腸道微生態與慢性胰腺炎

孟雨亭 周春華 徐佳佳 鄒多武

1海軍軍醫大學附屬長海醫院消化內科，上海 200433；2上海交通大學醫學院附屬瑞金醫院消化內科，上海 200025

【提要】 腸道微生物因其在人類健康和疾病中的作用而日益受到人們的重視。初步證據表明，腸道微生物失調與多種胰腺疾病有關。慢性胰腺炎患者腸道微生態的變化情況已有少量文獻報道。靶向調控微生物可能具有治療價值。

近年來，隨著16S核糖體RNA(rRNA)和宏基因組測序技術的發展，腸道微生態與機體健康的關系越來越明確。多項研究表明，腸道菌群在多種疾病包括消化系統疾病的發生發展中起重要作用。胰腺是人體代謝功能的中心，腸道菌群在胰腺疾病中的作用也日益受到重視。本文就腸道微生態的功能、腸道菌群與慢性胰腺炎(CP)的關系以及腸道微生態紊亂的治療進行綜述。

一、腸道微生態的組成及作用

人類胃腸道微生物群落豐富，由超過1014個微生物組成，分屬1 000多個不同的物種，其編碼的300多萬個細菌基因(微生物組)比人類基因組編碼的數量多出150倍[1]。腸道微生物通過影響代謝、調節黏膜免疫系統、合成維生素、促進消化和調節腸道結構等方式在人體生理狀態中發揮重要作用。腸道微生物群、免疫系統和腸道屏障之間的相互作用限制了致病性菌群的生長，一旦這種體內平衡被破壞就會導致微生態失調[2]。微生態失調與多種胃腸道疾病(炎癥性腸病、腸易激綜合征)[3-4]以及肥胖、代謝綜合征、糖尿病、胰腺癌[5-8]等其他疾病的發病機制有關。盡管微生物群落中各種特殊微生物的種類和數量因人而異，但存在于腸道內的健康微生物的功能是相對穩定的[9]。

1．健康人群腸道菌群的構成：健康人群腸道中主要存在4個門類的細菌：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門和變形菌門，其中厚壁菌門和擬桿菌門構成了腸道常駐菌群的主要成分。厚壁菌門主要分為芽孢桿菌綱和梭菌綱，是一類革蘭陽性細菌；擬桿菌門是一類革蘭陰性菌，其中擬桿菌屬是腸道中最為豐富的菌屬[9]。在腸道內部，黏膜表面的微生物數量與腔內微生物數量有顯著差異[10]。黏膜表面的微生物更接近腸上皮，可能對免疫系統有更大的影響；而腔內或糞便微生物可能對能量和代謝的相互作用更重要[11]。

2．腸道菌群的營養和代謝作用：腸道微生物可以通過對人體攝入的糖類、脂質和蛋白質的分解代謝作用來影響機體的生理功能。首先，在所有營養要素中，碳水化合物(carbohydrates, CHO)的作用是最顯著的。已有研究表明，高糖高脂飲食可迅速引起實驗動物腸道微生態的重構和代謝功能障礙[12]。一些復雜的CHO是人類難以消化的，而腸道微生物具有數百倍的CHO降解酶，可利用這些難以消化的CHO作為能量來源。2016年Sonnenburg等[13]提出了微生物可獲得碳水化合物(microbiota-accessible carbohydrate, MAC)的概念來描述微生物可代謝利用的CHO。腸道微生物可以合成大量糖苷水解酶來分解MAC，合成短鏈脂肪酸(short chain fatty acids, SCFAs)，主要包括醋酸、丙酸和丁酸[14]，低MAC飲食會導致SCFAs生成減少。SCFAs信號通過中樞神經系統和G蛋白耦聯受體來調節一系列生理過程，包括能量穩態、脂質和碳水化合物代謝以及炎癥信號的抑制[15]。因此，健康的腸道菌群可以通過MAC來維持腸道屏障功能完整及人體健康穩態。其次，膳食中的脂肪對腸道微生物結構也有影響。研究發現，高脂飲食時小鼠體內擬桿菌門減少，而厚壁菌門和變形菌門增加[16]。而無菌小鼠不受高脂飲食影響，說明腸道菌群在宿主脂質代謝中有重要作用[17]。近年來的研究顯示，小腸中的微生物對脂肪負荷高度敏感，對脂類的消化和吸收至關重要[18]。腸道微生物介導高脂飲食對代謝影響的機制之一是脂多糖易位，脂多糖是革蘭陰性桿菌細胞壁成分，屬于細菌內毒素脂多糖進入循環后通過Toll樣受體-4(Toll-like receptor-4, TLR-4)介導炎癥反應，與心血管疾病和代謝疾病相關[19]。第三，膳食中的蛋白質也可調節腸道菌群的組成及其代謝產物，氨基酸則可為菌群提供必須的碳和氮。氨基酸分解代謝可產生大量影響宿主代謝的產物，包括支鏈氨基酸、吲哚、酚、氨、胺等，均可影響人體健康[20]。苯酚、吲哚和胺可以與一氧化氮結合形成N-亞硝基化合物，這些化合物與人類胃腸道腫瘤有關[21]。而吲哚丙酸則能維持腸道穩態，預防實驗性結腸炎[22]。膳食蛋白質的來源也決定了微生物代謝產物的性質。比如在動物蛋白中富含的氨基酸L-肉堿，可在微生物作用下生成三甲胺氧化物(trimethylamine oxide, TMAO)，TMAO可預測不同人群心血管事件的發生[23]，并與脂肪肝的發生有關[24]。最后，除了主要的大量營養要素以外，腸道微生物還可以調節各種微量元素的合成和代謝，例如多種微生物可合成B族維生素，并通過相互交換代謝產物維持生存[25]。同時，維生素和微生物之間的關系是雙向的，例如宿主提供的核黃素可以調節微生物細胞外電子轉移和氧化還原狀態，并且通過維生素D及其受體調節腸道炎癥[26]。

3．腸道菌群的免疫功能：腸道菌群和宿主免疫的聯系包括細菌和宿主先天及獲得性免疫系統的雙向關聯，促炎和抗炎機制之間的平衡對腸道免疫穩態至關重要，并直接受到腸道共生微生物群落的影響[11]。例如分節絲狀細菌可促進小鼠小腸中促炎的輔助T 細胞1(T helper 1, Th1)和Th17的聚集[27]；而通過SCFAs的產生，調節T細胞促進抗炎作用[28]。因此，腸道內的微生物和代謝產物對維持免疫平衡至關重要，腸道微生物群的變化會破壞這種平衡，主要影響腸道黏膜免疫和全身免疫反應[11]。

同時，已有多種免疫介導的炎癥性疾病被證實與腸道菌群的改變有關。多種菌屬被證實與炎癥性腸病(inflammatory bowel disease, IBD)的發生發展有關[29]，包括黏膜侵襲性大腸桿菌、脆弱類桿菌、艱難梭菌等。Gevers等[30]進行的一項有關黏膜相關性微生物與新發克羅恩病(Crohn′s disease, CD)相關性的研究發現，疾病的嚴重程度與腸桿菌科、巴氏桿菌科、韋榮氏球菌科豐度增加有關，也與擬桿菌目、梭菌目豐度下降有相關性。同樣，腸道菌群也是類風濕性關節炎(rheumatoid arthritis, RA)的自身免疫性觸發因素。最近一項有關RA患者微生物和代謝產物的研究發現，RA患者腸道微生物多樣性降低，并且與疾病持續時間和抗體水平有關[31]。

4．腸道菌群的屏障功能：健康的腸道生物屏障包括柱狀上皮細胞、潘氏細胞、杯狀細胞、內分泌細胞、叢細胞以及覆蓋于黏膜表面的黏蛋白，黏蛋白含有抗菌肽和IgA，這些結構和物質可以防止腸道菌群易位以及預防炎癥性疾病。大量研究已證實在腸道組織中存在共生菌，包括大腸桿菌、雙歧桿菌、乳酸桿菌等，這些共生菌可以限制細菌的定植，并刺激腸上皮細胞更新[32-33]。同時，菌群代謝產生的SCFAs也可對腸道屏障功能產生影響，例如雙歧桿菌利用碳水化合物代謝產生的醋酸鹽，可以預防腸出血性大腸桿菌感染以及志賀毒素的釋放[34]；普拉梭菌、直腸真桿菌屬合成的丁酸鹽可上調上皮細胞抗菌肽LL-37的表達，為結腸上皮提供能量，防止細菌感染，從而促進上皮細胞增殖和損傷修復[35]。

二、CP患者腸道菌群的變化

CP是一種胰腺的病理性纖維化炎性綜合征，患者具有遺傳、環境和(或)其他危險因素，對實質損傷或壓力有持續的病理反應，其特征包括胰腺萎縮、纖維化、疼痛綜合征、胰管扭曲和狹窄、鈣化、胰腺內外分泌功能障礙和發育不良[36]。CP患者胰腺癌發病風險顯著升高，但目前對CP的診斷和治療仍存在一定的困難。

已有多項研究關注到CP患者腸道菌群的變化。小腸細菌過度生長(small intestinal bacterial overgrowth, SIBO)是腸道微生態失調的證據之一。研究發現，由于CP患者胰腺合成抗菌肽減少、胃腸道運動受損、小腸內異常食糜形成以及胰腺碳酸氫鹽分泌功能下降，導致CP患者出現SIBO[37]。SIBO會導致過度發酵和炎癥，臨床表現為脂肪瀉、維生素B12缺乏、腹脹等腹部不適。Capurso等[38]的報道盡管存在顯著的異質性，但CP患者SIBO的平均患病率仍為36%(95%CI17%～60%)。CP患者存在胰腺外分泌功能不全以及SIBO，影響了結腸內微生物對營養物質的利用，從而進一步導致結腸微生物結構的變化。

目前針對CP患者結腸微生物變化的病例對照研究相對較少。Jandhyala等[39]報道了CP患者腸道菌群的變化情況，共納入不伴有3C型糖尿病(type 3C diabetes mellitus, T3cDM)的CP患者16例、伴有T3cDM的CP患者14例以及健康對照10名。研究發現，CP患者腸道菌群的多樣性和豐度顯著低于健康對照者，同時CP患者厚壁菌門/擬桿菌門比例高于健康對照者。另外，不伴T3cDM的CP患者普拉梭菌、瘤胃球菌屬豐度低于健康對照者，而在伴T3cDM的CP患者中這兩種菌屬豐度最低。通過KEGG通路預測發現，CP患者脂多糖合成通路顯著增加。此外，該團隊還對血清內毒素進行了檢測，發現內毒素水平從健康對照者、不伴T3cDM的CP患者到伴T3cDM的CP患者呈上升趨勢。Ciocan等[40]研究了酒精性CP(chronic alcoholic pancreatitis, CAP)腸道菌群的變化情況，共納入24例CAP患者以及45例健康對照者。結果表明，CAP患者腸道菌群多樣性顯著低于對照者。門水平上，CAP患者變形菌門豐度顯著高于對照者，而擬桿菌門和梭菌門豐度均低于對照者；屬水平上，17個屬在CAP患者和對照者間存在顯著性差異，其中克雷伯桿菌屬、腸球菌屬和鞘氨醇單胞菌屬在CAP患者中比例顯著升高。

CP患者中豐度顯著降低的普拉梭菌是一種在健康人的腸道中大量存在的產醋酸鹽的菌屬，可以促進結腸上皮細胞對營養物質的攝取以及增殖生長[41]。同時，它還能通過誘導IL-10和調節腸道T細胞反應產生抗炎作用[42]，并通過刺激黏蛋白和緊密連接蛋白的合成來改善腸道屏障功能[41,43]。結合CP患者血清內毒素水平和脂多糖合成通路顯著升高，可以推測CP患者普拉梭菌豐度降低可能導致腸道黏膜屏障破壞以及高內毒素血癥。在CAP患者中顯著增加的克雷伯桿菌屬和腸球菌屬主要與全身炎癥和感染有關。一項使用qPCR分析腸道菌群的研究表明，急性胰腺炎患者腸球菌豐度顯著升高，并與血清內毒素水平呈正相關[44]。糞腸球菌可通過其分泌的明膠酶來改變上皮細胞屏障，從而導致腸道炎癥和腸黏膜通透性改變[45]。另外，Jandhyala等[39]還發現在伴有T3DM的CP患者中，普拉梭菌豐度與空腹及餐后血糖呈負相關，而與血漿胰島素水平呈顯著正相關，同時血漿內毒素水平與空腹及餐后血糖呈顯著正相關。已有研究表明，脂多糖可通過Toll樣受體和NF-κB誘導細胞炎癥，從而導致細胞功能障礙[46]。因此可以推測腸道菌群失調與胰島細胞功能障礙之間存在關聯，但其機制尚需進一步研究和驗證。

三、腸道微生態紊亂的治療

目前治療腸道微生態紊亂的方法主要有補充益生菌和糞菌移植(fecal microbiota transplantation, FMT)。根據世界衛生組織的定義，益生菌是一種活的有機體，當提供足夠數量的益生菌時會給宿主帶來好處[47]。已有多項研究證實了益生菌可以改善腸道微生態紊亂，并對一些疾病有所幫助，如2型糖尿病[48]、腸易激綜合征[49]、系統性硬化[50]、類風濕性關節炎[51]以及急性胰腺炎[52-53]等。亦有研究發現，益生菌的應用并不能改善急性胰腺炎患者的臨床癥狀及內毒素血癥、腸道通透性[54-55]，這可能是由于益生菌種類選擇差異、治療劑量和治療時間存在差異。然而目前尚無有關益生菌制劑改善CP患者腸道微生態紊亂的臨床試驗或動物實驗。

FMT是將糞便微生物群從健康的、經過篩選的供體轉移到受體的一種新技術[56]，旨在通過建立穩定、復雜的微生物群來恢復被破壞的微生態，并改善微生態失調[57]。目前，FMT的大部分臨床經驗來自于艱難梭菌感染的治療，尤其是復發性或難治性感染[58]。FMT已經成為治療復發性艱難梭菌感染的重要手段，緩解率高達90%[59-61]。除了艱難梭菌感染，人們對FMT作為一種潛在的針對IBD的治療手段非常感興趣，一些病例報告和臨床試驗表明，FMT可能對IBD的治療發揮有益的作用[62-63]。此外，已有臨床試驗將FMT應用于功能性胃腸病，一些薈萃分析和隊列研究表明，FMT后腸易激綜合征患者的腸道運動功能得到改善[64-65]。目前FMT在胰腺疾病治療中的應用尚無相關研究，但已有研究應用FMT技術進一步證實腸道微生物可通過腸-胰軸參與1型糖尿病的發病過程[66]。

四、小結

腸道微生態作為一個特殊的“器官”參與到人體的生理、病理和疾病過程中，與人體一起構成一個復雜的共生體。目前，對于CP的早期診斷仍存在一定的困難，也沒有任何有效的策略可以預防內外分泌功能障礙、營養不良以及減緩疾病進展。根據近年來腸道菌群與CP關系的研究結果，改善腸道菌群結構可能成為預防或延緩包括T3DM患者在內的CP患者代謝紊亂的手段。但研究存在樣本量不足、缺乏進一步驗證等局限，需要更完善的臨床研究和基礎實驗來進一步闡明腸道菌群在CP發生和發展中的作用機制，同時益生菌和FMT的使用也有很大的應用空間。

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