腸道微生物與免疫的研究進(jìn)展

周 瑛 王偉銘

大量微生物與人類和平共處，其數(shù)量約為人類體細(xì)胞和生殖細(xì)胞總數(shù)的10倍，其中超過(guò)70%聚集在腸道內(nèi)。微生物作為病原體的屏障，發(fā)揮著重要的代謝作用，同時(shí)通過(guò)刺激免疫系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)［1］。微生物群與人體之間的平衡如果被破壞就會(huì)引起多種疾病，常見(jiàn)的有炎癥性腸病、乳糜瀉、食物過(guò)敏、結(jié)腸癌等。人類免疫系統(tǒng)主要分為固有免疫和適應(yīng)性免疫，現(xiàn)就從這兩方面簡(jiǎn)單綜述腸道微生物與人類免疫的關(guān)系。

1 腸道固有免疫

腸上皮細(xì)胞、微皺褶細(xì)胞（M細(xì)胞）、杯狀細(xì)胞、腸腺嗜酸細(xì)胞、上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞（IEL）、巨噬細(xì)胞等在腸道固有免疫中發(fā)揮了重要作用，其中腸上皮細(xì)胞通過(guò)模式識(shí)別受體（PRRs）識(shí)別微生物，M細(xì)胞是重要的抗原轉(zhuǎn)運(yùn)細(xì)胞，杯狀細(xì)胞分泌黏液，巨噬細(xì)胞吞噬病原體和分泌抗炎細(xì)胞因子，IEL具有腸道異質(zhì)性等［2］。

1.1 PRRs 常見(jiàn)的PRRs有 Toll樣受體（TLRs）、核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體（NLRs）、視黃酸誘導(dǎo)基因1樣受體、C型凝聚素、黑色素瘤缺乏因子2樣受體、OAS（2'-5'oligoadenylates synthesis）樣受體等。TLRs和NLRs在腸道微生物免疫中起了重要作用；而視黃酸誘導(dǎo)基因1樣受體等重點(diǎn)識(shí)別病毒，通過(guò)Ⅰ型IFN發(fā)揮作用。

1.1.1 TLR4 TLR4是TLRs與腸道免疫中最重要且被研究最透徹的，它由上皮和免疫細(xì)胞表達(dá)，并在腸黏膜防治革蘭陰性細(xì)菌中發(fā)揮作用。在識(shí)別其同源配體時(shí)，TLR4二聚化并啟動(dòng)促炎反應(yīng)的激活信號(hào)級(jí)聯(lián)，此后誘導(dǎo)兩種信號(hào)通路，即髓樣分化因子88（MyD88）依賴性和My D88非依賴性途徑，并產(chǎn)生促炎細(xì)胞因子和Ⅰ型IFN。目前已知參與這兩個(gè)途徑激活的銜接蛋白有4個(gè)：My D88、包含 Toll/IL-1 的接頭蛋白（TIRAP）、IFN-βTLRS結(jié)構(gòu)域銜接蛋白（TRIF）和TRIF相關(guān)銜接分子（TRAM）。My D88和TIRAP負(fù)責(zé)誘導(dǎo)促炎基因，而TRIF和TRAM誘導(dǎo)IFN。在MyD88依賴性信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中，MyD88識(shí)別配體后，被募集到TLRs的細(xì)胞質(zhì)結(jié)構(gòu)域并與之結(jié)合，通過(guò)磷酸化募集并激活I(lǐng)L-1受體相關(guān)激酶（IRAK）-4和IRAK-1，進(jìn)一步激活TNF受體相關(guān)因子6（TRAF6）、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激活激酶1（TAK1）。激活的TAK1磷酸化I-κB激酶（IKK-b）和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）6，使Ⅰ-κB降解，進(jìn)而使NF-κB的核易位，最終導(dǎo)致了一系列炎性反應(yīng)發(fā)生。My D88依賴途徑的激活同時(shí)激活了髓鞘堿性蛋白（MAP）激酶，如MAPK p38和c-Jun氨基末端激酶，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子AP-1的激活。而MyD88非依賴性途徑則激活Ⅰ型IFN反應(yīng)，促使IFN-α和IFN-β表達(dá)，發(fā)揮抗病毒效應(yīng)［3］。

將感染后腸易激綜合征（PI-IBS）患者與健康人群對(duì)比發(fā)現(xiàn)，PI-IBS患者的回腸和結(jié)腸中的IL-1α、IL-6和IL-8 m RNA水平，以及TLR-4蛋白質(zhì)表達(dá)水平顯著升高，而IL-10 mRNA水平降低；在用脂多糖（LPS）刺激后，干酪乳桿菌DG可顯著降低促炎性細(xì)胞因子和TLR4的mRNA水平，同時(shí)提高IL-10的水平，提示干酪乳桿菌DG可改善黏膜的炎性免疫應(yīng)答［4］。Alhasson等［5］發(fā)現(xiàn)，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)疾病中，化學(xué)暴露引起嚴(yán)重的腸道微生物失調(diào)，包括厚壁菌、軟壁菌大量增加和擬桿菌大量減少，這些微生物的改變減少了閉鎖蛋白，增加了緊密連接蛋白2，從而提高了腸道通透性，使內(nèi)毒素入血，激活小腸和大腦的TLR4；而在TLR4敲除小鼠和無(wú)菌小鼠中，小腸和額葉皮層中酪氨酸硝基化、炎性介質(zhì)IL-1β和單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）則顯著減少。提示，腸道菌群紊亂、通透性增加和內(nèi)毒素入血引起的TLR4激活參與了海灣戰(zhàn)爭(zhēng)疾病中的神經(jīng)炎性反應(yīng)和胃腸失調(diào)。另外，在2型糖尿病腎病早期患者外周血單核細(xì)胞中，TLR4表達(dá)水平高于正常人，且在體外經(jīng)過(guò)LPS干預(yù)刺激24 h后，TLR4、NF-кBp65蛋白表達(dá)和IL-6分泌水平升高，趨化因子配體2和CD68在腎小管的過(guò)度表達(dá)，造成腎小管巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)、組織損傷、糖尿病腎病進(jìn)展［6］。

1.1.2 其他TLRs TLR2通過(guò)刺激炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生介導(dǎo)對(duì)細(xì)菌肽和肽聚糖的先天免疫應(yīng)答，其主要位于巨噬細(xì)胞，參與介導(dǎo)IFN-β的產(chǎn)生。研究［7］發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌改善了5/6腎切除大鼠結(jié)腸中緊密連接蛋白和TLR2表達(dá)的下調(diào)，降低了腸道的滲透性，從而降低了血清吲哚酚硫酸鹽、尿素氮水平和尿蛋白排泄量。另有實(shí)驗(yàn)［8］發(fā)現(xiàn)，用富含嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌的益生菌處理大鼠后，黏蛋白2、緊密連接蛋白-1、閉鎖蛋白和TLR2的表達(dá)增加，而含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3、環(huán)氧合酶2和β-鏈蛋白的表達(dá)降低，提示益生菌通過(guò)增強(qiáng)TLR2改善腸黏膜上皮屏障完整性和抑制凋亡與炎性反應(yīng)。

TLR5可以識(shí)別鞭毛蛋白，鞭毛蛋白是目前發(fā)現(xiàn)的TLR5的唯一配體?？肆_恩病相關(guān)性大腸桿菌可在鞭毛蛋白受體TLR5缺陷小鼠中誘發(fā)慢性結(jié)腸炎，并且在除去外源性細(xì)菌后不能自主恢復(fù)，提示微生物參與了先天免疫的調(diào)節(jié)并引發(fā)自身免疫性疾病，其機(jī)制可能與TLR5缺失導(dǎo)致依賴IL-1β的免疫途徑異常有關(guān)［9］。

TLR9識(shí)別細(xì)菌DNA中未甲基化的胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸，并且足夠水平的TLR9信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可維持腸道上皮中的穩(wěn)態(tài)。另有研究［10］也發(fā)現(xiàn)，乳酸桿菌激活腸道固有淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22，增強(qiáng)腸道黏膜屏障功能并促進(jìn)調(diào)節(jié)性樹(shù)突狀細(xì)胞向肝臟聚集，這些樹(shù)突狀細(xì)胞激活TLR9產(chǎn)生IL-10和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β，進(jìn)而抑制急性肝損傷時(shí)肝臟的炎性反應(yīng)應(yīng)答，提示腸道微生物參與調(diào)節(jié)免疫耐受。

1.1.3 NLRs 核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域2（NOD2）是NLRs中常見(jiàn)的一種，在小腸的上皮細(xì)胞高度表達(dá)，被細(xì)菌胞壁成分肽聚糖激活后分泌細(xì)胞因子，介導(dǎo)自噬，細(xì)胞內(nèi)囊交換，上皮再生，產(chǎn)生抗微生物的多肽，從而影響微生物的組成。NOD2可以識(shí)別脆弱桿菌，誘導(dǎo)產(chǎn)生高濃度的IL-6和IL-8、中濃度的IL-1β和TNF-α，以及少量的IL-10、IL-17、IL-23和IFN-γ。

De Bruyn等［11］在克羅恩病患者回腸活組織檢查中發(fā)現(xiàn)厚壁菌和擬桿菌增加，考慮與NOD2突變直接參與了微生物生態(tài)失調(diào)有關(guān)。Ohlsson等［12］發(fā)現(xiàn)，在無(wú)菌環(huán)境下，與野生型和 Myd88－/－的小鼠相比，NOD1或NOD2缺乏的小鼠骨皮質(zhì)厚度并未增加；骨組織上TNF-α和NF-кB配體的受體激活因子的表達(dá)量在無(wú)菌小鼠和野生型小鼠中顯著降低，而在 NOD1－/－或 NOD2－/－小鼠中不下降，提示腸道微生物增加TNF-α、RANKL在骨組織上的表達(dá)和減少骨量的機(jī)制均同時(shí)依賴于NOD1和NOD2信號(hào)通路。

1.2 巨噬細(xì)胞 巨噬細(xì)胞作為固有免疫的重要組成部分，因其激活后產(chǎn)生包括 TNF-α、IL-6、IL-10、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β在內(nèi)的大量促炎細(xì)胞因子和各種活性氧，在腸道微生物與人類免疫系統(tǒng)之間起了極為重要的作用。一般來(lái)說(shuō)，巨噬細(xì)胞激活包括經(jīng)典活化型（M1型）和替代活化型（M2型）兩種類型，M1型具有促炎作用，而 M2型相反。M1型巨噬細(xì)胞通過(guò)激活多種促炎性反應(yīng)因子來(lái)根除細(xì)胞內(nèi)的感染，是主要的“殺菌”成員。而不受管制的M1型巨噬細(xì)胞的活性反而誘導(dǎo)組織損傷，如在糖尿病腎病早期，在糖基化終末產(chǎn)物和TNF-α的作用下，可觀察到促炎性的M1型巨噬細(xì)胞被激活［13］。此外，微生物反過(guò)來(lái)可影響巨噬細(xì)胞的功能。另一項(xiàng)研究［14］結(jié)果顯示，大腸微生物發(fā)酵產(chǎn)物丁酸酯通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)錄活化因子（STAT）6/H3K9通路，促進(jìn)體外和體內(nèi)的 M2型巨噬細(xì)胞極化，同時(shí)可減輕右旋硫酸葡聚糖鈉誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型中結(jié)腸的炎性反應(yīng)。

1.3 IEL 分布于上皮細(xì)胞間的IEL是黏膜免疫系統(tǒng)的特征性細(xì)胞。小腸IEL具有很高的異質(zhì)性［2］，其中40%是γδT淋巴細(xì)胞。γδT淋巴細(xì)胞因其主要組織相容性復(fù)合體的缺陷和獨(dú)特的免疫調(diào)節(jié)功能，被認(rèn)為是針對(duì)感染和腸道傷口愈合的第一道防線的關(guān)鍵細(xì)胞。胃腸道屏障不成熟使早產(chǎn)兒易患?jí)乃佬阅c炎，而γδT淋巴細(xì)胞通過(guò)產(chǎn)生IL-17保持腸壁完整性并部分阻止細(xì)菌易位［15］。另一組重要的IEL是CD8＋αβ＋T淋巴細(xì)胞，其功能類似于常規(guī)主要組織相容性復(fù)合體（MHC）Ⅰ類分子限制性細(xì)胞毒性淋巴細(xì)胞。在小鼠的腸道環(huán)境下，淋巴細(xì)胞活化因子家族受體4表達(dá)并與IEL上CD8＋αβ＋T淋巴細(xì)胞受體結(jié)合，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)控制細(xì)胞毒性CD8＋αβ＋I(xiàn)EL的擴(kuò)增，調(diào)節(jié)固有層吞噬細(xì)胞的可逆耗竭和小腸中的炎性反應(yīng)［16］。

2 適應(yīng)性免疫

與機(jī)體其他部位的免疫系統(tǒng)相比，消化道的適應(yīng)性免疫有其特點(diǎn)。首先，由二聚體免疫球蛋白（Ig）A介導(dǎo)的體液免疫是其主要形式；其次，輔助性T淋巴細(xì)胞（Th）17細(xì)胞在腸道免疫應(yīng)答中十分活躍，誘導(dǎo)保護(hù)性免疫；再次，調(diào)節(jié)性T淋巴細(xì)胞（Treg）維持了腸道對(duì)食物抗原和共生菌的免疫耐受。

2.1 Ig A 在腸道微生物和各種食物成分的刺激下，黏膜漿細(xì)胞產(chǎn)生的Ig A形成二聚體，與跨上皮細(xì)胞的Ig受體結(jié)合，控制相關(guān)基因的表達(dá)，調(diào)節(jié)免疫。Ig A的產(chǎn)生主要有兩個(gè)機(jī)制：經(jīng)典途徑是通過(guò)T淋巴細(xì)胞依賴性并由TGF-β調(diào)控；另一條途徑與T淋巴細(xì)胞無(wú)關(guān)，而依賴上皮細(xì)胞、樹(shù)突狀細(xì)胞和先天性淋巴細(xì)胞。無(wú)論是哪條路徑，都提示腸道微生物參與了Ig A濃度和多樣性的調(diào)節(jié)。

腸腔內(nèi)的Ig A可以抑制微生物黏附到上皮細(xì)胞，中和微生物產(chǎn)生的毒素或酶，增強(qiáng)M細(xì)胞對(duì)抗原的攝取和胞吞轉(zhuǎn)運(yùn)作用，調(diào)控微生物入侵的途徑和調(diào)節(jié)對(duì)食物的耐受；也能與Ig A Fc受體（FcαRI）受體相互作用，招募并激活中性粒細(xì)胞，產(chǎn)生促炎或抗炎反應(yīng)。感染諾如病毒的無(wú)菌小鼠的小腸和結(jié)腸中產(chǎn)生了大量Ig A，膳食纖維在微生物作用下產(chǎn)生的短鏈脂肪酸也可以刺激腸道Ig A 的分泌［17］。

微生物群促進(jìn)了Ig A的產(chǎn)生，反之，其所產(chǎn)生的Ig A也會(huì)影響微生物的組合。在炎癥性腸病高發(fā)的IL-10－/－小鼠中，使用丁酸鈉治療后，腸道菌群發(fā)生變化，如厚壁菌增多、普雷沃氏菌減少［18］。在剛出生的小鼠中，使用野生型母鼠喂養(yǎng)的小鼠的腸道內(nèi)可以產(chǎn)生豐富的乳酸菌，而使用Ig A缺乏的牛奶喂養(yǎng)的小鼠的機(jī)會(huì)致病菌增加［19］。

2.2 Th17細(xì)胞 黏膜系統(tǒng)的Th17細(xì)胞主要分布于結(jié)腸和回腸的固有層，可能與這些部位有大量特定的微生物聚集有關(guān)，如梭菌相關(guān)性分段絲狀菌易在該處形成群落，對(duì)于Th17細(xì)胞的分化有作用。Th17細(xì)胞表達(dá)的IL-17A和IL-17F不但能誘導(dǎo)趨化因子和細(xì)胞因子如IL-6、粒細(xì)胞集落刺激因子，進(jìn)而調(diào)節(jié)嗜中性粒細(xì)胞的分化和活化，而且可以刺激上皮細(xì)胞產(chǎn)生抗菌肽和CCL20，誘導(dǎo)3型先天性淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22。此外，Th17細(xì)胞也可作用于B細(xì)胞，誘導(dǎo)全身B細(xì)胞分化和抗體產(chǎn)生。

IL-17和IL-22刺激腸道上皮細(xì)胞加速分泌黏液和β-防御素，具有保護(hù)黏膜免受微生物傷害的作用，如刺激IL-17的表達(dá)可預(yù)防檸檬酸桿菌的感染［20］。然而，Th17細(xì)胞的過(guò)度激活可能導(dǎo)致嚴(yán)重的疾病，如它可以在TGF-βl作用下誘導(dǎo)腎臟局部微環(huán)境中IL-17的產(chǎn)生，升高腎小球硬化指數(shù)，加重腎臟局部炎性反應(yīng)［21］。

2.3 Treg細(xì)胞 普通器官中的Treg細(xì)胞含有對(duì)自身抗原特異的T淋巴細(xì)胞受體，而腸道中表達(dá)叉頭樣轉(zhuǎn)錄因子3的Treg細(xì)胞則不同，它含有一套獨(dú)特的T淋巴細(xì)胞受體組，可產(chǎn)生IL-10，作用于髓系細(xì)胞，通過(guò)激活STAT3來(lái)抑制對(duì)膳食中無(wú)害抗原和共生微生物抗原的免疫應(yīng)答。除髓系細(xì)胞外，Th17細(xì)胞也表達(dá)高水平的IL-10受體α（IL-10Rα），因此IL-10可同樣抑制Th17的活性。如在小鼠中，多糖A產(chǎn)生的叉頭翼狀螺旋轉(zhuǎn)錄因子（Foxp）3＋Treg抑制Th17活性，從而促進(jìn)細(xì)菌腸道定植，被用于炎癥性腸病的治療［22］。另一方面，共生細(xì)菌及其代謝物也可促進(jìn)并誘導(dǎo)黏膜耐受的Treg細(xì)胞產(chǎn)生。在經(jīng)典的狼瘡性腎炎模型小鼠 MRL/lpr中使用乳酸桿菌后，其腎功能改善，存活時(shí)間延長(zhǎng)，可能機(jī)制是乳酸桿菌減少了腸道中的IL-6而增加了IL-10，降低了血循環(huán)中IgG2a的濃度并減少其在腎臟的沉積；同時(shí)在腎臟中，乳酸桿菌促進(jìn)Treg表達(dá)的增加［23］。一些代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸和吲哚，也可作為信號(hào)分子，參與調(diào)節(jié)Treg細(xì)胞的功能。

3 小 結(jié)

近十年來(lái)，人們已經(jīng)越來(lái)越意識(shí)到人體與腸道微生物之間互惠互利的關(guān)系。在大量的無(wú)菌和常規(guī)培養(yǎng)動(dòng)物模型中發(fā)現(xiàn)，微生物在人類固有和適應(yīng)性免疫的發(fā)展和調(diào)控中起了重要作用，并且與多種自身免疫性疾病有關(guān)。因此，進(jìn)一步深入研究宿主和微生物的關(guān)系對(duì)預(yù)防和治療與腸道微生物菌群失調(diào)有關(guān)的疾病具有深遠(yuǎn)的意義。