肠道菌群失调在儿童囊性纤维化中的研究进展

李忠强 李睿 吴雪郡

囊性纤维化 (Cystic Fibrosis，CF) 是一种常染色体隐性遗传疾病，由7号染色体编码囊性纤维化跨膜传导调节因子 (cystic fifibrosistransmembrane regulator，CFTR) 基因突变引起，在呼吸道、胰腺、胃肠道、胆管和汗腺以及部分生殖器官的上皮表达CFTR缺陷时可出现病理变化及临床表现[1]。CFTR基因突变可改变适应性免疫反应，引起胃肠微生物组改变，肠道中的细菌整体丰度和多样性降低，潜在致病菌增加[2]。在约40%的CF患者中出现小肠细菌过度生长(small intestine bacterial overgrowth，SIBO)[3]。肠道菌群失调可对儿童CF患者的胃肠功能、呼吸道菌群、生长发育等产生影响，改善肠道菌群失调的状态，在儿童CF炎症相关疾病方面显示出初步疗效。因此，本文就肠道菌群失调在儿童CF中的研究进展进行综述。

肠道菌群的概述

儿童生后暴露于产道及周围环境，微生物经历从无到有，从定植到丰度和多样性增加，肠道是微生物定植与共生的栖息地，肠道菌群依据种属关系可分为拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门以及变形菌门；依据对氧气的需求程度分为需氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌。健康状态下多数肠道常驻微生物与人体是互惠互利的关系，肠道微生物可预防病原体感染、合成必需维生素、产生短链脂肪酸 (short chain fatty acids，SCFA) 提供能量来源、结合胆汁酸的生物转化、调节宿主代谢、调节黏膜免疫反应。肠道菌群可大致分为有益菌、中性菌和致病菌，有益菌占据数量优势，以双歧杆菌与乳杆菌为主，定植于肠道黏膜的深层，大多为专性厌氧菌，可以刺激免疫系统，改变噬菌体对细菌的影响；中性菌对机体具有双重作用，可协同有益菌维护宿主健康，也可引起宿主损伤，如大肠埃希菌；致病菌以外源性病原菌为主，如沙门氏菌等。胃肠道微生物环境受多种物理化学因素动态作用，例如饮食因素、遗传、厌氧环境、胃肠道分泌物、胃肠道运动、烟草暴露、药物等[4]。菌群生态失调是指正常微生物群之间及正常微生物群与其宿主之间的微生态平衡由生理性组合转变为病理性组合的状态。肠道菌群生态失调可上调炎症反应对机体产生损伤。大约80%的肠道微生物无法通过标准培养方法进行培养，医学技术如宏基因组学、宏转录组学、蛋白质组学和代谢组学等技术，可以帮助研究肠道微生物组与CF个体之间的关系。

肠道菌群失调对儿童CF胃肠道的影响

CF胃肠症状包括腹痛、腹胀、脂肪泻、便秘、肠道代谢异常、肝脏受累。在新生儿期表现为胎粪性肠梗阻、胃食管反流病、小肠细菌过度生长、远端肠梗阻综合征，胃肠症状严重程度与微生物生态失调具有相关性[2]。CF儿童和健康儿童之间的粪便微生物群组成存在差异。宏基因组分析显示，CF幼儿的粪便微生物群中大肠杆菌数量增加，导致胃肠道功能障碍，引起营养吸收不良和肠道炎症[5]。Enaud等观察到CF儿童的肠道生态失调与肠道炎症密切相关，主要特征是葡萄球菌、链球菌和韦永氏菌的丰度增加，拟杆菌、双歧杆菌和普拉梭菌丰度减少[6]。CF婴儿使用抗生素会引起双歧杆菌和拟杆菌数量降低，肠球菌数量增加[7]。总结文献报道，在CF患者肠道中促炎菌群，如肠杆菌、葡萄球菌、链球菌、志贺氏菌和韦永氏菌等促炎病原菌增加，双歧杆菌属和梭菌属等抗炎微生物数量减少。

CF患者和健康者之间的肠道代谢物存在差异。CF患者的产乙酸菌、产丁酸菌减少，菌群的改变引起肠道内丁酸和泛酰巯基乙胺的含量减少[8]。Vernocchi等使用16S rRNA测序和代谢组学方法对CF儿童粪便进行研究，发现菌群失调可引起γ-氨基丁酸、胆碱、乙醇、丙基丁酸和吡啶等代谢物的增加，肌氨酸、4-甲基苯酚、尿嘧啶、葡萄糖、乙酸盐、苯酚、苯甲醛等代谢物的减少；CF患者的酸性肠道环境可促进艰难梭菌和丙酸杆菌生长，产生醇、酯和吡啶等代谢物[9]。Wang Y.等研究发现CF患者肠道的乳酸增加，SCFA生物合成减少，丁酸盐浓度与梭状杆菌丰度呈正相关，丙酸盐浓度与韦荣氏球菌丰度呈正相关[10]。

肠道菌群失调影响儿童CF胃肠道机制

CF患者的胃肠道炎症与肠道通透性增加有关，慢性肠道局部炎症也会导致全身促炎状态，引起循环细胞因子、趋化因子、可溶性粘附分子水平升高，异常肠道环境可引起肠道菌群发生显著改变[10]。CF患者肠道通透性增加，可归因于多种原因，包括CFTR功能障碍、必需脂肪酸缺乏、紧密连接异常和肠道碱性磷酸酶降低[11]。CFTR的缺陷可引起消化系统功能异常，氯离子通道功能障碍导致肠道粘液粘稠，碳酸氢盐分泌减少，肠道pH值降低，肠道蠕动延迟导致肠道运动障碍，黏膜免疫机制改变，肠道炎症增强，上皮屏障破坏，CF的胃肠损害始于妊娠期，持续整个儿童期和成年期，肠道微生物环境的改变，被认为是导致CF患者肠道炎症和屏障损伤的原因之一[8]。

肠道菌群失调对儿童CF呼吸道的影响

CF患者呼吸系统表现包括持续咳嗽、支气管扩张、鼻窦炎、气道粘液阻塞、细菌清除障碍引起反复肺部感染，引起肺组织损伤和肺功能下降[12]。在CF病程中，肺微生物群的多样性逐渐减少，气道致病菌占据主导地位，主要包括金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、洋葱伯克霍尔德菌，这些细菌可在气道形成生物膜，生物膜的形成引起致病菌长期驻留，降低抗生素的抗菌作用[13]。CF患者反复呼吸道感染，长期使用抗生素会导致多重耐药菌产生，导致微生物组多样性随着年龄的增长而丧失[14]。

有证据表明胃肠道细菌群落与CF气道疾病进展之间存在联系，在一项研究中表明CF儿童早在出生6周就会出现肠道生态失调，这与导致肺部恶化的全身炎症和免疫失调有关，气道疾病严重程度与肠道菌群失调呈正相关[15]。患有严重肺功能障碍的CF患者肠道微生物群多样性也显著降低[16]。肺和肠道的菌群失调在CF患者生命早期就已经开始，两者可能相互影响，CF患者的呼吸道微生物群和肠道微生物群，存在交互作用，随着时间的推移，有相似的变化趋势，说明这两组微生物群之间存在复杂的相互作用[17]。

肠道菌群失调影响儿童CF呼吸道机制

目前认为肠道微生物群对肺的影响主要通过血液和淋巴循环建立的免疫途径介导，肠道微生物群也可通过基因产物，包括蛋白质、代谢物等影响气道微生物群[17]。肠道炎症引起肠道屏障破坏，致病性肠道微生物及其生物活性脂多糖进入血液循环，这可能解释肠道菌群与呼吸道微生物群的交互作用和对气道的影响[18]。呼吸道菌群和肠道菌群复杂的双向影响被称为肠-肺轴，患者通过吞咽唾液或痰液的方式将口腔和呼吸道微生物转移至消化道中，在CF患者胃液中发现与痰微生物群组成相关的细菌，CF儿童发生肠道炎症时，粪便中链球菌显着增多，这支持呼吸道和消化道微生物组之间的交互关系[6]。

越来越多的证据表明肠道和肺之间存在肠-肺轴的双向通讯，肠道微生物群不仅局部调节环境和宿主免疫，还能够影响肺等远处器官[19]。肠-肺轴的分子机制复杂，但肠-肺轴的发现开启了一个新的研究领域。CF患者肠道菌群失调引起肺微生物群的多样性减少、气道致病菌占据主导地位的确切机制尚不清楚，根据目前研究，或许通过以下方式发挥作用：细菌可通过微生物相关分子模式(microbe-associated molecular pattern，MAMP)调节局部和全身免疫反应，例如脂多糖、脂磷壁酸、肽聚糖、鞭毛蛋白、表面脂蛋白等被宿主上皮细胞和先天免疫细胞上的模式识别受体(pattern recognition receptor，PRR)识别，PRR包括Toll样受体、NOD样受体、C-凝集素型受体[20]。MAMP和PRR之间相互作用，激活NF-kB因子、调节先天免疫和炎症的基因表达，从而对机体产生效应。细胞因子、趋化因子和宿主免疫调节剂，例如SCFA、维生素等通过高通透性的肠道进入血液循环，在肺等远处器官中发挥作用[21]。细菌也可能由树突状细胞介导，细菌与位于肠细胞之间或黏膜下区域的树突状细胞相互作用并被其吞噬，游走至淋巴结，促进各种T细胞亚群激活和产生调节细胞因子如IL-10、TGF-β、IFN-γ和IL-6，在肠外器官中发挥功能[20]。微生物代谢物也可能在肠-肺轴中发挥重要作用，丁酸盐通过抑制脂多糖诱导的NF-kB活化和刺激人单核细胞产生IL-10来发挥广泛的抗炎活性[22]。

肠道菌群失调对儿童CF生长发育的影响

营养不良是CF的常见特征，CF中的营养不良与能量需求增加、食物摄入减少、吸收不良有关。CF儿童的粪便中的大肠杆菌丰度增加，引起肠道吸收不良和肠道炎症，并导致营养不良，影响生长发育[5]。CF儿童的变形菌数量增加，拟杆菌数量减少，产SCFA菌群明显减少，这会引起营养吸收不良[23]。Loman等人据报CF儿童肠道中葡萄球菌和粪球菌数量最多，与身高、体重呈负相关[4]。胰腺外分泌功能不全的CF患者中，会出现营养吸收不良，需要口服胰酶替代品[24]。早期诊断、营养干预和酶替代，使大多数CF婴儿在1岁前达到理想体重目标，但仍有部分CF儿童体重增长不佳。

肠道菌群失调影响生长发育的机制

肠道运动减慢、肠道分泌物阻塞和胃酸产生减少都可能与SIBO的发展有关。SIBO通过多种机制导致营养不良，例如肠道上皮的直接损伤，增加营养物质消耗，腹部不适导致食物摄入量减少。细菌可直接影响肠道上皮细胞，引起绒毛结构异常和上皮炎症，由于吸收表面积减少、细菌糖降解和消化酶活性受损，导致脂肪酸生成减少、肠道通透性增加和碳水化合物吸收不良；此外，细菌毒素的产生会直接影响碳水化合物和蛋白质的吸收，导致脂肪泻和微量营养素缺乏[25]。胃肠道微生物活动也会影响内分泌功能，可能影响CF婴儿身体生长[23]。

调节肠道菌群在儿童CF中的治疗作用

基于肠道菌群对CF患者的影响，纠正肠道菌群失调或许能成为治疗CF患者的途径之一。调节肠道菌群失调的策略包括饮食调节、益生菌、益生元、合生元、维生素、粪菌移植、靶向分子疗法、基于代谢物的疗法。补充益生菌可以改善肠道屏障功能，Di Nardo等在随机对照试验中表明轻-中度肺部受累的CF患者补充罗伊氏乳杆菌可减少肺部恶化[26]。在CF患者中补充益生菌可以促使粪便钙卫蛋白及肠道一氧化氮水平降低，增强消化功能，恢复细菌生态[27]。母乳中低聚糖成分可以使婴儿肠道中双歧杆菌数量增加，在预防大肠杆菌等细菌引起的感染中发挥作用，在少部分研究中显示母乳喂养的CF婴儿，其肠道微生物群多样性增加，呼吸道感染机会减少[28]。高效靶向治疗对恢复CF生态失调也有报道，在一项包括儿童患者的前瞻性观察性研究中，使用CFTR增强剂伊伐卡托可增加阿克曼氏菌的数量，阿克曼氏菌是一种参与黏膜保护的细菌，使用伊伐卡托可以改善CF肠道的异常病理环境，促进健康的微生物群繁殖，减少肠道炎症[29]。CFTR调节剂鲁玛卡托/依伐卡托，目前用于治疗F508del纯合子CF青少年，可改善肺功能FEV1、营养状况和汗液氯化物浓度，耐受性良好且安全[30]。Pope等发现在胰腺功能不全CF患者中，使用鲁玛卡托/依伐卡托，可降低粪便脂肪含量，使粪便微生物群更接近于非胰腺功能不全CF患者，鲁玛卡托/依伐卡托的有效性及安全性需要未来更大规模的研究进行验证[31]。

总结与展望

研究肠道菌群失调在CF中的作用取得越来越多的进展。CF患者肠道菌群的数量、多样性和优势菌群指标或许能成为生物标志物并作为预后评估的方式。人体微生物组包含极其丰富的数据，未来随着宏基因组学的发展，或许能建立CF患者个体微生物特征，以便了解每个患者的独特疾病进展，实现精确的个体评估及治疗。整合遗传学和微生物学的数据，研究微生物群及其代谢产物的之间的相互作用，可能为CF治疗提供新靶点。