腸道菌群及代謝產(chǎn)物與短腸綜合征腸適應(yīng)的關(guān)系

林海軍，黃雨樺，李幼生

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院普外科，上海 200011)

短腸綜合征(short bowel syndrome, SBS)是指由于壞死性小腸結(jié)腸炎、腸系膜血管栓塞、克羅恩病、創(chuàng)傷等一些先天或后天原因?qū)е滦∧c廣泛切除，剩余小腸有效吸收面積不足，不能維持正常人體營養(yǎng)需求，并由此導(dǎo)致的一系列全身性并發(fā)癥[1]。小腸切除后，殘余腸道組織可通過代償功能(腸腔擴(kuò)大、絨毛增生、腸上皮細(xì)胞增生肥大等)增加吸收面積，促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收。腸適應(yīng)過程因人而異，通常數(shù)月至2年左右，曾有報(bào)道稱短腸術(shù)后5年完全擺脫腸外營養(yǎng)(parenteral nutrition, PN)，但其僅屬個(gè)例。一旦達(dá)成有效的腸適應(yīng)，SBS病人的生活質(zhì)量及PN相關(guān)并發(fā)癥能得到有效的改善。人體腸道內(nèi)存在數(shù)以萬計(jì)的微生物，以細(xì)菌為主，其中，厚壁菌門和擬桿菌門為優(yōu)勢菌群。腸道菌群與宿主共生互利，并參與人體眾多的生理過程。與正常人相比，SBS病人腸道菌群各組分發(fā)生顯著的變化，通過腸道菌群或其相關(guān)代謝產(chǎn)物來促進(jìn)腸適應(yīng)并治療SBS，將為SBS的治療開拓新的視野。

一、腸道菌群概述

人類宿主體內(nèi)寄生有約1014的微生物，數(shù)量總和超過人體細(xì)胞總和的10倍，大多數(shù)微生物寄生在腸道內(nèi)。健康成人腸道中菌群種類繁多，厚壁菌門及擬桿菌門占據(jù)絕大多數(shù)，包括乳桿菌屬、擬桿菌屬等，腸道菌群各組分的變化與飲食等多種因素相關(guān)[2]。腸道菌群與宿主相互依存，共同生長發(fā)展，形成一種動(dòng)態(tài)平衡，一旦這種平衡被打破，即會對機(jī)體造成不同程度的影響，并導(dǎo)致疾病的發(fā)生。同時(shí)機(jī)體患病后，會引起腸道菌群種類和數(shù)量的變化，可能導(dǎo)致有益菌種比例下調(diào)而有害菌種比例上升。一些條件致病菌在機(jī)體正常情況下不參與疾病的發(fā)生、進(jìn)展，但因一些外來因素導(dǎo)致腸內(nèi)動(dòng)態(tài)平衡被打破(如長期使用抗生素等)，導(dǎo)致菌群失調(diào)，這些機(jī)會致病菌(如腸桿菌等)則會成為體內(nèi)一些感染灶的來源。通過與無菌動(dòng)物比較發(fā)現(xiàn)，腸道菌群對機(jī)體健康的維持起著不可或缺的作用。近年來研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群不僅與炎癥性腸病、胃腸道腫瘤等胃腸道疾病相關(guān)，同時(shí)還與心血管疾病、肥胖、免疫系統(tǒng)疾病、代謝性疾病相關(guān)[3]。

二、腸道菌群代謝產(chǎn)物功能

腸道菌群參與全身各系統(tǒng)疾病發(fā)生的具體機(jī)制目前仍不明確，推測腸道菌群的相關(guān)代謝產(chǎn)物可能起著重要的作用。因腸道菌群種類繁多且分離困難，現(xiàn)有的條件幾乎無法實(shí)現(xiàn)分離某一具體菌種。雖然使用糞便移植治療難辨梭菌(艱難梭菌)感染已被證實(shí)確切有效[4]，但使用腸道菌群或具體某種屬細(xì)菌的治療方案仍有較多的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)下比較熱門的益生菌，如乳酸菌、雙歧桿菌、布拉酵母菌，盡管在治療抗生素相關(guān)性腹瀉、根除幽門螺桿菌、輕型肝性腦病等方面有明顯輔助作用，仍沒有足夠的證據(jù)證明其確切的相關(guān)性[5]，而且這些活菌對機(jī)體健康究竟有無影響，目前仍處于爭議中，且美國FDA并不建議將益生菌的使用作為一種臨床常規(guī)治療方案[6]。因此，現(xiàn)在更多的目光聚焦在腸道菌群代謝產(chǎn)物方面。隨著高通量測序及代謝組學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，越來越多的腸道菌群相關(guān)代謝產(chǎn)物展現(xiàn)出其未知的功能。腸道菌群的基因數(shù)量超過人體基因100倍[7]，且廣泛參與人體諸多的代謝途徑。正常人群的不同個(gè)體間，腸道菌群亦有差別，然而，代謝途徑相關(guān)的主要基因組始終保持穩(wěn)定，這進(jìn)一步說明腸道菌群及其代謝產(chǎn)物在正常人體代謝過程中起著重要作用。

人體血液循環(huán)中很多小分子物質(zhì)的產(chǎn)生可能直接來源于腸道菌群[8]，腸道菌群通過代謝產(chǎn)物進(jìn)入血液循環(huán)，從而發(fā)揮其相應(yīng)的作用。如脆弱擬桿菌產(chǎn)生的多聚糖A可通過TLR2參與自身免疫反應(yīng)[9]。最近的研究發(fā)現(xiàn)，來自厚壁菌門中的產(chǎn)芽胞梭狀芽胞桿菌參與吲哚丙酸(IPA)的形成，IPA通過直接激活孕烷X受體(PXR)而加強(qiáng)腸道的屏障功能[10]。腸道菌群中的多種菌屬能夠產(chǎn)生短鏈脂肪酸(SCFAs)，研究發(fā)現(xiàn)梭菌屬在腸上皮細(xì)胞增生代謝過程中起著重要作用，而梭菌屬與SCFAs的產(chǎn)生有著密切關(guān)聯(lián)，因此猜想SCFAs可以促進(jìn)腸上皮細(xì)胞的增生，進(jìn)一步研究也發(fā)現(xiàn)了SCFAs可以通過GPR41/43途徑、MEK-ERK信號通路參與腸上皮細(xì)胞的增生代謝[11]。腸道菌群代謝產(chǎn)物數(shù)量繁多， Donia等[12]發(fā)現(xiàn)超過14 000種基因簇參與合成了小分子代謝產(chǎn)物，包括糖類、非核糖體多肽(NRPs)、聚酮化合物(PKs)、核糖體編碼翻譯后修飾肽(RiPPs)等。各類代謝產(chǎn)物的功能各不相同，包括抗菌作用、細(xì)胞毒素作用、促進(jìn)胃腸蠕動(dòng)、神經(jīng)遞質(zhì)作用、參與免疫調(diào)節(jié)、代謝調(diào)控等[9]。盡管多種小分子代謝產(chǎn)物功能已被發(fā)掘，仍有相當(dāng)大數(shù)量的代謝產(chǎn)物還未明確其生理、病理功能。

三、短腸綜合征腸道菌群及代謝產(chǎn)物變化特點(diǎn)

SBS病人腸適應(yīng)包括功能性適應(yīng)及形態(tài)學(xué)適應(yīng)。腸適應(yīng)的具體機(jī)制仍不明了，現(xiàn)階段主要聚焦在腸切除后干細(xì)胞及隱窩細(xì)胞的增生、腸上皮細(xì)胞的遷移、凋亡等分子機(jī)制方面[13]。對于保留有結(jié)腸的SBS病人而言，Gillard等[14]認(rèn)為剩余腸道的腸適應(yīng)主要表現(xiàn)在形態(tài)學(xué)、內(nèi)分泌及腸道微生態(tài)等方面：腸道的絨毛高度增加、吸收面積增加；高血糖素樣肽(GLP)-1、GLP-2等激素分泌的增加；腸道菌群發(fā)生適應(yīng)性改變，如乳酸桿菌屬的明顯增加。目前GLP-2促進(jìn)腸適應(yīng)已經(jīng)被證實(shí)，相似藥物替度魯肽已應(yīng)用于臨床。

SBS病人的腸道菌群跟正常人相比發(fā)生了相應(yīng)的變化。Sommovilla等[15]對小鼠行近端50%小腸切除，與對照組比較發(fā)現(xiàn)，小腸切除小鼠腸道菌群在各分類水平均有明顯變化：在“門”水平，變形菌門、放線菌門明顯減少；“科”水平上，腸桿菌科減少，毛螺菌科、疣微菌科比例增加；“屬”水平，乳球菌屬、乳桿菌屬、醋弧菌屬增加，埃希桿菌屬、克雷白桿菌屬減少。該研究結(jié)果與大部分成人或兒童SBS的菌群研究有所出入[16-17]，考慮其研究對象為小鼠，且選取的標(biāo)本為回盲部內(nèi)容物而并非小鼠糞便的原因。

成人SBS病人腸道菌群的多樣性同樣減少，但對于沒有并發(fā)癥(如腸衰竭相關(guān)肝損害等)的嬰幼兒SBS病人，其腸道菌群多樣性跟正常人無明顯差別[17]。進(jìn)一步對SBS病人腸道菌群各組分分析發(fā)現(xiàn)，革蘭陰性的變形菌門顯著增加，尤其是丙型變形菌綱和其下屬的腸桿菌科[18]。在正常人中，變形菌門僅占很小的比例，而對于腸衰竭的病人，變形菌門可占主導(dǎo)地位[19]，而擬桿菌門、梭菌屬比例減少[16,18]。此外，相比于正常人，乳桿菌屬在SBS病人及腸衰竭病人中比例明顯增高[16]。關(guān)于乳桿菌的各項(xiàng)研究報(bào)道結(jié)果各有不同，有研究發(fā)現(xiàn)，植物乳桿菌比例的增加跟腸外營養(yǎng)的長期使用相關(guān)[18-19]，而另外的研究發(fā)現(xiàn)其與腸外營養(yǎng)使用時(shí)間呈負(fù)相關(guān)[16]。值得注意的是，乳酸菌的減少或缺失會導(dǎo)致生長發(fā)育遲緩[20]。

考慮到近年來腸道菌群在數(shù)個(gè)治療領(lǐng)域初顯奇效，能否將該治療方案應(yīng)用于SBS或SBS相關(guān)的并發(fā)癥仍不明確。Speck等[21]對IL-10敲除的常規(guī)飼養(yǎng)小鼠及無菌小鼠行回盲部切除后進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，常規(guī)小鼠的隱窩深度增加、絨毛較高、腸上皮細(xì)胞增生明顯，且細(xì)菌引起的腸道炎癥可能會促進(jìn)腸適應(yīng)，這進(jìn)一步提示腸道菌群在腸適應(yīng)中的作用。

當(dāng)SBS病人發(fā)生腸適應(yīng)后，即使脫離PN并維持正常飲食，其腸道菌群與正常人仍有差別，但相比較于依賴PN的SBS病人，其腸道菌群更接近于正常人[19]。通過對脫離或依賴PN的SBS病人的腸道菌群進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，依賴PN的SBS病人，其變形菌門和腸桿菌科顯著多于擺脫P(yáng)N的SBS病人和正常人；而脫離PN的SBS病人，梭菌屬XIVa、乳桿菌屬較多[16,18]。因此推測，SBS相關(guān)的腸道菌群中的某菌屬或其代謝產(chǎn)物對腸切除后的腸適應(yīng)起著重要的作用。Gillard等[14]通過將SBS大鼠腸道菌群移植給無菌大鼠后發(fā)現(xiàn)無菌大鼠的結(jié)腸發(fā)生了隱窩細(xì)胞加深、絨毛增生等適應(yīng)性改變。但在眾多的腸道菌群中辨別出具體哪種菌屬或代謝產(chǎn)物仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探索。免疫功能在腸適應(yīng)過程中也起著關(guān)鍵作用，其作用可能跟腸道菌群相關(guān)，對無菌小鼠及常規(guī)飼養(yǎng)小鼠行腸切除后發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)可促進(jìn)腸切除后小腸的腸適應(yīng)[22]。而在成人SBS病人中，T細(xì)胞增生異常與PN持續(xù)時(shí)間相關(guān)[23]。因此，SBS病人腸適應(yīng)過程不僅僅是單純的人體代償作用，這其中涉及腸道菌群、免疫等多方面因素共同參與。

四、腸道菌群代謝產(chǎn)物治療SBS展望

提純分離腸道菌群中某菌屬在現(xiàn)有的條件下仍比較困難，但二代測序技術(shù)及代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展為我們研究腸道菌群及其代謝產(chǎn)物提供了便利。通過比較正常動(dòng)物、SBS動(dòng)物模型和無菌動(dòng)物的腸道菌群及其代謝產(chǎn)物變化，可縮小腸適應(yīng)相關(guān)代謝產(chǎn)物查找范圍，進(jìn)一步的研究最終可能明確某類代謝產(chǎn)物對SBS腸適應(yīng)的作用。

腸道菌群代謝產(chǎn)物中一種重要的代謝產(chǎn)物SCFAs(主要為乙酸、丙酸、丁酸)，具有多種有益功能，包括調(diào)節(jié)能量代謝、維持腸道屏障功能、免疫功能等[22]。通過對腸衰竭兒童的糞便進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)短鏈脂肪酸的菌群及短鏈脂肪酸比例均下降[20]。成人SBS病人中，產(chǎn)丁酸的菌屬比例明顯減少[14]。在SBS動(dòng)物模型中，SCFAs可增強(qiáng)其腸適應(yīng)，特別是丁酸在早期腸適應(yīng)過程中起重要作用[24]。SCFAs大部分由厚壁菌門及擬桿菌門產(chǎn)生[25]，而SBS病人腸道中厚壁菌門及擬桿菌門均減少。能否將SCFAs應(yīng)用于SBS病人腸適應(yīng)的治療仍需進(jìn)一步的臨床實(shí)驗(yàn)證實(shí)。另一“熱門”菌屬——乳桿菌屬，能夠?qū)⑸彼岱纸獯x為吲哚甲醛，后者能夠激活芳香烴受體，促使固有淋巴細(xì)胞誘導(dǎo)的IL-22分泌增多，IL-22能夠影響?zhàn)つさ挠霞翱咕牡膬鋄26]。因此，可將乳酸桿菌作為潛在菌種應(yīng)用于早期SBS腸適應(yīng)過程。

益生菌主要包括乳酸桿菌、雙歧桿菌及酵母菌，Mogilner等[27]通過SBS大鼠研究發(fā)現(xiàn)，益生菌可促進(jìn)SBS大鼠術(shù)后腸道再生，包括腸腔擴(kuò)大、絨毛增生、隱窩加深等；同時(shí)，益生菌還可抑制SBS大鼠術(shù)后腸道內(nèi)細(xì)菌移位，減輕機(jī)體炎癥反應(yīng)。

隨著越來越多的腸道菌群的功能被揭示，我們有理由相信，在未來的數(shù)年或數(shù)十年內(nèi)使用腸道菌群相關(guān)代謝產(chǎn)物治療SBS及其并發(fā)癥將會取得令人意想不到的療效。