肠道菌群与炎症性肠病关系的研究现状

郭宇冰，王晓娜，刘欣，张占铎

1中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院科研部/全军肛肠外科研究所/全军重点实验室 河南洛阳471000

2中国人民解放军联勤保障部队第九八九医院全军重点实验室 河南洛阳471000

炎症性肠病 （inflammatory bowel diseases，IBD）是一种慢性复发性的肠道炎症疾病，包括克罗恩病（Crohn’s disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）。UC通常局限于结肠，表现为弥漫性黏膜炎症以及固有层和隐窝中性粒细胞浸润[1-2]。相比之下，CD可累及肠道任何部位，但典型的最先受累区域是小肠，特别是回肠末端和结肠[1]。遗传易感性、环境因素、免疫应答异常、肠道屏障功能障碍和肠道菌群失衡均与IBD的发生和发展有关[1,3]。IBD患者体内肠道菌群的改变能够影响IBD的多种致病因素，例如上皮屏障功能受损、细菌识别缺陷、抗原呈递和自噬、T细胞反应失调导致的先天性免疫反应异常等[1,3]。随着下一代测序技术的发展，肠道菌群组成和功能的变化在IBD致病过程中的重要作用越来越受到关注，如何将肠道菌群应用到IBD的治疗中也是近年来的研究热点，现围绕相关内容研究现状作一综述。

1 肠道菌群组成及生理功能

人体微生物群由10～100万亿个微生物组成，包括细菌、病毒、原生动物和真菌，其中居于肠道的最多，密度达到1011至1012个细胞/mL。肠道菌群的组成受年龄、饮食、环境、性别、种族和微生物群落与其宿主之间共同进化的影响。尽管有着独特的生物多样性，肠道菌群中占主导地位的是硬毛菌、拟杆菌、放线菌和变形杆菌[4]。肠道菌群被认为对人类健康至关重要，它们与宿主之间互利共生，发挥着重要的代谢、免疫和肠道保护作用。

肠道菌群可以为宿主提供营养和能量。它能够分解食物中的碳水化合物和难消化的低聚糖，合成丁酸、丙酸和乙酸盐等短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs），为肠道上皮提供丰富的能量[5]，肠道菌群还可以合成必需的维生素（B和K）、烟酸、生物素和叶酸，并完成胆汁酸的肠肝循环[6-7]。

肠道菌群可以促进免疫系统的成熟。与常规饲养的小鼠相比，无菌小鼠表现出严重的肠道免疫系统发育受损：由于杯状细胞数量的减少，无菌小鼠的上皮内淋巴细胞数量大大减少，派伊尔斑和隐斑的大小和数量减少，隐窝结构改变，并且黏液厚度减小[8-10]。微生物群定植可以修复免疫系统的缺陷和异常，诱导无菌小鼠免疫系统的成熟，例如分段丝状菌（segmented flamentous bacteria，SFB）可以在肠黏膜表面粘附，刺激黏膜免疫应答的成熟[11]。

肠道菌群可以调节肠道免疫系统的先天和适应性免疫反应。微生物相关分子模式（microbial-associated molecular patterns，MAMPs）可以被肠上皮细胞和固有层中的髓样细胞所识别，进而诱导多种反应，其中包括组织修复和产生抗菌肽[12]。病原相关分子模式（pathogen-associated molecular patterns，PAMPs）被先天免疫细胞和肠道上皮细胞所表达的模式识别受体 （pattern recognition receptors，PRRs）所识别，包括Toll样受体（toll-like receptors，TLRs） 和 Nod样受体 （nucleotide-binding oligomerization domain-like receptors，NLRs）[12]。肠道菌群的特定组分例如SCFAs、脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和鞘脂可以刺激B细胞转换为产生IgA的浆细胞，诱导T细胞分化为Th17细胞，并促进调节性T细胞（regulatory T cell，Treg）增殖和分化[12]。抗原提呈细胞 （antigen-presenting cells，APCs）也依靠微生物群来产生免疫反应[13]。另外，肠道菌群还有助于宿主防御病原体，它通过产生抗菌因子并发挥定植抗性，拮抗潜在的病原菌的营养和受体来阻止其生长[14]。

2 IBD患者肠道菌群失调

IBD患者肠道菌群的组成以及多样性的改变被认为是导致疾病的关键因素。菌群组成的改变会破坏肠道菌群与肠道上皮之间的相互作用，从而导致菌群失衡，降低宿主对病原菌定植和生长的抵抗力。与健康人群相比，IBD患者体内细菌多样性减少，不稳定性增高，具有抗炎作用的细菌种类减少，而引起炎症的细菌种类增加。健康肠道中正常存在的微生物（例如拟杆菌和硬壁菌门的细菌）在IBD患者中显著减少，同时有害菌群（例如放线菌和变形杆菌）有所增加[15]，乳杆菌和双歧杆菌属等许多有益细菌的数量也大大减少[16]。此外，有益厌氧菌减少会导致炎症因子的产生并诱发肠道炎症。粘附在肠上皮的致病菌的增加会影响肠上皮的通透性，诱导产生免疫抑制蛋白，从而导致免疫功能异常，破坏肠上皮细胞并影响能量代谢导致肠道炎症[17]。Gevers等[18]的报道显示，肠道菌群多样性与CD患者的疾病活动指数之间呈负相关。与健康人群相比，CD患者回肠中粘附侵袭性大肠埃希菌（enteroinvasiveEscherichia Coli，EIEC）的数量增加，耶尔森氏菌和艰难梭状芽胞杆菌丰度增加[19-21]。Qin等[22]通过宏基因组测序发现IBD患者仅携带健康人群黏膜微生物基因组序列的25%甚至更低。在IBD患者的粪便和黏膜样本中也发现了肠道菌群组成的减少和改变[23-24]。近来发表的一项基于132名IBD患者的多组学研究表明肠道菌群对宿主转录组和代谢组以及宿主免疫因子的影响与疾病的发生发展密切相关[25]。

肠道菌群参与保持肠道上皮的完整性，影响肠道上皮细胞更新和凋亡，以及紧密连接的表达和功能，但IBD患者的肠道上皮的屏障功能受到破坏。肠道菌群产生的信号分子可参与调控肠道上皮细胞的凋亡、增殖和分化，从而导致无菌动物的肠上皮形态和结构发生改变。肠上皮细胞紧密连接改变会引起黏膜通透性改变，进而诱导或者加重IBD症状[26]。全基因组关联研究（genome-wide association study，GWAS）已经确定了几种与细胞间连接功能相关的IBD风险基因[27]。通过对与人类IBD患者遗传缺陷相似的Claudin-7缺陷小鼠的实验研究也证实了细胞间连接功能在保持肠道上皮完整性方面的重要性[28-29]。长期的炎症状态加上细胞间连接功能的改变导致肠上皮细胞完整性受到破坏，使得病原体穿过肠道屏障，造成固有层中TLR、Dectin-1和CARD9的活化，加重炎症反应[30]。肠道相关淋巴组织（gutassociated lymphoid tissues，GALT）一方面可以对病原微生物表现出免疫反应，另一方面又对肠道菌群具有耐受性，两者维持在一个平衡状态。IBD患者则表现出GALT针对肠道菌群的异常免疫活化，导致肠道炎症的发展[31]。

肠道菌群失衡导致IBD患者T细胞分化异常。T细胞与肠道菌群的相互作用对于维持肠道免疫稳态非常重要。肠道菌群失衡会打破Th17细胞和Treg细胞之间的动态平衡，这是IBD病情发展的一个重要原因。肠道菌群在Th17细胞的发育过程中起重要作用[32]。在无菌动物或抗生素存在的情况下，肠道中Th17细胞的分化程度会大大降低，而内源性肠道菌群可以诱导Th17细胞的分化[33]。例如，分段丝状菌（SFB）作为一种关节梭状芽胞杆菌（Clostridium arthromitus）相关的物种，能够促进小鼠Th17细胞的发育[34]。此外，SFB的定植可以增强宿主对柠檬酸杆菌等肠道病原体的抵抗力[34]。Th17细胞分化需要芳烃受体（AhR）参与，小鼠体内肠道菌群能够参与色氨酸代谢产生AhR的配体3-吲哚乙醛[35]。Treg细胞在维持免疫稳态和抑制炎症中起着至关重要的作用，其功能异常会导致炎症的发展。与正常小鼠相比，无菌小鼠结肠固有层中Treg细胞明显减少，提示肠道菌群对结肠Treg细胞的发育有重要的影响。例如，梭菌属细菌（尤其是从Ⅳ和ⅪVa簇获得的梭菌）可以通过产生丁酸盐诱导小鼠结肠黏膜中Treg细胞的增殖和分化，并可以缓解结肠炎[36]。有文献报道IBD患者的粪便样本中梭菌属的Ⅳ、ⅪVa和ⅩⅧ簇细菌数量较正常人减少，导致体内SCFAs的浓度下降，影响Treg细胞的分化，进而影响肠上皮细胞的生长，不利于维持肠内稳态[37-38]。

3 IBD治疗的研究进展

由于IBD标准化疗法存在部分不良反应和无效性，寻找新的有效疗法一直都是研究人员与临床医师追求的目标。目前，研究人员致力于通过恢复肠道微生物平衡来治疗IBD，通过使用益生菌、益生元、合生元和粪便微生物移植（fecal microbiota transplantation，FMT）作为补充和替代药物（complementary and alternative medicine，CAM）等来改善肠道炎症。

3.1 益生菌

益生菌是发挥有益作用的活性微生物，适量的摄入对宿主的健康有益。益生菌通过抑制病原菌繁殖、调节黏膜免疫应答、增强IBD患者的抗炎反应、维持肠道屏障功能来发挥其作用。目前已经从食品，尤其是乳制品中分离出了多种益生菌菌株，包括乳酸杆菌、双歧杆菌、大肠杆菌Nissle1917（非致病性大肠杆菌）、酿酒酵母、丁酸梭菌、VSL＃3（8种不同益生菌菌株的混合物）和乳酸乳球菌[39]。在UC患者中，益生菌在诱导UC缓解和维持缓解方面都显示出积极的作用。一项新的荟萃分析表明，使用VSL＃3可有效诱导活动期UC缓解，并且证实了益生菌的安全性，可以作为5-氨基水杨酸酯（5-ASA）的替代物来治疗疾病[40]。另一项荟萃分析也证实了这一结果，认为益生菌尤其是VSL＃3在UC的治疗中显示出巨大的疗效[41]。此外，在患有IBD的儿童中混合使用乳酸杆菌和VSL＃3也显示出了高疗效[40]。然而，在CD患者中，益生菌在诱导活动期CD的缓解、预防缓解期CD的复发或在预防手术诱导的CD缓解后复发方面没有益处[40]。由于缺乏大样本的数据支持，关于益生菌在诱导CD缓解方面的作用还需要进一步的高质量随机对照研究[41]。

3.2 益生元

益生元是能够被肠道细菌选择性发酵并能够促进细菌自身发育或活性的难以消化的碳水化合物，通常作为膳食补充剂改善宿主健康。益生元通常包括菊粉、低聚果糖（fructo-oligosaccharide，FOS）、低聚半乳糖（galacto-oligosaccharide，GOS）和乳果糖。益生元主要通过选择性地刺激肠道中一种或者几种细菌的生长和增加肠道内SCFAs的产生来发挥作用。肠道内SCFAs含量的增多会使肠内pH值降低，抑制肠内病原微生物粘附，改变结肠细胞的形态和功能，从而在IBD患者肠上皮修复中发挥有益作用，还可以刺激表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）从而维持肠道稳态，抑制促炎细胞因子的作用，抑制NF-κB的活性[42-45]。

3.3 合生元

合生元是指益生菌和益生元的组合。合生元结合了益生菌和益生元的有益作用，可改善胃肠道膳食补充剂中活性微生物的存活率。合生元有助于减少不良微生物的代谢活动，例如抑制一些代谢途径的限速酶[46]，可减少有害菌群（例如梭菌和肠杆菌），以及增加有益菌株（例如乳酸杆菌和双歧杆菌）[47-48]，可改善肝脏疾病患者的肝功能[49-50]，以及通过上调黏液产生和诱导宿主免疫调节活性来恢复肠道上皮屏障功能组织的细菌移位[51]。有系统综述认为，予以合生元可能是急性和活动期CD的有效治疗方式[52]。对于UC患者，合生元的使用似乎在维持缓解方面有积极的成果，同时降低了促炎细胞因子的表达并诱导了抗炎细胞因子的表达[52]。尽管现有数据较为有力体现了某些细菌种群在IBD治疗中的积极作用，但开展进一步的临床试验对于明确合生元对CD/UC患者的作用是必要的。

3.4 粪菌移植（FMT）

粪菌移植是将健康人群粪便中的功能菌群移植到患者胃肠道内的过程。在IBD患者中使用FMT是期望通过恢复患者的肠道微生物稳态来达到治疗疾病的目的。Fang等[53]关于FMT在IBD中的作用的荟萃分析表明，FMT是一种有效且安全的治疗方法，并且指出使用新鲜或冷冻的供体粪便、分娩方式的不同以及之前是否采用抗生素治疗等情况不会影响FMT对IBD患者的疗效。关于FMT在UC患者中的疗效，多项荟萃分析得出的结论是一致的，认为FMT为UC的治疗带来了新的希望[54-58]。对小儿UC患者进行的一项Ⅰ期试验表明，1周内临床反应率很高（79%），并且未观察到严重的不良反应[59]。但与此同时，对于FMT在IBD治疗中的有效性和安全性也存在一些争议。Imdad等[60]搜索了多个数据库进行随机研究，汇总了不同研究的数据评估FMT治疗IBD的有效性和安全性。其中发现四项研究（277名参与者）评估了FMT对成人活动期UC的有效性，没有发现任何评估FMT在CD患者或儿童中效果的随机研究。此外也没有发现任何评估缓解期IBD参与者维持缓解的研究。由于研究样本量少、数据质量低以及缺乏有关FMT严重不良事件发生率的可靠数据，因此无法得出明确的结论。此外，在一些研究中，FMT通常与免疫调节药物联合使用，因而FMT被认为作为辅助治疗可能更有效[61]。新近的ECCO指南指出，FMT对活动期UC患者有较好的疗效，同时仍需要进行其他研究以确定最佳治疗方案（给药途径、供体特征、治疗频率和持续时间）以此提高该方法的有效性和安全性[62]。

3.5 中草药

中草药由于其总体药性温和、疗效良好，不良反应在一定程度上比西药少见而逐渐受到患者的欢迎和接受。中草药作为治疗包括IBD在内的几种慢性疾病的药物的应用有增多趋势，中草药通过多种潜在机制发挥治疗作用，包括纠正肠道菌群紊乱、调节免疫系统、抑制白三烯B4的活性、抗氧化、抑制NF-κB的活性和抗血小板活性等[63]，已逐渐成为IBD药物研究的热点。其免疫抑制优势及与肠道微生物共存等药理作用使它们成为IBD辅助治疗中的常用药物[64]。通过预防细菌移位，显著增加益生菌（如乳酸杆菌和双歧杆菌）以及减少肠杆菌科和肠球菌的数量，黄芪多糖与丽珠肠乐相比在TNBS诱导的结肠炎缓解中显示出更好的效果[65]。同样，马齿苋多糖在降低了DSS诱导的溃疡性结肠炎模型小鼠外周血内毒素含量的同时还增加了双歧杆菌和乳杆菌的含量[66]。

4 小结与展望

肠道菌群在维持肠道稳态以及宿主免疫系统的发育和激活中起着重要作用，以肠道菌群作为作用点为IBD的治疗提供了新的选择。尽管目前以益生菌、粪菌移植等为代表的疗法取得了一定的成效，但仍然存在一些争议，如何提高肠道菌群疗法的有效性和安全性是下一步研究的关键。另外，未来针对不同患者开展个性化治疗还要考虑治疗时间、宿主年龄、如何选择合适菌株等因素，通过临床实践为不同患者找到个性化的治疗方案还需要长期的研究和探索。