腸道噬菌體、腸道菌群與自身免疫性疾病的研究進(jìn)展

柏歡歡 張文琦 王 穎 郝 楠 謝戩芳

一、腸道噬菌體、腸道菌群與自身免疫性疾病概述

1.腸道噬菌體:隨著宏病毒組技術(shù)的發(fā)展，腸道病毒在內(nèi)部環(huán)境穩(wěn)定和腸道免疫中的作用日益增大。每克人類糞便樣本約有109～1010個病毒樣顆粒(virus-like particle,VLP)，噬菌體是腸道病毒組的主要構(gòu)成部分。

毒性噬菌體入侵宿主菌后，它會分裂細(xì)菌，而后釋放出后代噬菌體。宿主腸道內(nèi)許多細(xì)菌的代謝、多樣性和豐度可以被毒性噬菌體直接影響。溫和噬菌體則是將其基因組重組到宿主菌基因組中，并隨著宿主的復(fù)制而進(jìn)行，并不會裂解細(xì)菌，當(dāng)腸道內(nèi)環(huán)境變化時，其會被誘發(fā)進(jìn)入到溶菌周期，繼而分解細(xì)菌。

出生后1周，噬菌體就出現(xiàn)在新生兒腸道中，它們代表了對腸道微環(huán)境中細(xì)菌動態(tài)的額外調(diào)節(jié)[1]。

2.腸道菌群:腸道菌群參加調(diào)節(jié)多種代謝通路,保持腸道微生態(tài)均衡,干擾宿主的免疫或炎癥狀況。Marietta等[2]研究表明，棲組織普雷沃氏菌阻止人源化小鼠關(guān)節(jié)炎的產(chǎn)生，干酪乳桿菌阻止膠原誘導(dǎo)的大鼠關(guān)節(jié)炎的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，CIA小鼠關(guān)節(jié)炎前期存在小腸菌群紊亂引起的腸道炎癥的組織學(xué)和T淋巴細(xì)胞的異常[3]。腸道菌群紊亂可能是自身免疫性疾病發(fā)生的重要因素之一，影響腸道菌群豐度和多樣性的因素值得引起關(guān)注。

3.自身免疫性疾?。鹤陨斫M織的不恰當(dāng)?shù)拿庖咦R別可能誘發(fā)自身免疫性疾病。自身免疫性疾病主要侵犯骨、關(guān)節(jié)以及其周圍的肌肉、肌腱、滑囊、神經(jīng)、筋膜等軟組織，該類疾病的病因和發(fā)病機(jī)制繁雜。異常的免疫系統(tǒng)、宿主的代謝等能誘發(fā)機(jī)體腸道群落的改變，從而導(dǎo)致自身免疫性疾病。

二、腸道噬菌體與腸道菌群的相互作用

腸道噬菌體是人體腸道中數(shù)目最多的微生物，與腸道菌群進(jìn)行復(fù)雜的相互調(diào)節(jié)和相互作用。Wang等[4]分析炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)患者結(jié)腸組織的微生物,發(fā)現(xiàn)病毒和細(xì)菌存在相互作用，腸道的不同節(jié)段中細(xì)菌與噬菌體的含量及動態(tài)平衡存在差異。

噬菌體和腸道菌群的水平在嬰兒期劇烈波動，在成年期趨于穩(wěn)定，成年人腸道菌群的豐度明顯增加，噬菌體明顯降低，居于相對穩(wěn)定的環(huán)境中，細(xì)菌入侵后會不停進(jìn)化以避免噬菌體感染(如基因編輯中廣泛使用的CRISPR-Cas系統(tǒng)：細(xì)菌基因組包含一個規(guī)則間隔的短DNA重復(fù)區(qū)域，它們之間有可變的外源噬菌體DNA。當(dāng)識別到外源核酸時，CRISPR-Cas系統(tǒng)將外源核酸與保存在兩個間隔區(qū)之間的互補(bǔ)序列進(jìn)行匹配，然后切割入侵序列以防止感染)[1]。反之，噬菌體也不停進(jìn)化出新的感染策略來對抗細(xì)菌免疫(如合成干擾CRISPR-Cas系統(tǒng)的抗CRISPR蛋白，即噬菌體入侵細(xì)菌后進(jìn)行指數(shù)復(fù)制，根據(jù)不同噬菌體的增殖方式調(diào)整相應(yīng)特定細(xì)菌的豐度和種類)[5, 6]。

噬菌體可能會改變腸道菌群數(shù)量或干擾其功能的表達(dá)。Norman等[7]研究表明，IBD腸道菌群的變化可能是噬菌體攻擊的結(jié)果，噬菌體可能通過影響IBD腸道菌群的數(shù)量和功能的表達(dá)來誘發(fā)疾病。研究發(fā)現(xiàn)，乳桿菌可能對腸道微生態(tài)產(chǎn)生影響，乳桿菌溶源性噬菌體的早期干預(yù)會增加小鼠腸道菌群的α多樣性，但隨著干預(yù)時間的延長會不斷降低；β多樣性在第42天改變明顯。持續(xù)干預(yù)，在門水平上，會減低擬桿菌門的相對豐度并提高厚壁菌門及放線菌門的相對豐度;在屬水平上,擬桿菌屬的相對豐度降低,而雙歧桿菌屬及梭菌目未鑒定屬相對豐度顯著增加,表明乳桿菌溶原性噬菌體會影響腸道菌群的構(gòu)成和多樣性[8]。

噬菌體在保護(hù)機(jī)體腸黏膜方面具有重要作用。Barr等[9]研究發(fā)現(xiàn)，人口腔和小鼠腸黏膜四周環(huán)境中的噬菌體數(shù)低于黏膜表面，黏附著的噬菌體會裂解細(xì)菌，明顯降低其對上皮細(xì)胞的附著和入侵，保護(hù)上皮細(xì)胞免受細(xì)菌感染。噬菌體能夠附著黏蛋白表現(xiàn)出次擴(kuò)散運(yùn)動，細(xì)菌濃度較低時，該運(yùn)動可以使噬菌體遇到細(xì)菌的機(jī)會增大，噬菌體的抑菌作用增加，達(dá)到保護(hù)腸黏膜的作用。

三、自身免疫性疾病與腸道菌群的相互作用

當(dāng)前，腸道菌群在部分疾病領(lǐng)域(如消化、心血管、內(nèi)分泌、神經(jīng)精神系統(tǒng))被普遍研究，在自身免疫性疾病中也備受關(guān)注。宿主與腸道菌群關(guān)系密切，不僅腸道菌群及其產(chǎn)物參加調(diào)節(jié)宿主的免疫、消化、吸收及代謝，而且宿主免疫系統(tǒng)、代謝等的異常也會造成菌群的改變，產(chǎn)生各種疾病[10]。

1.類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)與腸道菌群：RA患者中乳酸菌、產(chǎn)氣莢膜梭菌、大腸桿菌數(shù)普遍較高，腸道微生物可能導(dǎo)致RA關(guān)節(jié)炎易感，也可能是其潛在的生物學(xué)標(biāo)志物[11]。Zhang等[12]研究證實(shí)，RA患者腸道菌群的豐度和多樣性發(fā)生了變化。RA和脊柱關(guān)節(jié)炎患者菌群均表現(xiàn)為紊亂狀態(tài)且有疾病特異性，RA患者中的變形菌數(shù)目增加，脊柱關(guān)節(jié)炎患者菌群中瘤胃球菌屬的多樣性增長了2～3倍，為脊柱關(guān)節(jié)炎的生物學(xué)標(biāo)志物[13]。

2.強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)與腸道菌群：當(dāng)宿主與菌群的相互作用受到阻礙時，菌群紊亂使黏膜屏障損壞，增加了腸道通透性，造成菌群過多暴露從而誘發(fā)AS。腸道菌群通過維持Th17/IL-23的平衡以及先天性的免疫系統(tǒng)來對腸-骨軸實(shí)行調(diào)控，證實(shí)了腸道菌群在AS中不可或缺的作用[14]。Wen等[15]研究發(fā)現(xiàn)，AS患者中紫單胞菌科、理研菌科、疣微菌科、回腸終端毛螺菌科、類桿菌科的多樣性較高，雙歧桿菌屬、放線菌門、普氏糞桿菌數(shù)目明顯增加，放線菌門可以誘發(fā)炎性反應(yīng)，普雷沃菌科、韋榮球菌科豐度偏低，腸桿菌屬、擬桿菌屬、檸檬酸桿菌屬、克雷伯桿菌屬、梭菌屬、梭桿菌門、挑剔真桿菌和疣微菌門的數(shù)目明顯減少，腸道菌群失衡，導(dǎo)致AS發(fā)生。

3.痛風(fēng)與腸道菌群：腸道菌群紊亂時，機(jī)體對尿酸單鈉的炎性反應(yīng)增強(qiáng)，促進(jìn)了痛風(fēng)的進(jìn)展。Xing等[16]研究發(fā)現(xiàn)，痛風(fēng)患者腸道中梭狀芽胞桿菌與擬桿菌構(gòu)造產(chǎn)生了改變，梭菌數(shù)明顯減少。Guo等[17]研究發(fā)現(xiàn)，痛風(fēng)患者的糞便中解木聚糖擬桿菌和擬桿菌的數(shù)量豐富，而假小鏈雙歧桿菌和柔嫩梭菌群的數(shù)量很少。

4.骨關(guān)節(jié)炎(osteoarthritis,OA)與腸道菌群：OA的危險(xiǎn)元素有年齡、性別、飲食和損傷、肥胖、異常的關(guān)節(jié)負(fù)荷和生物力學(xué)因素等。腸道菌群紊亂可引起代謝性相關(guān)疾病，如肥胖人群髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)發(fā)生炎癥的概率顯著增加[18]。研究表明，年齡相關(guān)的生理學(xué)反應(yīng)，如年長果蠅腸道屏障功能發(fā)生障礙是由腸道菌群紊亂造成的[19]。Haro等[20]研究發(fā)現(xiàn)，男性中甲烷短桿菌屬和韋永球菌屬較高，嗜膽菌屬和擬桿菌屬的多樣性偏低。營養(yǎng)物質(zhì)的差異影響了腸道菌群微環(huán)境。有研究表明，殼聚糖降低了小鼠患OA的風(fēng)險(xiǎn)，可能是由于影響了小鼠的空腸、回腸以及糞便的微生物豐度，腸道菌群的構(gòu)成發(fā)生變化，細(xì)菌比重減低，糞便中乳桿菌量增多[21]。

四、噬菌體，腸道菌群對自身免疫病的影響

自身免疫性疾病的發(fā)病機(jī)制中，腸道病毒至關(guān)重要。已知或未知的噬菌體，除了對人體免疫產(chǎn)生影響外，還可能是自身免疫性疾病的原因，也可能是噬菌體改變了腸道菌群，導(dǎo)致了自身免疫性疾病，這已成為近年來研究熱點(diǎn)之一。噬菌體不僅能通過腸道菌群間接干擾機(jī)體健康，而且還和動物機(jī)體密切作用直接影響機(jī)體健康。噬菌體可能通過消耗其自身生物發(fā)生所需的代謝資源來影響宿主代謝，如病原體的噬菌體-宿主感染研究和海洋病毒細(xì)胞[22, 23]。研究表明，人體腸道宏病毒組是腸道免疫和炎癥發(fā)生的重要“調(diào)控者”,它可以改變細(xì)菌的宿主反應(yīng)，改變宿主基因與細(xì)菌的相互作用，引起疾病產(chǎn)生[24]。Kim等[25]研究證實(shí)小鼠腸腔和黏膜層不僅存在各自特有的噬菌體，還有一些共同的噬菌體，這種差異與其菌群構(gòu)成的差異相關(guān)。未來可以研究噬菌體在小鼠關(guān)節(jié)炎模型中的潛力，以確定其對免疫調(diào)節(jié)和炎癥性疾病進(jìn)展的影響[26]。

噬菌體會誘導(dǎo)動物宿主的免疫應(yīng)答，調(diào)節(jié)其免疫，還能在體外阻止人體T淋巴細(xì)胞的增殖和活化。研究表明，噬菌體能讓兒童和新生兒生成抗體，口服和注射噬菌體會產(chǎn)生不同類型的免疫球蛋白，機(jī)體生成的抗體在體內(nèi)外都削弱了噬菌體的抗菌作用，其補(bǔ)體系統(tǒng)能與IgG和IgM抗體相互協(xié)助肅清血流中的噬菌體[27]。腸道內(nèi)的噬菌體數(shù)量龐大，能通過腸黏膜到達(dá)人體內(nèi)，對調(diào)節(jié)機(jī)體免疫發(fā)揮著不可或缺的作用。

腸道噬菌體和腸道健康緊密相關(guān)，可激活免疫反應(yīng)，使細(xì)胞因子分泌增多，提高免疫力，還可豐富治療手段，調(diào)節(jié)腸道菌群，刺激全身抗癌免疫反應(yīng)[28～31]。研究表明，噬菌體在糞便移植治療腸道相關(guān)疾病方面可能起著重要的作用[32]。Campbell等[33]研究發(fā)現(xiàn)，噬菌體參與哺乳動物腸道代謝循環(huán)。Ma等[34]研究發(fā)現(xiàn)，2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者腸道噬菌體數(shù)目明顯增加，有7個噬菌體分類單元和T2DM聯(lián)系緊密，Zhao等[35]研究發(fā)現(xiàn)，1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus,T1DM)易感兒童的腸道病毒群在自身免疫性疾病發(fā)病前就產(chǎn)生了變化，其血清轉(zhuǎn)化前腸道噬菌體的改變有可能導(dǎo)致了菌群的改變。初期的外部干預(yù)會對動物的腸道菌群產(chǎn)生長久的影響，將來或許可利用烈性噬菌體及早干預(yù)動物腸道菌群，促使機(jī)體健康菌群構(gòu)成，從而達(dá)到預(yù)防、改善和治療自身免疫性疾病的目的。噬菌體圖譜可以作為臨床前RA的生物學(xué)標(biāo)志物來補(bǔ)充現(xiàn)有的診斷方法[26]。綜上所述，噬菌體與自身免疫性疾病之間存在著千絲萬縷的聯(lián)系，需要進(jìn)一步深入研究。

五、展 望

噬菌體可能通過影響腸道菌群數(shù)量及功能的表達(dá)來誘發(fā)自身免疫性疾病發(fā)生的機(jī)制具有很大的研究空間。對激素依賴性或難治性自身免疫性疾病，新的診療手段迫在眉睫。腸道免疫屏障的變化可能是未知的新病毒引起的，腸道菌群的變化可能是噬菌體攻擊的結(jié)果。為了挖掘腸道噬菌體、腸道菌群和機(jī)體之間的相互關(guān)聯(lián)及其作用機(jī)制，迫切需要更完整的腸道噬菌體組數(shù)據(jù)和體外模型，以利用噬菌體來改善機(jī)體健康。自身免疫性疾病的噬菌體療法也應(yīng)逐漸受到重視，有助于調(diào)節(jié)腸道菌群，減少自身免疫性疾病的發(fā)生率，可能成為未來的治療方向。此外，腸道噬菌體作為基因研究的載體，可成為早期監(jiān)測自身免疫性疾病發(fā)病的標(biāo)志物。