肠道菌群和肠-肺轴在热射病中的作用*

江利亚， 王 娇， 张玉想

（解放军总医院第八医学中心重症医学科，北京100091）

热射病（heat stroke，HS）是中暑最严重的一种疾病状态，其特点是核心体温≥40℃和中枢神经系统异常（主要为意识障碍），并伴有多器官功能障碍综合征（multiple organ dysfunction syndrome，MODS）的临床表现。根据有无剧烈运动史和易感人群的不同，HS可分为经典型HS（classic HS，CHS）和劳力型HS（exertional HS，EHS）。CHS主要由于被动暴露于热环境引起机体产热与散热失衡而发病，常见于年幼体弱者或有慢性基础疾病的个体。EHS 主要由于高强度体力活动引起机体产热与散热失衡而发病，常见于进行高温作业的官兵和建筑工人，以及热爱运动的健康青年人［1］。如不得到有效救治，HS 病死率高达70%［2］。HS 发生时，肠道内皮损伤，肠道细菌移位，可诱发或加重HS 全身炎症反应。近年来，随着肠道菌群的研究热度不断攀升，肠道菌群在HS 发病机制中的作用逐渐引起人们重视。肠道菌群紊乱能使肠道通透性增加，加速HS 进展［3］。本文将着重对肠道菌群失调及肠-肺轴在HS发生发展中的作用进行综述。

1 HS相关概述

HS 主要发病机制通常包括高温直接热损伤和炎症因子介导的氧化应激反应。高温环境下，机体核心体温升高，为了散热，皮肤外周血流量增加，内脏血流量减少。随着受热时间的延长，机体从代偿阶段（散热＞产热）到失代偿阶段（产热＞散热），中心静脉压下降，大量热蓄积刺激机体，内脏器官处于缺血、缺氧状态，各器官功能发生障碍。研究表明，一方面机体温度超过41.8 ℃会对正常细胞产生损伤反应，而肠道和肝脏是最早出现损伤的脏器；另一方面缺血和热应激也会通过炎症反应使机体发生氧化应激，二者结合致使肠道通透性进一步扩大，屏障功能被破坏，释放的内毒素逐渐超过肝脏的排毒代谢能力从而导致内毒素血症。内毒素释放入血液后激活免疫系统，释放炎症因子如肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）和白细胞介素1β（interleukin 1β，IL-1β），过量的促炎因子（IL-2、IL-6 和IL-8）级联放大炎症反应，如此循环，最终导致MODS。可见肠道屏障功能破坏导致内毒素进入循环是HS 发病机制中的重要环节［4-5］。

EHS救治的核心应遵循3个关键点：迅速降低核心体温、血液净化及防治弥散性血管内凝血（disseminated intravascular coagulation，DIC）。EHS 的院前急救至关重要，黄金“半小时”（30 min 内温度降至39 ℃以下）和白金“两小时”（2 h内温度降至38.5 ℃）的降温措施可显著降低病死率，改善预后。入院后的器官功能支持也是提高存活率的关键，尽早开始连续性血液净化［如连续性肾脏替代治疗（continuous renal replacement therapy，CRRT）］及早期纠正凝血功能紊乱治疗，不仅能延缓EHS的疾病进展，预防MODS，还能减少其并发症［6］。

2 肠道菌群及其作用

2.1 肠道菌群 肠道菌群是对占据肠道内数量和种类数以万计的微生物群的总称。肠菌总体数量是人体细胞总和的10 倍以上。微生物群在肠道不同部位的分布具有差异性，例如空肠在多样性和密度方面主要支持革兰氏阳性需氧菌和兼性厌氧菌的生长，包括乳酸杆菌、肠球菌和链球菌，而向回肠过渡时，好氧菌则占优势［7］。正是因为肠道细菌分布的密度和类型不同，肠道区域敏感性对免疫应答有着很大的影响［8］。肠道菌群和人体健康息息相关，不同生理状态、疾病和饮食都会影响其构成［9］。正常情况下，肠道微生物群与宿主处于平衡状态，相互制约，相互作用。不仅能维持机体免疫稳定，肠道微生物代谢产生的主要产物短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）还能及时给肠道提供营养，维持肠道正常的生理功能［10］。

2.2 HS 与肠道菌群失调 HS 急性期因高热、血容量不足、胃肠道缺血（胃肠道血液分流至皮肤和肌肉）、DIC 等有害因素，常造成肠壁水肿、肠腔积液甚至出血。发病3 d 内HS 患者即可出现肠道损伤的临床表现：恶心、呕吐、腹痛、腹泻、水样便等［1-2］。肠壁黏膜是机体和外界相通的最大界面，其构成的黏膜屏障成为抵御外界有害物质进入内环境的第一防线。正常情况下，肠上皮细胞主要以紧密连接、缝隙连接、黏附连接等方式构成肠道屏障的完整性［11］。热应激可损害肠道屏障，增加紧密连接的通透性，从而改变肠道菌群的多样性［12］。Duracy 等［13］的研究表明，热应激会降低小鼠肠道厌氧/需氧细菌比例，有益菌减少，而溶血性细菌、葡萄球菌、大肠杆菌等病原菌数量增加。许多研究证实，小鼠在发生HS 时，肠道菌群多样性指数和丰富度指数均降低，进一步分析菌群结构组成可知，HS 组拟杆菌门丰富度显著升高，而厚壁菌门和变形菌门丰富度则明显降低［14-15］。镜下观察到热应激打击后肠腔黏膜受损、微绒毛丢失、细胞出现空泡化等现象［16］。长期高强度运动亦会导致肠通透性增高，造成肠道微生物种类多样性减少，双歧杆菌含量明显下降［17］。这提示热应激与剧烈运动对于肠道屏障功能损害具有协同作用。

2.3 HS 致肠道菌群失调的分子机制 肠道屏障功能障碍是HS导致肠道菌群失调的重要机制。而肠道屏障主要由有活性的肠道上皮细胞及表达正常的紧密连接蛋白构成。大量热蓄积及运动可直接打开肠道紧密连接，增强黏膜通透性（图1）。He 等［18］证实，热应激可通过下调肠道细胞骨架蛋白表达，诱导细胞骨架发生重组，从而提高肠道通透性。他们继而利用相对和绝对定量同位素标记技术（isobaric tags for relative and absolute quantitation，iTRAQ）证实了热应激诱导细胞骨架重组和炎症反应是通过激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）信号通路而导致肠道损伤的。Yang 等［19］证明，热应激介导的氧化应激通过抑制腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）轴下调猪支持细胞紧密连接蛋白occludin 和ZO-1 的表达。肠道紧密连接蛋白的下调使肠道内皮细胞之间“缝隙”变大，革兰氏阴性细菌细胞壁的主要成分脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）大量释放入血，造成内毒素血症。LPS 与宿主细胞膜表面的Toll 样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）结合，诱导一系列下游反应，通过髓样分化因子 88 依赖途径发出信号，激活MAPK、NF-κB 等介导的信号通路，进而促进促炎因子如IL-1β、IL-6和TNF-α表达，造成组织损伤和肠道通透性增加［20］。

L-精氨酸是人体必需氨基酸，已有证据表明它可参与多种分子途径，包括蛋白质合成、细胞迁移和免疫反应等［21］。Huang 等［22］先前研究表明，在 HS 条件下L-精氨酸能促进紧密连接蛋白的产生，保护肠道完整性。该团队进一步研究证实，L-精氨酸通过AMPK 依赖的方式促进紧密连接如ZO-1 和claudin-1的表达来改善被热应激破坏的黏膜完整性［23］。

3 肠-肺轴在HS中的作用

3.1 肠-肺轴 肠道内富含大量定殖菌群，起着维持器官功能、系统稳态和免疫调节的重要作用。当肠道局部菌群发生变化时，不仅肠道功能和远隔脏器（肝、肺等）的免疫功能受到影响，肺部抵抗力也会减弱，肺部疾病的患病率增加；同样的，当肺部疾病发生时消化道也会出现相应的症状［24］。这种肠肺间的相互影响称为肠-肺轴［25-26］。肠与肺不仅具有相同的胚胎起源，结构上也有相似性。二者具有的黏膜结构，既是多种微生物群的生存场所，也是构成黏膜免疫系统保护机体免受病原体侵害的重要结构［27］。

Figure 1. The mechanism of intestinal damage caused by exercise or heat stress. A：in the whole body，the thermoregulatory response shifts the splanchnic blood flow to the peripheral blood circulation，resulting in hypoxia in intestines and intestinal barrier dysfunction. B：at the cellular level，hyperthermia leads to disruption of intestinal epithelial integrity，mainly by affecting the tight junctions（TJs）and adherens junctions（AJs），which are responsible for sealing the paracellular space between adjacent cells. Damage to TJs and AJs facilitates the transfer of luminal toxins and pathogens（light blue bodies）through the epithelial barrier into the lamina propria，harboring numerous immune cells that are activated and contribute to the exaggeration of inflammatory reactions，which may further worsen the intestinal damage. ZO：zonula occludens protein.图1 热应激/运动导致肠道损伤的机制

肠-肺轴是一个可被双向刺激、双向调节的环路，肠内刺激可转移到肺，肺也可反馈给肠道［28-29］。正常肠道中的微生物群通过LPS 和SCFAs 来维持胃肠道和肺的免疫应答［30］，而免疫细胞从肠到肺的迁移则被认为是它们之间重要的联系通路，迁移则又是借助淋巴细胞完成的，因此淋巴系统很可能是肺与肠之间“相互交流”的重要途径［29］。关于肠-肺轴的相互作用，目前认为可能与肠道微生物所影响的全身机体免疫系统改变有关（图2）。

3.2 肺肠之间的联系和影响 肠-肺轴表明肠道和肺脏在功能上相互为用且病变上相互影响，这一点早在中医理论学说“肺与大肠相表里”中得到证实［31］，并经验性地有效运用在临床上［32-33］。

当机体受到热应激时，诱导产生一系列炎症反应，肠道血管通透性增加，细菌易位，最后形成脓毒症。肺是细菌易位后最易受损的器官，从而也更容易导致急性肺损伤。李岩［34］在急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome，ARDS）大鼠模型的粪便样本中检测出肠道菌群梭菌门、幽门螺菌属和罗氏菌属数量减少，其菌门、属的减少可能是肠道对ARDS 的发生作出的应激反应，提示肠、肺之间存在密切联系。Dickson 等［35］利用菌群多样性测序分析盲肠结扎穿孔法（cecal ligation and puncture，CLP）模型组及对照组小鼠肺部菌群来源的变化，结果显示脓毒症后肺部菌群明显富含小鼠肠道相关细菌，包括拟杆菌、肠球菌和毛螺杆菌，并且肺部菌群的多样性变化在第5 天达到峰值，随着CLP 后时间的延长，肺部菌群多样性差异逐渐减小，在2 周后恢复正常。鉴于脓毒症后“肠道细菌向肺移位”的这一证据，作者利用同样方法对ARDS 患者的支气管肺泡灌洗液进行测序，结果亦显示富含肠道相关拟杆菌，且观察到肠道拟杆菌的相对丰度与血清TNF-α 浓度之间存在显著相关性。因此这些结果说明肠道菌群在脓毒症和ARDS 的发病机制中具有潜在的共性，肠道菌群可能是肺与肠之间联系的桥梁。

Figure 2. Gut-lung axis. Gut and lung are linked organs that can reciprocally influence their homeostasis. The gut microbiota dysbiosis is associated with lung health. A healthy intestinal microbiota maintains homeostatic local immune responses through exposure to structural ligands（e.g. LPS）and secreted metabolites（e.g.SCFAs）. Invading microorganisms and absorbed metabolites influence circulating lymphocytes and contribute to the regulation of systemic immune responses. When the gut microbiota is disturbed，the normal microbiota-derived signals are altered，which leads to changing immune response of the lung.图2 肠-肺轴

关于肠道菌群及内毒素易位的途径还尚不明确。Jakobsson 等［36］用 LPS 法建立肺炎模型实验中提示肺部细菌可能是通过血液到达肠道。而最新提出的“肠系膜淋巴途径”可能也参与热应激后肠源性活性因子TNF-α、IL-6、IL-1β 等炎症因子的运输。肠系膜淋巴结被认为是缺血后肠道毒性因子渗出物（如细菌和或内毒素）进入循环导致器官损伤的重要来源，在Tong 等［37］前期的研究中证实结扎肠系膜淋巴结有助于减轻HS 后人脐静脉血管内皮损伤，改善预后。肺是暴露于肠系膜淋巴通路的第一血管床。为了进一步验证结扎肠系膜淋巴管是否可减轻HS 导致的肠源性肺损伤，该作者利用结扎肠系膜淋巴管的方法来观察大鼠血清炎症因子和肺损伤的变化，结果显示，与HS组相比，HS+结扎肠系膜淋巴管组大鼠血浆促炎细胞因子TNF-α、IL-1β、IL-6 和高迁移率族蛋白B1的水平明显降低，肺损伤评分也显著降低，肺功能得到改善，但未降至正常水平，从而更进一步证实结扎肠系膜淋巴管可在一定程度上减轻大鼠HS肺损伤，包括保护内皮细胞、改善凝血功能及PaCO2、PaO2、动脉血pH等肺功能指标。但需提出的是，此实验仅可延缓HS 的发病时间，如HS+结扎肠系膜淋巴管组的发病时间比HS组平均迟8.4 min，但生存时间的差异无统计学意义，表明HS 的致病机制复杂，肠系膜淋巴源性损伤只是其中之一［38］。“肠系膜淋巴途径”同样见于急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）肠道菌群易位导致的肺损伤机制中［39］。AP常伴有肠屏障功能受损，菌群易位、紊乱，特点为有害菌（大肠埃希菌、肠杆菌等）增多并伴有益菌（双歧杆菌、粪杆菌等）减少，造成远隔器官（如肺）衰竭，形成“二次打击”［40-41］。Pan等［42］在AP模型小鼠注射肠道菌群代谢产物丁酸后观察到血清IL-6、TNF-α 等炎症因子降低，中性粒细胞浸润减少，肺损伤减轻。肠道菌群代谢产物通过介导TLR4 途径来调节下游NF-κB、IL-6等炎症因子水平，从而减轻LPS 诱导的急性肺损伤［43］，说明肠道菌群能通过TLR4 途径来减轻肺损伤。HS的肺-肠轴机制目前尚不清楚，而肠道菌群参与AP相关性肺损伤的发现，可为以后HS的发病机制及进一步的微生物治疗研究提供参考资料。

在其他疾病，也有研究表明肠和肺之间存在相互作用。例如，慢性阻塞性肺疾病患者的肠通透性增高，其溃疡性结肠炎和克罗恩病的患病率升高［44］；新型冠状病毒通过血管紧张素转化酶2（angiotensinconverting enzyme 2，ACE2）进入细胞，而ACE2 在肺和回结肠上皮细胞中呈高度表达［45］。上述研究说明肠和肺之间相互影响，肠病伤及肺，肺病亦致肠损伤，而肠道菌群有可能则是它们相互联系的基础。这一理论为HS的肠-肺轴机制研究打下基础。

4 总结

综上所述，肠作为HS 发病过程中重要的受损器官之一，在HS 发生、发展中发挥着重要作用。早期快速降温和积极液体复苏是HS 救治的关键，是减轻和防止胃肠损伤，阻断病程进展的重要措施［1］。保护肠道，尽早肠内营养，可避免肠道进行性损伤加重、大量细菌释放入血导致的二次打击乃至脓毒症休克。此外，肠在指导免疫反应方面发挥着重要作用，肠道内代谢物，如SCFAs 等，随血流释放到各脏器可发挥抗感染的特性［46］。目前菌群与宿主之间的影响，以及局部菌群与远端器官的交叉影响仍处于研究的初始阶段，肠-肺轴间的相互作用具体涉及哪些细胞与因子仍未可知。因此有必要进一步探索HS 发病机制、肠肺损伤特点及肠-肺轴相互作用机制，在此基础上探索新的治疗途径，将会对HS 的治疗及预后改善起到重要作用。