改善結腸炎，但是IL10基因敲除小鼠口服B.breve后則沒有這種效果，表明B.breve阻止炎癥主要是通過誘導免疫細胞產生抗炎細胞因子IL10[35]。攝食益生菌可以增強調節性T細胞的活性，來增強機體的免疫機能，預防和緩解腸道炎癥[36]。健康的志愿者服用含L.acidophilus La1和 B.bifdum Bb12發酵牛乳產品21 d，志愿者免疫細胞對E.coli sp的吞噬能力增強，非特異的和抗感染的免疫防御能力因為服用以上菌株而有所提高[37]。

3展望

分離和篩選具有緩解和預防炎性腸病的益生菌對于改善人類腸道健康大有裨益。從健康人腸道中分離這類益生菌具有可行性。人類腸道來源的益生菌能夠適應人體腸道環境，具有安全性，并在其中定殖，發揮應有的益生功能。具有益生作用的菌株L.rhamnosus G.G（LGG）便是從健康人糞便中分離獲得的。人們長期食用的傳統發酵食品（如傳統發酵乳制品（酸奶、馬奶酒和奶酪）、肉制品（發酵香腸）和泡菜）中，蘊藏有豐富的乳酸菌，這些乳酸菌具有長期的食用安全性，已有報道從這些發酵食品中分離獲得具有益生作用的乳酸菌。筆者多年來一直在進行傳統發酵乳制品中乳酸菌的分離和具有益生功能菌株的篩選。分離獲得的菌株Lactobacillus coryniformis subsp. torquens T3L和Lactobacillus paracasei supsp.paracasei M5L可以刺激外周血單核細胞（PBMCs）增殖，產生細胞因子IL12、TNFα、IFNγ，并增強自然殺傷細胞（NK cells）活性[38]；另外7株乳桿菌及其表面蛋白可以抑制Shigella sonnei在腸上皮細胞HT29上粘附[39]。目前獲得的乳桿菌株可以以抑制E.coli O157在腸上皮細胞caco2上粘附，可以抑制E.coli O157誘導caco2細胞產生IL8，而對其抑制和緩解炎癥性腸炎的功能則有待進一步研究。

人體腸道共生菌群、腸上皮細胞與腸相關免疫細胞之間的互動平衡是維持腸道及機體健康的關鍵，一旦這種平衡被打破，病原微生物大量增殖，誘發炎癥性腸病等病癥，而腸道炎癥也促使腸病原菌大量增殖、破壞腸道正常菌群，最終導致腸道癌變[40]。乳桿菌屬、雙歧桿菌屬、腸球菌屬類益生菌對于預防和治療炎癥性腸病是有效的，它們通過平衡腸道菌群、增強腸粘膜屏障功能及促進腸道免疫平衡，預防和治療炎癥性腸病。不同益生菌株及其產物防止炎癥性腸病發生的機制是不同的，并且是不同機制共同影響的結果。因此，需要深入了解益生菌株與腸上皮細胞相互作用的分子機理以及不同菌體成分在菌體與上皮細胞相互作用中發揮的作用。

參考文獻

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