腸道菌群在自身免疫性疾病治療中的前景

趙麗丹，孟 夏，徐浩杰，張奉春

中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院風(fēng)濕免疫科 國家皮膚與免疫疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 風(fēng)濕免疫病學(xué)教育部重點實驗室，北京 100730

伴隨測序組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在人體屏障部位與人類長期共存的微生物及其功能逐漸被認(rèn)識，其中腸道菌群在自身免疫性疾病中的作用備受關(guān)注。自身免疫性疾病是一大類以自身耐受破壞、免疫細(xì)胞異常激活、自身抗體產(chǎn)生和大量炎癥因子釋放，進(jìn)而產(chǎn)生多系統(tǒng)損傷為主要特征的疾病，目前治療手段有限，傳統(tǒng)免疫抑制治療毒副作用較多。如何恢復(fù)患者免疫耐受，減少藥物毒性一直是該領(lǐng)域關(guān)注的熱點。目前研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群可通過多種機(jī)制參與自身免疫誘導(dǎo)和系統(tǒng)性炎癥激活，并影響治療藥物在腸道的轉(zhuǎn)化利用，這為基于腸道菌群制訂干預(yù)措施以治療自身免疫性疾病提供了可能。

1 自身免疫性疾病中的腸道菌群異常和潛在致病機(jī)制

已在多種自身免疫性疾病患者中發(fā)現(xiàn)腸道菌群的多樣性減低和菌種分布異常，其參與免疫紊亂的可能機(jī)制包括：菌群易位和分子模擬、菌群代謝物短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)失調(diào)誘導(dǎo)免疫失衡、表位擴(kuò)展及旁觀者激活等。

1.1 腸道菌群異常

系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)是最具代表性的自身免疫性疾病。來自西班牙和中國的2個隊列研究結(jié)果顯示，應(yīng)用16S rRNA測序均發(fā)現(xiàn)SLE患者存在厚壁菌門/擬桿菌門比例減低[1-2]。厚壁菌門包含諸多可產(chǎn)生丁酸的共生菌，而丁酸是SCFAs中最具免疫調(diào)節(jié)能力的組分。Chen等[3]通過鳥槍法測序發(fā)現(xiàn)SLE患者腸道存在脆弱擬桿菌(Bacteroidesfragilis)和柔嫩梭菌(Clostridiumleptum)等菌種富集，并在治療后豐度下降。一些口腔來源菌株如齦裂奇異菌(Atopobiumrimae)、衛(wèi)星沙特爾沃思氏菌(Shuttleworthiasatelles)、馬西放線菌(Actinomycesmassiliensis)在SLE患者腸道出現(xiàn)富集，提示菌株易位。此外有研究發(fā)現(xiàn)毛螺菌科的活潑瘤胃球菌(Ruminococcusgnavus)與狼瘡疾病活動度相關(guān)并在狼瘡腎炎患者中顯著富集[4]。

腸道菌群紊亂也見于其他多種自身免疫性疾病，如在類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)患者中發(fā)現(xiàn)普雷沃氏菌屬增多而擬桿菌屬減少[5]，唾液乳桿菌(Lactobacillussalivarius)增多而雙歧桿菌(Bifidobacteriumbifidum)減少等異常[6]。原發(fā)性膽汁性膽管炎(primary biliary cholangitis,PBC)患者中擬桿菌屬和普拉梭菌屬減少，而嗜血菌屬、韋榮球菌屬、乳桿菌屬、鏈球菌屬等增多，在熊去氧膽酸治療后可部分恢復(fù)[7]。早期研究提示，強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)患者腸道毛螺菌科、瘤胃菌科、理研菌科、紫單胞菌科、擬桿菌科增多，而韋榮氏菌科和普雷沃氏菌科減少。后續(xù)深入至菌種水平的研究則發(fā)現(xiàn)，一些普雷沃氏菌種如產(chǎn)黑普雷沃氏菌(Prevotellamelaninogenica)、糞便普雷沃氏菌(Prevotellacopri)和 C561普雷沃氏菌種(Prevotellasp.C561)富集。研究發(fā)現(xiàn)，活潑瘤胃球菌和戴阿李斯特菌屬可能與AS疾病活動度相關(guān)[8]。在干燥綜合征(Sj?gren syndrome,SS)患者中，腸道菌群紊亂主要表現(xiàn)為降解黏蛋白的腸道致病菌富集而產(chǎn)丁酸的腸道共生菌減低，如擬桿菌門、變形菌門富集，而厚壁菌門減少，且SS的腸道菌群紊亂與干燥癥狀和疾病活動度相關(guān)[9]。

盡管方法和測序深度不同，人群和病種存在差異，導(dǎo)致結(jié)果變異較大，但仍然存在一些共性發(fā)現(xiàn)。例如，RA患者、SS患者[10]和AS[11]患者中均存在糞便普雷沃氏菌擴(kuò)增和/或產(chǎn)丁酸的普拉梭菌(Faecalibacteriumprausnitzii)減低；活潑瘤胃球菌的富集不僅見于SLE，在炎癥性腸病(inflammatory bowel disease,IBD)和脊柱關(guān)節(jié)病(spondyloarthropathy,SpA)患者中亦顯著增多[12-13]；口腔菌群中的牙齦卟啉單胞菌(Porphyromonasgingivalis)和聚合放線菌(Aggregatibacteractinomycetemcomitans)不僅通過誘導(dǎo)產(chǎn)生抗瓜氨酸化抗體參與RA發(fā)病[14]，在SLE患者中還與抗dsDNA抗體和補體水平密切相關(guān)[15]，提示在自身免疫性疾病中可能存在共同的致病菌和相似的免疫異常激活機(jī)制。此外，菌門水平上的差異可能與科、屬種水平上的差異不同甚至相反。隨著技術(shù)發(fā)展和機(jī)制研究的深入，必將深化對各個水平腸道菌群的認(rèn)知及其功能解析。

1.2 潛在致病機(jī)制

1.2.1 腸道菌群易位和分子模擬

通過組織培養(yǎng)和原位雜交證實SLE中鶉雞腸球菌(Enterococcusgallinarum)和羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)可易位至肝臟和淋巴組織，通過激活漿樣樹突細(xì)胞促進(jìn)1型干擾素產(chǎn)生[16-17]。而腸道羅氏菌(Roseburiaintestinalis)和多形擬桿菌(Bacteroidesthetaiotaomicron)可通過攜帶的非直系同源的模擬表位分別誘導(dǎo)宿主產(chǎn)生抗β2-糖蛋白Ⅰ和抗Ro60抗體等自身抗體[18-19]。在SS中，攜帶von Willebrand 因子A蛋白的大腸埃希菌(Escherichiacoli)和口腔黃褐二氧化碳嗜纖維菌(Capnocytophagaochrace)可激活識別Ro-60的T細(xì)胞，也提示潛在的分子模擬機(jī)制[20]。在SpA患者中發(fā)現(xiàn)肺炎克雷伯菌(Klebsiellapneumoniae)可與HLA-B27發(fā)生相互作用并通過分子模擬觸發(fā)和維持AS的病理改變[21]。此外，體外實驗證實源自腸道富集菌的多肽可誘導(dǎo)相應(yīng)疾病患者的T細(xì)胞釋放大量炎癥因子[3,11]，類似于回憶應(yīng)答，間接提示腸道共生菌可能通過分子模擬機(jī)制參與自身免疫應(yīng)答。

1.2.2 SCFAs失調(diào)

SCFAs是腸道菌群發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用的重要組分，SCFAs由腸道細(xì)菌分解膳食纖維產(chǎn)生，主要包括乙酸、丙酸、丁酸，參與免疫細(xì)胞的氧化磷酸化和糖脂代謝，抑制組蛋白去乙酰酶而影響基因表達(dá)，抑制B細(xì)胞類別轉(zhuǎn)換和高頻突變，抑制核因子-κB信號而發(fā)揮抑制免疫炎癥的作用。特別是丁酸，已被證實可作用于多種免疫細(xì)胞如樹突細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、B細(xì)胞、中性粒細(xì)胞、固有樣淋巴細(xì)胞，通過多種機(jī)制誘導(dǎo)免疫耐受，如誘導(dǎo)耐受性樹突細(xì)胞和調(diào)節(jié)型T細(xì)胞分化，誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M2型轉(zhuǎn)化，促進(jìn)白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-10產(chǎn)生而減低促炎因子釋放，因而具有較強的抑炎作用[22]。丁酸還能誘導(dǎo)黏蛋白合成，促進(jìn)上皮細(xì)胞修復(fù)和維持腸黏膜屏障完整性[23]?？股氐氖褂每山档蚐CFAs含量。而研究證實RA患者存在SCFAs減低，補充丁酸可減輕小鼠關(guān)節(jié)炎[24]以及狼瘡小鼠的皮損和腎炎嚴(yán)重程度[25]。

1.2.3 旁觀者激活和表位擴(kuò)展

細(xì)菌來源的脂多糖可激活樹突細(xì)胞釋放大量炎癥因子，在炎癥環(huán)境中T細(xì)胞接受促炎因子和Toll樣受體信號，不依賴特異性抗原和T細(xì)胞受體識別而被泛化激活，即旁觀者激活現(xiàn)象。隨著炎癥進(jìn)展，新的抗原表位相繼暴露，來自組織細(xì)胞的自身抗原與抗微生物抗體發(fā)生交叉反應(yīng)，促進(jìn)免疫應(yīng)答持續(xù)和擴(kuò)展，促使更多的自身抗體產(chǎn)生。在RA中，牙周炎的致病菌如牙齦卟啉單胞菌，可誘導(dǎo)免疫炎癥由針對非瓜氨酸肽的應(yīng)答擴(kuò)展至對瓜氨酸肽的應(yīng)答[26]，參與RA的發(fā)展進(jìn)程。SLE中鶉雞腸球菌從腸道易位至內(nèi)臟器官后可誘導(dǎo)抗RNA抗體和抗dsDNA抗體產(chǎn)生，并促進(jìn)抗β2-糖蛋白Ⅰ抗體的自身免疫應(yīng)答，提示發(fā)生了表位擴(kuò)展[16,27]。

值得注意的是，同一科(family)不同屬(genus)或同一屬不同種(species)乃至不同株(strain)的腸道共生菌在免疫炎癥中的作用可能完全不同。例如，乳酸桿菌科通常被認(rèn)為是有益菌，給狼瘡傾向小鼠喂食某些乳酸桿菌可降低疾病活動度，改善腎炎、血管損傷和心肌病變并延長生存期[28-29]，其作用機(jī)制可能是調(diào)節(jié)Treg/Th17平衡、減少促炎因子釋放和增強抗氧化作用[30]。然而在SLE患者中發(fā)現(xiàn)在科和屬水平上的乳酸桿菌富集，唾液乳桿菌與患者疾病活動度正相關(guān)[31]，給小鼠喂食羅伊氏乳桿菌可促進(jìn)漿樣樹突細(xì)胞釋放1型干擾素而加重狼瘡表型[17]，提示其具有致病性?？傊?，腸道菌群極其復(fù)雜，需要深入并細(xì)化了解腸道共生菌隨宿主狀態(tài)、疾病進(jìn)程和環(huán)境因素轉(zhuǎn)換的功能變化，探索腸道菌群參與的關(guān)鍵性免疫通路以推進(jìn)基于腸道菌群的干預(yù)治療。

2 腸道菌群與自身免疫性疾病治療藥物的交互作用

已知一些腫瘤免疫治療如PD-1抑制劑，其療效與腸道菌群構(gòu)成相關(guān)，通過調(diào)節(jié)腸道菌群逆轉(zhuǎn)耐藥性可獲取更優(yōu)療效[32]。免疫調(diào)節(jié)藥物(如慢作用抗風(fēng)濕藥物、生物制劑)在腸道的吸收和轉(zhuǎn)化也會受到腸道菌群及其酶解活性的影響，可導(dǎo)致藥物滅活或活性增加，或?qū)е露拘源x物生成，從而影響藥物療效和毒性，可能是患者對治療反應(yīng)存在異質(zhì)性的原因之一。研究藥物的微生物組學(xué)有助于預(yù)測免疫調(diào)節(jié)藥物的療效，并可通過調(diào)節(jié)腸道菌群組成影響藥物轉(zhuǎn)化以增強其生物活性或減少毒性。

甲氨蝶呤(methotrexate,MTX)是治療RA的基石藥物，也常用于治療SLE等其他多種自身免疫性疾病。MTX可被具有谷氨酸羧肽酶活性的腸道共生菌代謝為無活性的二氨基-N-甲基蝶酸(2,4-diamino-N10-methylpteroic acid,DAMPA)。Artacho等[33]發(fā)現(xiàn)腸道菌群分類和豐度與MTX的臨床應(yīng)答密切相關(guān)，且通過機(jī)器學(xué)習(xí)分析宏基因組數(shù)據(jù)可建立RA患者應(yīng)用MTX療效的預(yù)測模型，提示腸道菌群可能影響MTX的代謝和療效。反之，MTX通過干擾宿主二氫葉酸還原酶(dihydrofolate reductase,DFR)發(fā)揮作用，而DFR高度保守，亦可為細(xì)菌所表達(dá)，導(dǎo)致MTX的脫靶效應(yīng)，作用于細(xì)菌DFR從而影響腸道細(xì)菌的增殖、代謝和多態(tài)性[34]。

柳氮磺胺吡啶(sulfasalazine,SSZ) 與腸道菌群關(guān)聯(lián)更為密切，SSZ依賴腸道共生菌的偶氮還原酶水解釋放出活性成分5-氨基水楊酸，并可被細(xì)菌的芳基胺-乙酰轉(zhuǎn)移酶滅活，同時由于其磺胺成分具有抗菌作用可影響腸道菌群組成。可產(chǎn)生相應(yīng)代謝酶的腸道共生菌如雙歧桿菌、乳酸桿菌、腸球菌、梭菌屬和擬桿菌屬可影響 SSZ的療效[35]。

研究顯示，環(huán)磷酰胺的免疫活性受到希氏腸球菌(Enterococcushirae)和腸道巴恩斯氏菌(Barnesiellaintestinihominis)的影響[36]，而羥氯喹則可增加腸道菌群的多樣性和豐富度，特別是增加普拉梭菌的豐度[37]；嗎替麥考酚酯的治療效果與大腸桿菌/志賀菌的擴(kuò)增及梭菌屬(Clostridium)、阿克曼菌(Akkermansia)、副擬桿菌(Parabacteroides)的減少有關(guān)[38]，而表達(dá)β-葡糖醛酸糖苷酶的腸道共生菌則可能增加嗎替麥考酚酯的胃腸道毒副作用[39]。最新動物實驗結(jié)果顯示，補充嗜乳酸桿菌(Lactobacillusacidophilus)可調(diào)節(jié)Treg/Th17平衡，降低狼瘡鼠抗dsDNA滴度和改善腎臟病理，并協(xié)同增強他克莫司的療效[40]，顯示出通過腸道菌群干預(yù)增強傳統(tǒng)治療療效的巨大潛力。在PBC患者中的研究則發(fā)現(xiàn)熊去氧膽酸反應(yīng)欠佳的患者腸道普拉梭菌屬顯著減少，或可作為療效預(yù)測指標(biāo)[41]。

生物制劑的應(yīng)用為自身免疫性疾病的治療帶來了巨大變革，一些初步研究顯示腸道菌群與生物制劑之間也存在交互作用。高豐度的伯克氏菌目可一定程度預(yù)測SpA患者應(yīng)用腫瘤壞死因子抑制劑(tumor necrosis factor inhibitor,TNFi)的有效性[42],采用TNFi 治療可使AS患者腸道普拉梭菌的豐度部分恢復(fù)[43]。IBD患者中，應(yīng)用TNF單克隆抗體(阿達(dá)木單抗或英夫利昔單抗)治療后可觀察到變形菌門豐度下降而梭菌目豐度增高，并與良好的臨床應(yīng)答相關(guān)[44]。糞便代謝組研究則提示丁酸和丁酸合成的底物水平或可為IBD患者 TNFi的療效評估提供線索[45]。其他生物制劑與腸道菌群的相互作用仍有待研究。期待未來能通過個體獨特的腸道微生物組預(yù)測靶向生物制劑療效，并通過腸道菌群干預(yù)實現(xiàn)生物制劑增效的目標(biāo)。

3 自身免疫性疾病腸道菌群干預(yù)策略

現(xiàn)有的腸道菌群干預(yù)策略主要是益生菌、益生元、糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation,FMT)、有限已知菌種移植以及飲食調(diào)節(jié)，這些措施可作為自身免疫性疾病的輔助治療。

乳酸桿菌和雙歧桿菌是常用的腸道益生菌組分，也是研究最多的腸道共生菌，通常被認(rèn)為有益于維護(hù)腸道微生態(tài)平衡，減輕炎癥反應(yīng)。如干酪乳酸菌(Lactobacilluscasei) 可減輕膠原誘導(dǎo)關(guān)節(jié)炎小鼠的關(guān)節(jié)癥狀，減少促炎因子釋放[46]；RA患者補充嗜乳酸桿菌、干酪乳酸菌和雙歧桿菌可改善DAS28，降低C反應(yīng)蛋白[47]。盡管糞便普雷沃氏菌在RA中被證實是致病菌[48]，但補充組織普雷沃氏菌(Prevotellahisticola)在關(guān)節(jié)炎易感的HLA-DQ8小鼠中顯示出可推遲發(fā)病和降低疾病嚴(yán)重程度的作用[49]。在一項隨機(jī)雙盲對照臨床試驗中，凝結(jié)芽孢桿菌(Bacilluscoagulans) 可減輕RA患者臨床癥狀，改善患者自我評價并降低C反應(yīng)蛋白水平[50]。但腸道微生態(tài)極其復(fù)雜，腸道共生菌之間也存在競爭和互養(yǎng)關(guān)系，且因病種不同、疾病發(fā)展階段不同、菌種菌株功能差異及其定植位置的變遷，并無普遍適用、固定不變的益生菌。

益生元不能被人體完全消化，但可作為腸道益生菌的“食物”，其被分解代謝可促進(jìn)益生菌生長或產(chǎn)生SCFAs多糖，如低聚半乳糖、果糖寡聚體、乳果糖等。這些益生元通過阻斷病原菌黏附于上皮細(xì)胞,減少其定植，增加有益菌如雙歧桿菌、乳酸桿菌，抑制促炎細(xì)胞因子如IL-1、IL-6、腫瘤壞死因子α而促進(jìn)調(diào)節(jié)性細(xì)胞因子IL-10產(chǎn)生，有利于減輕炎癥反應(yīng)[51]。如低聚半乳糖可改善潰瘍性結(jié)腸炎患者里急后重、便溏等癥狀[52]；富含低聚果糖的菊粉可使1型糖尿病患者的C肽增加，腸道通透性改善[53]；含半乳糖和果糖的復(fù)合益生元有助于改善高風(fēng)險嬰兒的變應(yīng)性皮炎[54]等。盡管初步研究提示益生元對機(jī)體炎癥狀態(tài)控制有益，但獲益有限，與益生菌聯(lián)合治療或可擴(kuò)大效應(yīng)，目前在風(fēng)濕性疾病中應(yīng)用研究仍較少。

FMT是將健康供者的全部糞便微生物(包括噬菌體)移植給受者以期恢復(fù)其腸道微生物的多態(tài)性和豐度，重塑腸道微生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)，改善腸道通透性。雖然有RA和銀屑病關(guān)節(jié)炎患者接受FMT后疾病活動度改善的個案報道[55]，但在一項雙盲隨機(jī)對照臨床試驗中，F(xiàn)MT并未顯示出對銀屑病關(guān)節(jié)炎的療效優(yōu)勢[56]。在自身免疫性疾病人群中開展FMT的研究任重道遠(yuǎn)，諸如健康人篩選、糞菌制備、FMT規(guī)范化流程以及充分的風(fēng)險評估等均有待完善。相較于FMT，有限菌種移植通過組合功能已知、菌種有限的菌群，可規(guī)避FMT存在的諸多不確定性和與之相關(guān)的風(fēng)險，但由于個體間腸道菌群存在較大差異，適宜的有限菌種組合必然因人而異、因病而異，如何組合使之更利于個體化精準(zhǔn)治療仍有待進(jìn)一步研究。

飲食為腸道菌群提供碳源，對腸道菌群的組成及代謝具有重要影響。富含糖和飽和脂肪酸的飲食易導(dǎo)致菌群失調(diào)和促發(fā)炎癥反應(yīng)。地中海飲食富含膳食纖維和不飽和脂肪酸，可提高擬桿菌屬的豐度而降低毛螺菌科的豐度，甚至有助于清除致病性的糞便普雷沃氏菌[57]，增加腸道丙酸和丁酸等SCFAs水平[58]，從而發(fā)揮抑炎作用，有助于改善RA疾病活動度。此外，高鹽攝入可減少腸道鼠乳桿菌(Lactobacillusmurinus)進(jìn)而促進(jìn) Th17細(xì)胞增殖，加重Th17細(xì)胞介導(dǎo)的自身炎癥[59]，從腸道菌群角度揭示出高鹽飲食的危害。攝入維生素A可提供維A酸，促進(jìn)乳酸桿菌擴(kuò)增，可減輕狼瘡易感小鼠的狼瘡表征[60]。富含抗性淀粉的飲食可抑制羅伊氏乳桿菌的增殖和易位，增加SCFAs而減輕自身免疫現(xiàn)象[17]。國人自古重食療，中醫(yī)多有藥食同源的方劑，隨著對這一領(lǐng)域認(rèn)識的深入，飲食治療或可成為系統(tǒng)治療的重要一環(huán)。

4 小結(jié)與展望

由于研究人群存在地域差異，測序方法和治療手段各異，導(dǎo)致目前研究結(jié)果不盡相同，但現(xiàn)有成果已顯示出腸道菌群研究對于深入探究自身免疫性疾病發(fā)病機(jī)制、解析臨床表現(xiàn)和藥物應(yīng)答的異質(zhì)性以及開發(fā)新型治療手段可能具有潛在重要價值。腸道菌群與自身免疫性疾病的研究尚處于起步階段，未來期望通過深入的人體免疫表型鑒定，整合腸道微生物細(xì)化至目科屬種株的基因和功能分析，解析腸道菌群在自身免疫性疾病發(fā)生發(fā)展過程中的動態(tài)演變。探究腸道菌群與自身免疫性疾病臨床表型的關(guān)聯(lián)及其對藥物轉(zhuǎn)化的影響，進(jìn)而通過機(jī)器學(xué)習(xí)建立個體化菌群指紋圖譜和預(yù)測工具，有望形成指導(dǎo)臨床的預(yù)測模型、個體化的腸道菌群干預(yù)方案，最終實現(xiàn)優(yōu)化患者診療療效、改善患者預(yù)后的目標(biāo)。

作者貢獻(xiàn)：趙麗丹負(fù)責(zé)撰寫論文初稿、修訂論文；孟夏、徐浩杰負(fù)責(zé)文獻(xiàn)檢索和篩選；張奉春負(fù)責(zé)審校論文。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突