肠道菌群和“肠-肺”轴在脓毒症中的作用

邵瑞飞，杨 艳，郑志榕，赵世民，陈国兵,*

(1.昆明理工大学 医学院, 云南 昆明 650500; 2.云南省第一人民医院 重症医学科, 云南 昆明 650032)

脓毒症(sepsis)被定义为宿主对感染的反应失调而导致的危及生命的器官功能障碍。它是严重创伤、烧伤、感染、急性胰腺炎、缺血再灌注等疾病的常见并发症。当脓毒症出现器官功能障碍时，会发展为严重脓毒症、感染性休克、多器官功能障碍综合征(multiple organ dysfunction syndrome, MODS)，最后导致多脏器功能衰竭(multiple organ failure, MOF)[1]。近年来，肠道微环境和肠道菌群在脓毒症中的作用引起了人们的重视。脓毒症发生时会引起肠道菌群紊乱，激活炎性因子，而肠道内炎性环境导致肠道通透性过高，损伤肠黏膜和肠上皮细胞，导致细菌从肠腔转移到先前无菌的部位，最终反过来驱动脓毒症并使炎性反应暴发。

1 肠道微环境和肠道菌群

1.1 肠道微环境

肠道微环境是肠道菌群与肠道内间隙液、上皮细胞等相互作用的微生态，是微生物生存的空间，直

接或间接影响人类的健康。一般由3部分构成：单细胞层上皮黏膜、肠腔内寄生的微生物群和免疫系统(调控宿主与微生物群落之间的平衡)[2]。

1.2 肠道菌群

肠道菌群是寄生在人体肠道内数量和种类庞大的微生物群。在肠道菌群的刺激下，肠上皮细胞才能正常发育和分化，肠道酸碱性才能保持平衡[3]。肠道菌群通过产生多种消化和黏液分泌酶并参与维生素合成和矿物质吸收，从而促进营养的吸收。当病原体侵入肠道时，肠道菌群将会发挥保护功能，利用代谢和免疫机制使病原体难以侵害肠道，使机体免疫机制和宿主炎性反应保持平衡，从而维持肠道正常的生理功能。

1.3 肠道菌群失调

肠道菌群失调是指由于内外环境变化引起的肠源细菌失衡、细菌数量变化和肠道细菌移位的病理状态[4]。革兰阴性菌与细胞壁脂多糖(lipopolysaccharides, LPS)的增加呈正相关，前者的增多会引起后者的增加，内毒素最终破坏肠黏膜引起肠壁渗漏，LPS入血，干预机体的免疫应答，包括固有应答和适应性应答，来激发免疫细胞分泌炎性因子如 IL-1β、TNF-α等。同时TLR4的刺激表达能够通过LPS/TLR4信号途径，调节细胞下游信号通路磷酸化激活核转录因子(nuclear transcription factor Kappa B, NF-κB)和转录因子激活蛋白1(transcription factor activating protein-1, AP-1)，最终诱导炎性因子、趋化因子和活性氧的表达增加[5]。

1.4 细菌易位

当肠黏膜屏障被破坏时，肠道上皮细胞失去完整性，细菌及其分解物通过血液迁移到肠系膜淋巴结、肺等正常无菌组织，引发全身炎性反应以及远距离器官受损[6]。在小鼠中，肠系膜淋巴管结扎可减轻内毒素血症中的肺损伤和中性粒细胞活化。此外，从危重病小鼠收集的肠系膜淋巴液在健康小鼠静脉注射后会诱发肺损伤。

2 脓毒症致肠道菌群失调诱发肠衰竭

脓毒症时，肠道微环境被破坏，肠道菌群失调，肠道菌群比例和数量会发生明显改变，主要表现为肠内益生菌减少，而铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯杆菌、鲍曼不动杆菌、变形杆菌和真菌等肠内条件致病菌因失去定植菌而大量增殖，成为优势菌群[7]。同时，肠道通透性增加，活性氧大量释放，肠黏膜受损，原存在于肠道内的细菌和内毒素透过肠壁渗漏到体循环中，经肠系膜淋巴结侵入远隔脏器并大量增殖，进而进入血液循环，引起全身感染，加重脓毒症患者病情，最终导致MODS。在ICU感染的患者中，90%以上的患者至少有1次与上消化道相同的细菌感染[8]，说明在感染病理状态下人类肠道细菌确实会发生易位。

脓毒症后期炎性因子的释放会损伤肠道上皮细胞，促使细胞凋亡，最终诱发肠衰竭。研究显示，无菌小鼠与感染铜绿假单胞菌肺炎的小鼠相比死亡率显著增加，这种死亡率的差异与肠道细胞凋亡的改变有关，而局部炎性反应和肠道上皮细胞的凋亡是由肠道细菌介导的[9]。因此，肠道菌群与免疫细胞间稳态的破坏是脓毒症发病的重要诱因。

3 “肠-肺”轴在脓毒症中的作用

3.1 “肠-肺”轴

人类的上、下呼吸道微生物多样性基本是一致的，而且它们之间具有较高同源性，也称之为“地貌连续性”[10]，通常肺部感染的发生受肠道菌群的影响。“肠-肺”轴主要指正常的肠道菌群以免疫为中介，通过调节免疫反应的信号通路，加强肺部抵抗和消除病原菌的能力以及减少或减缓呼吸道变性疾病的发生发展；同时当很多肺部疾病发生时相应的消化道也出现病症[11]。关于肠道微生物和肺部感染之间的作用关系，目前认为可能与机体局部、宿主菌群和全身免疫状态的改变有关。

3.2 肠道菌群与肺部感染

“肠-肺”轴表明肠道和肺部紧密联系且相互影响。在机体出现创伤和感染等应激情况下，肠道菌群失衡，释放大量活性氧，肠道屏障功能受损，细菌入血并通过血液扩散至宿主的其他组织或器官，最终引发一系列的炎性因子级联反应大暴发，发展成严重脓毒症。细菌移位后，肺是最先受到损伤的器官，说明肠源性感染是急性肺损伤的诱因。研究表明，出生后两周，小鼠肺微生物由厚壁细菌、变形杆菌转变为假线菌群落结构[12]。临床实验中，急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome, ARDS)患者支气管肺泡灌洗液中肠道细菌含量较高，和全身炎性程度有相关性。这些结果表明脓毒症小鼠与ARDS患者的肺部微生物被肠道细菌占据，脓毒症后肺部菌群的主要来源可能是下消化道，而不是上呼吸道[11]，说明肠道菌群是肺与肠之间的桥梁。

肠道菌群在一定程度上可以为呼吸道感染提供广泛的保护。肠道菌群减少的小鼠可导致免疫反应受损和呼吸道细菌或病毒感染。用去除肠道菌群的小鼠与正常小鼠共同建立链球菌肺炎模型，前者存活率较低，肺部炎性和损伤程度较高，细菌更易向其他部位扩散[13]，说明正常肠道菌群可通过TLR4的表达来清除大肠埃希菌的肺部感染。同时研究已经证实，肠道菌群不平衡可激活LPS/TLR4通路，从而上调流感病毒所致的小鼠肺组织炎性，加重流感病毒引起的肺组织病理状态[14]。ARDS患者肠道黏膜屏障功能和肠道菌群的变化尚未见报道，“肠-肺”轴相互作用的具体机制尚不清楚，但肠道菌群可引发肺部感染的发现为以后严重脓毒症的微生物治疗提供了新的思路。

细菌性肺炎是卒中后死亡的最常见的并发症[15]。在卒中后感染的患者中发现的大多数微生物通常是定植在肠道内的常见的共生细菌。另外，在缺血性卒中小鼠模型中，只有在无特定病原体的设施中出生和长大的小鼠才能观察到卒中后感染，而在无菌设施中出生和长大的小鼠则未见这种情况。通过高通量16 S rRNA基因扩增序列分析和生物信息学分析，证明卒中后小鼠肺部微生物群落来源于宿主小肠[16]。

4 肠道菌群失调的调节治疗

4.1 肠道选择性去污

肠道选择性去污是使用口咽和胃肠道不能够吸收的抗生素，来清除定植于肠道的移位菌群，抑制肠道内机会性致病菌增殖，该治疗在一定程度上减少肠道菌群易位的发生。使用肠道选择性去污可以减低ICU患者的病死率，但也应警惕肠道多重耐药菌的出现[17]。

4.2 益生菌治疗

“益生菌”是一类选择性地可将不能消化的食品成分，于结肠内被刺激发酵成对机体具有健康益处的微生物[18]。益生菌通过调节肠源性微生物菌群的结构组成，调节上皮细胞的炎性潜能和免疫细胞的活性，来保护肠上皮细胞和肠黏膜屏障。例如，补充肠道双歧杆菌，可能将肠道革兰阴性杆菌的数量减少而减少内毒素的释放，进而达到控制内毒素血症的目的；乳酸杆菌也是最常用的益生菌之一，能够刺激产生细胞因子，增强宿主免疫应答[19]。因此，通过生产下一代益生菌可以克服安全性和临床变异性，和粪便微生物菌群移植有针对性的使用可以抵抗致病菌的发展并预防后期抗生素耐药病原菌的感染。

4.3 粪便微生物群移植

粪便微生物菌群移植(fecal microbial transplantation, FMT)是一种将健康人粪便中提取功能菌植入患者肠道，达到重建正常肠道菌群的新型方法。FMT已被用作治疗ICU中严重的艰难梭菌感染的有效措施[20]。基于FMT的理论机制，发现它能治疗耐药菌感染与腹泻等疾病，同时通过利用肠道微生物群可以抵消生态失调，从而治疗脓毒症[21]。这些发现为其他微生物群相关的治疗途径和微生物数据库建立提供了基础。目前认为，菌群移植短期是比较安全的，大多为移植途径建立所引起的不良反应(如放置鼻胃管和鼻肠管)。但是也有研究表明FMT治疗引入了一种新的细菌群，可能导致过度的免疫反应和减少黏膜完整性，促使炎症性肠病的发生[22]。长期不良反应主要为可能的病原体传播及目前未能明确的因素对全身其他系统的交互影响。由于移植菌群来自外源性供体的捐赠，理论上存在肠道病原体的传播，这就需要对供体人群进行严格筛选。此外相关的伦理问题仍然存在争议[23]。在这些疗法的真正临床相关性得到确认之前需要进行广泛的临床试验。

5 问题与展望

肠道微生态的平衡是维持肠道和全身免疫稳态的关键。脓毒症发生时，肠道存在菌群紊乱，但肠道菌群导致肺部感染的机制尚不明确，肺部感染如何影响肠道功能还有待深入研究。展望未来，随着临床细菌耐药的逐年增加，可供选择的抗生素也越来越少，通过使用益生菌和粪便微生物菌群移植调节肠道菌群紊乱，可能为脓毒症的治疗提供新的思路。