腸道菌群與炎癥性腸病的研究進展

彭 帥，沈 磊

(武漢大學人民醫院消化內科，武漢 430060)

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種非特異性的慢性復發性腸道炎癥疾病，包括潰瘍性結腸炎和克羅恩病[1]。IBD曾被認為是一種“西方”疾病，但近年來，全球范圍內IBD的發病率不斷增加，確切病因和發病機制尚不清楚[2]。目前，大多數學者認為，IBD是遺傳因素、環境因素、腸道菌群和宿主免疫系統的復雜相互作用導致的異常免疫反應和慢性腸道炎癥[3]。人體腸道含有復雜而豐富的微生物聚集體，統稱為腸道微生物群。新一代測序技術的最新進展已經確定了IBD中腸道微生物群的組成和功能改變，稱為腸道菌群失調[4]。相關臨床和實驗數據表明，腸道菌群失調可能在IBD的發病機制中起關鍵作用；確定針對IBD診斷的標志物不僅能檢測疾病的進程、減少并發癥的發生，還能為疾病的早期干預和治療選擇合適的方案提供幫助[5]。現對腸道微生物群的生理功能以及腸道微生物群與IBD發病機制的關聯予以綜述。

1 腸道菌群概述

近年來，人們對腸道微生物的關注度越來越高。人體腸道內有100萬億種微生物，包括細菌、病毒、真菌等，它們構成了微生物群，也稱微生物菌群[6]。細菌是正常微生物群中最突出的成分，約有1 000種細菌存在于胃腸道中，腸道微生物的集體基因組含有的基因數約是人類基因組基因數的100倍[7]。腸道微生物群是人體的“第二個基因組”[8]。胃腸道不同部位的細菌數量和組成不同，少數細菌物種棲息在胃和小腸的上部，從空腸到結腸細菌的數量逐漸增加。人體腸道菌群中，超過99%的腸道細菌屬于厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、變形桿菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)，其中厚壁菌門和擬桿菌門在健康成人的腸道微生物群中占主導地位[9]。健康個體的腸道微生物群為宿主提供許多健康益處，涉及生物屏障、促消化、營養吸收、免疫、抗腫瘤以及代謝作用等。腸道微生物群與人類共生，人類宿主和微生物群之間的各種共生相互作用是維持人類健康所必需的。腸道菌群失調改變了微生物與宿主細胞間的相互作用以及微生物代謝產物與宿主的代謝過程，并通過多元化的模式(如菌群數量、菌群代謝產物、菌群組成成分等的變化)發揮作用而引發疾病[10]。

2 腸道菌群生理功能

腸道菌群是復雜的生態系統，以人體胃腸道為生存環境，將人體消化的食物殘渣作為生存條件，在體內發揮重要的病理生理作用。腸道健康是身體健康的基礎，腸道菌群的生態平衡是腸道健康的關鍵，可參與許多重要的生理功能。

2.1促消化和營養吸收功能 腸道菌群與腸道內環境的動態平衡為宿主提供能量和營養，參與各種物質的代謝和吸收。腸道微生物在微量營養素的合成中起重要作用。人類共生細菌(如雙歧桿菌)可以合成和提供維生素，如維生素K和水溶性B族維生素[11]。腸道菌群不僅能合成多種機體生長發育所需的維生素，還能利用蛋白質殘渣合成非必需氨基酸，并通過腸道細菌轉化為各種信號分子和抗菌肽，促進消化和抗感染，還可促進機體對多種礦物質(如鐵、鎂、鋅)的吸收[12]。腸道中的微生物可編碼大量的碳水化合物活性酶，使其能夠分解難消化的膳食殘留物，釋放對健康和免疫有重要作用的短鏈脂肪酸(C2～C6)。短鏈脂肪酸是結腸中的主要陰離子，主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，其中丁酸鹽是結腸上皮細胞的主要能量來源。IBD中短鏈脂肪酸的顯著降低，可能是影響內部和免疫穩態的關鍵因素[13]。

2.2免疫調節作用 腸道微生物群對宿主免疫系統的發育起重要作用。反之，宿主免疫系統決定了腸道微生物群的結構和功能[14]。在無菌或抗生素治療的小鼠中，腸黏膜中輔助性T細胞17的豐度顯著降低，表明腸道微生物群可對輔助性T細胞17的發育起作用[15]。B細胞發育的早期階段發生在腸黏膜以及胎兒的肝臟和骨髓中，且發育中B細胞受體的編輯似乎受腸道微生物群誘導的細胞外信號的調節[14]。比較無菌小鼠與常規飼養小鼠的研究表明，無菌小鼠的腸道微生物群缺乏，表現為免疫發育受損，以未成熟的淋巴組織、腸淋巴細胞數量減少、抗菌肽和IgA水平降低為特征；用腸道微生物群重建無菌小鼠腸道環境則可恢復以上免疫系統的缺陷和異常[16]。宿主免疫系統的成熟依賴于宿主特有的微生物，故無菌小鼠的免疫系統欠發達[17]。由此可見，腸道菌群對宿主免疫系統的發育和調節起關鍵作用，可抑制病原體侵襲，抗炎癥并提高宿主免疫力。

2.3生物屏障作用 腸道內壁是人體與外界接觸面積最大的區域，腸道菌群在腸道中可形成重要的生物屏障，維護腸道生態平衡，抵御外來致病菌的侵害。無菌動物的腸道易受腸道病原體的感染，黏膜免疫系統的異常可導致腸道病原體的易感性。此外，腸道菌群可通過競爭性地定植共生微生物群占據胃腸道的物理空間和營養生態位。正常菌群占據腸道后，在物理空間上限制了外來微生物的定植和入侵；由于腸道營養物質有限，正常菌群數量巨大，處于優先生長狀態；而外來細菌則處于劣勢，防止了體外病原體的定植，競爭性地防止病原體侵入共生細菌，此機制被稱為“定植抗性”[18]。腸道微生物群通過直接和間接作用機制增強對腸道病原體的定植抗性。一些共生細菌通過產酸(乙酸、丙酸、乳酸等)或誘導抑制物質(防御素、細菌素、過氧化氫、抗菌肽等)的產生直接抑制腸道病原體[19]。共生微生物群和微生物代謝產物通過激活免疫反應，間接抵御病原體，分節絲狀菌(segmented filamentous bacteria)促進B細胞分泌IgA，產生抗菌肽，并在腸黏膜中形成輔助性T細胞17；短鏈脂肪酸能夠被G蛋白偶聯受體41和G蛋白偶聯受體43識別，刺激以上受體，促進腸肽分泌；丙酸鹽可作為免疫調節因子促進免疫細胞分泌抗菌因子，并抑制腫瘤細胞增殖；丁酸鹽可通過與宿主細胞的相互作用影響腸道菌群環境，進而阻止病原體入侵[10]。

3 腸道菌群與IBD

腸道菌群失調與宿主-微生物共生的破壞可能是IBD發展的決定性事件。根據不同的生理功能，可將腸道內細菌分為共生菌、條件致病菌和病原菌三大類。伴隨著分子生物學和宏基因組學技術的發展，越來越多研究表明，IBD患者的腸道菌群發生了明顯變化，且腸道菌群在IBD的發病機制中起重要作用[2-3,20]。腸道菌群可從主要的“共生”微生物轉變為潛在的有害“致病”微生物[21]。與健康的個體相比，IBD患者腸道中的致炎細菌增加、抗炎細菌減少，且腸道微生物群的多樣性減少以及厚壁菌門的豐度降低[22]。有研究表明，IBD患者可能存在擬桿菌屬物種的物理空間重組，與對照組相比，脆弱擬桿菌在IBD患者生物膜質量中占較大比例[23]。

大多數已知的人類致病菌屬于變形桿菌門，并在 IBD中起關鍵作用[24]。與厚壁菌門相比，變形桿菌(主要是大腸埃希菌)在克羅恩病患者中相對增加，特別是與糞便樣品相比，黏膜相關的微生物群出現相對增加。有文獻報道，活動性克羅恩病患者中黏附侵襲性大腸埃希菌的數量增加約38%，而健康受試者黏附侵襲性大腸埃希菌的數量為6%[25]。具有黏附腸道上皮能力的病原菌(如黏附侵襲性大腸埃希菌)的增加可影響腸道的通透性，進而改變腸道微生物群的多樣性和組成，并通過調節炎性基因的表達誘導炎癥反應，從而導致腸道炎癥的發生[26]。腸道微生物的組內轉變伴隨著厚壁菌門專性厭氧菌的減少和變形桿菌兼性厭氧菌的增加，從而引發“氧氣”假說[27]。Hughes等[28]的研究表明，炎癥可改變環境，干擾腸道厭氧菌的生長，大腸埃希菌往往在機體發生炎癥等情況時，影響正常腸道功能。在炎癥發生過程中，氧氣的增加有助于大腸埃希菌在炎癥腸道中生存。腸道中有益細菌的呼吸作用所產生的大量廢棄物會被大腸埃希菌再度循環利用，大腸埃希菌可利用代謝廢物促進大腸埃希菌群體的快速增長。與IBD患者腸道微生物組的變化相關的類似功能性破壞可能具有更長期的影響。腸道菌群失調引起的腸道環境的改變對腸道功能的影響將有助于IBD患者補救治療措施的選擇。

腸道微生物群是宿主免疫系統刺激的主要來源。結腸上皮細胞與多種微生物的持續作用對維持體內的正常平衡至關重要。微生物可能對營養供應、異生物質代謝以及對病原微生物的保護等有害，并可導致腸道炎癥，由于微生物識別、處理或清除策略中的宿主免疫缺陷，IBD患者腸道的微妙平衡受到干擾[29]。模式識別受體在區分非常復雜的相互作用中必不可少，并是遺傳因素導致異常免疫環境的關鍵。有研究表明，Toll樣受體和核苷酸結合寡聚化結構域的蛋白2參與IBD發病[30]。對IBD患者 Toll樣受體表達變化的研究發現，潰瘍性結腸炎和克羅恩病中Toll樣受體4均上調，而Toll樣受體2和Toll樣受體5的水平保持不變[31]。遺傳多態性導致核苷酸結合寡聚化結構域的蛋白2的功能發生改變，進而無法識別煙草胞壁酰二肽，最終導致核因子κB下游的信號傳導失效。與Toll樣受體功能受損類似，核苷酸結合寡聚化結構域的蛋白2缺乏可增加腸道細菌向固有層的轉運[32]。

腸道菌群失調影響代謝物的產生也與IBD的發病機制有關。由于產生丁酸鹽的細菌(如柔嫩梭菌群)減少，IBD患者的短鏈脂肪酸水平有所下降[13]。短鏈脂肪酸的減少影響調節性T細胞的分化和擴增以及上皮細胞的生長，而上皮細胞對維持腸內穩態起重要作用[33]。此外，IBD患者腸道中脫硫弧菌等硫酸鹽還原菌的數量較多，導致硫酸氫鹽的產生，損害腸上皮細胞，并誘發黏膜炎癥[34]。綜上所述，腸道微生物群的改變與IBD的發病機制有關，腸道菌群通過多元化模式(菌群數量、菌群代謝產物、菌群組成成分、宿主間相互作用等)發揮作用。

4 腸道菌群與IBD診斷

宿主血清學微生物標志物在IBD的診斷和預后方面具有獨特的地位[5]。Palm等[35]發明了一種獨立且重要的檢測IBD相關微生物群的新方法，基于流式細胞儀的細菌細胞分選與16S測序相結合，從糞便中分離和鑒定被IgA包被的細菌。由于個體之間以及每個個體中的微生物具有異常的多樣性，因此，IBD患者之間以及患者與健康個體之間的微生物組成存在很大差異，故目前該分析方法的臨床適用性尚不成熟[36]。目前，大多數對于腸道微生物菌群結構的研究并不能體現具體微生物數量改變給宿主帶來的影響，研究相對忽略了整體微生物豐度變化可能是引起宿主產生疾病的主要原因。但Vandeputte等[37]構建的基于序列擴增和流式細胞計數技術的新型微生物計數和定量方法，能夠更為精準地描述不同人類個體的腸道菌群特征，可將不同患者的腸道菌群與自身的腸道差異聯系起來，更加真實地反映腸道微生態；采用此方法進行糞便檢測確定的微生物豐度改變是導致克羅恩病患者腸道微生物結構改變的根本原因。

5 腸道菌群與IBD治療

遺傳學因素、環境因素、腸道菌群和宿主免疫系統等之間的復雜相互作用導致異常免疫反應和慢性腸道炎癥，這些都可能成為潛在的治療靶點[3]。目前，在IBD發病機制的個體化治療靶點中，約5%針對環境因素、接近10%針對腸道菌群、約90%集中在免疫系統。針對環境因素的IBD治療，絕大多數靶點是未知的，治療效果難以控制；基因層面的IBD治療靶點高度個體化，但目前技術尚不成熟，治療風險未知，療效不確切；而IBD的免疫系統治療的療效確切，但靶點較局限，通常存在不良反應，且隨時間推移療效降低，對個體免疫狀態的依賴性較強。

目前，多種生物制劑可靶向調節IBD相關免疫系統的細胞因子、受體和信號通路，但臨床應用的生物制劑(如阿達木單抗、英夫利西單抗、維多珠單抗)的治療效果并不滿意。干預IBD腸道菌群的方式主要有抗生素(消除或抑制不良微生物)、益生菌(引入缺失的微生物)、益生元(促進有益細菌的增殖)、糞便移植(引入正常菌群取代致病菌群)、增強防御(補充抗菌肽以控制腸道微菌群)[38]。微生物治療可作為很有前景的IBD治療選擇。Paramsothy等[39]提出，糞便移植很可能成為設計更精良微生物聯合療法的跳板，對緩解潰瘍性結腸炎可能有效，但長期的安全性仍不明確，需要進一步研究的證實。目前，糞便移植仍為實驗性治療，必須在監管下進行IBD治療，由于未能對供體進行恰當篩查，故可能發生明顯的不良反應[40]。有證據顯示，糞便移植可改善人類受體的代謝表型，可見糞便移植可用于其他用途，并可能對受體的代謝健康產生有害影響[41]。因此，糞便移植的安全性和治療標準化問題亟待解決。

IBD的治療藥物也影響腸道微生物群的組成。有研究表明，美沙拉嗪可抑制副結核分枝桿菌的生長，在體外呈劑量依賴性，并與克羅恩病的病因密切相關[42]。與未治療患者相比，美沙拉嗪可減少糞便細菌和黏膜黏附細菌的濃度[43]。另有研究發現，美沙拉嗪下調了腸道傷寒沙門菌侵襲性和耐藥性相關基因的表達，并可能促進感染后IBD的發病[44]。與其他藥物(包括抗腫瘤壞死因子-α抗體、美沙拉嗪和皮質類固醇)相比，硫基嘌呤的使用顯著降低了IBD中糞便樣品的細菌多樣性和豐度[45]。綜上所述，治療IBD的藥物可以改變或調節腸道微生物群，但可靠證據很少。此外，尚無法確定腸道微生物群的變化是藥物所致還是腸道炎癥改善的結果。

6 展 望

隨著醫療科研技術的不斷發展，對IBD腸道菌群作用機制的深入認識將為臨床IBD的診斷、治療及預后提供更加精準的方法。但人體腸道菌群的個體差異性、功能多樣性、組成復雜性以及與宿主作用的不確定性導致其在IBD診斷和治療方面的收效甚微。精準醫療是一種預防和治療疾病的全新方法，根據基因、環境和生活方式的個體差異，對患者進行更精準、更有針對性的治療。此外，通過系統生物學的方法，在臨床實踐中為不同患者找到個體化的治療方案。通過腸道菌群——“人體第二個基因組”來提高IBD的診療效果，還需長期的探索和研究。