科学网—气溶素：肠道菌群产生的致病因子
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2025-11-26 08:47
| 系统分类: 海外观察
科赫法则与气单胞菌在溃疡性结肠炎中的作用机制研究
1884年，罗伯特·科赫（Robert Koch）与弗里德里希·勒夫勒（Friedrich Loeffler）提出了**科赫法则**（Koch’s postulates）。该法则指出，若某种微生物满足以下条件，则可判定其为某疾病的病原体：在所有患病个体中均能检测到该微生物；该微生物可被分离并在培养基中培养；将培养的微生物接种到健康宿主中可引发相同疾病；且能从患病宿主中再次分离出该微生物[1]。后来，为适配病毒等“不可培养”微生物，并认可微生物基因（而非微生物本身）也可能作为致病因子，这些标准得到了修订[1,2]。目前，尚未发现符合修订版科赫法则的微生物被认定为溃疡性结肠炎（ulcerative colitis）的病原体[3]。在本期杂志第805页，Jiang等人[4]发表研究称，从溃疡性结肠炎患者体内分离出的一种菌株，可通过产生气溶素（aerolysin，对保护性免疫细胞具有毒性）引发小鼠肠道炎症。该发现揭示了一种此前未被识别的机制——微生物可能通过这一机制推动溃疡性结肠炎的进展。
炎症性肠病的背景知识
炎症性肠病（ Inflammatory Bowel Disease, IBD）是一组慢性疾病的统称，其发病机制为人体免疫系统攻击消化道，引发炎症及腹痛、腹泻、乏力等症状。炎症性肠病最常见的两种类型是克罗恩病（Crohn’s disease）和溃疡性结肠炎。其中，溃疡性结肠炎主要影响结肠和直肠黏膜，导致溃疡和出血[3]。
早期研究人员尝试从溃疡性结肠炎患者体内培养细菌，却未发现与该疾病特异性相关的微生物（这与通过类似方法发现沙门氏菌等引发其他腹泻类疾病的病原体形成对比）。基因组测序技术的应用也未取得突破性进展，但该技术揭示了溃疡性结肠炎患者肠道微生物群落（肠道菌群， microbiota）的组成发生了改变。与此同时，流行病学观察发现溃疡性结肠炎的患病率与城市化进程及现代生活方式相关，这提示该疾病可能存在环境诱因[5]。
肠道驻留巨噬细胞的关键作用
Jiang等人采用组织学方法并结合免疫细胞群体分析，对溃疡性结肠炎患者的结肠组织活检样本进行了研究。结果发现，在这些患者结肠的上皮下黏膜（上皮层下方的组织层）中，**组织驻留巨噬细胞**（一种负责监测黏膜组织、识别感染或损伤的免疫细胞）几乎完全缺失。
为进一步验证该细胞的功能，研究人员通过化学手段或基因手段清除小鼠体内的肠道驻留巨噬细胞后发现，这类细胞对保护结肠免受化学诱导性炎症至关重要。
气溶素：肠道菌群产生的致病因子
基于上述发现， Jiang等人提出假设：肠道菌群产生的某种物质可能导致溃疡性结肠炎患者黏膜驻留巨噬细胞减少。他们通过实验证实，溃疡性结肠炎患者（而非健康供体）的粪便中含有**气溶素**——这是一种由气单胞菌属（Aeromonas）细菌分泌的物质。气溶素可在靶细胞表面形成孔道，进而导致细胞死亡。
对小鼠和人类细胞的体外培养实验显示，气溶素对巨噬细胞具有强毒性，但对肠道上皮细胞无毒性。研究人员将这种能产生气溶素的菌株命名为 “气单胞菌属巨噬细胞毒性细菌”（Aeromonas sp. macrophage-toxic bacteria, 简称MTB）。
MTB与气溶素的致病机制验证
为评估 MTB对肠道组织的影响，Jiang等人采用了结肠炎症小鼠模型。结果显示，感染MTB会加重小鼠结肠炎症的临床症状，如体重下降、直肠出血、结肠溃疡等。而将缺失气溶素编码基因的基因工程改造菌株经口灌胃给小鼠后，未观察到促炎效应。
值得注意的是，对于经化学处理后缺失肠道驻留巨噬细胞的小鼠， MTB无法加重其结肠炎症状。此外，向感染MTB的小鼠腹腔内注射靶向气溶素的抗体后，小鼠结肠炎症症状得到缓解。综上，MTB感染可通过气溶素破坏肠道驻留巨噬细胞，使结肠易受炎症侵袭（见图）。
图示说明：气溶素如何使结肠易受炎症侵袭
从溃疡性结肠炎患者体内分离出的气单胞菌属巨噬细胞毒性细菌（ MTB）可产生气溶素，该物质对肠道巨噬细胞具有毒性。巨噬细胞的缺失会引发炎症，并导致B细胞及免疫系统其他成分聚集，削弱结肠的防御功能。而气溶素抗体（Anti-aerolysin, α-aerolysin）可使肠道黏膜恢复健康状态。
（图示来源： A. MASTIN/SCIENCE）
临床样本验证： MTB与溃疡性结肠炎的关联性
Jiang等人还对中国12个省份的117例炎症性肠病患者和430例健康对照者的粪便样本及结肠活检样本进行了检测，以验证MTB和气溶素的临床关联性。结果显示：
- 超过70%的溃疡性结肠炎患者体内检测到能产生气溶素的MTB，而健康人群中该微生物的检出率仅约12%；
- 所有溃疡性结肠炎患者的黏膜中均存在气溶素，健康人群黏膜中则未检测到该物质；
- 值得关注的是，在38例克罗恩病患者中，仅1例检测到MTB。
MTB的定植条件与炎症性肠病的风险因素
为何 MTB仅存在于溃疡性结肠炎患者体内，而在健康人群或其他类型炎症性肠病患者中极少出现？Jiang等人通过小鼠实验给出了部分答案：
- MTB无法在健康小鼠的结肠内定植到可检测的浓度；
- 但若先通过口服混合抗生素清除小鼠肠道内的竞争性细菌，或通过化学试剂诱导小鼠结肠炎症，则可使MTB在小鼠体内持续定植；
- 更重要的是，即使感染2个月后MTB浓度低至无法检测，抗生素处理仍可使小鼠体内的MTB种群恢复到可检测水平，表明该细菌可在体内长期潜伏。
这一发现具有重要意义，因为抗生素的使用是现代生活方式的典型特征，同时也是炎症性肠病的主要风险因素之一 [6-8]。
研究结论与临床意义
对于炎症性肠病而言，完全满足科赫法则的可能性较低 ——由于小鼠不会自然发生这类疾病，无法通过实验证实某一候选病原体能否在健康动物体内诱发疾病。尽管未满足科赫法则，Jiang等人的研究仍明确了两个关键关联：
1. 因果关联：气单胞菌属MTB与小鼠肠道炎症加重存在因果关系；
2. 相关性关联：能产生气溶素的MTB与人类溃疡性结肠炎存在相关性。
此外，炎症性肠病是一类发展数十年的复杂疾病，单一病原体不太可能导致其多样的临床表现 [3]。但研究提示，多种微生物可能通过直接靶向肠道驻留免疫细胞，影响宿主维持肠道稳态的能力。
这一研究为炎症性肠病的治疗提供了新方向：通过直接靶向这类致病微生物及其毒素（如 MTB和气溶素）进行治疗，有望在不使用抗体、类固醇等生物制剂抑制患者免疫系统的前提下，实现对炎症性肠病的有效干预。
A bacterial toxin disarms gut defenses against inflammation | Science
编者摘要
溃疡性结肠炎（ UC）是一种严重的炎症性肠病，与大肠内细胞功能异常相关。蒋（Jiang）等人提出假设：肠道菌群产生的毒素可能会损伤肠道中的巨噬细胞，并参与溃疡性结肠炎的病理过程（参见莫迪莱夫斯基（Modilevsky）和贝尔（Bel）撰写的观点文章）。溃疡性结肠炎患者的粪便样本中存在一种气单胞菌属（*Aeromonas*）细菌变异株，该菌株会释放一种名为气溶素（aerolysin）的毒素。在病理状态下，这种气单胞菌变异株可在小鼠肠道内定植，消耗巨噬细胞，并增加小鼠对肠道炎症的敏感性。这些效应与气溶素直接杀死巨噬细胞的能力有关。给接触该气单胞菌变异株的小鼠注射抗气溶素抗体，可对结肠炎起到保护作用。——萨拉·H. 罗斯（Sarah H. Ross）
结构化摘要
引言
溃疡性结肠炎（ UC）是一种多因素疾病，涉及免疫调节异常、遗传易感性、对肠道菌群的异常炎症反应及环境因素。该病的临床病程具有不可预测性，常表现为急性发作期与缓解期交替。由于溃疡性结肠炎相关的炎症和溃疡通常局限于黏膜层，因此该病常被视为一种上皮屏障疾病。导致上皮屏障受损的起始因素仍不明确，阐明这些因素有助于揭示溃疡性结肠炎的发病机制，并为制定新的治疗策略提供依据。
研究依据
肠道上皮中存在人体最庞大的组织驻留巨噬细胞群体之一，这类细胞是抵御肠道腔病原体入侵的第一道防线。我们提出假设：溃疡性结肠炎患者的肠道驻留巨噬细胞功能受损，导致上皮完整性破坏，因此我们对溃疡性结肠炎患者结肠组织中的巨噬细胞进行了研究。
研究结果
在从溃疡性结肠炎患者体内获取的结肠组织中，我们发现，即使在未出现炎症迹象的区域，组织驻留巨噬细胞也已发生耗竭。我们推测，巨噬细胞的缺失先于明显炎症的发生。在小鼠模型中，通过化学手段或基因手段清除巨噬细胞，会增加小鼠对肠道损伤的敏感性。
为确定可能损害巨噬细胞功能的潜在因素，我们对溃疡性结肠炎患者粪便样本中的细菌进行了研究。我们发现了一种能产生毒素的气单胞菌属细菌，将其命名为气单胞菌属巨噬细胞毒性细菌（ *Aeromonas* sp. MTB），该菌株可表达毒力因子气溶素。巨噬细胞对气溶素诱导的细胞死亡敏感性高于上皮细胞，我们推测这一结果可能导致上皮屏障受损，且不会对上皮细胞造成直接损伤。在病理状态下，MTB可在小鼠体内持续定植，消耗巨噬细胞，并提高小鼠对肠道刺激的敏感性。对于经葡聚糖硫酸钠（dextran sulfate sodium）处理或白细胞介素-10（interleukin-10）基因缺失的小鼠，MTB可诱发结肠炎，且病症表现与溃疡性结肠炎相似；但在无菌小鼠中，MTB无法诱发结肠炎。气溶素基因缺失的MTB突变株无法诱发结肠炎，这进一步证实了该毒素的作用。在小鼠实验中，预先注射多克隆抗气溶素抗体可预防MTB诱发的结肠炎，而单克隆抗气溶素抗体则可缓解已发生的结肠炎。
为明确该细菌在溃疡性结肠炎患者与健康人群中的流行情况，我们开发了实时聚合酶链反应检测方法以检测气单胞菌属细菌。结果显示，溃疡性结肠炎患者粪便中气单胞菌属细菌的检出率高于健康对照组。此外，我们在溃疡性结肠炎患者的结肠组织中也检测到了气溶素。
结论
我们在溃疡性结肠炎患者体内发现了一种气单胞菌变异株，并证实该菌株可通过气溶素介导的组织驻留巨噬细胞损伤，诱发小鼠结肠炎症。给接触 MTB的小鼠注射抗气溶素抗体，可降低疾病严重程度。本研究结果揭示了微生物可能参与溃疡性结肠炎发病的机制，并提示靶向细菌毒力因子或可成为治疗溃疡性结肠炎的一种策略。
（图示说明：气单胞菌变异株 MTB通过破坏结肠巨噬细胞，增加溃疡性结肠炎（UC）的发病易感性。在生理状态下，结肠上皮下方的巨噬细胞屏障对抵御肠道微生物具有重要作用。然而，在抗生素使用或肠道损伤等条件的促进下，当气单胞菌属巨噬细胞毒性细菌（MTB）在肠道内定植后，其产生的毒素气溶素会优先破坏组织驻留巨噬细胞。巨噬细胞屏障的缺失会增加肠道炎症的发病易感性，进而导致溃疡性结肠炎的发生。抗气溶素抗体治疗或可阻止这一过程。）
摘要
溃疡性结肠炎（ UC）是一种严重的炎症性肠病，影响着全球数百万人，但导致该病发生的因素仍知之甚少。在溃疡性结肠炎患者的组织样本中，我们发现，即使在结肠尚未出现明显上皮炎症的区域，巨噬细胞也已发生耗竭。我们提出假设：细菌产生的毒素可能会损伤巨噬细胞，并进而引发更广泛的炎症。我们从溃疡性结肠炎患者的粪便样本中分离出一种气单胞菌属细菌变异株，将其命名为巨噬细胞毒性细菌（MTB），因为该菌株分泌的气溶素可导致巨噬细胞死亡。在致病条件下，MTB可在小鼠体内定植并诱发结肠炎。抗气溶素抗体可缓解气单胞菌在小鼠体内诱发的结肠炎。在研究队列中，溃疡性结肠炎患者气单胞菌检测阳性率高于健康对照组。
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