肠道菌群在危重患者中的核心作用和生物动力学作用

肠道菌群在健康和疾病中起着重要作用。它不断地进化，并与宿主保持着交流。肠道菌群越来越被视为一个器官，其衰竭反映为生态失调，被视为与不良结局相关的器官衰竭。危重患者的肠道菌群可能会发生变化，即生态失调，“促进健康”的共生肠道细菌(如厚壁菌门或拟杆菌门)严重减少，潜在致病菌(如变形菌门)增加。许多因素导致危重病人生态失调，例如药物治疗或营养模式的改变。生态失调会导致几个重要的影响，包括肠道完整性的改变和代谢产物(如短链脂肪酸和氧化三甲胺)的产生。越来越多的证据表明，肠道菌群及其变化与其他器官相互作用，突出了肠-器官轴的概念。因此，生态失调会影响其他器官，并可能影响危重疾病的进展。目前的知识只是有待发现的一小部分。肠道菌群的作用和贡献及其与各种器官的相互作用是一个激烈而具有挑战性的研究领域，为疾病预防、管理和治疗提供了令人兴奋的机会，特别是在多器官衰竭是重点的危重护理中。本文概述了肠道菌群的正常组成、功能、导致生态失调的机制及其在重症监护环境中的影响，并强调了肠-器官轴的概念。  

1 背景: 为什么要关注重症监护患者的肠道菌群？

2 重症监护中肠道菌群的正常组成及其演化

2.1 肠道菌群的正常组成

2.2 肠道菌群的功能

2.3 肠道菌群的评估

2.4 危重疾病与肠道菌群

3 肠道生态失调: 它是如何起作用的？

3.1 结肠粘液改变

3.2 肠道完整性改变与短链脂肪酸的作用

3.3 氧化三甲胺(TMAO)产生的变化

3.4 免疫黏膜改变

4 危重患者的肠道生态失调: 病理生理学概念

5 肠道菌群与关键器官的相互作用: 肠-器官轴的概念

6 结论

主要内容

1 背景：为什么要关注重症监护患者的肠道菌群？

消化道含有相当数量的微生物，它们与宿主保持着持续的沟通和共生。当生态失调发生时，即肠道菌群组成发生改变时，它们在健康和许多疾病的发病机制中发挥重要作用，如炎症、心血管或代谢性疾病。

危重患者往往是不稳定的多器官损伤。它们经历了主要由内分泌、免疫、神经和炎症机制介导的应激状态。此外，由于药物、危重疾病或中断正常饮食等各种因素，肠道菌群承受着巨大的压力。肠道菌群更多地被认为是一个动态的器官，其衰竭(反映为生态失调)是一种器官衰竭，与不良预后相关。因此，迫切需要了解其演变机制及其与危重疾病的关系。

有关肠道菌群的实际证据或是来自动物模型，或是来自人类研究。小鼠模型与大型哺乳动物模型具有不同的肠道生理机能。当从小鼠模型推断人类结果时，必须考虑到这一点。然而，这些数据使我们能够更好地了解肠道菌群及其动态变化。本文旨在概述重症监护病房(ICU)中肠道菌群的正常组成、功能、肠-器官轴的概念、导致肠道菌群失调的机制及其后果。

2 重症监护中肠道菌群的正常组成及其演化

2.1 肠道菌群的正常组成

虽然目前还没有“正常”菌群的定义，但许多因素，如饮食、年龄或生活习惯，会影响其组成。在结肠中，门水平中厚壁菌门和拟杆菌门分别占肠道菌群的90%(分别为60%-75%和30%-40%)，其次是放线菌门、变形菌门和疣微菌门。厚壁菌门主要含有革兰氏阳性专性或兼性厌氧细菌，例如Lactobacillus、Clostridium和Enterococcus。拟杆菌门含有较少的属，主要是革兰氏阴性厌氧细菌，如Bacteroides和Prevotella。大多数正常的肠道菌群由专性厌氧菌组成，后者的作用是抑制其他潜在致病菌(简称病原体)的生长，主要由好氧细菌或兼性厌氧细菌如Escherichia coli组成。

2.2 肠道菌群的功能

肠道菌群具有多种功能。首先，厌氧细菌降解食物多糖，并发酵成各种代谢产物，包括短链脂肪酸(SCFAs)，如丁酸、乙酸和丙酸，这些是肠道细胞功能所必需的底物。它还通过共生菌和病原菌之间的竞争效应在防御消化道感染和建立局部免疫防御系统方面发挥作用。此外，肠道菌群与我们所有的器官密切相关，并有助于它们的正常运作。这一点，也就是肠-器官轴的概念，下面将详细介绍。

2.3 肠道菌群的评估

肠道菌群可以用不同的方法进行检查，下面描述临床实践中常用的两种方法。16S核糖体RNA(rRNA)分析(me[x]tataxonomics)提供了样本中细菌的分类概述，并提供了有关微生物丰富度和多样性的信息。这是一种简单、快速、低成本的技术。局限性是不能提供关于基因功能的信息，并且两个具有相同16S rRNA基因序列的生物可能被错误分类。

通过对样本中所有DNA进行无偏倚测序(鸟枪法宏基因组学)，可以评估更完整的微生物组成。这种分辨率更高的方法虽然成本较高，但可以鉴定到物种水平的细菌，并提供有关微生物丰富度、多样性和基因功能的信息。通过将这些方法与蛋白质(宏蛋白质组学)和小分子(代谢组学)分析相结合，可以进一步了解这些方法。这些方法产生复杂的结果，其解释必须与具体的研究问题相关。

2.4 危重疾病与肠道菌群

危重疾病与共生肠道细菌(如厚壁菌门和拟杆菌门)的减少以及潜在致病菌(病原体，如变形菌)的增加有关。这种生态失调是由多样性的减少和病原菌比例的变化决定的，而这种变化对“促进健康”的共生菌是有害的。在某些情况下，潜在致病菌如Enterococcus、Clostridium difficile、Staphylococcus的过度生长(>50%相对丰度)可被突出显示。有几个指标可以识别和定义生态失调。这些菌群和肠道内动态平衡的变化可能发生在危重疾病后的48小时内，并且似乎因患者的年龄而异。将115名危重病人ICU入院时和出院时的菌群进行比较，结果显示，厚壁菌门和拟杆菌门减少，变形菌门增加，Enterobacter和Staphylococcus等致病菌增加。另一项对机械通风ICU患者的研究发现，在住院期间，拟杆菌和厚壁菌的比例因患者而异。本研究还表明，Bacteroidetes/Firmicutes的比例可能是死亡率的预测因子。肠道生态失调已被证明与患者对医院感染、败血症、器官衰竭甚至新冠肺炎疾病严重程度的易感性有关。

3 肠道生态失调：它是如何起作用的？

3.1 结肠粘液改变

肠壁覆盖着由粘膜杯状细胞持续产生的疏水性粘液。这种粘液保护肠细胞和结肠细胞免受消化酶的伤害，并作为屏障阻止细菌和毒素进入血液。在内脏灌流不足的危重患者中，粘液产量和粘液疏水性降低，导致肠细胞损伤，促进细胞凋亡和病原体易位。这会导致营养吸收减少和短链脂肪酸的产生减少，并有利于腹泻。

3.2 肠道完整性改变与SCFAs的作用

关于短链脂肪酸的绝大多数知识来自人或小鼠粪便的体外实验，以及益生元干预研究的结论。肠道厌氧菌群发酵膳食纤维并产生短链脂肪酸等代谢物，有助于维持肠道屏障的完整性，促进宿主的免疫反应。短链脂肪酸是结肠上皮细胞的主要能量来源，有助于维持功能性细胞间的连接。多数研究是在啮齿动物模型中进行的，它们还通过控制辅助性T细胞、调节性T细胞(Treg)、抗体和细胞因子(主要具有抗炎作用)的产生而在肠道免疫中发挥作用。短链脂肪酸还被证明可以诱导上皮细胞中的细胞保护蛋白，帮助维持细胞在应激条件下的生存能力。危重患者表现出生态失调，厌氧菌减少导致短链脂肪酸浓度降低，这与细胞凋亡、吸收不良、腹泻和细菌易位有关。

3.3 氧化三甲胺(TMAO)产生的变化

TMAO是肠道菌群和肝脏共同产生的重要代谢产物。首先，三甲胺(TMA)是由肠道菌群从胆碱、卵磷脂和肉碱中产生的，这些物质存在于肉类、鱼类和鸡蛋等食品前体中。其次，TMA通过门静脉循环被吸收并转运到肝脏，在此处TMA直接转化为TMAO。由于TMAO的产生取决于肠道菌群的多样性和组成，TMAO水平可能会随着生态失调而改变，通常会导致更高的水平。在人体上的一项研究表明，广谱抗生素抑制了TMAO的产生，在停用抗生素后再次出现，这支持了肠道菌群在TMAO产生中的重要性。高水平的TMAO已被认为与心力衰竭、动脉粥样硬化和血栓形成有关。

3.4 免疫黏膜改变

肠道菌群在免疫系统的发育中起着至关重要的作用，并与免疫系统保持着持续的沟通。一方面，菌群促进免疫系统并使其适应某些条件；另一方面，这种适应性免疫对其具有耐受性。这是通过toll样受体系统参与和识别微生物相关的分子模式，并通过释放促炎细胞因子、粘液分泌和形成激活Treg的短链脂肪酸来实现的。这一屏障在防止病原体定植方面起着重要作用，似乎会因抗生素的使用所削弱。

为了控制与菌群的关系，免疫系统限制菌群与上皮细胞之间的接触，从而限制细菌可能的易位。这种“粘膜防火墙”由上皮细胞、IgA分泌、抗菌肽和免疫细胞组成。微生物群的改变可能会导致免疫系统的失调，包括IgA和T细胞水平的下降，促进细菌感染。

4 危重患者的肠道生态失调：病理生理学概念

在危重疾病期间会发生多种环境变化，在休克、炎症、免疫功能受损、饮食、药物的改变和肠道动力下降情况下，内脏灌流不足造成选择性压力。所有这些条件都可能促进肠道生态失调的发展。

4.1 在重症监护环境中促进生态失调的因素

有几个因素影响菌群的变化及其毒力。首先，在危重疾病期间，转运时间延长，导致细菌排泄减少，已知这与细菌过度生长有关。肠道转运时间的减慢可能是由于电解质波动和ICU中频繁使用镇静剂和阿片类药物。其次，ICU常用的许多药物会影响肠道菌群的组成，如抗生素，但也包括非甾体抗炎药、β-受体阻滞剂、胺类药物或质子泵抑制剂。一个药物家族可能的解释是，肠道pH对细菌施加选择压力，这些细菌不能在相同的酸性环境中生长。质子泵抑制剂引起的生态失调与艰难梭菌(Clostridium difficile)感染风险增加有关。

抗生素对菌群的影响取决于许多因素，包括抗生素治疗的类别及其消除途径。一般而言，抗生素改变了共生菌群及其多样性，并可选择和/或促进耐药微生物的生长。

=另一个重要因素是营养模式的改变。危重病人常因饥饿而采用肠内营养(EN)或肠外营养(PN)。EN和PN对人体肠道菌群的影响尚不清楚。然而，一项对ICU儿童的研究证实了小鼠模型的发现，即独有的PN与的生态失调相关。与此相反，一项对人类粪便样本的体外研究表明，EN促进共生菌群的生长，个体内的差异取决于肠道组成。营养疗法似乎对肠道菌群有重大影响。NE似乎是肠道菌群的保护因子，而饥饿期或总PN期应避免，因为它们可能影响肠道菌群的完整性。

4.2 当正常的肠道菌群变得致病时

假设细菌能够感知周围环境，包括其他细菌的密度和多样性。事实上，根据肠腔环境的不同，肠道细菌要么继续定植，要么致病。许多细菌通过一种称为群体感应的系统来表达毒力基因。该系统使细菌的毒力基因只有当达到一定的细菌密度，可以压倒宿主时，并且只有感知到消极的环境变化时，如营养缺乏或特殊的阿片类药物治疗时才会表达。事实上，一项研究表明，长时间住在ICU的患者中，“正常”菌群被耐药病原体的超低多样性群落所取代，其毒力因局部环境而异，如暴露于阿片类药物。另一项研究表明，在与肠缺血/再灌注相关的急性应激期间，强啡肽的产生增加，这是一种天然的人类阿片类药物。在这项研究中，Pseudomonas aeruginosa暴露于强啡肽激活了群体感应系统，使细菌能够识别宿主的压力，变成致病细菌，并利用宿主的弱点。

此外，电解质水平也可能影响肠道菌群。例如，局部磷酸盐水平被认为会影响肠道菌群的毒力。在此背景下，一项对小鼠模型的研究表明，Pseudomonas aeruginosa和其他病原体在低磷血症的情况下可以形成致命的表型。在危重疾病中影响菌群的主要因素有：危重疾病本身、宿主状态、药物和给予的营养。

4.3 败血症与微生物群

许多ICU患者都有严重的感染。虽然具体的机制尚未完全确定，肠道菌群似乎在败血症的病理生理学中发挥作用。这一方面是由于危重患者经常接受多种药物治疗，影响肠道菌群多样性；另一方面是由于危重患者病情不稳定，可能导致缺氧性损害、炎症、上皮完整性破坏、运动障碍、管腔内pH值改变或肠道免疫功能受损。与败血症相关的肠道菌群有一些特征模式。在一项多中心研究中，ICU脓毒症患者菌群中与炎症密切相关的微生物丰度增加，如Parabacteroides、Fusobacterium和Bilophila。其他研究表明，肠道失去了重要的细菌属，包括Faecalibacteriumspp.、Prevotella spp.、Blautia spp.和Ruminococcaceae spp.。已知这些细菌可产生短链脂肪酸。此外，已有研究表明，脓毒症中常见的某些耐药物种，如Enterococcus spp.和Clostridia spp.，与不良结果有关。肠道菌群被认为不仅通过细菌易位和防止多重耐药病原体定植来影响败血症，还通过调节免疫系统来影响败血症。实验室数据显示，与健康小鼠相比，无菌小鼠在败血症期间有更大的细菌传播，更高的炎症和器官衰竭水平，死亡率也更高，这可能是由于免疫调节反应不太明显。

4.4 肠道菌群的调控

益生元、益生菌、合生元和粪便菌群移植(FMT)是目前研究多的肠道菌群的特异性治疗方法。益生元被定义为未消化的食物基质，如纤维、菊粉或低聚糖，在摄取后被共生肠道菌群利用，并提供健康益处。一些关于益生元的研究表明，ICU患者给予纤维可改善生态失调，增加短链脂肪酸的产生，并缩短住院时间，而其他研究显示了相反的结果。

益生菌是一种活的微生物，有助于维持肠道菌群的平衡，改善宿主的健康。合生元是益生元和益生菌的同时给药。先前的研究表明，益生菌可能具有降低呼吸机相关肺炎(VAP)发病率的作用。然而，随后的随机对照试验(RCTs)产生了相互矛盾的结果。这些研究的结果不能一概而论，因为不同研究使用的益生菌及其剂量不同，这是比较益生菌研究中反复出现的问题。利用其他属、种、菌株或剂量的研究有望澄清这一问题。虽然益生菌的使用是一种有吸引力的微生物群靶向治疗，但它们并不是没有风险，特别是在ICU患者中，在使用益生菌之后出现乳杆菌菌血症。

人们对FMT越来越感兴趣，它包括通过结肠镜检查、口服胶囊或肠道喂养管移植自体或供体粪便，以恢复健康的菌群。例如，FMT已被提议作为一种替代疗法来治疗严重或复发的Clostridium difficile结肠炎。在ICU，有多器官衰竭和疑似生态失调的败血症患者的病例报告强调了这些患者成功的FMT。生理病理学假说认为，FMT增加了产生短链脂肪酸的细菌，有助于恢复全身免疫反应，并使败血症病原体被清除。然而，FMT在ICU患者中并非没有风险，目前仍是一种实验性治疗方法。随着有关肠道菌群的知识不断以惊人的速度增长，我们可以预期对调节肠道菌群的特定疗法的价值和用途有进一步的定义。

5 肠道菌群与关键器官的相互作用：肠-器官轴的概念

由于肠道菌群与其他器官相互作用，本节将探讨肠