既往研究表明，肠道微生物与炎症、免疫失调和肿瘤疾病的发生密切相关，此外，2型糖尿病、肥胖症和神经、精神疾病的发生也与肠道微生物有关^[1]。目前关于肠道微生物在化疗和免疫治疗引起的黏膜炎发病中的作用已有相关研究进行阐述，其通过对T细胞分化调节、免疫信号通路、基因表达、表观遗传等多个层面影响癌症发生、进展和治疗应答，但对于电离辐射与菌群失调、肠道微生物与电离辐射诱导的肠损伤的关系尚未有明确的结论。本文将结合已有的临床前研究证据，阐述放疗后肠道微生物变化特征以及肠道菌群失调在放射性肠损伤发病机制中的作用，探讨靶向调节肠道微生物组成和结构，防治电离辐射引起的肠道不良反应这一干预手段的可能性。

人体内有大量细菌、古菌、病毒和单细胞真核生物，70 kg的正常人体内约有10¹⁴个细菌，超过人体细胞数量的10倍^[2]。最新的一项大型研究表明，人类肠道微生物群由35 000多种细菌组成^[3]。从胃肠道的近端到远端，细菌数量逐渐增多，不同部位的细菌组成也存在差异。此外，肠腔内和黏液层的细菌构成也不相同。既往研究表明，人体内的细菌在门种水平上基本保持一致，拟杆菌门和厚壁菌门为主要优势菌群，不同个体可能存在组成比例的差异，但在门以下的种属水平上，菌落组成的个体间差异则非常大^[2]。

聚集在肠道黏液层的肠道细菌与宿主的全身免疫及肠黏膜免疫系统密切相关。效应和调节性T细胞的产生受到肠道微生物群的影响，并依赖于肠道微环境中发现的各种细胞因子的作用。肠道细菌生成的短链脂肪酸(SCFAs)可促进T细胞分化为效应T细胞，如Th1和Th17细胞，也可促进抗炎性的白介素10(IL-10)调节性T细胞生成^[4]。炎性Th17细胞的生成可能与拟杆菌门与其他菌落之间的相互作用有关^[2]。有研究表明，脆弱拟杆菌及其表面抗原(PSA)可通过IL-12/Stat-4信号通路改善无菌小鼠的免疫抑制，促进CD4+细胞的大量生成^[5]。此外，肠道菌群还参与减弱菌群抗原的免疫原性和调节宿主免疫应答来形成条件性免疫耐受，从而维持宿主与肠道共生菌的促炎与抗炎性免疫调节的平衡，并促进抗微生物肽的生成和拮抗病原菌入侵，从而发挥保护作用。肠道菌群与正常的肠道功能形成密切相关，可能通过促进微血管形成，以及影响参与肠神经系统的宿主因子的转录调节肠蠕动功能^[6]。此外，还能通过加强细胞连接增强肠屏障功能，有研究表明多形拟杆菌可诱导桥粒连接中重要的sprr2a的表达，上皮绒毛中sprr2a表达增加，表明其在屏障维持中发挥作用^[7]。共生细菌还可调节ZO-1蛋白的重新分布，保持紧密连接的完整性^[8]。

1. 电离辐射改变肠道菌群结构：大量临床研究表明，放疗后患者肠道菌群结构发生改变，肠道菌群α多样性减低，人体内的主要菌群厚壁菌门和拟杆菌门减少，变形杆菌、梭菌属、大肠杆菌、葡萄球菌、链球菌等增加^[9-11]。研究表明，人和小鼠辐射后微生物改变的共同特征是辐射前期拟杆菌属丰度减少，厚壁菌属较高，拟杆菌属与厚壁菌属比例降低可作为辐射早期的典型变化特征，但慢性肠病期相关细菌的变化可逐渐恢复，表明肠道细菌在放射损伤期间呈现动态调整的变化，厚壁菌门的乳杆菌属和疣菌门的阿克曼菌属在辐射后6周丰度显著增加，这可能与放射性肠损伤的恢复有关^[12]。有体内研究结果表明，与放化疗不良反应相关最显著的肠道微生物变化是拟杆菌和肠杆菌科的增加，以及双歧杆菌、乳杆菌和梭状芽胞杆菌簇XIVa的减少^[13]。

关于电离辐射引起肠道菌群组成改变的具体机制尚不明确，可能与氧化应激和炎症微环境形成有关。相关研究表明，高剂量放疗导致小鼠肠道上皮细胞大量损失，上皮细胞产生的α-防御素可以防止肠道中分段丝状菌过度生长，因此上皮细胞丢失导致分段丝状菌过度生长^[14]。研究表明，分段丝状菌与丙酸杆菌UF1、梭状芽孢杆菌、双歧杆菌、瘤胃球菌和拟杆菌等可特征性诱导Th17生成，Th17细胞产生的粒细胞-单核细胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor, GM-CSF)和IL-17A可以促进中性粒细胞的浸润和活化。辐射损伤导致杯状细胞丢失，黏液层破坏，共同导致辐射后肠道内氧化应激微环境的形成，氧化应激条件不利于大多共生厌氧菌，如乳杆菌等存活，大肠杆菌适应有氧环境得以增殖，导致细菌失调^[7]。

电离辐射损伤也可直接破坏肠上皮屏障，导致细菌易位。既往对接受腹部放疗小鼠的组织和细胞病理改变分析发现，放疗引起肠道杯状细胞减少，肠绒毛脱落，肠隐窝干细胞增殖能力受损，从而导致肠上皮-黏膜屏障功能受损，肠道通透性增加，继而导致细菌易位。易位细菌在作用于固有层免疫细胞时，可激活固有免疫，此外易位细菌的细菌壁抗原可导致促炎转录因子的二次过度上调，巨噬细胞长时间激活和诱导还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate, NADPH)氧化酶表达，引起氧自由基分泌增加，进一步导致菌群失调，加重组织破坏。易位细菌还可通过模式识别受体直接刺激邻近的间充质细胞，从而增强免疫细胞的激活^[15]。电离辐射引起肠通透性增加是否存在氧化应激条件下下游细胞因子的作用尚不明确，相关研究表明肠屏障功能和细胞旁通透性受细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)表达调节，P38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase, MAPK)激活可导致上皮屏障崩解，在不发生细胞死亡或屏障完整性受损的情况下，蛋白酶C(protein kinase C, PKC)参与的信号通路能显著增加上皮细胞间大分子交换^[16-19]。研究表明，植物乳杆菌能通过提高紧密连接蛋白，如闭合蛋白、ZO-1蛋白活性来增强肠上皮屏障功能，婴儿双歧杆菌可通过增加闭合蛋白-4、ZO-1表达水平，降低闭合蛋白-2表达水平改善肠屏障功能，闭合蛋白1、4、5、7、8、14可减少阳离子通透性，闭合蛋白2、16则会增加通透性^{[18, 20]}。

2. 肠道菌群失调加重放射性肠损伤：相关研究表明，肠道微生物组成可影响放射性黏膜不良反应的严重程度^[21]，微生物群结构破坏可能是肠道炎症的原因或后果。放疗引起肠道菌群改变，厚壁菌门和拟杆菌门等主要共生菌减少将导致肠上皮屏障抵抗有害菌的能力减弱，进一步激活前炎症信号通路，加重放射性肠炎。

肠道微生物群在黏膜和全身免疫反应的发展和调节中起着关键作用。肠道细菌的主要代谢产物短链脂肪酸(short chain fatty acid, SCFA)可以增强屏障免疫，阻断肠屏障受损后的持续性细菌侵入^[22]。肠道菌群及SCFA，以乙酸盐、丙酸盐、丁酸盐为主，可通过表观遗传学调控和代谢调节影响T细胞生成和分化^[23]。肠道免疫平衡的丧失可能与肿瘤发生风险增加、治疗相关的肠道不良反应增加有关^[24]。放疗不良反应的发生与免疫信号通路，主要是炎症反应有关^[25]。小鼠实验表明，电离辐射可引发肠道细菌的促炎性失调，核因子-κB (NF-κB)激活则可启动放射性黏膜炎中编码促炎细胞因子的基因转录^[26]。辐射导致的生物失调可引发黏膜细胞因子释放，尤其是IL-1β，从而加重黏膜损伤。一项放射性直肠炎模型小鼠的研究观察到辐射后微生物群增强了IL-1β和肿瘤坏死因子α(TNF-α)的表达。体外实验表明，失调肠道微生物群可对上皮细胞产生直接促炎作用，使IL-1β和TNF-α表达增加^[27]。移植了受辐射微生物群的小鼠与对照组相比，更易受辐射损伤，损伤作用可能由IL-1β介导，相关研究表明IL-1β可破坏紧密连接，加剧辐射小鼠的黏膜炎^[28]。

肠道共生菌也可通过调控电离辐射诱导的细胞凋亡反应影响辐射损伤不良反应的发生。相关研究表明，与无菌小鼠相比，野生型小鼠的肠道微生物群增加了间充质内皮细胞对全身照射诱导的细胞凋亡的敏感性。接受全身放疗后，无菌小鼠与野生型小鼠相比显示出较低的辐射敏感性，对致死性辐射有明显的抵抗性，存活时间更长，其作用机制可能与肠道共生微生物群对血管素样蛋白4(Fiaf-4)的抑制有关，研究表明，其缺乏会增强绒毛内皮细胞和淋巴细胞的辐射诱导细胞死亡^[29]。益生菌干预则可减轻辐射引起的组织损害。一项小鼠模型研究表明，辐射前给予有益菌的脂多糖(lipopolysaccharide, LPS)可通过诱导环氧化酶2(COX-2)和产生前列腺素发挥保护肠隐窝的作用，LPS与Toll样受体4(TLR4)结合，引起TNF-α释放，TNF-α与上皮下成纤维细胞相互作用产生前列腺素，可减少辐射诱导的上皮干细胞凋亡，发挥辐射防护作用^[30]。LPS也可通过激活NF-κB通路介导辐射保护，其机制可能与保护肠道免受辐射诱导的凋亡有关^[31]。

此外，肠道菌群失调还与放疗引起的机体代谢改变相关。一项多组学分析研究表明，放疗期间甘油磷脂代谢改变与小鼠放射性肠炎的发生存在高度相关性，功能分析表明，肠道菌群Dubosiella属和Alistipes属可能与疾病差异化脂质代谢显著相关，Dubosiella属在急性放射性肠炎降低，慢性放射性肠炎恢复，Alistipes属在急性期增加，慢性期恢复，均与17种脂质代谢产物变化有显著相关性^[12]。

综上所述，电离辐射作用于肠道组织细胞产生氧化应激反应可直接导致肠上皮细胞丢失，破坏肠上皮屏障的紧密连接、粘附连接和肌动蛋白细胞骨架。生成的大量活性氧(ROS)可损害肠隐窝细胞导致肠上皮修复受损，此外还可造成血管内皮损害，线粒体凋亡进一步触发下游炎症反应。但目前关于放疗引起肠道菌群相关变化是否影响射线暴露引起的组织细胞损伤研究较少。现有研究表明，放疗后肠道内菌群结构发生改变，菌群失调进一步促进下游炎症信号通路激活，易位细菌则可激活宿主异常免疫反应，因此，炎症反应和免疫调控可能成为菌群失调与电离辐射诱导的副反应相互作用的交叉事件。

1. 益生菌：多项小样本临床研究表明，放疗前益生菌补充干预能防治腹盆腔放疗引起的腹泻的发生和减轻腹泻的严重程度，并减少腹痛和抗腹泻药物洛哌丁胺的使用，但对洛哌丁胺的剂量无影响，也不能防止因腹泻导致的治疗中断，对放疗患者的预后也无益^[32-34]。益生菌干预的时间和剂量目前仍没有明确的临床研究证据，有研究表明，样本人群放疗前基线的肠道菌群组成也成为影响放射性肠炎的因素^[35]。一项系统性回顾研究表明，长双歧杆菌、嗜酸乳杆菌、短双歧杆菌、婴儿双歧杆菌和布拉酵母菌的组合可能是益生菌的良好组合，可有效降低化疗或放疗患者的黏膜炎发生率或改善其症状^[36]。鼠李糖乳杆菌已被证实可保护小鼠肠道上皮免受辐射损伤，其作用机制可能通过表面脂磷壁酸(LTA)与Toll样受体2(TLR2)相互作用，引起巨噬细胞释放CXCR4，作用于趋化因子CXCR12导致表达COX-2的巨噬细胞迁移至小肠隐窝干细胞周围，继而生成前列腺素E2(PGE2)，发挥抗炎和抗小肠干细胞凋亡的作用，从而抵抗辐射损伤^[37]。研究表明，PGE2可与质膜G蛋白偶联受体2(EP2)结合发挥放疗保护作用。普氏粪杆菌预防性干预可促进肠上皮细胞恢复，减轻放疗导致的细胞间高通透性，并减少结肠黏膜中的中性粒细胞浸润，从而减少氧化应激和下游炎症因子生成^[38]。在大鼠模型中，益生菌补充剂VSL3可以刺激结肠中黏蛋白2(MUC2)基因的表达和分泌，后者表达不足则可增加小鼠对辐射诱导的肠道炎症的易感性。益生菌补充还可减少细胞凋亡，提高肠隐窝细胞存活率。既往益生菌干预治疗腹盆腔放疗诱导的肠道不良反应的临床试验见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 益生菌干预影响腹盆腔放疗相关的肠道不良反应的临床试验 Table 1 Clinical trials on the effects of probiotic intervention on gastrointestinal adverse reactions associated with abdominopelvic radiotherapy 研究 终点事件 样本人群 益生菌 研究结果 Salminen等[39] 腹泻发病率减少 24例接受盆腔内外放疗的女性 发酵乳中的嗜酸乳杆菌 治疗期间和治疗后6周，试验组腹泻发生率减低 Delia等[33] 放疗引起的腹泻的发生减少，严重程度降低 490例腹部或盆腔癌症辅助放疗患者 VSL#3和对照组 各个程度的腹泻减少 Giralt等[40] 放疗引起的腹泻的发生减少，严重程度降低 85例宫颈或子宫内膜癌外放疗患者 Lactobacillus casei DN-114001和对照组 结果无显著差异 Chitapanarux等[41] 放疗引起的腹泻的发生减少，严重程度降低 63例接受盆腔外放疗同步予顺铂化疗的患者 Lactobacillus acidophilus+ Bifidobacterium bifidum和对照组 2~3级腹泻发生减少 Demers等[42] 放疗引起腹泻程度和腹痛减轻以及抗腹泻药物应用 246例盆腔肿瘤患者 L. acidophilus LAC-361和B. longum BB-536 治疗结束时放疗引起的腹泻减轻 Linn等[32] 放疗引起的腹泻发生率降低，抗腹痛、腹泻的药物应用减少 54例宫颈癌患者 L. acidophilus LA-5和 B. animalis subsp. lactis BB-12 放疗诱导的腹泻的发生和严重程度降低，对腹痛和腹泻治疗药物的应用减少

表 1 益生菌干预影响腹盆腔放疗相关的肠道不良反应的临床试验 Table 1 Clinical trials on the effects of probiotic intervention on gastrointestinal adverse reactions associated with abdominopelvic radiotherapy

2. 粪便菌群移植：相关研究表明，粪便菌群移植(fecal microbiota transplantation, FMT)对急慢性放射性肠病的防治均有益。一项小样本临床研究表明，粪菌移植可在一定时间内有效改善慢性放射性肠病患者肠道症状和黏膜损伤，但作用并不持久，因此持续进行治疗可能使患者受益，由于慢性放射性肠损伤呈进行性加重，在放射性肠病早期给予治疗可能使患者获益更多^[43]。粪菌移植可通过重塑放疗患者肠道菌群结构和肠道细菌代谢产物多链脂肪酸的作用保护机体抵抗辐射损伤。小鼠实验研究表明，FMT能够提高受辐射小鼠的存活率，改善胃肠道功能和上皮完整性，从而改善辐射诱导的胃肠道不良反应，并保留细菌菌群结构和宿主的mRNA和长链非编码RNA(lncRNA)表达谱，此外FMT能促进血管生成，且不会影响肿瘤生长，因此可能成为增强放疗敏感性、改善预后的保护性因素^[44]。目前粪便菌群移植面临的问题主要有供体的筛选成本、材料准备和给药等，已有的临床研究局限性包括样本数量不足、缺乏空白对照、无法确定患者症状和肠道微生物群的改善来自治疗结果还是代表疾病的自然过程等，尚需更多随机对照临床试验阐明其应用前景。

3. 短链脂肪酸和色氨酸代谢产物：多项研究表明，短链脂肪酸作为富含纤维的食物经肠道细菌代谢生成的产物，在保护机体抵抗辐射损伤过程中发挥重要作用。一项全身照射小鼠模型研究表明高剂量戊酸补充可提高辐射后小鼠存活率，恢复放疗损伤引起的结肠缩短和杯状细胞丢失，并显著提高参与维持肠道完整性的基因的相对表达，减轻肠通透性的增加，改善辐射引起的肠道结构和功能破坏，并保护肠道菌群组成^[45]。戊酸的放疗保护作用可能与角蛋白1(KRT1)作用有关。KRT的主要作用包括保护上皮细胞免受机械和非机械应力的影响，其他功能包括调节细胞信号和应激反应^[46]。一项对不受辐射影响的幸存小鼠的多组学分析表明，优势幸存小鼠粪便中微生物代谢来源的丙酸盐和色氨酸代谢产物浓度增加，这些代谢产物给药可产生长期的辐射保护作用，缓解造血和胃肠道辐射综合征，并减少促炎反应^[47]。另有临床前研究表明，色氨酸代谢产物口服给药可提高受照小鼠的生存率，防止体重下降，改善辐射引起的造血和胃肠道不良反应，且对肿瘤生长无影响^[48]。

4. 饮食调节：饮食调节可能因性别差异而发挥不同作用。有研究表明，予以30%热量限制饮食10 d后，接受全身照射的雌性小鼠肠道内促炎性细菌数量减少，而雄性小鼠体内产SCFA细菌则增多^[49]。而给予口服药物辛伐他汀和高脂饮食，则可分别改善雄性小鼠和雌性小鼠由辐射引起的肠组织损伤和胃肠道功能障碍，恢复辐射引起的菌群结构破坏，保持微小RNA (miRNA)表达谱不受影响，并分别重新编程雄性或雌性小鼠小肠中的mRNA表达谱^[50]。富含ω-3多不饱和脂肪酸的饮食则被证实可改善辐射引起的肠道菌群失调，增加有益菌如乳酸杆菌、双歧杆菌和丁酸盐产生细菌的种类，并可减少LPS和黏液分解菌生成，从而减轻炎症反应和氧化应激^[51]。有研究表明，电离辐射可引起小鼠肠道组织和细胞中维生素D受体(VDR)表达上调，肠绒毛长度和肠隐窝数量与维生素D受体表达呈正相关，表明VDR表达与肠损伤程度呈负相关。维生素D受体激动剂则可抑制辐射诱导的肠上皮细胞凋亡，减轻辐射引起的肠道干细胞损伤，并影响肠道干细胞增殖和分化，从而调节肠道干细胞辐射敏感性，促进辐射后肠上皮屏障修复，维生素D缺乏则会加剧辐射引起的肠道损伤，因此钙剂补充、高钙饮食可能对改善辐射引起胃肠道损伤产生有益作用^[52]。

综上所述，多项动物和临床研究表明，益生菌干预可有效减轻放射后肠道不良反应，其作用机制包括改善肠屏障功能、降低肠通透性、恢复肠道菌群组成、抑制炎症信号通路、增强细胞抗凋亡效应等。粪便菌群移植则可更有效补充肠道有益菌作用，并调控宿主相关mRNA表达，影响基因表达调控，但目前应用前景不明。近年来，相关研究表明肠道菌群代谢物与益生菌相比可发挥同样的放疗保护作用，且其具有稳定的活性形式，剂量和给药评价标准更具可行性，可能应用于更具前景的治疗方向。此外，饮食调节也可恢复肠道菌群结构，改善肠屏障受损和胃肠功能障碍，关于要素饮食防治放疗诱导的肠道不良反应尚缺乏更多临床研究证据。

电离辐射引起肠道菌群结构改变与放射性肠损伤可能互为因果，电离辐射破坏肠道微稳态，通过菌群失调介导下游促炎性免疫调节反应，反之形成氧化应激和炎症微环境则可加重肠道菌群失调，加重肠道微环境破坏。了解健康机体中肠道微生物与肠上皮-黏膜屏障的相互作用和肠道微生物参与放疗后机体代谢功能改变，以及免疫调节的具体机制，对进一步理解辐射损伤引起的肠道不良反应具有重要意义。

现有研究表明，宿主基因功能改变可能为基于肠道炎症反应的后果事件，关于肠道细菌与宿主相互作用调控基因表达转录的相关机制，目前缺乏更多实验研究阐述，采用宏基因组学研究等科研方法或许将有助于发掘更多潜在的靶向微生物治疗途径。通过补充益生菌、改善肠道菌群结构等靶向调节肠道微生物手段可有效改善急慢性放射性肠损伤，但菌群干预仍缺乏统一的标准，其安全性和有效性仍需更多临床研究进一步证实。

利益冲突  所有作者均声明不存在利益冲突

作者贡献声明  王婷星负责查阅文献及论文撰写；李京京、陈清清、李颖、施润君协助论文撰写；冀胜军指导论文修改