随着人们对肠道菌群与疾病的关系认识的深入，是否可以通过影响肠道菌群进而治疗肠道疾病显得尤为迫切，围绕肠道菌群展开研究的热度也一直未减，尤其是近5年的发文量越来越多。
刘克玄教授在中华医学会第29次麻醉学术年会中作了关于“缺血性肠损伤—肠道菌群的角色”的专题报告。希望读者通过下文理解肠道菌群及代谢物在缺血性肠损伤中的作用及机制。
CSA2024
01
肠道菌群简介
肠道菌群的定义
肠道菌群是指定植在肠道的所有微生物（细菌、古菌、真核生物、真菌和病毒等）的总称，而微生物组是指所有微生物群基因的集合，其中包括细菌代谢产物。微生物组对人体十分重要，可被看作是一种器官。成人胃肠道中定殖菌群大约有500~1,000种，菌群在肠道中不同的位置和结构的种类、数量均不同，可影响人体细胞基因的表达。
肠道菌群的分类
按照对人体的作用，肠道菌群可分为共生菌群（益生菌）、条件致病菌、致病菌，其中的条件致病菌在正常情况下与人体共生，当人体微环境发生变化比如肠道缺血缺氧时可能对身体有害；从进化及亲缘角度可分为：细菌、古菌、真菌、病毒、真核生物。其中细菌又按域、界、门、纲、科、属、种、菌株进行分类。基于门水平以上肠道菌群的研究数量最多，最主要的就是厚壁菌门和拟杆菌门（占比＞98%）。
肠道菌群的功能
肠道菌群在人体内发挥非常重要的作用，包括但不限于参与人体内维生素、神经递质等的生物合成，药物、食物、异生质的代谢，以及细胞增殖，血管生成的生理过程。
高度动态化的肠道菌群
肠道菌群动态地参与了人的生长、发育和衰老的整个生命过程；人在不同时期、不同年龄段的菌群构成是不一样的；在同一阶段、年龄段，在不同外部条件的影响下，菌群的构成也不一样；性别、年龄、性激素、甘油三酯、尿酸、肥胖、生活方式等17类因素对肠道菌群有显著影响，其中性别是最大的影响因素。
肠道菌群与疾病关系概况
菌群失调是指各种微生物的种类、数量、比例、位置、代谢活性发生较大变化。肠道菌群失调会导致疾病（如消化道疾病、代谢性疾病、精神性疾病、神经系统疾病、自身免疫性疾病等）的发生，而在疾病发生时菌群结构也同样发生着变化，但谁是因谁是果还有待研究。
02
缺血性肠损伤中肠道菌群扮演的角色
肠缺血再灌注包含在创伤、感染、休克、肠梗阻等疾病病理生理过程中，它不仅导致肠粘膜屏障损伤，还因肠道内毒素移位和菌群失调及移位，从而导致内毒素血症、脓毒症、脓毒性休克，最终致多器官功能不全或衰竭。因此，围术期缺血性肠损伤及其防治是麻醉学的重要科学问题之一。
笔者的研究团队在国家自然科学基金重点项目等项目的支持下，聚焦“缺血性肠损伤关键分子机制及围术期肠保护新策略”深耕多年，以第一作者及通讯作者发表80余篇SCI收录论文；牵头撰写专家共识一部；授权6项国家发明专利；以第一完成人身份获2021年广东省科技进步一等奖。下文中，笔者将围绕肠道菌群及代谢物与肠损伤的关系的研究成果，为大家简单介绍。
研究方向
鼠乳杆菌激活TLR2/MyD88信号促使巨噬细胞产生IL-10改善肠缺血再灌注损伤易感性的机制研究
研究目的 探讨休克患者抗休克治疗后结局不同是否与个体肠道菌群差异有关
研究方法 肠缺血再灌注（I/R）包含在休克治疗的病理生理过程中。笔者团队前期建立肠I/R模拟休克和抗休克的过程，分别将在缺血1小时再灌注1小时就死亡和一周后仍存活的小鼠分别定义为肠I/R敏感型小鼠（Sen）和肠I/R抵抗型小鼠（Res）。
研究结果
肠I/R的Sen和Res小鼠的肠、肠外器官损伤情况及肠道菌群特征
笔者团队将Sen小鼠和Res小鼠的粪菌进行测序，发现在门水平上Sen小鼠和Res小鼠的肠道菌群丰度、β多样性结果、菌群多样性均存在差异；为进一步证实肠道菌群在肠I/R中的作用，笔者团队对小鼠进行粪菌移植实验，将Res小鼠粪便移植到抗生素处理后的“伪无菌”小鼠，可明显减轻其肠I/R肠及肠外器官损伤；相应，将Sen小鼠的粪菌移植给伪无菌小鼠则加重肠I/R肠及肠外器官损伤，粪菌移植结果证实了肠道菌群在肠I/R损伤具有重要作用。
鼠乳杆菌可以减轻肠I/R损伤
通过16测序结果发现肠I/R的Res小鼠的乳杆菌相对丰度较Sen小鼠有明显增多（鼠乳杆菌是目前市场上潜在的益生菌，对免疫细胞有一定的调节作用），进一步给予小鼠鼠乳杆菌L.M处理，发现其有明显的保护作用，可以减轻肠I/R诱导的炎症反应及肠损伤，从而提高动物的生存率。为排除实验结果可能受到动物自身肠道菌群的影响，采用无菌小鼠进行实验，结果与前期实验结果符合，鼠乳杆菌可以减轻肠I/R损伤。
鼠乳杆菌与体外循环下心脏手术患者肠损伤呈负相关
选择体外循环下心脏手术患者（选择原因：患者体外循环期间肠道低灌注，术后肠道恢复灌注，一定程度上模拟休克和抗休克的过程）进行实验，实验结果中体外循环患者粪便中鼠乳杆菌的含量与体外循环患者术后血清肠型脂肪酸结合蛋白（I-FABP）及胃肠功能损伤呈负相关，与术后血清中瓜氨酸的水平呈正相关，说明鼠乳杆菌是对胃肠道具有保护作用，从而在临床上验证了鼠乳杆菌可能具有肠保护作用。
笔者团队进一步将术前患者鼠乳杆菌相对含量较低及较高的患者的粪便分别移植给小鼠，一周之后重复肠I/R实验，实验结果与前期动物实验相符，移植鼠乳杆菌相对含量较高患者粪便的小鼠组肠道功能损伤较低，进一步证明了鼠乳杆菌具有肠I/R的保护作用。
研究总结 动物实验中发现肠I/R的Sen和Res小鼠自身的肠道菌群丰度和组分存在差异，其中鼠乳杆菌在肠I/R的Sen小鼠中含量较少，给予鼠乳杆菌预处理能够明显减轻肠I/R诱导的损伤，结合临床数据说明鼠乳杆菌是对肠道具有保护作用。但是鼠乳杆菌抗肠I/R作用机制不明，需要进一步探讨。
研究方向
鼠乳杆菌能否通过激活TLR2/MyD88信号促使巨噬细胞产生白介素（IL）-10发挥改善肠I/R损伤的作用
在体研究 在体验证鼠乳杆菌通过促进巨噬细胞M2极化发挥肠保护作用；采用TLR2-/-，IL10-/-小鼠复制模型，体内验证鼠乳杆菌通过TLR2/MYD88促进巨噬细胞产生的IL-10发挥抗肠I/R损伤的作用。
体外研究 通过提取WT, TLR2-/-,IL10-/-小鼠腹腔外周巨噬细胞，分别与小肠类器官Transwell（缺氧/复氧）供培养，将鼠乳杆菌处理之后分别收集巨噬细胞和类器官进行实验。发现鼠乳杆菌需要通过TLR2/MYD88调节巨噬细胞产生IL-10发挥作用，鼠乳杆菌单独刺激类器官时，无保护作用。
研究总结 鼠乳杆菌激活TLR2/MYD88信号促使巨噬细胞产生IL-10发挥抗I/R损伤作用。在临床应用上鼠乳杆菌有望被开发为针对防治肠I/R损伤的药物。TLR2/MYD88通路可成为防治肠I/R损伤新的靶点。该研究发表在Microbiome杂志上。
研究方向
肠道菌群代谢产物辣椒素酯通过TRPV1受体促进GPX4抑制铁死亡改善肠I/R损伤
研究背景 笔者团队通过代谢组学测序成功筛选出肠I/R后含量存在差异的菌群代谢产物，包括辣椒素酯、甜菊糖甙、去郁敏、米那普仑、糖皮质激素、抗组胺药。其中辣椒素酯前期研究中通过靶向和非靶代谢测序证实辣椒素酯属于菌群代谢产物，发现其对乙醇引起的胃粘膜损伤具有良好的保护作用，可通过促进负能量平衡和增加脂肪氧化作为治疗肥胖的合适药物，且还具有增强糖代谢、增强运动耐力、减肥、抗肿瘤、抗脂质氧化等药理活性，在临床上有相关的应用。辣椒素酯是瞬时受电位通道香草醛亚型-1TRPV1的高选择性激动剂，激活后可减轻心脏，肺和肾脏缺血-再灌注诱导的损伤通过减少活性氧（ROS）和炎症细胞浸润。因此假定辣椒素酯具有抗I/R损伤的作用。
铁死亡是一种铁离子依赖性的非凋亡性细胞坏死死亡形式，是指膜脂修复酶-GPX4失效，造成膜脂上活性氧自由基ROS积累，而RSL3可作为GPX4的抑制剂引发铁死亡，但关于铁死亡在肠I/R损伤中作用不清。
研究结果 通过复制小鼠肠系上动脉阻断/开放的I/R模型的体内实验和复制小鼠小肠类器官缺氧复氧（H/R）模型的体外实验，得出结果：辣椒素酯能改善小鼠肠I/R和小肠类器官损伤，提高生存率；辣椒素酯促进GPX4抑制铁死亡改善肠I/R损伤（体内实验）和小肠类器官H/R损伤（体外实验）；辣椒素酯通过TRPV1抑制铁死亡改善肠I/R损伤（体内实验）和小肠类器官H/R损伤（体外实验）；笔者团队在临床验证时将体外循环患者术前粪便中辣椒素酯含量与体外循环患者术后I-FABP及胃肠功能损伤情况进行对比，发现两者呈负相关，而与瓜氨酸的水平呈正相关。
研究总结 体外循环患者术前粪便中辣椒素酯的含量与体外循环患者术后IFABP及胃肠功能损伤呈负相关，与瓜氨酸的水平呈正相关。菌群代谢产物辣椒素酯通过TRPV1受体促进GPX4抑制铁死亡改善肠I/R损伤。该研究发表在Gut Microbes杂志上。笔者团队依据该研究结果成功申请国家发明专利。
研究方向
肠道菌群代谢产物米那普仑通过AHR/IL-22信号减轻小鼠肠源性脓毒症损伤
研究背景 前期研究发现部分生物部分小鼠易得肠源性脓毒症，部分小鼠不易得，说明肠源性脓毒症具有易感性差异。为发现其与肠道菌群差异关系，笔者团队复制肠I/R导致的脓毒症模型，对其进行16S测序及代谢组群测序，发现导致肠源性脓毒症易感性差异的主要原因是肠道菌群差异，并发现代谢物米那普仑是导致易感差异原因之一，并深入探讨了其抗肠源性脓毒症的机制。
研究总结 肠I/R导致肠源型脓毒症存在易感性差异，米那普仑是影响肠源性脓毒症易感性差异的重要代谢产物，可通过AHR/IL-22信号减轻小鼠肠源性脓毒症损伤。
研究方向
肠道菌群代谢物琥珀酸在肠缺血再灌注所致肺损伤中的作用及机制研究
研究背景 急性肺损伤（ALI）是肠I/R最常见的远隔脏器并发症，是该类患者死亡的主要原因，且ALI的发病机制尚不明确，无有效的治疗手段。肠道菌群代谢产物-肠-肺轴是否是肠I/R导致ALI的重要机制呢？
琥珀酸是三羧酸循环的中间产物，且是肠道菌群的重要代谢产物；肺泡巨噬细胞（AM）的极化与肺部炎症，肺泡上皮凋亡密切相关。笔者团队前期研究发现肠I/R导致肺部琥珀酸的聚集，肠I/R期间肺部琥珀酸含量显著升高，同时在盲肠内容物、肠组织、血液中亦出现由肠到肺阶梯性递减的趋势。同时发现，肠I/R期间肠道菌群多样性下降，门水平菌群结构发生改变，肠道产琥珀酸组的细菌丰度增加，降解琥珀酸的细菌丰度减少。肺内琥珀酸含量与肠道内产生琥珀酸细菌/降解琥珀酸细菌的比值呈正相关。由此推测，肺损伤是否是因肠道内的琥珀酸从肠转移到肺中，从而导致肺损伤。未验证该假设，做了下面的实验。
肠I/R期间肺内聚集的琥珀酸是否来源于肠道菌群
抗生素清除肠道菌群的伪无菌小鼠与无菌GF小鼠，对两组小鼠进行肠I/R后，其肺内聚集的琥珀酸含量显著下降，肺部炎症与肺损伤显著减轻；
粪菌移植实验：GF小鼠在移植肠I/R小鼠的粪便后，检测发现肺内琥珀酸积聚，再现肺部炎症与肺损伤表型；
体内荧光素标记实验：使用带绿色标记的FAM-琥珀酸对小鼠进行灌胃处理，再复制肠I/R模型，发现肠道与肺部荧光信号增强，提示肠I/R期间琥珀酸从肠转移到肺。结果充分证明肠I/R期间肺内聚集的琥珀酸来源于肠道菌群。
临床验证琥珀酸与体外循环后肺损伤指标是否存在显著正相关
对体外循环心脏手术患者进行研究，发现患者术后早期血浆琥珀酸水平增加，通过实验数据分析得出血浆琥珀酸盐分别与氧合指数（PaO2/FiO2），机械通气时间和肺泡表面活性相关蛋白D和肿瘤坏死因子呈现正相关。
琥珀酸通过诱导肺泡巨噬细胞M1极化从而加重肠I/R后ALI
研究团队进行三组实验证明该机制；琥珀酸体内外干预实验证明琥珀酸会促进AM的M1极化，加重肠I/R导致的肺损伤；在氯磷酸脂体清除小鼠巨噬细胞实验上清除AM可以减轻琥珀酸引起的肺损伤，表明琥珀酸的作用依赖于肺泡巨噬细胞的参与；巨噬细胞共培实验中发现琥珀酸本身并不会对肺泡上皮细胞株系（MLE-12）细胞凋亡情况产生影响，而与琥珀酸诱导极化的肺泡巨噬细胞株系（MH-S）工培养后，发现其可以诱导MLE-12细胞的凋亡。三组实验结果得到琥珀酸是通过诱导肺泡巨噬细胞M1极化从而加重肠I/R后ALI。
琥珀酸受体（SUCNR1）介导琥珀酸诱导的AM极化及肠I/R后ALI
为进一步解释琥珀酸如何诱导巨噬细胞；进行三组实验证明琥珀酸作用于琥珀酸受体使肥婆巨噬细胞M1极化发挥作用，SUCNR1基因敲除实验:SUCNR1缺乏可减轻琥珀酸引导AM极化及肠I/R后肺损伤；SUCNR1体内外抗体中和实验:阻断SUCNR1可抑制AM极化及肠I/R导致的ALI；巨噬-上皮共培养实验：MLE-12与琥珀酸刺激的Sucnr1缺陷小鼠AM供培养，上皮细胞凋亡减轻。
PI3K/AKT/HIF-1α信号参与琥珀酸诱导的AM极化及肠I/R后ALI
通过体内完实验结果表明;琥珀酸促进肠I/R后HIF-1α的表达和AKT的磷酸化，而Sucnr1缺失则抑制琥珀酸诱导的HIF-1α和AKT的表达；为进一步证明PI3K/AKT/HIF-1α信号参与琥珀酸诱导的AM极化及肠I/R后ALI，在MH-S培养体系中预先加入HIF-1α抑制剂2MeOE2和PI3K抑制剂LY294002，阻断PI3K/AKT/HIF-1α信号，其可抑制琥珀酸诱导的AM极化，同时发现还可减轻琥珀酸诱导极化的MH-S所致的肺泡上皮细胞（MLE-12）凋亡。
研究总结 琥珀酸受体作用于其受体SUCNR1激活PI3K/AKT/HIF-1α通路促进肺泡巨噬细胞极化，进而导致肺泡上皮细胞凋亡和ALI；琥珀酸作为“肠-肺轴”的桥梁，在肠I/R导致的ALI中发挥重要作用；琥珀酸或可成为急危重患者肠源性ALI防治的新靶点，靶向调控琥珀酸代谢相关的肠道菌群可能成为防治肠源性肺损伤的有效手段。
该研究于2023年正式发表在Eur Respir J杂志，杂志主编发表题为“The gut microbiome in ARDS: from the ‘whether’ and ‘what’ to the ‘how’”的同期述评，认为这是一项令人印象深刻的研究，吹响了整个菌群研究领域的号角，为未来菌群研究提供了重要参考，也是未来转向肠道菌群发病机制研究的优秀范例。
研究方向
禁食重塑肠道菌群及其代谢产物在肠I/R损伤中的作用
研究背景 术前禁食是围术期常见的术前准备，肠I/R是围手术期急危重的临床事件，那么术前禁食是否可以通过重塑肠道菌群从未减轻肠I/R损伤。
研究结果 禁食上调代谢产物岩芹素生成，发挥肠I/R保护作用。该研究发表在Br J Anaesth杂志上。
小结
随着对微生物研究的深入，微生物与疾病之间的关系越来越受到关注，而疾病发生时也伴随着菌群结构的变化。通过探究肠道菌群及代谢物在缺血性肠损伤中的作用，发现对肠I/R抵抗强的小鼠中鼠乳杆菌含量较多，给予小鼠鼠乳杆菌能够明显减轻小鼠肠I/R损伤，其作用与它可激活TLR2/MYD88信号促使巨噬细胞产生IL-10发挥抗I/R损伤作用；通过代谢组学测序筛选出I/R后有差异的菌群代谢产物，并对其进行研究，其中的辣椒素酯通过TRPV1受体促进GPX4抑制铁死亡改善肠I/R损伤，米那普仑通过AHR/1L-22信号减轻小鼠肠源性脓毒症损伤；琥珀酸作用于其受体SUCNR1激活P13K/AKT/HIF-1α通路促使肺泡巨噬细胞极化，进而导致肺泡上皮细胞的凋亡和ALI，且琥珀酸或成为急危重症患者肠源性ALI和肠源性肺损伤的新靶点。术前禁食可上调代谢产物岩芹素起到肠I/R保护作用。笔者在本文简单阐述了肠道菌群及代谢产物在缺血性肠损伤及肺损伤上的作用及其机制，为临床上防治肠损伤提供了潜在的治疗药物。
*本文配图来源于网络
刘克玄 教授
南方医科大学南方医院麻醉科
南方医科大学麻醉学院
二级教授、主任医师、研究员，博士生导师
南方医科大学麻醉学院 院长、南方医院麻醉手术中心 主任
广东省“精准麻醉与围术期器官保护”重点实验室 主任
国家重点研发计划 首席科学家
入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”、广东省“珠江学者”
世界华人麻醉医师协会 副会长
中华医学会麻醉学分会 副主任委员
第五、六届中国医师协会麻醉学医师分会 副会长
广东省医学会麻醉学分会 主任委员
广东省麻醉医疗质控中心 主任
牵头主持1项国家重点研发计划、2项国家自然科学基金重点项目等10余个国家级项目；以第一或通讯作者在 Eur Respir J，Nat Commun，Cell Rep Med，Microbiome，Gut Microbes，Intensive Care Med，Critical Care Med，Anesthesiology，Br J Anaesth等杂志发表100余篇SCI论文；以第一完成人获“广东省科技进步一等奖”一项。
担任Anesthesiology中文版、国际麻醉与复苏杂志及临床麻醉学杂志副总编等
获“国之名医” 、“广东好医生”等称号
往期回顾
转载需经授权并请注明出处！
《麻醉·眼界》杂志官网：
http://www.anesthesiavision.cn/
