肠道微生物组在麻醉学和疼痛医学中的应用

来源：博医学Anesthesiologists

中国科学技术大学附属第一医院 尹天玥 王迪 编译

译者按

本文回顾人类肠道微生物组群的基本概念及其与宿主的相互作用，并对肠道微生物组群与四个临床领域的相互影响，包括麻醉剂和镇痛剂的效果、围手术期临床结果、重症监护和疼痛进行了全面综述。

一、回顾肠道微生物群的研究

这一部分解释了微生物组群的涵义及特点（微生物组群的组成是动态的、可变的且有一定复原力）。作者从以下四个方面阐述了微生物组群概念模型（与疾病相关关系）的研究，即：关联性、因果关系、机制和临床应用。

1.关联性：微生物的组成与人体许多病理情况有关，如克罗恩病，肠易激综合征；以及皮肤、肿瘤、心血管、风湿免疫甚至神经精神疾病有关。

2.因果关系：特定的微生物组成与临床结局方面并不构成直接因果关系。16S核糖体RNA基因测序或宏基因组研究解码了肠道微生物组群组成及群落结构。微生物组群的改变可能是由疾病引起的或由第三个因素驱动，使用肠道菌群背景明确的悉生动物模型能探索两者间的因果作用。 3.机制：免疫系统和生物活性物质的双向作用。其中有意思的是“脑肠轴”，它影响宿主的可能机制包括：神经调节性细菌代谢最终产物分泌到循环、免疫介导效应、小胶质细胞活动的调节等。现有文献中肠外病理影响仍停留在动物模型。 4.临床应用：不同微生物组群之间作用为了解微生物组-宿主相互作用提供新思路,提高了病理学诊断的可行性。潜在的临床用途是操纵肠道微生物组群，以逆转失调并恢复“健康”的微生物组群组成，可以通过使用饮食措施包括益生元、益生菌和药物，或健康个体的粪便微生物组群移植。如果经过严格供体筛选，粪便微生物群移植被认为是安全的，大多数短期不良事件归因于给药方式(即结肠镜检查)。

二、肠道微生物与麻醉药和阿片类药物的相互作用（恢复速度、敏感性、耐受性）

肠道微生物本身受药物影响，同时也反过来影响宿主对很多药物的反应。在小鼠模型中：

1.全麻药改变了小鼠肠道微生物的组成：吸入或静注全麻药（即使相对较短时间）会导致肠道微生物种类和代谢物显著改变，并且一些组成变化是长期的。吸入异氟烷后变形菌和放线菌↑，厚壁菌和梭菌↓。静注丙泊酚后普雷沃氏菌属和乳杆菌属丰度↓，14天才有恢复。

2.肠道微生物群影响动物对麻醉药的敏感性：无菌状态小鼠对戊巴比妥耐药性强，引起的一些肝脏代谢变化可能是长期且不容易逆转的。

3.阿片类药物与肠道微生物群：阿片类药物、阿片受体和微生物组群之间的作用是双向的。使用阿片药的影响与治疗方案和机体代谢特别是血清中次级胆汁酸、磷脂酰乙醇胺和脂肪酸浓度有关。与µ-受体拮抗剂纳洛酮合用时，肠道微生物群的组成和功能的改变是部分可逆的。注射吗啡导致的全身炎症可以通过从安慰剂治疗组小鼠的粪便微生物群移植来逆转。长期使用羟考酮后即使停止治疗，小鼠肠道微生物群变化仍存在。

在吗啡耐受小鼠模型中，无菌小鼠和接受抗生素治疗小鼠比空白小鼠不容易出现阿片药物耐受。阿片耐受性与双歧杆菌和乳杆菌减少有关。使用空白小鼠的粪便微生物组群移植或双歧杆菌和乳酸杆菌特异性富集的重建微生物群可以再现阿片耐受。抗生素治疗阻止了耐受性的发展，但不影响纳洛酮诱导的戒断。

肠道特别是盲肠的微生物群，被认为可以水解葡萄糖苷酸结合物，包括吗啡3-葡萄糖苷酸。虽然阿片药物塑造了肠道微生物组群，但后者在宿主对阿片耐受的发展中具有重要作用。

三、肠道微生物组群与围手术期预后

肠道微生物组群的组成与术后结果(包括疼痛和谵妄)相关。

1.临床前研究：围术期神经认知障碍是指在术前或术后发现的认知障碍，范围从急性一过性事件(术后谵妄)到延迟的神经认知恢复(术后认知功能障碍)。

动物模型中，肠道微生物组群在术后认知功能障碍的发生中起到关键作用。与对照组相比，术后发生谵妄组的瘤胃球菌、UCG014和脱硫弧菌的水平显著降低。谵妄组粪便可使假性无菌小鼠更容易发生术后谵妄，这支持了肠道微生物组群的关键作用。

年龄是术后谵妄的公认危险因素，研究发现麻醉和手术导致肠道微生物群发生年龄依赖性变化，特别是乳酸杆菌数量减少，在术后谵妄的发展中起着因果作用，因为补充乳酸杆菌可以阻止老年小鼠术后谵妄的发生。

术后认知功能障碍：未手术组小鼠，围术期用头孢唑林会引起认知功能障碍。而手术组连续5天每天给药，术后记忆和学习障碍得到改善。已知一些抗生素的作用不仅是杀菌或抑菌，如神经毒性(头孢菌素)和小胶质细胞抑制剂(米诺环素)；因此，使用抗生素后的症状逆转并不一定意味着是与细菌有关的作用机制在发挥作用。

最近研究表明，含有低聚半乳糖的益生元可以改善大鼠术后认知功能障碍，减轻手术引起的神经炎症。这种保护作用与肠道微生物群β多样性的显著变化以及双歧杆菌和其他具有抗炎作用类群的增殖有关。肠道微生物群也受到进食频率的调节，如控制摄入的热量。与正常组相比，肠道微生物组群枯竭的小鼠通过禁食获得的健康益处明显较少。间歇性禁食通过增强海马区线粒体的生物发生和能量代谢基因的表达，重建肠道微生物群，增加与认知功能相关的微生物代谢物。

2.早期临床证据：一项单中心前瞻性研究中，对心脏手术患者进行一周术后谵妄、失眠和假视(视觉幻觉)以及肠道微生物群特征的评估。术后假视患者的葡萄球菌和假单胞菌数量显著增加。

四、肠道微生物群与术后疼痛

一项乳腺癌术后慢性疼痛研究显示，术后3个月疼痛组与无痛组女性的基线肠道微生物群组群成有显著差异。此外，通过将术后慢痛或无痛患者的粪便微生物组群移植到坐骨神经损伤（SNI）的小鼠身上，接受慢痛组移植的小鼠的机械痛阈值比健康对照组下降更多。随之变化的是，与疼痛有关的重要代谢调节剂-过氧化物酶体增殖活化受体γ的浓度显著降低，脊髓中激活的小胶质细胞有增加的趋势。另一项研究表明急性术后疼痛与肠道微生物组群的组成和多样性有关。

总之，肠道微生物群对人和动物术后疼痛均有显著影响。动物模型中，通过抗生素、益生菌或粪便微生物组群移植调控肠道细菌对术后疼痛的发生率有积极影响。

五、重症监护中的肠道微生物群

重症监护环境中肠道微生物群组群成的全部含义超出本综述范围，故只回顾几个例子。

1.在一项ICU患者的前瞻性队列中，研究了肠道微生物组群的组成并将其与临床指标和结果相关联。与住院期间死亡患者相比，存活患者中双歧杆菌属的丰度明显更高。此外，与急性生理和慢性健康评估(APACHE)II或仅有系列器官衰竭评估(SOFA)这些方法相比，当把微生物组群的组成添加到临床评分中时，可以改善对院内死亡的预测。   脓毒症与肠道微生物组群密切相关。与健康组相比，无论是否有脓毒症，ICU患者的肠道微生物组群成均发生显著改变，表现出α多样性降低(表明微生物群落物种丰富度降低)。另一项研究中，发现一个以类杆菌和肠杆菌数量增加为特征的分群，与血清乳酸脱氢酶水平升高和感染性休克风险增加有关。综上，认为肠道微生物群在危重脓毒症患者多器官衰竭的发展中起着关键作用。   2.肠道微生物群是影响肺部的一个重要因素（肺-肠轴）。一项ICU慢阻肺患者的前瞻性研究中，连续气管内采样显示，成功脱机的机会减少与不动杆菌属和鲍曼不动杆菌复合菌种相对丰度增加有关。另一研究显示在ICU中需要氧气支持的患者中，暴露于高氧环境独立预测了肺标本随后的细菌生长，具有显著的物种特异性影响。金黄色葡萄球菌的分离率不受高氧影响，而铜绿假单胞菌的分离率下降。最近发现新鲜人肺组织里短链脂肪酸(被认为是依赖于肠道微生物群)存在个体间差异。表明肠道微生物群、肺微生物群和宿主健康之间存在机制上的联系。

六、肠道微生物组群与疼痛

肠道微生物组群与人体慢痛有关，包括内脏痛、伤害性疼痛、头痛、神经病理性疼痛等。同时有证据表明肠道微生物组群与一些动物疼痛模型有因果关系。

1.内脏可塑性(功能性)痛

虽然肠易激患者的肠道微生物群总体在α和β多样性方面与健康对照组非常相似，但特定细菌类群却有所不同（包括双歧杆菌、普氏栖粪杆菌以及普氏假单胞菌↓，乳杆菌、拟杆菌和肠杆菌↑）。肠道微生物组群的组成与肠易激综合征的诊断、表型亚型、严重程度和发作均相关。在一种化学诱导的小鼠结肠炎模型中，将内脏过敏小鼠(而非健康对照组)的粪便微生物组群移植到抗生素治疗的大鼠中，导致了长期的内脏超敏反应和腔内短链脂肪酸浓度的改变，证明肠道微生物组群与内脏高敏感性有关。代谢组学和转录组学分析揭示了肠道微生物组群功能的改变，包括短链脂肪酸(丁酸、丙酸、乙酸)水平降低，腔内胆汁酸变化和嘌呤挽救途径的失调。

慢性盆腔疼痛、慢性前列腺炎和间质性膀胱炎患者的肠道和尿液微生物群发生了变化。因果关系和机制关系尚未确定。

2.慢性广泛性疼痛和纤维肌痛

纤维肌痛是一种慢性广泛性疼痛、疲劳、睡眠障碍和其他躯体症状的普遍综合征。和健康对照组的肠道微生物组群总体组成相似，纤维肌痛组中铜绿假单胞菌和粘液金葡菌的丰度减少(在化疗引起神经病理性疼痛的小鼠模型中也减少了，但在肠易激综合征中增加了)。此外，包括丁酸和丙酸的短链脂肪酸的血浆浓度也发生了显著改变。另一研究显示几种细菌属和某些代谢物的含量与疾病严重程度相关。

与纤维肌痛观察的变化相反，一项慢性广泛性疼痛患者和两项肌痛性脑脊髓炎/慢性疲劳综合征患者的研究结果是α-多样性降低，粪球菌减少。并发现了血浆脂多糖和脂多糖结合蛋白增加的证据。

分类学分析显示，在纤维肌痛中，粪副拟杆菌增多，而副流感嗜血杆菌减少。因此，难治性躯体疼痛中，肠道微生物组群组成与某些症状的关联似乎很强，但相关证据仍然缺乏。

七、神经病理性疼痛

肠道微生物组群一些类群的相对数量与临床表型（如机械痛和热痛阈值）相关，丁酸产生细菌数量的减少与表型指数以及血清和脊髓中β-羟丁酸水平有关。

在化疗诱导的神经病理性疼痛的动物模型中，在抗生素治疗的小鼠和无菌小鼠中，奥沙利铂治疗后的机械性痛觉过敏的发展均被阻止，这表明肠道微生物在化疗诱导的神经病理性疼痛的发展中起重要作用。肠道微生物组群的致痛作用与背根神经节对内毒素的暴露增加有关。背根神经节中脂多糖浓度的增加反过来导致炎症反应的增加，表现为炎性细胞因子、巨噬细胞和活性氧的浓度增加。

使用无菌小鼠粪便微生物群移植进一步证明了微生物群在神经病理性疼痛的发展中起到重要作用。比起129SvEv小鼠品系，紫杉醇联合化疗诱导的神经病理性疼痛在C57BL/6小鼠品系中更明显。将粪便微生物群从化疗诱导的神经病理性疼痛耐药的129SvEv小鼠移植到化疗诱导的神经病理性疼痛敏感的C57BL/6小鼠，对C57BL/6具有保护作用，而从C57BL/6小鼠到129SvEv小鼠的粪便微生物组移植使129SvEv对化疗诱导的神经病理性疼痛敏感。

最近一项研究表明，神经和免疫之间的相互作用是肠道微生物群影响疼痛的一种机制：在小鼠慢性压迫性损伤模型中，发现抗菌素治疗组与假治疗组的脊髓浸润性T细胞不同，前者产生干扰素γ的Ⅰ型辅助性T细胞细胞减少和Foxp3+调节性T细胞增加，表明抗菌素治疗组小鼠的炎症浸润减少。抗生素诱导的T细胞变化与疼痛的保护作用有关。Foxp3+调节性T细胞的耗尽逆转了抗生素治疗的保护作用。

另一项研究证实了肠道微生物群在慢性收缩损伤引起的神经病理性疼痛中的因果作用，为了表现微生物组群损耗对神经疼痛的保护作用，使用抗生素预处理来让肠道微生物群枯竭。与假手术组相比，慢性收缩性损伤组小鼠肠道中的短链脂肪酸显著增加，而接受抗生素治疗的小鼠，其肠道中短链脂肪酸几乎被耗尽。肠道短链脂肪酸浓度与脊髓和海马区的小胶质细胞激活和炎性细胞因子浓度相关。结果显示，口服短链脂肪酸部分逆转了抗生素对慢性缩窄性损伤表型的保护作用，也同样逆转了对脊髓和海马区小胶质细胞激活和炎症标志物的保护作用。

肠道微生物群的作用在另一种肥胖诱导的神经病理性疼痛模型中得到证实。喂食Western饮食的小鼠表现出机械痛和热痛敏感，并且可以通过从瘦小鼠身上移植粪便微生物群来逆转的。粪便微生物组群移植改变了背根神经节和坐骨神经的基因表达，减少了背根神经节神经元RYR2依赖性钙释放，改变了背根神经节和坐骨神经的巨噬细胞极化。血清丁酸在粪便微生物组群移植后升高，这与机械痛阈值相关。

最近，在一种小鼠腰椎间盘突出症模型上，副乳杆菌补充剂的保护作用被证明。接受副乳杆菌治疗但不接受假手术的腰椎间盘突出症小鼠，表现为行为疼痛反应减弱，背根神经节炎症反应减少。

以人类为研究对象的关联性研究很少。其中一项研究探索了一小部分复杂区域疼痛综合征患者的肠道微生物群组成。与健康成年人相比，复杂区域疼痛综合征患者的肠道微生物群的组成发生了变化，具有较低的多样性以及厚壁菌与拟杆菌的比率降低。

综上所述，越来越多的证据证实肠道微生物在小鼠神经病理性疼痛模型中的因果作用，包括慢性缩窄性损伤、化疗诱导的神经病理性疼痛和肥胖诱导的神经病理性疼痛，强调了关于循环中细菌代谢物及脂多糖水平、免疫反应和小胶质细胞激活的潜在机制。这些观察结果的临床相关性还有待确定。

八、头痛

肠道微生物群在头痛中的作用数据很少。一项研究表明可以在偏头痛组观察到几种不同菌群，包括普氏栖粪杆菌、双歧杆菌和史氏甲烷短杆菌；但所有菌群数量都减少了。

九、与共病疼痛相关的诊断

肠道微生物群也与共病疼痛有关。包括退行性和炎症性关节疾病，帕金森病和多发性硬化症等神经系统疾病，炎症性肠道疾病等。

评论

综上所述，关于肠道微生物群在慢性疼痛中的作用的研究仍处于起步阶段，有关相关性的证据越来越多，因果关系也有一些证据，但对其机制和临床应用尚缺乏深入的了解。

在疼痛发病机制中，更全面了解单个细菌群的作用可能有助于开发个性化的临床应用。包括：(1)能够快速准确地诊断慢性疼痛状况的客观诊断工具；(2)能够识别有围术期并发症风险的患者或对某些止痛药预后更可能有效的工具；(3)以及基于肠道微生物组群组成和肠道微生物组群衍生代谢物的治疗工具，这些工具可以为慢性疼痛患者以及接受麻醉和手术患者提供新的治疗方式。

肠道微生物组群研究不断基于计算机算法的机器学习，以便进行综合的多元组学分析(即，元基因组学、代谢组学、蛋白质组学、脂类组学、转录组学、表位转录组学等)。快速发展的技术平台将有助于识别肠道微生物组群组成变化。 

尽管这一新领域前景广阔，但可用的文献大多是临床前文献，转化临床应用还不可知。将来，不仅是在病理学理解上，在诊断和治疗工具方面都可能会有重大突破。

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