肠道准备通过破坏肠道环境加剧病原体定植、易位和炎症的机制研究

《Cell Reports Medicine》：In mouse and in vitro models, bowel preparation promotes pathogen colonization, translocation, and exacerbation of inflammation

本刊推荐：为探究肠道准备对肠道环境及感染易感性的影响，研究人员利用小鼠和体外模型，发现聚乙二醇(PEG)肠道准备会瞬时破坏肠道渗透压、黏液层和短链脂肪酸(SCFA)水平，增加沙门氏菌(Salmonella Typhimurium)定植和易位至肠系膜淋巴结(mLN)等肠外器官的风险，并在炎症性肠病(IBD)模型中加剧结肠炎严重程度。该研究揭示了肠道准备在特定人群中的潜在风险，对临床操作具有重要警示意义。

　　

每年，全球有数百万人为了进行结肠镜检查而需要接受肠道准备——一种通过强效泻药清除肠道内容物的程序。尽管这项操作已被广泛应用，且通常被认为是安全的，但它在短时间内对肠道环境，特别是对那些肠道菌群本就脆弱的人群（如炎症性肠病IBD患者）会产生怎样的影响，我们却知之甚少。一些回顾性研究甚至提示，结肠镜检查后感染的风险有所增加，但究竟是检查操作本身、活检干预，还是肠道准备这一步导致了问题，一直难以厘清。这就像是在一个黑箱中操作，我们看到了结果，却看不清内在的关联。因此，亟需从机制层面深入探究肠道准备本身是否足以打破肠道的天然防御，增加病原体入侵的风险。

为了回答这个关键问题，由Charlotte A. Clayton、Imogen Porter和Carolina Tropini等领导的研究团队在《Cell Reports Medicine》上发表了他们的最新研究成果。他们巧妙地利用小鼠模型和体外细胞实验，像侦探一样层层剖析，试图将肠道准备的具体效应从复杂的临床因素中剥离出来。他们的研究揭示，即使是一次性的、高剂量的PEG肠道准备，也会在肠道内引发一场短暂的“风暴”：肠道渗透压急剧升高，保护肠道的黏液层严重损耗，有益菌代谢产生的短链脂肪酸(SCFA)水平骤降。这片被“清扫”过的土地，变得异常脆弱，使得像沙门氏菌(Salmonella Typhimurium)这样耐高渗的病原体得以乘虚而入，不仅成功定植，甚至能穿越肠道屏障，“流浪”到肠系膜淋巴结(mLN)、肝脏和脾脏等远隔器官。更令人担忧的是，在模拟人类IBD的结肠炎小鼠模型中，肠道准备显著加重了炎症的严重程度。这些发现如同一个警示信号，提示我们对于肠道微环境本就失衡的脆弱人群，肠道准备可能潜藏着未被充分认识的风险。

研究人员为了开展这项研究，主要运用了几个关键的技术方法。他们建立了模拟临床流程的小鼠肠道准备模型，通过多次口服灌胃给予高浓度聚乙二醇(PEG)。利用共聚焦显微镜成像和组织学染色（如H&E和凝集素染色）来精确评估肠道黏液层厚度、覆盖度以及组织病理变化。通过体外培养和动物感染实验，评估了沙门氏菌（包括野生型和非运动突变株ΔflhD）在肠道准备后的定植、易位能力以及引起的病理损伤。他们采用16S rRNA测序和气相色谱-质谱联用(GC-MS)分别分析了肠道菌群组成和短链脂肪酸(SCFA)水平的变化。还利用人肠道上皮细胞系(HT-29)和肠道芯片(gut-on-a-chip)模型，在体外探究了PEG和高渗环境对沙门氏菌入侵上皮细胞的影响。此外，对小鼠盲肠组织进行了RNA测序以分析宿主转录组响应。研究中也使用了来自溃疡性结肠炎(UC)患者和健康人的粪便样本进行体外菌群培养和人体化小鼠模型构建，以模拟IBD背景下的炎症反应。

研究结果

肠道准备破坏小鼠肠道渗透压、黏液层和短链脂肪酸水平

研究人员首先模拟人类肠道准备流程，给小鼠多次口服PEG溶液。他们发现，仅仅6小时后，小鼠盲肠内容的渗透压就从正常的约438 mOsm/kg飙升到724 mOsm/kg，增加了1.7倍。同时，原本厚实连续的结肠和盲肠黏液层变得支离破碎，覆盖度和平均厚度都显著下降。此外，肠道内可培养的厌氧菌数量减少，而需氧菌数量在某些部位反而增加，表明环境发生了氧化。作为肠道有益菌重要代谢产物的短链脂肪酸(SCFA)，如乙酸、丙酸和丁酸，其水平也显著降低。这些变化共同描绘出一幅肠道环境在肠道准备后急遽恶化的图景：物理屏障受损，菌群失调，有益代谢物匮乏。

肠道准备促进沙门氏菌定植、易位并引发病理损伤

在观察到肠道环境被破坏后，研究人员想知道这是否会为病原体打开“方便之门”。他们选择了沙门氏菌(Salmonella Typhimurium)作为模型病原体，因为它恰好能耐受高渗环境。果不其然，在体外实验中，即使渗透压高达800 mOsm/kg（相当于肠道准备后小鼠肠道的水平），沙门氏菌依然生长良好。当用沙门氏菌攻击经过肠道准备的小鼠时，与未处理的小鼠不同，病原体在肠道内大量定植，并持续至少3天。更值得注意的是，这些细菌还突破了肠道屏障，迁徙到了肠系膜淋巴结(mLN)、脾脏和肝脏。组织学检查显示，肠道准备后感染沙门氏菌的小鼠，其盲肠组织出现了更严重的病理损伤。即使接种的菌量低至1000个，也足以在肠道准备过的小鼠体内成功定植，且易位程度随接种剂量增加而升高。这表明肠道准备极大地降低了宿主对病原体的防御门槛。

肠道对沙门氏菌的抵抗力随时间推移而恢复

肠道准备的影响是永久的吗？研究团队追踪了小鼠在肠道准备后不同时间点的肠道状态。令人欣慰的是，这种破坏是暂时性的。盲肠的渗透压在24小时内就基本恢复正常；黏液层的覆盖度和厚度在48小时后也恢复如初。肠道菌群的多样性在72小时内逐渐恢复，短链脂肪酸(SCFA)水平也在48小时后回升。相应地，如果在肠道准备后6小时就接种沙门氏菌，感染最为严重；而若将接种时间推迟到24或48小时后，肠道内的病原体负荷和向肠外器官的易位程度都显著降低。这说明，肠道自身的修复能力和菌群的恢复是抵抗感染的关键，也提示临床操作后存在一个短暂的“易感窗口期”。

鞭毛动力并非沙门氏菌在肠道准备后定植和易位的必要条件

沙门氏菌通常需要依靠鞭毛运动来穿透黏液层，从而感染上皮细胞。研究人员使用了一个鞭毛合成缺陷的突变菌株(ΔflhD)。在正常小鼠体内，这个“不会游泳”的突变株几乎无法定植。然而，在肠道准备后黏液层严重受损的小鼠体内，ΔflhD突变株竟然和野生菌株一样，能够有效地在肠道内定植，并同样易位至肠系膜淋巴结等器官。这表明，当物理屏障被破坏后，病原体入侵的“游戏规则”改变了，它们可以不再依赖运动能力，而是通过其他毒力因子（如III型分泌系统T3SS）来达成感染。

PEG暴露促进沙门氏菌在体外侵袭人肠道上皮细胞模型

为了排除体内复杂因素的干扰，研究团队在培养的人肠道上皮细胞(HT-29)上进行了验证。他们将细胞培养基的渗透压用PEG调整到类似肠道准备后的高水平。结果发现，与正常渗透压相比，高渗环境下的上皮细胞对沙门氏菌的入侵更加敏感，细胞内细菌数量显著增加。流式细胞术和显微镜观察证实，被感染的细胞比例更高。这表明PEG或高渗环境本身就能直接削弱上皮细胞的防御能力，增加其被病原体入侵的风险。

肠道准备在人类IBD菌群相关小鼠中加剧结肠炎并促进病原体易位

最后，研究人员将目光投向了更接近临床的IBD情境。他们将来自IBD患者（其菌群中富含潜在致病菌，即pathobionts）的粪便菌群移植给无菌小鼠，并先用葡聚糖硫酸钠(DSS)诱导急性结肠炎，模拟IBD的炎症背景。然后，他们对部分小鼠进行肠道准备。结果显示，与未做肠道准备的对照组相比，接受肠道准备的IBD菌群小鼠，其疾病活动指数(DAI)显著升高，结肠组织病理损伤更严重。更重要的是，肠道准备还导致了更多活的厌氧菌易位至肠系膜淋巴结和肝脏。通过对易位细菌的基因测序，发现了多种与IBD相关的潜在致病菌属。这表明，在已有炎症的肠道中，肠道准备不仅会加重局部炎症，还可能打开“闸门”，让原本待在肠道内的条件致病菌进入血液循环，引发全身性问题。

研究结论与意义

这项研究通过严谨的小鼠和体外模型，清晰地表明临床上常规的肠道准备程序，会瞬时性地严重破坏肠道内环境。这种破坏体现在多个层面：高渗压力直接冲击菌群和宿主细胞；保护性的黏液屏障被大幅削弱；有益菌代谢功能受损，短链脂肪酸(SCFA)锐减。其直接后果是显著降低了宿主对沙门氏菌(Salmonella Typhimurium)等外来病原体的 colonization resistance（定植抗力），甚至使得非运动型的沙门氏菌突变株(ΔflhD)也能成功入侵，并易位至肠外器官。更重要的是，在模拟人类IBD的炎症背景下，肠道准备会加剧结肠炎的严重程度，并促进肠道内固有的条件致病菌(pathobionts)的易位。

该研究的深刻意义在于，它将肠道准备这一普遍应用的临床程序与潜在的感染和炎症风险从机制上联系了起来。虽然这些发现源于临床前模型，不能直接推论所有接受结肠镜检查的个体，但它们为特定高危人群（如IBD患者、免疫低下者）敲响了警钟。这些人群本身肠道屏障功能可能就不健全，菌群失衡，肠道准备可能使他们雪上加霜，增加术后感染或疾病暴发的风险。因此，这项研究呼吁临床界需要更加关注肠道准备的潜在副作用，特别是对脆弱人群，或许需要考虑优化准备方案或加强术后监测。此外，该研究也提供了一个宝贵的模型，用于未来进一步探索肠道环境稳定性、菌群-宿主互作以及感染易感性的深层机制。最后，研究结果提示，其他导致渗透性腹泻的状况（如吸收不良、急性肠炎）也可能通过类似机制促进条件致病菌的滋生和易位，从而恶化疾病进程，这拓宽我们对肠道环境稳定与疾病关系的理解。