炎症性肠病中的微生物组：从发病机理到治疗

The microbiome in inflammatory bowel diseases: from pathogenesis to therapy

作者：刘胜，赵文婧，牟相宇，兰平

通讯作者：牟相宇，兰平

中山大学附属第六医院

翻译：刘胜

校对：沈志勋

21 世纪以来，炎症性肠病（IBD）的全球发病率不断上升，已成为一种全球性疾病，但其确切病因尚不清楚。在过去的十年里，IBD 一直被报道和肠道菌群失调有关。尽管许多与 IBD 相关的生态失调尚未被证明是 IBD 的原因或结果，但通常的假设是，至少微生物组的某些改变是保护性的或致病性的。在这篇文章中，我们选择性地概述了人体中的关联研究和生物模型中的发病机制研究均支持的假说。特别地，我们综述了对 IBD 起潜在起保护作用和致病作用的细菌物种和功能通路。同时，我们讨论了某些真菌组和病毒组成员在 IBD 中的潜在作用。最后，我们介绍了靶向微生物的治疗方法的最新进展，这是缓解和治疗 IBD 的一个有前景的策略。

21 世纪以来，包括溃疡性结肠炎（UC）和克罗恩病（CD）在内的炎症性肠病（IBD）已成为一种全球性疾病，发病率不断上升（Ng et al., 2018）。IBD 以遗传易感性、环境和微生物因素驱动的慢性免疫介导的肠道炎症为特征（Ni et al., 2017; Imhann et al., 2018）。

微生物因素在过去已经被证明是 IBD 发病不可或缺的因素（Alhagamhmad et al., 2016），并且高通量测序的进步使我们能够阐明 IBD 的肠道微生物组。IBD 的微生物病原学研究主要集中在三个方向：1）持续病原体理论；2）过量细菌易位理论；3）生态失调理论 （De Hertogh et al., 2008; Kalischuk and Buret, 2010）。持续病原体理论假设 IBD 是由肠道病原体，如鸟分枝杆菌副结核亚种、艰难梭菌（Clostridium difficile）和黏附侵袭性大肠杆菌（AIEC）的持续感染引起的；过量细菌易位理论认为，肠道细菌穿越肠道屏障而导致的的过量细菌易位是 IBD 的原因之一；生态失调理论假设“有益的”和“有害的”共生菌之间的平衡被破坏可能导致 IBD。

这三种理论并不相互排斥。例如，AIEC 既可被认为是一种持续存在的病原体，也可被认为是一种有害的共生菌。前两种理论在其他地方得到了全面的概述（De Hertogh et al., 2008; Kalischuk and Buret, 2010）。在这篇综述中，我们总结了一些新出现的证据，这些证据表明了生态失调在 IBD 发病机制中的作用，并提示靶向肠道微生物可作为缓解 IBD 的潜在治疗方案。

微生态失调在 IBD 发病机制中的潜在作用

IBD 的特点是攻击肠道的免疫介导的慢性肠道炎症。IBD 一直被证明与肠道生态失调有关（Kostic et al., 2014; Lynch and Pedersen, 2016）。尽管许多与 IBD 相关的生态失调尚未被证明是 IBD 的原因或结果，但通常的假设是，至少微生物组的某些改变是保护性的或致病性的。

宏基因组研究显示，IBD 患者的微生物组成发生了变化（Franzosa et al., 2019; Lloyd-Price et al., 2019）；并且，代谢组学研究显示，与对照组相比，IBD 患者体内许多明确的微生物代谢物相对缺乏（Franzosa et al., 2019）。一些 IBD 患者缺乏的代谢物和相关微生物物种被发现具有抗炎作用，因此被假定为具有保护作用；另一方面，促炎的细菌代谢物和在 IBD 患者中富集的微生物物种被假定是 IBD 发病的原因。

在本综述中，我们主要关注具有两种支持证据的假设：1）至少有一项与IBD患者相关的研究（而不是动物模型）；2）至少有一项人类、动物模型或细胞模型的致病机制研究可以解释关联研究的结果。

潜在的保护性细菌功能通路和物种

人体肠道微生物组编码的代谢通路可产生许多与宿主相互作用的生物活性分子。典型的生物活性分子包括由细菌从饮食成分中产生的短链脂肪酸（SCFAs）和色氨酸衍生物，以及由宿主产生而在细菌作用下修饰的次级胆汁酸（Postler and Ghosh, 2017）。

肠道细菌产生的 SCFAs（主要是乙酸盐、丙酸盐和丁酸盐）可以调节保护性免疫并减轻组织炎症（Furusawa et al., 2013; Kim et al., 2013）。一项研究发现，IBD 患者与健康对照组之间有 12%的代谢通路存在显著差异，并证实了 CD 患者中丁酸酯和丙酸酯代谢基因的减少（Morgan et al., 2012）。另一项病例对照分析对 1792 人的粪便样本进行鸟枪法宏基因组测序，结果表明在 IBD 患者中丙酮酸发酵为丁酸酯（丁酸前体）的减少（Vich Vila et al., 2018）。就细菌物种组成而言，与对照组相比，IBD 患者中共生的柔嫩梭菌（Faecalibacterium prausnitzii）减少（Sokol et al., 2009; Hedin et al., 2016; Lloyd-Price et al., 2019）。在体外，F. prausnitzii 刺激外周血单核细胞，可显著降低 IL-12 和 IFN-γ 的生成水平，提高抗炎细胞因子 IL-10 的分泌水平（Sokol et al., 2008b）。此外，多种 F. prausnitzii 分离株具有模拟树突状细胞（DCs）分泌 IL-10 的能力（Rossi et al., 2016），表明 F. prausnitzii 在结肠炎中的抗炎作用。F. prausnitzii 产生的一种 15 kDa 的蛋白具有抗炎特性，可以通过抑制 NF -κB 通路减轻小鼠的结肠炎（Quevrain et al., 2016）。一些 F. prausnitzii 菌株被认为是候选的下一代益生菌（Martin et al., 2017）。

IBD 患者体内的罗斯氏菌属（Roseburia）也显著减少（Morgan et al., 2012），而 IBD 遗传风险评分与健康对照的 Roseburia 减少显著相关（Imhann et al., 2018）。在 CD（Franzosa et al., 2019; Lloyd-Price et al., 2019）和 UC 患者（Machiels et al., 2014）中观察到 Roseburia hominis 的缺乏。在 CD 或 UC 患者的粪便样本中，Roseburia intestinalis 的菌株丰度也出现了下降（Vich Vila et al., 2018）。据进一步报道，R. intestinalis 是存在于肠道粘液层的乙酸-丁酸转化器，可能在粘液层产生抗炎作用（Vich Vila et al., 2018）。

除了 SCFAs 水平的降低，色氨酸代谢水平的降低也与 IBD 中受损的上皮屏障有关（Schirmer et al., 2019）。色氨酸可以被细菌转化为具有生物活性的含吲哚分子，从而激活芳基烃受体并下调炎症（Zelante et al., 2013）。在 IBD 患者中，吲哚丙烯酸可以促进粘液的产生并抑制炎症细胞因子的产生（Wlodarska et al., 2017）。色氨酸代谢通路已经在一些人体肠道微生物中被确定，如 Clostridium sporogenes 和大肠杆菌（Williams et al., 2014; Dodd et al., 2017; Agus et al., 2018）。

初级胆汁酸 （PBAs）由宿主产生，经细菌修饰后形成具有抗炎活性的次级胆汁酸（SBAs）。正常的细菌的胆汁酸代谢在调节宿主调节性 T （Treg）细胞稳态（Song et al., 2020），以及 TH17 和 Treg 细胞分化 （Hang et al., 2019）方面发挥重要作用。在 IBD 患者中观察到胆汁酸代谢紊乱，且与健康对照组相比，粪便胆汁酸中的 SBAs 减少而 PBAs 增加（Duboc et al., 2013; Franzosa et al., 2019）。最近的一项研究还发现，在未能维持缓解的CD患者亚组中，粪便胆汁酸组成发生了改变，以 PBAs 为主（Connors et al., 2019）。PBAs——胆酸及其甘氨酸和牛磺酸缀合物在 CD 患者的样本中富集，而 SBAs——石胆酸盐和脱氧胆酸盐则减少（Lloyd-Price et al., 2019）。此外，与家族性腺瘤性息肉病（FAP）患者相比，UC 患者粪便中的石胆酸和脱氧胆酸（丰度最高的肠道 SBAs）水平，以及将 PBAs 转化为 SBAs 所需的基因均有所减少（Lloyd-Price et al., 2019）。Roseburia 中的成员和未分类的 Subdoligranulum 中的物种与胆汁酸代谢相关，且在 IBD 患者中均显著降低（Lloyd-Price et al., 2019）。与健康人相比，IBD 患者中的瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）减少（Vich Vila et al., 2018; Lo Presti et al., 2019; Yilmaz et al., 2019），已知其含有能够产生 SBAs 的成员（特别是 Clostridium leptum），可通过依赖于 TGR5 胆汁酸受体的过程改善肠道炎症（Sinha et al., 2020）。补充 SBAs 还可以在三种小鼠结肠炎模型中减轻肠道炎症（Sinha et al., 2020）。

脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）产生的多糖 A（PSA）能引导 CD4+T 细胞的发育，诱导 Tregs 的抗炎作用（Mazmanian et al., 2005; Round et al., 2011）。PSA 对动物实验性结肠炎的保护作用依赖于产生 IL-10 的 CD41 T 细胞（Mazmanian et al., 2008）。IBD 患者的 B. fragilis 群体中 PSA 启动子“开放”的比例明显较低（Blandford et al., 2019）。此外，B. fragilis 产生的鞘脂能调节宿主肠道自然杀伤 T 细胞的稳态，对恶唑酮诱导的实验性结肠炎具有保护作用（An et al., 2014）。

最近对 Akkermansia muciniphila 的研究揭示了 IBD 中的另一种潜在的保护性通路。一项对 46 例 IBD 患者和 20 例对照的研究表明，在 CD 和 UC 患者中，A. muciniphila 的丰度降低了许多倍（Png et al., 2010）。尽管一项矛盾的研究表明，A. muciniphila 在无特定病原菌和无菌 IL10（-/-）IBD 小鼠模型中能够促进肠道炎症（Seregin et al., 2017），但后续研究表明，A. muciniphila ATCC BAA-835 在无菌 IL10（-/-）老鼠中并不促进短期的肠道炎症（Ring et al., 2019）。A. muciniphila 被证明可部分通过其外膜蛋白Amuc_1100 与 Toll 样受体 2 相互作用，以改善肠道屏障（Plovier et al., 2017）。最近的报道进一步证明了 A. muciniphila在调节人体免疫稳态中的作用，A. muciniphila 诱导小鼠体内稳态 IgG 的产生和抗原特异性 T 细胞反应（Ansaldo et al., 2019），并且 A. muciniphila 治疗改善了葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的小鼠结肠炎（Bian et al., 2019）。

潜在的致病细菌功能通路和物种

整合人体微生物组项目揭示了一些代谢物，特别是烟酰甘氨酸、牛磺酸和酰基肉碱，在 IBD 患者中比对照组更丰富（Lloyd-Price et al., 2019）。有趣的是，牛磺酸此前被鉴定为粘膜炎性小体激活剂（Levy et al., 2015）。因此，这些代谢物被认为是潜在的致病代谢物和治疗靶点。与酰基肉碱相关的物种是 Roseburia hominis, Klebsiella pneumoniae, Haemophilus parainfluenzae 和 Clostridium bolteae （Lloyd-Price et al., 2019）。IBD患者中富集了具有毒力相关功能的细菌基因，这可能是由于功能改变的共生体的过度生长所致，后者被称作致病共生菌。IBD 患者中大肠杆菌的数量增加（Lloyd-Price et al.，2019; Pittayanon et al., 2019）， AIEC 致病株与 IBD 患者的回肠粘膜特定相关（Darfeuille-Michaud et al., 2004; Sepehri et al., 2011），暗示着 AIEC 可能参与了 IBD 的发病机制（Mylonaki et al., 2005; Garrett et al., 2010）。

大肠杆菌频繁粘附到 CD （Darfeuille-Michaud, 2002; Martin et al., 2004; Prorok-Hamon et al.， 2014）和 UC （Kotlowski et al., 2007） 患者的肠粘膜上，这引起了研究者的极大兴趣。AIEC 与肠黏膜的相互作用包括：（1）AIEC 可穿过粘膜层并对抗菌肽具有抗性；（2） AIEC 通过 FimH 和癌胚抗原相关细胞粘附分子 6 （CEACAM6）粘附肠上皮细胞（IECs），导致肠粘膜定植；（3） AIEC 通过表达长极性菌毛（LPF）穿过M细胞并进入固有层和 Peyer’ s 斑块，并与免疫细胞相互作用（Palmela et al., 2018）。AIEC 在巨噬细胞内可促进炎症、存活和复制，并逃避自噬（Bringer et al., 2006）。此外，AIEC 还能通过抑制 IECs 中 IFN-γ 介导的信号传感器和 STAT1 激活因子，预防适当的抗菌反应，从而逃避宿主免疫应答（Ossa et al., 2013）。AIEC 菌株 NC101 拥有 pks 致病性毒力岛，后者编码合成基因毒素 colibactin 的生物合成器（Nougayrede et al., 2006）。单独定植共生的 NC101 促进了氧化偶氮甲烷处理的 IL-10（/）小鼠的浸润性癌症和肿瘤发生（Arthur et al., 2012; Eaton et al., 2018）。

在最近的一项研究中，研究者们从 UC 患者的粪便中分离出了一株具有粘附基因的粪肠球菌（Enterococcus faecium）菌株，它能促进结肠炎和结肠细胞因子的表达（Seishima et al., 2019）。先前的研究表明，接种粪肠球菌及屎肠球菌菌株的 IL10（−/−）小鼠的结肠炎症与类似于 IBD 患者的基因表达变化相关 （Barnett et al., 2010）。

另一种与 IBD 相关的致病共生菌是产肠毒素的脆弱拟杆菌（ETBF） （Prindiville et al., 2000; Zamani et al., 2017）。ETBF 诱导局灶性结肠 Stat3 激活和 Th17 免疫应答，进而增加粘膜通透性（Wick et al., 2014; Chung et al., 2018; Dejea et al., 2018）。B. fragilis 毒素基因（bft）编码分泌 oncotoxins，并增加结肠中的 IL-17 （Dejea et al., 2018）。除了促进IBD, ETBF 也可能推动 FAP 和结直肠癌的发生（Thiele Orberg et al., 2017; Garrett, 2019）。

简明弯曲杆菌（Campylobacter concisus）是另一种与 IBD 相关的粘附侵袭性变形杆菌 （Zhang et al., 2009; Man et al., 2010; Mahendran et al., 2011; Mukhopadhya et al., 2011; Kirk et al., 2016; Underwood et al., 2016）。虽然 C. concisus 的自然定植位点是口腔，但也可以定植在肠道。口腔细菌的肠道定植已被认为广泛地参与炎性疾病（Cao, 2017; Dickson, 2018）。部分 C. concisus 菌株从噬菌体获得闭锁小带毒素（zot）基因，通过影响紧密连接增加肠膜通透性（Zhang et al., 2014）。C. concisus Zot 可能具有肠道致病性，通过破坏肠上皮屏障，诱导肠上皮和巨噬细胞产生促炎细胞因子，特别是 TNF-α，从而触发 IBD 的复发（Mahendran et al., 2016）。另外，C. concisus 通过 IL -32 调控的 ERK1/2 引起上皮钠离子通道功能障碍，以及 claudin8 依赖性的屏障功能障碍，两者都导致钠离子吸收不良和肠炎（Nattramilarasu et al., 2020）。

另一种口腔和肠道细菌，变异梭杆菌（Fusobacterium varium），可能是 UC 的致病因素之一。与健康对照组相比，UC 患者结肠黏膜中 F. varium 细菌的丰度更高（Ohkusa et al., 2002）。当给小鼠直肠灌肠时，F. varium 可引起结肠黏膜炎症（Ohkusa et al., 2003）。F. varium 入侵宿主肠上皮细胞，显著增加 IL-8 和 TNF-α 的浓度，引发宿主的炎症反应 （Ohkusa et al., 2009）。对一种 F. varium 菌株的基因组分析显示，它具有多种毒力因子，包括 V 型分泌系统（T5SS）和梭杆菌粘附（FadA）的旁系同源物，这些毒力因子参与潜在的粘膜炎症（Sekizuka et al., 2017）。

活泼瘤胃球菌（Ruminococcus gnavus）是健康人体肠道菌群的一部分，但它在 IBD 患者中富集（Png et al., 2010; Willing et al., 2010; Joossens et al., 2011; Nishino et al., 2018; Franzosa et al., 2019; Lloyd-Price et al., 2019）。R. gnavus 水平的升高也与脊柱关节炎（Breban et al., 2017）、接受全结肠切除术的 UC 患者中的结肠袋炎（Machiels et al., 2017）和过敏性疾病（Chua et al., 2018）有关。199 个与氧化应激反应、粘附、铁获取和粘液利用有关的菌株特异性基因被鉴定出来，这可能为 R. gnavus 分支在 IBD 患者的肠道中带来适应性优势（Hall et al., 2017）。R. gnavus产生和代谢 2,7-脱水唾液酸（2,7-anhydro-Neu5Ac），在肠道粘液层对其他细菌实现营养竞争优势（Tailford et al., 2015; Owen et al., 2017; Bell et al., 2019）。此外，R. gnavus 合成并分泌一种促炎的复杂多糖，可通过 TLR4 有效诱导 DCs 分泌 TNF-α （Henke et al., 2019）。

非幽门螺杆菌（Non-pylori Helicobacter）也与 IBD 有许多关联。在一项对 73 例 CD 患者和 92 例对照的横断面研究中，CD 与肠道活检中存在的肝肠内螺杆菌物种的 DNA 有关（Laharie et al., 2009）。包括 H. hepaticus （Kullberg et al., 2001, 2006; Yang et al., 2013）和 H. bilis （Jergens et al., 2007; Liu et al., 2011; Atherly et al., 2016）的肠肝螺杆菌通常被认为是致病共生菌（Chai et al., 2017），因为它们已被证明能够在小鼠中导致类似 IBD 的疾病。H. hepaticus 主要在疾病易感性 IL-10 缺陷的动物中诱导炎性 TH17 细胞，并促进自发性结肠炎（Xu et al., 2018）。据报道，幽门螺杆菌（Helicobacter pylori）感染与 IBD 呈负相关（el-Omar et al., 1994; Sonnenberg and Genta, 2012; Rokkas et al., 2015），支持了幽门螺杆菌感染对 IBD 发展的可能保护作用。另外，IBD 可能是幽门螺杆菌感染的保护性因素。IBD 相关性胃粘膜病变的存在可能为幽门螺杆菌的定植创造一个不适宜的环境（Castano-Rodriguez et al., 2017）。

真菌组失调

除了肠道细菌失调，真菌群落（the “mycobiome”）的改变也很重要。IBD 患者的真菌组成特征是担子菌门/子囊菌门的比例增加（Sokol et al., 2017），在结直肠癌患者里也有类似的比例变化（Coker et al., 2019）。

念珠菌属的物种在 CD （Li et al., 2014; Lam et al., 2019）或 IBD （Chehoud et al., 2015）患者中的丰度更高。特别地，白色念珠菌（Candida albicans）在 CD （Li et al., 2014）、UC （Mar et al., 2016）以及一般 IBD 患者（Sokol et al., 2017）里富集。热带念珠菌（Candida tropicalis）是小鼠肠道中发现的致病性真菌，当 SPF 小鼠定植热带念珠菌时，Clec7a（-/-）小鼠较未定植的 Clec7a（-/-）小鼠或定植的野生型小鼠表现出更加严重的结肠炎（Iliev et al., 2012; Tang et al., 2015）。这些发现表明，真菌生态失调与 IBD 有关，而且念珠菌的物种与肠道炎症始终相关（Li et al., 2019）。此外，一种常见的皮肤寄生真菌限制性马拉色菌（Malassezia restricta）尤其在 CD 患者中大量存在，并通过需要 CARD9 （一种参与抗真菌免疫的信号蛋白）的机制在小鼠模型中加重结肠炎（Limon et al., 2019）。

此外，与健康受试者相比，IBD 患者中酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）的比例有所下降（Sokol et al., 2017），并且在结直肠癌患者中酿酒酵母也极其缺乏（Coker et al., 2019）。S. cerevisiae UFMG A -905 在急性 UC 的小鼠模型中显示出了保护性的潜力（Tiago et al., 2015）。S. cerevisiae CNCM I-3856 被证明可以通过抑制 AIEC 对肠上皮细胞的粘附和恢复肠道屏障功能来减少 AIEC 诱导的小鼠回肠结肠炎（Sivignon et al., 2015）。然而，在另一项研究中，酵母定植加重了小鼠结肠炎模型的肠道疾病，增加了肠道屏障的通透性（Chiaro et al., 2017）。

病毒组失调

肠道的病毒组主要由噬菌体组成。在 IBD 患者中，病毒组成分的变化反映了细菌成分的变化（Clooney et al., 2019）。在澳大利亚儿童 CD 患者的肠道清洗液和活检组织中检测到有尾噬菌体目（Caudovirales）噬菌体序列（Wagner et al., 2013），并且在来自一个英国队列和两个美国验证队列的 IBD 患者中也可观察到 （Norman et al., 2015）。在结肠炎小鼠模型中，肠道有尾噬菌体目，包括长尾病毒科（Siphoviridae）、肌病毒科（Myoviridae）和短尾病毒科（Podoviridae）的丰度升高（Duerkop et al., 2018）。最近的研究表明，活动期 UC 患者的噬菌体通过 TLR-9 依赖性途径诱导了更多的 IFN-γ，这与肠道炎症和结肠炎的恶化有关（Gogokhia et al., 2019），提示某些噬菌体可能触发肠道炎症并导致 IBD。

靶向微生物的治疗方案

益生菌、益生元和后生元

益生菌被定义为：当给予量足够时，对宿主健康有益的活微生物（Hill et al., 2014）。益生元是一种被益生菌选择性地利用的具有健康益处的底物（Gibson et al., 2017），而后生元是指由益生菌产生的生物活性分子。美国胃肠病协会建议，可考虑使用益生菌治疗 IBD 的功能性症状（Colombel et al., 2019）。益生菌可以诱导抗炎作用，改善（或恢复）屏障功能，并通过抑制有害细菌的生长和促进有益物种的生长，有益地调节微生物组的组成（Abraham and Quigley, 2017）。

作为一种益生元，菊粉作用于 IBD 的方式有：稳定微生物种群、支持上皮屏障功能、防御病原体的入侵和易位等（Akram et al., 2019）。益生菌鸡尾酒VSL#3（由 4 种乳酸菌、3 种双歧杆菌和1株链球菌混合而成）降低了 CD （Fedorak et al., 2015）和 UC （Bibiloni et al., 2005; Miele et al., 2009）患者的复发并维持缓解。一项荟萃分析显示，鸡尾酒益生菌 VSL#3 可以有效缓解活动期  UC，而益生菌在预防静止期 UC 复发方面可能与 5-氨基水杨酸一样有效（Derwa et al., 2017）。此外，益生菌罗伊氏乳杆菌（Lactobacillus reuteri） ATCC 55730 （Oliva et al., 2012）和大肠杆菌菌株 Nissle 1917 （Scaldaferri et al., 2016; Sonnenborn, 2016）对 UC 的治疗也有一定效果；然而，使用大肠杆菌菌株 Nissle 1917 治疗的患者也报告了一定比例的腹泻和腹痛等不良事件（Kruis et al., 2004; Sassone-Corsi et al., 2016）。相比之下，嗜酸乳杆菌（Lactobacillus acidophilus） La-5和动物双歧杆菌（Bifidobacterium animalis） 亚种 lactis BB-12 （Probio-Tec AB-25）与安慰剂相比，在 UC 患者维持缓解方面没有显著的临床获益（Wildt et al., 2011）。此外，几项随机双盲试验表明在有胃肠炎的儿童中，给予鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosus）治疗的疗效并不优于安慰剂（Freedman et al., 2018; LaMont, 2018; Schnadower et al., 2018）。最近，一种多株益生菌（鼠李糖乳杆菌 NCIMB 30174、植物乳杆菌 NCIMB 30173、嗜酸乳杆菌 NCIMB 30175 和粪肠球菌 NCIMB 30176）与 UC 患者（而非 CD 患者）的肠道炎症降低有关（Bjarnason et al., 2019）。

除上述传统益生菌外，新一代益生菌被提出，包括 F. prausnitzii 和 A. muciniphila（O Toole et al., 2017）。口服活的 F. prausnitzii 或其上层清液（含其后生元）显著减少 TNBS 结肠炎的严重程度，部分原因是其分泌的代谢物能够阻止 NF-κB 激活和 IL-8 的产生（Sokol et al., 2008a）。C57BL/6 雄性小鼠每日口服 A. muciniphila ，持续 14 天，可改善 DSS 诱导的结肠炎，表现为结肠长度缩短、组织病理学评分改善和屏障功能增强（Bian et al., 2019）。A. muciniphila 或其特异性外膜蛋白 Amuc_1100（作为一种后生元）可削弱结肠炎，减少结肠中浸润的巨噬细胞和 CD8（+）细胞毒性 T 淋巴细胞（Wang et al., 2020）。除了寻找新的益生菌物种外，合成生物学技术被用来改进现有的益生菌。最近的一项研究表明，大肠杆菌 Nissle 1917 菌株在被工程化改造后可分泌纤维融合的三叶草因子，促进肠道屏障功能和上皮恢复，并增强对小鼠结肠炎的保护作用（Praveschotinunt et al., 2019）。

噬菌体治疗

噬菌体具有高度的特异性，通常在一个细菌物种中溶解一个亚群的菌株，这表明它们对研究对象微生物组的总体组成的影响有限，而且可能比抗生素疗法有更好的安全性。在一项对 120 名患有急性细菌性腹泻的孟加拉国儿童进行口服 T4 样大肠杆菌噬菌体或俄罗斯商用大肠杆菌噬菌体产品治疗的随机试验中，未报告任何不良事件，但也未能改善腹泻结局（Sarker et al., 2016）。另外两项临床试验也显示，口服噬菌体对健康儿童和成人是安全的（McCallin et al., 2013; Sarker et al., 2017）。尽管这些研究表明噬菌体疗法具有一定安全性，但噬菌体与细菌在体内的相互作用，以及评估其在减轻胃肠道疾病严重程度的疗效方面，还需要更多认识。

近年来，噬菌体疗法作为一种治疗传染病和非传染性疾病的方法再次受到关注。例如，在最近的一项研究中，工程噬菌体被用于对抗生素具有耐药性的人分枝杆菌感染（Dedrick et al., 2019），而专门针对溶血性粪肠球菌的噬菌体可减轻酒精性肝病（Duan et al., 2019）。AIEC 在 IBD 患者的回肠粘膜中异常地占据主要地位，并与上皮细胞表面表达的 CEACAM6 受体结合（Barnich et al., 2007）。以 AIEC 为靶标的噬菌体可在 AIEC 菌株 LF82 定植的 CEABAC10 转基因小鼠中（表达人 CEACAM6 AIEC 受体）减少 DSS 诱导的结肠炎症状，并显著减少粪便和肠段附着菌群中的 AIEC 数量（Galtier et al., 2017）。因此，靶向 AIEC 菌株的噬菌体是一种很有前途的治疗 IBD 的新方法。

粪便移植（FMT）

FMT 是将健康供体的粪便微生物群移植到患者的胃肠道中，已经是一种成功的治疗复发性艰难梭状芽胞杆菌感染（CDI）的方法（Hamilton et al., 2012; van Nood et al., 2013; Hvas et al., 2019）。普遍的假设是FMT可能会纠正与 IBD 相关的生态失调，导致肠道微生物稳态的恢复（Burrello et al., 2018）。恢复后的结肠微生物群落可以通过多种机制抑制艰难梭菌：对营养的竞争；通过抗菌肽的直接抑制作用；胆汁酸介导的对孢子萌发和营养生长的抑制作用；以及激活免疫介导的定植抵抗（Khoruts and Sadowsky, 2016）。

在 CD （Zhang et al., 2013; Cui et al., 2015） 和 UC （Moayyedi et al., 2015; Paramsothy et al., 2017a, 2019）的治疗中 FMT 也受到了广泛的关注。患者接受 FMT 后的缓解率提高可能依赖于供体粪便组成、多次 FMTs 的使用和早期治疗（Moayyedi et al., 2015）。FMT 在 UC 缓解诱导中似乎有效，但长期耐久性和安全性尚不清楚（Paramsothy et al., 2017b）。有相当一部分复发性 CDI 患者患有 IBD，与非 IBD 患者相比，FMT 在清除 IBD 患者的 CDI 方面效果稍差（Khoruts et al., 2016）。

FMT 应注意的几个关键问题有：FMT 适应症；供体选择；粪便材料制备；临床管理和粪便递送；注册、结局监测和伦理问题；FMT 实施中心的基本要求（Cammarota et al., 2017, 2019）。此外，供体粪便中的肠道真菌和病毒群落可能影响 FMT 治疗 IBD 的结果。已有报道称，供体粪便中高丰度的白色念珠菌降低了 FMT 在 CDI 中的疗效（Zuo et al., 2018）。在研究 FMT 后的病毒转移时，来自单一捐赠者的多个接受者显示出高度个性化的病毒定植模式（Draper et al., 2018）。

结论和展望

在过去的十年里，针对 UC 和 CD，在发病机理、药物和手术干预方面，已经有了很大的进步。当前对 IBD 诊断和治疗的临床应用已经被英国胃肠病学会共识广泛地回顾，强调了多学科研究的重要性（Lamb et al., 2019）。在这篇综述中，我们总结了 IBD 中潜在的保护性和致病性的微生物功能通路和物种（图1），以及针对微生物的治疗方法的现状。通过对肠道生态失调和特定微生物通路的了解，为调节肠道菌群以预防或缓解 IBD 提出了多种策略。

一些共生生物体，如 AIEC、简明弯曲杆菌、变异梭杆菌、活泼瘤胃球菌、螺杆菌属物种等，由于在一定条件下可引起疾病，常被称为致病共生菌。对于 AIEC，潜在的治疗策略包括针对肠道粘膜的细菌定植，如使用噬菌体疗法、细菌素和抗粘附分子。脆弱拟杆菌产生 PSA 和鞘脂以调节稳态，并保护动物免受实验性结肠炎。而 ETBF 诱导结肠中的 IL-17 和结肠上皮 DNA 损伤，促进 IBD 甚至 FAP 和结直肠癌的发生。

精确靶向有害细菌使用的代谢通路可能为治疗 IBD 提供一种新的策略。例如，钨酸盐介导的微生物群编辑在结肠炎小鼠模型中减少肠道炎症的严重程度（Zhu et al., 2018），而口服钨酸钠抑制钼酶以选择性降低产基因毒素的肠杆菌科的肠道定植，从而减少结肠炎相关结直肠癌小鼠模型的癌变（Zhu et al., 2019）。

益生元是一种很有前途的改良人体微生物的方法。在 IBD 中，膳食纤维促进一类产 SCFA 的菌株的生长，并调节胆汁酸的分泌。SCFAs，特别是丁酸盐，可以促进 Treg 细胞的发育和粘液的产生，从而下调炎症信号通路，并增强上皮屏障。通过选择性的膳食纤维来恢复 SCFA 生产菌，是管理 IBD 的一种有前景的方法。

包括芽孢杆菌属、双歧杆菌属、乳杆菌属和酿酒酵母在内的传统益生菌对 IBD 有不同程度的改善作用；然而，这些试验的患者数量相对较少。此外，利用传统益生菌的主要挑战是我们不了解这些细菌在 IBD 环境下的精确益生机制。相比之下，下一代益生菌（NGPs 或有时称为活生物疗法）是基于机理研究的结果。一些 F. prausnitzii、Roseburia 和 A. muciniphila 菌株有望成为下一代益生菌的候选菌株。值得一提的是，正常细菌的胆汁酸代谢，特别是 SBAs，在调节宿主免疫稳态方面也发挥着重要作用。Clostridium sporogens 和其他产生 SBA 的物种在 IBD 中的治疗潜力值得进一步研究。

针对肠道病原体的噬菌体对成人和儿童的安全性已经得到了很好的证明，这是基于几项没有不良事件报告的临床试验数据。这并不奇怪，因为噬菌体是人体胃肠道中数量最多的病毒。噬菌体介导的靶向粪肠球菌可改善酒精性肝病，提示精确编辑肠道微生物组是另一个有前景的方向。测试 IBD 是否能被针对潜在致病细菌（包括 AIEC）的噬菌体治疗将是很有趣的。在 IBD 患者中，除了细菌外，念珠菌属的物种丰度较高。因此，以念珠菌属物种为靶标的真菌噬菌体可能抑制其定植，从而有助于减轻 IBD。

当一线抗生素无效时，FMT 可作为治疗有 IBD 背景的 CDI 的一种选择。噬菌体对微生物动力学的影响是一个需要考虑的因素。有尾噬菌体目的噬菌体在 IBD 患者的肠道中显著富集，这支持了这样一种观点，即有尾噬菌体目噬菌体的含量升高可能预示着 FMT 会失败，并需要额外的 FMT 递送维持或治疗升级。此外，与健康个体相比，IBD 患者中更丰富的真菌群落——白色念珠菌，影响了 FMT 在 CDI 小鼠模型中的疗效。因此，需要进一步研究在某些受体中，在进行 FMT 前根除白色念珠菌是否会提高 FMT 在某些情况下的成功率。美国 FDA 近日发布安全警告，称 FMT 产品可能有致病菌传播的潜在风险，并可能导致严重的不良反应。将产志贺毒素大肠杆菌和肠致病性大肠杆菌的筛选纳入质量和安全规程十分重要。总的来说，FMT 对 IBD 有一些益处；然而，它只能在临床试验的背景下使用，直到进一步的高质量证据阐明最佳的给药方案。

综上所述，我们很兴奋地看到近年来在 IBD 微生物组研究方面的进展，并期望对 IBD 发病机制的研究可为改善这种日益常见的疾病提供更多的见解。

图 1. IBD 中潜在保护性和致病性的微生物功能通路和物种的图形总结。
在 IBD 患者肠道中发现 SCFAs、色氨酸衍生物、次级胆汁酸和 PSA 基因表达的下降。它们在生物模型中也被证明具有抗炎作用，因此常被认为是保护因子。以这些因子为靶点的益生元、益生菌或后生元是缓解 IBD 的有前景的策略。相比之下，牛磺酸在 IBD 患者肠道的代谢组中富集，毒力基因在微生物组中富集。牛磺酸和含有毒力基因的致病共生菌在生物模型中也具有促炎作用，因此被认为是 IBD 的潜在致病因子。针对这些因子的噬菌体疗法是缓解IBD的富有希望的策略。SCFAs，短链脂肪酸；SBAs，次级胆汁酸；PSA，多糖 A。

（翻译全文结束，参考文献请见综述原文，可点击“The microbiome in inflammatory bowel diseases: from pathogenesis to therapy”跳转至论文页面获取。）