间充质干细胞对肠道损伤及其修复过程中肠道菌群影响的研究进展

臧成昊，杨金伟综述，郭建辉，李力燕审校

1.昆明理工大学附属医院云南省第一人民医院，云南 昆明 650032；2.昆明医科大学神经科学研究所，云南 昆明 650500

肠道是人体消化系统中重要的组成部分，也是人体中微生物群最集中的部位，肠道菌群对肠道功能至关重要。正常人体约有400多种肠道细菌，数量超过10万亿个，构成了庞大复杂的微生物生态系统，对人体消化能力、体重变化及药物吸收具有调节作用，还可抵御感染，降低自身免疫病的患病风险［1-3］。肠道菌群是人体肠道的常驻微生物，主要由细菌、古细菌、真菌、病毒等构成，数量最多的是肠道细菌，主要包括硬壁菌、拟杆菌、放线菌和变形杆菌，其中严格厌氧菌的数量比兼性厌氧菌和需氧菌多2～3个数量级［4］。超过80%的肠道菌群不能进行体外培养，可应用测序技术对肠道菌群进行分类和定量，通过DNA序列分析发现，虽然不同个体之间的肠道菌群有所不同，但成年后的个体肠道菌群可保持相对稳定状态［5］。肠道损伤的种类较多，研究表明，肠道是集体应激反应的中心器官，各种应激因素会导致肠道结构损伤和功能紊乱，包括肠道屏障功能受损引起局部或系统性的炎性反应及病毒性因素引起的肠道结构和功能损伤［6］。肠道损伤在外科手术中普遍存在，如肠切除吻合手术、小肠缺血再灌注损伤和小肠移植等均会导致肠道菌群的变化。间充质干细胞是一种多能干细胞，具有进行自我更新和多向分化的能力，可分为骨髓间充质干细胞、人脐血带间充质干细胞和脂肪间充质干细胞。由于间充质干细胞的易得性、多细胞分化能力和免疫调节作用，被认为具有治疗多种疾病的潜在能力［7］。有文献证明，间充质干细胞可用于治疗肠道损伤［8］。本文就间充质干细胞对肠道损伤及其修复过程中肠道菌群影响的研究进展作一综述。

1 间充质干细胞对肠道损伤修复作用的影响

1.1 肠道损伤的种类

1.1.1 肠道屏障损伤 肠道屏障损伤是肠道损伤的表现形式之一。肠道对食物消化吸收的同时，也对各种毒素和细菌起屏障作用［9］。肠道屏障中最重要的是肠黏膜机械屏障，其以肠黏膜上皮细胞及上皮细胞间的紧密连接为结构基础［10］。肠黏膜通透性的强弱是反映肠黏膜损伤的重要指标之一［11］，其异常增高是肠黏膜机械屏障损伤的一种表现形式，即肠道黏膜上皮容易被某些分子（内毒素、致病菌等）以扩散的方式通过，进而侵入门静脉和淋巴系统，甚至移位至其他器官，导致炎症级联活化效应，诱发肠道黏膜损伤和过度炎症反应［11-13］。目前，已知肠道屏障损伤的机制主要有：①NF-κB启动的下游通路激活一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）引起的过氧化过程会导致肠黏膜水肿和损伤［14］；②肠道应激反应引起肠道通透性增加，导致小分子物质穿过屏障，诱发肠道损伤和过度炎症反应［11］。

1.1.2 缺血再灌注损伤 缺血再灌注是肠道损伤的另一种表现形式。在外科手术中由于出血、创伤、感染性休克、严重烧伤及某些外科处理过程（如小肠移植、腹主动脉手术或心脏旁路手术等）等情况均会导致肠缺血再灌注损伤。肠缺血再灌注时，细胞代谢水平会在短时间内达到高峰，导致细胞中活性氧大量积累，造成细胞应激反应，引起细胞因子释放、脂质氧化、蛋白质变性和DNA损伤［15］。研究发现，缺血再灌注损伤会使炎症细胞活化，导致炎症介质和蛋白酶的释放，从而触发肠组织损伤［16-17］。目前，已知缺血再灌注损伤的机制主要有：①体内氧自由基过多，导致链式脂质过氧化反应激增从而造成肠黏膜损伤［18］；②细胞内钙离子超载使细胞内外钙离子失衡，导致机体发生严重的能量代谢障碍，对肠道组织造成不可逆的伤害［19］；③在细胞凋亡过程中，JNK信号通路和PI3K-Akt信号通路均参与了缺血再灌注损伤的过程［20-21］。

1.2 间充质干细胞对肠道损伤修复的作用机制 有研究表明，间充质干细胞可通过限制组织损伤和促进组织修复来促进愈合过程［22］；另外，还可调节炎症反应及先天和适应性免疫反应，并与免疫系统的所有临近细胞相互作用［23］。间充质干细胞通过改变肠道毛细血管渗透水平、降低肠源性内毒素和修复肠道屏障等方式修复肠道损伤，改变肠道内环境。有研究表明，间充质干细胞可降低炎症性肠病，防止疾病复发，并降低患病动物的死亡率［24］。临床试验证实，间充质干细胞可迁移至发生炎症的各部位［25］，包括肠道炎症区域、结肠炎和肠系淋巴结等，能够分化为各种细胞，移植至许多组织中替代炎症细胞行使正常细胞的功能或分泌可溶性因子以刺激受伤的细胞和组织的存活和恢复［26-27］。

LU等［28］发现，间充质干细胞可减轻小肠毛细血管渗透的水平并逆转水通道蛋白1（Aquaporin 1，AQP1）的下调，从而减少对小肠毛细血管内皮屏障的损害。ACCARI等［29］研究发现，间充质干细胞治疗急性坏死性大鼠小肠损伤，可引起肠道菌群移位、肠源性内毒素降低、小肠微循环改善，其肠道屏障功能得到了恢复。LIU等［30］发现，骨髓间充质干细胞外泌体可通过促进IEC-6细胞伤口愈合，改变肠通透性，达到修复肠道屏障治愈坏死性小肠结肠炎的目的。

有研究显示，间充质干细胞移植可明显增大肠道机械性损伤血液灌注量，降低缺血损伤［31］。间充质干细胞移植治疗肠道伤口愈合过程中，通过向肠黏膜损伤基底部迁移、定植并分化成为成熟的肠上皮细胞；或通过旁分泌功能，降低机械性损伤部位的炎症反应，抑制机械性损伤部位细胞的凋亡及促进机械性损伤部位新生血管的生成［32］。CARR等［33］发现，肠道损伤后，使用间充质干细胞治疗，其可迁移至受损伤部位，促进该处组织修复与重建。CHEN等［34］及KOLIARAKI等［35］研究发现，间充质干细胞能够对TNF发生反应，抑制IL-12、TNF-α等的产生，分泌IL-4、IL-10等抑制性炎症介质，从而抑制炎症反应。

间充质干细胞治疗肠道损伤的方式主要有：①可分泌抗凋亡因子，抑制损伤处细胞凋亡，刺激损伤处细胞再生；②可改变肠道毛细血管的渗透水平，降低肠源性内毒素并修复肠道屏障；③通过归巢效应迁移至损伤处，定向分化为成熟的肠上皮细胞，修复肠道损伤；④通过促进损伤处新生血管的生成，修复肠道损伤。

2 间充质干细胞对肠道损伤修复过程中肠道菌群的影响

2.1 肠道菌群的功能及其影响因素 在长期进化过程中，通过个体适应和自然选择，肠道菌群不同种类之间，菌群与宿主之间，菌群、宿主与环境之间均始终处于动态平衡状态，形成一个互相依存，相互制约的系统［36］。肠道菌群在人体免疫系统的形成及防止病原体定植等方面发挥着重要作用［37］。另外，遗传、生长环境及人体激素水平等因素也会影响肠道菌群的功能，这也是某些人群易肥胖或患肠道疾病的原因之一。

人体免疫系统的形成与肠道菌群密切相关，肠道菌群在婴儿期就对免疫系统的成熟发挥关键作用，并在整个生命过程中对免疫系统的调节和自身抗原的反应发挥作用［38］。在婴儿期，肠道中有益菌可通过不同途径保护肠道固有屏障，如拟杆菌可促进肠道毛细血管生长，增进杯状细胞分化，刺激黏液产生，进而促进肠黏膜表面保护屏障的形成［39］。研究发现，婴儿期肠道菌群定植的改变可影响肠道相关淋巴组织的发育，进而影响肠道免疫系统的形成［40］。另外，SCHROEDR等［41］研究发现，肠道菌群还具有与远处器官及宿主免疫系统进行通讯的能力。MARTÍNEZ等［42］报道指出，遗传、生长环境及人体的激素水平等因素对菌群的差异起到重要作用，导致个体化肠道菌群功能的差异。

2.2 肠道损伤对肠道菌群的影响 人体正常条件下的菌群结构相对稳定，可维持肠道功能（吸收肠道内的营养物质，将有害物质排出，避免病原菌的侵害），调节人体能量存储和代谢［43］，刺激机体免疫系统，促进胃肠激素的产生及通过产生神经活性物质调节大脑行为［44］。一旦发生肠道损伤，肠道内环境稳态发生改变，导致肠道菌群紊乱［45］。胃肠道疾病、肝病、神经系统疾病、代谢性疾病和自身免疫病等疾病的发生均与肠道菌群紊乱密切相关。

最常见的肠道损伤疾病是炎症性肠病，多项研究发现，炎症性肠病患者肠道中菌群数量、丰度及种类与正常人相比存在明显差异，肠道菌群与炎症性肠病的发生密切相关［46-48］。日常生活中，饮酒是引发炎症性肠病的重要原因之一，研究发现，酒精可破坏肠道屏障的完整性，导致肠道通透性过高，促进炎性因子增加，菌群中的厚壁菌和拟杆菌的相对丰度增加［49］。另外，在外科手术中，肠道疾病需进行肠道切除或移植，手术过程中难免产生肠缺血再灌注损伤，会激活TLR级联反应，产生持久性的促炎反应导致肠道菌群失调［50］。

2.3 间充质干细胞对肠道菌群影响的作用机制 肠道损伤使肠道屏障被破坏，改变了肠道内环境，肠道内环境是肠道菌群的生存基础，肠道内环境改变会导致肠道菌群变化［51］。临床实验研究的最新进展发现，几种常见肠道疾病的肠道菌群功能和组成发生了改变［52］，表明对肠道菌群而言间充质干细胞相当于异物，将改变肠道菌群的组成及功能［53］，间充质干细胞治疗肠道损伤后，肠道菌群的丰度与治疗之前相比提高了30%［54］。NAGASHIMA等［55］发现，间充质细胞不仅可诱导肠道菌群多样性的产生，还可调节IgA的产生并保持肠道共生平衡。肠道细菌与间充质干细胞的相互作用触发了环氧化物酶2（cyclooxgenase 2，COX2）和多效性细胞因子IL-6的酶促前体，既是抗炎介质，又是促炎介质，抑制Th17分化，淋巴细胞增殖，达到修复肠道损伤的目的［56］。有研究对1 500多份肠道疾病临床样本进行间充质干细胞治疗后，观察瘘管的恢复状态良好，证明间充质干细胞治疗具有可行性［57］。另有研究发现，用细胞因子预处理间充质干细胞后，可激发其对血管的保护潜力，同时不会影响其在受损伤肠道内的归巢效应［58］。同时，间充质干细胞还可通过诱导CD44+片段翻译蛋白来延缓辐射引起的隐窝死亡［59］。

3 小结

间充质干细胞在治疗肠道损伤过程中会影响肠道菌群的组成和功能，是治疗肠道损伤的新途径，研究间充质干细胞治疗前后肠道菌群的变化具有重要的临床价值。肠道菌群与机体免疫系统和神经系统疾病密切相关，该理论的提出对药物治疗肠道损伤疾病的局限性做出了补充。虽然药物可消除肠道损伤中产生的炎性因子，但并不能改善肠道内环境，使肠道内菌群恢复到健康状态。随着现代测序技术的发展，人们通过16S rRNA基因测序、细菌组或物种特异性定量聚合酶链反应和宏基因组测序等技术［60］，分析了干细胞治疗肠道疾病前后肠道菌群的变化，但对间充质干细胞改变肠道菌群的途径及修复肠道损伤的菌群种类还需进行深入研究。