肠道微生物群在脓毒症中作用的研究进展

贾 璇, 潘郭海容, 田 圆, 王瀚黎, 梁 群

(黑龙江中医药大学, 黑龙江 哈尔滨, 150040)

脓毒症是由于感染引起宿主免疫失调反应而导致脏器功能衰竭的全身炎症反应综合征(SIRS), 亦是引发多器官功能障碍综合征(MODS)的最主要原因[1]。脓毒症至今仍缺乏成熟、有效的治疗手段[2]。临床普遍采用抗生素疗法，疗效提升并不显著，近年来大量临床研究表明，全程使用单一抗生素会破坏肠道微生物群，使脓毒症患者病情加重[3]。肠道在吸收营养和防止肠内微生物群、毒素异常位移方面起着至关重要的作用[4], 长期以来肠道一直被认为是脓毒症MODS的发动机。研究[5]表明，肠道受损后，微生物群和毒素从肠腔内转移到血液循环系统中，正常肠道微生物群的结构和功能遭到破坏，进而诱发脓毒症发生或加速脓毒症的进展。因此，基于肠道微生物群对脓毒症的影响机制，探寻非传统抗生素疗法是脓毒症潜在的治疗靶点[6]。本研究从3个方面讨论肠道微生物群与脓毒症的相互作用。首先，在脓毒症发病之前，肠道微生物群机制发生改变，包括致病性肠道细菌的增多、刺激免疫系统产生强烈的促炎反应及减少有益微生物群产物的生产，会导致脓毒症的易感性增强; 其次，脓毒症期间，肠屏障功能受损，肠道微生物群紊乱，发生易位，导致脓毒症病情恶化并增加MODS发生的概率; 最后，基于肠道微生物群开展的一系列生物疗法，如益生菌疗法、选择性消化道去污染及粪菌移植疗法，可以在一定程度上恢复肠道微生物群正常结构，缓解炎症反应，降低脓毒症恶化风险，改善脓毒症的预后。

1 脓毒症易感性增强的肠道原因

人体从出生开始，在几周之内完成各系统多样化发育，获得肠道有益共生菌，保护机体免受病原体的侵袭[7]。当有益共生菌缺乏时，包括葡萄球菌在内的致病性肠道细菌占据主导地位，这些细菌的大量易位引起脓毒症发生。研究[8]表明，抗生素的过度使用是破坏肠道微生物群、导致专性厌氧菌缺乏的主要原因。随着抗生素使用时间延长，肠道微生物群逐渐失衡，脓毒症患者的病情也不断恶化，二者之间呈正相关; 因微生物群紊乱而发生各类疾病的患者，再次发生感染进而诱发严重脓毒症概率极高[9]。

肠道微生物群是免疫系统的重要调节器，肠道有益共生菌是应对感染的重要因素。当机体处于正常情况下，如若少数革兰氏阴性共生菌从肠道位移，机体随后产生抗原源，驱动产生保护性IgG，诱导产生的IgG通过直接包被细菌的方式促进吞噬细胞的杀伤，从而避免机体发生全身性感染; 革兰氏阴性菌表层细胞壁中的脂多糖(LPS)通过Toll样受体4(TLR4)被肠道细胞识别，随之而来的信号级联导致中性粒细胞从骨髓重新聚集到血液中[10]; 随后，这些中性粒细胞可有效清除血源性病原体，对机体形成保护作用，以维持肠道内环境稳态[11]。而当肠道微生物群紊乱时，则会损害免疫细胞功能。有动物实验[12]发现，小鼠在感染肺炎链球菌后，与对照组相比，有益共生菌缺乏组的小鼠，肺泡巨噬细胞代谢途径的上调，中性粒细胞细胞外陷阱的丰度低、对肺炎链球菌的捕获能力下降，导致免疫调节反应失控，小鼠脓毒症易感性增高，同时器官衰竭率和病死率升高。因此，肠道微生物群对肠外组织和器官具有系统性影响。

肠道微生物群对机体的防御功能主要归因于共生肠道细菌产生的代谢物，这些代谢物对于调节免疫细胞功能至关重要。共生肠道菌代谢物如厌氧细菌发酵的产物短链脂肪酸丁酸盐具有抗炎作用[13]。短链脂肪酸丁酸盐可以驱动单核细胞向巨噬细胞分化并抑制组蛋白脱乙酰酶-3, 通过这种抑制，丁酸盐介导巨噬细胞代谢并诱导抗菌肽的产生; Rag-Ragulator调控复合物是触发细胞焦亡的关键因子，晚期内含子/溶酶体适配子和促分裂原活化蛋白激酶(MAPK)是Rag-Ragulator复合物的成员[14-15]。丁酸盐通过上调晚期内含子/溶酶体适配子、丝裂原活化蛋白激酶和MTOR信号通路激活剂2促进清除巨噬细胞细菌，从而增强患者体内、体外的抗菌性[16]。当肠道微生物群丰度减小，可以对免疫激活做出反应的共生菌也相应减少，其代谢产物水平改变，无法在急性免疫激活期间保持相对稳定，进而不能通过提高应激耐受性来保护自己，抗菌性、抗炎性减弱，导致脓毒症的易感性增强[17]。

2 脓毒症与肠道微生物群影响机制

脓毒症与肠道生物群的相互影响主要通过炎性因子持续刺激肠上皮细胞，破坏肠屏障功能，造成大量菌群异常位移，免疫反应改变，有益共生菌及其代谢物减少，肠道微生物群紊乱，出现各器官损伤甚至发展为MODS后，进一步加重肠屏障损伤，导致恶性循环，持续加重病情[18]。

2.1 细菌易位

细菌易位是指细菌从肠道经上皮黏膜进入固有层，然后进入肠系膜淋巴结及其他无菌的器官[19]。大量的临床前和临床证据已经证明了细菌易位现象在不同临床状态中的存在[20]。

肠屏障功能损伤导致细菌易位。脓毒症患者的肠道屏障出现结构和功能紊乱，导致肠道通透性增加。脓毒症导致肠屏障损伤分3个阶段推进: 第1次损伤是内脏灌注不足或缺血[21]; 第2次损伤是复苏期间肠血流的恢复，导致缺血-再灌注损伤; 第3次损伤是肠屏障功能的丧失，造成肠屏障功能障碍，肠上皮细胞紧密连接改变，通透性增强，使得肠内细菌、内毒素可以穿过黏膜屏障[22]。异常移位的肠内细菌、内毒素首先产生促炎细胞因子，在病原相关分子入血后，会启动PAMPs模式，脂多糖结合蛋白(LBP)识别LPS，并与TLR4结合，活化NF-κB、MAPK信号通路，引起级联反应，释放大量的炎症介质，发生局部肠道炎症反应。即使易位的细菌和病原相关分子被困在肠上皮或肠淋巴结内，临床表现为局部炎症反应，短时间内未能遍及全身，这些物质依然通过肠系膜淋巴管进入体循环。

细菌易位引起脓毒症及器官损伤。微循环再灌注恢复后，肠道内DAMPs首先被吸收到肠系膜淋巴系统，这些DAMPs经由肠系膜淋巴管排入乳糜池，后通过胸导管在左锁骨下静脉排入体循环。肺动脉是DAMPs经由肠系膜淋巴管到达的首个血管，因此，肺也是脓毒症患者最常见的受损器官; 而DAMPs进入体循环后，全身细胞因子-趋化因子反应的过度释放，造成急性肾损伤[23]; 急性期反应中的线粒体功能障碍及内质网应激相关炎症最终导致肝功能衰竭[24]。因此，肠道微生物群和其产物通过肠淋巴管的移位可以在理论上解释，脓毒症患者经常出现各器官的急性损伤，造成MODS甚至多器官功能衰竭[25]。

2.2 免疫反应改变

免疫功能低下的患者，易位细菌的系统性传播会增高脓毒症的发病率和病死率。患者肠道微生物群组成的不同，其对脓毒症的免疫反应也就存在了差异性。实验[26]证明，增加小鼠肠道微生物组α的多样性，不仅提高了脓毒症小鼠存活率，还改变了小鼠对脓毒症的免疫反应。当为这些小鼠植入与造模时肠道定植细菌相似菌种，再次感染引发脓毒症时，由于T细胞对这些特异性细菌抗原的反应增强，其二次感染的预后结果有所改善[27]。除了影响T细胞反应外，肠道微生物群还影响体液免疫: 共生细菌直接产生IgA, 通过细菌同源性在随后的脓毒症中起保护作用[28]。这些研究表明，肠道微生物群在“启动”免疫系统对脓毒症做出反应方面发挥了作用。

脓毒症发生后，肠道微生物群中共生菌丰度的变化会引起机体炎症反应的变化。共生菌对免疫途径的影响会造成特定细胞因子表达上的差异性，一项对500名健康成人的研究表明，当外周血单核细胞受到体外微生物抗原刺激时，肠道微生物群组成与细胞因子反应相关联，共生菌中粪球菌会影响细胞因子白细胞介素-1β(IL-1β)和白细胞介素-6(IL-6)的产生，以调节对白色念珠菌等感染的引起急性炎症反应[29]。因此可知，肠道微生群中的共生物种与细胞因子表达之间相互作用。

目前，关于肠道微生物群对脓毒症患者免疫调节影响的临床试验开展依然较少，而体外实验和动物实验不能完全展现人类脓毒症期间的各项生理、病理状态，鉴于免疫失调在脓毒症发病机制中的重要性，肠道微生物群在脓毒症免疫反应中的作用值得进一步研究。

2.3 肠道共生菌代谢物

肠道微生物群衍生的代谢物调节了关键的免疫途径。其中，最重要的是共生菌代谢物-短链脂肪酸(SCFAs)，SCFAs在生理上是连接共生菌群和黏膜免疫系统的重要信号，具有调节肠道微环境的功能[30]。

丁酸盐是SCFAs之一，由梭状芽孢杆菌和粪便杆菌产生，作为一种有效的调节因子，是机体和微生物群之间的关键介体，通过上调关键的调节性T细胞转录因子Foxp3, 影响结肠调节性T细胞的分化[31], 并抑制组蛋白去乙酰化，以减少由NF-κB调节的TNF-α和IL-6等促炎细胞因子[32]。除了调节免疫功能的作用外, SCFAs对上皮细胞功能也至关重要[33]。乙酸由肠道共生双歧杆菌产生，能够调节肠道pH值，调节巨噬细胞的相关功能，减少由LPS刺激产生的致炎因子NO、TNF-α、IL-1β和IL-6, 维持肠上皮细胞内稳态，通过影响上皮细胞功能来保护机体免受肠道大肠杆菌易位的影响[34]。戊酸盐是唯一的不仅能够增加白细胞介素-10(IL-10)分泌，还能显著抑制B细胞凋亡的SCFAs。戊酸引起B细胞和CD4+效应T淋巴细胞代谢重新分布，导致糖酵解、丙酮酸氧化和免疫调节细胞因子IL-10分泌增加，发挥其免疫调节作用[35]。

脓毒症期间，感染未得到控制，肠道微生物群丰度锐减，代谢产物随之减少，炎症因子会越发产生，对免疫功能的调控能力降低甚至完全丧失，直至出现机体免疫抑制，免疫抑制会造成不可弥补的致命感染，发生更严重的内毒素易位及级联样瀑布反应，造成全身炎症反应。

如上所述，肠道微生物群通过菌群易位、免疫反应失调、肠道共生菌代谢物减少增加脓毒症易感性，同时，脓毒症也通过以上途径加重肠道微生物群的紊乱。二者相互作用，互为因果，最终导致机体出现不可逆的损伤甚至死亡。

脓毒症患者肠道微生物多样性降低，与包括革兰氏阴性需氧杆菌在内的潜在致病菌丰度较高有关[36-37]。SIRS患者的专性厌氧菌丰度较低，肠道微生物群富含如葡萄球菌和假单胞菌等潜在致病菌，这些致病菌在脓毒症期间定植于肠道内，并大量增殖。研究人员利用深度测序技术，发现脓毒症患者体内的肠道微生物群的组成发生了显著变化[38-39]。这些研究表明，在脓毒症过程中，肠道通常被单一细菌属“淹没”[40], 如梭状芽孢杆菌属和肠球菌属等具有致病性、抗药性的细菌，而可以产生SCFAs的有益共生菌，如粪杆菌属、普雷沃特氏菌属、蓝藻属和反刍球菌科等，丰度锐减[41-42]。

关于脓毒症引起肠道微生物群变化机制的研究尚不足，但是可以肯定的是，长时间使用抗生素是脓毒症相关微生物群改变的主要原因[43]。脓毒症的治疗方案一直以使用传统抗生素为主，大量临床调查发现，全程单一使用抗生素的患者预后不佳，因此亟需寻找新型有效的治疗手段。

3 基于肠道微生物群的新型治疗手段

目前脓毒症的临床治疗主要包括使用抗生素和营养支持。然而，传统疗法对肠道微生物群持续产生影响，并导致抗生素耐药性，而抗生素耐药性至今仍然是影响全球危重患者治疗的难题，基于肠道微生物群的新型生物疗法则可以解决该难题。其中包括使用选择性消化道脱污染消除潜在的致病菌，通过益生菌、益生元或合生元替代有益共生菌或微生物群衍生的代谢物，粪便微生物群移植替代部分肠道微生物群。

3.1 选择性消化道去污染疗法

选择性消化道去污染(SDD)旨在防止潜在细菌病原体出现继发定植和过度生长，同时保留厌氧菌群，从而预防脓毒症患者出现继发感染[44]。SDD包括口服或灌服不经肠道吸收的抗生素，常配伍微生态调节剂，针对致病性革兰氏阴性需氧性杆菌，对共生厌氧菌作用最小，以保留能阻止细菌定植的正常专性厌氧菌; 微生态调节剂在肠腔分解成乳酸和醋酸，抑制致病性革兰氏阴性菌生长繁殖，减少产生尿素酶，同时调节肠道内酸碱平衡度，抗内毒素活性，直接使肠道游离内毒素失活，有效清除自由基，减轻缺血-再灌流损伤，保护肠黏膜，使患者肠道共生菌的定植抗力增加，以缓解脓毒症期间的各种胃肠道不适症状[45]。

3.2 益生菌、益生元或合生元疗法

恢复微生物多样性旨在重建正常肠道微生物稳态，可以选择使用益生菌、益生元或合生元来维持肠道菌群[46]。益生菌是活的非致病微生物，可以调节自然杀伤细胞活性、NF-κB、丝裂原活化蛋白激酶、IL-6、IL-8和TNF-α等炎症途径和免疫系统中上皮细胞和免疫细胞的基因表达[47]; 益生元作为一种不可消化的营养物质，促进肠道微生物群的共生生长，通过补充肠道微生物群数量，维持肠道内稳态; 合生元是两者的组合[48]。

3.3 粪便微生物群移植疗法

粪便微生物区系移植(FMT)是一种通过健康供体粪便来恢复脓毒症患者肠道正常环境的治疗方法, FMT在微生物群组成和免疫系统修改后改善临床结果[49]。FMT恢复的微生物群，改变了干扰素调节因子3的表达，激活TLR信号通路，推动清除全身性病原体，通过增加有益共生菌的丰度，减少肠道病原体的丰度，恢复肠道微生物屏障功能，提高脓毒症患者的存活率[50]。益生菌和合生菌只能补充1种或一小部分肠内有益共生菌，而FMT则可以为患者提供供体的整个肠道微生物群。FMT可通过产生SCFAs、免疫调节等机制，实现更强大的微生物群重建，并影响脓毒症的转归。总之，应用FMT的目的是重建一个正常的肠道生态系统，提高机体对病原体的免疫功能。

4 总结与展望

基于现有研究可见，肠微生物群表现出多向性作用。脓毒症前，及时调整肠微生物群稳定性，增加有益共生菌丰度，增加包括SCFAs在内的衍生代谢物，降低脓毒症易感性; 脓毒症时，合理补充肠微生物群多样性及数量，降低肠屏障功能受损程度，减少BT的发生，纠正免疫麻痹及炎性风暴，避免肠微生物群紊乱，对于脓毒症引起的SIRS、MODS存在治疗意义; 脓毒症后，选择性补充益生菌、合生元，能够提高患者生存质量，使脓毒症预后向好。

虽然已有大量实验证实，微生物群的调节作用可以降低急危重疾病的病死率，但因未能开展多中心、大规模临床试验，这些疗法仍需不断完善，脓毒症患者进行FMT或补充益生菌、合生元之前，供体的选择、移植时机的选择及益生菌、合生元最佳给药途径在内的几个因素需要进一步研究。在具体实践中，应基于患者自身条件，个性化制订诊疗路径，精准选择益生菌，这将有助于未来使用更加安全、有效的微生物靶向治疗; 同时，还需要寻找更精确的生物标志物、研发应用更广泛的检测手段，服务于临床。关于微生物群对脓毒症机体调控机制的研究仍需不断深化，这将为指导临床用药、丰富脓毒症新型微生物靶向治疗提供基石。