肠道微生态与胰腺疾病

杨子涵 吴东

中国医学科学院北京协和医院消化内科 疑难重症及罕见病国家重点实验室，北京 100730

【提要】 肠道微生态由肠道微生物及其基因组和生存环境共同构成，其异常改变与全身各类炎症、肿瘤和代谢疾病密切相关。近年来，肠道微生态异常改变与急性胰腺炎、慢性胰腺炎及胰腺癌的关系研究不断增多，引起临床重视。胰腺炎症可能并发或造成肠道微生态紊乱，反之肠道微生态紊乱又可能加重胰腺炎症反应，增加全身及局部并发症风险，甚至诱发胰腺肿瘤。本文旨在探讨肠道微生态参与调控胰腺疾病的机制及其潜在的临床应用前景。

肠道微生态由肠道微生物及其基因组和生存环境共同构成，在消化系统稳态调控中发挥重要作用。肠道微生态异常改变与全身各类炎症、肿瘤和代谢疾病密切相关。目前认为，内源性或外源性因素可通过破坏肠屏障功能，促进肠黏膜通透性增加和炎症改变，从而对肠道微生物产生选择作用，导致易感人群肠道机会病原体增殖并向致病微生物转变。失调的肠道微生物及其基因产物进而引起局部或系统的病理变化，最终导致疾病发生[1]。肠屏障系统主要包括黏膜化学屏障、机械屏障、免疫屏障和生物屏障，由肠上皮细胞连接复合体及其分泌物、肠道免疫细胞及肠内正常菌群组成。近年来，肠道微生态紊乱与胰腺疾病的关系引起临床高度重视。研究显示，AP的发生和发展会导致患者肠道菌群失调，而肠道微生态紊乱会进一步促进AP的病情恶化[2-3]。本文从AP肠道微生态紊乱的发生、进展及并发症等角度出发，结合CP和胰腺肿瘤，阐述肠道微生态在上述疾病中的作用机制及干预肠道菌群的临床应用前景。

一、肠道微生态紊乱参与调控AP病情进展

AP是世界范围内消化疾病急诊住院的首要病因，全球发病率约为34/10万，近年来呈明显增高趋势，消耗了大量医疗资源[4]。大部分AP患者病情较轻，但约20%患者会进展为SAP，出现全身炎症反应综合征和器官功能衰竭。SAP病情危重且缺乏特异性药物，治疗难度大，病死率高达20%～30%，是严重威胁人民生命健康的急危重症[5]。因此早期、准确地评估病情和预测预后对AP患者尤为重要。当前临床上常用的APACHEⅡ、BISAP、Ranson等评分系统存在应用繁琐、时效性差等局限。近年来，有关预测AP严重程度及预后的生物标志物研究取得了很大进展，包括CRP、鸢尾素、致癌因子2和微小RNA在内的多种标志物显示出良好的预测价值[6]，其中也不乏将特定肠道菌群作为生物标志物来预测AP疾病严重程度的研究[7]。

肠道菌群是肠道微生态系统的重要组成部分，具有保护肠黏膜屏障、介导宿主免疫反应及调节代谢等作用[8]。肠黏膜完整性需要肠内正常菌群参与维持，而在AP早期即出现的肠道菌群失调则破坏了这一稳态。AP导致肠道菌群失调的机制主要包括胃肠动力障碍、缺血再灌注损伤、氧化应激和免疫功能紊乱[2]。在上述多重因素影响下，肠道菌群多样性降低，菌群结构和数量发生改变，表现为有益菌数量明显减少，机会病原菌数量增多。Zhu等[9]研究发现，增加肠道有益菌阿克曼菌的丰度可增强肠道黏膜紧密连接蛋白ZO-1和occludin的表达，提示肠道菌群失调会影响肠道黏膜的机械屏障能力。此外，Tan等[10]发现血清IL-6与潜在病原菌如肠杆菌科和肠球菌的丰度呈正相关，与有益菌双歧杆菌的丰度呈负相关；血清内毒素含量与潜在病原菌肠球菌的丰度呈正相关，提示肠道菌群失调可能通过促进肠道炎症及免疫反应，破坏肠黏膜屏障完整性。

短链脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）是肠道菌群的主要代谢产物，也是肠道上皮细胞的主要能量来源。SCFAs可促进肠道上皮细胞的增殖与分化，减少细胞凋亡，也可通过促进肠上皮紧密连接蛋白ZO-1和occludin的表达增强肠黏膜屏障功能[11]。肠道菌群失调可导致产SCFAs的益生菌减少，进而影响肠黏膜屏障的完整性，从而加重AP的严重程度[3]。一项荟萃分析显示，约60%的AP患者存在肠屏障损伤[12]。在此情况下，肠黏膜通透性增加进而导致肠道菌群移位、胰腺组织坏死感染，炎症风暴从局部扩散至全身，甚至发生多器官功能障碍综合征，危及生命[13]。故AP的病理生理机制与肠道微生态密切相关，肠道微生态紊乱是AP患者肠屏障被破坏的主要原因，肠屏障功能受损、细菌和内毒素移位是AP病情恶化的重要推动因素。笔者团队研究[14]发现，不同严重程度AP患者在肠道菌群的组成和功能上存在显著差异，MAP、MSAP和SAP患者中占据主导地位的肠道菌群分别是拟杆菌属、大肠埃希菌属-志贺菌属和肠球菌属。MAP患者大芬戈尔德菌属显著增多，布劳特菌属显著减少；MSAP患者厌氧球菌属显著增多，霍氏真杆菌显著减少；SAP患者则肠球菌显著增多，霍氏真杆菌显著减少[14]。上述研究表明肠道菌群的改变参与调控AP的病情进展，未来需要更多研究探索其具体机制。

急性呼吸窘迫综合征（acute respiratory distress syndrome, ARDS）是SAP最常见的严重并发症，也是SAP患者早期死亡的主要原因[15-16]。疾病后期（发病时间＞4周）发生的胰腺组织感染坏死及继发的多种局部或全身并发症构成了SAP治疗的主要瓶颈。肠道微生态改变与胰腺坏死的发生密切相关，胰腺组织感染坏死一般发生在患者入院10 d之后，通常认为是细菌从肠道移位而导致[17]。约30%无菌性胰腺坏死会进展为感染性胰腺坏死，从患者坏死胰腺组织中可培养出葡萄球菌、肠球菌、大肠埃希菌及克雷伯菌等病原体[18]。Li等[19]采用16s rDNA测序技术识别出AP患者移位菌群的特征，展示了脓毒血症与AP严重程度之间的关联性。笔者团队收集AP患者入院时直肠拭子样本行16s rDNA测序后发现，急性坏死性胰腺炎患者相较非坏死性胰腺炎具有独特的肠道微生态改变；粪肠球菌（Enterococcus faecium）和大芬戈尔德菌（Finegoldia magna）可作为生物标志物预测胰腺坏死和感染，为SAP早期预测及治疗提供了思路[7]。此外，Hu等[20]比较了AP伴或不伴ARDS患者的肠道菌群改变，发现AP伴ARDS患者肠道菌群在组成和功能上出现了特定的变化，主要表现在变形菌门、肠杆菌科、大肠埃希菌属-志贺菌属和肺炎克雷伯菌丰度较高，而双歧杆菌属丰度较低。进一步通过随机森林建模分析发现，大肠埃希菌属-志贺菌属的丰度差异能够区分AP伴ARDS和AP不伴ARDS，提示肠道菌群的特异性变化在SAP进程中可能具有潜在的预测价值。

总之，肠道微生态改变在AP的发病、进展及并发症中发挥重要作用。肠道菌群及其代谢产物失调可能导致炎症反应激活、肠屏障功能减弱和胰腺组织损伤，从而促进SAP的发生和进展。此外，肠道微生态的改变还与胰腺坏死、胰周感染坏死和全身并发症相关。有理由相信，未来的研究将有助于深入探究肠道微生态与AP之间的关系，为临床治疗和判断预后提供新的思路。

二、肠道微生态变化与CP并发症及癌变之间的关系

研究表明，CP患者肠道微生物丰富度及多样性显著降低。在门水平上，CP患者肠道拟杆菌门丰度减少，变形菌门丰度增加[21]。此外，乳酸杆菌属、双歧杆菌属、粪杆菌属、普雷沃菌属丰度减少，大肠埃希菌和粪肠球菌丰度则增高[22-23]。CP患者肠道微生态改变与胰腺外分泌功能不全（pancreatic exocrine insufficiency, PEI）密切相关，进而促进CP病情进展并增加并发症风险。例如，动物实验发现肠道中过量的脂肪会导致微生态失调、产脂多糖内毒素菌群增加及免疫细胞Toll样受体激活，导致肠黏膜炎症加重、肠道屏障功能受损及循环内毒素水平增加[24]。当前肠道微生态改变调控CP的具体机制尚未明确，但CP肠道菌群丰富度及多样性的降低与患者腹泻、腹痛、腹胀、恶心等症状相关，经抗生素如利福昔明治疗后，上述症状可好转[25-26]。现有证据表明，肠道微生态改变及相应的病理改变可能影响CP疾病进展及并发症，包括胰腺外分泌功能不全、糖尿病及胰腺癌等。

1.肠道微生态与CP进展：肠道微生态改变引起CP进展的证据首先来源于动物实验。例如，将CP小鼠的肠道菌群通过粪便移植的方式移植至无菌小鼠，可诱导后者出现CP；而补充胰腺消化酶和益生菌，保持肠道微生态稳定则可减轻CP严重程度[23]。此外，健康供体的粪菌移植显著减轻了CP小鼠的胰腺损伤和纤维化，而CP小鼠的粪菌移植则使胰腺中CD4+T细胞和巨噬细胞浸润数量增加，进而加剧胰腺纤维化[27]。另有研究显示CP患者肠道大肠埃希菌丰度提高可促进全身炎症反应及CP病情发展[22]。以上结果提示肠道微生物组的变化与CP的严重程度有关。

2.肠道微生态与PEI：PEI为CP并发症之一，其发生率为30%～48%，可引起消化不良、脂肪泻、体重下降、脂溶性维生素缺乏及骨质疏松[28]。研究发现，存在PEI的CP患者肠道微生态紊乱的发生率是无PEI患者的2.5倍[29]。当存在小肠细菌过度生长时，肠道菌群代谢的改变会加剧PEI，而肠道微生态失调可引起胰腺抗菌肽合成减少，诱发小肠细菌过度生长[23,30]。已知CP患者肠道双歧杆菌的丰度与PEI的发生呈负相关[21]。此外，PEI患者肠道微生态中普雷沃菌属丰度增加，拟杆菌属丰度减少。而普雷沃菌属的某些菌种可产生硫酸氢盐，通过诱导细胞凋亡的方式引起胰腺损伤，可能导致胰腺外分泌功能进一步下降[31]。

3.肠道微生态与糖尿病：糖尿病为CP常见并发症，新诊断的CP患者15个月内出现糖尿病的风险约为36%，33个月后则高达60%。CP相关性胰腺损伤可引起3c型糖尿病（type 3c diabetes mellitus,T3cDM）。一项系统综述指出，相较于无T3cDM的CP患者，并发T3cDM患者胃肠道内拟杆菌门丰度较高，粪杆菌属丰度较低[22]。例如，T3cDM的CP患者肠道微生态中普氏栖粪杆菌丰度减少，这种肠道微生态变化引起肠道菌群脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）合成显著增加，进而导致血清内毒素水平增加，与糖代谢受损有关[32-33]。这是因为LPS可通过Toll样受体和NF-κB通路诱导胰岛β细胞产生炎症，导致β细胞功能障碍[33]，但具体机制仍需进一步研究。此外，有研究发现CP患者布氏瘤胃球菌丰度减少，该菌种在人类结肠抗性淀粉的降解中具有重要的生理作用，而抗性淀粉的降解减少可促进胰岛素抵抗的发生，导致葡萄糖代谢的改变[32]。CP患者肠道普氏栖粪杆菌减少可能参与调控T3cDM发生及恶化。

4.肠道微生态与CP癌变：相较于正常人群，CP患者群体胰腺癌总体发病率增加[34]，尤其是携带KRAS突变基因的CP患者[32]。其中，肠道微生态改变如小肠细菌过度生长可能通过LPS驱动的炎症反应和TLRs介导的NF-κB通路刺激KRAS突变基因表达，引起慢性炎症和氧化损伤从而加速胰腺癌的发展[32]。此外，肠道微生态改变可以通过多种途径激活免疫系统，包括肿瘤浸润淋巴细胞（tumor infiltrating lymphocytes, TILs）、固有免疫细胞及相关细胞因子等。TILs可产生促炎递质激活STAT3和NF-κB通路，促进细胞增殖和抑制细胞凋亡，从而促进癌症发生[32]。

可见，肠道微生态和CP之间存在相互作用，CP患者肠道微生态改变可源于PEI，而这种微生态改变可进一步影响CP的病程及并发症。从肠道微生态的角度进行干预，有望为预防CP进展和提高患者生活质量提供新的思路。

三、肠道微生态与胰腺肿瘤

胰腺癌因其发病率增长且预后较差，现已成为全球癌症死亡的第7位病因[35]。其中胰腺导管腺癌（pancreatic ductal adenocarcinoma, PDAC）作为胰腺最常见的恶性肿瘤，其发病与疾病进展亦受到肠道菌群的调节。PDAC患者的肠道菌群组成与健康人群存在差异。一项对中国PDAC患者肠道菌群的荟萃分析报道，与健康对照人群比较，PDAC患者肠道菌群α多样性显著减低，变形菌门、普氏菌属明显增加，而厚壁菌门、双歧杆菌属和梭菌属等则明显减少[36]。在西方PDAC患者肠道菌群中也发现了相似的改变[37]。菌群及菌群代谢物的改变可能和胰腺癌预后存在相关性。研究表明，在胰腺癌患者肠道中多胺合成途径的活性提高，丁酸合成途径的活性降低，这些代谢物的改变被认为可能参与肿瘤的发生和转移[38]。进一步研究发现肠道菌群紊乱可能促进肿瘤生长，调节或抑制特定菌群可能成为预防或治疗胰腺肿瘤的一种潜在策略。在胰腺癌、结直肠癌、黑色素瘤等多种肿瘤模型中，无菌小鼠的肿瘤负荷、肝转移负荷均明显减轻[39]。口服抗生素也明显减少了胰腺癌小鼠的肿瘤负荷[37]。益生菌喂养后的胰腺癌小鼠肿瘤组织中多种miRNA明显上调，这些基因的高表达与胰腺癌更好的预后和更长的生存期有关[40]。

尽管肠道菌群参与胰腺癌发生发展的调控机制尚不明确，既往研究仍提示了一些潜在作用机制，例如免疫调节机制。在缺乏成熟T和B淋巴细胞的小鼠中，无菌小鼠的肿瘤抑制作用趋于消失，提示菌群可能通过适应性免疫应答参与调控胰腺癌的进展[39]。除了通过免疫细胞调节，细菌迁移也是一种潜在机制。越来越多的研究发现胰腺癌患者的胰腺组织内存在细菌。与正常胰腺组织相比，PDAC患者和胰腺癌小鼠胰腺组织的细菌丰度显著增加。与肠道菌群改变相似，PDAC患者胰腺菌群中的变形菌门丰度也明显增加[37]。胰腺组织的菌群结构不仅对患者的长期生存具有高度预测性[41]，还与多种化疗药物的疗效与耐药性密切相关[42]。进一步研究发现小鼠模型中标记的粪肠球菌和大肠埃希菌（Escherichia coli）可以从肠道迁移到胰腺，对该器官的微环境产生直接影响[37]。

肠道菌群可能有助于PDAC患者的早期识别与治疗决策。75%的PDAC患者在诊断时已处于进展期，失去了手术根治性切除的机会，长期预后较差[42]。对胰腺癌小鼠肠道菌群纵向改变的研究发现，早期胰腺癌小鼠就已经发生了菌群失调，随着胰腺肿瘤的进展菌群差异会更加显著，但仍与早期菌群失调存在一致性[43]。该结果提示肠道菌群可能有助于胰腺癌的早期诊断，从而改善预后。考虑到菌群不仅与PDAC的生存期相关，还与化疗药物的疗效与耐药性及术后并发症风险紧密相关[44]，肠道菌群的变化可能有助于制定个体化的医疗决策，通过精准治疗改善患者预后。肠道菌群调节也是一种潜在的治疗策略。菌群代谢物吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid, 3-IAA）被发现具有治疗胰腺癌的潜力，血清3-IAA浓度与胰腺癌患者化疗后的无进展生存期、总生存期均存在显著相关性[45]。未来，化疗联用抗生素、粪菌移植、益生菌等治疗手段有望成为治疗胰腺癌的新疗法[46]。

综上所述，胰腺疾病的发生、发展与肠道菌群失调之间存在密切联系，涉及机制复杂（图1）。随着对肠道微生态在胰腺疾病中作用的深入了解，未来的研究聚焦于如何调节或改善肠道微生态来治疗或预防胰腺疾病上。肠道菌群的调节与干预或将成为预防和治疗AP、CP和胰腺肿瘤的新策略。

利益冲突所有作者声明无利益冲突

志谢感谢北京协和医学院庞可博士为本文绘制插图