腸道微生物群在膿毒癥中作用的研究進展

賈 璇, 潘郭海容, 田 圓, 王瀚黎, 梁 群

(黑龍江中醫藥大學, 黑龍江 哈爾濱, 150040)

膿毒癥是由于感染引起宿主免疫失調反應而導致臟器功能衰竭的全身炎癥反應綜合征(SIRS), 亦是引發多器官功能障礙綜合征(MODS)的最主要原因[1]。膿毒癥至今仍缺乏成熟、有效的治療手段[2]。臨床普遍采用抗生素療法，療效提升并不顯著，近年來大量臨床研究表明，全程使用單一抗生素會破壞腸道微生物群，使膿毒癥患者病情加重[3]。腸道在吸收營養和防止腸內微生物群、毒素異常位移方面起著至關重要的作用[4], 長期以來腸道一直被認為是膿毒癥MODS的發動機。研究[5]表明，腸道受損后，微生物群和毒素從腸腔內轉移到血液循環系統中，正常腸道微生物群的結構和功能遭到破壞，進而誘發膿毒癥發生或加速膿毒癥的進展。因此，基于腸道微生物群對膿毒癥的影響機制，探尋非傳統抗生素療法是膿毒癥潛在的治療靶點[6]。本研究從3個方面討論腸道微生物群與膿毒癥的相互作用。首先，在膿毒癥發病之前，腸道微生物群機制發生改變，包括致病性腸道細菌的增多、刺激免疫系統產生強烈的促炎反應及減少有益微生物群產物的生產，會導致膿毒癥的易感性增強; 其次，膿毒癥期間，腸屏障功能受損，腸道微生物群紊亂，發生易位，導致膿毒癥病情惡化并增加MODS發生的概率; 最后，基于腸道微生物群開展的一系列生物療法，如益生菌療法、選擇性消化道去污染及糞菌移植療法，可以在一定程度上恢復腸道微生物群正常結構，緩解炎癥反應，降低膿毒癥惡化風險，改善膿毒癥的預后。

1 膿毒癥易感性增強的腸道原因

人體從出生開始，在幾周之內完成各系統多樣化發育，獲得腸道有益共生菌，保護機體免受病原體的侵襲[7]。當有益共生菌缺乏時，包括葡萄球菌在內的致病性腸道細菌占據主導地位，這些細菌的大量易位引起膿毒癥發生。研究[8]表明，抗生素的過度使用是破壞腸道微生物群、導致專性厭氧菌缺乏的主要原因。隨著抗生素使用時間延長，腸道微生物群逐漸失衡，膿毒癥患者的病情也不斷惡化，二者之間呈正相關; 因微生物群紊亂而發生各類疾病的患者，再次發生感染進而誘發嚴重膿毒癥概率極高[9]。

腸道微生物群是免疫系統的重要調節器，腸道有益共生菌是應對感染的重要因素。當機體處于正常情況下，如若少數革蘭氏陰性共生菌從腸道位移，機體隨后產生抗原源，驅動產生保護性IgG，誘導產生的IgG通過直接包被細菌的方式促進吞噬細胞的殺傷，從而避免機體發生全身性感染; 革蘭氏陰性菌表層細胞壁中的脂多糖(LPS)通過Toll樣受體4(TLR4)被腸道細胞識別，隨之而來的信號級聯導致中性粒細胞從骨髓重新聚集到血液中[10]; 隨后，這些中性粒細胞可有效清除血源性病原體，對機體形成保護作用，以維持腸道內環境穩態[11]。而當腸道微生物群紊亂時，則會損害免疫細胞功能。有動物實驗[12]發現，小鼠在感染肺炎鏈球菌后，與對照組相比，有益共生菌缺乏組的小鼠，肺泡巨噬細胞代謝途徑的上調，中性粒細胞細胞外陷阱的豐度低、對肺炎鏈球菌的捕獲能力下降，導致免疫調節反應失控，小鼠膿毒癥易感性增高，同時器官衰竭率和病死率升高。因此，腸道微生物群對腸外組織和器官具有系統性影響。

腸道微生物群對機體的防御功能主要歸因于共生腸道細菌產生的代謝物，這些代謝物對于調節免疫細胞功能至關重要。共生腸道菌代謝物如厭氧細菌發酵的產物短鏈脂肪酸丁酸鹽具有抗炎作用[13]。短鏈脂肪酸丁酸鹽可以驅動單核細胞向巨噬細胞分化并抑制組蛋白脫乙酰酶-3, 通過這種抑制，丁酸鹽介導巨噬細胞代謝并誘導抗菌肽的產生; Rag-Ragulator調控復合物是觸發細胞焦亡的關鍵因子，晚期內含子/溶酶體適配子和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)是Rag-Ragulator復合物的成員[14-15]。丁酸鹽通過上調晚期內含子/溶酶體適配子、絲裂原活化蛋白激酶和MTOR信號通路激活劑2促進清除巨噬細胞細菌，從而增強患者體內、體外的抗菌性[16]。當腸道微生物群豐度減小，可以對免疫激活做出反應的共生菌也相應減少，其代謝產物水平改變，無法在急性免疫激活期間保持相對穩定，進而不能通過提高應激耐受性來保護自己，抗菌性、抗炎性減弱，導致膿毒癥的易感性增強[17]。

2 膿毒癥與腸道微生物群影響機制

膿毒癥與腸道生物群的相互影響主要通過炎性因子持續刺激腸上皮細胞，破壞腸屏障功能，造成大量菌群異常位移，免疫反應改變，有益共生菌及其代謝物減少，腸道微生物群紊亂，出現各器官損傷甚至發展為MODS后，進一步加重腸屏障損傷，導致惡性循環，持續加重病情[18]。

2.1 細菌易位

細菌易位是指細菌從腸道經上皮黏膜進入固有層，然后進入腸系膜淋巴結及其他無菌的器官[19]。大量的臨床前和臨床證據已經證明了細菌易位現象在不同臨床狀態中的存在[20]。

腸屏障功能損傷導致細菌易位。膿毒癥患者的腸道屏障出現結構和功能紊亂，導致腸道通透性增加。膿毒癥導致腸屏障損傷分3個階段推進: 第1次損傷是內臟灌注不足或缺血[21]; 第2次損傷是復蘇期間腸血流的恢復，導致缺血-再灌注損傷; 第3次損傷是腸屏障功能的喪失，造成腸屏障功能障礙，腸上皮細胞緊密連接改變，通透性增強，使得腸內細菌、內毒素可以穿過黏膜屏障[22]。異常移位的腸內細菌、內毒素首先產生促炎細胞因子，在病原相關分子入血后，會啟動PAMPs模式，脂多糖結合蛋白(LBP)識別LPS，并與TLR4結合，活化NF-κB、MAPK信號通路，引起級聯反應，釋放大量的炎癥介質，發生局部腸道炎癥反應。即使易位的細菌和病原相關分子被困在腸上皮或腸淋巴結內，臨床表現為局部炎癥反應，短時間內未能遍及全身，這些物質依然通過腸系膜淋巴管進入體循環。

細菌易位引起膿毒癥及器官損傷。微循環再灌注恢復后，腸道內DAMPs首先被吸收到腸系膜淋巴系統，這些DAMPs經由腸系膜淋巴管排入乳糜池，后通過胸導管在左鎖骨下靜脈排入體循環。肺動脈是DAMPs經由腸系膜淋巴管到達的首個血管，因此，肺也是膿毒癥患者最常見的受損器官; 而DAMPs進入體循環后，全身細胞因子-趨化因子反應的過度釋放，造成急性腎損傷[23]; 急性期反應中的線粒體功能障礙及內質網應激相關炎癥最終導致肝功能衰竭[24]。因此，腸道微生物群和其產物通過腸淋巴管的移位可以在理論上解釋，膿毒癥患者經常出現各器官的急性損傷，造成MODS甚至多器官功能衰竭[25]。

2.2 免疫反應改變

免疫功能低下的患者，易位細菌的系統性傳播會增高膿毒癥的發病率和病死率?；颊吣c道微生物群組成的不同，其對膿毒癥的免疫反應也就存在了差異性。實驗[26]證明，增加小鼠腸道微生物組α的多樣性，不僅提高了膿毒癥小鼠存活率，還改變了小鼠對膿毒癥的免疫反應。當為這些小鼠植入與造模時腸道定植細菌相似菌種，再次感染引發膿毒癥時，由于T細胞對這些特異性細菌抗原的反應增強，其二次感染的預后結果有所改善[27]。除了影響T細胞反應外，腸道微生物群還影響體液免疫: 共生細菌直接產生IgA, 通過細菌同源性在隨后的膿毒癥中起保護作用[28]。這些研究表明，腸道微生物群在“啟動”免疫系統對膿毒癥做出反應方面發揮了作用。

膿毒癥發生后，腸道微生物群中共生菌豐度的變化會引起機體炎癥反應的變化。共生菌對免疫途徑的影響會造成特定細胞因子表達上的差異性，一項對500名健康成人的研究表明，當外周血單核細胞受到體外微生物抗原刺激時，腸道微生物群組成與細胞因子反應相關聯，共生菌中糞球菌會影響細胞因子白細胞介素-1β(IL-1β)和白細胞介素-6(IL-6)的產生，以調節對白色念珠菌等感染的引起急性炎癥反應[29]。因此可知，腸道微生群中的共生物種與細胞因子表達之間相互作用。

目前，關于腸道微生物群對膿毒癥患者免疫調節影響的臨床試驗開展依然較少，而體外實驗和動物實驗不能完全展現人類膿毒癥期間的各項生理、病理狀態，鑒于免疫失調在膿毒癥發病機制中的重要性，腸道微生物群在膿毒癥免疫反應中的作用值得進一步研究。

2.3 腸道共生菌代謝物

腸道微生物群衍生的代謝物調節了關鍵的免疫途徑。其中，最重要的是共生菌代謝物-短鏈脂肪酸(SCFAs)，SCFAs在生理上是連接共生菌群和黏膜免疫系統的重要信號，具有調節腸道微環境的功能[30]。

丁酸鹽是SCFAs之一，由梭狀芽孢桿菌和糞便桿菌產生，作為一種有效的調節因子，是機體和微生物群之間的關鍵介體，通過上調關鍵的調節性T細胞轉錄因子Foxp3, 影響結腸調節性T細胞的分化[31], 并抑制組蛋白去乙?；?，以減少由NF-κB調節的TNF-α和IL-6等促炎細胞因子[32]。除了調節免疫功能的作用外, SCFAs對上皮細胞功能也至關重要[33]。乙酸由腸道共生雙歧桿菌產生，能夠調節腸道pH值，調節巨噬細胞的相關功能，減少由LPS刺激產生的致炎因子NO、TNF-α、IL-1β和IL-6, 維持腸上皮細胞內穩態，通過影響上皮細胞功能來保護機體免受腸道大腸桿菌易位的影響[34]。戊酸鹽是唯一的不僅能夠增加白細胞介素-10(IL-10)分泌，還能顯著抑制B細胞凋亡的SCFAs。戊酸引起B細胞和CD4+效應T淋巴細胞代謝重新分布，導致糖酵解、丙酮酸氧化和免疫調節細胞因子IL-10分泌增加，發揮其免疫調節作用[35]。

膿毒癥期間，感染未得到控制，腸道微生物群豐度銳減，代謝產物隨之減少，炎癥因子會越發產生，對免疫功能的調控能力降低甚至完全喪失，直至出現機體免疫抑制，免疫抑制會造成不可彌補的致命感染，發生更嚴重的內毒素易位及級聯樣瀑布反應，造成全身炎癥反應。

如上所述，腸道微生物群通過菌群易位、免疫反應失調、腸道共生菌代謝物減少增加膿毒癥易感性，同時，膿毒癥也通過以上途徑加重腸道微生物群的紊亂。二者相互作用，互為因果，最終導致機體出現不可逆的損傷甚至死亡。

膿毒癥患者腸道微生物多樣性降低，與包括革蘭氏陰性需氧桿菌在內的潛在致病菌豐度較高有關[36-37]。SIRS患者的專性厭氧菌豐度較低，腸道微生物群富含如葡萄球菌和假單胞菌等潛在致病菌，這些致病菌在膿毒癥期間定植于腸道內，并大量增殖。研究人員利用深度測序技術，發現膿毒癥患者體內的腸道微生物群的組成發生了顯著變化[38-39]。這些研究表明，在膿毒癥過程中，腸道通常被單一細菌屬“淹沒”[40], 如梭狀芽孢桿菌屬和腸球菌屬等具有致病性、抗藥性的細菌，而可以產生SCFAs的有益共生菌，如糞桿菌屬、普雷沃特氏菌屬、藍藻屬和反芻球菌科等，豐度銳減[41-42]。

關于膿毒癥引起腸道微生物群變化機制的研究尚不足，但是可以肯定的是，長時間使用抗生素是膿毒癥相關微生物群改變的主要原因[43]。膿毒癥的治療方案一直以使用傳統抗生素為主，大量臨床調查發現，全程單一使用抗生素的患者預后不佳，因此亟需尋找新型有效的治療手段。

3 基于腸道微生物群的新型治療手段

目前膿毒癥的臨床治療主要包括使用抗生素和營養支持。然而，傳統療法對腸道微生物群持續產生影響，并導致抗生素耐藥性，而抗生素耐藥性至今仍然是影響全球危重患者治療的難題，基于腸道微生物群的新型生物療法則可以解決該難題。其中包括使用選擇性消化道脫污染消除潛在的致病菌，通過益生菌、益生元或合生元替代有益共生菌或微生物群衍生的代謝物，糞便微生物群移植替代部分腸道微生物群。

3.1 選擇性消化道去污染療法

選擇性消化道去污染(SDD)旨在防止潛在細菌病原體出現繼發定植和過度生長，同時保留厭氧菌群，從而預防膿毒癥患者出現繼發感染[44]。SDD包括口服或灌服不經腸道吸收的抗生素，常配伍微生態調節劑，針對致病性革蘭氏陰性需氧性桿菌，對共生厭氧菌作用最小，以保留能阻止細菌定植的正常專性厭氧菌; 微生態調節劑在腸腔分解成乳酸和醋酸，抑制致病性革蘭氏陰性菌生長繁殖，減少產生尿素酶，同時調節腸道內酸堿平衡度，抗內毒素活性，直接使腸道游離內毒素失活，有效清除自由基，減輕缺血-再灌流損傷，保護腸黏膜，使患者腸道共生菌的定植抗力增加，以緩解膿毒癥期間的各種胃腸道不適癥狀[45]。

3.2 益生菌、益生元或合生元療法

恢復微生物多樣性旨在重建正常腸道微生物穩態，可以選擇使用益生菌、益生元或合生元來維持腸道菌群[46]。益生菌是活的非致病微生物，可以調節自然殺傷細胞活性、NF-κB、絲裂原活化蛋白激酶、IL-6、IL-8和TNF-α等炎癥途徑和免疫系統中上皮細胞和免疫細胞的基因表達[47]; 益生元作為一種不可消化的營養物質，促進腸道微生物群的共生生長，通過補充腸道微生物群數量，維持腸道內穩態; 合生元是兩者的組合[48]。

3.3 糞便微生物群移植療法

糞便微生物區系移植(FMT)是一種通過健康供體糞便來恢復膿毒癥患者腸道正常環境的治療方法, FMT在微生物群組成和免疫系統修改后改善臨床結果[49]。FMT恢復的微生物群，改變了干擾素調節因子3的表達，激活TLR信號通路，推動清除全身性病原體，通過增加有益共生菌的豐度，減少腸道病原體的豐度，恢復腸道微生物屏障功能，提高膿毒癥患者的存活率[50]。益生菌和合生菌只能補充1種或一小部分腸內有益共生菌，而FMT則可以為患者提供供體的整個腸道微生物群。FMT可通過產生SCFAs、免疫調節等機制，實現更強大的微生物群重建，并影響膿毒癥的轉歸?？傊?，應用FMT的目的是重建一個正常的腸道生態系統，提高機體對病原體的免疫功能。

4 總結與展望

基于現有研究可見，腸微生物群表現出多向性作用。膿毒癥前，及時調整腸微生物群穩定性，增加有益共生菌豐度，增加包括SCFAs在內的衍生代謝物，降低膿毒癥易感性; 膿毒癥時，合理補充腸微生物群多樣性及數量，降低腸屏障功能受損程度，減少BT的發生，糾正免疫麻痹及炎性風暴，避免腸微生物群紊亂，對于膿毒癥引起的SIRS、MODS存在治療意義; 膿毒癥后，選擇性補充益生菌、合生元，能夠提高患者生存質量，使膿毒癥預后向好。

雖然已有大量實驗證實，微生物群的調節作用可以降低急危重疾病的病死率，但因未能開展多中心、大規模臨床試驗，這些療法仍需不斷完善，膿毒癥患者進行FMT或補充益生菌、合生元之前，供體的選擇、移植時機的選擇及益生菌、合生元最佳給藥途徑在內的幾個因素需要進一步研究。在具體實踐中，應基于患者自身條件，個性化制訂診療路徑，精準選擇益生菌，這將有助于未來使用更加安全、有效的微生物靶向治療; 同時，還需要尋找更精確的生物標志物、研發應用更廣泛的檢測手段，服務于臨床。關于微生物群對膿毒癥機體調控機制的研究仍需不斷深化，這將為指導臨床用藥、豐富膿毒癥新型微生物靶向治療提供基石。