袁方婷，羅和生

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院消化內(nèi)科，武漢 430060)

人體的消化道含有復(fù)雜多變的微生物群，它是人體內(nèi)宿主、環(huán)境因素和人體抗原共同作用的最大界面之一(250～400 m2)[1]。健康人體由大約30萬億個(gè)細(xì)胞組成，居住著大約39萬億個(gè)細(xì)菌細(xì)胞，其中大多數(shù)為厭氧細(xì)菌，其豐度和多樣性從腸道近端向遠(yuǎn)端逐漸增加。腸道菌群對宿主的生理健康有顯著影響，它們將宿主攝入的食物代謝成一系列產(chǎn)物，包括三甲胺、膽汁酸和硫酸吲哚酯等，通過激活多種信號途徑參與宿主的生理活動(dòng)過程，從而成為人體物質(zhì)代謝的重要環(huán)節(jié)。腸道微生物數(shù)量和組成的變化，可能導(dǎo)致一系列疾病的出現(xiàn)。研究表明，心力衰竭患者腸道微生物群落的組成與健康人體有明顯差別[2]；腸道微生物異常的亞群與過敏原反應(yīng)之間的相互作用可能導(dǎo)致兒童早期對變應(yīng)性鼻炎和哮喘敏感[3]。另外，腸道微生物與糖尿病[4]、阿爾茨海默病[5]等疾病相關(guān)。同時(shí)，腸道微生物在消化系統(tǒng)中的研究也受到廣泛關(guān)注，希望通過對其組成、功能以及致病機(jī)制的研究，有助于消化系統(tǒng)疾病的預(yù)防和治療?，F(xiàn)就腸道微生物在消化系統(tǒng)疾病中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 腸道微生物與腸易激綜合征

腸易激綜合征(irritable bowel syndrome，IBS)是一種常見的功能性胃腸道疾病，其以腹痛或腹部不適伴排便習(xí)慣改變?yōu)橹饕Y狀。IBS缺乏形態(tài)學(xué)和生化學(xué)的異常改變，根據(jù)臨床癥狀，其主要分為腹瀉型、便秘型及腹瀉便秘交替型。

研究表明，與健康個(gè)體相比，IBS患者體內(nèi)存在不同程度的微生物代謝失調(diào)，如腸道菌群的豐度、穩(wěn)定性及代謝活性等[6]。Malinen等[7]首次報(bào)道了IBS患者糞便群中雙歧桿菌、球蟲梭菌數(shù)量較健康對照組明顯減少，且腹瀉型IBS亞組乳酸桿菌數(shù)量明顯低于便秘型IBS組。此外，藍(lán)藻豐度的增加與腹感、腹脹以及胃腸癥狀的IBS總評分增加有關(guān)，蛋白質(zhì)細(xì)菌豐度與疼痛閾值增加有關(guān)[8]。腸道菌群失調(diào)可以導(dǎo)致胃腸道功能紊亂[9]，而一種含有乳酸菌和雙歧桿菌的益生菌混合物能改善腹瀉型IBS患者的整體癥狀和糞便性狀[10]。

腸道微生物群的改變可能與IBS患者個(gè)體行為的改變有關(guān)，如焦慮、抑郁等。Sudo等[11]證明，與常規(guī)微生物定植小鼠相比，無菌小鼠表現(xiàn)出較高的應(yīng)激激素反應(yīng)。其中，促腎上腺皮質(zhì)激素釋放因子是應(yīng)激的主要神經(jīng)調(diào)節(jié)因子，其通過影響下丘腦-垂體-腎上腺軸引起個(gè)體內(nèi)分泌、行為變化[12]，而益生菌能夠減少應(yīng)激引起的焦慮和抑郁相關(guān)行為[13]。

腸動(dòng)力改變是IBS的一大特征。研究證實(shí)，腹瀉型IBS的結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間可能縮短，而便秘型IBS的結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間可能延長[14]。同時(shí)，IBS患者存在短鏈脂肪酸(short chain fatty acids，SCFAs)水平異常[15-16]，且不同亞型IBS中SCFAs水平存在差異。其中，腹瀉型IBS患者大便內(nèi)揮發(fā)性代謝產(chǎn)物水平明顯升高，特別是SCFAs[17]。在便秘型IBS患者中，SCFAs水平明顯下降[16]。SCFAs是由宿主體內(nèi)的抗性膳食淀粉和非淀粉多糖經(jīng)結(jié)腸微生物發(fā)酵產(chǎn)生，其通過與黏膜特定的受體結(jié)合，調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放，如刺激腸道腸嗜鉻樣細(xì)胞黏膜分泌5-羥色胺、肽YY，從而調(diào)節(jié)腸道運(yùn)動(dòng)[18]。研究認(rèn)為，IBS患者存在結(jié)腸異常發(fā)酵情況，且SCFAs水平與結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)；結(jié)腸過度發(fā)酵產(chǎn)生大量SCFAs可能導(dǎo)致結(jié)腸收縮增強(qiáng)，結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間縮短[16]。同時(shí)，結(jié)腸轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間與腸道微生物組成、多樣性和代謝有關(guān)，并伴隨結(jié)腸代謝從碳水化合物發(fā)酵向蛋白質(zhì)分解代謝的轉(zhuǎn)變[19]。

腸屏障功能受損是IBS的另一個(gè)特點(diǎn)，而共生菌被認(rèn)為是腸道屏障功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子。大腸桿菌作為一種共生菌，不僅增加了細(xì)胞骨架中ZO-2蛋白的表達(dá)，還增加了ZO-2蛋白在體外從胞質(zhì)到細(xì)胞邊界的再分布，說明共生菌可能通過調(diào)節(jié)緊密連接蛋白直接影響上皮屏障[20]。在正常情況下，共生菌是被Toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)識別，微生物起源的脂多糖和肽聚糖激活各自的受體(TLR4和TLR2)，它們在維持腸上皮內(nèi)穩(wěn)態(tài)中起重要作用。此外，共生菌群激活TLRs對于保護(hù)腸道損傷和死亡至關(guān)重要[21]。研究發(fā)現(xiàn)，免疫球蛋白A除了具有防御作用外，還可通過促進(jìn)細(xì)菌的黏膜定植產(chǎn)生宿主-微生物共生的狀態(tài)[22]，而脆弱類桿菌調(diào)節(jié)其表面結(jié)構(gòu)以結(jié)合免疫球蛋白A，這對于腸道微生物的黏膜定植是必需的。文獻(xiàn)報(bào)道，益生菌鼠李糖乳桿菌可在葡聚糖硫酸鈉誘導(dǎo)的結(jié)腸炎上皮細(xì)胞中產(chǎn)生活性氧，促進(jìn)細(xì)胞更新并增強(qiáng)黏膜修復(fù)[23]，提示腸道菌群對腸上皮細(xì)胞的再生具有調(diào)節(jié)作用[24]。

2 腸道微生物與炎性腸病

炎性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)以潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis，UC)和克羅恩病(Crohn′s disease,CD)為主要表現(xiàn)，屬于一種慢性復(fù)發(fā)性腸道炎癥性疾病。其全球發(fā)病率逐年上升，但病因尚未明確。IBD遺傳學(xué)指出了免疫系統(tǒng)與IBD微生物學(xué)之間的相互作用。CD易感基因是一個(gè)核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域[25]，它是由革蘭陽性菌和革蘭陰性菌組成的細(xì)胞壁肽聚糖，能夠刺激機(jī)體產(chǎn)生免疫反應(yīng)；該寡聚結(jié)構(gòu)域主要在腸隱窩底部回腸末端的Paneth細(xì)胞中表達(dá)，并產(chǎn)生抗菌防御素[26]；且攜帶核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域突變的IBD患者黏膜黏附細(xì)菌數(shù)量增加，抗炎細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-10的轉(zhuǎn)錄水平降低[27]。另外，革蘭菌通過參與宿主細(xì)胞的應(yīng)激過程，誘導(dǎo)細(xì)胞死亡和分化、上皮屏障破壞和炎癥反應(yīng)，從而參與IBD的發(fā)病過程。

研究發(fā)現(xiàn)，與正常對照者相比，活動(dòng)期及緩解期CD和UC患者的擬桿菌水平均明顯降低，且活動(dòng)期CD和UC患者的擬桿菌水平低于緩解期[28]。此外，一項(xiàng)系統(tǒng)性回顧性分析表明，與緩解期相比，活動(dòng)期IBD患者腸道內(nèi)的球形梭菌、柔嫩梭菌、普拉梭菌及雙歧桿菌等細(xì)菌水平較低，提示微生物的失調(diào)可能與IBD的活動(dòng)有關(guān)，且CD患者與UC患者之間可能存在差異[29]。在IBD中，腸道黏膜的損傷修復(fù)極其常見，而腸道微生物在調(diào)節(jié)腸道修復(fù)和再生過程中起至關(guān)重要的作用，它可作用于腫瘤壞死因子-α、活性氧和氮、基質(zhì)金屬蛋白酶及其他物質(zhì)，達(dá)到恢復(fù)腸道健康的目的[30]，這可解釋活動(dòng)期和緩解期IBD患者體內(nèi)不同水平的微生物區(qū)系。

同時(shí)，IBD患者腸道中還存在有益共生菌的流失，這增加了腸道炎癥的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。普拉梭菌是人體腸道中最豐富的厭氧菌之一，它是一種經(jīng)腸道微生物分析鑒定的抗炎共生菌[31]，可以為結(jié)腸肌細(xì)胞提供能量，維持腸道健康。在IBD患者中，糞便中較低豐度的普拉梭菌與術(shù)后炎癥復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)呈正相關(guān)[32-33]。且在新診斷患有CD的兒童糞便和腸黏膜樣本中也觀察到了微生物的變化，表明腸道菌群的失調(diào)可能出現(xiàn)臨床疾病發(fā)生之前[34]。

許多益生菌在IBD中的作用已被研究，它們可通過調(diào)節(jié)微生物區(qū)系和減輕腸道失調(diào)改善腸道功能[35]。糞菌移植的目的是通過轉(zhuǎn)移健康供體的腸道微生物來恢復(fù)疾病個(gè)體的腸道微生物菌群。近年來，糞菌移植作為IBD的一種新治療策略引起了人們的廣泛關(guān)注。有學(xué)者分別給予活動(dòng)性UC患者糞菌移植或安慰劑治療，結(jié)果顯示糞菌移植組的緩解率明顯高于安慰劑組[36-37]。Zhou等[38]發(fā)現(xiàn)，人類糞便微生物區(qū)系中含有具有無創(chuàng)性評價(jià)IBD嚴(yán)重程度和治療效果的通用生物標(biāo)志物，因此腸道微生物群具有為IBD患者分層和個(gè)性化治療以獲得最佳療效的潛力。

3 腸道微生物與非酒精性脂肪肝

非酒精性脂肪肝(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)是一種常見的疾病，其以肝臟中脂肪的積累為病變特點(diǎn)，是代謝綜合征在肝臟的主要表現(xiàn)形式，常與肥胖、胰島素抵抗和血脂異常有關(guān)[39]。研究證明，腸道微生物在葡萄糖和脂類代謝調(diào)節(jié)中起重要作用，并參與了代謝綜合征和NAFLD的發(fā)展[40]。飲食習(xí)慣可以改變腸道微生物組分，導(dǎo)致腸道微生物群失調(diào)，而腸道微生物群作為一種生物反應(yīng)器，具有自主的代謝和免疫功能，其能夠介導(dǎo)宿主環(huán)境對外界刺激的反應(yīng)，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，腸道微生物的過度反應(yīng)可導(dǎo)致肝臟受損[41]。

Mouzaki等[42]對50例受試者(其中22例為NAFLD患者)進(jìn)行了調(diào)查，以了解肥胖和菌群失調(diào)的相關(guān)性，結(jié)果顯示細(xì)菌種類百分比與NAFLD的存在成反比，這證實(shí)了腸道菌群在NAFLD中的可能作用。據(jù)報(bào)道，小腸細(xì)菌過度生長與NAFLD高度相關(guān)，其可促進(jìn)疾病的發(fā)生發(fā)展[43]。Loomba等[44]通過對經(jīng)肝活檢證實(shí)的NAFLD患者進(jìn)行腸道細(xì)菌種類的鑒定，從而區(qū)分這些患者的肝臟纖維化程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)晚期纖維化與蛋白菌、大腸桿菌數(shù)量的增加及硬壁菌門數(shù)量的減少有關(guān)，表明可以使用微生物標(biāo)記來準(zhǔn)確診斷NAFLD的晚期纖維化。

膽汁酸是腸道細(xì)菌的代謝產(chǎn)物。研究者發(fā)現(xiàn)，NAFLD患者中的膽酸和鵝脫氧膽酸水平是對照者的2.4倍[45]；在一項(xiàng)多中心隨機(jī)試驗(yàn)中，Neuschwander-Tetri等[46]研究了巴比妥酸(膽汁酸衍生物，激活膽汁酸受體)在NAFLD患者中的作用，并根據(jù)NAFLD的肝活檢活動(dòng)進(jìn)行評分發(fā)現(xiàn)，NAFLD的組織學(xué)特征有所改善。同時(shí)，腸道微生物對膽堿代謝的調(diào)節(jié)也與NAFLD有關(guān)。腸道微生物群在調(diào)節(jié)膽堿和膽堿的厭氧降解中起重要作用[47]，且低膽堿飲食已被證明與NAFLD的發(fā)展有關(guān)[48]。膽堿水平影響了腸道微生物組成，膽堿缺乏導(dǎo)致革蘭陰性菌、革馬蛋白菌和鱗毛菌水平升高，這些微生物與肝臟脂肪水平的升高有關(guān)[49]，而革蘭陰性菌含有脂多糖，其可促進(jìn)慢性炎癥、代謝功能障礙、胰島素抵抗和糖尿病[50-51]。

另有學(xué)者研究了以糖化紅茶為原料經(jīng)微生物發(fā)酵制得的kombucha茶在NAFLD發(fā)生發(fā)展過程中對腸道微生物區(qū)系的影響，證明腸道微生物區(qū)系的變化受kombucha茶攝入量的影響，并有助于對抗NAFLD[52]；此外，原花青素B2可通過腸道微生物抑制飲食誘導(dǎo)的肥胖，從而發(fā)揮對NAFLD的保護(hù)作用[53]。

4 腸道微生物與結(jié)直腸癌

研究指出，DNA聚合酶γ的甲基化和沉默發(fā)生在小鼠結(jié)腸炎相關(guān)的結(jié)直腸癌模型早期，且DNA聚合酶γ是負(fù)責(zé)線粒體DNA修復(fù)、復(fù)制和維持線粒體數(shù)量的唯一線粒體DNA聚合酶，其與線粒體水平下降、線粒體代謝改變和抗氧化應(yīng)激有關(guān)[54]，而線粒體是對微生物學(xué)信號反應(yīng)最靈敏的細(xì)胞器[55]，腸道微生物作為線粒體功能的動(dòng)態(tài)中樞調(diào)節(jié)因子，發(fā)揮著重要作用[56]。腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)物膽酸和鵝脫氧膽酸可以通過還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶、Na+，K+-ATP酶、細(xì)胞色素P450、Ca2+和線粒體終末呼吸復(fù)合體等物質(zhì)誘導(dǎo)癌細(xì)胞線粒體氧化應(yīng)激并激活核因子κB，而核因子κB的激活與細(xì)胞凋亡的抑制有關(guān)，這為抑制結(jié)腸癌的發(fā)展提供了可能，并為預(yù)防結(jié)腸癌的發(fā)生發(fā)展提供了新靶點(diǎn)[57]。

此外，含有不可消化多糖的飲食可通過SCFAs介導(dǎo)抗炎作用，從而降低結(jié)直腸癌的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[58]。人大腸癌細(xì)胞株經(jīng)丁酸鹽處理后，細(xì)胞增殖減少，凋亡細(xì)胞死亡增加，提示SCFAs可能具有抑制癌細(xì)胞的作用[59]。然而研究發(fā)現(xiàn)，TLRs可以識別微生物中的多種分子，促進(jìn)腫瘤的發(fā)生，其中TLR4的過度表達(dá)導(dǎo)致β聯(lián)蛋白激活和結(jié)腸炎相關(guān)癌癥的發(fā)展，而抑制TLR4表達(dá)對結(jié)直腸癌有保護(hù)作用[60]；同時(shí)，與周圍正常組織相比，大腸癌組織中的TLR2、4、7、8、9蛋白水平明顯升高[61]。

5 腸道微生物與胃癌

聚合酶鏈反應(yīng)結(jié)果表明，胃癌的發(fā)生可能與多種微生物的減少有關(guān)，如卟啉單胞菌、奈瑟菌、淡色前桿菌、鏈球菌等，同時(shí)富集大腸桿菌、肺炎克雷伯菌、鮑曼不動(dòng)桿菌、馬氏菌科等[62-63]；其中，幽門螺桿菌(Helicobacter pylori，Hp)與胃癌的發(fā)生發(fā)展緊密相關(guān)，鼠李糖乳桿菌可以減輕Hp感染引起的胃部炎癥[64]。Gao等[65]證明了糞便微生物區(qū)系的改變，特別是細(xì)菌、原桿菌和蛋白菌，可能參與了Hp相關(guān)性胃癌病變的發(fā)展過程，并為進(jìn)一步評價(jià)Hp根除后的微生物變化提供了線索。此外，由Hp衍生的致病成分，如外膜蛋白、磷脂酶C、Bak蛋白和鎳結(jié)合蛋白等，協(xié)助微生物在胃黏膜層定植，進(jìn)而促進(jìn)胃炎的進(jìn)程，最終增加胃內(nèi)腫瘤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[66]。

在一項(xiàng)長期隨訪中，早期胃癌患者胃大部切除術(shù)后代謝綜合征和2型糖尿病的發(fā)生率低于對照組；在代謝改善的同時(shí)，經(jīng)胃切除術(shù)后的腸道微生物的豐富度和多樣性也顯著增加[67]。此外，一項(xiàng)隨機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，益生菌聯(lián)合應(yīng)用可顯著增強(qiáng)胃癌患者胃大部切除術(shù)后的免疫反應(yīng)，并通過改變腸道微生物來減輕炎癥的嚴(yán)重程度[68]。

6 腸道微生物與胰腺癌

胰腺是胃外的消化器官，胰管腺癌是最致命的胰腺癌之一，也是最常見的胰腺癌類型。研究表明，微生物產(chǎn)生輕微和持續(xù)的免疫反應(yīng)和炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致胰腺癌的形成[69]。Hp感染使得胰腺細(xì)胞過度分泌白細(xì)胞介素-8，白細(xì)胞介素-8水平的升高加速炎癥反應(yīng)；同時(shí)，Hp感染激活核因子κB和激活蛋白-1，導(dǎo)致細(xì)胞生理活動(dòng)的失調(diào)，兩者共同誘導(dǎo)胰腺癌的發(fā)生[70]。K-ras基因在正常組織信號傳遞中起重要作用，而K-ras基因的突變在90%以上的胰腺癌中存在[71]。Hp的脂多糖可引起K-ras基因的過度突變，促使胰腺癌的發(fā)生[72-73]。此外，Hp感染導(dǎo)致信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3持續(xù)激活，信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3可調(diào)控胰腺癌細(xì)胞中基質(zhì)金屬蛋白酶7的表達(dá)，而基質(zhì)金屬蛋白酶7可以增加腫瘤細(xì)胞的增殖和侵襲[74]。

Fan等[75]證明了口腔微生物區(qū)系可能在胰腺癌的發(fā)病中起作用；T2R38是一種苦味受體，其不僅在口腔細(xì)胞中表達(dá)，也在胰腺癌細(xì)胞中表達(dá)。而銅綠假單胞菌是T2R38的獨(dú)特配體，它能激活T2R38，誘導(dǎo)多藥耐藥蛋白1的產(chǎn)生，并參與腫瘤的侵襲和轉(zhuǎn)移[76]。此外，8.8%的胰腺癌組織中存在鐮刀菌屬，鐮刀菌屬是胰腺癌的一個(gè)獨(dú)立的陰性預(yù)后生物標(biāo)志物[77]。

7 腸道微生物與Barrett食管

研究表明，遠(yuǎn)端食管的微生物群主要來源于口腔菌群[78]。食管菌群組成在正常食管、反流性食管炎和Barrett食管條件下存在差異，且不同的細(xì)菌群落可能與食管疾病有關(guān)[79]。

在Barrett食管患者中分離到的細(xì)菌種類較非Barrett食管患者的范圍更廣，表明與反流相關(guān)的Barrett食管患者的微生物多樣性可能增加[80]，且Barrett食管患者中硝酸鹽還原性彎曲菌的出現(xiàn)可能與食管癌形成過程的起始、維持或惡化有關(guān)[81]。Yang等[82]在一項(xiàng)包括34例Barrett食管、反流性食管炎患者和健康志愿者的橫斷面研究中，全面定義了與反流相關(guān)的微生物群。結(jié)果表明，食管微生物可分為兩類：Ⅰ型微生物群以鏈球菌屬為主，集中在正常食管的表型中；Ⅱ型微生物群含有較高比例的革蘭陰性厭氧菌或嗜氧微生物，主要與食管炎和Barrett食管有關(guān)[82]。文獻(xiàn)報(bào)道，革蘭陰性微生物特有的細(xì)菌抗原脂多糖，會(huì)促進(jìn)組織炎癥，誘導(dǎo)核因子κB表達(dá)增加，在許多組織炎癥反應(yīng)中起核心作用，并在Barrett食管到食管癌的光譜中表達(dá)增加[83-84]。在動(dòng)物研究中，脂多糖被證明可以松弛食管下括約肌[85]和延緩胃排空[86]，這是導(dǎo)致人類胃食管反流的重要機(jī)制。此外，革蘭陰性菌還可將飲食中的硝酸鹽還原為亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽又可在Barrett食管的賁門和食管遠(yuǎn)端的酸性環(huán)境中成為致癌的亞硝基化合物[87]。

8 小 結(jié)

“人類微生物組項(xiàng)目”和“人類腸道元基因組計(jì)劃”實(shí)施后，腸道微生物在機(jī)體生命活動(dòng)過程中的作用受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。腸道微生物是機(jī)體不可忽略的組成部分，對人體健康有重要作用，其改變不僅與胃腸道癥狀有關(guān)，還與神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等相關(guān)。目前，可通過益生菌或抗生素以及進(jìn)食可發(fā)酵碳水化合物的治療來改變腸道微生物組成，進(jìn)而改善胃腸道癥狀。因此，未來對腸道微生物與消化系統(tǒng)疾病的深入研究，有望為與微生物相關(guān)疾病的治療提供新途徑，并使相關(guān)藥物早日應(yīng)用于臨床。