马 驰 综述,杨 涓,郑 盛△ 审校

(1.大理大学临床医学院,云南 大理 671003;2.大理大学第二附属医院,云南 昆明 650011)

健康人体的肠道微生态处于一个动态平衡状态,肠道菌群在其中扮演着一个重要角色。人体肠道菌群主要包含厚壁菌门(包括瘤胃球菌属、梭菌属和真细菌类)、拟杆菌门(包括卟啉菌属、普雷沃氏菌属)、放线菌门(包括双歧杆菌)、变形菌门和疣微菌门。此外,还有少量的乳酸菌、链球菌和大肠杆菌。肠道菌群与黏液、肠细胞、免疫系统和肠血管屏障共同维系着肠道屏障完整性,涉及网络、双向串扰和炎症控制,对维持肠道稳态具有重要意义,并参与消化吸收和物质代谢。肠道菌群也通过其代谢产物影响宿主代谢、免疫反应和肠屏障功能。肠道菌群失调,肠道屏障系统出现“漏洞”,会引起相应的生理机制发生变化。本文就肠道菌群与常见消化系统疾病的研究进展进行了综述。

1 肠道菌群与非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)

NAFLD是一种慢性进行性肝病,目前已经成为一个国际公共卫生问题。越来越多的研究发现,肠道菌群及其代谢物失调与免疫系统等的相互作用成为NAFLD发病的一个关键因素。肠道菌群及其代谢物可通过改变肠道屏障、影响免疫调节、广泛参与肠-肝轴影响胆汁酸代谢等进一步影响NAFLD的发生发展。与健康人粪便样本相比,NAFLD患者粪便样本中拟杆菌门数量明显增加,且梭状芽孢杆菌、厌氧菌、链球菌、大肠杆菌和乳酸菌等丰度增加,颤螺菌属、解黄酮菌属、紫单胞菌科和另枝菌属种类减少[1]。部分研究发现,随着肝脏损伤程度的增强,肠道菌群丰富度与多样性不断变化。有研究发现,与无肝纤维化或轻度肝纤维化的NAFLD患者相比,明显纤维化的NAFLD患者肠道内肠杆菌、克雷伯杆菌、八叠球菌、苏黎世杆菌丰度明显增加[2]。ZHANG等[3]研究表明,在高胆固醇诱导的NAFLD到肝细胞癌(HCC)的整个过程中,肠道菌群特征不断变化,其特征主要表现为黏菌属、脱硫弧菌属、厌氧菌属和脱硫弧菌科数量增加,双歧杆菌和拟杆菌数量减少,且阿托伐他汀可调节胆固醇相关的菌群失调,从而阻断NAFLD到HCC的发展。除去菌群特征发生变化外,肠道菌群还参与肝脏炎症的调节,LIAKINA等[4]研究发现,随着NAFLD向HCC的不断进展,微生物中具有促炎作用的细菌比例不断增高,相应的炎性反应持续加剧。DELIK等[5]通过对NAFLD患者结肠黏膜进行活检时发现,NAFLD患者肠道中菌群多样性下降,以革兰阴性菌占据优势,增加了炎症发生风险。此外,有研究发现,肠道菌群还可通过其代谢物影响线粒体功能,达到控制炎性反应和调节炎性因子水平的作用,最终实现对NAFLD的调节[6]。同时,菌群失调对肝细胞的免疫应答也产生巨大影响。体外研究发现,NAFLD患者菌群特征会诱导调节性T细胞增殖并促进CD8+T细胞衰亡[7]。

近年来,随着肠道菌群与NAFLD关系的不断研究,细菌可能成为NAFLD治疗的未来目标,并且其微生物组特征有望区分健康人与NAFLD患者。HONG等[8]研究发现,黄芪中提取的黄芪多糖可以调节肠道菌群,改善NAFLD患者脂质代谢情况,从而对肝脏脂肪变性起抑制作用,其主要通过富集脱硫弧菌属中的普通脱硫弧菌,从而产生更多的乙酸来发挥抗NAFLD作用。YU等[9]给NAFLD小鼠服用含有乳酸杆菌和戊糖片球菌饮用水后发现,这两种细菌可以通过调节肠道代谢环境增加短链脂肪酸、胆囊酸及色氨酸代谢物,从而发挥抗炎作用,改善NAFLD小鼠症状。ZHANG等[10]采用腹腔注射维生素D治疗高脂肪饮食大鼠时发现,维生素D可以通过肠道内高表达受体有效增加肠道菌群丰度,从而缓解NAFLD症状。但无论是益生菌治疗还是粪菌移植(FMT),其治疗NAFLD的效果均尚无明确定论,治疗的有效性及安全性仍需要更多研究来证明。

2 肠道菌群与肠易激综合征(IBS)

IBS是一种复杂多因素肠道功能性疾病。大量研究发现,微生物组的改变是IBS症状持续存在的核心之一。近年来,关于IBS患者肠道菌群组成及作用的研究备受关注。LEE等[11]对IBS患者粪便样本进行检测时发现,与健康人相比,IBS患者肠道内氨基酸球菌科、梭菌科和脱硫弧菌科丰度显著升高,而肠球菌科、明串珠菌科、消化链球菌科和毛螺菌属丰度显著降低。有研究发现,IBS患者粪便菌群中多雷拟杆菌数量增加,且肠道内肠杆菌科、瘤胃球菌、梭状芽孢杆菌丰度上升,而有益菌(乳酸杆菌、双歧杆菌)丰度下降[12-13]。ZHAO等[14]对290例腹泻型IBS患者粪便样本进行研究时发现,与健康人群相比,腹泻型IBS患者粪便中梭状芽孢杆菌数量增加,且其增强了肝脏结合胆汁酸的排泄。OLYAIEE等[15]研究发现,芽孢杆菌与IBS症状及发病无关,但其可能通过诱导肠道微生物组成改变来促进牙囊原虫在肠道的定植,从而诱发相关的症状。EDWINSON等[16]通过对感染后的IBS患者粪便样本进行宏基因组分析时发现,患者肠道内另枝菌属丰度明显下降,并且利用健康供体的菌群定植可以有效抑制肠道蛋白水解活性,从而有效保护肠道屏障。HOU等[17]研究发现,IBS患者肠道菌群对调节肠道蛋白水解活性起着至关重要的作用。

近年来,关于IBS的治疗也备受关注。最新研究发现,除金双歧外,Bifico作为一种益生菌混合物,可以有效增加IBS患者肠道内有益菌丰度,并能提高短链脂肪酸浓度,降低炎性因子水平,从而改善IBS症状[18]。有研究显示,与服用空胶囊患者相比,服用FMT胶囊的腹泻型IBS患者肠道菌群多样性明显上升,且临床症状及焦虑抑郁状态明显改善,其中双歧杆菌和大肠杆菌起着最为关键的作用[19-20]。此外,挪威卑尔根大学一项长达3年的随访研究表明,FMT可显著改善IBS患者症状和疲劳程度,且无长期不良反应[21]。NASERI等[22]通过对成人IBS患者进行饮食干预时发现,采用低FODMAP-无谷蛋白饮食干预后,患者肠道内拟杆菌门数量显著上升,厚壁菌门与拟杆菌门比值显著下降,且患者临床症状程度明显改善。STAUDACHER等[23]研究显示,部分饮食干预可改变肠道菌群的分布。

3 肠道菌群与炎性肠病(IBD)

IBD是一种由基因、环境和免疫反应共同诱发的自身免疫性疾病。肠道菌群组成和功能的改变是IBD的病理特征之一,尤其是特定菌属丰度和多样性的改变。有研究通过粪便样本全基因组测序及16S rRNA基因测序发现,IBD患者菌群失调特征显著,其变形菌门、放线菌门、梭杆菌门丰度增加,厚壁菌门、拟杆菌门和疣微菌门丰度明显下降,其中溃疡性结肠炎(UC)患者和克罗恩病(CD)患者苏黎世杆菌属数量显著增加,而且能够产生短链脂肪酸(如丁酸)的相关细菌数量明显减少[24-25]。SALIMI等[26]研究认为,厚壁菌门的减少和变形菌门的增加可作为IBD的一种指标。除菌群失调外,随着肠道组成的改变,其所构建的网络空间作用也相应改变。PISANI等[27]通过对缓解期IBD患者粪便微生物进行研究时发现,肠道菌群失调是肠道残存炎症加剧及疾病复发的重要驱动因素,如肠杆菌可导致静止期CD患者慢性炎症持续存在。而肠杆菌科中的大肠杆菌还可能上调CD患者的抗生素耐药性,加速IBD进展[28]。在表观遗传水平上,肠道菌群也与IBD存在联系。CASADO-BEDMAR等[29]研究发现,肠道菌群可能通过调控宿主miRNAs的表达,从而导致肠道上皮细胞障碍及免疫系统的过度激活,造成肠道屏障破坏。

IBD发病机理复杂,其治疗也一直是一个比较艰难的问题。LIU等[30]研究发现,在缓解期口服枯草芽孢杆菌6周后,小鼠肠道内大肠杆菌/志贺菌和肠球菌显著减少,而黏蛋白-阿克曼氏菌增加,肠道上皮完整性得到了改善。ZHOU等[31]通过基因编码技术修饰了大肠杆菌Nissle1917(EcN)时意外发现,经修饰后的EcN可调节肠道菌群,其提高了肠道中毛螺菌科NK4A136组及紫单胞菌属丰度。WANG等[32]通过MCC950抑制NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3炎症小体,结果显示,IBD患者肠道内厚壁菌门及乳酸菌科丰度增加,而拟杆菌门丰度下降,且患者症状减轻。有研究发现,通过饮食结构控制可以抑制肠道菌群失调,减缓IBD的发生发展,如给予抗炎饮食干预可以缓解肠道炎症及改善肠道菌群失调[33-34]。

4 肠道菌群与结直肠癌(CRC)

CRC的发生发展与环境因素、生活习惯和遗传相关。近年来,越来越多的研究证明,肠道菌群在CRC的发生发展中扮演着重要角色。与健康人相比,CRC患者粪便样本存在明显的肠道菌群失调现象,其大肠杆菌、粪肠杆菌、核杆菌和链球菌丰度明显增高,而双歧杆菌、粪肠杆菌、梭状芽孢杆菌和罗氏菌丰度降低[35]。有研究发现,与健康人粪便样本相比,CRC患者粪便样本中大肠杆菌、脆弱拟杆菌和具核梭杆菌丰度明显增加,并且产生的大肠杆菌素及肠毒素可影响细胞间粘连,破坏细胞外基质,对细胞骨架进行重组,促进疾病进展[36-38]。除此以外,众多研究发现,在CRC患者粪便中富集的具核梭杆菌可通过以下几种途径致使肠道屏障破坏,从而促进CRC肿瘤的侵袭及转移:(1)激活CC趋化因子配体20,促进巨噬细胞浸润;(2)诱导M2巨噬细胞极化;(3)通过依赖于游离脂肪酸受体2的方式形成辅助性T淋巴细胞17反应影响肠道免疫功能;(4)代谢产生甲酸盐触发芳香族化合物受体信号驱动侵袭[39-41]。SHIMOMURA等[42]研究发现,具核拟杆菌、麻疹孪生球菌与肠道纤维量摄入密切相关,其可能通过影响纤维量摄入介导CRC发生。有研究发现,宿主机体众多因素与肠道菌群相互串联,从而导致菌群失调促进CRC的发生和发展。吸烟是CRC的主要危险因素。BAI等[43]研究发现,香烟可通过诱导肠道菌群失调及其代谢物改变,从而激活结肠上皮致癌性丝裂原活化蛋白激酶/细胞外信号调节激酶信号通路诱发CRC发生。与健康小鼠肠道菌群相比,烟熏环境下的小鼠粪便内迟缓埃格特菌明显富集,而狄氏副拟杆菌和乳酸菌明显缺失,且结肠内牛磺酸脱氧胆酸明显增加。

CRC身为全球癌症死亡前3位的疾病,其治疗也备受关注,除去手术及放化疗外,近来微生物治疗也在不断发展。YAN等[44]研究发现,小檗碱可通过调节肠道菌群,增加肠道内部分短链脂肪酸(如丁酸、乙酸、丙酸等)水平,减轻肠道炎症,降低CRC发生概率。部分研究也证实,产肠毒素脆弱拟杆菌和解没食子酸链球菌有望成为CRC预防和治疗的潜在目标[45]。

综上所述,随着宏基因组学及代谢组学等不断发展,以及人们对肠道菌群作用的不断研究,肠道菌群与消化系统众多疾病之间错综复杂关系日渐清晰,同时,针对相应发病机制与靶点的阻断治疗技术也不断发展,如益生菌、益生元、合生元及FMT治疗手段的层出不穷,以及最新且极具前途的免疫靶向治疗等。由于肠道菌群数量庞大及机体存在个体差异,相应的研究也面临着巨大挑战。因此,对疾病的早期预防、早期发现、早期治疗至关重要。通过对相应疾病的肠道菌群特征进行分析,可以简单无创地了解疾病状态,这可能为临床提前做出干预提供了机会,同时也要求临床有足够的手段检测肠道菌群及其代谢物,从而更全面、更真实地反映肠道菌群与疾病之间的关系。