腸道菌群失調(diào)引起類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)病的研究進(jìn)展

閆夢(mèng)真,余 婕,董甜甜,陳桂婷,周婷婷,李世剛

(三峽大學(xué)醫(yī)學(xué)院,中國(guó)湖北宜昌443002)

腸道菌群與人體免疫系統(tǒng)共生并相互影響。研究表明自身免疫性疾病,如:系統(tǒng)性紅斑狼瘡、炎性腸病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎等,與腸道微生態(tài)的改變相關(guān)[1]。目前,越來越多的微生物群成分被發(fā)現(xiàn)與自身免疫性疾病相關(guān),如腸道普氏菌(Prevotella copri)、牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonas gingivalis)、柯林斯氏菌(Collinsella)等,這些微生物菌群通過激活腸組織黏膜表面的免疫反應(yīng)位點(diǎn),破壞適應(yīng)性反應(yīng),進(jìn)而導(dǎo)致免疫性疾病[2]。腸道微生物群在宿主體內(nèi)功能多樣,包括保護(hù)腸道免受致病菌的定植、促進(jìn)腸道相關(guān)淋巴組織的發(fā)展及誘導(dǎo)腸道適應(yīng)性免疫反應(yīng)的極化[3]。腸道微生物群在宿主體內(nèi)功能的紊亂常常與免疫性疾病伴隨發(fā)生。多項(xiàng)研究顯示,相比健康對(duì)照組的人群,類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者腸道菌群數(shù)量略有減少,菌群結(jié)構(gòu)豐富度降低[4～7],提示類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)病與腸道菌群紊亂相關(guān),可能是腸道菌群數(shù)量、結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致功能失調(diào)從而誘發(fā)了類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎,也可能是類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎疾病引起腸道菌群發(fā)生紊亂。由此可見,類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎與腸道菌群失調(diào)存在因果關(guān)系,但其中機(jī)制復(fù)雜,仍有待進(jìn)一步的探究。此外,生物信息學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了腸道菌群的研究,檢測(cè)腸道菌群數(shù)量、結(jié)構(gòu)的常用技術(shù)為16S核糖體RNA(16S ribosomal RNA,16S rRNA),該技術(shù)能檢測(cè)糞便中的腸道菌群種類。借助16S rRNA技術(shù),能更全面地研究微生物多樣性、種群的結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系、功能活性、相互間的協(xié)作關(guān)系等,以探討腸道菌群與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的聯(lián)系[8]?，F(xiàn)針對(duì)腸道菌群失調(diào)與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)展的相互作用機(jī)制予以簡(jiǎn)要綜述。

1 腸道菌群與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的相關(guān)性

類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎是一種全身性、自身免疫性疾病,其特征是慢性和進(jìn)行性關(guān)節(jié)疼痛、關(guān)節(jié)破壞、畸形和殘疾。盡管類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的病因尚不明確,但這種系統(tǒng)性自身免疫性疾病是一種多因素疾病,其發(fā)病機(jī)制受遺傳因素、環(huán)境因素兩方面的影響[9～10]。雙胞胎是較好的研究對(duì)象,利于判斷環(huán)境因素、遺傳因素在RA發(fā)展中的重要性。Goodrich等[11]調(diào)查研究了1 126對(duì)同卵雙胞胎,并利用16S rRNA檢測(cè)了他們的腸道菌群組成。研究發(fā)現(xiàn)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的進(jìn)展雖然受雙因素影響,但是環(huán)境因素處于主導(dǎo)地位,決定了類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎是否發(fā)生,而遺傳因素僅起到調(diào)節(jié)的作用。

影響類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的環(huán)境因素很多,但近幾年的研究表明,腸道菌群失調(diào)是誘發(fā)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的重要環(huán)境因素之一。Scher等[12]研究發(fā)現(xiàn),P.copri菌與新發(fā)未治療的類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎(new-onset untreated rheumatoid arthritis,NORA)患者的病情密切相關(guān),該菌豐度的增加與擬桿菌的減少導(dǎo)致NORA受試者腸道內(nèi)有益微生物減少,加重RA病情。Zhang等[6]指出,類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者接受治療后,腸道菌群發(fā)生改變,但并沒有恢復(fù)到健康對(duì)照組的菌群組成水平,值得注意的是嗜血桿菌的數(shù)量變化與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病情、血清抗體水平呈負(fù)相關(guān)。除了腸道菌群數(shù)量的變化,類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的微生物群中,鐵、硫、鋅和精氨酸的氧化還原環(huán)境、轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝也發(fā)生了改變。該研究分析了腸道菌群改變與RA的相關(guān)性,并提出了使用宏基因組測(cè)序進(jìn)行預(yù)后和診斷的潛在方法,這一方法若應(yīng)用到臨床,可以通過腸道菌群的變化推測(cè)RA的發(fā)病情況,對(duì)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎疾病的預(yù)防、發(fā)現(xiàn)、治療有極大幫助。劉曉飛等[13]的臨床研究表明,類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者中腸道菌群種類、菌群結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、腸道菌的相對(duì)密度均顯著降低;在變性梯度凝膠電泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)下方區(qū)域,患者腸道菌群條帶數(shù)量明顯減少或消失,提示RA患者腸道菌群豐度降低。此外,研究人員通過測(cè)序發(fā)現(xiàn),相比健康人腸道菌群,患者腸道菌群的構(gòu)成有很大差別,RA患者腸道內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌群減少,腸道菌群豐度降低,這不利于腸道菌群-黏膜免疫的穩(wěn)定,影響局部腸道健康。有報(bào)道指出,腸道黏膜下派氏集合淋巴結(jié)(Peyer’s patches,PPs)中的免疫細(xì)胞也參與腸道菌群-黏膜免疫反應(yīng)。腸道菌群改變刺激PPs中的免疫細(xì)胞(如T細(xì)胞)釋放免疫因子進(jìn)入血液循環(huán),激發(fā)全身免疫反應(yīng)。腸道菌群紊亂是影響類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病情發(fā)生、發(fā)展中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)境因素[14]。綜上所述,腸道菌群失調(diào)不僅會(huì)引起局部腸道疾病,也會(huì)誘發(fā)與全身免疫性疾病相關(guān)的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎。

2 腸道菌群-黏膜失衡誘導(dǎo)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎

腸道黏膜表面介導(dǎo)微生物與外界環(huán)境接觸,許多外源性致病菌通過腸道感染宿主,但宿主黏膜平衡及內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)受到有效的先天性和適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的保護(hù)。幾乎80%的身體免疫活性細(xì)胞都屬于黏膜相關(guān)免疫系統(tǒng),這些細(xì)胞中的大多數(shù)存在于胃腸道的組織中。在生理?xiàng)l件下,腸道被體內(nèi)最大的上皮表面覆蓋(人體約為200 m2),它包含了多種不同形態(tài)和功能的腸道細(xì)胞,這些細(xì)胞能調(diào)節(jié)正常細(xì)菌菌群的抗原反應(yīng)[15～19]。黏蛋白層是腸道內(nèi)容物和腸上皮細(xì)胞之間的第一道屏障,可保護(hù)免疫系統(tǒng),使其免于與共生細(xì)菌及其代謝產(chǎn)物直接接觸,避免細(xì)菌刺激免疫細(xì)胞釋放免疫因子,引起過度免疫應(yīng)答,誘發(fā)RA。

參與黏膜屏障功能的上皮細(xì)胞是結(jié)腸中的細(xì)胞,其中杯狀細(xì)胞產(chǎn)生上皮生長(zhǎng)和修復(fù)所需的黏液和三葉肽,腸內(nèi)分泌細(xì)胞產(chǎn)生具有旁分泌作用的神經(jīng)內(nèi)分泌分子,潘氏細(xì)胞分泌抗菌肽防御素。神經(jīng)肽(神經(jīng)系統(tǒng)的產(chǎn)物)能夠增加緊密連接對(duì)大分子的滲透性,從而改變黏膜屏障功能。這些都是維持黏膜屏障功能必不可少的組成成分。腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)的維持,除了上述細(xì)胞功能的正常發(fā)揮,更需要與腸道微生物相互協(xié)調(diào)。正常腸道微生物參與宿主營(yíng)養(yǎng)吸收、藥物代謝,維持腸道黏膜結(jié)構(gòu)完整性,調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng),對(duì)抗病原體定植[20]。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí),將從RA患者糞便中分離出的屎腸球菌和短乳桿菌再定植到大鼠腸道中,可破壞腸道菌群-黏膜平衡,誘導(dǎo)大鼠RA的發(fā)生[21]。

腸道黏膜穩(wěn)態(tài)的建立要追溯到生命最初,即胎兒脫離母體成為嬰兒的時(shí)刻。嬰兒離開母體,身體各系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)育,微生物也在此時(shí)占據(jù)宿主。特殊的是,有研究發(fā)現(xiàn)常駐菌群定植的時(shí)刻也是免疫系統(tǒng)發(fā)育時(shí)段[22],這一事件并非偶然,腸道微生物的定植與免疫系統(tǒng)成熟的相互作用對(duì)今后黏膜穩(wěn)態(tài)極其重要。B?ckhed等[23]研究表明,嬰兒分娩方式及第一年的營(yíng)養(yǎng)狀況會(huì)影響其腸道菌群的定植。在此期間,黏膜和皮膚成為菌群的“殖民地”并對(duì)免疫系統(tǒng)發(fā)育產(chǎn)生極大的影響。最初人體腸道內(nèi)菌群的定植期,也是黏膜相關(guān)免疫系統(tǒng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期,免疫細(xì)胞與這些菌群相互接觸,將它們視作“自己人”,形成適應(yīng)性免疫,若腸道菌群結(jié)構(gòu)改變,腸道黏膜平衡破壞,則可誘發(fā)免疫炎癥反應(yīng)。Jubair等[14]研究發(fā)現(xiàn),在沒有完整的微生物群的情況下,患有膠原誘導(dǎo)型關(guān)節(jié)炎(collagen induced arthritis,CIA)的小鼠不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎癥狀。研究者提出CIA臨床前階段的微生物生態(tài)失調(diào)與黏膜變化有顯著關(guān)系,并指出類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎病程發(fā)展依賴于某種微生物,而微生物紊亂與黏膜失衡參與免疫性疾病的全身癥狀。綜上所述,腸道菌群與黏膜細(xì)胞相互協(xié)同維持腸道健康,最初定植的腸道菌與黏膜免疫細(xì)胞、因子接觸,人體能識(shí)別健康狀態(tài)下的菌群。當(dāng)各種因素導(dǎo)致腸道菌群改變時(shí)則推動(dòng)疾病進(jìn)展,而且將患者腸道內(nèi)異常的菌群移植到健康小鼠腸道內(nèi)時(shí)能引起腸道黏膜平衡破壞,誘發(fā)RA。

3 腸道菌群與免疫應(yīng)答

幾十年來,腸道微生物的研究通常與感染或腸道疾病有關(guān),科研人員常常是從微生物的角度去分析菌群與疾病的關(guān)系。然而,近年來研究者發(fā)現(xiàn),腸道菌群不僅作用于腸道本身,還參與了免疫系統(tǒng)的發(fā)育,影響著機(jī)體的其他疾病。有研究指出,宿主免疫系統(tǒng)和微生物群之間的復(fù)雜相互作用對(duì)于人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)是必需的[24～26]。當(dāng)宿主和微生物群之間的共生關(guān)系被破壞時(shí),如腸道菌群失調(diào)、宿主免疫力降低、全身免疫炎癥反應(yīng)等,會(huì)誘導(dǎo)免疫系統(tǒng)疾病,引起全身反應(yīng)[27～29]。

腸道菌群與免疫應(yīng)答之間的研究最早始于無菌小鼠。無菌小鼠免疫系統(tǒng)發(fā)育不良,IgA生成漿細(xì)胞數(shù)量減少,CD4+T細(xì)胞百分比減少,導(dǎo)致腸道中的T細(xì)胞數(shù)量減少[30]。基于這種特有的免疫系統(tǒng),無菌小鼠常被用于研究腸道菌群與宿主的免疫應(yīng)答。目前,已有許多研究證實(shí)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者與正常人相比腸道菌群發(fā)生紊亂,而無菌小鼠可以通過定植,檢驗(yàn)?zāi)撤N特定的微生物是否參與類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)病及其潛在機(jī)制,這為類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎早期診斷和治療提供了新的方向。Feng等[31]研究發(fā)現(xiàn),分段的絲狀細(xì)菌可以促進(jìn)輔助性T細(xì)胞17(T helper cell 17,Th17)的分化。Th17具有明顯的促炎癥作用。減少分段的絲狀細(xì)菌有助于減輕RA的炎癥反應(yīng)。Atarashi等[32]發(fā)現(xiàn),梭菌屬細(xì)菌的分化可促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell,Treg)的發(fā)育,而Treg發(fā)育成熟后參與RA的免疫炎癥反應(yīng)。若抑制梭菌屬細(xì)菌的增殖、分化,可減輕關(guān)節(jié)炎的癥狀。Teng等[33]研究顯示,腸道共生細(xì)菌——分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacteria,SFB)是引起全身性關(guān)節(jié)炎必不可少的菌群,SFB通過驅(qū)動(dòng)PPs中濾泡輔助性T細(xì)胞(follicular helper T cell,Tfh)的分化和移動(dòng),遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)全身性關(guān)節(jié)炎疾病。這些研究探討了特定菌群與免疫細(xì)胞間的作用,而先前腸道菌群的研究多是采用糞便移植的方法,將不同實(shí)驗(yàn)組小鼠的糞便灌胃移植,這種方法雖然也能確定疾病與腸道菌群之間的關(guān)系,但是無菌小鼠模型的出現(xiàn),更進(jìn)一步探究了特定菌種與免疫細(xì)胞、免疫因子的作用機(jī)制。

免疫系統(tǒng)既能防御外來致病菌的干擾,也能與腸道常駐菌共生進(jìn)化,這對(duì)維持腸道穩(wěn)態(tài)十分重要。其中的機(jī)制是,腸道駐留吞噬細(xì)胞對(duì)微生物配體和共生細(xì)菌的反應(yīng)較弱,當(dāng)受到刺激時(shí),它們不會(huì)產(chǎn)生生物學(xué)上顯著水平的促炎分子,而外來致病菌在腸道免疫形成階段,沒有與免疫細(xì)胞接觸,在免疫系統(tǒng)發(fā)育成熟后,被機(jī)體視作異己成分,發(fā)動(dòng)吞噬細(xì)胞將其清除,以此維持腸道系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)[34～35]。當(dāng)黏膜處于平衡狀態(tài)下時(shí),上皮屏障完整,常駐共生細(xì)菌不能誘導(dǎo)IL-1β前體加工成有生物活性的IL-1β,從而維持免疫低反應(yīng)性狀態(tài),不引發(fā)免疫應(yīng)答。在黏膜失衡的狀態(tài)下,致病菌腸道病原體(如鼠傷寒沙門氏菌和銅綠假單胞菌)的感染可以通過Nod樣受體C4(Nod-like receptor C4,NLRC4)的激活,促進(jìn)胱天蛋白酶1(caspase 1)的活化,從而誘導(dǎo)IL-1β前體的加工[36]。因此,缺乏NLRC4或IL-1受體(IL-1R)的BALB/c小鼠對(duì)鼠傷寒沙門氏菌的胃腸道感染高度敏感。IL-1β在腸道免疫中的保護(hù)作用,部分是由其誘導(dǎo)內(nèi)皮黏附分子表達(dá)的能力介導(dǎo)的,內(nèi)皮黏附分子有助于中性粒細(xì)胞募集和腸道中的病原體清除。通過以上機(jī)制,人體對(duì)外來致病菌做出正確的免疫應(yīng)答,清除有害菌群,維持腸道菌群穩(wěn)定。

4 小結(jié)與展望

腸道微生物群已經(jīng)研究了一個(gè)多世紀(jì),近年來,研究者從免疫學(xué)的新角度去看待腸道微生物,認(rèn)識(shí)到其在健康和疾病中的作用。腸道微生物群的構(gòu)成極其復(fù)雜,有致病菌也有常駐正常菌群,并且這些腸道菌還與局部黏膜相互作用,影響?zhàn)つて胶?參與黏膜發(fā)育和黏膜免疫應(yīng)答。除此之外,腸道菌還參與全身免疫反應(yīng),在過去對(duì)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎研究的基礎(chǔ)上,研究人員進(jìn)一步探索類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、免疫細(xì)胞、腸道菌群三者之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)Th17、Tfh等多種免疫細(xì)胞依賴于腸道菌群的調(diào)節(jié),促進(jìn)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎的發(fā)生和發(fā)展。此外,部分類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者的抗生素治療取得成功,這進(jìn)一步證明腸道菌群在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎發(fā)病機(jī)制中確實(shí)起到作用[37]。盡管腸道菌群失調(diào)與疾病發(fā)病機(jī)制的關(guān)聯(lián)比較明顯,但在很大程度上,人們?nèi)匀徊恢朗悄男┮蛩貙?duì)引發(fā)腸道菌群失調(diào)起決定性作用。顯然,遺傳和環(huán)境因素在塑造微生物群方面都很重要。然而,這兩組因素的相對(duì)貢獻(xiàn)以及它們相互作用導(dǎo)致腸道菌群失調(diào)的機(jī)制仍然是值得積極探索的未知領(lǐng)域。

值得探究的另一個(gè)問題是,腸道菌群失調(diào)是否具有疾病特異性？而且如果腸道菌群失調(diào)發(fā)生在生命周期的不同時(shí)間點(diǎn),其是否會(huì)對(duì)疾病的影響也有所差異？特別是在生命的早期,免疫系統(tǒng)發(fā)育與腸道微生物定植的同期,若腸道菌群變化則可能導(dǎo)致免疫系統(tǒng)發(fā)育缺陷。

綜合以上分析可以看到,腸道菌群失調(diào)在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎疾病的發(fā)生、發(fā)展中起到不容忽視的作用。由此可推測(cè),針對(duì)腸道菌群調(diào)節(jié),維持微生物穩(wěn)態(tài),是一種極其有吸引力的治療方法,甚至可以在出現(xiàn)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎癥狀前預(yù)防病程發(fā)展。事實(shí)上,糞便微生物群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)在艱難梭菌感染的治療中非常有效,這表明調(diào)節(jié)腸道菌群失調(diào)可能是降低相關(guān)疾病(包括RA)易感性的有效方法。但這還需要進(jìn)一步研究,不僅要深入了解宿主-腸道菌群的關(guān)系,還要利用這種關(guān)系,制定預(yù)防或治療腸道內(nèi)外疾病的最佳方法。