肠道微生物组在炎症性肠病发病机制和治疗中的作用研究进展

李博文，刘宁宁，王 慧

上海交通大学公共卫生学院，上海 200025

人体微生物组是一个复杂而庞大的系统，包含细菌、真菌、病毒和古细菌四界微生物。人体肠道微生物通过代谢和免疫耐受与宿主进行密切的相互作用，例如合成短链脂肪酸和必需维生素、调节肠道免疫系统和维持黏膜屏障［1］。与人类基因组相比，肠道微生物组拥有超过100 万亿个细胞，这提供了更多的遗传多样性。尽管现有研究尚不清楚个体内部和个体间肠道微生物组的变异是否影响人类健康，但它们与宿主的相互作用与多种人类疾病有关，如胃肠道疾病和精神障碍。

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，ⅠBD），包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC），是一种慢性复发性胃肠道疾病，年轻患者较多，并严重影响其生活质量。21世纪以来，ⅠBD 从西方国家蔓延到新兴工业化国家，世界各地ⅠBD 的发病率都在增长。在亚洲，ⅠBD 的发病率因国家或地区而异，每10 万人平均年发病数为1.50例［2］。

过去的几十年中，尽管ⅠBD的病因学研究取得了相当大的进展，但仍未阐明其准确病因。ⅠBD 是由遗传易感性、环境因素和对肠道微生物组的失调反应共同引起的［3］。家族聚集性在该病发病机制中有重要意义，且CD 的遗传易感性强于UC。此外，亚洲移民ⅠBD流行病学的变化表明，环境因素在促进遗传易感个体的肠道炎症中起着重要作用［4］。这可能是因为环境对共生微生物的组成和功能有影响。有研究报道，清洁的生活条件、西化的生活方式、抗生素的广泛使用，以及与病原体接触的减少，都会导致成年期免疫相关疾病的发病率上升。这表明肠道微生物组的改变会影响ⅠBD 的易感性。近年来，肠道菌群及其与胃肠道疾病尤其是ⅠBD 之间相关性的研究广泛开展，为胃肠道疾病的病因学研究和无创诊断提供了新的视角。肠道共生微生物建立了环境与肠道之间的联系，因此肠道微生物组功能组成的改变，即生态失调，在ⅠBD 的发生和发展中起着至关重要的作用。本文总结了微生物失调在ⅠBD发病机制中的作用及其潜在机制的现有证据，同时探讨微生物组潜在疗法的应用前景。

1 微生物组测序技术的发展

高通量测序技术的进步为揭示ⅠBD发病机制的复杂性提供了新的视角。既往研究已经证明了ⅠBD中的细菌微生物群落的改变，揭示了细菌在ⅠBD发展中的作用。16S 核糖体核糖核酸（ribosomal ribonucleic acid，rRNA）扩增子的分类分辨率已广泛用于细菌微生物组的分析。然而，它只能识别门或属级别的相关性，而无法识别物种级别的这些变化，具有局限性。因此，宏基因组测序的蓬勃发展进一步揭示了微生物群落的变化以及人类肠道集体微生物组的功能。然而，宏基因组测序依然存在局限性，它只能提示共生微生物的功能潜力而不是其实际情况。宏转录组学则可以研究ⅠBD 中微生物组的实际基因表达和动态，从而弥补这种缺陷。肠道微生物组产生的小分子代谢物具有调节免疫系统、帮助消化和维持肠道屏障的功能。代谢组学揭示了患者肠道中代谢物的改变，并确定了ⅠBD中丰富的化学物质。整合代谢组学和宏基因组学研究可以帮助我们利用物种与代谢之间的关联。总之，多组学的结合可以对炎症活动期间微生物组的组成和功能失调进行全面研究，并帮助我们更好地了解ⅠBD患者的宿主和微生物活动［5］。

2 IBD中的细菌微生物组失调

大量证据表明，微生物组的变化在ⅠBD的发病中发挥了关键作用。总的来说，ⅠBD 患者的微生物群落多样性降低；细菌分类群组成改变，包括变形菌门（Proteobacteria） 种群的扩大，特别是肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的成员［6］。一种合理的解释是炎症作为一种氧化状态，可能会促进耐氧分类群的生长，例如肠杆菌科物种。其他证据表明，肠道炎症会诱导小分子（如甲酸盐）的产生。甲酸盐作为电子供体与氧作为兼性厌氧菌（如肠杆菌科）的末端电子受体一致［6］。大多数大肠埃希菌菌株是无害的，是健康肠道共生体的一部分；而有些菌株具有致病性，可导致严重疾病或产生志贺毒素等毒素。黏附性和侵袭性大肠埃希菌（adherent and invasiveE. coli，AⅠEC）与ⅠBD 中的回肠黏膜有关。AⅠEC 可以侵入遗传敏感宿主的黏膜层，并通过1 型菌毛黏附素FimH 及其与细胞黏附分子 6 （cell adhesion molecule 6，CEACAM6）受体的相互作用黏附到肠上皮细胞［7］。它还可以通过长极菌毛表达进入微折叠细胞并转移，逃避巨噬细胞和逃避自噬，从而在免疫细胞中存活、复制和活跃［7］。此外，AⅠEC 可以通过抑制肠上皮细胞中γ 干扰素（interferon-γ，ⅠFN-γ）介导的信号转导和转录磷酸化激活因子来逃避宿主免疫反应，从而阻止适当的抗菌反应［8］。

与变形菌门的扩增相反，在ⅠBD患者中发现了厚壁菌门（Firmicutes）的消耗［9］。厚壁菌门中的几个物种可以分泌抑制炎症代谢物，例如短链脂肪酸（short chain fatty acid，SCFA）。微生物组衍生的SCFA 主要是醋酸盐、丙酸盐和丁酸盐，可以调节保护性免疫反应并下调炎症信号通路，从而减轻组织炎症并加强上皮屏障［10］。另一方面，一些研究报告了梭菌簇（Clostridiumcluster）Ⅳ和ⅩⅣ物种的丰度下降［11］，它们通常占总细菌的10%～40%，在调节肠道稳态方面发挥着不可或缺的作用。普氏杆菌（Faecalibacterium prausnitzii，F. prausnitzii） 在ⅠBD患者中丰度降低，它通过刺激免疫细胞分泌更高水平的细胞因子白细胞介素-10（interleukin-10，ⅠL-10）以及更低水平的ⅠL-12 和ⅠFN-γ 来发挥抗炎作用［12］。已有证据表明，普氏杆菌的上清液可通过恢复肠道菌群多样性和抑制炎症因子分泌来减轻炎症的严重程度［13］。此外，由F.prausnitzii产生的具有抗炎特性的相对分子质量为15 000的蛋白能够抑制肠上皮细胞中的核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）通路，从而减轻小鼠的结肠炎［14］。总之，这些结果表明，普氏杆菌在维持肠道正常生理机能方面起着至关重要的作用，这促使人们将其列入下一代益生菌的名单。与普氏杆菌相似，属于梭菌簇ⅩⅣa 的罗氏菌（Roseburia）在ⅠBD 患者肠道中也显著减少［15］。人罗斯拜瑞菌（Roseburia hominis，R. hominis）的丰度与ⅠBD 患者产生更丰富的酰基肉碱有关［5］。在UC 和CD 患者中均可观察到R.hominis丰度降低。据报道［16］，该菌是乙酸盐到丁酸盐的转换器，具有抗炎作用。此外，一项研究［17］表明，另一种罗氏菌物种的上清液可以通过调节免疫反应减轻小鼠结肠炎。瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）是健康人类肠道微生物组中的厌氧革兰阳性菌。研究［18］表明，瘤胃球菌和CD之间存在特别强的关联。瘤胃球菌在CD患者肠道中富集，并且该菌的丰度与症状的严重性有关。瘤胃球菌产生炎症多糖，通过toll 样受体4 （toll-like receptor 4，TLR4）诱导树突状细胞产生炎症细胞因子如肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-α，TNF-α），从而导致疾病发作［18］。除ⅠBD 外，瘤胃球菌的增加还与其他炎症性疾病有关，包括脊柱关节炎、婴儿湿疹、接受全结肠切除术的UC患者的储袋炎和过敏性疾病。

此外，研究还确定ⅠBD 患者中拟杆菌属（Bacteroides） 物种的改变。 脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）是一种共生菌，在ⅠBD 的发展过程中同时发挥了有益和有害作用。产肠毒素型脆弱拟杆菌（Entero-toxigenicBacteroides fragilis，ETBF）通过诱导T 辅助细胞17（Th17）免疫反应和信号转导以及激活转录激活因子3 （signal transducer and activator of transcription 3，Stat3） 来提高黏膜通透性，从而促进炎症发展［19］。另一方面，脆弱拟杆菌产生的多糖（polysaccharide A，PSA）通过刺激ⅠL-10 的分泌，调节T 辅助细胞（Th1/Th2）的平衡来发挥抗炎功能［20］。

嗜黏蛋白阿克曼菌（Akkermansia muciniphila，A.muciniphila）显示出抵抗ⅠBD 的潜力，目前被称为下一代益生菌。研究［21］表明ⅠBD 患者A.muciniphila的丰度降低。此外，A.muciniphila治疗在小鼠模型中改善了葡聚糖硫酸钠诱导的UC，表明其具有成为UC新治疗策略的潜力［22］。总而言之，细菌微生物组是肠道中研究最充分的组成部分，并为针对微生物标志物的诊断和治疗提供了新的策略。

3 IBD中的真菌微生物组失调

大多数研究集中于细菌在ⅠBD 发病机制中的作用，而忽略了其他肠道群落，如真菌和病毒。真菌约占肠道微生物总数的0.1%，占比较低，且由于当前测序技术有限，往往被忽视。然而，现在观点认为真菌也会影响ⅠBD 的发展。一项研究［23］证实，ⅠBD 中真菌分类学变化的特点是担子菌（Basidiomycota）与子囊菌（Ascomycota）的物种比例增加；显著的特征之一是ⅠBD 中担子菌的扩增，以及子囊菌的减少［23］，尤其是在疾病发作期。

假丝酵母菌（Candida）、酵母菌（Saccharomyces）和枝孢菌（Cladosporium）是健康个体中最丰富的真菌属［24］。几项研究一致显示ⅠBD 患者中假丝酵母菌种类的丰度升高，特别是白色假丝酵母菌（Candida albicans）在ⅠBD 患者肠道中富集［23］。有证据表明，白色假丝酵母菌甘露聚糖（假丝酵母菌的主要细胞壁蛋白）和具有病原体相关分子模式的β-葡聚糖之间的相互作用会刺激Th17 的分化，并增加促炎细胞因子如ⅠL-12和TNF-α的分泌［25］。据报道，热带假丝酵母菌（Candida tropicalis）在CD 患者肠道中的比例增加，并且与家族性CD 的发病呈正相关［26］。此外，体内实验表明，与野生型小鼠相比，热带假丝酵母菌定植的无特定病原体小鼠发生了严重的结肠炎［27］。同样，光滑假丝酵母菌（Candida glabrata）在CD 患者中也增多，尤其是在发炎的黏膜中［28］。

有趣的是，ⅠBD 患者粪便样本中白色假丝酵母菌和酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的丰度呈负相关［23］。与健康个体相比，ⅠBD 患者的粪便和黏膜中酿酒酵母的比例降低［23］。抗酿酒酵母抗体（antibodies againstSaccharomyces cerevisiae，ASCA）是一种可与甘露聚糖相互作用的CD 标志物，目前已用于诊断CD。通常情况下，酿酒酵母对ⅠBD 具有保护作用。一项研究［29］表明，小鼠模型中的酿酒酵母CNCM Ⅰ-3856 菌株通过阻止AⅠEC 黏附到黏膜而有助于改善结肠炎。然而，也有研究［30］表明酿酒酵母可增强宿主嘌呤代谢并增加小鼠的肠道通透性。

限制性马拉色菌（Malassezia restricta）是皮肤微生物组中的常见定植菌。研究发现，限制性马拉色菌通过胱天蛋白酶募集域蛋白9（caspase recruitment domain-containg protein 9，CARD9）的某种作用机制加剧了小鼠的结肠炎［31］，而CARD9参与了针对真菌的固有免疫反应中C 型凝集素受体的炎症信号转导。此外，限制性马拉色菌通常在携带CARD9风险等位基因的ⅠBD 患者中富集，并且可以被ASCA 识别［31］。在ⅠBD患者中发现真菌失调，表明真菌在维持肠道菌群平衡方面发挥着不可或缺的作用。

4 IBD中的病毒微生物组失调

除了细菌和真菌外，肠道还含有大量可能导致ⅠBD 发病的病毒。例如，鼠诺如病毒（murine norovirus）感染可与自噬相关基因ATG16L1的突变相互作用，该突变为CD 易感性等位基因，可以导致帕内特细胞异常［32］。此外，肠道病毒组含有多种噬菌体。近年来，更严格的研究［32］发现，与对照个体相比，ⅠBD 患者的尾状病毒噬菌体数量增加。研究［33］表明，来自活动性UC 患者的噬菌体刺激了促炎细胞因子ⅠFN-γ 的分泌。总的来说，需要进一步研究肠道病毒组在ⅠBD发病机制中的作用。

5 基于微生物组的IBD疗法

目前通用的ⅠBD治疗方法，包括类固醇和抗肿瘤坏死因子或抗整合素之类的生物制品，并不直接针对导致该疾病的微生物。然而，这些疗法的疾病缓解率较低。针对宿主或微生物组的新疗法可能有助于缓解ⅠBD。

5.1 饮食

饮食对肠道微生物群落的组成有很大影响。饮食疗法可以独立有效地影响微生物群组成从而缓解炎症。某些饮食成分可以改变炎症。例如，高蛋白质摄入会降低假丝酵母菌种类的总丰度，而富含碳水化合物的饮食会产生相反的效果［34］。膳食纤维通过肠道微生物代谢为短链脂肪酸，从而起到保护作用。临床研究［35］表明，摄入更多膳食纤维与降低CD 风险相关。菊粉是一种益生元，可以保留微生物种群，加强上皮屏障，防止病原体易位，从而对ⅠBD 起作用［36］。因此，增加菊粉的摄入量可以缓解炎症。此外，完全肠内营养（exclusive enteral nutrition，EEN）通过管饲提供患者营养完整的元素和聚合物配方饮食，与皮质类固醇一样有效，可缓解儿科CD 患者的症状［37］。然而，EEN 不适用于成年患者，这可能归因于患者依从性差。

5.2 粪便菌群移植

粪便菌群移植（faecal microbiota transplantation，FMT）是将健康供体的粪便转移到ⅠBD患者肠道的方法，通过纠正微生物群落中的不平衡而使微生物恢复稳态。FMT 已被证实是治疗艰难梭菌感染的有效疗法［38］。到目前为止，一定数量的ⅠBD 患者已经接受FMT 治疗并且对该疗法表现出不同的反应，约30%的UC 患者获得了临床缓解［39］。此外，由于队列规模有限，FMT 在CD 患者中的有效性仍不清楚。需要进一步研究FMT 治疗ⅠBD 的机制和制定更有效、更精确的方案。

5.3 抗生素和益生菌

广谱抗生素可有效治疗严重的急性和慢性结肠炎；然而，抗生素可以同时消灭病原菌和有益共生体。因此，抗生素治疗ⅠBD的作用仍然有限。益生菌是活的微生物，给予足够的量时会对宿主有益。乳杆菌属（Lactobacillus） 中的罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri）和双歧杆菌属（Bifidobacterium）物种治疗ⅠBD 有效［40］。在UC 患者中，益生菌E.coliNissle 1917 表现出积极作用，与金标准疗法美沙拉嗪同样有效，但在CD 患者中的相关研究较少。除了这些传统的益生菌， 下一代益生菌如普氏杆菌和A.muciniphila也值得深入研究。同时，合成生物学的进步也为ⅠBD的治疗和管理提供了新的策略。

6 展望

ⅠBD 是一种涉及宿主、微生物和环境因素的复杂疾病。近年来，研究人员在ⅠBD的发病机制方面取得了很大进展。然而，我们对该病的发病机制尚不完全清楚，现有的治疗方法也不能完全治愈ⅠBD。本文总结了ⅠBD中发生改变的微生物种类，以及当前针对微生物组的治疗策略。然而，目前大多数研究仅揭示了单一细菌或真菌对疾病的影响，或从表面上推测微生物-宿主相互作用对ⅠBD 发展的影响。细菌-真菌相互作用及其在疾病机制中的作用，有待进一步研究。总体而言，微生物组和ⅠBD的研究获得了较大进展，期待未来该领域取得新的突破。