引用本文： 王娜, 周勇, 李卡. 肠道菌群与腹部手术后胃肠功能障碍的相关性研究进展. 中国普外基础与临床杂志, 2022, 29(2): 248-254. doi: 10.7507/1007-9424.202104006 复制
腹部手术患者术后胃肠功能障碍（gastrointestinal dysfunction，GID）发病率较高，严重影响患者康复速度、增加住院时间和费用、降低生活质量出[1]。GID最早是在 20 世纪 60 年代由病理学家提出[2]。术后 GID 是指手术后因非机械因素导致的胃肠功能恢复时间延长、胃肠道消化和吸收障碍，其主要包括胃肠动力障碍和胃肠黏膜屏障损害，此二者间相互影响、互为因果。近年来，随着对肠道微生物的不断深入研究后发现，肠道菌群与 GID 的发生及发展密切相关，肠道菌群及其代谢产物可通过神经-体液调节胃肠运动，若一旦胃肠蠕动减弱或消失，肠道内细菌和代谢毒素就会产生排泄障碍，加重胃肠黏膜损害，促使细菌易位和内毒素吸收，最终形成菌血症，菌血症形成后可通过多个途径使胃肠动力进一步降低甚至发生中毒性肠麻痹[3-4]。但由于对 GID 的发生机制尚不完全清楚，需要做进一步的精准研究。目前，菌群多样性研究为 GID 的个体化诊断和治疗的突破打开了新视野。通过精准医学的策略协同临床知识、生物信息学、高通量技术、系统生物学研究模式，有望从另一个角度为腹部手术患者术后胃肠道功能的快速恢复提供新思路。笔者将肠道菌群与腹部手术后 GID 相关性研究的最新进展进行综述，以期为腹部手术后GID的发病机制研究、预防和治疗提供新的思路。
1 腹部手术患者术后 GID 的病因及治疗现状
1.1 GID 的临床表现及病因
GID 是全身炎症反应综合征及多器官功能障碍综合征发生及发展的一个重要因素，更是多种严重疾病和器官损伤的共同病理生理过程，一旦出现则提示病情加重或预后不良[5-6]。GID 的临床表现主要为恶心、呕吐、腹痛、腹泻、腹胀、便秘、停止排便和排气等症候群，这些症状反复出现，并且目前临床上没有确切的治愈方法，仅限于症状管理[7-10]。
腹部手术患者术后GID发生的病因不完全清楚，其可能的原因有原有疾病因素、腹部手术因素、应激因素、精神因素、营养因素、阿片药物的副作用等[1, 11-12]；除此之外，衰老也会以特定的方式影响胃肠道功能，老年人的胃肠功能会随着年龄的增长而进一步减弱[13]；另外，肠道炎症和其他肠道损伤引起的神经可塑性通过改变神经元的结构和突触并结合其他内在变化也会导致慢性GID[3, 14-15]。
1.2 GID 的治疗现状
对腹部手术患者术后 GID 的治疗主要是针对症状治疗，缺乏特效的治疗方案，目前主要有中医治疗、西医治疗、心理疗法等。① 中医治疗如大黄、芒硝、大承气汤、针灸、电针加穴位注射治疗、中医理疗、药散贴脐等[16-18]。② 西医治疗如口服渗透性泻药氧化镁和磷酸二钠刺激肠道，使用胃肠道促动力剂、肾上腺皮质激素、阿片受体拮抗剂治疗，补充益生菌维护肠道菌群平衡，有腹水患者穿刺引流腹水[11, 19-20]，使用可溶性纤维、薄荷油、肠脑神经调节剂如抗抑郁药、选择性 5-羟色胺再摄取抑制剂、α-2-δ 钙通道亚基配体等。③ 心理疗法如个体和团体催眠疗法也被证实对 GID 后功能康复有积极的作用[21-22]。④ 近年来较为热门的加速康复外科围术期管理方案所倡导的微创技术、早期下床活动、早期肠内营养、控制静脉补液以减少组织细胞及细胞间质钠水潴留以预防肠水肿和肠麻痹，以及镇痛方案的优化、术前术后咀嚼口香糖等也有利于 GID 后功能的康复[23]。⑤ 有研究[24]表明，由于胃肠道与中枢神经系统有广泛的外科可达的神经连接，可以利用神经刺激方法治疗 GID，在动物模型和一些临床试验中已有生物电神经调节用于治疗腹部手术患者术后 GID 的研究，取得了积极的疗效。⑥ 一项 meta 分析[25]结果表明，高压氧疗法可能有改善 GID 症状的作用，但目前研究的数量不足，进一步的结论还需要更大规模的前瞻性研究来证实。⑦ 在手术麻醉过程中采用多模式镇痛可减少阿片类药物的用量，也可以达到预防 GID 的效果[26]。然而目前仍有一些临床管理措施存在争议，如术后空腹口服甲葡胺等，并没有明确的证据表明其长期有助于 GID 后功能的恢复或加重 GID[7]。
2 人体肠道菌群的分布及其代谢产物与GID
2.1 人体肠道菌群的分布及其与 GID 相关症状
2.1.1 人体肠道菌群的分布
目前人类认识的细菌多达 50 个门，主要为拟杆菌门、厚壁菌门、变形杆菌门、放线菌门、梭杆菌门和蓝细菌门，其大部分定殖在肠道中，组成了人体中最复杂的生态系统—肠道菌群[27-28]。据估计，在人类肠道内存在大约 3×1013 个细菌，与人体细胞数量相当[29]，其中在成人体内有（3.8～3.9）×1013 个细菌。肠道菌群的相对丰度在门水平上相对保守，最常见的 4 个细菌门为厚壁菌门、拟杆菌门、变形杆菌门和放线菌门，占健康成年人肠道微生物群落的 98%；并且在种属水平上，肠道菌群存在显著的个体差异，其中拟杆菌属、双歧杆菌属、粪杆菌属、梭菌属、梭状芽孢杆菌属和乳酸菌属则是最常见的细菌菌属[30-31]。
2.1.2 肠道菌群与 GID 相关症状
肠道菌群与宿主形成一种复杂的共生关系，宿主为细菌提供了一个营养丰富的环境，而细菌反过来为宿主提供代谢、防护和结构功能，且宿主基因组不能编码这些功能[29, 32-34]。有研究[35-37]表明，肠道菌群与人类的精神疾病（抑郁症、自闭症）、代谢疾病（肥胖、2 型糖尿病、非酒精性脂肪肝）、自身免疫性疾病（自身免疫性糖尿病、系统性红斑狼疮、过敏）、肿瘤（肝细胞癌、乳腺癌、胰腺癌和黑色素瘤）、肾脏疾病、胃肠道疾病等多种疾病有关。肠道菌群可调节胃肠道运动、分泌、维持上皮屏障完整性、调节肠道免疫稳态和肠道免疫反应，并在肠道和中枢神经系统之间起到通讯的作用，肠道菌群的失调会严重扰乱中枢神经系统的神经传递，所产生的异常神经化学物质会阻碍正常肠道菌群的恢复[38]。由于菌群的组成和功能具有可塑性，因此可基于菌群调节从而对 GID 相关症状进行治疗干预，包括饮食调节、使用益生元和益生菌、粪便微生物移植等[36]。有研究[39-40]认为，小肠细菌过度生长与胃肠道症状如腹泻、腹痛、腹胀等相关，非吸收性广谱抗菌药物利福昔明被广泛用于其治疗。目前对小肠细菌过度生长的金标准试验是十二指肠近端内容物培养后测量十二指肠微生物密度，其诊断也可采用氢呼气试验[41]。但是单纯依靠小肠内容物的定量培养探索肠道菌群与 GID 相关症状的相关性是不够的，这种诊断方法无法区分致病微生物和潜在的有益微生物，且无法对小肠不同区域的微生物进行取样。然而 Saffouri 等[41]的研究基于新一代测序技术发现小肠细菌过度生长与 GID 症状无关，在健康个体中也能发现，但发现 GID 的症状与肠道菌群多样性显著相关，基于饮食的治疗方法如高纤维素饮食可改善 GID 相关症状。目前尚不清楚肠道菌群多样性减少是否先于 GID 相关症状的出现。
2.2 肠道菌群代谢产物与 GID
肠道菌群主要通过小分子代谢产物如色氨酸、短链脂肪酸、胆汁酸、琥珀酸、乳酸等与宿主进行密切的相互作用，影响疾病的发生及发展，这些代谢产物与腹部手术患者术后 GID 的发生机制密切相关[42]，因而肠道中的细菌代谢产物有可能可以作为疾病检测的生物标志物。
2.2.1 色氨酸与胃肠功能
色氨酸是一种必需氨基酸，人类主要从富含蛋白质的食物如鸡蛋、肉类、奶酪、豆类、坚果等中获得[43]。宿主对色氨酸的代谢除了合成蛋白质以外，主要通过肾素途径和 5-羟色胺途径进行代谢。其通过肾素途径，在肝脏中的色氨酸 2,3-双加氧酶和肝外组织中的吲哚胺 2,3-双加氧酶两种限速酶调节下，大约 95% 的色氨酸被降解为基嘌呤、基嘌呤酸、喹啉酸、吡啶甲酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；通过 5-羟色胺途径，摄入的色氨酸有 1%～2% 转化为 5-羟色胺和褪黑激素。肠道菌群可以直接利用色氨酸，将 4%～6% 的色氨酸代谢为吲哚、糖苷、色胺、粪臭素以及吲哚酸衍生物，含有吲哚的分解代谢产物通过依赖芳基烃受体的方式调节免疫系统、促进肠道稳态[36]。由于不同的菌群具有不同的催化酶，需要两种以上的细菌相互合作才能从色氨酸中产生一种代谢产物，相比宿主内源性色氨酸代谢，肠道菌群的色氨酸代谢更加复杂。在以往关于人体色氨酸营养的研究[44]中关注得更多的是内源性宿主的色氨酸代谢产物的变化趋势，而细菌对色氨酸代谢产物的作用研究往往被忽视。近年来，细菌对色氨酸代谢产物 5-羟色胺和褪黑激素的影响进而对胃肠道运动功能的影响也引起了关注。① 5-羟色胺调节胃肠道运动功能。5-羟色胺是一种能让人们感到快乐的物质，主要存在于胃肠道、血小板和中枢神经系统中，特别在大脑皮层质及神经突触内含量很高，它也是一种抑制性神经递质，在外周组织中 5-羟色胺是一种强血管收缩剂和平滑肌收缩刺激剂，人类大约 90% 的 5-羟色胺位于胃肠道的肠嗜铬细胞中，5-羟色胺被肠道神经系统神经元表面的 5-羟色胺受体识别，从而参与调控肠道蠕动[44-45]。Clarke 等[38]发现，微生物群-肠道-大脑轴以一种性别依赖的方式调节海马 5-羟色胺能系统，调节人的情绪状态，肠道菌群失调致使5-羟色胺的分泌减少，与焦虑、抑郁发病率增加显著相关，因为这种心理上的不良反应同时也是 GID 的病因之一。② 褪黑激素调节胃肠道运动功能和保护胃肠黏膜屏障。褪黑激素主要存在于脑松果体，也存在于其他组织如视网膜、胃肠道、皮肤和白细胞中，主要参与对清醒和睡眠周期的调控，后来发现褪黑激素亦参与了机体胃肠功能的调节[46-47]。研究[48-49]发现，低剂量褪黑激素能促进小鼠胃肠运动功能，而高剂量褪黑激素降低了小鼠胃肠运动功能，但是这种作用可被褪黑激素受体拮抗剂阻断。褪黑激素对机体胃肠道的作用机制包括抑制胃酸分泌、增加胃黏膜血流量、清除自由基、抗氧化、抗炎等作用，褪黑激素分泌节律紊乱在胃肠黏膜屏障损害中起着重要的作用[50]。
2.2.2 短链脂肪酸与胃肠免疫和屏障功能
短链脂肪酸是肠道菌群（主要是梭状芽孢杆菌属）代谢无法消化的碳水化合物（膳食纤维）的主要终产物，包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸，其中对宿主代谢最为重要的是乙酸、丙酸和丁酸。短链脂肪酸在盲肠和近端结肠中含量最高，其对胃肠道功能的影响主要体现在：① 短链脂肪酸为肠黏膜细胞提供能量。短链脂肪酸特别是丁酸盐可以通过被动转运、slc5a8 依赖转运或识别 G 蛋白偶联受体作为能量来源被肠细胞吸收；另外，盲肠、结肠内细菌利用小肠不能吸收的物质作原料发酵产生的短链脂肪酸除少部分供给机体能量外，大部分用于维持肠黏膜细胞的能量供给，是人类结肠、盲肠上皮细胞最重要的能量来源。有文献[51]报道，肠黏膜上皮细胞能量的 60%～70% 来自细菌发酵产物，其中最主要的是乙酸和丁酸。② 短链脂肪酸能促进结肠黏膜细胞的增殖、分化，调节参与能量代谢的上皮基因表达，对肠黏膜有较强的促生长作用，能减轻肠黏膜萎缩，维护肠黏膜的形态[52-53]。丁亚萍等[51]将短链脂肪酸添加到术后化学治疗（简称化疗）大鼠结肠模型中发现，短链脂肪酸组结肠黏膜细胞增殖指数显著高于对照组。③ 短链脂肪酸在结肠内不仅能为肠道上皮细胞提供营养、促进细胞的代谢和生长，还可以降低肠道环境 pH 值，增加肠道内酸性环境，使有益菌得到增殖、有害菌受到抑制，从而调节肠道菌群稳态，防止肠道功能紊乱。④ 研究[52-55]证实，短链脂肪酸有抑制肠道炎症反应、刺激结肠黏液分泌、保护肠黏膜屏障等作用，其可通过被动运输的方式进入细胞膜，调节肠上皮细胞和免疫细胞，在肠黏膜中通过影响炎性细胞释放细胞因子发挥抗炎作用，促进上皮屏障功能；且发现与健康个体相比，肠道炎症病变患者的黏膜和粪便中发酵纤维和产生短链脂肪酸的细菌特别是厚壁菌门减少；还发现炎症性肠病患者粪便中短链脂肪酸水平降低。目前短链脂肪酸被认为是临床管理活动性肠道炎症患者的一种有希望的辅助治疗方法[56]。⑤ 短链脂肪酸抗胃肠道肿瘤。有文献[52, 57]报道，短链脂肪酸与胃肠道肿瘤关系密切，它通过诱导肿瘤细胞凋亡、抑制肿瘤细胞增殖、促进肿瘤细胞分化而发挥抗肿瘤的作用。在人类结肠癌细胞研究和动物模型[56]中发现，短链脂肪酸特别是丁酸的抗肿瘤作用被广泛研究，丁酸盐输送到结肠上皮有减少早期致瘤的作用。徐仁应等[58]的研究表明，粪便中丁酸含量升高有诱导肿瘤细胞凋亡的趋势。
2.2.3 胆汁酸与胃肠道屏障功能
肝脏将胆固醇主要代谢成胆汁酸，这些胆汁酸保留在胆囊内并由胆囊释放到小肠，小肠利用胆汁酸来溶解膳食脂类和脂溶性维生素，从而促进胃肠道对脂溶性物质的消化和吸收[27]。大部分初级胆汁酸在回肠中被吸收并循环回肝脏，小部分（约 3%）进入结直肠被肠道细菌分解而转化为次级胆汁酸，对宿主免疫发挥多效作用。由微生物群驱动的人体伤口处细胞的活化状态增强，必然会对术后肠道伤口产生不利影响，但伤口微生物群也可能对伤口愈合产生有利影响，菌群影响胃肠道上皮的修复和伤口修复反应，如菌群通过产生胆汁酸调节伤口的修复[59]。Jain 等[60]发现，结肠伤口修复过程中持续升高的前列腺素 E2 会阻碍伤口后期的修复，细菌代谢物脱氧胆酸盐通过前列腺素 E2 调控促进修复期的过渡，从而加速肠道隐窝的再生和伤口修复。此外，一项整合了8 项结直肠癌患者接受粪便宏基因组测序的 meta 分析[61]显示，结直肠癌患者宏基因组中次级胆汁酸生成增加，提示与恶性肿瘤相关的肠道微生物和富含脂肪和肉类的饮食间存在代谢联系。
2.2.4 琥珀酸与肠道免疫功能
除了短链脂肪酸，微生物发酵的膳食纤维（尤其是多糖和低聚糖）可以产生大量的琥珀酸，而负责琥珀酸信号的琥珀酸盐受体 1（succinate receptor 1，SUCNR1）是 G 蛋白偶联受体家族的成员之一。琥珀酸是三羧酸循环中的中间产物，是 SUCNR1 至关重要的配体，而琥珀酸盐是宿主代谢稳态的协调者[36, 62]。① 琥珀酸可以在体内起到调节体质量的作用。有研究者[63]给老鼠喂食富含纤维的食物后发现琥珀酸是小鼠盲肠中最丰富的羧酸，它可以通过提高果糖 1,6-二磷酸酶（肠道糖异生的限速酶）的活性来激活肥胖小鼠的肠道糖异生，从而改善胰岛素敏感性和糖耐量，调节体质量；Mills 等[64]发现，小鼠体内琥珀酸循环水平的升高会迅速驱动棕色脂肪组织的生热呼吸，琥珀酸脱氢酶介导的琥珀酸氧化启动了活性氧的产生，也驱动生热呼吸，从而保护机体免受饮食诱导的肥胖和高血糖。② 琥珀酸不仅在体内起到调节体质量的作用，还参与了肠道免疫调节、抑制肠道寄生虫感染、抑制结肠癌细胞增殖与肿瘤血管生成[65-66]。琥珀酸作为三羧酸循环的中间产物，在炎症区域积累从而调节免疫功能。如 Nadjsombati 等[65]发现，琥珀酸作为一种激活小肠簇细胞的配体，驱动先天 2 型免疫反应，有效排出寄生虫和恢复宿主稳态。但也有研究[67-68]报道，血清和肠道中琥珀酸盐升高在肠道炎症过程中会增强白细胞介素-1β 的产生，加重肠道炎症反应和纤维化的恶化。如有研究[69-70]发现，琥珀酸水平的增加以及通过 SUCNR1 产生的自分泌和旁分泌信号被证明会加重或维持慢性病理条件下的炎症，琥珀酸盐通过启动 SUCNR1 可进一步启动钙离子通道、细胞外调节蛋白激酶磷酸化和其他促炎因子的生成，从而促进炎症反应、组织重构等；Macias-Ceja 等[67]通过分析 SUCNR1 在炎症性肠病患者肠道中的表达及其在小鼠肠道炎症和纤维化中的作用发现，炎症性肠病患者的人纤维母细胞中 SUCNR1 的表达高于对照组（健康人群），琥珀酸通过 SUCNR1 信号增加了 SUCNR1 的表达，纤维化标志物和炎症细胞因子升高，促使巨噬细胞极化和成纤维细胞激活；Mills 等[71]的研究揭示了在脂多糖刺激下，巨噬细胞从通过氧化磷酸化产生 ATP 转移到糖酵解，同时也增加了琥珀酸水平，通过琥珀酸脱氢酶增加琥珀酸的线粒体氧化和线粒体膜电位的升高共同驱动线粒体活性氧的产生，以促进促炎状态。此外，有研究[66]表明，多食富含多酚的食物可以显著升高盲肠中琥珀酸水平，从而抑制结肠癌细胞增殖与肿瘤血管生成。
2.2.5 乳酸与胃肠道屏障功能
乳酸菌是指一大群具有共同遗传特性的细菌，其产生乳酸作为发酵的主要最终产物，是碳代谢的中间体，有助于发酵食品的抗菌作用，在自然界中广泛存在，也存在于胃肠道中。有证据[72]表明，乳酸不仅是宿主重要的能量来源，在促进肠上皮细胞发育和肠道黏膜组织再生中发挥着关键作用，同时具有独特的生物活性如调节免疫反应、维持肠道屏障功能。有研究[72-74]表明，乳酸菌能与肠道黏膜上的其他肠道微生物竞争受体和结合位点，从而对大肠杆菌、沙门菌等病原体感染产生保护作用。为了阐明乳酸对胃肠道屏障的保护作用，Lee 等[75]用放射疗法和甲氨蝶呤处理小鼠以达到破坏小肠上皮屏障的目的，然后给实验组小鼠预先喂食乳酸，与未喂食乳酸的小鼠相比，发现乳酸对小鼠的小肠绒毛和隐窝的破坏有显著保护作用，提示乳酸能保护小鼠免受放射治疗和化疗引起的肠道损伤，这为临床预防性使用乳酸来保护肠道损伤以及应对放射治疗和化疗的副作用提供了证据。
3 腹部手术患者术后 GID 的精准治疗
近年来，由于大规模生物数据库（如人类基因组序列、肠道菌群基因组序列）的发展以及表明患者疾病特征如人工智能和机器学习大数据分析、蛋白质组学、代谢组学、基因组学、多种细胞分析甚至移动医疗的技术发展，使得个体化治疗理念和分子靶向治疗得到了学界和患者的普遍认可[76-78]。
精准医疗针对患者需求，依赖患者基因、表型、生物标志物、社会心理等特征，将特定患者与其他临床表现相似的患者区分开来，在个体分子和细胞水平上聚焦于筛选特异性分子标志物、研究疾病的发生和发展，同时结合环境、生活方式等个体差异，为患者量身定制预防方案和干预措施，实现疾病精准预防和治疗，促进健康[79-81]。
目前中国临床尚未大范围推广使用基因测序技术，对于肠道菌群的检测仍采用粪便直接涂片镜检法。精准医疗的推广相对缓慢，其中一个限制因素是临床医生评估治疗进展和效果的依据往往是临床结局指标而不是生物标志物[82]。目前基因组测序数据正越来越多地用于临床决策，未来 5 年全球将有超过 6 000 万患者使用基因组测序数据[78, 83]。
精准医疗背景下腹部手术患者术后GID待解决的关键临床和科学问题有：① 利用基因测序技术需明确腹部手术后发生GID患者的肠道微生物菌群分布情况；② 应用非靶标液相色谱-质谱技术鉴定腹部手术后发生GID患者血清、粪便中的细菌代谢产物，分析有害代谢产物与疾病发生发展的相关途径；③ 数据共享和数据标准化对于精准治疗的成功至关重要，临床数据可以为科学研究发现提供信息，而研究成果反过来又可以补充新知识，为临床实践决策提供服务[83]。
4 小结与展望
肠道菌群既是代谢参与者又是调节者，其呼吸和能量代谢方式与GID的发生发展密切相关。肠道菌群与胃肠道功能间的关系正在被逐渐揭示，但仍有许多尚未解决的问题，如基于肠-脑轴的提出、肠道菌群对胃肠道运动功能的作用靶点尚未完全探明；腹部手术后发生GID患者的肠道菌群的分类特征及相互作用机制尚不完全清楚；尚不清楚肠道菌群失调是GID的病因还是结果；益生菌对胃肠道功能的影响存在争议，作用效果值得进一步探索研究[84]。微生物制剂调节肠道菌群稳态作用所需时间和剂量还需更多研究证据支持[85]。以前的研究只是更多地关注功能性胃肠道疾病或器质性胃肠道疾病而忽略了两者的重叠，对胃肠道的症状也关注不足[86-87]。肠道微生物组复杂多样，随着高分辨率质谱技术和代谢组学的迅速发展，未来将可以识别更多细菌衍生的代谢产物参与疾病的机制。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者阅读并理解了《中国普外基础与临床杂志》的政策声明，我们没有相互竞争的利益。
作者贡献声明：王娜负责文章构思及撰写；李卡、周勇对文章进行修改与审核。
腹部手术患者术后胃肠功能障碍（gastrointestinal dysfunction，GID）发病率较高，严重影响患者康复速度、增加住院时间和费用、降低生活质量出[1]。GID最早是在 20 世纪 60 年代由病理学家提出[2]。术后 GID 是指手术后因非机械因素导致的胃肠功能恢复时间延长、胃肠道消化和吸收障碍，其主要包括胃肠动力障碍和胃肠黏膜屏障损害，此二者间相互影响、互为因果。近年来，随着对肠道微生物的不断深入研究后发现，肠道菌群与 GID 的发生及发展密切相关，肠道菌群及其代谢产物可通过神经-体液调节胃肠运动，若一旦胃肠蠕动减弱或消失，肠道内细菌和代谢毒素就会产生排泄障碍，加重胃肠黏膜损害，促使细菌易位和内毒素吸收，最终形成菌血症，菌血症形成后可通过多个途径使胃肠动力进一步降低甚至发生中毒性肠麻痹[3-4]。但由于对 GID 的发生机制尚不完全清楚，需要做进一步的精准研究。目前，菌群多样性研究为 GID 的个体化诊断和治疗的突破打开了新视野。通过精准医学的策略协同临床知识、生物信息学、高通量技术、系统生物学研究模式，有望从另一个角度为腹部手术患者术后胃肠道功能的快速恢复提供新思路。笔者将肠道菌群与腹部手术后 GID 相关性研究的最新进展进行综述，以期为腹部手术后GID的发病机制研究、预防和治疗提供新的思路。
1 腹部手术患者术后 GID 的病因及治疗现状
1.1 GID 的临床表现及病因
GID 是全身炎症反应综合征及多器官功能障碍综合征发生及发展的一个重要因素，更是多种严重疾病和器官损伤的共同病理生理过程，一旦出现则提示病情加重或预后不良[5-6]。GID 的临床表现主要为恶心、呕吐、腹痛、腹泻、腹胀、便秘、停止排便和排气等症候群，这些症状反复出现，并且目前临床上没有确切的治愈方法，仅限于症状管理[7-10]。
腹部手术患者术后GID发生的病因不完全清楚，其可能的原因有原有疾病因素、腹部手术因素、应激因素、精神因素、营养因素、阿片药物的副作用等[1, 11-12]；除此之外，衰老也会以特定的方式影响胃肠道功能，老年人的胃肠功能会随着年龄的增长而进一步减弱[13]；另外，肠道炎症和其他肠道损伤引起的神经可塑性通过改变神经元的结构和突触并结合其他内在变化也会导致慢性GID[3, 14-15]。
1.2 GID 的治疗现状
对腹部手术患者术后 GID 的治疗主要是针对症状治疗，缺乏特效的治疗方案，目前主要有中医治疗、西医治疗、心理疗法等。① 中医治疗如大黄、芒硝、大承气汤、针灸、电针加穴位注射治疗、中医理疗、药散贴脐等[16-18]。② 西医治疗如口服渗透性泻药氧化镁和磷酸二钠刺激肠道，使用胃肠道促动力剂、肾上腺皮质激素、阿片受体拮抗剂治疗，补充益生菌维护肠道菌群平衡，有腹水患者穿刺引流腹水[11, 19-20]，使用可溶性纤维、薄荷油、肠脑神经调节剂如抗抑郁药、选择性 5-羟色胺再摄取抑制剂、α-2-δ 钙通道亚基配体等。③ 心理疗法如个体和团体催眠疗法也被证实对 GID 后功能康复有积极的作用[21-22]。④ 近年来较为热门的加速康复外科围术期管理方案所倡导的微创技术、早期下床活动、早期肠内营养、控制静脉补液以减少组织细胞及细胞间质钠水潴留以预防肠水肿和肠麻痹，以及镇痛方案的优化、术前术后咀嚼口香糖等也有利于 GID 后功能的康复[23]。⑤ 有研究[24]表明，由于胃肠道与中枢神经系统有广泛的外科可达的神经连接，可以利用神经刺激方法治疗 GID，在动物模型和一些临床试验中已有生物电神经调节用于治疗腹部手术患者术后 GID 的研究，取得了积极的疗效。⑥ 一项 meta 分析[25]结果表明，高压氧疗法可能有改善 GID 症状的作用，但目前研究的数量不足，进一步的结论还需要更大规模的前瞻性研究来证实。⑦ 在手术麻醉过程中采用多模式镇痛可减少阿片类药物的用量，也可以达到预防 GID 的效果[26]。然而目前仍有一些临床管理措施存在争议，如术后空腹口服甲葡胺等，并没有明确的证据表明其长期有助于 GID 后功能的恢复或加重 GID[7]。
2 人体肠道菌群的分布及其代谢产物与GID
2.1 人体肠道菌群的分布及其与 GID 相关症状
2.1.1 人体肠道菌群的分布
目前人类认识的细菌多达 50 个门，主要为拟杆菌门、厚壁菌门、变形杆菌门、放线菌门、梭杆菌门和蓝细菌门，其大部分定殖在肠道中，组成了人体中最复杂的生态系统—肠道菌群[27-28]。据估计，在人类肠道内存在大约 3×1013 个细菌，与人体细胞数量相当[29]，其中在成人体内有（3.8～3.9）×1013 个细菌。肠道菌群的相对丰度在门水平上相对保守，最常见的 4 个细菌门为厚壁菌门、拟杆菌门、变形杆菌门和放线菌门，占健康成年人肠道微生物群落的 98%；并且在种属水平上，肠道菌群存在显著的个体差异，其中拟杆菌属、双歧杆菌属、粪杆菌属、梭菌属、梭状芽孢杆菌属和乳酸菌属则是最常见的细菌菌属[30-31]。
2.1.2 肠道菌群与 GID 相关症状
肠道菌群与宿主形成一种复杂的共生关系，宿主为细菌提供了一个营养丰富的环境，而细菌反过来为宿主提供代谢、防护和结构功能，且宿主基因组不能编码这些功能[29, 32-34]。有研究[35-37]表明，肠道菌群与人类的精神疾病（抑郁症、自闭症）、代谢疾病（肥胖、2 型糖尿病、非酒精性脂肪肝）、自身免疫性疾病（自身免疫性糖尿病、系统性红斑狼疮、过敏）、肿瘤（肝细胞癌、乳腺癌、胰腺癌和黑色素瘤）、肾脏疾病、胃肠道疾病等多种疾病有关。肠道菌群可调节胃肠道运动、分泌、维持上皮屏障完整性、调节肠道免疫稳态和肠道免疫反应，并在肠道和中枢神经系统之间起到通讯的作用，肠道菌群的失调会严重扰乱中枢神经系统的神经传递，所产生的异常神经化学物质会阻碍正常肠道菌群的恢复[38]。由于菌群的组成和功能具有可塑性，因此可基于菌群调节从而对 GID 相关症状进行治疗干预，包括饮食调节、使用益生元和益生菌、粪便微生物移植等[36]。有研究[39-40]认为，小肠细菌过度生长与胃肠道症状如腹泻、腹痛、腹胀等相关，非吸收性广谱抗菌药物利福昔明被广泛用于其治疗。目前对小肠细菌过度生长的金标准试验是十二指肠近端内容物培养后测量十二指肠微生物密度，其诊断也可采用氢呼气试验[41]。但是单纯依靠小肠内容物的定量培养探索肠道菌群与 GID 相关症状的相关性是不够的，这种诊断方法无法区分致病微生物和潜在的有益微生物，且无法对小肠不同区域的微生物进行取样。然而 Saffouri 等[41]的研究基于新一代测序技术发现小肠细菌过度生长与 GID 症状无关，在健康个体中也能发现，但发现 GID 的症状与肠道菌群多样性显著相关，基于饮食的治疗方法如高纤维素饮食可改善 GID 相关症状。目前尚不清楚肠道菌群多样性减少是否先于 GID 相关症状的出现。
2.2 肠道菌群代谢产物与 GID
肠道菌群主要通过小分子代谢产物如色氨酸、短链脂肪酸、胆汁酸、琥珀酸、乳酸等与宿主进行密切的相互作用，影响疾病的发生及发展，这些代谢产物与腹部手术患者术后 GID 的发生机制密切相关[42]，因而肠道中的细菌代谢产物有可能可以作为疾病检测的生物标志物。
2.2.1 色氨酸与胃肠功能
色氨酸是一种必需氨基酸，人类主要从富含蛋白质的食物如鸡蛋、肉类、奶酪、豆类、坚果等中获得[43]。宿主对色氨酸的代谢除了合成蛋白质以外，主要通过肾素途径和 5-羟色胺途径进行代谢。其通过肾素途径，在肝脏中的色氨酸 2,3-双加氧酶和肝外组织中的吲哚胺 2,3-双加氧酶两种限速酶调节下，大约 95% 的色氨酸被降解为基嘌呤、基嘌呤酸、喹啉酸、吡啶甲酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸；通过 5-羟色胺途径，摄入的色氨酸有 1%～2% 转化为 5-羟色胺和褪黑激素。肠道菌群可以直接利用色氨酸，将 4%～6% 的色氨酸代谢为吲哚、糖苷、色胺、粪臭素以及吲哚酸衍生物，含有吲哚的分解代谢产物通过依赖芳基烃受体的方式调节免疫系统、促进肠道稳态[36]。由于不同的菌群具有不同的催化酶，需要两种以上的细菌相互合作才能从色氨酸中产生一种代谢产物，相比宿主内源性色氨酸代谢，肠道菌群的色氨酸代谢更加复杂。在以往关于人体色氨酸营养的研究[44]中关注得更多的是内源性宿主的色氨酸代谢产物的变化趋势，而细菌对色氨酸代谢产物的作用研究往往被忽视。近年来，细菌对色氨酸代谢产物 5-羟色胺和褪黑激素的影响进而对胃肠道运动功能的影响也引起了关注。① 5-羟色胺调节胃肠道运动功能。5-羟色胺是一种能让人们感到快乐的物质，主要存在于胃肠道、血小板和中枢神经系统中，特别在大脑皮层质及神经突触内含量很高，它也是一种抑制性神经递质，在外周组织中 5-羟色胺是一种强血管收缩剂和平滑肌收缩刺激剂，人类大约 90% 的 5-羟色胺位于胃肠道的肠嗜铬细胞中，5-羟色胺被肠道神经系统神经元表面的 5-羟色胺受体识别，从而参与调控肠道蠕动[44-45]。Clarke 等[38]发现，微生物群-肠道-大脑轴以一种性别依赖的方式调节海马 5-羟色胺能系统，调节人的情绪状态，肠道菌群失调致使5-羟色胺的分泌减少，与焦虑、抑郁发病率增加显著相关，因为这种心理上的不良反应同时也是 GID 的病因之一。② 褪黑激素调节胃肠道运动功能和保护胃肠黏膜屏障。褪黑激素主要存在于脑松果体，也存在于其他组织如视网膜、胃肠道、皮肤和白细胞中，主要参与对清醒和睡眠周期的调控，后来发现褪黑激素亦参与了机体胃肠功能的调节[46-47]。研究[48-49]发现，低剂量褪黑激素能促进小鼠胃肠运动功能，而高剂量褪黑激素降低了小鼠胃肠运动功能，但是这种作用可被褪黑激素受体拮抗剂阻断。褪黑激素对机体胃肠道的作用机制包括抑制胃酸分泌、增加胃黏膜血流量、清除自由基、抗氧化、抗炎等作用，褪黑激素分泌节律紊乱在胃肠黏膜屏障损害中起着重要的作用[50]。
2.2.2 短链脂肪酸与胃肠免疫和屏障功能
短链脂肪酸是肠道菌群（主要是梭状芽孢杆菌属）代谢无法消化的碳水化合物（膳食纤维）的主要终产物，包括乙酸、丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸，其中对宿主代谢最为重要的是乙酸、丙酸和丁酸。短链脂肪酸在盲肠和近端结肠中含量最高，其对胃肠道功能的影响主要体现在：① 短链脂肪酸为肠黏膜细胞提供能量。短链脂肪酸特别是丁酸盐可以通过被动转运、slc5a8 依赖转运或识别 G 蛋白偶联受体作为能量来源被肠细胞吸收；另外，盲肠、结肠内细菌利用小肠不能吸收的物质作原料发酵产生的短链脂肪酸除少部分供给机体能量外，大部分用于维持肠黏膜细胞的能量供给，是人类结肠、盲肠上皮细胞最重要的能量来源。有文献[51]报道，肠黏膜上皮细胞能量的 60%～70% 来自细菌发酵产物，其中最主要的是乙酸和丁酸。② 短链脂肪酸能促进结肠黏膜细胞的增殖、分化，调节参与能量代谢的上皮基因表达，对肠黏膜有较强的促生长作用，能减轻肠黏膜萎缩，维护肠黏膜的形态[52-53]。丁亚萍等[51]将短链脂肪酸添加到术后化学治疗（简称化疗）大鼠结肠模型中发现，短链脂肪酸组结肠黏膜细胞增殖指数显著高于对照组。③ 短链脂肪酸在结肠内不仅能为肠道上皮细胞提供营养、促进细胞的代谢和生长，还可以降低肠道环境 pH 值，增加肠道内酸性环境，使有益菌得到增殖、有害菌受到抑制，从而调节肠道菌群稳态，防止肠道功能紊乱。④ 研究[52-55]证实，短链脂肪酸有抑制肠道炎症反应、刺激结肠黏液分泌、保护肠黏膜屏障等作用，其可通过被动运输的方式进入细胞膜，调节肠上皮细胞和免疫细胞，在肠黏膜中通过影响炎性细胞释放细胞因子发挥抗炎作用，促进上皮屏障功能；且发现与健康个体相比，肠道炎症病变患者的黏膜和粪便中发酵纤维和产生短链脂肪酸的细菌特别是厚壁菌门减少；还发现炎症性肠病患者粪便中短链脂肪酸水平降低。目前短链脂肪酸被认为是临床管理活动性肠道炎症患者的一种有希望的辅助治疗方法[56]。⑤ 短链脂肪酸抗胃肠道肿瘤。有文献[52, 57]报道，短链脂肪酸与胃肠道肿瘤关系密切，它通过诱导肿瘤细胞凋亡、抑制肿瘤细胞增殖、促进肿瘤细胞分化而发挥抗肿瘤的作用。在人类结肠癌细胞研究和动物模型[56]中发现，短链脂肪酸特别是丁酸的抗肿瘤作用被广泛研究，丁酸盐输送到结肠上皮有减少早期致瘤的作用。徐仁应等[58]的研究表明，粪便中丁酸含量升高有诱导肿瘤细胞凋亡的趋势。
2.2.3 胆汁酸与胃肠道屏障功能
肝脏将胆固醇主要代谢成胆汁酸，这些胆汁酸保留在胆囊内并由胆囊释放到小肠，小肠利用胆汁酸来溶解膳食脂类和脂溶性维生素，从而促进胃肠道对脂溶性物质的消化和吸收[27]。大部分初级胆汁酸在回肠中被吸收并循环回肝脏，小部分（约 3%）进入结直肠被肠道细菌分解而转化为次级胆汁酸，对宿主免疫发挥多效作用。由微生物群驱动的人体伤口处细胞的活化状态增强，必然会对术后肠道伤口产生不利影响，但伤口微生物群也可能对伤口愈合产生有利影响，菌群影响胃肠道上皮的修复和伤口修复反应，如菌群通过产生胆汁酸调节伤口的修复[59]。Jain 等[60]发现，结肠伤口修复过程中持续升高的前列腺素 E2 会阻碍伤口后期的修复，细菌代谢物脱氧胆酸盐通过前列腺素 E2 调控促进修复期的过渡，从而加速肠道隐窝的再生和伤口修复。此外，一项整合了8 项结直肠癌患者接受粪便宏基因组测序的 meta 分析[61]显示，结直肠癌患者宏基因组中次级胆汁酸生成增加，提示与恶性肿瘤相关的肠道微生物和富含脂肪和肉类的饮食间存在代谢联系。
2.2.4 琥珀酸与肠道免疫功能
除了短链脂肪酸，微生物发酵的膳食纤维（尤其是多糖和低聚糖）可以产生大量的琥珀酸，而负责琥珀酸信号的琥珀酸盐受体 1（succinate receptor 1，SUCNR1）是 G 蛋白偶联受体家族的成员之一。琥珀酸是三羧酸循环中的中间产物，是 SUCNR1 至关重要的配体，而琥珀酸盐是宿主代谢稳态的协调者[36, 62]。① 琥珀酸可以在体内起到调节体质量的作用。有研究者[63]给老鼠喂食富含纤维的食物后发现琥珀酸是小鼠盲肠中最丰富的羧酸，它可以通过提高果糖 1,6-二磷酸酶（肠道糖异生的限速酶）的活性来激活肥胖小鼠的肠道糖异生，从而改善胰岛素敏感性和糖耐量，调节体质量；Mills 等[64]发现，小鼠体内琥珀酸循环水平的升高会迅速驱动棕色脂肪组织的生热呼吸，琥珀酸脱氢酶介导的琥珀酸氧化启动了活性氧的产生，也驱动生热呼吸，从而保护机体免受饮食诱导的肥胖和高血糖。② 琥珀酸不仅在体内起到调节体质量的作用，还参与了肠道免疫调节、抑制肠道寄生虫感染、抑制结肠癌细胞增殖与肿瘤血管生成[65-66]。琥珀酸作为三羧酸循环的中间产物，在炎症区域积累从而调节免疫功能。如 Nadjsombati 等[65]发现，琥珀酸作为一种激活小肠簇细胞的配体，驱动先天 2 型免疫反应，有效排出寄生虫和恢复宿主稳态。但也有研究[67-68]报道，血清和肠道中琥珀酸盐升高在肠道炎症过程中会增强白细胞介素-1β 的产生，加重肠道炎症反应和纤维化的恶化。如有研究[69-70]发现，琥珀酸水平的增加以及通过 SUCNR1 产生的自分泌和旁分泌信号被证明会加重或维持慢性病理条件下的炎症，琥珀酸盐通过启动 SUCNR1 可进一步启动钙离子通道、细胞外调节蛋白激酶磷酸化和其他促炎因子的生成，从而促进炎症反应、组织重构等；Macias-Ceja 等[67]通过分析 SUCNR1 在炎症性肠病患者肠道中的表达及其在小鼠肠道炎症和纤维化中的作用发现，炎症性肠病患者的人纤维母细胞中 SUCNR1 的表达高于对照组（健康人群），琥珀酸通过 SUCNR1 信号增加了 SUCNR1 的表达，纤维化标志物和炎症细胞因子升高，促使巨噬细胞极化和成纤维细胞激活；Mills 等[71]的研究揭示了在脂多糖刺激下，巨噬细胞从通过氧化磷酸化产生 ATP 转移到糖酵解，同时也增加了琥珀酸水平，通过琥珀酸脱氢酶增加琥珀酸的线粒体氧化和线粒体膜电位的升高共同驱动线粒体活性氧的产生，以促进促炎状态。此外，有研究[66]表明，多食富含多酚的食物可以显著升高盲肠中琥珀酸水平，从而抑制结肠癌细胞增殖与肿瘤血管生成。
2.2.5 乳酸与胃肠道屏障功能
乳酸菌是指一大群具有共同遗传特性的细菌，其产生乳酸作为发酵的主要最终产物，是碳代谢的中间体，有助于发酵食品的抗菌作用，在自然界中广泛存在，也存在于胃肠道中。有证据[72]表明，乳酸不仅是宿主重要的能量来源，在促进肠上皮细胞发育和肠道黏膜组织再生中发挥着关键作用，同时具有独特的生物活性如调节免疫反应、维持肠道屏障功能。有研究[72-74]表明，乳酸菌能与肠道黏膜上的其他肠道微生物竞争受体和结合位点，从而对大肠杆菌、沙门菌等病原体感染产生保护作用。为了阐明乳酸对胃肠道屏障的保护作用，Lee 等[75]用放射疗法和甲氨蝶呤处理小鼠以达到破坏小肠上皮屏障的目的，然后给实验组小鼠预先喂食乳酸，与未喂食乳酸的小鼠相比，发现乳酸对小鼠的小肠绒毛和隐窝的破坏有显著保护作用，提示乳酸能保护小鼠免受放射治疗和化疗引起的肠道损伤，这为临床预防性使用乳酸来保护肠道损伤以及应对放射治疗和化疗的副作用提供了证据。
3 腹部手术患者术后 GID 的精准治疗
近年来，由于大规模生物数据库（如人类基因组序列、肠道菌群基因组序列）的发展以及表明患者疾病特征如人工智能和机器学习大数据分析、蛋白质组学、代谢组学、基因组学、多种细胞分析甚至移动医疗的技术发展，使得个体化治疗理念和分子靶向治疗得到了学界和患者的普遍认可[76-78]。
精准医疗针对患者需求，依赖患者基因、表型、生物标志物、社会心理等特征，将特定患者与其他临床表现相似的患者区分开来，在个体分子和细胞水平上聚焦于筛选特异性分子标志物、研究疾病的发生和发展，同时结合环境、生活方式等个体差异，为患者量身定制预防方案和干预措施，实现疾病精准预防和治疗，促进健康[79-81]。
目前中国临床尚未大范围推广使用基因测序技术，对于肠道菌群的检测仍采用粪便直接涂片镜检法。精准医疗的推广相对缓慢，其中一个限制因素是临床医生评估治疗进展和效果的依据往往是临床结局指标而不是生物标志物[82]。目前基因组测序数据正越来越多地用于临床决策，未来 5 年全球将有超过 6 000 万患者使用基因组测序数据[78, 83]。
精准医疗背景下腹部手术患者术后GID待解决的关键临床和科学问题有：① 利用基因测序技术需明确腹部手术后发生GID患者的肠道微生物菌群分布情况；② 应用非靶标液相色谱-质谱技术鉴定腹部手术后发生GID患者血清、粪便中的细菌代谢产物，分析有害代谢产物与疾病发生发展的相关途径；③ 数据共享和数据标准化对于精准治疗的成功至关重要，临床数据可以为科学研究发现提供信息，而研究成果反过来又可以补充新知识，为临床实践决策提供服务[83]。
4 小结与展望
肠道菌群既是代谢参与者又是调节者，其呼吸和能量代谢方式与GID的发生发展密切相关。肠道菌群与胃肠道功能间的关系正在被逐渐揭示，但仍有许多尚未解决的问题，如基于肠-脑轴的提出、肠道菌群对胃肠道运动功能的作用靶点尚未完全探明；腹部手术后发生GID患者的肠道菌群的分类特征及相互作用机制尚不完全清楚；尚不清楚肠道菌群失调是GID的病因还是结果；益生菌对胃肠道功能的影响存在争议，作用效果值得进一步探索研究[84]。微生物制剂调节肠道菌群稳态作用所需时间和剂量还需更多研究证据支持[85]。以前的研究只是更多地关注功能性胃肠道疾病或器质性胃肠道疾病而忽略了两者的重叠，对胃肠道的症状也关注不足[86-87]。肠道微生物组复杂多样，随着高分辨率质谱技术和代谢组学的迅速发展，未来将可以识别更多细菌衍生的代谢产物参与疾病的机制。
重要声明
利益冲突声明：本文全体作者阅读并理解了《中国普外基础与临床杂志》的政策声明，我们没有相互竞争的利益。
作者贡献声明：王娜负责文章构思及撰写；李卡、周勇对文章进行修改与审核。