腸道菌群在IBD腸外表現(xiàn)發(fā)生中作用的研究進展

林婷，劉妹妹，葉玉偉，張宏玲，任茜，路紅，周永寧

1 蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，蘭州 730000；2 蘭州大學(xué)第一醫(yī)院消化內(nèi)科；3 甘肅省胃腸病重點實驗室

腸道菌群是人體內(nèi)最大、最復(fù)雜的微生物系統(tǒng)，包含超過1×1014個微生物，種類超過1 000 種［1］。腸道菌群對人體健康和腸道穩(wěn)態(tài)具有重要作用，而腸道菌群失調(diào)則會引起多種疾病，如非酒精性脂肪性肝病、肥胖、膽石癥等。炎癥性腸?。↖BD）是一種病因不明的慢性非特異性炎癥性疾病。有相當(dāng)一部分IBD 患者會出現(xiàn)腸外表現(xiàn)（EIMs），這些EIMs 可伴隨IBD 發(fā)生，亦可發(fā)生在IBD 之前或之后［2］。多組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在IBD 患者中可觀察到腸道菌群穩(wěn)定性下降及多樣性降低，如專性厭氧菌減少、兼性厭氧菌富集，并且腸道菌群代謝產(chǎn)物變化也相當(dāng)顯著［3］。腸道菌群及其代謝產(chǎn)物失調(diào)可導(dǎo)致腸黏膜炎癥反應(yīng)、免疫細(xì)胞分化及功能失調(diào)、細(xì)胞因子失衡和氧化應(yīng)激反應(yīng)，這些因素均可參與IBD 的發(fā)生、發(fā)展。近年來，腸道菌群在EIMs發(fā)生機制中的潛在作用備受關(guān)注。本文結(jié)合文獻就腸道菌群在EIMs 發(fā)生中作用的研究進展作一綜述。

1 EIMs概述

IBD 是一種病因不明的慢性非特異性炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結(jié)腸炎，臨床表現(xiàn)為腹痛、腹瀉和血便等，具有終身復(fù)發(fā)傾向。盡管IBD 主要影響腸道，但作為一種全身性疾病還會累及腸外器官，如關(guān)節(jié)、皮膚、眼等。超過50% IBD 患者一生至少出現(xiàn)一種EIMs，這些EIMs 可伴隨IBD 發(fā)生，亦可發(fā)生在IBD 之前或之后［2］，并且隨著IBD 及已有EIMs 病情進展，發(fā)生其他EIMs 的概率還會增加。合并EIMs 的IBD 診斷與治療難度較大，癌變率較高，致殘和致死風(fēng)險顯著增加。目前，EIMs 的具體發(fā)生機制尚不完全清楚。普遍認(rèn)為，EIMs 發(fā)生相關(guān)的因素與IBD相同或相似，是遺傳、免疫、環(huán)境、感染等因素共同作用的結(jié)果。近年來，腸道菌群在EIMs發(fā)生中的潛在作用備受關(guān)注。

2 腸道菌群在EIMs發(fā)生中的作用機制

腸道微生物組對維持免疫穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。腸道菌群失調(diào)可能在EIMs 發(fā)生中具有重要作用。目前認(rèn)為，分子擬態(tài)、腸黏膜屏障損傷導(dǎo)致的腸道微生物移位、腸道微生物代謝產(chǎn)物及衍生因子改變等在EIMs發(fā)生中具有重要作用。

2.1 分子擬態(tài) 分子擬態(tài)是指微生物抗原表位與自身抗原表位序列或結(jié)構(gòu)類似，從而引起機體產(chǎn)生能識別自身抗原的免疫細(xì)胞或抗體的現(xiàn)象。分子擬態(tài)在外源性病原體感染中較為常見。與外源性病原體類似，存在于人體內(nèi)的某些腸道微生物也會引起免疫系統(tǒng)與宿主組織的交叉反應(yīng)，從而導(dǎo)致自身免疫性疾病發(fā)生。

腸道菌群抗原表位與腸外部位自身抗原表位的分子相似性被認(rèn)為是導(dǎo)致EIMs 發(fā)生的潛在原因。在無菌小鼠體內(nèi)培養(yǎng)可產(chǎn)生模仿自身抗原的細(xì)菌，會增加小鼠罹患自身免疫性疾病的風(fēng)險。相反，采用抗生素干預(yù)或在無菌環(huán)境中飼養(yǎng)的小鼠能夠預(yù)防多種自身免疫性疾?。?］。有研究發(fā)現(xiàn)，部分強直性脊柱炎患者腸道來源細(xì)菌的抗原成分與宿主的HLA-B27 編碼產(chǎn)物存在分子相似性，可引起交叉反應(yīng)［5］。有研究報道，狼瘡患者體內(nèi)攜帶腸道共生擬桿菌和黏膜/皮膚共生丙酸桿菌產(chǎn)生的Ro60同源蛋白抗體和特異性T 細(xì)胞，這提示共生菌產(chǎn)生的自身抗體同源物可能是引起狼瘡發(fā)病的機制之一［6］。腸道菌群與多發(fā)性硬化癥（MS）也存在關(guān)聯(lián)，普氏菌屬、阿克曼菌屬等腸道共生菌與MS 患者腦部病變中鳥苷二磷酸-L-巖藻糖合成酶的交叉反應(yīng)亦支持分子擬態(tài)機制［7］，交叉抗原可能在EIMs 中作為致病性自身免疫應(yīng)答的誘導(dǎo)物或驅(qū)動因子。R161H 小鼠葡萄膜炎模型為腸道菌群、自身抗原識別和腸外部位炎癥反應(yīng)的聯(lián)系提供了依據(jù)，依賴腸道菌群信號激活腸固有層中特異性T 細(xì)胞，并通過自身反應(yīng)性T細(xì)胞受體傳遞信號，引起自身免疫性葡萄膜炎，這一過程可不依賴于自體視黃醇結(jié)合蛋白表達［8］。此外，脆弱擬桿菌、白色念珠菌、血鏈球菌及嗜血桿菌等可產(chǎn)生與Ⅱ型膠原蛋白相似的肽段，可在由膠原蛋白誘發(fā)的關(guān)節(jié)炎中引起交叉反應(yīng)［9］。細(xì)胞色素P450 2D6和甲氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶亦被認(rèn)為是IBD患者發(fā)生自身免疫性肝炎的抗原靶標(biāo)［10-11］。以上研究均支持腸道微生物的分子擬態(tài)與EIMs 的聯(lián)系是真實存在的，分子擬態(tài)是腸道菌群引起和促進EIMs的重要機制。

2.2 腸道微生物移位 腸黏膜屏障完整性是維持腸道菌群和宿主免疫穩(wěn)態(tài)動態(tài)平衡所必需的，可避免機體免疫系統(tǒng)異常活化。然而，在慢性腸道炎癥狀態(tài)下，IBD 患者通常伴隨腸壁破壞及滲漏，而腸黏膜屏障損傷會引起腸道微生物移位，導(dǎo)致腸道微生物與宿主免疫系統(tǒng)異常接觸并通過相關(guān)機制觸發(fā)炎癥反應(yīng)。

NAKAMOTO 等［12］研究發(fā)現(xiàn)，腸道肺炎克雷伯菌能夠誘導(dǎo)硬化性膽管炎患者腸道上皮細(xì)胞形成毛孔，破壞腸黏膜屏障，導(dǎo)致其他細(xì)菌穿過腸道屏障并增強Th17 細(xì)胞反應(yīng)，進而引起由Th17 細(xì)胞介導(dǎo)的肝臟炎癥反應(yīng)。同樣，在患有系統(tǒng)性紅斑狼瘡或自身免疫性肝炎患者肝臟中可檢測到腸球菌，在易患狼瘡小鼠胃內(nèi)接種的腸球菌可穿過腸道屏障進入肝臟，其原因是腸黏膜屏障損傷導(dǎo)致腸道微生物沿門靜脈、腸系膜淋巴結(jié)等轉(zhuǎn)移至循環(huán)系統(tǒng)，從而引起肝臟或其他腸外器官免疫系統(tǒng)異常激活和炎癥反應(yīng)［12］。因此，腸黏膜屏障破壞、腸道菌群移位并過度接觸宿主免疫細(xì)胞，導(dǎo)致免疫系統(tǒng)異常激活是EIMs發(fā)生的重要基礎(chǔ)?？肆_恩病患者腸外“爬行脂肪”中具有獨特的、以梭菌為主的細(xì)菌聚生體，可使巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化為促纖維化M2 表型，從而促進纖維化和腸道重塑。這有助于將潛在的致病微生物保持在局部炎癥及損傷部位，防止?jié)撛诘挠泻ξ⑸锎┻^腸黏膜屏障損傷部位發(fā)生傳播和定植［13］，間接表明腸道微生物移位可能會導(dǎo)致EIMs 發(fā)生。但這些結(jié)果并不能證實腸道微生物移位在自身免疫激活中起關(guān)鍵作用，導(dǎo)致IBD 患者因腸黏膜屏障損傷發(fā)生EIMs 仍需直接證據(jù)證實。

2.3 腸道微生物代謝產(chǎn)物 腸道菌群可利用腸道無法直接消化吸收的物質(zhì)，產(chǎn)生許多影響宿主病理生理過程的活性代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸（SCFAs）、色氨酸（Trp）代謝產(chǎn)物、膽汁酸（BAs）等［14］。

2.3.1 SCFAs 食物中不易被消化的纖維在腸道微生物發(fā)酵作用下可產(chǎn)生SCFAs，如乙酸、丙酸、丁酸等。SCFAs 除了為宿主提供能量外，還可調(diào)控腸上皮細(xì)胞生長，促使腸上皮細(xì)胞緊密連接，維持腸黏膜屏障功能，同時還可調(diào)節(jié)機體免疫功能，抑制病原微生物生長繁殖［15-16］。SCFAs 可通過抑制組蛋白去乙?；福℉DAC）活性來調(diào)節(jié)基因表達、細(xì)胞增殖和免疫應(yīng)答，還可通過G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）來傳遞信號，如GPR41（FFAR3）、GPR43（FFAR2）和GPR109A。

SCFAs可通過與GPCRs或HDAC 相互作用影響大腦，這與阿爾茨海默癥、自閉癥及抑郁癥等神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生密切相關(guān)。無菌小鼠大腦的免疫調(diào)節(jié)及應(yīng)激反應(yīng)出現(xiàn)減退，而補充SCFAs 可使無菌小鼠因腸道菌群缺失所致的免疫失調(diào)正?；?7］。丙酸鹽可作用于腸神經(jīng)元FFAR3，通過腸-腦軸恢復(fù)帕金森病小鼠運動功能，延緩多巴胺能神經(jīng)元丟失，從而發(fā)揮神經(jīng)保護作用［18］。此外，MS患者腸道菌群中梭狀芽胞桿菌數(shù)量顯著減少，補充梭菌混合物可減少實驗性自身免疫性腦脊髓炎小鼠脫髓鞘，降低中樞神經(jīng)系統(tǒng)中免疫細(xì)胞活化、分化和增殖，并延緩軸突損傷，同時增強外周Treg 細(xì)胞的免疫調(diào)節(jié)作用［19］。SCFAs 既可通過減少NF-κB 信號傳導(dǎo)和誘導(dǎo)凋亡，在腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞中顯示出抗炎作用，又可通過抑制Treg 細(xì)胞產(chǎn)生HDAC，獨立于GPCRs 調(diào)節(jié)mTORS6K 信號通路來保護神經(jīng)，還可通過上調(diào)神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)營養(yǎng)因子表達來營養(yǎng)神經(jīng)［20］。這些證據(jù)表明，腸道菌群相關(guān)的SCFAs 可通過不同作用途徑發(fā)揮抗炎及神經(jīng)保護作用。

在其他部位EIMs 中，SCFAs 亦能顯示出抑制炎癥反應(yīng)的作用。丁酸鹽可誘導(dǎo)Treg 細(xì)胞分化并抑制Th17 細(xì)胞及Tfh 細(xì)胞，下調(diào)IL-17 表達，并誘導(dǎo)IL-10、Foxp3 轉(zhuǎn)錄，同時還可下調(diào)HDAC 和炎癥因子表達，抑制傳統(tǒng)Th 細(xì)胞產(chǎn)生及破骨細(xì)胞分化，達到緩解炎癥反應(yīng)和調(diào)節(jié)骨量的作用，從而抑制關(guān)節(jié)炎、皮膚炎癥等［21-22］。此外，SCFAs 還能上調(diào)樹突狀細(xì)胞（DCs）H3K4 三甲基化狀態(tài)，并誘導(dǎo)炎癥因子IL-6和干擾素β1分泌，進而激活自然殺傷細(xì)胞，提高宿主免疫能力。因此，SCFAs 或許能夠成為早期診斷EIMs并追蹤其進展的生物標(biāo)志物。

2.3.2 Trp 代謝產(chǎn)物 Trp 是人體必需氨基酸之一，經(jīng)腸道菌群分解代謝，在免疫穩(wěn)態(tài)、腸黏膜屏障和促進腦-腸-微生物群軸功能中發(fā)揮重要作用。Trp 代謝途徑通常包括：①腸道免疫細(xì)胞和上皮細(xì)胞通過吲哚胺2，3-加雙加氧酶1 介導(dǎo)的犬尿氨酸途徑；②由腸道微生物區(qū)系直接代謝，包括芳香烴受體（AhR）配體在內(nèi)的吲哚途徑；③腸嗜鉻細(xì)胞通過色氨酸羥化酶1 介導(dǎo)的5-羥色胺途徑［23］。在IBD 患者中可觀察到疾病活躍程度與血清Trp 水平呈負(fù)相關(guān)，血清Trp 水平降低，Trp 代謝增加，尤其通過犬尿氨酸途徑的代謝增加，腸道組織AhR表達降低［24］。

腸道菌群失調(diào)、Trp 代謝障礙和宿主遺傳易感性的相互作用會刺激活化的免疫細(xì)胞并產(chǎn)生自身抗體，這有助于自身免疫系統(tǒng)激活。作為菌群-宿主之間的橋梁物質(zhì)，Trp 代謝產(chǎn)物可通過不同機制對宿主發(fā)揮促進或抑制炎癥反應(yīng)的作用。一方面，Trp代謝產(chǎn)物吲哚及其衍生物可通過AhR 通路促進神經(jīng)前體細(xì)胞分化，促進神經(jīng)元成熟和突觸功能從而激活神經(jīng)發(fā)生，與中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)發(fā)生有關(guān)［25］。另一方面，Trp 代謝產(chǎn)物可通過AhR 參與小膠質(zhì)細(xì)胞對星形膠質(zhì)細(xì)胞的調(diào)控，抑制神經(jīng)系統(tǒng)免疫細(xì)胞功能以限制中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥反應(yīng)，從而抑制神經(jīng)退行性疾病發(fā)生［26］。此外，Trp 代謝產(chǎn)物可通過抑制肝星狀細(xì)胞活化來抑制肝纖維化，也可由骨髓細(xì)胞的糖酵解調(diào)控PFKFB3 表達顯著降低肝臟脂肪變性和炎癥反應(yīng)程度，還可降低NF-κB 信號通路中關(guān)鍵蛋白表達及上調(diào)下游炎癥因子基因表達，通過轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)緩解肝臟炎癥反應(yīng)［27-28］。因此，Trp 代謝產(chǎn)物與EIMs發(fā)生存在聯(lián)系是毋庸置疑的，但其具體機制有待于進一步探索。

2.3.3 BAs BAs 是膽汁的主要成分，由肝細(xì)胞生成并分泌至腸道，大部分被重吸收回到肝臟，部分通過膽鹽水解酶作用后轉(zhuǎn)變?yōu)榇渭塀As。膽鹽水解酶廣泛存在于腸道微生物中，如梭狀芽孢桿菌、類桿菌、乳桿菌、雙歧桿菌和腸球菌等［29］。除了參與能量代謝外，BAs 還可通過與多種受體相互作用調(diào)控機體免疫穩(wěn)態(tài)［30］。此外，BAs 自身的理化性質(zhì)使其具有抑菌和殺菌能力，可維持腸黏膜屏障完整性并阻止病原體定植。IBD 患者膽鹽水解酶活性下降，導(dǎo)致初級和次級BAs平衡被破壞，甘氨膽酸、?；悄懰岷透拾冰Z脫氧膽酸等初級BAs富集，而石膽酸、脫氧膽酸等次級BAs 含量減少，表明產(chǎn)次級BAs 的細(xì)菌在IBD患者體內(nèi)亦顯著減少［3］。

HE 等［31］研究發(fā)現(xiàn)，狼瘡患者腸道菌群失調(diào)，并且多種菌群代謝產(chǎn)物發(fā)生改變，初級BAs 增加而次級BAs 減少，提示BAs 組成與狼瘡的發(fā)生、發(fā)展有關(guān)。在肝臟疾病中發(fā)現(xiàn)，次級BAs 可減少巨噬細(xì)胞產(chǎn)生IL-1β、IL-6、IFN-γ，同時誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞偏向抗炎M2 表型，導(dǎo)致IL-10 上調(diào)以及IL-6、TNF-α 下調(diào)。次級BAs 還可通過減少DCs 產(chǎn)生IL-12 來抑制Th17細(xì)胞分化，從而促進Treg 細(xì)胞分化［32］。在無菌狀態(tài)下飼養(yǎng)的小鼠肝臟損傷更為嚴(yán)重，考慮也是缺乏微生物代謝的次級BAs 所致［33］。此外，次級BAs 還可通過TGR5-cAMP-PKA 信號通路來調(diào)控DCs 功能，抑制DCs 生成NF-κB 相關(guān)炎癥因子，并減少Th1、Th17 細(xì)胞發(fā)育，發(fā)揮減輕炎癥反應(yīng)和緩解病情的作用。自身免疫性葡萄膜炎也被證實與微生物區(qū)系組成改變所致的BAs 代謝失調(diào)有關(guān)，補充次級BAs 脫氧膽酸能夠減輕自身免疫性葡萄膜炎嚴(yán)重程度［34］。BAs 還可通過下調(diào)Rorc 表達抑制T 細(xì)胞IL-17A 產(chǎn)生，并抑制角質(zhì)形成細(xì)胞CCL20 表達，通過阻斷CCL20 介導(dǎo)的免疫趨化來改善銀屑病病情［35］。因此，BAs在EIMs的發(fā)生中起關(guān)鍵作用。

2.4 腸道微生物衍生因子 脂多糖（LPS）是革蘭陰性菌細(xì)胞壁的特有組分。宿主免疫細(xì)胞通過其模式識別受體特異性識別細(xì)菌的病原體相關(guān)分子模式（PAMP），啟動機體防御系統(tǒng)，而LPS 是受宿主免疫系統(tǒng)識別的重要PAMP。LPS 可通過擾亂宿主的免疫系統(tǒng)、補體系統(tǒng)和凝血系統(tǒng)等引起一系列嚴(yán)重的病理生理反應(yīng)。

隨循環(huán)系統(tǒng)到達肝臟的過量LPS 可通過TLR4信號通路激活Kupffer 細(xì)胞，產(chǎn)生自由基和炎癥因子，還能激活靜息肝星狀細(xì)胞，刺激炎癥因子分泌，導(dǎo)致肝臟炎癥反應(yīng)和纖維化，也可通過CD14、NF-κB、TNF-α 等信號途徑誘導(dǎo)肝細(xì)胞凋亡［36］。腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致LPS增加，并通過腸-腦軸破壞血腦屏障，導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞活化，誘導(dǎo)神經(jīng)炎癥反應(yīng)［37］。在阿爾茨海默癥患者腦部特定區(qū)域中可發(fā)現(xiàn)來源于胃腸道細(xì)菌的LPS 增加，通過調(diào)節(jié)相關(guān)信號通路產(chǎn)生與阿爾茨海默癥發(fā)病相關(guān)的炎癥因子，注射LPS可誘導(dǎo)小鼠病態(tài)行為、認(rèn)知障礙和急性抑郁樣行為［38］，表明LPS 在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)生中具有重要作用。

綜上所述，EIMs 發(fā)生的具體機制尚不完全清楚，但越來越多研究證實腸道菌群在EIMs發(fā)生中具有重要作用。腸道菌群不僅可通過分子擬態(tài)方式誘導(dǎo)腸外炎癥反應(yīng)，還可通過腸黏膜屏障損傷導(dǎo)致腸道微生物移位、腸道微生物代謝產(chǎn)物及衍生因子改變等，從而參與EIMs的發(fā)生、發(fā)展。因此，深入探索腸道菌群在EIMs發(fā)生中的具體機制及作用靶點，將為EIMs預(yù)防和治療提供新的思路。