粪菌移植治疗艰难梭菌感染机制研究进展

吴晓敏， 仝巧云， 刘 文

作者单位： 三峡大学第一临床医学院，三峡大学消化疾病研究所，湖北宜昌 443003。

艰难梭菌是医院环境中抗生素相关性腹泻的主要病原体，滥用抗生素将降低内源性肠道菌群的定植抗性，易发生艰难梭菌感染（Clostridium difficileinfection，CDI）。艰难梭菌主要通过分泌毒素A、毒素B及二元毒素导致肠黏膜炎症和艰难梭菌相关性腹泻（Clostridium difficile-associated diarrhea，CDAD）。CDAD随着其发病率、复发率及病死率不断增加，遂成为世界范围内广受关注的一个新的公共卫生问题。CDI一线治疗推荐万古霉素，但是随着复发次数增多，抗生素治愈率却逐渐降低[1]，粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）的初现成效和巨大潜力为治疗CDI带来了新的曙光。目前循证医学证据已证明FMT治疗CDI安全有效，但是FMT治疗CDI作用机制尚未完全明确，结合近年来宏基因组学、代谢组学和微生物治疗的基础研究，下文主要阐述FMT治疗CDI的机制研究进展。

1 FMT治疗CDI临床疗效及指南共识

目前，多项研究已经证明FMT是复发性和难治性CDI的成功治疗方法，近年来，评价FMT对复发性CDI患者的疗效和安全性的证据越来越多。Quraishi等[2]荟萃分析研究表明，FMT在治疗复发性和难治性CDI方面比万古霉素更有效（RR：0.23，95%CI：0.07～0.80），临床有效率为92%（95%CI：89%～94%）。Moayyedi等[3]分析包括10个随机对照试验，共657例CDAD患者，结果显示FMT比安慰剂或万古霉素治疗明显更有效（RR：0.41，95%CI：0.22～0.74）。FMT具有良好的耐受性和安全性，在临床对照试验中尚未报告与FMT相关的严重不良事件[4]。2013年美国食品药品监督管理局（FDA）刚开始对FMT的潜在风险充满担忧，声明把FMT按试验性新药批准流程一样要从严管理，但经过“FMT监管法规和科学问题公开研讨会”后，考虑采取“酌情权”临时政策对CDI患者在标准治疗无效而使用FMT进行监管；同年FMT治疗复发性CDI首次被写入美国胃肠病学会临床指南[5]。2017年欧洲《粪菌移植临床应用和操作共识报告》[6]指出复发性CDI患者经至少2次标准治疗未获持续治愈，应考虑 FMT（证据等级高，推荐等级100%）；在严重和严重复杂CDI中，FMT 可考虑作为早期抗菌治疗失败后全结肠切除术的替代治疗（证据等级中等，推荐等级100%）。由美国感染病学会和美国医疗保健流行病学协会发表于2018年的《成人和儿童艰难梭菌感染的临床实践指南》[7]强烈推荐FMT用于第二次CDI并经抗生素治疗效果不佳时。中华预防医学会微生态学分会儿科微生态学组于2016年制定《关于儿童粪菌移植技术规范的共识》[8]，推荐FMT应用于复发性艰难梭菌肠炎 （定义为至少2次标准化治疗后未达到持久治愈）以及早期抗菌药物治疗失效的严重或伴随严重并发症的艰难梭菌肠炎，在选择全结肠切除前考虑FMT。

2 FMT治疗CDI机制

2.1 恢复肠道菌群丰富度和多样性

肠道菌群是一种复杂多样的微生物群落，以共生的方式与人类共同进化，健康的肠道微生物群主要以厚壁菌门及拟杆菌门为主。通过16S rRNA基因测序和宏基因组学方法对CDI患者的粪便进行分析，发现患者粪便中的微生物多样性与丰富度降低，如厚壁菌门和拟杆菌门数量减少，变形杆菌门和放线菌门的数量增多，微生物多样性的降低与复发性CDI有关[9]。使用抗生素是发生CDI的主要危险因素，抗生素抑制艰难梭菌生长的同时，也抑制了正常肠道菌群的生长，引起肠道菌群生态紊乱并降低了定植抗性，导致CDI复发。在一系列接受FMT治疗的复发性CDI患者中，FMT治疗后16周，接受者的肠道菌群多样性上升，多次FMT治疗后甚至与健康供者相似，厚壁菌门和拟杆菌门水平升高，变形杆菌水平降低，并可持续维持正常菌群结构，厚壁菌门和拟杆菌门水平的恢复对维持正常肠道微生态具有重要的作用[10]。

2.2 增加短链脂肪酸（SCFA）的产生

肠道菌群发酵碳水化合物及降解纤维素可生成SCFA，SCFA具有抑菌抗炎、维持肠上皮屏障完整性及免疫调节等功能，起到对艰难梭菌等病原体定植抵抗的作用[11]。Dutta等[12]的一项研究发现，FMT增加了粪便微生物群的多样性，并增加了产丁酸盐菌群的比例，使肠道丁酸盐的水平升高。SCFA中尤其是为结肠上皮细胞提供主要能量的丁酸盐似乎发挥着更重要的作用，丁酸盐通过诱导肠道上皮紧密连接蛋白的表达来调节黏膜屏障的完整性，抑制组蛋白去乙酰化途径及核因子NF-κB活化，增加一磷酸腺苷和黏蛋白的产生从而保护肠黏膜屏障[13]；SCFA可刺激肠上皮细胞分泌抗菌肽，可促进中性粒细胞募聚和吞噬作用，还能通过抑制促炎细胞因子的信号通路，降低环氧合酶和过氧化物酶的表达，从而减轻肠道炎性反 应[14]。

2.3 恢复胆汁酸盐代谢水平

肠道中不同胆汁酸盐的水平可通过直接调节艰难梭菌发芽和生长来影响其定植。结合型胆汁酸盐如甘氨胆酸、甘氨鹅脱氧胆酸、牛磺胆酸和牛磺脱氧胆酸由肝脏合成以帮助分解、消化和吸收小肠中的脂质。虽然大部分胆汁酸盐在回肠中被重新吸收并被肝脏循环利用，但约5%胆汁酸盐进入大肠，通过细菌胆汁酸盐水解酶解离出氨基酸以产生胆酸和鹅脱氧胆酸；这些胆汁酸盐可以通过细菌7-羟基类固醇脱氢酶进一步修饰形成次级胆汁酸盐：脱氧胆酸盐和石胆酸盐[15]。尽管各种细菌都能够解离结合型胆汁酸盐，但只有少数肠道细菌可以合成次级胆汁酸盐；鹅脱氧胆酸抑制艰难梭菌的萌发，而牛磺胆酸、甘氨胆酸和胆酸均促进艰难梭菌萌发[16]。肠道内不同胆汁酸盐的水平对艰难梭菌萌发和生长发挥良好的控制作用，抗生素的使用导致胆汁酸盐水平朝着有利于艰难梭菌萌发和生长的方向发生改变，CDI患者初级胆汁酸盐水平较高，次级胆汁酸盐水平较低[17]。Weingarden等[18]报道FMT治疗后的次级胆汁酸盐与移植前粪便样本相比有所增加，多次FMT治疗后甚至可以恢复至健康供体水平从而抑制艰难梭菌生长繁殖。

2.4 竞争肠道内营养素

共生细菌被认为通过占据可被艰难梭菌利用的营养生态位提供定植抗性。抗生素长期使用导致肠道中特定代谢功能的细菌受到抑制或消除，肠道营养物质和代谢物的水平继而发生很大变化，这种变化反过来有利于艰难梭菌的生长[19]。抗生素治疗的CDI小鼠表现出肠道中碳水化合物、唾液酸及琥珀酸盐的含量升高，从而促进艰难梭菌的生长[20]。FMT治疗后增加的有益菌群与艰难梭菌竞争肠内营养素以抑制其毒素的合成或直接致其死亡。其中拟杆菌门具有很强的降解肠内多糖、纤维素的作用，促进宿主吸收营养物质，与其他有益菌一起竞争肠内营养素，创造不利于艰难梭菌生长的营养环境[21]。

2.5 提高肠道屏障功能与调节宿主免疫

通过FMT恢复肠道菌群生物多样性与丰富度，来提高肠道屏障功能与调节机体免疫以抵御CDI和减轻炎性反应。肠道屏障由上皮屏障、化学屏障、生物屏障和免疫屏障四大屏障组成。FMT治疗后有益菌群产生的SCFA为肠黏膜细胞提供能量并有助于降低肠道黏膜通透性，以修复肠道上皮屏障；有益菌的定植和菌膜形成不仅恢复肠道的生物屏障，还能促进上皮细胞合成黏蛋白MUC2、抗菌肽和防御素生成释放及降低肠腔pH值帮助修复 CDI 患者的肠道化学屏障[22]。FMT治疗后拟杆菌门中脆弱拟杆菌及厚壁菌门中普拉梭杆菌丰富度的上升可诱导调节性T细胞（Treg）上调，进而刺激Treg产生 IL-10 起到抗炎作用；FMT治疗后菌群多样性恢复可以激活肠道B淋巴细胞介导的体液免疫反应，通过Toll样受体途径诱导分泌型IgA（secretory immunoglobulin A，sIgA）的合成增加[23]。SCFA可以调节宿主的细胞免疫和体液免疫，SCFA可通过G蛋白偶联受体途径和抑制组蛋白脱乙酰酶途径来调节T细胞功能，并诱导B细胞产生sIgA[24]，sIgA与艰难梭菌结合从而减轻黏膜免疫炎性反应并抑制艰难梭菌过度生长。

3 结语

FMT通过施用来自健康供体的粪便制剂重建健康的肠道微生物群为基础来恢复对CDI的定植抗性和宿主免疫，具体机制包括恢复肠道菌群丰富度和多样性、增加SCFA的产生、恢复胆汁酸盐代谢水平、竞争肠道内营养素和提高肠道屏障动能与调节宿主免疫等方面。在FMT治疗CDI的机制探究中了解FMT具体机制及某些特定菌株的功效，有益于为将来合理设计“配方菌群”和开发出“靶向细菌”提供理论依据。目前微生物治疗机制研究仍处于初级阶段，随着肠道微生物组计划的开展，更加标准化、科学化的研究模式有助于推动微生物治疗基础研究的发展。