腸道菌群對(duì)CD4+T淋巴細(xì)胞分化和穩(wěn)態(tài)影響的研究進(jìn)展

陳瑩，侯亞義，王婷婷

(南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院及醫(yī)藥生物技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210093)

腸道菌群與適應(yīng)性免疫的相互調(diào)節(jié)，特別是對(duì)T細(xì)胞分化發(fā)育的影響，已較為明確。研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群的組成和多樣性的變化對(duì)于T細(xì)胞數(shù)量和功能改變的影響是疾病發(fā)生發(fā)展的重要病理機(jī)制[1]。因此，分析患者與健康者之間腸道菌群的差異性，篩選出疾病特征菌群，明確其與T細(xì)胞分化和功能的聯(lián)系，通過飲食、益生菌和(或)益生元、抗生素和糞便微生物移植對(duì)相關(guān)菌群進(jìn)行調(diào)控，對(duì)疾病的診斷、治療和預(yù)后具有重要意義。

1 腸道菌群概述

1.1 腸道菌群的組成

人體胃腸道是宿主、環(huán)境因素與抗原相互作用的最大界面之一，面積可達(dá)250～400 m2 [2]，其中生活著數(shù)以萬億計(jì)的微生物，包括細(xì)菌、真菌、蠕蟲和病毒等，稱為腸道菌群[3]，它們對(duì)宿主的體內(nèi)平衡和疾病發(fā)展具有重要作用。通過16S rRNA基因序列和全基因組鳥槍法測(cè)序分析腸道細(xì)菌組成和多樣性，發(fā)現(xiàn)主要有五大類群：厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、變形菌門和疣微菌門，其中以厚壁菌門和擬桿菌門數(shù)量最多[2,4-5]。此外，豐富多樣的真菌群落也寄生在哺乳動(dòng)物的胃腸道中，與腸道細(xì)菌具有相似的壁龕，通過相互調(diào)節(jié)維持腸道菌群的穩(wěn)定。下消化道真菌多樣性較上消化道多，主要包括念珠菌屬、酵母菌屬、曲霉菌屬等。這些真菌大部分能夠在37℃中存活，提示具有在腸道中永久定植的可能性[6]。

腸道菌群的組成和豐度處于動(dòng)態(tài)變化中，受遺傳、地理位置、飲食和免疫狀況等多種內(nèi)、外因素的影響，從而與宿主和外部環(huán)境建立起一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡[7]。目前，腸道菌群的研究已經(jīng)從對(duì)微生物群落的組成分類研究轉(zhuǎn)向了解其在宿主健康和疾病方面的生理作用。隨著高通量16S rRNA基因測(cè)序和鳥槍法宏基因組學(xué)等高通量低成本測(cè)序方法的成熟[2,5]，人們能夠從整體把握特定群落的特征和功能，使菌群的調(diào)控成為可能。

1.2 腸道菌群的代謝物

腸道菌群通過與宿主相互作用，產(chǎn)生一系列代謝物，包括短鏈脂肪酸、生物胺、色氨酸代謝物等，其不僅在腸道內(nèi)維持免疫平衡，還可以影響宿主遠(yuǎn)端疾病的發(fā)展，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)[8]。

腸道菌群中的擬桿菌屬和梭狀芽孢桿菌屬等細(xì)菌具有一系列酶，通過對(duì)難以消化的多糖如膳食纖維的厭氧發(fā)酵產(chǎn)生短鏈脂肪酸，主要包括乙酸、丙酸和丁酸，通常在胃腸道中以1 ∶1 ∶3比例出現(xiàn)[9]，其中以丁酸的研究最為廣泛[10]。短鏈脂肪酸的濃度隨腸道部位的不同而變化，在盲腸和近端結(jié)腸中最高，在遠(yuǎn)端結(jié)腸中下降。短鏈脂肪酸作為骨髓細(xì)胞和上皮細(xì)胞表面受體Gpr41、43和109a的配體，能夠抑制組蛋白去乙酰化酶活性，為腸道上皮的主要能量來源，通過發(fā)揮抗炎作用維持腸道穩(wěn)態(tài)[11-12]。

腸道菌群能從頭合成維生素K、維生素B復(fù)合體(煙酸、葉酸、硫胺素、核黃素等)等多種宿主無法合成的維生素。雙歧桿菌是葉酸的主要生產(chǎn)者，參與宿主代謝以及DNA的合成與修復(fù)[2]；乳酸菌對(duì)于維生素B12的合成至關(guān)重要。脆弱擬桿菌、遲緩真桿菌和腸球菌屬等細(xì)菌是參與合成維生素K的主要腸道細(xì)菌，可用于預(yù)防和治療菌群相關(guān)疾病[13]。

此外，腸道細(xì)菌也是強(qiáng)效抗炎生物胺如組胺、腐胺和精胺的重要來源[8]；結(jié)腸細(xì)菌能將難以代謝的膽汁酸轉(zhuǎn)化為次級(jí)膽汁酸[8]；來自梭菌綱、擬桿菌屬和脫硫弧菌屬的腸道細(xì)菌能夠合成非核糖體肽合成酶，這些物質(zhì)的改變與代謝相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)[8]。

1.3 腸道菌群的功能

腸道菌群在免疫、代謝、疾病等方面為宿主提供多種有益的功能。由于組成的多樣性，腸道菌群顯示出高度的功能冗余[4]，目前普遍認(rèn)為對(duì)其功能的探究比組成更為重要[14]。

腸道菌群最重要的功能是對(duì)宿主免疫系統(tǒng)的影響。一方面，腸道菌群促進(jìn)機(jī)體早期免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟；另一方面幫助維持腸道屏障的完整性，調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng)，維持免疫平衡[15]。同時(shí)，腸道菌群能夠通過產(chǎn)生相關(guān)的酶促進(jìn)腸道對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解吸收[11]；通過直接殺死、爭(zhēng)奪有限的營(yíng)養(yǎng)和增強(qiáng)免疫反應(yīng)來抵抗病原體的入侵，介導(dǎo)對(duì)腸道病原菌的定植抗性[16]；其成分變化能夠預(yù)測(cè)腸道早期疾病[17]；參與腸道代謝晝夜節(jié)律的設(shè)定[18]。

研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群失調(diào)或其代謝過程的改變與多種腸道內(nèi)、外疾病相關(guān)[3,8]，特別是T細(xì)胞介導(dǎo)的炎性以及自身免疫性疾病，具體的相關(guān)性將在下文進(jìn)行闡述。

1.4 宿主對(duì)腸道菌群的免疫反應(yīng)

腸道免疫系統(tǒng)又稱黏膜免疫系統(tǒng)，是人體免疫系統(tǒng)最大的組成部分，不斷暴露于各種抗原和潛在的免疫刺激中，通過腸道屏障來調(diào)節(jié)對(duì)共生菌的耐受性和對(duì)致病菌的免疫排斥，從而維持體內(nèi)平衡[19-20]。

腸道屏障是由物理(上皮和黏液層)、生化(酶和抗菌素前體)和免疫(IgA和上皮相關(guān)免疫細(xì)胞)等綜合成分組成的動(dòng)態(tài)屏障[2,21]。由于不斷受到微生物以及食物抗原的刺激且不能區(qū)分病原體和共生菌群，腸道免疫系統(tǒng)不斷被激活并受到嚴(yán)格調(diào)控，具有多種免疫耐受機(jī)制。腸道屏障能夠通過協(xié)同物理屏障、抗菌肽和多種免疫細(xì)胞將多種微生物限制在一定的空間內(nèi)，從而減少上皮細(xì)胞與腸道菌群的直接接觸，但該限制不是絕對(duì)的[4]。某些共生菌如分節(jié)絲狀菌、脆弱擬桿菌和變形桿菌等，可滲透黏液層與腸上皮細(xì)胞結(jié)合[4]。腸道屏障的破壞以及菌群的失調(diào)會(huì)導(dǎo)致免疫耐受性的破壞，引發(fā)多種炎性疾病。

2 腸道菌群對(duì)CD4+T淋巴細(xì)胞分化的影響

CD4+T細(xì)胞分化受細(xì)胞因子環(huán)境，轉(zhuǎn)錄活動(dòng)和表觀遺傳機(jī)制(包括DNA甲基化、microRNA表達(dá)變化以及組蛋白修飾)影響，表明CD4+T細(xì)胞譜系分化決定因素的復(fù)雜性[22]。在腸道淋巴細(xì)胞中，CD4+T細(xì)胞是介導(dǎo)多種宿主保護(hù)和穩(wěn)態(tài)反應(yīng)的主要細(xì)胞群[23]。腸道菌群及其代謝物可以通過直接或間接的方式誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞分化，包括T-bet+Th1細(xì)胞、RORγt+Th17細(xì)胞、Foxp3+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg細(xì)胞)和GATA3+Th2細(xì)胞[15]。細(xì)菌、真菌和病毒主要誘導(dǎo)Th1，Treg或者Th17細(xì)胞反應(yīng)，寄生蟲定植介導(dǎo)Th2細(xì)胞反應(yīng)。

2.1 腸道菌群對(duì)Treg細(xì)胞分化的影響

Treg細(xì)胞是外周免疫耐受和免疫平衡的關(guān)鍵介質(zhì)，其分化、功能和穩(wěn)定主要由轉(zhuǎn)錄因子Foxp3和IL-2-α鏈?zhǔn)荏w(CD25)調(diào)控[24]。Treg細(xì)胞通過產(chǎn)生抗炎細(xì)胞因子IL-10、IL-2、IL-35和TGF-β，以及CTLA-4與樹突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)CD28配體(如CD80和CD86)的相互作用，防止對(duì)共生菌群產(chǎn)生不利的免疫反應(yīng)，其失調(diào)與多種炎癥和自身免疫性疾病相關(guān)[25]。

腸道菌群可以在小腸和結(jié)腸固有層中促進(jìn)Treg細(xì)胞誘導(dǎo)、遷移和增殖，包括大腸埃希氏菌屬、艾克曼氏菌屬、擬桿菌屬、梭狀芽胞桿菌屬、乳桿菌屬和鏈球菌屬，目前研究多集中在Treg細(xì)胞較多的結(jié)腸中[2-3,26]。在廣譜抗生素治療或無菌培養(yǎng)條件下，結(jié)腸Treg細(xì)胞數(shù)量的減少進(jìn)一步證明腸道菌群對(duì)于Treg細(xì)胞分化的重要性。

多項(xiàng)研究證明，脆弱擬桿菌和梭狀芽孢桿菌在功能性Treg細(xì)胞的誘導(dǎo)中起關(guān)鍵作用[27-28](圖1)。脆弱擬桿菌的莢膜多糖A刺激CD4+T細(xì)胞膜表面TLR2表達(dá),誘導(dǎo)產(chǎn)生抗炎細(xì)胞因子IL-10的Treg細(xì)胞，從而促進(jìn)定植和腸道有益的免疫抑制[29]。同時(shí)，脆弱擬桿菌的外膜囊泡能夠通過激活非經(jīng)典自噬誘導(dǎo)Treg細(xì)胞，抑制黏膜炎癥[8]。另一項(xiàng)研究表明，來源于脆弱擬桿菌的鞘脂也能夠誘導(dǎo)Treg細(xì)胞，并且通過與CD1d結(jié)合激活恒定自然殺傷T細(xì)胞，從而產(chǎn)生耐藥反應(yīng)和炎癥抑制[30-31]。

圖1 腸道菌群對(duì)Th17/Treg細(xì)胞分化的影響以及涉及其平衡的相關(guān)疾病

短鏈脂肪酸尤其是丁酸，是驅(qū)動(dòng)CD4+T細(xì)胞分化的重要代謝物，但不是所有的短鏈脂肪酸都能誘導(dǎo)結(jié)腸Treg細(xì)胞的產(chǎn)生[27]。從人類原生菌群中分離出17株誘導(dǎo)Treg細(xì)胞的腸道菌群，分別屬于梭狀芽孢桿菌簇Ⅳ、ⅩⅣa和ⅩⅧ[32]。梭狀芽孢桿菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸和色氨酸代謝物，分別由G蛋白偶聯(lián)受體和芳香烴受體識(shí)別，通過表觀遺傳修飾，誘導(dǎo)Treg細(xì)胞擴(kuò)增和結(jié)腸遷移，維持整體腸道穩(wěn)態(tài)[3,33]。例如，來源于梭狀芽孢桿菌的丁酸[27]，一方面通過抑制組蛋白去乙酰化酶的活性，提高Foxp3啟動(dòng)子和保守非編碼DNA序列3增強(qiáng)子區(qū)域組蛋白H3的乙酰化水平；另一方面通過激活丁酸受體Gpr109a，誘導(dǎo)CD103+DC表達(dá)視黃酸脫氫酶(RADLH1)，產(chǎn)生視黃酸，結(jié)合保守非編碼DNA序列1，二者協(xié)同促進(jìn)Foxp3表達(dá)，而DNA甲基化可能是維持共生菌群定植后Treg細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的重要機(jī)制[25]。

2.2 腸道菌群對(duì)Th17細(xì)胞分化的影響

Th17細(xì)胞是CD4+效應(yīng)T細(xì)胞的一個(gè)亞群，受RORγt轉(zhuǎn)錄調(diào)控[34]，通常在小鼠和人類的小腸固有層中數(shù)量最多。它們通過分泌細(xì)胞因子IL-17A、IL-17F和IL-22[35]，誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生抗菌肽和緊密連接蛋白，從而維持腸道屏障的完整性，參與炎癥和自身免疫性疾病的發(fā)生[15,28]。

腸道Th17細(xì)胞是在腸道共生菌和某些細(xì)胞外病原體的定植下誘導(dǎo)和積累的[36]，具有強(qiáng)大的促炎性。小鼠黏膜與全身炎性Th17細(xì)胞的分化與分段絲狀菌、青春雙歧桿菌[28]、鼠檸檬酸桿菌[37]、金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌和白色念珠菌的定植相關(guān)[3]。黏附入侵的大腸埃希菌能夠通過依賴輔酶B12的丙二醇脫水酶誘導(dǎo)Th17細(xì)胞的產(chǎn)生[8]。然而，GF小鼠在接種了潰瘍性結(jié)腸炎患者和健康者糞便后，結(jié)腸Th17細(xì)胞數(shù)增加，表明人類腸道菌群中存在Th17細(xì)胞的誘導(dǎo)物種，但穩(wěn)態(tài)下能夠誘導(dǎo)Th17細(xì)胞產(chǎn)生的人源共生菌群仍未確定[28]。研究發(fā)現(xiàn)，人源青春雙歧桿菌能夠利用與分段絲狀菌不同的轉(zhuǎn)錄過程誘導(dǎo)腸道Th17細(xì)胞[28]。某些雙歧桿菌物種需要與其他微生物聯(lián)合才具有誘導(dǎo)Th17細(xì)胞的能力，這可能是多用益生菌混合物誘導(dǎo)Th17細(xì)胞的原因[28]。

定植在嚙齒動(dòng)物回腸末端的分段絲狀菌是介導(dǎo)Th17細(xì)胞極化的典型強(qiáng)效誘導(dǎo)劑，其定植水平與腸道內(nèi)的Th17細(xì)胞豐度密切相關(guān)[3,25]，而持續(xù)的抗生素處理可以抑制該過程。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)由分段絲狀菌誘導(dǎo)的腸道Th17細(xì)胞都表達(dá)T細(xì)胞受體，通過CD11c+DC對(duì)分段絲狀菌特異性抗原產(chǎn)生應(yīng)答[36]。分段絲狀菌附著卻不入侵腸上皮細(xì)胞，介導(dǎo)上皮細(xì)胞釋放血清淀粉樣蛋白A(serum amyloid A，SAA)，同時(shí)誘導(dǎo)ILC3s產(chǎn)生IL-22從而增強(qiáng)SAA表達(dá)。CD11c+DC在SAA的刺激下，分泌TGF-β、IL- 12和IL-23，協(xié)同極化T細(xì)胞表達(dá)RORγt轉(zhuǎn)錄因子和分泌IL-17A。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，分段絲狀菌可以促進(jìn)活性氧產(chǎn)生，從而促進(jìn)IL-1β分泌，進(jìn)一步促進(jìn)Th17細(xì)胞分化[38]。反之，Th17細(xì)胞分泌的IL-17可以通過產(chǎn)生抗菌肽和活性氧以及招募中性粒細(xì)胞來限制分段絲狀菌擴(kuò)張[22,39-40]。此外，分段絲狀菌產(chǎn)生的短鏈脂肪酸也能夠誘導(dǎo)Th17細(xì)胞，以維持免疫穩(wěn)態(tài)[15](圖1)。目前，尚不清楚分段絲狀菌誘導(dǎo)釋放SAA的關(guān)鍵信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)Th17細(xì)胞極化的特異通路或分子[3,41]。雖然分段絲狀菌局限于小腸，但其在結(jié)腸定植后也能夠誘導(dǎo)少量Th17細(xì)胞[37]，且對(duì)于Th17細(xì)胞在腸道外的分化同樣具有重要作用[42]。

結(jié)腸中Th17細(xì)胞是由腸道菌群的代謝物ATP誘導(dǎo)的。結(jié)腸CD70+DC表達(dá)ATP感應(yīng)受體P2X和P2Y，優(yōu)先誘導(dǎo)幼稚T細(xì)胞分化為Th17細(xì)胞[25]。此外，定植在結(jié)腸的檸檬酸桿菌等腸道病原菌的感染也會(huì)引起Th17反應(yīng)[37]。目前尚不清楚病原體誘導(dǎo)的炎性Th17細(xì)胞和共生菌誘導(dǎo)的腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)Th17細(xì)胞的區(qū)別。有研究表明，與共生菌誘導(dǎo)的穩(wěn)態(tài)Th17細(xì)胞相比，炎性Th17細(xì)胞的IFN-γ分泌和糖酵解水平升高，向外周大量擴(kuò)散，展現(xiàn)出高度的可塑性[37]。明確兩種不同Th17細(xì)胞的區(qū)別能夠在不破壞腸道穩(wěn)態(tài)的前提下，靶向炎性Th17細(xì)胞，治療相關(guān)疾病[37]。

3 腸道菌群對(duì)CD4+T淋巴細(xì)胞穩(wěn)態(tài)的影響

CD4+T細(xì)胞的初始極化是不確定且動(dòng)態(tài)變化的，具有一定的可塑性，主要特征是關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子和特征性細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)變。菌群相關(guān)的炎性反應(yīng)可以重編程RORγt+細(xì)胞共表達(dá)T-bet或Foxp3，促使Treg細(xì)胞與Th17細(xì)胞相互轉(zhuǎn)換。菌群還能夠與不同T細(xì)胞相互合作，維持免疫平衡。

3.1 腸道菌群對(duì)Th1/Th2細(xì)胞平衡的影響

腸道菌群可以通過特定的細(xì)胞因子組合、菌群環(huán)境以及生物地理影響T細(xì)胞亞群的形成。例如，在IL-12、IL-18和IL-23影響下，通過表達(dá)T-bet形成了分泌IFN-γ的Th13細(xì)胞，而Th2細(xì)胞是在IL-4或IL-5的影響下形成的，表達(dá)GATA3以及分泌IL-5和IL-13[43]。

共生菌群通過調(diào)節(jié)Th細(xì)胞分化來重塑生命早期形成的Th2型免疫性偏倚的腸道系統(tǒng)[25]。小腸和結(jié)腸中定植的寄生蟲可誘導(dǎo)Th2反應(yīng)，如鼠毛線蟲和曼氏血吸蟲蟲卵[44]。菌群誘導(dǎo)Th2細(xì)胞在不同的疾病模型中有不同的作用，依賴于疾病的發(fā)生機(jī)制。腸道寄生線蟲除了能夠驅(qū)動(dòng)典型的Th2細(xì)胞反應(yīng)，其代謝物對(duì)于疾病的發(fā)生發(fā)展以及T細(xì)胞的分化也具有重要作用。例如，線蟲感染加重由檸檬酸桿菌引起的結(jié)腸炎[45]，但線蟲來源的海藻糖能夠通過影響腸道菌群，增加瘤胃球菌的豐度，誘導(dǎo)CD8+Treg細(xì)胞，抑制1型糖尿病[46]。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，線蟲的長(zhǎng)期感染可以使Foxp3+Treg細(xì)胞數(shù)量上升[46]，提示線蟲在疾病治療中具有一定的潛力。

大多數(shù)具有上皮細(xì)胞侵襲能力的微生物可被DC吞噬，也可以刺激DC釋放IL-6、TNF-α等炎性細(xì)胞因子，并與OX40、IL-12結(jié)合，這些信號(hào)可以優(yōu)先極化Th1細(xì)胞[3]。例如，通常存在于口腔的克雷伯氏菌可以在基因易感個(gè)體的腸道定植，是Th1細(xì)胞的強(qiáng)效誘導(dǎo)劑[47]。由此表明，口腔菌群可能會(huì)在腸道外定植并持續(xù)存在，異常激活腸道免疫系統(tǒng)從而導(dǎo)致慢性炎癥[47]。單核細(xì)胞增多性李斯特氏菌同樣是Th1的強(qiáng)效誘導(dǎo)劑，在將分段絲狀菌抗原引入后，也能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生特異性Th1細(xì)胞[20]。由此表明，對(duì)于Th細(xì)胞的誘導(dǎo)不是取決于抗原本身，而在于環(huán)境、代謝機(jī)制以及相關(guān)組合，但特定的機(jī)制尚不明確。脆弱擬桿菌的定植不僅可以誘導(dǎo)Treg細(xì)胞分化，其產(chǎn)生的莢膜多糖A還可以通過MHCII+CD11c+DC膜上的TLR2信號(hào)促進(jìn)Th1細(xì)胞發(fā)育，調(diào)節(jié)Th1細(xì)胞和Th2細(xì)胞的平衡[22,25]。在體內(nèi)模型中，雙歧桿菌在Th1和Th2反應(yīng)的平衡中也發(fā)揮重要作用。據(jù)報(bào)道，雙歧桿菌的CpG基序能夠促進(jìn)Th1反應(yīng)，從而抵抗病毒等胞內(nèi)病原體[48]。由此可見，菌群對(duì)于適應(yīng)性免疫的影響不是單一的，這也增加了通過菌群調(diào)控T細(xì)胞分化從而治療疾病的難度。

3.2 腸道菌群對(duì)Treg/Th17細(xì)胞平衡的影響

Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞是兩種功能相反的重要淋巴細(xì)胞亞群。盡管具有不同的功能特性，從幼稚T細(xì)胞分化為Th17細(xì)胞和iTreg細(xì)胞都依賴于TGF-β的表達(dá)水平[34]。低表達(dá)水平的TGF-β、IL-23或IL-6誘導(dǎo)幼稚T細(xì)胞向Th17細(xì)胞發(fā)育，而高表達(dá)水平TGF-β可能誘導(dǎo)iTreg細(xì)胞產(chǎn)生[34]。目前，腸道菌群與這兩類細(xì)胞的相互作用已經(jīng)建立：腸道菌群能夠誘導(dǎo)Th細(xì)胞應(yīng)答，進(jìn)而抑制腸道菌群，同時(shí)調(diào)節(jié)Treg細(xì)胞應(yīng)答，提供對(duì)腸道菌群的耐受性[49]。Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞的微妙平衡是胃腸道內(nèi)外環(huán)境的一個(gè)關(guān)鍵屏障[24]。腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致T細(xì)胞亞群數(shù)量和活性失衡，進(jìn)而引發(fā)多種代謝或免疫紊亂相關(guān)疾病。因此，了解特定腸道菌群與Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞平衡之間的關(guān)系，將有利于治療失衡所導(dǎo)致的一系列疾病。

穩(wěn)態(tài)下，Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞在腸道固有層中富集，數(shù)量呈負(fù)相關(guān)[50]。從十二指腸到結(jié)腸Th17細(xì)胞數(shù)量逐漸減少，Treg細(xì)胞在結(jié)腸中數(shù)量最多[19]。在腸道等外周器官，Treg細(xì)胞和效應(yīng)細(xì)胞之間的平衡通常經(jīng)三種途徑實(shí)現(xiàn)： ① 原位誘導(dǎo)幼稚T細(xì)胞； ② 募集分化的Treg細(xì)胞和效應(yīng)細(xì)胞至組織中； ③ 將已經(jīng)分化的Treg/效應(yīng)細(xì)胞重編程至外周組織中的其他細(xì)胞系[51]。利用小鼠模型追蹤Th17細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為Treg細(xì)胞的能力，表現(xiàn)為標(biāo)志性轉(zhuǎn)錄特征的改變和獲得強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力[52]。比較轉(zhuǎn)化前后Th17細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄特征發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典TGF-β信號(hào)通路和芳香烴受體在轉(zhuǎn)化過程中具有重要作用[52]。例如，以色氨酸代謝物為代表的多種菌群代謝產(chǎn)物為芳香烴受體激動(dòng)劑，對(duì)抗炎反應(yīng)具有促進(jìn)效應(yīng)[3]。全反式維甲酸是維生素A的代謝物，其能夠使Foxp3以及IL-10、TGF-β等調(diào)節(jié)細(xì)胞因子表達(dá)水平升高，IL-17表達(dá)下降，表明全反式維A酸是T細(xì)胞向Treg細(xì)胞分化的關(guān)鍵分子以及Th17細(xì)胞方向轉(zhuǎn)變的抑制劑[24,43]。在無菌條件下，脆弱擬桿菌產(chǎn)生的莢膜多糖A，誘導(dǎo)Th1和Foxp3+Treg細(xì)胞積累，減弱Th17細(xì)胞應(yīng)答[15]。

Foxp3+Treg細(xì)胞不是終末分化細(xì)胞，在某些炎癥情況下Fxop3不表達(dá)，從而分化成多種效應(yīng)T細(xì)胞[34]。例如，菌群誘導(dǎo)的IL-21和IL-23可以支持Treg細(xì)胞向產(chǎn)生IL-17A的CD4+T細(xì)胞逆轉(zhuǎn)[3]。菌群產(chǎn)生的ATP同樣能夠促進(jìn)促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，從而促進(jìn)Th17細(xì)胞發(fā)展，抑制Treg細(xì)胞的產(chǎn)生[22]。炎癥小體也可參與該過程。致病菌和相關(guān)產(chǎn)物在下層黏膜易位和暴露增加，觸發(fā)炎癥小體激活，增強(qiáng)TLR樣和NOD樣受體信號(hào)表達(dá)，導(dǎo)致IL-1β、IL-6、IL-12、IL-18和IL-23產(chǎn)生，這種促炎環(huán)境可導(dǎo)致適應(yīng)性免疫系統(tǒng)的激活，致Th17/Treg平衡破壞[24]。Foxp3+Treg細(xì)胞在某些情況下會(huì)共表達(dá)其他系特異性轉(zhuǎn)錄因子，如T-bet、GATA3和RORγt[53]，展現(xiàn)出不同的功能特性。例如，在RORγt+Treg細(xì)胞缺失的情況下，Th2細(xì)胞抗寄生蟲的能力增強(qiáng)，協(xié)同菌群介導(dǎo)的多種免疫細(xì)胞維持免疫平衡[54]。

4 腸道菌群介導(dǎo)的T細(xì)胞免疫調(diào)控與疾病

遺傳變異和環(huán)境因素是導(dǎo)致疾病發(fā)生的主要原因。研究發(fā)現(xiàn)，致病性效應(yīng)T細(xì)胞和Treg細(xì)胞間的失衡可引發(fā)多種T細(xì)胞相關(guān)的自身免疫性和炎癥性疾病，如炎癥性腸病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、腫瘤、多發(fā)性硬化以及代謝相關(guān)疾病[3,15]。腸道菌群誘導(dǎo)T細(xì)胞分化，表明可通過腸道菌群調(diào)節(jié)適應(yīng)性免疫，進(jìn)而治療多種疾病。

4.1 炎癥性腸病

炎癥性腸病主要包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎，是一組慢性胃腸道炎癥性疾病，導(dǎo)致腸道炎癥和組織損傷，受遺傳、環(huán)境和免疫等多種因素影響。腸道菌群失調(diào)以及免疫反應(yīng)紊亂是炎癥性腸病的重要特征，然而菌群的變化與炎癥性腸病發(fā)病的因果關(guān)系尚不清楚[25,55]?，F(xiàn)已明確腸道菌群與多種T細(xì)胞亞群分化之間的聯(lián)系，從而將腸道菌群失調(diào)與炎癥性腸病中Th17/Treg細(xì)胞平衡的變化相聯(lián)系。

炎癥性腸病患者CD4+T細(xì)胞在腸道中異常積累，提示CD4+T細(xì)胞是炎癥性腸病發(fā)生發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)因素，可作為治療的靶細(xì)胞[23]。之前的研究表明，克羅恩病可能由T-bet+Th1細(xì)胞和相應(yīng)的細(xì)胞因子IFN-γ、IL-6、IL-12驅(qū)動(dòng)，而潰瘍性結(jié)腸炎是由分泌IL-5和IL-13的GATA3+Th2細(xì)胞驅(qū)動(dòng)[43]。與健康供體相比，接受炎癥性腸病患者腸道菌群定植的小鼠GATA3+Th2細(xì)胞數(shù)顯著增加[56]，進(jìn)一步證實(shí)上述觀點(diǎn)。

此外，在炎癥性腸病患者和小鼠結(jié)腸炎模型中，Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞的數(shù)量和功能都發(fā)生改變，具體表現(xiàn)：Treg細(xì)胞數(shù)量和抑制功能存在缺陷[55]，而Th17細(xì)胞富集以及黏膜和血清中IL-17轉(zhuǎn)錄水平升高[43]。多種微生物產(chǎn)生的代謝物通過調(diào)控Th17/Treg細(xì)胞平衡從而對(duì)炎癥性腸病產(chǎn)生不同的作用。全反式維甲酸通過改變Th17/Treg細(xì)胞平衡降低小鼠和人類結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度；短鏈脂肪酸對(duì)Treg細(xì)胞的分化和擴(kuò)張也具有保護(hù)實(shí)驗(yàn)性結(jié)腸炎的作用[57]；二甲雙胍可以通過調(diào)節(jié)IL-17和Foxp3的表達(dá)來減輕炎癥性腸病嚴(yán)重程度[24]。ATP處理小鼠后會(huì)加重T細(xì)胞介導(dǎo)的小腸結(jié)腸炎[36]。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)無菌小鼠進(jìn)行糞便微生物移植，與炎癥性腸病菌群相比，健康菌群能夠誘導(dǎo)更多的RORγt+Treg細(xì)胞產(chǎn)生，而對(duì)Foxp3+Treg細(xì)胞的誘導(dǎo)沒有明顯差別[56]。此外還發(fā)現(xiàn)小鼠中RORγt+Treg/Th17比例能夠預(yù)測(cè)炎癥性腸病患者和小鼠結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度[56]。由此表明，Th17/Treg細(xì)胞平衡的破壞對(duì)腸道內(nèi)免疫穩(wěn)態(tài)失衡的相關(guān)疾病具有重要作用。然而，由于IL-17單克隆抗體治療不能改善克羅恩病的癥狀，表明IL-17和炎癥性腸病發(fā)生之間的關(guān)系較復(fù)雜[24]。近年來，關(guān)于炎癥性腸病的兩種治療方法受到廣泛關(guān)注[24]。一是通過使用益生菌和益生元來糾正腸道生態(tài)失調(diào)[58]；二是通過糞便微生物移植來恢復(fù)炎癥性腸病患者中的共生關(guān)系[59]。雖然這兩種方法在炎癥性腸病的治療中展現(xiàn)了一定的益處，但篩選系統(tǒng)的建立、治療效果和安全性的提高還有待進(jìn)一步研究[24]。

4.2 糖尿病與肥胖

糖尿病是常見多因素影響的代謝相關(guān)性疾病，主要包括：1型和2型。除與遺傳和表觀遺傳因素相關(guān)，近來認(rèn)為糖尿病與環(huán)境因素密切相關(guān)，尤其是腸道菌群。在1型糖尿病患者中，腸道菌群多樣性降低，厚壁菌門和擬桿菌門比例發(fā)生變化[60]。盡管處于研究的早期階段且缺乏相關(guān)的人體數(shù)據(jù)，但腸道菌群通過調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)從而參與糖尿病的發(fā)生發(fā)展具有一定的研究潛力[60]。1型糖尿病經(jīng)由Th1細(xì)胞產(chǎn)生的IFN-γ調(diào)控，與CD8+T細(xì)胞和Th1/Th2細(xì)胞反應(yīng)相關(guān)。寄生蟲感染誘導(dǎo)的Th2免疫反應(yīng)，可以抑制非肥胖型糖尿病小鼠的自身免疫性糖尿病，但無論使用重組IFN-γ還是缺乏IL-4均未加重糖尿病，因此對(duì)于Th1/Th2在糖尿病發(fā)病機(jī)制中的作用還存在爭(zhēng)議。Th17細(xì)胞在1型糖尿病中的作用可能與疾病環(huán)境相關(guān)[15]。分段絲狀菌誘導(dǎo)的Th17細(xì)胞能夠抑制糖尿病的發(fā)展，而胰島素抗原特異性Th17細(xì)胞能夠轉(zhuǎn)分化為分泌IFN-γ的Th1樣細(xì)胞，誘導(dǎo)小鼠糖尿病的發(fā)生[15]。

肥胖是一種低等級(jí)的慢性炎癥，伴有細(xì)胞因子的異常產(chǎn)生和各種炎癥通路的激活，與包括胰島素抵抗和2型糖尿病在內(nèi)的不良臨床結(jié)果相關(guān)[24,61]。肥胖與腸道菌群分布有關(guān)，表現(xiàn)為擬桿菌門數(shù)下降，厚壁菌門數(shù)升高[62]。腸內(nèi)厚壁菌門多于擬桿菌門使得人體更有效地吸收食物中的熱量且更易轉(zhuǎn)化為脂肪積累于皮下，從而導(dǎo)致肥胖[62]。在肥胖背景下，Th17細(xì)胞在次級(jí)淋巴器官的極化能夠促進(jìn)實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎和哮喘等慢性疾病的發(fā)展[62]。Th17細(xì)胞在控制脂肪形成和葡萄糖穩(wěn)態(tài)中起關(guān)鍵作用。腸道Th17細(xì)胞與小鼠能量代謝和胰島素敏感性相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，RORγt+IL-17+CD4+T細(xì)胞數(shù)減少導(dǎo)致胰島素抵抗發(fā)生[24]。另一方面，肥胖還影響Treg細(xì)胞數(shù)量，調(diào)節(jié)全身代謝反應(yīng)。瘦鼠內(nèi)臟脂肪組織中的Treg細(xì)胞數(shù)增多，通過PPAR-γ控制脂肪生成[24]。由此表明，Th17/Treg細(xì)胞平衡對(duì)于疾病的發(fā)展具有重要作用，可作為疾病調(diào)控的靶點(diǎn)。

4.3 腫瘤

腸道菌群作為腫瘤微環(huán)境的一部分，與腫瘤的關(guān)系復(fù)雜，可能增強(qiáng)、降低癌癥易感性亦或?qū)Π┌Y易感性完全沒有影響[63]，以多種方式影響腫瘤生長(zhǎng)和擴(kuò)散。腸道菌群致癌主要通過三種途徑[64]:① 激活致瘤途徑，如一些細(xì)菌產(chǎn)生的蛋白可以使得β-連環(huán)蛋白從E-連環(huán)蛋白中分離，從而激活致癌β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路；② 菌群失調(diào)通過Toll樣受體產(chǎn)生大量促炎細(xì)胞因子；③ 通過釋放特定代謝物破壞DNA，從而促進(jìn)癌癥發(fā)展。例如，許多細(xì)菌產(chǎn)生的防御因子具有破壞DNA的能力，進(jìn)而導(dǎo)致癌變。脆弱擬桿菌毒素能夠激活β-連環(huán)蛋白信號(hào)通路，促進(jìn)腫瘤發(fā)生。大腸埃希菌產(chǎn)生的大腸桿菌素能夠增強(qiáng)小鼠腸道腫瘤的發(fā)生[63]。腸道菌群還能夠通過影響T細(xì)胞浸潤(rùn)進(jìn)而參與腫瘤的發(fā)生發(fā)展。在結(jié)直腸癌中，腸上皮Th17細(xì)胞能夠招募中性粒細(xì)胞和細(xì)胞毒性CD8+T細(xì)胞進(jìn)入腫瘤，提高腫瘤患者生存期，可作為IL-17/Th17治療的相關(guān)靶點(diǎn)[65]。另有研究報(bào)道，在結(jié)直腸癌中，菌群刺激的腸上皮細(xì)胞能夠分泌多種趨化因子，增強(qiáng)Th17、Th1和Tfh細(xì)胞浸潤(rùn)，提高患者存活率[66]。上述結(jié)果提示，或許可以通過調(diào)控特定菌群來增加腫瘤微環(huán)境中效應(yīng)T細(xì)胞的浸潤(rùn)，從而提高化療、放療以及靶向治療的療效。

4.4 其他相關(guān)疾病

腸道菌群和T細(xì)胞亞群的失衡是類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和多發(fā)性硬化的重要致病因素，腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致Th17細(xì)胞和Treg細(xì)胞的數(shù)量和功能發(fā)生變化是重要的病理機(jī)制。類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者體內(nèi)擬桿菌屬和雙歧桿菌豐度降低，這可能與Treg細(xì)胞數(shù)量降低相關(guān)。同時(shí)，類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎患者外周血和滑膜液中Th17細(xì)胞增多且IL-17表達(dá)升高，而在無菌動(dòng)物中引入能誘導(dǎo)Th17細(xì)胞產(chǎn)生的分段絲狀菌后，能夠促進(jìn)關(guān)節(jié)炎發(fā)生[67]。

多發(fā)性硬化是一種以中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元脫髓鞘為特點(diǎn)的自身免疫性疾病。對(duì)多發(fā)性硬化患者菌群分離并鑒定，發(fā)現(xiàn)與疾病顯著相關(guān)的特異性細(xì)菌，如阿克曼菌和乙酸鈣不動(dòng)桿菌，并且IL-10+Treg細(xì)胞比例降低以及Th17細(xì)胞增多[68]。利用小鼠實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎模型研究多發(fā)性硬化發(fā)現(xiàn)，抗生素處理后能夠阻止疾病的發(fā)生，加入誘導(dǎo)Treg細(xì)胞的細(xì)菌能夠減輕實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎癥狀[68]。由此表明，Th17/Treg細(xì)胞失衡是類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎和多發(fā)性硬化的主要病理因素。通過藥物或菌群來糾正Th17/Treg平衡的療法已在臨床應(yīng)用，并且在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎、炎癥性腸病中取得了一定的療效。然而這些療法往往缺乏普遍適用性，可能與疾病的病因、發(fā)病機(jī)制以及分子菌群之間相互作用的復(fù)雜性相關(guān)，更為關(guān)鍵和特異的分子機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

5 以T細(xì)胞為導(dǎo)向的相關(guān)療法現(xiàn)狀

5.1 以Treg細(xì)胞為導(dǎo)向的治療方法

Treg細(xì)胞在免疫耐受中發(fā)揮關(guān)鍵作用，小鼠和人類的研究已經(jīng)強(qiáng)調(diào)多種腸道炎癥和自身免疫病的發(fā)生是由于免疫穩(wěn)態(tài)的失調(diào)繼發(fā)于定性或定量Treg細(xì)胞缺陷，如在炎癥性腸病患者中發(fā)現(xiàn)Treg細(xì)胞數(shù)量分布以及抑制功能均存在缺陷[55]。將患者血液中的Treg細(xì)胞在體外擴(kuò)增，形成以Treg細(xì)胞為導(dǎo)向的過繼免疫治療。過繼轉(zhuǎn)移健康的Treg細(xì)胞至各種疾病(包括炎癥性腸病和自身免疫性疾病)的患者體內(nèi)，改變活躍炎癥區(qū)域的平衡，使其向更耐藥的微環(huán)境轉(zhuǎn)移[55]，從而抑制疾病的發(fā)生發(fā)展。

過繼Treg細(xì)胞在早期臨床試驗(yàn)包括實(shí)體器官移植、移植物抗宿主病和1型糖尿病的治療中展現(xiàn)出一定的安全性和治療前景[55,69]。在許多小鼠模型中，過繼Treg細(xì)胞能夠預(yù)防結(jié)腸炎的發(fā)生或治療結(jié)腸炎，在對(duì)克羅恩病的治療中也展現(xiàn)出良好的前景，許多臨床前研究正在開展。然而，這種方法在治療上仍存在一些問題[69]：Treg細(xì)胞在體外擴(kuò)增至目標(biāo)劑量的技術(shù)仍需提高；T細(xì)胞的可塑性使得其在過繼免疫治療時(shí)可能采用炎癥表型從而加重炎癥，如Treg細(xì)胞在轉(zhuǎn)移過程中表達(dá)IL-17；黏膜T細(xì)胞對(duì)Treg細(xì)胞介導(dǎo)的抑制具有一定的抵抗作用；Treg細(xì)胞歸巢到腸道和淋巴組織的能力尚不清楚。

5.2 以Th17細(xì)胞為導(dǎo)向的治療方法

Th17細(xì)胞是炎癥和自身免疫性疾病的重要參與者。針對(duì)Th17細(xì)胞或該通路不同成分的抑制劑，如IL-12、IL-23和IL-17A及其受體進(jìn)行干預(yù)治療，對(duì)銀屑病、克羅恩病、類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎以及多發(fā)性硬化等具有不同程度的益處[37]。因此，明確腸道菌群與Th17細(xì)胞之間的聯(lián)系，可以解決涉及異常Th17細(xì)胞反應(yīng)的疾病。

腸道菌群引起Th17反應(yīng)可在抗腫瘤免疫的背景下應(yīng)用。環(huán)磷酰胺是一種常用的抗癌藥物，其可以刺激抗腫瘤免疫反應(yīng)，改變小腸內(nèi)腸道菌群的組成，并選擇性誘導(dǎo)革蘭氏陽(yáng)性菌轉(zhuǎn)移到次級(jí)淋巴器官。在這些易位細(xì)菌的刺激下，宿主產(chǎn)生一群致病性pTh17細(xì)胞，這些細(xì)胞對(duì)提高腫瘤對(duì)環(huán)磷酰胺的敏感性以及治療效果非常重要[70]。

目前，腸道菌群誘導(dǎo)的炎性Th17細(xì)胞與穩(wěn)態(tài)Th17細(xì)胞很難區(qū)分，但兩種細(xì)胞狀態(tài)存在差異，這可能有助于對(duì)炎性Th17細(xì)胞進(jìn)行靶向治療。例如，與炎性Th17細(xì)胞不同，腸道穩(wěn)態(tài)Th17細(xì)胞不依賴于IL-23。同樣，IL-23受體的突變與炎癥性腸病風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)，并且在炎癥性腸病患者中檢測(cè)到IL-23蛋白表達(dá)量增加。因此，針對(duì)IL-23的治療不會(huì)損害腸道穩(wěn)態(tài)Th17細(xì)胞[37]。雖然Th17細(xì)胞通路分子調(diào)控有共通之處，但每個(gè)分子都有獨(dú)特的非Th17細(xì)胞特征，產(chǎn)生不同的功能結(jié)果[53]。對(duì)于不同分子在不同疾病模型中的致病機(jī)制還需要進(jìn)一步研究。

5.3 腸道菌群對(duì)腫瘤免疫治療效果的影響

腫瘤患者腸道菌群的組成和豐度與腫瘤免疫治療效果密切相關(guān)。大量研究表明，腸道菌群能夠提高腫瘤免疫檢查點(diǎn)抑制劑的療效，包括PD-1/PD-L1單抗療法以及抗CTLA-4療法[71]。例如，在小鼠黑色素瘤模型中，無菌條件下PD-1抑制劑效力減弱，通過補(bǔ)充益生菌如雙歧桿菌，其活化抗原提呈細(xì)胞，促進(jìn)腫瘤微環(huán)境中活化的CD8+T細(xì)胞積累，增強(qiáng)PD-L1阻斷效果；在小鼠和腫瘤患者中，抗CTLA-4的抗腫瘤作用與多種擬桿菌屬細(xì)菌的T細(xì)胞應(yīng)答相關(guān)，如多形擬桿菌、脆弱擬桿菌等[64,72]。由此可見，通過益生菌和益生元以及糞便微生物移植調(diào)控腸道菌群聯(lián)合免疫療法，有望作為腫瘤治療的新策略(表1)。

表1 與CD4+T細(xì)胞分化相關(guān)的關(guān)鍵腸道菌群以及相關(guān)疾病和治療方法

6 展望

作為與免疫系統(tǒng)相互作用的一種方式，腸道菌群及其代謝物通過直接或間接調(diào)控CD4+T細(xì)胞分化和穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而參與多種疾病的發(fā)生發(fā)展。因此，以期進(jìn)一步通過靶向和非靶向菌群調(diào)控調(diào)節(jié)T細(xì)胞分化、轉(zhuǎn)移以及功能。一種常見的方法是進(jìn)行全微生物組相關(guān)性研究，以尋找特定微生物與罕見疾病之間的相關(guān)性。然而，盡管在多種疾病中發(fā)現(xiàn)腸道菌群組成和多樣性的改變，仍未篩選出疾病特征菌落和有效的診斷標(biāo)志物。同時(shí)，不同狀態(tài)下T細(xì)胞表型和功能的改變以及非傳統(tǒng)T細(xì)胞在疾病中的作用和機(jī)制還需要進(jìn)一步探究。能否真正使患者得到最大的臨床獲益，腸道菌群相關(guān)療法篩選系統(tǒng)的建立以及安全性的提高是目前亟待解決的兩個(gè)問題?？傮w而言，通過腸道菌群及其代謝物調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)，為多種疾病的治療提供新思路。