【专题论坛】肠道微生物组学在炎症性肠病精准医学应用的前景

文献来源：中华炎性肠病杂志，2024年第8卷第5期

作者：刘财广  毛仁

作者单位：中山大学附属第一医院消化内科

通信作者：毛仁

引用本文：刘财广,毛仁. 肠道微生物组学在炎症性肠病精准医学应用的前景[J]. 中华炎性肠病杂志（中英文）,2024,08(05)：343-349.DOI:10.3760/cma.j.cn101480-20240715-00082

炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）是一类病因未明的非特异性肠道炎性疾病，包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC） [ 1 , 2 ]。近年来，亚太地区的IBD发病率逐步上升，近10年间增长近3倍 [ 3 ]。目前IBD仍面临病因和发病机制尚未阐明、诊断困难、治疗效果不佳和自然病程无法逆转等难题。因此，深入研究IBD的发病机制，寻找与发病相关的关键环节，并针对这些节点探索新的靶点分子或精准治疗手段是目前IBD领域迫切需要解决的现实问题。

IBD的发病与多种因素相关，包括遗传易感性、环境因素、免疫应答异常、肠道屏障受损和肠道菌群失衡等 [ 4 ]。肠道微生态指机体消化道中存在的细菌、病毒、真菌等微生物群体总称。随着高通量测序技术的进步，越来越多的研究揭示肠道微生物，尤其是肠道细菌，参与IBD的发生发展进程，为IBD的发病机制提供崭新的视角。与健康人群相比，IBD患者肠道菌群差异明显，主要表现为肠道菌群的丰度和多样性下降，共生菌与病原菌比例失调等。而CD和UC分别具有各自特征性的菌群结构和互作网络 [ 5 ]。16S rRNA（核糖体核糖核酸）以及真菌ITS（内转录间隔区）基因测序技术基于微生物的16S rRNA和ITS基因序列的特性，因其高通量、普遍性等特点，已被广泛用于细菌微生物组的分析，然而其分辨率仍有限，只能鉴定到属或门级别，难以精确到物种级别 [ 6 ]。而宏基因组测序及宏病毒组因其全面性、高分辨率、非偏倚检测、动态监测和广泛的应用前景，俨然成为当前肠道微生物研究的重要工具 [ 7 ]。此外，与多种组学（如代谢组、宏转录组等）的结合亦可全面研究疾病状态下微生物组的特征和功能失调特点，帮助更好地理解微生物的活动及相关代谢物的变化 [ 5 ]。如今，肠道微生物组学在IBD精准医学中的应用变得更加广泛和深入，利用肠道微生物组可对疾病进行早期诊断，有效预测及动态监测疾病进展，为IBD精准医学和全方位管理提供新的可能性。

自2015年提出"精准医学计划"的概念，精准医学已成为生物医学领域的热点 [ 8 ]。因此，本文总结肠道微生物组学在IBD精准诊断分型、监测疾病进展和预测治疗效果的现有证据，同时对肠道微生物组在精准医学的应用前景进行展望。

基于16S rRNA测序、宏基因组测序或代谢组学等技术，肠道微生物群被认为是IBD诊断和分型的有效生物标志物。研究发现，IBD患者的肠道微生物群表现为有益微生物的减少和潜在致病微生物的增加 [ 9 ]。与健康人群对比，IBD患者的肠道菌群以厚壁菌门（ Firmicutes）和拟杆菌门（ Bacteroidetes）的减少，以及变形菌门（ Proteobacteria）和放线菌门（ Actinobacteria）的增加为主要表现 [ 9 , 10 ]。CD与UC之间的肠道微生物特征亦有显著差异。基于肠道微生物构成区分健康个体与UC或CD患者的准确率可高达93.2%和89.5% [ 11 ]。在菌属水平，CD患者粪便中拟杆菌属（ Bacteroides）、优杆菌属（ Eubacterium）、粪杆菌属（ Faecalibacterium）和瘤胃球菌属（ Ruminococcus）显著减少 [ 12 , 13 ]；而UC患者肠道中以 Bacteroides和梭菌（ Clostridium）ⅪⅤ a和b群的减少为主要特征 [ 14 , 15 ]。一些菌种在二者间的丰度和功能也不尽相同。CD患者中 Clostridium lavalense、 Ruminococcus torques、 Blautia faecis和 Roseburia inulinivorans的丰度减少 [ 16 , 17 ]。Loubinoux等 [ 18 ]则报道具备还原硫酸盐功能的细菌在UC患者的粪便菌群中占主要优势。

近年来，肠道真菌失调在IBD领域中也有越多报道。IBD患者的肠道真菌表现为多样性明显降低，并伴随一些致病性真菌的增加 [ 19 , 20 , 21 ]。与健康人群相比，IBD患者粪便中担子菌门（ Basidiomycota）/子囊菌门（ Ascomycotar）的比例增高，其中白色念珠菌、马拉色菌和类球菌科的丰富度显著增加，而酵母菌、青霉菌和克鲁维酵母则明显减少 [ 19 , 21 , 22 ]。白色念珠菌（ Candida albicans）是一种致病性真菌，因其在IBD患者中数量增加而受到广泛关注。在小鼠模型中，其可通过增加肠道中白细胞介素（interleukin，IL）-17和IL-23的产生，诱导严重的结肠炎症 [ 23 , 24 , 25 ]。与之相反的是，酿酒酵母的数量在IBD患者体内明显减少。酿酒酵母布拉迪（ Saccharomyces boulardii）具有抗炎特性和保护肠道有益菌的效应，从而发挥预防和改善IBD肠道炎症的作用。机制上，该真菌能通过阻止黏附侵袭性大肠杆菌（adherent-invasive Escherichia coli，AIEC）在肠黏膜上的定植，并可通过抑制 Candida albicans的天冬氨酸蛋白酶2和6的表达，阻止其转化为侵袭性的菌丝形态，从而改善肠道炎症 [ 26 ]。但目前关于真菌在IBD中的作用，及其所涉及的分子机制的认识仍十分有限。IBD肠道中也存在病毒组学（包括噬菌体等）特征的改变。近期的研究提示，无论UC还是CD，其肠道中 Caudovirales噬菌体的丰度均显著增加，而病毒-细菌之间的互作稳态是维持肠道菌群结构、功能并控制肠道炎症的关键 [ 27 , 28 ]。因此，联合多种肠道微生物群落（包括细菌、真菌、病毒和古细菌等）详细分析肠道微生态特征，是未来IBD精准诊断和分型的有效且有前景的方法之一。

不同IBD疾病分型的肠道微生物群落特征具有显著差异。根据蒙特利尔分型，CD患者可按照疾病行为被分为非狭窄非穿透型（B1）、狭窄型（B2）和穿透型（B3）。在一项初诊儿童CD患者的多中心队列研究中，B2型CD患者的粪便和直肠菌群表现为 Ruminococcus属的增加和罗氏菌属（ Rothia）的减少，而柯林斯菌属（ Collinsella）的丰度在B3型CD患者的粪便中则显著升高 [ 29 ]。另有研究指出，伴有肠道狭窄的CD患者，其粪便中的克鲁斯杆菌科（ Coriobacteriaceae）、瘤胃球菌科（ Ruminococcaceae）和克氏菌科（ Christensenellaceae）的水平显著降低 [ 30 ]。本课题组前期研究也发现，CD狭窄肠道的黏膜部位中肠道菌群的多样性减少，其中 Ruminococcus、颤螺菌属（ Oscillospira）、 Subdoligranulum、乳酸杆菌属（ Lactobacillus）、产氢菌属（ Hydrogenophaga）和 Clostridium等菌属的相对丰度也显著降低 [ 31 ]。在菌种水平上， Ruminococcus bromii和普氏粪杆菌（ Faecalibacterium prausnitzii）在狭窄肠道中也明显减少 [ 32 ]。利用粪杆菌和大肠杆菌的丰度也可以进一步区分结肠型和回结肠型CD患者，提示粪杆菌可能是CD诊断的生物标志物之一 [ 32 , 33 ]。而基于疾病部位，可将UC患者分为直肠型（E1）、左侧结肠型（E2）和全结肠型（E3）。E2型UC患者粪便中 Bacteroides、 Ruminococcus和 Clostridium的丰度显著降低 [ 34 ]。而E3型UC患者的肠道菌群紊乱最为显著，涉及整个结肠的广泛微生物变化。在属和种水平上，有益菌如 Akkermansia muciniphila显著减少，而潜在致病菌如 Escherichia coli、 Enterococcus faecalis明显增多 [ 15 , 35 , 36 ]。

上述研究表明，肠道微生物组在IBD的疾病诊断和分型中发挥了重要的作用。

肠道微生物组已被证实与IBD疾病活动密切相关。IBD疾病复发者肠道中条件致病菌显著增多，如艰难梭菌（ Clostridium difficile）和部分条件致病性大肠杆菌在IBD复发时更为常见；而一些有益菌如双歧杆菌（ Bifidobacterium）、 Lactobacillus和产短链脂肪酸菌（如 Bacteroides）的丰度常常减少 [ 36 ]。一项荟萃分析提示，与缓解期患者相比，疾病活动期的CD和UC患者粪便中 F. prausnitzii水平进一步下降 [ 37 ]。Fukuda等 [ 38 ]也发现UC患者活动期与缓解期的肠道菌群结构也具有显著差异，表现为活动性UC患者中克雷伯菌属（ Klebsiella）、肠球菌属（ Enterococcus）和嗜血杆菌属（ Haemophilus）的丰度较高，而缓解期患者中玫瑰杆菌属（ Roseburia）、毛螺菌属（ Lachnospira）、布劳特氏菌属（ Blautia）和 Faecalibacterium的丰度较高 [ 39 ]。不同CD活动指数的患者占优势的肠道菌群也不同，在活动性CD患者的肠道中 Lactobacillus丰度明显上升，而 Clostridium leptum较缓解期减少 [ 11 ]。然而，国内另一项针对IBD患者粪便菌群的研究提示拟杆菌门的丰度可能与CD的活动性呈负相关，但部分细菌如 Clostridium coccoides与CD活动性无关 [ 40 ]。值得注意的是， Lachnospiracea incertae sedis和副拟杆菌属（ Parabacteroides）在CD患者发病初期的肠道中富集，而 Escherichia/Shigella、 Enterococcus和变形杆菌属（ Proteus）则在CD疾病后期更为常见 [ 41 ]。此外，中重度CD患者粪便中 Proteobacteria和肠球菌科（ Enterococcaceae）显著增加，而 Ruminococcaceae和 Clostridiales显著减少 [ 37 ]。综上，这些与IBD疾病活动相关的差异菌群大多数都涉及到厚壁菌门、拟杆菌门和变形菌门，提示这类肠道微生物群落的变化是IBD疾病活动度的评估和预测的有效指标之一 [ 11 ]。

IBD病情反复迁延，常伴有肠瘘、腹腔脓肿、肠梗阻和癌变等并发症，超过70%CD患者因肠道狭窄等原因而需要手术治疗，但许多患者术后仍可出现疾病复发，严重影响患者生活质量 [ 2 ]。既往研究表明，血清中一些抗细菌抗体（如抗CBir1、抗OmpC、抗A4-Fla2和抗Fla-X抗体）与术后内镜复发（定义为Rutgeerts评分≥i2）密切相关，提示肠道微生物组具有预测IBD患者术后疾病进展的潜能 [ 42 ]。基于16S rRNA测序技术， Enterococcus durans在出现术后复发患者的基线粪便中显著富集，而未出现术后复发的患者肠道中 Dorea longicatena和 Bacteroides plebeius的丰度更高 [ 43 ]。Sokol [ 44 ]及其研究团队发现，手术切除的回肠黏膜中低丰度的 F.prausnitzii与术后18个月内镜下复发呈正相关。本课题组既往研究也发现手术部位 Oscillospira的丰度与肠道狭窄和术后疾病活动均呈负相关 [ 31 ]。亦有研究提出， Fusobacteria和AIEC是驱动早期术后复发发生的关键因素 [ 45 , 46 , 47 ]。然而，这些研究尚未得到一致性结论，这可能与患者手术部位、术前使用抗生素类型和时间以及术后的治疗方式等因素均有关 [ 48 , 49 , 50 ]。除此之外，目前亦有关于通过调节肠道微生物来预防术后复发的干预性研究（如NCT04804046），但所有已发表的临床试验均提示使用益生菌尚未能有效预防术后复发 [ 51 ]。总而言之，目前对于肠道微生态的分析和干预在临床中仍未广泛普及，其在精准预测术后疾病复发的可行性和效能仍有待商榷。

随着生物制剂时代的到来，各类生物制剂的应用极大提高IBD患者的临床缓解率，部分患者甚至可以达到黏膜愈合；但仍有约40%IBD患者对各类药物治疗失效，其中抗肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α，TNF-α）生物制剂治疗出现原发性失应答的发生率高达约30% [ 52 , 53 ]。因此，利用各种生物标志物预测药物疗效，以此为患者提供个性化治疗方案，在IBD精准医学中愈发重要。其中，肠道微生物组学已于近年被应用于预测IBD药物疗效。一项纳入19项研究的系统性回顾发现，对肠内营养、英夫利西单克隆抗体（简称单抗）、乌司奴单抗或维得利珠单抗有应答的IBD患者，其基线肠道细菌的α多样性明显更高。而对氨基水杨酸类药物和乌司奴单抗治疗有效的患者，其基线粪便中 F. prausnitzii细菌水平较高 [ 54 ]。这些发现均提示肠道微生物群组在预测IBD药物疗效的重要性。

肠道微生物群的特点可以准确识别抗TNF-α生物制剂失应答的IBD患者。在菌门水平，对抗TNF-α生物制剂有应答的IBD患者在治疗前后均表现出拟杆菌门增加和变形菌门的减少。此外，基线时粪便中高丰度的 Methylobacterium、 Sphingomonas、 Staphylococcus和 Streptococcus属与抗TNF-α生物制剂疗治疗后内镜缓解正相关 [ 55 ]。在儿童CD患者中，对英夫利西单抗失应答的患者基线时的粪便中产短链脂肪酸（SCFA）相关细菌（包括 Blautia、 Faecalibacterium、 Lachnospira和 Roseburia等）显著减少 [ 56 ]。CD与UC的微生物组在预测药物疗效时也有显著差异。CD患者中对抗TNF-α生物制剂有应答者基线时 Chloroflexi、 Ruminococcus、 Eubacterium hallii、 Eubacterium eligens、 Escherichia、 Shigella和 Butyricicoccus属丰度更高，而UC中失应答者基线时 Actinobacteria、 Porphyromonas、 Granulicatella和 Corynebacterium属水平则显著增加 [ 57 ]。此外，Sanchis-Artero等 [ 58 ]发现 F. prausnitzii / E.coli比值可以作为识别CD患者抗TNF-α生物制剂应答的可靠早期生物标志物。然而，肠黏膜和粪便的菌群类型在预测生物制剂疗效的结果不一致。基线时黏膜中高丰度的 Hungatella、 Ruminococcus gnavus和 Parvimonas属与用药后临床和内镜反应正相关，而基线时高丰度的 Blautia、 Faecalibacterium、 Roseburia和 Negativibacillus属与生物制剂疗效无关。

另一项前瞻性研究中，Ananthakrishnan等 [ 59 ]对整合素抑制剂治疗期间的CD患者进行多次粪便采样，结果提示，治疗后达到临床缓解的患者基线时粪便具有更高的α多样性，粪便中 Roseburia、 inulinivorans和 Burkholderiales等丰度也显著增加。Colman等 [ 60 ]发现，基线时高丰度的丁酸盐产生菌 Anaerostipes hadrus与第14周时维得利珠单抗的治疗谷浓度相关。这意味着在治疗开始时肠道中存在较高水平的 Anaerostipes hadrus可能预示着更好的治疗效果。而在使用乌司奴单抗治疗的成人CD患者中， Bacteroides、 Faecalibacterium、 Blautia、 Ruminococcaceae和 Roseburia属在缓解者中显著增加 [ 61 ]。

肠道菌群源性的代谢物改变与生物制剂疗效亦密切相关。Ding等 [ 62 ]发现对抗TNF-α生物制剂治疗失应答的患者表现出更高水平的硫酸盐和甘氨酸结合的初级胆汁酸，而在抗TNF-α生物制剂治疗期间，基线时具有较高水平脱氧胆酸的CD患者对抗TNF-α生物制剂有更好的应答。而在维得利珠单抗治疗14周后临床缓解的CD患者，其基线血清中与支链氨基酸生物合成相关的通路（包括瓜氨酸、异亮氨酸、精氨酸和多胺等）显著富集 [ 59 ]。乙酰胺、牛磺酸和腐胺亦能够有效预测中重度活动性UC患者使用维得利珠单抗治疗的疗效 [ 63 ]。

总之，以上结果均提示肠道微生物组能够作为预测不同生物制剂疗效的有效生物标志物，以此对患者进行分层能够优化临床管理，提高治疗有效率。

综上，利用微生物组学能够对IBD疾病进行精准诊断、分型，并能预测疾病复发和进展。同时，肠道微生态特点亦可预测生物制剂等药物的治疗效果。迄今为止，有关IBD精准医学的研究识别出4个需要关注的研究视角：（1）在诊断时更好地对患者进行分层以预测疾病进程；（2）良好地监测治疗反应；（3）推进多组学等技术革新；（4）临床监管和经济成本因素。肠道微生物组在IBD精准医学的领域仍有许多可拓展的空间。首先，除了细菌、真菌等改变，许多其他微生物的结构和功能在IBD肠道中的特征仍不清楚，微生物之间的相互作用在IBD诊断分析和预测药物疗效中可能发挥重要作用，仍然需要进一步观察分析。其次，单一的肠道微生物组学尚无法很好地解释疾病的发展过程。随着高精度组学的应用（如单细胞转录组学、空间微生物组学等），研究者们能够在更微观的视角下洞察到细菌-宿主相互作用。因此，IBD个性化治疗方案应该进一步联合复杂的多组学数据，以此为个体化治疗给予更精致的管理方案。与此同时，肠道菌群及其代谢物与生物制剂疗效之间的直接因果关系尚未在患者中得到验证，需要进一步评估这些特异菌群与药物药代动力学之间的相互作用。此外，一些在某一队列中发现的肠道菌群相关生物标志物尚未能在其他队列中得到验证，因而仍需在设计完善的前瞻性试验中验证这类菌群相关标志物。最后，还有一个重要的挑战是IBD的疾病特点可随时间而动态变化，不同患者间也存在高度异质性。因此，需要大规模的队列进行足够长时间的前瞻性评估，以获得对临床实践更有意义的信息。部分队列已经招募（如PANTS、IBD Resource、RISK、PROFILE），其他队列也正在进行中（如COLLIBRI、PREDICCT、IBD Multiomics），期待这些研究在不久的将来为我们提供更多信息。

利益冲突 所有作者均声明不存在利益冲突

参考文献略