糞菌移植在感染性疾病中的應用研究進展

李晶瑩,陸高辰,張發明

(1.江南大學附屬中心醫院消化內科,江蘇 無錫 214000; 2.南京醫科大學第二附屬醫院微生態醫學科,江蘇 南京 210011)

在人類歷史上,感染性疾病一直是主要的死亡原因之一。抗菌藥物是抗感染治療的基石,但又存在導致菌群失調和繼發感染的風險。隨著廣譜抗菌藥物的大量使用,各類耐藥菌的出現嚴重威脅到公共衛生健康,臨床上迫切需要開發新的治療策略應對這一危機。近年來,越來越多的證據表明,全身多系統感染的發生發展與腸道菌群失調密切相關。健康的腸道菌群對維持腸道內環境的穩態,抵御感染發揮了重要作用。糞菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是將健康人糞便中的功能菌群移植到患者胃腸道內,重建正常的腸道菌群,實現腸道及腸道外疾病的治療[1]。FMT作為靶向重建腸道菌群的核心技術,已成為治療多種腸道菌群失調相關性疾病的有效策略。在全球抗菌藥物耐藥形勢日趨嚴峻的情況下,FMT為感染性疾病的治療提供了一種全新的選擇。本文就FMT的發展現狀及其在各類感染性疾病中應用的研究進展進行綜述。

1 FMT現狀

1.1 FMT概述 重建腸道菌群的方式包括益生菌、益生元、噬菌體療法、飲食干預和FMT技術等。FMT作為重建腸道菌群的一項核心技術,具有獨特的優勢。FMT是一種“整體菌群”重建的方法,能夠快速、持久地恢復整個腸道微生物群的結構和功能,是重建腸道菌群最有效的手段。FMT的方法包括口服糞菌膠囊,還可以通過胃鏡、鼻胃管、鼻空腸管、結腸鏡、灌腸等方式植入,經內鏡腸道植管術(transendoscopic enteral tubing,TET)等方式近期研究較多。臨床實踐顯示,FMT在艱難梭菌復發感染(recurrentClostridioidesdifficileinfection,rCDI)、炎癥性腸病、腸易激綜合征、放射性腸炎、自閉癥等多種疾病的治療中展現了突出優勢。

1.2 FMT的標志性進展 2013年,FMT在美國被列入治療rCDI的臨床指南,這在FMT的現代醫學史上具有里程碑式的意義。此后,FMT進入飛速發展階段。近十年來,適應癥的范圍不斷擴大。推動FMT領域發展的三大關鍵技術進展分別是洗滌菌群移植(washed microbiota transplantation,WMT)、TET和孢子群移植[2]。

WMT是基于智能化糞菌分離系統及嚴格質控相關漂洗過程的一種FMT方法[3]。與傳統的手工FMT相比,WMT可去除糞便中未消化的食物殘渣、寄生蟲卵、真菌、病毒和部分促炎代謝產物,在不影響臨床療效的前提下,可顯著降低不良反應的發生率,尤其對免疫功能低下及黏膜屏障受損的人群具有重要價值。此外,WMT還制定了移植菌群的“量化”標準,1個治療劑量(1U)菌群約含1×1013個細菌,為臨床診療、科學研究及技術監管提供了計量依據[3]。2020年7月“洗滌菌群移植方法學南京共識”在ChineseMedicalJournal上發表[4]。2022年10月國家標準化管理委員會發布國家標準《洗滌糞菌質量控制和糞菌樣本分級》(GB/T 41910—2022),該標準用于指導和規范實驗室防護、糞菌分離與質量控制、糞菌儲存等全流程工作的程序,這是FMT領域發布的第一項國家技術標準,對FMT的技術發展具有重要意義。

結腸TET是為滿足WMT臨床需求發明的一項全新的內鏡介入技術,通過結腸鏡輔助植入TET管并用鈦夾將其固定于腸道深部,肛內保留時間平均為12.4 d,具有操作簡便、無痛苦等特點[5]。結腸TET不僅解決了經結腸途徑重復移植的難題,而且是目前不良事件發生率最低的移植途徑[6]。結腸TET兼具腸道深部給藥、動態取樣和結腸減壓引流等多重功能,已被國際FMT專家小組在Gut上推薦使用[7],被Allegretti等[8]評價為有前途的FMT途徑。

孢子群移植是FMT領域一個新的方法,在美國作為一種研究型新藥(investigated new drug,IND),現階段主要用于rCDI的治療與療效評估。Seres Therapeutics公司研發的SER-109是由供體糞便經高度純化獲得的厚壁菌門細菌孢子制成的膠囊,可通過提高腸道內次級膽汁酸濃度,抑制艱難梭菌生長。SER-109可重復生產,有嚴格的制備流程,經乙醇處理滅活有害病原體,與FMT相比,能減少傳播潛在病原體的風險。最新的3期臨床試驗[9-10]顯示,SER-109干預后8周及24周內,rCDI復發率分別為12.4%、21.3%,與安慰劑組相比復發率明顯下降,這證實SER-109對預防rCDI短期和長期復發均有顯著療效。然而,目前臨床仍缺乏在rCDI以外的疾病中將SER-109與傳統FMT進行療效對比的研究。

1.3 FMT的安全性 安全性一直是FMT實施過程中的關鍵問題。FMT的短期不良反應包括腹瀉、腹痛、發熱等,一般癥狀輕微且大多數可自愈。另外,FMT還有傳播和感染病原體的潛在風險。2019年美國食品藥品監督管理局(US Food and Drug Administration,FDA)報道了2例通過未經嚴格篩查的供體傳播產超廣譜β-內酰胺酶大腸埃希菌(ESBLs-EC)的嚴重不良事件,其中1例導致受體死亡[11]。提醒FMT的安全性應得到足夠重視,供體篩選必須嚴格執行相關標準,并定期進行血液和糞便的檢測,尤其需要對多重耐藥菌及其定植風險因素進行篩查和評估。在目前全球新型冠狀病毒感染(COVID-19)大流行的背景下,還應注意對供體進行新型冠狀病毒的篩查。

一項系統綜述對全球20年間FMT相關不良反應進行分析發現,FMT不良事件的發生率為19%,其中微生物相關的嚴重不良事件發生率為0.99%,且均發生在黏膜屏障受損的患者中[6]。截至目前,尚未報道與感染相關的長期不良反應。在感染性疾病中,疾病自身表現與FMT所致發熱、腹瀉等不良反應有時難以區分,FMT是否會加重原有感染或誘發新的感染成為下一步研究的重點。

1.4 FMT臨床療效的影響因素 FMT的臨床療效是影響該治療決策的另一重要因素。影響FMT臨床療效的因素包括疾病類型、受體狀態、供體狀態、糞菌制備方法、移植途徑、治療劑量、頻次、移植時機等。最新研究[12]發現,受體菌群的結構和多樣性、供體-受體菌群的互補性決定了供體菌株的定植力。總體上,供體菌株的定植力與FMT的療效呈正相關,多種移植途徑相結合、移植前抗菌藥物的使用及傳染性疾病等因素與定植力較高有關,擬桿菌門和放線菌門菌群的植入率高于厚壁菌門[13]。當單次FMT未成功時,應考慮及時進行多次FMT治療,必要時還可以聯合常規藥物如激素、免疫抑制劑、抗菌藥物等進行治療,這被稱為FMT升階治療策略(step-up FMT strategy)[14]。根據不同的疾病類型及階段,結合患者自身狀態和需求制定個體化FMT治療方案,是進一步優化FMT臨床療效的研究方向。此外,FMT的長期療效受患者飲食、藥物、生活習慣和環境等多重因素影響,如何維持FMT的長期療效也是未來值得探索的問題。

FMT不是一項單純的技術,而是一個整合的技術體系。該體系包括嚴格篩選合格的供體、利用現代化機器處理糞便、依照標準化流程制備糞菌、選擇最優的移植途徑、制定最佳的治療方案和完成系統的安全性隨訪管理,只有整合好以上所有環節,FMT的價值才能得以充分體現。

2 FMT治療感染性疾病的作用機制

定植抗性是指健康的腸道微生物群系能阻止外來病原體定植,調節宿主免疫的能力。FMT能夠快速重建健康的腸道菌群,通過多種直接或間接的途徑恢復定植抗性。2017年,Ott等[15]研究發現,移植無菌糞便濾液同樣能夠有效治療rCDI,表明糞便濾液中的可溶性成分,如噬菌體、微生物的代謝產物等,也可能是FMT發揮療效的成分。綜合目前已發表的研究,歸納總結FMT治療感染性疾病的可能機制如下。

2.1 恢復腸道菌群多樣性 FMT治療后增加的有益菌群能夠產生細菌素、抗菌肽等多肽類物質,通過破壞細菌細胞膜等多種機制殺滅受體體內的致病菌,或通過與病原菌爭奪營養物質和生態位限制其生長。如擬桿菌門的定植可以分泌Ⅵ型蛋白分泌系統(T6SS),有效清除及抑制病原菌定植[16]。

2.2 增加有益代謝產物 FMT通過恢復腸道菌群的多樣性,增加產短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)菌群的比例,使有益代謝產物生成增多。SCFAs主要由細菌對食物中無法消化的膳食纖維發酵而成,包括乙酸、丙酸、丁酸等,在機體抵御感染中發揮重要作用,能誘導生成抗菌肽[17],或通過細胞內酸化的方式抑制病原體生長[18]。此外,FMT還通過恢復腸道菌群的膽鹽水解酶活性,促進牛磺膽酸水解生成次級膽汁酸,抑制艱難梭菌生長[19]。

2.3 提高腸道屏障功能 一些有益菌的腸道定植能恢復黏蛋白的生成,維持腸上皮屏障的完整,防止病原體入侵[20]。SCFAs(主要是丁酸)是腸上皮細胞主要的能量來源,能降低腸道黏膜通透性,防止潛在病原菌移位。

2.4 調節宿主免疫功能 FMT可誘導先天免疫細胞和獲得性免疫細胞產生IL-10,減少結腸炎癥;并能降低巨噬細胞、單核細胞和樹突狀細胞向結腸T細胞呈遞MHCII依賴性細菌抗原的能力,維持腸道內環境的穩定[21]。此外,FMT還可以通過T細胞受體庫途徑逆轉CDI相關的免疫衰老表型[22],恢復腸道菌群與分泌型IgA的相互作用[23]等多種機制調節宿主的細胞和體液免疫,增強機體對病原菌感染的防御力。

2.5 病毒、真菌介導的免疫反應 FMT治療期間一些腸道噬菌體及真菌也能從供體糞菌轉移到受者體內,FMT在rCDI中的成功應答與受體內有尾噬菌體多樣性及豐富度升高有關[24],而治療失敗則與供體及受體中高豐度的白念珠菌有關[25]。腸道病毒組及真菌組對FMT治療結局的潛在影響,可能與其直接或間接參與細菌的互相調節宿主免疫反應有關[26]。

3 FMT在感染性疾病中的臨床應用

rCDI相關的多項循證醫學證據已充分表明,FMT是治療難治性腸道感染的有效方法。2013年,本團隊報道了首例FMT治療嚴重克羅恩病合并腸內瘺感染的病例[27],為FMT的適應癥從腸道感染擴大到腸外感染提供了新的證據。基于其定植抗性、調節宿主免疫等方面的作用,FMT已被用于多種感染性疾病的治療和探索性研究。

3.1 艱難梭菌感染(Clostridioidesdifficileinfection,CDI)的治療 CDI是醫院感染性腹瀉最常見的原因,與抗菌藥物的使用密切有關。與初發CDI相比,rCDI更容易導致敗血癥和死亡。1983年首次報道了采用糞便灌腸成功治療rCDI。此后,FMT被廣泛用于rCDI的治療,有效率達90%以上[28]。2013年美國指南推薦FMT用于第三次rCDI的治療。2018年,美國指南更新為CDI第二次復發即可考慮FMT治療。同年,挪威Juul等[29]發表的一項針對初發CDI的小型初步研究中,FMT組有效率為78%,而甲硝唑組僅為45%。2022年,一項包含42例初發和第二次復發CDI患者的隨機對照試驗結果表明,FMT治療后腹瀉癥狀緩解率為90%,并且8周內CDI復發風險與安慰劑相比下降57%[30]。這兩項研究都支持盡早將FMT用于CDI的治療。據不完全統計,2011—2021年全球有超過一萬例CDI患者通過FMT治療獲益[2]。

3.2 其他類型腸道感染的治療 健康的腸道微生物群是抵御腸道感染的第一道防線。FMT在CDI中取得的成功經驗增強了臨床將其用于治療其他腸道感染的信心。空腸彎曲菌是引起食源性胃腸道感染的主要病原體,動物模型發現,FMT使小鼠腸道內空腸彎曲菌的數量減少,降低了對腸道細胞損傷和腸道的易感性[31]。在臨床實踐中,有報道FMT能成功治愈慢性沙門氏菌感染,其中2例為免疫功能低下患者且同時使用了碳青霉烯類抗生素[32];另外2例是從事餐飲行業的無癥狀攜帶者[33]。此外,FMT還被嘗試用于腸道病毒及真菌感染的治療,但療效尚有爭議。意大利研究者報道了1例慢性腸道諾如病毒感染案例,FMT治療使該患者腹瀉癥狀很快得到緩解,5 d后糞便病毒檢測陰性[34]。芬蘭研究者對另1例諾如病毒感染的慢性腹瀉患者實施FMT治療,未取得明顯效果[33]。另有報道1例重度潰瘍性結腸炎合并侵襲性真菌感染患者,在未使用抗真菌藥物的情況下,采用WMT成功治愈該患者腸道內難治性光滑念珠菌感染[35]。

3.3 多重耐藥菌(multidrug-resistant organism,MDRO)的腸道去定植 腸道菌群是抗菌藥物抗性基因的儲存庫,其總和被稱為“耐藥基因組”。MDRO腸道內定植是MDRO感染的危險因素,也是引起MDRO醫院感染的重要感染源。MDRO感染的治療通常可供選擇的藥物有限,一線抗菌藥物往往效果不佳,二線藥物又存在價格昂貴、不良反應大的特點。這在免疫功能低下的人群中尤為突出,MDRO感染可導致其病死率升高[36]。一項關于FMT治療rCDI的研究[37]發現,移植后腸道抗菌藥物抗性基因的豐富度和多樣性下降。Biliński等[38]報道20例MDRO腸道定植患者FMT治療后30 d根除率為75%。另有一項隨機對照試驗,共納入39例MDRO腸道定植患者,FMT聯合抗菌藥物治療組有效率為41%,高于對照組的自發清除率29%,但兩組比較差異無統計學意義[39]。2022年的一項Meta分析納入10項研究,評估FMT在碳青霉烯類耐藥腸桿菌(CRE)去定植中的療效,研究結果顯示78.7%(74/94)的患者在給予FMT后6～12個月腸道內CRE成功去定植[40]。由于不同研究團隊的試驗設計、研究對象及治療方案不盡相同,去定植有效性的數據也存在很大差異。FMT在MDRO腸道去定植方面的應用價值還有待更多可信度高的研究加以證實。

3.4 重癥監護病房(ICU)的挽救治療 ICU收治的部分重癥患者由于存在缺氧、腸道動力障礙的病理生理基礎,或腸內營養、抗菌藥物等的使用,患者腸道黏膜通透性增加,腸道內定植菌可透過腸壁進入體循環,導致患者出現全身感染,甚至出現膿毒癥危及生命。動物試驗表明,FMT可以改善膿毒癥小鼠的腸道黏膜屏障功能[41]。Wei等[42]在2例膿毒癥后發生多器官功能障礙和腹瀉的病例中證實FMT安全有效。Wurm等[43]報道1例因使用類固醇和抗菌藥物繼發全身炎癥反應綜合征和持續性腹瀉的患者,在發病72 d后接受FMT治療,腹瀉癥狀迅速好轉。另有一項研究[44]報道了18例全國多個ICU收治的危重癥患者因抗菌藥物相關性腹瀉接受單次或多次WMT治療,其中9例合并膿毒癥及膿毒癥休克,最終8例患者腹瀉完全緩解。FMT在維持腸黏膜屏障、調節宿主免疫穩態方面顯示的積極作用,提示FMT可以成為ICU重癥患者挽救治療的一個選擇。

3.5 預防血流感染(bloodstream infection,BSI) 在腸道菌群失調的人群,如腸道菌群多樣性下降或特定菌群占比改變的患者中,BSIs的發生風險增加[45]。將FMT應用于rCDI的相關研究發現,給予FMT治療后患者發生細菌和真菌BSIs概率均降低[46]。造血干細胞移植(hematopoietic stem cell transplant,HSCT)患者由于化學治療藥物和廣譜抗菌藥物的使用,導致腸道菌群多樣性下降,與HSCT后生存率降低有關[47]。在HSCT患者中,腸道優勢菌群為革蘭陰性菌,發生BSIs的風險增加[48];而腸道內若定植MDRO,則病死率上升[49]。Ghani等[50]研究發現,20例MDRO定植/感染的免疫低下患者接受FMT治療后,6個月內發生MDRO相關及全因BSIs的風險較前下降。英國的一項回顧性研究[51]證實,8例HSCT前MDRO腸道定植的患者,FMT治療后隨訪12個月時病死率、發熱次數均較對照組減少。有MDRO定植的危險因素、接受過化學治療或長程抗菌藥物治療的免疫低下患者,是發生BSIs的高危人群,實施FMT可能是預防BSIs的一種安全、經濟、有效的措施。

3.6 輔助治療肺部感染 腸道和呼吸道中的微生物群落具有共同的黏膜免疫系統,稱為“腸-肺軸”。動物試驗表明,腸道有益菌群產生的代謝物乙酸,能通過增強NLRP3介導的I型干擾素生成,抵御流感病毒感染[52]。既往在1例克羅恩病合并慢性阻塞性肺疾病合并肺部感染的研究中發現,患者痰液菌群在WMT治療后10 d接近正常,氣道變形菌門減少,擬桿菌門和梭桿菌門增多[53]。Yeoh等[54]研究發現COVID-19患者腸道內雙歧桿菌、普魯斯尼茨桿菌等有益共生菌豐度較低,且在疾病緩解后30 d仍保持較低水平。香港Liu等[55]研究證實COVID-19患者康復后6個月疲勞、記憶力差、脫發等持續癥狀與腸道菌群失調有關。意大利Ianiro等[56]在一項FMT治療COVID-19合并rCDI的前瞻性隊列研究中發現,其中2例患者的肺部感染很快治愈。國內Liu等[57]對11例接受過FMT治療的COVID-19患者隨訪時發現,5例患者出院后1個月時胃腸道癥狀和腸道菌群多樣性均明顯好轉。FMT的免疫調節作用可能有助于降低COVID-19疾病進展風險和改善持續癥狀,關于FMT治療COVID-19及長期并發癥的兩項臨床試驗正在開展中(NCT04824222、NCT05556733)。

3.7 預防反復發作性尿路感染(recurrent urinary tract infection,rUTI) FMT在感染性疾病中的另一個探索性研究是治療rUTI。尿路感染(urinary tract infection,UTI)通常由腸道內的病原體移位進入泌尿道引起感染,具有反復發作、難以根治的特點。Magruder等[58]首次提出了“腸道菌群-UTI軸”的概念,并指出1%的腸道大腸埃希菌相對豐度是腎移植患者發生UTI的獨立危險因素。最新研究[59]發現,絕經前女性rUTI患者腸道菌群多樣性降低,產丁酸鹽的細菌豐度明顯減少。2017年Tariq等[60]在FMT治療rCDI的回顧性研究中發現,8例合并有rUTI病史的患者,FMT后UTI的發作次數(中位數)由4次/年降至1次/年,同時細菌對抗菌藥物的敏感性也得到了顯著改善。此后國內外也有多個案例報道了FMT能夠降低rUTI的復發率[61-62]。由于腎移植術后受者容易發生耐藥菌感染,且UTI反復發作會對移植腎功能產生不良影響,FMT對腎移植術后預防rUTI可能具有重要價值。

4 總結與展望

腸道菌群既是潛在病原體的儲存庫,也是抵御外源性病原體入侵導致全身感染的中介。隨著對腸道菌群功能認識的不斷加深,靶向調節腸道菌群的方法應運而生。FMT作為重建腸道菌群的重要手段,目前的三大核心技術進展是WMT、TET和孢子群移植。FMT在治療rCDI方面已取得確切療效,同時對其他類型腸道感染疾病及其他部位感染也顯示出一定的潛在作用,是預防及治療多種難治性復雜細菌感染可能有效的治療方法。考慮到長期使用抗菌藥物帶來的諸多不良影響,FMT對脆弱人群,以及慢性或復發性感染尤其具有重要價值。然而,除rCDI外,FMT治療其他細菌感染的證據僅來自個案和小樣本的臨床研究,且研究之間差異較大,FMT的具體作用及相關機制尚未完全闡明。此外,目前大多數研究都集中在細菌上,噬菌體、真菌等在FMT中發揮的具體作用和機制也并不明確。FMT在臨床應用中正逐步實現個體化靶向精準治療,針對特定部位選擇特定菌株組合的選擇性菌群移植技術,可能將克服FMT的潛在風險,成為未來菌群移植發展的核心。目前全球細菌耐藥性問題日趨嚴重,FMT為感染性疾病的預防和治療帶來了更多的可能性。未來仍需要更多高級別的循證醫學證據來驗證其在各類感染性疾病中的應用價值。

利益沖突:所有作者均聲明不存在利益沖突。