粪便标记物在炎症性肠病活动性评价中的应用进展

孟丽丽　 吴战军

济南大学山东省医学科学院医学与生命科学学院1(250062)　解放军第456医院消化内科2

粪便标记物在炎症性肠病活动性评价中的应用进展

孟丽丽1吴战军2*

济南大学山东省医学科学院医学与生命科学学院1(250062)解放军第456医院消化内科2

炎症性肠病(IBD)是一种慢性非特异性肠道炎症性疾病，包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)。我国IBD发病率虽较西方国家低，但近年呈上升趋势。IBD具有慢性、反复发作的特点，准确、及时判断疾病活动性对指导治疗具有重要意义。内镜检查联合病变黏膜活检是评估肠道炎症程度的金标准，但因侵入性、费时、患者依从性差等问题在IBD随访中的应用受限，寻找非侵入性、可靠、简便的IBD肠道炎症评估指标成为临床医师关注的焦点。近十年来IBD发病机制的研究取得较大进展，同时为IBD标记物的筛查带来了一些新启示。

一、IBD的发病机制

目前多数研究认为IBD是环境因素作用于遗传易感者出现肠黏膜系统免疫功能失调所致；IBD病因学主要包括遗传因素、环境因素、肠道微生物和免疫系统四个方面[1]，其中肠道微生物可看作环境因素的一部分。

1. 遗传因素：全基因组关联分析(GWAS)技术是目前公认的搜索和确定常见疾病易感基因的最有效的新方法。Jostins等[2]的meta分析发现，在163个采用GWAS法测定的IBD易感基因位点中，110个基因位点与UC、CD共相关，30个为CD特异性，23个为UC特异性。研究表明不同国家、地区和种族间IBD易感基因位点存在差异[3]。因此基因多态性作为IBD易感性的遗传标记物较为复杂，目前研究多集中于易感基因与IBD发病的关系，与严重程度关系的研究较少。

2. 环境因素：通过迁移人群从IBD低发病区至高发病区后IBD发生率的变化肯定了环境因素在IBD发病中的作用[4]。目前认为吸烟、阑尾炎、避孕药、母乳喂养、感染、抗菌药物、寄生虫、儿童卫生、饮食、精神压力等可作为环境因素参与IBD发病。近来发现睡眠障碍参与IBD发病，其通过激活白细胞介素(IL)-1和肿瘤坏死因子(TNF)-α等炎症因子启动机体炎症反应，且睡眠障碍对免疫系统有负面影响，最终导致IBD的发生，睡眠障碍与疾病活动性亦有关[5]。

3. 肠道微生物：肠道微生物主要由细菌、真菌、古生菌、病毒等组成。由于细菌含量异常庞大，其在IBD发病中的作用受到广泛关注，可能通过以下途径参与IBD发病：①肠道内有益菌减少，致病菌增加，导致肠道微生态环境破坏；②某些致病菌能分泌降解肠黏液的酶，损伤肠黏膜屏障；③致病菌分泌免疫抑制蛋白致黏膜免疫功能失调；④某些细菌通过产生高浓度丁酸和使非致病菌易位对肠黏膜产生损伤[6]。肠道内微生物与肠黏膜屏障间作用失衡，导致大量肠腔内抗原进入肠黏膜固有层，激活免疫细胞触发IBD。

总之，基因、环境、肠道微生物等因素在IBD发病中的作用复杂，均可通过启动失衡的肠道天然免疫与适应性免疫反应，最终导致肠道慢性炎症反应的病理过程和临床表现。

二、粪便标记物与IBD活动性

目前用于评估IBD活动性的标记物来源主要为血清学、粪便、尿、呼出气体、遗传易感基因多态性。代谢组学研究认为大多数物质在粪便中性质稳定，且粪便标记物具有肠道特异性、容易获取、方便保存等特点，是理想的选择。

1. 中性粒细胞源性粪便标记物与IBD活动性

IBD主要病理生理学变化是中性粒细胞迁入胃肠黏膜。炎症性肠病组织病理学欧洲共识[7]肯定了黏膜活检组织中中性粒细胞变化与IBD发展密切相关。由此可见，中性粒细胞源性标记物能更好地反映疾病活动性。中性粒细胞源性标记物主要有钙卫蛋白(Cal)、乳铁蛋白(Lf)、促炎蛋白、髓过氧化物酶、多形核中性白细胞弹性蛋白等，目前研究多集中于粪钙卫蛋白(FC)和粪乳铁蛋白(FL)。

①FC与IBD活动性：Cal是一种钙、锌结合蛋白，主要来源于中性粒细胞。因能抵抗细菌和蛋白酶降解，室温放置1周粪便中Cal仍保持性质稳定。Cal占粒细胞胞质蛋白的比例高达60%，故FC能成比例反映胃肠道中性粒细胞的迁移，准确反映肠道炎症程度。多数研究发现FC与IBD疾病活动指数和内镜下疾病活动性均相关。Schoepfer等[8]发现在众多UC疾病活动性评价指标中，FC与内镜下疾病活动性的相关性最强(r=0.821)，可区分内镜下活动性的分级(P<0.001)；FC界值为57 μg/g时判断内镜下疾病活动性的敏感性和特异性分别为91%、90%。Schoepfer等[9]的另一项研究对CD患者和健康对照者进行分析，结果显示CD组FC、CRP、WBC均显著高于对照组(P<0.001)；克罗恩病简化内镜评分(SES-CD)与FC的相关性最强(r=0.75)；仅FC能区分非活动组与轻度活动组(P<0.001)、轻度活动组与中度活动组(P=0.008)、中度活动组与高度活动组CD(P<0.001)。D’Haens等[10]发现FC≤250 μg/g预测CD内镜下缓解(CDEIS≤3)的敏感性、特异性、阳性预测值(PPV)、阴性预测值(NPV)分别为94.1%、62.2%、48.5%、96.6%。Lin等[11]对13项病例对照研究(744例UC，727例CD)行meta分析，发现FC在IBD活动性评价中的可靠性较高，且UC优于CD；FC界值为250 μg/g时判断IBD活动性的敏感性和特异性分别为0.80(95% CI：0.76~0.84)、0.82(95% CI：0.77~0.86)，因此推测该界值或许能作为提醒临床医师调整治疗方案的分界。对于单纯小肠病变CD患者的监测主要利用小肠胶囊内镜(SBCE)，采用胶囊内镜CD活动指数(CECDAI)和Lewis评分评价疾病活动性。研究[12]发现FC水平与CECDAI、Lewis评分均相关，说明FC可用于小肠CD活动性的监测。Molander等[13]对49例治疗后缓解的IBD患者(16例CD，33例UC)停药后随访观察12个月，结果显示15例复发，34例仍缓解；复发组FC水平较缓解时明显升高，确诊复发前2个月、4个月、6个月时FC水平均较缓解时显著升高(P<0.01)；未复发组持续正常的FC水平与组织学缓解相关。Mao等[14]的meta分析结果也肯定了FC在IBD复发预测中的价值，且UC与结肠CD结果相当。近年发现IBD在儿童中的发病率有增加趋势，但由于儿童患者群体的特殊性，难以在疾病随访中行常规内镜和组织学检查。Kostakis等[15]的meta分析结果显示FC在儿童IBD疾病监测中有重要价值，FC界值为50 μg/g时判断IBD活动性的敏感性为96.2%~100%、特异性71.9%~100%、阳性似然比(PLR)3.5~3.6、阴性似然比(NLR)0~0.1。由此可见，FC在评估内镜下IBD活动性、缓解和预测复发中均有较好的应用价值，优于传统炎性指标(CRP、WBC等)。但FC在结肠肿瘤、结肠息肉病、肠下垂、年龄增加、乳糜泻、内镜下结肠炎、过敏性结肠炎、肠道感染等情况下亦会升高，因此，在IBD现患病例随访中需注意排除上述因素的干扰。

②FL与IBD活动性：Lf是在中性粒细胞中发现的一种铁结合蛋白；肠道发生炎症时，中性粒细胞浸入肠黏膜引起FL增加。多项研究发现FL在评估IBD疾病活动性中具有重要价值，与疾病活动指数、内镜和组织下疾病活动性相关。Vieira等[16]发现在CD患者中，FL水平与CDAI、CDEIS显著相关(P=0.043，P=0.000)；在UC患者中，FL与Mayo评分(MDAI)相关(P=0.000)；而HGB、HCT、WBC、PLT、CRP、ESR与内镜下和组织学疾病活动性的相关性较差。有研究总结发现FL判断IBD疾病活动与缓解的敏感性为66%~80%、特异性为60%~100%[17]。有研究[18]发现FL预测CD复发的敏感性和特异性分别为77%、68%，预测UC复发的敏感性和特异性分别为46%、61%，预测3个月内IBD复发的敏感性、特异性、PPV、NPV分别为100%、62%、6%、100%。此外，FL在某些特殊CD患者(如结直肠术后CD和小肠CD)疾病监测中有重要价值[19-20]，Yamamoto等[19]发现FL与结直肠术后CD患者内镜下活动性明显相关(P=0.038)，术后复发组FL较缓解期组显著升高(P=0.025)，FL界值为140 μg/g预测复发的敏感性和特异性分别为67%、71%。Sun等[21]认为FL在儿童IBD疾病监测中亦有重要意义。由此可见，FL可作为IBD活动性监测的重要标记物，但其敏感性和特异性低于FC，临床应用亦少于FC。

2. 粪便中挥发性代谢产物与IBD活动性：随着代谢组学的发展以及肠道微生物与IBD关系研究的不断深入，发现肠道细菌参与IBD发病的同时肠道炎症也影响细菌代谢。粪便中挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOC)是食物消化产物、肠道菌群代谢物和肠道分泌物的最终代谢物。De Preter等[22]通过气相色谱-质谱法检测粪便中肠道细菌代谢物发现，正常对照组代谢产物含量显著高于CD(P<0.001)、UC(P=0.042)和贮袋炎组(P=0.036)；CD、UC和贮袋炎组中链脂肪酸(戊酸、己酸、庚酸、辛酸、壬酸乙酯)和一些蛋白质发酵产物明显减少；己酸含量与CD活动性负相关(r=-0.157，P=0.046)，苯乙烯含量与UC活动性正相关(r=0.338，P=0.001)。有研究指出，粪便VOC鉴别IBD与IBS、UC与CD、活动期与非活动期IBD均有较好的敏感性和特异性，但不能很好区别小肠型CD、直肠炎与健康对照组[23]。由此可见，粪便VOC可能对IBD疾病监测有重要意义，有助于开启IBD生物学标记物新领域的研究。

3. 粪新蝶呤(fecal neopterin, FN)与IBD活动性：新蝶呤是一种与机体炎症反应相关的分子，近年发现FN与IBD活动性有关。Nancey等[24]的研究发现FN与UC患者内镜下评分相关(r=0.72，P<0.000 1)，其相关性优于CD；FN为200 pmol/g时，预测UC的准确性为90%，优于CD(74%)。Husain等[25]的研究显示，活动期和非活动期CD组FN水平均显著高于对照组(P<0.05)；活动期UC组FN水平显著高于非活动期UC和对照组(P<0.05)。

4. 粪高迁移率族蛋白1(fecal HMGB1, FHMGB1)与IBD活动性：HMGB1是反映肠道炎症的新型标记物。Palone等[26]通过葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导结肠炎小鼠模型，随着DSS剂量增加，FHMGB1含量明显增加，肠道亚临床炎症期FHMGB1水平较高；治疗后4周恢复期结束时，FHMGB1水平恢复至对照组水平且与黏膜愈合时水平相当；FHMGB1与CD和UC内镜下疾病活动指数相关。Vitali等[27]发现在UC和CD患儿中FHMGB1水平显著升高(P<0.001)，健康对照组未检出FHMGB1；临床处于非活动期但内镜提示黏膜持续炎症的IBD患儿中FHMGB1亦显著升高；该研究第一次发现IBD患者肠道组织可分泌HMGB1且粪便中大量存在HMGB1，为FHMGB1用于IBD疾病监测提供了依据。但由于FHMGB1在IBD中的研究尚少，其应用价值暂不明确。

5. 粪丙酮酸激酶(fecal M2-PK, FM2-PK)与IBD活动性：M2-PK是糖酵解途径的关键酶，在增殖旺盛的组织或细胞中含量增加，血浆和粪便中可检测到M2-PK。活动期IBD肠黏膜细胞代谢旺盛，炎症得到控制时代谢恢复正常，推测FM2-PK与IBD活动性相关。Chung-Faye等[28]发现UC和CD组FM2-PK平均值均显著高于IBS组(P<0.000 1)；活动期CD、UC显著高于非活动期(P<0.05)。Czub等[29]认为FM2-PK可作为监测儿童IBD活动性的指标。

6. 其他：炎症因子和趋化因子在IBD发病中扮演重要角色，IL-1、IL-6、IL-8和TNF-α等参与IBD炎症反应[30]，因此推测其粪便含量可在一定程度上反映IBD活动性，但上述因子具有不稳定性且粪便检测值因检测和处理方法的不同而差异较大，其临床应用受限。肠道中某些细菌通过降解肠黏膜表面黏液使肠黏膜屏障受损而参与IBD发生，此类细菌产生的黏液降解酶(如蛋白酶、硫酸酯酶、唾液酸酶等)在粪便中的浓度与UC活动性相关[31]。Fukuda等[32]通过测定不同活动性UC和正常对照组粪便中肠道菌落指纹图，对数据进行判别分析后显示，判别式值(Ds)随疾病活动性增加而减少，表明肠道微生物物种与UC活动性相关。

综上所述，随着基因组学、蛋白质组学和代谢组学的不断发展，IBD发病机制的研究取得了较大进展，与此同时涌现出许多新型IBD生物学标记物。除FC和FL外，其余标记物临床应用经验尚缺乏，且FC和FL在评价IBD活动性方面存在许多问题，如准确性和特异性尚待提高、如何选取临界值、在疾病随访中何时检测等，因此，评估IBD疾病活动性可靠生物学标记物的筛查工作仍需继续探索。

参考文献

1 Zhang YZ, Li YY. Inflammatory bowel disease: pathogenesis[J]. World J Gastroenterol, 2014, 20 (1): 91-99.

2 Jostins L, Ripke S, Weersma RK, et al. Host-microbe interactions have shaped the genetic architecture of inflammatory bowel disease[J]. Nature, 2012, 491 (7422): 119-124.

3 杨小明, 赵芯梅, 陈正彦, 等. OCTN1/OCTN2基因多态性与中国汉族人群炎症性肠病相关性的初步研究[J]. 胃肠病学, 2011, 16 (9): 530-533.

4 Ko Y, Butcher R, Leong RW. Epidemiological studies of migration and environmental risk factors in the inflammatory bowel diseases[J]. World J Gastroenterol, 2014, 20 (5): 1238-1247.

5 Kinnucan JA, Rubin DT, Ali T. Sleep and inflammatory bowel disease: exploring the relationship between sleep disturbances and inflammation[J]. Gastroenterol Hepatol (N Y), 2013, 9 (11): 718-727.

6 Basso PJ, Fonseca MT, Bonfá G, et al. Association among genetic predisposition, gut microbiota, and host immune response in the etiopathogenesis of inflammatory bowel disease[J]. Braz J Med Biol Res, 2014, 47 (9): 727-737.

7 Magro F, Langner C, Driessen A, et al; European Society of Pathology (ESP); European Crohn’s and Colitis Organisation (ECCO). European consensus on the histopathology of inflammatory bowel disease[J]. J Crohns Colitis, 2013, 7 (10): 827-851.

8 Schoepfer AM, Beglinger C, Straumann A, et al. Fecal calprotectin more accurately reflects endoscopic activity of ulcerative colitis than the Lichtiger Index, C-reactive protein, platelets, hemoglobin, and blood leukocytes[J]. Inflamm Bowel Dis, 2013, 19 (2): 332-341.

9 Schoepfer AM, Beglinger C, Straumann A, et al. Fecal calprotectin correlates more closely with the Simple Endoscopic Score for Crohn’s disease (SES-CD) than CRP, blood leukocytes, and the CDAI[J]. Am J Gastroenterol, 2010, 105 (1): 162-169.

10D’Haens G, Ferrante M, Vermeire S, et al. Fecal calprotectin is a surrogate marker for endoscopic lesions in inflammatory bowel disease[J]. Inflamm Bowel Dis, 2012, 18 (12): 2218-2224.

11Lin JF, Chen JM, Zuo JH, et al. Meta-analysis: fecal calprotectin for assessment of inflammatory bowel disease activity[J]. Inflamm Bowel Dis, 2014, 20 (8): 1407-1415.

12Koulaouzidis A, Douglas S, Plevris JN. Lewis score correlates more closely with fecal calprotectin than Capsule Endoscopy Crohn’s Disease Activity Index[J]. Dig Dis Sci, 2012, 57 (4): 987-993.

13Molander P, Färkkilä M, Ristimäki A, et al. Does fecal calprotectin predict short-term relapse after stopping tnfα-blocking agents in inflammatory bowel disease patients in deep remission? [J]. J Crohns Colitis, 2015, 9 (1): 33-40.

14Mao R, Xiao YL, Gao X, et al. Fecal calprotectin in predicting relapse of inflammatory bowel diseases: a meta-analysis of prospective studies[J]. Inflamm Bowel Dis, 2012, 18 (10): 1894-1899.

15Kostakis ID, Cholidou KG, Vaiopoulos AG, et al. Fecal calprotectin in pediatric inflammatory bowel disease: a systematic review[J]. Dig Dis Sci, 2013, 58 (2): 309-319.

16Vieira A, Fang CB, Rolim EG, et al. Inflammatory bowel disease activity assessed by fecal calprotectin and lactoferrin: correlation with laboratory parameters, clinical, endoscopic and histological indexes[J]. BMC Res Notes, 2009, 2: 221.

17Lewis JD. The utility of biomarkers in the diagnosis and therapy of inflammatory bowel disease[J]. Gastro-enterology, 2011, 140 (6): 1817-1826.e2.

18Gisbert JP, Bermejo F, Pérez-Calle JL, et al. Fecal calprotectin and lactoferrin for the prediction of inflammatory bowel disease relapse[J]. Inflamm Bowel Dis, 2009, 15 (8): 1190-1198.

19Yamamoto T, Shiraki M, Bamba T, et al. Faecal calprotectin and lactoferrin as markers for monitoring disease activity and predicting clinical recurrence in patients with Crohn’s disease after ileocolonic resection: A prospective pilot study[J]. United European Gastroenterol J, 2013, 1 (5): 368-374.

20Sidhu R, Sanders DS, Wilson P, et al. Faecal lactoferrin, capsule endoscopy and Crohn’s disease. Is there a three way relationship? A pilot study[J]. J Gastrointestin Liver Dis, 2010, 19 (3): 257-260.

21Sun H, Vesely R, Taminiau J, et al; International Inflammatory Bowel Disease Working Group. Steps toward harmonization for clinical development of medicines in pediatric ulcerative colitis-a global scientific discussion, part 1: efficacy endpoints and disease outcome assessments[J]. J Pediatr Gastroenterol Nutr, 2014, 58 (6): 679-683.

22De Preter V, Machiels K, Joossens M, et al. Faecal metabolite profiling identifies medium-chain fatty acids as discriminating compounds in IBD[J]. Gut, 2014 [Epub ahead of print].

23Aggio R, Probert C. Future methods for the diagnosis of inflammatory bowel disease[J]. Dig Dis, 2014, 32 (4): 463-467.

24Nancey S, Boschetti G, Moussata D, et al. Neopterin is a novel reliable fecal marker as accurate as calprotectin for predicting endoscopic disease activity in patients with inflammatory bowel diseases[J]. Inflamm Bowel Dis, 2013, 19 (5): 1043-1052.

25Husain N, Tokoro K, Popov JM, et al. Neopterin concentration as an index of disease activity in Crohn’s disease and ulcerative colitis[J]. J Clin Gastroenterol, 2013, 47 (3): 246-251.

26Palone F, Vitali R, Cucchiara S, et al. Role of HMGB1 as a suitable biomarker of subclinical intestinal inflammation and mucosal healing in patients with inflammatory bowel disease[J]. Inflamm Bowel Dis, 2014, 20 (8): 1448-1457.

27Vitali R, Stronati L, Negroni A, et al. Fecal HMGB1 is a novel marker of intestinal mucosal inflammation in pediatric inflammatory bowel disease[J]. Am J Gastroenterol, 2011, 106 (11): 2029-2040.

28Chung-Faye G, Hayee B, Maestranzi S, et al. Fecal M2-pyruvate kinase (M2-PK): a novel marker of intestinal inflammation[J]. Inflamm Bowel Dis, 2007, 13 (11): 1374-1378.

29Czub E, Herzig KH, Szaflarska-Popawska A, et al. Fecal pyruvate kinase: a potential new marker for intestinal inflammation in children with inflammatory bowel disease[J]. Scand J Gastroenterol, 2007, 42 (10): 1147-1150.

30Foell D, Wittkowski H, Roth J. Monitoring disease activity by stool analyses: from occult blood to molecular markers of intestinal inflammation and damage[J]. Gut, 2009, 58 (6): 859-868.

31Merga Y, Campbell BJ, Rhodes JM. Mucosal barrier, bacteria and inflammatory bowel disease: possibilities for therapy[J]. Dig Dis, 2014, 32 (4): 475-483.

32Fukuda K, Fujita Y. Determination of the discriminant score of intestinal microbiota as a biomarker of disease activity in patients with ulcerative colitis[J]. BMC Gastroenterol, 2014, 14: 49.

(2014-08-26收稿；2014-09-13修回)

摘要炎症性肠病(IBD)是一组慢性非特异性肠道疾病，具有复发与缓解交替的病程特点，其疾病活动性的判断一直是临床医师关注的焦点。近年随着对IBD发病机制研究的不断深入，一些新的生物学标记物被发现。本文就近年已认可的和正在初步研究的IBD粪便标记物作一综述。

关键词炎症性肠病；粪便；生物学标记；疾病活动性

Advance in Application of Fecal Markers for Evaluating Disease Activity in Inflammatory Bowel DiseaseMENGLili1,WUZhanjun2.1CollegeofMedicineandLifeSciences,ShandongAcademyofMedicalSciences,Ji’nanUniversity,Ji’nan(250062);2DepartmentofGastroenterology,No. 456HospitalofPLA,Ji’nan

Correspondence to: WU Zhanjun, Email: eagle2008wufa@qq.com

AbstractInflammatory bowel disease (IBD) is a group of chronic nonspecific intestinal diseases characterized by a clinical relapsing-remitting behavior. The evaluation of disease activity is concerned by clinicians all the time. With the evolving in recognition of the pathogenesis of IBD, many novel biomarkers are emerging in recent years. This article reviewed advances in the accepted and ongoing research fecal markers of IBD.

Key wordsInflammatory Bowel Disease;Feces;Biological Markers;Disease Activity

通信作者*本文，Email: eagle2008wufa@qq.com

DOI:10.3969/j.issn.1008-7125.2015.04.009