手术是多种结直肠疾病的主要治疗手段。手术及围手术期处理（如术前禁食、机械性肠道准备、抗生素的使用）可改变肠道菌群的构成和功能。肠道菌群失调可增加术后感染、胃肠功能失调、吻合口漏及疾病复发等风险。本文探讨了结直肠外科围手术期干预对肠道菌群的影响及其作用机制，为围手术期的微生态干预提供新的视角及理论依据。
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人体肠道中定植着数量巨大的微生物，肠道微生物与宿主的相互作用形成了稳定的微生态环境，对维持机体的正常生理功能具有重要意义。结直肠手术是肠道肿瘤、肠道炎性病变等多种消化道疾病的主要治疗手段。随着手术技术、器械以及围手术期处理的进步，近些年结直肠手术的疗效得到明显提高[1]。然而，术后感染、吻合口漏及术后疾病复发等情况依然困扰着结直肠外科医生。随着测序技术以及培养方法的提高，近年来外科治疗与肠道微生态的关系也逐渐被揭示[2]。目前研究认为，结直肠外科围手术期的处理可改变肠道微生态的动态平衡，术后肠道微生态的紊乱也与术后恢复密切相关。术后肠道微生态紊乱的延续，短期内可增加术后感染等风险，影响胃肠道功能的恢复，远期还可导致术后疾病复发[3]。
由于肠道中含有大量的病原微生物，而这些病原微生物可能增加术中或术后发生感染的风险。因此，在大多数结直肠相关手术前会进行相应的肠道准备，包括禁食、机械性肠道准备和抗生素的使用等。这些操作会对肠道菌群产生直接显著的影响，除了可减少病原微生物的定植外，也会导致肠道菌群在组成和功能上的改变，也可清除大部分肠腔菌群，仅保留黏膜相关细菌[4,5,6]。静脉使用抗生素可进一步对肠道菌群进行筛选，而手术操作对菌群的组成和功能的影响则是最为严重的[6]。
人体内肠道菌群会随着饮食的改变而发生变化。尽管目前禁食对人体肠道菌群的影响鲜有报道，但在不同动物模型中已有研究。禁食可导致小鼠体内厚壁菌门的丰度下调，而拟杆菌门和疣微菌门的丰度则上调[4]。而长期禁食也可改变犬类空肠菌群，导致β变形菌纲和拟杆菌属丰度上调[7]。此外，禁食时间的长短也会对肠道菌群造成影响。禁食16 h可导致小鼠肠道中艾克曼菌属（Akkermansia）丰度增加，而下调另枝菌属（Alistipes）的丰度[8]。禁食对于患者术后远期的影响尚不清楚，仍需更多的研究。
目前临床上广泛使用聚乙二醇对患者进行术前肠道准备。然而，机械性肠道准备可导致中重度肠道黏液层的缺失，改变肠道菌群结构，造成肠道菌群多样性的下降，从而增加机会致病菌增殖的风险。目前已有大量研究探讨机械性肠道准备对肠道菌群的影响。机械性肠道准备可上调变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes），在科水平上可导致乳杆菌科（Lactobacillaceae）的下调和肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的上调[3]。革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的比例也会发生显著性改变。机械性肠道准备还可破坏肠道的厌氧环境，引起变形菌门相关细菌的增加。见图1。而且，机械性肠道准备还会进一步改变肠道酸碱度，影响短链脂肪酸等细菌代谢产物的产生，从而减少保护性菌群的定植[5]。为了减少机械性肠道准备对于肠道菌群的影响，研究发现使用两次剂量的肠道清洗比单一剂量对肠道微生物群的影响更小，菌群恢复的时间也较短，可能更适合临床应用[5]。
结直肠外科手术常涉及肠道的切除与重建，手术操作对肠道菌群的影响较术前肠道准备显得更为关键，可使肠道微生态发生剧烈的改变。
动物模型的研究发现，大鼠行结肠切除后，黏膜上的肠球菌属（Enterococcus）的丰度增加500倍，肠杆菌属（Escherichia）则增加200倍[12]。小鼠行小肠切除后，回肠菌群的改变可持续到术后90 d[13]。这些研究表明肠切除术对肠道菌群所造成严重的改变。在小肠移植的患者中也发现，肠腔定植的细菌主要为乳酸杆菌（Lactobacilli）和肠杆菌（Enterobacteria）等兼性厌氧菌，而拟杆菌和梭状芽胞杆菌（Clostridia）等绝对厌氧菌丰度则明显下降[14]。见图1。在回肠造口的患者中也有类似的改变，造口回纳后肠道菌群又得到恢复。这是由于回肠造口改变了远端回肠的厌氧环境，从而改变了肠道菌群结构[14]。因此，结直肠外科手术过程中，厌氧的肠道环境暴露于空气后，破坏了肠道中原本的厌氧环境，进而引起菌群结构的改变。
此外，肠道组织的短暂缺血也可引起肠道菌群的改变。通过阻断大鼠的肠系膜上动脉构建缺血再灌注模型，发现回肠及结肠中肠杆菌丰度上调而乳酸杆菌丰度下降[15,16]。短暂缺血引起的肠道菌群组成的改变可导致肠道组织的破坏，而加用双歧杆菌（Bifidobacteria）等益生菌可减轻缺血再灌注所造成的肠道损伤[17,18]。
除了肠道肿瘤外，炎性肠病也常需手术干预。研究发现，克罗恩病术后3年累积复发率为50%，术后6个月内镜下的复发率为39%~84%，术后1年内镜下复发率为58%[19]。回顾性研究发现，系膜扩大切除可明显降低克罗恩病术后的再手术率[20]。而临床病理也发现，病变肠段的系膜出现脂肪组织的异常肥厚，提示系膜组织在克罗恩病发生发展中的重要作用[21]。进一步的研究发现，克罗恩病患者病变系膜组织中存在着易位的细菌，而这些易位的细菌可促进脂肪细胞分泌多种炎性因子，其中分泌的C反应蛋白与患者血清中C反应蛋白的升高相一致[21]。因此，手术扩大切除病变系膜，可能是通过降低系膜定植的病原微生物，从而降低术后克罗恩病的复发。
结直肠术后患者的恢复，同样也伴随着肠道微生态结构及功能的恢复。虽然术前准备及手术操作对肠道菌群造成了不同程度的扰动，但这些因素对肠道菌群的影响只是短暂的。研究发现，创伤后6 h肠道微生态便开始恢复[15]。见图1。然而，肠道菌群重建的不充分将会增加术后并发症发生的风险，包括术后感染、肠道功能障碍、吻合口漏，远期还会增加疾病复发的风险。
术后感染是最为常见的术后并发症。目前认为肠道细菌是术后感染的主要来源。研究发现，术后病原微生物γ变形菌纲的丰度显著性上调，其中包括大肠杆菌、铜绿假单胞菌和粪肠球菌，这些细菌的丰度的升高可增加术后感染的风险[22]。而在小鼠术后模型中发现，术后使用乳酸杆菌可有效抑制金黄色葡萄球菌的感染[23]。通过益生菌、益生元等手段调整肠道菌群的结构，抑制术后感染的发生，可有效促进术后伤口的愈合[24]。
肠切除和消化道重建可影响肠道的正常功能，轻者可导致营养吸收不良，严重的可出现肠梗阻。其中，因围手术干预而改变的肠道菌群也可影响肠道功能的恢复。致病性的大肠杆菌可通过分泌脂多糖损害结肠平滑肌细胞的收缩能力[25]。而一些肠道的共生菌，如多形拟杆菌（B.thetaiotaomicron）可调控多种基因表达，从而改善平滑肌功能和增加神经递质[24]。肠道菌群的重建可加速肠道功能的恢复，而菌群失调却促进了病原微生物的定植，从而影响肠道蠕动能力的恢复。有研究发现，益生菌大肠杆菌Nissle 1917（Escherichia coli Nissle 1917）可通过直接刺激平滑肌细胞促进肠道的收缩功能[26]。见图2。小样本临床研究结果显示，术前给患者补充乳酸杆菌和双歧杆菌，可缩短术后肠道功能恢复的时间[2]。
临床研究表明，结直肠切除术后吻合口漏发生的概率为3%~20%，低位直肠或结肠肛门吻合口漏的发生率更是高达24%[27]。研究发现，大鼠结肠吻合口附近肠黏膜相关的肠球菌属和肠杆菌属显著性上调[11]。进一步通过构建大鼠的结肠切除模型发现，吻合口周围组织存在的粪肠球菌（E.faecalis）具有较高的胶原酶活性，可降解胶原蛋白并激活基质金属蛋白蛋-9，导致吻合口漏的发生[28]。粘质沙雷氏菌（S.marcescens）也具有高的胶原溶解活性，可介导术后的吻合口漏[29]。此外，铜绿假单胞菌（P.aeruginosa）也增加吻合口漏发生的风险。在动物模型中证明，术前放疗合并铜绿假单胞菌感染可促进大鼠吻合口漏的发生，这可能由于放疗所造成的mexT基因多态性，导致铜绿假单胞菌表型发生改变，使其具有更强的侵袭性、胶原溶解性和细胞毒性[30]。见图2。进一步的机制研究还发现，失调的肠道菌群可通过作用于细胞外基质上的整合素α2β1或层粘连蛋白332，抑制Rac1的表达，从而抑制上皮细胞的迁移和修复能力[31]。而术前低脂高纤维饮食也可上调拟杆菌门，下调具有胶原酶活性的肠球菌属，促进小鼠肠吻合口的愈合[32]。术后口服多磷酸盐也可通过抑制粘质沙雷氏菌和铜绿假单胞菌的胶原酶活性，从而抑制吻合口漏的发生[29]。
除了肠道致病菌的增加外，肠道共生菌的减少也可能增加肠吻合口漏发生的风险。乳酸杆菌可通过FPR信号通路刺激上皮细胞分泌ROS，从而促进上皮细胞迁移和恢复[33,34]。艾克曼菌属也可通过激活FPR1或NOX2受体促进上皮细胞的迁移和增殖[35]。若这些具有保护功能的细菌在肠吻合口附近组织中的丰度较低，会增加术后肠吻合口漏发生的风险。一个小规模的临床研究通过术后使用益生菌或益生元，可减少手术部位感染以及吻合口漏的发生[36]。
结直肠癌术后局部复发率为1%~23%，复发部位多在吻合口周围[27]。大量研究表明，吻合口漏与结直肠癌患者术后局部复发的增加和无病生存的降低密切相关[37]。具有胶原酶活性的粪肠球菌不仅可以影响吻合口的愈合，还可以通过GelE/SprE依赖的通路激活巨噬细胞，增加脱落肿瘤细胞的侵袭能力，促进脱落肿瘤细胞的迁移和定植，从而介导肿瘤的复发[38]。见图2。小鼠研究也发现，高脂饮食可促进具有胶原酶活性的粪肠球菌和奇异变形杆菌（Proteus mirabilis）在吻合口的定植，与肿瘤复发密切相关[39]。虽然抗生素可减少胶原酶活性细菌的定植，却同时促进了具有胶原酶活性的近平滑假丝酵母菌（Candida parapsilosis）的定植[39]。在失调的肠道菌群环境中，一些细菌失去了共生菌的竞争性抑制后，可向致病菌转变，这些肠道菌群的转变还可进一步改变肠道的免疫微环境，从而诱发局部的炎性反应，促进脱落肿瘤细胞的定植与肿瘤复发[40]。此外，研究还发现，具核梭杆菌（F.nucleatum）和脆弱拟杆菌（B.fragilis）是结直肠癌患者预后不良的标志，这两种肠道细菌还与具有降解和重塑细胞外基质功能的基质金属蛋白酶-9水平的升高密切相关，这也提示肠道菌群失调可增加肿瘤细胞侵袭转移的风险[41]。
在克罗恩病中的研究还发现，肠道黏膜相关菌群中变形杆菌门的增加和厚壁菌门的减少，与克罗恩病患者术后内镜下复发密切相关[42]。因此，通过调节肠道菌群的结构，加快肠道微生态的重建，可降低结直肠手术后疾病复发的概率，但其中的因果关系，仍需要进一步的验证。
术前新辅助化疗以及术后辅助化疗都是结直肠外科治疗中的重要环节。研究发现，大肠杆菌的代谢物可影响宿主对不同化疗药物的反应[43]。同时，肠道菌群的多样性与程序性死亡受体-1（programmed death protein-1，PD-1）治疗的敏感性密切相关[44]。利用PD-1敏感患者的粪便对小鼠进行粪菌移植，可以增加小鼠肿瘤模型对PD-1治疗的敏感性[45]。而具核梭杆菌可介导结直肠癌患者对氟尿嘧啶和奥沙利铂等化疗药物的耐药[46]。在炎性肠病的前瞻性队列研究中也发现，克罗恩患者肠道菌群及相关代谢物可用以预测抗肿瘤坏死因子-α治疗的疗效[47]。因此，关注化疗患者肠道菌群的变化，靶向化疗耐药或敏感菌群，制定有效的化疗方案，是一个可以提高术前及术后化疗疗效的有前景的策略。
结直肠外科围手术期的多种干预对肠道菌群的构成和功能都带来不同程度的影响，患者术后的恢复也离不开肠道微生态的重建，肠道菌群失调的延续与多种术后并发症的发生也密切相关。虽然结直肠外科手术与肠道菌群改变的关系已有阐述，但其中的因果关系及作用机制尚不明确，仍需完善的临床队列研究及进一步的基础研究加以证实。尽管如此，针对围手术期患者的微生态治疗已初见疗效。基于微生态疗法，维持术前肠道菌群稳态，降低关键病原微生物的定植，强化共生菌或益生菌的作用，加快术后肠道菌群的重建，可有效减少术后并发症的发生，促进患者术后恢复，从而提高结直肠外科手术的治疗效果。
所有作者均声明不存在利益冲突
