本文由莫秋芬编译，董小橙、江舜尧编辑。
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IBD，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，在全世界范围内发病率增加。IBD的特征是慢性免疫介导的肠道炎症，由遗传易感性和环境因素如饮食，抗生素使用和社会经济发展所驱动。
肠道微生物群被认为在IBD发病机制中发挥关键作用；然而，在特定动物模型之外证明其因果关系仍具有挑战性。IBD与生态失调有关，生态失调是由于共生菌和潜在致病菌之间的平衡被打破，进而导致肠道微生物多样性减少。临床发现抗生素治疗可治疗IBD，这与肠道菌有助于炎症反应的观点相一致。粪便停滞的解剖区域（回肠末端和直肠）具有炎症易感性，粪便转移可有效治疗克罗恩病、IBD发病率在全球范围内快速增加与工业化相关，并与饮食和环境暴露的改变相关，综上均表明了肠道微生物群在IBD中的作用，但是生态失调的确切作用尚不清楚。本综述将阐述IBD与生态失调之间的关联，肠道微生物群在特定动物模型下的作用，以及以微生物群为中心的人类IBD治疗方法的潜在临床转化。
论文ID
原名：Gut microbiota and IBD: causation or correlation?
译名：肠道微生物群和IBD：因果关系还是相关性？
期刊：Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology
IF：16.990
发表时间：2017年
通信作者： Vesselin T. Tomov
通信作者单位：University of Pennsylvania
综述内容
7、调节性T细胞和免疫耐受
Treg细胞是以转录因子FOXP3和抗炎细胞因子IL-10为marker的辅助性T细胞子集。与TH17细胞一样，Treg细胞由转化生长因子（TGF）β诱导，在粘膜表面积聚，并在共生菌和微环境的影响下分化。在人类中，FOXP3突变导致慢性肠炎，而阻断SMβ7（TGFβ的抑制剂）通过增加Treg细胞功能来改善炎症。GWAS显示，IL10多态性与人类IBD相关，先天性IL-10缺乏导致儿童发生严重的结肠炎。毫不奇怪，Il10−/−小鼠的自发性结肠炎取决于肠道微生物群，并由失控的TH17细胞驱动。相反，特定的微生物物种-包括脆弱拟杆菌（Bacteroides fragilis）和人源梭菌（Clostridia）菌株混合物-可以促进Treg细胞发育缓解了几种结肠炎的炎症（图2）。因此，TH17和Treg细胞的相对丰度是决定肠道炎症与耐受性的关键因素。肠道微生物群通过差异性地促进免疫细胞亚群的发展，在维持或破坏肠内稳态中具有重要作用。
图2 肠道菌群的促炎和抗炎作用
8、微生物感应，炎症小体和上皮修复
先天免疫细胞通过与NF-κB活化、炎性体募集和上皮修复途径相关的模式识别受体识别致病菌和共生菌（图2）。GWAS表明，这些受体-最值得注意的是NOD2，NLRP3和几种Toll样受体（TLRs）-与IBD的发病机制相关联。涉及NOD样受体（NLR）或TLR信号传导缺陷的动物模型揭示了先天免疫在结肠炎中的复杂的和背景依赖性的作用，从保护性到促炎性。
MYD88是通过大多数TLR以及IL-1和IL-18受体传导的中枢适配器，MYD88的破坏导致严重的先天免疫功能障碍。用DSS处理Myd88−/−小鼠导致严重的甚至是致死性的结肠炎，而不是由肠道微生物群驱动的。因此，无菌Myd88−/−小鼠不能保护小鼠免受DSS的伤害，抗生素治疗野生型动物加剧了疾病的严重程度，这与肠道微生物群的保护作用一致。通过TLRs的细菌感知和信号传导通过促进组织保护因子的分泌，抑制细胞凋亡以及将基质和骨髓细胞募集到结肠隐窝，对于上皮修复至关重要。因此，正常的肠道微生物群对恢复急性粘膜损伤后的体内平衡是必不可少的。
许多小鼠模型将TLR和NLR信号传导与DSS损伤后的上皮修复和体内平衡相关联。例如，在Nemo−/−或Ikk1/2−/−小鼠的NF-κB活化缺陷导致自发性结肠炎，上皮细胞凋亡增加。类似地，NLRP3、NLRP6、PYCARD、半胱天冬酶1或IL-18的缺失破坏了炎性小体导致上皮修复受损和癌症易感性增加。然而，先天免疫的缺陷导致病原体的生长和易位，促进整体疾病表型并对抗生素治疗产生反应。例如，NLRP6缺陷小鼠的DSS结肠炎由于Prevotellaceae物种的生长而变得复杂，Prevotellaceae转移到野生型动物时会加剧疾病。类似地，病原体柠檬酸杆菌Citrobacter rodentium在Myd88−/−定殖时，小鼠出现严重的结肠炎和菌血症（图2）。因此，通过先天免疫细胞感知肠道微生物群，限制细菌生长和促进上皮修复来维持肠内稳态。
9、潘氏细胞，自噬和克罗恩回肠炎
自噬通过形成双层膜囊泡降解的细胞质病原体和细胞组分。自噬与GWAS的克罗恩病的发病机理有关，GWAS鉴定了ATG16L1和IRGM自噬基因中的易感位点。ATG16L1与NOD2激活有关，并且是潘氏细胞功能的关键部分。潘氏细胞分泌抗菌肽塑造肠道微生物群；相反，潘氏细胞功能障碍与克罗恩病有关。研究表明，ATG16L1亚等位基因小鼠在慢性诺瓦克病毒（MNV）感染后导致潘氏细胞缺陷。随后，用DSS处理MNV感染小鼠引起克罗恩病样结肠病变，并且该过程依赖于微生物群。该模型提供了遗传、环境和微生物因素相互作用引起克罗恩病临床表型的典型例子。
潘氏细胞功能障碍和生态失调与TNFΔARE克罗恩病回肠炎有关。由于Tnf中富含AU元件（ARE）的缺失，TNFΔARE小鼠表达异常TNF，导致慢性回肠炎。常规饲养的TNFΔARE小鼠的回肠炎依赖于微生物群，并且可以通过抗生素治疗缓解。值得注意的是，在SPF环境中饲养的TNFΔARE小鼠的疾病活动离散，从正常到严重的回肠炎。这些临床表型的差异与个体小鼠中的生态失调和潘氏细胞功能障碍的不同程度相一致。此外，炎症性而非健康的TNFΔARE小鼠的肠道微生物群的移植可以将回肠炎和潘氏细胞缺陷转移给无菌TNFΔARE受体，这表明生态失调和炎症之间存在直接的因果关系。
10、肠道微生物群中的IgA+分类群可能是IBD病原体
IgA是粘膜表面的主要抗体同种型，通过调节肠道微生物群的组成发挥保护和免疫调节作用。IgA包被可以从共生菌（IgA-）中区分易导致结肠炎的细菌（IgA+），IgA +细菌包括Prevotellaceae，Helicobacter和SFB，这些病原菌转移到SPF小鼠时能够介导DSS诱导的结肠炎。此外，从IBD患者中分离的IgA+细菌移植给SPF小鼠时导致严重的DSS结肠炎。IgA+菌具有穿透粘液层并触发T细胞依赖性高亲和力IgA产生的能力（图2）。因此，基于IgA包被鉴定结肠炎病原菌有助于促进IBD的个性化治疗方法。这些发现进一步表明IgA通过选择性中和引起结肠炎的细菌发挥抗炎作用。
11、人类IBD：临床研究证据
BD患者的生态失调已被充分证明。由于GWAS提供了许多模型的信息，并且基于人类易感基因的敲除可以推测细菌、真菌和病毒在人类IBD中具有相似的作用。然而，动物研究的结果有许多局限性，必须谨慎下结论，特别是它们与人类疾病的相关性。生态失调是在IBD发展之前发生并驱动炎症过程，还是仅仅反映了炎症粘膜的免疫和代谢环境改变尚未清楚虽然许多人类参与的研究支持生态失调在IBD发病机制中的因果作用，但结论仍缺乏前瞻性研究数据。
IBD优先影响细菌丰度最高的肠道区域，粪便转移和抗生素都可以有效地治疗克罗恩病。接受回肠结肠切除术和回肠造口术的活跃性克罗恩病患者，在手术后3-6个月通常会形成正常的新生回肠。此外，将近端回肠流出物注入到已排除干净的远端回肠时可导致疾病复发，但是介导炎症的确切因素尚未确定。值得注意的是，粪便流转移并不是普遍有效的，并且可能因为清除了利用SCFA的结肠细胞，反而会引起结肠炎。
饮食或微生物干预纠正生态失调的临床研究表明IBD炎症可能由肠道微生物群驱动，微生物干预包括益生菌、抗生素、明确肠内营养疗法（ENT）和粪便微生物群移植（FMT）。益生菌是有益于健康的细菌或酵母的混合物，用于恢复肠道微生物平衡。迄今为止，益生菌治疗IBD的疗效模棱两可。接受了回肠袋-肛门吻合术的溃疡性结肠炎的患者易患回肠小袋（pouchitis）炎症，抗生素治疗成功后，益生菌有效预防这种并发症。然而，关于益生菌的最佳组成，给药时间和反应持久性的基本问题仍然没有答案。
抗生素可以减轻各种结肠炎动物模型的炎症; 然而，抗生素在IBD患者的有效性有限。随机对照试验的两项荟萃分析显示，相对于安慰剂，抗生素在治疗克罗恩病和溃疡性结肠炎效果显著；抗生素优势比为1.35至2.17之间。此外，广谱抗生素可提高溃疡性结肠炎中无类固醇的缓解率。鉴于IBD的表型异质性和人群的多样性，抗生素治疗结果不一致。广谱抗生素不加区分地靶向肠道微生物群可能会同时耗尽有益的和致病的微生物，这一潜在的后果不可预测。未来的抗生素治疗方案可能必须根据个体患者的特定肠道微生物群组成和基因组成进行调整。
饮食通过改变基因组水平的功能和代谢，对肠道微生物群的组成有重大影响。流行病学表明饮食在IBD发病机制中的作用，饮食改善被用作克罗恩病的治疗方法。具有基础、半基础或多配方的ENT可作为缓解克罗恩病的第一疗法，并且与临床改善和粘膜修复有关。尽管ENT的作用机制尚未明确，可能是因为减少了肠腔抗原和/或调节了肠道微生物群及其代谢组。ENT治疗后粪便微生物群组成和功能改变导致克罗恩病患儿的抗炎性SCFAs水平升高。ENT有效缓解克罗恩病儿科患者，并与肠道微生物群组成的快速变化相关。另一项研究进一步表明，ENT与固有层中Treg细胞数量减少有关，反映了肠道炎症的消退。值得注意的是，ENT的有利治疗结果与微生物组成的生态失调（相对于健康个体）相关。有必要进一步探索饮食对微生物组成和疾病活动的影响，并进一步指出了生态失调与IBD之间的复杂关系。
FMT成功治疗难治性艰难梭菌感染引起了FMT治疗IBD的研究兴趣。然而，目前为止的临床结果不一致，可能是因为与艰难梭菌结肠炎相比，IBD复杂性更高。两项溃疡性结肠炎治疗的随机安慰剂对照试验表明，在缓解溃疡性结肠炎成年患者的临床症状和内镜检查方面，FMT明显比安慰剂更有效。然而，另一项随机安慰剂对照试验未能重复FMT的益处。FMT治疗克罗恩病的研究更少，尽管有几项随机对照临床试验正在进行，但尚未完成。FMT在一小群克罗恩病儿童患者中显示出临床益处，对于难治性克罗恩病成年患者，FMT的临床缓解率和临床改善率高。FMT（短期和长期）的安全性和持久性、免疫抑制患者、最有效的管理方式以及如何选择合适的捐赠者和接受者等仍然存在疑问。为了更好地确定FMT在IBD治疗中的作用，必须进行更大规模的随机对照试验。
综述结论
本综述总结了人类微生物组和代谢组与IBD的关联，总结了研究宿主-微生物相互作用及其对粘膜稳态的影响的动物模型，并讨论了肠道微生物群在IBD管理中潜在治疗作用。肠道微生物群对小鼠疾病表型和活性的影响优于接受微生物疗法的IBD患者。这种差异的根本原因是什么？一种解释是，微生物群最多只是IBD患者发病机制的有限部分，而生态失调只是疾病的标志（BOX 3）。一项研究显示，IBD儿科患者的微生物组成与疾病严重程度之间存在显着的相关性，并且抗-TNF治疗使患者生态失调得以缓解。然而，生态失调与IBD患者之间明确的因果关系还需确定。
首先，对肠道微生物群的反应可能因为哺乳动物种类而不同。其次，小鼠在遗传上是同质的，摄入单一的饮食，并且居住在明确的环境中，通过食粪性，共同圈养的小鼠之间的微生物群是共享的。第三，小鼠之间的相似性在无菌或悉生生物学研究中进一步放大，这样一来，个体动物之间存在更少的差异更少。这种均匀性有助于提高信号噪音比值，使研究人员能够以相对较少的实验动物观察到可重现的结果。这种严格控制的实验条件对于建立因果关系和揭示新的生物响应和途径至关重要。
相比之下，人类生活在一个高度可变的环境中，具有遗传多样性，并且饮食多样化。这种变异性在IBD中甚至更加明显，其疾病活动，药物使用和诸多环境因素（如吸烟）可以调节机体对肠道微生物群及其代谢物的反应。实际上，个体间的变异性通常是人体肠道微生物组研究中最大的变异来源之一，导致信号噪音比低，可能掩盖有意义的生物学结果。因此，基于微生物群的人类干预研究可能代表一种希望，但需要进一步调整以扩大高于正常人类变异阈值的有利临床反应。为了解决这些问题，需要进行大型的前瞻性纵向研究，如遗传环境微生物（GEM）项目，以确定促进IBD发展的人类遗传学，环境因素和微生物组成之间的相互作用。
重要的是，生态失调与IBD之间的关系可能是复杂且动态变化的，而不是简单的因果关系。因此，生态失调是复杂微生物群落对炎症或药物使用的环境压力的响应，在IBD发病机理中起直接作用。例如，生态失调可能不是诱导因素，但可能在IBD发生过程中出现，并导致疾病的进展和长期性。对下一代益生菌和较大的可控的FMT试验的研究可以提供支持这一概念的概念验证。
或者，肠道微生物群可能在疾病的发生中起关键作用，但是这种效应的窗口期发生在生命早期。在工业化发展的同时，克罗恩病和溃疡性结肠炎的发病率在全球范围内上升，揭示了早期生活暴露与IBD之间的一些重要关联。因此，剖腹产、抗生素的使用，摄入婴儿配方奶粉以及在消毒环境中居住已经成为IBD和其他免疫介导疾病发展的危险因素。相反，在农村环境中接触屋尘的孩子可以预防哮喘的发生。此外，在早期生活中，肠道微生物群发生改变的小鼠模型与在人类中观察到的疾病相关联。基于微生物群的疾病预防策略的有效性可能难以证明，但这种方法可能具有极大的影响力，因此值得投入时间，精力和资源上进行研究。
总之，关联性研究、动物模型和早期治疗试验共同指出肠道微生物群及其代谢物在IBD发病机制中的重要作用。鉴于全球IBD的发病率日益增加及其与环境诱因的关联，研究肠道微生物群并着眼于治疗将至关重要。
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