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肠屏障损伤与肠源性感染

来源:肠外与肠内营养

作者:李秋荣


肠源性感染是严重创(烧)伤、大手术、失血性休克、重症急性胰腺炎等危重症患者死亡的主要原因之一。在上述病理条件下,肠道细菌可通过受损的肠黏膜侵入外周血和远隔器官,形成细菌移位,诱发全身性炎症反应、脓毒症和多器官功能障碍综合征,导致患者死亡。肠屏障主要由肠上皮屏障、肠道微生物屏障和黏膜免疫屏障组成。以往细菌移位机制的研究主要围绕肠上皮屏障的重要结构基础——紧密连接展开。由于技术方法的限制,以往对细菌移位形成过程中肠道微生物屏障如何变化以及潜在作用关注甚少。肠道菌群可影响肠黏膜免疫细胞的发育和成熟,以及肠上皮细胞更新和结构维持,表明三者间可能存在复杂的相互作用。但在肠源性感染形成过程,肠道菌群、肠上皮屏障及肠黏膜免疫细胞如何协同作用尚不完全清楚。近10年来,由于DNA测序技术的发展及其在微生物学的应用,肠道菌群结构、组成和功能的研究取得了突破性进展。关于肠道菌群失衡在肠源性感染形成的作用亦有了新认识,从新的角度诠释了肠道细菌移位发生的生物学基础,对于发展肠源性感染早期诊断和治疗新方法,控制和减少多器官功能障碍综合征的发生,降低患者死亡率具有重要的参考价值和科学意义。


一、细菌移位新概念


细菌移位概念的提出可追溯至20世纪60年代。1966年,Wolochow等首先提出细菌移位一词,指肠腔内的细菌和(或)内毒素,通过某种途径越过肠黏膜屏障,进入肠系膜淋巴结、门静脉系统,继而进入体循环以及肝、脾、肺等器官的过程。细菌移位的检测主要依赖于体外培养,因受技术方法的限制,患者血培养多为阴性。因此,在很长一段时期内,细菌移位的概念并未得到临床医师的广泛认可。直至20世纪90年代,MacFie等对腹部手术患者肠系膜淋巴结和外周血细菌培养的研究,提供了充分的临床证据表明细菌移位的存在,并提出“肠源性脓毒症”的概念,为阐释严重创(烧)伤、大手术、失血性休克、重症急性胰腺炎等脓毒症的发生提供了重要基础。肠道细菌仅有少量(<30%)能在体外培养,因而,血培养通常仅有1种细菌生长,极少数患者能分离获得2种以上细菌。因此,长期以来一直认为肠源性感染为单一或极少数种类细菌从肠道移位所致,但这难以解释一些患者“病原菌清除”后疾病重症化及死亡的病理生理机制,提示移位细菌的种数可能被低估了。近年来,基于细菌16SrDNA分子技术的发展,为研究移位细菌谱图提供了强有力的工具,DNA指纹图谱技术被创新性地用于脓毒症患者外周血细菌的检测,发现多种肠道细菌(6~10种)移位至患者外周血(超过60%),为肠源性感染的主要特征,表明多细菌移位在脓毒症患者可能是普遍存在的,更新了我们对细菌移位概念的理解。更重要的是,最近应用高通量测序等方法对外周血细菌16SDNA研究发现,在健康人和心血管疾病患者外周血中存在细菌菌群,主要由源自肠道的细菌组成。肠道细菌菌群移位可能是外周血菌群形成的基础,这是对传统细菌移位概念认识的又一重大突破。尽管目前对外周血细菌菌群的研究十分有限,其病理生理作用和意义亦不清楚,但该发现无疑为我们指明新的方向,重新审视肠源性脓毒症发生发展的机制,将为肠源性感染治疗提供新理念和新方法。


二、肠道菌群失衡与细菌移位


肠道是人体最大的细菌库,定植约1500种细菌,数量可达100万亿。其主要以拟杆菌门和硬壁菌门为主(>90%),还有少量放线菌门和变形菌门细菌,这些细菌共同构成复杂的微生态系统,执行重要的生理功能,如营养吸收与代谢、机体免疫发育与成熟、病原体定植抵抗等。以往对肠道菌群屏障功能的研究主要集中于病原体定植抵抗,主要关注肠道共生菌对条件致病菌(包括外源性病原体)的竞争限制作用,肠道共生菌通过抑制肠道致病菌的过度生长,防止肠道细菌感染的发生。但在肠源性感染条件下,肠道菌群的变化以及在细菌移位形成的作用,以往研究相对较少。最近研究发现,肠道缺血-再灌注损伤病理条件下,肠道菌群结构和组成的改变,主要表现为肠道共生菌减少,条件致病菌尤其变形菌门细菌明显增加,肠道菌群多样性降低,肠道菌群严重失衡;同时,观察到细菌移位至外周血、肠系膜淋巴结、肝、脾等器官,细菌移位出现与菌群失衡严重程度呈正相关。可见,肠道微生物屏障损伤可能为肠源性感染形成的基础。在炎症性肠病(克罗恩病)患者肠道菌群研究发现,肠黏膜溃疡区域细菌菌群组成明显不同于非溃疡区。其正常共生菌显著减少,病原体定植增加,这可能为肠道细菌移位发生提供了必要条件。小肠移植患者肠道菌群失衡的出现,亦表明肠道微生物屏障损伤与细菌移位发生的密切联系。除此之外,关于肠道菌群失衡与细菌移位形成的关系,最直接的证据来自于脓毒症患者肠道菌群的研究,进一步证实肠道菌群失衡是脓毒症发生发展的基础。肠道菌群失衡,即微生物屏障功能损伤,是肠道细菌移位形成的微生物学基础。


三、肠道菌群-黏膜免疫细胞相互作用与细菌移位


肠屏障是人体最重要且最复杂的屏障系统,主要由三个部分组成,即上皮屏障、微生物屏障和黏膜免疫屏障。尽管在肠道定位分布不同,三者之间相互联系,共同抵御肠道细菌和毒素侵入机体。关于肠道菌群与黏膜免疫相互作用的关系,以往主要应用无菌或悉生动物模型研究,发现肠道菌群对黏膜免疫系统的发育和成熟具有至关重要的作用;但肠黏膜免疫细胞如何影响菌群结构和组成的研究相对较少。最近,我们以食蟹猴作为动物模型,应用具有淋巴细胞清除功能的CD52单抗处理动物,特异性清除肠黏膜淋巴细胞,诱导肠黏膜免疫屏障损伤,发现肠道菌群失衡随黏膜淋巴细胞的清除而加剧,此后伴随肠黏膜淋巴细胞的恢复,肠道菌群亦渐趋恢复正常,表明肠黏膜淋巴细胞改变可影响肠道微生物屏障的完整性。这两者间的互作效应提示,在病理条件下肠道菌群失衡与肠黏膜免疫屏障损伤是同时存在的,共同在细菌移位中起作用。


四、肠道菌群失衡与肠上皮屏障损伤共同存在


肠道菌群对肠上皮细胞的更新和结构维持具有重要的作用,提示肠道菌群改变可能影响肠上皮细胞的结构或功能,但肠道菌群失衡是否可诱导肠上皮屏障损伤尚不明确。为确定肠道菌群失衡与肠上皮屏障损伤之间的因果关系,应用肠源性致病性大肠杆菌灌胃小鼠,诱导肠道菌群紊乱,发现肠上皮紧密连接超微结构破坏,紧密连接结构蛋白分布异常,并伴有肠道细菌移位发生,表明肠道菌群失衡可能诱导肠上皮屏障损伤,共同在肠源性感染发生起作用。在前述肠道缺血-再灌注损伤动物模型亦观察到肠上皮紧密连接破坏以及黏膜炎性细胞的浸润,可见,肠道菌群、肠上皮屏障和黏膜免疫系统对急性肠损伤的响应是协调一致的,共同参与细菌移位的形成。总之,肠屏障整体结构与功能的损伤是肠源性感染发生的基础。


五、肠屏障损伤修复与肠源性感染防治


肠道菌群失衡、肠上皮和黏膜免疫屏障损伤相互影响,共同在细菌移位中起作用,提示通过纠正肠道菌群失衡,可能整体修复肠屏障系统,阻止细菌移位发生,进而预防或治疗肠源性感染。粪便菌群移植是近年来常用的一种肠道菌群靶向治疗方法,目前主要用于复发性难辨梭状芽胞杆菌感染的治疗。粪便菌群移植治疗主要机制是纠正肠道菌群失衡,重建肠道内稳态平衡,以控制感染,为肠源性感染防治提供了新思路。我们将粪便菌群移植用于2例脓毒症休克伴严重腹泻患者的治疗,患者脓毒症症状得以控制,外周血细菌培养转为阴性,同时观察到患者肠道菌群失衡得以纠正,机体炎性反应减轻,免疫功能恢复正常,最新的研究得到了与此一致的结果。小肠移植慢性失功由肠道慢性炎性损伤所致,导致肠屏障损伤和细菌移位,是小肠移植终末期死亡的主要原因。免疫调节剂可减轻肠道炎性反应,或可修复肠屏障损伤,阻止或减缓移植物慢性失功的发生。我们将具有免疫调节活性的小分子物质鱼油(n-3多不饱和脂肪酸)用于小肠移植慢性失功干预治疗,发现鱼油可显著减轻肠黏膜炎性反应,显著改善肠上皮屏障损伤和肠道菌群失衡,使肠道内稳态平衡恢复,这从另一角度证实了肠道菌群、黏膜免疫和上皮细胞之间存在相互作用。


六、结语与展望


肠道细菌是脓毒症感染的主要来源已得到学术界的普遍认可,但这些细菌如何穿越复杂的肠道屏障形成细菌移位尚不完全清楚。近年来,通过动物实验与临床研究相结合,整合分析明确了肠道菌群失衡在细菌移位形成的关键作用,确定了肠屏障整体结构功能损伤是细菌移位发生的病理生理基础,从系统生物学角度揭示了肠源性感染形成的生物学机制,提出了肠源性感染治疗的新思路和新方法。尽管已有证据支持上述研究结果,但仍需通过大量临床试验加以验证。肠屏障损伤的修复治疗,如粪便菌群移植,已初步证实其防治脓毒症感染的有效性,加快研究成果转化应用于患者肠源性感染和脓毒症的治疗,是今后研究的主要方向和内容。


文献来源:肠外与肠内营养.2017;24(2):65-67.

 

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