肠道微生物稳态失衡与肠道疾病的关系研究进展*

2021-12-03刘晓芳武金宝

包头医学院学报 2021年10期

崔霞，刘晓芳，武金宝

(1.包头医学院2019级硕士研究生，内蒙古包头 014060；2. 包头医学院第二附属医院病理科；3.包头医学院第二附属医院内蒙古消化病研究所)

人体表面、口腔和肠道存在着数量可观的微生物群，目前研究最多的是肠道菌群。肠道菌群主要由厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门和变形菌门等组成。微生物群落的种群构成是宿主特有的，通过宿主与微生物的共同进化，形成了一种几乎体现在所有的生命形式中的互利共存的关系[1]。宿主的肠道为微生物提供了生长的地方，并以未消化的食物提供营养，细菌参与肠道组织和免疫发育。肠道微生物的组成受多种因素的影响，包括宿主免疫系统、遗传和环境因素等。因此，宿主系统和微生物的正常运作对肠道内环境的稳定至关重要[2]。肠道微生物的稳态与各系统疾病都联系紧密，例如心血管系统、消化系统、呼吸系统、中枢神经系统、泌尿系统等，还与肥胖、糖尿病等密切相关。计算和测序技术的快速发展推动了微生物学的发展。研究人员对使用16S rRNA测序[3]、高通量测序技术、TruSeq[4]等新的测序技术产生的大数据进行准确的分析，使新的知识将更有效地用于治疗疾病，并取得更好的临床结果。本文主要对肠道微生物的功能、肠道微生物与肠道非肿瘤疾病及肿瘤的关系进行综述。

1 肠道微生物是人体重要功能的组成部分

肠道微生物与宿主的共生关系影响大肠的动态平衡。为了维持宿主的健康状态，许多代谢、免疫、结构和保护功能都是由肠道微生物来执行的。因此，肠道微生物的主要功能之一是产生大量的代谢物(短链脂肪酸、胆汁酸、必需维生素等)，给肠道细胞提供能量营养并维持上皮的动态平衡。肠道微生物在宿主免疫系统的发育、成熟和功能中也起着重要作用[5-6]，它还通过竞争营养物质和肠道上皮附着部位，通过产生和分泌抗菌物质，以及加强上皮的紧密连接来抵抗病原微生物的侵袭[7]。

1.1营养肠道微生物为宿主提供能量和营养。人类共生细菌可以合成维生素[8]，肠道细菌还通过发酵不可消化的碳水化合物(膳食纤维)提供短链脂肪酸(SCFA)，毛藻门和拟杆菌门与如双歧杆菌从难以消化的碳水化合物中产生单链脂肪酸[9]。脂肪酸包括单链脂肪酸(SCFAs)、中链脂肪酸(MCFAs)、长链脂肪酸(LCFAs)，其中SCFAs包括甲酸(C1)、乙酸(C2)、丙酸(C3)、丁酸(C4)、异丁酸(C4)、异戊酸(C5)、己酸(C6)。其中丁酸是结肠上皮细胞的主要能量来源并且与炎症性肠病(IBD)的发病密切相关，IBD患者的SCFA水平明显降低。丙酸主要负责肝脏新陈代谢。

1.2免疫肠道微生物和宿主免疫系统的发育相互作用[10]。Bouskra等人在肠道微生物区系缺陷的无菌小鼠实验中发现其表现出免疫发育受损，淋巴组织不成熟[11]，肠道淋巴细胞数量减少，抗菌肽[12]和免疫球蛋白A[13]水平降低。肠道微生物重建后无菌小鼠免疫系统缺陷和异常可以恢复[14]。肠道微生物中节段性假丝酵母菌 (SFB)定植可以促进肠道黏膜免疫系统的成熟[15]。肠道微生物还影响T细胞谱系和Th细胞分布[16]。调节性T细胞(Tregs)是CD4+T细胞，调节或抑制免疫系统中的其他细胞，丁酸诱导结肠Tregs的分化和扩张[17]。Th17细胞是效应性T细胞的一个亚群，受肠道微生物的调节。它可以产生白细胞介素(IL)-17A、17F、21和22[18]。在无菌或抗生素处理的小鼠中，肠黏膜中Th17细胞的丰度显著降低。这一结果表明肠道微生物区系在Th17细胞的发育中起作用。肠道微生物代谢物胆汁酸对肠道相关炎症也有影响，这可能是通过调节肠道黏膜免疫细胞来实现的。胆汁酸的免疫调节主要是在天然免疫的基础上通过抑制NF-κB依赖的信号通路和NLRP3依赖的炎症活动在先天免疫系统中发挥抗炎作用。Kakiyama等人发现在人类和啮齿动物中两种石胆酸(LCA)代谢物直接影响CD4(+)T细胞[19],3-OxoLCA可通过直接与关键转录因子维甲酸相关孤儿受体-ct(RORct)结合来抑制TH17细胞的分化,异种LCA通过产生线粒体ROS促进Treg细胞的分化，从而导致Foxp3表达增加[20]。这表明胆汁酸代谢产物通过直接调节TH17和Treg细胞的平衡来控制宿主的免疫应答。

1.3防御黏膜免疫系统的异常易受到肠道病原体的感染，可通过竞争性地定植共生微生物群来阻止病原体的定植[21]。肠道微生物区系通过直接和间接作用机制增强对肠道病原体的定植抵抗力。一些共生菌通过竞争营养或诱导抑制物质的产生直接抑制肠道病原体。例如厌氧菌消耗病原体使用的碳水化合物，竞争性地将病原体排除在肠腔之外[22]。苏云金芽孢杆菌可通过激活免疫反应间接抵御病原体。

2 肠道微生物稳态失衡与肠道疾病

当宿主与微生物的微妙平衡被破坏时，会直接或间接地启动疾病的病理生理过程。导致稳态失衡的因素有：年龄、饮食、抗生素、免疫力、其他。一旦肠道微生物稳态失衡，就会促进各种肠道疾病的发展，如炎症性肠病(IBD)、肠易激综合征(IBS)、渗透性腹泻、旅行者腹泻、功能性便秘和结直肠癌等。

2.1炎症性肠病(IBD) IBD是一种反复发作的慢性炎症，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，常表现为腹痛、腹泻、血便、体重减轻等，有潜在癌变风险。许多研究发现肠道微生物区系可能是IBD发病机制中最关键的环境因素。吸烟对肠道菌群也有一定影响。在IBD患者与健康人相比，前者有抗炎能力的细菌减少，促炎细菌增加，肠道微生物区系多样性的减少和菌丝丰度的降低[23]，这导致潘氏细胞和杯状细胞分泌抗菌肽(α-防御素)减少[24]，单链脂肪酸(SCFA)中的丁酸产生菌的数量也有所减少。变形杆菌水平的增加导致SCFA的减少，从而导致针对共生微生物区系的IgG产生过多。激活的巨噬细胞产生促炎细胞因子，过度刺激Th1或Th17细胞，从而引发炎症[25]。肠屏障完整性的丧失导致细菌抗原移位增加，刺激肠黏膜炎症反应。与IBD相关的具有促炎特性的大肠杆菌是黏附侵袭性大肠杆菌(AIEC)，活动期CD患者中约38%的AIEC数量增加，它粘附在肠上皮影响肠道的通透性，改变肠道微生物的多样性和组成，并通过调节炎症基因的表达来诱导炎症反应，从而导致肠道炎症[25]。

2.2肠易激综合征(IBS) IBS是功能性肠病的一类,特点为持续或间歇发作，临床表现为腹痛、腹胀、排便习惯和(或)大便性状改变，是缺乏胃肠道结构和生化异常的肠道功能紊乱性疾病。肠道菌群失衡后增加黏膜通透性，激活肠黏膜免疫反应，导致黏膜炎症，并破坏上皮屏障功能，改变胃肠道动力。IBS患者菌群多样性减少。Rajiliĉ-Stojanoviĉ等人发现IBS患者中有特定的微生物群[26]，大多数患者益生菌数量减少(双歧杆菌、乳酸杆菌等)、致病菌数量增多(酵母菌、肠杆菌等)。Liu等人发现在IBS患者的肠道乳酸菌、双歧杆菌和纳豆梭菌有基因表达的显著变化[27]。

2.3渗透性腹泻引起此类腹泻的原因，除了高渗性药物如硫酸镁外，大多由于对食物的消化和分解不完全所引起。使用含有磷酸盐或硫酸镁的泻药以及过度使用山梨醇等药物通常会导致渗透性腹泻[28]。食物中的脂肪、蛋白质及碳水化合物在肠道中必须经过消化过程，尤其是酶的催化作用，变成简单的成分后，才能被肠黏膜吸收。乳糖不耐症是一种肠道消化障碍，与乳糖酶-氯嗪水解酶(LPH)活性降低或完全丧失有关。先天性乳糖酶缺乏特征是出生时乳糖酶活性降低或完全丧失，缺乏这种酶导致碳水化合物吸收不良和腹泻。当营养素(特别是小型营养素)产生渗透力，导致水进入管腔时，会出现渗透性腹泻[29]。此外，乳糜泻(CD)是一种过敏性肠病，伴有渗透性腹泻。

2.4旅行者腹泻旅行者腹泻是感染性腹泻病中的一种特殊类型，是指在旅行期间或旅行后，每天有3次或3次以上未成形粪，或未成形粪次数不定但伴有发热、腹痛或呕吐。引起旅行者腹泻的病原体可分为非侵袭性和侵袭性两类[30]，主要由产毒性大肠杆菌、志贺菌、空肠弯曲菌、气单孢菌、沙门氏菌及非霍乱弧菌等引起。在旅行期间做好个人卫生，确保饮食安全即可预防。

2.5功能性便秘功能性便秘指缺乏器质性病因的粪便干结、排便困难、排便次数和重量减少。多种因素可导致其发生，例如年龄、饮食习惯、肠道微生物等，并且与大肠肿瘤有密切关联。研究表明功能性便秘患者双歧杆菌、乳酸杆菌较正常人减少，且菌群多样性减少[31]。

2.6肠道肿瘤大肠癌(CRC)是全世界最常见的消化道肿瘤之一，包括直肠癌和结肠癌，发病率与死亡率逐年升高[32]，治疗以手术、放化疗等综合手段为主。大肠癌即使早期发现手术切除，也会出现复发转移，并且对放化疗的敏感性不高。患者确诊时往往处于中晚期，严重威胁人类健康。近年来，虽然我国大力倡导开展大肠癌的定期基层筛查工作，但由于组织工作困难、病人依从性差、病人筛查意识欠缺等问题，整体筛查率不理想[33]。

微生物被怀疑与大约20 %的癌症有关，特别是大肠癌[34]。结肠中的细菌水平是小肠的100万倍，前者的癌症发病率大约是后者的12倍，这表明肠道微生物在结直肠癌的发生中起着重要作用[35]。1975年第一次观察到肠道微生物与大肠癌之间的联系是存在的[36]。肠道菌群失调刺激黏膜免疫反应，从而形成局部慢性炎症反应，从而对上皮细胞产生不利影响，并与其他因素一起促进肿瘤的发生。目前已经有几种假说来解释结肠微生物区系、免疫反应和恶性转化之间的交叉。例如，Sears和Pardoll提出阿尔法细菌假说，CRC主要是由具有特定毒力决定因素的某些微生物群成员发起的。Tjalsma提出司机-乘客假说，由司机微生物诱导上皮DNA损伤和肿瘤发生来启动CRC，进而促进在肿瘤微环境中具有生长优势的乘客细菌的增殖[37]。肠道微生物代谢物丁酸可以通过抑制大肠癌细胞的增殖和选择性地促进其凋亡来发挥抗癌作用；胆汁酸可以促进大肠肿瘤的形成。肠道细菌产生的细胞致死膨胀毒素和大肠杆菌毒素也可致癌，脆弱杆菌毒素和粪肠杆菌产生的活性氧均与体外DNA损伤和基因组不稳定性有关[38]。在肿瘤的发生和发展过程中，慢性炎症形成了有利的局部环境。大肠息肉的癌变也是病因之一，大肠癌患者和结肠息肉患者之间的粪便微生物群差异不大，与对照组相比均时间稳定性降低，轻梭菌和球菌亚群的多样性增加[39]。肿瘤相关巨噬细胞(TAMs) 产生和分泌多种细胞因子和可溶性因子，参与细胞增殖、细胞存活、血管生成、上皮间充质转化(EMT)和肿瘤干细胞病因学[40]。微生物通过多种信号通路，如转化生长因子β、Wnt和Notch，与转录因子(TF)Slug、Snail、Twist、ZEB1和ZEB2共同作用，抑制E-钙粘附素，导致肿瘤侵袭、转移和获得性耐药[41]。EMT后的细胞可以获得干细胞样属性，因此构成了癌症干细胞(CSC)群体[42]。

所以我们可以通过肠道微生物来筛选大肠癌的分子预警标志物，主要筛查策略是粪便潜血检测和粪便免疫化学检测。若检测结果为阳性时应结合结肠镜检查。随着对肠道微生物研究的研究越来越多，早癌的筛查与治疗也将得到新的发展。