Akkermansia muciniphila对肠道疾病的作用以及菌群治疗的展望

2020-04-29张振玉

胃肠病学 2020年1期

朱凯张振玉

南京医科大学附属南京医院(南京市第一医院)消化内科(210006)

Akkermansiamuciniphila(A.muciniphila)是一种定植于肠上皮黏液层的细菌，由Derrien首次从健康人的粪便样本中分离出来，其以降解黏液作为单一的营养来源[1]。由于这种独特的功能及其在正常人几乎所有生命阶段中均具有高度的普遍性和丰富性[2]，A.muciniphila已受到越来越多的关注和研究。A.muciniphila与众多宿主疾病具有很强的临床相关性，如肥胖症、糖尿病等代谢性疾病患者肠道A.muciniphila丰度明显低于健康人群[3]。A.muciniphila在肠道疾病的发生、发展过程中亦扮演重要的角色。本文就A.muciniphila在肠道疾病如肠易激综合征(irritable bowel syndrome, IBS)、炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)、肠道肿瘤等中的作用以及菌群治疗作一综述。

一、A. muciniphila概述

A.muciniphila是一种卵圆形的严格厌氧、革兰阴性细菌，无动力，不形成内生孢子[1]，大量定植于宿主肠黏膜层，以盲肠中数量最多。该细菌在人出生后1年内稳定定植于人体肠道，并最终达到与健康成人相同的水平，但在老年人中逐渐减少[4]。作为疣微菌门(Verrucomicrobia)在人类肠道中的惟一代表，A.muciniphila在其他菌门中(包括厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门)较易被检测到[5]。A.muciniphila被分为三个物种水平的系统发育群，具有明显的代谢特征，但目前的研究集中于菌株MucT(=ATCC BAA-835T=CIP 107961T)[6]。A.muciniphila在生物体内定植丰度的减少与IBS、IBD等肠道疾病密切关联，而疾病改善后，A.muciniphila定植水平随之提高，提示A.muciniphila在肠道疾病的发生、发展中发挥重要作用。

二、A. muciniphila与常见肠道疾病的关系

1. IBS：Rigsbee等[7]发现IBS患儿体内A.muciniphila数量明显减少。A.muciniphila数量在感染后IBS模型大鼠粪便中亦明显减少[8]。Cruz-Aguliar等[9]发现，13例IBS患者接受粪菌移植治疗后腹痛症状减轻，应用16S rRNA技术进行粪便菌群测序，发现A.muciniphila丰度明显提高。提示A.muciniphila可能在减轻IBS患者腹痛中扮演重要角色。然而，关于A.muciniphila减轻疼痛作用或机制的研究相当少见。目前认为两种主要的短链脂肪酸(short-chain fatty acid, SCFA)乙酸盐和丙酸盐均为A.muciniphila降解黏液的最终产物，可能调节内脏痛觉。SCFA受体G蛋白偶联受体43(对乙酸盐和丙酸盐具有相同的亲和力)已被证实可降低健康人内脏疼痛的敏感性[10]。此外，A.muciniphila可通过增加肠内源性大麻素和抗菌肽的产生，或通过调节内源性肠神经肽如胰高血糖素样肽1和2的产生，来改善小鼠肠黏膜屏障功能障碍[11-12]，而这些肽水平在IBS患者中下调。但并非所有IBS患者的A.muciniphila丰度均下降，Gobert等[13]的研究发现部分便秘型IBS患者A.muciniphila丰度显著高于正常人。因此仍需进一步的研究来阐明A.muciniphila与IBS的关系。

2. IBD：Png等[14]发现，与健康对照组相比，IBD患者肠黏膜活检中发现A.muciniphila数量降低。Kang等[15]应用葡聚糖硫酸钠(dextran sulfate sodium, DSS)建立小鼠结肠炎模型，并采用16S rDNA技术对小鼠粪便菌群进行测序，发现A.muciniphila细胞外囊泡(extracellular vesicle, EV)减少；给予小鼠口服A.muciniphilaEV后，可改善DSS诱导的IBD表型，如体质量减轻、结肠长度和结肠壁炎症细胞浸润；A.muciniphilaEV还可减少大肠埃希菌EV诱导的结肠上皮细胞产生的促炎因子白细胞介素(IL)-6。表明A.muciniphilaEV对DSS诱导的结肠炎具有保护作用。Zhai等[16]证实，A.muciniphila的两种菌株鼠源的分离株(139)和人源的模式菌株(ATCC)在体外呈现相似的抗炎性，均能减少TNF-α刺激HT-29细胞生成IL-8。而在DSS诱导的慢性结肠炎小鼠中，这两种菌株均具有抗炎的作用，可改善包括脾脏重量、结肠炎症指数和结肠组织学评分在内的临床指标。同时这两种菌株能降低结肠中TNF-α和IFN-γ等促炎细胞因子的表达，促进肠道菌群正常化。有研究[17]还发现A.muciniphila的一种外膜蛋白Amuc-1100可激活由肠上皮细胞Toll样受体2(Toll-like receptor 2, TLR2)介导的细胞内信号，进而增强肠屏障的保护作用。Amuc-1100还能诱导产生IL-10，起抗炎的作用。上述研究均证实了A.muciniphila对IBD的有益作用。目前还缺乏直接干预A.muciniphila的人体试验来阐明这种细菌与结肠炎之间的因果关系，其抑制结肠炎的机制仍需进一步研究。

3. 肠道肿瘤：结肠具有复杂的微生物群落，对维持机体平衡、调节代谢功能、巩固肠道屏障和控制免疫反应至关重要。A.muciniphila在健康人结肠中的相对丰度较高，约占结肠微生物群的1%～4%[18]。A.muciniphila可降解肠上皮细胞中作为黏液素释放的高分子质量糖蛋白，使细菌能调节选择性渗透的物理屏障系统，从而保护宿主免受肠道微生物、毒素、饮食抗原等的侵犯[19]。由于降解黏液蛋白的能力，在结肠中富集的A.muciniphila可作为一种病理因子促发炎症条件，加重肠道炎症，从而可能增加肿瘤风险[20]。近年越来越多的研究显示A.muciniphila与肠道肿瘤密切关联。A.muciniphila在结直肠腺瘤黏膜中明显增加[21]。Weir等[22]的研究发现结直肠癌(colorectal cancer, CRC)患者粪便中A.muciniphila数量为健康受试者的4倍。有研究[23]表明，减少食物摄入量会导致A.muciniphila相对含量显著增加。而CRC患者的食物摄入量明显减少，因此需进行饮食信息的分析才能合理解释A.muciniphila与CRC之间的联系。Dingemanse等[18]发现A.muciniphila与炎症相关的结肠肿瘤负荷增加呈正相关，同时发现A.muciniphila能增加肠道黏液层厚度以及杯状细胞密度，在调节小鼠肠道微生物菌群组成以及肠道肿瘤的发生、发展中起有重要作用。Howe等[24]的研究发现肠上皮细胞缺乏同源性磷酸酶-张力蛋白(phosphatase and tensin homolog, PTEN)的小鼠并不会形成肠道肿瘤，而粪便中A.muciniphila明显减少，表明A.muciniphila丰度下降可能在预防这类小鼠肠道肿瘤的形成中起有重要作用。关于A.muciniphila在肠道肿瘤形成过程中与宿主的复杂拮抗和相互作用仍需进一步研究。

4. 其他肠道疾病：Swidsinski等[25]的研究采用特异性细菌探针研究70例腹腔镜阑尾切除标本中的菌群组成，结果显示A.muciniphila丰度与阑尾炎病情严重程度呈负相关。Sonoyama等[26]给予小鼠喂食一种特殊水稻(用于对大米过敏的过敏性皮炎患者)，发现其能降低卵清蛋白引起的过敏性腹泻的发病率，而对这些小鼠粪便菌群的分析结果显示A.muciniphila丰度减少。

三、A. muciniphila在治疗中的应用

A.muciniphila已被用于治疗一些代谢性疾病的动物模型和人体试验中。Hänninen等[27]将单株A.muciniphila移植至糖尿病高发的小鼠体内，结果显示可降低糖尿病的发病率。Chelakkot等[28]给予小鼠口服A.muciniphilaEV能改变高脂饮食小鼠的肠道通透性和屏障完整性，改善代谢功能。最近一项随机双盲安慰剂对照试验[29]将40例超重/肥胖的胰岛素抵抗患者分为3组，2个干预组每天口服1010的A.muciniphila活菌或死菌，疗程持续3个月。结果表明A.muciniphila的安全性和耐受性良好，且未影响肠道菌群整体结构。与安慰剂组相比，补充死菌可显著降低胰岛素水平、胰岛素抵抗和血浆总胆固醇，减少白细胞计数和血液脂多糖，并略微降低体质量、脂肪量和臀围。而补充活菌的益处总体上不明显。由此可见，A.muciniphila有望成为治疗代谢性疾病的潜在疗法。van der Lugt等[30]给予一种特殊小鼠(加速衰老小鼠模型，平均寿命约20周)连续10周口服A.muciniphila后，发现小鼠结肠黏液层厚度增加约3倍，结肠基因表达谱显示与炎症和免疫功能相关的基因和通路表达减少，回肠基因表达谱显示代谢和免疫相关过程以及抗菌肽的产生减少，提示补充A.muciniphila能阻止老年时结肠黏液层厚度随年龄增长而下降，减轻炎症和免疫相关过程，有助于结肠健康地衰老。Wang等[31]报道了第一例通过粪菌移植成功治疗免疫检查点抑制剂(immune checkpoint inhibitors, ICIs)相关性结肠炎的患者，其A.muciniphila数量明显提高，表明肠道菌群的调节可能缓解ICIs相关性结肠炎。Kang等[15]的研究结果亦表明A.muciniphila在结肠炎的治疗方面有一定的潜力。Routy等[32]对249例肺癌、肾癌或膀胱癌患者给予ICIs治疗发现，与不使用抗菌药物的患者相比，使用抗菌药物的患者对PD-1抗体的反应较差，生存时间较短。而Ijssennagger等[33]的研究表明，抗菌药物能杀灭降解黏液的细菌(如A.muciniphila)。Routy等[32]进一步分析了ICIs的治疗效果与不同癌症患者肠道菌群的关系发现，对PD-1抗体反应较差患者的肠道黏膜A.muciniphila数量显著低于反应良好者，这与Ijssennagger等[33]的研究结果基本吻合。此外，Routy等[32]将免疫治疗反应良好患者的粪便菌群移植至无菌小鼠体内，发现能改善PD-1抑制剂的抗肿瘤作用。然而将免疫治疗无效患者的粪便菌群移植至无菌小鼠体内时，并未达到这一效果，但给予这些小鼠口服A.muciniphila后，可恢复PD-1抑制剂的疗效。Matson等[34]发现，4例转移性黑色素瘤患者对抗PD-1免疫治疗反应积极，粪便中A.muciniphila丰度升高；进一步将粪便菌群移植至黑色素瘤的小鼠模型中，发现能有效控制肿瘤生长，免疫治疗效果亦更好。上述研究结果均表明肿瘤免疫治疗联合A.muciniphila菌群治疗有望在不久的将来取得较好的临床效果。

四、问题与展望

除通过口服或粪菌移植的方法外，如何通过其他手段增加肠道内A.muciniphila数量已成为当前研究的热点。有研究指出，摄入双歧杆菌、低聚果糖、短链碳水化合物、二甲双胍、大黄提取物等能提高A.muciniphila丰度，而高脂饮食和大量饮酒则会降低肠道内A.muciniphila丰度[35]。目前尚缺乏关于A.muciniphila毒理学特性的研究，如剂量反应研究等。现阶段初步人体数据表明口服A.muciniphila是安全的，但其效果需更多的临床试验进一步验证。