糞菌移植治療艱難梭菌感染機制研究進展

吳曉敏， 仝巧云， 劉 文

作者單位： 三峽大學第一臨床醫學院，三峽大學消化疾病研究所，湖北宜昌 443003。

艱難梭菌是醫院環境中抗生素相關性腹瀉的主要病原體，濫用抗生素將降低內源性腸道菌群的定植抗性，易發生艱難梭菌感染（Clostridium difficileinfection，CDI）。艱難梭菌主要通過分泌毒素A、毒素B及二元毒素導致腸黏膜炎癥和艱難梭菌相關性腹瀉（Clostridium difficile-associated diarrhea，CDAD）。CDAD隨著其發病率、復發率及病死率不斷增加，遂成為世界范圍內廣受關注的一個新的公共衛生問題。CDI一線治療推薦萬古霉素，但是隨著復發次數增多，抗生素治愈率卻逐漸降低[1]，糞菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）的初現成效和巨大潛力為治療CDI帶來了新的曙光。目前循證醫學證據已證明FMT治療CDI安全有效，但是FMT治療CDI作用機制尚未完全明確，結合近年來宏基因組學、代謝組學和微生物治療的基礎研究，下文主要闡述FMT治療CDI的機制研究進展。

1 FMT治療CDI臨床療效及指南共識

目前，多項研究已經證明FMT是復發性和難治性CDI的成功治療方法，近年來，評價FMT對復發性CDI患者的療效和安全性的證據越來越多。Quraishi等[2]薈萃分析研究表明，FMT在治療復發性和難治性CDI方面比萬古霉素更有效（RR：0.23，95%CI：0.07～0.80），臨床有效率為92%（95%CI：89%～94%）。Moayyedi等[3]分析包括10個隨機對照試驗，共657例CDAD患者，結果顯示FMT比安慰劑或萬古霉素治療明顯更有效（RR：0.41，95%CI：0.22～0.74）。FMT具有良好的耐受性和安全性，在臨床對照試驗中尚未報告與FMT相關的嚴重不良事件[4]。2013年美國食品藥品監督管理局（FDA）剛開始對FMT的潛在風險充滿擔憂，聲明把FMT按試驗性新藥批準流程一樣要從嚴管理，但經過“FMT監管法規和科學問題公開研討會”后，考慮采取“酌情權”臨時政策對CDI患者在標準治療無效而使用FMT進行監管；同年FMT治療復發性CDI首次被寫入美國胃腸病學會臨床指南[5]。2017年歐洲《糞菌移植臨床應用和操作共識報告》[6]指出復發性CDI患者經至少2次標準治療未獲持續治愈，應考慮 FMT（證據等級高，推薦等級100%）；在嚴重和嚴重復雜CDI中，FMT 可考慮作為早期抗菌治療失敗后全結腸切除術的替代治療（證據等級中等，推薦等級100%）。由美國感染病學會和美國醫療保健流行病學協會發表于2018年的《成人和兒童艱難梭菌感染的臨床實踐指南》[7]強烈推薦FMT用于第二次CDI并經抗生素治療效果不佳時。中華預防醫學會微生態學分會兒科微生態學組于2016年制定《關于兒童糞菌移植技術規范的共識》[8]，推薦FMT應用于復發性艱難梭菌腸炎 （定義為至少2次標準化治療后未達到持久治愈）以及早期抗菌藥物治療失效的嚴重或伴隨嚴重并發癥的艱難梭菌腸炎，在選擇全結腸切除前考慮FMT。

2 FMT治療CDI機制

2.1 恢復腸道菌群豐富度和多樣性

腸道菌群是一種復雜多樣的微生物群落，以共生的方式與人類共同進化，健康的腸道微生物群主要以厚壁菌門及擬桿菌門為主。通過16S rRNA基因測序和宏基因組學方法對CDI患者的糞便進行分析，發現患者糞便中的微生物多樣性與豐富度降低，如厚壁菌門和擬桿菌門數量減少，變形桿菌門和放線菌門的數量增多，微生物多樣性的降低與復發性CDI有關[9]。使用抗生素是發生CDI的主要危險因素，抗生素抑制艱難梭菌生長的同時，也抑制了正常腸道菌群的生長，引起腸道菌群生態紊亂并降低了定植抗性，導致CDI復發。在一系列接受FMT治療的復發性CDI患者中，FMT治療后16周，接受者的腸道菌群多樣性上升，多次FMT治療后甚至與健康供者相似，厚壁菌門和擬桿菌門水平升高，變形桿菌水平降低，并可持續維持正常菌群結構，厚壁菌門和擬桿菌門水平的恢復對維持正常腸道微生態具有重要的作用[10]。

2.2 增加短鏈脂肪酸（SCFA）的產生

腸道菌群發酵碳水化合物及降解纖維素可生成SCFA，SCFA具有抑菌抗炎、維持腸上皮屏障完整性及免疫調節等功能，起到對艱難梭菌等病原體定植抵抗的作用[11]。Dutta等[12]的一項研究發現，FMT增加了糞便微生物群的多樣性，并增加了產丁酸鹽菌群的比例，使腸道丁酸鹽的水平升高。SCFA中尤其是為結腸上皮細胞提供主要能量的丁酸鹽似乎發揮著更重要的作用，丁酸鹽通過誘導腸道上皮緊密連接蛋白的表達來調節黏膜屏障的完整性，抑制組蛋白去乙酰化途徑及核因子NF-κB活化，增加一磷酸腺苷和黏蛋白的產生從而保護腸黏膜屏障[13]；SCFA可刺激腸上皮細胞分泌抗菌肽，可促進中性粒細胞募聚和吞噬作用，還能通過抑制促炎細胞因子的信號通路，降低環氧合酶和過氧化物酶的表達，從而減輕腸道炎性反 應[14]。

2.3 恢復膽汁酸鹽代謝水平

腸道中不同膽汁酸鹽的水平可通過直接調節艱難梭菌發芽和生長來影響其定植。結合型膽汁酸鹽如甘氨膽酸、甘氨鵝脫氧膽酸、牛磺膽酸和牛磺脫氧膽酸由肝臟合成以幫助分解、消化和吸收小腸中的脂質。雖然大部分膽汁酸鹽在回腸中被重新吸收并被肝臟循環利用，但約5%膽汁酸鹽進入大腸，通過細菌膽汁酸鹽水解酶解離出氨基酸以產生膽酸和鵝脫氧膽酸；這些膽汁酸鹽可以通過細菌7-羥基類固醇脫氫酶進一步修飾形成次級膽汁酸鹽：脫氧膽酸鹽和石膽酸鹽[15]。盡管各種細菌都能夠解離結合型膽汁酸鹽，但只有少數腸道細菌可以合成次級膽汁酸鹽；鵝脫氧膽酸抑制艱難梭菌的萌發，而牛磺膽酸、甘氨膽酸和膽酸均促進艱難梭菌萌發[16]。腸道內不同膽汁酸鹽的水平對艱難梭菌萌發和生長發揮良好的控制作用，抗生素的使用導致膽汁酸鹽水平朝著有利于艱難梭菌萌發和生長的方向發生改變，CDI患者初級膽汁酸鹽水平較高，次級膽汁酸鹽水平較低[17]。Weingarden等[18]報道FMT治療后的次級膽汁酸鹽與移植前糞便樣本相比有所增加，多次FMT治療后甚至可以恢復至健康供體水平從而抑制艱難梭菌生長繁殖。

2.4 競爭腸道內營養素

共生細菌被認為通過占據可被艱難梭菌利用的營養生態位提供定植抗性。抗生素長期使用導致腸道中特定代謝功能的細菌受到抑制或消除，腸道營養物質和代謝物的水平繼而發生很大變化，這種變化反過來有利于艱難梭菌的生長[19]。抗生素治療的CDI小鼠表現出腸道中碳水化合物、唾液酸及琥珀酸鹽的含量升高，從而促進艱難梭菌的生長[20]。FMT治療后增加的有益菌群與艱難梭菌競爭腸內營養素以抑制其毒素的合成或直接致其死亡。其中擬桿菌門具有很強的降解腸內多糖、纖維素的作用，促進宿主吸收營養物質，與其他有益菌一起競爭腸內營養素，創造不利于艱難梭菌生長的營養環境[21]。

2.5 提高腸道屏障功能與調節宿主免疫

通過FMT恢復腸道菌群生物多樣性與豐富度，來提高腸道屏障功能與調節機體免疫以抵御CDI和減輕炎性反應。腸道屏障由上皮屏障、化學屏障、生物屏障和免疫屏障四大屏障組成。FMT治療后有益菌群產生的SCFA為腸黏膜細胞提供能量并有助于降低腸道黏膜通透性，以修復腸道上皮屏障；有益菌的定植和菌膜形成不僅恢復腸道的生物屏障，還能促進上皮細胞合成黏蛋白MUC2、抗菌肽和防御素生成釋放及降低腸腔pH值幫助修復 CDI 患者的腸道化學屏障[22]。FMT治療后擬桿菌門中脆弱擬桿菌及厚壁菌門中普拉梭桿菌豐富度的上升可誘導調節性T細胞（Treg）上調，進而刺激Treg產生 IL-10 起到抗炎作用；FMT治療后菌群多樣性恢復可以激活腸道B淋巴細胞介導的體液免疫反應，通過Toll樣受體途徑誘導分泌型IgA（secretory immunoglobulin A，sIgA）的合成增加[23]。SCFA可以調節宿主的細胞免疫和體液免疫，SCFA可通過G蛋白偶聯受體途徑和抑制組蛋白脫乙酰酶途徑來調節T細胞功能，并誘導B細胞產生sIgA[24]，sIgA與艱難梭菌結合從而減輕黏膜免疫炎性反應并抑制艱難梭菌過度生長。

3 結語

FMT通過施用來自健康供體的糞便制劑重建健康的腸道微生物群為基礎來恢復對CDI的定植抗性和宿主免疫，具體機制包括恢復腸道菌群豐富度和多樣性、增加SCFA的產生、恢復膽汁酸鹽代謝水平、競爭腸道內營養素和提高腸道屏障動能與調節宿主免疫等方面。在FMT治療CDI的機制探究中了解FMT具體機制及某些特定菌株的功效，有益于為將來合理設計“配方菌群”和開發出“靶向細菌”提供理論依據。目前微生物治療機制研究仍處于初級階段，隨著腸道微生物組計劃的開展，更加標準化、科學化的研究模式有助于推動微生物治療基礎研究的發展。