腸道菌群失調(diào)在兒童囊性纖維化中的研究進展

李忠強 李睿 吳雪郡

囊性纖維化 (Cystic Fibrosis，CF) 是一種常染色體隱性遺傳疾病，由7號染色體編碼囊性纖維化跨膜傳導(dǎo)調(diào)節(jié)因子 (cystic fifibrosistransmembrane regulator，CFTR) 基因突變引起，在呼吸道、胰腺、胃腸道、膽管和汗腺以及部分生殖器官的上皮表達CFTR缺陷時可出現(xiàn)病理變化及臨床表現(xiàn)[1]。CFTR基因突變可改變適應(yīng)性免疫反應(yīng)，引起胃腸微生物組改變，腸道中的細菌整體豐度和多樣性降低，潛在致病菌增加[2]。在約40%的CF患者中出現(xiàn)小腸細菌過度生長(small intestine bacterial overgrowth，SIBO)[3]。腸道菌群失調(diào)可對兒童CF患者的胃腸功能、呼吸道菌群、生長發(fā)育等產(chǎn)生影響，改善腸道菌群失調(diào)的狀態(tài)，在兒童CF炎癥相關(guān)疾病方面顯示出初步療效。因此，本文就腸道菌群失調(diào)在兒童CF中的研究進展進行綜述。

腸道菌群的概述

兒童生后暴露于產(chǎn)道及周圍環(huán)境，微生物經(jīng)歷從無到有，從定植到豐度和多樣性增加，腸道是微生物定植與共生的棲息地，腸道菌群依據(jù)種屬關(guān)系可分為擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門以及變形菌門；依據(jù)對氧氣的需求程度分為需氧菌、厭氧菌和兼性厭氧菌。健康狀態(tài)下多數(shù)腸道常駐微生物與人體是互惠互利的關(guān)系，腸道微生物可預(yù)防病原體感染、合成必需維生素、產(chǎn)生短鏈脂肪酸 (short chain fatty acids，SCFA) 提供能量來源、結(jié)合膽汁酸的生物轉(zhuǎn)化、調(diào)節(jié)宿主代謝、調(diào)節(jié)黏膜免疫反應(yīng)。腸道菌群可大致分為有益菌、中性菌和致病菌，有益菌占據(jù)數(shù)量優(yōu)勢，以雙歧桿菌與乳桿菌為主，定植于腸道黏膜的深層，大多為專性厭氧菌，可以刺激免疫系統(tǒng)，改變噬菌體對細菌的影響；中性菌對機體具有雙重作用，可協(xié)同有益菌維護宿主健康，也可引起宿主損傷，如大腸埃希菌；致病菌以外源性病原菌為主，如沙門氏菌等。胃腸道微生物環(huán)境受多種物理化學因素動態(tài)作用，例如飲食因素、遺傳、厭氧環(huán)境、胃腸道分泌物、胃腸道運動、煙草暴露、藥物等[4]。菌群生態(tài)失調(diào)是指正常微生物群之間及正常微生物群與其宿主之間的微生態(tài)平衡由生理性組合轉(zhuǎn)變?yōu)椴±硇越M合的狀態(tài)。腸道菌群生態(tài)失調(diào)可上調(diào)炎癥反應(yīng)對機體產(chǎn)生損傷。大約80%的腸道微生物無法通過標準培養(yǎng)方法進行培養(yǎng)，醫(yī)學技術(shù)如宏基因組學、宏轉(zhuǎn)錄組學、蛋白質(zhì)組學和代謝組學等技術(shù)，可以幫助研究腸道微生物組與CF個體之間的關(guān)系。

腸道菌群失調(diào)對兒童CF胃腸道的影響

CF胃腸癥狀包括腹痛、腹脹、脂肪瀉、便秘、腸道代謝異常、肝臟受累。在新生兒期表現(xiàn)為胎糞性腸梗阻、胃食管反流病、小腸細菌過度生長、遠端腸梗阻綜合征，胃腸癥狀嚴重程度與微生物生態(tài)失調(diào)具有相關(guān)性[2]。CF兒童和健康兒童之間的糞便微生物群組成存在差異。宏基因組分析顯示，CF幼兒的糞便微生物群中大腸桿菌數(shù)量增加，導(dǎo)致胃腸道功能障礙，引起營養(yǎng)吸收不良和腸道炎癥[5]。Enaud等觀察到CF兒童的腸道生態(tài)失調(diào)與腸道炎癥密切相關(guān)，主要特征是葡萄球菌、鏈球菌和韋永氏菌的豐度增加，擬桿菌、雙歧桿菌和普拉梭菌豐度減少[6]。CF嬰兒使用抗生素會引起雙歧桿菌和擬桿菌數(shù)量降低，腸球菌數(shù)量增加[7]?？偨Y(jié)文獻報道，在CF患者腸道中促炎菌群，如腸桿菌、葡萄球菌、鏈球菌、志賀氏菌和韋永氏菌等促炎病原菌增加，雙歧桿菌屬和梭菌屬等抗炎微生物數(shù)量減少。

CF患者和健康者之間的腸道代謝物存在差異。CF患者的產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)丁酸菌減少，菌群的改變引起腸道內(nèi)丁酸和泛酰巰基乙胺的含量減少[8]。Vernocchi等使用16S rRNA測序和代謝組學方法對CF兒童糞便進行研究，發(fā)現(xiàn)菌群失調(diào)可引起γ-氨基丁酸、膽堿、乙醇、丙基丁酸和吡啶等代謝物的增加，肌氨酸、4-甲基苯酚、尿嘧啶、葡萄糖、乙酸鹽、苯酚、苯甲醛等代謝物的減少；CF患者的酸性腸道環(huán)境可促進艱難梭菌和丙酸桿菌生長，產(chǎn)生醇、酯和吡啶等代謝物[9]。Wang Y.等研究發(fā)現(xiàn)CF患者腸道的乳酸增加，SCFA生物合成減少，丁酸鹽濃度與梭狀桿菌豐度呈正相關(guān)，丙酸鹽濃度與韋榮氏球菌豐度呈正相關(guān)[10]。

腸道菌群失調(diào)影響兒童CF胃腸道機制

CF患者的胃腸道炎癥與腸道通透性增加有關(guān)，慢性腸道局部炎癥也會導(dǎo)致全身促炎狀態(tài)，引起循環(huán)細胞因子、趨化因子、可溶性粘附分子水平升高，異常腸道環(huán)境可引起腸道菌群發(fā)生顯著改變[10]。CF患者腸道通透性增加，可歸因于多種原因，包括CFTR功能障礙、必需脂肪酸缺乏、緊密連接異常和腸道堿性磷酸酶降低[11]。CFTR的缺陷可引起消化系統(tǒng)功能異常，氯離子通道功能障礙導(dǎo)致腸道粘液粘稠，碳酸氫鹽分泌減少，腸道pH值降低，腸道蠕動延遲導(dǎo)致腸道運動障礙，黏膜免疫機制改變，腸道炎癥增強，上皮屏障破壞，CF的胃腸損害始于妊娠期，持續(xù)整個兒童期和成年期，腸道微生物環(huán)境的改變，被認為是導(dǎo)致CF患者腸道炎癥和屏障損傷的原因之一[8]。

腸道菌群失調(diào)對兒童CF呼吸道的影響

CF患者呼吸系統(tǒng)表現(xiàn)包括持續(xù)咳嗽、支氣管擴張、鼻竇炎、氣道粘液阻塞、細菌清除障礙引起反復(fù)肺部感染，引起肺組織損傷和肺功能下降[12]。在CF病程中，肺微生物群的多樣性逐漸減少，氣道致病菌占據(jù)主導(dǎo)地位，主要包括金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、洋蔥伯克霍爾德菌，這些細菌可在氣道形成生物膜，生物膜的形成引起致病菌長期駐留，降低抗生素的抗菌作用[13]。CF患者反復(fù)呼吸道感染，長期使用抗生素會導(dǎo)致多重耐藥菌產(chǎn)生，導(dǎo)致微生物組多樣性隨著年齡的增長而喪失[14]。

有證據(jù)表明胃腸道細菌群落與CF氣道疾病進展之間存在聯(lián)系，在一項研究中表明CF兒童早在出生6周就會出現(xiàn)腸道生態(tài)失調(diào)，這與導(dǎo)致肺部惡化的全身炎癥和免疫失調(diào)有關(guān)，氣道疾病嚴重程度與腸道菌群失調(diào)呈正相關(guān)[15]。患有嚴重肺功能障礙的CF患者腸道微生物群多樣性也顯著降低[16]。肺和腸道的菌群失調(diào)在CF患者生命早期就已經(jīng)開始，兩者可能相互影響，CF患者的呼吸道微生物群和腸道微生物群，存在交互作用，隨著時間的推移，有相似的變化趨勢，說明這兩組微生物群之間存在復(fù)雜的相互作用[17]。

腸道菌群失調(diào)影響兒童CF呼吸道機制

目前認為腸道微生物群對肺的影響主要通過血液和淋巴循環(huán)建立的免疫途徑介導(dǎo)，腸道微生物群也可通過基因產(chǎn)物，包括蛋白質(zhì)、代謝物等影響氣道微生物群[17]。腸道炎癥引起腸道屏障破壞，致病性腸道微生物及其生物活性脂多糖進入血液循環(huán)，這可能解釋腸道菌群與呼吸道微生物群的交互作用和對氣道的影響[18]。呼吸道菌群和腸道菌群復(fù)雜的雙向影響被稱為腸-肺軸，患者通過吞咽唾液或痰液的方式將口腔和呼吸道微生物轉(zhuǎn)移至消化道中，在CF患者胃液中發(fā)現(xiàn)與痰微生物群組成相關(guān)的細菌，CF兒童發(fā)生腸道炎癥時，糞便中鏈球菌顯著增多，這支持呼吸道和消化道微生物組之間的交互關(guān)系[6]。

越來越多的證據(jù)表明腸道和肺之間存在腸-肺軸的雙向通訊，腸道微生物群不僅局部調(diào)節(jié)環(huán)境和宿主免疫，還能夠影響肺等遠處器官[19]。腸-肺軸的分子機制復(fù)雜，但腸-肺軸的發(fā)現(xiàn)開啟了一個新的研究領(lǐng)域。CF患者腸道菌群失調(diào)引起肺微生物群的多樣性減少、氣道致病菌占據(jù)主導(dǎo)地位的確切機制尚不清楚，根據(jù)目前研究，或許通過以下方式發(fā)揮作用：細菌可通過微生物相關(guān)分子模式(microbe-associated molecular pattern，MAMP)調(diào)節(jié)局部和全身免疫反應(yīng)，例如脂多糖、脂磷壁酸、肽聚糖、鞭毛蛋白、表面脂蛋白等被宿主上皮細胞和先天免疫細胞上的模式識別受體(pattern recognition receptor，PRR)識別，PRR包括Toll樣受體、NOD樣受體、C-凝集素型受體[20]。MAMP和PRR之間相互作用，激活NF-kB因子、調(diào)節(jié)先天免疫和炎癥的基因表達，從而對機體產(chǎn)生效應(yīng)。細胞因子、趨化因子和宿主免疫調(diào)節(jié)劑，例如SCFA、維生素等通過高通透性的腸道進入血液循環(huán)，在肺等遠處器官中發(fā)揮作用[21]。細菌也可能由樹突狀細胞介導(dǎo)，細菌與位于腸細胞之間或黏膜下區(qū)域的樹突狀細胞相互作用并被其吞噬，游走至淋巴結(jié)，促進各種T細胞亞群激活和產(chǎn)生調(diào)節(jié)細胞因子如IL-10、TGF-β、IFN-γ和IL-6，在腸外器官中發(fā)揮功能[20]。微生物代謝物也可能在腸-肺軸中發(fā)揮重要作用，丁酸鹽通過抑制脂多糖誘導(dǎo)的NF-kB活化和刺激人單核細胞產(chǎn)生IL-10來發(fā)揮廣泛的抗炎活性[22]。

腸道菌群失調(diào)對兒童CF生長發(fā)育的影響

營養(yǎng)不良是CF的常見特征，CF中的營養(yǎng)不良與能量需求增加、食物攝入減少、吸收不良有關(guān)。CF兒童的糞便中的大腸桿菌豐度增加，引起腸道吸收不良和腸道炎癥，并導(dǎo)致營養(yǎng)不良，影響生長發(fā)育[5]。CF兒童的變形菌數(shù)量增加，擬桿菌數(shù)量減少，產(chǎn)SCFA菌群明顯減少，這會引起營養(yǎng)吸收不良[23]。Loman等人據(jù)報CF兒童腸道中葡萄球菌和糞球菌數(shù)量最多，與身高、體重呈負相關(guān)[4]。胰腺外分泌功能不全的CF患者中，會出現(xiàn)營養(yǎng)吸收不良，需要口服胰酶替代品[24]。早期診斷、營養(yǎng)干預(yù)和酶替代，使大多數(shù)CF嬰兒在1歲前達到理想體重目標，但仍有部分CF兒童體重增長不佳。

腸道菌群失調(diào)影響生長發(fā)育的機制

腸道運動減慢、腸道分泌物阻塞和胃酸產(chǎn)生減少都可能與SIBO的發(fā)展有關(guān)。SIBO通過多種機制導(dǎo)致營養(yǎng)不良，例如腸道上皮的直接損傷，增加營養(yǎng)物質(zhì)消耗，腹部不適導(dǎo)致食物攝入量減少。細菌可直接影響腸道上皮細胞，引起絨毛結(jié)構(gòu)異常和上皮炎癥，由于吸收表面積減少、細菌糖降解和消化酶活性受損，導(dǎo)致脂肪酸生成減少、腸道通透性增加和碳水化合物吸收不良；此外，細菌毒素的產(chǎn)生會直接影響碳水化合物和蛋白質(zhì)的吸收，導(dǎo)致脂肪瀉和微量營養(yǎng)素缺乏[25]。胃腸道微生物活動也會影響內(nèi)分泌功能，可能影響CF嬰兒身體生長[23]。

調(diào)節(jié)腸道菌群在兒童CF中的治療作用

基于腸道菌群對CF患者的影響，糾正腸道菌群失調(diào)或許能成為治療CF患者的途徑之一。調(diào)節(jié)腸道菌群失調(diào)的策略包括飲食調(diào)節(jié)、益生菌、益生元、合生元、維生素、糞菌移植、靶向分子療法、基于代謝物的療法。補充益生菌可以改善腸道屏障功能，Di Nardo等在隨機對照試驗中表明輕-中度肺部受累的CF患者補充羅伊氏乳桿菌可減少肺部惡化[26]。在CF患者中補充益生菌可以促使糞便鈣衛(wèi)蛋白及腸道一氧化氮水平降低，增強消化功能，恢復(fù)細菌生態(tài)[27]。母乳中低聚糖成分可以使嬰兒腸道中雙歧桿菌數(shù)量增加，在預(yù)防大腸桿菌等細菌引起的感染中發(fā)揮作用，在少部分研究中顯示母乳喂養(yǎng)的CF嬰兒，其腸道微生物群多樣性增加，呼吸道感染機會減少[28]。高效靶向治療對恢復(fù)CF生態(tài)失調(diào)也有報道，在一項包括兒童患者的前瞻性觀察性研究中，使用CFTR增強劑伊伐卡托可增加阿克曼氏菌的數(shù)量，阿克曼氏菌是一種參與黏膜保護的細菌，使用伊伐卡托可以改善CF腸道的異常病理環(huán)境，促進健康的微生物群繁殖，減少腸道炎癥[29]。CFTR調(diào)節(jié)劑魯瑪卡托/依伐卡托，目前用于治療F508del純合子CF青少年，可改善肺功能FEV1、營養(yǎng)狀況和汗液氯化物濃度，耐受性良好且安全[30]。Pope等發(fā)現(xiàn)在胰腺功能不全CF患者中，使用魯瑪卡托/依伐卡托，可降低糞便脂肪含量，使糞便微生物群更接近于非胰腺功能不全CF患者，魯瑪卡托/依伐卡托的有效性及安全性需要未來更大規(guī)模的研究進行驗證[31]。

總結(jié)與展望

研究腸道菌群失調(diào)在CF中的作用取得越來越多的進展。CF患者腸道菌群的數(shù)量、多樣性和優(yōu)勢菌群指標或許能成為生物標志物并作為預(yù)后評估的方式。人體微生物組包含極其豐富的數(shù)據(jù)，未來隨著宏基因組學的發(fā)展，或許能建立CF患者個體微生物特征，以便了解每個患者的獨特疾病進展，實現(xiàn)精確的個體評估及治療。整合遺傳學和微生物學的數(shù)據(jù)，研究微生物群及其代謝產(chǎn)物的之間的相互作用，可能為CF治療提供新靶點。