新型冠状病毒肺炎对肠道微生物群及肠黏膜屏障缺陷影响机制的研究进展

孙强，宋维亮

新型冠状病毒肺炎（coronavirus disease 2019，COVID-19）感染后，常常会伴随机体器官功能改变［1］。一项荟萃分析表明，17．6% 的新型冠状病毒（respiratory syndrome coronavirus，SARS-CoV-2）感染者存在胃肠道症状［2］。一项对14 例SARS-CoV-2 感染后4 个月已无症状患者进行肠黏膜活检分析研究发现，7 例患者SARS-CoV-2 核酸及免疫反应阳性，且可持续6 个月以上［3］。鉴于SARS-CoV-2 对肠道功能存有潜在持续影响，本文对COVID-19 所致肠道微生物群及相关肠黏膜屏障缺陷机制的研究进展进行综述，以期为相关研究提供参考。

1 肠道功能紊乱影响机体内环境稳态

近年来，肠道对于多种疾病发生、发展的影响日益凸显，关键原因在于其独特的微环境与区域免疫功能［4］。Rutsch等［5］研究显示，肠道微生物群改变与中枢神经系统疾病存在紧密联系。Lewis等［6］研究发现，肠黏膜屏障功能可作为心血管系统疾病患者的治疗靶点，有效改善此类患者预后。Burberry 等［7］研究表明，肠道微生物可以产生神经活性分子及神经递质，直接或间接影响脑细胞生理，从而促进肠道与大脑的沟通。Braniste 等［8］将梭菌家族特定细菌定植于无菌（germfree，GF）环境饲养的小鼠肠道黏液层后，其产生的丁酸盐等抗炎代谢物可调节免疫及肠道稳态，诱导GF 小鼠脑组织闭锁蛋白（occludin，OCLN）、闭合蛋白（claudin，CLDN）-5水平升高，使其血脑屏障完整性恢复至无特定病原体（specific pathogen free，SPF）小鼠水平。Sandek 等［9］研究显示，慢性心力衰竭患者肠道血流减少，肠黏膜通透性增加，且这一功能改变可能与及循环炎性标志物如C 反应蛋白（C reactive protein，CRP）、动脉利钠肽前体（pro-atrial natriuretic peptide，Pro-ANP）升高有关。Zhou等［10］研究发现，在ST段抬高型心肌梗死患者体内，与慢性心力衰竭患者肠黏膜渗透性标志物类似的血清标志物如脂多糖（Lipopolysaccharide，LPS）、D-乳酸（D-lactate）呈高表达，证实肠功能障碍与心肌缺血程度存在紧密联系。

2 肠道微生物群与肠黏膜屏障间有交互作用

研究表明，肠道微生物群与肠黏膜屏障之间存在着复杂的交互影响［11］。Allam-Ndoul 等［12］发现，肠道微生物群与肠上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs）间的相互作用是调节上皮细胞通透性的关键因素，其调控机制与对肠上皮细胞紧密连接的影响有关。有些益生菌，如鼠李糖乳杆菌可以通过增加ZO-1 与occludin 蛋白的表达，从而增强肠道上皮功能［13］。肠道菌群与IECs间的相互作用对维持肠道稳态至关重要，外源微生物的感染可以改变肠道微环境，包括扰乱肠道微生物群与IECs，此时，肠道微生物群会向IECs 传递相关信号，有助于抵御感染。Hu等［14］研究发现，在革兰阳性菌感染时，肠道微生物群可诱导产生一种新型肠道抗菌蛋白—富含脯氨酸小蛋白2A（SPRR2A），该蛋白由Paneth 细胞及杯状细胞分泌，可以破坏革兰阳性菌细胞膜，阻止此类细菌突破肠道屏障。

3 SARS-CoV-2感染后肠道微生物群的改变与调节

研究显示，SARS-CoV-2 感染期和恢复期患者的肠道微生物群均会产生变化［15］。Zuo 等［16］研究显示，粪芽孢菌属、多枝梭菌及梭状芽孢杆菌的丰度与COVID-19的严重程度呈正相关，而普拉梭菌的丰度则与COVID-19 的严重程度呈负相关。Ren 等［17］研究显示，普拉梭菌具有抗炎特性，是反映人类肠道健康的潜在生物标志物。此外，肠道微生物群的组成变化可以作为识别SARS-CoV-2 病毒相关传染范围的特定微生物特征。研究表明，具有高传染性的SARS-CoV-2患者粪便中，产气柯林斯菌、田中柯林斯菌、婴儿链球菌及摩氏摩根菌丰度较高，具有低甚至无传染性的SARS-CoV-2患者粪便中短链脂肪酸的细菌（如拟杆菌属）丰度则较高［18］。

目前，SARS-CoV-2 对肠道菌群影响的病理、生理学机制已逐渐明确。SARS-CoV-2感染后，炎症刺激触发微生物产物和细胞因子的释放，引起微生物稳态失调，诱发炎性环境，导致肠道细胞因子释放进入循环系统，加重COVID-19的全身炎症反应［19］。因此，研究肠道细菌对SARS-CoV-2感染的反应机制至关重要。SARS-CoV-2主要通过S蛋白与血管紧张素转换酶Ⅱ（angiotensin-convert enzyme Ⅱ，ACE2）受体结合进入宿主细胞［20］。ACE2受体在人类易受病毒感染的各种器官组织（包括肺和肠道）中均有表达。SARS-CoV-2 可能导致肠道ACE2 表达下调，从而增加肠道炎症和腹泻的易感性；ACE2 可以维持氨基酸稳态及肠道微生物群的抗菌肽表达，在肠道炎症中发挥抑制作用，对肠道微生物群的组成具有重要影响，在SARS-CoV-2感染过程中，ACE2转运可以调控肠道微生物菌群生态［21］。Hashinoto 等［22］研究表明，在ACE2基因敲除小鼠中，抗菌肽呈现低表达，肠道微生物群组成发生紊乱。Yang 等［23］在感染SARS-CoV-2 的定菌大鼠中观察到ACE2 表达下调，且这种变化加速了COVID-19 的病理进程。因此，COVID-19患者中ACE2失衡可能会加剧包括肠道在内的多器官组织炎症反应。

COVID-19 患者往往存在免疫系统异常。Wu 等［24］研究表明，197例COVID-19患者中约34．5%出现中性粒细胞增多症。感染SARS-CoV-2 可引发炎性细胞因子紊乱。研究证实，COVID-19 患者的细胞因子过度表达与疾病严重程度呈正相关［25］。细胞因子紊乱与COVID-19 进展过程中的肺外多脏器功能不全有关，其可能是该类患者胃肠道症状加剧的原因［26］。COVID-19 患者外周血淋巴细胞减少，炎性细胞因子肿瘤坏死因子α（TNF-α）、干扰素γ（IFN-γ）水平升高，这些因素可导致细胞因子释放综合征（cytokine release syndrome，CRS），大量细胞因子与肠道微生物群相互作用，致肠道微生物群组成改变，严重影响肠道细胞状态［27］。肠道微生物群组成发生变化时，体内保护机制被破坏，多脏器组织炎症风险增加。鉴于肠道微生物群具有重要的免疫反应，利用肠道微生物群改变肠-肺轴的方案有望保护人类免受呼吸道感染［28］。肠-肺轴是一种常见的黏膜免疫系统，肠道与肺存在关联，在呼吸道免疫与抗感染反应中表现尤为明显，免疫反应及失调可以影响肠道与呼吸道之间的关系［29］。遗传因素或外源性因素（包括饮食调节或抗菌素治疗）可以通过改变肠道微生物群组成，从而导致局部或全身免疫反应能力发生变化［30］。Mullish 等［31］研究显示，益生菌具有减少该类患者上呼吸道感染症状的潜在用途：在COVID-19病程中，益生菌安全且耐受性良好，可在稳定及预防肠道微生物群组成变化方面发挥潜在作用，以应对上呼吸道感染。

4 SARS-CoV-2感染后肠黏膜屏障的改变与调节

肠黏膜屏障功能的维持需要保持上皮细胞种类与结构的完整性，而该特性依赖于肠道干细胞的分化。肠道干细胞可以促使上皮细胞内膜再生，促进上皮损伤和肠屏障功能恢复以防止各种损伤和感染［32］。引起COVID-19 患者胃肠道症状的主要机制可能为：SARS-CoV-2感染后病毒对黏膜上皮产生直接侵袭作用，促使浆细胞和淋巴细胞浸润肠固有层发生炎症反应，进而导致肠上皮细胞发生功能障碍、吸收不良［33］。Carvalho 等［34］研究表明，SARS-CoV-2 感染状态下肠黏膜结构发生变化，表现为肠黏膜炎症，浆细胞及淋巴细胞发生浸润，固有层水肿，肠内镜直视下即可见肠黏膜损伤。

另有研究显示，SARS-CoV-2 感染后，肠上皮细胞与免疫细胞之间的相互作用会触发机体固有免疫应答，引起促炎介质分泌，从而加重免疫反应，增加肠黏膜组织损伤［35］。研究表明，免疫益生菌可以通过Toll 受体3 与肠上皮细胞及固有层相关免疫细胞相互作用，诱导免疫细胞产生不同的细胞因子或趋化因子；同时，上述免疫细胞可将信号传递至其他免疫细胞，最终导致肠黏膜免疫系统激活及T 细胞激活［36］。其中，进入肠黏膜的效应CD4+T细胞是黏膜免疫与肠道慢性炎症的关键，而趋化因子受体9（CCR9）是CD4+T细胞进入肠壁所必需的趋化因子受体。Wang 等［37］研究发现，呼吸道流感病毒感染后机体肺源性CD4+T细胞增加，小肠上皮细胞产生趋化因子C-C 基序配体25（CCL25），CCL25 结合CCR9 后诱导CD4+T 细胞进入小肠，导致肠道黏膜免疫损伤，破坏肠道菌群稳态。

5 小结与展望

胃肠道被认为是人体最大的免疫器官，其中，肠道微生物群及肠黏膜屏障形成特殊的黏膜网络以维持肠道稳态，可在人类健康与疾病预防方面发挥关键作用。细菌、病毒等多种病原体感染会破坏肠道微生物群的多样性，影响肠黏膜屏障及其正常功能代谢。目前业界已公认SARS-CoV-2 可以通过不同方式直接或间接影响肠道生理，引起肠道菌群失调，感染和（或）破坏肠道屏障，肠道内稳态与微环境在COVID-19的发病机制及全身炎症反应中起重要作用。关于肠道菌群与黏膜屏障在SARS-CoV-2 感染过程中的改变如何参与调节全身炎症反应仍需进一步研究，进而可以将肠道微生物群及黏膜屏障做为重要的治疗靶点，有效地缓解甚至逆转COVID-19的病理进程。