鼠李糖乳杆菌治疗肠易激综合征机制新进展

苏帅,王欣,王玉明,王邦茂,天津医科大学总医院消化内科 天津市300052

张智芳,天津市西青医院神经内科 天津市 300380

0 引言

肠易激综合征(irritable bowel syndrome,IBS)是最常见的功能性胃肠病之一,其在全球的患病率为5%-15%[1].我国普通人群IBS总体患病率为1.4%-11.5%,然而仅25%的IBS患者到医院就诊[2].我国最新专家共识意见定义IBS：以腹痛、腹胀或腹部不适为主要症状,与排便相关或伴随排便习惯如频率和(或)粪便性状改变,通过临床常规检查,尚无法发现能解释这些症状的器质性疾病[2].IBS虽然不会危及生命,但它却是影响患者生活质量最常见的病因之一[3].因此探寻IBS的有效治疗方法具有重要意义.关于IBS的治疗方法有很多,其中益生菌对改善IBS症状具有一定疗效且相对安全[4].鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus rhamnosusGG,LGG)是当今世界上最著名、被研究最多的益生菌菌株之一.LGG有其自身的优势以及特点,其在治疗肠易激综合征方面不断有新的进展.本文将对LGG及其治疗IBS的可能机制进行简述.

1 鼠李糖乳杆菌介绍

鼠李糖乳杆菌(LGG)属于厚壁菌门、芽孢杆菌纲、乳杆菌目、乳杆菌科、乳杆菌属.LGG是由美国教授Barry Goldin和Sherwood Gorbach在上世纪80年代从健康人的肠道中分离获得的一种乳酸杆菌.“GG”即取自Barry Goldin和Sherwood Gorbach两位教授的姓氏首字母,故称为LGG.1985年4月17日两位教授为LGG申请了专利.LGG最初由美国典型培养物保藏中心(American Type Culture Collection,ATCC)命名为嗜酸乳杆菌GG株,专利号为53103(ATCC53103),后被重新分类为鼠李糖乳杆菌.

LGG是第三代益生菌,本身不带有致病性、产毒素及耐药性基因.目前LGG(ATCC53103)的基因组序列已被解码[5]；LGG基因组测序和分析发现LGG存在spaCBA-srtC1基因岛可以编码SpaC,SpaB和SpaA菌毛蛋白,LGG菌毛能使其在宿主胃肠道长时间定殖以及稳定的存在,亦可参与信号转导以及生物膜的形成等[6].近些年研究发现[7-11]LGG所分泌的多肽或蛋白很多,其被认为是发挥益生作用的主要活性成分,其中备受关注的主要包括Msp1/p75、Msp2/p40和HM0539等.

LGG具有一些其它益生菌所不具备的功能,具有其独特的优势.首先,LGG对胆汁和胃酸的耐受性比较好,这使得其被服用后能够稳定地发挥益生作用[12].其次,LGG菌毛使其对胃肠道环境的定植能力优于其它益生菌菌种.再次,LGG在最终产品中的稳定性非常好,可以长期保持较高的活菌数.最后,LGG发酵过程中只产生乳酸,对人体无副作用,安全性比较好.

2 鼠李糖乳杆菌治疗肠易激综合征的机制

肠易激综合征发病率近年来逐渐上升,显著影响着人们的生活质量,因此探讨IBS发病机制具有重要意义.但是目前IBS病理生理机制不明,故目前尚缺乏特异性的药物进行治疗,而益生菌的应用为IBS的临床治疗提供了新思路.临床上治疗IBS常用的益生菌很多,LGG是其中一种.由于LGG有其独特的优势,用其来治疗IBS成为临床研究的热点之一.曾有研究对PubMed数据库所发表的13项荟萃分析、3项系统评价和15项随机对照试验进行评估后得出结论：LGG用于治疗儿童IBS证据充分[13].目前LGG治疗IBS具体机制仍然不明.研究普遍认为IBS的发病与肠道菌群、肠道屏障功能、肠道免疫功能和内脏敏感性等多种因素有关,近年来关于LGG对上述多种因素的研究不断有新的进展.本综述将从6个方面对LGG辅助治疗IBS的机制进行探讨.

2.1 调节肠道菌群失调 IBS患者存在肠道菌群失调.研究发现IBS患者肠道菌群在种类和数量上与健康人比较存在明显差异,如IBS患者粪便中乳酸菌属和双歧杆菌数量下降,而球形梭菌、多形拟杆菌和绿脓杆菌等增加,且患者腹胀症状与上述菌群变化相关[14].研究发现LGG占总乳酸杆菌的比例具有个体差异,而且其所占比例可能与肠道本来的乳酸杆菌数量有关[15],当乳酸杆菌数量以及比例下降,可能引起菌群失调.所以可通过外源性补充LGG增加肠道内有益菌(比如双歧杆菌和乳酸杆菌)的数量从而改善IBS.随机对照研究表明补充混合益生菌(包括LGG、嗜酸乳杆菌、乳双歧杆菌、长双歧杆菌、短双歧杆菌及嗜热链球菌)治疗IBS患者4 wk,粪便中乳酸杆菌、双歧杆菌计数明显增加,肠道菌群恢复正常,IBS患者的症状得到缓解[16].另有研究发现给予IBS患者补充益生菌(LGG,LC705,费氏丙酸杆菌)数周,在治疗结束时对IBS患者进行评分,治疗后IBS患者评分比治疗前明显降低,且不适症状减轻,肠道菌群失调进一步改善[17].深入研究发现[18]LGG可以减少抗生素对肠道菌群的影响：学龄前儿童经常因各种原因应用青霉素而引起肠道菌群变化,但摄入LGG后可以减轻青霉素对肠道菌群的影响.以上研究说明LGG可以调节肠道菌群失调.

LGG调节肠道菌群有其自身独特优势.与其他菌株相比(如乳酸菌LC705),LGG在胃肠道定植持续时间更长,相对浓度更高,这使其能够更稳定地调节肠道菌群[6].研究发现LGG之所以具有稳定的肠道定植能力,主要依赖于菌毛,菌毛是类似伞状菌的附属物,而这一结构使其具有良好的粘附能力[19].目前研究发现LGG中SpaCBA菌毛在粘附粘液中起关键作用,肠粘液层是LGG在人体定植的首要选择[20].降结肠是LGG倾向于定植的部位[21].深入研究发现LGG在成年人肠道的粘附率明显高于儿童,主要是因为成年人的肠道环境更为成熟,更适合LGG粘附,这样能使其更稳定的调节肠道菌群.

2.2 保护肠道屏障功能 肠道屏障功能对人体具有非常重要的功能,可以防止有害物质穿过肠粘膜进入体内组织、器官和血液循环.当发生IBS时,电镜下发现肠黏膜上皮部分细胞间隙明显增宽,细胞间可见桥粒样结构,有绒毛断裂现象,说明肠道屏障功能受损.当肠道屏障功能受损,肠道内细菌、病毒、寄生虫可以直接通过肠上皮细胞进一步危害人体.益生菌可通过保护上皮细胞间的紧密连接作用,促进肠道黏蛋白的分泌,增强黏膜的屏障作用.

益生菌LGG同样具有保护肠上皮屏障的功能[22].⑴LGG可通过增加肠黏蛋白的表达来增强肠上皮屏障功能.LGG分泌产生的P40能够将LS174T细胞和小鼠结肠上皮细胞中EGFR反式激活,从而促进肠粘蛋白的产生保护肠上皮屏障功能[23].LGG来源的可溶性蛋白HM0539同样能够通过增强肠粘蛋白的表达来保护肠上皮屏障功能[24].⑵LGG可通过增加紧密连接蛋白表达水平来增强肠上皮屏障功能.腹泻型IBS存在肠黏膜通透性增加,紧密连接蛋白Claudin-4、Occludin、ZO-1表达会明显下降,肠道屏障功能随之下降,但是经过LGG干预后,紧密连接蛋白表达水平可明显增加,且结肠黏膜中干扰素和白介素-4的表达水平明显降低,最终改善肠道屏障功能[25].Orlando等[26]同样发现LGG可以增加紧密连接蛋白的表达,此研究首先用胃蛋白酶-胰蛋白酶-PTG诱导大鼠肠粘膜的损伤,随后发现损伤后的肠粘膜会出现肠细胞间紧密连接(tight junctions,TJs)蛋白和粘附连接(adheren junctions,AJs)蛋白表达减少；进一步给予大鼠LGG饮食,发现LGG可以阻止TJs蛋白和AJs蛋白表达减少,进而保护大鼠肠粘膜免受损伤.⑶LGG可通过其他机制来增强肠上皮屏障功能.Henry等[27]发现使用鼠李糖乳杆菌预处理上皮细胞,可使其免受出血型大肠埃希菌的侵害,其原因是LGG可加固肠黏膜屏障,帮助肠上皮层抵御致病菌入侵.进一步研究发现LGG对肠道屏障功能保护作用需要菌毛粘附蛋白SpaC的参与[28].

2.3 抗炎作用 IBS的发病可能与促炎性细胞因子和炎症抑制因子之间的失衡有关.IBS患者回肠末端、空肠和结肠的肥大细胞数量增多和功能异常,并且CD3＋、CD4＋、CD8＋的T淋巴细胞的数量也明显增多.

LGG可能具有抗炎作用.首先,LGG通过影响NF-κB途径来发挥抗炎作用.Yang等[29]应用婴儿沙门氏菌诱导猪的肠道出现炎症,随后外源性补充LGG后发现其可上调T-bet、激活STAT3通路和下调CCL2通路减轻肠道炎症；该研究团队进一步发现LGG之所以能够在沙门氏菌感染的猪模型中发挥抗炎作用,主要是因为其通过抑制NF-κB途径来减少在肠道中NLRP6介导的炎症小体[30].另有研究发现[31]幼年大鼠摄入二氧化钛纳米粒子(titanium dioxide nanoparticles,TiO2 NPs)可引起结肠上皮组织炎性损伤,口服LGG可以通过下调NF-κB的表达改善幼鼠结肠损伤.不仅LGG能够通过影响NF-κB途径发挥抗炎作用,LGG部分结构成分同样可以影响NF-κB途径发挥抗炎作用.研究发现[32]LGG的部分成分[表层蛋白(surface layer protein,SLP)；基因组DNA(gDNA)；未甲基化的胞嘧啶-磷酸-鸟嘌呤的寡脱氧核苷酸(CpG-ODN)]可以抑制LPS所诱导的TLR/MAPK/NF-κB信号传导通路的激活,减少炎症因子TNF-α和IL-6的产生,对上皮细胞有抗炎作用.其次,LGG通过影响肠上皮自噬作用来发挥抗炎作用.LGG可以通过促进表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor,EGFR)的激活和Akt的磷酸化,进而抑制沙门氏菌所导致的猪肠炎模型中的上皮自噬作用,从而抑制肠上皮细胞死亡[33],说明LGG可以恢复自噬相关的肠上皮屏障功能进而减少炎症并控制感染.另外,研究发现[34]LGG和嗜酸乳杆菌的上清液通过抑制人单核细胞THP-1中MMP-9基因的表达,增加金属蛋白酶组织抑制因子TIMP-1的表达和减少CD147表达,从而使炎症因子的活性下降,同样说明LGG具有抗炎作用.

2.4 调节肠道免疫 IBS患者结肠黏膜免疫系统被激活,大量免疫细胞浸润,炎症细胞因子释放.PI-IBS患者肠黏膜活检中肥大细胞、淋巴细胞等免疫细胞数量增加,细胞因子产生增多,以上说明膜免疫可能参与了IBS的发生.LGG及其上清液均具有调节肠道免疫的功能.首先LGG具有调节肠道免疫的功能：(1)动物试验研究：Shen等[35]将从LGG分泌的p40喂养野生型小鼠,小鼠出生后第2-21天伴随早期IgA的产生,p40同时能够调节T细胞的分化,这些发现揭示了p40在新生小鼠肠道功能的成熟和先天免疫方面可发挥作用.另外,LGG通过调节TLR表达和抑制MAPK和NF-kB信号传导通路减少炎症因子,从而对LPS诱导的猪IEC具有免疫调节作用,这证实了LGG具有调节肠道免疫的功能[36].(2)临床试验研究：Sindhu等[37]发现124名轮状病毒感染的儿童出现腹泻后给予LGG治疗,患儿IgG的水平显著增加,肠粘膜通透性显著改善,以上证明LGG可能参与了免疫调节.其次,LGG上清液中的成分可能具有调节肠道免疫的功能.研究表明LGG上清液可激活DC的因子进一步诱导T细胞具有Th1调节表型,表明了LGG来源的可溶性介质能够调节获得性免疫细胞[38].

LGG之所以具有调节肠道免疫的功能,可能与其具有免疫效应的关键物质-脂磷壁酸(lipoteichoic acid,LTA)相关.研究发现[39]LTA是乳酸杆菌与宿主相互作用的重要的分子之一,并且是抗炎和免疫调节作用的关键因素.因此目前猜测LGG能够调节肠道免疫的功能需要LTA的参与,但是这需进一步的研究来证实.LGG上清液能够调节免疫,也可能有LGG代谢分泌产物的参与,但这也需要进一步的研究证实.

2.5 改善内脏高敏感 IBS患者内脏敏感性异常涉及肠道局部、脑一肠轴等多个层面.目前普遍认为内脏敏感性异常是IBS的主要病理生理学机制.IBS与内脏高敏感密切相关,腹泻为主的IBS患者对直肠扩张试验的耐受性明显低于对照组[40].研究表明[41]肥大细胞在IBS内脏高敏感中发挥重要作用,肥大细胞活化脱颗粒释放5-HT、组胺等,使内脏感觉神经纤维致敏,导致肠道运动功能异常.目前普遍认为5-HT参与了调节肠道运动功能.Buhner等[42]对76例IBS患者结肠黏膜活检发现,黏膜肥大细胞数目和上清液中5-HT、组胺含量明显高于对照组.

LGG可以通过改善内脏敏感性进一步改善IBS症状.动物实验发现给予大鼠LGG和/或益生元聚葡萄糖/半乳糖低聚糖(PDX/GOS)可以通过改善结肠敏感性进一步改善内脏痛觉过敏,这可能与大脑中神经递质水平的变化有关[43].我们研究发现[44]LGG上清液可以上调PIIBS大鼠结肠黏膜SERT的表达,同时改善大鼠内脏敏感性从而进一步改善IBS.另外,关于LGG的临床研究发现了相同的结论：LGG治疗肠易激综合征患儿,不仅可以改善内脏高敏感,同时还可以改善患儿的疼痛频率和强度[45]；LGG治疗急性胃肠炎患儿可以通过改善内脏高敏感性从而改善腹痛,并且可以缩短腹泻持续时间[46].

2.6 抑菌作用 感染后IBS是IBS患者中一种重要类型.被肠道病毒、细菌或寄生虫感染的患者,在病原体已被清除及黏膜炎性反应消退后仍可发生IBS样症状,提示病原微生物感染可能在某些类型的IBS中发挥作用.益生菌可以用来治疗感染后IBS.虽然益生菌治疗感染后IBS具体机制不清楚,但是目前认为可能作用机制如下：(1)益生菌能够黏附在肠黏膜上皮细胞与肠道其他细菌竞争营养物质和空间,同时加强黏膜屏障,并阻止病原体入侵.(2)由益生菌产生的有机酸及细菌素可以抑制致病菌的生长,降低感染后的炎症反应.

LGG除了通过上述机制发挥抑菌作用,还具有其自身特点的抑菌机制.Petrova等[47]研究筛选了LGG的基因组序列中两个基因(LGG_RS 02780和LGG_RS 02750),它们编码的凝集素样蛋白有N末端保守的L型凝集素结构域,因此被命名为凝集素样蛋白质1(galectin-like protein 1,LIp1)和凝集素样蛋白质2(galectin-like protein 2,LIp2).LIp1和LIp2具有显著的抑制各种病原体生物膜形成的活性,包括临床沙门氏菌和尿路病原体大肠杆菌等,从而达到抑菌作用.

3 结论

本文通过对LGG治疗IBS的可能机制进行了回顾总结.益生菌LGG在体外实验、动物实验以及临床试验中被证明治疗IBS有效,其作用机制与调节肠道菌群失调、保护肠道屏障功能、抗炎、调节肠道免疫、改善内脏高敏感和抑菌等有关.但上述机制仍有很多未能明确.例如,LGG通过何种具体机制在体内发挥作用来治疗IBS并不清楚；LGG代谢产物在治疗IBS过程中是否发挥了重要作用仍需要进一步的研究.同时临床上应用LGG治疗IBS的研究需要进一步完善,例如LGG的疗程及剂量仍需进一步确定,从而为临床安全使用LGG治疗IBS提供更多循证医学证据.