腸道微生物組在炎癥性腸病發病機制和治療中的作用研究進展

李博文，劉寧寧，王 慧

上海交通大學公共衛生學院，上海 200025

人體微生物組是一個復雜而龐大的系統，包含細菌、真菌、病毒和古細菌四界微生物。人體腸道微生物通過代謝和免疫耐受與宿主進行密切的相互作用，例如合成短鏈脂肪酸和必需維生素、調節腸道免疫系統和維持黏膜屏障［1］。與人類基因組相比，腸道微生物組擁有超過100 萬億個細胞，這提供了更多的遺傳多樣性。盡管現有研究尚不清楚個體內部和個體間腸道微生物組的變異是否影響人類健康，但它們與宿主的相互作用與多種人類疾病有關，如胃腸道疾病和精神障礙。

炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，ⅠBD），包括克羅恩病（Crohn's disease，CD）和潰瘍性結腸炎（ulcerative colitis，UC），是一種慢性復發性胃腸道疾病，年輕患者較多，并嚴重影響其生活質量。21世紀以來，ⅠBD 從西方國家蔓延到新興工業化國家，世界各地ⅠBD 的發病率都在增長。在亞洲，ⅠBD 的發病率因國家或地區而異，每10 萬人平均年發病數為1.50例［2］。

過去的幾十年中，盡管ⅠBD的病因學研究取得了相當大的進展，但仍未闡明其準確病因。ⅠBD 是由遺傳易感性、環境因素和對腸道微生物組的失調反應共同引起的［3］。家族聚集性在該病發病機制中有重要意義，且CD 的遺傳易感性強于UC。此外，亞洲移民ⅠBD流行病學的變化表明，環境因素在促進遺傳易感個體的腸道炎癥中起著重要作用［4］。這可能是因為環境對共生微生物的組成和功能有影響。有研究報道，清潔的生活條件、西化的生活方式、抗生素的廣泛使用，以及與病原體接觸的減少，都會導致成年期免疫相關疾病的發病率上升。這表明腸道微生物組的改變會影響ⅠBD 的易感性。近年來，腸道菌群及其與胃腸道疾病尤其是ⅠBD 之間相關性的研究廣泛開展，為胃腸道疾病的病因學研究和無創診斷提供了新的視角。腸道共生微生物建立了環境與腸道之間的聯系，因此腸道微生物組功能組成的改變，即生態失調，在ⅠBD 的發生和發展中起著至關重要的作用。本文總結了微生物失調在ⅠBD發病機制中的作用及其潛在機制的現有證據，同時探討微生物組潛在療法的應用前景。

1 微生物組測序技術的發展

高通量測序技術的進步為揭示ⅠBD發病機制的復雜性提供了新的視角。既往研究已經證明了ⅠBD中的細菌微生物群落的改變，揭示了細菌在ⅠBD發展中的作用。16S 核糖體核糖核酸（ribosomal ribonucleic acid，rRNA）擴增子的分類分辨率已廣泛用于細菌微生物組的分析。然而，它只能識別門或屬級別的相關性，而無法識別物種級別的這些變化，具有局限性。因此，宏基因組測序的蓬勃發展進一步揭示了微生物群落的變化以及人類腸道集體微生物組的功能。然而，宏基因組測序依然存在局限性，它只能提示共生微生物的功能潛力而不是其實際情況。宏轉錄組學則可以研究ⅠBD 中微生物組的實際基因表達和動態，從而彌補這種缺陷。腸道微生物組產生的小分子代謝物具有調節免疫系統、幫助消化和維持腸道屏障的功能。代謝組學揭示了患者腸道中代謝物的改變，并確定了ⅠBD中豐富的化學物質。整合代謝組學和宏基因組學研究可以幫助我們利用物種與代謝之間的關聯。總之，多組學的結合可以對炎癥活動期間微生物組的組成和功能失調進行全面研究，并幫助我們更好地了解ⅠBD患者的宿主和微生物活動［5］。

2 IBD中的細菌微生物組失調

大量證據表明，微生物組的變化在ⅠBD的發病中發揮了關鍵作用。總的來說，ⅠBD 患者的微生物群落多樣性降低；細菌分類群組成改變，包括變形菌門（Proteobacteria） 種群的擴大，特別是腸桿菌科（Enterobacteriaceae）的成員［6］。一種合理的解釋是炎癥作為一種氧化狀態，可能會促進耐氧分類群的生長，例如腸桿菌科物種。其他證據表明，腸道炎癥會誘導小分子（如甲酸鹽）的產生。甲酸鹽作為電子供體與氧作為兼性厭氧菌（如腸桿菌科）的末端電子受體一致［6］。大多數大腸埃希菌菌株是無害的，是健康腸道共生體的一部分；而有些菌株具有致病性，可導致嚴重疾病或產生志賀毒素等毒素。黏附性和侵襲性大腸埃希菌（adherent and invasiveE. coli，AⅠEC）與ⅠBD 中的回腸黏膜有關。AⅠEC 可以侵入遺傳敏感宿主的黏膜層，并通過1 型菌毛黏附素FimH 及其與細胞黏附分子 6 （cell adhesion molecule 6，CEACAM6）受體的相互作用黏附到腸上皮細胞［7］。它還可以通過長極菌毛表達進入微折疊細胞并轉移，逃避巨噬細胞和逃避自噬，從而在免疫細胞中存活、復制和活躍［7］。此外，AⅠEC 可以通過抑制腸上皮細胞中γ 干擾素（interferon-γ，ⅠFN-γ）介導的信號轉導和轉錄磷酸化激活因子來逃避宿主免疫反應，從而阻止適當的抗菌反應［8］。

與變形菌門的擴增相反，在ⅠBD患者中發現了厚壁菌門（Firmicutes）的消耗［9］。厚壁菌門中的幾個物種可以分泌抑制炎癥代謝物，例如短鏈脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）。微生物組衍生的SCFA 主要是醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，可以調節保護性免疫反應并下調炎癥信號通路，從而減輕組織炎癥并加強上皮屏障［10］。另一方面，一些研究報告了梭菌簇（Clostridiumcluster）Ⅳ和ⅩⅣ物種的豐度下降［11］，它們通常占總細菌的10%～40%，在調節腸道穩態方面發揮著不可或缺的作用。普氏桿菌（Faecalibacterium prausnitzii，F. prausnitzii） 在ⅠBD患者中豐度降低，它通過刺激免疫細胞分泌更高水平的細胞因子白細胞介素-10（interleukin-10，ⅠL-10）以及更低水平的ⅠL-12 和ⅠFN-γ 來發揮抗炎作用［12］。已有證據表明，普氏桿菌的上清液可通過恢復腸道菌群多樣性和抑制炎癥因子分泌來減輕炎癥的嚴重程度［13］。此外，由F.prausnitzii產生的具有抗炎特性的相對分子質量為15 000的蛋白能夠抑制腸上皮細胞中的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路，從而減輕小鼠的結腸炎［14］。總之，這些結果表明，普氏桿菌在維持腸道正常生理機能方面起著至關重要的作用，這促使人們將其列入下一代益生菌的名單。與普氏桿菌相似，屬于梭菌簇ⅩⅣa 的羅氏菌（Roseburia）在ⅠBD 患者腸道中也顯著減少［15］。人羅斯拜瑞菌（Roseburia hominis，R. hominis）的豐度與ⅠBD 患者產生更豐富的酰基肉堿有關［5］。在UC 和CD 患者中均可觀察到R.hominis豐度降低。據報道［16］，該菌是乙酸鹽到丁酸鹽的轉換器，具有抗炎作用。此外，一項研究［17］表明，另一種羅氏菌物種的上清液可以通過調節免疫反應減輕小鼠結腸炎。瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）是健康人類腸道微生物組中的厭氧革蘭陽性菌。研究［18］表明，瘤胃球菌和CD之間存在特別強的關聯。瘤胃球菌在CD患者腸道中富集，并且該菌的豐度與癥狀的嚴重性有關。瘤胃球菌產生炎癥多糖，通過toll 樣受體4 （toll-like receptor 4，TLR4）誘導樹突狀細胞產生炎癥細胞因子如腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），從而導致疾病發作［18］。除ⅠBD 外，瘤胃球菌的增加還與其他炎癥性疾病有關，包括脊柱關節炎、嬰兒濕疹、接受全結腸切除術的UC患者的儲袋炎和過敏性疾病。

此外，研究還確定ⅠBD 患者中擬桿菌屬（Bacteroides） 物種的改變。 脆弱擬桿菌（Bacteroides fragilis）是一種共生菌，在ⅠBD 的發展過程中同時發揮了有益和有害作用。產腸毒素型脆弱擬桿菌（Entero-toxigenicBacteroides fragilis，ETBF）通過誘導T 輔助細胞17（Th17）免疫反應和信號轉導以及激活轉錄激活因子3 （signal transducer and activator of transcription 3，Stat3） 來提高黏膜通透性，從而促進炎癥發展［19］。另一方面，脆弱擬桿菌產生的多糖（polysaccharide A，PSA）通過刺激ⅠL-10 的分泌，調節T 輔助細胞（Th1/Th2）的平衡來發揮抗炎功能［20］。

嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，A.muciniphila）顯示出抵抗ⅠBD 的潛力，目前被稱為下一代益生菌。研究［21］表明ⅠBD 患者A.muciniphila的豐度降低。此外，A.muciniphila治療在小鼠模型中改善了葡聚糖硫酸鈉誘導的UC，表明其具有成為UC新治療策略的潛力［22］。總而言之，細菌微生物組是腸道中研究最充分的組成部分，并為針對微生物標志物的診斷和治療提供了新的策略。

3 IBD中的真菌微生物組失調

大多數研究集中于細菌在ⅠBD 發病機制中的作用，而忽略了其他腸道群落，如真菌和病毒。真菌約占腸道微生物總數的0.1%，占比較低，且由于當前測序技術有限，往往被忽視。然而，現在觀點認為真菌也會影響ⅠBD 的發展。一項研究［23］證實，ⅠBD 中真菌分類學變化的特點是擔子菌（Basidiomycota）與子囊菌（Ascomycota）的物種比例增加；顯著的特征之一是ⅠBD 中擔子菌的擴增，以及子囊菌的減少［23］，尤其是在疾病發作期。

假絲酵母菌（Candida）、酵母菌（Saccharomyces）和枝孢菌（Cladosporium）是健康個體中最豐富的真菌屬［24］。幾項研究一致顯示ⅠBD 患者中假絲酵母菌種類的豐度升高，特別是白色假絲酵母菌（Candida albicans）在ⅠBD 患者腸道中富集［23］。有證據表明，白色假絲酵母菌甘露聚糖（假絲酵母菌的主要細胞壁蛋白）和具有病原體相關分子模式的β-葡聚糖之間的相互作用會刺激Th17 的分化，并增加促炎細胞因子如ⅠL-12和TNF-α的分泌［25］。據報道，熱帶假絲酵母菌（Candida tropicalis）在CD 患者腸道中的比例增加，并且與家族性CD 的發病呈正相關［26］。此外，體內實驗表明，與野生型小鼠相比，熱帶假絲酵母菌定植的無特定病原體小鼠發生了嚴重的結腸炎［27］。同樣，光滑假絲酵母菌（Candida glabrata）在CD 患者中也增多，尤其是在發炎的黏膜中［28］。

有趣的是，ⅠBD 患者糞便樣本中白色假絲酵母菌和釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的豐度呈負相關［23］。與健康個體相比，ⅠBD 患者的糞便和黏膜中釀酒酵母的比例降低［23］。抗釀酒酵母抗體（antibodies againstSaccharomyces cerevisiae，ASCA）是一種可與甘露聚糖相互作用的CD 標志物，目前已用于診斷CD。通常情況下，釀酒酵母對ⅠBD 具有保護作用。一項研究［29］表明，小鼠模型中的釀酒酵母CNCM Ⅰ-3856 菌株通過阻止AⅠEC 黏附到黏膜而有助于改善結腸炎。然而，也有研究［30］表明釀酒酵母可增強宿主嘌呤代謝并增加小鼠的腸道通透性。

限制性馬拉色菌（Malassezia restricta）是皮膚微生物組中的常見定植菌。研究發現，限制性馬拉色菌通過胱天蛋白酶募集域蛋白9（caspase recruitment domain-containg protein 9，CARD9）的某種作用機制加劇了小鼠的結腸炎［31］，而CARD9參與了針對真菌的固有免疫反應中C 型凝集素受體的炎癥信號轉導。此外，限制性馬拉色菌通常在攜帶CARD9風險等位基因的ⅠBD 患者中富集，并且可以被ASCA 識別［31］。在ⅠBD患者中發現真菌失調，表明真菌在維持腸道菌群平衡方面發揮著不可或缺的作用。

4 IBD中的病毒微生物組失調

除了細菌和真菌外，腸道還含有大量可能導致ⅠBD 發病的病毒。例如，鼠諾如病毒（murine norovirus）感染可與自噬相關基因ATG16L1的突變相互作用，該突變為CD 易感性等位基因，可以導致帕內特細胞異常［32］。此外，腸道病毒組含有多種噬菌體。近年來，更嚴格的研究［32］發現，與對照個體相比，ⅠBD 患者的尾狀病毒噬菌體數量增加。研究［33］表明，來自活動性UC 患者的噬菌體刺激了促炎細胞因子ⅠFN-γ 的分泌。總的來說，需要進一步研究腸道病毒組在ⅠBD發病機制中的作用。

5 基于微生物組的IBD療法

目前通用的ⅠBD治療方法，包括類固醇和抗腫瘤壞死因子或抗整合素之類的生物制品，并不直接針對導致該疾病的微生物。然而，這些療法的疾病緩解率較低。針對宿主或微生物組的新療法可能有助于緩解ⅠBD。

5.1 飲食

飲食對腸道微生物群落的組成有很大影響。飲食療法可以獨立有效地影響微生物群組成從而緩解炎癥。某些飲食成分可以改變炎癥。例如，高蛋白質攝入會降低假絲酵母菌種類的總豐度，而富含碳水化合物的飲食會產生相反的效果［34］。膳食纖維通過腸道微生物代謝為短鏈脂肪酸，從而起到保護作用。臨床研究［35］表明，攝入更多膳食纖維與降低CD 風險相關。菊粉是一種益生元，可以保留微生物種群，加強上皮屏障，防止病原體易位，從而對ⅠBD 起作用［36］。因此，增加菊粉的攝入量可以緩解炎癥。此外，完全腸內營養（exclusive enteral nutrition，EEN）通過管飼提供患者營養完整的元素和聚合物配方飲食，與皮質類固醇一樣有效，可緩解兒科CD 患者的癥狀［37］。然而，EEN 不適用于成年患者，這可能歸因于患者依從性差。

5.2 糞便菌群移植

糞便菌群移植（faecal microbiota transplantation，FMT）是將健康供體的糞便轉移到ⅠBD患者腸道的方法，通過糾正微生物群落中的不平衡而使微生物恢復穩態。FMT 已被證實是治療艱難梭菌感染的有效療法［38］。到目前為止，一定數量的ⅠBD 患者已經接受FMT 治療并且對該療法表現出不同的反應，約30%的UC 患者獲得了臨床緩解［39］。此外，由于隊列規模有限，FMT 在CD 患者中的有效性仍不清楚。需要進一步研究FMT 治療ⅠBD 的機制和制定更有效、更精確的方案。

5.3 抗生素和益生菌

廣譜抗生素可有效治療嚴重的急性和慢性結腸炎；然而，抗生素可以同時消滅病原菌和有益共生體。因此，抗生素治療ⅠBD的作用仍然有限。益生菌是活的微生物，給予足夠的量時會對宿主有益。乳桿菌屬（Lactobacillus） 中的羅伊氏乳桿菌（Lactobacillus reuteri）和雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）物種治療ⅠBD 有效［40］。在UC 患者中，益生菌E.coliNissle 1917 表現出積極作用，與金標準療法美沙拉嗪同樣有效，但在CD 患者中的相關研究較少。除了這些傳統的益生菌， 下一代益生菌如普氏桿菌和A.muciniphila也值得深入研究。同時，合成生物學的進步也為ⅠBD的治療和管理提供了新的策略。

6 展望

ⅠBD 是一種涉及宿主、微生物和環境因素的復雜疾病。近年來，研究人員在ⅠBD的發病機制方面取得了很大進展。然而，我們對該病的發病機制尚不完全清楚，現有的治療方法也不能完全治愈ⅠBD。本文總結了ⅠBD中發生改變的微生物種類，以及當前針對微生物組的治療策略。然而，目前大多數研究僅揭示了單一細菌或真菌對疾病的影響，或從表面上推測微生物-宿主相互作用對ⅠBD 發展的影響。細菌-真菌相互作用及其在疾病機制中的作用，有待進一步研究。總體而言，微生物組和ⅠBD的研究獲得了較大進展，期待未來該領域取得新的突破。