肠道微生物群系对炎症性肠病发生发展影响的研究进展

炎 症 性 肠 病 （inflammatory bowel disease, IBD） 包括克罗恩病（Crohn disease, CD） 和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis, UC）, 是一种原因不明的慢性进行性胃肠道疾病。在全球范围内, IBD 的发病率不断升高, 但是其确切病因尚不清楚。目前, 研究[1］显示：IBD 的发生是由于遗传、环境因素和宿主免疫系统之间的复杂相互作用而导致的免疫反应异常和慢性肠道炎症。肠道微生物群系的生物失调被认为在IBD 发生发展的过程中发挥了重要作用, 无论是肠道保护屏障还是促炎反应, 均有肠道微生物群系的参与。近年来针对肠道微生物群系在IBD 中的作用机制研究较多, 主要针对细菌和真菌等在IBD 发生发展过程中的改变, 粪菌移植的研究也越来越多地被人们认可, 同时, 对益生菌、益生元和后生元在临床实践中的治疗潜力也被证实, 但目前已发表的综述报道多以细菌方面的研究为主, 真菌、病毒和蠕虫等方面的研究较少, 现结合近年来国内外相关研究进展, 从各类肠道菌群在IBD 发生发展过程中的变化及针对肠道菌群而开展的新治疗方法进行综述, 旨在为IBD 的治疗提供新的思路。

1 肠道微生物群系与IBD 关系的一般概述

人体内含有多种多样的微生物群落, 其中以肠道微生物群系最多, 据统计[2］：人体肠道内含有100 万亿种不同微生物, 包括细菌、真菌、病毒和原生动物, 其共同构成了肠道的微生物群系。宿主与肠道微生物群系在生长发育过程中共同进化并相互依赖, 一方面, 肠道微生物群系可以调节肠道内分泌功能, 影响宿主细胞增殖和血管化, 与免疫系统的发育也密切相关[3］；另一方面, 宿主的饮食习惯和疾病状态均会影响肠道微生物群系的组成。鉴于肠道微生物群系功能多种多样, 其也成为了一系列慢性疾病, 包括癌症和具有炎症、代谢、心血管、自身免疫、神经学及精神病学成分的疾病诊疗过程中的研究重点。通过肠道微生物群系改善疾病症状已成为未来临床研究的重点。

肠道微生物群系的生态失调在IBD 的发生发展过程中发挥了关键作用。研究[4］显示：在IBD 患者及IBD 动物模型体内, 肠道微生物的组成均发生了变化, 主要表现为多样性下降, 抗炎微生物数量减少, 而致炎微生物数量增加。IBD 是一种氧化应激型的疾病, 肠道内厌氧和硫酸盐还原菌增多, 对肠上皮细胞产生有毒影响, 研究[5］显示：IBD 可能是由黏膜免疫系统对肠道微生物的异常炎症反应引发的。GEVERS 等[6］研究显示：在新诊断和未经过治疗的CD 患者粪便和黏膜组织活检中, 已发现肠道微生物失调的情况, 表明微生物失调可能早于 疾 病 的 发 生。BELKAID 等[7］的 研 究 也 得 出 了相似的结论, 同时其还发现微生物失调与饮食、炎症和抗生素应用均存在关联。因此, 微生物失调可能是导致早期IBD 发生的原因之一, 同时在IBD 发生发展过程中, 炎症及药物作用可能进一步改变了肠道微生物群系的组成。

2 肠道各类微生物在IBD 发生发展过程中的影响

2.1 IBD 与肠道细菌肠道中有超过1 000 种细菌, 其中99%以上的肠道细菌属于厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门中的一种, 在健康成年人的肠道微生物群系中, 拟杆菌门和厚壁菌门占据了主要部分[8］。与正常人比较, IBD 患者粪便中拟杆菌门和厚壁菌门（特别是梭状芽胞杆菌门）占比较低, 而变形菌门占比明显更高[9］。

一些细菌丰度的改变与IBD 相关结肠炎的发生密切相关, 饮食中如含有过多的乳脂会导致结肠中沃氏噬胆菌增多, 激活肠道树突状细胞, 促进辅助型T 淋巴细胞1（helper T lymphocytes, Th1） 介导的结肠炎症[10］；IBD 患者体内增多的硫酸盐还原菌（脱硫弧菌）会导致体内与氧化应激相关的硫酸氢过度生成, 破坏肠上皮细胞, 进而引发肠黏膜炎症[11］。在IBD 患者肠道中普氏梭状芽孢杆菌丰度降低, 正常情况下, 其可以发酵体内无法消化的碳水化合物, 生成短链脂肪酸, 进而影响调节性T 淋巴细胞的分化和扩张, 对上皮细胞的生长有重要影响, 且短链脂肪酸中的丁酸是肠道中重要的抗炎因子, 与肠道黏蛋白的合成相关[12］。另一个与肠道炎症密切相关的是黏附侵袭性大肠杆菌（adherent-invasiveEscherichia coli, AIEC）, IBD患者肠道中AIEC 大量增多, 直接影响肠道通透性, 改变肠道多样性和组成, 并调节炎症细胞的表达[13］。IBD 患者肠道中细菌多样性和丰度发生了改变, 其通过影响肠道黏膜屏障、免疫反应和营养代谢等直接或间接地调节肠道炎症的发生发展。

2.2 IBD 与肠道真菌迄今为止发表的大多数关于肠道微生物群系在IBD 中的作用研究均集中在细菌成分上, 关于肠道真菌与IBD 关系的研究相对较少, 但KIM 等[14］研究显示：早在1988 年便存在酿酒酵母菌细胞壁成分的抗体与CD 发生有关的观点。随着科研水平的进步, 通过PCR 扩增18S 核糖体小亚基或内部转录间隔区, 可以更加全面地评估真菌生物在肠道疾病中发挥的作用。一项针对IBD 患者粪便中真菌菌群的研究对内部转录间隔区1（internal transcribed spacer, ITS1） 进行测序发现：IBD 患者总体真菌多样性升高, 甚至发现了一些只在IBD 患者肠道中出现的真菌[15］。

研究[16］显示： IBD 患者所发生的肠道真菌共生失调主要表现为担子菌门与子囊菌门占比升高, 但在另一项研究[17］中, IBD 患者肠道中2 种真菌门类并无明显改变。IBD 患者粪便中工程酿酒酵母菌的占比改变则已经得到了证实, 工程酿酒酵母菌可调节肠道中致病性代谢物水平, 从而保护结肠炎[18］。最新研究[19］显示：食源性汉逊德巴利酵母在克罗恩病患者的炎症组织中富集, 并可通过促使保护性巨噬细胞表达趋化因子配体5 （chemokine ligand 5, CCL5） 来阻止小鼠伤口愈合, 而在IBD 患者中伤口愈合占据重要地位；另一项研究[20］显示：CD 患者中靶向白色念珠菌黏附素和分泌毒力因子的分泌型免疫球蛋白A （secretory immunoglobulin A, sIgA）反应失调, sIgA 可以通过塑造肠道中的微生物群落, 限制致病菌生长, 并通过免疫排斥增强宿主的保护性免疫, 在肠道屏障保护作用中发挥重要作用。

研究[21］显示：肠道中的致病细菌可以产生真菌修饰化合物和分泌酶等, 对肠道真菌群落组成产生影响, FILYK 等[22］发现黏质链球菌可以产生2 种分泌蛋白Tfe1 和Tre2, 与白色念球菌和酵母菌等发生反应, 从而达到抗真菌的目的。细菌产生的短链脂肪酸同样可以抑制白色念球菌的定植和易位跨越肠道屏障。由此可见, IBD 患者肠道细菌的改变与真菌的失调密切相关, 相互影响, 共同导致了肠道微生物群系的平衡失调。关于肠道真菌影响IBD 的机制普遍认为是IBD 易感基因在其中发挥了重要作用, 如缺乏参与肠道真菌免疫反应的CARD9 基因, 会使色氨酸无法代谢为芳基烃受体的配体, 阻碍IL-22 上调, 而IL-22 在IBD 的发生发展中起重要的调控作用[23］。

综上所述, 真菌可能通过抑制病原体的生长、促进肠道内的免疫调节和新陈代谢, 进一步影响肠道疾病的进展, 针对特定的共生真菌群可为IBD 的治疗提供新的思路。

2.3 IBD 与肠道蠕虫肠道寄生虫同样影响着IBD 的发生, 流行病学[24］研究显示：与发展中国家比较, 发达国家的IBD 发病率呈上升趋势, 这可能与发达国家寄生虫病发生率较低有关。研究[25］显示：IBD 模型小鼠在感染蠕虫（多回螺旋虫、旋毛虫和曼氏血吸虫等） 后, 其结肠炎症会有所改善, 这些蠕虫有可能通过其分泌的产物, 激活肠道免疫系统, 反而改善肠道炎症, 这些改变可能是通过影响Th1 细胞因子的产生而发挥作用。蠕虫感染期间, 宿主会产生强烈的Ⅱ型免疫反应, 以防止蠕虫的定植, Ⅱ型免疫反应主要表现为M2 型巨噬细胞的极化和CD4+淋巴细胞中辅助型T 淋巴细胞2（helper T lymphocyte 2, Th2）的扩张, 伴随着细胞因子和免疫球蛋白的产生, 肠上皮细胞快速更新, 黏蛋白产生加快, 胃肠动力增强, 从而促进蠕虫的排出, 这其中还可能伴随着Treg 群体的扩张以及伤口愈合分子的产生, 上述改变可能限制炎症并促进肠道修复[26］。

研究[27］显示：蠕虫在IBD 发生发展过程中具有改善效果, SOKOL 等[28］研究显示：溃疡性结肠炎缓解期患者出现普氏疟原虫定植缺陷, 而普氏疟原虫种群的数量变化与结肠炎患者的临床缓解情况相关。通过对普氏疟原虫的进一步研究, 认为普氏疟原虫通过刺激人外周血单个核细胞诱导产生白细胞介素10 （interleukin-10, IL-10）, 并抑制炎性细 胞 因 子[IL-12 和 干 扰 素γ （interferon-gamma, IFN-γ）］的产生, 从而达到抗炎的效果, 另一项研究[29］显示：旋毛虫可以通过其衍生抗体和重组蛋白, 抑制抗原提呈, 导致Treg 反应上调以及IL-10 产生增加, 进而纠正IBD 引起的免疫紊乱, 改善肠道炎症。寄生虫影响先天免疫和适应性免疫反应的机制仍需要更多临床研究来确定。另一方面, 虽然采用寄生虫治疗似乎对免疫疾病有效, 但其缺点亦是显而易见的。

2.4 IBD 与肠道病毒随着科研水平的不断进步, 通过对IBD 患者粪便样本中分离出的病毒颗粒进行基因组分析, 结果[30］显示：肠道中的病毒群主要由噬菌体组成。噬菌体是一种可感染细菌的病毒, 自从被发现后就作为抗菌剂, 但因其不可控性逐渐被抗生素所取代。随着多重耐药细菌的出现, 抗生素的使用价值降低, 噬菌体疗法逐渐重新得到重视[31］。NORMAN 等[32］在CD 患 者 的 直 肠 活 检 样本和粪便中发现了尾状病毒科噬菌体的扩张, 这种扩张可以通过影响细胞溶解和编码毒素等降低肠道微生物群系的多样性；CLOONEY 等[33］则发现：IBD 患者体内的核心病毒体可能发生了从强毒性向温和性的转变, 这一结果与另一项在健康个体中观察到的稳定的核心病毒群的研究结果[34］一致。因此不难提出一种假设：裂解噬菌体可能有助于维持健康的肠道环境。肠道病毒对IBD 的影响主要体现在其对肠道细菌的影响上, 如IBD 患者肠道内的厚壁菌门数量减少, 而针对厚壁菌门的噬菌体数量增加。肠道病毒治疗IBD 的疗效已经被证实[35］, 但在免疫原性和基因转移, 或在病情发作和缓解期间病毒及噬菌体的组成方面的情况仍需继续研究。

3 肠道微生物群系在IBD 治疗中的作用

3.1 美沙拉嗪对IBD 患者肠道微生物群系的影响美沙拉嗪是治疗CD 和UC 的常用药物, 其主要成分是5-氨基水杨酸, 其能抑制前列腺素和白三烯的合成, 还能抑制前列腺素的释放、中性粒细胞的迁移、脱粒及血小板活化因子的释放, 从而降低肠壁炎症反应[36］。研究[37］显示：与未经治疗的IBD 患者比较, 美沙拉嗪减少了粪便中黏膜黏附细菌的浓度, 并且下调了与细菌侵袭性和抗生素耐药性相关的基因在鼠伤寒沙门氏菌中的表达, 这均与IBD 的病情发展密切相关；PITCHER 等[38］通过对IBD 患者粪便中硫化物水平进行分析, 发现了美沙拉嗪治疗的IBD 患者粪便中硫化物水平明显降低, 表明美沙拉嗪可以抑制IBD 患者中硫酸盐还原菌的生长和硫化物的产生, 从而保护肠上皮细胞的完整性。因此, 调节肠道微生物平衡可能是美沙拉嗪缓解IBD 症状的机制之一。

3.2 英夫利昔单抗对IBD 患者肠道微生物群系的影响英夫利昔单抗是一种人鼠嵌合体IgG1 抗肿瘤坏死因子α 单克隆抗体, 于2007 年经中国国家食品药品监督管理总局（State Food and Drug Administration, SFDA）正式批准应用于CD 的治疗[39］。英夫利昔单抗主要通过拮抗肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）活性, 对免疫细胞的直接细胞毒性和诱导T 淋巴细胞凋亡来发挥抗炎作用。研究[27］显示：英夫利西单抗的使用会影响肠道微生物群的组成, 这一过程主要是通过影响肠道蠕虫丰度来实现的, 服用英夫利昔单抗后, IBD 患者体内普氏疟原虫的丰度增加, 普氏疟原虫可以通过刺激人外周血单个核细胞诱导产生IL-10, 抑制炎性细胞因子的产生, 从而达到抗炎效果；也有研究[40］显示：英夫利西单抗治疗3 个月后, CD患者体内大肠杆菌数量相对下降, 而普氏梭状芽孢杆菌的数量相对增加, 即英夫利昔单抗可能会通过影响肠道蠕虫及细菌的丰度来改善CD 患者症状, 但其确切机制仍需要更多的临床试验进行探索。

3.3 硫唑嘌呤和糖皮质激素对IBD 患者肠道微生物群系的影响硫唑嘌呤是具有免疫抑制作用的抗代谢剂, 主要通过抑制T 淋巴细胞的活性而影响肠道免疫, 研究[40］显示：硫唑嘌呤的治疗增加了黏膜细菌的浓度和黏附性, 并明显降低了IBD 患者粪便样本中的细菌的多样性和丰度。

关于糖皮质激素对肠道微生物群影响的研究较少。在小鼠模型中, HUANG 等[41］发现：糖皮质激素增加了双歧杆菌和乳杆菌的丰度, 同时降低了黏液螺杆菌的百分率, 但SIPPOLA 等[42］通过对IBD 模型狗的研究显示：采用糖皮质激素治疗对肠道微生物群系的组成无影响, 即硫唑嘌呤和糖皮质激素有可能改变了肠道微生物群系的组成, 但这种改变并无确切的证据。

3.4 益生菌、植物性纤维和发酵食品对IBD 的治疗效果益生菌可以通过调节肠道微生物群系的组成而改善宿主肠道症状, 其中乳杆菌、双歧杆菌和链球菌等细菌已被证实对胃肠道炎症有一定的临床疗效[43］。研究[44］显示：益生菌对CD 患者并无缓解效果, 因此关于益生菌对IBD 的疗效仍需要大量更详细的随机对照试验证实。

新型冠状病毒肺炎（corona virus disease-2019, COVID-19）的大流行使人们对饮食所发挥的增强免疫力的作用越来越关注, RACHUL 等[45］研究显示：富含发酵食品或植物性纤维的饮食可能会影响健康成年人的免疫状态和肠道菌群的功能, 饮食的改变可以增加肠道微生物组多样性, 并改变菌群结构, 降低炎症标志物水平, 但这对于IBD 是否有疗效仍然是未知的。

3.5 粪菌微生物区系移植（fecal microbiota transplantation, FMT）对IBD 的 疗 效FMT 是 通过转移健康供者的肠道微生物群系来恢复患者的肠道微生物群系。FMT 在临床上已经被用于对艰难梭菌反复感染的治疗, 也有临床试验验证了FMT对IBD 的治疗效果, 研究[46-47］显示：多数IBD 患者经过FMT 治疗后, 出现了临床症状缓解, SHA等[48］研究显示：78%的IBD 患者症状得到了临床缓解, 但WEINGARDEN 等[49］研究显示：只有45%的IBD 患者症状得到改善, 这可能与供者的选择和患者病情的严重程度有关。另一方面, 经FMT 治疗后症状改善的IBD 患者肠道中产生丁酸的细菌明显增多, 这可能对于优化FMT 治疗方法提 供 了 新 的 思 路[50］。FMT 具 有 足 够 的 安 全 性[46］, 除了可能导致较轻的肠道炎症, 并无严重的并发症。

4 展 望

肠道微生物群系失调在IBD 的发生过程中发挥了重要作用, 但生物失调只是IBD 发生过程中一方面的变化, 而且在IBD 的发展过程中, 是肠道微生物群系持续影响肠道炎症, 还是肠道炎症发生后影响了肠道微生物群系的组成, 这一点尚不清楚。本研究总结了肠道微生物群系, 包括细菌、真菌、病毒和蠕虫在IBD 患者肠道内的改变, 这些肠道微生物通过分泌物或自身作用, 参与免疫反应, 影响了肠道的免疫平衡和肠黏膜屏障的完整性, 进而对IBD 产生缓解或加重的效果。通过对肠道微生物抗炎机制的研究, 可以从细菌、真菌、病毒和蠕虫中提取出可以改善肠道炎症的部分物质, 衍生出新的药物, 以应对多重耐药细菌的出现。疾病的发展过程、药物的使用和环境因素均会影响肠道微生物群系的组成, 个体的差异性可能是影响肠道微生物群系研究的最大阻力。未来应进行更大规模的前瞻性纵向研究, 确定遗传学、环境因素和肠道微生物群系之间的关系。

综上所述, 随着IBD 发病率在全球范围内不断增高, 采用肠道微生物群系治疗IBD 对缓解IBD 患者的症状至关重要。