肠道菌群与炎症性肠病的研究进展

彭 帅，沈 磊

(武汉大学人民医院消化内科，武汉 430060)

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是一种非特异性的慢性复发性肠道炎症疾病，包括溃疡性结肠炎和克罗恩病[1]。IBD曾被认为是一种“西方”疾病，但近年来，全球范围内IBD的发病率不断增加，确切病因和发病机制尚不清楚[2]。目前，大多数学者认为，IBD是遗传因素、环境因素、肠道菌群和宿主免疫系统的复杂相互作用导致的异常免疫反应和慢性肠道炎症[3]。人体肠道含有复杂而丰富的微生物聚集体，统称为肠道微生物群。新一代测序技术的最新进展已经确定了IBD中肠道微生物群的组成和功能改变，称为肠道菌群失调[4]。相关临床和实验数据表明，肠道菌群失调可能在IBD的发病机制中起关键作用；确定针对IBD诊断的标志物不仅能检测疾病的进程、减少并发症的发生，还能为疾病的早期干预和治疗选择合适的方案提供帮助[5]。现对肠道微生物群的生理功能以及肠道微生物群与IBD发病机制的关联予以综述。

1 肠道菌群概述

近年来，人们对肠道微生物的关注度越来越高。人体肠道内有100万亿种微生物，包括细菌、病毒、真菌等，它们构成了微生物群，也称微生物菌群[6]。细菌是正常微生物群中最突出的成分，约有1 000种细菌存在于胃肠道中，肠道微生物的集体基因组含有的基因数约是人类基因组基因数的100倍[7]。肠道微生物群是人体的“第二个基因组”[8]。胃肠道不同部位的细菌数量和组成不同，少数细菌物种栖息在胃和小肠的上部，从空肠到结肠细菌的数量逐渐增加。人体肠道菌群中，超过99%的肠道细菌属于厚壁菌门(Firmicutes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、变形杆菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)，其中厚壁菌门和拟杆菌门在健康成人的肠道微生物群中占主导地位[9]。健康个体的肠道微生物群为宿主提供许多健康益处，涉及生物屏障、促消化、营养吸收、免疫、抗肿瘤以及代谢作用等。肠道微生物群与人类共生，人类宿主和微生物群之间的各种共生相互作用是维持人类健康所必需的。肠道菌群失调改变了微生物与宿主细胞间的相互作用以及微生物代谢产物与宿主的代谢过程，并通过多元化的模式(如菌群数量、菌群代谢产物、菌群组成成分等的变化)发挥作用而引发疾病[10]。

2 肠道菌群生理功能

肠道菌群是复杂的生态系统，以人体胃肠道为生存环境，将人体消化的食物残渣作为生存条件，在体内发挥重要的病理生理作用。肠道健康是身体健康的基础，肠道菌群的生态平衡是肠道健康的关键，可参与许多重要的生理功能。

2.1促消化和营养吸收功能 肠道菌群与肠道内环境的动态平衡为宿主提供能量和营养，参与各种物质的代谢和吸收。肠道微生物在微量营养素的合成中起重要作用。人类共生细菌(如双歧杆菌)可以合成和提供维生素，如维生素K和水溶性B族维生素[11]。肠道菌群不仅能合成多种机体生长发育所需的维生素，还能利用蛋白质残渣合成非必需氨基酸，并通过肠道细菌转化为各种信号分子和抗菌肽，促进消化和抗感染，还可促进机体对多种矿物质(如铁、镁、锌)的吸收[12]。肠道中的微生物可编码大量的碳水化合物活性酶，使其能够分解难消化的膳食残留物，释放对健康和免疫有重要作用的短链脂肪酸(C2～C6)。短链脂肪酸是结肠中的主要阴离子，主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐，其中丁酸盐是结肠上皮细胞的主要能量来源。IBD中短链脂肪酸的显著降低，可能是影响内部和免疫稳态的关键因素[13]。

2.2免疫调节作用 肠道微生物群对宿主免疫系统的发育起重要作用。反之，宿主免疫系统决定了肠道微生物群的结构和功能[14]。在无菌或抗生素治疗的小鼠中，肠黏膜中辅助性T细胞17的丰度显著降低，表明肠道微生物群可对辅助性T细胞17的发育起作用[15]。B细胞发育的早期阶段发生在肠黏膜以及胎儿的肝脏和骨髓中，且发育中B细胞受体的编辑似乎受肠道微生物群诱导的细胞外信号的调节[14]。比较无菌小鼠与常规饲养小鼠的研究表明，无菌小鼠的肠道微生物群缺乏，表现为免疫发育受损，以未成熟的淋巴组织、肠淋巴细胞数量减少、抗菌肽和IgA水平降低为特征；用肠道微生物群重建无菌小鼠肠道环境则可恢复以上免疫系统的缺陷和异常[16]。宿主免疫系统的成熟依赖于宿主特有的微生物，故无菌小鼠的免疫系统欠发达[17]。由此可见，肠道菌群对宿主免疫系统的发育和调节起关键作用，可抑制病原体侵袭，抗炎症并提高宿主免疫力。

2.3生物屏障作用 肠道内壁是人体与外界接触面积最大的区域，肠道菌群在肠道中可形成重要的生物屏障，维护肠道生态平衡，抵御外来致病菌的侵害。无菌动物的肠道易受肠道病原体的感染，黏膜免疫系统的异常可导致肠道病原体的易感性。此外，肠道菌群可通过竞争性地定植共生微生物群占据胃肠道的物理空间和营养生态位。正常菌群占据肠道后，在物理空间上限制了外来微生物的定植和入侵；由于肠道营养物质有限，正常菌群数量巨大，处于优先生长状态；而外来细菌则处于劣势，防止了体外病原体的定植，竞争性地防止病原体侵入共生细菌，此机制被称为“定植抗性”[18]。肠道微生物群通过直接和间接作用机制增强对肠道病原体的定植抗性。一些共生细菌通过产酸(乙酸、丙酸、乳酸等)或诱导抑制物质(防御素、细菌素、过氧化氢、抗菌肽等)的产生直接抑制肠道病原体[19]。共生微生物群和微生物代谢产物通过激活免疫反应，间接抵御病原体，分节丝状菌(segmented filamentous bacteria)促进B细胞分泌IgA，产生抗菌肽，并在肠黏膜中形成辅助性T细胞17；短链脂肪酸能够被G蛋白偶联受体41和G蛋白偶联受体43识别，刺激以上受体，促进肠肽分泌；丙酸盐可作为免疫调节因子促进免疫细胞分泌抗菌因子，并抑制肿瘤细胞增殖；丁酸盐可通过与宿主细胞的相互作用影响肠道菌群环境，进而阻止病原体入侵[10]。

3 肠道菌群与IBD

肠道菌群失调与宿主-微生物共生的破坏可能是IBD发展的决定性事件。根据不同的生理功能，可将肠道内细菌分为共生菌、条件致病菌和病原菌三大类。伴随着分子生物学和宏基因组学技术的发展，越来越多研究表明，IBD患者的肠道菌群发生了明显变化，且肠道菌群在IBD的发病机制中起重要作用[2-3,20]。肠道菌群可从主要的“共生”微生物转变为潜在的有害“致病”微生物[21]。与健康的个体相比，IBD患者肠道中的致炎细菌增加、抗炎细菌减少，且肠道微生物群的多样性减少以及厚壁菌门的丰度降低[22]。有研究表明，IBD患者可能存在拟杆菌属物种的物理空间重组，与对照组相比，脆弱拟杆菌在IBD患者生物膜质量中占较大比例[23]。

大多数已知的人类致病菌属于变形杆菌门，并在 IBD中起关键作用[24]。与厚壁菌门相比，变形杆菌(主要是大肠埃希菌)在克罗恩病患者中相对增加，特别是与粪便样品相比，黏膜相关的微生物群出现相对增加。有文献报道，活动性克罗恩病患者中黏附侵袭性大肠埃希菌的数量增加约38%，而健康受试者黏附侵袭性大肠埃希菌的数量为6%[25]。具有黏附肠道上皮能力的病原菌(如黏附侵袭性大肠埃希菌)的增加可影响肠道的通透性，进而改变肠道微生物群的多样性和组成，并通过调节炎性基因的表达诱导炎症反应，从而导致肠道炎症的发生[26]。肠道微生物的组内转变伴随着厚壁菌门专性厌氧菌的减少和变形杆菌兼性厌氧菌的增加，从而引发“氧气”假说[27]。Hughes等[28]的研究表明，炎症可改变环境，干扰肠道厌氧菌的生长，大肠埃希菌往往在机体发生炎症等情况时，影响正常肠道功能。在炎症发生过程中，氧气的增加有助于大肠埃希菌在炎症肠道中生存。肠道中有益细菌的呼吸作用所产生的大量废弃物会被大肠埃希菌再度循环利用，大肠埃希菌可利用代谢废物促进大肠埃希菌群体的快速增长。与IBD患者肠道微生物组的变化相关的类似功能性破坏可能具有更长期的影响。肠道菌群失调引起的肠道环境的改变对肠道功能的影响将有助于IBD患者补救治疗措施的选择。

肠道微生物群是宿主免疫系统刺激的主要来源。结肠上皮细胞与多种微生物的持续作用对维持体内的正常平衡至关重要。微生物可能对营养供应、异生物质代谢以及对病原微生物的保护等有害，并可导致肠道炎症，由于微生物识别、处理或清除策略中的宿主免疫缺陷，IBD患者肠道的微妙平衡受到干扰[29]。模式识别受体在区分非常复杂的相互作用中必不可少，并是遗传因素导致异常免疫环境的关键。有研究表明，Toll样受体和核苷酸结合寡聚化结构域的蛋白2参与IBD发病[30]。对IBD患者 Toll样受体表达变化的研究发现，溃疡性结肠炎和克罗恩病中Toll样受体4均上调，而Toll样受体2和Toll样受体5的水平保持不变[31]。遗传多态性导致核苷酸结合寡聚化结构域的蛋白2的功能发生改变，进而无法识别烟草胞壁酰二肽，最终导致核因子κB下游的信号传导失效。与Toll样受体功能受损类似，核苷酸结合寡聚化结构域的蛋白2缺乏可增加肠道细菌向固有层的转运[32]。

肠道菌群失调影响代谢物的产生也与IBD的发病机制有关。由于产生丁酸盐的细菌(如柔嫩梭菌群)减少，IBD患者的短链脂肪酸水平有所下降[13]。短链脂肪酸的减少影响调节性T细胞的分化和扩增以及上皮细胞的生长，而上皮细胞对维持肠内稳态起重要作用[33]。此外，IBD患者肠道中脱硫弧菌等硫酸盐还原菌的数量较多，导致硫酸氢盐的产生，损害肠上皮细胞，并诱发黏膜炎症[34]。综上所述，肠道微生物群的改变与IBD的发病机制有关，肠道菌群通过多元化模式(菌群数量、菌群代谢产物、菌群组成成分、宿主间相互作用等)发挥作用。

4 肠道菌群与IBD诊断

宿主血清学微生物标志物在IBD的诊断和预后方面具有独特的地位[5]。Palm等[35]发明了一种独立且重要的检测IBD相关微生物群的新方法，基于流式细胞仪的细菌细胞分选与16S测序相结合，从粪便中分离和鉴定被IgA包被的细菌。由于个体之间以及每个个体中的微生物具有异常的多样性，因此，IBD患者之间以及患者与健康个体之间的微生物组成存在很大差异，故目前该分析方法的临床适用性尚不成熟[36]。目前，大多数对于肠道微生物菌群结构的研究并不能体现具体微生物数量改变给宿主带来的影响，研究相对忽略了整体微生物丰度变化可能是引起宿主产生疾病的主要原因。但Vandeputte等[37]构建的基于序列扩增和流式细胞计数技术的新型微生物计数和定量方法，能够更为精准地描述不同人类个体的肠道菌群特征，可将不同患者的肠道菌群与自身的肠道差异联系起来，更加真实地反映肠道微生态；采用此方法进行粪便检测确定的微生物丰度改变是导致克罗恩病患者肠道微生物结构改变的根本原因。

5 肠道菌群与IBD治疗

遗传学因素、环境因素、肠道菌群和宿主免疫系统等之间的复杂相互作用导致异常免疫反应和慢性肠道炎症，这些都可能成为潜在的治疗靶点[3]。目前，在IBD发病机制的个体化治疗靶点中，约5%针对环境因素、接近10%针对肠道菌群、约90%集中在免疫系统。针对环境因素的IBD治疗，绝大多数靶点是未知的，治疗效果难以控制；基因层面的IBD治疗靶点高度个体化，但目前技术尚不成熟，治疗风险未知，疗效不确切；而IBD的免疫系统治疗的疗效确切，但靶点较局限，通常存在不良反应，且随时间推移疗效降低，对个体免疫状态的依赖性较强。

目前，多种生物制剂可靶向调节IBD相关免疫系统的细胞因子、受体和信号通路，但临床应用的生物制剂(如阿达木单抗、英夫利西单抗、维多珠单抗)的治疗效果并不满意。干预IBD肠道菌群的方式主要有抗生素(消除或抑制不良微生物)、益生菌(引入缺失的微生物)、益生元(促进有益细菌的增殖)、粪便移植(引入正常菌群取代致病菌群)、增强防御(补充抗菌肽以控制肠道微菌群)[38]。微生物治疗可作为很有前景的IBD治疗选择。Paramsothy等[39]提出，粪便移植很可能成为设计更精良微生物联合疗法的跳板，对缓解溃疡性结肠炎可能有效，但长期的安全性仍不明确，需要进一步研究的证实。目前，粪便移植仍为实验性治疗，必须在监管下进行IBD治疗，由于未能对供体进行恰当筛查，故可能发生明显的不良反应[40]。有证据显示，粪便移植可改善人类受体的代谢表型，可见粪便移植可用于其他用途，并可能对受体的代谢健康产生有害影响[41]。因此，粪便移植的安全性和治疗标准化问题亟待解决。

IBD的治疗药物也影响肠道微生物群的组成。有研究表明，美沙拉嗪可抑制副结核分枝杆菌的生长，在体外呈剂量依赖性，并与克罗恩病的病因密切相关[42]。与未治疗患者相比，美沙拉嗪可减少粪便细菌和黏膜黏附细菌的浓度[43]。另有研究发现，美沙拉嗪下调了肠道伤寒沙门菌侵袭性和耐药性相关基因的表达，并可能促进感染后IBD的发病[44]。与其他药物(包括抗肿瘤坏死因子-α抗体、美沙拉嗪和皮质类固醇)相比，硫基嘌呤的使用显著降低了IBD中粪便样品的细菌多样性和丰度[45]。综上所述，治疗IBD的药物可以改变或调节肠道微生物群，但可靠证据很少。此外，尚无法确定肠道微生物群的变化是药物所致还是肠道炎症改善的结果。

6 展 望

随着医疗科研技术的不断发展，对IBD肠道菌群作用机制的深入认识将为临床IBD的诊断、治疗及预后提供更加精准的方法。但人体肠道菌群的个体差异性、功能多样性、组成复杂性以及与宿主作用的不确定性导致其在IBD诊断和治疗方面的收效甚微。精准医疗是一种预防和治疗疾病的全新方法，根据基因、环境和生活方式的个体差异，对患者进行更精准、更有针对性的治疗。此外，通过系统生物学的方法，在临床实践中为不同患者找到个体化的治疗方案。通过肠道菌群——“人体第二个基因组”来提高IBD的诊疗效果，还需长期的探索和研究。