腸道微生物群與自噬在疾病中的研究進展

朱燕瓊 宋劍 岳浩浩 李文星

山西醫(yī)科大學(xué)第二醫(yī)院普通外科（太原 030000）

腸道微生物群是一個多樣化的微生物生態(tài)系統(tǒng)，包括細菌、真菌、病毒、古菌和原生生物。居住在人類腸道中的微生物群落總計約4 × 1013個［1］，它們不僅參與構(gòu)成腸道機械、免疫、生物、化學(xué)屏障［2］，還協(xié)助物質(zhì)分解以釋放充足營養(yǎng)物質(zhì)供宿主吸收，通過促進宿主細胞分化、保護宿主免受病原體的侵襲以及調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)維持機體健康［3］。腸道微生物群失調(diào)時，腸道屏障損傷、機體代謝紊亂、宿主平衡被打破，在這種情況下，自噬在加強腸道屏障、維持宿主代謝和炎癥平衡方面的作用使其成為腸道微生物群與宿主之間共生關(guān)系的基礎(chǔ)［4］。自噬是指在各種細胞應(yīng)激條件下誘導(dǎo)的高度保守的分解代謝過程，可以通過對外界刺激作出反應(yīng)來保護機體免受包括感染在內(nèi)的外源性損害，以及免受包括分子聚集體、受損細胞器在內(nèi)的內(nèi)源性炎癥源的影響［5］。自噬和自噬相關(guān)蛋白塑造腸道微生物群，腸道微生物群可通過多種途徑和控制自噬機制的復(fù)雜調(diào)控網(wǎng)絡(luò)影響宿主自噬。目前國內(nèi)外學(xué)者對腸道微生物群與自噬的研究主要集中在炎癥性腸?。?］、神經(jīng)系統(tǒng)疾病［7］、代謝性疾病［8］等，研究證實在部分疾病進展中調(diào)節(jié)腸道微生物群可以減輕自噬損傷，減緩疾病進展，與此同時，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)自噬也可以改變腸道微生物群使機體免受傷害。故本文將進一步探索疾病進程中腸道微生物群與自噬的相互作用，為疾病的治療提供新的思路。

1 炎癥性腸病（inflammatory bowel disease，IBD）

IBD 包括克羅恩?。–rohn's disease，CD）和潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC），是一種復(fù)雜的易復(fù)發(fā)的炎癥性疾病，腸道菌群易位可導(dǎo)致IBD的發(fā)生。實驗發(fā)現(xiàn)，相對于非IBD 對照組，IBD 患者代謝物（如SCFAs［9］、色氨酸［10］等）多樣性喪失，腸道微生物組成結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［11］。CHENG 等［12］發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌K88 感染的仔豬在接受糞便微生物群移植后，自噬相關(guān)蛋白水平增加，腸道形態(tài)改善，腹瀉發(fā)生率下降，體溫逐漸恢復(fù)正常。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)用正常小鼠的微生物群和產(chǎn)生丁酸鹽的菌株Butyrivibrio 對無菌小鼠進行定植，結(jié)腸上皮細胞中的自噬可恢復(fù)到正常水平［6］。又有研究發(fā)現(xiàn)［13］，齒狀雙歧桿菌可以通過刺激自噬來增強粘蛋白的產(chǎn)生，修復(fù)腸上皮細胞。這表明腸道微生物群可影響腸道自噬變化，腸道微生物群代謝物也會影響細胞自噬水平，提示可通過調(diào)節(jié)腸道微生物群來干預(yù)腸上皮細胞自噬，從而逆轉(zhuǎn)腸道疾病進程。

自噬有助于加強腸道屏障、維持宿主代謝和炎癥平衡，功能失調(diào)的自噬會導(dǎo)致腸道生態(tài)失調(diào)和疾病易感性增加。因此調(diào)節(jié)自噬對機體穩(wěn)態(tài)意義重大。緊密連接缺陷被認為是IBD 的發(fā)病與進展的關(guān)鍵致病因素，腸道自噬可通過誘導(dǎo)緊密連接蛋白CLDN2（claudin 2）的溶酶體降解調(diào)節(jié)腸道屏障功能、降低腸上皮通透性［14］。實驗發(fā)現(xiàn)［15-16］，與野生型小鼠相比，結(jié)腸上皮細胞特異性自噬相關(guān)7/5（Atg7/5）敲除的實驗小鼠結(jié)腸中杯狀細胞粘蛋白分泌減少，有害菌落種類與數(shù)量增多，益生菌顯著減少，結(jié)腸炎癥狀加重。腸道中黏液層將腸道微生物群與上皮細胞隔開，自噬可通過調(diào)節(jié)黏液層塑造腸道微生物群。因此，自噬在調(diào)節(jié)腸道微生物群的多樣性和組成方面起著重要的作用，腸道自噬可通過加強腸道屏障、調(diào)節(jié)腸道微生物組成及調(diào)節(jié)黏液層來減輕疾病的發(fā)生發(fā)展。

2 慢性神經(jīng)退行性疾?。╪eurodegenerative diseases，NDD）

NDD 是由神經(jīng)元和（或）其髓鞘的喪失所致，隨著時間推移而惡化，出現(xiàn)功能障礙，是致病、致殘的主要原因之一。目前認為部分NDD 病變不可逆，對其治療尚未給出明確的方案?，F(xiàn)有研究證明，腸道和大腦通過神經(jīng)系統(tǒng)或化學(xué)物質(zhì)穿過血腦屏障得以相互作用，在此過程中迷走神經(jīng)可以將腸道神經(jīng)元與中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元連接起來［17］。GAREAU 等［18］通過對實驗性小鼠的研究發(fā)現(xiàn)微生物群-腸道-腦軸的紊亂可能會增強神經(jīng)退行性疾病的易感性。BONFILI 等［19］用SLAB51 益生菌制劑干預(yù)阿爾茨海默癥（Alzheimer disease，AD）早期的3xTg-AD 小鼠，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)腸道微生物群會通過激活自噬延緩AD 進展。尿石素A［7］是一種由腸道細菌轉(zhuǎn)化鞣花單寧產(chǎn)生的天然代謝產(chǎn)物，它可以通過上調(diào)SIRT1 信號通路和下調(diào)mTOR 信號通路激活自噬。這表明腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物可透過腸-腦軸調(diào)控神經(jīng)細胞自噬及炎癥因子，從而延緩神經(jīng)系統(tǒng)的衰老和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的進展。

許多神經(jīng)退行性疾病最常見的病理特征是錯誤折疊的蛋白質(zhì)的聚集和某些神經(jīng)元群體的喪失。自噬作為降解聚集蛋白和受損細胞器的主要細胞內(nèi)機制，與神經(jīng)退行性疾病的病理變化密切相關(guān)［20］。有學(xué)者研究［21］發(fā)現(xiàn)，circNF1-419 可以通過PI1K-I/Akt-AMPK-mTOR 和PI419K-I/Akt-mTOR信號通路調(diào)節(jié)細胞自噬來減輕AD 損傷，炎癥因子減輕，且腸道微生物群的組成發(fā)生變化。LIU 等［22］通過實驗發(fā)現(xiàn)，MPTP 可能同時影響腸道微生物群組成和自噬活性，它們的相互作用最終會導(dǎo)致PD小鼠結(jié)腸中腸道微生物生態(tài)失調(diào)和自噬缺陷。通過上述研究推測，腸道微生物群與自噬之間相互作用，共同參與調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)的正常發(fā)育和疾病過程。腸道作為全身最大的免疫器官，其可通過paneth 細胞釋放抗菌肽，通過腸-腦屏障于中樞神經(jīng)系統(tǒng)增強自噬，發(fā)揮抗炎、抗病毒、維持免疫等作用［23］，不過具體調(diào)節(jié)機制有待進一步研究。

3 非酒精性脂肪性肝?。╪onalcoholic fatty liver disease，NAFLD）

NAFLD 是一種肥胖相關(guān)的代謝性疾病，包括從單純性脂肪變性到脂肪肝伴肝細胞損傷，經(jīng)常伴隨2 型糖尿病、肥胖、血脂異常和高血壓一起發(fā)生。肝臟可經(jīng)由門脈系統(tǒng)與腸道微生物群相互影響，門靜脈不僅接受來自腸道的營養(yǎng)物質(zhì)，還會將腸道微生物群帶入肝臟。肝臟、腸道微生物群、腸道共同構(gòu)成腸-肝-微生物軸，其紊亂會導(dǎo)致脂質(zhì)代謝紊亂、膽汁分泌異常、肝臟解毒功能受損等［24］。SEIF EL-DIN 等［8］通過實驗證明早期添加益生菌可以通過靶向調(diào)節(jié)腸道微生物群來激活p-AKT/mTOR/LC-3II 自噬途徑預(yù)防NAFLD、脂肪變性和肝損傷的進展，這提示調(diào)節(jié)腸道微生物群可以通過影響自噬預(yù)防肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展。又有研究發(fā)現(xiàn)［25］益生菌干預(yù)后NAFLD 小鼠腸道短鏈脂肪酸比例趨于正常，腸道菌群失衡得以改善，肝臟LC3II 和p62 含量正?；？紤]腸道菌群及其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸［26］通過腸肝循環(huán)減輕肝臟自噬及炎癥指標，從而達到緩解疾病的目的。

自噬的增加有助于減少肝臟脂質(zhì)積聚，減少巨噬細胞活化，減輕炎癥發(fā)生［27］。研究表明，抑制自噬會促進NAFLD 的發(fā)生發(fā)展，例如，WU 等［28］通過研究證實棕櫚酸（PA）可以通過抑制自噬促進高脂、高糖、高膽固醇飲食（FFA）小鼠非酒精性脂肪性肝病的進展。YAN 等［29］研究證明，肝臟自噬可以通過調(diào)節(jié)腸道微生物群共同在肝臟疾病的發(fā)展機制中起作用。自噬基因Atg5 缺失導(dǎo)致嚴重肝損傷及小鼠糞便中腸道微生物群結(jié)構(gòu)、數(shù)量變化，抗生素治療加重實驗性小鼠的肝損傷，提示肝臟自噬缺乏可導(dǎo)致腸道微生物群的改變，腸道微生態(tài)失調(diào)為肝臟提供適應(yīng)性保護。亞精胺［30］作為自噬誘導(dǎo)劑可通過調(diào)節(jié)腸道微生物群的變化從而改善NAFLD。對肝臟疾病的研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)腸道微生物群可以影響自噬功能，調(diào)節(jié)自噬也可以影響腸道微生物群的組成與數(shù)目，在這過程中，自噬與腸道微生物群的應(yīng)激性改變不僅可以加速疾病進展，有時也會對機體起到一定的保護作用。

4 杜氏肌營養(yǎng)不良癥（Duchenne muscular dystrophy，DMD）

DMD 是一種嚴重的全身骨骼肌進行性萎縮疾病，會導(dǎo)致肌肉功能喪失，晚期伴有心臟及（或）呼吸衰竭，甚至死亡［31］?，F(xiàn)有研究提示腸道、肌肉與微生物群共同形成腸-肌-微生物軸，腸道微生物群和肌肉系統(tǒng)之間的雙向交流可調(diào)節(jié)肌肉功能［32］。目前對DMD 的治療僅限于通過使用糖皮質(zhì)激素來減緩疾病進展，但其長期收益與安全性尚不確定。KALKAN 等［33］研究發(fā)現(xiàn)，功能失調(diào)的腸道微生物群與mdx 營養(yǎng)不良小鼠DMD 的發(fā)病機制有關(guān)，調(diào)節(jié)其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸可以通過腸-肌-微生物軸緩解小鼠肌肉自噬受損及降低小鼠炎癥指標，從而達到緩解DMD 的目的。又有研究發(fā)現(xiàn)［34］，口服益生菌會減輕肥胖大鼠的心肌細胞纖維化和心臟肥大以及可能會通過beclin-1/LC3B/Atg7 途徑減輕自噬信號通路。以上研究證實，調(diào)節(jié)腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（尤其是丁酸鹽）可減輕骨骼肌細胞自噬，從而達到緩解骨骼肌疾病及部分心臟疾病的目的。

自噬功能障礙可能通過肌纖維再生受損來促進某些肌病的發(fā)生。自噬抑制研究也表明自噬在肌肉再生中的重要性，而自噬的激活可以恢復(fù)某些肌病的肌肉功能。PI3K/Akt/mTOR 通路是參與骨骼肌分化的保守信號通路之一，它在自噬調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。有研究發(fā)現(xiàn)［35］，線粒體自噬激活劑尿石素A 的給藥挽救了DMD 小鼠及患者成肌細胞中的線粒體自噬，增加了骨骼肌呼吸能力，并改善了肌肉干細胞的再生能力，導(dǎo)致肌肉功能的恢復(fù)和DMD 小鼠模型的存活率增加。RYU 等［36］通過研究指出，F(xiàn)GF21、肌連蛋白和脂聯(lián)素通過影響AMPK 和PGC-1α 信號通路來影響自噬，PI3K-Akt-mTOR 信號通路可能通過抑制NF-κB 信號通路來調(diào)節(jié)腸-肌軸，從而減輕肌營養(yǎng)不良相關(guān)疾病。上述研究推測，在骨骼肌疾病發(fā)展過程中，可以嘗試通過調(diào)節(jié)肌肉自噬或者調(diào)節(jié)腸道微生物群來改善疾病，而肌肉自噬可通過影響PI3K/Akt/mTOR 通路及炎癥因子來調(diào)控腸道微生物群，而調(diào)節(jié)腸道微生物群及其代謝產(chǎn)物可影響肌肉自噬，但其具體機制暫不清楚，亟待深入探索。

5 展望

上述疾病的論證分析表明自噬與腸道微生物群之間的相互作用可能與免疫及炎癥等因素相關(guān)。自噬通過清除病原體、黏液層維護、腸腔中抗菌化合物的分泌及炎癥調(diào)節(jié)等一系列方式調(diào)節(jié)腸道微生物群。腸道微生物群通過加強腸道屏障、產(chǎn)生短鏈脂肪酸等代謝產(chǎn)物、減少內(nèi)毒素及炎癥因子移位及增強機體免疫等方式保護細胞自噬。盡管有證據(jù)表明敲除特定的自噬基因可以有效治療一些疾病，然而自噬基因的長期敲除是否會給機體帶來損害仍然未知。因此，通過干預(yù)腸道微生物群來影響自噬似乎可以在使患者獲益的同時避免不必要的傷害。此外，腸道微生物群紊亂也是引起多器官功能障礙綜合征、加速疾病進展甚至誘發(fā)患者死亡的一個重要因素，通過短期干預(yù)特定的自噬基因來快速改善腸道微生物紊亂給機體帶來的傷害似乎是可行的。本文較為全面地闡述了自噬與腸道微生物群之間的相關(guān)關(guān)系。然而，目前對自噬與腸道微生物群之間相互作用的研究集中于動物實驗，其在患者機體中的作用機制尚不明確。此外，益生菌的使用價值具有較大爭議。普遍認為益生菌的使用對疾病的轉(zhuǎn)歸具有正向作用，但也有研究顯示益生菌的使用會加重疾病進展甚至增加病死率，這可能與飲食結(jié)構(gòu)、基因的表達及益生菌的種類、用法等因素有關(guān)，仍需要進一步的研究。

【Author contributions】ZHU Yanqiongwrote the article.SONG JIan and YUE Haohao revised the article.LI Wenxing directedand reviewed the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.