腸道菌群和腸-肺軸在熱射病中的作用*

江利亞， 王 嬌， 張玉想

（解放軍總醫院第八醫學中心重癥醫學科，北京100091）

熱射病（heat stroke，HS）是中暑最嚴重的一種疾病狀態，其特點是核心體溫≥40℃和中樞神經系統異常（主要為意識障礙），并伴有多器官功能障礙綜合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的臨床表現。根據有無劇烈運動史和易感人群的不同，HS可分為經典型HS（classic HS，CHS）和勞力型HS（exertional HS，EHS）。CHS主要由于被動暴露于熱環境引起機體產熱與散熱失衡而發病，常見于年幼體弱者或有慢性基礎疾病的個體。EHS 主要由于高強度體力活動引起機體產熱與散熱失衡而發病，常見于進行高溫作業的官兵和建筑工人，以及熱愛運動的健康青年人［1］。如不得到有效救治，HS 病死率高達70%［2］。HS 發生時，腸道內皮損傷，腸道細菌移位，可誘發或加重HS 全身炎癥反應。近年來，隨著腸道菌群的研究熱度不斷攀升，腸道菌群在HS 發病機制中的作用逐漸引起人們重視。腸道菌群紊亂能使腸道通透性增加，加速HS 進展［3］。本文將著重對腸道菌群失調及腸-肺軸在HS發生發展中的作用進行綜述。

1 HS相關概述

HS 主要發病機制通常包括高溫直接熱損傷和炎癥因子介導的氧化應激反應。高溫環境下，機體核心體溫升高，為了散熱，皮膚外周血流量增加，內臟血流量減少。隨著受熱時間的延長，機體從代償階段（散熱＞產熱）到失代償階段（產熱＞散熱），中心靜脈壓下降，大量熱蓄積刺激機體，內臟器官處于缺血、缺氧狀態，各器官功能發生障礙。研究表明，一方面機體溫度超過41.8 ℃會對正常細胞產生損傷反應，而腸道和肝臟是最早出現損傷的臟器；另一方面缺血和熱應激也會通過炎癥反應使機體發生氧化應激，二者結合致使腸道通透性進一步擴大，屏障功能被破壞，釋放的內毒素逐漸超過肝臟的排毒代謝能力從而導致內毒素血癥。內毒素釋放入血液后激活免疫系統，釋放炎癥因子如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白細胞介素1β（interleukin 1β，IL-1β），過量的促炎因子（IL-2、IL-6 和IL-8）級聯放大炎癥反應，如此循環，最終導致MODS。可見腸道屏障功能破壞導致內毒素進入循環是HS 發病機制中的重要環節［4-5］。

EHS救治的核心應遵循3個關鍵點：迅速降低核心體溫、血液凈化及防治彌散性血管內凝血（disseminated intravascular coagulation，DIC）。EHS 的院前急救至關重要，黃金“半小時”（30 min 內溫度降至39 ℃以下）和白金“兩小時”（2 h內溫度降至38.5 ℃）的降溫措施可顯著降低病死率，改善預后。入院后的器官功能支持也是提高存活率的關鍵，盡早開始連續性血液凈化［如連續性腎臟替代治療（continuous renal replacement therapy，CRRT）］及早期糾正凝血功能紊亂治療，不僅能延緩EHS的疾病進展，預防MODS，還能減少其并發癥［6］。

2 腸道菌群及其作用

2.1 腸道菌群 腸道菌群是對占據腸道內數量和種類數以萬計的微生物群的總稱。腸菌總體數量是人體細胞總和的10 倍以上。微生物群在腸道不同部位的分布具有差異性，例如空腸在多樣性和密度方面主要支持革蘭氏陽性需氧菌和兼性厭氧菌的生長，包括乳酸桿菌、腸球菌和鏈球菌，而向回腸過渡時，好氧菌則占優勢［7］。正是因為腸道細菌分布的密度和類型不同，腸道區域敏感性對免疫應答有著很大的影響［8］。腸道菌群和人體健康息息相關，不同生理狀態、疾病和飲食都會影響其構成［9］。正常情況下，腸道微生物群與宿主處于平衡狀態，相互制約，相互作用。不僅能維持機體免疫穩定，腸道微生物代謝產生的主要產物短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）還能及時給腸道提供營養，維持腸道正常的生理功能［10］。

2.2 HS 與腸道菌群失調 HS 急性期因高熱、血容量不足、胃腸道缺血（胃腸道血液分流至皮膚和肌肉）、DIC 等有害因素，常造成腸壁水腫、腸腔積液甚至出血。發病3 d 內HS 患者即可出現腸道損傷的臨床表現：惡心、嘔吐、腹痛、腹瀉、水樣便等［1-2］。腸壁黏膜是機體和外界相通的最大界面，其構成的黏膜屏障成為抵御外界有害物質進入內環境的第一防線。正常情況下，腸上皮細胞主要以緊密連接、縫隙連接、黏附連接等方式構成腸道屏障的完整性［11］。熱應激可損害腸道屏障，增加緊密連接的通透性，從而改變腸道菌群的多樣性［12］。Duracy 等［13］的研究表明，熱應激會降低小鼠腸道厭氧/需氧細菌比例，有益菌減少，而溶血性細菌、葡萄球菌、大腸桿菌等病原菌數量增加。許多研究證實，小鼠在發生HS 時，腸道菌群多樣性指數和豐富度指數均降低，進一步分析菌群結構組成可知，HS 組擬桿菌門豐富度顯著升高，而厚壁菌門和變形菌門豐富度則明顯降低［14-15］。鏡下觀察到熱應激打擊后腸腔黏膜受損、微絨毛丟失、細胞出現空泡化等現象［16］。長期高強度運動亦會導致腸通透性增高，造成腸道微生物種類多樣性減少，雙歧桿菌含量明顯下降［17］。這提示熱應激與劇烈運動對于腸道屏障功能損害具有協同作用。

2.3 HS 致腸道菌群失調的分子機制 腸道屏障功能障礙是HS導致腸道菌群失調的重要機制。而腸道屏障主要由有活性的腸道上皮細胞及表達正常的緊密連接蛋白構成。大量熱蓄積及運動可直接打開腸道緊密連接，增強黏膜通透性（圖1）。He 等［18］證實，熱應激可通過下調腸道細胞骨架蛋白表達，誘導細胞骨架發生重組，從而提高腸道通透性。他們繼而利用相對和絕對定量同位素標記技術（isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）證實了熱應激誘導細胞骨架重組和炎癥反應是通過激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信號通路而導致腸道損傷的。Yang 等［19］證明，熱應激介導的氧化應激通過抑制腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）軸下調豬支持細胞緊密連接蛋白occludin 和ZO-1 的表達。腸道緊密連接蛋白的下調使腸道內皮細胞之間“縫隙”變大，革蘭氏陰性細菌細胞壁的主要成分脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）大量釋放入血，造成內毒素血癥。LPS 與宿主細胞膜表面的Toll 樣受體4（Toll-like receptor 4，TLR4）結合，誘導一系列下游反應，通過髓樣分化因子 88 依賴途徑發出信號，激活MAPK、NF-κB 等介導的信號通路，進而促進促炎因子如IL-1β、IL-6和TNF-α表達，造成組織損傷和腸道通透性增加［20］。

L-精氨酸是人體必需氨基酸，已有證據表明它可參與多種分子途徑，包括蛋白質合成、細胞遷移和免疫反應等［21］。Huang 等［22］先前研究表明，在 HS 條件下L-精氨酸能促進緊密連接蛋白的產生，保護腸道完整性。該團隊進一步研究證實，L-精氨酸通過AMPK 依賴的方式促進緊密連接如ZO-1 和claudin-1的表達來改善被熱應激破壞的黏膜完整性［23］。

3 腸-肺軸在HS中的作用

3.1 腸-肺軸 腸道內富含大量定殖菌群，起著維持器官功能、系統穩態和免疫調節的重要作用。當腸道局部菌群發生變化時，不僅腸道功能和遠隔臟器（肝、肺等）的免疫功能受到影響，肺部抵抗力也會減弱，肺部疾病的患病率增加；同樣的，當肺部疾病發生時消化道也會出現相應的癥狀［24］。這種腸肺間的相互影響稱為腸-肺軸［25-26］。腸與肺不僅具有相同的胚胎起源，結構上也有相似性。二者具有的黏膜結構，既是多種微生物群的生存場所，也是構成黏膜免疫系統保護機體免受病原體侵害的重要結構［27］。

Figure 1. The mechanism of intestinal damage caused by exercise or heat stress. A：in the whole body，the thermoregulatory response shifts the splanchnic blood flow to the peripheral blood circulation，resulting in hypoxia in intestines and intestinal barrier dysfunction. B：at the cellular level，hyperthermia leads to disruption of intestinal epithelial integrity，mainly by affecting the tight junctions（TJs）and adherens junctions（AJs），which are responsible for sealing the paracellular space between adjacent cells. Damage to TJs and AJs facilitates the transfer of luminal toxins and pathogens（light blue bodies）through the epithelial barrier into the lamina propria，harboring numerous immune cells that are activated and contribute to the exaggeration of inflammatory reactions，which may further worsen the intestinal damage. ZO：zonula occludens protein.圖1 熱應激/運動導致腸道損傷的機制

腸-肺軸是一個可被雙向刺激、雙向調節的環路，腸內刺激可轉移到肺，肺也可反饋給腸道［28-29］。正常腸道中的微生物群通過LPS 和SCFAs 來維持胃腸道和肺的免疫應答［30］，而免疫細胞從腸到肺的遷移則被認為是它們之間重要的聯系通路，遷移則又是借助淋巴細胞完成的，因此淋巴系統很可能是肺與腸之間“相互交流”的重要途徑［29］。關于腸-肺軸的相互作用，目前認為可能與腸道微生物所影響的全身機體免疫系統改變有關（圖2）。

3.2 肺腸之間的聯系和影響 腸-肺軸表明腸道和肺臟在功能上相互為用且病變上相互影響，這一點早在中醫理論學說“肺與大腸相表里”中得到證實［31］，并經驗性地有效運用在臨床上［32-33］。

當機體受到熱應激時，誘導產生一系列炎癥反應，腸道血管通透性增加，細菌易位，最后形成膿毒癥。肺是細菌易位后最易受損的器官，從而也更容易導致急性肺損傷。李巖［34］在急性呼吸窘迫綜合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）大鼠模型的糞便樣本中檢測出腸道菌群梭菌門、幽門螺菌屬和羅氏菌屬數量減少，其菌門、屬的減少可能是腸道對ARDS 的發生作出的應激反應，提示腸、肺之間存在密切聯系。Dickson 等［35］利用菌群多樣性測序分析盲腸結扎穿孔法（cecal ligation and puncture，CLP）模型組及對照組小鼠肺部菌群來源的變化，結果顯示膿毒癥后肺部菌群明顯富含小鼠腸道相關細菌，包括擬桿菌、腸球菌和毛螺桿菌，并且肺部菌群的多樣性變化在第5 天達到峰值，隨著CLP 后時間的延長，肺部菌群多樣性差異逐漸減小，在2 周后恢復正常。鑒于膿毒癥后“腸道細菌向肺移位”的這一證據，作者利用同樣方法對ARDS 患者的支氣管肺泡灌洗液進行測序，結果亦顯示富含腸道相關擬桿菌，且觀察到腸道擬桿菌的相對豐度與血清TNF-α 濃度之間存在顯著相關性。因此這些結果說明腸道菌群在膿毒癥和ARDS 的發病機制中具有潛在的共性，腸道菌群可能是肺與腸之間聯系的橋梁。

Figure 2. Gut-lung axis. Gut and lung are linked organs that can reciprocally influence their homeostasis. The gut microbiota dysbiosis is associated with lung health. A healthy intestinal microbiota maintains homeostatic local immune responses through exposure to structural ligands（e.g. LPS）and secreted metabolites（e.g.SCFAs）. Invading microorganisms and absorbed metabolites influence circulating lymphocytes and contribute to the regulation of systemic immune responses. When the gut microbiota is disturbed，the normal microbiota-derived signals are altered，which leads to changing immune response of the lung.圖2 腸-肺軸

關于腸道菌群及內毒素易位的途徑還尚不明確。Jakobsson 等［36］用 LPS 法建立肺炎模型實驗中提示肺部細菌可能是通過血液到達腸道。而最新提出的“腸系膜淋巴途徑”可能也參與熱應激后腸源性活性因子TNF-α、IL-6、IL-1β 等炎癥因子的運輸。腸系膜淋巴結被認為是缺血后腸道毒性因子滲出物（如細菌和或內毒素）進入循環導致器官損傷的重要來源，在Tong 等［37］前期的研究中證實結扎腸系膜淋巴結有助于減輕HS 后人臍靜脈血管內皮損傷，改善預后。肺是暴露于腸系膜淋巴通路的第一血管床。為了進一步驗證結扎腸系膜淋巴管是否可減輕HS 導致的腸源性肺損傷，該作者利用結扎腸系膜淋巴管的方法來觀察大鼠血清炎癥因子和肺損傷的變化，結果顯示，與HS組相比，HS+結扎腸系膜淋巴管組大鼠血漿促炎細胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和高遷移率族蛋白B1的水平明顯降低，肺損傷評分也顯著降低，肺功能得到改善，但未降至正常水平，從而更進一步證實結扎腸系膜淋巴管可在一定程度上減輕大鼠HS肺損傷，包括保護內皮細胞、改善凝血功能及PaCO2、PaO2、動脈血pH等肺功能指標。但需提出的是，此實驗僅可延緩HS 的發病時間，如HS+結扎腸系膜淋巴管組的發病時間比HS組平均遲8.4 min，但生存時間的差異無統計學意義，表明HS 的致病機制復雜，腸系膜淋巴源性損傷只是其中之一［38］。“腸系膜淋巴途徑”同樣見于急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）腸道菌群易位導致的肺損傷機制中［39］。AP常伴有腸屏障功能受損，菌群易位、紊亂，特點為有害菌（大腸埃希菌、腸桿菌等）增多并伴有益菌（雙歧桿菌、糞桿菌等）減少，造成遠隔器官（如肺）衰竭，形成“二次打擊”［40-41］。Pan等［42］在AP模型小鼠注射腸道菌群代謝產物丁酸后觀察到血清IL-6、TNF-α 等炎癥因子降低，中性粒細胞浸潤減少，肺損傷減輕。腸道菌群代謝產物通過介導TLR4 途徑來調節下游NF-κB、IL-6等炎癥因子水平，從而減輕LPS 誘導的急性肺損傷［43］，說明腸道菌群能通過TLR4 途徑來減輕肺損傷。HS的肺-腸軸機制目前尚不清楚，而腸道菌群參與AP相關性肺損傷的發現，可為以后HS的發病機制及進一步的微生物治療研究提供參考資料。

在其他疾病，也有研究表明腸和肺之間存在相互作用。例如，慢性阻塞性肺疾病患者的腸通透性增高，其潰瘍性結腸炎和克羅恩病的患病率升高［44］；新型冠狀病毒通過血管緊張素轉化酶2（angiotensinconverting enzyme 2，ACE2）進入細胞，而ACE2 在肺和回結腸上皮細胞中呈高度表達［45］。上述研究說明腸和肺之間相互影響，腸病傷及肺，肺病亦致腸損傷，而腸道菌群有可能則是它們相互聯系的基礎。這一理論為HS的腸-肺軸機制研究打下基礎。

4 總結

綜上所述，腸作為HS 發病過程中重要的受損器官之一，在HS 發生、發展中發揮著重要作用。早期快速降溫和積極液體復蘇是HS 救治的關鍵，是減輕和防止胃腸損傷，阻斷病程進展的重要措施［1］。保護腸道，盡早腸內營養，可避免腸道進行性損傷加重、大量細菌釋放入血導致的二次打擊乃至膿毒癥休克。此外，腸在指導免疫反應方面發揮著重要作用，腸道內代謝物，如SCFAs 等，隨血流釋放到各臟器可發揮抗感染的特性［46］。目前菌群與宿主之間的影響，以及局部菌群與遠端器官的交叉影響仍處于研究的初始階段，腸-肺軸間的相互作用具體涉及哪些細胞與因子仍未可知。因此有必要進一步探索HS 發病機制、腸肺損傷特點及腸-肺軸相互作用機制，在此基礎上探索新的治療途徑，將會對HS 的治療及預后改善起到重要作用。