腸道微生物在炎癥性腸病發(fā)病和精準(zhǔn)診治中的價值

2022腸道微生物在炎癥性腸病發(fā)病和精準(zhǔn)診治中的價值（全文）摘要炎癥性腸?。↖BD）是一種胃腸道慢性非特異性炎癥性疾病，其發(fā)病機制尚未完全明確，腸道微生物及其代謝產(chǎn)物在IBD發(fā)病過程中發(fā)揮了重要作用。IBD不同疾病分型和疾病活動期時的腸道內(nèi)微生物組成不盡相同，而腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物（如短鏈脂肪酸、膽汁酸、色氨酸代謝物等）參與了機體的重要免疫調(diào)控效應(yīng)。近年來，隨著多組學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，通過對腸道微生物及其代謝產(chǎn)物的分析可進一步闡明IBD發(fā)病機制，用于診斷和鑒別診斷、疾病嚴(yán)重程度的評估、個體化藥物的遴選，以及藥物療效和失應(yīng)答、并發(fā)癥、預(yù)后和轉(zhuǎn)歸的判斷等，通過調(diào)整腸道微生態(tài)、選擇特異性的微生物種屬或外源性補充適量的腸道微生物代謝產(chǎn)物亦有望助力于IBD的臨床治療。炎癥性腸病（inflammatoryboweldisease，IBD）是一種胃腸道慢性非特異性炎癥性疾病，發(fā)病機制尚未完全明確°IBD主要包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerativecoliti，sUC），臨床癥狀常表現(xiàn)為腹痛、腹瀉、黏液膿血便等，傳統(tǒng)藥物治療無法長期有效維持臨床緩解，疾病復(fù)發(fā)率高，并且面臨腸道致殘、致癌的風(fēng)險，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量和工作，給家庭和社會帶來沉重的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)［1］。正常生理情況下，人體腸腔內(nèi)棲居著大量微生物，主要包含細(xì)菌、病毒、真菌和寄生蟲等，這些腸道微生物不僅可幫助機體消化食物、抵抗感染、調(diào)節(jié)局部免疫反應(yīng)，而且還編碼了多種功能基因，發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，對人體基因組的功能起補充作用。然而，腸道微生物、腸上皮屏障、免疫細(xì)胞又構(gòu)成了一套復(fù)雜多樣的腸道微生態(tài)系統(tǒng)，直接參與腸黏膜固有性和獲得性免疫應(yīng)答，引起一系列病理生理反應(yīng)，如誘發(fā)IBD、腫瘤、腹瀉、感染、肥胖、代謝異常和神經(jīng)病變等［2］?，F(xiàn)通過分析近年來腸道微生物對IBD影響的相關(guān)研究進展，以更深入地闡明腸道微生物在IBD病理生理過程和精準(zhǔn)診治中的價值，為臨床診治提供新的理論依據(jù)和幫助。IBD發(fā)生時腸道微生物的特征變化人類腸道微生物的組成與性別、分娩方式、幼時喂養(yǎng)方式、飲食習(xí)慣、抗生素的使用情況、是否飼養(yǎng)寵物等密切相關(guān)°IBD患者的腸道微生物組群特別是微生物多樣性和特定菌群的相對豐度與健康個體明顯不同，IBD患者潛在病原體的擴增可能造成患者腸道內(nèi)整體微生物成分變化，即腸道特定微生物種的豐度增高或降低。一項回顧性研究證實孕期或嬰兒期使用抗生素會增加極早期(veryearlyonset)IBD勺發(fā)病風(fēng)險，說明腸道微生物失衡與IBD的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)［3］。一項關(guān)于兒童回腸型克羅恩病的糞便樣本研究發(fā)現(xiàn)，克羅恩病患兒的糞便放線菌門(Actinobacteria)和變形菌門(Proteobacteria)豐度增高，早期克羅恩病患兒的糞便腸桿菌科細(xì)菌如黏附性、侵襲性大腸埃希菌豐度均增高［4］。成人IBD患者糞便中擬桿菌門(Bacteroides)和厚壁菌門(Firmicutes)尤其是可產(chǎn)生短鏈脂肪酸(short-chaifattyacid,SCFA)的乳酸桿菌(Lactobacillus的豐度則降低［5］。此外，有研究證實克羅恩病患者糞便中糞桿菌屬普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii^豐度降低，并且與疾病復(fù)發(fā)密切相關(guān)，將普拉梭菌移植入二硝基苯磺酸誘導(dǎo)的實驗性結(jié)腸炎小鼠體內(nèi)可緩解腸黏膜炎癥的發(fā)生、發(fā)展；該研究還給予二硝基苯磺酸誘導(dǎo)的實驗性結(jié)腸炎小鼠乳酸乳球菌制劑(食品級)灌胃治療，這種微粒體承載了普拉梭菌的部分抗炎分子的作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)小鼠結(jié)腸炎癥減輕，這也進一步說明普拉梭菌在腸道炎癥反應(yīng)中起重要的保護作用［6］。UC患者糞便菌群組分的變化直接影響腸黏膜局部的炎癥反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，通過體外利用UC患者糞便上清液刺激活化健康人群來源的樹突狀細(xì)胞(dendriticcellDC)，將活化后的DC與幼稚CD4陽性T細(xì)胞共培養(yǎng)的方式可促進幼稚CD4陽性T細(xì)胞向輔助性丁細(xì)胞(helperTce，lTh)2分化，并且分化能力與UC患者疾病活動度密切相關(guān)［7］。有研究比較了80例成年UC患者腸黏膜組織炎癥部位和非炎癥部位的微生物組分，結(jié)果發(fā)現(xiàn)擬桿菌屬(Bacteroides)和念珠菌屬(Candida)的豐度升高，而且同一例患者腸黏膜組織炎癥部位與非炎癥部位的腸道微生物組成高度一致，與是否為炎癥部位無密切關(guān)系，這可能與研究者取材時所取腸黏膜部位接近有關(guān)［8LIBD易感基因缺陷患者也存在一定程度的腸道微生物變化。半胱天冬酶募集結(jié)構(gòu)域蛋白9(caspaserecruitmentdomainfamilymember9，CARD9)基因缺陷的IBD患者腸道乳酸菌代謝色氨酸的能力明顯減弱，最終影響吲哚相關(guān)芳香烴受體(aromatichydrocarbonreceptor,AhR)信號通路的活化，白細(xì)胞介素(interleukinIL)-22的產(chǎn)生減少［9］。由此可見，腸道微生物的組分改變影響了IBD的活動度、疾病進展、疾病分類和分型，也調(diào)控了局部微生物的豐度。腸道微生物代謝產(chǎn)物對腸道黏膜免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)控近年來，越來越多的證據(jù)表明，腸道微生物產(chǎn)生的大量代謝產(chǎn)物可參與宿主的免疫調(diào)節(jié)，如SCFA、膽汁酸和色氨酸等，在IBD的發(fā)生、發(fā)展過程中均有重要作用［10］。SCFA:SCFA主要由食物中纖維成分經(jīng)腸道菌群酵解產(chǎn)生，生理情況下腸道內(nèi)含量較多的SCFA包括乙酸、丙酸和丁酸，具有強大的抗炎和免疫調(diào)節(jié)功能。既往對健康人群與IBD患者的糞便代謝組學(xué)分析結(jié)果顯示，IBD患者各種SCFA含量均低于健康對照者［11］。有研究表明乙酸可通過G蛋白偶聯(lián)受體(G-proteincoupledreceptor，GPR)43信號通路促進腸道B細(xì)胞產(chǎn)生免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)A［12,13］。無特定病原體小鼠服丙酸或丁酸后，結(jié)腸黏膜固有層組織內(nèi)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞比例升高［14］。丁酸可通過活化Th1中的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活因子3信號通路，激活Blimp1蛋白，促進IL-10的產(chǎn)生［15］。丁酸還可通過游離脂肪酸受體2基因編碼的GPR43作用于巨噬細(xì)胞，抑制下游基因表達(dá)的組蛋白脫乙酰酶(histonedeacetylaseHDAC)活性，促進具有抗菌活性的巨噬細(xì)胞分化［16］。此外，丁酸可通過激活GPR41和抑制HDAC共同促進CD4陽性T細(xì)胞和固有樣淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22,參與維持腸道黏膜穩(wěn)態(tài)［17］。筆者團隊最新研究發(fā)現(xiàn)丁酸可通過抑制IBD患者中性粒細(xì)胞向腸黏膜炎癥組織內(nèi)遷移，減少炎癥介質(zhì)如IL-10、IL-6、腫瘤壞死因子-a(tumornecrosisfactor-a，TNF-a)的產(chǎn)生，以及中性粒細(xì)胞胞外捕獲網(wǎng)(neutrophilextracellulartr的形成等，維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)［18］。由此可見，SCFA主要通過影響機體固有性和適應(yīng)性免疫應(yīng)答發(fā)揮免疫保護效應(yīng)，外源性補充SCFA對腸道炎癥有一定的治療效果。膽汁酸：膽汁酸是膽固醇分解代謝產(chǎn)生的小分子物質(zhì)。膽固醇在肝臟合成的初級膽汁酸(primarybileacid，PBA)主要包括膽酸和鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholicacid，CDCA)。少部分膽汁酸在腸道細(xì)菌的作用下生成次級膽汁酸(secondarybileacidSBA)，主要包括脫氧膽酸、石膽酸和少量熊脫氧膽酸(ursodeoxycholicacid，UDCA)。IBD患者與健康對照者糞便樣本的代謝組學(xué)和宏基因組學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，IBD患者糞便中的PBA如膽酸和CDCA的豐度高于健康對照者，而SBA如石膽酸和脫氧膽酸的豐度降低，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義均P<0.05)［19］。Biagioli等［20］研究發(fā)現(xiàn)石膽酸和脫氧膽酸可通過激活G蛋白膽汁酸偶聯(lián)受體5促進M1型巨噬細(xì)胞向M2型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化，抑制TNF-a和IL-10的轉(zhuǎn)錄，并誘導(dǎo)IL-10表達(dá)，從而改善2,4，6-三硝基苯磺酸或惡唑酮誘導(dǎo)的實驗性結(jié)腸炎小鼠模型的腸道炎癥°SBA及其衍生物可通過法尼醇X受體作用于DC，進而促進腸道細(xì)胞叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子3（forkheadboxtranscriptionfactorFoxp3）陽性調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化［21］。既往研究報道石膽酸的2種不同衍生物3-氧代石膽酸和異別石膽酸可作為T細(xì)胞調(diào)節(jié)劑發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)，其中3-氧代石膽酸通過結(jié)合關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子視黃酸受體相關(guān)孤兒受體Yt抑制Th17增殖分化，而異別石膽酸通過產(chǎn)生線粒體活性氧增強調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的分化，上調(diào)Foxp3的表達(dá)［22］。此外，脫氧膽酸和石膽酸以劑量依賴性方式抑制人腸上皮細(xì)胞系Caco-2細(xì)胞中IL-鄧誘導(dǎo)的IL-8分泌［23］，并可作用于腸道干細(xì)胞的G蛋白膽汁酸偶聯(lián)受體5促進小鼠腸上皮細(xì)胞再生［24］。因此，腸道微生物、膽汁酸和免疫系統(tǒng)之間存在緊密的三方互作關(guān)系。通過益生菌干預(yù)調(diào)控腸道膽汁酸變化有可能用于改善腸道炎癥，已成為當(dāng)前臨床研究的熱點［25］。3.色氨酸：色氨酸是人體必需的芳香族氨基酸，其代謝途徑分為宿主途徑（犬尿氨酸和5-羥色胺途徑）和微生物途徑吲哚途徑）。研究發(fā)現(xiàn)IBD患者血清與結(jié)腸黏膜組織中色氨酸及其代謝產(chǎn)物水平均低于健康對照組［26］。色氨酸經(jīng)腸道微生物代謝產(chǎn)生的一系列吲哚代謝產(chǎn)物主要包括吲哚-3-乙酸、吲哚-3-乙醛、吲哚丙烯酸和吲哚-3-丙酸等，其中一些代謝產(chǎn)物可作為配體參與調(diào)節(jié)AhR的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。AhR調(diào)控腸黏膜組織內(nèi)免疫細(xì)胞的招募和細(xì)胞因子表達(dá)，在IBD的發(fā)生過程中至關(guān)重要。有研究表明，AhR抑制IL-17介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，從而抑制UC的發(fā)生和發(fā)展，AhR基因缺陷的調(diào)節(jié)性T細(xì)胞中Th1相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，AhR基因缺陷小鼠腸道IL-22分泌減少，導(dǎo)致其結(jié)腸炎癥加重［27,28］。既往研究報道吲哚-3-丙酸可誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞中IL-10受體1的表達(dá)，從而穩(wěn)定腸道黏膜屏障功能［29］。一項研究顯示，吲哚-3-丙酸通過抑制多形核白細(xì)胞中髓過氧化物酶的活性減輕腸道炎癥造成的組織損傷［30］。吲哚-3-丙酸還可通過孕烷X受體和Toll樣受體4下調(diào)腸上皮細(xì)胞介導(dǎo)的TNF-a表達(dá)，同時上調(diào)緊密連接蛋白的表達(dá)，改善腸道黏膜炎癥反應(yīng)，調(diào)節(jié)腸道黏膜屏障功能［31］。隨著代謝組學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，腸道菌群代謝產(chǎn)物相關(guān)的研究日益增多，這些代謝產(chǎn)物通過各種途徑與腸道免疫細(xì)胞、上皮細(xì)胞等相互作用，共同維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)。腸道菌群代謝產(chǎn)物作用新機制的不斷發(fā)現(xiàn)可能為防治IBD提供新的方法和思路。腸道微生物研究在IBD臨床轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用價值腸道微生物特異性變化可能用于IBD鑒別診斷：鑒于IBD發(fā)病機制不明確，缺乏特征性診斷標(biāo)志物，如何進行快速、準(zhǔn)確的疾病診斷仍然是面臨的棘手挑戰(zhàn)之一［32］。目前，臨床上常用的診斷克羅恩病和UC的標(biāo)準(zhǔn)流程包括臨床癥狀、內(nèi)鏡檢查和病理活體組織檢查、實驗室檢查、影像學(xué)檢查等。由于IBD腸道癥狀和腸外癥狀的非特異性，其診斷可能會被遺漏或延誤，甚至誤診。因此，開發(fā)非侵入性、經(jīng)濟、有效、快速和可重復(fù)性的生物標(biāo)志物用于IBD的精準(zhǔn)診斷和臨床疾病行為的評估具有重要臨床意義。隨著細(xì)菌組學(xué)的深入研究，一系列可用于IBD診斷和鑒別診斷的菌群組分被發(fā)現(xiàn)。一項研究收集了來自多中心2045份糞便標(biāo)本包括健康對照者1247名，克羅恩病患者339例，UC患者158例，腸易激綜合征患者202例，厭食癥患者99例)進行16SrRNA序列分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)克羅恩病患者菌群組分明顯失調(diào)，主要表現(xiàn)為菌群多樣性減少、豐度降低，并找出了8種可用于克羅恩病鑒別診斷的特異性微生物組分，包括糞桿菌屬(Faecalibacterium)、消化鏈球菌(Peptostreptococcaceae)、厭氧棒桿菌(Anaerostipes)、甲烷短桿菌(Methanobrevibacter克里斯滕森菌(ChristensenellaceaeX柯林斯菌(Collinsella梭桿菌(Fusobacterium)、埃希菌(Escherichia)總體診斷的特異度達(dá)94%，靈敏度為80%[33]，該研究可能對IBD的鑒別診斷具有重要的參考價值。腸道微生物特征性變化對IBD術(shù)后炎癥復(fù)發(fā)的預(yù)測：全結(jié)腸切除術(shù)和回腸儲袋肛管吻合術(shù)(ilealpouch-analanastomosis，IPAA)是UC患者的首選手術(shù)方式，但I(xiàn)PAA術(shù)后1年內(nèi)極易發(fā)生儲袋炎(pouchitis并發(fā)癥，具體發(fā)病機制未知。比利時魯汶大學(xué)的一項研究收集了21例UC患者IPAA術(shù)前和術(shù)后1、3、6、12個月的腸內(nèi)容物樣本，實時熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)和凝膠電泳檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，發(fā)生儲袋炎的UC患者腸內(nèi)容物中5種微生物存在特征性變化，其中瘤胃球菌(Ruminococcusgnavus)、普通擬桿菌(Bacteroidesvulgatus)產(chǎn)氣莢膜梭菌(Clostridiumperfringens)的豐度增高，毛螺菌科細(xì)菌Lachnospiraceaegenera和羅氏菌屬(Roseburia)的豐度降低。使用該5種微生物變化預(yù)測UC患者IPAA后儲袋炎發(fā)生風(fēng)險的總體預(yù)測靈敏度高達(dá)1.0%，特異度為63.6%［34］。因此，分析腸道菌群變化對預(yù)測UC患者接受IPAA術(shù)后發(fā)展和并發(fā)癥發(fā)生有重要臨床意義。在克羅恩病的自然進程中，部分患者內(nèi)科治療效果欠佳，需實行手術(shù)治療，但仍有部分患者接受回結(jié)腸切除術(shù)后出現(xiàn)復(fù)發(fā)。為了進一步預(yù)測克羅恩病術(shù)后復(fù)發(fā)風(fēng)險，Mondot等［35］收集了20例接受回結(jié)腸切除術(shù)治療的克羅恩病患者術(shù)中回腸黏膜組織和術(shù)后6個月的內(nèi)鏡下腸黏膜組織進行微生物檢測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)手術(shù)時小腸末端有大量a或。變形］菌Proteobacteria)和芽孢桿菌(Bacill的患者中約有50%在術(shù)后6個月發(fā)現(xiàn)內(nèi)鏡下炎癥復(fù)發(fā)，而術(shù)后6個月未復(fù)發(fā)者長鏈球菌(Dorealongicatena)和普通擬桿菌(Bacteroidesplebeius)的豐度增高。該研究證實不同的微生物組成預(yù)示克羅恩病患者外科手術(shù)后的預(yù)后和轉(zhuǎn)歸，對克羅恩病術(shù)后復(fù)發(fā)的診斷具有輔助價值。糞便中與IgA或IgG結(jié)合的細(xì)菌對IBD疾病狀態(tài)的評估：IgA和IgG在人體內(nèi)含量豐富，可通過增強并維持宿主與微生物之間的穩(wěn)態(tài)、控制組織感染發(fā)揮生物學(xué)效應(yīng)。有研究表明IBD患者糞便中與IgA或IgG結(jié)合的細(xì)菌占比均高于健康者，而且與二者結(jié)合的細(xì)菌占比與疾病活動度均呈正相關(guān)，差異均有統(tǒng)計學(xué)意義均P<0.1)，這也進一步說明在疾病發(fā)生過程中腸黏膜對腸道菌群的耐受性下降［36］。該研究結(jié)果還顯示回腸型克羅恩病患者中與IgA結(jié)合的細(xì)菌占比高于其他部位病變的患者，表明腸道中IgA分泌增多主要通過非依賴性T細(xì)胞輔助的應(yīng)答途徑，少部分通過依賴性T細(xì)胞的途徑促進B細(xì)胞分泌Ig，但是對于UC患者而言，左半結(jié)腸型UC患者與IgA結(jié)合的細(xì)菌占比較高，這可能與左半結(jié)腸和右半結(jié)腸的生理狀態(tài)存在差異，以及腸道菌群分布不同有關(guān)［36］。伴有肛周病變的克羅恩病患者與IgA或IgG結(jié)合的細(xì)菌占比較高，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是B細(xì)胞分泌的IgA和IgG水平升高，導(dǎo)致結(jié)合細(xì)菌的占比也增高［37］。上述研究結(jié)果對于臨床上觀察、判斷IBD患者疾病活動情況和疾病行為異質(zhì)性起到一定指示性作用。腸道微生物代謝產(chǎn)物在藥物療效評估中的應(yīng)用：細(xì)菌組學(xué)和代謝組學(xué)不僅可用于疾病的診斷和鑒別診斷，還可用于評估IBD患者的藥物治療效果。國內(nèi)一項臨床研究對接受英夫利西單抗(infliximabIFX)治療的29例克羅恩病患兒和20名健康對照者的糞便進行細(xì)菌組學(xué)和代謝組學(xué)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)克羅恩病患兒糞便中產(chǎn)生SCFA和膽汁酸的細(xì)菌的相對豐度較低，糞便中SCFA和膽汁酸含量也減少，而對IFX治療持續(xù)應(yīng)答的克羅恩病患兒糞便中存在高豐度的鞘氨醇單胞菌、葡萄球菌、乳桿菌、甲基桿菌、梭狀芽孢桿菌，以及較高濃度的L-丙氨酸、L-天冬酰胺、L-天冬氨酸、L-精氨酸、甘氨酸和3-羥基丁酸［38］。這項研究表明IFX的作用機制之一可能是通過產(chǎn)生SCFA和膽汁酸的細(xì)菌類群，抑制腸道炎癥，恢復(fù)腸道微生物代謝，其中一些重要糞便細(xì)菌和代謝產(chǎn)物成分變化