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李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

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李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

李兰娟教授：感染微生态学的若干进展

感染微生态学的若干进展

浙江大学医学院附属一院（310003）
国家重点实验室

李兰娟

一、感染微生态学的发展

    感染是微生物对宿主或宏生物的异常侵染所致的微生物与宿主或宏生物之间相互作用的一种生物学现象。感染可导致各种严重疾病，自古以来一直威胁着人类的健康。随着人类文明的进步、医药科技事业的发展，烈性传染病基本得到有效控制，感染病谱发生了重大的变化。伴随抗菌药物、免疫抑制剂、放化疗、器官移植、介入治疗等各种医疗手段的广泛应用，各种危重患者的生命得以延长。但长期使用广谱抗菌药物导致微生态失衡，耐药菌株快速形成、流行，引起难以控制的甚至是致命的感染。WHO的统计资料表明，感染性疾病死亡在世界人口死因中占1/3；在美国，尽管有大量的广谱抗菌药物应用，却未有效控制感染，每年仍约有30万患者死于脓毒血症。据不完全统计，我国每年由于滥用抗菌药物引起的耐药菌感染所造成的经济损失就达百亿元以上。世界卫生组织报告指出：“药物失去作用的速度与科学家发现新药的速度差不多”。因此，单纯应用抗菌药物并不能完全解决感染问题。感染病的防治已成为21世纪的重大课题，亟需新的理论及方法加以指导和研究。经历漫长的进化过程，人体体表、体腔内存在大量并不致病的微生物群。在正常情况下，这些微生物与人体处于共生状态，并与人体建立起密切的关系。微生态学即是这样一门研究正常微生物群与其宿主相互关系的学科。微生态学萌芽于19世纪末，崛起于20世纪70年代，其发展得益于悉生生物学、厌氧培养技术、电镜技术、细胞分子生物学等现代科学技术的发展。微生态学的发展，使人们认识到了人体微观生态的庞大复杂性，并提出了对应于宏观生态平衡的微生态平衡理论。抗生素、免疫抑制剂等广泛应用所带来的一系列不良后果，使人们对微生态宿主带来的有益性及有害致病作用有了更为清楚的认识。

    在这种研究背景下，国内微生态学家于2001年正式提出感染微生态学的概念，并于2002年出版了国内外第一部《感染微生态学》专著。感染微生态学是一门用微生态学理论和方法研究感染的发生、发展、结局并引导感染向宿主健康方向转移的微生态学分支，是微生态学、医学微生物学、免疫学与传染病学交叉而成的新兴学科，是微生态学的一个分支。它主要研究和探讨的是感染的微生态原理以及防治措施。在抗生素普遍应用，微生态失调、抗生素的耐药率逐渐增加的今天，感染微生态学的提出为感染的预防和控制提供了新的理论和方法。

二、感染的微生态学原理

（一）传统的感染性疾病认知模式

    传统的感染性疾病认知模式是基于病原学的模式来研究人为什么会感染、感染的表现、发展以及预后。但是，实验证明病原体的暴露可能造成感染也可能不导致感染，而感染也不一定导致疾病。微生态学认为人体及动物宿主携带有大量的正常微生物群，在正常情况下，分布在消化道、呼吸道、泌尿生殖道及皮肤这些特定部位的正常微生物群形成机体的生物屏障，对外袭性致病性微生物起拮抗作用。动物实验发现正常肠道菌群对外来病原有一定程度的拮抗作用，如以鼠伤寒杆菌攻击正常小鼠，需104个活菌才能使其致死；若先给予口服链霉素抑制正常菌群，则10个活菌就可引起小鼠死亡。此外无菌动物及悉生动物研究同样发现人类的免疫、生化指标均与正常菌群特别与肠道菌群密切相关。

    体外实验发现肠道正常菌群如双歧杆菌可通过磷壁酸与肠上皮细胞表面受体结合、黏附并占据肠上皮细胞表面空间，形成菌膜屏障从而抑制肠道内及外源性潜在致病菌对肠上皮的黏附、定植；另外，肠道内双歧杆菌、乳酸杆菌等生理有益菌还具有多种生物拮抗功能，如通过营养争夺、产生各种有机酸降低肠道局部pH、产生具有广谱抗菌作用的物质如防御素、细菌素、过氧化氢、抗菌肽以及亲脂分子等，对肠道内的潜在致病菌起抑制或杀灭作用 。它还可以刺激干扰素的产生，促进肠道内SIgA和其它免疫球蛋白分泌，增加肠道局部免疫力等。最近研究认为它还可以抑制毒素和受体相互作用的蛋白从而间接起到抗病原菌定植作用。

    因此我们认为机体是否感染以及感染后的发生发展不仅取决于病原微生物对机体的侵袭力、产生的毒素等因素，还要取决于机体的正常微生物平衡状态。

（二）传统的生物病因论认为感染是由致病性微生物引起

    微生态学认为，感染是生态平衡与生态失调相互转化的重要内容。引起感染的微生物不一定是致病菌或病原体，而是正常微生物群易位或易主的结果。其中的肠道正常菌群易位引起感染已引起了广泛的关注。肠道易位的细菌主要为兼性厌氧菌，其中革兰染色阴性杆菌占了很大一部分。通常易位的细菌与其在肠道中的数量密切相关，细菌数量越多，发生易位的可能性越大，但在正常人群，肠道内数量上占优势的专性厌氧菌如双歧杆菌并不发生易位。肠道细菌易位的主要原因有肠道内菌群失调，肠黏膜屏障通透性增加和宿主免疫功能下降，比如出血性休克、烧伤、外伤、肠道缺血、急性胰腺炎、严重感染、急性肝衰竭以及肝硬化等均可导致细菌易位。
   
    各种原因尤其在抗生素治疗期间引起的肠道菌群失调，均可导致细菌易位扩散，如灭滴灵可显著增加肠道大肠埃希菌（E coli）易位到局部淋巴结的发生率，引起肠道外的感染（脓毒血症、肺部感染、腹腔感染等）；动物实验发现在肠道缺血再灌注时经常发生细菌易位，发生肠道易位的细菌数量依次为大肠埃希菌、变形杆菌、凝固酶阴性葡萄球菌和肠球菌。

    临床研究发现，许多患者虽有菌血症、脓毒血症、全身炎症反应综合征或多器官功能不全综合征（MODS）等，但没有明确的感染灶。我们推测，肠道细菌和各种毒素易位可能参与其感染的形成和发展。

三、感染的微生态学防治

    在抗生素普遍应用，微生态失调，耐药性的产生日益成为全球性公共卫生问题的严峻形式下，要想有效地防治感染，必须要从感染发生、发展的多个环节上寻找预防、治疗感染的方法。在这个意义上，微生态理论可为预防、控制感染提供一系列有效的治疗手段。

（一）合理使用抗生素
    合理应用抗生素的目的主要是为了减少延缓耐药菌，尤其是多重耐药菌的形成。除此之外，感染微生态学理论又给合理应用抗生素赋予了新的要求：保护原籍菌群，保持正常微生物群形成的生物屏障，维护肠道微生态平衡，防止定植抗力的下降，防止肠道耐药菌的形成与过度生长，减少由肠道细菌易位引起的内源性感染。

（二）微生态制剂的应用

    微生态制剂主要包括益生菌和益生元。

1．益生菌：目前已经明确双歧杆菌和乳杆菌为人体有益生理菌。补充医学益生菌的目的在于恢复肠道微生态平衡，修复肠道菌膜屏障，提高肠道定植抗力，抑制潜在致病菌过度生长，促进肠上皮细胞分泌黏蛋白及潘氏细胞分泌SIgA，调节全身免疫功能等。早在1994 年，WHO 就认识到耐药细菌所产生的危害，建议用微生物干预治疗（MIT）或联合非病原菌辅助治疗来减少抗生素的使用量。目前益生菌在体外、动物以及人体防治感染实验中取得了一定的效果。（1）益生菌拮抗病原菌的体外和动物实验：Gibson 等实验表明，各种双歧杆菌能产生对沙门菌、李斯特菌、弯曲菌、志贺菌和霍乱弧菌等有抑制作用的物质。Jeffrey Howard 和Gregor Reid 两人第一次在实验外科伤口中用植物乳杆菌活菌来预防金黄色葡萄球菌的感染，在他们的一系列实验中证实了植物乳杆菌至少部分能抑制金黄色葡萄球菌黏附于聚苯乙烯表面，而这种起到作用的物质为它的外分泌胶原结合蛋白，但是目前尚未得知金黄色葡萄球菌是否会对这种抗菌蛋白质产生耐药。这也说明了通过微生物干预有着光明的前景，但正式应用临床还有待更多的实验。益生菌还可以减少大鼠器官移植前后细菌的易位，最近德国的一项动物研究显示：在同基因骨髓移植前预先服用益生菌不仅改善了动物的存活率和减少了急性移植物抗宿主病的发生，而且减少了肠道细菌易位至肠系膜淋巴结的数量。（2）人体实验：益生菌在防治肠道疾病方面也取得了一定的疗效，欧洲多中心临床试验表明：用乳杆菌（L.GG）治疗轮状病毒引起的腹泻后，其病程及住院时间均缩短，此外该株细菌还可预防营养不良特别是配方喂养儿的腹泻。双歧杆菌（B.breve）能通过促进sIgA 的产生，对轮状病毒感染也起治疗作用。

    另外益生菌防治幽门螺杆菌（Hp）胃炎中也起到一定的作用，智利的一项随机对照双盲临床实验表明：252名无症状但经13C尿素呼气实验证实为Hp感染的儿童，连续服用Lactobacillus johnsonni La14周后发现其DOB 值呈明显下降，认为其治疗Hp 感染有一定的疗效。

    除了防治胃肠道疾病以外，早在1987年，Reid 等第1次报道了通过口服益生菌Lactobacillus GR1和RC-14治疗泌尿生殖道感染（复发性真菌性阴道炎、细菌性阴道炎和泌尿道感染），10 天治疗后10 例患者都得到了一定程度的恢复。目前认为其作用是通过增强黏膜免疫有关。最近实验还发现先用非致病性大肠埃希菌83972定植泌尿道可以预防一部分革兰阳性、阴性和真菌的感染。

2．益生元：益生元包括乳果糖、乳梨醇、果寡糖、菊糖等制剂，是一种能选择性的促进一种或几种有益菌生长，从而促进宿主健康的非消化性低聚糖。它能通过选择性的促进有益菌的生长以提高定植抗力，并籍此抑制潜在致病菌生长及其有害代谢物的产生，以减少内毒素的产生，如服用果寡糖后能减少猪肠道伤寒沙门菌属的排泄。

（三）抗生素与微生态调节剂的联合应用问题

    由于在临床上，大部分伴感染的危重患者必须使用抗生素，而广谱抗生素必然对微生态活菌制剂产生影响，并不可避免的造成人体微生态系统平衡的紊乱，这似乎制约了微生态制剂的临床应用。从目前的研究资料结果看，抗生素与活菌制剂合用对某些感染的治疗效果优于单用抗生素的治疗效果。Wullt 等在治疗肠道难辨梭菌引起的抗生素相关性腹泻时发现甲硝唑联用植物乳杆菌治疗方案的效果优于单用甲硝唑，且没有发现副作用。Hamilton-miller 在统计分析了7 个已经发表的协同使用益生菌和抗生素的体内实验后发现有两组实验Hp 感染的治愈率较对照组明显增加，另有4 组实验显示副作用明显下降。目前关于其确切机制有待于进一步阐明，我们推测可能是由于益生菌的代谢产物和抗生素对病原菌有着一定的协同拮抗作用有关。

四、问题和展望

    利用活菌制剂进行微生物干预的方法来治疗感染尽管已经取得了一定的疗效，但是目前研究显示仅有少数菌株起到比较好的效果，所以如何选择益生菌以及保证有足够数量的活菌进入肠道并起到相应作用是需要进一步探索，而且这些菌株在肠道中怎样杀灭和抑制病原菌、如何阻断病原菌致病过程和增强对感染的抵抗力的机制尚需进一步阐明。

    目前研究表明，感染与肠道微生态有密切的关系。肠道微生态失衡对感染的发生、发展起着关键的作用，而且用微生态调节剂防治感染已经取得初步的成果，并有着广阔的应用前景。但同时，也有众多机理尚需进行深入研究。最近Science 和Nature 等杂志连续撰文肯定了肠道菌群在维护人体健康中的重要性，认为人类肠道微生物群落是人体三的一个重要"器官"，参与了人体的生理、病理和药理等过程，实际上形成了人体复杂代谢网络中重要的组成部分。过去由于技术方法的局限性，很难深入研究人体微生态对健康和感染的影响。随着系统生物学，包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学技术的发展和人类元基因组计划的开展，肠道微生态有望得到深入、系统的研究。因此有必要将各种先进技术引入到微生态学研究中，这样不仅可以从基因组学、蛋白组学和代谢组学等各种角度研究肠道微生态对各种感染性疾病包括肝病的发生、发展以及转归的影响，还可以将微生态制剂对人体的作用机制和疗效进行充分的展示和"挖掘"。