腸道菌群代謝產物對腸道免疫影響的研究進展

鄭倩婷 孟立娜

人體腸道菌群與腸道免疫系統(tǒng)之間有著密切的關系，腸道菌群可促進腸道免疫應答、維持免疫穩(wěn)態(tài)并防止病原體定植，參與了宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育、成熟，腸道菌群與腸道免疫系統(tǒng)共同進化，以維持腸道健康[1]。腸道菌群失調會造成腸道免疫系統(tǒng)平衡的破壞，而腸道免疫失衡與腸道炎性反應及疾病相關，如炎癥性腸病(IBD)、腸易激綜合征(IBS)等[2]。有研究報道，腸道菌群可通過降解食物、生物轉化、分泌物質等產生代謝產物，如短鏈脂肪酸(SCFA)、膽汁酸等，這些代謝產物可影響宿主腸道免疫系統(tǒng)。本文就腸道菌群代謝產物對腸道免疫影響的研究進展作一綜述。

1 SCFA

SCFA是指碳鏈上的碳原子數<6個的有機脂肪酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。膳食纖維經過腸道菌群發(fā)酵產生SCFA，SCFA通過多種途徑進入腸上皮細胞：(1)被動擴散；(2)由轉運蛋白運輸，如鈉離子偶聯的單羧酸轉運蛋白1(SMCT1)和單羧酸轉運蛋白1(MCT1)；(3)激活G蛋白偶聯受體(GPCR)[3]。SCFA作為腸上皮細胞的能量來源，可影響腸上皮屏障和防御功能所必需的基因表達，并可調節(jié)天然免疫細胞及T細胞、B細胞介導的特異性免疫[4-5]。GPCR主要包括GPR109A、GPR43、GPR41和OLFR78，在絕大多數免疫細胞中表達。SCFA通過介導GPCR，激活控制免疫功能的信號級聯反應[6]。SCFA介導的調控是通過激活GPCR、抑制組蛋白去乙?；?HDAC)、刺激組蛋白乙酰轉移酶(HAT)活性及穩(wěn)定缺氧誘導因子(HIF)來實現的[7]。在細胞水平上，SCFA可通過改變免疫細胞的基因表達、分化、趨化、增殖和凋亡，從而影響全身性免疫反應，參與不同的炎性反應過程[3-4]。

乙酸與樹突狀細胞(DC)的GPR43結合，誘導B細胞產生免疫球蛋白A(IgA)，GPR43缺乏的小鼠腸道中IgA水平較低[8]。此外，乙酸還可誘導DC中產生維生素A轉化酶的基因ALDH1A2表達升高，將維生素A轉化為其代謝產物維甲酸，促進乙酸誘導B細胞產生IgA[8]。丁酸可直接或通過抑制HDAC誘導腸上皮細胞中維生素A轉化酶的表達，將維生素A轉化為維甲酸。腸上皮細胞產生的維甲酸可影響DC表型，誘導DC表達CD103+，形成耐受性DC(CD103+DC)[9]。反之，這些DC自身可產生維甲酸，能誘導Treg細胞和生成IgA的B細胞[8-9]。丁酸可抑制HDAC3活性，促使單核細胞向巨噬細胞分化。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，mTOR信號通路具有促進物質代謝，參與細胞凋亡、自噬的作用。丁酸可通過改變巨噬細胞的代謝并誘導mTOR依賴性自噬相關蛋白——微管相關蛋白1輕鏈3(LC3)相關的宿主防御，LC3相關的宿主防御與抗菌肽產生協(xié)同效應，共同促進了抗菌活性[10]。經口服丁酸處理的小鼠在感染沙門氏菌后，在腸系膜淋巴結(MLN)、脾臟和肝臟中的細菌播散程度均較未處理小鼠輕[10]。因此，丁酸鹽不僅可促進單核細胞向具有較強抗菌活性的巨噬細胞分化，而且可阻遏致病菌的傳播。B細胞誘導成熟蛋白-1(Blimp-1)可促進B細胞發(fā)育成漿細胞，并且在T細胞(包括Th1細胞和Th17細胞)分泌IL-10中起關鍵作用[11-12]。丁酸可通過激活信號轉導與轉錄激活因子3(STAT3)和mTOR通路，誘導Th1細胞表達Blimp-1以產生IL-10[11]。Th1細胞可誘導結腸炎的發(fā)生，但其分泌的IL-10可抑制Th1細胞對腸道炎性反應的驅動。經戊酸處理的Th17細胞糖酵解增強，使IL-10分泌增加，從而抑制HDAC活性，使IL-17A表達降低，導致Th17細胞的代謝和表觀遺傳重編程及致病表型的喪失[13]。戊酸既可促進IL-10分泌，又可抑制調節(jié)性B細胞(Breg)凋亡，從而減輕炎性反應[14]。在研究小鼠體內戊酸對Breg細胞影響的實驗中，在Rag1基因缺陷小鼠(T細胞和B細胞缺陷小鼠)體內植入經戊酸及Breg細胞共同處理后的原始CD4+T細胞，結果顯示小鼠的體質量未明顯降低，免疫病理得到改善，結腸固有層和MLN中CD4+效應T細胞的數量減少[13]。

IBD患者糞便中丁酸鹽水平顯著降低，克羅恩病(CD)患者的產丁酸鹽細菌減少[15]，潰瘍性結腸炎(UC)患者的腸道菌群對黏蛋白型O-聚糖的利用減少[3]。黏蛋白型O-聚糖作為產丁酸鹽細菌的發(fā)酵產物，可促進丁酸鹽生成。由此可見，CD、UC與SCFA、丁酸鹽介導的宿主免疫有著密切的關系。

2 膽汁酸

膽汁酸是一類特殊的甾體。肝臟分解膽固醇生成初級膽汁酸，初級膽汁酸通過膽道系統(tǒng)的輸送釋放入腸道。在回腸末端，類芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌、乳桿菌和雙歧桿菌這些厭氧菌表達的膽鹽水解酶能使一小部分初級膽汁酸在側鏈上發(fā)生脫酰胺作用，隨后由梭狀芽孢桿菌表達的7α-脫氫酶進行7α-脫氫作用，從而產生次級膽汁酸[16]。此外，一些細菌有助于不同的生物轉化：擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、大腸埃希菌、消化鏈球菌、魯米諾球菌等可催化膽汁酸中羥基的氧化和異構化，這可能是膽汁酸的酯化反應。擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、消化鏈球菌和假單胞菌還能在特定條件下使膽汁酸發(fā)生脫硫反應[17]。

所有膽汁酸都是信號分子，通過激活核受體超家族成員法尼醇X受體(FXR)、維生素D受體、GPCR超家族等調節(jié)自身合成、糖代謝、脂質代謝及炎性反應過程。

膽汁酸可影響先天性免疫，G蛋白偶聯膽汁酸受體1(GPBAR1)和FXR在循環(huán)單核細胞和從腸、肝中分離的巨噬細胞中均有表達[18]，GPBAR1在肝駐留巨噬細胞(Kupffer細胞)中表達[19]。人和嚙齒動物巨噬細胞中這些受體的激活，能有效抑制巨噬細胞的促炎活性。GPBAR1和FXR可調節(jié)Nod樣受體蛋白3(NLRP3)炎性小體，在腸道中，次級膽汁酸脫氧膽酸(DCA)和石膽酸(LCA)可通過激活GPBAR1內源性抑制NLRP3炎性小體的激活[20]。DCA和LCA可導致NLRP3炎性小體依賴的GPBAR1/環(huán)磷酸腺苷(cAMP)/蛋白激酶A(PKA)通路的泛素化，從而抑制其活化。LCA是FXR的弱配體，即使在沒有GPBAR1的情況下，LCA也可抑制NLRP3炎性小體的激活[20-21]。LCA有兩種代謝產物：3-oxoLCA和isoalloLCA，可調節(jié)小鼠T細胞功能；3-oxoLCA可作用于Th17細胞，抑制其分化，從而顯著減少IL-17的分泌；isoalloLCA可促進Treg細胞分化，使Foxp3表達升高[22]。由此可見，膽汁酸代謝產物可通過調控Th17細胞與Treg細胞的平衡，從而調控宿主免疫。

Treg細胞常表達轉錄因子 Foxp3，研究發(fā)現CD4+Foxp3+Treg細胞可同時表達轉錄因子RORγt[23]。另有研究表明，飲食和腸道菌群可影響腸道膽汁酸庫的組成成分，從而通過膽汁酸調節(jié)Foxp3+Treg細胞群表達RORγt[24]。盡管Foxp3+RORγt+Treg細胞群表達了RORγt及其他與Th17細胞相關的基因，但其并不分泌IL-17，該Treg細胞群具有強大的抑制免疫反應的能力[23]。膽汁酸代謝途徑的基因缺失可顯著減少RORγt+Treg細胞的數量?；謴湍c道初級膽汁酸庫可增加結腸RORγt+Treg細胞的數量，減輕宿主結腸的炎性反應。在小鼠實驗中，敲除腸道共生菌(如多形擬桿菌、脆弱擬桿菌)的膽汁酸代謝途徑后，可抑制小鼠產生結腸RORγt+Treg細胞的能力；此外，在營養(yǎng)不良的無菌小鼠中，恢復腸道膽汁酸庫(即補充特定組合的初級或次級膽汁酸)，可經膽汁酸/維生素D受體通路增加結腸RORγt+Treg細胞數量，從而降低宿主對結腸炎的易感度[24]。

3 色氨酸及其代謝產物

L-色氨酸(L-Trp)不僅可作為腸道營養(yǎng)物質，而且在腸道免疫耐受和腸道菌群維持之間的平衡中起著至關重要的作用。Trp代謝分為內源性代謝和細菌代謝。具有Trp酶的腸道細菌均可代謝Trp產生吲哚及其衍生物，如普通變形桿菌、副大腸桿菌、擬桿菌等；腸道菌群可直接或間接調節(jié)宿主的Trp內源性代謝，反之Trp代謝的變化也會對腸道菌群的增殖和多樣性產生負面影響，IBS、IBD、結直腸癌等疾病與Trp代謝的變異性有關[25]。

由腸道菌群代謝產物Trp產生的吲哚和吲哚乙酸可通過激活芳香烴受體(AHR)或相關信號通路來增強腸黏膜屏障的完整性和免疫功能[26]。給豬仔飼喂Trp后，其盲腸和結腸中的AHR被激活，腸道中TNF-α和IL-8的mRNA水平降低，維持腸黏膜屏障和通透性的兩個關鍵緊密連接蛋白ZO-1和Claudin的豐度增加[26]。天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶募集結構域家族成員9(CARD9)是IBD的易感基因。CARD9基因缺乏小鼠的腸道菌群不能將Trp代謝成AHR的配體；CARD9基因缺乏小鼠接種3種能代謝Trp的乳桿菌或用AHR激動劑治療后，腸道炎性反應減輕[27]。由此可見，CARD9基因可通過促進腸道菌群代謝Trp產生吲哚衍生物，以激活AHR，從而增加IL-22的分泌，促進結腸炎緩解。

吲哚可調節(jié)先天性免疫反應介導的炎性反應，減輕腸道炎性反應[28]。生孢梭菌和肉毒桿菌可降解Trp，分泌代謝產物吲哚丙酸(IPA)。IPA可通過結合并激活孕烷X受體(PXR)，提高IL-10的表達水平，從而降低TNF-α的表達水平，減輕腸道炎性反應[27]。IPA水平下降會導致免疫細胞數量增多，并且IPA可降低腸道通透性，增強腸道屏障功能，從而減輕腸道炎性反應[29]。IPA可減弱MLN中DC誘導Th1細胞分化的能力，并可促進分泌高水平IL-10的1型調節(jié)性T細胞(Tr1)分化，以增加IL-10的分泌，促進MLN中CD103+DC的產生，從而增強宿主腸道的免疫耐受[30]。

4 丙酮酸和乳酸

表達CX3C趨化因子受體1(CX3CR1)的小腸單核細胞(CX3CR1+細胞)可調節(jié)免疫反應[31]。CX3CR1+細胞可將樹突伸入腸腔來攝取腸腔中的抗原，從而增強免疫反應。在小鼠研究中發(fā)現，細菌代謝產物丙酮酸和乳酸通過GPR31介導在CX3CR1+細胞中誘導樹突突起[32]。此外，經乳酸或丙酮酸處理的野生型小鼠表現出免疫應答增強，以及對腸道沙門氏菌感染的抵抗力增強[32-33]。丙酮酸還能通過糖酵解途徑調控巨噬細胞的表型分化，促進單核細胞向調節(jié)性巨噬細胞分化；調節(jié)性巨噬細胞經脂多糖刺激后可分泌大量IL-10[34]。IL-10是一種抗炎性細胞因子，研究發(fā)現IL-10可阻止巨噬細胞中由炎性刺激引起的代謝程序轉換，因此IL-10被認為在終止炎性反應中起著關鍵作用[35]。

5 小結與展望

隨著各項技術的進步，越來越多的腸道菌群功能及作用機制已被發(fā)現。然而，腸道菌群代謝產物對腸道免疫的作用機制仍未完全明確，可能還有很多其他腸道菌群代謝產物對人體產生影響。目前研究發(fā)現腸道菌群可通過發(fā)酵膳食纖維、分解膽固醇及代謝Trp等方式，分別產生SCFA、膽汁酸、吲哚及其衍生物等代謝產物，這些代謝產物經多種途徑介導免疫細胞的基因表達、分化、趨化、增殖和凋亡，從而影響宿主的腸道免疫。綜上所述，腸道菌群及其代謝產物可與免疫細胞相互作用，影響腸道的免疫發(fā)育和免疫平衡，其作用機制的揭示可能為未來開發(fā)新的預防或治療各種疾病的方法提供思路。