炎性肠道微生物异常导致疾病

人们已经提出了几种肠杆菌科在肠道炎症中扩增的机制，包括营养变化、黏蛋白利用、抗菌剂的产生、厌氧/有氧呼吸和金属利用（图7-2，见彩图）。

定植在远端肠道的微生物群落争夺有限的饮食来源的碳水化合物或宿主黏液来源的聚糖。因此，饮食在塑造肠道微生物群的组成中起着至关重要的作用，饮食变化可导致物种水平的肠道微生物群落结构的紊乱，但专性厌氧梭菌和拟杆菌仍然在健康肠道中保持其对兼性厌氧肠杆菌科的优势。

正常情况下，梭状芽孢杆菌和拟杆菌都利用糖苷水解酶分解复杂的碳水化合物、结合蛋白以增加其表面碳水化合物的浓度，最终形成一个活跃的转运系统，在梭状芽孢杆菌胞质膜和外膜上转运碳水化合物。另外，肠杆菌科缺乏降解复合碳水化合物的能力，因为它们缺乏糖苷水解酶。肠杆菌科只能通过外膜扩散途径被动转运寡糖。因此，肠杆菌科并不具备与专性厌氧菌竞争高能量营养物质的能力，这种竞争性生长劣势可以解释梭菌和拟杆菌在健康远端肠道中的生长优势。

在炎症期间，肠上皮损伤导致死亡上皮细胞脱落增加，这可以导致肠腔中来源于上皮细胞膜且能被细菌利用的磷脂，如磷脂酰胆碱和磷脂酰乙醇胺含量增多。特别是乙醇胺可以作为变形杆菌门的几种细菌以及沙门菌和假单胞菌等致病菌的碳和（或）氮的唯一来源。使用乙醇胺的能力为这些细菌提供了一个有用的碳和（或）氮来源，有助于其维持肠道的成功定植，这可能是导致疾病形成的重要发病机制。

肠杆菌科在炎性肠道中扩张的另一种机制包括对黏蛋白的利用。覆盖肠上皮的黏液层由两层组成；外层是可移动的，被细菌定植并且通常限制共生菌的定植，而内层牢固地附着在上皮上并且基本上没有细菌。分泌型胶状黏蛋白MUC2是人类和小鼠结肠黏液中的主要黏蛋白。值得注意的是，MUC2基因缺陷小鼠上皮细胞表面的细菌黏附增强、肠道通透性增加，易发生自发性或DSS诱导性结肠炎和结直肠癌。

最近的一项研究强调了在DSS诱发性肠炎中，黏蛋白衍生的唾液酸可以在肠道炎症期间促进肠杆菌科细菌扩增。唾液酸是黏蛋白中的主要碳水化合物之一，这些细菌不能从头合成这些糖，可被细菌比如大肠埃希菌吸收，然后用于合成细菌荚膜和脂寡糖。

此外，鼠伤寒沙门菌和艰难梭菌在肠道扩增过程中，可以分解代谢黏膜聚糖以此获取并利用释放出的糖分，如岩藻糖和唾液酸。总体而言，这些结果表明，唾液酸分解代谢可赋予炎性肠道中肠杆菌科的生长优势。

肠杆菌科还可以通过产生抗菌分子来抑制其他细菌的增殖，促进其在肠道中的繁殖。例如，大肠杆菌素是某些大肠埃希菌菌株产生的细菌素，它对进化谱系中的近亲菌株具有致死的毒力。值得注意的是，在肠道炎症期间，鼠伤寒沙门杆菌通过分泌大肠杆菌素IB（Col1B）获得了对敏感的大肠埃希菌的竞争优势。Col1B的表达受低铁利用率和SOS反应（是细菌应激反应）的正向调节，在发炎的肠道中，这两种情况通常分别由嗜中性粒细胞募集和氧化应激诱导的DNA损伤引发。因此，肠道的炎症环境似乎通过增强大肠杆菌素的作用为肠杆菌科创造了一个有利的条件，因为大肠杆菌素作为一个有利因子，为肠杆菌科提供了竞争的生长优势。

导致肠杆菌科在炎性远端肠道中扩增的另一个机制是宿主在炎性反应期间改变了肠道正常共生菌群长期以来赖以生存的厌氧环境。在炎症期间，由于血流量和血红蛋白升高，肠腔氧气水平增加。另外，在肠道炎症期间产生的新的呼吸电子受体可以通过无氧呼吸来支持细菌生长，包括硝酸盐呼吸。已有研究显示硝酸盐作为宿主炎症反应的副产物产生。由于硝酸还原酶基因存在于大多数的肠杆菌科细菌，例如大肠埃希菌和鼠伤寒沙门菌，因此宿主肠腔内富含硝酸盐可以为肠杆菌科提供适应性优势。而梭状芽孢杆菌和拟杆菌虽然属于专性厌氧菌，但是基本上不存在硝酸还原酶基因，因此处于竞争劣势。此外，由于宿主炎性反应产生的活性氧（reactive oxygen species，ROS）可与内源性硫化合物（即硫代硫酸盐）反应，产生新的呼吸电子受体，称为连四硫酸盐。在炎症环境下，这种新产生的电子受体为鼠伤寒沙门杆菌提供了一种选择性生长优势。这些结果表明，病原体可利用宿主反应来促进其菌落的扩增。

肠杆菌科呼吸的灵活性使它们能够响应肠内不同的氧气供应。例如，在没有氧气的情况下，大肠埃希菌可以使用硝酸盐、亚硝酸盐、氧化三甲胺（trimetlylamine oxide，TMAO）、二甲基亚砜（dimethyl sulfoxide，DMSO）和富马酸盐作为电子受体，而在氧气存在下大肠埃希菌表达末端氧化酶来使用氧作为电子受体。炎症期间血液流动和血红蛋白升高导致的高水平氧气可以为肠杆菌科等兼性厌氧菌提供生长优势，而不是梭菌和拟杆菌等专性厌氧菌。例如，链霉素干预可以导致小鼠肠道内产丁酸的梭菌数目减少，进而导致降低的丁酸水平，上皮氧合作用增加，最终有氧增殖的鼠伤寒沙门菌数目增多。此外鼠柠檬酸杆菌使用Ⅲ型分泌系统（Ⅲtype secretion system，T3SS）来促进小鼠结肠隐窝增生，这反过来增加了表面上皮的氧合作用，并促进了结肠内鼠柠檬酸杆菌的有氧增殖。

在肠道炎症中引起肠杆菌科扩增的另外一种机制是金属利用。铁是宿主和致病细菌的重要营养素，它主要在宿主细胞内储存，由此与病原体隔离使其不易获取。然而，为了绕过这种铁扣留，许多病原体已经进化出高亲和力的铁摄取机制，以此和宿主的限制作用相竞争。这些摄取系统包括释放铁螯合铁载体、血红素采集系统和转铁蛋白/乳铁蛋白受体。例如，大肠埃希菌能够产生肠杆菌素，一种儿茶酚类铁载体，可以作为中性粒细胞杀菌过氧化物酶的有效抑制剂，并为炎性肠道中的大肠埃希菌赋予了明显的生存优势。基于这些研究结果，我们不难推测，大肠埃希菌释放的铁载体既可以促进自身摄取铁，还可以保护自己免受宿主的氧化应激杀伤。

从患有CD的患者、患有肉芽肿性结肠炎的狗以及患有回肠炎的小鼠肠道中分离不同的AIEC菌株，并对这些菌株进行谱系基因组分析，结果显示：与非致病性大肠杆菌相比，AIEC菌株过表达编码铁获得的基因，例如chu操纵子。此外，AIEC的生长需要铁，而血红素铁的存在与它们在巨噬细胞中持续存在的能力相关。还有研究从CD患者的回肠分离出AIEC NRG857c（O83：H1）菌株，并发现这种菌株含有铁载体菌素，这增强了其在巨噬细胞的细胞内存活能力以及在小鼠肠道的定植能力。

总体而言，这些研究突显出铁获取对肠杆菌科细菌在炎症肠道中扩增具有重要促进作用。肠杆菌科还进化出在炎性环境下获取其他金属（如锌和锰）的细胞机制，这也进一步提升其竞争优势。肠道内的炎症通常促使更具毒力的肠杆菌科菌株出现，这些菌株已经进化出多种策略以逃避宿主免疫反应，在生存竞争中胜过共生细菌并在炎性肠道中茁壮成长。

（王景杰　林　强）

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