肠道菌群在肠道稳态和炎症性肠病中的研究进展

张迎娣 张红杰

南京医科大学第一附属医院消化内科(210029)

炎症性肠病(IBD)包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)，是一类慢性非特异性肠道炎症性疾病，具有不可治愈性和易复发性。目前 IBD的病因和发病机制仍未完全明确，主要与菌群失调、免疫异常、环境、遗传易感等因素相关，其中肠道菌群失调是近年来研究的热点。本文就肠道菌群在肠道稳态和IBD中的研究进展作一综述。

一、肠道菌群的种类和分布

哺乳动物肠道内定植着复杂的微生物群落，超过1 000种细菌，总重量约1 kg。肠道菌群主要分为四大门类:厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、变形菌门［1-2］。胃肠道不同部位的菌群构成和浓度不同，胃和小肠细菌较少，主要为需氧菌，如乳酸菌属、链球菌属;结肠细菌浓度高达1011/g～1012/g结肠内容物，主要为厌氧菌，如拟杆菌属、梭菌属、双歧杆菌属、肠杆菌属［3］;盲肠中兼性厌氧菌占总菌数量的25%［4］。

二、肠道菌群与肠道稳态

肠黏膜共生菌对肠道稳态有至关重要的作用，其不仅可为机体提供营养、产生重要的代谢产物，亦能促进机体免疫系统成熟，尤其胃肠道局部免疫。黏膜共生菌的作用主要体现在:①共生菌的定植抗力，高度进化的菌群占据肠道内的生态位点，阻止各种病原体侵入黏膜固有层。早在2000年，Bonang等［5］进行了一项关于母乳对婴幼儿肠道菌群定植抗力影响的研究，结果显示母乳喂养组婴幼儿肠道大肠杆菌数量显著低于配方乳组，此与前者肠道菌群具有较高的定植抗力有关;②固有微生物对肠黏膜持续的低度炎症性刺激，有助于肠道免疫系统的形成和完善，进而能及时有效地监控并清除有害菌，维持机体健康;③参与机体重要的生理代谢活动，如费氏丙酸杆菌ET-3可产生大量维生素K2前体物质，后者可通过激活芳香烃受体，参与物质代谢、解毒以及抑制肠道炎症［6］;④当肠道共生菌构成发生变化时，肠道菌群失衡，引起肠道免疫反应［7］。

三、肠道菌群改变与肠道炎症和IBD的关系

动物模型证实肠道菌群是肠道炎症形成的先决条件。Taurog等［8］的研究显示，无菌环境下饲养的HLA-B27转基因大鼠不发生肠道炎症。Sellon等［9］的研究发现，白细胞介素-10(IL-10)基因敲除小鼠在无特定病原菌(SPF)环境下，可发生中度结肠炎，而在无菌条件下，结肠无炎症性改变。无菌小鼠肠道黏膜免疫系统活化程度显著低于SPF级小鼠。Kobayashi等［10］的研究亦支持“无菌无炎症”观点。此外，IBD患者肠道炎症最严重的部位往往亦是肠道菌群定植数量最多的部位，炎症程度多与细菌脂多糖(LPS)内毒素活性强度有关［1］。

近年来研究发现，IBD患者存在肠道菌群构成改变、肠道生态系统多样性减少，其中厚壁菌门、拟杆菌门等优势菌的多样性减少最为显著。McLaughlin等［11］应用16S rRNA基因克隆和测序法分析16例UC患者和8例健康对照者的结肠袋黏膜组织标本，结果显示UC患者肠道组织变形菌门显著增加，而拟杆菌属和柔嫩梭菌属显著减少。大肠杆菌尤其是黏附侵袭性大肠杆菌(AIEC)与CD的发病机制密切相关，但与UC的关系尚存争议。研究［12-13］显示，CD患者肠黏膜大肠杆菌数量显著高于正常对照组，而黏膜相关柔嫩梭菌丰度显著低于正常对照组。研究［14-15］发现，IBD患者硫酸盐还原菌水平增加，其代谢产物H2S可渗过肠上皮细胞膜，当H2S超过生理性浓度时可抑制丁酸盐氧化，导致肠上皮细胞损伤、死亡以及炎症发生。此外，IBD患者亦有肠道真菌构成改变、多样性增加。研究［16-17］显示，白色念珠菌、棒曲霉、新型隐球菌数量增加可能与肠黏膜炎症、细胞因子和血清CRP水平以及CD疾病活动度呈正相关，因此，需进一步研究真菌是否是IBD的触发因素。

正常情况下，肠道黏膜上皮屏障具有选择渗透性功能，不仅可吸收营养物质，亦可产生代谢废物。肠道黏膜渗透性增加是IBD的主要特点之一。Nakanishi等［18］的研究显示，葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的结肠炎小鼠的肠黏膜屏障完整性和功能受损，革兰阳性共生菌发生易位，并招募单核/巨噬细胞迁移至结肠，导致结肠炎的发生。研究［19-20］发现，IBD肠道屏障缺失或功能异常与上皮细胞紧密连接蛋白ZO-1、claudin-1减少，成孔蛋白claudin-2增加有关，亦可能与树突细胞异常活化以及分布失衡有关。Carroll等［21］认为细菌蛋白酶在特定条件下可成为毒力因子，通过增加黏膜渗透性参与肠道炎症的发生、发展。

四、肠道菌群、肠道免疫与microRNAs(miRNAs)

肠道菌群使肠道黏膜面临巨大的挑战，既要对有益菌形成耐受，又要快速、有效地清除病原菌，此与细菌表面抗原成分或其代谢终产物使免疫细胞活化以及细胞因子表达有关。适应性免疫应答在IBD发病中至关重要，T细胞发挥核心作用，其异常活化可导致细胞因子和趋化因子大量释放，放大炎症效应。一般认为CD是由Th1细胞介导的，Th2细胞则与UC的发生相关。近年来研究［22-23］发现IBD患者肠黏膜固有层中浸入大量Th17细胞，产生促炎因子IL-17A，并伴随黏膜相关恒定T细胞(MAIT)数量增多、活性增强。Treg细胞可抑制体内外Th0细胞增殖分化、产生抗炎因子IL-10以及转化生长因子-β(TGF-β)，参与肠道黏膜稳态的维持［24］。Poniedzialek等［25］的研究发现，CD患者Treg细胞凋亡比例较正常人群显著增加。

对免疫学和遗传学研究表明，固有免疫应答在肠道炎症中亦发挥重要作用。黏膜固有层中某些特定细胞，包括巨噬细胞、树突细胞以及非免疫性细胞(肠上皮细胞、成纤维细胞等)，持续监视肠道菌群和食物抗原，并通过模式识别受体识别细菌成分，如跨膜Toll样受体(TLRs)识别细菌LPS等成分激活胞内级联效应，通过典型的MyD88-依赖或非依赖途径，发挥免疫监视作用［26］。Lahiri等［27］的研究发现，持续刺激细胞内模式识别受体NOD2可诱导金属硫蛋白表达，增加细胞自噬以及细菌清除作用。模式识别受体信号通路主要参与调节体内共生菌平衡和上皮细胞增殖，亦参与诱导病原菌入侵时的炎症反应。

近年研究显示miRNAs通过参与调控肠道菌群对肠道炎症产生影响，miRNAs是真核生物细胞中高度保守的调节分子，是短链、非编码RNAs，通过靶向结合mRNAs调节各种基因表达，从而抑制转录水平后蛋白表达和功能，甚至影响mRNAs的稳定性。Nguyen等［28］的研究显示，感染AIEC后，后者通过激活核因子-κB(NF-κB)途径上调 miRNA30C和miRNA130A表达，这些上调的miRNAs可降低自噬相关基因ATG5/ATG16L1水平，进而抑制肠上皮细胞自噬作用，导致自噬介导的胞内细菌清除功能缺陷，从而促进炎症反应发生。当肠上皮细胞给予miRNA30C和miRNA130A抑制剂处理后，可阻断AIEC引起的ATG5/ATG16L1水平降低，并使肠上皮细胞恢复自噬作用。Xue等［29］从B6小鼠肠腔分离出大肠杆菌以及带有鞭毛A4共生菌(后者可产生CBir1鞭毛蛋白，为一种细菌抗原)，用细菌裂解产物刺激骨髓来源的树突细胞，24 h后采用实时定量PCR检测显示，miR-10A表达水平显著低于未刺激组。IL-12/IL-23p40是miR-10A的靶基因，是固有免疫应答的重要分子。Xue等［29］的研究还表明，肠道菌群可通过负向调节miR-10A，上调IL-12/IL-23p40表达，从而导致IL-10缺陷小鼠结肠炎的发生。Brain等［30］和 Koukos 等［31］的研究进一步提示 miRNAs 可能是IBD患者免疫应答的主要调节者。上述研究为探索IBD的发病机制开辟了新前景。

五、微生态制剂对IBD的治疗作用

微生态制剂主要包括益生菌、益生元等。益生菌是一类活性微生物，具有良好的耐受性，适宜剂量有益机体健康，这类益生菌包括双歧杆菌、乳酸杆菌等。益生元是一种不可消化的膳食补充剂，影响肠道特定共生菌的生长活性、改变菌群构成，如乳果糖、低聚果糖、菊粉、发芽大麦食品等。微生态制剂发挥作用的可能机制为:①调节肠道菌群，维持菌群稳态，协调共生菌定植，减少病原菌入侵;②可改善肠黏膜上皮屏障的通透性。Natividad等［32］的研究发现，短双歧杆菌菌株NCC2950能改善Nod1-/-;Nod2-/-结肠炎小鼠的肠黏膜上皮屏障功能;③可通过诱导Treg细胞发挥抗炎特性。多种有益菌能产生短链脂肪酸，刺激Treg细胞，改善上皮屏障功能，抑制免疫应答，减轻肠道炎症反应。Lorea Baroja等［33］的研究发现，益生菌的抗炎效应与外周血Treg细胞数量呈平行关系。van’t Land等［34］的研究显示，益生元如低聚糖可通过CD25+Treg细胞进行免疫调节。然而，Rahimi等［35］进行的一项Meta分析显示，无法证实益生菌能维持CD缓解以及预防复发。Jonkers等［36］在一篇系统回顾分析中指出，大多数研究支持大肠杆菌Nissle 1917以及VSL#3等微生物制剂对具有UC治疗作用，但无确切证据表明益生菌对CD的疗效。亦有研究［37］表明益生菌可通过加快胃肠通过，诱发IBD患者发生腹泻或大便次数变化，加重疾病活动性。因此，仍需进一步探讨以明确微生物制剂在治疗IBD中的具体作用机制和疗效。

六、粪菌移植(FMT)与IBD

近年来，FMT成为治疗IBD的新方法。FMT是指将正常供者的粪便经一定处理后灌入IBD患者肠道内，其目的是重新恢复肠道正常菌群的多样性，调节菌群失衡，而非清除肠道内的病原体。Khoruts等［38］的研究发现，对难治性难辨梭状芽孢杆菌感染性腹泻患者行FMT治疗两周后，患者的粪便菌群构成与粪便供者极为相似，以拟杆菌属和产丁酸盐菌为主，同时伴有腹泻症状改善，此与供者的粪便菌群快速占据受者肠壁，以利于肠道菌群功能的恢复有关。Kunde等［39］采用FMT治疗10例中重度儿童UC患者，治疗1周后的临床应答率和临床缓解率分别为78%和33%，提示FMT是治疗儿童UC的有效手段，但该研究样本量较小，相关结论有待行大样本量研究证实。目前对FMT治疗IBD有效性、安全性的研究有限，尚不明确FMT治疗的长期预后，如代谢状态改变、疾病复发以及肿瘤性疾病的易感性等。有研究［40］报道FMT可导致菌血症发生。由此可见，FMT治疗IBD具有一定潜力，其可能为IBD患者尤其是传统方法治疗无效的患者提供新的治疗途径，但需行更多临床研究证实。

七、结语

近几十年的研究尚未发现与IBD发病有关的特征性肠道菌群构成变化，亦未发现某种特异性细菌。目前已明确IBD患者除了优势菌定植能力降低、肠上皮屏障功能减弱外，细菌抗原、细菌DNA亦可能经特定途径导致免疫反应参与IBD的发生、发展，但相关机制尚未完全阐明，需进一步研究。miRNAs参与调控菌群对IBD产生影响，提示从基因层面探索肠道菌群改变产生的影响，可能为IBD治疗提供新靶点。目前，尽管存在对IBD患者肠道菌群常规培养困难、菌群复杂性高等问题，但随着实验方法和新技术的发展与应用以及对肠道微生物在IBD发病中作用认识的不断深入，有望为以肠道微生物为靶点的IBD治疗提供新途径。

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