刘胜：19分钟详述炎症性肠病与肠道菌群
编者按：
2020 年 12 月 21 日，国内著名英文期刊 Protein & Cell 与热心肠研究院合作，成功举办了“Protein & Cell 人类微生物组专刊线上论坛”活动。今天我们特别整理发布来自中山大学医学院博士后刘胜的演讲视频及图文实录，并在今天推送的第三条内容中发布翻译的综述译稿，希望能助你涨知识。
各位老师、同事、朋友们，大家好。我叫刘胜，来自中山大学医学院，现在是一名博士后。
很高兴来到热心肠的舞台，今天汇报的题目是《炎症性肠病 IBD 中的微生物组：从发病机制到治疗》。这篇文章今年（2020 年）发表在 Protein & Cell 上面，我来介绍一下它的主要内容。
炎症性肠病，简称 IBD。它是一种非特异性的慢性肠道炎性疾病，主要包括 CD（克罗恩病）和 UC（溃疡性结肠炎）。
克罗恩病和溃疡性结肠炎，在临床上具有不同的特征。克罗恩病是以腹泻为突出的表征，而溃疡性结肠炎是以血便为突出的表征。克罗恩病是全消化道的不连续的病变，而溃疡性结肠炎是聚集在结肠的连续的病变。
IBD 的病因尚不明确。其发病受遗传因素的影响，比如 NOD2 基因突变会导致 IBD 更加易感；然后还有受环境因素和肠道微生物的影响。今天我们主要介绍肠道微生物这一块。
然后我们带着两个问题：第一个问题是，肠道微生物在 IBD 中的作用机制是什么？第二是，如何通过调节肠道微生物来治疗 IBD？
很多的文献已经报道了 IBD 的肠道微生物呈现失调的状态。这篇发表在 Nature Reviews 上面的综述就介绍了晚发性 IBD 患者的肠道失调，其中典型的症状是炎症，然后表现为微生物多样性的下降，有益共生体的下降以及致病菌的增加。从微生物组成上来说，厚壁菌门的细菌是减少的，而变形菌门的细菌是增加的，其中变形菌里面有一些细菌是 IBD 的潜在的致病菌。
接着我们总结了正常肠道和 IBD 肠道的功能的特征。
在正常肠道里面是呈现免疫平衡的状态，而在 IBD 肠道里面是呈现过量的炎症。
在短链脂肪酸这一块，正常肠道是可以正常地产生短链脂肪酸，而在 IBD 肠道里面短链脂肪酸的含量是下降的。
在正常肠道里面，色氨酸的代谢、胆汁酸的代谢、多糖 A 的产生以及毒力因子的基因都处于平衡的状态；而在 IBD 患者的肠道里面，色氨酸衍生物下降、次级胆汁酸下降、PSA（多糖 A）的基因表达下降，以及微生物毒力基因的表达是上升的。
正常肠道和 IBD 肠道，它们可以通过一个抗炎和促炎的措施，进行相互的转化。
我们总结了对 IBD 起潜在保护作用的物种以及功能通路。
首先我们要介绍的是短链脂肪酸的生成。
有一些细菌，比如罗斯氏菌、普氏粪杆菌，它们可以产生短链脂肪酸。膳食纤维中的脂肪酸在肠道微生物的作用下面转化为短链脂肪酸，然后进入肠腔。
短链脂肪酸可以和肠道上皮细胞的 G 蛋白耦联受体进行作用，然后激活下游的炎症小体，增加肠道屏障的完整性。短链脂肪酸还可以调节免疫细胞，降低促炎因子，缓解 IBD 的发生。
第 2 条途径是色氨酸的代谢。色氨酸是一种必需的氨基酸。饮食中的色氨酸，在微生物以及其他的炎症刺激下，可以进行犬尿酸氨的通路，生成一系列的化合物。
右边这张图介绍了色氨酸代谢的免疫学作用。色氨酸在微生物作用下分解为吲哚的衍生物，这个吲哚的衍生物可以调节免疫细胞，比如说刺激 IL-22，分泌抗菌肽，抑制炎症因子的表达。
梭状芽孢杆菌可以参与色氨酸的代谢，对 IBD 也是起保护作用的。
第 3 条对 IBD 起保护作用的通路，是胆汁酸的代谢。
胆汁酸是在肝脏中合成的，随后进行加工和修饰，再分泌到十二指肠里面，然后在肠道微生物作用下转变为次级胆汁酸。其中有两种次级的胆汁酸：石胆酸和脱氧胆酸。它们可以调节免疫细胞，降低促炎因子，降低系统性炎症，缓解 IBD 的发生。
第 4 种对 IBD 起潜在保护作用的通路是多糖 A，简称 PSA。
多糖 A 的产生主要是来自于脆弱拟杆菌。脆弱拟杆菌可以通过释放外囊膜泡，向免疫细胞传递免疫调节分子 PSA。PSA 可以刺激 CD4+ T 细胞，分泌 IL-10，然后发挥免疫保护作用。
这里我们提到的脆弱拟杆菌，主要是指非产毒素的脆弱拟杆菌，简称 NTBF。产毒素的脆弱拟杆菌，它是有可能促进 IBD 的发生，后面我们会讲到。
第 5 个对 IBD 起潜在保护作用的通路，是 Akk 细菌以及它的外膜蛋白 Amuc_1100。
小鼠模型中，Akk 细菌可以和肠道上皮细胞的膜上的一个受体结合，进而影响下游的一些免疫的调节反应，降低脂多糖，降低炎症，调节血脂，降低血糖。总体来说，它是具有减肥以及降低炎症性疾病的功效的。
在 IBD 里面，这个 Akk 细菌以及它的外膜蛋白有什么作用呢？我们调研文献发现，Akk 细菌以及它的外膜蛋白 Amuc_1100，可以缓解小鼠的肠炎。
但是另外有一篇文献报道，这种细菌它可以引起无菌的 IL-10 基因缺陷的小鼠发生肠炎。所以这一个 Akk 细菌是否能够应用到治疗 IBD 上面，还尚存在争议。
说完了对 IBD 起潜在保护作用的细菌和通路之后，我们再来看对 IBD 起潜在促进作用的细菌及其功能通路。
第 1 条就是黏附侵袭型的大肠杆菌，简称 AIEC。
黏附侵袭型的大肠杆菌和普通的大肠杆菌是不一样的。侵袭型的大肠杆菌可以通过 FimH 这个分子以及黏附分子 6（CEACAM6），黏附到肠上皮细胞层，然后通过 M 细胞进入到固有层和 Peyer‘s patch（派尔集合淋巴结），并与肠道肠腔内免疫细胞发生相互作用，增加炎症因子的产生。AIEC 可以促进 IBD，甚至是结直肠癌的发生。
第 2 个细菌是产毒素的脆弱拟杆菌。产毒素的脆弱拟杆菌，含有毒力基因 BFT，可以分泌毒力蛋白 BFT。毒力蛋白可以和肠道上皮细胞的膜受体进行相互作用，促进炎症因子的表达。
右边这张图展示的就是， BFT 可以通过 STAT3 和 NF-κB 这个通路作用，进而引起下游的 IL-17 的表达，然后影响结直肠癌的发生。
所以说，产毒素的脆弱拟杆菌，它不仅对 IBD 起促进作用，也可能对结直肠癌起促进作用。
第 3 个对 IBD 起促进作用的细菌是简明弯曲杆菌。简明弯曲杆菌非常广泛地参与各种炎症性疾病，包括 IBD。
30%的简明弯曲杆菌是携带 Zot 这个基因的。Zot 基因最先是发现存在于霍乱弧菌里面的，具有致病的作用。
在一项大规模的丹麦的受试者中，962 人感染了简明弯曲杆菌，1725 人感染空肠弯曲杆菌。相比于对照组，感染了简明弯曲杆菌的受试者发生显微镜下结直肠炎的风险显着升高，风险比为 32.4。这也说明了简明弯曲杆菌很可能促进 IBD 的发生。
进一步的研究表明，简明弯曲杆菌的 Zot 毒力蛋白，它可以破坏肠上皮的屏障，诱导肠上皮和巨噬细胞产生促炎细胞因子，特别是 TNF-α，具有肠道的致病性。
第 4 个要讲的细菌是可变梭杆菌。
日本 152 个 UC 病人的 163 份发炎粘膜样本中，科学家们通过实时定量 PCR 发现存在梭杆菌的比例是高达 54.6%。
对一个 UC 病人肠道里面分离的一株可变梭杆菌进行了全基因组分析——右边这张图展示的就是这种细菌的全基因组，发现它有多个毒力因子，包括 44 个 5 型分泌系统和 13 个 FadA 的同源基因，它们参与黏膜炎症。
转录组的分析发现，在某些生长条件下，这些毒力因子的表达是增强的，能够显著抑制肠道内其他微生物的存活，引起对人肠道上皮细胞的致病性。
第 5 个对 IBD 起潜在促进作用的细菌是活泼瘤胃球菌。
活泼瘤胃球菌是一类人类肠道共生菌。多项研究表明，其丰度在 IBD 病人比健康人是显著更高的。
活泼瘤胃球菌可以降低肠道黏蛋白，它的这种能力是通过分子内反式唾液酸酶介导的。
活泼瘤胃球菌还能够通过产生炎症性多糖，来刺激树突状细胞，引起炎症细胞因子 TNF-α 的升高，诱导 IBD 的发生。
研究者从活泼瘤胃球菌的培养液里面，分离出了这种炎症性多糖，并鉴定出了它的分子结构，如右边的图形所示。
第 6 个对 IBD 起潜在促进作用的细菌，是肝螺旋杆菌和胆型螺旋杆菌，它们都是来自于螺旋杆菌属。
调研发现，非幽门螺杆菌的螺旋杆菌属的细菌，经常是与 IBD 表现出正相关。而幽门螺杆菌和 IBD 是表现出负相关，也就是说，感染了幽门螺杆菌的人不太容易患 IBD，这可能是由于幽门螺杆菌能抑制其他细菌的生长。
2018 年，在 Nature 上面的一篇文章表明，在 IL-10 基因缺陷的结肠炎小鼠模型中，肝螺旋杆菌可以诱导炎症性 Th17，增加 IL-17A 和 IFN-γ 的表达，促进结肠炎的发生。
肠道里面除了细菌，还有少量的真菌和病毒。一些文章也表明了， IBD 患者的肠道里面的真菌和病毒出现了一些失调。
对于真菌组，IBD 患者的肠道中担子菌门和子囊菌门的比例是升高的，这两个门的真菌是最主要的真菌。然后 IBD 患者肠中拥有更加丰富的念珠菌属的真菌，尤其是白色念珠菌。IBD 患者的酿酒酵母的丰度更低。白色念珠菌、酿酒酵母和 IBD 之间的因果联系，可能是它们和肠道里面的细菌有互作。
对于病毒组来说，人肠道里面的病毒主要是噬菌体。有尾噬菌体目噬菌体是在多个国家的 IBD 病人肠道中都检测到。来自一个 active（活动期） UC 病人的噬菌体，它可以通过 TLR9 依赖的功能通路诱导产生更多的 IFN-γ，而后者可以加重肠道炎症。
总结一下对 IBD 起潜在保护作用和起潜在促进作用的物种和功能通路，如这个图形所描述的。
前面我们介绍了 IBD 患者的肠道微生物特征，以及对 IBD 起促进作用和抑制作用的物种和功能通路。接着我们再来看一下，怎么靶向微生物来治疗 IBD。
第 1 条我们要介绍的就是益生菌、益生元以及合生元。合生元是益生菌加益生元的组合。
传统的益生菌有罗伊氏乳杆菌 ATCC55730，还有一株大肠杆菌。它们是可以在临床上应用来治疗 IBD，也有一些效果。
普氏粪杆菌和肠道罗斯拜瑞氏菌，它们是下一代益生菌。它们具有产短链脂肪酸的能力，可以缓解肠道炎症，用于缓解 IBD 的发生。
菊粉，它是一种益生元，可以促进产丁酸的细菌增殖，也可以抑制肠道炎症。
最近一两年又出现一个新的概念，叫做 Postbiotics 后生元，它是指益生菌的菌体成分和代谢产物。这张图就是介绍后生元用于缓解肠道失调抑制疾病发生的一个模型。
可以想象在未来，后生元将会有广阔的应用前景。
第 2 点我们要介绍的靶向微生物的治疗方法是噬菌体。
前面我们介绍了侵袭黏附性的大肠杆菌可以导致 IBD 的发生，那么靶向侵袭黏附型大肠杆菌的噬菌体的效果如何呢？
来自法国巴斯德研究所的科学家们，从废水中分离纯化了三种能够感染侵袭性大肠杆菌的噬菌体。他们将这三种噬菌体制成 cocktail（混合物），发现能够在小鼠中缓解 DSS 以及侵袭黏附型大肠杆菌 LF82SK 诱导的肠炎，并减少 AIEC 的定植。
这篇文章也为噬菌体治疗 IBD 奠定了基础，但是未来它的应用前景如何，还需要更多的验证。
第3个要讲的治疗方法是粪便移植，简称 FMT。
粪便移植最早是用在艰难梭状芽孢杆菌感染，取得了很大的成功。近几年慢慢地推广到 IBD 治疗。这里我介绍一下用粪便移植治疗 IBD 的几个临床的研究。
第一项研究是一个 CD 病人，他接受了 10 岁健康女儿的粪便悬浮液，在粪便移植后三个月发现症状显著缓解。
第二项研究是 30 例符合条件的 CD 患者，经过粪菌移植后一个月，临床改善和缓解率分别为 86.7%和 76.7%
第三项研究是 81 例 active UC 患者分成粪便移植组 41 人和安慰剂组 40 人，初步结果的缓解率分别为 27%和 8%，具有显著性的差异。这也说明粪菌移植对治疗活跃期 UC 患者的确具有效果。并且，该研究发现具核梭菌的存在是和缓解率呈显著的负相关。
这个也提示我们，粪便移植治疗对粪便的准备是有一些要求的，如果粪便里面还有一些潜在的致病菌或者噬菌体，那么对粪便移植的安全性和有效性是有影响的。
再总结一下。
首先，我们对 IBD 的肠道微生物特征进行了描述，主要表现为多样性的下降以及肠道炎症的增加。
然后，对 IBD 起潜在保护作用的微生物及其功能通路包括短链脂肪酸的产生——它们对应的有罗斯氏菌属和普氏粪杆菌，以及色氨酸代谢、胆汁酸代谢、多糖 A 的产生，还有Akk细菌以及它的外膜蛋白 Amuc_1100 的免疫调节作用。这些细菌以及功能通路可能对 IBD 起保护作用。
而对 IBD 起潜在的致病作用的微生物及代谢通路有黏附侵袭型大肠杆菌 AIEC，还有产肠毒素的脆弱拟杆菌、简明弯曲杆菌、可变梭杆菌、活泼瘤胃球菌以及肝螺旋杆菌。它们可以通过相应的代谢通路，有可能导致 IBD 的发生。
靶向微生物的治疗方案有多种，益生元、益生菌、合生元、后生元，都是未来有可能会应用到临床治疗 IBD 的。噬菌体治疗里面的靶向黏附侵袭型大肠杆菌，它可能在未来有一些应用。当然它们的伦理，还有安全性，需要得到更多的检验。还有粪便移植。粪便移植对于促进肠道稳态，抑制有害菌的增加，是有积极的作用的。
总的来说，我们还需要做更多的基础研究和临床研究，来促进肠道菌群和 IBD 的研究。
今天我的演讲到此结束。谢谢大家。