腸道菌群與炎癥的相關(guān)研究進展

李彩明，劉力寬，李錦萍，左文明，曾 陽，2*

(1.青海師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，青海 西寧 810008；2.高原科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，青海 西寧 810008)

1 前言

目前，人們普遍認為寄主與微生物種群之間存在著密切的平衡共存關(guān)系.腸道菌群數(shù)量龐大、種類繁多，作為機體的一道天然屏障，參與維持機體穩(wěn)態(tài).正常生理狀態(tài)下，腸道菌群與機體處于動態(tài)平衡狀態(tài)；但當受到內(nèi)、外環(huán)境刺激時，該平衡會被打破，導(dǎo)致菌群失調(diào)，引發(fā)腸道生理功能的改變，進而影響機體整體的代謝甚至疾病的出現(xiàn)[1].有研究發(fā)現(xiàn)宿主與微生物的相互作用除了作為病原體的屏障外，對免疫系統(tǒng)的識別和發(fā)展也至關(guān)重要，其對人類的健康和疾病既有直接影響，也有間接影響.但是微生物組的組成受到若干因素的調(diào)節(jié)，包括宿主遺傳因素、飲食習(xí)慣、抗生素、傳染因子和其他環(huán)境線索.腸道微生物群為消化道內(nèi)的常駐微生物，約1000種.事實上，大約90%以上的腸道菌群是由兩個門組成的，即擬桿菌門、厚壁菌門，另外五個關(guān)鍵門是變形菌門、放線菌門、疣菌門、藍藻門和梭菌門[2].

牙周炎(PD)是世界上最常見的傳染病之一.主要是由局部因素引起的牙周支持組織的慢性炎癥，主要特征為牙周袋的形成及袋壁的炎癥.牙周炎是我國成人喪失牙齒的首要原因.口腔內(nèi)的細菌種類繁多，微生物群與宿主之間復(fù)雜的相互作用導(dǎo)致了局部和全身的生理和病理條件.生物膜的過度形成與相應(yīng)的免疫反應(yīng)失調(diào)相結(jié)合，會導(dǎo)致口腔內(nèi)疾病，如齲齒、牙齦炎和牙周炎[3].流行病學(xué)資料，顯示牙周炎與一系列全身系統(tǒng)性疾病包括胃腸道疾病如炎癥性腸病(IBD)等相關(guān).然而，牙周炎與胃腸道疾病的關(guān)聯(lián)機制并不清楚，菌群失調(diào)可能是其重要機制[4].

潰瘍性結(jié)腸炎(UC)是一種反復(fù)發(fā)作的原因不明的慢性直結(jié)腸黏膜炎癥性疾病，其病情較頑固，處理較困難[5].UC在世界范圍內(nèi)越來越普遍，以血性腹瀉、貧血和腹痛為特征的持續(xù)性或復(fù)發(fā)性癥狀發(fā)生率很高.其主要臨床表現(xiàn)還包括：體重減輕、里急后重、關(guān)節(jié)炎、肝功能障礙和皮膚病變等.UC的病因及發(fā)病機制至今仍未完全闡明，研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群紊亂以及引起的腸黏膜屏障功能障礙在其發(fā)病中起到極其重要的作用.

類風濕性關(guān)節(jié)炎(RA)是一種相對常見的自身免疫性疾病，特征為進行性關(guān)節(jié)紊亂、明顯疼痛和功能障礙.類風濕性關(guān)節(jié)炎影響全球數(shù)千萬人，并與增加心血管疾病和其他全身并發(fā)癥的死亡率相關(guān).它可以發(fā)生于任何年齡，但通常出現(xiàn)在20～50歲之間的人群中.雖然RA的的發(fā)病因素主要包括遺傳和環(huán)境因素，但生物個體腸內(nèi)常駐的大量的微生物在人類健康中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并同時與宿主免疫力關(guān)鍵信號密切相關(guān).有相關(guān)研究使用動物模型和人體實驗揭示了腸道菌群失調(diào)與類風濕關(guān)節(jié)炎有關(guān)[6].一些腸道微生物株的豐度發(fā)生了變化在RA動物模型中有抑制或減弱免疫反應(yīng)的作用，它們可能是RA預(yù)防和治療的生物標志物.在查閱大量文獻中，我們總結(jié)了最新的文獻來進一步了解炎癥的變化與腸道微生物群的組成關(guān)系，及益生菌治療方法及效果，為腸道菌群與炎癥的關(guān)系提供理論依據(jù)，為相關(guān)炎癥的治療奠定基礎(chǔ).

2 腸道菌群與炎癥發(fā)病機制的研究

2.1 腸道菌群與牙周炎

動物試驗中通過口腔喂牙齦卟啉單胞(Porphyromonasgingivalis，P.gingivalis)可導(dǎo)致小鼠腸道菌群結(jié)構(gòu)改變和腸道機械屏障受損.有研究發(fā)現(xiàn)，牙周炎(periodontitis)是由牙周致病菌及其毒性成分所引起的細菌性炎性疾病，細胞外刺激信號結(jié)合細胞表面Toll樣受體(Toll-likereceptor，TLR)或細胞內(nèi)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體(nucleotide-bindingoligomerizationdomain-likereceptor，NLR)引發(fā)機體固有免疫反應(yīng)(innateimmunity)，誘導(dǎo)細胞內(nèi)的促炎因子(proinflammatoryfactor)白細胞介素(interleukin，IL)-1β等的活化，并且介導(dǎo)細胞凋亡[7].有研究表明，與牙周病相關(guān)的細菌會引發(fā)免疫細胞的炎癥反應(yīng)，在疾病的后期，炎癥反應(yīng)會導(dǎo)致支撐牙齒的軟硬組織結(jié)構(gòu)的喪失.最新研究通過基因組組裝技術(shù)，從牙周炎樣本中鑒定出擬桿菌門的一個新成員的基因組[8].腸道微生物群的組成和功能在調(diào)節(jié)體內(nèi)Th17的進而調(diào)節(jié)性T細胞的平衡方面至關(guān)重要，因此，進一步可能會影響宿主免疫反應(yīng)、耐受性和自身免疫性反應(yīng).

2.2 腸道菌群與結(jié)腸炎

許多研究表明，UC可能與遺傳、免疫、心理因素以及腸道菌群的協(xié)同作用有關(guān).其中，腸道菌群具有重要作用，已成為消化系統(tǒng)研究的熱點.雖然IBD具有遺傳易感性，但疾病發(fā)生可能與飲食、生活方式和內(nèi)源性因素(包括腸道微生物群)有關(guān)，例如維生素D與UC疾病有關(guān)聯(lián).由于腸道菌群與UC的發(fā)生率密切相關(guān)，有研究利用rRNA全長基因技術(shù)對個體腸道菌群進行分析，發(fā)現(xiàn)腸道微生物屬于厚壁菌門、擬桿菌、梭菌屬、變形桿菌門、放線菌門和微菌門.Kovarik等研究發(fā)現(xiàn)UC患者產(chǎn)生丁酸的細菌數(shù)量減少，丁酸的抗炎能力降低[9].丁酸不僅是腸黏膜細胞的能量來源，而且是腸道功能恢復(fù)的促進劑黏膜.此外，丁酸可以抑制炎癥因子的形成，發(fā)揮其抗炎作用.趙等發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌可以增加結(jié)腸黏膜CD4+CD25+Foxp3+T細胞的數(shù)量，調(diào)節(jié)Th1和Th2細胞之間的平衡，從而減少腸道炎癥[10].此外，Tanabe等發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌可能抑制炎癥因子白細胞介素17的產(chǎn)生，從而減弱腸道炎癥[11].而梭桿菌、雙歧桿菌、prausnitzii糞卡利桿菌數(shù)量減少，表現(xiàn)為抗炎作用.因此，這種促炎菌和抗炎菌之間的失衡可能與UC有關(guān).經(jīng)查閱文獻得知，UC患者在口服臨床常用的微生態(tài)制劑雙歧桿菌三聯(lián)活菌膠囊后，藥物附著于腸黏膜并大量生長繁殖會直接補充腸道有益菌，競爭性拮抗致病菌在腸道的定植和生長，促進腸道正常菌群的恢復(fù)，維持腸道菌群平衡，可重建腸道屏障，實驗證明觀察組患者雙歧桿菌和乳桿菌的數(shù)量較治療前明顯上升，大腸桿菌數(shù)量較治療前明顯下降，血清ET、D-乳酸和PCT水平較前明顯下降，可提示雙歧桿菌三聯(lián)活菌膠囊能調(diào)節(jié)腸道菌群紊亂，修復(fù)腸黏膜屏障功能，而治療活動性UC患者[12].

2.3 腸道菌群與類風濕性關(guān)節(jié)炎

腸道微生物群的組成和功能在調(diào)節(jié)體內(nèi)Th17的調(diào)節(jié)性T細胞的平衡方面至關(guān)重要，因此可能會影響宿主免疫反應(yīng)、耐受性和自身免疫性疾病的易感性.從出生到成年，腸道微生物群與宿主共同進化.如發(fā)酵是腸道微生物群(如梭狀芽胞)的一種代謝過程，它將抗性淀粉或難以消化的碳水化合物(膳食纖維)分解為短鏈脂肪酸(SCFAs)，對宿主的生理功能至關(guān)重要.SCFAs通過兩種主要機制發(fā)揮作用：通過G蛋白偶聯(lián)受體(GPCRs)(例如GPR43、GPR41和GPR109A)發(fā)出信號，以及通過抑制組蛋白去乙?；?HDACs)從而允許基因轉(zhuǎn)錄[13].對小鼠的研究表明，在出生時的關(guān)鍵發(fā)育時期用抗生素改變腸道微生物群的組成，會長期地產(chǎn)生代謝影響，包括骨密度降低和身體脂肪量增加，而這些都與代謝綜合征有關(guān).腸道微生物群對從飲食中獲取能量(即吸收乙酸SCFAs和丙酸SCFAs，而從飲食中提取熱量)和對宿主產(chǎn)生影響[14].醋酸鹽是雙歧桿菌發(fā)酵果糖產(chǎn)生的，能保護小鼠免受致命的腸道感染，并刺激結(jié)腸上皮細胞，提高上皮細胞的完整性，可能SCFAs對小鼠結(jié)腸炎起到保護作用.這些保護作用是通過激活NLRP3炎性小體和caspase-1介導(dǎo)的，促進成熟IL-18的產(chǎn)生[15].有研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽在體外和體內(nèi)誘導(dǎo)了調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)的分化，改善了免疫缺陷小鼠中CD4+CD45調(diào)節(jié)性T細胞轉(zhuǎn)移引起的結(jié)腸炎的發(fā)生，然而，醋酸鹽是否對TREG細胞分化有類似的作用仍存在爭議.由于從K/BxN小鼠中提取的動脈血清轉(zhuǎn)移而加重了關(guān)節(jié)炎，口服乙酰乙酯可部分抑制K/BxN血清轉(zhuǎn)移性關(guān)節(jié)炎[16].有研究發(fā)現(xiàn)，在RA動物模型中，一些腸道內(nèi)微生物菌株的大量變化與機體的免疫反應(yīng)緊密相關(guān)，如大量的糞便檢測顯示產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridium perfringens)顯著增加，可引起與RA有關(guān)的免疫應(yīng)答.普氏菌(Eubacteriumspecies)顯著增加導(dǎo)致一些有益微生物(如梭狀芽孢桿菌、拉克螺菌科和擬桿菌屬)減少，重要的是，降低RA患者的普氏菌水平已經(jīng)被證明可以緩解疾病癥狀.IL-1rn(缺陷)小鼠被乳酸菌(Lactobacillus bifidus)殖民后迅速發(fā)展為關(guān)節(jié)炎.進一步發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)炎的發(fā)作依賴于乳酸菌的toll樣受體(TLR)激活.因為受體的激活可以引發(fā)廣泛的促炎癥介質(zhì)而促進RA的發(fā)展.在無菌小鼠中觀察到的血清轉(zhuǎn)移性關(guān)節(jié)炎惡化與T細胞介導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎模型中觀察到的明顯不同，在T細胞介導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎模型中，無菌小鼠受到保護[17].因此提示腸道菌群可能通過調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)而影響類風濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生.

吸煙和牙周炎促進蛋白質(zhì)瓜氨酸化和ACPA產(chǎn)生.牙周病更常見于風濕性關(guān)節(jié)炎患者或與其活動相關(guān)的患者.據(jù)推測，牙周病原體驅(qū)動全身炎癥或傳播到受影響的組織，腸道微生物群在類風濕關(guān)節(jié)炎自身免疫中的重要性已在小鼠模型和人類疾病中得到證實[18].微生物群的改變與疾病的風險和嚴重程度有關(guān).有三個部位與之特別相關(guān)，主要是肺、口腔粘膜和胃腸道.然而，最初觸發(fā)免疫反應(yīng)的部位仍有待證實.

3 相關(guān)治療研究

3.1 飲食

某些飲食習(xí)慣可以預(yù)防或改善風濕性疾病的觀念由來已久.例如，發(fā)酵魚油被認為是文明世界第一種健康藥劑.多種流行病學(xué)研究已經(jīng)探討了各種飲食的治療特性及其對炎癥性關(guān)節(jié)炎的潛在影響.查文獻知患者采用飲食限制方法對風濕性關(guān)節(jié)炎癥狀的衰減有積極作用.例如，研究表明，中度至重度風濕性關(guān)節(jié)炎患者轉(zhuǎn)變?yōu)橹囟蕊L濕性關(guān)節(jié)炎，低脂純素飲食可以顯著減少RA癥狀[19].首先，通過修復(fù)治療風濕性關(guān)節(jié)炎的腸道微生物群.飲食干預(yù)可能是一種潛在的有效方法.但目前仍在尋求控制和治療疾病可能的最有效方法.維生素D對維持腸道內(nèi)穩(wěn)定十分重要，不僅有利于腸道細菌的遺傳學(xué)上的反應(yīng)，而且對維持腸屏障起到重要作用.有研究發(fā)現(xiàn)維生素D對調(diào)節(jié)細菌與免疫系統(tǒng)間的信號傳導(dǎo)通路起重要作用.近期一項研究論述了維生素D缺乏可以對CD和UC的發(fā)生、發(fā)展，疾病程度和并發(fā)癥的發(fā)生都起到非常重要的作用[20].因此，炎癥患者飲食中適量使用含有維生素D的食物如堅果、海魚、蛋黃、魚肝油、奶油、雞蛋以及牛奶等有較好的作用.

3.2 益生菌

大量的研究已經(jīng)證實，調(diào)節(jié)腸道微生物群可能是治療和維持風濕性關(guān)節(jié)炎的有效策略.在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中廣泛應(yīng)用于預(yù)防或治療許多疾病，如腹瀉、肥胖、結(jié)腸炎等，尤其是過敏和風濕性關(guān)節(jié)炎等免疫疾病.乳酸桿菌不僅能增強抗炎因子的釋放，而且還能防止病原菌侵染.動物實驗證明腸道微生物群具有引起炎癥或自身免疫性關(guān)節(jié)炎的能力，如普氏菌(P.copri)和分節(jié)絲狀菌(SFB).因此，我們有理由假設(shè)在腸道中以致病微生物群為治療目標可能會促進炎癥的臨床改善[21].益生菌的混合物被用于治療，一項研究中，有60名RA患者被隨機分配到兩組，每天接受一種益生菌膠囊，其中包含三種可行的和冷凍的菌株乳酸菌、乳酸桿菌和雙歧桿菌，以及在這個隨機雙盲安慰劑對照試驗中充滿纖維素的安慰劑膠囊(n=30).經(jīng)過8周的干預(yù)，益生菌的補充使患者的關(guān)節(jié)疾病活動改善.此外，與安慰劑相比，血清胰島素水平、穩(wěn)態(tài)模型細胞功能和血清高敏感性c反應(yīng)蛋白(hs-CRP)濃度也顯著下降.此外，從一個健康的群體中移出腸道微生物群益生菌，如糞便移植的治療策略也吸引了越來越多的關(guān)注.

3.3 糞便移植

糞便移植(FMT)，或細菌療法是一種通過重建腸道菌群來治療疾病的方法.即把經(jīng)過處理的健康人的糞便液，移植到患者腸道內(nèi)而進行治療疾病的方法.FMT已被證明對耐藥大腸桿菌的難治性傳染性(CDI)結(jié)腸炎具有高度的療效，甚至有是治愈性的作用.盡管這些結(jié)果有巨大的應(yīng)用前景及科學(xué)價值，但是FMT的使用仍然具有內(nèi)在性挑戰(zhàn)，包括健康捐助者的選擇和篩選(例如，病毒血清學(xué))，如何定義健康的腸道微生物群，及糞便制劑類型和方法應(yīng)用[22].一項研究進展表明：口服，膠囊，冷凍的FMT，方法在一項涉及CDI患者的開放標簽試驗中顯示了令人鼓舞的結(jié)果.FMT也被應(yīng)用于自身免疫性疾病的治療，據(jù)克羅恩病的初步病例報告顯示，潰瘍性結(jié)腸炎是有希望長期緩解的.然而，隨后對兒童和成人IBD的研究顯示不同的結(jié)果.在將所有的研究結(jié)合起來總體分析中，臨床用FMT對IBD患者緩解率經(jīng)計算約達到45%.年輕患者和克羅恩病患者結(jié)果最好，臨床緩解率分別達到64.1%和60.5%.有報告兩項針對IBD患者的FMT的隨機對照試驗.首次隨機對照實驗顯示潰瘍性結(jié)腸炎患者的緩解率有統(tǒng)計學(xué)意義上的差異，治療組和對照組的緩解率分別為24%和5%.相反，第二次試驗在接受治療和未接受治療的IBD患者之間沒有顯示出明顯的差異[23].然而，意外的是，在第二項研究中FMT治療應(yīng)答者的微生物群與健康者相似，研究人員認為這種方法的有效性可能取決于供體微生物群落的定殖民能力.最新一項研究中，評估短期FMT療法在使用厭氧制備的糞便是否對UC有緩解功效.患者隨機接受厭氧制備的混合供體FMT或自體FMT，通過灌腸法去干預(yù)UC患者.8周時向自體FMT參與者提供開放標簽治療，隨訪12個月.結(jié)果發(fā)現(xiàn)高強度有氧制備的糞便微生物群移植(FMT)在治療活動性潰瘍性結(jié)腸炎(UC)中有效.厭氧糞便處理的FMT方案可以增強微生物活力.獨特之處在于，厭氧糞便處理的FMT方案可以保存專性的厭氧菌如Faecalibacterium prausnitzi，而在有氧糞便處理時會丟失.雖然試驗中有個別不良反應(yīng)發(fā)生，但此治療方法被大多數(shù)患者接受[24].塞思·博登斯坦指出，其實糞便是很復(fù)雜的物質(zhì)，包含很多成分，比如，每克健康人的糞便通常除含1000億個細菌外，還含有約1億個病毒和單細胞微生物古生菌、約1000萬個結(jié)腸細胞以及約100萬個酵母和其他單細胞真菌.因此，治療艱難梭菌感染等疾病，糞便中的細菌可能發(fā)揮了作用.但也有可能與糞便中的其他物質(zhì)有關(guān).加強研究以分清糞便中成分及其相應(yīng)的作用，找出有益的組合，從而開展人工合成或培育以制成藥物，這將有助于公眾心理上更加接受這種新療法.

3.4 其他

已有研究通過其他微生物組改變的治療策略.這些范圍從生態(tài)系統(tǒng)層面的交互到包括單個物種或其代謝物的單目標方法.基于活生物體使用的方法試圖通過口服給藥來調(diào)節(jié)腸道生態(tài)學(xué)單一細菌菌株或確定的細菌聚生體，繞過了對FMT依賴技術(shù)的需求.動物研究表明，通過給予脆弱擬桿菌(Bacteroides fragilis)或梭菌(Clostridia)混合物成功治療IBD樣疾病，兩者都誘導(dǎo)結(jié)腸TREG細胞.這表明含有這些菌株的益生菌可能有益于治療自身免疫性疾病.其他復(fù)雜的方法利用細菌衍生的生物活性分子進行免疫調(diào)節(jié)性質(zhì)，包括多糖、結(jié)構(gòu)蛋白和SCFA.脆弱擬桿菌衍生的多糖A足以在固有層中誘導(dǎo)TREG細胞(并伴隨IL-17產(chǎn)生的抑制)，保護小鼠免于發(fā)生結(jié)腸炎[25].類似地，梭菌誘導(dǎo)的丁酸鹽在體外和體內(nèi)促進TREG細胞的分化，并且在小鼠中緩解結(jié)腸炎.然而，這些化合物的有效性，耐受性和長期作用尚未得到闡明.這在很大程度上限制了關(guān)于微生物是否可應(yīng)用于治療疾病有效手段.

4 討論

在精準醫(yī)學(xué)的概念中，藥物—微生物組相互作用的研究，即藥物生物組學(xué)在人類微生物組項目啟動后獲得了關(guān)注.藥物生物組學(xué)的主要前提是可以通過改變腸道微生物群落來改善藥物療效，減少藥物不良反應(yīng)，而達到預(yù)防或治療特定疾病.腸道微生物可以通過一些通用機制對異種生物素(哺乳動物中通常不存在的外來化合物，包括治療藥物和飲食衍生的生物活性代謝物)產(chǎn)生影響.據(jù)報道，放線桿菌可導(dǎo)致牙齦上皮細胞凋亡[26]，牙齦卟啉菌產(chǎn)生蛋白酶可誘導(dǎo)牙齦成纖維細胞凋亡.有對糖尿病型牙周炎(DAP)的研究發(fā)現(xiàn)牙齦固有層IL-1β和TNFα表達增強，主要細胞為巨噬細胞、漿細胞、淋巴細胞；牙齦IL-1β和TNFα表達與SBI和GI顯著正相關(guān)[27].有研究發(fā)現(xiàn)來自不同遺傳背景的小鼠對自身腸道菌群的耐受性有差異，而對外來腸道菌群的耐受性較差.這種耐受性既是局部性的也是全身性的，在半抗原試劑TNBS誘導(dǎo)的小鼠慢性腸道炎癥模型中，其耐受性被破壞，這在許多方面讓人想起克羅恩病.這些發(fā)現(xiàn)與之前在正常人和IBD患者中建立的數(shù)據(jù)一致.我們進一步證明，TNBS誘導(dǎo)的實驗性結(jié)腸炎可以通過給藥IL-10和IL-12抗體而成功治療，而且這種效果與恢復(fù)來源于自身，而與腸道菌群的耐受性相關(guān).有研究用K/BxN小鼠模型，通常在無菌(GF)條件下具有較強的抑制自身免疫性關(guān)節(jié)炎作用，可以降低血清自身抗體滴度，脾自身抗體分泌細胞，脾T輔助細胞17(Th17)細胞群[17].白細胞介素17的中和被阻止與關(guān)節(jié)炎的發(fā)生有直接的關(guān)系.IL-17細胞因子對B細胞生發(fā)中心的形成有抑制作用.單腸道微生物群分節(jié)絲狀細菌的定殖于(SFB)無菌小鼠足以誘導(dǎo)產(chǎn)生功能齊全的Th17細胞促炎細胞因子IL-17和可導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎的發(fā)生.

牙周炎、結(jié)腸炎、類風濕性關(guān)節(jié)炎等疾病困擾著越來越多的人，綜述關(guān)于腸道菌群與生物體炎癥發(fā)現(xiàn)腸道菌群的種類和數(shù)量等可通過影響生物內(nèi)在機能而對生物體產(chǎn)生重要的影響，故而腸道菌群在生物的健康和疾病的關(guān)系中，起到至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用，因而，進一步深入研究腸道菌群有非常重要的意義和巨大的潛在價值.