腸道菌群失調(diào)與消化系疾病相關(guān)性研究進(jìn)展

李 晨，陳 偉，王 猛，周永坤

人類消化道寄居著一個復(fù)雜而有活力的微生物群即腸道菌群，其與宿主共同進(jìn)化數(shù)千年，形成錯綜復(fù)雜的互利關(guān)系[1]。據(jù)估計，人胃腸道中寄居的微生物總量已經(jīng)超過1014個，其微生物基因組數(shù)量超過人類基因組數(shù)量的100 倍[2]。

健康的腸道菌群主要由厚壁菌門和擬桿菌門構(gòu)成，其次是放線菌門和疣微菌門。腸道菌群在腸道的不同部位其數(shù)量和分布存在差異。菌群數(shù)量由在食管和胃中的含量10個/g增長到在結(jié)腸的含量1012個/g[3]，可見腸道中優(yōu)勢菌群的分布存在縱向差異。如表1所示，鏈球菌是食管遠(yuǎn)端、十二指腸和空腸的優(yōu)勢菌屬[4-5]。在胃腔中，幽門螺桿菌(helicobacter pylori，HP)是優(yōu)勢菌，它決定著整個胃腔的微生物群落藍(lán)圖，當(dāng)HP以共生菌的形式存在時，可與鏈球菌屬、韋榮球菌屬、羅思氏菌屬共生。一旦HP獲得致病表型，胃腔中菌群多樣性便會降低。小腸菌群包括鏈球菌、擬桿菌、梭狀芽胞桿菌、乳酸桿菌、腸球菌、γ-變形菌，如空腸彎曲菌、沙門氏菌、霍亂弧菌、大腸桿菌和脆弱擬桿菌，這些病原菌的豐富度相對較低，大約占整個腸道菌群的0.1%[6]。如表2所示，除縱向差異外，在管腔與腸粘膜表面，腸道菌群的分布還存在軸向差異。擬桿菌、雙歧桿菌、鏈球菌、腸球菌、梭狀芽孢桿菌、乳酸桿菌、腸球菌和瘤胃球菌主要寄生于管腔中，可于糞便中檢測；梭狀芽孢桿菌、乳酸桿菌、腸球菌主要寄生于腸黏膜表面，可在粘液層和小腸上皮隱窩中檢測[7]。

表1 腸道菌群的縱向分布

表2 腸道菌群的軸向分布

2 腸道菌群與消化系疾病

腸道菌群不僅數(shù)量龐大種類多樣，而且與宿主健康息息相關(guān),被認(rèn)為是未來疾病治療的潛在新方法[8]。腸道菌群自身擁有廣泛的代謝能力和潛在的功能價值，既能從宿主的膳食成分和脫落的上皮細(xì)胞中獲取營養(yǎng)物質(zhì)，又能將宿主無法消化的多糖酵解為單糖和短鏈脂肪酸， 增加宿主對能量的吸收，促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增殖分化和腸道免疫系統(tǒng)的發(fā)育成熟，抵御病原微生物入侵。大量研究表明腸道菌群失調(diào)與功能性腸病(functional bowel disorders， FBD)、炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)、非酒精性脂肪性肝?。╪onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）、胰腺炎及消化道腫瘤等疾病密切相關(guān)。

2.1 腸道菌群與FBD FBD發(fā)病部位多在中、下消化道，其癥狀不能以結(jié)構(gòu)或生化異常來解釋，目前認(rèn)為，F(xiàn)BD的發(fā)病機制是由于胃腸運動和感覺功能的中樞和外周神經(jīng)系統(tǒng)功能異常引起，同時與遺傳易感性、周圍胃腸道因素、腸外神經(jīng)激素和中樞性因素等有關(guān)。最近研究顯示，腸道菌群失調(diào)與FBD發(fā)生密切相關(guān)。

隨著16 S核糖體核糖核酸基因測序技術(shù)發(fā)展，人們分析腸道菌群與功能性便秘關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，擬桿菌屬在便秘患者的結(jié)腸黏膜富集，厚壁菌屬與結(jié)腸轉(zhuǎn)運密切相關(guān)[9]。

腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）是一種慢性功能紊亂性腸病，與腸道菌群分布變化、微生物多樣性降低有關(guān)。IBS患者的亞型（腹瀉型，便秘型，混合型）之間存在菌群分布的明顯差異。其嚴(yán)重程度亦與糞便菌群特征有關(guān)，以菌群多樣性減少，尤其是甲烷桿菌和普氏菌減少為特征[10]。IBS患者還存在厚壁菌門（如乳酸桿菌和雙歧桿菌）減少[11]，而潛在鏈球菌屬增加[12]。動物研究顯示，IBS患者糞便侵染無菌小鼠，其腸道生理轉(zhuǎn)運功能和疼痛反應(yīng)發(fā)生改變[13]。IBS也與小腸菌群過度生長有關(guān)?？漳c穿刺培養(yǎng)大于105CFU/mL的細(xì)菌量被定義為小腸菌群過度生長，當(dāng)小腸菌群過度生長的情況糾正后，IBS癥狀獲得顯著改善[14]。

2.2 腸道菌群與IBD IBD是一種慢性、自發(fā)性、反復(fù)發(fā)作的胃腸道炎癥性疾病，主要包括潰瘍性結(jié)腸炎和克羅恩病。其發(fā)病機制涉及腸道菌群，腸道菌群通過不斷刺激腸道上皮導(dǎo)致腸道上皮屏障破壞，誘發(fā)IBD[15]。在潰瘍性結(jié)腸炎患者腸道炎癥嚴(yán)重的病灶，腸道菌群定植數(shù)量亦較多，炎癥程度與細(xì)菌脂多糖內(nèi)毒素活性相關(guān)。核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域 2（nucleotide oligomerization domain 2，NOD2）是第一個被確定的在克羅恩病發(fā)病中易感性基因。NOD2基因突變的病人，腸黏膜黏附細(xì)菌增加。攜帶NOD2等位基因的患者，梭菌屬減低，放線菌、變形桿菌以及腸桿菌增加[16]。目前有超過160個基因位點發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)IBD的發(fā)病風(fēng)險，對菌群產(chǎn)生腸道免疫反應(yīng)的特定位點與IBD的發(fā)病相關(guān)[17]。另外，克羅恩病患兒的結(jié)腸活檢標(biāo)本的研究表明，腸桿菌、巴斯德菌、韋榮球菌、梭桿菌科的豐富度增加，類桿菌和梭狀芽胞桿菌降低[18]。真菌也與克羅恩病有關(guān)，包括釀酒酵母菌、白色念珠菌、馬克思克魯維酵母等。特別是與酵母細(xì)胞壁多糖反應(yīng)的抗釀酒酵母抗體，可作為克羅恩病診斷的血清學(xué)標(biāo)志物。克羅恩病患者的熱帶假絲酵母數(shù)量增加，與抗釀酒酵母抗體效價和生物膜中的靈桿菌和大腸桿菌數(shù)量相關(guān)。真菌微生物群還通過天然免疫受體樹突狀細(xì)胞相關(guān)性C型植物血凝素-1（Dectin-1）與宿主免疫細(xì)胞相互作用。 Dectin-1通過Caspase募集域家族成員9受體（CARD9）識別真菌細(xì)胞壁葡聚糖并激活細(xì)胞內(nèi)信號，導(dǎo)致炎癥細(xì)胞因子的產(chǎn)生繼而誘導(dǎo)輔助性T 細(xì)胞17的應(yīng)答反應(yīng)。Dectin-1和CARD9的突變體均與克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎的發(fā)病有關(guān)，尤其 Dectin -1的突變與難治型潰瘍性結(jié)腸炎關(guān)系更加顯著。

IBD模型的小腸黏膜菌群分析發(fā)現(xiàn),變形菌門增加, 擬桿菌門、梭桿菌門和硬壁菌門減少[19]。IBD患者的腸道菌群失衡，腸道菌群多樣性顯著降低，以厚壁菌和擬桿菌為代表的特定菌群降低為主，而腸桿菌包括大腸桿菌、梭桿菌的數(shù)量相對增加。

2.3 腸道菌群與NAFLD 肝臟和腸道關(guān)系密切，門靜脈系統(tǒng)接受來自腸道的血液，腸血液成分可能參與慢性肝病的發(fā)生。研究表明菌群失調(diào)在NAFLD發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮作用。非酒精性脂肪性肝炎患者的變形桿菌、腸桿菌和大腸桿菌明顯升高[20]，而擬桿菌減少[21]。膽酸與甘氨酸或?；撬嵩诟闻K中形成結(jié)合型膽汁酸，進(jìn)入腸道后，在腸道菌群的作用下形成膽汁酸[22]。膽汁酸與血清甘油三酯水平呈正相關(guān)，因此腸道菌群可通過調(diào)節(jié)膽汁酸水平與NAFLD的發(fā)生有一定關(guān)聯(lián)。Toll樣受體（toll-like receptors ，TLR）有助于宿主防御病原體入侵。TLR，特別是內(nèi)毒素的主要受體TLR4，在肝臟慢性炎癥性疾病的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用，是酒精性肝病和非酒精性肝病的肝臟炎癥的中樞介質(zhì)。在肥胖的動物和人體內(nèi)，增加的內(nèi)毒素與NAFLD關(guān)系密切。內(nèi)毒素-TLR通路在腸-肝軸失衡介導(dǎo)的NAFLD發(fā)病機制中具有重要作用，腸道菌群失衡可引起TLR激活，從而促進(jìn)炎性反應(yīng)級聯(lián)反應(yīng)，進(jìn)而加重非酒精性脂肪性肝炎的肝損傷[23]。

2.4 腸道菌群與胰腺炎 目前腸道菌群與胰腺炎關(guān)系的研究甚少。多中心研究表明，急性胰腺炎患者的腸桿菌和腸球菌群較高，而雙歧桿菌較低，腸道菌群很可能與急性胰腺炎的病情進(jìn)程有關(guān)[24]。慢性胰腺炎患者的厚壁菌與擬桿菌之比升高，普氏桿菌和布氏瘤胃球菌的豐富度增加；普氏桿菌的豐度與血漿內(nèi)毒素呈負(fù)相關(guān)。研究還表明，柔嫩梭菌群可以通過刺激黏蛋白和緊密結(jié)合蛋白的合成來改善腸道屏障的功能。在合并有糖尿病時，慢性胰腺炎患者柔嫩梭菌群的數(shù)量大量減少，可能會導(dǎo)致腸道黏膜屏障的完整性受到破壞，從而使患者病程更長，營養(yǎng)不良程度更高[25]。

此外，HP增加胰腺炎大鼠模型組織炎癥的嚴(yán)重程度[26]。慢性胰腺炎模型組小鼠的細(xì)菌和HP的過度生長可增加胰腺的炎癥和纖維化程度[27]。

2.5 菌群失調(diào)與消化道腫瘤 腸道菌群與胃癌、結(jié)直腸癌、肝癌發(fā)展密切相關(guān)。HP的感染是胃癌發(fā)展的一個主要危險因素。HP通過一系列的機制侵襲和破壞胃黏膜，主要包括結(jié)構(gòu)和粘著優(yōu)勢，如通過蠕動的鞭毛向胃粘蛋白層滲透以及產(chǎn)生尿素酶中和胃酸環(huán)境，從而定殖在胃黏膜上皮，引起炎癥和免疫反應(yīng)，導(dǎo)致消化性潰瘍或慢性胃炎[28]。HP的高度致癌株攜帶的細(xì)胞毒素相關(guān)基因A是一個惡性腫瘤調(diào)節(jié)因子，通過作為外在支架蛋白破壞宿主信號通路，增強基因組的不穩(wěn)定性或惡性轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致胃癌發(fā)生[29]。

當(dāng)有外界干擾改變正常菌群的組成時，腸道菌群中專性厭氧菌被兼性厭氧APC蛋白在維持腸上皮細(xì)胞平衡中發(fā)揮重要作用。它的失活會激活Wnt /β-連環(huán)蛋白信號通路[30]，使β-連環(huán)蛋白轉(zhuǎn)運到細(xì)胞核，引發(fā)息肉增長[31]。腸道菌群在Wnt /β-連環(huán)蛋白信號通路失調(diào)上發(fā)揮作用，進(jìn)而引發(fā)結(jié)直腸癌[32]。將來自結(jié)直腸癌帶瘤小鼠的腸道菌群接種到無菌小鼠，發(fā)現(xiàn)菌群可以誘發(fā)無菌小鼠結(jié)直腸癌產(chǎn)生[33]。這樣，改變腸道微生物組成有可能是防止結(jié)直腸癌發(fā)展的有效策略。

另外，慢性肝病和肝硬化與肝癌發(fā)病密切相關(guān)。肝硬化患者的腸道菌群組成發(fā)生實質(zhì)性的變化，比如韋永氏球菌屬或鏈球菌屬富集，梭菌屬的細(xì)菌減少[34]。并且患者代償期與失代償期菌群分布差異[35]說明肝硬化的病情發(fā)展與腸道菌群變化密切相關(guān)，從而可能參與肝癌的發(fā)生。

3 總結(jié)和展望

近年來，隨著對腸道菌群的深入研究，腸道菌群與消化系疾病的關(guān)系越來越受到重視。腸道菌群不僅可酵解食物中較復(fù)雜的碳水化合物，生成短鏈脂肪酸，還參與宿主對食物的消化、營養(yǎng)攝入、腸道發(fā)育、免疫調(diào)節(jié)、腸動力等多種生理功能。然而因檢測技術(shù)限制、標(biāo)本來源困難、腸道解剖部位特殊及其本身的理化特性等因素限制了對腸道菌群的研究。深入地研究腸道菌群與消化系疾病的關(guān)系不僅有助于更全面地了解病因，而且可以借助腸道菌群的關(guān)系調(diào)節(jié)菌群失調(diào)，從而達(dá)到治療消化系疾病的目的。對于腸道菌群與消化系疾病的關(guān)系仍存在許多未解之謎, 有待進(jìn)一步深入探討。