菌群代謝產(chǎn)物與變態(tài)反應(yīng)性疾病

徐蓓蕾，姚 煦

細(xì)菌代謝產(chǎn)物是細(xì)菌通過(guò)代謝活動(dòng)所產(chǎn)生的、自身生長(zhǎng)和繁殖所必需的物質(zhì)，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂類、維生素等。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌代謝產(chǎn)物在變態(tài)反應(yīng)性疾病的發(fā)生和發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，相關(guān)研究主要集中于短鏈脂肪酸、長(zhǎng)鏈脂肪酸、氨基酸和維生素。

1 短鏈脂肪酸

短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)是碳鏈長(zhǎng)度為1～6個(gè)碳原子的脂肪酸，由腸道菌群對(duì)不易消化的多糖(主要為纖維素)進(jìn)行發(fā)酵而產(chǎn)生，腸道內(nèi)主要的SCFAs為乙酸(C2)、丙酸(C3)和丁酸(C4)。乙酸可以由多種腸道微生物代謝所產(chǎn)生，如雙歧桿菌；丙酸主要由擬桿菌和厚壁菌通過(guò)琥珀酸代謝途徑所產(chǎn)生[1]，丁酸則主要由梭狀芽孢桿菌經(jīng)丙酮酸代謝途徑所產(chǎn)生[2]。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)菌小鼠結(jié)腸內(nèi)SCFAs顯著下降，而難以消化的低聚糖顯著上升[3]，表明共生菌群對(duì)SCFAs的合成必不可少。Tromette等[4]研究發(fā)現(xiàn)，給予小鼠喂食高纖維飲食來(lái)增加血液循環(huán)中的SCFA水平可防止變態(tài)反應(yīng)性氣道疾病。雙歧桿菌可產(chǎn)生高水平的SCFAs，減少小鼠的食物過(guò)敏的概率[5]，孕婦應(yīng)用雙歧桿菌可顯著降低新生兒變態(tài)反應(yīng)的發(fā)生率[6]。

SCFAs作為細(xì)胞外和細(xì)胞內(nèi)信號(hào)分子而發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)功能。在細(xì)胞外，SCFAs可作為細(xì)胞表面G蛋白偶聯(lián)受體(G protein receptor，GPR)，GPR43、GPR41和GPR109a(僅丁酸)的配體可間接地調(diào)節(jié)機(jī)體的免疫功能。GPR43、GPR41和GPR109a表達(dá)于多種細(xì)胞中，包括腸上皮細(xì)胞和免疫細(xì)胞，丁酸可通過(guò)結(jié)腸巨噬細(xì)胞上的GPR109a減緩炎癥反應(yīng)并維持腸道穩(wěn)態(tài)[7]，乙酸和丙酸可通過(guò)GPR43和GPR41信號(hào)調(diào)節(jié)小鼠結(jié)腸調(diào)節(jié)性T(regulatory T，Treg)細(xì)胞的數(shù)量和功能[8]。在細(xì)胞內(nèi)，SCFAs可通過(guò)抑制組蛋白去乙?；?histone deacetylases，HDACs)和增強(qiáng)組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(histone acetyltransferases，HATs)活性來(lái)調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄，從而直接調(diào)節(jié)免疫功能[9]。乙酸可通過(guò)抑制HDAC9以增加體內(nèi)轉(zhuǎn)錄因子Foxp3啟動(dòng)子的乙?；?，從而增加Treg細(xì)胞的增生和功能[10]；丁酸可通過(guò)增強(qiáng)FOXP3基因上組蛋白H3的乙?；瘉?lái)體外誘導(dǎo)T調(diào)節(jié)細(xì)胞的分化[11]，并通過(guò)抑制HDACs降低LPS誘導(dǎo)的骨髓來(lái)源巨噬細(xì)胞的促炎癥介質(zhì)一氧化氮、白細(xì)胞介素(interleukin，IL)-6和IL-12的釋放[12]。除有抑制促炎因子的作用外，SCFAs介導(dǎo)的對(duì)HDACs的抑制還可促進(jìn)免疫反應(yīng)，增強(qiáng)B細(xì)胞分化和IgA類轉(zhuǎn)化所需的基因乙酰化[13]，從而增加IgA的分泌量，促進(jìn)體液免疫反應(yīng)。此外，腸上皮的屏障功能對(duì)食物變態(tài)反應(yīng)的預(yù)防非常重要[14]。丁酸和乙酸還通過(guò)誘導(dǎo)腸道上皮細(xì)胞生理性缺氧來(lái)加強(qiáng)上皮的屏障功能[15]，從而預(yù)防食物變態(tài)反應(yīng)的發(fā)生。

2 長(zhǎng)鏈脂肪酸

長(zhǎng)鏈脂肪酸(long-chain fatty acids，LCFAs)是碳鏈長(zhǎng)度大于12個(gè)碳原子的脂肪酸。食物(如魚類、食用油)被人體吸收后經(jīng)腸道菌群代謝而產(chǎn)生LCFAs，其中omega-3(n-3)和omega-6(n-6)是主要的必需脂肪酸。LCFAs通過(guò)宿主氧化酶(如環(huán)氧合酶、脂氧合酶和細(xì)胞色素P450單加氧酶)和共生細(xì)菌(如植物乳桿菌)轉(zhuǎn)化為具有生物活性的脂質(zhì)代謝產(chǎn)物，參與免疫反應(yīng)的調(diào)節(jié)。n-3脂肪酸的部分脂質(zhì)代謝物具有抗炎和抗變態(tài)反應(yīng)作用[16]。消退素(resolvin E，Rv)E來(lái)源于EPA，RvD1和蛋白D1(protein D1，PD1)來(lái)源于DHA。RvD1、RvD2和PD1降低促炎細(xì)胞因子[包括IL-6、IL-1β、IL-23和 腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)]和中性粒細(xì)胞水平，從而促進(jìn)巨噬細(xì)胞對(duì)凋亡細(xì)胞和炎性碎屑的吞噬[17]。研究顯示，在無(wú)菌小鼠的結(jié)腸中，n-3脂肪酸的脂類代謝產(chǎn)物RvD1水平明顯高于有大腸桿菌感染的小鼠，RvD1可降低促炎細(xì)胞因子IL-1β[17]，而IL-1β參與許多炎癥性疾病包括變態(tài)反應(yīng)性疾病的發(fā)生和發(fā)展[18]。通過(guò)改變菌群種類和數(shù)量可增加DHA代謝產(chǎn)生的RvD1水平，進(jìn)而抑制IL-1β，從而減輕變態(tài)反應(yīng)性疾病程度，如變態(tài)反應(yīng)性濕疹、哮喘、接觸性皮炎等。研究表明，食用富含n-3脂肪酸的魚類的量與哮喘的發(fā)生頻數(shù)呈負(fù)相關(guān)[19]，攝入富含n-3 脂肪酸的亞麻籽油可以減輕變態(tài)反應(yīng)性腹瀉的程度[20]，來(lái)自n-3脂肪酸衍生物二十碳五烯酸(EPA)的脂類代謝產(chǎn)物17,18-環(huán)氧-EPA具有很強(qiáng)的抗變態(tài)反應(yīng)作用[20]。

植物乳桿菌可代謝n-6 脂肪酸而產(chǎn)生共軛亞油酸、含氧脂肪酸和羥基脂肪酸。研究發(fā)現(xiàn)近端小腸內(nèi)定植著大量的乳桿菌[21]，而在無(wú)菌小鼠的小腸內(nèi)羥基脂肪酸的含量明顯低于無(wú)特異病原菌小鼠。一項(xiàng)研究顯示，服用合成羥基脂肪酸(10-羥基順式-12-18碳烯酸)可恢復(fù)上皮細(xì)胞緊密連接的活性，進(jìn)而改善炎癥性腸病[22]。腸道上皮細(xì)胞的屏障功能對(duì)于食物變態(tài)反應(yīng)的控制很重要[14]，由乳桿菌代謝產(chǎn)生的10-羥基順式-12-18碳烯酸可能通過(guò)維持腸道上皮細(xì)胞的屏障功能而對(duì)食物變態(tài)反應(yīng)發(fā)揮預(yù)防作用。

GPR40和GPR120是常見(jiàn)的LCFAs受體，10-羥基順式-12-18碳烯酸能上調(diào)GPR40的表達(dá)，進(jìn)而通過(guò)MEK-ERK通路抑制腫瘤壞死因子受體Ⅱ(tumor necrosis factor receiptor 2，TNFR2)和核轉(zhuǎn)錄因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的基因表達(dá)[22]，可用于緊密連接障礙相關(guān)疾病的治療，如炎癥性腸病。此外，DHA可與巨噬細(xì)胞上的GPR40和GPR120結(jié)合而改善炎癥過(guò)程，防止NLRP3炎癥體的活化[23]。巨噬細(xì)胞上NLRP3炎癥體的激活可導(dǎo)致變態(tài)反應(yīng)的加重[24]，這可能對(duì)其他變態(tài)反應(yīng)性疾病的調(diào)節(jié)提供了新的方法。

LCFAs還可通過(guò)過(guò)氧化物酶體增殖劑激活受體(peroxisome prolierators-activated receptors，PPARs)家族受體來(lái)調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)，對(duì)變應(yīng)性疾病起負(fù)調(diào)節(jié)作用。多形擬桿菌由PPAR-γ介導(dǎo)選擇性拮抗的NF-κB的激活，減少IL-8的分泌[25]，繼而抑制IL-8介導(dǎo)的支氣管變態(tài)反應(yīng)過(guò)程中中性粒細(xì)胞的浸潤(rùn)[26]。此外，糞腸球菌可致人類腸道上皮PPAR-γ1的激活和IL-10的產(chǎn)生，從而抑制變應(yīng)性炎癥病變[27]。

3 氨基酸

人類有20種必需氨基酸，部分可由共生菌群代謝而產(chǎn)生[28]，其中色氨酸與人體的免疫功能密切相關(guān)。色氨酸廣泛存在于牛奶、雞蛋、紅肉、蔬菜(如西蘭花)中，為腸道菌群提供所需氮源，可被腸道菌群分解為多種吲哚衍生物(吲哚-3-乙醛、吲哚-3-甲醛等)，在介導(dǎo)菌群與宿主的免疫應(yīng)答中發(fā)揮重要作用[29]。

研究發(fā)現(xiàn)變態(tài)反應(yīng)性疾病，如變應(yīng)性哮喘、鼻炎和特應(yīng)性皮炎的早期階段均以Th2型免疫反應(yīng)為主，使得Th2型細(xì)胞因子上調(diào)，而Th1型細(xì)胞因子如干擾素-γ(interferon-γ，IFN-γ)下調(diào)。IFN-γ是吲哚胺2,3-雙加氧酶-1((indoleamine 2,3-dioxygenase 1， IDO-1)的強(qiáng)誘導(dǎo)劑，IFN-γ的下調(diào)使得IDO-1的活性顯著降低，引起腸道菌群代謝色氨酸的功能障礙，導(dǎo)致包括阿爾茨海默病(Alzheimer disease，AD)在內(nèi)的變應(yīng)性疾病患者血液中色氨酸的質(zhì)量濃度增高[30]。研究還表明，來(lái)自與菌群相關(guān)的色氨酸代謝產(chǎn)物參與調(diào)節(jié)腸道和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的炎癥過(guò)程和疾病的發(fā)展[31-32]。腦脊髓炎動(dòng)物模型中色氨酸代謝產(chǎn)物減少，添加外源性色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚乙醛后炎癥評(píng)分降低[31]。

吲哚衍生物可作為芳香烴受體(aryl hydro-carbon receptor，AhR)的配體[29]， AhR由配體所激活的、在腸黏膜中發(fā)揮核心作用的轉(zhuǎn)錄因子[33]。吲哚衍生物可激活A(yù)hR從而活化腸道常駐T細(xì)胞與先天淋巴樣細(xì)胞(innate lymphoid cells，ILCs)，調(diào)節(jié)局部IL-22(一種能增強(qiáng)上皮細(xì)胞完整性和抗感染的細(xì)胞因子)的生成量，從而平衡共生宿主的黏膜反應(yīng)[29]。色氨酸及其代謝產(chǎn)物也發(fā)揮全身性影響，信號(hào)通過(guò)星形膠質(zhì)細(xì)胞上的AhR影響Ⅰ型干擾素(interferon-Is，IFN-Is)信號(hào)通路，并降低由NF-κB活化引發(fā)的炎癥，其機(jī)制是通過(guò)細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子2(supressors of cytokine signaling 2，SOCS2)和減少中樞神經(jīng)系統(tǒng)的自身免疫反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)的[31]。研究顯示，補(bǔ)充益生菌(例如鼠李糖乳桿菌GG、干酪乳桿菌W56)來(lái)增加D-色氨酸代謝能增加肺和腸道Treg 細(xì)胞的數(shù)量，減少肺部Th2型反應(yīng)，從而減輕氣道變應(yīng)性炎癥和氣道的高反應(yīng)性[34]。

4 維生素

維生素是維持正常細(xì)胞功能所必需的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)素。人類有13種必需維生素：脂溶性維生素A、D、E、K和水溶性維生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12和維生素C。共生菌群具有合成維生素的能力，是維生素的重要來(lái)源，尤其是B族和K族維生素[35]。

維生素在調(diào)節(jié)人體的免疫功能方面非常重要。維生素B1是三羧酸循環(huán)的一個(gè)重要的輔助因子，維生素B1含量的減少可降低腸道派爾集合淋巴結(jié)中幼稚B細(xì)胞的數(shù)量，從而影響腸道免疫功能[36]。維生素B6缺乏可抑制T淋巴細(xì)胞的生長(zhǎng)、增生和分化，導(dǎo)致IL-2減少，IL-4增加，從而影響宿主的免疫功能[37]。維生素B9對(duì)維持Treg細(xì)胞的功能非常重要[38]，Treg細(xì)胞表達(dá)高水平的維生素B9受體(葉酸受體4)，缺乏維生素B9可致從幼稚T細(xì)胞分化的Treg細(xì)胞死亡，從而引起抗凋亡因子Bcl-2和IL-2的表達(dá)下降，繼而影響免疫反應(yīng)過(guò)程[38]。

此外，維生素還具有免疫細(xì)胞配體的功能，這一作用由主要組織相容性復(fù)合體(major histocompatibility complex Ⅰ，MHC Ⅰ)類相關(guān)蛋白所介導(dǎo)[39]。MHCⅠ類相關(guān)蛋白可與維生素B2(核黃素)前體衍生物結(jié)合，特異性激活黏膜相關(guān)恒定的T淋巴細(xì)胞(macosal-associated invariant T，MAIT)[40]，從而產(chǎn)生IL-17 和IFN-γ并發(fā)揮免疫監(jiān)視作用[39]，此外MAIT細(xì)胞還可能參與變應(yīng)性和炎癥性疾病[41]。總之，共生菌和飲食之間的平衡決定了維生素代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，繼而影響對(duì)免疫反應(yīng)和變態(tài)反應(yīng)狀況的調(diào)節(jié)。

然而，研究顯示孕婦孕期高水平的葉酸和維生素B12與后代特應(yīng)性皮炎的發(fā)病率升高有關(guān)[42]，因此，維生素對(duì)變應(yīng)性疾病發(fā)揮調(diào)節(jié)作用的濃度和劑量尚需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)語(yǔ)

細(xì)菌的代謝產(chǎn)物種類繁多，它們通過(guò)多種機(jī)制影響機(jī)體的免疫應(yīng)答而參與變態(tài)反應(yīng)性疾病的發(fā)生和發(fā)展。近年來(lái)相關(guān)領(lǐng)域的研究正成為熱點(diǎn)，但目前研究證據(jù)仍然有限，還有待于更加深入的探討。在對(duì)變態(tài)反應(yīng)疾病的治療前景方面，細(xì)菌代謝產(chǎn)物的應(yīng)用較菌懸液的治療方法更安全和有效，但是治療過(guò)程中細(xì)菌代謝產(chǎn)物的有效濃度和劑量尚未明確，需要進(jìn)一步探索，為變態(tài)反應(yīng)性疾病的預(yù)防和治療提供新的思路和新的方法。