【述评】重症患者肠道微生态共生模式破坏的临床意义

本文来源：中华医学杂志, 2019,99(25): 1921-1924.
随着对肠道微生物群研究的深入，人们逐渐认识到，正常微生物群在维持肠道稳态中的重要性远超于肠道上皮表面的黏液及散在的免疫细胞。生理情况下，肠道微生物群能够增强机体防御能力、促进机体健康；然而，在脓毒症、创伤、大手术等严重应激下，肠道微生态可由共生模式向致病模式转变，造成机体损伤。肠道微生态组成、如何维持稳态、对人体健康的影响等尚不清楚，是目前生命科学研究的热点。
一、肠道微生物群的组成和共生模式 1．肠道微生物群组成：正常成人肠道拥有庞大的微生态系统，约有2 000种近100万亿个微生物，其中绝大部分为细菌，亦有小部分真菌、病毒和原虫。根据所处肠道位置和功能的不同，主要分为3种类型：（1）膜菌群：即共生细菌，与宿主为共生关系，专性厌氧，是肠道的优势菌群，如双歧杆菌、乳酸杆菌和消化球菌等，与肠黏膜上皮细胞紧密结合，形成微生物屏障；（2）腔菌群：主要存在于肠腔中，黏附能力较弱，为条件致病菌，与宿主共栖关系，部分细菌亦为共生关系，以兼性需氧菌为主，是肠道非优势菌群，如肠球菌、肠杆菌；（3）过路菌：长期定殖的机会少，肠道微生态环境平衡时菌量少，不会致病，当数量超出生理范围或毒力增强时可致病，如假单胞菌、变形杆菌等。2．肠道微生态共生模式：经过十几亿年的共同进化，包括人类在内的哺乳动物和肠道微生物群之间形成了稳定的共生关系。肠道为微生物群提供栖息地及其所需营养物质，下调免疫反应以形成免疫耐受，促进其在肠道内定殖；相应地，肠道共生微生物群通过多种方式促进机体健康，形成共生模式：（1）通过争夺生态位及营养物质、产生毒力因子及分泌细菌素等方式抑制致病菌定殖，防止其过度生长，保护机体免受病原体感染，称为定殖抗力；（2）促进上皮细胞增殖、分泌抗菌肽及黏液以维护肠道屏障完整性；（3）间接调控位于肠上皮屏障及全身的固有及适应性免疫细胞的分化，促进免疫系统发育及成熟，增强免疫细胞功能；（4）诱导血管外组织因子-蛋白酶激活受体1（TF-PAR1）信号转导，促进小肠血管生成；（5）参与激素信号传导，调节肠内分泌功能；（6）参与肠源性5-羟色胺（5-HT）代谢及肠道神经-免疫协作，调节胃肠蠕动；（7）通过发酵膳食纤维产生短链脂肪酸（SCFAs），改善葡萄糖稳态和胰岛素敏感性，参与抗炎，促进肠道运动；（8）合成机体必需的维生素和神经递质，代谢胆汁盐；（9）参与了机体药物代谢和毒物清除。由此可见，生理状态下，肠道和微生物的互利共生促机体稳态。
二、重症患者肠道微生态共生模式向致病模式转变1．重症患者肠道微生物群数量和种类的变化：在急危重症状态下，剧烈的应激，广谱抗生素、血管收缩剂及阿片类药物的使用，肠道缺血/再灌注损伤，上皮细胞凋亡、屏障完整性被破坏，胃肠道动力改变，肠腔内营养物质缺乏等导致肠道菌群迅速改变，且这种改变可持续很长时间；表现为肠道微生物菌群（尤其共生菌群）的丰富度和多样性丧失，拟杆菌门/厚壁菌门比例严重失衡，单个菌群（常为潜在病原体）过度生长，即菌群失调或微生态紊乱。Hayakawa等研究发现，在危重疾病发生6 h内，肠道菌群即发生明显改变，表现为保护性菌群，特别是专性厌氧菌和乳酸杆菌显著减少，肠球菌和假单胞菌等有害细菌增加，同时伴随三种主要SCFAs（乙酸、丙酸和丁酸）减少。这表明，肠道微生物可对肠道环境变化迅速产生反应，但具体机制不明。另有研究表明，在重症监护病房（ICU）长期停留的患者中观察到更低多样性微生物群落（1~4个细菌分类群）的出现，肠球菌属和葡萄球菌属及肠杆菌科细菌构成这些群落的主体，并表现出多重耐药；有约75%的病例出现白色念珠菌和光滑念珠菌增多；这和本课题组的动物实验研究结果相一致。此外，Yamada等发现，严重全身炎症反应综合征（SIRS）患者肠道中SCFAs浓度持续低于健康人群，且存在胃肠功能障碍（包括肠炎和运动障碍）的重症患者，其SCFAs水平更低，提示肠道微生态紊乱可能参与了重症患者肠道病理进程。尽管上述研究样本量偏小，影响因素繁杂，需谨慎解读，但可确定的是，重症患者及针对其必要的医学干预确实导致了肠道微生态严重失调。2．重症患者肠道微生物群表型和毒力的变化：重症患者肠道微生态共生模式向致病模式的转变，不仅表现为肠道微生物数量和种类的变化，也体现在微生物表型和毒力的改变。我们的一项研究显示，严重脓毒症可促进外源性产超广谱β-内酰胺酶（ESBL）肺炎克雷伯菌（ESBL-Kpn）在肠道内定殖，并在抗生素压力下将其携带的SHV-18抗性基因转移至内源性大肠杆菌，促进大肠杆菌由共生表型转变为具有耐药基因的病理表型。同样，Ayres等也发现，当共生大肠杆菌暴露于广谱抗生素和上皮损伤时，其可在体内转化为表达致死表型。研究者对口服多种抗生素的小鼠给予葡聚糖硫酸钠以诱发结肠炎，在数天之内，共生大肠杆菌共生体转化为多重耐药的病原微生物，随后通过激活Naip5-Nlrc4炎症小体引起严重致命的肠源性脓毒症。此外，稳态下，肠道原籍大肠杆菌不能黏附于肠上皮细胞。黏附于肠上皮是大肠杆菌发生细菌移位、参与致病的先决条件。而病理状态下，大肠杆菌对肠上皮的黏附明显增加。Hendrickson等为这一现象提供了合理的解释，他们发现在部分肝切除术和短期饥饿所致的分解代谢应激情况下，大肠杆菌1型菌毛的表达显著增加，黏附能力增强，最终导致黏附于小鼠盲肠上皮的大肠杆菌数量增多了7 500倍。微生物改变表型及毒力的另一种方式是群体感应（QS）。QS的概念是在20世纪90年代初由Fuqua等提出，是指微生物群在其生长过程中，随着群体密度的增加，能够合成并释放一种被称为自诱导物质（AI）的信号分子，且该分子浓度可随群体密度的增加而升高。当浓度达到一个临界值时，AI能启动微生物相关基因的表达，调控其生物行为，如毒素、抗生素的产生，形成生物膜，生成孢子或产生荧光等，以适应环境的变化。包括细菌、真菌在内的多种病原体均可发生QS现象。在此，我们以铜绿假单胞菌为例，以阐明危重病状态下，肠道微生物群如何通过QS改变其表型及毒力。重症患者肠道铜绿假单胞菌数量的增加和其死亡率增加相关。研究发现，铜绿假单胞菌的PA-I凝集素可通过诱导外毒素A的产生损伤肠上皮细胞及紧密连接，增加外科术后小鼠肠道渗透性和死亡率。他们对这一现象进行了深入研究后发现，小鼠在外科手术应激期间，机体向肠腔分泌干扰素γ（INF-γ），铜绿假单胞菌群体密度增加，其通过外膜孔蛋白OprF感知并结合INF-γ，随后增加QS信号分子C4HSL浓度，诱导QS依赖性毒力因子PA-1凝集素的表达增加，从而实现致病表型转换。相似地，在小鼠肠缺血/再灌注损伤模型中，他们发现有大量的内源性κ-阿片肽（强啡肽）释放到肠道中。铜绿假单胞菌截获该阿片类化合物后，通过多种QS感应分子信号，直接诱导多毒力因子调节剂（MvfR）下游操纵子pqsABCDE的表达，激活一系列毒力基因，导致铜绿假单胞菌表达超毒力表型，破坏小鼠肠上皮屏障，增加脓毒症的发生和死亡率。有趣的是，宿主肠道局部磷酸盐的浓度可抑制或放大这些信号的转导。当局部磷酸盐条件丰富时，铜绿假单胞菌可抵消或抑制阿片类药物转导的信号。相反，当局部磷酸盐条件耗尽时，细菌会放大阿片类药物信号。上述研究表明，肠道微生物可以感知宿主环境变化，改变表型，以适应宿主肠道微环境变化，甚至增强毒力，造成宿主损伤。虽然以上研究均为动物实验或体外实验，但这些结果为我们治疗重症患者提出了新的挑战。例如：我们如何在治疗重症患者期间更好地保护肠道微生态，防止其由共生模式向致病模式？
三、重症患者肠道微生态共生模式破坏对全身的影响重症患者肠道微生态模式转变不仅可导致肠道局部损伤，也可对全身免疫及器官功能产生影响。1．重症患者肠道微生态共生模式破坏对全身免疫系统的影响：抗菌药物是重症感染患者常用的治疗手段，而骨髓抑制是许多抗菌药物相关的不良反应，特别是在长期治疗时。研究表明，抗菌药物会造成贫血、血小板增多和白细胞减少，造血干细胞和多能祖细胞消耗，这些改变与肠道正常微生物群显著减少相关，且部分可被粪菌移植改善。对于其机制，研究者认为是广谱抗菌药物导致的肠道正常菌群消耗破坏了基础Stat1信号传导并改变了T细胞稳态，导致祖细胞维持和粒细胞成熟受损，最终导致骨髓抑制，而恢复肠道微生物稳态，可减少骨髓抑制的发生。Schuijt等研究显示，和对照组相比，肠道微生物群耗尽小鼠导致肺泡巨噬细胞对脂多糖和脂磷壁酸的反应性降低，吞噬肺炎链球菌的能力降低，最终导致细菌播散、炎症，器官损伤和死亡率增加，而在肺炎链球菌感染早期及时给予粪菌移植，可明显改善肺泡巨噬细胞功能，降低全身炎症反应，降低病死率。以上研究表明，肠道微生物群模式改变将削弱全身或局部免疫保护作用。而重症患者尤其是脓毒症患者常出现T细胞耗竭，持续炎症-分解代谢综合征（PICS）发生率增多，这是否和肠道菌群模式改变有关，需进一步研究。2．重症患者肠道微生态共生模式破坏对全身器官功能影响：严重应激状态下，肠道组织易发生缺血缺氧，肠上皮屏障渗透性增加，肠腔内的细菌发生移位，加重炎症反应，是肠源性或内源性感染的一个重要途径，也是重症患者后期出现继发性感染甚至多器官功能障碍综合征的一个重要原因。有研究显示，肺部微生物组在脓毒症的小鼠模型和已发生急性呼吸窘迫综合征的人群中均富含肠道细菌。在建立脓毒症后，小鼠肺部微生物中肠道细菌占据了主导地位。生态学分析发现下消化道而非上呼吸道是脓毒症后肺部细菌的最可能来源。Singh等发现，急性脑损伤（卒中）可引起肠道微生态失调，反过来，肠道微生物群的变化影响脑损伤后的神经炎症和功能结果，表明失调的肠道微生物直接参与了急性脑损伤后神经功能恢复。
四、结语
急危重症患者，机体为保证心脑等重要脏器功能，减少肠道血供，导致肠道缺血缺氧，造成肠道损伤，肠道微生物群组成及多样性发生剧烈变化；而肠道微生物群为适应肠道环境变化，获得继续生存可能，主动改变表型，增强毒力基因表达，进而导致机体损伤加重。换言之，肠道在重症疾病的发生发展中由被动牺牲者向主动参与者转变，而由此带来的后果却是恶化患者的病理生理进程。加深对该现象的认识有助于我们通过维护肠道功能更加有效地治疗重症患者。然而，目前关于肠道微生态破坏对于重症患者影响的研究并不多见；尚不明确重症患者肠道微生态破坏的机制；粪菌移植重建肠道微生态平衡的措施用于治疗重症患者，目前仅有少数个案报道。未来需要更多、更为深入的研究探讨维护肠道微生态对于重症患者的意义。
本文编辑：霍永丰

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