肠道菌群治疗炎症性肠病的研究进展

赵红艳,张慧文 综述 徐琦德 审校

炎症性肠病(Inflammatory bowel disease,IBD)是肠道的一种慢性炎症,其全球的患病率呈上升趋势,特别是在欧洲和北美。IBD可以由异常的黏膜免疫反应触发,这与受损的肠屏障功能和肠道微生物丰度相关。近年来,肠道微生物在IBD发病机制中的作用受到了广泛的关注。肠道菌群具有多种功能,例如,肠道菌群有助于宿主的营养和代谢,维持肠道细胞的增殖和分化并调节宿主的免疫系统功能[1]。因此,以肠道菌群为治疗核心来改善肠道屏障功能及减少肠黏膜炎症,对未来治疗IBD 有着重大意义[2]。目前益生菌摄入、肠道菌群移植、饮食结构调整、噬菌体治疗都有着较好疗效,尤其通过中药提纯后物质来改善肠道菌群失调的方法已取得了不可忽视的成果。因此了解肠道菌群作用、如何改善肠道菌群及相关临床应用对于临床上给予患者更全面、个体化的治疗方案有着重要临床意义。

1 肠道菌群与IBD

人类肠道微生物群中含有500～1000种不同的细菌、真菌和病毒,其微生物数量估计为1018CFU/g,10倍于人体细胞总量。从胃肠道的近端向远端细菌的数量逐渐增加。大肠中含有超过70%的微生物,这些微生物通常与宿主的健康状态有关[3]。肠道微生物群现如今被证实与代谢疾病有着密不可分的联系,且被认为是一个参与宿主免疫和维持能量稳态的内分泌器官[4]。同时肠道微生物可通过共生作用产生维生素,抑制病原微生物的增殖,促进食物的消化[5]。

肠道菌群最具代表性的细菌门(90%)由四种类型组成:厚壁菌门(firmicutes)、拟杆菌门(bacteroidetes)、变形菌门(proteobacteria)和放线菌门(actinobacteria)[6]。IBD的肠道菌群紊乱表现在肠道有益菌丰度的减少,包括厚壁菌门(firmicutes)和拟杆菌门(bacteroidetes)、乳酸菌门(lactobacillus)和真细菌(eubacterium)在内的特定类群的减少[7],能产生丁酸酯的微生物种类减少(丁酸酯是一种短链脂肪酸,可积极调节肠道稳态并减少炎症)以及有害菌的丰度增加,包括大肠杆菌及梭状杆菌的相对增加[8]。总之,IBD患者肠道内菌群总量和菌群多样性会减少。

2 肠道菌群的功能

2.1 肠道菌群与营养 糖类根据其聚合程度在肠道内显示出不同的吸收特性[9]。小肠会使其水解并吸收单糖,而大肠中的微生物会降解低聚果糖、低聚半乳糖以及菊粉。不溶性纤维不被消化,变成粪便排出体外[10]。同时,糖类又对肠道菌群有潜在作用,其机制是肠道吸收失衡导致肠腔中碳水化合物分布不均,这会促进特定病原菌的过度生长[9]。动物研究表明,高糖类的摄入更容易导致菌群失调。低纤维摄入也与IBD发病率增高有关[11]。纤维在结肠内发酵,维持了细菌多样性,促进短链脂肪酸如丁酸酯的产生来保护黏膜屏障,从而积极调节肠道稳态[12],并减少炎症反应。一项研究显示高糖和低纤维摄入与IBD特别是与克罗恩病发病密切相关[13]。故此,肠道菌群有利于营养物质的吸收,宿主的饮食、生活方式、卫生习惯或抗生素摄入也会导致肠道菌群快速而持续的变化。而IBD显然与肠道营养不良有关。在遗传易感背景下,伴随环境因素干预时,个体肠道菌群的变化在疾病的发生发展中起着关键作用[14]。

2.2 肠道菌群参与肠道免疫调控 肠道免疫系统的成熟与肠道菌群密不可分,首先CD4+T 细胞增殖、分化受肠道菌群的调节,其分化而来的Th17细胞以IL-17A、IL-17F、IL-22的分泌保证了免疫系统的功能完整。肠道菌群能够调节肠黏膜Treg 和Th17的平衡[15],在肠道防御及自身免疫中发挥重要作用[16]。肠道菌群通过与病原体竞争营养物质,产生细菌素、过氧化氢和短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFA)即丁酸、乙酸、丙酸,能有效地保护宿主免受有害菌的感染[17, 18]。同时在有害菌入侵时,肠道菌群代谢产物长期的刺激作用使肠黏膜及时产生分泌型免疫球蛋白 A( secretory immunoglobulin A,SIgA),有效防止有害菌对肠道的攻击和定植[19, 20]。有研究表示,肠道菌群及其代谢产物作为抗原可破坏肠黏膜屏障的完整性,改变肠道条件致病菌和优势菌的丰度,从而引起自体免疫反应并诱导 IBD 发生[21]。故此,肠道菌群有利于肠道免疫系统的成熟,与IBD的发生发展有着密切联系。

2.3 肠道菌群参与脑-肠-菌轴的构建 与菌群完整的小鼠相比,无菌小鼠的神经递质和脑源性神经营养因子水平异常,焦虑反应增多,活动减少[22],这是第一个支持肠道菌群参与脑-肠轴的证据。随后的研究表明,微生物群衍生的短链脂肪酸和发酵产物促进小胶质细胞的成熟和功能[23],而一种共生细菌脆弱芽孢杆菌(B. fragilis)可以恢复神经功能[24]。此前的一项研究表明,黑腹果蝇体内的KDM5缺失可导致肠道菌群改变相关的社会行为改变,而益生菌可以部分挽救肠道微生物群[25]。脑-肠-菌轴是通过激活副交感神经系统中一部分的迷走神经来实现的,得到了多项研究的支持。在一个化学诱导的小鼠结肠炎模型中,定植在肠道中的长双歧杆菌通过激活迷走神经通路,独立于脑源性神经营养因子的产生,减少了类似焦虑的行为[26]。因此,肠道菌群通过迷走神经与大脑交流,可以改善压力、焦虑和抑郁相关的行为。

3 肠道菌群参与IBD的机制

菌群失调可通过多种途径作用于IBD 的发生、发展过程:(1)病原微生物本身或内毒素的致病性;(2) 改变肠道内代谢产物的组成;(3)破坏肠道黏膜屏障完整性,使免疫调节功能紊乱。当前有关IBD发病机制的理论是,慢性肠道炎症是由异常的黏膜免疫反应导致的,这种异常的黏膜免疫反应会影响遗传易感的个体,其肠道菌群也会发生改变[27],同时肠道炎症也会加剧菌群紊乱。二者相辅相成,互相影响。

4 通过肠道菌群治疗IBD的临床应用

4.1 肠道微生态制剂

4.1.1 粪菌移植 粪菌移植(fecal microbiota transplantation,FMT)给人们带来了新的方向。FMT对葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导的溃疡性结肠炎模型有明显的改善作用,不仅降低了关键细胞因子的表达和氧化状态,还下调了NF-κB信号通路相关基因表达。通过16SrRNA基因测序结果表明,FMT干预通过增加肠道菌群的相对丰度,降低类杆菌和变形杆菌的丰度[28]。有关FMT的随机对照试验证明了FMT联合安慰剂诱导8周后,临床缓解方面优于安慰剂组[29]。对于IBD合并艰难梭菌感染,相比经典的美沙拉嗪治疗方案,该方法也具有明显的优势。

4.1.2 益生菌、益生元、合生元 益生菌既通过Toll样受体促进固有免疫功能并改善膜屏障功能,增加肠道菌群多样性,又通过调节适应性免疫,提高TNF-α及炎症因子的水平,从而减轻肠道炎症[30]。益生菌还可与病原菌竞争营养物质或产生抑菌性物质直接抑制病原菌的生长[31],并产生神经递质参与调节脑肠轴。由于益生菌通常具有良好的耐受性,目前已被广泛应用于溃疡性结肠炎患者的辅助治疗。相关研究表明尽管益生菌被认为是IBD的一种安全的辅助治疗,但它们在诱导、维持缓解和控制复发方面的效果至今仍存在疑问,缺乏强有力的证据支持[32]。益生元指代的是一些不被宿主消化吸收却能够选择性地促进体内有益菌的代谢和增殖,从而改善宿主健康的有机物质,且多为非淀粉多糖或低聚糖。合生元则是指益生菌及益生元的混合物。总之均是通过补充有益菌来控制病情。

4.2 新型纳米微粒技术 采用喷雾干燥制备技术合成了美沙拉嗪混合物微粒—eudragit S-100(美沙拉嗪和益生菌的聚合物)[33]。这项研究利用了pH依赖性和时间控制的聚合物,利用微粒系统来提高稳定性和控制释放,形成pH决定性药物传递通路,并进一步提高治疗效果。该方法不但可以实现pH值控制结肠中美沙拉嗪的定点活化,而且益生菌的抗氧化作用和抗炎作用仍然可以发挥,可以显著减少美沙拉嗪引起的恶心、呕吐等相关黏膜炎症,而且与传统单纯治疗相比该方法的不良反应可忽略不计。

4.3 噬菌体 细菌通常受到由糖、蛋白质和脂类所构成生物膜的保护,这给抗生素和相关抗菌药物的起效带来了挑战,但是噬菌体可以降解生物膜,可对一些难治的细菌产生疗效。既往认为大肠杆菌LF82可促进肠道炎症的进展,有实验证明噬菌体显著降低了大肠杆菌LF82菌株的菌落形成单位(CFU)。值得注意的是,只需一剂噬菌体制剂就能达到这一效果[34]。另一项研究用仅含噬菌体的粪便悬浮液治疗克罗恩病患者,结果表明,5例克罗恩病患者的症状全部消失且病情缓解持续了六个月[35]。但是目前尚无大型随机对照研究,将噬菌体作用于肠道菌群从而治疗IBD的思路需要更多验证。

4.4 中药提纯后物质

4.4.1 青黛 由爵床科植物马蓝、蓼科植物蓼蓝、十字花科植物菘蓝的叶或茎叶经加工制得的。在日本的一项多中心双盲随机安慰剂对照试验评估了青黛对溃疡性结肠炎的临床疗效及安全性。试验表明治疗后的肠道菌群有着极大改变,拟杆菌的丰度与健康人相似且较未给予治疗前明显升高,而乳酸菌超出了健康人的丰度,双歧杆菌则恢复到了健康人水平[36],但是青黛是一种粗制的植物提取物,而且口服青黛会引起肺动脉高压、肝损伤[37]。目前还有许多中药成分被检测出对动物模型有效。例如,靛玉红、靛蓝和色胺菊酯(TRYP),此外许多未知成分也发挥着抗炎作用。我们还需进一步阐述活性成分及相关作用机制,才有助于发现安全有效的治疗方案。

4.4.2 小檗碱 又称黄连素,是从中药黄连中分离的一种季铵生物碱。具有抗菌消炎、抗氧化、调节机体免疫、修复肠道屏障等作用[38],在治疗 IBD 方面也显示出重要价值。有研究显示,小檗碱明显抑制病原菌肠杆菌和肠球菌的生长,促进有益菌乳杆菌和双歧杆菌的生长,作用随浓度增加而增强[39]。

4.4.3 白藜芦醇 是一种许多植物受到刺激时产生的非黄酮类多酚有机化合物。大多数拟杆菌作为耐药细菌,与肠道炎症的发展及迁延有着密切关系,白藜芦醇可有效降低拟杆菌门的数量[40]。然而,另一项研究表明,添加白藜芦醇[200 mg/(kg·d),连续12周]可促进小鼠的拟杆菌门与厚壁菌门比值升高[41]。同样,最近的证据表明,类杆菌、乳酸菌、双歧杆菌的相对丰度随着白藜芦醇的补充而增加[42]。之前的研究也表明,在高脂肪喂养的小鼠中,白藜芦醇可导致乳酸菌数量增加,粪肠球菌和大肠杆菌种类减少[43]。所以仍需要进一步研究来评估药效。

4.4.4 中医多糖 是指多种中药材中由多个单糖分子脱水聚合以糖苷键连接而成的大分子物质。研究表明,多糖会增加有益菌的丰度,具有调节肠道微环境、降低肠道pH值、刺激肠道免疫等功能,可对抗炎症。一项研究证明从猴头菇中提取的多糖,能有效降低致病菌丰度,稳定改善肠道微生态环境来缓解葡聚糖硫酸钠(dextran sulphate sodium, DSS)诱导的肠道菌群紊乱[44]。另一研究表明,多糖可减轻三硝基苯磺酸(trinitro-benzene-sulfonic acid,TNBS)诱发的大鼠结肠炎模型的炎症。其不仅逆转了TNBS诱导的肠道菌群失调,使短链脂肪酸(SCFAs)的产生菌、乳酸菌增多,还降低了拟杆菌门、变形杆菌门和硫酸盐还原菌的数量,也改善了基础代谢[45]。因此,利用多糖类物质可有效预防、缓解并治疗IBD。虽然多糖类物质能够影响肠道微生物及其代谢产物,但其具体机制仍需进一步探索。

4.4.5 纳米姜黄素 是一种疏水性多酚。姜黄素具有多种生物学功能,如抗炎、抗癌、抗氧化、抗微生物、伤口愈合和降血糖活性[46]。姜黄素的多靶点活性是通过抑制各种细胞信号传导通路来介导的,这些信号通路包括NF-κB,STAT3,Nrf2,ROS和COX-2。一项研究使用了实时荧光定量PCR技术证实了用纳米姜黄素可改变DSS诱导的结肠炎小鼠中肠道菌群的分布,表现为产丁酸盐的细菌丰度增加,如梭状芽孢杆菌,并伴有粪便丁酸盐的升高。纳米姜黄素诱导CD4+、Foxp3+调节性T细胞和CD103+、CD8α-、 CD11c+树突状细胞的增加,上调Treg细胞的数量来下调效应T细胞的诱导和增殖[47],起到抗炎效果。但由于姜黄素具有高度疏水性,临床应用受到限制。而纳米姜黄素具有改善水溶性和口服生物利用度的优点,与口服姜黄素粉相比,服用纳米姜黄素其血清含量水平显著升高[48]。这些发现表明,纳米姜黄素是治疗IBD的新选择。姜黄素的安全性与耐受性已通过人类临床试验证实。但目前尚无关于包括IBD在内的胃肠疾病的纳米姜黄素的基础或临床报道。

肠道菌群及其代谢产物可参与肠道营养吸收,刺激并维持肠黏膜固有免疫及特异性免疫功能的建立,通过迷走神经与大脑交流调控宿主肠道功能。菌群失调与IBD的关系十分密切,二者相互影响。故肠道菌群与 IBD 的关系研究十分重要,可以进一步阐明肠道菌群在IBD的发病及治疗过程中的重要作用,并为益生菌、FMT、噬菌体及中药提纯后物质、噬菌体等治疗方法应用于 IBD提供更多、更权威的临床循证学依据。