肠道菌群及代谢产物与短肠综合征肠适应的关系

林海军，黄雨桦，李幼生

(上海交通大学医学院附属第九人民医院普外科，上海 200011)

短肠综合征(short bowel syndrome, SBS)是指由于坏死性小肠结肠炎、肠系膜血管栓塞、克罗恩病、创伤等一些先天或后天原因导致小肠广泛切除，剩余小肠有效吸收面积不足，不能维持正常人体营养需求，并由此导致的一系列全身性并发症[1]。小肠切除后，残余肠道组织可通过代偿功能(肠腔扩大、绒毛增生、肠上皮细胞增生肥大等)增加吸收面积，促进营养物质的吸收。肠适应过程因人而异，通常数月至2年左右，曾有报道称短肠术后5年完全摆脱肠外营养(parenteral nutrition, PN)，但其仅属个例。一旦达成有效的肠适应，SBS病人的生活质量及PN相关并发症能得到有效的改善。人体肠道内存在数以万计的微生物，以细菌为主，其中，厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌群。肠道菌群与宿主共生互利，并参与人体众多的生理过程。与正常人相比，SBS病人肠道菌群各组分发生显著的变化，通过肠道菌群或其相关代谢产物来促进肠适应并治疗SBS，将为SBS的治疗开拓新的视野。

一、肠道菌群概述

人类宿主体内寄生有约1014的微生物，数量总和超过人体细胞总和的10倍，大多数微生物寄生在肠道内。健康成人肠道中菌群种类繁多，厚壁菌门及拟杆菌门占据绝大多数，包括乳杆菌属、拟杆菌属等，肠道菌群各组分的变化与饮食等多种因素相关[2]。肠道菌群与宿主相互依存，共同生长发展，形成一种动态平衡，一旦这种平衡被打破，即会对机体造成不同程度的影响，并导致疾病的发生。同时机体患病后，会引起肠道菌群种类和数量的变化，可能导致有益菌种比例下调而有害菌种比例上升。一些条件致病菌在机体正常情况下不参与疾病的发生、进展，但因一些外来因素导致肠内动态平衡被打破(如长期使用抗生素等)，导致菌群失调，这些机会致病菌(如肠杆菌等)则会成为体内一些感染灶的来源。通过与无菌动物比较发现，肠道菌群对机体健康的维持起着不可或缺的作用。近年来研究发现，肠道菌群不仅与炎症性肠病、胃肠道肿瘤等胃肠道疾病相关，同时还与心血管疾病、肥胖、免疫系统疾病、代谢性疾病相关[3]。

二、肠道菌群代谢产物功能

肠道菌群参与全身各系统疾病发生的具体机制目前仍不明确，推测肠道菌群的相关代谢产物可能起着重要的作用。因肠道菌群种类繁多且分离困难，现有的条件几乎无法实现分离某一具体菌种。虽然使用粪便移植治疗难辨梭菌(艰难梭菌)感染已被证实确切有效[4]，但使用肠道菌群或具体某种属细菌的治疗方案仍有较多的风险。当下比较热门的益生菌，如乳酸菌、双歧杆菌、布拉酵母菌，尽管在治疗抗生素相关性腹泻、根除幽门螺杆菌、轻型肝性脑病等方面有明显辅助作用，仍没有足够的证据证明其确切的相关性[5]，而且这些活菌对机体健康究竟有无影响，目前仍处于争议中，且美国FDA并不建议将益生菌的使用作为一种临床常规治疗方案[6]。因此，现在更多的目光聚焦在肠道菌群代谢产物方面。随着高通量测序及代谢组学技术的高速发展，越来越多的肠道菌群相关代谢产物展现出其未知的功能。肠道菌群的基因数量超过人体基因100倍[7]，且广泛参与人体诸多的代谢途径。正常人群的不同个体间，肠道菌群亦有差别，然而，代谢途径相关的主要基因组始终保持稳定，这进一步说明肠道菌群及其代谢产物在正常人体代谢过程中起着重要作用。

人体血液循环中很多小分子物质的产生可能直接来源于肠道菌群[8]，肠道菌群通过代谢产物进入血液循环，从而发挥其相应的作用。如脆弱拟杆菌产生的多聚糖A可通过TLR2参与自身免疫反应[9]。最近的研究发现，来自厚壁菌门中的产芽胞梭状芽胞杆菌参与吲哚丙酸(IPA)的形成，IPA通过直接激活孕烷X受体(PXR)而加强肠道的屏障功能[10]。肠道菌群中的多种菌属能够产生短链脂肪酸(SCFAs)，研究发现梭菌属在肠上皮细胞增生代谢过程中起着重要作用，而梭菌属与SCFAs的产生有着密切关联，因此猜想SCFAs可以促进肠上皮细胞的增生，进一步研究也发现了SCFAs可以通过GPR41/43途径、MEK-ERK信号通路参与肠上皮细胞的增生代谢[11]。肠道菌群代谢产物数量繁多， Donia等[12]发现超过14 000种基因簇参与合成了小分子代谢产物，包括糖类、非核糖体多肽(NRPs)、聚酮化合物(PKs)、核糖体编码翻译后修饰肽(RiPPs)等。各类代谢产物的功能各不相同，包括抗菌作用、细胞毒素作用、促进胃肠蠕动、神经递质作用、参与免疫调节、代谢调控等[9]。尽管多种小分子代谢产物功能已被发掘，仍有相当大数量的代谢产物还未明确其生理、病理功能。

三、短肠综合征肠道菌群及代谢产物变化特点

SBS病人肠适应包括功能性适应及形态学适应。肠适应的具体机制仍不明了，现阶段主要聚焦在肠切除后干细胞及隐窝细胞的增生、肠上皮细胞的迁移、凋亡等分子机制方面[13]。对于保留有结肠的SBS病人而言，Gillard等[14]认为剩余肠道的肠适应主要表现在形态学、内分泌及肠道微生态等方面：肠道的绒毛高度增加、吸收面积增加；高血糖素样肽(GLP)-1、GLP-2等激素分泌的增加；肠道菌群发生适应性改变，如乳酸杆菌属的明显增加。目前GLP-2促进肠适应已经被证实，相似药物替度鲁肽已应用于临床。

SBS病人的肠道菌群跟正常人相比发生了相应的变化。Sommovilla等[15]对小鼠行近端50%小肠切除，与对照组比较发现，小肠切除小鼠肠道菌群在各分类水平均有明显变化：在“门”水平，变形菌门、放线菌门明显减少；“科”水平上，肠杆菌科减少，毛螺菌科、疣微菌科比例增加；“属”水平，乳球菌属、乳杆菌属、醋弧菌属增加，埃希杆菌属、克雷白杆菌属减少。该研究结果与大部分成人或儿童SBS的菌群研究有所出入[16-17]，考虑其研究对象为小鼠，且选取的标本为回盲部内容物而并非小鼠粪便的原因。

成人SBS病人肠道菌群的多样性同样减少，但对于没有并发症(如肠衰竭相关肝损害等)的婴幼儿SBS病人，其肠道菌群多样性跟正常人无明显差别[17]。进一步对SBS病人肠道菌群各组分分析发现，革兰阴性的变形菌门显著增加，尤其是丙型变形菌纲和其下属的肠杆菌科[18]。在正常人中，变形菌门仅占很小的比例，而对于肠衰竭的病人，变形菌门可占主导地位[19]，而拟杆菌门、梭菌属比例减少[16,18]。此外，相比于正常人，乳杆菌属在SBS病人及肠衰竭病人中比例明显增高[16]。关于乳杆菌的各项研究报道结果各有不同，有研究发现，植物乳杆菌比例的增加跟肠外营养的长期使用相关[18-19]，而另外的研究发现其与肠外营养使用时间呈负相关[16]。值得注意的是，乳酸菌的减少或缺失会导致生长发育迟缓[20]。

考虑到近年来肠道菌群在数个治疗领域初显奇效，能否将该治疗方案应用于SBS或SBS相关的并发症仍不明确。Speck等[21]对IL-10敲除的常规饲养小鼠及无菌小鼠行回盲部切除后进行分析发现，常规小鼠的隐窝深度增加、绒毛较高、肠上皮细胞增生明显，且细菌引起的肠道炎症可能会促进肠适应，这进一步提示肠道菌群在肠适应中的作用。

当SBS病人发生肠适应后，即使脱离PN并维持正常饮食，其肠道菌群与正常人仍有差别，但相比较于依赖PN的SBS病人，其肠道菌群更接近于正常人[19]。通过对脱离或依赖PN的SBS病人的肠道菌群进行分析发现，依赖PN的SBS病人，其变形菌门和肠杆菌科显著多于摆脱PN的SBS病人和正常人；而脱离PN的SBS病人，梭菌属XIVa、乳杆菌属较多[16,18]。因此推测，SBS相关的肠道菌群中的某菌属或其代谢产物对肠切除后的肠适应起着重要的作用。Gillard等[14]通过将SBS大鼠肠道菌群移植给无菌大鼠后发现无菌大鼠的结肠发生了隐窝细胞加深、绒毛增生等适应性改变。但在众多的肠道菌群中辨别出具体哪种菌属或代谢产物仍需进一步的实验探索。免疫功能在肠适应过程中也起着关键作用，其作用可能跟肠道菌群相关，对无菌小鼠及常规饲养小鼠行肠切除后发现，细菌诱导的炎症反应可促进肠切除后小肠的肠适应[22]。而在成人SBS病人中，T细胞增生异常与PN持续时间相关[23]。因此，SBS病人肠适应过程不仅仅是单纯的人体代偿作用，这其中涉及肠道菌群、免疫等多方面因素共同参与。

四、肠道菌群代谢产物治疗SBS展望

提纯分离肠道菌群中某菌属在现有的条件下仍比较困难，但二代测序技术及代谢组学技术的发展为我们研究肠道菌群及其代谢产物提供了便利。通过比较正常动物、SBS动物模型和无菌动物的肠道菌群及其代谢产物变化，可缩小肠适应相关代谢产物查找范围，进一步的研究最终可能明确某类代谢产物对SBS肠适应的作用。

肠道菌群代谢产物中一种重要的代谢产物SCFAs(主要为乙酸、丙酸、丁酸)，具有多种有益功能，包括调节能量代谢、维持肠道屏障功能、免疫功能等[22]。通过对肠衰竭儿童的粪便进行分析发现，其产短链脂肪酸的菌群及短链脂肪酸比例均下降[20]。成人SBS病人中，产丁酸的菌属比例明显减少[14]。在SBS动物模型中，SCFAs可增强其肠适应，特别是丁酸在早期肠适应过程中起重要作用[24]。SCFAs大部分由厚壁菌门及拟杆菌门产生[25]，而SBS病人肠道中厚壁菌门及拟杆菌门均减少。能否将SCFAs应用于SBS病人肠适应的治疗仍需进一步的临床实验证实。另一“热门”菌属——乳杆菌属，能够将色氨酸分解代谢为吲哚甲醛，后者能够激活芳香烃受体，促使固有淋巴细胞诱导的IL-22分泌增多，IL-22能够影响黏膜的愈合及抗菌肽的储备[26]。因此，可将乳酸杆菌作为潜在菌种应用于早期SBS肠适应过程。

益生菌主要包括乳酸杆菌、双歧杆菌及酵母菌，Mogilner等[27]通过SBS大鼠研究发现，益生菌可促进SBS大鼠术后肠道再生，包括肠腔扩大、绒毛增生、隐窝加深等；同时，益生菌还可抑制SBS大鼠术后肠道内细菌移位，减轻机体炎症反应。

随着越来越多的肠道菌群的功能被揭示，我们有理由相信，在未来的数年或数十年内使用肠道菌群相关代谢产物治疗SBS及其并发症将会取得令人意想不到的疗效。