肠道微生物在消化系统疾病中的研究进展

袁方婷，罗和生

(武汉大学人民医院消化内科，武汉 430060)

人体的消化道含有复杂多变的微生物群，它是人体内宿主、环境因素和人体抗原共同作用的最大界面之一(250～400 m2)[1]。健康人体由大约30万亿个细胞组成，居住着大约39万亿个细菌细胞，其中大多数为厌氧细菌，其丰度和多样性从肠道近端向远端逐渐增加。肠道菌群对宿主的生理健康有显著影响，它们将宿主摄入的食物代谢成一系列产物，包括三甲胺、胆汁酸和硫酸吲哚酯等，通过激活多种信号途径参与宿主的生理活动过程，从而成为人体物质代谢的重要环节。肠道微生物数量和组成的变化，可能导致一系列疾病的出现。研究表明，心力衰竭患者肠道微生物群落的组成与健康人体有明显差别[2]；肠道微生物异常的亚群与过敏原反应之间的相互作用可能导致儿童早期对变应性鼻炎和哮喘敏感[3]。另外，肠道微生物与糖尿病[4]、阿尔茨海默病[5]等疾病相关。同时，肠道微生物在消化系统中的研究也受到广泛关注，希望通过对其组成、功能以及致病机制的研究，有助于消化系统疾病的预防和治疗。现就肠道微生物在消化系统疾病中的研究进展予以综述。

1 肠道微生物与肠易激综合征

肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)是一种常见的功能性胃肠道疾病，其以腹痛或腹部不适伴排便习惯改变为主要症状。IBS缺乏形态学和生化学的异常改变，根据临床症状，其主要分为腹泻型、便秘型及腹泻便秘交替型。

研究表明，与健康个体相比，IBS患者体内存在不同程度的微生物代谢失调，如肠道菌群的丰度、稳定性及代谢活性等[6]。Malinen等[7]首次报道了IBS患者粪便群中双歧杆菌、球虫梭菌数量较健康对照组明显减少，且腹泻型IBS亚组乳酸杆菌数量明显低于便秘型IBS组。此外，蓝藻丰度的增加与腹感、腹胀以及胃肠症状的IBS总评分增加有关，蛋白质细菌丰度与疼痛阈值增加有关[8]。肠道菌群失调可以导致胃肠道功能紊乱[9]，而一种含有乳酸菌和双歧杆菌的益生菌混合物能改善腹泻型IBS患者的整体症状和粪便性状[10]。

肠道微生物群的改变可能与IBS患者个体行为的改变有关，如焦虑、抑郁等。Sudo等[11]证明，与常规微生物定植小鼠相比，无菌小鼠表现出较高的应激激素反应。其中，促肾上腺皮质激素释放因子是应激的主要神经调节因子，其通过影响下丘脑-垂体-肾上腺轴引起个体内分泌、行为变化[12]，而益生菌能够减少应激引起的焦虑和抑郁相关行为[13]。

肠动力改变是IBS的一大特征。研究证实，腹泻型IBS的结肠转运时间可能缩短，而便秘型IBS的结肠转运时间可能延长[14]。同时，IBS患者存在短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)水平异常[15-16]，且不同亚型IBS中SCFAs水平存在差异。其中，腹泻型IBS患者大便内挥发性代谢产物水平明显升高，特别是SCFAs[17]。在便秘型IBS患者中，SCFAs水平明显下降[16]。SCFAs是由宿主体内的抗性膳食淀粉和非淀粉多糖经结肠微生物发酵产生，其通过与黏膜特定的受体结合，调节神经递质的释放，如刺激肠道肠嗜铬样细胞黏膜分泌5-羟色胺、肽YY，从而调节肠道运动[18]。研究认为，IBS患者存在结肠异常发酵情况，且SCFAs水平与结肠转运时间呈负相关；结肠过度发酵产生大量SCFAs可能导致结肠收缩增强，结肠转运时间缩短[16]。同时，结肠转运时间与肠道微生物组成、多样性和代谢有关，并伴随结肠代谢从碳水化合物发酵向蛋白质分解代谢的转变[19]。

肠屏障功能受损是IBS的另一个特点，而共生菌被认为是肠道屏障功能的关键调节因子。大肠杆菌作为一种共生菌，不仅增加了细胞骨架中ZO-2蛋白的表达，还增加了ZO-2蛋白在体外从胞质到细胞边界的再分布，说明共生菌可能通过调节紧密连接蛋白直接影响上皮屏障[20]。在正常情况下，共生菌是被Toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)识别，微生物起源的脂多糖和肽聚糖激活各自的受体(TLR4和TLR2)，它们在维持肠上皮内稳态中起重要作用。此外，共生菌群激活TLRs对于保护肠道损伤和死亡至关重要[21]。研究发现，免疫球蛋白A除了具有防御作用外，还可通过促进细菌的黏膜定植产生宿主-微生物共生的状态[22]，而脆弱类杆菌调节其表面结构以结合免疫球蛋白A，这对于肠道微生物的黏膜定植是必需的。文献报道，益生菌鼠李糖乳杆菌可在葡聚糖硫酸钠诱导的结肠炎上皮细胞中产生活性氧，促进细胞更新并增强黏膜修复[23]，提示肠道菌群对肠上皮细胞的再生具有调节作用[24]。

2 肠道微生物与炎性肠病

炎性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)以溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn′s disease,CD)为主要表现，属于一种慢性复发性肠道炎症性疾病。其全球发病率逐年上升，但病因尚未明确。IBD遗传学指出了免疫系统与IBD微生物学之间的相互作用。CD易感基因是一个核苷酸结合寡聚结构域[25]，它是由革兰阳性菌和革兰阴性菌组成的细胞壁肽聚糖，能够刺激机体产生免疫反应；该寡聚结构域主要在肠隐窝底部回肠末端的Paneth细胞中表达，并产生抗菌防御素[26]；且携带核苷酸结合寡聚结构域突变的IBD患者黏膜黏附细菌数量增加，抗炎细胞因子白细胞介素-10的转录水平降低[27]。另外，革兰菌通过参与宿主细胞的应激过程，诱导细胞死亡和分化、上皮屏障破坏和炎症反应，从而参与IBD的发病过程。

研究发现，与正常对照者相比，活动期及缓解期CD和UC患者的拟杆菌水平均明显降低，且活动期CD和UC患者的拟杆菌水平低于缓解期[28]。此外，一项系统性回顾性分析表明，与缓解期相比，活动期IBD患者肠道内的球形梭菌、柔嫩梭菌、普拉梭菌及双歧杆菌等细菌水平较低，提示微生物的失调可能与IBD的活动有关，且CD患者与UC患者之间可能存在差异[29]。在IBD中，肠道黏膜的损伤修复极其常见，而肠道微生物在调节肠道修复和再生过程中起至关重要的作用，它可作用于肿瘤坏死因子-α、活性氧和氮、基质金属蛋白酶及其他物质，达到恢复肠道健康的目的[30]，这可解释活动期和缓解期IBD患者体内不同水平的微生物区系。

同时，IBD患者肠道中还存在有益共生菌的流失，这增加了肠道炎症的发生风险。普拉梭菌是人体肠道中最丰富的厌氧菌之一，它是一种经肠道微生物分析鉴定的抗炎共生菌[31]，可以为结肠肌细胞提供能量，维持肠道健康。在IBD患者中，粪便中较低丰度的普拉梭菌与术后炎症复发的风险呈正相关[32-33]。且在新诊断患有CD的儿童粪便和肠黏膜样本中也观察到了微生物的变化，表明肠道菌群的失调可能出现临床疾病发生之前[34]。

许多益生菌在IBD中的作用已被研究，它们可通过调节微生物区系和减轻肠道失调改善肠道功能[35]。粪菌移植的目的是通过转移健康供体的肠道微生物来恢复疾病个体的肠道微生物菌群。近年来，粪菌移植作为IBD的一种新治疗策略引起了人们的广泛关注。有学者分别给予活动性UC患者粪菌移植或安慰剂治疗，结果显示粪菌移植组的缓解率明显高于安慰剂组[36-37]。Zhou等[38]发现，人类粪便微生物区系中含有具有无创性评价IBD严重程度和治疗效果的通用生物标志物，因此肠道微生物群具有为IBD患者分层和个性化治疗以获得最佳疗效的潜力。

3 肠道微生物与非酒精性脂肪肝

非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)是一种常见的疾病，其以肝脏中脂肪的积累为病变特点，是代谢综合征在肝脏的主要表现形式，常与肥胖、胰岛素抵抗和血脂异常有关[39]。研究证明，肠道微生物在葡萄糖和脂类代谢调节中起重要作用，并参与了代谢综合征和NAFLD的发展[40]。饮食习惯可以改变肠道微生物组分，导致肠道微生物群失调，而肠道微生物群作为一种生物反应器，具有自主的代谢和免疫功能，其能够介导宿主环境对外界刺激的反应，当外界环境发生改变时，肠道微生物的过度反应可导致肝脏受损[41]。

Mouzaki等[42]对50例受试者(其中22例为NAFLD患者)进行了调查，以了解肥胖和菌群失调的相关性，结果显示细菌种类百分比与NAFLD的存在成反比，这证实了肠道菌群在NAFLD中的可能作用。据报道，小肠细菌过度生长与NAFLD高度相关，其可促进疾病的发生发展[43]。Loomba等[44]通过对经肝活检证实的NAFLD患者进行肠道细菌种类的鉴定，从而区分这些患者的肝脏纤维化程度，结果发现晚期纤维化与蛋白菌、大肠杆菌数量的增加及硬壁菌门数量的减少有关，表明可以使用微生物标记来准确诊断NAFLD的晚期纤维化。

胆汁酸是肠道细菌的代谢产物。研究者发现，NAFLD患者中的胆酸和鹅脱氧胆酸水平是对照者的2.4倍[45]；在一项多中心随机试验中，Neuschwander-Tetri等[46]研究了巴比妥酸(胆汁酸衍生物，激活胆汁酸受体)在NAFLD患者中的作用，并根据NAFLD的肝活检活动进行评分发现，NAFLD的组织学特征有所改善。同时，肠道微生物对胆碱代谢的调节也与NAFLD有关。肠道微生物群在调节胆碱和胆碱的厌氧降解中起重要作用[47]，且低胆碱饮食已被证明与NAFLD的发展有关[48]。胆碱水平影响了肠道微生物组成，胆碱缺乏导致革兰阴性菌、革马蛋白菌和鳞毛菌水平升高，这些微生物与肝脏脂肪水平的升高有关[49]，而革兰阴性菌含有脂多糖，其可促进慢性炎症、代谢功能障碍、胰岛素抵抗和糖尿病[50-51]。

另有学者研究了以糖化红茶为原料经微生物发酵制得的kombucha茶在NAFLD发生发展过程中对肠道微生物区系的影响，证明肠道微生物区系的变化受kombucha茶摄入量的影响，并有助于对抗NAFLD[52]；此外，原花青素B2可通过肠道微生物抑制饮食诱导的肥胖，从而发挥对NAFLD的保护作用[53]。

4 肠道微生物与结直肠癌

研究指出，DNA聚合酶γ的甲基化和沉默发生在小鼠结肠炎相关的结直肠癌模型早期，且DNA聚合酶γ是负责线粒体DNA修复、复制和维持线粒体数量的唯一线粒体DNA聚合酶，其与线粒体水平下降、线粒体代谢改变和抗氧化应激有关[54]，而线粒体是对微生物学信号反应最灵敏的细胞器[55]，肠道微生物作为线粒体功能的动态中枢调节因子，发挥着重要作用[56]。肠道细菌代谢产物胆酸和鹅脱氧胆酸可以通过还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、Na+，K+-ATP酶、细胞色素P450、Ca2+和线粒体终末呼吸复合体等物质诱导癌细胞线粒体氧化应激并激活核因子κB，而核因子κB的激活与细胞凋亡的抑制有关，这为抑制结肠癌的发展提供了可能，并为预防结肠癌的发生发展提供了新靶点[57]。

此外，含有不可消化多糖的饮食可通过SCFAs介导抗炎作用，从而降低结直肠癌的发生风险[58]。人大肠癌细胞株经丁酸盐处理后，细胞增殖减少，凋亡细胞死亡增加，提示SCFAs可能具有抑制癌细胞的作用[59]。然而研究发现，TLRs可以识别微生物中的多种分子，促进肿瘤的发生，其中TLR4的过度表达导致β联蛋白激活和结肠炎相关癌症的发展，而抑制TLR4表达对结直肠癌有保护作用[60]；同时，与周围正常组织相比，大肠癌组织中的TLR2、4、7、8、9蛋白水平明显升高[61]。

5 肠道微生物与胃癌

聚合酶链反应结果表明，胃癌的发生可能与多种微生物的减少有关，如卟啉单胞菌、奈瑟菌、淡色前杆菌、链球菌等，同时富集大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、马氏菌科等[62-63]；其中，幽门螺杆菌(Helicobacter pylori，Hp)与胃癌的发生发展紧密相关，鼠李糖乳杆菌可以减轻Hp感染引起的胃部炎症[64]。Gao等[65]证明了粪便微生物区系的改变，特别是细菌、原杆菌和蛋白菌，可能参与了Hp相关性胃癌病变的发展过程，并为进一步评价Hp根除后的微生物变化提供了线索。此外，由Hp衍生的致病成分，如外膜蛋白、磷脂酶C、Bak蛋白和镍结合蛋白等，协助微生物在胃黏膜层定植，进而促进胃炎的进程，最终增加胃内肿瘤发生的风险[66]。

在一项长期随访中，早期胃癌患者胃大部切除术后代谢综合征和2型糖尿病的发生率低于对照组；在代谢改善的同时，经胃切除术后的肠道微生物的丰富度和多样性也显著增加[67]。此外，一项随机试验发现，益生菌联合应用可显著增强胃癌患者胃大部切除术后的免疫反应，并通过改变肠道微生物来减轻炎症的严重程度[68]。

6 肠道微生物与胰腺癌

胰腺是胃外的消化器官，胰管腺癌是最致命的胰腺癌之一，也是最常见的胰腺癌类型。研究表明，微生物产生轻微和持续的免疫反应和炎症反应，导致胰腺癌的形成[69]。Hp感染使得胰腺细胞过度分泌白细胞介素-8，白细胞介素-8水平的升高加速炎症反应；同时，Hp感染激活核因子κB和激活蛋白-1，导致细胞生理活动的失调，两者共同诱导胰腺癌的发生[70]。K-ras基因在正常组织信号传递中起重要作用，而K-ras基因的突变在90%以上的胰腺癌中存在[71]。Hp的脂多糖可引起K-ras基因的过度突变，促使胰腺癌的发生[72-73]。此外，Hp感染导致信号转导及转录激活因子3持续激活，信号转导及转录激活因子3可调控胰腺癌细胞中基质金属蛋白酶7的表达，而基质金属蛋白酶7可以增加肿瘤细胞的增殖和侵袭[74]。

Fan等[75]证明了口腔微生物区系可能在胰腺癌的发病中起作用；T2R38是一种苦味受体，其不仅在口腔细胞中表达，也在胰腺癌细胞中表达。而铜绿假单胞菌是T2R38的独特配体，它能激活T2R38，诱导多药耐药蛋白1的产生，并参与肿瘤的侵袭和转移[76]。此外，8.8%的胰腺癌组织中存在镰刀菌属，镰刀菌属是胰腺癌的一个独立的阴性预后生物标志物[77]。

7 肠道微生物与Barrett食管

研究表明，远端食管的微生物群主要来源于口腔菌群[78]。食管菌群组成在正常食管、反流性食管炎和Barrett食管条件下存在差异，且不同的细菌群落可能与食管疾病有关[79]。

在Barrett食管患者中分离到的细菌种类较非Barrett食管患者的范围更广，表明与反流相关的Barrett食管患者的微生物多样性可能增加[80]，且Barrett食管患者中硝酸盐还原性弯曲菌的出现可能与食管癌形成过程的起始、维持或恶化有关[81]。Yang等[82]在一项包括34例Barrett食管、反流性食管炎患者和健康志愿者的横断面研究中，全面定义了与反流相关的微生物群。结果表明，食管微生物可分为两类：Ⅰ型微生物群以链球菌属为主，集中在正常食管的表型中；Ⅱ型微生物群含有较高比例的革兰阴性厌氧菌或嗜氧微生物，主要与食管炎和Barrett食管有关[82]。文献报道，革兰阴性微生物特有的细菌抗原脂多糖，会促进组织炎症，诱导核因子κB表达增加，在许多组织炎症反应中起核心作用，并在Barrett食管到食管癌的光谱中表达增加[83-84]。在动物研究中，脂多糖被证明可以松弛食管下括约肌[85]和延缓胃排空[86]，这是导致人类胃食管反流的重要机制。此外，革兰阴性菌还可将饮食中的硝酸盐还原为亚硝酸盐，而亚硝酸盐又可在Barrett食管的贲门和食管远端的酸性环境中成为致癌的亚硝基化合物[87]。

8 小 结

“人类微生物组项目”和“人类肠道元基因组计划”实施后，肠道微生物在机体生命活动过程中的作用受到国内外学者的广泛关注。肠道微生物是机体不可忽略的组成部分，对人体健康有重要作用，其改变不仅与胃肠道症状有关，还与神经系统、心血管系统等相关。目前，可通过益生菌或抗生素以及进食可发酵碳水化合物的治疗来改变肠道微生物组成，进而改善胃肠道症状。因此，未来对肠道微生物与消化系统疾病的深入研究，有望为与微生物相关疾病的治疗提供新途径，并使相关药物早日应用于临床。