基于炎癥性腸病腸道菌群多組學(xué)特征的治療策略

陶燕,李茂涓,繆應(yīng)雷

【提要】 炎癥性腸病(IBD)是一種胃腸道慢性非特異性炎癥性疾病，其確切的病因及發(fā)病機(jī)制不明。近來(lái)的研究顯示腸道菌群在其發(fā)病中起著關(guān)鍵作用，但腸道菌群?jiǎn)我唤M學(xué)的分析無(wú)法全面揭示IBD發(fā)病過(guò)程中腸道菌群的作用。多組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用能幫助我們更全面地發(fā)現(xiàn)IBD患者腸道菌群組成的改變及其在疾病發(fā)生發(fā)展過(guò)程中的作用，有助于挖掘潛在的治療靶點(diǎn)和制定有效的干預(yù)策略。因此，本文就目前IBD患者腸道菌群多組學(xué)方面的研究及治療策略進(jìn)行綜述。

炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)是一種胃腸道慢性非特異性炎癥性疾病，主要包括克羅恩(Crohn′s disease, CD)和潰瘍性結(jié)腸炎(ulcerative colitis, UC)。研究發(fā)現(xiàn)IBD的發(fā)病率在非洲、亞洲和南美洲等新興工業(yè)化地區(qū)穩(wěn)步增長(zhǎng)，在北美和歐洲趨于穩(wěn)定，甚至有減少的趨勢(shì)，但在全球其患病率仍然持續(xù)增加，已經(jīng)成為一種全球性疾病[1-2]。中國(guó)IBD發(fā)病率總體仍然低于歐洲及美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，但是流行病學(xué)研究顯示中國(guó)大陸IBD的發(fā)病率顯著增加[3]。其確切的病因及發(fā)病機(jī)制不明，但近年來(lái)的研究顯示腸道菌群及其代謝產(chǎn)物通過(guò)損傷腸道黏膜屏障和誘發(fā)機(jī)體免疫應(yīng)答在IBD中發(fā)揮關(guān)鍵作用[4]。然而腸道菌群?jiǎn)我唤M學(xué)的分析無(wú)法全面揭示IBD發(fā)病過(guò)程中腸道菌群的作用，多組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用能幫助我們更全面地發(fā)現(xiàn)IBD患者腸道菌群組成的改變及其在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，有助于挖掘潛在的治療靶點(diǎn)和制定有效的干預(yù)策略。因此，本文就目前IBD患者腸道菌群多組學(xué)方面的研究及治療策略進(jìn)行綜述。

1 IBD患者腸道菌群改變

早期基于糞便和黏膜活檢組織的16S核糖體RNA基因擴(kuò)增子序列的研究發(fā)現(xiàn)IBD患者的腸道菌群與健康人群相比存在顯著差異[5]。研究發(fā)現(xiàn)IBD患者腸道菌群中擬桿菌門、厚壁菌門、雙歧桿菌、乳桿菌的豐富度降低，變形桿菌、腸桿菌科增加[6-7]。但菌群失調(diào)在IBD發(fā)生發(fā)展中的因果關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。相關(guān)研究已運(yùn)用多組學(xué)方法對(duì)IBD患者腸道菌群的改變進(jìn)行測(cè)定，以下將從多組學(xué)角度分析IBD患者腸道菌群的特點(diǎn)。

1.1 IBD患者腸道菌群宏基因組學(xué)研究

Nishikawa J等[8]使用宏基因組測(cè)序?qū)θ祟惣S便樣本進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，與健康人群相比，IBD患者糞便微生物多樣性改變，主要表現(xiàn)為擬桿菌屬和厚壁菌屬減少，而放線菌屬和變形桿菌屬增加。此外，一項(xiàng)基于黏膜組織及糞便采樣的研究發(fā)現(xiàn)CD患者的腸道菌群中巴斯德桿菌、韋榮氏球菌、奈瑟氏菌、梭桿菌屬和大腸桿菌科豐度增加，擬桿菌屬、梭菌目、糞桿菌屬、羅氏菌屬、布勞特氏菌屬、瘤胃球菌和毛螺菌科的豐度降低[9]。Sokol H[10]等的研究發(fā)現(xiàn)，IBD患者腸道中普拉氏梭菌和人羅斯拜瑞氏菌通常減少，可使促炎細(xì)胞因子水平升高，促進(jìn)腸道炎癥的發(fā)生發(fā)展。

IBD患者腸道中大腸桿菌豐度的增加可能是由胃腸道壁的慢性炎癥導(dǎo)致氧化血紅蛋白在腸腔中釋放增加，產(chǎn)生大量不可發(fā)酵的硝酸鹽所致[11-12]。同時(shí)大腸桿菌可以粘附和侵襲上皮細(xì)胞，并在巨噬細(xì)胞內(nèi)繁殖，干擾細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)途徑，促進(jìn)IBD患者腸道炎癥加重[13]。

最新的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)IBD患者腸道菌群豐度異質(zhì)性最大的屬是鏈球菌屬，不同鏈球菌種之間、鏈球菌種與其他屬的種(如真細(xì)菌和韋榮氏球菌)之間都存在很大的豐度異質(zhì)性[14]。

此外，利用宏基因組學(xué)測(cè)序方法還觀察到IBD患者的微生物組的功能差異，尤其是在氨基酸、神經(jīng)遞質(zhì)和維生素的合成、礦物質(zhì)吸收調(diào)節(jié)和復(fù)雜碳水化合物的降解方面與健康人群具有明顯差異[15]。在CD患者中，發(fā)酵途徑減少，糖降解率升高，醌類生物合成增加形成了具有炎癥特征的微生物環(huán)境；UC患者產(chǎn)生丁酸鹽和乙酸鹽的途徑減少[16]。除了監(jiān)測(cè)IBD患者的腸道菌群的物種水平和功能特性外，進(jìn)行縱向研究來(lái)捕獲菌群特征及治療效果變化也極其重要。

1.2 IBD患者腸道菌群的元轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究

宏基因組學(xué)僅限于揭示微生物的功能潛力，未能揭示實(shí)際的功能活性。功能潛力并非總是與腸道菌群組成中的轉(zhuǎn)錄組表達(dá)成比例，即某些腸道細(xì)菌的宏基因組學(xué)豐度并不能完全預(yù)測(cè)其相對(duì)轉(zhuǎn)錄活性。Franzosa等[17]研究發(fā)現(xiàn)普拉氏梭桿菌、普通類桿菌、腐爛別樣桿菌等非高豐度物種，也常在轉(zhuǎn)錄途徑中發(fā)揮主導(dǎo)作用，這也提示測(cè)量實(shí)際功能活性的重要性，但是目前腸道微生物組功能活性的研究較少。

Schirmer M等[18]研究發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照者相比，IBD患者的魯米諾球菌豐度在RNA水平顯著增加，而在DNA水平僅輕度增加。其產(chǎn)生的促炎癥性多糖促進(jìn)樹突細(xì)胞分泌炎癥因子TNF-α，從而誘發(fā)胃腸道炎癥[19]。此外，與基因組學(xué)豐度相比，IBD患者轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)哈氏梭菌、鮑氏梭菌豐度的顯著增加也表明它們的作用可能比單一基因組學(xué)豐度的差異更明顯[20]，這突顯了IBD患者腸道菌群的實(shí)際功能活性和功能潛力之間的差異。但總體而言，在基因組學(xué)上更豐富的物種也傾向于貢獻(xiàn)更多的轉(zhuǎn)錄途徑。

1.3 IBD患者腸道菌群的代謝組學(xué)研究

IBD患者的腸黏膜、糞便中發(fā)現(xiàn)具有生物活性和重要功能的代謝產(chǎn)物及代謝途徑有所減少。通過(guò)將代謝組學(xué)與微生物分類學(xué)分析配對(duì)，可以發(fā)現(xiàn)與疾病相關(guān)的微生物與代謝之間有很強(qiáng)的聯(lián)系。

Sankarasubramanian J等[21]研究發(fā)現(xiàn)，CD患者的簡(jiǎn)單碳水化合物代謝途徑、乙醛酸和二羧酸代謝途徑及苯甲酸鹽降解途徑增加，抗壞血酸和谷胱甘肽代謝增加；UC患者與糖酵解和糖異生有關(guān)的代謝途徑及丙酮酸的代謝途徑增加。

此外，大量研究均觀察到IBD患者短鏈脂肪酸的減少。短鏈脂肪酸是重要的抗炎細(xì)菌代謝產(chǎn)物，可以激活G蛋白偶聯(lián)受體從而激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞，使黏膜免疫耐受增強(qiáng)及調(diào)節(jié)腸道B細(xì)胞的反應(yīng)[22]，還可以通過(guò)調(diào)節(jié)組蛋白去乙酰化酶(HDAC)抑制活性、基因表達(dá)、細(xì)胞增殖和免疫應(yīng)答影響宿主細(xì)胞，短鏈脂肪酸產(chǎn)生菌(普氏糞桿菌等)或短鏈脂肪酸本身的恢復(fù)可以減輕炎癥[23]。辛酸是一種具有抗菌和抗病毒特性的中鏈脂肪酸，在IBD患者中數(shù)量減少，與豐富的魯米諾球菌負(fù)相關(guān)[24]。

Weng YJ 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，石膽酸、鵝去氧膽酸鹽和?；鞘懰嵩贗BD患者中顯著減少，紅燈食烷菌與代謝物抗壞血酸硬脂酸酯呈負(fù)相關(guān)，梭狀芽孢桿菌、核梭形桿菌、奇異變形桿菌與鵝去氧膽酸鹽相關(guān)，核梭形桿菌還與氨基酸L-亮氨酸、鵝去氧膽酸及石膽酸相關(guān)，脆弱擬桿菌屬與抗壞血酸硬脂酸酯和25-(OH)-D3有關(guān)。

盡管代謝組學(xué)可以測(cè)量產(chǎn)生的實(shí)際代謝產(chǎn)物，但是大多數(shù)腸道代謝組均未鑒定，未鑒定的代謝物包含了以前未描述的微生物和疾病相關(guān)的生物學(xué)分子，而這些相關(guān)代謝產(chǎn)物與腸道菌群之間的相互作用尚不清楚，仍有待進(jìn)一步研究。

2 基于IBD患者腸道菌群特征的治療策略

2.1 IBD患者飲食與腸道菌群

飲食是影響腸道菌群組成的重要因素之一，膳食纖維可以刺激產(chǎn)生短鏈脂肪酸的菌群增加，且可以被代謝為短鏈脂肪酸，從而降低IBD發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[26]。西方飲食會(huì)使粘附-侵襲性大腸桿菌的易感性增強(qiáng)[27]，飲食中的脂肪通過(guò)促進(jìn)宿主膽汁酸成分的變化，可以改變腸道微生物組成的條件，從而導(dǎo)致菌群失調(diào)。高脂肪的攝入還可以降低產(chǎn)生亞硫酸鹽的病原菌豐富度及增加擬桿菌的含量[28]。富含血紅素鐵飲食的攝入增加可以使革蘭氏陰性菌(包括擬桿菌屬和阿克曼菌屬等)的豐富度增加[29]。氨基酸、膽固醇、脂質(zhì)和乳制品的攝入可以增加擬桿菌的含量，糖類和其他復(fù)雜碳水化合物的攝入則可增加普氏桿菌的含量[30]。

目前，由于缺乏足夠的數(shù)據(jù)和研究證據(jù)，沒(méi)有專門的營(yíng)養(yǎng)方案對(duì)所有CD和UC患者有效。但有研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，地中海飲食中的水果，蔬菜，紅酒、魚油，谷類和橄欖油等，可以提供維生素D、必需脂肪酸、礦物質(zhì)和纖維等營(yíng)養(yǎng)素，其攝入可以增加腸道菌群的多樣性，以防止IBD的發(fā)病機(jī)理中的菌群失調(diào)[31-32]。特殊碳水化合物飲食主要由單糖、固體蛋白質(zhì)和脂肪組成，可以通過(guò)調(diào)節(jié)腸道菌群促進(jìn)輕中度IBD患者臨床緩解[33]。因此，基于調(diào)節(jié)腸道菌群的適當(dāng)營(yíng)養(yǎng)成分飲食計(jì)劃可能是對(duì)抗IBD的有效治療策略，但還需要更多的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步研究特定飲食是否可以調(diào)節(jié)腸道菌群而誘導(dǎo)IBD患者炎癥減輕。

2.2 益生菌的應(yīng)用

益生菌是一種活的微生物，可以定植到腸道以阻止?jié)撛诘挠泻亩ㄖ?，維持腸道微生物平衡，增強(qiáng)腸道屏障功能，改善局部免疫應(yīng)答，給予適量益生菌對(duì)宿主的健康有益[34]。Kristensen等[35]研究發(fā)現(xiàn)益生菌不直接改變腸道微生物群，而是維持腸道穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而減輕腸道炎癥。一些益生菌會(huì)通過(guò)產(chǎn)生短鏈脂肪酸來(lái)降低腸道pH，從而抑制腸道致病性大腸桿菌的增殖[36]。

VSL#3是包含八種不同乳酸菌(嗜酸乳桿菌，保加利亞乳桿菌，干酪乳桿菌，植物乳桿菌，嗜熱鏈球菌，短雙歧桿菌，嬰兒雙歧桿菌和長(zhǎng)雙歧桿菌)的凍干制劑，具有抗炎作用[37]。最近的研究提出服用多菌株益生菌，如普拉氏梭桿菌、粘性雙歧桿菌，可減輕UC患者腸道炎癥[38]。此外，Praveschotinunt P等[39]的研究表明大腸桿菌Nissle1917菌株可以促進(jìn)腸道屏障功能和上皮的恢復(fù)，并增強(qiáng)對(duì)小鼠結(jié)腸炎的保護(hù)作用。

現(xiàn)有的證據(jù)更多是益生菌在誘導(dǎo)UC緩解方面具有一定的有效性，而對(duì)于益生菌誘導(dǎo)CD緩解的有效性和安全性并不確定，且益生菌是否直接影響腸道菌群尚有爭(zhēng)議。該領(lǐng)域需要設(shè)計(jì)良好的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)進(jìn)一步研究。將來(lái)針對(duì)與特定IBD表型相關(guān)的特定微生物變化來(lái)設(shè)計(jì)益生菌的組成，將會(huì)帶來(lái)更個(gè)性化、更有效的治療方法。

2.3 糞菌移植的應(yīng)用

糞菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)是將健康供體的糞便移植到IBD患者的腸道中，以改變IBD患者腸道菌群組成的一種治療方式。Imdad A等[40]納入了四項(xiàng)評(píng)估FMT治療UC的研究(277名參與者)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在第8周時(shí)，有37%(52/140)的FMT患者疾病緩解，而對(duì)照組僅為18%(24/137)，F(xiàn)MT使UC患者的臨床緩解率提高了2倍。

由于存在疾病異質(zhì)性，不同的UC患者對(duì)FMT的反應(yīng)情況并不一致[41]，但是在FMT后獲得緩解的患者中發(fā)現(xiàn)，其黏膜和糞便樣本中具有更大的微生物多樣性，短鏈脂肪酸生物合成水平和次級(jí)膽汁酸的產(chǎn)生增加[42]。

Sokol H等[43]關(guān)于FMT在CD中應(yīng)用的研究發(fā)現(xiàn)，部分患者接受FMT治療后，供體和受體菌群的相似性指數(shù)較低，表明單一的FMT可能不足以在這些患者中誘導(dǎo)顯著的變化，但在CD內(nèi)鏡下嚴(yán)重指數(shù)評(píng)分和CRP水平上觀察到FMT優(yōu)于對(duì)照組。

但我們還需要進(jìn)行更多該領(lǐng)域的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，并且根據(jù)IBD患者的腸道菌群組成的變化更好地選擇供體，未來(lái)可以根據(jù)供體及FMT之前患者黏膜或糞便樣本中細(xì)菌的豐度來(lái)預(yù)測(cè)FMT之后的菌種植入情況，以判斷療效。關(guān)于FMT用于治療IBD的安全性，以往研究發(fā)現(xiàn)，與FMT相關(guān)的常見不良反應(yīng)包括腹脹、腹瀉等胃腸道癥狀、與給藥途徑相關(guān)的誤吸、小腸穿孔，以及因并發(fā)中毒性巨結(jié)腸所致結(jié)腸切除及死亡等[44-46]。目前尚需更多的研究及臨床實(shí)踐確定FMT治療IBD患者的長(zhǎng)期安全性。

3 結(jié)論和展望

IBD患者多出現(xiàn)腸道微生物多樣性的降低和有害細(xì)菌數(shù)量的增加，說(shuō)明腸道菌群的改變?cè)贗BD的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。在未來(lái)，多組學(xué)技術(shù)可能通過(guò)識(shí)別IBD患者腸道菌群基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄水平和代謝組學(xué)改變來(lái)進(jìn)一步預(yù)測(cè)與IBD相關(guān)的宿主微生物變化。通過(guò)食用更多膳食纖維、應(yīng)用益生菌治療可誘導(dǎo)IBD患者疾病緩解。糞菌移植在一定程度上也可以誘導(dǎo)臨床緩解。此外，基于腸道菌群的治療干預(yù)措施，可以通過(guò)恢復(fù)菌群組成、促進(jìn)上皮屏障重建、促進(jìn)免疫耐受和組織愈合來(lái)誘導(dǎo)臨床緩解，關(guān)注疾病亞型之間與微生物群相關(guān)的顯著差異對(duì)于提高治療效果至關(guān)重要?？傊?，腸道微生態(tài)領(lǐng)域方面的研究，對(duì)于IBD的診斷、預(yù)測(cè)和治療具有重要意義。由于腸道微生態(tài)組成具有高度的個(gè)性化，所以未來(lái)的研究可能需要將焦點(diǎn)放在IBD患者的縱向跟蹤上，了解IBD患者中不同個(gè)體的微生物特征，并制定個(gè)性化的治療方案。