幽门螺杆菌感染的微生态学认识

张 伟， 李华军

大连医科大学 1.微生物学教研室； 2.微生态学教研室,辽宁 大连 116044

幽门螺杆菌(Helicobacter pylori，H.pylori)是一种革兰阴性菌，在胃上皮中定植[1]。这种细菌初次被分离出来时，曾被误认为是假单胞菌。1982年澳大利亚学者Robin Warren和Barry Marshall通过分离培养发现此菌为幽门弯曲菌，并因此获得了2005年诺贝尔生理学或医学奖。后来细菌的名字被更改为H.pylori。

H.pylori是人类最常见的细菌感染之一，全世界约50%的人口感染。通常，H.pylori感染发生在儿童时期，在未提供适当治疗的情况下，在整个生命中H.pylori将持续存在。一些研究表明，儿童可以通过接触母亲口中受污染的胃液而感染H.pylori，这是孩子感染H.pylori的主要来源[2-4]。

H.pylori的传播大约在58 000年前来自东非，后来发展成许多具有不同致病性的H.pylori菌株。一般来说，H.pylori感染的流行程度因年龄、地区、种族和社会经济状况而有所不同。H.pylori的感染率在发展中国家为50.8%，在发达国家为34.7%[2]，在不同地理区域的感染率各不相同。许多研究表明，人类是H.pylori的主要宿主，其传染源主要是人[2-3]。H.pylori除了在人类胃部定植外，还可以在人类的牙菌斑和唾液中存活，故传播主要是通过口腔、胃肠道等消化道途径来完成。另外，在水中也发现H.pylori的存在，证明H.pylori感染也可通过水传播。事实上，除了人类，H.pylori也可以在羊、猫等动物的胃中存活，也可以在其他一些动物的奶中存活。H.pylori可能是所有已知细菌中最具有传染性的细菌之一，H.pylori与多种胃肠道疾病密切相关，如慢性胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡、胃黏膜相关B细胞淋巴瘤(mucosa-associated lymphoid tissue lymphoma，MALT)、萎缩性胃炎和胃腺癌等，也可能与某些肠道外疾病有关，包括特发性血小板减少性紫癜、缺铁性贫血、心血管疾病和糖尿病等。

但是越来越多的研究结果表明，H.pylori的存在也可能对人体有益，如与完全无H.pylori定植的个体相比，H.pylori定植的儿童发生过敏性哮喘、过敏性鼻炎和特异性皮炎的发病风险明显降低。因此有研究认为，H.pylori不能单纯地归类为致病菌或正常菌群，认为它是一种“共生细菌”[3]。

近年来，随着高通量测序技术的飞速发展，越来越多的研究发现，胃内除了H.pylori外还存在着其他细菌，胃部存在着一定的微生态系统[4]。H.pylori感染后可以影响胃内微生态系统的微生态平衡性，进而可能会引起微生物菌群和(或)局部甚至全身免疫系统的变化，从而导致H.pylori相关疾病的发生与发展。另外，口腔也是一个复杂的微生态系统，尤其是具有独特的生物膜结构的菌斑。口腔中唾液、牙菌斑、黏膜都可以成为H.pylori的聚集地，定植于口腔的H.pylori与口腔其他微生物菌群相互影响，改变口腔微生态系统的平衡，促进口腔或口腔外疾病的发生、发展。

下面，本文就H.pylori与人体微生态系统(如胃肠道微生态系统、口腔微生态系统等)及其与人类相关疾病的关系作一概述。

1 H.pylori的介绍

1.1H.pylori的生物学H.pylori是一类革兰氏染色阴性，弯曲成弧形、S形或海鸥状的微需氧菌，菌体一端有4～6根带鞘鞭毛，运动活泼。H.pylori营养要求较高，原代培养通常需要3～6 d甚至更长的时间才能形成针尖状半透明的小菌落。

H.pylori尿素酶丰富，可迅速分解尿素释放氨，是鉴定该菌的主要依据之一。H.pylori在尿素酶的帮助下，将尿素分解成二氧化碳和氨。氨进一步中和胃酸，这有利于H.pylori在胃黏膜上皮中的移动及顺利进入胃黏膜上层。H.pylori穿透胃上皮，进而在胃上皮中定居。H.pylori还有一些使其在胃上皮中成功定植的致病因素，包括细菌的形状、极性鞘鞭毛、移动性、趋化性和黏附性等[5]。除此之外，H.pylori的致病物质还包括与毒力增强有关的侵袭因子和毒素，如细胞毒素相关基因A(CagA)、空泡毒素A(VacA)、外炎症蛋白A(OipA)、十二指肠溃疡促进基因A(dupA)、唾液酸结合黏附素(SabA)和血型抗原结合黏附素(BabA)等[6]。值得关注的是，针对毒力因子基因(vacA、cagA、cagE、oipA、babA2、babB和iceA)的普遍性研究表明，这些被认为或确认为是H.pylori毒力标志的基因和H.pylori感染的临床结果有较大的差异[7-8]。实际上，H.pylori感染后所致疾病的临床结局不是单一的某个因素的作用结果，而是细菌毒力因子、宿主免疫反应和胃内微生态系统平衡之间复杂的相互作用的结果，仅仅研究和观察H.pylori的毒力因子有时可能是不够全面的。

1.2H.pylori-胃黏膜感染的免疫机理一般来说，机体对病原体的免疫反应可分为先天性免疫反应和适应性免疫反应。H.pylori是先天性免疫反应和适应性免疫反应的激活者。定植在胃黏膜中的H.pylori可以触发固有的宿主防御机制，包括NOD1、TLR2、TLR4、TLR5和TLR9，从而激活胃上皮细胞、树突状细胞、中性粒细胞和巨噬细胞[9]。树突状细胞和巨噬细胞被激活后，可以产生细胞因子，包括IL-6、IL-10、IL-12、IL-18和IL-8等[24]。

Th1/Th2细胞比例的变化是理解黏膜适应性免疫和炎症的重要概念。H.pylori所激发的细胞因子谱显示，感染H.pylori的胃黏膜是以Th1为主的宿主免疫应答，这与树突状细胞和巨噬细胞分泌的IL-12、IL-18和TNF-α等促进炎症的细胞因子的表达有关。许多研究表明，H.pylori在Th17细胞参与下刺激IL-17的产生。IL-17进一步诱导IL-8的表达，导致中性粒细胞的募集[10]。H.pylori还可引起强烈的特异性全身及黏膜IgG和IgA抗体反应，但其感染所产生的体液免疫反应并不是保护性的。另外，也有研究表明，H.pylori可以诱导调节性T细胞(Treg)反应，以避免宿主的先天性和适应性免疫防御系统，进而维持长期的胃黏膜定植。

H.pylori具有很强的免疫逃避能力。H.pylori感染通常发生在儿童期，如果不接受抗生素治疗，这种状况可持续一生[11]。尽管H.pylori鞭毛蛋白可以在受感染的患者中诱导抗鞭毛蛋白抗体，但是因为它不被Toll样受体5(TLR-5)所识别，人体的免疫系统并不能消除H.pylori的定植。

2 H.pylori与人体微生态系统的关系

2.1H.pylori与胃内微生态的关系胃一直被认为是无菌的，特别是它的高酸环境。胃被认为是细菌生长的“不毛之地”，直到H.pylori被鉴定出来。现在，随着胃内其他微生物菌群的不断发现，胃和它的微生态系统(由H.pylori和非H.pylori细菌构成)被认为是两个不同的“器官”，它们共享同一个地方，相互影响。事实上，胃黏膜的微观结构，如黏液层和腔内容物等，也会影响局部菌群，反之亦然。H.pylori感染与胃和非胃疾病的发生、发展呈正相关，也有呈负相关。疾病的发展往往与慢性炎症反应有关。除此之外，现在越来越清楚的是H.pylori还通过改变胃内微生态系统来诱发宿主因素的变化。

恶劣的胃环境，如胃部的快速蠕动、低pH值和高胆汁酸浓度等，曾被认为是限制胃内微生物群复杂性的关键因素。 但是，随着宏基因组学和高通量基因测序技术在微生物学中的应用，人们逐渐认识到胃内微生物群落的多样性和复杂性。目前认为胃内约有100余种细菌群，包含5 种优势菌门，分别是拟杆菌门、厚壁菌门、梭杆菌门、放线菌门和变形菌门，优势菌属有罗氏菌属、梭杆菌属、链球菌属、韦荣球菌属、奈瑟菌属、乳酸菌属、普氏菌属、卟啉单胞菌属等。从现有的研究结果来看，健康成人的胃内微生态系统中的菌门权重大小、菌属数量等有很大差异，原因可能要考虑各种不同的影响因素，如地域的跨度、文化的不同、饮食习惯的差异，还与被研究人群的年龄和性别、检测样本的方法、抗生素的使用情况、是否患有其他疾病等有关。

关于H.pylori对胃内微生态系统的影响，仍然存在一些争议。在菌门水平上，比较H.pylori阳性与H.pylori阴性样本，胃内微生物菌群的多样性和/或均质性都无明显差异。同样，在H.pylori感染的小鼠模型中，急性和慢性H.pylori感染均未改变小鼠胃内微生态菌群的质量、数量和丰度[12]。也有研究发现，当H.pylori变为胃内微生态系统的主导时，在H.pylori阳性和H.pylori阴性受试者的胃活组织检查中，可以观察到胃内微生物菌群的微小差异[13]。与以上研究不同的是，也有研究表明，H.pylori的存在显著降低了胃内微生物群的多样性[14]，并通过增加变形菌、螺旋体和梭杆菌的相对丰度来改变微生物菌群，同时减少放线菌、拟杆菌和厚壁菌门的细菌。THORELL等[15]研究也得出了相似的结果，指出低水平H.pylori的受试者中放线菌、拟杆菌和厚壁菌展现为高丰度。这种差异可能是由于受试者之间的差异，因为胃内微生物群似乎对饮食和生活方式等外在因素更敏感，同卵双生子的相关分析也表明了这一点[16]。

实验性接种H.pylori进入成年的恒河猴群体中，并未影响他们胃内微生态系统中的微生物群落、数量、结构和丰度，而感染的幼年小鼠胃内微生物群的数量和结构却发生了改变[17]。因此，研究者们提出了一个新的假设：在生命中，获得H.pylori的不同时间点是胃内微生态系统产生差异的一个重要因素。比较H.pylori阳性与H.pylori阴性儿童，研究者观察到他们胃内微生物菌群的多样性和构成上存在明显差异。与成人相比，无论儿童H.pylori是什么状态(H.pylori阳性或阴性)，胃内微生物菌群的多样性和群落组成方面都与成年人存在较大差异[18]。这种儿童感染H.pylori与成年人感染H.pylori后胃内微生态系统的差异，可能的原因是早期(即儿童期)获得H.pylori可能会通过诱导改变胃内的局部微环境来塑造自身的微生物组。其中，H.pylori的尿素酶在塑造微生物组方面起到了至关重要的作用。尿素酶分解胃内的尿素产生氨和碳酸氢盐。它们除了改变胃的pH值外，这些化合物还可以作为其他细菌的基质，这有利于其他微生物菌落的定植，如氮还原菌。

此外，H.pylori诱导的胃pH升高也有利于一些菌群向胃部迁移。实际上，这些迁徙而来的菌群原本通常是局限于肠道内的，如拟杆菌和梭杆菌。H.pylori对胃酸分泌的影响取决于所诱导的胃炎类型[19]。如果以胃窦炎为主，胃酸分泌就增多，而如果以胃体炎为主，胃酸分泌将减少。因此，两种情况下的微生物菌群的易位可能是不同的，由此所组成的胃内微生态系统也是不同的。事实上，胃酸过多会增加胃内的微生物多样性，且它与胃腺癌的发生、发展密切相关[20]。而当pH增加时，胃黏液层的黏度降低，使得其他微生物更容易定植于胃上皮细胞，但是却不增加微生物组的多样性。

另外，H.pylori的毒力因子对胃内微生态系统中微生物群的影响有一些相互矛盾的报道。一个来自人体胃黏膜活组织检查的研究表明，与CagA阴性人群相比，CagA阳性人群的胃内微生物群不存在显著差异[21]，由CagA介导的促炎细胞因子的产生和增加似乎对胃内微生物组的多样性无影响。尽管如此，由于该研究中的样本量较小(n=10)，因此可能需要在较大的样本中重新评估CagA对微生物群的影响。相反地，在CagA表达的转基因果蝇模型中，CagA完全可以改变宿主胃肠道微生物菌群[22]。

H.pylori是胃中一个复杂微生态系统的微生物菌群的一部分，它与其他微生物菌群的相互作用共同影响着宿主的健康状况，尤其是影响宿主对某些疾病的反应。H.pylori已被认为是胃腺癌发生最相关的微生物因素，但是研究者们仍认为H.pylori感染所致的胃内微生态系统的变化与其发生密切相关。研究发现，正常人群与胃腺癌人群的胃内微生态系统的菌群构成比例、多样性和丰度差异显著[23]。一些研究表明，胃腺癌人群的胃内微生态系统的组成菌群有更高的多样性[24]，也有研究认为，胃腺癌人群的微生物菌群的多样性降低了[25]，这一看似矛盾的研究结果却反映出了H.pylori确实对胃内微生态系统产生了显著影响。在胃内微生物菌群的丰度方面，研究发现，在胃腺癌的人群中存在一些新出现的或丰度显著增加的细菌，如假单胞菌属、硝酸盐还原酶菌、毛螺菌科、L.coleohominis、硝化螺旋菌门等[25]，这些细菌可能直接或间接参与胃腺癌的发生、发展。例如，假单胞菌属的基因组DNA可以通过某种机制转移至人类体细胞中，进而上调原癌基因的表达，对胃腺癌的发生起到促进作用[26]；硝酸盐还原酶菌可以通过其产生的硝酸盐还原酶在胃内生成亚硝酸盐，增加氮亚硝基化合物的合成，促进胃腺癌的发生[27]；在这些H.pylori感染情况下丰度有所增加的细菌群落中，毛螺菌科似乎展现了与上述细菌所不同的对机体的保护作用，研究表明，毛螺菌科可以减少艰难梭菌的定植，降低肠道炎症和肠癌的发生[25]。当然，除了以上的细菌，还发现了胃腺癌人群中胃内某些细菌的丰度明显低于正常人群，如卟啉单胞菌属、奈瑟菌属、TM7、虫草菌属等[25]。另外，在H.pylori对宿主的影响方面，早期获得的H.pylori对于胃内微生物群的影响非常值得深入研究，因为这些早期定植的H.pylori通过改变微生态系统的平衡从而可能决定宿主的终身免疫状况，进而决定了一些系统性疾病的发生和发展[28]。

2.2H.pylori与口腔微生态及口腔疾病的关系很长时间内，人们一直认为胃是H.pylori生存的唯一环境，但自从口腔中发现并分离出H.pylori以来，很多研究证明，唾液、菌斑及龈沟液也可以培养出H.pylori，而且经过“标准的三联疗法”治疗后，已经不能从胃黏膜中被检出，却仍可在口腔内检测到H.pylori，提示口腔可能是胃部H.pylori感染的重要储存库。目前，学术界对于口腔中H.pylori的来源看法有所不同。有学者认为是通过胃食管反流到达口腔，也有学者认为是先寄居在口腔，再在适当的时候进入胃黏膜。

口腔是一个复杂的微生态环境，尤其是牙菌斑具有独特的生物膜结构，微生物可以借此逃避抗生素的杀灭。菌斑也是一个菌群多样性处于低水平的微生态系统，其中优势菌群为链球菌属、放线菌属和乳酸杆菌属[29]。在这个微生态系统中，从牙菌斑中自然分离出来的具核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌通常都与H.pylori的存在密切相关，而牙龈卟啉单胞菌通过菌毛也可能参与它们这种相互作用。

链球菌属作为龈上菌斑的主要优势菌属，它可以将碳水化合物发酵成酸性产物(乙酸、甲酸和乳酸等)，从而可以使局部pH降低到5。但是这种酸性的微环境却不利于具核梭杆菌和牙龈卟啉单胞菌的存活，因为它们能够耐受的最低pH分别为6.5和5.5。因此，这两个菌属非常需要能够与缓冲酸性pH的微生物紧密结合。H.pylori能够产生具有非常高活性的尿素酶，将尿素转化为二氧化碳和氨，缓冲了龈上口腔微生态系统中优势菌所产生的酸性微环境，利于那些不能够耐受过低pH的菌群的生存及保持口腔菌群的多样性。体外研究也表明，产生氨的能力是保持口腔生物膜中微生物菌群多样性的关键因素。在尿素的生理浓度(唾液中1～10 mmol/L尿素)的培养基中，可观察到微生物菌群的多样性。如果在尿素酶产生缺陷或尿素不存在的培养物中，与传统的口腔疾病密切相关的病原菌(具核梭杆菌、牙龈卟啉单胞菌、中间普雷沃菌)以及奈瑟氏菌和口腔链球菌的存活率将急剧下降，甚至由致龋齿细菌(即链球菌属和乳杆菌属)所构成的生物膜也被严重削弱。

作为龈上菌斑微生态系统中的主要优势菌群和早期定植者，链球菌属可能存在调节口腔H.pylori的生理学功能。研究者们在体外观察到链球菌具有抑制H.pylori生长的能力，使H.pylori转化为不可被培养的球形形态，但在体内的龈上菌斑中情况更复杂。研究发现，在龈上菌斑中链球菌仅在与H.pylori共存时才会表达磷酸甘油酸激酶(PGK)。PGK是一种糖酵解酶，负责将3-磷酸甘油醛转化为1,3-二磷酸甘油酸。在龈上菌斑这个微生态系统中，链球菌的PGK促进生物膜的形成及细胞与细胞之间的相互作用[30]。链球菌在H.pylori存在下才表达PGK的这种情况，可能有益于在抗生素和DNA重排压力条件下快速选择适应良好的链球菌菌株。在龈上菌斑形成的早中期，链球菌的相关因子和相对低水平的Autoinducer-2[31](Autoinducer-2是一种化学增生剂，可促进H.pylori与生物膜的分散)的存在，促使H.pylori作为不可被培养的球形形态定植于此，而在以高密度的链球菌为特征的龈下菌斑，H.pylori则以螺旋形和球形的两种混合形态存在。

牙周炎的特点是龈下菌斑的细菌积聚，引起炎症反应，导致结缔组织附着在牙齿上，牙槽骨吸收和牙齿脱落。龈下菌斑及其生物膜中存在着由多种微生物组成的微生态系统，包括放线菌、福赛斯坦纳菌、具核梭杆菌、螺旋体和互养菌等[29]。此外，还存在副溶血链球菌属、真杆菌属、普雷沃菌属、卟啉单胞菌属和弯曲菌属等。这个微生态系统中的某些细菌与牙周炎的发病密切相关。在一项研究中，HENNE等[32]观察到在牙周病患者中，与健康对照组相比，在患病的龈下部位可检测到直肠弯曲杆菌水平显著升高，而简明弯曲杆菌则与其相反。同时，在牙周病患者的龈下生物膜中一些常见的构成口腔微生态平衡的微生物菌群也发生了数量上的变化，尤其是牙龈卟啉单胞菌 (牙周病15.9%vs正常人0)、具核酸杆菌(牙周病33.9%vs正常人3.1%)和福赛斯坦纳菌(牙周病28.2%vs正常人0.1%)。HU等[33]也研究了H.pylori对炎症严重程度和口腔病原体存在的影响。在对牙龈病变样本进行分析后发现，当与H.pylori共存时，牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌、中间普里沃菌和齿密螺旋体的数量比例明显升高，而这些细菌都与牙周病的恶化密切相关。H.pylori的存在与致牙周病的嗜银放线菌呈反比。出现这种现象的原因尚不清楚，可能是由于H.pylori可以限制局部环境中的L-乳酸含量，而L-乳酸是放线菌的生长因子。

口腔H.pylori还对胃部H.pylori感染和H.pylori根除疗效产生影响。ZOU等[34]证实，在胃部感染H.pylori的患者中，口腔H.pylori的定植率显著高于胃部未感染H.pylori的患者。即使是进行了标准的H.pylori三联根治疗法，定植于口腔的H.pylori通过形成生物膜和球形的能力常使得胃部H.pylori的根治很难获得成功。

口腔存在许多微生物，它们自然地共存定植在口腔中。这些微生物菌落潜在地影响着H.pylori的形态、生理和功能。在龈上菌斑中，H.pylori以不可被培养的球菌形式存在。龈下菌斑中则与大量的致病菌有关，H.pylori作为螺旋和球状形态混合存在。对于H.pylori与口腔微生态系统及口腔疾病关系的研究将使人们更容易理解口腔H.pylori的生物学作用，有助于理解其作为胃外H.pylori储存库的作用，也使我们正视口腔H.pylori根除治疗的必要性和重要性。

2.3H.pylori与肠道微生态及肠道外疾病的关系实际上，胃内所有环境改变都可能对局部微生物群产生影响，并引起整个胃肠道的变化。微生物可以很容易地通过动态的液体交换从一个胃肠道段迁移到另一个胃肠道段。一些H.pylori的感染就是通过这种交换方式改变局部肠道微生态系统进而影响肠道中铁和维生素B12的吸收，以及影响宿主碳水化合物和氨基酸代谢过程。除了H.pylori在胃肠道中的直接作用外，细菌引发的免疫反应也会影响局部微生物组，以及人体更远端部位的细菌群。

在人类和小鼠中的研究[35]表明，H.pylori感染使肠道微生物组的构成、丰度和多样性存在明显差异。HEIMESAAT等[36]证明，H.pylori的慢性感染可以改变蒙古沙鼠的肠道微生态菌群状态，如大肠中Akkermansia菌属的丰度明显增加，而这种细菌往往和肠道的黏液降解能力密切相关。另外，H.pylori感染在影响肠道微生态系统的同时，也影响和改变着肠外系统。如H.pylori存在下的肠道微生物菌群的改变往往伴随着胃和肺中与免疫相关的基因表达的变化，研究者认为，早期的H.pylori感染引起的胃内微生态和微环境的变化(例如，菌群多样性和胃内pH值改变)影响了宿主某些免疫相关基因表达的改变，而肺内的相关基因表达变化可能是由H.pylori引发的免疫和(或)炎症反应的累积变化所引发的。这些变化也可以在宿主生物体的远处位点观察到，并且螺杆菌属的其他成员也可以展现相似的影响。如，肝脏螺杆菌在小鼠消化道的自然定植可以导致肠道微生物群的转变，进而产生一些亚临床性的炎症和严重的免疫损伤[37]。

除了对肠道微生物组的影响，H.pylori定植与宿主局部甚至全身免疫系统的关系也备受重视。H.pylori通过干扰抗原呈递和T细胞反应调节来影响适应性免疫反应[38]。根除H.pylori的相关研究揭示了这种免疫反应调节在预防胃外免疫性和炎症性疾病(如胃食管反流病、儿童哮喘和变态反应)以及代谢紊乱方面的重要性[39]。H.pylori可以通过毒力因子γ-谷氨酰转肽酶和VacA的介导，调节肺内的CD24+、CD25+细胞(Treg细胞)水平。这些细胞分泌的细胞因子，如IL-10和转化生长因子β(TGF-β)，阻止或调节对于过敏原的Th2反应，健康儿童的过敏原特异性免疫反应向免疫耐受转变，从而防止哮喘和其他过敏性疾病的发展[11,39]。另外，H.pylori还可以作用于淋巴管中免疫细胞而影响远处的黏膜病。H.pylori对免疫系统的影响与胃生理学及其微生物群的改变及胃外疾病的发生、发展密切相关。在H.pylori对疾病的影响方面，体现了H.pylori感染对宿主影响的复杂性。H.pylori的定植既可以对某些疾病发挥保护性作用，如哮喘、炎症性肠炎、多发性硬化等，又对一些疾病呈现负面效应，如缺血性心脏病、非酒精性脂肪肝、胰岛素抵抗、2型糖尿病等。

综上，H.pylori对胃肠道微环境及微生物菌群有很强的作用，对宿主的免疫状态也有很强的影响，甚至可以使机体不同部位的微生物群(如口腔和肠道微生物群等)发生变化。这些变化不仅与胃肠道疾病的发生有关，还与一些非胃肠道疾病的发生相关。在分析这些对人体的影响时，H.pylori是在生命的早期还是较晚期定植是一个关键点。在H.pylori与宿主共同进化过程中，不同时期的H.pylori定植对宿主的免疫系统影响也不尽相同，从而形成了具有差异性的微生物菌群。因此，更好地理解这些可能与特定疾病的发生、发展有关的确切机制，以及H.pylori诱导微生物群的变化机理，将有助于我们去准确预测、诊断、治疗和预防与H.pylori有关的疾病，也会使得我们重新去认识H.pylori的微生态学作用。