腸道菌群在眼病中的作用研究進(jìn)展

姜佳譯,陸培榮

0 引言

人類腸道是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),其中定植的大量微生物稱為腸道菌群,包括細(xì)菌如厚壁菌、擬桿菌、真菌、病毒等[1]。腸道菌群自人出生定植于腸道,隨著人體的生長和衰老而動(dòng)態(tài)變化并維持一定的穩(wěn)態(tài),并對(duì)維持人體正常生理功能有重要作用,其在機(jī)體免疫、代謝、結(jié)構(gòu)和神經(jīng)系統(tǒng)中承擔(dān)著一些基本功能[1]。腸道菌群與宿主基因型、飲食結(jié)構(gòu)、生活方式、免疫反應(yīng)等有關(guān),其穩(wěn)態(tài)的破壞與多種疾病有相關(guān)性,如炎癥性腸病、糖尿病、心血管疾病[2-3]等,同時(shí)越來越多的研究表明,腸道菌群與宿主眼健康有關(guān),其在青光眼、葡萄膜炎、糖尿病視網(wǎng)膜病變(diabetic retinopathy, DR)和年齡相關(guān)性黃斑變性(age-related macular degeneration, ARMD)中都起到一定的作用[4-6]。本文就腸道菌群與幾種常見眼部疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述。

1 腸道菌群與青光眼

青光眼是一種以神經(jīng)退行性病變?yōu)樘卣鞯闹旅ば匝鄄?常表現(xiàn)為視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡、視神經(jīng)萎縮和視野缺損[7-8]。造成青光眼組織損傷的主要原因是眼壓升高,臨床實(shí)踐中降眼壓一直作為一種有效的治療手段。有研究發(fā)現(xiàn),幽門螺旋桿菌感染可能影響宿主的眼壓。青光眼患者房水中的幽門螺旋桿菌抗體IgG顯著高于對(duì)照組,抗體的效價(jià)與青光眼的嚴(yán)重程度呈正相關(guān)[9],幽門螺旋桿菌感染與青光眼的發(fā)生有相關(guān)性,其中活動(dòng)性的感染狀態(tài)與青光眼發(fā)生的關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)[10-11]。幽門螺旋桿菌可能引起炎癥因子的釋放,繼而引起全身活性氮含量增加,線粒體損傷和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞凋亡、血管舒張收縮功能障礙,繼而引起眼壓升高和視神經(jīng)損傷[12]。

此外,腸道菌群的代謝產(chǎn)物也對(duì)眼內(nèi)壓產(chǎn)生影響。腸道產(chǎn)物硫化氫可以降低青光眼兔的眼壓,保護(hù)視網(wǎng)膜功能[13-14]。硫化氫可以阻斷興奮性氨基酸神經(jīng)遞質(zhì)的作用,促進(jìn)房水流出。腸道菌群代謝物丁酸鹽對(duì)于腸道屏障和腸上皮細(xì)胞損傷修復(fù)有促進(jìn)作用,Skrzypecki等[15]發(fā)現(xiàn)丁酸鹽可以降低正常血壓大鼠的眼壓,并且這種作用獨(dú)立于眼交感神經(jīng)作用以及血壓變化,其具體機(jī)制還有待于進(jìn)一步研究。

除了眼壓,越來越多的證據(jù)表明免疫異?？赡苁且粋€(gè)獨(dú)立于眼壓的青光眼危險(xiǎn)因素[16]。Chen等[17]發(fā)現(xiàn),短暫的眼壓升高可以使正常小鼠體內(nèi)的T細(xì)胞持續(xù)性滲入視網(wǎng)膜,從而導(dǎo)致視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞變性,但在無菌鼠中不會(huì)發(fā)生T細(xì)胞浸潤及神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的變性。這提示共生菌群在青光眼導(dǎo)致的T細(xì)胞視網(wǎng)膜浸潤,以及神經(jīng)損傷中起到重要作用。

Gong等[18]采用16S rRNA測序?qū)υl(fā)性開角型青光眼患者和健康對(duì)照組的腸道菌群進(jìn)行分析,并研究腸道菌群、宿主循環(huán)代謝物與臨床表型之間的關(guān)系。結(jié)果顯示,大部分原發(fā)性開角型青光眼患者中普雷沃氏菌科、不明腸桿菌科和大腸桿菌顯著增多,而巨單胞菌屬和普通擬桿菌屬明顯減少?；颊咂骄暳εc布勞特氏菌屬呈負(fù)相關(guān),平均視野缺損值與柔嫩梭菌屬呈負(fù)相關(guān),平均神經(jīng)纖維層厚度與鏈球菌呈正相關(guān)[18]。最新的研究發(fā)現(xiàn),間歇性禁食通過促進(jìn)腸道革蘭氏陽性菌產(chǎn)生3-吲哚丙酸,繼而促進(jìn)軸突再生和神經(jīng)修復(fù)[19]。這提示青光眼患者或許可以通過飲食限制,改善腸道菌群,減緩視神經(jīng)的損傷。

2 腸道菌群與葡萄膜炎

葡萄膜炎是一種累及虹膜、睫狀體、玻璃體、脈絡(luò)膜、視網(wǎng)膜及視網(wǎng)膜血管的炎性疾病,其病因有感染、自身免疫、藥物等,其中自身免疫因素引起的葡萄膜炎最為常見。人白細(xì)胞抗原B27(human leucocyte antigen B27,HLA-B27)是急性葡萄膜炎的主要危險(xiǎn)因素之一,HLA-B27轉(zhuǎn)基因大鼠及HLA-B27敲除大鼠的腸道菌群與正常大鼠表現(xiàn)出差異,利用BRISK算法與16S rRNA技術(shù),將表達(dá)HLA-B27和人β2微球蛋白的轉(zhuǎn)基因Lewis大鼠與野生型大鼠的盲腸菌群進(jìn)行比較,結(jié)果顯示,轉(zhuǎn)基因大鼠普雷沃菌和普通擬桿菌屬的豐度增加,嗜黏蛋白阿克曼菌與理研菌科豐度降低,其中普雷沃菌種與人類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的發(fā)生有關(guān)[20],普通擬桿菌與Fischer大鼠產(chǎn)生結(jié)腸炎有關(guān)[21],這兩種菌群的豐度增加提示腸道菌群可能通過炎癥反應(yīng)參與自身免疫性葡萄膜炎的發(fā)生[22]。

實(shí)驗(yàn)性自身免疫性葡萄膜炎(experimental autoimmune uveitis, EAU)模型通過給予小鼠外源性視網(wǎng)膜光感受器間維生素A類結(jié)合蛋白,激活免疫細(xì)胞,獲得對(duì)葡萄膜的免疫活性構(gòu)建而成。有研究發(fā)現(xiàn),在EAU小鼠中,腸道通透性的增加與腸道菌群改變、載脂蛋白生成和葡萄膜炎的高峰一致[23]。而口服抗生素后EAU小鼠盲腸內(nèi)厚壁菌門、擬桿菌門、α-變形菌綱顯著減少,γ-變形菌綱數(shù)量的增加,淋巴結(jié)和視網(wǎng)膜Treg細(xì)胞數(shù)量增加,效應(yīng)T細(xì)胞和炎癥因子減少,臨床評(píng)分顯著降低[24]。

在自發(fā)性自身免疫性葡萄膜炎模型中,小鼠T細(xì)胞激活不依賴于外源性抗原刺激,其發(fā)病機(jī)制可能更接近人葡萄膜炎。在這種葡萄膜炎模型中,T細(xì)胞在未接觸過視網(wǎng)膜抗原的情況下,對(duì)腸道菌群的非同源抗原產(chǎn)生應(yīng)答并產(chǎn)生IL-17A,從而引起葡萄膜炎[25]。并且,葡萄膜炎小鼠口服短鏈脂肪酸后,腸道趨化因子減少,抑制效應(yīng)T細(xì)胞向眼部遷移,誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞數(shù)量增加,從而改善葡萄膜炎的癥狀[26]。

腸道菌群可能是葡萄膜炎發(fā)生的始動(dòng)因素,或作為輔助因素參與自身免疫通路。盡管自身免疫性葡萄膜炎目前的治療方案多種多樣,包括糖皮質(zhì)激素、非甾體抗炎藥、免疫抑制劑等都展現(xiàn)出一定的療效,但藥物副作用較多、病情易反復(fù)[27],調(diào)控腸道菌群及其代謝物可能為非感染性葡萄膜炎的治療提供新的思路。

3 腸道菌群與DR

DR是糖尿病的嚴(yán)重并發(fā)癥之一,發(fā)病機(jī)制復(fù)雜,目前認(rèn)為慢性炎癥、氧化應(yīng)激以及胰島素抵抗是DR發(fā)生的重要機(jī)制[28]。根據(jù)是否有新生血管可分為非增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變(non-proliferative diabetic retinopathy, NPDR)和增殖性糖尿病視網(wǎng)膜病變(proliferative diabetic retinopathy, PDR)。有研究證明糖尿病患者的腸道菌群與正常受試者有差異。和健康人相比,T2DM患者中厚壁菌門的數(shù)量明顯降低,梭狀桿菌屬比例降低[29]。部分研究發(fā)現(xiàn)糖尿病患者擬桿菌門與擬桿菌屬的比例升高[30]。然而,也有研究報(bào)道糖尿病患者上述兩種菌群的豐度降低[31],不同研究中糖尿病患者菌群的差異可能由受試者的飲食、生活習(xí)慣和其他因素造成。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示,db/db小鼠腸道菌群也產(chǎn)生了變化,疣微菌門及軟壁菌門數(shù)量增加,而擬桿菌門及厚壁菌門數(shù)量降低[32]。

腸道菌群及其代謝物可能對(duì)DR的發(fā)生發(fā)展產(chǎn)生重要影響,其中主要包括次級(jí)膽汁酸、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)、氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide, TMAO)和吲哚2,3雙加氧酶(indoleamine 2, 3-dioxygenase, IDO)。

次級(jí)膽汁酸由腸道菌群代謝宿主分泌的初級(jí)膽汁酸生成,包括?；切苋パ跄懰岬?其主要輔助蛋白和脂質(zhì)的吸收。T2DM患者厚壁菌門豐度與膽汁酸及結(jié)合物的變化成正相關(guān),采取間斷性進(jìn)食后,db/db小鼠體內(nèi)厚壁菌門含量增加,?；切苋パ跄懰岷吭黾?其通過抑制炎癥、抵抗氧化應(yīng)激、修復(fù)血-視網(wǎng)膜屏障來保護(hù)視網(wǎng)膜[32-33],同時(shí)可以增加GLP-1的分泌,降低血糖水平[34]。

TMAO主要由膽堿等前體物質(zhì)經(jīng)過腸道菌群代謝為三甲胺,再經(jīng)由肝臟轉(zhuǎn)化生成?；诿绹鴩医】蹬c營養(yǎng)調(diào)查(NHANES)2005～2008年的橫斷面數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示,膳食膽堿攝入水平升高與DR發(fā)生的可能性增加具有相關(guān)性,這種相關(guān)性在女性糖尿病患者中更為顯著[35]。

為進(jìn)一步探索血漿TMAO與DR的相關(guān)性,Liu等[36]對(duì)2型糖尿病患者血漿TMAO濃度進(jìn)行橫斷面研究,發(fā)現(xiàn)伴DR的糖尿病患者血漿TMAO水平顯著高于無DR患者;糖尿病患者TMAO血漿水平的程度越高,患DR的可能性更大或程度更嚴(yán)重。在診斷模型中,納入TMAO作為獨(dú)立危險(xiǎn)因素,對(duì)于DR的診斷識(shí)別能力提高10.7%(IDI=10.7%),顯示外周血TMAO對(duì)DR的診斷價(jià)值。既往研究發(fā)現(xiàn),較高血漿TMAO水平與糖尿病的發(fā)生、糖尿病相關(guān)心血管事件、較差的腎臟功能和較高的死亡率具有顯著相關(guān)性,TMAO是獨(dú)立于血糖和傳統(tǒng)危險(xiǎn)因素的一個(gè)新的生物學(xué)標(biāo)志物[37-38]。TMAO通過激活NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)炎癥小體等多種途徑引起血管的氧化應(yīng)激損傷及炎癥反應(yīng)[39-40]。在DR中,TMAO也可能作為一個(gè)獨(dú)立危險(xiǎn)因素促進(jìn)病變的發(fā)生和發(fā)展,這提示糖尿病人群應(yīng)關(guān)注日常膽堿的攝入量,利于控制DR的發(fā)生發(fā)展。

腸道菌群代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸主要包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽,SCFA在維持腸道屏障功能和穩(wěn)態(tài)中有著重要的作用,它可以誘導(dǎo)胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)分泌增加、降低血糖、減緩炎癥反應(yīng),從而維持視網(wǎng)膜穩(wěn)態(tài)。

Shen等[41]發(fā)現(xiàn)1型糖尿病大鼠攝入必需脂肪酸后,瘤胃球菌屬、擬普雷沃氏菌屬、普雷沃氏菌科豐度增加,腸道SCFA水平升高,次級(jí)膽汁酸水平升高,血糖和血脂水平明顯改善,視網(wǎng)膜厚度趨近正常,組織中的炎癥因子水平顯著降低。同時(shí),PDR患者房水中脂氧素A4(必需脂肪酸的代謝物,具有抗炎作用)水平比正常對(duì)照顯著降低。

Laurans等[42]發(fā)現(xiàn)腸道菌群通過調(diào)節(jié)色氨酸代謝中的關(guān)鍵酶IDO影響代謝類疾病。對(duì)DR患者的血清中的IDO、色氨酸及其代謝物進(jìn)行分析,IDO、犬尿氨酸、犬尿喹啉酸和3-羥基犬尿氨酸的水平相較正常受試者顯著升高,在PDR患者中升高更為明顯[43]。相較于沒有發(fā)生視網(wǎng)膜病變的糖尿病對(duì)照組,DR患者和DR小鼠的視網(wǎng)膜中IDO與炎性細(xì)胞因子γ-干擾素(interferon γ, IFN-γ)的水平升高,在人視網(wǎng)膜微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human retinal microvascular endothelial cells, HREC)細(xì)胞中阻斷IDO可以引起活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平下降、細(xì)胞凋亡減少[44]。因此,通過增加有益菌群,有利于提升人體次級(jí)膽汁酸、SCFA的濃度,減少TMAO及IDO含量,從而保護(hù)視網(wǎng)膜功能。

4 腸道菌群與ARMD

ARMD是一種引起中心視力進(jìn)行性下降的退行性病變,常累及黃斑部。根據(jù)臨床癥狀和病理類型不同分為干性黃斑變性與濕性黃斑變性。許多因素會(huì)促進(jìn)ARMD的發(fā)生,包括營養(yǎng)、基因、環(huán)境以及腸道菌群的變化[45]。這些因素之間相互依賴,互為因果。

腸道菌群與ARMD的發(fā)生發(fā)展有著密切的關(guān)系,其可能通過代謝物對(duì)視網(wǎng)膜產(chǎn)生影響。經(jīng)過宏基因組測序,Zinkernagel等[46]發(fā)現(xiàn)相對(duì)于健康對(duì)照,ARMD患者厭氧棍狀桿菌屬、顫螺旋菌屬、瘤胃球菌屬、優(yōu)桿菌屬相對(duì)富集,埃氏擬桿菌屬較少。ARMD患者腸道菌群L-丙氨酸發(fā)酵、谷氨酸降解和精氨酸生物合成通路相關(guān)基因富集,脂肪酸延長相關(guān)基因表達(dá)下降。也有研究顯示ARMD患者厚壁菌綱豐度顯著增加,而顫桿菌克與擬桿菌屬的豐度在正常人中較高[47]。因此,厚壁菌門可能促進(jìn)ARMD的發(fā)生,可以作為ARMD的生物標(biāo)志物,而擬桿菌屬起到保護(hù)視網(wǎng)膜的作用。通過糞便移植,可以讓老年小鼠的腸道菌群擁有年輕小鼠的特征,并且年齡相關(guān)的視網(wǎng)膜炎癥反應(yīng)、視網(wǎng)膜色素上皮細(xì)胞(retinal pigment epithelium, RPE)和Bruch膜間補(bǔ)體C3的沉積也得到改善[48-49]。

許多研究證明,飲食和營養(yǎng)因素會(huì)影響腸道菌群的結(jié)構(gòu)與ARMD的發(fā)生發(fā)展。高糖飲食的小鼠會(huì)產(chǎn)生類似ARMD的表現(xiàn),如RPE層萎縮、光感受器變性、脂褐素沉積,而在攝入總能量相同的情況下,低糖飲食的小鼠不會(huì)產(chǎn)生類似的改變。從高糖飲食轉(zhuǎn)換為低糖飲食后,非靶向代謝組學(xué)顯示,腸道菌群產(chǎn)生的血清素等對(duì)視網(wǎng)膜有保護(hù)作用,小鼠的視網(wǎng)膜病變發(fā)展減緩甚至有所恢復(fù)[49]。

經(jīng)微生物群分類分析,梭菌目豐度增加與高糖飲食、ARMD特征性視網(wǎng)膜改變有關(guān),而擬桿菌目則與低糖飲食、ARMD的保護(hù)作用有關(guān)[50]。關(guān)于飲食與ARMD發(fā)生的研究AREDS Ⅰ和Ⅱ證明,補(bǔ)充多種營養(yǎng)素,包括礦物質(zhì)、維生素、類胡蘿卜素等,可以降低晚期ARMD發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)[51-52]。在激光誘導(dǎo)濕性ARMD模型中[53],高脂飲食飼養(yǎng)小鼠腸道擬桿菌門豐度降低,而厚壁菌門豐度提高,脈絡(luò)膜新生血管(choroidal neovascularization, CNV)病變程度明顯高于正常飲食小鼠。

通過分析微生物組與臨床元數(shù)據(jù),Zysset-Burri等[47]發(fā)現(xiàn)腸道菌群、補(bǔ)體系統(tǒng)與新生血管性ARMD有關(guān)。ARMD患者腸道菌群基因富集于嘌呤核糖核苷降解通路,而嘌呤核糖核苷降解異?？赡軐?dǎo)致免疫功能異常,引起自身免疫性疾病[54]。補(bǔ)體因子H(CFH)作為補(bǔ)體系統(tǒng)中抑制炎癥進(jìn)展的成員,其突變與ARMD的發(fā)生有關(guān)[55]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),腸道菌群中的擬桿菌屬與瘤胃球菌屬與CFH1亞型呈負(fù)相關(guān)。梭菌目豐度與CFH3表達(dá)正相關(guān),與CFH1、CFH2表達(dá)呈負(fù)相關(guān);厚壁菌綱豐度與CFH3表達(dá)呈正相關(guān)。

5 其他

Graves病(Graves’ disease, GD)是一種組織特異性自身免疫病,約20%患者會(huì)發(fā)生Graves眼病,表現(xiàn)為眶內(nèi)細(xì)胞外基質(zhì)增生、脂肪形成、組織重構(gòu)等。Masetti等[56]利用16S rRNA測序及腸道菌群培養(yǎng)對(duì)表現(xiàn)出Graves眼病的促甲狀腺激素受體(thyroid stimulating hormone receptor, TSHR)免疫鼠進(jìn)行分析,觀察到其厚壁菌門豐度升高,擬桿菌門豐度降低。這與GD患者發(fā)生眼病時(shí)腸道菌群擬桿菌門比例顯著降低一致。梭菌綱及芽孢桿菌綱數(shù)目與眼眶脂肪組織增生呈正相關(guān)。盡管不同實(shí)驗(yàn)室建立的Graves眼病模型鼠甲狀腺刺激抗體(thyroid stimulating antibody, TSAb)水平、炎癥水平及眼眶病理學(xué)改變有所不同,其腸道菌群組成也有所不同,但Sajad等[57]發(fā)現(xiàn)通過抗生素清腸達(dá)到減少腸道菌群豐度和數(shù)量,可以整體改善GD小鼠全身及眼部癥狀,相反,移植Graves眼病患者糞便的小鼠導(dǎo)致眶周脂肪組織增生。此外,有證據(jù)認(rèn)為干眼以及干燥綜合征導(dǎo)致的干眼與腸道菌群失衡有關(guān)?？股貙?dǎo)致的腸道菌群改變會(huì)使小鼠杯狀細(xì)胞數(shù)目減少,炎癥因子增多、引流淋巴結(jié)炎癥細(xì)胞增多,干眼加劇[58-59]。Wu等[60]發(fā)現(xiàn)高脂飲食可以誘導(dǎo)小鼠出現(xiàn)類似干眼的癥狀。臨床研究顯示干眼與干燥綜合征干眼患者腸道中擬桿菌門比例上升、厚壁菌門比例下降[59-61],普拉梭菌比例上升[62-63]。盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)某一特定類型的菌群會(huì)引起干燥綜合征干眼或干眼,但以上研究發(fā)現(xiàn)證實(shí)腸道菌群失調(diào)與干眼相關(guān)。

6 總結(jié)

越來越多證據(jù)表明腸道菌群與眼部健康有關(guān),證實(shí)了腸-眼軸的存在。突飛猛進(jìn)的組學(xué)技術(shù)讓我們認(rèn)識(shí)到腸道菌群與眼部疾患的相關(guān)性,目前已知腸道菌群通過產(chǎn)生免疫和炎癥相關(guān)因子、代謝物SCFA和TMAO等調(diào)節(jié)宿主免疫系統(tǒng),參與宿主代謝途徑、影響表觀遺傳學(xué)修飾等。也有證據(jù)顯示腸道屏障功能破壞時(shí),微生物會(huì)進(jìn)入血液系統(tǒng),誘導(dǎo)機(jī)體產(chǎn)生抗體,引起對(duì)眼部組織的交叉免疫。既往研究多聚焦于腸道菌群與眼部疾病的相關(guān)性,而二者之間的因果關(guān)系尚不清楚。Liu等[64]通過孟德爾隨機(jī)化分析證明腸道菌群變化與DR的發(fā)生有因果關(guān)系,為腸-眼軸的存在提供了新的證據(jù)。未來還需要更多的研究證實(shí)腸道菌群在眼部疾病發(fā)生發(fā)展中是否起到始動(dòng)作用。然而目前對(duì)腸道菌群的認(rèn)識(shí)還有許多不足,包括健康人群腸道菌群的多樣性及差異、各種菌群的特征及對(duì)宿主的影響、其與系統(tǒng)性疾病或局部疾病的雙向調(diào)節(jié)。許多腸道微生物的分類及作用鮮為人知,包括病毒、真菌、噬菌體、古細(xì)菌等。有研究表明,益生菌和益生元可以改善腸道菌群的組成,以及下游的代謝物來調(diào)節(jié)免疫相關(guān)的干眼[65]。隨著研究技術(shù)的發(fā)展,我們可以更好地理解腸道菌群在眼部疾病中的作用,這將有利于為難治性眼病開發(fā)新的治療靶點(diǎn)。我們期望通過非醫(yī)療干預(yù)手段,如通過改變飲食習(xí)慣、使用益生菌和益生元調(diào)控腸道菌群,從而改善眼部疾病或維持眼健康,甚至通過監(jiān)控和調(diào)整腸道菌群達(dá)到預(yù)防眼病的目的。此外,腸道菌群有望作為生物標(biāo)志物,在眼部疾病的診斷中起到作用。