炎症性肠病与肠道细菌研究进展

摘要

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD). 其发病机制至今仍不清楚, 可能的病因包括由基因决定的宿主易感性、黏膜免疫和肠道微生态环境三者的相互作用. 近年来随着微生态学的发展, 肠道菌群与IBD发病的关系日益受到关注. 关于肠道病原微生物在IBD发病机制及其引起的一系列免疫学、微生态学、病理生理等方面的变化出现了研究和报道, 同时微生态制剂在肠道免疫调节、控制炎症反应等方面的优点已有许多动物实验及临床应用证明, 其中微生态制剂之一益生菌在IBD应用较普遍, 本文就IBD与肠道菌群研究进展及益生菌制剂治疗IBD作一综述.

关键词: 炎症性肠病; 肠道细菌; 溃疡性结肠炎; 克罗恩病

Advance on the relationship between inflammatory bowel disease and intestinal bacteria

Jing Zhang, Ying Han, Ji-Heng Wang

Jing Zhang, Chinese PLA Postgraduate Medical School, General Hospital of Chinese PLA, Beijing 100853, China

Ying Han, Ji-Heng Wang, Department of Gastroenterology, General Hospital of Beijing Military Command, Beijing 100700, China

Correspondence to: Jing Zhang, Chinese PLA Postgraduate Medical School, General Hospital of Chinese PLA, Beijing 100853, China. xinzhongdeyu@163.com

Received: February 26, 2007
Revised: March 10, 2007
Accepted: March 31, 2007
Published online: April 28, 2007

Abstract

The pathogenesis of inflammatory bowel disease, including ulcerative colitis and Crohn′s disease, is still not entirely understood today. The possible etiology includes host genetic susceptibility, mucosal immunity and intestinal microecology as well as their interactions. With the development of mircoecology in recent years, there were increasing interests in the correlation between intestinal bacteria and pathogenesis of IBD. Many studies reported the pathogenesis of enteropathogenic microorganism and a series of immunological, microecological and pathophysiological changes in IBD. At the same time, many animal experiments and clinical applications have proved the predominance of microecological preparation on intestinal tract immunoloregulation, controlling of inflammatory reaction and so on. Probiotics which is one of the microecological preparation has been generally used. This article reviewed the advances on the relationship between inflammatory bowel disease and intestinal bacteria and the use of probiotics in the treatment of IBD.

Key Words: Inflammatory bowel disease; Intestinal bacterium; Ulcerative colitis; Crohn′s disease

0 引言

炎症性肠病(inflammatory bowel disease, IBD)是一组病因不明的慢性肠道炎症性疾病, 包括溃疡性结肠炎(ulcerative colitis, UC)和克罗恩病(Crohn's disease, CD), 其发病机制至今仍不清楚, 目前遗传易感性、黏膜免疫和肠道微生态环境三者的相互作用被认为可能参予IBD的发病. 近年来随着微生态学的发展, 肠道菌群与IBD发病的关系日益受到关注. 现在流行的学说解释IBD的发生机制是由于基因易感宿主对肠道共栖菌的免疫反应增强引起的. 许多研究都表明肠道细菌在IBD的发病机制中起了重要的作用. 基于此理论, 微生态制剂在治疗IBD中得到广泛地应用, 但其具体作用机制仍未明确, 有待进一步探讨.

1 正常人肠道微生态

正常生理状态下, 肠道内含有近500种细菌. 成人肠道菌群主要集中在结肠和末端小肠, 有多达10¹³个不同类型、不同含量的细菌, 约是人体内真核细胞的10倍[1], 相当于消化系最大脏器肝脏的重量[2]. 在上段小肠中, 需氧菌及G-细菌占绝大多数. 回盲部细菌密集, 厌氧菌占优势, 如类杆菌、双歧杆菌、真菌、乳酸菌及梭状芽孢杆菌. 结肠中厌氧菌的数量更多, 约10¹¹-10¹² CFU/g, 优势菌为类杆菌、双歧杆菌和真菌. 另外, G-球菌、梭状芽孢杆菌、肠球菌、肠杆菌等也常见于结肠中[3]. 盲肠腔内的细菌约25%为兼性厌氧菌, 尤其是肠杆菌属, 这种细菌在粪便中约占1%[4]. 人体肠道中有些细菌是潜在有害的, 可产生毒素, 侵犯黏膜, 激活致癌原及引起炎症反应. 而另一类有益于健康的肠道微生物是人体内正常菌群的成员, 或是能调节体内菌群平衡而对人体无毒无害的一些外来细菌. 在诸多细菌共存情况下, 不同菌种之间的拮抗作用, 宿主与细菌之间借助对营养物质的吸收和利用, 在消化道中形成相互作用的关系, 维系着消化道微生物生态系统的平衡. 肠道细菌的组成目前尚未明确, 主要原因是取样和培养比较困难. 目前只有10%-40%肠道细菌可用培养的方法被鉴别出来.

2 IBD患者与正常人肠道细菌的差异

肠道微生态学家对肠道细菌的研究集中于几种优势细菌, 健康成人粪便中大约80%的细菌构成6种优势菌, 分别是类杆菌属、双歧杆菌属、乳酸杆菌属、C.leptum菌属、C.coccoides菌属和肠杆菌属[5]. 而肠道细菌主要由粪便细菌与肠道黏膜细菌构成. 一系列的临床和动物实验已使用多种方法发现IBD患者和健康对照者肠道细菌存在不同. 在对UC的动物模型临床研究中发现, UC发作期与健康对照组粪便菌群比较, 肠杆菌和肠球菌呈有意义增加, 尤以肠链球菌数增加显著, 而酵母菌变化不显著, 乳酸杆菌也略有减少. 主要原籍菌双歧杆菌、真杆菌、类杆菌和消化链球菌都呈有意义减少, 双歧杆菌检出率尤其低[6]. Linskens et al[7]也发现在CD患者的粪便菌中, 真杆菌和消化球菌是增高的, 而双歧杆菌的数量是减少的. 而且在UC患者中, 兼性厌氧菌数目增加. Seksik et al[8]使用定量斑点吸印杂交和温度梯度凝胶电泳技术, 比较了活动期CD、静止期CD和健康对照者的粪便细菌, 发现CD活动期和静止期肠道杆菌属有显著升高, 而且发现超过30%的优势菌属于未确定菌属. Dickinson et al[9]报道在UC患者的粪便标本中存在具有黏附和侵袭特性的大肠杆菌. 此类大肠杆菌菌株致病因子包括黏附素、溶血素和致坏死毒素. 此后有人应用分子评估方法鉴定了4例CD患者的粪便优势菌, 结果如下: (1)大量的优势菌克隆属于不常见的种类(梳状菌属, 梭菌属, Sutterella, Verrucomicrobium等); (2)普通类杆菌属是唯一存在于所有患者的细菌[10]. 而普通类杆菌在人白细胞抗原HLA-B27转基因小鼠的自发性结肠炎中起关键作用[11]. 许多实验都证实与对照组相比, IBD患者肠道黏膜有大量细菌. Swidsinski et al[12]用细菌培养以及16S RNA为引物的定量PCR检测自限性结肠炎、不确定性结肠炎、IBD和健康对照者的肠道黏膜细菌, 结果发现IBD患者黏膜细菌浓度显著高于对照组, 以CD患者最高. 后来有研究[13]应用原位荧光杂交技术分析了IBD、IBS和健康对照者的肠道黏膜细菌, IBD中细菌浓度较IBS和健康对照者都高, 并且这些细菌大多具有黏附性. Schultsz et al[14]证实IBD患者较对照者直肠标本中包含更多的细菌, 而且, 这些细菌定居在黏膜层, 但是不黏附于肠上皮细胞, 在肠腔中也未发现. Kleessen et al[15]使用荧光原位杂交技术(fluorescent in-site hybridisation, FISH)证实IBD患者切除标本中黏膜表层组织所含细菌多于无IBD的对照组. 而且, 在UC的83%结肠标本中, CD的56%回肠、25%结肠标本中, 细菌侵袭黏膜的现象是非常明显的. 但在对照组的组织中未发现. 国内崔海宏et al[16]采用梯度稀释法行肠黏膜菌群分析, 结果发现急性期UC患者菌群中肠杆菌、肠球菌及小梭菌的数量显著增加, 而双歧杆菌和乳杆菌的数量明显下降, 而缓解期与对照组相比无明显差异. 拟杆菌及双歧杆菌较急性期明显上升, 小梭菌明显下降. 急性期CD患者的菌群中肠杆菌和酵母菌明显增加, 而双歧杆菌和乳杆菌明显下降. 缓解期较正常菌群相比肠杆菌仍很高, 而双歧杆菌有回升但仍明显低于正常. 缓解期与急性期相比双歧杆菌的数量有明显差异.

3 肠道细菌在IBD中的作用

至今尚未发现特异的细菌与IBD的发病相关, 也未发现特征性的肠道菌群的变化. 随着现代微生物学的发展以及对肠道细菌与IBD研究的进展, 现在肠道细菌被认为可能是参与IBD的始动和持续因素. 肠道细菌及其产物能刺激肠黏膜免疫系统, 诱发这些具有IBD遗传易感性人群肠黏膜免疫系统功能紊乱, 产生异常的免疫反应, 导致IBD发病[17]. 病原微生物抗原经抗原递呈细胞的作用而激活T淋巴细胞, 再经T细胞产生的具有不同激活效应的细胞因子而激发不同特征的免疫病理损伤. 现在流行的学说解释IBD的发生机制是由于基因易感宿主对肠道共栖菌的免疫反应增强引起的. 这种假说有以下几种证据支持: 大多数炎症发生在肠腔细菌浓度最高的区域, 广谱抗生素能改善慢性肠道炎症, 对粪流(fecal stream)进行外科转移手术能预防Crohn's病的复发. 最重要的是, 虽然肠道慢性炎症发病机制各不相同, 但许多IBD动物模型[例如白介素(IL)-10基因敲除小鼠和HLAB27转基因大鼠]都有一个共同特点: 这些动物模型在无菌条件下喂养不会形成肠道炎症[18].

最近关于IBD与健康对照者肠道细菌的大量研究表明, 在IBD患者中存在肠道菌群失调肠道菌群失调是IBD发病的触发点. 肠道菌群失调时, 条件致病菌数量增多, 并产生一些能诱导肠道炎症的物质, 例如细菌脂多糖(LPS)、肽聚糖(peptidoglycan)、脂蛋白(liprproteins)等, 这些物质能激活肠黏膜免疫系统, 从而诱发具有IBD遗传易感性个体的肠道产生异常免疫反应, 导致IBD发病. 细菌过度生长和菌群失调也与慢性贮袋炎的发生、发展有关, UC患者结肠切除术后再进行回肠-肛门吻合术后在回肠贮袋中可发生炎症反应[19]. 正常肠黏膜免疫系统对肠道内正常菌群处于免疫耐受状态, 肠道菌群失调时, 肠道免疫系统对肠道内已发生变化的菌群不能耐受. Duchmann et al[20]研究发现, 从正常小鼠脾脏、小肠和大肠提取的单个核细胞与自体肠菌的裂解液共育时, 不会发生增殖反应, 但与异体肠菌的裂解液共育时, 发生强烈的增殖反应; 说明TNBS结肠炎小鼠肠黏膜局部和机体系统免疫对肠道细菌的免疫耐受被打破. Duchmann et al[21]进一步研究发现, 将活动性IBD患者炎症肠黏膜固有层单个核细胞(LPMC)在体外与自身肠道内细菌裂解液共育后, LPMC发生强烈的增殖反应, 伴有大量的细胞因子如IL-12, IFN-γ, IL-10等分泌, 而正常人LPMC对自身肠菌裂解液不发生增殖反应, 说明正常人对自身的肠菌存在耐受, IBD患者的这种耐受被打破. 最近研究发现, 细菌DNA的CpG基序能刺激一些免疫细胞产生TH1型为主的免疫反应. DSS动物结肠炎发生后, 用细菌CpGs处理动物会加重动物急慢性结肠炎的病情; 而在诱导结肠炎开始前, 用细菌CpGs处理动物可能会诱导免疫耐受, 并明显减轻结肠炎病情[22]. 肠道菌群失调, IBD患者肠道正常细菌的种类、数量和功能发生了改变. 丁酸盐和其他短链脂肪酸(SCFA)是厌氧菌在肠道内发酵难于被消化吸收的食物成分, 如碳水化合物和蛋白质等所产生, 具有一定的抗炎特性. 由于肠道细菌的种类和功能发生了改变, IBD患者肠腔内丁酸盐的浓度和SCFA的量明显减少[23]. 最近Luhrs et al[24]观察了丁酸盐灌肠的临床效果, 实验中11例UC患者分别接受丁酸盐或安慰剂灌肠, 治疗4-8 wk后丁酸盐治疗组患者临床症状明显缓解, 炎症肠道中NF-κB激活的单核细胞数量明显减少, 而对照组患者的临床症状没有明显改善, 说明丁酸盐对UC具有一定的临床治疗效果. 总之, 目前大量的实验和临床资料显示, 肠道菌群参与了IBD的发病. 某些具有遗传易感性的人群肠道菌群失调, 细菌及产物等抗原可能诱导肠黏膜免疫功能失衡, 使肠黏膜免疫系统对肠腔内抗原失去耐受, 引发了肠道炎症.

4 益生菌与IBD

由于近来的研究显示IBD中存在菌群失调, 益生菌制剂在IBD中的作用日益受到人们的重视. 益生菌是对健康有益的活菌或活菌性膳食补充剂. 目前, 临床常用的益生菌制剂主要有: 双歧杆菌活菌制剂(丽珠肠乐、回春生), 双歧杆菌三联活菌制剂(培菲康、金双歧、贝飞达), 蜡样芽孢杆菌活菌制剂(促菌生), 地衣芽孢杆菌活菌制剂(整肠生), 枯草杆菌和粪球菌二联活菌制剂(美常安)等. 关于益生菌在IBD中可能的作用机制包括与肠黏膜上皮细胞紧密结合, 提高黏膜防御屏障, 阻止致病菌的定植和入侵; 提高抗炎细胞因子水平; 与病原菌竞争性黏附于上皮细胞, 促进上皮细胞分泌黏液使其在黏膜和微生物之间形成保护层, 防止栖生菌易位; 增强巨噬细胞对病原菌的吞噬以及非T细胞依赖性IgA的分泌[25]. 但最近的研究表明益生菌在IBD发病中还可能存在其他机制包括: (1)通过阻止细菌黏附、易位或产生抗菌物质来抑制病原体; (2)阻断促炎细胞因子的分泌; (3)调节肠道菌群, 并且产生对肠道功能有重要作用的营养物质[26]. 虽然设计周密、双盲的临床对照试验为数不多, 但近年来人们应用益生菌治疗IBD实验动物已经取得了令人鼓舞的结果. 目前有关益生菌在IBD治疗中的效果最有力的证据是在贮袋炎中的治疗[27-28]. Kruis et al[29]最近的研究与他以前的研究结果一致, 他们通过1 a的观察研究发现, 大肠埃希杆菌Nissle1917与小剂量的美沙拉嗪(1.5 g/d)在维持缓解UC的发病中疗效相似. Kato et al[30]应用柳氮磺吡啶或5-ASA治疗的轻至中度小部分UC患者口服包含双歧杆菌的或安慰剂的发酵乳, 经短期随访(12 wk)后, 口服包含双歧杆菌发酵乳的患者40%病情缓解, 安慰剂组只有33%缓解. 其他短期无安慰剂对照的实验表明治疗活动性UC时小剂量美沙拉嗪加入益生菌制剂VSL#3的治疗效果较单用柳氮黄吡啶或5-ASA好. Borody et al[31]将益生菌注入6个溃疡性结肠炎患者肠腔并保留5 d以图恢复正常菌群, 而无其他合并治疗, 结果发现在4 mo内一直处于症状完全缓解期. 以上研究结果表明益生菌不但可以治疗UC, 而且能预防其复发. 目前缺乏足够的证据支持益生菌制剂在CD中治疗有效(可能在儿童CD中例外). 且最近的安慰剂对照实验并不能证明LGG在诱导和维持小部分CD患者缓解期中的效果.

总之, 目前有关IBD与肠道细菌关系的研究表明IBD患者肠道菌群不正常, 与健康对照者有很大区别, 肠道细菌在IBD发病机制中发挥了重要的作用, 但究竟是肠道菌群失调诱发IBD还是IBD继发肠道菌群改变目前还不清楚, 其具体机制有待进一步研究. 虽然肠道菌群分析不能对IBD的诊断起决定性作用, 但可为菌群与IBD的关系提供线索并可指导临床治疗. 基于这一点, 益生菌制剂作为一种安全有效无副作用的治疗方法, 应用于临床治疗IBD的前景充满希望, 但同时也存在着许多亟待解决的问题. 例如益生菌可被用于治疗IBD的最佳剂量、疗程及安全性等都是目前尚不清楚而又具有探讨价值的热点问题.

评论

背景资料

炎症性肠病的发病机制目前仍不清楚, 他是遗传、免疫感染及环境因素等多方面作用的结果. 现在肠道细菌被认为可能是参与IBD的始动和持续因素. IBD的发生可能是肠道细菌及其代谢产物作用于基因易感性宿主, 使之产生免疫应答, 三者在炎症的开始和持续发展中起了重要的协同作用.

研发前沿

IBD的病因和发病机制尚不明确, 但肠道菌群对IBD发病的触发作用日益为人所接受, 肠道菌群与IBD的关系成为目前研究的热点.

创新盘点

以前许多IBD的研究都侧重于异常免疫应答、炎症因子等免疫发病机制为主的方面, 本文介绍了IBD患者与正常对照者肠道菌群的差异, 并详细介绍了肠道细菌参与IBD发病可能的机制及益生菌制剂的应用.

名词解释

1 肠道菌群失调: 指人体肠道内致病菌与正常菌群比例失调, 致病菌、条件致病菌的数量增多, 而双歧杆菌、乳酸杆菌等对人体有益的正常细菌数量减少.

2 益生菌: 是指对健康有益的活菌或活菌性膳食补充剂.

同行评价

本文就IBD与肠道菌群研究进展及益生菌制剂治疗IBD作了综述, 其中就正常人肠道微生态、IBD患者与正常人肠道细菌的差异、肠道细菌在IBD中的作用、益生菌与IBD以及目前存在的问题与展望一一详细说明, 条理清晰, 有较高学术价值.

备注

电编:张敏 编辑:张焕兰

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