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祝荫教授:肠道菌群失衡在急性胰腺炎肠黏膜屏障损伤中的作用

时间:2021-03-16 17:31来源:中国实用内科杂志 作者:李雪洋,祝荫 浏览次数:
  急性胰腺炎(acute pancreatitis,AP)是多种病因导致胰酶在胰腺内被激活后引起胰腺组织自身消化、水肿、出血甚至坏死的炎症反应。肠功能障碍是重症急性胰腺炎(severe acute pancreatitis,SAP)常见并发症,也是促使病情发展甚至诱发多器官功能障碍的重要因素。肠道功能障碍包括肠黏膜屏障损伤和肠道动力障碍,有研究表明肠道菌群可通过影响肠黏膜上皮细胞更新、肠道通透性、肠道抗菌肽的释放及肠道黏液层等调节肠黏膜屏障功能。本文将就肠道菌群失衡在AP肠黏膜损伤中的作用作一阐述。

  01

  肠黏膜屏障功能损伤对AP的影响

  正常肠道黏膜屏障由机械屏障、化学屏障、免疫屏障与生物屏障共同构成。一般情况下,肠道有害物质(如细菌和毒素)由于受到肠黏膜屏障的阻碍不能够穿透肠壁,移位至机体其他器官或血液,肠黏膜屏障的完整性保证了机体能够抵御外界因素的干扰。肠黏膜屏障损伤是AP的主要并发症之一,一项meta分析结果显示,59%的AP患者合并有肠黏膜屏障损伤,通透性增加。另一项研究发现,68.8%的AP患者血液可以检测到代表肠道菌群的细菌DNA,说明AP过程中肠道菌群通过损伤的肠黏膜屏障移位至血液中。肠道细菌移位入血是导致胰腺感染坏死和患者死亡的主要原因,坏死性AP并发感染患者病死率是无菌坏死性AP患者的2倍。一项多中心临床研究显示,SAP患者早期肠黏膜屏障损伤与SAP相关并发症(菌血症、感染性坏死、器官衰竭)的发生和死亡密切相关,由此可见,肠黏膜屏障损伤在SAP病程进展中发挥重要作用。

  02

  AP患者肠道菌群的变化

  人体肠道内菌群由1500多个种属、50多个菌群构成,厚壁菌门(Firmicutes)最多,拟杆菌门(Bacteroidetes)其次,其他常见的还有变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、梭杆菌门(Fusobacteria)以及疣微菌门(Verrucomicrobia)。近年来,随着宏基因组研究的发展,人们越来越意识到肠道菌群对人体的健康和疾病发挥着重要作用。肠道菌群结构主要受到内部基因和外部微环境的影响,基于基因组学和代谢组学证据表明,外部微环境对肠道菌群的影响大于内部基因作用。肠道的外部微环境主要包括饮食、药物和各种腺体的分泌液(如唾液、胃液和胰液等)。胰腺作为人体最大的外分泌腺,可分泌含有HCO-3的黏液来调节肠道pH,维持肠道稳态。AP过程中由于胰酶的异常分泌以及胰腺结构的破坏,导致胰腺分泌功能异常,可引起肠道稳态和肠道菌群的改变。Tan等收集了76例AP患者和32例健康志愿者粪便,应用聚合酶链式反应变性凝胶电泳法分析发现在AP早期肠道菌群组成即发生了明显的变化,表现为有益菌属减少(如乳酸杆菌属)而致病菌(肠球菌属)明显增多,且肠道菌群变化越显著的SAP患者器官衰竭和感染性并发症的发生率越高,提示肠道菌群失调在AP中起重要作用。

  我们进一步利用高通量测序法研究发现,AP患者在疾病早期出现肠道菌群失衡,与健康人相比存在明显差异,AP患者肠道内细菌多样性明显减少,AP患者肠内双歧杆菌、Blautia、罗斯菌属等有益菌的相对丰度明显下降,而埃希杆菌属-志贺杆菌、肠球菌属等条件致病菌的相对丰度明显升高,且重症患者肠道菌群组成不同于轻症患者,表现为产短链脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)的有益菌如拟杆菌属、Blautia和孪生球菌属等明显减少,提示肠道菌群失衡可能参与AP重症化。随后,国内外其他研究同样证实肠道菌群失衡在AP发生发展中发挥重要作用。

  03

  肠道菌群在AP肠黏膜屏障功能损伤中的作用

  正常的肠道菌群构成肠黏膜生物屏障,具有影响肠道蠕动、调节宿主免疫、加强上皮屏障的功能。肠道中的厌氧菌(如乳酸杆菌、双歧杆菌等)可以以黏附、嵌合等方式,形成膜样结构,通过其定植抗力,阻止致病菌黏附到上皮细胞并抑制致病菌繁殖。前期研究显示AP患者肠黏膜屏障指标[如血清D-乳酸和二胺氧化酶(DAO)水平]在疾病早期即明显升高,提示肠黏膜屏障受损,且相关性分析显示肠黏膜屏障损伤与肠道菌群失衡密切相关,如肠道内致病菌埃希杆菌属-志贺杆菌和肠球菌属与D-乳酸和DAO呈显著正相关,而有益菌乳酸杆菌、Blautia则与二者呈负相关。近年来越来越多研究在动物模型中观察到,肠道菌群可通过调节肠道功能进而影响AP的重症化。我们前期研究发现,无菌小鼠和抗生素预处理小鼠诱导AP后,其胰腺病理改变如水肿、炎症细胞浸润和坏死以及全身炎症反应较肠道内有菌的无特定病原体(SPF)小鼠明显减轻,与此同时其肠道NOD样受体家族3(NLRP3)炎症小体的活化被抑制;而应用菌群移植技术恢复无菌小鼠和抗生素预处理小鼠肠道菌群后,其胰腺损伤和全身炎症反应再次加重,且其肠道NLRP3炎症小体活化水平增加,提示肠道菌群可能通过调节NLRP3活化影响AP严重程度;进一步利用基因敲除技术发现敲除NLRP3可调节肠道菌群,包括增加有益菌乳酸杆菌的含量并抑制致病菌埃希杆菌属-志贺杆菌的生长,进而维持肠黏膜屏障功能,最终减轻AP病理改变。另有学者同样观察到抗生素可通过抑制NLRP3炎症小体活化发挥改善AP的作用。

  为进一步明确影响AP的关键肠道细菌,有研究分别应用产丁酸的有益菌丁酸梭菌和条件致病菌大肠杆菌对小鼠进行灌胃处理后,观察诱导AP后胰腺病理损伤,结果显示丁酸梭菌可通过改善肠道菌群失衡,抑制肠道炎症反应,维持肠黏膜屏障功能,从而减轻AP;反之,大肠杆菌可通过激活TLR4、MyD88、p38MAPK信号通路诱导肠黏膜屏障损伤,进而加重AP。而丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)抑制剂对SAP的保护机制可能与纠正肠道菌群失衡和减轻肠道炎症反应有关。此外,有研究发现中药胡黄连苷对SAP诱导的肠黏膜屏障损伤具有保护作用,其机制包括上调肠道内乳酸杆菌,下调致病菌埃希杆菌属-志贺杆菌,从而抑制TLR4依赖的PI3K、AKT、NF-kB炎症信号通路的激活。

  不仅肠道菌群本身可影响肠黏膜屏障功能,肠道细菌的代谢产物异常(如SCFAs减少)也可影响肠黏膜屏障功能。参与SCFAs生成的肠道菌群主要是双歧杆菌数、乳杆菌属、拟杆菌属和梭杆菌属等厌氧菌。SCFAs不仅可以为机体肠黏膜细胞提供生长能量,调节肠道pH,还可以维持肠黏膜上皮细胞间紧密连接蛋白的完整性,改善肠黏膜屏障功能。我们的前期研究结果发现,AP患者在病程早期出现肠道菌群失衡和SCFAs含量减少,且重症患者产SCFAs细菌和含量较轻症患者明显减少。新近有研究发现补充丁酸可明显改善SAP的严重程度,其治疗机制包括纠正肠道菌群失衡,增强肠黏膜屏障功能和减少肠道内的细菌移位。综上所述,肠道菌群紊乱在肠黏膜屏障损伤过程中发挥重要作用。

  04

  调节肠道菌群在AP治疗中的作用

  肠道微生物群落的改变导致肠道屏障功能的改变,引起肠道细菌过度生长及免疫功能受损。益生菌预防能够稳定肠道屏障障碍功能,从而最大限度地减少细菌移位和预防感染并发症。Lutgendorff等报道,在AP诱导前5天开始益生菌预处理可以减少急性胰腺炎诱导的肠屏障功能障碍,并通过主要涉及大鼠黏膜谷胱甘肽生物合成的机制阻止氧化应激。此外,有研究发现补充SCFAs也可以缓解AP过程中肠黏膜屏障的损伤,Pan等发现丁酸盐可减弱AP相关的肠道损伤,丁酸盐可通过降低血清DAO水平,降低结肠促炎细胞因子水平,改善肠屏障功能。上述荷兰团队2020年的一项基础研究也发现,西式饮食增加小鼠坏死性胰腺炎的死亡率,表现为全身性感染、盲肠菌群多样性降低、大肠杆菌激增、代谢谱紊乱、产丁酸菌丰度下降、丁酸缺失,补充丁酸可减轻感染,调节菌群失调,降低死亡率。因此,体外补充益生菌和肠道菌群代谢产物可有益于提高AP小鼠肠黏膜屏障功能,减少感染的发生。

  近年来,也有越来越多的临床研究探索益生菌对SAP患者的影响。一项研究发现,急性胰腺炎和伴随器官衰竭的患者中,益生菌处理组肠细胞损伤增加,细菌移位增加;在不伴有器官衰竭的患者中,益生菌进行预防不仅不会影响肠上皮细胞的损害,且可以减少细菌的移位,这些结论表明预防急性胰腺炎感染并发症的未来研究应着重于疾病早期改善肠屏障功能。但2008年荷兰的一项多中心随机双盲对照研究得出相反的结论,预防性使用益生菌感染性并发症的发生率无明显下降,却会增加SAP患者的死亡风险。2016年Bongaerts等也就这篇文章做出了一项评论,他们认为是蛋白水解胰酶和益生菌治疗的致命结合导致该试验的高病死率,而碳水化合物细菌发酵产生的乳酸水平升高是关键的促成因素,他们建议未来研究使用益生菌的前提是:(1)在疾病症状首次发作后立即开始益生菌疗法;(2)限制可发酵碳水化合物的供应;(3)防止患者自身肠道菌群的细菌(过度)生长;(4)大量增加益生菌的剂量。

  最近的一项meta分析纳入了13项益生菌或益生元治疗AP随机对照临床研究,共计950例患者,结果表明,益生菌、益生元或合生元制剂在某种程度上缩短了SAP患者的住院时间;且对于大多数其他临床结果(如感染性胰腺坏死和病死率),使用益生菌、益生元或合生元制剂均有好处。然而,益生菌治疗AP目前仍然存在争议,目前国内外AP指南均未推荐使用益生菌。仍需较高级别的临床随机对照研究去进一步研究益生菌在AP治疗中的作用及时机。

  05

  结语

  综上所述,肠黏膜屏障损伤可引起肠道细菌移位至血液或其他组织器官,从而加速AP的进展、加重AP,而AP过程中肠道菌群结构和数量的改变与肠黏膜屏障损伤密切相关,调节肠道菌群改善肠黏膜屏障损伤可能成为AP治疗的一种有效方法。肠道菌群紊乱与AP重症化的关系以及影响机制仍需要更多的研究加以证实,益生菌在AP治疗中的作用也需要更多的基础研究以及高质量临床研究进一步证实。

参考文献(略)

作者:李雪洋,祝荫

作者单位:南昌大学第一附属医院

来源:中国实用内科杂志




 
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