消化道菌群与消化系统疾病的关系

李元成，何 新，黄文峰，胡晓梅，张自翔，孟 凡

(赣南医学院1.2016级硕士研究生；2.第一附属医院,江西 赣州 341000)

1 消化道菌群

正常人体的消化道内寄居着数量庞大、种类繁多的微生物，其中大部分为细菌(目前已知有大于1 000种)，细胞总数高达1014，是人体细胞总数的10倍,这些细菌共同组成细菌群落，称为菌群[1]。细菌在肠道内相互作用，与宿主免疫系统相互影响[1]。不同的个体之间其消化道菌群的组成不尽相同，同一个体的不同成长时期其消化道菌群的组成也是不同的[2]。

目前人类认识的细菌多达50个门，通过细菌表型特征和16S rDNA测序相结合的方法，能将其分类到合适的纲、目、科和属之中。一般认为细菌之间16S rDNA序列相似度大于99%为同属细菌，相似度大于95%为同种细菌[3]。消化道的细菌主要包括了拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门和变形菌门等,其中以厚壁菌门和拟杆菌门占绝对优势(占98%以上)[4]。这些细菌按照其对人体的作用大致分为以下三种类型：①生理性细菌，如双歧杆菌、乳酸杆菌等，这些细菌一般对人体健康有着积极的作用；②条件致病菌，如肠杆菌、肠球菌等，这些细菌一般无害，但在宿主免疫功能低下、定居部位改变或失调等特定情况下可以引起感染；③病原菌，如变形杆菌、金黄色葡萄球菌等，这些细菌会危害宿主的健康[5]。

消化道菌群是人体的一个重要的“内分泌”器官[6]，其功能主要体现在代谢、营养、免疫等方面[7-9]，包括降解一些宿主自身不能分解、利用的物质，如将不能被吸收的糖类碳水化合物降解成短链脂肪酸，为宿主提供能量；对蛋白的降解产生多酚类有抗炎、抗氧化和抗衰老的作用，同时也会产生氨、胺类等毒性物质；维持肠道菌群间平衡，发挥抑菌或抗菌作用[10]。更重要的是，肠道菌群还参与了肠道屏障的组成，其可以通过调节免疫球蛋白A的产生、黏蛋白的表达等来抑制肠道病原体的入侵及免疫应答，维持肠道屏障的稳固[11]。

2 细菌检测方法

由于人体消化道的环境十分复杂，仅凭培养手段无法对消化道微生物组进行全面认识[12]。近年来，有研究发现可以通过选取所有细菌共有的基因片段来进行扩增，从而达到鉴定细菌种类的效果[13-15]。16S rDNA是目前最常用的细菌检测的靶基因，其由保守区间和可变区间组成，保守区为所有细菌共用，且仅仅针对细菌互补，其它微生物对其扩增并无影响，可以利用这一特点使用qPCR技术扩增出所有细菌的16S rDNA片段，而可变区由于其在不同类型的细菌中的特异性，故可通过分析可变区序列来区分不同的菌种[16]。

与传统的细菌培养方法相比，16S rDNA测序有着耗时短、精准度高、能够全面的反应细菌微生态组成的特点，且对于传统方法难以培养和进化关系密切的细菌有较好的识别度，被认为是细菌分类与鉴定的金标准[17]，它不仅可以对感染细菌的种类做出鉴别，还可以通过扩增序列中特定序列的出现频次来估计该种细菌的含量，即测定出各种细菌在微生态中所占的比例[18-19]。但其成本较高，且难以鉴别一些16S rDNA片段相似的细菌(如碳疽和蜡样芽胞杆菌)[20]，如何克服这一困难将是今后研究的重点。

3 消化道菌群与消化系统疾病的关系

3.1食管疾病与菌群的关系有学者利用微生物培养方法证明正常人的食管是无菌环境，或仅含“过路”菌。而这些“过路”菌大多是通过口腔吞咽至食管或者从胃内反流而来[21]，此后又有研究发现食管的微生物主要包括革兰阳性菌和革兰阴性菌两大类，前者主要存在于正常人的食管内，后者多见于食管炎和Barrett食管患者[22]。此后Ning等[23]分别选取6例正常食管、食管炎和Barrett食管患者，利用16S rDNA测序的方法对标本的菌群进行分析，结果发现正常食管和食管炎、Barrett食管的菌群构成不尽相同，正常的食管菌群主要以变形菌门和厚壁菌门为主，还包括少量的拟杆菌、梭杆菌，而食管炎、Barrett食管患者的食管菌群还含有部分的梭杆菌和TM7，这一研究结果表明了食管存在微生态，且正常食管和某些疾病状态的食管的微生态组成是不同的。

有研究表明，食管癌的发病主要包括胃食管反流病、Barrett食管、食管上皮内瘤变、食管癌[24]几个步骤。胃食管反流导致食管黏膜被破坏，食管上皮细胞暴露在微生物群落中，进而导致了慢性炎症的形成，而慢性炎症可能是诱导Barrett食管进展为食管癌的重要原因[25]。因此，食管内微生态的改变可能与食管癌的发生发展有重要的联系，而食管内的细菌多是由口腔吞咽或胃内反流而来，我们推测研究口腔内细菌微生态的变化可能对食管癌的预测诊断有着不可低估的价值。

3.2胃部疾病与菌群的关系正常生理状态下，人胃液的pH值在1.5～2.0之间，属于强酸环境，能够杀死大部分进入胃内的细菌，从而维持胃及部分小肠相对无菌的状态[26]。然而，通过传统的细菌培养的方法发现人体胃内仍可分离出少量细菌，以链球菌及奈瑟菌为主，通常含量在103cfu·mL-1(cfu：群落形成单位)以下[27]。Williams等[28]认为，胃内细菌数量与pH值密切相关，以pH值等于4为界，1天内pH值大于4的时间越长，胃内细菌增殖越旺盛。Nardone等[29]利用16S rDNA测序的方法研究发现，不同人群中胃内细菌微生态的组成大致相同，主要包括有厚壁菌、拟杆菌、变形菌、放线菌、梭杆菌等5个细菌门，以及链球菌、普雷沃菌、乳酸杆菌、韦荣氏球菌等在内的69个细菌属，其中以厚壁菌门的链球菌属、拟杆菌门普雷沃菌属占比最高。

众所周知，幽门螺杆菌(Helicobacter Pylori, Hp)感染在胃内疾病(如胃炎、消化性溃疡、非贲门胃癌、低级别B细胞MALT淋巴瘤等)的发生、发展中扮演了重要的角色[30]。幽门螺杆菌的致病机制较复杂，目前认为与其粘附作用、毒力因子对胃粘膜细胞的直接损伤、促进胃粘膜炎症和免疫反应以及影响胃内微生态的组成等有关[31]。Dicksved等[32]研究发现：胃癌患者胃内除幽门螺杆菌外，仍有链球菌属、乳酸杆菌属、韦荣氏球菌属、普雷沃菌属、流血杆菌属和奈瑟菌属等细菌，与正常人胃内微生态存在差异。而这些细菌中有一些含有硝酸还原酶和亚硝酸还原酶，可以将食物中的硝酸盐和亚硝酸盐还原成N-亚硝胺和N-亚硝酰胺，后者具有强致癌性[32]。最近，有研究表明非幽门螺杆菌在胃内疾病的发生发展中也起到了一定的作用，非幽门螺杆菌(non-helicobacter pylorihelicobacters, NHPH)是一种由动物传播的革兰阴性菌，其可通过外膜蛋白粘附于胃粘膜上皮细胞上并长期定植，且难以被人体的免疫反应所清除，后诱导胃粘膜上皮细胞的DNA损伤，作为“启动子”引发“correa级联反应”[33]。所以，除幽门螺杆菌外，胃内尚有其他一系列细菌可能对胃内疾病的发生发展起到了一定的作用。

3.3肠道疾病与菌群的关系正常人体以结肠内细菌含量最多，而小肠中的细菌相对较少，越靠近结肠的部分,细菌含量逐渐上升，胃与上段小肠以革兰阳性菌为主，下段小肠开始向革兰阴性菌转变[34]。肠道中的细菌微生态也同样处于平衡状态，保障了人体消化、免疫等正常生理功能，一旦这种状态被打破，就有可能导致疾病的发生[35]。肠道菌群失调的病因多样，一般认为可能与药物、肠道解剖结构异常、肠道动力障碍等原因有关，Othman等[36]提出，小肠细菌过度生长(small intestinal bacterial overgrowth)可能是导致肠道菌群失调的重要原因。小肠细菌过度生长通过内镜下获取Treizt韧带下方的小肠液进行细菌培养来诊断，一般认为小肠细菌超过105cfu·mL-1定义胃小肠细菌过度生长，但传统细菌培养耗时较长，且有部分细菌难以培养，因此在临床上有一定的局限性[37]。另外，CO2呼气试验、氢呼气试验等方法也可用于该病的诊断，但其敏感性与特异性较低[38]。相信，不久的将来，16S rDNA测序或许能够为诊断该病提供帮助。

肠易激综合征(irritable bowel syndrome，IBS)是一种以腹痛或腹部不适伴有排便习惯和大便性状改变为主要表现的功能性肠病，其病因可能与胃肠道动力异常、内脏感觉异常、脑肠轴分泌异常、社会心理因素等有关[39]。而近期研究发现，IBS患者的肠道菌群和正常人之间存在差异，Kassinen等[40]通过16S rDNA测序的方法对24例IBS患者和23例健康对照的粪便菌群进行分析，结果发现IBS患者粪便中的粪球菌属、粪芽孢菌属含量低于对照组，而柯林斯氏菌属含量要高于对照组，且差异有统计学意义。国内有学者进一步研究发现不同分型的IBS患者的粪便菌群也有差异，腹泻型IBS患者粪便菌群和IBS总体组患者的菌群变化大致相同，以肠杆菌增加，乳酸杆菌、双歧杆菌减少为主，而便秘型IBS患者则以拟杆菌增加为主，菌群变化较不明显[41-42]。并且在临床上，益生菌制剂对IBS具有一定的疗效[43]，而近期，有学者通过粪便菌群移植的方法治疗腹泻型IBS患者也取得了不错的效果，但目前粪便菌群移植的不良反应(如腹泻、便秘、感染等)发生几率较大，其安全性还需更多的临床研究证实[44]。

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)是一组病因不明的肠道慢性炎症性疾病，其发病机制可能与免疫、遗传等因素有关[45]，近期有研究表明，肠道菌群改变可能是其重要的病因之一。有研究发现[46]，IBD患者粪便中的细菌丰度及稳定性均较正常人下降，国内有学者选取30例溃疡性结肠炎(Ulcerative colitis，UC)患者和30例健康对照的粪便进行16S rDNA测序，结果发现UC患者组拟杆菌属的数量较正常对照明显增加，而梭杆菌属、柔嫩梭菌属、双歧杆菌属的数量减少[47]。Kang等[48]通过对比6例克罗恩病(Crohn's disease，CD)患者和健康对照的粪便细菌组成情况发现，CD患者组粪便中的肠球菌属、乳杆菌属、双歧杆菌属、酵母菌属等较对照组升高，而小梭菌数量降低。虽然现有的研究表明IBD患者存在肠道菌群失调，但还不能很好的证实IBD的发病与某种特定菌群变化有关，相信随着研究的深入和细菌检测技术的发展，我们对IBD的确切病因将会有更加明确的认识。

结直肠癌(colorectal cancer，CRC)是一种常见的消化系统肿瘤，其病因包括饮食、免疫、遗传、环境等因素，而近期研究表明肠道菌群失调介导的慢性炎症反应可能是CRC发生的重要病因之一[49]。Nosho等[50]发现，CRC患者癌组织中的具核梭杆菌显著增高，而具核梭杆菌产生的的活性氧(ROS)和炎症因子(如IL-6和TNF)可以加重肠道炎症，促进肿瘤的发生。有学者通过细菌培养和DNA测序两种方法对CRC患者和健康对照的粪便中菌群进行分析，发现CRC患者粪便中的大肠埃希菌、酵母菌及肠球菌要显著高于健康对照组，而双歧杆菌和乳酸杆菌的数量则较之有所下降[51]。qPCR结果提示CRC患者组的拟杆菌和丁酸盐产生菌(如丁酸梭菌)的数量显著低于健康对照组，而丁酸盐是肠道上皮细胞再生修复的主要物质，能够预防结肠炎症反应和肿瘤的发生[51]。Wong等[52]研究表明CRC患者和晚期腺瘤患者粪便中具核梭杆菌、厌氧消化链球菌以及微小微单胞菌均显著高于健康对照组，可以作为细菌标志物来预测CRC的发生发展，且具核梭杆菌是优于其他两个标记的一个关键标记，对粪便中的具核梭杆菌进行定量检测可以提高粪便免疫化学检测法预测CRC的灵敏度。Flemer等[53]通过研究CRC患者、结直肠息肉患者与健康对照的口腔拭子、肠粘膜以及粪便菌群，发现毛螺旋菌的丰度与口腔中CRC相关病原菌在肠粘膜的定植程度呈负相关，并对口腔及粪便菌群作为结直肠癌预测诊断标志物的可行性进行分析，结果表明结合口腔菌群与粪便菌群建立的预测模型的灵敏性和特异度性均有提升。

4 小 结

消化道菌群作为人体内最为复杂的微生态系统，除了维持人体正常的生理功能外，其组成的改变也与消化系统疾病之间存在着密切的关系。但目前大多数消化系统疾病的诊断仍需依靠内镜、活检等侵入性或有创性检查，通过细菌微生物标志物来诊断疾病的方法运用较少。一方面是因为细菌检测手段尚不成熟，普通细菌培养耗时长且无法全面分析细菌微生态的构成，基因测序的方法虽然更加快速、准确，但其成本较高，临床应用有一定的局限性；另一方面，我们对细菌与消化系统疾病关系的认识尚不全面，细菌检测还不能做为诊断消化道疾病的可靠方法。

目前，大部分消化道菌群与疾病相关的研究还停留在疾病组与对照组之间细菌微生态构成的对比，对于具体致病机制的研究较少。某些疾病与细菌微生态构成改变之间的关系也尚未明确，没有很好地鉴别是菌群的改变导致了疾病的发生亦或是人体的疾病状态伴随有菌群的构成变化。但是，消化系统疾病患者的微生态存在改变已是不争的事实，某些特定菌种也可能成为相关疾病治疗的新靶点。接下来，我们拟定探索一种新的使用唾液或食管粘膜组织检测食管癌的检查方法，同时将此项技术应用于食管癌高危人群中的筛查中。唾液检查因其简便、无创、价廉以及患者易于接受等特点，在筛查食管癌方面将具有广泛应用前景。另外，希望做到对食管癌患者早诊早防，降低发病率和死亡率。这些研究将对改善当地医疗健康服务水平和造福广大患者将具有较重大的社会现实意义。相信随着研究的深入和细菌检测方法的改进，我们会对消化道菌群与消化系统疾病之间的关系有更加全面的认识，同时为消化系统疾病的诊治提供新的方向。