危重患者肠源性脓毒症——病理生理学和治疗
The following article is from 重症学习 Author 朱桂军
“一切疾病源于肠道”——希波克拉底
危重患者肠源性脓毒症：病理生理学和治疗
摘要：
引言：危重症患者中肠道通透性增加，并与全身炎症反应综合征和多器官功能障碍综合征(MODS)的发生相关。过去的几十年，病因联系和潜在的治疗是深入研究的领域。
方法：全面查阅国内外有关肠源性脓毒症并发MODS的文献，重点阐述其病理生理机制及治疗干预措施。
结果：肠屏障功能障碍导致与MODS相关的全身性细菌移位是近年来最主要的病理生理学理论。然而，针对危重患者的临床研究未能提供肠道源性细菌和/或其产物的全身传播作为MODS原因的证据。新的实验数据强调了肠系膜淋巴作为肠源性危险相关分子模式(DAMPs)到肺和体循环的载体作用。这些物质被多种组织中的模式识别受体细胞识别并促进促炎通路和MODS的发生。因此，肠道成为一个关键的促炎器官，通过肠系膜淋巴中DAMPs的释放驱动全身炎症反应，而不需要全身细菌移位。
结论：需要敏感、无创、易检测的早期肠损伤生物标志物(如瓜氨酸、肠脂肪酸蛋白和连蛋白)应用于临床，指导危重患者的早期药物干预，以恢复或预防肠损伤，改善预后。
关键词：肠屏障 肠源性脓毒症 细菌移位 肠通透性 ICU 危险相关分子模式 肠淋巴假说
前言
细菌移位(BT)是由Berg和Garlington在1979年首次提出的，指的是活菌从胃肠道通过上皮黏膜进入固有层，然后进入肠系膜淋巴结和其他正常情况下无菌的器官的现象。这一最初的定义后来被扩大到包括非活菌或其产物的移位，即病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)，主要代表是肠道内毒素。肠道是人体与外界环境之间最大的界面。考虑到肠道必须同时具有两种相反的功能，其功能的复杂性是显而易见的；一般来说，需要的营养物质从肠腔选择性渗透到循环和内环境，另一方面，防止有害物质的渗透，包括微器官、腔内抗原和腔内促炎因子。后一个功能称为屏障功能。本文旨在对危重患者肠道屏障功能障碍导致肠源性脓毒症和MODS的病理生理机制及治疗干预措施进行综述。
通过PubMed、PubMed Central和谷歌系统检索从建库至2018年4月30日的文献。以“肠屏障”、“肠道屏障”、“肠通透性”、“肠屏障功能障碍”、“肠源性脓毒症”、“细菌移位”、“微生物移位”、“内毒素血症”为检索词，并结合“危重症”、“ICU”、“创伤”、“脓毒症”、“MODS”、“治疗”、“处理”等检索词进行检索。第一作者根据题目和摘要对结果进行适当性筛选。对大部分相关文献进行全文评估，并在发现相关文献时对其参考文献进行回顾和评估。仅纳入英文文献。文章类型包括临床研究、实验性研究、临床试验和综述。
肠道屏障
肠道屏障功能主要包括3道防线：(A)生物屏障，由正常肠道菌群(肠道微生物群)组成。微生物群具有重要的代谢、免疫和肠道保护功能。代谢方面，微生物发酵碳水化合物和难以消化的寡糖，合成丁酸、丙酸和乙酸等短链脂肪酸(SCFA)，为肠道上皮提供丰富的能量来源。此外，肠道菌群还合成维生素B和维生素K，并完成胆汁酸的肠-肝循环。在免疫方面，肠道微生物群通过产生PAMPs参与肠道免疫调节，并与固有和适应性免疫系统相互作用，PAMPs被肠道免疫细胞的特异性受体识别。此外，肠道菌群通过拮抗营养物质和发挥定植抗性来阻止潜在致病菌的生长。(B)免疫屏障，由肠道相关淋巴组织(GALT)、效应和调节性T细胞、产生IgA的B(浆)细胞、3型固有淋巴样细胞和常驻巨噬细胞以及固有层中的树突状细胞组成。如上所述，肠道固有和适应性免疫系统与肠道微生物群持续交互作用，驱动对共生细菌的耐受性发展，同时形成对潜在微生物入侵者的有效免疫反应。微生物群刺激导致B细胞向IgA类转换、调节性T细胞诱导和T细胞分化为Th17。(C)机械性屏障，由闭合衬里的肠上皮细胞和黏膜下层的毛细血管内皮细胞组成。肠上皮细胞通过被称为“紧密连接”(tight junction, TJs)的特定结构在外侧细胞膜的最顶端尽可能地进行最密切的接触，从而形成“亲吻点”，连接细胞并限制离子、分子和细胞通过细胞旁空间。黏膜下血管内皮细胞也存在类似的细胞间连接，限制了血液循环中细菌产物的通过。除了TJs在调节细胞旁通透性方面的关键作用外，肠上皮衬里的完整性和连续性依赖于上皮细胞凋亡和增殖之间的稳态。
健康和疾病中的细菌移位
BT可能是一种发生于健康个体的现象，可能是一种正常的生理事件，无有害的后果。据报道，人类研究中移位的基线发生率为5-10%。这种低水平的正常BT的病理生理作用被假设为肠道免疫系统的抗原暴露，以备在病原体广泛入侵时进行有效的免疫应答，另一方面，对共生菌群的几种微生物抗原产生免疫耐受。然而，在一些疾病状态下，过高水平的BT已被证实与感染性并发症和促进全身炎症反应有关，而全身炎症反应会加重基础疾病的病理生理后果。如今，我们已经确凿地证明，肠梗阻、肝硬化、梗阻性黄疸、急性胰腺炎、腹主动脉修复手术、炎症性肠病、肠移植、失血性休克、烧伤以及接受全肠外营养支持的患者，肠源性细菌和内毒素在正常无菌的肠外部位移位。
危重患者SIRS和MODS的肠源性脓毒症假说
20世纪80年代初，大量的临床前和临床证据表明，BT现象存在于不同的临床状态。当时，在尸检未证实感染灶的情况下，导致危重或受伤患者发展为全身炎症反应综合征(SIRS)并最终发展为MODS的一系列事件存在病理生理空白。1985年，在外科感染学会(Surgical Infection Society)的一次小组讨论中，Meakins和Marshall提出，肠道可能代表MODS的"马达"。根据这一理论，危重患者的肠道屏障完整性因微循环改变而被破坏；在功能障碍肝脏无法清除门静脉循环中的肠道细菌及其产物的溢出后，细菌和内毒素转移到肠系膜淋巴结和门静脉系统，最终进入体循环。因此，促进全身炎症反应，诱导多种器官甚至远隔器官的功能和结构发生有害的改变，从而导致MODS。
细菌移位的作用
肠源性脓毒症和MODS的理论仍有待于在临床情况下得到证实。1991年，来自丹佛的一个外科团队尝试对20例严重创伤患者进行BT治疗，其中大多数(60%)处于休克状态。研究人员在创伤患者中插入门静脉导管进行连续的血液采样，并进行连续的血培养和内毒素测定。30%的患者发生MODS，但门静脉血培养阳性率仅为2%，无一例患者发生门脉或全身内毒素血症。本研究的结果对脓毒症“肠道假说”的准确性提出了合理的质疑，但在严重损伤患者中开展的类似研究难以重复。确认创伤患者的BT过程需要MLNs培养或门静脉采血，这在这一患者人群中很难进行。为了直接研究BT的潜在临床相关性，最适合的替代人群是因各种原因而接受大手术的患者，在这些患者中，mln易于取样。1998年至2006年共开展6项相关临床研究，共纳入2125例手术患者；5-21%的患者证实存在BT，但最重要的是BT与术后感染性并发症增加相关。特别是，当存在BT时，感染并发症的发生率升至45%，而无BT的患者仅为19%。此外，在有BT的近一半患者中，术后感染灶中也发现了从MLNs
分离出的相同肠道病原体。然而，上述研究在外科患者中的证据并不直接适用于危重、损伤或脓毒症患者。在Moore等最初不支持BT研究的情况下，几名研究者试图回答关于脓毒症和MODS的肠道假说的准确性问题。在所有这些后续研究中，由于难以直接测量BT，研究者通过测量肠道通透性来寻找肠屏障功能衰竭的证据。事实上，在危重ICU患者中，肠道通透性显著增加，这一发现与SIRS、脓毒症和MODS的发生相关。此外，这种相互关系似乎是因果关系，因为改善肠屏障功能和通透性可预防上述并发症。
细菌移位之外的重塑病理生理学：肠淋巴假说
因此，越来越多的临床资料表明，ICU危重患者存在肠道屏障功能受损和肠道通透性增加，与MODS的发生发展密切相关，但肠道微生物及其产物通过门静脉系统的移位似乎并不是两者之间的联系机制。那么，危重症患者肠道通透性增加与MODS之间的关系如何呢?肠道来源的病原体和PAMPs的另一种移位途径可能是肠道淋巴管。肠系膜淋巴管先经乳糜池引流，最后经胸导管经左锁骨下静脉排空进入体循环。肺血管是第一个暴露于肠系膜淋巴液的血管床，同时该器官也是危重患者发展为急性呼吸窘迫综合征(ARDS)的第一个和最常见的损伤器官。因此，肠道来源的微生物和/或其产物通过肠道淋巴管发生移位，可以从理论上解释重症患者常发生的ARDS，继而发展为MODS，也为Moore等未能检测到门脉循环中的微生物移位提供了令人信服的解释。因此，Deitch教授的研究团队设计了一系列优秀的合适的研究来检验这一假设：肠源性脓毒症和远隔器官损伤是由肠道淋巴系统携带的肠源性因子介导的，而不是由门静脉介导的。
在模拟ICU严重损伤危重患者临床情况的创伤/失血性休克实验动物模型中，他们发现结扎肠主淋巴管可阻止肠淋巴进入体循环，从而预防早期肺损伤和MODS。体外研究表明，休克动物的肠系膜淋巴液导致中性粒细胞活化、心肌细胞和内皮细胞损伤以及红细胞功能障碍。此外，将休克动物的肠系膜淋巴液注射到健康小鼠或大鼠体内，可诱发全身脓毒症状态，引起ARDS和MODS。当从休克动物的门脉血中检测时，在体外和体内均未观察到这些损伤效应。休克实验动物模型的肠系膜淋巴液分析显示，淋巴液中未检测到内毒素或细菌DNA，而一项有关ICU患者胸导管淋巴液的临床研究也获得了相同的结果。对淋巴液中生物活性因子的确切性质进行的更详细的研究表明，非微生物和非细胞因子因子充当危险信号(危险相关分子模式- DAMPs)，并以类似于细菌的方式通过刺激Toll样受体-4和可能的其他模式识别受体(PRR)来发挥其不利的全身效应。考虑到以上主要的实验证据，Deitch于2006年提出了肠源性脓毒症和MODS的“肠-淋巴”理论(危重患者肠源性脓毒症发病机制理论的演变如图1所示)。根据这一理论，危重创伤或脓毒症患者的肠屏障功能完整性发生结构和功能紊乱，导致肠道通透性增加。三打击模型促进肠屏障损伤；第一个打击是内脏低灌注或缺血，第二个打击是复苏过程中恢复肠道血流导致缺血再灌注损伤，第三个打击是肠屏障功能的丧失，腔内细菌、内毒素或两者可以穿过黏膜屏障。细菌移位可首先激活局部肠道炎症反应，即使移位的细菌和PAMPs被困在肠壁或肠淋巴结内，没有到达体循环。这种肠道炎症反应的结果是产生有毒和炎症物质，这些物质通过肠系膜淋巴管进入全身循环。这些损伤性生物分子(DAMPS)被固有免疫系统中携带PRR细胞识别，包括巨噬细胞、白细胞、树突状细胞以及血管细胞、成纤维细胞和上皮细胞，从而促进促炎和促纤维化通路。在系统释放足够大的情况下，其结果是促进多个器官的器官损伤，发展为MODS，进一步加重肠屏障损伤，导致恶性循环(图2)。随着脓毒症和MODS的“肠-淋巴”理论的演变，我们已经从经典的“全身BT”观点（这意味着细菌和/或其产物扩散到体循环和其他正常情况下无菌的肠外部位，解释微生物相关的促进全身炎症反应）到新的病理生理学评估，强调肠屏障功能衰竭和随后的“局部BT”，作为一系列事件的第一步，最终导致肠道成为驱动重症患者MODS相关全身炎症反应的主要促炎器官。
图1危重患者肠源性脓毒症发病理论的演变：肠屏障功能障碍和肠道通透性增加与多器官功能障碍综合征(MODS)的发生相关。最初的理论认为，致病-遗传联系是肠道微生物和/或其产物通过门静脉转移到肝脏和体循环，但没有得到临床资料的证实。目前的发病机制主要基于实验证据，支持肠淋巴学说，即肠道微生物和/或其产物进入肠黏膜下层，激活肠道的免疫防御系统。肠道促炎反应进一步加重肠道损伤，危险相关分子模式(DAMPs)在肠系膜淋巴管中释放，并被带到肺和体循环。肠道成为一个关键的促炎器官，通过释放DAMPs，甚至在不需要全身性细菌移位的情况下，促进对远隔器官的有害作用。
图2危重患者肠源性脓毒症和多器官功能障碍综合征(MODS)的病理生理：内脏低灌注、复苏时缺血/再灌注损伤和禁食通过氧化应激介导机制促进肠道损伤。氧化应激促进肠上皮细胞凋亡，破坏细胞间紧密连接，增加肠道通透性。肠道细菌、内毒素或两者穿过黏膜屏障，与肠道免疫系统相互作用，导致促炎反应，进一步加重肠道屏障功能障碍(第1个恶性循环)。肠黏膜损伤的结果是，损伤性生物分子(危险相关分子模式- DAMPs)被释放到肠系膜淋巴管，被带到肺，随后进入体循环。这些物质被固有免疫系统的模式识别受体(PRR)细胞，包括巨噬细胞、白细胞、树突状细胞，以及血管细胞、成纤维细胞和上皮细胞识别，并促进促炎通路(全身炎症反应综合征-SIRS)和多器官功能障碍(MODS)。这种全身性炎症反应进一步加重肠屏障损伤，形成第二个自我维持且可能致命的恶性循环。
生物标志物在危重患者肠屏障功能障碍中的作用
考虑到以上分析的病理生理学，我们迫切需要可靠且易于应用的肠屏障完整性生物标志物，以帮助重症医师识别肠屏障功能障碍患者发展为MODS的风险。一些临床研究聚焦于无创生物标志物在评估ICU肠屏障功能障碍中的潜在效用。由于肠道通透性的主要决定因素是由紧密连接的单层上皮细胞组成的肠道机械屏障，因此在ICU中评估了肠上皮细胞和肠上皮细胞完整性的血浆生物标志物。最近在这一研究领域的一篇系统综述强调了两种肠细胞完整性生物标志物的潜在作用。血浆瓜氨酸是功能性肠细胞数量的指标，血浆或尿肠脂肪酸结合蛋白(I-FABP)是肠细胞损伤的标志物。多项研究表明，这两种标志物与危重患者肠道通透性、内毒素血症、系统性炎症甚至预后相关。另一项初步研究表明，血浆连蛋白 (TJs的完整性和通透性的调节因子)在TJs功能障碍的血浆中增加，作为脓毒症ICU患者肠道屏障功能衰竭的生物标志物发挥积极作用。目前，这些生物标志物的局限性阻碍了其广泛的临床应用。它们的测定耗时且不能实时获得，其预后价值的阈值尚未建立，并且需要关于它们的动力学(半衰期、代谢和清除)的更详细数据。
治疗方法
旨在预防或限制危重患者BT过程的治疗方法可分为两大类；(a)旨在保持肠道正常微生态和/或抑制致病菌增加的生长和粘附于肠上皮的治疗，这是细菌移位过程的第一步(选择性消化道去污染- SDD，益生菌/益生元/合生元)和(b)旨在增强肠上皮屏障完整性和/或预防肠道损伤的治疗(早期复苏，肠内营养，免疫营养，和抗氧化剂)。
选择性消化道去污包括使用口服不可吸收的抗生素加短疗程的全身性抗生素，针对致病性革兰阴性需氧肠道细菌，对共生厌氧菌的作用很小。抑制致病性肠道细菌过度生长有望限制细菌移位以及肠道源性感染和脓毒症。SDD一直被证明可以减少ICU患者的感染和呼吸机相关性肺炎(VAP)。一项包括2762例手术和3165例非手术患者的整群随机多中心试验还表明，接受SDD的患者具有生存优势。关于SDD和SOD策略的比较，在荷兰13个重症监护病房(5,927例患者)开展的一项大型开放标签、整群分组随机交叉研究显示了两种治疗在感染率和死亡率方面具有相当的效果，同时抗生素耐药病原体的定植水平较低。
使用益生菌、益生元和合生元维持肠道微生物群是另一种治疗方案。益生菌是活的非致病性微生物，通过促进健康的肠道微生物群，充分证明了其有益健康的作用，益生元是促进有用细菌生长的特定植物纤维，合生元是两种的组合。益生菌作为一种降低择期腹部大手术患者术后感染率的措施，已被广泛测试，并获得了阳性结果。然而，一项随机对照试验的结果表明，在重症急性胰腺炎患者中预防性使用胰岛素的价值后，科学界对其广泛使用提出了重要的质疑。益生菌不仅未能减少感染性并发症，而且还将死亡率从6%增加到16%。在ICU危重患者中，益生菌被证明可将VAP发生率降低40%，但未显示出生存获益。一项包含72例多发伤患者的随机临床试验表明，合生元可降低血流感染导致脓毒症的风险和鲍曼不动杆菌引起的VAP的发生。考虑到这些相互矛盾的结果，益生菌的使用似乎需要仔细选择候选患者，以应用希波克拉底誓言“首先不伤害”。对于病情稳定的患者，在肠道屏障完整性发生任何损害之前，如在术前预防性使用，以减少术后感染，是合理的。相反，在已经出现肠道损伤和肠道通透性增加的危重患者中使用益生菌可能使这些患者易于发生益生菌菌株移位，从而促进全身炎症反应，恶化患者的临床状态。
肠道低灌注被认为是导致危重患者肠道损伤和肠屏障功能障碍的关键主动事件。肠道充足血液供应的减少会引起几种与黏膜屏障破坏相关的损伤效应，并且这种损伤在再灌注期间通过氧化应激介导的机制进一步加重。肠上皮细胞凋亡增加、增殖反应降低和紧密连接完整性丧失是与肠屏障功能障碍相关的最重要的细胞改变。因此，早期复苏以维持血管内容量和心输出量是关键的治疗。传统的积极补液疗法受到了挑战，因为早期证据支持平衡、限制补液和早期使用血管升压药，预计这些药物可减轻高血容量状态引起的肠黏膜水肿，但在就此问题得出任何结论之前，需要更多试验。为了预防氧化应激相关的再灌注损伤，已经开展了一些抗氧化容量复苏疗法的研究，并取得了积极的结果。
肠道有特定的营养需求，以保持其正常的结构和功能。实验和临床研究表明，剥夺消化道的食物营养及其相关的胃和胰胆管分泌物可导致黏膜萎缩，损害肠屏障的完整性，从而促进细菌移位。与全胃肠外营养相比，肠内营养与重症急性胰腺炎患者的感染性并发症、SIRS、MODS发生率和死亡率降低相关。最近的一项荟萃分析纳入了18项随机对照试验，共计3,347例危重成年患者，结果显示肠内营养在感染并发症和ICU住院时间方面优于全肠外营养，但在死亡率方面没有观察到差异。
术语“免疫营养”是指可调节对手术或危重疾病的代谢和炎症反应并增强免疫功能的药理学活性营养素(药理学营养素)的肠内或肠外实施。肠内免疫营养是指在肠内营养中加入这些特异性免疫调节底物，直接补充肠上皮细胞，防止肠屏障损伤的基本营养成分。研究最充分的免疫营养素是谷氨酰胺、精氨酸、ω-3脂肪酸、γ-亚油酸和核苷酸。这些营养成分已被证明对肠黏膜具有多种作用，包括增殖、抗凋亡、抗氧化和抗炎作用，从而增强肠屏障的机械(肠细胞和紧密连接)和免疫完整性，防止BT。这些积极影响主要来自于胃肠癌择期手术的动物研究和临床研究，而在危重患者中，证据一直存在争议。虽然早期对ICU患者进行的单中心研究显示了一些临床益处，但最近的多中心试验显示，在死亡率或其他临床终点方面并无益处，甚至有负面影响。一项大型随机试验纳入了加拿大、美国和欧洲40个重症监护病房(ICU)的1223名危重成人患者，结果表明，在多器官衰竭的危重患者中早期使用谷氨酰胺与死亡率增加相关。
由于氧化应激已被证明是导致危重患者肠道损伤的关键因素，抗氧化剂逆转肠屏障功能障碍的治疗试验似乎是合理的。然而，在这一患者人群中补充抗氧化剂的临床研究显示了不一致的结果。2012年，一项荟萃分析分析了所有关于微量营养素和抗氧化剂作为药物对危重患者临床结局影响的随机临床试验，结果显示，大剂量的肠外硒可降低死亡率，尤其是死亡风险高的患者。后来的两项使用抗氧化剂组合的大型随机对照试验未能显示抗氧化剂对ICU患者的临床结局有任何益处。另一方面，最近一些关于严重脓毒症患者使用高剂量硒的荟萃分析显示，使用硒可以使患者28天生存获益。显然，根据上述结果，不能就危重患者使用抗氧化剂提出任何循证建议。这些相互矛盾的发现可以从抗氧化剂的不同剂量或组合、患者疾病的不同阶段或免疫功能(例如脓毒症的过度炎症或免疫麻痹阶段)来解释。我们认为，我们可能应该重塑我们对氧化应激的信念，将其视为细胞和组织损伤的有害介质。活性氧也是调节细胞信号通路的重要分子。抗氧化剂在危重疾病中的阴性结果可能是由于调节宿主对严重感染的有效防御的正常信号传导过程被破坏。
结论
肠道是脓毒症和重症患者MODS的动力，但肠道这一关键作用的病理生理学解释随着时间的推移发生了变化。内脏低灌注和肠道微循环障碍是导致肠道损伤和屏障功能破坏的关键第一步。肠道微生物进入肠道黏膜下层，激活肠道免疫防御系统。肠道促炎反应进一步加重肠道损伤，DAMPs在肠系膜淋巴管中释放，随后进入体循环(图2)。这是促进与MODS相关的全身炎症反应的第二个关键步骤，无论肠道微生物或其产物是否移位至肠道或肠系膜淋巴结之外。因此，在危重患者中，肠道作为促炎器官发挥着关键作用，驱动与MODS相关的全身炎症反应。在这方面，我们已经达到了一个临界点，在我们的医疗中，我们应该强调肠道在ICU患者临床结局中的重要作用。这一方向迫切需要敏感、无创、易于测量的早期肠损伤生物标志物，以指导早期血流动力学或药物干预，恢复或预防肠屏障功能障碍。我们应加强这一领域的研究，并进一步测试有前景的生物标志物(如瓜氨酸、肠脂肪酸蛋白和连蛋白)，以克服其目前的局限性，使其易于用于临床。重症监护医师还应重视危重症患者肠道损伤的预防，通过选择性肠道去污、早期血流动力学复苏预防脏器-微循环障碍、肠内营养改善微循环、预防黏膜萎缩以及为肠细胞提供重要营养等已被证实的治疗策略。总之，希波克拉底的名言“所有的疾病都起源于肠道”似乎在2000多年后对危重患者来说尤其正确。
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