靶向肠道微生物群治疗脓毒症研究进展

卢中秋 李 瑞

脓毒症是指因感染引起的宿主反应失调导致的危及生命的器官功能障碍。脓毒性休克定义为脓毒症合并严重的循环、细胞和代谢紊乱, 其死亡风险较单纯脓毒症更高。它一直是世界范围内健康损害的主要原因之一。经过多年的努力,其发生率和病死率并未明显下降,早期预防、发现、干预显得尤为重要。而肠球菌主导的感染是ICU内患者全因感染和死亡的重要危险因素,多个部位不同病原菌的感染也证实与肠道微生物群有所关联。近年来大量研究显示,肠道微生物群与体内免疫、感染都有千丝万缕的联系,脓毒症与肠道微生物群间的关系也存在多种理论与假设。笔者尝试整理脓毒症病原菌来源与肠道微生物群关系的相关研究,归纳整理了目前可应用与肠道微生物群调节的干预措施,有助于全面了解其发病机制,为脓毒症早期预测、诊断及治疗提供了重要的临床指导价值。

一、肠道微生物群

1.脓毒症病原菌来源与肠道微生物群关系:良好平衡的微生物群对于维持肠道和全身免疫平衡必不可少。多种肠道疾病如抗生素相关性腹泻、炎症性肠病、克罗恩病和结直肠癌与肠道微生物群失调密切相关。肠道微生物群完整性的破坏可能增加对脓毒症的敏感度。脓毒症感染病死率最高的部位是腹部、肺部及泌尿道等,而这些部位的感染病原菌均与肠道微生物群相关。在脓毒症小鼠模型和急性呼吸窘迫综合征患者中,肺部微生物群富含肠道相关细菌[1]。血液感染大肠杆菌和肺炎克雷伯菌的患者同时存在这些微生物的肠道定植,提示肠道可能是这些感染的来源[2]。对肾脏移植受者的粪便标本测序结果显示,大肠杆菌的相对肠道丰度是尿路感染的独立危险因素[3]。对于基因相同但肠道微生物不同的脓毒血症小鼠,其病死率存在较大差异。若控制肠道微生物群基本一致后,二者病死率差异明显缩小。即肠道微生物群改变了脓毒症的免疫表型和生存率[4]。与健康对照组比较,脓毒症患者肠道共生菌群破坏,肠球菌属丰度升高,动物实验亦验证了这一点。此外,拟杆菌属(尤其是寻常拟杆菌)负荷高的患者急性生理学和慢性健康评估Ⅱ评分较高,重症监护病房住院时间较长。代谢组学检测显示,脓毒症患者存在肠道氨基酸代谢紊乱[5]。而脓毒症有无特异的肠道微生物改变仍不清楚,这可能与感染及抗生素应用的多样性相关。

2.脓毒症病原菌影响肠道微生物群机制:目前,我们对微生物群紊乱如何影响脓毒症相关的免疫反应倾向,甚至使其失调的机制的理解并不完整。在危重疾病中,微生物群可能是肠道源性感染、脓毒症和多器官功能障碍发展的积极参与者。肠道微生物失调可能通过增加肠道通透性和诱导黏膜免疫功能障碍,从而导致细菌易位。根据目前的研究,肠道微生物群紊乱、宿主免疫缺陷和肠道通透性增加是促进细菌易位和肠道源性感染的3个关键因素。肠道及其微生物的紧密关系在脓毒症中被病原微生物所打破。由于肠道通透性改变和细胞凋亡累及肠淋巴系统,病原体及其产物得以进入肠外空间。

3.抗生素与肠道微生物群关系:抗生素可以改变肠道微生物群结构,也可直接杀死相应靶点的病原菌,破坏或恢复肠道微生物的平衡,是一把双刃剑。抗生素对肠道微生物组的破坏通过抑制既定感染的免疫反应,增加小鼠假体关节周围感染的风险[6]。对于连续7天不接受治疗或接受广谱抗生素后诱发一过性脓毒症样综合征的健康人,其所有受试者的肠道微生物群多样性均因抗生素治疗而显著降低。但广谱抗生素的肠道微生物群破坏不会影响系统性先天免疫反应[7]。不同肠道微生物群结构的无菌小鼠对抗生素刺激的反应方式不同,可表现出类似的微生物群失衡的宿主反应[8]。

4.肠道病毒与脓毒症关系:相对细菌,我们对病毒与肠道微生物群关系知之甚少。呼吸道合胞病毒或流感病毒肺部感染引起的细胞免疫反应导致食欲不振,进而改变肠道微生物组和代谢组。感染后,粪便代谢组中鞘脂类、多不饱和脂肪酸和戊酸短链脂肪酸的丰度均增加[9]。与非COVID-19患者比较,COVID-19患者肠道微生物组的组成发生了显著改变。几种已知的具有免疫调节功能的肠道共生菌丰度减少,且表现出与疾病严重程度相关的分层,这与炎性细胞因子和血液标志物的浓度升高一致[10]。ZIKV病毒感染引发免疫活性患者脑损伤和抗病毒反应,小鼠实验中,其引起的微生物群的调节可能导致肠上皮损伤和肠黏膜上大量白细胞募集[11]。

5.肠道真菌与脓毒症关系:真菌在肠道微生物群中占比较小,但肠道中其数量和种类仍然十分多样。其中包括最常见的念珠菌属、霉菌属、酵母菌属、马拉菌属等,还有一些较少见的毛孢子菌属、德巴利酵母菌属、枝孢菌属等。真菌通过直接迁移,侵袭等方式参与脓毒症的发病过程。常驻于皮肤的马拉菌也常出现在肠道粪便样本中,大多数已发表的马拉菌导致的系统性疾病病例报告和小范围传播的患者均有严重的免疫抑制,同时存在严重的并发疾病[12]。Dectin-1由巨噬细胞和中性粒细胞表达,并与真菌细胞壁中常见的葡萄糖聚合物结合。肠道黏膜损伤和中性粒细胞减少会影响Dectin-1通路表达,从而减弱肠道屏障的抗真菌作用[13]。

二、干预措施

目前有多种干预措施可调节肠道微生物群,进而影响多种疾病的预后,这些干预措施也可对脓毒症的预后存在一定的影响,进而为脓毒症预防及治疗提供思路。

1.益生菌:益生菌包括细菌和酵母菌,是对人体健康有益的活性微生物食品补充剂,并且可以维持或改善肠道微生物平衡,世界卫生组织将其定义为“当适量使用时,对宿主健康有益的活微生物”。近年来,人们对益生菌进行了不断的研究,并考虑将其应用于各种肠道疾病的辅助治疗中。许多临床试验证明,益生菌可以塑造肠道微生物群,从而潜在地控制多种肠道疾病,促进整体健康。有研究表明,早期脓毒症患者接受多种类益生菌[Winclove 607 based on Omnibiotic(R) 10 AAD]治疗28天后,肠道通透性没有改变,但内毒素、内毒素结合蛋白和肽聚糖升高。由此可见,益生菌干预成功地增加了粪便中的益生菌株,提高了功能的多样性[14]。严重脓毒症儿童补充益生菌7天可使促炎性细胞因子水平显著降低,抗炎性细胞因子增加,序贯器官衰竭评估评分显著降低,但病死率没有明显改善[15]。

预防性合生剂可调节肠道微生物群和环境,对脓毒症患者肠炎和呼吸机相关性肺炎的发生有预防作用。在粪便细菌分析中,合成菌组的双歧杆菌和乳酸杆菌数量显著高于未合成菌组[16]。一项纳入33个随机对照试验的系统性评价显示,益生菌可以降低小儿急性上呼吸道感染的发生率和症状的严重程度[17]。Rao等[18]进行了益生菌治疗早产儿晚发性脓毒症的Meta分析研究,描述了接受益生菌治疗患者的早产儿晚发性脓毒症发生率从安慰剂组的16.3%降低到13.9%。如果对乳酸菌、双歧杆菌或单一或多种益生菌治疗的婴儿进行分析,差异仍然显著。在发展中国家使用益生菌治疗的早产儿中,迟发性脓毒症和死亡也显著减少[19]。对于阴道毛滴虫和细菌混合感染患者,在常规抗菌治疗中添加益生菌,治疗后炎症明显控制,阴道的物理化学参数有显著变化,即益生菌能提高抗菌治疗的临床疗效[20]。

(1)布拉酵母菌:布拉酵母菌作为治疗性益生菌用于假膜性肠炎、肠易激综合征、急性成人腹泻、克罗恩病、贾第鞭毛虫病、HIV相关性腹泻的疗效和安全性均有循证依据。在成人中,推荐使用布拉酵母菌散预防抗生素相关性腹泻(antibiotic-associated diarrhea, AAD)和旅行者腹泻。脓毒症患者往往需要抗生素长期治疗,抗生素相关性腹泻和假膜性肠炎发生率较高。一项Meta分析发现,布拉酵母菌在预防AAD方面具有显著疗效(RR=0.47,95% CI: 0.35～0.63,P<0.001)。布拉酵母菌有望预防艰难梭菌病的复发[21]。随机试验也支持使用这种酵母益生菌预防肠内营养相关腹泻和减少幽门螺杆菌抗生素治疗相关不良反应[22]。

(2)鼠李糖乳杆菌GG:鼠李糖乳杆菌GG (Lactobacillus rhamnosus GG, LGG)是应用最广泛的益生菌之一。因其具有抗酸、抗胆汁、良好的生长特性和对肠上皮层的黏附能力,是潜在的益生菌菌株。但其在改善感染相关疾病预后的效果上仍有较大争议。在一项针对婴儿肠绞痛的随机对照研究中,持续补充LGG 28天,可使婴儿平均每日全力哭泣时间减少,粪便钙卫蛋白显著降低[23]。而另一项临床随机对照研究显示,LGG未能改善儿童急性胃肠炎的腹泻持续时间及24h内最大腹泻发作次数,对于预后亦无明显改善[24]。一项大型随机对照研究发现,对于需要机械通气的危重患者,与安慰剂比较,给予LGG对于预防呼吸机相关肺炎的发展方面差异无统计学意义[25]。LGG对住院成人患者清除耐万古霉素粪肠球菌的定殖或菌群多样性方面无明显影响[26]。暴露于抗微生物药物后结肠菌群的改变允许抗微生物耐药生物(antimicrobial-resistant organisms, AROs)定植。而LGG群落既没有阻止AROs的繁殖,也没有加速AROs的定植[27]。

2.粪便微生物群移植:粪便菌群移植(fecal microbiota transplantation, FMT)可显著调节脓毒症大鼠肠道的菌群失调,激活胆碱能抗炎通路,改善脑功能障碍。当艰难梭菌感染时,肠道氨基酸浓度增加。有研究观察到一种不能使用脯氨酸作为能量来源的艰难梭菌突变体,它不能感染移植了益生菌或健康人类肠道菌群的无菌小鼠。而预防性使用低脯氨酸或低蛋白饮食进行饮食干预的群落失调小鼠,其野生型艰难梭菌的扩张减少[28]。从致命脓毒症患者身上分离出来的病原体菌群感染小鼠而引起的脓毒症,与清除病原体所需的宿主转录组的全身抑制和丁酸表达降低有关。FMT通过干扰素调控因子3依赖的方式恢复宿主免疫,从而增强病原体清除,逆转了致命脓毒症的进程。FMT可能是与免疫抑制相关的败血症的一种治疗选择,这种保护作用可能与产生丁酸盐的拟杆菌的扩张有关[29]。一项纳入30例接受抗反转录病毒治疗的人类免疫缺陷病毒感染者的随机对照研究报告了FMT是安全的,并可减轻HIV相关的肠道微生物群生态失调[30]。作为机体对引入活的微生物的自然反应,FMT也具有一系列不良反应,最常见的往往与胃肠道不适有关。

3.特定微生物来源的成分和产品:在胃肠道中,短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)对上皮细胞具有保护作用。通过对肠道微生物群和粪便转移的分析发现,喂食高ω-6脂肪酸的饲料的小鼠表现出更高水平的代谢内毒素血症和全身低级别炎症,而组织ω-3脂肪酸的增加可促进肠道碱性磷酸酶的产生和分泌,从而引起肠道细菌组成的改变,导致脂多糖的产生和肠道通透性下降,最终降低代谢性内毒素血症和炎症[31]。膳食二肽γ- L-谷氨酰基-L-缬氨酸通过降低促炎性细胞因子TNF-α、IL-6和IL-1β在血浆和小肠中的表达,表现出抗菌活性,进而改善抗炎多肽诱导脓毒症小鼠模型的炎性反应[32]。

4.选择性消化道去污:选择性消化道去污(selective decontamination of the digestive tract, SDD)是通过肠内口服不可吸收的抗菌药物,即多黏菌素和妥布霉素,选择性根除需氧革兰阴性菌。SDD通过选择性调节肠道菌群,进而影响肠道环境及机体免疫,与改善脓毒症预后、减少耐药病原菌发生具有相关性。选择性口咽去污(selective oropharyngeal decontamination, SOD)和SDD与ICU患者的预后改善相关。SOD/SDD的引入与所有抗菌药物耐药率的降低有关。但在SDD应用后,产延伸光谱内酰胺酶的肺炎克雷伯菌迅速出现黏菌素耐药性,多黏菌素及妥布霉素耐药的发生率和比例均有所增加。因此,当耐药细菌普遍存在时,SDD不应应用于暴发环境。

5.饮食干预:西方饮食(western diet, WD)定义为一种高脂肪、高蔗糖、低纤维的饮食。在脓毒症模型中,用西方饮食喂养的小鼠与用标准富含纤维的食物喂养的小鼠比较,会引起更严重的疾病和不良预后。重要的是,WD依赖的脓毒症严重程度的增加和更高的病死率是独立于微生物组的,这表明饮食可能通过一种未知的机制直接调节先天免疫系统。高脂饮食诱导的肥胖,可能通过改变了心脏STAT3信号通路,增加了微生物脓毒症小鼠心肌损伤的可能。膳食纤维增加了将纤维代谢为SCFA的细菌的丰度,并提供了对多药耐药细菌的肠道定殖的耐药性。在接受广谱静脉抗生素的ICU患者中,肠内膳食纤维与SCFA产生菌相对丰度的增加和SCFA水平非显著趋势的增加有关[33]。因此,膳食纤维在饮食中的比重可能影响脓毒症预后,通过对高危病人增加膳食纤维摄入比例也许可以降低脓毒症的发生率。

综上所述,脓毒症的病理机制十分复杂,多种机制均直接或间接影响肠道微生物群平衡,进而影响脓毒症的临床表现及预后。肠道微生物群及其代谢产物可通过多种机制调节脓毒症患者的肠道功能。肠道微生物群调节作为一种新兴的脓毒症治疗途径,在脓毒症肠道微生物群微生态机制研究领域值得进一步探索。