本文旨在探討重癥急性胰腺炎(SAP)大鼠腸黏膜屏障、腸道菌群的變化和細菌移位的情況。將健康雄性SD大鼠隨機分為對照組(n=10)和實驗組(n=14), 采用5%牛磺膽酸鈉胰膽管逆行注射法制作重癥急性胰腺炎模型, 24 h后處死, 測定血清淀粉酶及血漿內毒素水平, 觀察胰腺、小腸病理改變并評分, 檢測腹腔臟器細菌移位率, 實時熒光定量聚合酶鏈式反應法(RT-PCR)定量分析腸道內菌群數量。結果顯示:實驗組大鼠腸腔內大腸埃希菌屬計數明顯升高(9.72±3.58, P<0.01), 乳酸桿菌屬(0.67±0.34, P<0.01)和雙歧桿菌屬(4.59±3.42, P<0.05)計數明顯減少, 血漿內毒素測定陽性率增高(P<0.01), 腹腔臟器細菌移位率升高(P<0.01或P<0.05), 胰腺及小腸出現明顯病理損傷。表明重癥急性胰腺炎大鼠腸黏膜屏障受損, 出現腸道菌群失調、細菌及內毒素移位, 其與多臟器感染的發生、發展或有關聯。
引用本文: 李燕, 吳浩, 鄧一蕓, 廖如奕, 席利力, 姚萍. 重癥急性胰腺炎大鼠腸黏膜屏障及腸道菌群的變化. 生物醫學工程學雜志, 2015, 32(2): 412-417. doi: 10.7507/1001-5515.20150074 復制
引言
重癥急性胰腺炎占胰腺炎的2.4%~12%,病死率為20%~30%[1],而急性胰腺炎患者80%死亡原因是胰腺感染及全身多臟器感染導致的全身多器官功能衰竭[2-3]。已有研究指出,腸黏膜屏障及腸道菌群失調在重癥急性胰腺炎后繼發胰腺感染的發生機制中可能具有重要意義[4-5]。本文旨在研究重癥急性胰腺炎發生24 h時腸黏膜屏障的改變,血漿內毒素陽性率,腸系膜淋巴結、胰腺、肝臟細菌移位的情況,以及定量分析腸腔內菌群數量的改變,及其與感染的發生、發展是否相關。
1 材料與方法
1.1 研究對象
健康雄性SD大鼠24只(購自新疆醫科大學動物中心),體重為220~280 g,分為對照組(n=10)和實驗組(n=14)。通過實驗動物使用和管理(IACUC)審核,動物許可證號:SYXK(新)2010-0003。
1.2 主要試劑
牛磺膽酸鈉(Sigma公司)、LB及CDC血瓊脂培養基(浙江省軍區后勤部衛生防疫檢驗所)、QIAamp DNA Stool Mini Kit (QIAamp Germany)試劑盒、細菌基因組DNA快速提取試劑盒(Biomed公司)、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒(離心柱型)(Biomed公司)、引物(北京博邁德科技發展有限公司)、2×Taq PCR Master Mix(Biomed公司)、2xSYBR? Premix Ex TaqTM(TaKaRa公司)等。
1.3 主要儀器
超凈工作臺(ZHJH-C1112B型)、電熱恒溫培養箱(上海精宏實驗設備有限公司)、光學顯微鏡及圖像采集系統(LEICA DM 3000)、PCR熱循環儀(Bio-Rad公司)、實時定量PCR儀(iCycler iQ5,Bio-Rad公司)、電泳儀及凝膠成像分析系統(Bio-Rad公司)等。
1.4 建模方法
24只SD大鼠適應性喂養一周,術前12 h禁食不禁飲。對照組開腹后僅輕輕翻動十二指腸,將腸管復位后關腹。實驗組腹正中劍突下約1.5 cm切口開腹,顯露、提取十二指腸,辨認胰膽管,用顯微血管夾將肝門端胰膽管在距胰腺約0.5 cm處夾閉,左手持血管夾,右手持4號半針頭從胰膽管遠端行逆行穿刺,0.2 mL/min緩慢勻速向胰膽管注入5%牛磺膽酸鈉(1 mL/kg),注藥完畢后,加壓阻閉針口1 min,去除血管夾,見胰腺快速充血、水腫(如圖 1),提示造模成功[1, 6]。

1.5 取材步驟及保存方法
建模成功后24 h,常規腹腔麻醉,腹正中開腹,分離腸管,于回盲部取腸系膜淋巴結2枚置入無菌離心管用于細菌培養。腹主動脈采血4~5 mL,用于血清淀粉酶及內毒素的測定。分別于胰頭處取胰腺組織、肝右葉取肝臟組織各1份,置入無菌離心管中用于細菌培養。另取胰頭處胰腺組織、回盲部回腸組織各1份,10%甲醛溶液中固定,用于病理評分。取回盲部糞便標本,液氮中速凍,-70℃冰箱保存,用于腸腔內菌群的測定。
1.6 項目檢測方法
1.6.1 血清淀粉酶及血漿內毒素測定
由我院動物實驗中心檢驗室測定。血清淀粉酶測定采用血清胰淀粉酶測定試劑盒利用生化分析儀進行測定。血漿內毒素采用鱟試劑ELISA法進行定量測定,測定結果>5 pg/mL為陽性。
1.6.2 細菌移位率及移位菌檢測
于超凈工作臺中,用勻漿研磨器將腸系膜淋巴結、胰腺、肝臟組織充分研磨,分別接種于需氧及厭氧培養基上,37℃溫箱中分別進行需氧及厭氧培養,24~48 h計數需氧菌生長情況,3~5 d計數厭氧菌生長情況。培養出細菌者為陽性,無細菌生長者為陰性,最后計算各組臟器細菌移位率(細菌培養陽性臟器數/培養臟器總數)[7-8]。細菌培養陽性的臟器,觀察菌落生長特性,并取單一菌落涂片后進行革蘭染色,光學顯微鏡下觀察菌落性質。
1.6.3 胰腺及小腸(回腸)組織病理學觀察
取出動物胰腺及回腸組織,用10%甲醛溶液固定, 常規石蠟包埋切片,HE染色后,光學顯微鏡下由兩位病理學醫師對胰腺及小腸組織分別進行雙盲評分。胰腺組織損傷以改良Schmidt評價標準[9-11](見表 1)進行評分,小腸黏膜損傷以Chiu’s分級標準[12-13](見表 2)進行評分。


1.6.4 RT-PCR法定量分析盲腸內容物菌群數
按照QIAamp DNA Stool Mini Kit試劑盒說明提取糞便細菌基因組DNA。設計合成大腸埃希菌屬、乳酸桿菌屬及雙歧桿菌屬特異性PCR引物及細菌16S rDNA V3可變區的通用引物作為內參(見表 3)[14-15]。

按瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒純化、回收各菌株DNA及內參,并分別進行實時熒光定量PCR檢測,制作標準曲線,并將待測樣品DNA分別進行上述3種細菌及內參的熒光定量PCR反應。設ddH2O為DNA模板的陰性對照,所有樣品均同時做2個平行復孔,反應完畢后根據融解曲線檢測擴增產物是否單一。由PCR儀自帶系統軟件分析結果,以每克糞便的細菌DNA提取液的待測細菌拷貝數與內參DNA拷貝數的比值表示。
1.7 統計學處理方法
實驗結果采用SPSS 19.0統計軟件包進行分析,正態性檢驗采用Shapiro-Wilk分析,完全隨機設計的單因素方差分析(One-way ANOVA)分析結果,實驗結果以均數±標準差(
2 實驗結果
2.1 血清淀粉酶及血漿內毒素檢測結果
實驗24 h后,10只對照組大鼠除1只死于手術意外其余9只均存活;14只重癥急性胰腺炎大鼠存活11只,24 h存活率為78.57%。發生重癥急性胰腺炎后24 h,大鼠血清淀粉酶急劇升高,實驗組與對照組組間差異顯著(P<0.01),見表 4。實驗組血漿內毒素測定陽性率高達54.55%,而對照組血漿內毒素測定全部陰性(P<0.01)。

2.2 細菌移位率檢測結果
對照組僅在腸系膜淋巴結中培養出細菌,而實驗組腸系膜淋巴結、肝臟、胰腺細菌培養陽性率顯著高于對照組(P<0.01),見表 4。培養出的菌落經革蘭氏染色,光鏡下顯示革蘭氏陰性球菌及桿菌、革蘭氏陽性球菌及桿菌均有生長,但革蘭氏陰性菌以短小桿菌為主,考慮為大腸埃希菌,而革蘭氏陽性菌以球菌為主,考慮為金黃色葡萄球菌和腸球菌,如圖 2所示。

2.3 胰腺、小腸組織病理學觀察
光鏡下,對照組胰腺無明顯變化,實驗組胰腺腺泡細胞腫脹,可見灶性壞死,葉間隙增寬,間質微血管破裂、出血,小葉排列紊亂、大量炎癥細胞浸潤及大片壞死等病理學改變(見圖 3),進一步證明模型制作成功。對照組小腸黏膜未見明顯損傷,實驗組小腸黏膜可見明顯絨毛變短、缺損、壞死、脫落,間質水腫、大量炎癥細胞浸潤,杯狀細胞增多,廣泛毛細血管出血或充血(見圖 4)。病理評分見表 4。


2.4 溶解曲線的生成
熒光定量PCR儀自帶軟件以熒光強度的變化值為縱坐標,以溫度為橫坐標生成三種標準品的溶解曲線如圖 5所示,溶解曲線均為單峰,說明所得PCR擴增產物單一,進一步驗證引物的特異性。

2.5 盲腸腔內菌群計數
每克糞便的細菌DNA提取液的待測細菌拷貝數與內參DNA拷貝數的比值見表 5,證實實驗組盲腸內容物中大腸桿菌計數較假手術組明顯增加(P<0.01),而雙歧桿菌、乳酸桿菌明顯減少(P<0.05或P<0.01)。腸道內菌群中厭氧菌與需氧菌比值嚴重倒置,以雙歧桿菌/大腸桿菌比值表示,對照組雙歧桿菌屬/大腸埃希菌屬>1,而實驗組雙歧桿菌屬/大腸埃希菌屬<1。

3 討論
采用5%牛磺膽酸鈉胰膽管逆行注射法制作重癥急性胰腺炎模型,其在病因、致病機制及病變等方面與人類臨床重癥急性胰腺炎相似,且方法穩定、簡便、成功率可達100%[1-6]。本研究中重癥急性胰腺炎大鼠24 h存活率為78.57%,死亡率為22.43%,死亡率較高。
正常的腸黏膜物理屏障由黏液層、腸黏膜上皮細胞和細胞間的緊密連接等構成[16],腸黏膜上皮細胞不斷更新以保持黏膜屏障的完整性。以雙歧桿菌屬為主的專性厭氧菌定植于黏膜上皮表面,形成保護性菌膜,阻止條件致病菌(如大腸埃希菌)對黏膜的黏附和定植,即具有“定植抗力”[17]。本研究證實,重癥急性胰腺炎大鼠腸黏膜屏障遭到破壞,出現腸道菌群失調,表現為:腸黏膜絨毛變短、壞死、脫落,絨毛頂端間質明顯水腫,中央乳糜管擴張,毛細血管擴張充血或破裂出血,固有膜水腫伴大量炎癥細胞浸潤,腸壁通透性增加。以大腸埃希菌為主的條件致病菌大量增殖,而以雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬為主的益生菌生長受抑[18-19]。這和Balzan等[20-21]的研究結果相一致。這些腸黏膜屏障及腸道菌群的改變為腸道細菌和內毒素移位提供了便利。本研究表明:重癥急性胰腺炎發生后24 h,腸系膜淋巴結、胰腺、肝臟細菌培養陽性率及血漿內毒素陽性率均明顯升高,菌種鑒定結果提示移位菌多來自腸道[22-23]。考慮重癥急性胰腺炎時大量增殖的大腸埃希菌等條件致病菌通過受損的腸黏膜屏障,進入腹腔,定植于臟器表面,導致腹膜及腹腔臟器感染;通過擴張的毛細血管,進入血液導致內毒素血癥及多臟器感染。腸黏膜屏障損害、腸道微生態紊亂與細菌移位之間相互促進、惡性循環,或為全身多臟器感染發生機制的環節之一。
綜合本實驗結果,重癥急性胰腺炎大鼠腸黏膜屏障受損,出現腸道菌群失調、細菌及內毒素的移位,或與全身多臟器感染的發生及發展有相關性,可在增加觀察時間點的基礎上進一步研究。重癥急性胰腺炎的治療應關注腸黏膜屏障的修復,糾正腸道菌群失調,可能對疾病的轉歸及預后有一定價值。
引言
重癥急性胰腺炎占胰腺炎的2.4%~12%,病死率為20%~30%[1],而急性胰腺炎患者80%死亡原因是胰腺感染及全身多臟器感染導致的全身多器官功能衰竭[2-3]。已有研究指出,腸黏膜屏障及腸道菌群失調在重癥急性胰腺炎后繼發胰腺感染的發生機制中可能具有重要意義[4-5]。本文旨在研究重癥急性胰腺炎發生24 h時腸黏膜屏障的改變,血漿內毒素陽性率,腸系膜淋巴結、胰腺、肝臟細菌移位的情況,以及定量分析腸腔內菌群數量的改變,及其與感染的發生、發展是否相關。
1 材料與方法
1.1 研究對象
健康雄性SD大鼠24只(購自新疆醫科大學動物中心),體重為220~280 g,分為對照組(n=10)和實驗組(n=14)。通過實驗動物使用和管理(IACUC)審核,動物許可證號:SYXK(新)2010-0003。
1.2 主要試劑
牛磺膽酸鈉(Sigma公司)、LB及CDC血瓊脂培養基(浙江省軍區后勤部衛生防疫檢驗所)、QIAamp DNA Stool Mini Kit (QIAamp Germany)試劑盒、細菌基因組DNA快速提取試劑盒(Biomed公司)、瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒(離心柱型)(Biomed公司)、引物(北京博邁德科技發展有限公司)、2×Taq PCR Master Mix(Biomed公司)、2xSYBR? Premix Ex TaqTM(TaKaRa公司)等。
1.3 主要儀器
超凈工作臺(ZHJH-C1112B型)、電熱恒溫培養箱(上海精宏實驗設備有限公司)、光學顯微鏡及圖像采集系統(LEICA DM 3000)、PCR熱循環儀(Bio-Rad公司)、實時定量PCR儀(iCycler iQ5,Bio-Rad公司)、電泳儀及凝膠成像分析系統(Bio-Rad公司)等。
1.4 建模方法
24只SD大鼠適應性喂養一周,術前12 h禁食不禁飲。對照組開腹后僅輕輕翻動十二指腸,將腸管復位后關腹。實驗組腹正中劍突下約1.5 cm切口開腹,顯露、提取十二指腸,辨認胰膽管,用顯微血管夾將肝門端胰膽管在距胰腺約0.5 cm處夾閉,左手持血管夾,右手持4號半針頭從胰膽管遠端行逆行穿刺,0.2 mL/min緩慢勻速向胰膽管注入5%牛磺膽酸鈉(1 mL/kg),注藥完畢后,加壓阻閉針口1 min,去除血管夾,見胰腺快速充血、水腫(如圖 1),提示造模成功[1, 6]。

1.5 取材步驟及保存方法
建模成功后24 h,常規腹腔麻醉,腹正中開腹,分離腸管,于回盲部取腸系膜淋巴結2枚置入無菌離心管用于細菌培養。腹主動脈采血4~5 mL,用于血清淀粉酶及內毒素的測定。分別于胰頭處取胰腺組織、肝右葉取肝臟組織各1份,置入無菌離心管中用于細菌培養。另取胰頭處胰腺組織、回盲部回腸組織各1份,10%甲醛溶液中固定,用于病理評分。取回盲部糞便標本,液氮中速凍,-70℃冰箱保存,用于腸腔內菌群的測定。
1.6 項目檢測方法
1.6.1 血清淀粉酶及血漿內毒素測定
由我院動物實驗中心檢驗室測定。血清淀粉酶測定采用血清胰淀粉酶測定試劑盒利用生化分析儀進行測定。血漿內毒素采用鱟試劑ELISA法進行定量測定,測定結果>5 pg/mL為陽性。
1.6.2 細菌移位率及移位菌檢測
于超凈工作臺中,用勻漿研磨器將腸系膜淋巴結、胰腺、肝臟組織充分研磨,分別接種于需氧及厭氧培養基上,37℃溫箱中分別進行需氧及厭氧培養,24~48 h計數需氧菌生長情況,3~5 d計數厭氧菌生長情況。培養出細菌者為陽性,無細菌生長者為陰性,最后計算各組臟器細菌移位率(細菌培養陽性臟器數/培養臟器總數)[7-8]。細菌培養陽性的臟器,觀察菌落生長特性,并取單一菌落涂片后進行革蘭染色,光學顯微鏡下觀察菌落性質。
1.6.3 胰腺及小腸(回腸)組織病理學觀察
取出動物胰腺及回腸組織,用10%甲醛溶液固定, 常規石蠟包埋切片,HE染色后,光學顯微鏡下由兩位病理學醫師對胰腺及小腸組織分別進行雙盲評分。胰腺組織損傷以改良Schmidt評價標準[9-11](見表 1)進行評分,小腸黏膜損傷以Chiu’s分級標準[12-13](見表 2)進行評分。


1.6.4 RT-PCR法定量分析盲腸內容物菌群數
按照QIAamp DNA Stool Mini Kit試劑盒說明提取糞便細菌基因組DNA。設計合成大腸埃希菌屬、乳酸桿菌屬及雙歧桿菌屬特異性PCR引物及細菌16S rDNA V3可變區的通用引物作為內參(見表 3)[14-15]。

按瓊脂糖凝膠DNA回收試劑盒純化、回收各菌株DNA及內參,并分別進行實時熒光定量PCR檢測,制作標準曲線,并將待測樣品DNA分別進行上述3種細菌及內參的熒光定量PCR反應。設ddH2O為DNA模板的陰性對照,所有樣品均同時做2個平行復孔,反應完畢后根據融解曲線檢測擴增產物是否單一。由PCR儀自帶系統軟件分析結果,以每克糞便的細菌DNA提取液的待測細菌拷貝數與內參DNA拷貝數的比值表示。
1.7 統計學處理方法
實驗結果采用SPSS 19.0統計軟件包進行分析,正態性檢驗采用Shapiro-Wilk分析,完全隨機設計的單因素方差分析(One-way ANOVA)分析結果,實驗結果以均數±標準差(
2 實驗結果
2.1 血清淀粉酶及血漿內毒素檢測結果
實驗24 h后,10只對照組大鼠除1只死于手術意外其余9只均存活;14只重癥急性胰腺炎大鼠存活11只,24 h存活率為78.57%。發生重癥急性胰腺炎后24 h,大鼠血清淀粉酶急劇升高,實驗組與對照組組間差異顯著(P<0.01),見表 4。實驗組血漿內毒素測定陽性率高達54.55%,而對照組血漿內毒素測定全部陰性(P<0.01)。

2.2 細菌移位率檢測結果
對照組僅在腸系膜淋巴結中培養出細菌,而實驗組腸系膜淋巴結、肝臟、胰腺細菌培養陽性率顯著高于對照組(P<0.01),見表 4。培養出的菌落經革蘭氏染色,光鏡下顯示革蘭氏陰性球菌及桿菌、革蘭氏陽性球菌及桿菌均有生長,但革蘭氏陰性菌以短小桿菌為主,考慮為大腸埃希菌,而革蘭氏陽性菌以球菌為主,考慮為金黃色葡萄球菌和腸球菌,如圖 2所示。

2.3 胰腺、小腸組織病理學觀察
光鏡下,對照組胰腺無明顯變化,實驗組胰腺腺泡細胞腫脹,可見灶性壞死,葉間隙增寬,間質微血管破裂、出血,小葉排列紊亂、大量炎癥細胞浸潤及大片壞死等病理學改變(見圖 3),進一步證明模型制作成功。對照組小腸黏膜未見明顯損傷,實驗組小腸黏膜可見明顯絨毛變短、缺損、壞死、脫落,間質水腫、大量炎癥細胞浸潤,杯狀細胞增多,廣泛毛細血管出血或充血(見圖 4)。病理評分見表 4。


2.4 溶解曲線的生成
熒光定量PCR儀自帶軟件以熒光強度的變化值為縱坐標,以溫度為橫坐標生成三種標準品的溶解曲線如圖 5所示,溶解曲線均為單峰,說明所得PCR擴增產物單一,進一步驗證引物的特異性。

2.5 盲腸腔內菌群計數
每克糞便的細菌DNA提取液的待測細菌拷貝數與內參DNA拷貝數的比值見表 5,證實實驗組盲腸內容物中大腸桿菌計數較假手術組明顯增加(P<0.01),而雙歧桿菌、乳酸桿菌明顯減少(P<0.05或P<0.01)。腸道內菌群中厭氧菌與需氧菌比值嚴重倒置,以雙歧桿菌/大腸桿菌比值表示,對照組雙歧桿菌屬/大腸埃希菌屬>1,而實驗組雙歧桿菌屬/大腸埃希菌屬<1。

3 討論
采用5%牛磺膽酸鈉胰膽管逆行注射法制作重癥急性胰腺炎模型,其在病因、致病機制及病變等方面與人類臨床重癥急性胰腺炎相似,且方法穩定、簡便、成功率可達100%[1-6]。本研究中重癥急性胰腺炎大鼠24 h存活率為78.57%,死亡率為22.43%,死亡率較高。
正常的腸黏膜物理屏障由黏液層、腸黏膜上皮細胞和細胞間的緊密連接等構成[16],腸黏膜上皮細胞不斷更新以保持黏膜屏障的完整性。以雙歧桿菌屬為主的專性厭氧菌定植于黏膜上皮表面,形成保護性菌膜,阻止條件致病菌(如大腸埃希菌)對黏膜的黏附和定植,即具有“定植抗力”[17]。本研究證實,重癥急性胰腺炎大鼠腸黏膜屏障遭到破壞,出現腸道菌群失調,表現為:腸黏膜絨毛變短、壞死、脫落,絨毛頂端間質明顯水腫,中央乳糜管擴張,毛細血管擴張充血或破裂出血,固有膜水腫伴大量炎癥細胞浸潤,腸壁通透性增加。以大腸埃希菌為主的條件致病菌大量增殖,而以雙歧桿菌屬和乳酸桿菌屬為主的益生菌生長受抑[18-19]。這和Balzan等[20-21]的研究結果相一致。這些腸黏膜屏障及腸道菌群的改變為腸道細菌和內毒素移位提供了便利。本研究表明:重癥急性胰腺炎發生后24 h,腸系膜淋巴結、胰腺、肝臟細菌培養陽性率及血漿內毒素陽性率均明顯升高,菌種鑒定結果提示移位菌多來自腸道[22-23]。考慮重癥急性胰腺炎時大量增殖的大腸埃希菌等條件致病菌通過受損的腸黏膜屏障,進入腹腔,定植于臟器表面,導致腹膜及腹腔臟器感染;通過擴張的毛細血管,進入血液導致內毒素血癥及多臟器感染。腸黏膜屏障損害、腸道微生態紊亂與細菌移位之間相互促進、惡性循環,或為全身多臟器感染發生機制的環節之一。
綜合本實驗結果,重癥急性胰腺炎大鼠腸黏膜屏障受損,出現腸道菌群失調、細菌及內毒素的移位,或與全身多臟器感染的發生及發展有相關性,可在增加觀察時間點的基礎上進一步研究。重癥急性胰腺炎的治療應關注腸黏膜屏障的修復,糾正腸道菌群失調,可能對疾病的轉歸及預后有一定價值。