基于炎症性肠病肠道菌群多组学特征的治疗策略

陶燕,李茂涓,缪应雷

【提要】 炎症性肠病(IBD)是一种胃肠道慢性非特异性炎症性疾病，其确切的病因及发病机制不明。近来的研究显示肠道菌群在其发病中起着关键作用，但肠道菌群单一组学的分析无法全面揭示IBD发病过程中肠道菌群的作用。多组学技术的应用能帮助我们更全面地发现IBD患者肠道菌群组成的改变及其在疾病发生发展过程中的作用，有助于挖掘潜在的治疗靶点和制定有效的干预策略。因此，本文就目前IBD患者肠道菌群多组学方面的研究及治疗策略进行综述。

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一种胃肠道慢性非特异性炎症性疾病，主要包括克罗恩(Crohn′s disease, CD)和溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)。研究发现IBD的发病率在非洲、亚洲和南美洲等新兴工业化地区稳步增长，在北美和欧洲趋于稳定，甚至有减少的趋势，但在全球其患病率仍然持续增加，已经成为一种全球性疾病[1-2]。中国IBD发病率总体仍然低于欧洲及美国等发达国家，但是流行病学研究显示中国大陆IBD的发病率显著增加[3]。其确切的病因及发病机制不明，但近年来的研究显示肠道菌群及其代谢产物通过损伤肠道黏膜屏障和诱发机体免疫应答在IBD中发挥关键作用[4]。然而肠道菌群单一组学的分析无法全面揭示IBD发病过程中肠道菌群的作用，多组学技术的应用能帮助我们更全面地发现IBD患者肠道菌群组成的改变及其在疾病发生发展中的作用，有助于挖掘潜在的治疗靶点和制定有效的干预策略。因此，本文就目前IBD患者肠道菌群多组学方面的研究及治疗策略进行综述。

1 IBD患者肠道菌群改变

早期基于粪便和黏膜活检组织的16S核糖体RNA基因扩增子序列的研究发现IBD患者的肠道菌群与健康人群相比存在显著差异[5]。研究发现IBD患者肠道菌群中拟杆菌门、厚壁菌门、双歧杆菌、乳杆菌的丰富度降低，变形杆菌、肠杆菌科增加[6-7]。但菌群失调在IBD发生发展中的因果关系尚待进一步研究。相关研究已运用多组学方法对IBD患者肠道菌群的改变进行测定，以下将从多组学角度分析IBD患者肠道菌群的特点。

1.1 IBD患者肠道菌群宏基因组学研究

Nishikawa J等[8]使用宏基因组测序对人类粪便样本进行分析发现，与健康人群相比，IBD患者粪便微生物多样性改变，主要表现为拟杆菌属和厚壁菌属减少，而放线菌属和变形杆菌属增加。此外，一项基于黏膜组织及粪便采样的研究发现CD患者的肠道菌群中巴斯德杆菌、韦荣氏球菌、奈瑟氏菌、梭杆菌属和大肠杆菌科丰度增加，拟杆菌属、梭菌目、粪杆菌属、罗氏菌属、布劳特氏菌属、瘤胃球菌和毛螺菌科的丰度降低[9]。Sokol H[10]等的研究发现，IBD患者肠道中普拉氏梭菌和人罗斯拜瑞氏菌通常减少，可使促炎细胞因子水平升高，促进肠道炎症的发生发展。

IBD患者肠道中大肠杆菌丰度的增加可能是由胃肠道壁的慢性炎症导致氧化血红蛋白在肠腔中释放增加，产生大量不可发酵的硝酸盐所致[11-12]。同时大肠杆菌可以粘附和侵袭上皮细胞，并在巨噬细胞内繁殖，干扰细胞信号传导途径，促进IBD患者肠道炎症加重[13]。

最新的一项研究发现IBD患者肠道菌群丰度异质性最大的属是链球菌属，不同链球菌种之间、链球菌种与其他属的种(如真细菌和韦荣氏球菌)之间都存在很大的丰度异质性[14]。

此外，利用宏基因组学测序方法还观察到IBD患者的微生物组的功能差异，尤其是在氨基酸、神经递质和维生素的合成、矿物质吸收调节和复杂碳水化合物的降解方面与健康人群具有明显差异[15]。在CD患者中，发酵途径减少，糖降解率升高，醌类生物合成增加形成了具有炎症特征的微生物环境；UC患者产生丁酸盐和乙酸盐的途径减少[16]。除了监测IBD患者的肠道菌群的物种水平和功能特性外，进行纵向研究来捕获菌群特征及治疗效果变化也极其重要。

1.2 IBD患者肠道菌群的元转录组学研究

宏基因组学仅限于揭示微生物的功能潜力，未能揭示实际的功能活性。功能潜力并非总是与肠道菌群组成中的转录组表达成比例，即某些肠道细菌的宏基因组学丰度并不能完全预测其相对转录活性。Franzosa等[17]研究发现普拉氏梭杆菌、普通类杆菌、腐烂别样杆菌等非高丰度物种，也常在转录途径中发挥主导作用，这也提示测量实际功能活性的重要性，但是目前肠道微生物组功能活性的研究较少。

Schirmer M等[18]研究发现，与健康对照者相比，IBD患者的鲁米诺球菌丰度在RNA水平显著增加，而在DNA水平仅轻度增加。其产生的促炎症性多糖促进树突细胞分泌炎症因子TNF-α，从而诱发胃肠道炎症[19]。此外，与基因组学丰度相比，IBD患者转录组学研究发现哈氏梭菌、鲍氏梭菌丰度的显著增加也表明它们的作用可能比单一基因组学丰度的差异更明显[20]，这突显了IBD患者肠道菌群的实际功能活性和功能潜力之间的差异。但总体而言，在基因组学上更丰富的物种也倾向于贡献更多的转录途径。

1.3 IBD患者肠道菌群的代谢组学研究

IBD患者的肠黏膜、粪便中发现具有生物活性和重要功能的代谢产物及代谢途径有所减少。通过将代谢组学与微生物分类学分析配对，可以发现与疾病相关的微生物与代谢之间有很强的联系。

Sankarasubramanian J等[21]研究发现，CD患者的简单碳水化合物代谢途径、乙醛酸和二羧酸代谢途径及苯甲酸盐降解途径增加，抗坏血酸和谷胱甘肽代谢增加；UC患者与糖酵解和糖异生有关的代谢途径及丙酮酸的代谢途径增加。

此外，大量研究均观察到IBD患者短链脂肪酸的减少。短链脂肪酸是重要的抗炎细菌代谢产物，可以激活G蛋白偶联受体从而激活调节性T细胞，使黏膜免疫耐受增强及调节肠道B细胞的反应[22]，还可以通过调节组蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制活性、基因表达、细胞增殖和免疫应答影响宿主细胞，短链脂肪酸产生菌(普氏粪杆菌等)或短链脂肪酸本身的恢复可以减轻炎症[23]。辛酸是一种具有抗菌和抗病毒特性的中链脂肪酸，在IBD患者中数量减少，与丰富的鲁米诺球菌负相关[24]。

Weng YJ 等[25]研究发现，石胆酸、鹅去氧胆酸盐和牛磺石胆酸在IBD患者中显著减少，红灯食烷菌与代谢物抗坏血酸硬脂酸酯呈负相关，梭状芽孢杆菌、核梭形杆菌、奇异变形杆菌与鹅去氧胆酸盐相关，核梭形杆菌还与氨基酸L-亮氨酸、鹅去氧胆酸及石胆酸相关，脆弱拟杆菌属与抗坏血酸硬脂酸酯和25-(OH)-D3有关。

尽管代谢组学可以测量产生的实际代谢产物，但是大多数肠道代谢组均未鉴定，未鉴定的代谢物包含了以前未描述的微生物和疾病相关的生物学分子，而这些相关代谢产物与肠道菌群之间的相互作用尚不清楚，仍有待进一步研究。

2 基于IBD患者肠道菌群特征的治疗策略

2.1 IBD患者饮食与肠道菌群

饮食是影响肠道菌群组成的重要因素之一，膳食纤维可以刺激产生短链脂肪酸的菌群增加，且可以被代谢为短链脂肪酸，从而降低IBD发生风险[26]。西方饮食会使粘附-侵袭性大肠杆菌的易感性增强[27]，饮食中的脂肪通过促进宿主胆汁酸成分的变化，可以改变肠道微生物组成的条件，从而导致菌群失调。高脂肪的摄入还可以降低产生亚硫酸盐的病原菌丰富度及增加拟杆菌的含量[28]。富含血红素铁饮食的摄入增加可以使革兰氏阴性菌(包括拟杆菌属和阿克曼菌属等)的丰富度增加[29]。氨基酸、胆固醇、脂质和乳制品的摄入可以增加拟杆菌的含量，糖类和其他复杂碳水化合物的摄入则可增加普氏杆菌的含量[30]。

目前，由于缺乏足够的数据和研究证据，没有专门的营养方案对所有CD和UC患者有效。但有研究结果发现，地中海饮食中的水果，蔬菜，红酒、鱼油，谷类和橄榄油等，可以提供维生素D、必需脂肪酸、矿物质和纤维等营养素，其摄入可以增加肠道菌群的多样性，以防止IBD的发病机理中的菌群失调[31-32]。特殊碳水化合物饮食主要由单糖、固体蛋白质和脂肪组成，可以通过调节肠道菌群促进轻中度IBD患者临床缓解[33]。因此，基于调节肠道菌群的适当营养成分饮食计划可能是对抗IBD的有效治疗策略，但还需要更多的随机对照试验来进一步研究特定饮食是否可以调节肠道菌群而诱导IBD患者炎症减轻。

2.2 益生菌的应用

益生菌是一种活的微生物，可以定植到肠道以阻止潜在的有害菌的定植，维持肠道微生物平衡，增强肠道屏障功能，改善局部免疫应答，给予适量益生菌对宿主的健康有益[34]。Kristensen等[35]研究发现益生菌不直接改变肠道微生物群，而是维持肠道稳态，进而减轻肠道炎症。一些益生菌会通过产生短链脂肪酸来降低肠道pH，从而抑制肠道致病性大肠杆菌的增殖[36]。

VSL#3是包含八种不同乳酸菌(嗜酸乳杆菌，保加利亚乳杆菌，干酪乳杆菌，植物乳杆菌，嗜热链球菌，短双歧杆菌，婴儿双歧杆菌和长双歧杆菌)的冻干制剂，具有抗炎作用[37]。最近的研究提出服用多菌株益生菌，如普拉氏梭杆菌、粘性双歧杆菌，可减轻UC患者肠道炎症[38]。此外，Praveschotinunt P等[39]的研究表明大肠杆菌Nissle1917菌株可以促进肠道屏障功能和上皮的恢复，并增强对小鼠结肠炎的保护作用。

现有的证据更多是益生菌在诱导UC缓解方面具有一定的有效性，而对于益生菌诱导CD缓解的有效性和安全性并不确定，且益生菌是否直接影响肠道菌群尚有争议。该领域需要设计良好的随机对照试验进一步研究。将来针对与特定IBD表型相关的特定微生物变化来设计益生菌的组成，将会带来更个性化、更有效的治疗方法。

2.3 粪菌移植的应用

粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)是将健康供体的粪便移植到IBD患者的肠道中，以改变IBD患者肠道菌群组成的一种治疗方式。Imdad A等[40]纳入了四项评估FMT治疗UC的研究(277名参与者)进行分析，结果表明，在第8周时，有37%(52/140)的FMT患者疾病缓解，而对照组仅为18%(24/137)，FMT使UC患者的临床缓解率提高了2倍。

由于存在疾病异质性，不同的UC患者对FMT的反应情况并不一致[41]，但是在FMT后获得缓解的患者中发现，其黏膜和粪便样本中具有更大的微生物多样性，短链脂肪酸生物合成水平和次级胆汁酸的产生增加[42]。

Sokol H等[43]关于FMT在CD中应用的研究发现，部分患者接受FMT治疗后，供体和受体菌群的相似性指数较低，表明单一的FMT可能不足以在这些患者中诱导显著的变化，但在CD内镜下严重指数评分和CRP水平上观察到FMT优于对照组。

但我们还需要进行更多该领域的随机对照试验，并且根据IBD患者的肠道菌群组成的变化更好地选择供体，未来可以根据供体及FMT之前患者黏膜或粪便样本中细菌的丰度来预测FMT之后的菌种植入情况，以判断疗效。关于FMT用于治疗IBD的安全性，以往研究发现，与FMT相关的常见不良反应包括腹胀、腹泻等胃肠道症状、与给药途径相关的误吸、小肠穿孔，以及因并发中毒性巨结肠所致结肠切除及死亡等[44-46]。目前尚需更多的研究及临床实践确定FMT治疗IBD患者的长期安全性。

3 结论和展望

IBD患者多出现肠道微生物多样性的降低和有害细菌数量的增加，说明肠道菌群的改变在IBD的发生发展中起着关键作用。在未来，多组学技术可能通过识别IBD患者肠道菌群基因组学、转录水平和代谢组学改变来进一步预测与IBD相关的宿主微生物变化。通过食用更多膳食纤维、应用益生菌治疗可诱导IBD患者疾病缓解。粪菌移植在一定程度上也可以诱导临床缓解。此外，基于肠道菌群的治疗干预措施，可以通过恢复菌群组成、促进上皮屏障重建、促进免疫耐受和组织愈合来诱导临床缓解，关注疾病亚型之间与微生物群相关的显著差异对于提高治疗效果至关重要。总之，肠道微生态领域方面的研究，对于IBD的诊断、预测和治疗具有重要意义。由于肠道微生态组成具有高度的个性化，所以未来的研究可能需要将焦点放在IBD患者的纵向跟踪上，了解IBD患者中不同个体的微生物特征，并制定个性化的治疗方案。