腸道菌群在膿毒癥中的作用和研究進展

王燕飛 談林華

浙江大學醫(yī)學院附屬兒童醫(yī)院外科重癥監(jiān)護室（浙江杭州 310052）

膿毒癥是重癥監(jiān)護病房（intensive care unit，ICU）常見的嚴重疾病之一，據(jù)推測，全球每年大約有300 萬例新生兒膿毒癥病例及120 萬例兒童膿毒癥病例。膿毒癥引起的宿主對感染反應失調所致的危及生命的器官功能障礙，是ICU 住院患兒死亡的主要原因之一，嚴重膿毒癥病死率高達9%～20%。目前，膿毒癥治療主要以抗生素、液體復蘇及臟器功能保護等治療為主，嚴重者涉及激素以及血管活性類藥物的應用。但抗生素和激素的大規(guī)模應用帶來了后續(xù)一系列問題，如病原菌耐藥、藥物過敏及毒性反應等。近年來，隨著基因及代謝組學等技術的發(fā)展，逐漸發(fā)現(xiàn)腸道菌群與兒童膿毒癥的發(fā)生發(fā)展密切相關，研究證實通過調節(jié)疾病狀態(tài)下的腸道菌群對治療膿毒癥有益[1-2]。且腸道菌群的研究樣本為新鮮糞便，樣本采集方式無創(chuàng)且檢測速度較病原菌培養(yǎng)模式快，具有切實的臨床可行性。

1 膿毒癥兒童的腸道菌群失調現(xiàn)象

與健康兒童相比，膿毒癥患兒存在顯著的腸道菌群失調現(xiàn)象。菌群失調主要表現(xiàn)在菌群的組成和功能相比健康宿主的菌群狀態(tài)有明顯的差異，大致可分為以下4 種類型：①維持機體健康的重要菌群（如厚壁菌門和擬桿菌門）的缺失；②腸道菌群多樣性的喪失；③菌群生態(tài)功能的轉變；④病原體（如變形菌門）的大量繁殖。在膿毒癥患兒中，上述菌群失調的類型可重疊[3]。研究證實腸道菌群失調主要通過改變宿主體內代謝產物以及啟動炎癥性免疫應答的機制增加膿毒癥的易感性，推動病程的進展及多臟器功能的損害[4]。臨床上膿毒癥患者的腸道微生物分型即腸型主要分為兩種：一種為膿毒癥休克患者表現(xiàn)出的ICU E1型（擬桿菌和腸桿菌科主導），另一種為無休克膿毒癥患者表現(xiàn)出的ICU E2型（腸球菌主導）。兩種膿毒癥腸型的鑒定不隨遺傳性狀和外部應激源等因素的不同而發(fā)生變化，且與臨床檢驗指標（如血清乳酸水平）和病死率密切相關[5]。因此，腸型的鑒定在臨床上可作為疾病易感性、疾病進展變化的生物標志物，更精準的指導治療。

2 健康菌群對膿毒癥的保護作用

膿毒癥的發(fā)病機制復雜，主要涉及免疫紊亂、線粒體損傷、凝血障礙、神經內分泌異常、炎癥失調、內質網應激及自噬等多個方面，腸道菌群參與其中[6]。健康的腸道菌群可通過多種機制潛在保護宿主，包括：①促進兒童免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟，增強宿主對病原菌的抵抗力；②調節(jié)免疫系統(tǒng)的平衡，提高宿主抗炎反應能力；③通過生態(tài)位、營養(yǎng)競爭以及產生毒力因子，抑制外源病原菌定植；④產生有益代謝產物（如短鏈脂肪酸等），調節(jié)內質網應激并改善多臟器功能損害；⑤改變腸道微環(huán)境，增強機體腸道屏障功能，防止細菌易位；⑥調控細胞表觀遺傳的方式（如指導DNA 甲基化模式及組蛋白修飾等），協(xié)調患者炎癥反應[7-9]。兒童在生長發(fā)育過程中，其腸道菌群具有高度可塑性，易受到環(huán)境因素的影響，直至3歲左右達到穩(wěn)定狀態(tài)，兒童期間腸道菌群的多樣化對成年建立穩(wěn)定的腸道微生態(tài)系統(tǒng)及疾病的預防和進展至關重要。腸道菌群的不穩(wěn)定期也是膿毒癥發(fā)生的高峰期，膿毒癥的病理生理狀態(tài)以及抗生素和糖皮質激素類藥物的暴露等，極易導致宿主腸道菌群失調。失調的腸道菌群可通過促進病原菌的擴增、啟動免疫系統(tǒng)的促炎反應、減少有益代謝產物的生產以及惡化臟器形態(tài)及功能等病理過程加重疾病，增加宿主負擔[4]。

3 基于腸道菌群改善膿毒癥的療法

現(xiàn)有的研究表明，基于腸道菌群已被證明可作為獨立的因素改變膿毒癥的免疫表型及病死率[10]。因此，通過有針對性的干預以盡早恢復腸道菌群生態(tài)平衡對于膿毒癥的治療具有重要的意義。

3.1 益生菌和后生元

益生菌是活的微生物，足量攝入可給宿主健康帶來益處。在動物實驗中，益生菌顯示出對膿毒癥的病死率、腸道損傷及菌群失調具有顯著的益處[11]。在臨床研究中，益生菌可有效的減少早產及低出生體重新生兒感染、膿毒癥和死亡等不良結局的發(fā)生[12]。益生菌的作用機制包括誘導殖民抵抗以抑制病原體的侵襲、調節(jié)菌群多樣性及代謝功能、保護生理應激、結腸細胞的凋亡減少和增殖增加、改善腸道上皮的屏障功能、調節(jié)機體免疫系統(tǒng)、炎癥細胞因子以及結腸TLR 2/TLR 4和MyD88的表達減少、IgA等抗炎性物質的分泌等[13]。但由于益生菌的純度欠缺、個體差異等原因，其可能帶來治療效果欠佳、耐藥菌定植及菌血癥等不良的結果[14]。因而對于兒童，更需要安全有效的進行評估以及精確的益生菌療法。未來結合基因改造和針對菌株功能的研究，開發(fā)有益的下一代益生菌，有望產生最大的有利影響并降低不良反應。

近幾年，后生元也得到了越來越多的關注，國際益生菌和益生元科學協(xié)會（ISAPP）將能為宿主帶來益處的無生命微生物和微生物成分的制劑定義為后生元。后生元按其成分可分為兩類：一類為菌體成分，包括脂壁酸、細胞外多糖等；另一類為菌群代謝產物，包括維生素、脂質等，具有抗炎、免疫調節(jié)和抗氧化活性的作用。后生元可能通過調節(jié)常駐微生物群、增強上皮屏障功能、調節(jié)局部和全身免疫應答、調節(jié)全身代謝反應以及通過神經系統(tǒng)進行全身信號轉導等機制發(fā)揮作用[15]。近年來的研究結果表明，后生元是預防或治療兒童感染性疾病的可行性策略，且后生元無生物活性，更易保存，為膿毒癥提供了一個具有前景的治療方案[16]。

3.2 選擇性消化道去污

選擇性消化道去污（selective digestive decontamination，SDD）是通過預先給予消化道不被吸收的抗生素，根除口咽及腸道中潛在致病菌，同時不影響腸道中厭氧菌，從而達到減少腸道菌群移位的目的。SDD是荷蘭ICU住院患者預防感染的標準措施[17]，可降低死亡率、減少感染及革蘭陰性菌的耐藥性，且不會促進革蘭陽性菌感染[18]。但SDD的治療效果與地區(qū)抗生素耐藥性等因素存在一定關系。在抗生素耐藥率低的地區(qū)，SDD可減少患者感染及死亡，改善預后。在抗生素耐藥性中高度流行的研究中心SDD產生了不同的結果，先前在歐洲多個中高水平抗生素耐藥率ICU 進行的隨機研究表明，與標準治療相比，SDD未被證實與獲得性血流感染多重耐藥革蘭陰性菌的減少有關[17]。而在西班牙一項ICU 前瞻性隊列研究中發(fā)現(xiàn)，高耐藥性環(huán)境下SDD的應用減少了多重耐藥菌的感染、呼吸機相關性肺炎和繼發(fā)性血流感染及抗菌藥物使用量[19]，故其有效性有待進一步證實。實際臨床應用中，SDD 則較少實施，主要在于擔心耐藥菌的出現(xiàn)，但根據(jù)一項為期21年的單中心研究結果表明，SDD在ICU的應用與耐藥菌株發(fā)生率的增加無關[20]。對于兒童患者，有限的證據(jù)證實SDD 可減少重癥兒童的肺炎發(fā)病率[21]。未來，需要加強兒童SDD安全性及有效性的研究，實施前更需要高質量的病情評估、詳細的治療方案制定和精準的護理支持。

3.3 糞便微生物群移植

關于糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation，F(xiàn)MT)的記載，最早在我國東晉時期，著名中醫(yī)葛洪曾用人糞懸浮液治療食物中毒和嚴重腹瀉的患者并取得了積極的結果。FMT是通過將健康人糞便中的功能性微生物群移植到患者的胃腸道中來重建穩(wěn)定的腸道菌群，從而達到治療疾病的目的治療手段。在動物實驗中，F(xiàn)MT可恢復膿毒癥小鼠腸道菌群的多樣性，降低膿毒癥的發(fā)病率和死亡率?，F(xiàn)有的臨床病例報告描述了迷走神經切斷術后患者以及中風住院患者在罹患膿毒癥接受供體FMT 治療后，病情得到緩解[22]。在免疫功能低下的難治性腹瀉兒童中，應用FMT治療也可能是安全有效的治療措施[23]。FMT的治療機制可能是通過改善黏液層組成、上調緊密連接蛋白表達、減少上皮細胞凋亡、降低腸道通透性和炎癥反應、并恢復腸道菌群的多樣性和干擾素調節(jié)因子3依賴的方式提高宿主免疫來增強病原體清除率，從而改善膿毒癥的預后[24]。但FMT在兒童應用中仍具有一定的挑戰(zhàn)性，如FMT應用后出現(xiàn)肺炎、嘔吐、腹瀉，其對兒童發(fā)育中腸道菌群的未知影響以及傳播傳染因子等不良結局[25]。迄今為止，雖然有關FMT在兒科患者中應用的安全性和有效性的數(shù)據(jù)有限，但初步的報告結果已證實FMT在兒童患者的應用具有前景性[26]。未來需進一步完善FMT，促進針對治療特點疾病的明確微生物群落的開發(fā)，以提高療效，減少不良反應發(fā)生。

3.4 腸道微生物代謝產物

消化道內多種菌群代謝衍生物，對免疫調節(jié)、抗感染、臟器功能的保護等具有重要作用，賦予了宿主多種生理健康益處。

3.4.1 短鏈脂肪酸 短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是腸道膳食纖維發(fā)酵的主要產物，在動物實驗中被證實對膿毒癥伴發(fā)的多臟器功能損害具有深遠的保護作用，例如減輕肝、肺、腎臟及腸道損傷，提高存活率[27]。此外SCFAs可減輕膿毒癥腦病引發(fā)的行為障礙和神經元變性，保護宿主神經系統(tǒng)[28]。臨床上也可觀察到膿毒癥患兒血漿及糞便中SCFAs含量較健康對照顯著下降，血液循環(huán)中的丁酸鹽水平與內毒素血癥和全身炎癥呈負相關[29]。SCFAs 對于膿毒癥的作用機制可能為通過G 蛋白偶聯(lián)受體發(fā)出信號對代謝及免疫發(fā)育進行調控，經TLR 4 途徑減少炎癥因子的釋放和炎癥反應，修改宿主表觀基因組，促進結腸Treg細胞發(fā)育及腸上皮細胞表達抗菌肽，維持腸道屏障完整性及腸道穩(wěn)態(tài)等[30]。因此，在ICU 中，監(jiān)測并維持患兒血漿及糞便中SCFAs 的濃度對膿毒癥患者的治療有重要的作用[29]。

3.4.2 膽汁酸 膽汁酸是膽固醇的代謝產物，在機體的生理代謝及免疫系統(tǒng)中具有重要作用。在動物實驗中，膽汁酸的應用減輕了膿毒癥小鼠的全身炎癥反應以及LPS誘導的膿毒癥腎、肺、腦等多臟器功能損害[31-32]。膽汁酸的作用機制可能為：①膽汁酸具有兩親性，可破壞細菌細胞膜進入胞質內，隨后損傷細菌DNA、改變蛋白質的空間構象、螯合鐵和鈣以抑制病原菌增殖[33]。②作為體內的信號分子，可通過多種機制增強腸道屏障功能，包括維持腸道屏障完整性和抑制病原體定植。③作用于體內多種膽汁酸受體（比如FXR、TGR5、PXR等）誘導免疫系統(tǒng)的分化成熟及平衡、抑制炎癥因子的表達[34]。體外實驗證實次級膽汁酸中的熊去氧膽酸、石膽酸等，具有抗炎、抗凋亡及抗氧化作用，并可進一步保護腸道屏障及減少腸道炎癥。因此，膽汁酸可能是預防腸源性膿毒癥早期發(fā)作的有效治療方法[35]。

3.4.3 5-羥色胺3 受體拮抗劑 研究證實炎癥感染期間，5-羥色胺增加，可作用于免疫細胞，促進細胞因子分泌、損傷細胞及線粒體、加速細菌移位、促進氧化應激及炎癥反應，進一步加劇了肺、肝、腸等臟器組織損傷，從而導致器官功能障礙[36]。因此，阻斷5-羥色胺對治療膿毒癥可能有益。菌群介導產生的格拉司瓊（granisetron）是高選擇性的5-羥色胺3 受體拮抗劑，被發(fā)現(xiàn)在膿毒癥治療及預后中也具有重要意義。膿毒癥模型動物及臨床患者的低水平granisetron 導致了更為嚴重的肝損傷及病死率。Granisetron 主要通過抑制5-羥色胺3 A 受體，減少TLR 4下游的NF-кB活化和p-p38積累，減少巨噬細胞炎癥細胞因子的表達，起到防治膿毒癥及肝損傷的作用[37]。此外，granisetron亦可通過抑制中性粒細胞募集及巨噬細胞CXCL1和CXCL2的表達，抑制NLRP3炎性小體的組裝、減少p38MAPK信號的磷酸化和活性氧的產生來保護小鼠免受膿毒癥引起的肺損傷[38]。

3.4.4 色氨酸代謝物 受到腸道菌群的調控色氨酸代謝產物，在動物實驗中，被證實可改善膿毒癥相關性腦病[39]。色氨酸代謝物作為宿主-微生物相互作用中的重要信號分子，有助于腸道和全身穩(wěn)態(tài)，包括：①含吲哚的色氨酸代謝產物可作為細胞間的信號分子和抗菌劑調節(jié)腸道菌群[40]。②犬尿氨酸（kynurenine，KYNA）作為色氨酸犬尿氨酸途徑的代謝物，在促炎條件下具有保護細胞的作用。實驗證明KYNA 可改善膿毒癥微循環(huán)和線粒體功能障礙；減輕氧化/亞硝化應激的危害，并減少炎癥遞質的釋放[39]。③色氨酸代謝產物作為芳烴受體（aryl hydrocarbon receptor，AHR）配體，AHR的激活后可進一步改善宿主免疫反應，并通過促進黏膜穩(wěn)態(tài)，減輕腸道炎癥，調節(jié)TH17/Treg平衡，從而減少疾病損害并改善預后[40]。因此，色氨酸代謝產物或可作為一種輔助治療膿毒癥的天然藥物。

3.5 腸內外營養(yǎng)管理與腸道菌群

膿毒癥由于感染引起的病理生理改變，需要及早加強腸內外營養(yǎng)的管理。不同的營養(yǎng)模式在膿毒癥的病程中發(fā)揮不同的作用：西方的高脂高糖飲食模式會增加膿毒癥的易感性、病死率和多器官衰竭的發(fā)生；高甲基飲食模式可改變膿毒癥模型動物的腸道菌群的組成，加劇炎癥水平、器官損傷及病死率；而高膳食纖維飲食模式則可介導膿毒癥的生存優(yōu)勢[41-43]。膳食纖維主要通過改善腸道菌群，增加黏液的產生來保護腸黏膜屏障，防止細菌易位，調節(jié)T 細胞發(fā)育以輔助腸黏膜免疫，刺激腸道細菌合成維生素等作用機制改善膿毒癥[43]。研究證明，減少飽和脂肪酸的攝入，增加攝入單不飽和脂肪酸和omega-3多不飽和脂肪酸可正向調節(jié)宿主腸道菌群生態(tài)系統(tǒng)，增強抗炎特性，改善腸道通透性[44]。維生素的補充對膿毒癥患者也有積極的影響，據(jù)報道維生素A、B、C、D 及E 可能通過改變腸道菌群，調節(jié)宿主免疫系統(tǒng)等方式，提高宿主對病原菌的抵抗。此外，蛋白質對腸道菌群的組成及多樣性也產生影響[45]，且與生存率存在關聯(lián)性，當?shù)鞍踪|攝入從入住ICU第1～2天的低水平增加到第3～5天的中間水平再到第5天以后的高水平時，預后較長期低水平蛋白攝入模式和早期高水平蛋白質攝入模式更好[46]。關于飲食方式的選擇，指南建議對于腸外營養(yǎng)的膿毒癥患兒應及早轉為腸內營養(yǎng)，因為腸內營養(yǎng)代表了最為生理的飲食方式，有助于恢復正常的腸道菌群及胃腸道血流，保護腸黏膜結構，刺激酶促過程，增強全身免疫反應[46]。因此，基于腸內外營養(yǎng)管理的腸道菌群的調控可能是針對膿毒癥的一種新治療策略。

3.6 血磷水平的管理

在ICU 中膿毒癥患者可能伴隨的低磷血癥（hypophosphatemia，HP）可作為疾病嚴重程度的一般標志，因HP 與呼吸循環(huán)功能障礙、心律失常、凝血功能障礙、胰島素抵抗、神經肌肉病變及死亡等不良結局之間存在的關聯(lián)[47]。正常血磷水平涉及微生物及機體的各個生理過程，例如骨形成、能量代謝、底物發(fā)酵、細胞信號轉導、細胞膜的穩(wěn)定以及維持正常的免疫功能等，并支持腸道微生物的生長和增殖，是微生物及其宿主的必需營養(yǎng)素。實驗證明細菌具有一個高度保守可感知血磷水平的膜傳感器，當微環(huán)境中血磷含量豐富時，通過同時觸發(fā)血磷感知和調節(jié)途徑，與宿主及病原體相互作用，腸道微生物增值，病原體毒力表達減弱，可預防感染相關的死亡率；當局部血磷含量偏少時，細菌的毒力增加[48]。同樣，含磷酸鹽的聚乙二醇聚合物，可抑制微生物毒力、保留正常的腸道菌群并保護腸上皮的完整性，從而防止由于腸道中多重耐藥菌引起的致命性膿毒癥[49]。因此，在實際臨床工作中需要嚴格監(jiān)測和管理血磷水平以減輕膿毒癥的危害并改善患者預后。

3.7 藥物治療等調控腸道菌群在膿毒癥中的作用

傳統(tǒng)的糖尿病藥物二甲雙胍，在動物實驗中被證實可通過影響腸道菌群、阻斷炎癥因子信號通路、改善腸道屏障功能以及膿毒癥相關的肝損傷和認知障礙[50]。他汀類藥物是一類降低膽固醇相關的心血管疾病的藥物，也可促進更為健康的腸道菌群，減少腸道菌群的失調[51]，研究證實他汀類藥物可以抑制病原體的感染，調節(jié)免疫，減輕膿毒癥的嚴重程度并降低疾病病死率[52]。氨茶堿是應用于呼吸道疾病的一類藥物，具有擴張氣管的作用，在膿毒癥大鼠模型中，氨茶堿可以調節(jié)膿毒癥大鼠腸道菌群紊亂和代謝物，從而改善了大鼠模型的膿毒癥的預后[53]。中成藥中如宣白承氣湯等也可通過調節(jié)機體的腸道菌群的組成，恢復腸道屏障，改善膿毒癥的炎癥以及由此引起的肺部等組織的損傷[54]。祖國醫(yī)學中足三里穴位針灸，通過調節(jié)腸道菌群及TLR 4/NF-κB/MyD 88 炎癥信號通路，抑制炎癥細胞凋亡，改善膿毒癥預后[55]。對于藥物以及物理治療方式在膿毒癥中治療作用的進一步研究對于伴有基礎疾病的膿毒癥患兒來說具有重要的臨床意義。

4 結語

多項研究證實了腸道菌群與兒童膿毒癥相關，調控腸道菌群的多種治療方式對膿毒癥具有重要意義，并推測對于膿毒癥易感人群及患者而言，進行腸道菌群的分析和調控可能是一種具有前景的診斷治療措施。但目前腸道菌群與兒童膿毒癥之間的相關性及具體的病理生理機制的研究仍較少，期待未來進一步拓展兒童膿毒癥、腸道菌群的組成和代謝之間相關性的研究，從調控的腸道微生態(tài)角度為膿毒癥易感人群及患者的預防及治療提供新的靶點。