腸道菌群代謝產(chǎn)物在自身免疫性疾病中的作用

姜 旭，楊華夏，張奉春

中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)院 1疑難重癥及罕見(jiàn)病國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2風(fēng)濕免疫科 國(guó)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100730

人體腸道內(nèi)存在數(shù)量龐大、種類豐富的微生物群落，其以宿主未消化的食物及腸道上皮細(xì)胞分泌物為底物，在腸道內(nèi)進(jìn)行復(fù)雜且活躍的代謝反應(yīng)，產(chǎn)生大量對(duì)人體有益或有害的代謝產(chǎn)物。腸道菌群代謝產(chǎn)物作用于宿主，在宿主機(jī)體發(fā)育、消化代謝、免疫調(diào)節(jié)等諸多方面發(fā)揮重要作用；另一方面，宿主的飲食結(jié)構(gòu)、免疫狀態(tài)等也會(huì)影響腸道菌群[1]。腸道菌群與宿主交互作用維持動(dòng)態(tài)平衡，一旦平衡被打破，引起的腸道菌群紊亂可能導(dǎo)致多種疾病發(fā)生。隨著對(duì)腸道菌群功能研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)腸道菌群紊亂不僅會(huì)引起肥胖、糖尿病等代謝性疾病，且與多種自身免疫性疾病密切相關(guān)[2]。本文重點(diǎn)闡述腸道菌群代謝產(chǎn)物在自身免疫性疾病中的作用，以期為臨床診療提供借鑒。

1 腸道菌群參與自身免疫性疾病的發(fā)生

隨著高通量測(cè)序技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于自身免疫性疾病狀態(tài)下腸道菌群基因組和宏基因組的研究不斷推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)[3-4]、系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)[5-6]、炎癥性腸病(inflammatory bowel diseases,IBD)[7]、原發(fā)性膽汁性膽管炎(primary biliary cholangitis,PBC)[8]、多發(fā)性硬化癥(multiple scler-osis,MS)[9]、強(qiáng)直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)[10-11]、原發(fā)性干燥綜合征(primary Sj?gren’s syndrome,pSS)[12]和白塞氏病(Behcet’s disease,BD)[13]等自身免疫性疾病患者的腸道菌群與健康人存在顯著差異，包括多樣性降低、某些疾病特異性菌株增多，且這些特異性菌株的含量與疾病活動(dòng)程度相關(guān)。例如，普雷沃氏菌(Prevotellacopri)、活潑瘤胃球菌(Ruminococcusgnavus)、唾液乳桿菌(Lactobacillussalivarius)在RA患者的糞便中均有富集，且唾液乳桿菌在RA患者糞便中的富集程度與疾病活動(dòng)度相關(guān)[3-4]。近年來(lái)，自身免疫性疾病腸道菌群研究已逐步從描述菌群結(jié)構(gòu)差異深入至探討差異菌的致病機(jī)制，其中腸道菌群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對(duì)宿主免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用越來(lái)越受到關(guān)注。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物參與免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)

腸道菌群通過(guò)不同的代謝模式，產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物可直接或間接影響宿主的免疫應(yīng)答，促進(jìn)或延緩自身免疫性疾病的發(fā)生，其中研究較多的代謝產(chǎn)物主要包括短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、色氨酸及其衍生物、膽汁酸。

2.1 SCFAs

2.1.1 形成途徑

SCFAs主要來(lái)源于膳食纖維和結(jié)腸黏液層中富含大量O-糖基化修飾的黏蛋白，而參與SCFAs形成過(guò)程的微生物主要有雙歧桿菌屬、乳桿菌屬、擬桿菌屬和梭桿菌屬等[14]。膳食纖維或黏蛋白中的復(fù)雜碳水化合物首先被微生物水解成五碳或六碳單糖，然后分別經(jīng)過(guò)磷酸戊糖途徑(五碳)或Embden-Meyerhof-Parnas途徑(六碳)代謝為丙酮酸，丙酮酸再經(jīng)過(guò)一系列生化反應(yīng)最終形成SCFAs，其中乙酸、丙酸和丁酸占SCFAs總量的95%以上。

2.1.2 功能/機(jī)制

作為腸道內(nèi)含量最豐富的微生物代謝產(chǎn)物之一，SCFAs可影響宿主多種生理功能，其中對(duì)宿主免疫功能的調(diào)控作用備受關(guān)注。在固有免疫方面，研究者發(fā)現(xiàn)SCFAs可抑制樹(shù)突狀細(xì)胞(dendritic cell,DC)的成熟，影響細(xì)胞因子白細(xì)胞介素(interleukin,IL)-23的分泌[15]，并能調(diào)控巨噬細(xì)胞功能和細(xì)胞因子的分泌[16]。在適應(yīng)性免疫方面，F(xiàn)urusawa等[17]和Smith等[18]發(fā)現(xiàn)SCFAs可調(diào)控結(jié)腸Treg細(xì)胞池的規(guī)模和功能，促進(jìn)腸道中IgA的產(chǎn)生[19]，促進(jìn)Th1細(xì)胞分泌具有抑炎功能的IL-10[20]，并增強(qiáng)抗原活化的CD8+T細(xì)胞的記憶潛能[21]，促進(jìn)CD4+T細(xì)胞產(chǎn)生IL-22，維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[22]。

SCFAs主要通過(guò)以下3種作用機(jī)制調(diào)控宿主細(xì)胞功能：(1)作為宿主內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的碳源。SCFAs中的丁酸通過(guò)持續(xù)的脂肪酸代謝途徑為氧化磷酸化提供能量，使細(xì)胞三羧酸循環(huán)過(guò)程可不依賴于糖酵解的產(chǎn)物輸入，加速細(xì)胞能量代謝，促進(jìn)活化的CD8+T細(xì)胞的記憶潛能[21]。(2)作為配體激活宿主G-蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCR，主要包括GPR43、GPR41和GRP109A)的信號(hào)通路。例如，SCFAs可通過(guò)激活GPR43促進(jìn)Th1細(xì)胞分泌IL-10[20]。(3)抑制組蛋白去乙酰酶(histone deacetylase,HDAC)影響宿主基因的表達(dá)[23-24]。SCFAs可誘導(dǎo)Treg細(xì)胞產(chǎn)生并增強(qiáng)其功能，一方面通過(guò)抑制HDAC促進(jìn)組蛋白H3乙?；?，上調(diào)FOXP3表達(dá)；另一方面通過(guò)激活GPR43受體促進(jìn)IL-10釋放而誘導(dǎo)Treg細(xì)胞增殖[17-18,23]。SCFAs還可誘導(dǎo)CD4+T細(xì)胞和固有樣淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22，其機(jī)制是通過(guò)激活細(xì)胞表面GPR41受體并抑制HDAC促進(jìn)芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor,AhR)和缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia-inducible factor 1α,HIF1α)的表達(dá)[22]。

2.1.3 SCFAs與自身免疫性疾病

SCFAs被報(bào)道與RA、SLE、MS、pSS、IBD等多種自身免疫性疾病發(fā)病相關(guān)。

研究表明，丁酸在RA患者和RA模型小鼠的糞便樣本中含量均降低，而補(bǔ)充丁酸后可通過(guò)激活A(yù)hR調(diào)控Breg細(xì)胞功能，進(jìn)而緩解關(guān)節(jié)炎癥狀[24]。SCFAs可緩解多種RA模型小鼠的疾病嚴(yán)重程度，包括膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎(collagen-induced arthritis,CIA)[25]和抗原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎(antigen-induced arthritis,AIA)[24]。

SLE患者糞便樣本中，SCFAs含量與腸道菌群結(jié)構(gòu)相關(guān)[26]。在TOLL樣受體7依賴的SLE小鼠模型的飲食中加入抗消化淀粉或SCFAs，可抑制羅伊乳桿菌的生長(zhǎng)，并緩和疾病表型[27]。但SCFAs在SLE患者體內(nèi)是否具有保護(hù)作用仍需更多的基礎(chǔ)和臨床研究加以證明。

近年來(lái)，腦-腸軸的調(diào)控在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病中的作用越來(lái)越受到重視，腸道菌群代謝產(chǎn)物在神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫性疾病MS的發(fā)病過(guò)程中扮演了重要角色。在MS患者體內(nèi)，產(chǎn)生SCFAs的多種腸道菌群含量降低[9]。對(duì)實(shí)驗(yàn)性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)模式小鼠給予丙酸治療可提高腸道局部Treg細(xì)胞含量，起到抗炎作用，有效緩解疾病癥狀[28]。除影響腸道局部外，SCFAs的效應(yīng)還可延伸至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過(guò)GPR43受體調(diào)控小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的常駐巨噬細(xì)胞)的成熟和功能[29]。

在pSS患者中，亦存在產(chǎn)生丁酸的腸道菌含量降低的現(xiàn)象[30]。已有研究證明，腸道菌產(chǎn)生的丁酸不僅可作用于腸道局部，還可作用于眼部，通過(guò)調(diào)控Treg細(xì)胞發(fā)揮抗炎作用[31]，在pSS疾病中是否存在類似的機(jī)制尚需在模式動(dòng)物中開(kāi)展深入研究。

糞便代謝組學(xué)研究揭示，IBD患者體內(nèi)腸道菌群代謝產(chǎn)物SCFAs含量低于健康對(duì)照人群[32]，且在T細(xì)胞依賴的慢性腸炎模型和葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium,DSS)誘導(dǎo)的腸炎模型中，SCFAs均可減輕腸炎的嚴(yán)重程度[17,20]。同時(shí)，SCFAs受體敲除小鼠表現(xiàn)出腸炎易感性，亦證明SCFAs對(duì)IBD具有保護(hù)作用[33]。

2.2 色氨酸及其衍生物

2.2.1 形成途徑

盡管食物中的蛋白可在宿主小腸內(nèi)進(jìn)行充分同化，但5%～10%的膳食蛋白可進(jìn)入結(jié)腸，被腸道菌群分解、轉(zhuǎn)化，也可產(chǎn)生豐富的氨基酸及氨基酸發(fā)酵的副產(chǎn)物，包括胺、酚類、吲哚、含硫化合物等。色氨酸作為必需氨基酸在機(jī)體內(nèi)參與廣泛代謝，產(chǎn)生許多人體重要的信號(hào)分子如維生素B3、5-羥色胺、吲哚、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)等。色氨酸在不同腸道菌作用下經(jīng)歷不同的代謝途徑，主要包括：犬尿氨酸途徑(產(chǎn)物為犬尿氨酸、犬尿酸、NAD等)、血清素途徑(產(chǎn)物為血清素)、參與蛋白合成以及直接轉(zhuǎn)換(產(chǎn)物為色胺、吲哚等)4種途徑[34]，代謝產(chǎn)物亦不相同。

2.2.2 功能/機(jī)制

色氨酸及其衍生物主要通過(guò)作用于孕烷X受體(pregnane X receptor,PXR)或AhR，調(diào)控腸道局部和宿主全身免疫功能。AhR在免疫細(xì)胞中廣泛表達(dá)，在調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)尤其是對(duì)CD4+T細(xì)胞的調(diào)控中具有重要作用。吲哚及其衍生物可調(diào)控Treg和Th17細(xì)胞分化，抑制Th17細(xì)胞而促進(jìn)Treg細(xì)胞分化[35]。研究還發(fā)現(xiàn)，羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)產(chǎn)生的吲哚衍生物可促進(jìn)腸道上皮間CD4+T細(xì)胞轉(zhuǎn)化為CD4+CD8+雙陽(yáng)性上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞，有利于維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[36]。

2.2.3 色氨酸及其衍生物與自身免疫性疾病

目前研究表明，色氨酸代謝產(chǎn)物與RA、MS、IBD等疾病密切關(guān)聯(lián)。

Pongratz等[37]發(fā)現(xiàn)，RA患者血清中的色氨酸及其代謝產(chǎn)物含量與疾病活動(dòng)度及類風(fēng)濕因子具有相關(guān)性。吲哚-3-甲醇可緩解佐劑誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎疾病癥狀[38]，而吲哚-3-甲醛和吲哚-3-乙酸可促進(jìn)天然免疫細(xì)胞分泌細(xì)胞因子[39]，提示吲哚及其衍生物可能在RA中具有保護(hù)作用。

色氨酸及其衍生物同樣參與了腦-腸軸調(diào)控，與MS疾病存在密切關(guān)聯(lián)。在MS患者體內(nèi)，循環(huán)的AhR受體激動(dòng)劑含量降低，而對(duì)EAE模式小鼠補(bǔ)充色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚、3-羥基吲哚硫酸鹽、3-吲哚丙酸、吲哚-3-甲醛等時(shí)，小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥得到癥狀[40]。

IBD患者糞便中色氨酸及吲哚乙酸含量降低，犬尿氨酸含量升高[41]。受體AhR的表達(dá)在IBD患者腸道組織升高，而糞便中AhR的活性降低[41]。在DSS誘導(dǎo)的腸炎動(dòng)物模型中，AhR-/-小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的腸道炎癥，而使用AhR激動(dòng)劑治療后可明顯緩解癥狀[42]。

2.3 膽汁酸

2.3.1 形成途徑

膽汁酸是膽汁的主要成分，初級(jí)膽汁酸以膽固醇為原料在肝臟中合成，在小腸中溶解膳食中的脂質(zhì)和脂溶性纖維素。初級(jí)膽汁酸的合成過(guò)程需超過(guò)17種酶參與，主要經(jīng)歷兩種不同的途徑：經(jīng)典途徑和替代途徑。75%的膽汁酸經(jīng)過(guò)經(jīng)典膽汁酸途徑合成，終產(chǎn)物為鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)或膽酸(cholic acid,CA)。其余膽汁酸經(jīng)歷替代合成途徑，終產(chǎn)物主要為CDCA。95%的初級(jí)膽汁酸在回腸被吸收，循環(huán)回肝臟，其余5%的膽汁酸進(jìn)入大腸，在腸道菌作用下通過(guò)脫羥基化、羥基異構(gòu)化和氧化等一系列反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)膽汁酸，其詳細(xì)的轉(zhuǎn)化機(jī)制目前仍在研究中。兩種含量最豐富的次級(jí)膽汁酸是脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)和石膽酸(lithocholic acid,LCA)[43]。

2.3.2 功能/機(jī)制

膽汁酸在宿主體內(nèi)主要通過(guò)法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G-protein-coupled bile acid receptor 1,GPBAR1,亦稱TGR5)發(fā)揮功能，而非結(jié)合型的膽汁酸也可與PXR、組成型雄甾烷受體以及維生素D受體結(jié)合[44]。

研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸在天然免疫中具有重要作用，次級(jí)膽汁酸DCA可促進(jìn)Kupffer細(xì)胞(定位于肝臟中的巨噬細(xì)胞)產(chǎn)生活性氧族(reactive oxygen species,ROS)。初級(jí)膽汁酸和次級(jí)膽汁酸依賴受體TGR5和PKA通路可抑制細(xì)菌脂多糖對(duì)巨噬細(xì)胞促炎因子的誘導(dǎo)[45]。此外，TGR5激動(dòng)劑BAR501還可促進(jìn)巨噬細(xì)胞由M1型向M2型轉(zhuǎn)化[33]。而膽汁酸及其衍生物在適應(yīng)性免疫中的功能近幾年才逐漸被認(rèn)識(shí)。LCA的衍生物之一IsoalloLCA可通過(guò)對(duì)FOXP3的CNS3元件乙?；揎棽⒋龠M(jìn)線粒體活性氧的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)Treg細(xì)胞分化形成；另一衍生物3-oxoLCA可通過(guò)與RORγt直接結(jié)合，抑制Th17細(xì)胞的分化[46]。腸道內(nèi)的膽汁酸依賴維生素D 受體，誘導(dǎo)RORγa+Treg細(xì)胞產(chǎn)生，是維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵[47]。此外，在肝臟腫瘤中發(fā)現(xiàn)初級(jí)膽汁酸和次級(jí)膽汁酸分別可促進(jìn)和抑制肝臟自然殺傷T細(xì)胞的積累[48]，而在其他生理或病理?xiàng)l件下是否也存在這樣的效應(yīng)還有待進(jìn)一步研究。

2.3.3 膽汁酸與自身免疫性疾病

目前研究表明，膽汁酸代謝產(chǎn)物與PBC、RA、SLE、IBD等疾病密切關(guān)聯(lián)。

膽汁酸代謝產(chǎn)物在維持肝-腸軸穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。膽汁淤積是PBC的重要臨床表現(xiàn)，早期PBC患者使用膽汁酸螯合劑熊去氧膽酸(ursodeoxycholic acid,UDCA)治療可取得較好療效。研究發(fā)現(xiàn)，PBC患者糞便和血清中的膽汁酸譜均存在異常，且與疾病嚴(yán)重程度相關(guān)[49]，而采用UDCA治療后PBC患者的膽汁酸循環(huán)顯著降低，并伴有腸道菌群結(jié)構(gòu)改變[50]。

研究發(fā)現(xiàn)，RA患者血清、滑液中均存在膽汁酸代謝異常[51]。次級(jí)膽汁酸LCA可激活TGR5受體，在CIA動(dòng)物模型中表現(xiàn)出抗炎作用[52]，提示膽汁酸代謝產(chǎn)物可能具有治療RA疾病的效用，但其在RA發(fā)病機(jī)制中扮演的角色目前仍不清楚。

對(duì)SLE患者的血清和糞便進(jìn)行脂代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)SLE患者血清中存在多種膽汁酸代謝產(chǎn)物異常，且含量與疾病活動(dòng)度顯著相關(guān)，SLE患者糞便中多種初級(jí)膽汁酸的含量高于健康人，包括膽酸、甘氨膽酸、?；悄懰岬萚53]。FXR受體表達(dá)量在SLE患者及MRL/lpr狼瘡小鼠體內(nèi)均下調(diào)，F(xiàn)XR受體激動(dòng)劑可抑制狼瘡小鼠體內(nèi)炎癥因子的分泌，緩解狼瘡小鼠肝臟損傷[54]。

使用初級(jí)膽汁酸和次級(jí)膽汁酸混合物喂養(yǎng)小鼠可緩解DSS誘導(dǎo)引起的腸炎[47]。多種膽汁酸受體具有調(diào)控腸炎發(fā)生的作用，例如FXR受體激動(dòng)劑INT-747可減輕DSS誘導(dǎo)的腸炎，而FXR-/-小鼠腸炎則加重[55]。TGR5受體激動(dòng)劑BAR501在T細(xì)胞介導(dǎo)的腸炎動(dòng)物模型中表現(xiàn)出保護(hù)效用[33]。上述研究均提示膽汁酸代謝產(chǎn)物可能參與了IBD發(fā)病。

3 小結(jié)與展望

腸道菌群與宿主免疫反應(yīng)之間存在密切而復(fù)雜的關(guān)聯(lián)，腸道菌各種代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)腸道局部乃至宿主全身免疫功能中發(fā)揮著重要作用。目前，已有諸多研究報(bào)道SCFAs、色氨酸及其衍生物、膽汁酸等腸道菌代謝產(chǎn)物參與了免疫細(xì)胞功能調(diào)控并在自身免疫性疾病中發(fā)揮作用，但仍有大量其他腸道菌群代謝物的功能需開(kāi)展進(jìn)一步探索性研究。此外，代謝產(chǎn)物的鑒定尚存在一定方法學(xué)局限性，如代謝產(chǎn)物的來(lái)源是菌群還是宿主難以追溯、代謝產(chǎn)物給予劑量難以準(zhǔn)確評(píng)估等。隨著宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)等技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)研究將不斷突破上述壁壘，對(duì)腸道菌代謝產(chǎn)物的認(rèn)識(shí)也將更加深入和全面。

腸道菌群的臨床應(yīng)用目前仍處于起步階段，深入探索腸道菌群代謝產(chǎn)物與宿主免疫應(yīng)答的關(guān)系，有助于揭示自身免疫性疾病的發(fā)病機(jī)制，并為未來(lái)研發(fā)基于菌群及其代謝產(chǎn)物調(diào)控治療自身免疫性疾病策略提供幫助。

作者貢獻(xiàn)：姜旭負(fù)責(zé)查閱文獻(xiàn)、撰寫論文；楊華夏負(fù)責(zé)修訂論文；張奉春負(fù)責(zé)終審定稿。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突