急性胰腺炎患者肠道菌群变化及益生菌的应用

吕彦青， 李嘉杰， 刘坤禹， 郭汝华， 季慧范

吉林大学白求恩第一医院肝胆胰内科， 长春 130021

急性胰腺炎（acute pancreatitis，AP）是多种病因导致胰腺组织自身消化所致的胰腺水肿、出血及坏死等炎症性损伤，组织学上以腺泡细胞破坏为特征。常见的病因是胆道疾病、高甘油三酯血症、乙醇，其他病因有药物、胰管阻塞、手术与创伤、病毒感染等，或多因素参与发病，新型冠状病毒感染被认为可能导致AP，但其因果关系仍有待研究［1］。AP 是临床常见的急腹症，全球每年发病率为34/10 万［2］；随着人们生活方式改变，生活水平提高，暴露于更多环境危险因素中，发病率呈上升趋势。根据《亚特兰大分类标准2012（修订版）》，AP 可以分为轻症急性胰腺炎（MAP）、中度重症急性胰腺炎（MSAP）、重症急性胰腺炎（SAP）［3］。AP是全身性炎症性疾病，而肠道是炎症反应的重要靶器官，肠道菌群在疾病发生发展中起到重要作用。该病会导致肠道屏障损伤和黏膜通透性增加，并可能进一步引起肠道细菌移位，进而导致胰腺和胰周组织坏死、感染，常伴有全身炎症反应综合征（SIRS）和多器官功能障碍综合征（MODS）［4］。此外，SIRS 期间释放的大量细胞因子会严重损害肠道屏障功能，增加黏膜通透性，导致肠道菌群或肠道机会致病菌和内毒素进入淋巴管或门静脉系统，最终到达身体每个部位［5］。因此，维持肠道微生态稳态可能为调节全身感染和改善病情提供一种潜在的有效方法。近年来AP 患者的肠道菌群成为研究热点，但菌群失调的病理及分子机制尚未完全阐明，微生态制剂应用尚未形成规范。本文从AP 病情与肠道菌群相互关系和益生菌治疗两方面出发，对其研究现状进行综述，以期为AP 诊治提供新的思路。

1 肠道菌群

肠道微生物组由肠道微生物、基因组和周围环境条件构成［6］。人类的肠道有100万亿种微生物定植，有大于50 个门和1 500 个种，是人类基因组的150 倍［7］。肠道菌群根据可培养细菌数量分为主要（优势）菌群和次要菌群；根据其在体内存在和发挥多种功能的方式的差异分为三种不同的类型：共生菌，占比超过90%，具有滋养和免疫调节作用；机会性致病菌，在机体免疫力较低或抗生素滥用等情况下致病；致病菌，数量较少且难以定植，一旦数量超出正常范围就会致病［5］。生理情况下厚壁菌门（Firmicutes）数量最多，其次是拟杆菌门（Bacteroidetes），其他常见门有变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、梭形杆菌门（Fusobacteria）等［7］。包括肠道pH 值、氧气水平、氧化还原状况、营养状况、水和温度在内的多种环境参数与肠道菌群构成相关，故不同个体肠道菌群组成有很大差异。一项纳入114 名健康青年人的随机抽样研究依据差异性的肠道菌群将人群分为4 类，不同的人群其优势菌群不仅影响人体肠道微环境，还会直接或间接影响人体的情绪、消化和免疫功能等［8］。肠道菌群失调参与多种疾病的发生与进展，如炎症性肠病、肠易激综合征、帕金森病、肥胖等。现有研究资料亦表明肠道菌群参与AP 的发生发展，菌群失调与AP互为因果。

2 AP与肠道菌群相互影响

2.1 AP患者肠道菌群变化 正常情况下，人体肠道屏障可分为4层，即机械屏障、化学屏障、免疫屏障和生物屏障，生物屏障也就是所说的肠道菌群［9］。AP患者存在菌群失调，其菌群丰度和多样性与健康对照者相比明显不同；菌群失调与氧化应激和炎症反应、缺血再灌注损伤、胰源性腹水等相关，并且可以反过来影响AP病情进程［9］，两者互为因果，但是相关机制尚未完全阐明。一项动物实验表明，在门水平，AP大鼠肠道菌群中糖杆菌门（Sacchariacteria）、软壁菌门（Tenericutes）明显减少；在属水平，埃希氏-志贺菌属（Escherichia-Shigella）、考拉杆菌属（Phasolarctobacterium）显著增加［10］。Chen等［10］应用16S rRNA基因测序分析大鼠粪便样本微生物群变化，结果表明急性出血坏死性胰腺炎大鼠与假手术组相比，两组微生物群呈现结构性分离，急性出血坏死性胰腺炎组微生物群多样性降低且存在菌群失调。一项纳入165 例AP 患者和健康对照者（MAP 41 例、MSAP 59例、SAP 30例、健康对照35例）的研究［9］发现，对粪便样本进行16S rRNA基因测序分析，与健康对照者相比，AP 患者α 多样性（群落内的多样性）降低，代表AP 患者肠道菌群丰度降低；β 多样性（群落间的多样性）降低，呈现出结构性分离；在门水平，AP 患者拟杆菌门丰度明显下降，变形杆菌门明显上升；在种属水平，埃希氏-志贺菌属相对丰度明显升高，为健康对照组的48.8 倍，同时肠球菌属也增加。研究发现，不同严重程度的AP，肠道菌群呈现不同的变化，Yu等［11］对60例AP患者（MAP 20例、MSAP 20例、SAP 20 例）和20 例健康对照者粪便标本行16S rRNA 测序，结果显示不同严重程度AP 优势菌群不尽相同，MAP 为拟杆菌属，MSAP 为埃希氏-志贺菌属，SAP 为肠球菌属、埃希氏-志贺菌属。另外，多项研究发现临床检验参数与肠道菌群丰度相关，Tan 等［12］研究发现AP 患者血浆细胞因子水平与优势菌群存在关系，IL-1、IL-10、TNF-α 水平与拟杆菌属呈正相关，IL-1、TNF-α 水平与肠杆菌科呈正相关，IL-6 水平与细菌总数呈正相关，内毒素与肠球菌呈正相关。Zhu 等［9］研究发现埃希氏-志贺菌属与TNF-α、IL-1b、DAO、D-lac呈正相关；相比之下，健康对照者富含的菌群与炎性细胞因子及肠道屏障指数之间呈负相关。

2.2 AP致肠道菌群失调的机制

2.2.1 肠道通透性增加 AP 可导致肠道屏障损伤，肠道通透性增高，主要表现为紧密连接蛋白表达水平降低、肠道黏液层被破坏以及肠道免疫功能紊乱［13-14］。Sendler等［15］发现，AP 患者肠道屏障损伤加重，血清和回肠末端TNF-α、IL-1β 和IL-17A 的表达水平升高，潘氏细胞抗菌肽、溶菌酶和α-防御素-5的表达水平降低。相关机制有：（1）氧化应激和炎症反应。AP 患者的腺泡细胞被证明可以产生大量的活性氧，这些物质可以破坏细胞膜，将消化酶和细胞蛋白释放在胰腺间质和机体循环中，加重胰腺损伤并导致邻近组织和远隔器官的坏死风险增加，在SAP 动物模型和患者中都发现了自由基活性增加和脂质过氧化物浓度的增加［16-18］，若自由基的产生和抗氧化系统之间不平衡则会诱发AP［17］。黄嘌呤氧化酶［19］和一氧化氮合酶［20］活性增加可能是自由基产生增多的原因。自由基和促炎细胞因子（例如TNF-α、IL-1β）可以通过激活p38-MAPK和NF-κB 通路致使细胞因子、趋化因子和其他促炎介质基因的过度表达，激活驱动炎症级联反应的信号转导通路［19］，且已充分证实刺激p38-MAPK可提高NF-κB活性［21］。丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和信号转导介质，其激活参与炎症的调节。其他相关通路有STAT1-α、STAT-3 等，研究尚未成熟。（2）缺血再灌注损伤和微循环系统紊乱。肠黏膜对缺血缺氧高度敏感，AP 病程开始后，机体释放大量炎性细胞因子和血管活性物质（例如NO、血栓素A2 等），NO 通过超氧离子转化为细胞毒性硝酸盐，从而加速肠绒毛破坏，同时渗出液体和产生大量氧自由基。此时中性粒细胞被活化，使炎性因子进一步释放，会降低肠道灌注，导致有效循环血容量急剧下降，肠道微循环障碍。重症患者在疾病早期通常会经历肠道灌注，主动液体复苏可引起肠道缺血再灌注损伤。有学者［5］发现，在SAP 过程中，丙二醛和黄嘌呤氧化酶活性增加，而超氧化物歧化酶和谷胱甘肽（重要的抗氧化剂）含量下降。由于缺血再灌注损伤，肠道会聚集黄嘌呤氧化酶和次黄嘌呤并释放一系列活性氧，使肠道灌注减少，并进一步加重肠道屏障损伤。

2.2.2 胰源性腹水 AP 病程中会产生胰源性腹水，相关机制有：炎症反应及毛细血管渗漏、胰腺导管破裂、胰周液体积聚自发破裂或经壁扩散及渗漏、低白蛋白血症、门静脉高压、淋巴管阻塞［22］。胰腺炎相关腹水中含有大量的炎性介质及活性消化酶，具有较强毒性。一方面，其可能导致麻痹性肠梗阻和腹腔间隔室综合征，加重肠道黏膜缺血性损伤；另一方面，胰腺坏死物质及其崩解产物等可破坏Cajal 间质细胞与神经肌肉间的连接，直接刺激肠系膜神经根和胃肠道，从而加速上皮细胞凋亡，最终干扰炎症反应的内源性调节机制，进一步加重AP病情［12］。

2.2.3 其他机制 AP 患者在发病早期通常需要禁食水及肠外营养，机体可能存在营养不良，肠道处于应激和高营养物质消耗状态，可直接引起肠黏膜细胞的能量不足，从而导致肠黏膜萎缩并引起肠道微生物失调［23］。SAP患者通常伴有严重的全身炎症反应，其可显著增加分解代谢和能量消耗，导致机体营养储备快速流失、酸碱调节失衡，进而导致肠道等器官的结构和功能受损。另外，血清胃动素和胆囊收缩素水平降低，引起胆汁排泄异常，肠道动力减退，大量毒素积累，会导致菌群失调［5］；胰液分泌和排泄异常，导管压力升高，加重胰源性腹水生成。以上病理过程并非独立发挥作用，缺血再灌注损伤、神经内分泌系统功能失调、胰源性腹水等会使肠道动力功能障碍，导致毒素积聚，加重菌群失调。

2.3 肠道菌群失调加重AP 病情 AP 早期发生肠道菌群失调和菌群移位，与疾病严重程度有关；菌群失调也可能参与SAP 病程的“二次打击”［24］，其加重AP病情的机制目前尚不清楚，可能通过增加肠道通透性导致细菌移位、改变肠道微生物代谢、诱导黏膜免疫功能障碍等机制［25］。

2.3.1 细菌移位 致病菌可穿过肠道黏膜入血导致菌血症、败血症，或转移到邻近器官如胰腺等［15］。模式识别受体Toll 样受体、Nod 样受体的激活可能参与细菌移位导致AP 发展的机制，且AP 的严重程度在缺乏Toll 样受体4 的小鼠中得到改善［26］。Zhu 等［9］发现AP 患者肠道富含的潜在致病菌如志贺菌和肠球菌表现出正相关关系，表明有害菌之间可能存在协同关系，肠道微生物之间可以形成生态位特异性关系，这也可能导致肠道屏障的损害。

2.3.2 代谢变化

2.3.2.1 短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）SCFA已被公认为是参与肠道免疫功能的潜在介质，能够抑制促炎因子的产生以及维持肠道屏障功能［9］，是肠上皮细胞的主要能量来源。许多研究［27］表明，AP患者肠道中可产生SCFA 的有益菌如拟杆菌、乳酸杆菌丰度降低，故AP 患者肠道中SCFA 的产生减少。首先，SCFA 减少使肠上皮细胞增殖分化延缓、细胞凋亡增加，也导致肠上皮紧密连接蛋白Zo-1 和Occludin 的合成和表达降低，肠黏膜的机械屏障功能受损［28］。其次，抗菌肽的产生减少，溶菌酶、防御素和黏蛋白基因的表达下降，肠黏膜的免疫屏障减弱［29］。最后，SCFA 产生减少使肠道pH 升高，使环境易于大肠杆菌和志贺菌等病原菌的生长和定植。若补充SCFA 可以通过增强肠道跨上皮细胞抵抗力，降低肠黏膜通透性，增强肠道化学屏障功能［30］。

2.3.2.2 缺氧诱导因子-2α（HIF-2α） 该转录因子通过增加铁储存蛋白——铁蛋白，在肠道铁吸收的生理过程中发挥重要作用。一项动物实验［31］结果表明，利用两种肠道微生态代谢物——reuterin、1，3-diaminopropane，可以通过阻止HIF-2α 与芳烃受体核易位剂的结合的二聚化，在体内和体外抑制肠道HIF-2α 的活性，最终防止铁过载小鼠模型中的组织铁积累。通过实验推测肠道菌群紊乱会导致体内铁稳态的破坏，另外，肠道微生态代谢物改变可能通过诱导肠上皮细胞的铁死亡促进肠道菌群移位，从而导致SAP进展［3］。其他相关代谢物有丁酸盐［32］、乙酰化脂多糖［33］、胆酸［34］等。由此推测，由于有益菌的减少，相关代谢物改变可能会促进肠道稳态失衡、细菌易位，从而促进AP的进展。

2.3.3 肠道功能障碍 胃肠蠕动减弱或消失使肠道内细菌和毒素排泄障碍，肠道内细菌过度生长繁殖，造成菌群失调，加重胃肠道屏障功能损害，引起细菌移位和毒素的吸收，形成菌血症，后者又可加重胃肠道动力障碍，最终引起SIRS 及MODS 的发生，从而恶化SAP的病情。

2.3.4 诱导腺泡细胞产生炎症介质 Tsuji 等［26］发现肠道病原微生物可激活胰腺腺泡细胞的NOD1 受体，引起NOD1 介导的宿主防御反应，从而诱导促炎因子表达，例如单核细胞趋化蛋白-1 激活NF-κB 和STAT3 信号通路，介导CCR2+致病性骨髓细胞迁移和浸润到胰腺中，加重胰腺损伤。NOD1 通过Ⅰ型IFN信号对正常非炎症状态下肠道共生生物作出反应，此信号不会导致炎症，故共生生物的NOD1 激活不会在正常肠道中引起炎症。

由此可见，AP 与肠道菌群密切相关，两者相互影响促进AP 病情发生和发展。现有动物实验［35］表明AP 病情严重程度不同，肠道菌群的丰度及多样性变化、优势菌群不尽相同，提示测定AP 患者菌群特征可以辅助诊断、协助分型及预测疾病预后，但仍需大量研究。疾病早期的菌群失调与SAP 危险性相关，调节肠道菌群可能为防治SAP 发展的潜在治疗方法。进一步探究肠道共生菌群影响AP 病情的分子机制，针对发病机制干预疾病的进程；继续探究哪些具体的细菌在这一过程中起到关键作用，可能为临床指导用药提供参考、延缓AP的重症化提供新的思路。

3 益生菌辅助治疗AP

基于肠道菌群的治疗方案可分为以下三种：（1）补充具有抗炎功能的肠道菌群，例如补充益生菌和粪便菌群移植；（2）清除导致AP 进展的致病菌，如使用抗生素；（3）直接调节肠道微生态，比如给予肠内营养、益生元、合生元等［36］。益生菌属于微生态制剂中的一种，亦是微生态系统的重要组成部分，世界卫生组织将益生菌定义为适量应用能够对宿主健康有益的活体微生物的总称［37］。其在调节肠道屏障功能、改善菌群失调中发挥重要作用，在临床广泛应用于消化及其他系统多种疾病，同时被认为是AP 潜在的辅助疗法［38-39］。然而对于AP 患者，益生菌的开始应用时间、持续应用时间、种类及剂量尚无明确指南。在2002 年，Oláh等［40］首先对益生菌（植物乳杆菌299）治疗胰腺炎进行了人体研究，发现植物乳杆菌299 没有不良反应，可有效减少胰腺炎败血症和手术干预次数。随后的一项研究［41］向31 例SAP 患者应用4 种乳酸菌以及4 种益生元纤维，显著降低了SIRS 和MODS 累积发生率，提高了患者的康复率。然而，Besselink 等［42］的研究表明，多物种益生菌混合物（嗜酸乳杆菌、干酪乳杆菌、唾液乳杆菌、乳酸乳杆菌、双歧杆菌和乳酸双歧杆菌）并没有降低感染性并发症的风险，并且与死亡风险增加有关；在另一项回顾性研究［43］中，在诊断为SAP 且无初始器官衰竭的患者中，益生菌治疗未显示出正面或负面影响。荷兰一项纳入296例SAP患者的多中心、双盲、安慰剂对照临床试验表明，在接受益生菌治疗组中，152例患者中有24例（16%）死亡，而安慰剂组144例患者中有9例（6%）死亡［44］。益生菌治疗的安全性也应当引起重视，应用益生菌可能导致菌群移位、抗菌药物耐药性基因转移到耐药菌，可能影响黏膜微生物菌落重建。查阅Pubmed、Embase、Web of Science数据库，汇总目前微生态制剂辅助治疗AP的临床随机对照（RCT）研究（表1），16 篇研究中有10 篇结论为微生态制剂对病情恢复有益，可以减轻细菌移位，减少感染相关并发症数量、手术干预数量，缩短住院时长，获得更好的临床结局，有5 篇获益不明确，有1 篇结论为对病情恢复有害，会增加肠缺血和坏死发生率。总体而言，肠道微生态制剂辅助治疗对AP 病情恢复效果尚不明确。在研究中，益生菌在AP 治疗方面的争议主要归因于益生菌疗法的不同组成、剂量和治疗方法，因为在已被研究为潜在益生菌的数千种细菌中，只有少数具有益生菌和抗炎特性。因此，需要新的特定益生菌或益生菌的鸡尾酒疗法，广泛的临床前研究对于在临床实践中的应用至关重要［40］。

表1 AP患者应用微生态制剂的RCT研究Table 1 RCT studies on the application of microecological preparations in patients with acute pancreatitits

经粪便移植调节肠道菌群治疗AP 的研究结果也不尽相同。Li等［59］发现经粪便移植治疗后，小鼠肠黏膜损伤得到有效缓解。然而，另一项研究［32］发现经粪便移植治疗增加了小鼠细菌移位和病死率。有学者［60］在2019 年报道了2 例AP 患者接受粪便菌群移植后发生严重菌血症的案例，其中1例死亡。

4 总结与展望

近年来，作为人体中新发现的“器官”，肠道菌群在人体健康中的重要性已逐渐被认识，肠道菌群与宿主相互影响的研究作为一个新的方向值得重视。当前有许多问题仍未解决，首先，AP 发病时肠道屏障受损、黏膜免疫系统失调、菌群移位，可导致局部及全身并发症，病情进展可能会引起MODS，但相关机制仍未完全明确；优势菌群变化相关的临床研究结果仍不具体及统一，现有动物实验及临床试验结果表明AP 会导致肠道菌群失调，且病情严重程度不同，优势菌群不同，故能否针对不同严重程度AP 患者的不同菌群添加特定某种或某些菌株，有待于进一步临床试验验证；血样本检测较粪便样本16S rRNA 测序或宏基因测序容易实现，若能根据血清细胞因子水平预测患者优势菌群，有望为临床诊断和治疗提供新思路。其次，益生菌辅助治疗无详细应用初始时间、剂量及疗程，粪便移植治疗AP 的有效性及安全性有待于进一步验证。目前已开展众多动物实验和临床试验，未来仍需要大规模、多中心、随机双盲、前瞻性研究进一步探索。研究AP 患者肠道菌群丰度、多样性、病理生理变化及发病机制，探究益生菌治疗的具体方案，恢复生理性肠道菌群组成，是将来控制AP 病情进展、治疗AP相关菌群失调和肠道衰竭的潜在靶点。

利益冲突声明：本文不存在任何利益冲突。

作者贡献声明：吕彦青负责选题，分析资料，撰写文章；李嘉杰、刘坤禹、郭汝华参与选题，收集资料；季慧范拟定写作思路，指导撰写文章并最终定稿。