抗结核药品对肠道菌群的改变及其对机体的影响

唐亮 鲍玉成 张文龙

肠道菌群与结核病的发生和进展互相作用，其中，抗结核药品对肠道菌群的影响越来越受到关注[1]，尤其耐药结核病的治疗需要多种药品联合及长时间应用[2]，药品对肠道菌群的选择压力不能忽视。为此，笔者对目前抗结核药品对肠道菌群的影响研究进行综述。

一、肠道菌群与肠道屏障稳态

肠道菌群是由机械、化学、免疫和微生物四种屏障共同组成的肠道屏障的核心，其多样性的种属结构和代谢产物与人体互相作用，塑造肠道屏障并维持其稳态，进而促进全身的营养代谢与免疫平衡，参与多种系统及组织、器官的疾病生理过程，但菌群本身也受到多种因素影响，个体差异较大[3]。

(一)人体肠道菌群结构及功能

人体肠道菌群是由数百种细菌构成的动态微生态系统，菌群浓度随消化道延伸逐渐提高，在盲结肠可迅速增加到1011～1012菌落形成单位(CFU)/ml，其中，厚壁菌门和拟杆菌门细菌为优势菌群，占90%以上，以专性厌氧菌为主体[4]。肠道菌群协助机体对肠道内成分进行代谢，产生大量营养底物及具有多种生物活性的物质，如膳食纤维代谢产物短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)和色氨酸代谢产物吲哚丙酸(indole propionic acid，IPA)[3,5]，降解、转化毒性成分[6]，参与肠道屏障稳态调控，机制包括维持肠腔酸碱平衡和氧梯度环境，营养肠道上皮并促进其生长分化[7]，提高上皮DNA稳定性、抑制其凋亡[8]，稳定上皮紧密连接[9]，促进黏液和抗菌肽分泌[10]，激发和维护肠道黏膜及机体免疫，建立免疫耐受[11]，并通过对定植黏附位点和营养底物的竞争，维持定植抗力抑制致病菌[12]。

(二)肠道菌群稳态的影响因素

人体肠道菌群受到多种因素影响，异质性较大，造成其基础研究及临床转化困难。基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学，甚至还有免疫组学技术的进步促进对人体肠道菌群结构和功能的深入研究[3,13]。以基因多样性为遗传背景，外源性因素作用于肠道菌群和机体免疫，启动肠道菌群稳态的建立及成熟[14]。外源性因素包括地域、生活习惯(饮食、锻炼等)[3,13]、多种疾病状态，如糖尿病[15]、HIV感染[16]、自身免疫性疾病[17]等，也包括药品应用，尤其是抗生素[18]，可以造成人体肠道菌群稳态急剧波动，种属多样性降低，物质能量代谢和转运能力下降，如SCFA、胆汁酸、胆固醇、激素及维生素等，定植抗力水平下降，致病菌群定植、扩增，耐药基因转移扩散。

二、抗结核药品与肠道菌群改变

抗结核药品作为抗生素影响肠道菌群的结构和功能，限于人体肠道菌群异质性较大和目前研究设计的局限，结论难以统一，临床转化困难[19]。

(一)抗结核药品对肠道菌群的选择压力

参考世界卫生组织(WHO)抗结核药品分组和我国实际情况，抗结核药品分为一线药品，包括利福平(rifampicin，R)、异烟肼(isoniazid，H)、乙胺丁醇(ethambutol，E)、吡嗪酰胺(pyrazinamide，Z)和链霉素(streptomycin，S)，其余均为二线药品，常用的包括利福喷丁(rifapentine，Rft)、左氧氟沙星、莫西沙星、丙硫异烟胺、环丝氨酸、利奈唑胺等。大部分口服药品吸收较快、生物利用度高，虽然利福平、利福喷丁、链霉素、左氧氟沙星、莫西沙星和利奈唑胺是广谱抗生素，但只有利福平、利福喷丁主要经肠、粪便排泄，理论上对肠道菌群影响较大。然而，无论是WHO推荐的初治敏感肺结核(6个月、4联药物)、复治肺结核(8、9个月，4、5联药物)、肺外结核(12个月，4联药物)、耐多药结核病(长程18～20个月，至少5联；短程9～12个月，6、7联药物)、广泛耐药结核病(耐多药结核病治疗方案，至少2年)应用的治疗方案，还是逐渐得到重视的潜伏性结核感染预防性化疗方案(H、R单药或联合，3～9个月，H、Rft联合，3个月)，都包含至少一种广谱抗生素且应用强度大、时间长，对肠道菌群的选择压力不容忽视[19-20]。

(二)抗结核药品对肠道菌群的影响

动物体内研究发现，一线抗结核药品联合应用可造成明显的菌群结构变化，急剧降低肠道菌群多样性，变化可延续至停药以后很长时间，同时，窄谱前体药物异烟肼、吡嗪酰胺单独或联合应用也可以引起菌群结构变化，但利福平的作用最为明显，且菌群物质与能量代谢相关基因发生富集或者减少，可以预测菌群功能的改变[21-22]。最近人体研究中普遍应用了细菌16S rDNA(或rRNA)扩增和宏基因组测序技术研究肠道菌群结构及功能改变，获得了大量数据有待分析[13]。

美国Wipperman等[23]横断面研究设计，发现正在治疗(H-R-E-Z，平均3.4个月)和6个月方案治疗结束后的两组肺结核患者的肠道菌群结构明显变化且持续至少1.2年，但整体多样性改变并不明显，菌群中梭杆菌属、普氏菌属相对丰度提高，乳杆菌属、粪球菌属、瘤胃球菌属、拟杆菌属和双歧杆菌属相对丰度降低，其中不少菌种与机体炎症免疫反应相关[24-25]。应用微生物组代谢网络对宏基因组数据分析，发现脂肪酸氧化和维生素合成通路基因的富集，结合胆汁酸合成通路基因的减少。

中国Luo等[26]通过横断面研究设计，发现复发肺结核患者(用药史不详)和新发肺结核患者(药物治疗<1周)肠道菌群结构都发生明显变化，尤其复发患者菌群多样性明显提高，拟杆菌门和厚壁菌门相对丰度降低，变形菌门(包括很多机会致病菌)和放线菌门相对丰度提高，菌属水平发现普氏菌属、毛螺菌属相对丰度降低，而链球菌属、埃希菌属和柯林斯菌属相对丰度提高。

印度Maji等[27]通过队列研究设计，发现肺结核患者(6例)用药(H-R-E-Z)前及用药后1周、1个月共3个时间点的肠道菌群结构都发生了明显变化，多样性提高且个体间差异更为明显，拟杆菌属和一些SCFA产生菌群(如粪杆菌属、粪球菌属、考拉杆菌属和假丁酸弧菌属)相对丰度提高，普氏菌属、双歧杆菌属相对丰度降低，且一些致病菌增加，如宋氏志贺菌、大肠埃希菌、肺炎链球菌和前庭链球菌。菌群功能相关基因明显变化，如丙酸盐和丁酸盐(属于SCFA)代谢通路基因富集，氨基酸及辅酶合成和维生素代谢基因减少，细菌致病性相关基因富集，如与鞭毛组配、细菌趋化、ABC转运蛋白相关基因等。用药后菌群结构恢复不明显，但是功能相关基因部分恢复。

中国Hu等[28]通过横断面研究设计，发现单纯结核感染人群(未用药，包括潜伏性结核感染和活动性结核病)肠道菌群多样性略有下降，种属结构波动不明显，但抗结核药品(H-R-E-Z)应用后菌群结构发生快速、显著的变化，多样性明显下降，活泼瘤胃球菌、粪杆菌属相对丰度降低，拟杆菌门、拟杆菌属中的成员，如拟杆菌OTU230和脆弱拟杆菌相对丰度提高，而双歧杆菌属相对丰度于用药1周时下降，已经治愈时反而明显提高。

以上研究受到地域、生活习惯等复杂的外源性因素和遗传背景影响，且大部分采用横断面研究设计(仅有1项小样本队列研究)，所得结论难以统一，但基本认为主要一线抗结核药品联合应用可以造成明显的肠道菌群结构变化，且可持续至停药以后很长时间，与菌群代谢及致病性相关基因发生富集或减少。

三、肠道菌群改变对机体的影响

抗结核药品引起的肠道菌群结构及功能变化对机体可能会产生多方面影响。

(一)结核病复发与肠道菌群

建立人体对结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis，MTB)的有效持久免疫是结核病防治的根本[29]，而抗结核药品的成功治疗却可能损害结核免疫。Verver等[30]和Glynn等[31]都发现既往结核病患者由于MTB再感染而复发的风险高于新发结核病患者。Khan等[22]通过动物研究发现，H-Z方案和单用R方案引起菌群结构的变化不同，H-Z方案引起梭菌群(Clostridia Ⅳ and ⅩⅣ clusters，梭菌群Ⅳ和ⅩⅣ)相对丰度的提高，并发现菌群变化与肺泡巨噬细胞MHCⅡ受体表达减少、线粒体功能下降和促炎细胞因子[肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素-1β(IL-1β)]表达下降相关，导致巨噬细胞对MTB的清除能力下降，证明抗结核药品通过作用于肠道菌群进而损害机体对MTB的免疫；Luo等[26]发现普氏菌属和毛螺菌属相对丰度与外周血CD4+T淋巴细胞计数在新发结核病患者中呈正相关，而在复发患者中呈负相关，讨论认为抗结核药品可能通过肠道菌群影响机体结核免疫。

前述研究证明抗结核药品对梭菌群、拟杆菌属相对丰度具有影响[21-23,26-28]。梭菌群Ⅳ和ⅩⅣ(属于厚壁菌门，占肠道菌群10%～40%)和拟杆菌属构成结肠肠道菌群的主要部分[32]，其在营养代谢、黏膜及机体免疫调控等多方面具有重要作用，其代谢产物如SCFA[33]、胆汁酸[34]及IPA[35]与结核相关免疫关系密切；拟杆菌属可以通过分泌囊泡携带多聚糖，作用于树突状细胞诱导调节性T细胞(Treg细胞)，促进抗炎因子表达，进行免疫调节、调整免疫耐受[36]；拟杆菌门(拟杆菌属为主)主要代谢产生乙酸盐和丙酸盐(属于SCFA)，厚壁菌门(梭菌群Ⅳ和ⅩⅣ为主)主要代谢产生丁酸盐(属于SCFA)，厚壁菌门与拟杆菌门的比例对SCFAs的浓度和组成有明显影响[37]。另外，前述研究中相对丰度改变的粪球菌属、瘤胃球菌属[23]可以抑制TNF-α和IFN-γ的表达[24]，双歧杆菌属[23]可以诱导Th 17细胞反应[25]，这些促炎因子在保护肠道屏障功能和清除MTB中起重要作用，但过度激活可诱导自身免疫相关的组织损伤。

肠道菌群可以通过多种途径影响结核相关免疫[38]，进而影响结核病的发生、进展，前述研究[21-23,26-28]初步探索了抗结核药品对肠道菌群的影响，但肠道菌群对结核相关免疫作用的具体机制尚不明确。SCFA是目前研究最为深入的肠道菌群代谢产物，介导肠道菌群和机体免疫之间的相互作用，尤其丁酸盐可以促进抗炎因子IL-10的表达，抑制促炎因子TNF-α、IL-1β、IFN-γ和IL-17的表达，促进叉头框蛋白P1在CD4+和CD8+T细胞的表达(趋向于Treg细胞活性)，进而抑制巨噬细胞的吞噬和杀菌作用，阻止巨噬细胞对MTB的清除[39]，但其也有降低炎症损伤和免疫保护的作用[33]。抗结核药品对肠道菌群SCFA代谢的影响和SCFA介导菌群对结核相关免疫作用的具体机制需要深入研究。

(二)消化道反应与肠道菌群

抗结核药品消化道反应十分常见[40]，尤其对于耐药结核病，多种药品联合、长时间应用，胃肠道屏障面临严峻考验，消化道反应更为严重，造成治疗停止甚至失败[2]。消化道反应可以有恶心、呕吐、腹痛、腹胀、腹泻、便秘等多种表现，在排除肝损伤或者药物成分直接刺激胃肠黏膜及并发胃炎、胃溃疡等情况后，临床可考虑肠道菌群失调相关的抗生素相关性腹泻(antibiotic-associated diarrhea，AAD)或者肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)[41]。

1.抗生素相关性腹泻与肠道菌群：定植抗力常被用来定义肠道菌群抵抗外源性和内源性潜在致病菌在肠道定植、扩增及致病的能力[12]，是ADD机制研究中的核心概念，以其为基础探索可以提供良好抗力的菌群组成模式[42]或提出以双歧杆菌属和(或)肠杆菌属的比例衡量定植抗力[43]等研究，具有临床应用前景，但抗结核药品与定植抗力关系的研究尚不充分。

王静等[44]报告了1例与抗结核药品治疗相关的艰难梭状芽胞杆菌(Clostridiumdifficile，Cd)相关性感染(Cd infection，CDI)导致腹泻的患者，停用抗结核药品以及接受万古霉素和双歧杆菌乳杆菌三联活菌片治疗9 d后症状缓解。Cd是一种革兰阳性厌氧芽胞杆菌(梭菌属)，既是肠道正常菌群也是院内感染性腹泻常见细菌(占15%～25%)[45]。王静等[44]考虑机制可能为利福平长时间应用导致菌群失调，出现更利于耐药Cd定植扩增的厌氧环境，产生毒素，导致CDI。联合基因组测序和细菌培养，发现拟杆菌门、厚壁菌门，尤其拟杆菌科、双歧杆菌科和毛螺菌科菌群相对丰度与CDI呈负相关[46]；胆汁酸在肠道内胆盐水解酶(肠道菌群产生)作用下转换为初级胆汁酸，进一步在肠道细菌(如闪烁梭菌和索氏梭菌)作用下经7α-羟基脱氧后转化为次级胆汁酸，其可抑制Cd的孢子萌发、扩增和毒素活性[47-48]。另外，闪烁梭菌和索氏梭菌作为益生菌治疗CDI相关腹泻[48]，也可分别分泌色氨酸代谢产物，1-乙酰基-β-咔啉和妥布霉素A，经次级胆汁酸增强，抑制Cd和其他肠道细菌的生长[49]。

广谱抗生素氟喹诺酮类药品不单独应用于抗结核治疗，但临床报道其也可引起CDI造成腹泻[50]。药物体内、体外单独应用可以引起肠道菌群结构的变化[51-53]，引起肠球菌、乳酸杆菌、双歧杆菌、拟杆菌属等变化，体外人体菌群模型中发现氟喹诺酮类药品可以促进耐药Cd孢子萌发和细胞毒素的产生[51]，但菌群结构与Cd的关系尚需进一步研究。

肠道菌群维护定植抗力影响CDI发生，前述研究发现抗结核药品导致多种CDI相关菌群的变化[21-23,26-28,46,51-53]，但未见报道Cd丰度的改变。前述研究目的是挖掘菌群变化基因数据，未收集消化道反应临床数据，尚无法对应观察肠道菌群与Cd的关系，有待深入探索。

2.IBS与肠道菌群：IBS患者表现为慢性、反复的腹痛不适、便秘、腹胀及排便习惯的改变等，其诊断以临床表现为依据，需要排除器质性疾病，考虑为一种功能性胃肠疾病。IBS人群发病率可以达到10%～15%，分为腹泻型(IBS-Diarrhea，IBS-D)、便秘型(IBS-Constipation，IBS-C)和混合型(IBS-Mixed，IBS-M)[54]。多种抗结核药品，尤其二线药品联合、长期应用且并发其他疾病(如HIV感染)，可以造成明显的消化道反应，严重时造成药物应用中断[55-56]。受限于临床对IBS尚未广泛关注，大多数研究并未将IBS与食道及胃黏膜刺激、胃炎、胃溃疡等情况进行区分进而收集数据，且不同研究异质性较大，故消化道反应的发生概率差别较大[40,57-58]，抗结核药品导致IBS的发病率及机制尚不明确，但是Lin等[59]通过补充益生菌干酪乳酸菌改善了抗结核药品导致的胃肠道反应，应当引起关注。

IBS与肠道菌群密切相关。Zhu等[54]研究IBS患者肠道菌群基因组和代谢组学变化，发现IBS患者肠道菌群多样性提高，许多种属发生丰度变化，其中，毛螺菌属和梭菌属明显增加，毛螺菌属中的许多菌株可以代谢产生乙酸盐和乳酸盐，抑制肠道黏蛋白分泌导致便秘[60]，梭菌属中的艰难梭状芽孢杆菌可以导致感染后的IBS[61]；IBS患者有31种代谢产物浓度增高，其中同型半胱氨酸与大鼠IBS相关，小鼠予以降低同型半胱氨酸饮食可以保护肠道上皮屏障[62]，进一步分析代谢组学信息，发现一组与腹痛、腹部不适、粪便性状、症状持续时间相关的代谢模块，可以指导寻找临床相关的代谢产物。不同IBS分型之间肠道菌群结构及代谢也不同[63-65]。例如，IBS-D患者肠道中乳酸菌属丰度下降，而IBS-C患者肠道中韦荣球菌属和拟杆菌门细菌丰度提高，放线菌门细菌丰度下降，IBS-D患者血清和尿液中代谢产物浓度明显变化。因此，有研究通过定义有益菌群(如乳酸杆菌和双歧杆菌)和有害菌群(如梭菌属、大肠埃希菌、沙门菌属、志贺菌属和假单胞菌属)，建议探索补充益生菌、益生元、合生元或者粪便菌群移植等多种治疗IBS的策略[66]。

虽然目前缺乏对抗结核药品导致IBS的广泛关注，但在前述研究中多种与IBS的相关菌群明显变化，临床上应该引起关注，尚需进一步研究。总之，肠道菌群与人体多种疾病生理活动密切联系，且抗结核药品对肠道菌群的结构及功能作用明显，肠道菌群对机体的影响可能更为广泛，如营养不良[67]、感染免疫性疾病[68-69]、代谢性疾病(糖尿病)[70]等，这些疾病状态对于结核病的发生和发展也会产生深远影响，有待进一步研究。