肠道菌群与肠道屏障互作在炎症性肠病中的作用研究进展

李 瑶，黄金莉，黄 娟，李华军

大连医科大学微生态学教研室，辽宁 大连 116044

炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis，UC)和克罗恩病(Crohn’s disease，CD)，是一种常见的慢性炎症性疾病。虽病因尚未完全清楚，但认为与其遗传、环境、免疫、肠道菌群等因素有关。

IBD曾被认为是一种西方疾病，但现在逐步成为一种全球性疾病[1]。在非洲、亚洲、南美洲新兴工业化地区发病率逐步上升[2]。流行病学研究显示，IBD的发病趋势受到城市化、喂养方式、食品成分变化的影响，在20世纪中后期，典型的中国饮食发生变化，增加肉类、奶制品、加工食品的摄入，减少植物纤维的摄入，开始与西方饮食相似，同时对于我国来说，传统医学(中医)向西医转换，特别是抗生素使用[3]，均使人体肠道内原本存在的菌群发生一定的变化，甚至出现肠道菌群紊乱的现象，增加IBD的患病率。

健康个体的肠道菌群为宿主提供了许多健康益处，涉及生物拮抗、营养、代谢、免疫系统。相反，肠道菌群的不利变化即菌群失调也会与很多人类疾病相关，其中IBD是最典型的例子。研究表明，IBD中存在肠道菌群失调的现象，主要表现为肠道菌群丰富度和多样性减少，变形菌门丰富度增加，以及厚壁菌门和拟杆菌丰富度降低[4]。

肠道屏障包括机械屏障、化学屏障、免疫屏障、微生物屏障，肠道菌群除了本身作为微生物屏障，还通过各个途径参与其他屏障的构成，共同在肠道中发挥重要作用。肠道通透性增加已被证明是IBD的发病机制[5]，紧密连接蛋白受到一定程度的破坏，肠道机械屏障受损。除此之外，肠道黏液层作为化学屏障，产生的抗炎物质如短链脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)减少，抗炎作用减弱。IBD的最显著特征是肠道菌群紊乱，有益菌与有害菌之间平衡被打破，使肠道微生物屏障损伤。

肠道菌群及其与肠道屏障之间的密切联系在IBD的发病机制中发挥关键作用。在本综述中，我们将对肠道菌群与肠道屏障之间的互作以及这种互作对IBD的影响加以阐述。

1 肠道菌群与肠道屏障互作途径

肠道菌群通过生物拮抗、免疫、营养消化等途径与肠道屏障共同发挥作用，保护机体对外来致病菌的抵抗作用，维持机体免疫，调整机体营养代谢等，从而发挥维持机体健康稳态的重要作用。

1.1 肠道菌群的生物拮抗作用生物拮抗是指微生态平衡时的正常菌群面对各种外来病原菌等外袭菌引起的感染进行的抵抗作用，肠道菌群的生物拮抗功能与肠道屏障之间相互联系[6]。

1.1.1 机械屏障：肠道菌群形成菌膜占位性保护，菌与菌、菌与上皮细胞紧密粘附形成第一道防线，协助肠道机械屏障。另外厌氧菌的定植抗力会抵抗需氧菌或兼性厌氧菌等外袭菌的生长。肠道菌群对宿主肠道上皮细胞的保护作用，防止上皮细胞的损伤[7]，会进一步加强肠道机械屏障的作用。

1.1.2 化学屏障：肠道菌群会通过产生代谢物(如有机酸、脂肪酸等)抑制外袭菌，并促进肠蠕动来减少外袭菌的定植繁殖，间接保护宿主，同时肠道菌群与上皮潘氏细胞分泌的黏液一起发挥化学屏障的作用。另外，肠道菌群会与外袭菌争夺营养，正常菌群提高繁殖速度，利用数量优势，对外袭菌发挥拮抗作用。抗菌因子中最重要、最常见的是细菌素，产细菌素的细菌对同种或近缘种的细菌产生抑制[8]，如人类体内的乳杆菌会产生乳杆菌细菌素进而抑制产单核李斯特菌的感染。

1.1.3 免疫屏障：肠道菌群与免疫的配合，发挥免疫屏障作用。宿主的免疫力下降如经核素照射后，肠道分泌性免疫球蛋白IgA分泌量下降，出现肠道菌群失调，定植抗力明显下降[9]。

1.2 肠道菌群的免疫功能肠道菌群的组成影响免疫系统的免疫调节因子，从而影响肠道屏障功能。

1.2.1 肠道菌群本身结构的免疫作用：肠道菌群本身的一些特殊结构如鞭毛、菌毛、荚膜等常作为抗原诱导机体产生免疫反应。Sierro等[10]研究证实，沙门氏菌鞭毛蛋白会特异性诱导CCL20的上调，并使树突状细胞(DC)迁移。DC本身负责对抗原的识别，将抗原引入至淋巴组织或淋巴结，可以将腔内抗原通过微皱襞细胞(microfold cells，M-cells)激活具有防御功能的IgA分泌，可以促进细菌黏膜定植，M-cells可以打开肠上皮细胞的紧密连接进入内腔对细胞进行吞噬[11]。

另外，肠道菌群可以通过模式识别受体(PRR)识别免疫调节因子，如趋化因子、炎症细胞因子、抗炎性细胞因子，这些因子在自身免疫和适应性免疫中发挥重要作用[12]。

1.2.2 肠道菌群的代谢产物在免疫方面的作用：化学屏障，又为黏膜屏障，黏液由临界紧密连接和黏膜巨噬细胞的上皮细胞补充，分泌的黏液主要是由杯状细胞分泌的糖蛋白，还存在一些具有杀伤作用的活性物质，如抗菌肽、溶菌酶等，其中最重要的是肠道细菌通过膳食纤维分解产生的SCFAs，包括乙酸、丁酸、丙酸，对免疫屏障来说，是具有抗炎特性的有益代谢物[13]。

在宿主合成的代谢物以及微生物群产生和转化的代谢物中，SCFAs已被确定为调节肠上皮完整性的主要信号分子，通过多种机制调节上皮屏障功能，在肠道免疫中发挥重要作用。对机械屏障来说，SCFAs可以增强肠道完整性，抑制致命毒素向体循环的转移。对化学屏障来说，SCFAs会诱导杯状细胞分化和黏液产生。脆弱拟杆菌会产生具有抗炎作用的多糖A(PSA)，PSA可激活DC，诱导肠道调节性T细胞(Tregs)释放IL-10，发挥调节肠黏膜免疫的作用[14]。一项研究将脆弱拟杆菌移植到无菌小鼠体内，发现可以诱导1型辅助性T细胞(Th1)分化，PSA是诱导Th1分化的先决条件[15]。

1.3 肠道菌群对营养的消化吸收功能肠道菌群除参与防御作用外，还会促进肠道内营养物质的合成代谢，促进对饮食中能量的获取和储存[16]。经对动物断绝维生素复合物食物的研究[17]表示，部分肠道菌群如双歧杆菌可以合成维生素B和维生素K。一些食物因子，包括氨基酸如谷氨酰胺、色氨酸、多酚，会增强肠道屏障的完整性。另一方面，有害的食物因素如膳食饱和脂肪也被证实会损伤肠道屏障，增加肠道通透性。除此之外，在反刍动物中发现，正常微生物如产气克雷伯杆菌具有固氮等作用[18]，促进蛋白质代谢，肠道菌群还可以降低胆固醇，促进胆固醇代谢。肠道菌群可以通过产生氨化酶、脲酶等各种酶类与黏液层相融合共同发挥化学屏障作用。肠道菌群还与病原体争夺营养物质，在防御病原体方面也至关重要[19]。

在肠道中，超过90%的肠道菌群属于这四个门——厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门，其中拟杆菌门和厚壁菌门在健康成人的肠道菌群中占主导地位[4]，在向宿主提供能量和营养的作用中扮演重要角色。厚壁菌门和拟杆菌门与双歧杆菌发挥协同作用，利用不可消化的碳水化合物，生成SCFAs[20]。这些细菌的定植会诱导杯状细胞分化和黏液产生，可以抑制鼠伤寒沙门氏菌、致病性大肠杆菌、艰难梭菌等，有助于上皮细胞功能、能量平衡。另一方面，产生的SCFAs可以激活游离脂肪酸受体2(FFAR2)，以引起内质网钙向细胞质的释放，增加细胞质游离钙。游离钙反过来诱导分泌颗粒与质膜融合，引起胰高血糖素样肽1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)、GLP-2、其他激素的释放，促进饱腹感，减缓胃排空，对胰腺β细胞发挥保护性营养作用[21]。另外，SCFAs引起的GLP-2的释放还会作用于肠上皮下成纤维细胞，使其分泌胰岛素样生长因子Ⅰ(insulin-like growth factor Ⅰ，IGF-Ⅰ)，IGF-Ⅰ会通过刺激肠细胞的雷帕霉素复合物1(PI3K/Akt/mTORC1)途径来促进肠细胞增值，这一途径还可以诱导紧密连接所需的蛋白质，如occludin、claudins、ZO-1在mRNA和蛋白质水平上的表达，这些蛋白形成连接复合物，从而形成肠细胞的紧密连接，构成肠道机械屏障，可见肠道菌群在肠道屏障中起着关键作用[22]。

2 肠道菌群与肠道屏障互作对IBD的影响

与健康个体相比，在IBD患者中观察到抗炎细菌减少，相反，促炎细菌增加[23]。肠道菌群的变化会通过影响肠道屏障进而对IBD产生影响，反过来，IBD也常伴有肠道微生态失调。

2.1 肠道菌群失调与IBD之间的关系在一项研究中，对妊娠期和儿童期患者使用抗生素增加了IBD早期发病的风险[24]，也就是说菌群失调与IBD发生有关，肠道菌群的变化参与IBD的致病进展[25]，菌群失调时有益菌对有害菌的拮抗作用处于劣势，提高IBD的发病率。不仅如此，有害微生物群产生的毒素会反过来抑制有益菌，毒素可以通过受损的肠黏膜屏障直接参与导致IBD的发生。一项研究[26]表明，在IBD患者血清中，艰难梭菌、大肠杆菌O157、沙门氏菌、金黄色葡萄球菌的毒素会显著升高，而健康者身体中有害菌毒素的活性也远低于IBD患者。

IBD的发生对肠道菌群也会产生影响，IBD时肠道菌群多样性降低，有害菌变形菌门丰富度增加，有益菌厚壁菌门和拟杆菌丰富度降低，能够产生SCFAs的乳酸菌也会明显减少。UC患者的粪便中类杆菌和念珠菌的数量显著增加[27]。可见IBD时微生物产生不稳定性[28]，肠道菌群的扰动会进一步加剧肠道炎症，更加促进有益菌低丰富度和有害菌增殖，形成恶性循环。

根据IBD患者肠道菌群组成发生变化这一特点，对粪便进行16S rRNA基因分析，可以判断是否出现菌群失调，通过菌群多样性、丰富度等指标来诊断和评估IBD。一项研究通过对比肠道菌群的丰富度得出结论，以粪便微生物为标志鉴别IBD疾病具有一定的准确性和特异性[29]。

2.2 肠道菌群代谢产物SCFAs在IBD中发挥的作用当IBD时，产生丁酸的乳酸杆菌数量减少，导致丁酸盐降低[20]。丁酸盐和色氨酸分解代谢物能够刺激先天淋巴细胞群3(ILC3)产生IL-22[30]。IL-22可以促进肠道感染时体内平衡并诱导上皮细胞产生能够结合细菌肽聚糖碳水化合物进而杀死革兰氏阳性菌的区域。另外，在UC病例中，硫酸盐还原菌数量增加，产物硫化氢增加，进而对肠上皮细胞发挥毒性作用，引起黏膜炎症。在肠上皮细胞中，SCFAs调节紧密连接分子的表达以及细胞因子和趋化因子的产生[31]。SCFAs对于IBD来说，最重要的功能是通过一些SCFAs依赖性途径来发挥免疫作用(见表1)。

表1 SCFAs依赖性途径产生的相应物质及作用Tab 1 The corresponding substances and effects produced by SCFAs-dependent pathways

SCFAs除了与一些G细胞偶联蛋白发生作用产生一些趋化因子或细胞因子外，丙酸可以通过抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylase，HDAC)的活性和减轻肠道炎症来调剂Foxp3 Treg细胞的分化和功能[40]，促进Foxp3 Treg细胞的产生，Foxp3 Treg细胞是一种可以调节其他多种免疫细胞功能的T细胞亚型，对于维持体内免疫稳态必不可少，在IBD中发挥重要作用。IBD患者粪便中SCFAs、吲哚代谢物等微生物代谢物的水平显著降低[41]，可以将微生物代谢物的变化作为IBD临床诊断的指标。

2.3 肠道菌群免疫调节作用在IBD中的作用普拉梭菌(Faecalisbacterium prausnitzii，F.prausnitzii)属于梭菌属簇Ⅳ，可以产生丁酸盐发挥抗炎作用，在IBD中，F.prausnitzii会刺激人外周血单核细胞，使其诱导产生IL-10，并抑制炎症性细胞因子如IL-12和IFN-γ的产生[42]，可见肠道菌群在免疫屏障中也发挥重要作用。分段丝状细菌(SFB)具有诱导Th17细胞分化的潜力[43]，一旦SFB渗入黏液层与小肠上皮细胞(intestinal epithelial cell，IEC)接触，IEC中的Th17相关基因表达会增加，可见SFB在肠道免疫调节中发挥作用。炎症患者分离出的T细胞对肠道共生菌的抗原刺激有高反应性，失去了对自身肠道菌群的免疫耐受。例如严重结肠炎患者具有先天性免疫反应，共生细菌蛋白的鞭毛蛋白可以通过Toll样受体和特异性CD4+T细胞触发先天性免疫反应。

微生物、饮食、免疫在肠道屏障中均有控制作用[44]，IEC在稳定状态表达MHC-Ⅱ分子，并可由于饮食的周期规律呈现MCH-Ⅱ的日变化，MHC-Ⅱ的表达会调节CD4+上皮内淋巴细胞亚群[45]，产生IL-10来调节小肠细胞。

3 IBD在肠道菌群与肠道屏障加强方面的治疗

IBD患者中肠道菌群的组成及其他方面均发生严重失调，且肠道菌群失调同时也是IBD的起因，肠道菌群的改变可能为评估IBD的临床诊断、治疗、预后提供新的线索。

对于治疗方面，近些年来，FMT被认为是治疗很多肠道疾病的方法[46]，作为新的IBD治疗策略越来越受到关注。FMT是一种旨在恢复失调的治疗方法，通过将正常人粪便内的正常菌群转移至患者，已证明在治疗复发性艰难梭菌腹泻方面治愈率高达90%[47-48]。IBD的特点是厚壁菌门和拟杆菌门数量、丰富度降低，放线菌门和变形菌门增多，针对IBD的特点对受体进行FMT是最常用的方法。在一项针对UC的FMT研究中，FMT治疗患者的肠道细菌多样性显著高于对照组[49]。另一项研究[50]将厌氧处理的粪便进行FMT处理，避免了有益的专用厌氧菌的丢失，如F.prausnitzii，UC患者临床症状得以缓解。

IBD作为一种肠道菌群紊乱的疾病，利用FMT对肠道菌群进行调节是近年来被广泛使用的方法，但是针对FMT的供受体选择、给药途径、给药数量还需进一步的实验探索。针对肠道菌群紊乱、肠道屏障的破坏程度来对IBD进行预测和治疗是现在的发展方向。

综上所述，在IBD患者中存在肠道菌群失调，肠道菌群失调进而可引起肠道屏障功能受损。肠道屏障发挥重要肠道功能稳态，肠道菌群的构成同时受到肠道屏障功能的影响。肠道菌群与肠道屏障之间的相互作用对于IBD的防治具有重要意义。