肠道微生态与炎症性肠病的研究进展

邢 慧

哈尔滨医科大学附属第二医院消化内科，黑龙江 哈尔滨 150086

肠道微生态与炎症性肠病的研究进展

邢 慧

哈尔滨医科大学附属第二医院消化内科，黑龙江 哈尔滨 150086

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)发病率日益增加，IBD的发生、发展是环境、免疫、遗传、肠道微生态共同作用的结果。同时，随着对IBD发生、发展的重视，IBD与肠道微生态的关系及微生物在IBD发生、发展过程中的作用和意义也成为研究的热点。本文概述生理及病理条件下肠道菌群的组成、作用及其与IBD发病的关系，并对最新的研究作一概述。

肠道微生态；肠道菌群；炎症性肠病

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn’s disease，CD)，是一类病因和发病机制尚不明确的慢性肠道炎症性疾病。目前普遍认为它是环境、免疫、遗传、肠道微生态共同作用的结果。在IBD发病机制方面，一个已被广泛接受的假说认为，IBD的发病机制与遗传易感个体肠道免疫系统对于肠腔内抗原，如食物代谢成分和/或肠道共生微生物等产生异常免疫反应密切相关。王玉芳等[1]对1990年-2003年IBD住院患者进行回顾性研究，共收集3 100例UC患者和515例CD患者，结果显示我国IBD住院患者逐渐增加，推测UC患病率约为11.6/10万，CD约为1.4/10万，增长情况与日本、韩国、新加坡等国家相似。本文就生理及病理条件下的肠道微生态，尤其是肠道菌群及其与IBD之间的关系作一概述。

1 生理条件下的肠道微生态

生理状态下的肠道微生态系统是一个复杂的细菌生态系统，各微生物群体之间相互依存、相互制约，保持着稳定的比例，且按照一定的顺序定植于肠壁，达到稳定的微生态平衡，对宿主有生物屏障等功能[2]。

1.1 肠道菌群概况及生理作用 肠道菌群有400～500种常驻细菌，主要分为硬壁菌(Firmicutes)、拟杆菌(Bacteroidtes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)，其中硬壁菌、拟杆菌为优势菌[3]。肠道菌群通过影响食物代谢和消化道结构及功能，同时产生大量的生物活性代谢分子而发挥“激素样”效应，参与宿主的物质代谢，促进宿主营养物质消化吸收，在维持肠道正常生理功能、调节机体免疫及拮抗病原微生物定植等方面发挥重要作用[4]。以下关于肠道菌群的研究，可以帮助我们认识肠道菌群在生理条件下的一些作用。

1.1.1 缺乏肠道菌群可致小鼠肠道发育不良：无菌饲养的小鼠表现出肠道发育不良，针对该现象有假设认为是由于无菌饲养小鼠缺乏产生丁酸盐(butyrate)的菌群，这种短链脂肪酸是结肠供能的关键来源，它的缺失导致了无菌动物模型细胞发育不良[5]。

1.1.2 肠道菌群缺失可致黏膜屏障功能受损：在黏膜屏障功能方面，肠道常驻菌群可以刺激黏蛋白的产生从而提高肠道上皮对致病物质的抵抗能力。无菌小鼠中肠道细胞紧密连接出现问题，会导致肠上皮通透性的改变。肠上皮通透性的改变则是慢性炎症性疾病(包括IBD在内)的特征之一[6]。

1.2 肠道菌群与宿主间的免疫应答 人类肠道是宿主与外界环境接触的部位，在肠道尤其是低位肠腔，有着数量惊人的微生物寄生，因此，肠道微生态在宿主免疫应答反应的建立和调节过程中起重要作用。

微生物是人体免疫系统最大的抗原种类，针对它们的免疫反应是持续存在的，肠道内每天释放3～5 g的IgA。因此，一旦肠道菌群失调，微生物与宿主间的抗原抗体反应就会导致慢性炎症性疾病的发生[7]。

与野生鼠相比，无菌小鼠的黏膜固有层变薄，淋巴集结减少，生发中心浆细胞减少，淋巴滤泡减少，肠道隐窝长度增加，分泌黏蛋白的杯状细胞数量减少[8]。这些无菌小鼠T细胞、潘氏细胞表达同样减少(潘氏细胞位于小肠隐窝，其分泌的抗菌肽是保护肠上皮细胞的重要介质)。说明肠道的免疫系统受肠道定植细菌的影响，这些看似是来控制细菌的免疫反应其实是由细菌在调控的。

由于发现了特异性的抗鞭毛抗体这种针对性抗原，细菌鞭毛在某些细菌的检测方面发挥作用，鞭毛来自梭状芽孢杆菌集群，在UC患者中约有一半检查出抗鞭毛的IgG抗体存在，鞭毛蛋白可以通过Toll-like受体-5(TLR-5)介导激活先天免疫系统[7]。

肠道内某一菌种的数量并不能决定它们的作用，有些数量不多的菌种可能在肠道中起重要作用。它们分泌的许多抗菌肽都对微生物有特异性，其中有些是针对很少量关键菌种表达的抗菌肽，这部分抗菌肽的缺失就会对肠道菌群的平衡和宿主产生重大影响。这些关键菌种大部分是革兰阳性菌，例如：Ivanov等[9]研究显示分段丝状细菌(segmented filamentous bacterium，SFB)通过影响Th17细胞在小鼠回肠末端的增殖，在诱导Th17细胞产生方面发挥关键作用。更有实验[10]发现，表达人源性抗菌肽-人类防御素5(human defensing 5，HD-5)的小鼠SFB严重匮乏，结果导致表达IL-17的T细胞数量减少，这或许能够解释在哺乳动物肠道中普遍存在的SFB在表达HD-5的人群中减少或缺失的现象。

某些细菌可以抑制宿主的免疫反应，某些细菌可以抑制核转录因子κB(nuclear factor-κB, NF-κB)的激活，例如：多形拟杆菌(Bacteroides thetaiotaomicron)作用于TLR的信号表达及NF-κB的激活[11]。

2 肠道微生态与IBD

实验[12]表明免疫系统被破坏的动物在无菌环境下不会发病，而在有菌环境下饲养则会发生肠道炎症反应，这为宿主免疫反应与IBD发病相关提供证据支持。

虽然至今尚未发现与IBD发病有明确关系的病原体，但是越来越多的证据显示，肠道菌群与IBD发病密切相关。有以下证据可以支持此假说：(1)IBD的病变部位位于肠道细菌浓度最高的回肠末端和结直肠；(2)给予IL-10基因敲除的无菌小鼠粪肠球菌后可诱发结肠炎，同时也会诱发直肠发育不良和腺癌[13]；(3)IBD患者存在肠道菌群失衡，致病菌和条件致病菌相对增多，肠道有益菌数量减少，比如在UC患者中双歧杆菌相对减少，大肠杆菌相对增加[14];(4)粪便转流术对CD患者肠道炎症减轻有帮助作用[15]；(5)抗生素对IBD有一定疗效。以上这些证据均提示肠道微生态在IBD发病及肠道炎症反应中起到作用。

2.1 肠道菌群与IBD的遗传风险基因位点 已经发现超过99个不重叠的遗传风险位点与IBD有关，这些位点可以根据功能区分为与肠上皮屏障功能相关、与淋巴细胞激活相关及与其他免疫功能相关的不同种类。Nod2(neucleotide oligomerization domain 2，也称CARD15)被发现与CD发病相关，但是其突变在CD中的明确机制有待进一步研究，Nod2是转录因子成员，它是胞壁酰二肽(muramyl dipeptide，MDP)的胞内胞浆受体。MDP是革兰阳性及阴性菌的细胞壁肽聚糖的组分，可以激活细胞内的NF-κB[16]。Nod2的突变会导致抑制性炎症因子IL-10表达的减少，导致严重的炎症反应[17]。Nod2在潘氏细胞中也有表达，潘氏细胞能分泌抗菌肽等抗菌物质，在维持肠道内稳态和调节肠道菌群方面有重要作用。Nod2基因位点的突变会导致肠道菌群的变化、免疫系统的激活，从而影响宿主与肠道菌群之间的平衡[18]。

2.2 IBD与肠道菌群改变 虽然没有找到与IBD确切相关的致病微生物，但目前有研究[19]认为：个别菌种可能在免疫调控方面发挥重大作用，他们的增多或减少破坏了肠道微生态，这种微生态的破坏对IBD等慢性炎症反应的迁延起到重要作用。

肠道共生菌的变化可能是IBD的一个重要病因。在IBD患者中观察到硬壁菌门(Firmicutes)细菌数量的显著减少(其主要存在于小肠中)[20]。硬壁菌门细菌是重要短链脂肪酸乙酸酯、丁酸酯的提供者，有强力抗炎作用。梭菌集群(Clostridial clusters)Ⅳ及ⅩⅣ在IBD患者中也表现出相对低的丰度，提示它们的缺失可能导致关键抗炎代谢物或其他细胞相关免疫调节配体的耗尽。与正常人群相比，IBD患者肠道菌群的多样性、稳定性都有所下降。在IBD患者中比较非炎症与炎症区域的黏膜发现，微生物群体结构有区别，炎性区域的菌群大幅度减少[21]。在UC患者中肠道细菌的负荷重于CD患者，但不会超过正常人群。关键细菌减少的同时，有害菌的相对增多也会导致患病。

我们也了解到一些可能与IBD相关的细菌的作用：鼠伤寒沙门氏菌可以导致炎症反应，但它凭借自身高度的抗炎能力可以在炎症反应中增殖，因此该菌在病程中常出现。消化道球菌、粪球菌的相关抗体可在IBD患者标本中被检测到，提示他们可能单独或共同作用在IBD的发病过程中，但该结论尚待进一步证实。被认为可能导致IBD的潜在致病性菌种还有：副结核分枝杆菌、黏附侵袭型大肠杆菌、空肠弯曲杆菌、螺杆菌等[22]，但是尚无足够可靠的证据。

2.3 小鼠动物模型对研究微生物在IBD中如何发挥作用的帮助 IBD小鼠模型的构建及相关研究在进一步了解宿主免疫与微生物之间的关系及肠道在IBD中是否发生退化等方面给了我们很大的帮助。IL-10缺陷小鼠对于确定细菌与IBD发病是否相关起到了重要作用，让IL-10缺陷无菌小鼠在正常环境中饲养或是给予小鼠强饲粪便都会引发IBD[23]，而且实验[24]表明微生物相关分子模式(microbial-associated molecular patterns，MAMP)对刺激免疫反应有一定作用。细菌的组成成分，例如细胞壁成分、核酸、鞭毛蛋白等，都被仔细研究并发现它们通过肠上皮细胞的TLRs影响免疫系统，进而影响肠道内的微生态。这些研究为我们在解释IBD发病机制上提供了重要帮助。

有假设提出肠内细菌通过破坏肠道上皮黏膜屏障导致结肠炎。Ohkusa等[25]在肠上皮细胞体外实验中发现一些原住的细菌会诱导宿主肠黏膜组织释放不同水平的细胞因子，说明肠道微生物能激活并维持炎症反应，但是它们在活体内诱导炎症反应的能力不强，可能由于宿主的反应或是受到肠道内其他菌群的影响。Rakoff-Nahoum等[26]发现TLR4敲除的小鼠不会被葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium，DSS)诱导引发结肠炎，MyD88敲除鼠(该种鼠不能激活TLRs信号通路)同样不能被DSS诱导产生UC样典型损伤。这些都表明肠道细菌在UC发病中起重要作用，而这些作用是通过TLR信号通路完成的。但是也有研究[27]显示无菌小鼠在接触DSS后比正常小鼠表现出更严重的症状，提示微生物在此过程中起保护作用。这种保护作用可能是由于微生物的一些产物，例如短链脂肪酸，它能促进结肠发育且维持肠上皮细胞健康。给予小鼠厌氧菌抗体可以减轻小鼠对DSS反应的剧烈程度，而获取厌氧菌抗原可能会增加小鼠对肠道菌群的耐受性，表明微生物和宿主免疫之间平衡的改变可能导致了对DSS免疫反应的发生。

IL-10缺陷小鼠感染肝螺杆菌后产生了有T细胞参与的肠道炎症[28]。实验[29]表明IL-23诱导的Th17细胞在感染的发生、发展中起一定作用。但许多实验发现野生小鼠并没有由肝螺杆菌引发的肠道炎症，提示可能与基因敲除鼠的免疫系统缺陷有关。

2.4 益生菌与IBD 益生菌是对人体产生健康功效的活体微生物，在给予适当的剂量时可以产生对人体有益的影响。这些有益的影响是多种机制共同参与实现的，益生菌可以定植到肠道且占据位置来阻止潜在的有害菌的定植，即定植抗力(colonization resistance)。这种微生物间的竞争可能通过消耗可利用的养分或是改变生存环境(如pH、产生黏液等)来限制无法适应改变的菌种[30]。

乳酸杆菌和双歧杆菌等都是目前应用的益生菌，对维持健康有重要作用。实验[31]表明益生菌在IBD治疗中维持疾病缓解期的效果好于抑制活动期疾病的效果，尼氏大肠杆菌1917(E.coli Nissle 1917)在维持缓解UC过程中发挥作用这一事实可以证明上述观点。但益生菌对于维持CD的缓解期似乎无效，同时也没有足够的证据支持益生菌对活动期IBD有效。当然益生菌的作用是复杂的，因为不同的益生菌有不同的作用，而不同的患者对同一种益生菌的反应也有不同。在今后的益生菌使用中应该更加关注益生菌与宿主免疫系统如何相互影响，而不仅仅是在肠道内植入有益细菌[32]。实验[33]表明尼氏大肠杆菌1917与一些药物(比如巴柳氮)联用时会增益其治疗轻度结肠炎的效果。

Martin等[34]研究了乳酸杆菌和鼠李糖乳杆菌(Lactobacillus paracasei and L.Rhamnosus)在植入了人类婴儿菌群小鼠中所产生的影响，它们改变了小鼠血压和组织的代谢情况，鼠李糖乳杆菌还能影响能量代谢通路，增加胆汁酸的积累，导致肠道内脂质吸收的增加。细菌改变了粪便脂质的组成，影响了肠内维生素和矿物质的吸收，同时一些复杂物质在肠内细菌的帮助下分解成短链脂肪酸。这些证据说明有时是细菌的产物而非细菌本身在发挥有益作用，展示出了微生物影响宿主生理的多种机制。

3 问题及展望

肠道菌群的检测方法一般是通过对肠标本进行体外扩增或是对粪便进行分析，这些都不能还原生理状态下菌群与肠道之间的互相作用关系，同时这些研究中的肠道粪便菌群仅仅代表了结肠以下的肠道菌群而非全部肠道菌群，这是一大遗憾。

肠道微生态环境中除了细菌之外还有病毒群、螺旋体等，但是后者的研究并不多见。所以，对于肠道病毒、螺旋体等在IBD发生、发展过程中所起的作用和机制并不明确。

肠道菌群对生理状态下维持肝脏功能、病理状态下小儿哮喘及胰岛素抵抗方面都有作用，提示肠道菌群的作用并非局限在肠腔内。同时也让我们思考肠道及其菌群是否作为一个整体的“内分泌”或是“免疫”器官对身体的生理功能产生影响。在这一方面，尚需进行相关的实验研究加以证实。

[1]王玉芳, 欧阳钦, 胡仁伟, 等. 炎症性肠病流行病学研究进展[J]. 胃肠病学, 2013, 18(1): 48-51. Wang YF, Ouyang Q, Hu RW, et al. Advances in study on epidemiology of inflammatory bowel diseases [J]. Chin J Gastroenterol, 2013, 18(1): 48-51.

[2]Gensollen T, Iyer SS, Kasper DL, et al. How colonization by microbiota in early life shapes the immune system [J]. Science, 2016, 352(6285): 539-544.

[3]Leake SL, Pagni M, Falquet L, et al. The salivary microbiome for differentiating individuals: proof of principle [J]. Microbes Infect, 2016, 18(6)： 399-405.

[4]Nicholson JK, Holmes E, Kinross J, et al. Host-gut microbiota metabolic interactions [J]. Science, 2012, 336(6086): 1262-1267.

[5]Andoh A. Physiological role of gut microbiota for maintaining human health [J]. Digestion, 2016, 93(3): 176-181.

[6]Nagalingam NA, Lynch SV. Role of the microbiota in inflammatory bowel diseases [J]. Inflamm Bowel Dis, 2012, 18(5): 968-984.

[7]Mathias A, Pais B, Favre L, et al. Role of secretory IgA in the mucosal sensing of commensal bacteria [J]. Gut Microbes, 2014, 5(6): 688-695.

[8]El Aidy S, Derrien M, Aardema R, et al. Transient inflammatory-like state and microbial dysbiosis are pivotal in establishment of mucosal homeostasis during colonisation of germ-free mice [J]. Benef Microbes, 2014, 5(1): 67-77.

[9]Ivanov II, Atarashi K, Manel N, et al. Induction of intestinal Th17 cells by segmented filamentous bacteria [J]. Cell, 2009, 139(3): 485-498.

[10]Salzman NH, Hung K, Haribhai D, et al. Enteric defensins are essential regulators of intestinal microbial ecology [J]. Nat Immunol, 2010, 11(1): 76-83.

[11]Kelly D, Campbell JI, King TP, et al. Commensal anaerobic gut bacteria attenuate inflammation by regulating nuclear-cytoplasmic shuttling of PPAR-gamma and RelA [J]. Nat Immunol, 2004, 5(1): 104-112.

[12]Maharshak N, Packey CD, Ellermann M, et al. Altered enteric microbiota ecology in interleukin 10-deficient mice during development and progression of intestinal inflammation [J]. Gut Microbes, 2013, 4(4): 316-324.

[13]Ocvirk S, Sava IG, Lengfelder I, et al. Surface-associated lipoproteins link enterococcus faecalis virulence to colitogenic activity in IL-10-deficient mice independent of their expression levels [J]. PLoS Pathog, 2015, 11(6): e1004911.

[14]Kataoka K. The intestinal microbiota and its role in human health and disease [J]. J Med Invest, 2016, 63(1-2): 27-37.

[15]Kahn SA, Gorawara-Bhat R, Rubin DT. Fecal bacteriotherapy for ulcerative colitis: patients are ready, are we? [J]. Inflamm Bowel Dis, 2012, 18(4): 676-684.

[16]Kuuliala K, Lappalainen M, Turunen U, et al. Detection of muramyl dipeptide-sensing pathway defects in monocytes of patients with Crohn’s disease using phospho-specific whole blood flow cytometry [J]. Scand J Clin Lab Invest, 2013, 73(6): 494-502.

[17]Magrone T, Jirillo E. The interplay between the gut immune system and microbiota in health and disease: nutraceutical intervention for restoring intestinal homeostasis [J]. Curr Pharm Des, 2013, 19(7): 1329-1342.

[18]Gourbeyre P, Berri M, Lippi Y, et al. Pattern recognition receptors in the gut: analysis of their expression along the intestinal tract and the crypt/villus axis [J]. Physiol Rep, 2015, 3(2): e12225.

[19]Nagalingam NA, Lynch SV. Role of the microbiota in inflammatory bowel diseases [J]. Inflamm Bowel Dis, 2012, 18(5): 968-984.

[20]Matsuoka K, Kanai T. The gut microbiota and inflammatory bowel disease [J]. Semin Immunopathol, 2015, 37(1): 47-55.

[21]Walker AW, Sanderson JD, Churcher C, et al. High-throughput clone library analysis of the mucosa-associated microbiota reveals dysbiosis and differences between inflamed and non-inflamed regions of the intestine in inflammatory bowel disease [J]. BMC Microbiol, 2011, 11: 7.

[22]洪娜, 于成功. 肠道菌群在炎症性肠病发生中的作用[J]. 胃肠病学, 2011, 16(11): 692-695. Hong N, Yu CG. Role of intestinal flora in pathogenesis of inflammatory bowel diseases [J]. Chin J Gastroenterol, 2011, 16(11): 692-695.

[23]Bassett SA, Young W, Barnett MP, et al. Changes in composition of caecal microbiota associated with increased colon inflammation in interleukin-10 gene-deficient mice inoculated with Enterococcus species [J]. Nutrients, 2015, 7(3): 1798-1816.

[24]Elia PP, Tolentino YF, Bernardazzi C, et al. The role of innate immunity receptors in the pathogenesis of inflammatory bowel disease [J]. Mediators Inflamm, 2015, 2015: 936193.

[25]Ohkusa T, Yoshida T, Sato N, et al. Commensal bacteria can enter colonic epithelial cells and induce proinflammatory cytokine secretion: a possible pathogenic mechanism of ulcerative colitis [J]. J Med Microbiol, 2009, 58(Pt 5): 535-545.

[26]Rakoff-Nahoum S, Hao L, Medzhitov R. Role of toll-like receptors in spontaneous commensal-dependent colitis [J]. Immunity, 2006, 25(2): 319-329.

[27]Lange K, Hugenholtz F, Jonathan MC, et al. Comparison of the effects of five dietary fibers on mucosal transcriptional profiles, and luminal microbiota composition and SCFA concentrations in murine colon [J]. Mol Nutr Food Res, 2015, 59(8): 1590-1602.

[28]Ge Z, Sterzenbach T, Whary MT, et al. Helicobacter hepaticus HHGI1 is a pathogenicity island associated with typhlocolitis in B6.129-IL10 tm1Cgn mice [J]. Microbes Infect, 2008, 10(7): 726-733.

[29]Kullberg MC, Jankovic D, Feng CG, et al. IL-23 plays a key role in Helicobacter hepaticus-induced T cell-dependent colitis [J]. J Exp Med, 2006, 203(11): 2485-2494.

[30]Stecher B. The roles of inflammation, nutrient availability and the commensal microbiota in enteric pathogen infection [J]. Microbiol Spectr, 2015, 3(3).

[31]Rembacken BJ, Snelling AM, Hawkey PM, et al. Non-pathogenic Escherichia coli versus mesalazine for the treatment of ulcerative colitis: a randomised trial [J]. Lancet, 1999, 354(9179): 635-639.

[32]Haller D, Antoine JM, Bengmark S, et al. Guidance for substantiating the evidence for beneficial effects of probiotics: probiotics in chronic inflammatory bowel disease and the functional disorder irritable bowel syndrome [J]. J Nutr, 2010, 140(3): 690S-697S.

[33]Ghosh S, van Heel D, Playford RJ. Probiotics in inflammatory bowel disease: is it all gut flora modulation? [J]. Gut, 2004, 53(5): 620-622.

[34]Martin FP, Dumas ME, Wang Y, et al. A top-down systems biology view of microbiome-mammalian metabolic interactions in a mouse model [J]. Mol Syst Biol, 2007, 3: 112.

(责任编辑：李 健)

Progress of intestinal microecology and inflammatory bowel disease

XING Hui

Department of Gastroenterology, the Second Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Harbin 150086, China

The incidence of inflammatory bowel disease (IBD) is dramatically increasing. The occurrence and development of IBD are the results of environment, immunity, heredity and intestinal microecology. Meanwhile, with the more emphases on the occurrence and development of IBD, the correlation between IBD and intestinal microecology， the significance of microorganism in the development of IBD have become research hotspots. The composition and function of intestinal microflora were briefly reviewed as well as its relationship with IBD, including latest researches and conclusions.

Intestinal microecology; Intestinal microflora; Inflammatory bowel disease

黑龙江省卫计委厅课题(2014-317)

邢慧，主管护师，研究方向：肠道微生态的基础与临床。E-mail：xinghuihushizhang@126.com

10.3969/j.issn.1006-5709.2016.07.003

R574.62

A

1006-5709(2016)07-0729-04

2015-12-03