肠道菌群在脓毒症发生、维持和转归中的作用（上）

翻译：林华鹏  编辑：未亚平

     脓毒症是一种对感染的免疫反应失调，最终会导致终末器官损害和死亡可能，是一种重要的公共卫生威胁。美国每年有170万病人感染败血症，死亡率高达50%。尽管脓毒症的发病率、死亡率都很高，但对脓毒症的治疗却仍然研究不足。几十年来，抗生素和支持性治疗的主导地位并没有明显改变。

     肠道微生物群调节脓毒症的多种反应，是脓毒症的潜在治疗靶点。正常肠道微生物群结构和功能的丧失与艰难梭菌感染（CDI）、炎症性肠病和肥胖等疾病有关。虽然脓毒症的发病机制是多因素的，而且还不完全清楚，但越来越多的证据表明肠道微生物群的破坏易导致败血症，并对脓毒症的预后产生负面影响。在这篇综述中，我们强调了这一证据，回顾了粪便菌群移植（FMT）在败血症中的应用，并概述了阐明肠道微生物组在败血症中作用的研究重点。尽管对肠道微生物组群与败血症之间关系的研究一直在增加，但方法和结果指标的差异使得不同研究之间的比较变得困难。表1概述了用于解释微生物组研究的重要术语和本综述中使用的关键术语。

      尽管子宫内被认为是无菌的，新生儿的肠道在出生时就被定殖了细菌。在生命的最初几周，获得系统发育多样性，尤其是专性厌氧菌，可以防止病原体定植。一项2019年对200多名早产儿进行的前瞻性队列研究发现，新生儿肠道微生物群的细菌多样性和厌氧菌定植的增加可预防败血症。重要的是，在没有厌氧菌的情况下，占优势的细菌种类，包括葡萄球菌属和大肠杆菌属，是那些能够转移并导致菌血症的细菌。关于肠道微生物组群的变化使成人易患败血症的研究较少，但一项早期研究表明肠道微生物组群定植和转位在术后败血症中的致病作用。

     很少有研究前瞻性地跟踪脓毒症发病前肠道微生物群的变化，迄今为止，这些研究都只是作为会议摘要发表的。然而，这些初步研究表明，肠道菌群多样性低、致病性革兰氏阴性菌和肠球菌相对丰度高的患者患败血症的风险较高。其他研究表明造血干细胞移植受者的菌血症和重症监护病房（ICU）患者感染的危险因素相似。

      最近两项大型流行病学研究提供了间接证据，证明肠道微生物群的破坏是败血症的一个危险因素。尽管这两项研究都没有明确描述被纳入患者的肠道微生物组，但他们检查了CDI和广谱抗生素对脓毒症发展的影响。因为CDI和广谱抗生素与肠道菌群破坏密切相关，所以CDI患者或接受广谱抗生素治疗的患者应比未接受CDI治疗的患者有更严重的肠道菌群破坏。第一项是2015年对超过10000名医疗保险接受者进行的研究，研究了CDI发作后的败血症风险。在这个队列中，患者在因CDI住院后比因非CDI感染原因住院后发生严重脓毒症的可能性高70%。第二项研究观察了超过1200万名患者在接受不同种类抗生素后发生严重败血症的风险。与未接受抗生素治疗的患者相比，接受与CDI相关的抗生素（如第三代和第四代头孢菌素类、碳青霉烯类和氟喹诺酮类）的患者因严重败血症或败血症性休克再次入院的几率高出65%。在接受与CDI相关性较小的抗生素（如第一代和第二代头孢菌素和大环内酯类）的患者中，这种相关性减弱。因此，这些研究表明肠道微生物群的破坏与随后的败血症发展之间有着密切的关系。虽然这种相关性可能很强，但这些微生物组改变影响败血症风险的机制，以及这种风险的潜在混杂因素，在这些研究中没有得到评估，需要澄清。

      除了易患败血症外，肠道微生物多样性的降低还调节了动物模型中宿主对败血症的反应。在一个实验中，从不同供应商购买的基因相同的小鼠具有不同的肠道微生物群落（即β-多样性）和不同数量的多样性（即α-多样性）。当遭受实验性腹腔脓毒症时，α多样性较大的小鼠比α多样性较低的小鼠更有可能存活（47%比10%的7天存活率）。共同居住的小鼠能够平衡组间α-和β-多样性，从而改善先前更容易死亡的小鼠的败血症存活率。同样，通过FMT给予败血症易感小鼠时，存活下来的小鼠肠道微生物群对脓毒症具有保护作用。在一些败血症的实验模型中，包括甲型流感和肺炎球菌肺炎模型，也显示了微生物组减少和多样性丧失对死亡率的类似影响。肠道微生物群多样性和败血症易感性之间的潜在机制联系将在下一节讨论。

     在败血症发作之前肠道微生物群的破坏是否会恶化人类的败血症结局，目前还不清楚。一项随机对照试验（RCT）研究了在健康年轻男性静脉注射脂多糖（LPS）前应用广谱抗生素对预后的影响。尽管随机使用广谱抗生素的受试者α-多样性降低，几种有益肠道细菌的丰度降低，但对败血症严重程度的替代标志物（包括生命体征和纤溶）没有影响。正如这项研究所显示的，肠道微生物组的组成和多样性不太可能解释脓毒症的所有临床异质性。

病理生物的选择

      在存在保护性共生细菌的情况下，健康宿主肠道内具有致病潜力的细菌（“病理生物”）可能无法增殖并导致疾病。保护性细菌类群的丧失允许病理生物增殖。在一项关键的早期研究中，当小鼠暴露于结肠炎症和抗生素时，肠道微生物群的特征是多药耐药（MDR）大肠杆菌致病性克隆的扩张，并在全身扩散。

     在一个单独的实验中，老鼠被喂以高脂肪或正常脂肪的食物，给予广谱抗生素，然后接受部分肝切除术。与正常饮食组相比，高脂饮食组小鼠肠道菌群α-多样性降低，肝部分切除术后存活能力下降，MDR革兰氏阴性菌增多。高脂饮食小鼠的死亡率更高，肠道细菌的传播也更多，这表明即使原发性损伤很遥远，肠道微生物群多样性的降低也会导致肠道易位。

免疫反应改变

      微生物组对免疫发育的影响始于新生儿胃肠道的定植。无菌新生小鼠骨髓髓系前体细胞发育减少，脾脏髓系细胞减少，易感染大肠杆菌、单核细胞增生李斯特菌和金黄色葡萄球菌败血症。肠道再定植可减少易导致败血症易感性增加的免疫功能紊乱。

      新生儿期肠道定植后，肠道微生物组分的差异直接导致了对败血症的不同免疫反应。肠道微生物群α-多样性增加的小鼠可提高脓毒症的存活率，这是由一种独特的免疫表型介导的，其特征是增加CD4+T细胞反应。通过共宿提高小鼠体内微生物群α-多样性，不仅可以提高脓毒症的存活率，而且可以改变对脓毒症的免疫反应。败血症存活的小鼠在暴露于与在肠道中定植的细菌相似的败血症中时，由于T细胞对这些特异性细菌抗原的反应改善，其结果得到改善。除了影响T细胞反应外，肠道微生物群还影响体液免疫：共生菌直接产生IgA，通过细菌同源性在随后的败血症中起保护作用。这些研究表明肠道微生物群在“启动”免疫系统对脓毒症作出反应中起着作用。

     脓毒症发作后，肠道菌群的变化以肠道菌群数量减少为特征，影响炎症反应。动物研究表明，有关特定炎症途径的结果相互矛盾，反映了肠道微生物组与免疫系统之间关系的复杂性。例如，在肺炎链球菌败血症的小鼠模型中，败血症发作前口服抗生素与肺部TNF-α（一种促炎细胞因子）水平较低有关，而其他人则显示肠道微生物群耗竭对TNF-α的相反影响。尽管不同研究之间的特异性细胞因子表达存在差异，但在败血症发病前改变正常肠道菌群结构的总体影响似乎是对脓毒症更为强烈的炎症反应。

      细胞因子表达的差异可能是由于共生菌对特定免疫途径的影响。一项对500名健康成人的研究表明，在体外微生物抗原刺激外周血单个核细胞时，肠道微生物群落组成与细胞因子反应之间存在相互作用。例如，作者发现共生菌影响细胞因子IL-1β和IL-6的产生，从而调节白念珠菌感染的急性炎症反应。

     虽然重要的是，体外研究并不能完全复制人类败血症期间的情况。除了一些小的研究之外，关于肠道微生物群对脓毒症免疫调节的影响，几乎没有人类数据。一项研究没有发现肠道微生物群与实验性脓毒症免疫反应之间的关系，而其他临床脓毒症的研究则显示，肠道菌群的改变（以病理生物的增加为特征）与旺盛的免疫反应之间存在联系。鉴于免疫失调在脓毒症发病机制中的重要性，肠道菌群在脓毒症免疫反应中的作用值得进一步研究。

有益微生物产品产量减少

    肠道微生物群落的共生成员产生短链脂肪酸（SCFAs），它调节肠道微环境的多种功能。例如，梭状芽孢杆菌和粪杆菌产生丁酸SCFA，通过上调Foxp3（一种关键的调节性T细胞转录因子）影响结肠调节性T细胞分化，并抑制组蛋白去乙酰化以减少NF-κB-调节的促炎性细胞因子，包括TNF-α和IL-6。

      SCFAs除了具有免疫作用外，对上皮细胞的功能也是至关重要的。由肠道共生双歧杆菌产生的醋酸盐通过对上皮细胞功能的影响来保护小鼠免受肠大肠杆菌易位的影响。丁酸盐的上皮细胞代谢降低了组织中的氧浓度，从而稳定了HIF-1，HIF-1是一种转录因子，调节着屏障功能的几个重要基因。初步数据表明，低丰度的丁酸盐生产菌可能是败血症发病的一个危险因素，而肠道膜通透性增加是一个合理的解释，需要验证。例如，肠道通透性的血清标志物升高，包括zonulin和FABP2，与主要革兰氏阴性的肠道微生物组有关，但如果这些标记物在败血症发病前升高并与微生物组破坏有关，则不得而知。 

未完待续......