腸道菌群及其代謝產物在重癥急性胰腺炎相關急性呼吸窘迫綜合征中的作用

熊洋洋，吳 東，錢家鳴

中國醫學科學院，北京協和醫學院，北京協和醫院 消化內科，北京 100730

急性胰腺炎(AP)是消化系統常見急癥，發病率為13/10萬～45/10萬，且有持續增高的趨勢[1-3]。80%的AP患者為輕癥急性胰腺炎(mild acute pancreatitis，MAP)，預后良好，積極治療1周左右可痊愈，但仍有20%左右的患者進展為重癥急性胰腺炎(severe acute pancreatitis，SAP)，可引起全身炎癥反應綜合征和器官衰竭等。AP的總體病死率為1%～5%，但SAP病死率高達20%～30%[1-2,4-5]。急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome，ARDS)是SAP常見的并發癥，也是導致SAP患者早期死亡的首要原因[6-7]。ARDS目前尚缺乏明確有效的藥物，機械通氣和支持治療仍是主要治療措施[8-10]。

SAP相關ARDS(SAP-ARDS)的發病機制目前尚不清楚，部分學者認為中性粒細胞、巨噬細胞及細胞因子等參與的全身炎癥反應在SAP-ARDS發病中起到了重要作用[11]。但目前多項臨床研究及薈萃分析未能證實抗炎治療可使AP患者獲益[2,12-13]。近年來“腸-肺軸”在SAP-ARDS中的作用越來越受關注。AP患者常伴有腸動力減弱或停滯、腸屏障功能損害，繼而造成菌群過度生長、菌群移位，加重AP炎癥反應，并導致遠處器官衰竭，造成“二次打擊”[14]。因此，深入探究腸道菌群及其代謝產物在SAP-ARDS中的發病機制和病情演變規律，有助于為AP的治療提供新的思路，改善其預后。

1 腸道菌群及內毒素移位

“腸-肺軸”在SAP-ARDS發病中起到重要作用。AP患者常伴有腸道動力減弱或停滯、腸屏障功能損害。Zhu等[15]發現AP患者外周血二胺氧化酶水平較正常人明顯升高，同時SAP組亦明顯高于MAP組。筆者團隊[16]前期的臨床研究發現約50%中重度AP患者伴發胃腸道功能衰竭，其入ICU比例、繼發感染率及病死率明顯升高，預后較差。動物實驗證實SAP小鼠結腸機械屏障蛋白E-cadherin、ZO-1表達下降，活體共聚焦熒光顯微成像技術觀察到異硫氰熒光素-右旋糖苷在結腸中顯影顯著升高。提示AP患者腸道通透性增加，腸道屏障功能受損，且與疾病嚴重程度呈正相關。

Zhu等[15]對比分析AP患者與正常人腸道菌群發現，AP患者有害菌明顯增多，如大腸埃希菌屬、腸球菌屬、腸桿菌屬，而有益菌明顯減少，如雙歧桿菌屬、糞桿菌屬。筆者的前期研究[17]也發現不同疾病嚴重程度的AP患者腸道菌群差異明顯，具體表現為擬桿菌屬、大腸埃希菌志賀菌屬、腸球菌屬分別是MAP、中重癥急性胰腺炎(MSAP)、SAP患者腸道菌群的主要組成成分，MAP、MSAP及SAP患者增加和減少最顯著的菌群分別為大芬戈爾德菌屬和布勞特氏菌屬、厭氧球菌和霍氏真桿菌屬、腸球菌屬和霍氏真桿菌屬。有研究[15]使用無菌小鼠或抗生素處理的小鼠驗證腸道菌群在AP中的作用，發現在AP造模前行糞菌移植(來自正常小鼠)后小鼠胰腺損傷和炎癥反應明顯加重，提示腸道菌群參與AP發病，并在其中發揮重要作用。Gianotti等[18]使用14C標記的大腸埃希菌灌胃大鼠，12 h后發現AP組外周血、腹腔積液、腸系膜淋巴結、胰腺、肺臟中放射性核素均明顯升高。Wang等[19]發現腸道菌群移位可加重SAP相關肺損傷。Dickson等[20]發現危重癥患者肺泡灌洗液的菌落結構與腸道內類似，且菌落負荷與ARDS嚴重程度呈正相關。死亡的革蘭陰性菌釋放的內毒素可引起全身系統炎癥反應，從而導致多器官功能障礙[21]。內毒素也可激活促凝系統，凝血蛋白的激活引起炎癥細胞遷移、炎癥因子過度表達，加重器官損傷[22]。Doerschug等[23]在小鼠膿毒癥模型中發現外周血、肺組織可檢測到腸道菌群DNA及明顯升高的內毒素水平。Yan等[24]在大鼠結腸炎模型中發現外周血內毒素水平升高與肺損傷相關。

腸道菌群及內毒素移位的確切途徑尚不清楚。最新證據[25-26]表明，菌群或內毒素移位可能是通過腸系膜淋巴回流至右心，然后到達肺部，而不是通過血源性傳播或經腹膜途徑發生[27]。動物AP模型顯示，結扎胸導管有助于減輕AP相關肺損傷。淋巴途徑由于避開了門靜脈通路的肝臟首過效應，可直接將有害物質運送至肺部，故其在AP發病和重癥化的機制中發揮的作用，值得進一步探索。

2 腸道菌群代謝產物

腸道菌群可以利用腸內容物(食物、腸內分泌物等)合成或代謝多種物質，主要包括短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、氧化三甲胺、膽汁酸及小分子氣體(硫化氫、氫和甲烷等)等。SCFAs是碳原子數小于6的有機酸，由回腸末端和結腸內細菌發酵膳食纖維產生，乙酸(約60%)、丁酸(約20%)、丙酸(約20%)是其主要成分。SCFAs作為關鍵的腸道代謝產物，已報道參與多種機體生理及病理過程[28-29]。

2.1 丁酸在SAP-ARDS中的作用 丁酸是腸上皮細胞主要能量來源之一，70%～90%被腸黏膜直接利用，促進其生長和分化；2%被吸收入血，其中大部分經肺代謝為CO2釋放，小部分(約0.05%)經泌尿系統排泄[30]。丁酸除作為腸上皮細胞能量來源，還維持腸道低pH值，抑制有害菌生長，此外在炎癥、免疫調節方面亦發揮重要作用[31]。Zhu等[15]發現AP患者產丁酸的菌群較健康對照組明顯減少，如擬桿菌屬、擬普雷沃菌屬、布勞特氏菌屬、孿生球菌屬。筆者的研究[17]也發現SAP和MSAP患者產丁酸的霍氏真桿菌較MAP患者和健康者明顯減少。Pan等[32]發現蛙皮素誘導的小鼠AP模型外周血、結腸及胰腺組織的丁酸含量較注射同等劑量PBS的小鼠對照組有下降(但無統計學差異)，預防性補充丁酸后小鼠炎癥因子水平如單核細胞趨化蛋白1、IL-6及TNFα均明顯下降。其他改變還包括中性粒細胞浸潤比例減少，巨噬細胞向M2型轉化，結腸絨毛長度增加，進而改善胰腺炎癥和肺損傷。Zhang等[33]通過腹腔注射丁酸，發現其可抑制高遷移率族蛋白1的表達，減少核因子-κB活性和IL-6、TNFα水平，從而減輕大鼠胰腺炎癥反應。此外，多位學者[34-36]發現丁酸可通過抑制高遷移率族蛋白1或Toll樣受體4或組蛋白去乙?；傅谋磉_，減少核因子-κB活性和IL-6、TNFα水平，減少肺組織中性粒細胞浸潤，從而減輕脂多糖(LPS)誘導的急性肺損傷。Tong等[37]研究發現，丁酸可通過增加腸道機械屏障蛋白ZO-1、Occludin的表達，抑制結腸組織髓過氧化物酶及炎癥因子水平，改善腸道屏障功能。Jiminez等[38]研究表明丁酸可通過促進腸道三葉因子3的表達，進而促進腸黏膜上皮細胞的遷移和修復，調控細胞連接蛋白的表達和分布，有利于維持腸黏膜屏障的完整性。Kotunia等[39]發現外源性補充丁酸可明顯增加仔豬腸道的隱窩深度、絨毛長度和黏膜厚度，改善腸道消化吸收功能。

上述研究提示丁酸參與調控SAP-ARDS，而外源性補充丁酸可減輕胰腺炎癥，改善腸道屏障功能，對SAP-ARDS有一定的保護作用，可能成為SAP-ARDS潛在的治療藥物。

2.2 乙酸、丙酸在SAP-ARDS中的作用 乙酸和丙酸在SAP-ARDS中的研究報道較少。乙酸和丙酸可經血循環進入肝臟代謝，參與糖、脂代謝。Maslowski等[40]發現乙酸可通過激活G蛋白偶聯受體43，減輕小鼠腸道炎癥反應。Xu等[41]在LPS誘導小鼠肺損傷模型發現，乙酸通過調控絲裂原活化蛋白激酶途徑，改善肺泡通透性、減少炎癥因子水平、抑制氧自由基產生，從而減輕肺損傷。Trompette等[42]研究發現丙酸可通過誘導G蛋白偶聯受體41，增加肺部樹突狀細胞的造血作用、減少輔助性T淋巴細胞2的效應細胞作用，降低肺部高敏感性反應。Tian等[43]發現腸道丙酸濃度升高可減少肺部炎癥，體外實驗顯示丙酸可能依賴Toll樣受體4途徑發揮作用。提示乙酸及丙酸可減輕肺損傷，但因在AP和肺損傷中的研究報道較少，其在SAP-ARDS中的作用有待進一步證實。

2.3 其他代謝產物在SAP-ARDS中的作用 氧化三甲胺是食物中的膽堿、磷脂酰膽堿等經腸道菌群酵解為三甲胺，后者經肝臟黃素單加氧酶-3催化生成。Li等[44]在大鼠AP模型發現外周血中氧化三甲胺水平顯著下降，有可能成為早期診斷AP的標志物。體外實驗[45]顯示膽汁酸刺激支氣管上皮細胞后IL-6、IL-8水平明顯升高，造成細胞死亡。動物實驗[46-47]發現硫化氫水平在AP胰腺組織中降低，補充硫化氫后大鼠外周血TNFα、誘導型一氧化氮合酶水平降低，胰腺炎癥反應減輕。Faller等[48]發現硫化氫可抑制中性粒細胞遷移、減少炎癥因子水平，進而改善LPS誘導的小鼠肺損傷。Xu等[49]發現硫化氫可通過抑制PI3K/Akt/mTOR通路減少細胞自噬，減輕LPS誘導的小鼠肺損傷。

3 總結

綜上所述，腸道菌群變化及腸道屏障功能減弱可能是促進AP病情加重的重要因素。補充腸道菌群代謝物丁酸可減少組織中性粒細胞浸潤、降低炎癥因子水平，在SAP-ARDS中發揮一定的保護作用，有望成為潛在的治療藥物，值得未來進一步探索。

作者貢獻聲明：熊洋洋負責檢索文獻，資料分析，撰寫論文；吳東和錢家鳴負責擬定寫作思路，修改論文，指導撰寫文章并最后定稿。