肠道微生态与慢性胰腺炎

孟雨亭 周春华 徐佳佳 邹多武

1海军军医大学附属长海医院消化内科，上海 200433；2上海交通大学医学院附属瑞金医院消化内科，上海 200025

【提要】 肠道微生物因其在人类健康和疾病中的作用而日益受到人们的重视。初步证据表明，肠道微生物失调与多种胰腺疾病有关。慢性胰腺炎患者肠道微生态的变化情况已有少量文献报道。靶向调控微生物可能具有治疗价值。

近年来，随着16S核糖体RNA(rRNA)和宏基因组测序技术的发展，肠道微生态与机体健康的关系越来越明确。多项研究表明，肠道菌群在多种疾病包括消化系统疾病的发生发展中起重要作用。胰腺是人体代谢功能的中心，肠道菌群在胰腺疾病中的作用也日益受到重视。本文就肠道微生态的功能、肠道菌群与慢性胰腺炎(CP)的关系以及肠道微生态紊乱的治疗进行综述。

一、肠道微生态的组成及作用

人类胃肠道微生物群落丰富，由超过1014个微生物组成，分属1 000多个不同的物种，其编码的300多万个细菌基因(微生物组)比人类基因组编码的数量多出150倍[1]。肠道微生物通过影响代谢、调节黏膜免疫系统、合成维生素、促进消化和调节肠道结构等方式在人体生理状态中发挥重要作用。肠道微生物群、免疫系统和肠道屏障之间的相互作用限制了致病性菌群的生长，一旦这种体内平衡被破坏就会导致微生态失调[2]。微生态失调与多种胃肠道疾病(炎症性肠病、肠易激综合征)[3-4]以及肥胖、代谢综合征、糖尿病、胰腺癌[5-8]等其他疾病的发病机制有关。尽管微生物群落中各种特殊微生物的种类和数量因人而异，但存在于肠道内的健康微生物的功能是相对稳定的[9]。

1．健康人群肠道菌群的构成：健康人群肠道中主要存在4个门类的细菌：厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门，其中厚壁菌门和拟杆菌门构成了肠道常驻菌群的主要成分。厚壁菌门主要分为芽孢杆菌纲和梭菌纲，是一类革兰阳性细菌；拟杆菌门是一类革兰阴性菌，其中拟杆菌属是肠道中最为丰富的菌属[9]。在肠道内部，黏膜表面的微生物数量与腔内微生物数量有显著差异[10]。黏膜表面的微生物更接近肠上皮，可能对免疫系统有更大的影响；而腔内或粪便微生物可能对能量和代谢的相互作用更重要[11]。

2．肠道菌群的营养和代谢作用：肠道微生物可以通过对人体摄入的糖类、脂质和蛋白质的分解代谢作用来影响机体的生理功能。首先，在所有营养要素中，碳水化合物(carbohydrates, CHO)的作用是最显著的。已有研究表明，高糖高脂饮食可迅速引起实验动物肠道微生态的重构和代谢功能障碍[12]。一些复杂的CHO是人类难以消化的，而肠道微生物具有数百倍的CHO降解酶，可利用这些难以消化的CHO作为能量来源。2016年Sonnenburg等[13]提出了微生物可获得碳水化合物(microbiota-accessible carbohydrate, MAC)的概念来描述微生物可代谢利用的CHO。肠道微生物可以合成大量糖苷水解酶来分解MAC，合成短链脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，主要包括醋酸、丙酸和丁酸[14]，低MAC饮食会导致SCFAs生成减少。SCFAs信号通过中枢神经系统和G蛋白耦联受体来调节一系列生理过程，包括能量稳态、脂质和碳水化合物代谢以及炎症信号的抑制[15]。因此，健康的肠道菌群可以通过MAC来维持肠道屏障功能完整及人体健康稳态。其次，膳食中的脂肪对肠道微生物结构也有影响。研究发现，高脂饮食时小鼠体内拟杆菌门减少，而厚壁菌门和变形菌门增加[16]。而无菌小鼠不受高脂饮食影响，说明肠道菌群在宿主脂质代谢中有重要作用[17]。近年来的研究显示，小肠中的微生物对脂肪负荷高度敏感，对脂类的消化和吸收至关重要[18]。肠道微生物介导高脂饮食对代谢影响的机制之一是脂多糖易位，脂多糖是革兰阴性杆菌细胞壁成分，属于细菌内毒素脂多糖进入循环后通过Toll样受体-4(Toll-like receptor-4, TLR-4)介导炎症反应，与心血管疾病和代谢疾病相关[19]。第三，膳食中的蛋白质也可调节肠道菌群的组成及其代谢产物，氨基酸则可为菌群提供必须的碳和氮。氨基酸分解代谢可产生大量影响宿主代谢的产物，包括支链氨基酸、吲哚、酚、氨、胺等，均可影响人体健康[20]。苯酚、吲哚和胺可以与一氧化氮结合形成N-亚硝基化合物，这些化合物与人类胃肠道肿瘤有关[21]。而吲哚丙酸则能维持肠道稳态，预防实验性结肠炎[22]。膳食蛋白质的来源也决定了微生物代谢产物的性质。比如在动物蛋白中富含的氨基酸L-肉碱，可在微生物作用下生成三甲胺氧化物(trimethylamine oxide, TMAO)，TMAO可预测不同人群心血管事件的发生[23]，并与脂肪肝的发生有关[24]。最后，除了主要的大量营养要素以外，肠道微生物还可以调节各种微量元素的合成和代谢，例如多种微生物可合成B族维生素，并通过相互交换代谢产物维持生存[25]。同时，维生素和微生物之间的关系是双向的，例如宿主提供的核黄素可以调节微生物细胞外电子转移和氧化还原状态，并且通过维生素D及其受体调节肠道炎症[26]。

3．肠道菌群的免疫功能：肠道菌群和宿主免疫的联系包括细菌和宿主先天及获得性免疫系统的双向关联，促炎和抗炎机制之间的平衡对肠道免疫稳态至关重要，并直接受到肠道共生微生物群落的影响[11]。例如分节丝状细菌可促进小鼠小肠中促炎的辅助T 细胞1(T helper 1, Th1)和Th17的聚集[27]；而通过SCFAs的产生，调节T细胞促进抗炎作用[28]。因此，肠道内的微生物和代谢产物对维持免疫平衡至关重要，肠道微生物群的变化会破坏这种平衡，主要影响肠道黏膜免疫和全身免疫反应[11]。

同时，已有多种免疫介导的炎症性疾病被证实与肠道菌群的改变有关。多种菌属被证实与炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)的发生发展有关[29]，包括黏膜侵袭性大肠杆菌、脆弱类杆菌、艰难梭菌等。Gevers等[30]进行的一项有关黏膜相关性微生物与新发克罗恩病(Crohn′s disease, CD)相关性的研究发现，疾病的严重程度与肠杆菌科、巴氏杆菌科、韦荣氏球菌科丰度增加有关，也与拟杆菌目、梭菌目丰度下降有相关性。同样，肠道菌群也是类风湿性关节炎(rheumatoid arthritis, RA)的自身免疫性触发因素。最近一项有关RA患者微生物和代谢产物的研究发现，RA患者肠道微生物多样性降低，并且与疾病持续时间和抗体水平有关[31]。

4．肠道菌群的屏障功能：健康的肠道生物屏障包括柱状上皮细胞、潘氏细胞、杯状细胞、内分泌细胞、丛细胞以及覆盖于黏膜表面的黏蛋白，黏蛋白含有抗菌肽和IgA，这些结构和物质可以防止肠道菌群易位以及预防炎症性疾病。大量研究已证实在肠道组织中存在共生菌，包括大肠杆菌、双歧杆菌、乳酸杆菌等，这些共生菌可以限制细菌的定植，并刺激肠上皮细胞更新[32-33]。同时，菌群代谢产生的SCFAs也可对肠道屏障功能产生影响，例如双歧杆菌利用碳水化合物代谢产生的醋酸盐，可以预防肠出血性大肠杆菌感染以及志贺毒素的释放[34]；普拉梭菌、直肠真杆菌属合成的丁酸盐可上调上皮细胞抗菌肽LL-37的表达，为结肠上皮提供能量，防止细菌感染，从而促进上皮细胞增殖和损伤修复[35]。

二、CP患者肠道菌群的变化

CP是一种胰腺的病理性纤维化炎性综合征，患者具有遗传、环境和(或)其他危险因素，对实质损伤或压力有持续的病理反应，其特征包括胰腺萎缩、纤维化、疼痛综合征、胰管扭曲和狭窄、钙化、胰腺内外分泌功能障碍和发育不良[36]。CP患者胰腺癌发病风险显著升高，但目前对CP的诊断和治疗仍存在一定的困难。

已有多项研究关注到CP患者肠道菌群的变化。小肠细菌过度生长(small intestinal bacterial overgrowth, SIBO)是肠道微生态失调的证据之一。研究发现，由于CP患者胰腺合成抗菌肽减少、胃肠道运动受损、小肠内异常食糜形成以及胰腺碳酸氢盐分泌功能下降，导致CP患者出现SIBO[37]。SIBO会导致过度发酵和炎症，临床表现为脂肪泻、维生素B12缺乏、腹胀等腹部不适。Capurso等[38]的报道尽管存在显著的异质性，但CP患者SIBO的平均患病率仍为36%(95%CI17%～60%)。CP患者存在胰腺外分泌功能不全以及SIBO，影响了结肠内微生物对营养物质的利用，从而进一步导致结肠微生物结构的变化。

目前针对CP患者结肠微生物变化的病例对照研究相对较少。Jandhyala等[39]报道了CP患者肠道菌群的变化情况，共纳入不伴有3C型糖尿病(type 3C diabetes mellitus, T3cDM)的CP患者16例、伴有T3cDM的CP患者14例以及健康对照10名。研究发现，CP患者肠道菌群的多样性和丰度显著低于健康对照者，同时CP患者厚壁菌门/拟杆菌门比例高于健康对照者。另外，不伴T3cDM的CP患者普拉梭菌、瘤胃球菌属丰度低于健康对照者，而在伴T3cDM的CP患者中这两种菌属丰度最低。通过KEGG通路预测发现，CP患者脂多糖合成通路显著增加。此外，该团队还对血清内毒素进行了检测，发现内毒素水平从健康对照者、不伴T3cDM的CP患者到伴T3cDM的CP患者呈上升趋势。Ciocan等[40]研究了酒精性CP(chronic alcoholic pancreatitis, CAP)肠道菌群的变化情况，共纳入24例CAP患者以及45例健康对照者。结果表明，CAP患者肠道菌群多样性显著低于对照者。门水平上，CAP患者变形菌门丰度显著高于对照者，而拟杆菌门和梭菌门丰度均低于对照者；属水平上，17个属在CAP患者和对照者间存在显著性差异，其中克雷伯杆菌属、肠球菌属和鞘氨醇单胞菌属在CAP患者中比例显著升高。

CP患者中丰度显著降低的普拉梭菌是一种在健康人的肠道中大量存在的产醋酸盐的菌属，可以促进结肠上皮细胞对营养物质的摄取以及增殖生长[41]。同时，它还能通过诱导IL-10和调节肠道T细胞反应产生抗炎作用[42]，并通过刺激黏蛋白和紧密连接蛋白的合成来改善肠道屏障功能[41,43]。结合CP患者血清内毒素水平和脂多糖合成通路显著升高，可以推测CP患者普拉梭菌丰度降低可能导致肠道黏膜屏障破坏以及高内毒素血症。在CAP患者中显著增加的克雷伯杆菌属和肠球菌属主要与全身炎症和感染有关。一项使用qPCR分析肠道菌群的研究表明，急性胰腺炎患者肠球菌丰度显著升高，并与血清内毒素水平呈正相关[44]。粪肠球菌可通过其分泌的明胶酶来改变上皮细胞屏障，从而导致肠道炎症和肠黏膜通透性改变[45]。另外，Jandhyala等[39]还发现在伴有T3DM的CP患者中，普拉梭菌丰度与空腹及餐后血糖呈负相关，而与血浆胰岛素水平呈显著正相关，同时血浆内毒素水平与空腹及餐后血糖呈显著正相关。已有研究表明，脂多糖可通过Toll样受体和NF-κB诱导细胞炎症，从而导致细胞功能障碍[46]。因此可以推测肠道菌群失调与胰岛细胞功能障碍之间存在关联，但其机制尚需进一步研究和验证。

三、肠道微生态紊乱的治疗

目前治疗肠道微生态紊乱的方法主要有补充益生菌和粪菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)。根据世界卫生组织的定义，益生菌是一种活的有机体，当提供足够数量的益生菌时会给宿主带来好处[47]。已有多项研究证实了益生菌可以改善肠道微生态紊乱，并对一些疾病有所帮助，如2型糖尿病[48]、肠易激综合征[49]、系统性硬化[50]、类风湿性关节炎[51]以及急性胰腺炎[52-53]等。亦有研究发现，益生菌的应用并不能改善急性胰腺炎患者的临床症状及内毒素血症、肠道通透性[54-55]，这可能是由于益生菌种类选择差异、治疗剂量和治疗时间存在差异。然而目前尚无有关益生菌制剂改善CP患者肠道微生态紊乱的临床试验或动物实验。

FMT是将粪便微生物群从健康的、经过筛选的供体转移到受体的一种新技术[56]，旨在通过建立稳定、复杂的微生物群来恢复被破坏的微生态，并改善微生态失调[57]。目前，FMT的大部分临床经验来自于艰难梭菌感染的治疗，尤其是复发性或难治性感染[58]。FMT已经成为治疗复发性艰难梭菌感染的重要手段，缓解率高达90%[59-61]。除了艰难梭菌感染，人们对FMT作为一种潜在的针对IBD的治疗手段非常感兴趣，一些病例报告和临床试验表明，FMT可能对IBD的治疗发挥有益的作用[62-63]。此外，已有临床试验将FMT应用于功能性胃肠病，一些荟萃分析和队列研究表明，FMT后肠易激综合征患者的肠道运动功能得到改善[64-65]。目前FMT在胰腺疾病治疗中的应用尚无相关研究，但已有研究应用FMT技术进一步证实肠道微生物可通过肠-胰轴参与1型糖尿病的发病过程[66]。

四、小结

肠道微生态作为一个特殊的“器官”参与到人体的生理、病理和疾病过程中，与人体一起构成一个复杂的共生体。目前，对于CP的早期诊断仍存在一定的困难，也没有任何有效的策略可以预防内外分泌功能障碍、营养不良以及减缓疾病进展。根据近年来肠道菌群与CP关系的研究结果，改善肠道菌群结构可能成为预防或延缓包括T3DM患者在内的CP患者代谢紊乱的手段。但研究存在样本量不足、缺乏进一步验证等局限，需要更完善的临床研究和基础实验来进一步阐明肠道菌群在CP发生和发展中的作用机制，同时益生菌和FMT的使用也有很大的应用空间。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突