彭 帥，沈 磊

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化內(nèi)科，武漢 430060)

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)是一種非特異性的慢性復(fù)發(fā)性腸道炎癥疾病，包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病[1]。IBD曾被認(rèn)為是一種“西方”疾病，但近年來(lái)，全球范圍內(nèi)IBD的發(fā)病率不斷增加，確切病因和發(fā)病機(jī)制尚不清楚[2]。目前，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，IBD是遺傳因素、環(huán)境因素、腸道菌群和宿主免疫系統(tǒng)的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致的異常免疫反應(yīng)和慢性腸道炎癥[3]。人體腸道含有復(fù)雜而豐富的微生物聚集體，統(tǒng)稱為腸道微生物群。新一代測(cè)序技術(shù)的最新進(jìn)展已經(jīng)確定了IBD中腸道微生物群的組成和功能改變，稱為腸道菌群失調(diào)[4]。相關(guān)臨床和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，腸道菌群失調(diào)可能在IBD的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用；確定針對(duì)IBD診斷的標(biāo)志物不僅能檢測(cè)疾病的進(jìn)程、減少并發(fā)癥的發(fā)生，還能為疾病的早期干預(yù)和治療選擇合適的方案提供幫助[5]?，F(xiàn)對(duì)腸道微生物群的生理功能以及腸道微生物群與IBD發(fā)病機(jī)制的關(guān)聯(lián)予以綜述。

1 腸道菌群概述

近年來(lái)，人們對(duì)腸道微生物的關(guān)注度越來(lái)越高。人體腸道內(nèi)有100萬(wàn)億種微生物，包括細(xì)菌、病毒、真菌等，它們構(gòu)成了微生物群，也稱微生物菌群[6]。細(xì)菌是正常微生物群中最突出的成分，約有1 000種細(xì)菌存在于胃腸道中，腸道微生物的集體基因組含有的基因數(shù)約是人類(lèi)基因組基因數(shù)的100倍[7]。腸道微生物群是人體的“第二個(gè)基因組”[8]。胃腸道不同部位的細(xì)菌數(shù)量和組成不同，少數(shù)細(xì)菌物種棲息在胃和小腸的上部，從空腸到結(jié)腸細(xì)菌的數(shù)量逐漸增加。人體腸道菌群中，超過(guò)99%的腸道細(xì)菌屬于厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)、變形桿菌門(mén)(Proteobacteria)和放線菌門(mén)(Actinobacteria)，其中厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)在健康成人的腸道微生物群中占主導(dǎo)地位[9]。健康個(gè)體的腸道微生物群為宿主提供許多健康益處，涉及生物屏障、促消化、營(yíng)養(yǎng)吸收、免疫、抗腫瘤以及代謝作用等。腸道微生物群與人類(lèi)共生，人類(lèi)宿主和微生物群之間的各種共生相互作用是維持人類(lèi)健康所必需的。腸道菌群失調(diào)改變了微生物與宿主細(xì)胞間的相互作用以及微生物代謝產(chǎn)物與宿主的代謝過(guò)程，并通過(guò)多元化的模式(如菌群數(shù)量、菌群代謝產(chǎn)物、菌群組成成分等的變化)發(fā)揮作用而引發(fā)疾病[10]。

2 腸道菌群生理功能

腸道菌群是復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，以人體胃腸道為生存環(huán)境，將人體消化的食物殘?jiān)鳛樯鏃l件，在體內(nèi)發(fā)揮重要的病理生理作用。腸道健康是身體健康的基礎(chǔ)，腸道菌群的生態(tài)平衡是腸道健康的關(guān)鍵，可參與許多重要的生理功能。

2.1促消化和營(yíng)養(yǎng)吸收功能 腸道菌群與腸道內(nèi)環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡為宿主提供能量和營(yíng)養(yǎng)，參與各種物質(zhì)的代謝和吸收。腸道微生物在微量營(yíng)養(yǎng)素的合成中起重要作用。人類(lèi)共生細(xì)菌(如雙歧桿菌)可以合成和提供維生素，如維生素K和水溶性B族維生素[11]。腸道菌群不僅能合成多種機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育所需的維生素，還能利用蛋白質(zhì)殘?jiān)铣煞潜匦璋被?，并通過(guò)腸道細(xì)菌轉(zhuǎn)化為各種信號(hào)分子和抗菌肽，促進(jìn)消化和抗感染，還可促進(jìn)機(jī)體對(duì)多種礦物質(zhì)(如鐵、鎂、鋅)的吸收[12]。腸道中的微生物可編碼大量的碳水化合物活性酶，使其能夠分解難消化的膳食殘留物，釋放對(duì)健康和免疫有重要作用的短鏈脂肪酸(C2～C6)。短鏈脂肪酸是結(jié)腸中的主要陰離子，主要是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽，其中丁酸鹽是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能量來(lái)源。IBD中短鏈脂肪酸的顯著降低，可能是影響內(nèi)部和免疫穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵因素[13]。

2.2免疫調(diào)節(jié)作用 腸道微生物群對(duì)宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育起重要作用。反之，宿主免疫系統(tǒng)決定了腸道微生物群的結(jié)構(gòu)和功能[14]。在無(wú)菌或抗生素治療的小鼠中，腸黏膜中輔助性T細(xì)胞17的豐度顯著降低，表明腸道微生物群可對(duì)輔助性T細(xì)胞17的發(fā)育起作用[15]。B細(xì)胞發(fā)育的早期階段發(fā)生在腸黏膜以及胎兒的肝臟和骨髓中，且發(fā)育中B細(xì)胞受體的編輯似乎受腸道微生物群誘導(dǎo)的細(xì)胞外信號(hào)的調(diào)節(jié)[14]。比較無(wú)菌小鼠與常規(guī)飼養(yǎng)小鼠的研究表明，無(wú)菌小鼠的腸道微生物群缺乏，表現(xiàn)為免疫發(fā)育受損，以未成熟的淋巴組織、腸淋巴細(xì)胞數(shù)量減少、抗菌肽和IgA水平降低為特征；用腸道微生物群重建無(wú)菌小鼠腸道環(huán)境則可恢復(fù)以上免疫系統(tǒng)的缺陷和異常[16]。宿主免疫系統(tǒng)的成熟依賴于宿主特有的微生物，故無(wú)菌小鼠的免疫系統(tǒng)欠發(fā)達(dá)[17]。由此可見(jiàn)，腸道菌群對(duì)宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育和調(diào)節(jié)起關(guān)鍵作用，可抑制病原體侵襲，抗炎癥并提高宿主免疫力。

2.3生物屏障作用 腸道內(nèi)壁是人體與外界接觸面積最大的區(qū)域，腸道菌群在腸道中可形成重要的生物屏障，維護(hù)腸道生態(tài)平衡，抵御外來(lái)致病菌的侵害。無(wú)菌動(dòng)物的腸道易受腸道病原體的感染，黏膜免疫系統(tǒng)的異?？蓪?dǎo)致腸道病原體的易感性。此外，腸道菌群可通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)性地定植共生微生物群占據(jù)胃腸道的物理空間和營(yíng)養(yǎng)生態(tài)位。正常菌群占據(jù)腸道后，在物理空間上限制了外來(lái)微生物的定植和入侵；由于腸道營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限，正常菌群數(shù)量巨大，處于優(yōu)先生長(zhǎng)狀態(tài)；而外來(lái)細(xì)菌則處于劣勢(shì)，防止了體外病原體的定植，競(jìng)爭(zhēng)性地防止病原體侵入共生細(xì)菌，此機(jī)制被稱為“定植抗性”[18]。腸道微生物群通過(guò)直接和間接作用機(jī)制增強(qiáng)對(duì)腸道病原體的定植抗性。一些共生細(xì)菌通過(guò)產(chǎn)酸(乙酸、丙酸、乳酸等)或誘導(dǎo)抑制物質(zhì)(防御素、細(xì)菌素、過(guò)氧化氫、抗菌肽等)的產(chǎn)生直接抑制腸道病原體[19]。共生微生物群和微生物代謝產(chǎn)物通過(guò)激活免疫反應(yīng)，間接抵御病原體，分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacteria)促進(jìn)B細(xì)胞分泌IgA，產(chǎn)生抗菌肽，并在腸黏膜中形成輔助性T細(xì)胞17；短鏈脂肪酸能夠被G蛋白偶聯(lián)受體41和G蛋白偶聯(lián)受體43識(shí)別，刺激以上受體，促進(jìn)腸肽分泌；丙酸鹽可作為免疫調(diào)節(jié)因子促進(jìn)免疫細(xì)胞分泌抗菌因子，并抑制腫瘤細(xì)胞增殖；丁酸鹽可通過(guò)與宿主細(xì)胞的相互作用影響腸道菌群環(huán)境，進(jìn)而阻止病原體入侵[10]。

3 腸道菌群與IBD

腸道菌群失調(diào)與宿主-微生物共生的破壞可能是IBD發(fā)展的決定性事件。根據(jù)不同的生理功能，可將腸道內(nèi)細(xì)菌分為共生菌、條件致病菌和病原菌三大類(lèi)。伴隨著分子生物學(xué)和宏基因組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多研究表明，IBD患者的腸道菌群發(fā)生了明顯變化，且腸道菌群在IBD的發(fā)病機(jī)制中起重要作用[2-3,20]。腸道菌群可從主要的“共生”微生物轉(zhuǎn)變?yōu)闈撛诘挠泻Α爸虏　蔽⑸颷21]。與健康的個(gè)體相比，IBD患者腸道中的致炎細(xì)菌增加、抗炎細(xì)菌減少，且腸道微生物群的多樣性減少以及厚壁菌門(mén)的豐度降低[22]。有研究表明，IBD患者可能存在擬桿菌屬物種的物理空間重組，與對(duì)照組相比，脆弱擬桿菌在IBD患者生物膜質(zhì)量中占較大比例[23]。

大多數(shù)已知的人類(lèi)致病菌屬于變形桿菌門(mén)，并在 IBD中起關(guān)鍵作用[24]。與厚壁菌門(mén)相比，變形桿菌(主要是大腸埃希菌)在克羅恩病患者中相對(duì)增加，特別是與糞便樣品相比，黏膜相關(guān)的微生物群出現(xiàn)相對(duì)增加。有文獻(xiàn)報(bào)道，活動(dòng)性克羅恩病患者中黏附侵襲性大腸埃希菌的數(shù)量增加約38%，而健康受試者黏附侵襲性大腸埃希菌的數(shù)量為6%[25]。具有黏附腸道上皮能力的病原菌(如黏附侵襲性大腸埃希菌)的增加可影響腸道的通透性，進(jìn)而改變腸道微生物群的多樣性和組成，并通過(guò)調(diào)節(jié)炎性基因的表達(dá)誘導(dǎo)炎癥反應(yīng)，從而導(dǎo)致腸道炎癥的發(fā)生[26]。腸道微生物的組內(nèi)轉(zhuǎn)變伴隨著厚壁菌門(mén)專(zhuān)性厭氧菌的減少和變形桿菌兼性厭氧菌的增加，從而引發(fā)“氧氣”假說(shuō)[27]。Hughes等[28]的研究表明，炎癥可改變環(huán)境，干擾腸道厭氧菌的生長(zhǎng)，大腸埃希菌往往在機(jī)體發(fā)生炎癥等情況時(shí)，影響正常腸道功能。在炎癥發(fā)生過(guò)程中，氧氣的增加有助于大腸埃希菌在炎癥腸道中生存。腸道中有益細(xì)菌的呼吸作用所產(chǎn)生的大量廢棄物會(huì)被大腸埃希菌再度循環(huán)利用，大腸埃希菌可利用代謝廢物促進(jìn)大腸埃希菌群體的快速增長(zhǎng)。與IBD患者腸道微生物組的變化相關(guān)的類(lèi)似功能性破壞可能具有更長(zhǎng)期的影響。腸道菌群失調(diào)引起的腸道環(huán)境的改變對(duì)腸道功能的影響將有助于IBD患者補(bǔ)救治療措施的選擇。

腸道微生物群是宿主免疫系統(tǒng)刺激的主要來(lái)源。結(jié)腸上皮細(xì)胞與多種微生物的持續(xù)作用對(duì)維持體內(nèi)的正常平衡至關(guān)重要。微生物可能對(duì)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)、異生物質(zhì)代謝以及對(duì)病原微生物的保護(hù)等有害，并可導(dǎo)致腸道炎癥，由于微生物識(shí)別、處理或清除策略中的宿主免疫缺陷，IBD患者腸道的微妙平衡受到干擾[29]。模式識(shí)別受體在區(qū)分非常復(fù)雜的相互作用中必不可少，并是遺傳因素導(dǎo)致異常免疫環(huán)境的關(guān)鍵。有研究表明，Toll樣受體和核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域的蛋白2參與IBD發(fā)病[30]。對(duì)IBD患者 Toll樣受體表達(dá)變化的研究發(fā)現(xiàn)，潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病中Toll樣受體4均上調(diào)，而Toll樣受體2和Toll樣受體5的水平保持不變[31]。遺傳多態(tài)性導(dǎo)致核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域的蛋白2的功能發(fā)生改變，進(jìn)而無(wú)法識(shí)別煙草胞壁酰二肽，最終導(dǎo)致核因子κB下游的信號(hào)傳導(dǎo)失效。與Toll樣受體功能受損類(lèi)似，核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域的蛋白2缺乏可增加腸道細(xì)菌向固有層的轉(zhuǎn)運(yùn)[32]。

腸道菌群失調(diào)影響代謝物的產(chǎn)生也與IBD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。由于產(chǎn)生丁酸鹽的細(xì)菌(如柔嫩梭菌群)減少，IBD患者的短鏈脂肪酸水平有所下降[13]。短鏈脂肪酸的減少影響調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化和擴(kuò)增以及上皮細(xì)胞的生長(zhǎng)，而上皮細(xì)胞對(duì)維持腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)起重要作用[33]。此外，IBD患者腸道中脫硫弧菌等硫酸鹽還原菌的數(shù)量較多，導(dǎo)致硫酸氫鹽的產(chǎn)生，損害腸上皮細(xì)胞，并誘發(fā)黏膜炎癥[34]。綜上所述，腸道微生物群的改變與IBD的發(fā)病機(jī)制有關(guān)，腸道菌群通過(guò)多元化模式(菌群數(shù)量、菌群代謝產(chǎn)物、菌群組成成分、宿主間相互作用等)發(fā)揮作用。

4 腸道菌群與IBD診斷

宿主血清學(xué)微生物標(biāo)志物在IBD的診斷和預(yù)后方面具有獨(dú)特的地位[5]。Palm等[35]發(fā)明了一種獨(dú)立且重要的檢測(cè)IBD相關(guān)微生物群的新方法，基于流式細(xì)胞儀的細(xì)菌細(xì)胞分選與16S測(cè)序相結(jié)合，從糞便中分離和鑒定被IgA包被的細(xì)菌。由于個(gè)體之間以及每個(gè)個(gè)體中的微生物具有異常的多樣性，因此，IBD患者之間以及患者與健康個(gè)體之間的微生物組成存在很大差異，故目前該分析方法的臨床適用性尚不成熟[36]。目前，大多數(shù)對(duì)于腸道微生物菌群結(jié)構(gòu)的研究并不能體現(xiàn)具體微生物數(shù)量改變給宿主帶來(lái)的影響，研究相對(duì)忽略了整體微生物豐度變化可能是引起宿主產(chǎn)生疾病的主要原因。但Vandeputte等[37]構(gòu)建的基于序列擴(kuò)增和流式細(xì)胞計(jì)數(shù)技術(shù)的新型微生物計(jì)數(shù)和定量方法，能夠更為精準(zhǔn)地描述不同人類(lèi)個(gè)體的腸道菌群特征，可將不同患者的腸道菌群與自身的腸道差異聯(lián)系起來(lái)，更加真實(shí)地反映腸道微生態(tài)；采用此方法進(jìn)行糞便檢測(cè)確定的微生物豐度改變是導(dǎo)致克羅恩病患者腸道微生物結(jié)構(gòu)改變的根本原因。

5 腸道菌群與IBD治療

遺傳學(xué)因素、環(huán)境因素、腸道菌群和宿主免疫系統(tǒng)等之間的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致異常免疫反應(yīng)和慢性腸道炎癥，這些都可能成為潛在的治療靶點(diǎn)[3]。目前，在IBD發(fā)病機(jī)制的個(gè)體化治療靶點(diǎn)中，約5%針對(duì)環(huán)境因素、接近10%針對(duì)腸道菌群、約90%集中在免疫系統(tǒng)。針對(duì)環(huán)境因素的IBD治療，絕大多數(shù)靶點(diǎn)是未知的，治療效果難以控制；基因?qū)用娴腎BD治療靶點(diǎn)高度個(gè)體化，但目前技術(shù)尚不成熟，治療風(fēng)險(xiǎn)未知，療效不確切；而IBD的免疫系統(tǒng)治療的療效確切，但靶點(diǎn)較局限，通常存在不良反應(yīng)，且隨時(shí)間推移療效降低，對(duì)個(gè)體免疫狀態(tài)的依賴性較強(qiáng)。

目前，多種生物制劑可靶向調(diào)節(jié)IBD相關(guān)免疫系統(tǒng)的細(xì)胞因子、受體和信號(hào)通路，但臨床應(yīng)用的生物制劑(如阿達(dá)木單抗、英夫利西單抗、維多珠單抗)的治療效果并不滿意。干預(yù)IBD腸道菌群的方式主要有抗生素(消除或抑制不良微生物)、益生菌(引入缺失的微生物)、益生元(促進(jìn)有益細(xì)菌的增殖)、糞便移植(引入正常菌群取代致病菌群)、增強(qiáng)防御(補(bǔ)充抗菌肽以控制腸道微菌群)[38]。微生物治療可作為很有前景的IBD治療選擇。Paramsothy等[39]提出，糞便移植很可能成為設(shè)計(jì)更精良微生物聯(lián)合療法的跳板，對(duì)緩解潰瘍性結(jié)腸炎可能有效，但長(zhǎng)期的安全性仍不明確，需要進(jìn)一步研究的證實(shí)。目前，糞便移植仍為實(shí)驗(yàn)性治療，必須在監(jiān)管下進(jìn)行IBD治療，由于未能對(duì)供體進(jìn)行恰當(dāng)篩查，故可能發(fā)生明顯的不良反應(yīng)[40]。有證據(jù)顯示，糞便移植可改善人類(lèi)受體的代謝表型，可見(jiàn)糞便移植可用于其他用途，并可能對(duì)受體的代謝健康產(chǎn)生有害影響[41]。因此，糞便移植的安全性和治療標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題亟待解決。

IBD的治療藥物也影響腸道微生物群的組成。有研究表明，美沙拉嗪可抑制副結(jié)核分枝桿菌的生長(zhǎng)，在體外呈劑量依賴性，并與克羅恩病的病因密切相關(guān)[42]。與未治療患者相比，美沙拉嗪可減少糞便細(xì)菌和黏膜黏附細(xì)菌的濃度[43]。另有研究發(fā)現(xiàn)，美沙拉嗪下調(diào)了腸道傷寒沙門(mén)菌侵襲性和耐藥性相關(guān)基因的表達(dá)，并可能促進(jìn)感染后IBD的發(fā)病[44]。與其他藥物(包括抗腫瘤壞死因子-α抗體、美沙拉嗪和皮質(zhì)類(lèi)固醇)相比，硫基嘌呤的使用顯著降低了IBD中糞便樣品的細(xì)菌多樣性和豐度[45]。綜上所述，治療IBD的藥物可以改變或調(diào)節(jié)腸道微生物群，但可靠證據(jù)很少。此外，尚無(wú)法確定腸道微生物群的變化是藥物所致還是腸道炎癥改善的結(jié)果。

6 展 望

隨著醫(yī)療科研技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)IBD腸道菌群作用機(jī)制的深入認(rèn)識(shí)將為臨床IBD的診斷、治療及預(yù)后提供更加精準(zhǔn)的方法。但人體腸道菌群的個(gè)體差異性、功能多樣性、組成復(fù)雜性以及與宿主作用的不確定性導(dǎo)致其在IBD診斷和治療方面的收效甚微。精準(zhǔn)醫(yī)療是一種預(yù)防和治療疾病的全新方法，根據(jù)基因、環(huán)境和生活方式的個(gè)體差異，對(duì)患者進(jìn)行更精準(zhǔn)、更有針對(duì)性的治療。此外，通過(guò)系統(tǒng)生物學(xué)的方法，在臨床實(shí)踐中為不同患者找到個(gè)體化的治療方案。通過(guò)腸道菌群——“人體第二個(gè)基因組”來(lái)提高IBD的診療效果，還需長(zhǎng)期的探索和研究。