腸道菌群失調在兒童囊性纖維化中的研究進展

李忠強 李睿 吳雪郡

囊性纖維化 (Cystic Fibrosis，CF) 是一種常染色體隱性遺傳疾病，由7號染色體編碼囊性纖維化跨膜傳導調節因子 (cystic fifibrosistransmembrane regulator，CFTR) 基因突變引起，在呼吸道、胰腺、胃腸道、膽管和汗腺以及部分生殖器官的上皮表達CFTR缺陷時可出現病理變化及臨床表現[1]。CFTR基因突變可改變適應性免疫反應，引起胃腸微生物組改變，腸道中的細菌整體豐度和多樣性降低，潛在致病菌增加[2]。在約40%的CF患者中出現小腸細菌過度生長(small intestine bacterial overgrowth，SIBO)[3]。腸道菌群失調可對兒童CF患者的胃腸功能、呼吸道菌群、生長發育等產生影響，改善腸道菌群失調的狀態，在兒童CF炎癥相關疾病方面顯示出初步療效。因此，本文就腸道菌群失調在兒童CF中的研究進展進行綜述。

腸道菌群的概述

兒童生后暴露于產道及周圍環境，微生物經歷從無到有，從定植到豐度和多樣性增加，腸道是微生物定植與共生的棲息地，腸道菌群依據種屬關系可分為擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門以及變形菌門；依據對氧氣的需求程度分為需氧菌、厭氧菌和兼性厭氧菌。健康狀態下多數腸道常駐微生物與人體是互惠互利的關系，腸道微生物可預防病原體感染、合成必需維生素、產生短鏈脂肪酸 (short chain fatty acids，SCFA) 提供能量來源、結合膽汁酸的生物轉化、調節宿主代謝、調節黏膜免疫反應。腸道菌群可大致分為有益菌、中性菌和致病菌，有益菌占據數量優勢，以雙歧桿菌與乳桿菌為主，定植于腸道黏膜的深層，大多為專性厭氧菌，可以刺激免疫系統，改變噬菌體對細菌的影響；中性菌對機體具有雙重作用，可協同有益菌維護宿主健康，也可引起宿主損傷，如大腸埃希菌；致病菌以外源性病原菌為主，如沙門氏菌等。胃腸道微生物環境受多種物理化學因素動態作用，例如飲食因素、遺傳、厭氧環境、胃腸道分泌物、胃腸道運動、煙草暴露、藥物等[4]。菌群生態失調是指正常微生物群之間及正常微生物群與其宿主之間的微生態平衡由生理性組合轉變為病理性組合的狀態。腸道菌群生態失調可上調炎癥反應對機體產生損傷。大約80%的腸道微生物無法通過標準培養方法進行培養，醫學技術如宏基因組學、宏轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等技術，可以幫助研究腸道微生物組與CF個體之間的關系。

腸道菌群失調對兒童CF胃腸道的影響

CF胃腸癥狀包括腹痛、腹脹、脂肪瀉、便秘、腸道代謝異常、肝臟受累。在新生兒期表現為胎糞性腸梗阻、胃食管反流病、小腸細菌過度生長、遠端腸梗阻綜合征，胃腸癥狀嚴重程度與微生物生態失調具有相關性[2]。CF兒童和健康兒童之間的糞便微生物群組成存在差異。宏基因組分析顯示，CF幼兒的糞便微生物群中大腸桿菌數量增加，導致胃腸道功能障礙，引起營養吸收不良和腸道炎癥[5]。Enaud等觀察到CF兒童的腸道生態失調與腸道炎癥密切相關，主要特征是葡萄球菌、鏈球菌和韋永氏菌的豐度增加，擬桿菌、雙歧桿菌和普拉梭菌豐度減少[6]。CF嬰兒使用抗生素會引起雙歧桿菌和擬桿菌數量降低，腸球菌數量增加[7]。總結文獻報道，在CF患者腸道中促炎菌群，如腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、志賀氏菌和韋永氏菌等促炎病原菌增加，雙歧桿菌屬和梭菌屬等抗炎微生物數量減少。

CF患者和健康者之間的腸道代謝物存在差異。CF患者的產乙酸菌、產丁酸菌減少，菌群的改變引起腸道內丁酸和泛酰巰基乙胺的含量減少[8]。Vernocchi等使用16S rRNA測序和代謝組學方法對CF兒童糞便進行研究，發現菌群失調可引起γ-氨基丁酸、膽堿、乙醇、丙基丁酸和吡啶等代謝物的增加，肌氨酸、4-甲基苯酚、尿嘧啶、葡萄糖、乙酸鹽、苯酚、苯甲醛等代謝物的減少；CF患者的酸性腸道環境可促進艱難梭菌和丙酸桿菌生長，產生醇、酯和吡啶等代謝物[9]。Wang Y.等研究發現CF患者腸道的乳酸增加，SCFA生物合成減少，丁酸鹽濃度與梭狀桿菌豐度呈正相關，丙酸鹽濃度與韋榮氏球菌豐度呈正相關[10]。

腸道菌群失調影響兒童CF胃腸道機制

CF患者的胃腸道炎癥與腸道通透性增加有關，慢性腸道局部炎癥也會導致全身促炎狀態，引起循環細胞因子、趨化因子、可溶性粘附分子水平升高，異常腸道環境可引起腸道菌群發生顯著改變[10]。CF患者腸道通透性增加，可歸因于多種原因，包括CFTR功能障礙、必需脂肪酸缺乏、緊密連接異常和腸道堿性磷酸酶降低[11]。CFTR的缺陷可引起消化系統功能異常，氯離子通道功能障礙導致腸道粘液粘稠，碳酸氫鹽分泌減少，腸道pH值降低，腸道蠕動延遲導致腸道運動障礙，黏膜免疫機制改變，腸道炎癥增強，上皮屏障破壞，CF的胃腸損害始于妊娠期，持續整個兒童期和成年期，腸道微生物環境的改變，被認為是導致CF患者腸道炎癥和屏障損傷的原因之一[8]。

腸道菌群失調對兒童CF呼吸道的影響

CF患者呼吸系統表現包括持續咳嗽、支氣管擴張、鼻竇炎、氣道粘液阻塞、細菌清除障礙引起反復肺部感染，引起肺組織損傷和肺功能下降[12]。在CF病程中，肺微生物群的多樣性逐漸減少，氣道致病菌占據主導地位，主要包括金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、洋蔥伯克霍爾德菌，這些細菌可在氣道形成生物膜，生物膜的形成引起致病菌長期駐留，降低抗生素的抗菌作用[13]。CF患者反復呼吸道感染，長期使用抗生素會導致多重耐藥菌產生，導致微生物組多樣性隨著年齡的增長而喪失[14]。

有證據表明胃腸道細菌群落與CF氣道疾病進展之間存在聯系，在一項研究中表明CF兒童早在出生6周就會出現腸道生態失調，這與導致肺部惡化的全身炎癥和免疫失調有關，氣道疾病嚴重程度與腸道菌群失調呈正相關[15]。患有嚴重肺功能障礙的CF患者腸道微生物群多樣性也顯著降低[16]。肺和腸道的菌群失調在CF患者生命早期就已經開始，兩者可能相互影響，CF患者的呼吸道微生物群和腸道微生物群，存在交互作用，隨著時間的推移，有相似的變化趨勢，說明這兩組微生物群之間存在復雜的相互作用[17]。

腸道菌群失調影響兒童CF呼吸道機制

目前認為腸道微生物群對肺的影響主要通過血液和淋巴循環建立的免疫途徑介導，腸道微生物群也可通過基因產物，包括蛋白質、代謝物等影響氣道微生物群[17]。腸道炎癥引起腸道屏障破壞，致病性腸道微生物及其生物活性脂多糖進入血液循環，這可能解釋腸道菌群與呼吸道微生物群的交互作用和對氣道的影響[18]。呼吸道菌群和腸道菌群復雜的雙向影響被稱為腸-肺軸，患者通過吞咽唾液或痰液的方式將口腔和呼吸道微生物轉移至消化道中，在CF患者胃液中發現與痰微生物群組成相關的細菌，CF兒童發生腸道炎癥時，糞便中鏈球菌顯著增多，這支持呼吸道和消化道微生物組之間的交互關系[6]。

越來越多的證據表明腸道和肺之間存在腸-肺軸的雙向通訊，腸道微生物群不僅局部調節環境和宿主免疫，還能夠影響肺等遠處器官[19]。腸-肺軸的分子機制復雜，但腸-肺軸的發現開啟了一個新的研究領域。CF患者腸道菌群失調引起肺微生物群的多樣性減少、氣道致病菌占據主導地位的確切機制尚不清楚，根據目前研究，或許通過以下方式發揮作用：細菌可通過微生物相關分子模式(microbe-associated molecular pattern，MAMP)調節局部和全身免疫反應，例如脂多糖、脂磷壁酸、肽聚糖、鞭毛蛋白、表面脂蛋白等被宿主上皮細胞和先天免疫細胞上的模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別，PRR包括Toll樣受體、NOD樣受體、C-凝集素型受體[20]。MAMP和PRR之間相互作用，激活NF-kB因子、調節先天免疫和炎癥的基因表達，從而對機體產生效應。細胞因子、趨化因子和宿主免疫調節劑，例如SCFA、維生素等通過高通透性的腸道進入血液循環，在肺等遠處器官中發揮作用[21]。細菌也可能由樹突狀細胞介導，細菌與位于腸細胞之間或黏膜下區域的樹突狀細胞相互作用并被其吞噬，游走至淋巴結，促進各種T細胞亞群激活和產生調節細胞因子如IL-10、TGF-β、IFN-γ和IL-6，在腸外器官中發揮功能[20]。微生物代謝物也可能在腸-肺軸中發揮重要作用，丁酸鹽通過抑制脂多糖誘導的NF-kB活化和刺激人單核細胞產生IL-10來發揮廣泛的抗炎活性[22]。

腸道菌群失調對兒童CF生長發育的影響

營養不良是CF的常見特征，CF中的營養不良與能量需求增加、食物攝入減少、吸收不良有關。CF兒童的糞便中的大腸桿菌豐度增加，引起腸道吸收不良和腸道炎癥，并導致營養不良，影響生長發育[5]。CF兒童的變形菌數量增加，擬桿菌數量減少，產SCFA菌群明顯減少，這會引起營養吸收不良[23]。Loman等人據報CF兒童腸道中葡萄球菌和糞球菌數量最多，與身高、體重呈負相關[4]。胰腺外分泌功能不全的CF患者中，會出現營養吸收不良，需要口服胰酶替代品[24]。早期診斷、營養干預和酶替代，使大多數CF嬰兒在1歲前達到理想體重目標，但仍有部分CF兒童體重增長不佳。

腸道菌群失調影響生長發育的機制

腸道運動減慢、腸道分泌物阻塞和胃酸產生減少都可能與SIBO的發展有關。SIBO通過多種機制導致營養不良，例如腸道上皮的直接損傷，增加營養物質消耗，腹部不適導致食物攝入量減少。細菌可直接影響腸道上皮細胞，引起絨毛結構異常和上皮炎癥，由于吸收表面積減少、細菌糖降解和消化酶活性受損，導致脂肪酸生成減少、腸道通透性增加和碳水化合物吸收不良；此外，細菌毒素的產生會直接影響碳水化合物和蛋白質的吸收，導致脂肪瀉和微量營養素缺乏[25]。胃腸道微生物活動也會影響內分泌功能，可能影響CF嬰兒身體生長[23]。

調節腸道菌群在兒童CF中的治療作用

基于腸道菌群對CF患者的影響，糾正腸道菌群失調或許能成為治療CF患者的途徑之一。調節腸道菌群失調的策略包括飲食調節、益生菌、益生元、合生元、維生素、糞菌移植、靶向分子療法、基于代謝物的療法。補充益生菌可以改善腸道屏障功能，Di Nardo等在隨機對照試驗中表明輕-中度肺部受累的CF患者補充羅伊氏乳桿菌可減少肺部惡化[26]。在CF患者中補充益生菌可以促使糞便鈣衛蛋白及腸道一氧化氮水平降低，增強消化功能，恢復細菌生態[27]。母乳中低聚糖成分可以使嬰兒腸道中雙歧桿菌數量增加，在預防大腸桿菌等細菌引起的感染中發揮作用，在少部分研究中顯示母乳喂養的CF嬰兒，其腸道微生物群多樣性增加，呼吸道感染機會減少[28]。高效靶向治療對恢復CF生態失調也有報道，在一項包括兒童患者的前瞻性觀察性研究中，使用CFTR增強劑伊伐卡托可增加阿克曼氏菌的數量，阿克曼氏菌是一種參與黏膜保護的細菌，使用伊伐卡托可以改善CF腸道的異常病理環境，促進健康的微生物群繁殖，減少腸道炎癥[29]。CFTR調節劑魯瑪卡托/依伐卡托，目前用于治療F508del純合子CF青少年，可改善肺功能FEV1、營養狀況和汗液氯化物濃度，耐受性良好且安全[30]。Pope等發現在胰腺功能不全CF患者中，使用魯瑪卡托/依伐卡托，可降低糞便脂肪含量，使糞便微生物群更接近于非胰腺功能不全CF患者，魯瑪卡托/依伐卡托的有效性及安全性需要未來更大規模的研究進行驗證[31]。

總結與展望

研究腸道菌群失調在CF中的作用取得越來越多的進展。CF患者腸道菌群的數量、多樣性和優勢菌群指標或許能成為生物標志物并作為預后評估的方式。人體微生物組包含極其豐富的數據，未來隨著宏基因組學的發展，或許能建立CF患者個體微生物特征，以便了解每個患者的獨特疾病進展，實現精確的個體評估及治療。整合遺傳學和微生物學的數據，研究微生物群及其代謝產物的之間的相互作用，可能為CF治療提供新靶點。