综述：多组学方法能否改善微生物过度生长综合征的诊断？

《Current Gastroenterology Reports》：Do Multi-Omics Approaches Improve the Diagnosis of Microbial Overgrowth Syndromes?

　　

综述目的：本综述探讨呼气试验（breath testing, BT）、小肠（small bowel, SB）培养、宏基因组学（metagenomics）、宏转录组学（metatranscriptomics）、转录组学（transcriptomics）和蛋白质组学（proteomics）的进展如何重塑小肠细菌过度生长（small intestinal bacterial overgrowth, SIBO）的定义和诊断。本综述还讨论了SIBO是否应被重新定义为更大的微生物过度生长综合征群体的一部分。

近期发现：近期研究识别出不同的氢气（H₂）、甲烷（CH₄）和硫化氢（H₂S）相关的过度生长表型，分别称为SIBO、肠道产甲烷菌过度生长（intestinal methanogen overgrowth, IMO）和肠道硫化物过度产生（intestinal sulfide overproduction, ISO）。小肠采样显示这些疾病涉及不同的微生物模式和功能活性、症状及宿主反应。定量鸟枪法宏基因组学（quantitative shotgun metagenomics）比培养提供更大的分类学和功能分辨率，而宏转录组学揭示活跃的微生物通路。此外，宿主转录组学和蛋白质组学有助于更好地理解不同小肠过度生长类型中主要微生物效应在宿主细胞机制中的作用。

总结：SIBO越来越多地被认为是一种微生物生态和功能紊乱，而非单纯的细菌数量问题。将BT与小肠采样和多组学方法相结合可能改善分类、阐明症状机制，并支持更个体化的治疗，尽管标准化方法和进一步的临床验证仍然是必要的。

**引言（Introduction）**

小肠细菌过度生长（small intestinal bacterial overgrowth, SIBO）作为一种疾病已被认识超过50年。早期的经典定义涉及腹泻、腹胀和其他符合吸收不良的症状，且常归因于医源性解剖改变，如盲袢综合征、胃窦切除术和Billroth II式术后等。随着新型呼气试验（breath testing, BT）、改进的培养技术、宏基因组测序及其他先进分子生物学技术的出现，学界对小肠（small bowel, SB）生态的理解已发生显著变化，目前" SIBO"这一术语已不足以涵盖其全部内涵。

**名为何物？识别小肠微生物组异常的诊断所面临的现代问题**

SIBO经典上被认为是结肠型菌群在小肠内的过度生长，这一推断导致结肠细菌迁移至小肠并大量繁殖的错误观念。改进的培养技术和下一代测序表明，SIBO主要为大肠杆菌（Escherichia coli）和肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）的积累，二者属于假单胞菌门（Pseudomonadota，原变形菌门），提示SIBO中的过度生长支持内在小肠细菌的作用。SIBO的定义仍具挑战性。呼气试验一直是检测SIBO的主要手段，最初仅检测氢气（H₂），后加入甲烷（CH₄），近5年又纳入硫化氢（H₂S）。2017年首次发表标准化共识，目前呼气试验共识已扩展至全球范围。现代三种气体呼气试验可识别三种肠道过度生长类型：传统SIBO表现为摄入碳水化合物（乳果糖或葡萄糖）后90分钟内H₂较基线升高超过20 ppm，患者以腹泻和腹胀为特征；肠道产甲烷菌过度生长（intestinal methanogen overgrowth, IMO）定义为测试期间任意时点CH₄≥10 ppm，CH₄与腹胀相关但主要伴随排便习惯为便秘；肠道硫化物过度产生（intestinal sulfide overproduction, ISO）在呼气试验中H₂S≥2 ppm时成立，与更严重的腹泻、疼痛和腹胀相关。虽然呼气试验曾被质疑准确性，但小肠培养作为传统金标准也存在明显局限，如使用单腔导管抽吸时样本污染率可达20%。SIBO的诊断应是兼容症状（以腹胀为主）与客观检测结果（呼气试验、定量培养或定量测序）的综合判断。

**呼气试验在识别微生物过度生长中的应用**

BT是一种简单、非侵入性的评估微生物过度生长的技术，可同时检测H₂、CH₄和H₂S三种气体，分别对应SIBO、IMO和ISO。一项大型家庭呼气试验前瞻性队列研究显示，SIBO（H₂）与腹泻相关，CH₄与便秘相关，而H₂S与更严重的腹泻、疼痛、急迫感和总体严重程度相关。CH₄与便秘的关联早已被认识，后续研究证实CH₄实际上导致胃肠道传输减慢，利福昔明联合新霉素治疗可降低甲烷水平并改善便秘。呼气CH₄水平与粪便中史氏甲烷短杆菌（Methanobrevibacter smithii）水平相关，近期研究亦表明呼气CH₄与小肠抽吸物中M. smithii水平相关。在H₂S方面，近期数据显示该气体在腹泻型肠易激综合征（IBS-D）中水平较高，并可预测更严重的腹泻和疼痛程度，提示三气体呼气试验对于理解潜在表型和微生物组至关重要。

**从粪便微生物组研究到小肠：位置为何重要**

绝大多数微生物组研究依赖粪便样本，但粪便仅能间接反映胃肠道其他区域的微生物群落。胃肠道由多个不同的微生物生态系统组成，在细菌生物量、氧张力、营养可利用性、胆汁酸浓度、抗菌肽暴露和宿主免疫相互作用等方面存在显著区域差异。小肠是胃肠道内最具独特性的微生物环境之一，其微生物生物量较低，富集适应快速波动环境条件的兼性厌氧菌。采用优化抽吸技术结合高通量测序的研究显示，正常小肠微生物群与粪便显著不同，以假单胞菌门和芽孢杆菌门（Bacillota，原厚壁菌门）富集为特征，而许多在粪便微生物群落中占主导的严格厌氧菌相对不足。由于细菌过度生长发生部位为小肠，粪便微生物组分析可能无法识别直接导致症状的微生物及其相互作用，直接研究小肠微生物组对理解SIBO病理生理和开发更准确的诊断方法至关重要。

**小肠培养：历史金标准**

几十年来，小肠抽吸物的定量培养一直被视为诊断SIBO的参考方法。历史上以细菌浓度超过10⁵菌落形成单位（CFU）/mL为诊断阈值，但近期证据表明≥10³ CFU/mL即与微生物生态和胃肠道症状的显著改变相关，北美和国际共识指南已采纳这一较低阈值。培养存在若干局限：只有部分肠道微生物可在常规实验室条件下培养，尤其是对营养要求苛刻和氧敏感的细菌；细菌回收率高度依赖抽吸技术、转运条件、培养基、孵育参数和实验室经验；样本采集过程中的污染问题亦不容忽视，使用单腔抽吸导管时污染率可达20%。培养的最大局限在于只能测量可培养细菌的丰度，而对微生物多样性、生态相互作用或代谢功能提供的信息相对有限。

**小肠微生物组谱分析的演进：从16S rRNA测序到定量鸟枪法宏基因组学**

16S核糖体RNA（rRNA）基因测序曾成为表征细菌群落的主要方法，无需培养即可鉴定微生物，极大扩展了对微生物多样性的认识。然而，16S测序存在分类分辨率通常限于属水平、扩增偏倚可能影响相对丰度估计、仅提供细菌群落的相对比例而非绝对负荷等局限，这些对以细菌过度生长为根本定义的SIBO尤为不利。全基因组鸟枪法宏基因组测序通过测序样本中所有微生物DNA解决了上述诸多不足，可实现物种甚至菌株水平的分类鉴定，同时提供细菌、古菌、病毒和真菌群落及其功能遗传潜力信息。定量鸟枪法宏基因组学进一步将测序与总微生物生物量测量相结合，可估计单个微生物物种的绝对丰度而非仅相对丰度，对以微生物负荷为病理特征的SIBO具有特殊吸引力。

**定量鸟枪法宏基因组学：走向SIBO的新参考标准？**

定量鸟枪法宏基因组学可同时量化总微生物负荷、以物种水平分辨率鉴定微生物，并表征整个微生物群落的功能遗传潜力。Leite等的研究表明，十二指肠抽吸物的定量测序与定量培养结果高度平行，同时提供更大的生物学分辨率。测序识别出微生物多样性显著降低、微生物生态网络破坏，以及特定大肠杆菌和肺炎克雷伯菌菌株的扩增，并与腹痛、腹胀和腹泻严重程度密切相关。碳水化合物发酵、产氢和硫化氢代谢相关微生物通路在符合当前SIBO阈值（≥10³ CFU/mL）的患者中富集，提示测序可提供超越单纯细菌计数的机制性见解。目前，定量鸟枪法宏基因组学应被视为与培养互补而非竞争：培养可确认微生物活力并允许下游表型测试，而定量测序则提供微生物丰度、分类组成和功能潜力的综合评估。随着分子技术的持续发展，定量鸟枪法宏基因组学可能成为表征小肠微生物过度生长的首选研究标准，并最终作为SIBO诊断的分子参考标准。

**宏转录组学：如何有助于SIBO诊断？**

宏转录组学自2005年首次描述以来，已发展为高通量鸟枪法测序方法，通过测序微生物mRNA而非DNA来研究微生物组的活跃生物学通路，与确定微生物分类或组成的宏基因组学形成互补。宏转录组学研究结果比鸟枪法宏基因组学显示出更多与症状和不同疾病状态的关联。在作为整合人类宏基因组计划一部分的IBD研究中，疾病发作期间宏基因组保持相对稳定而宏转录组结果发生改变，一些宏基因组丰度高的物种实际处于休眠状态，而另一些丰度较低但更活跃的物种（如普通拟杆菌）在RNA水平上显示出更显著的通路活性。在IBS中，粪便宏转录组似乎随亚型而变化，IBS-D显示与果糖和甘露糖代谢、多元醇利用及其他可发酵碳水化合物加工功能相关的转录激活，IBS-C与IBS-D的差异主要体现在活性水平而非分类特征。大多数IBS-D患者同时存在SIBO，研究显示产H₂且与SIBO相关的肠杆菌科与产H₂S的梭杆菌属和脱硫弧菌属相关，而特定的产H₂菌科与产甲烷菌科相关。初步数据显示，SIBO与非SIBO参与者小肠抽吸物中超过91%的差异表达细菌基因上调，且与"代谢通路"和"次级代谢物生物合成"相关，与气体形成密切相关。小肠宏转录组学将对细菌过度生长产生定性而非仅定量的影响，有助于指向疾病机制、与症状直接关联、识别其他可能的微生物参与者，并决定治疗方法，尤其在SIBO与ISO和/或IMO共存时。

**小肠基因和蛋白质表达：宿主转录组学和蛋白质组学在SIBO中我们知道什么？**

在微生物组成和功能活性之外，宿主转录组学和蛋白质组学分析对于确定肠道宿主-微生物组相互作用至关重要。在IBS中，使用PCR panel研究小肠黏膜基因表达的少数研究显示屏障功能相关基因（如TJP1和密蛋白（claudins））上调，而免疫功能相关基因（如IL-1B和CCL20）下调。该研究团队在ISO患者小肠活检中识别出与氧化还原平衡、IBS-D病理生理、ATP合成、线粒体呼吸、水稳态、铁死亡、疼痛和肠道运动相关的基因表达改变，且这些发现在ISO中与IMO和SIBO不同，提示不同过度生长类型可能需要不同的治疗策略。初步蛋白质组学数据显示，SIBO小肠腔抽吸物中存在氧化物种、铁死亡和涉及防御素的宿主防御的上调。在一项较小的SIBO与非SIBO队列中，十二指肠组织转录组学改变不显著，但涉及基因下调，包括POMZP3、TANGO6以及与炎症反应相关的透明质酸合酶3（HAS3）。值得注意的是，SIBO小肠抽吸物蛋白质组学中识别的机制反映了ISO转录组学中识别的某些机制。目前关于SIBO中转录组学和蛋白质组学的数据仍属探索性和初步阶段，但已显示出这些新一代技术在阐明症状发生机制方面的潜力。

**结论（Conclusions）**

SIBO不再被充分定义为单纯的小肠细菌过度生长，证据支持存在以气体类型（gasotype）、微生物群落和功能活性以及宿主反应为特征的独特过度生长类别。直接小肠采样、定量宏基因组学、宏转录组学、转录组学和蛋白质组学提供了无法通过粪便分析或单独培养获得的互补信息。整合这些技术可能有助于改善诊断、症状学评估、气体类型区分和指导治疗方法。然而，标准化采样、分析方法和诊断阈值对于常规临床实践至关重要。目前，先进的组学策略在临床实践中仍不实用，呼气试验仍是最具成本效益的检测方法，与症状和临床治疗反应相结合时，至少在近期可能是微生物过度生长最佳的金标准。