嗜黏蛋白阿克曼菌在腸道穩(wěn)態(tài)及腸道相關(guān)疾病中作用的研究進(jìn)展

朱貝貝 吳 昊 朱小琴 余保平

腸易激綜合征、炎癥性腸病、腸道腫瘤等疾病現(xiàn)有的治療手段欠佳。研究發(fā)現(xiàn)，腸道微生物群紊亂是這些疾病的重要致病因素之一，補(bǔ)充益生菌或糞菌移植則可能預(yù)防或治療上述疾病[1］。A.muciniphila是一種屬于疣微菌門的益生菌，通過代謝黏蛋白、調(diào)節(jié)腸道黏液層，在管腔和上皮細(xì)胞之間的黏膜界面上發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用[2］。多種腸道疾病患者腸黏膜的A.muciniphila定植水平較健康人群明顯下降[3］。目前相關(guān)的研究多聚焦于A.muciniphila與腸道疾病的相關(guān)性上，仍需要更多的研究來深入探討其臨床益處及作用機(jī)制?；诖耍疚目偨Y(jié)了A.muciniphila相關(guān)研究的最新發(fā)現(xiàn)，就A.muciniphila的特征、分布、調(diào)節(jié)宿主腸道穩(wěn)態(tài)及在腸道疾病中的作用及機(jī)制進(jìn)行綜述。

1 A.muciniphila的發(fā)現(xiàn)及其生物學(xué)特性

2004 年，荷蘭瓦格寧根大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室的Anton DL Akkermans 博士首次從一名健康成人糞便中分離出了一株高度豐富的黏液降解菌株，并以Akkermansia muciniphila命名該細(xì)菌[5］。A.muciniphila是疣微菌門在人類腸道中的第一個(gè)菌屬，也是該門唯一的人體共生菌[2］。它屬于革蘭氏陰性菌，外觀呈橢圓形，由莢膜聚合物組成絲狀結(jié)構(gòu)，有菌毛但無鞭毛和芽孢。該細(xì)菌在靠近腸黏膜的黏液層中定植，可以在微需氧條件下生長(zhǎng)，使它與腸道中其他嚴(yán)格厭氧菌競(jìng)爭(zhēng)時(shí)具有優(yōu)勢(shì)[2］。A.muciniphila喜好高pH 值和高含量黏蛋白的環(huán)境，而在低pH 值或低含量黏蛋白的腸道中，它的生長(zhǎng)則受到抑制[2］。

A.muciniphila廣泛存在于人類和動(dòng)物的胃腸道中，嬰兒出生后一年內(nèi)A.muciniphila便穩(wěn)定地定植于腸道黏液層，并且豐度達(dá)到健康成人水平，約占腸道總菌群的3%～5%，老年后該細(xì)菌的豐度會(huì)隨時(shí)間的推移而逐漸降低[1］。A.muciniphila主要定植在口腔、胰腺、膽道系統(tǒng)、小腸、闌尾和大腸中，其中在盲腸中有效定植最高，推測(cè)原因可能是由于大部分的黏蛋白在盲腸中產(chǎn)生[2］。A.muciniphila將黏蛋白降解為碳、氮等能源，為宿主產(chǎn)生寡糖和短鏈脂肪酸（short chain fatty acids，SCFA），如乙酸鹽和丙酸鹽等，為腸上皮細(xì)胞提供能量和營(yíng)養(yǎng)支持[6］。在腸道中，A.muciniphila主要通過其菌毛、細(xì)胞外囊泡、黏蛋白降解酶（如Amuc_2109）、外膜蛋白（Amuc_1100）等活性成分，在宿主腸道中定植并發(fā)揮作用[6］。此外，A.muciniphila還能利用菌毛定植在結(jié)腸黏膜層，參與調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)與腸道屏障功能[6］。

2 A.muciniphila在腸道穩(wěn)態(tài)中的作用

2.1A.muciniphila與腸黏膜屏障 文獻(xiàn)表明A.muciniphila在維持腸屏障功能功能中發(fā)揮著重要作用：①A.muciniphila保護(hù)腸道黏液屏障。例如，A.muciniphila在腸的黏液層中定殖，并參與黏蛋白的降解和合成[6］。深入研究發(fā)現(xiàn)A.muciniphila口服給藥可恢復(fù)結(jié)腸炎小鼠黏液層厚度，增加杯狀細(xì)胞（主要合成和分泌黏蛋白）的數(shù)量，并增加黏蛋白2 的表達(dá)[7］。②A.muciniphila促進(jìn)緊密連接蛋白的表達(dá)。在葡聚糖硫酸鈉（dextran sulfate sodium，DSS）誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎模型中，口服活的A.muciniphila可以促進(jìn)腸道緊密連接蛋白（如Tjp1、ZO-2 和Occludin）的表達(dá)[8］。A.muciniphila的一些細(xì)胞成分，例如細(xì)胞外囊泡、Amuc_1100、Amuc_2109 也被證明可以通過增加緊密連接蛋白及相關(guān)基因的表達(dá)改善腸道屏障[3］。③A.muciniphila影響腸道生長(zhǎng)速度，并在損傷后增加腸上皮細(xì)胞，甚至是腸干細(xì)胞的增殖[9］。有研究表明，A.muciniphila刺激結(jié)腸傷口附近腸上皮細(xì)胞的增殖和遷移，并加速腸干細(xì)胞介導(dǎo)的上皮細(xì)胞發(fā)育[9］。A.muciniphila還通過Wnt/β-catenin 信號(hào)通路，直接導(dǎo)致受損腸干細(xì)胞的恢復(fù)和增殖[10］。④A.muciniphila可以促進(jìn)腸道中抗菌肽（包括Lyz1、DefA 和Reg3g）的基因表達(dá)來改善腸道屏障功能，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)其他微生物菌群[11］。

綜上，無論A.muciniphila以活的菌株還是巴氏滅菌形式，甚至是細(xì)胞外囊泡和Amuc_1100 等活性成分，文獻(xiàn)中所有的數(shù)據(jù)都表明該細(xì)菌通過各種形式作用于不同的信號(hào)分子來加強(qiáng)腸道屏障。盡管A.muciniphila是一種黏液降解菌，但事實(shí)上，這種細(xì)菌的存在使腸道產(chǎn)生了更多的黏液，導(dǎo)致黏膜層厚度增加，并產(chǎn)生與緊密連接相關(guān)的更多蛋白質(zhì)，并刺激腸上皮更新，調(diào)節(jié)抗菌因子的表達(dá)增加腸道屏障功能。

2.2A.muciniphila與腸道代謝功能 近些年，A.muciniphila介導(dǎo)的代謝產(chǎn)物（如SCFA 和色氨酸衍生物）對(duì)腸屏障的影響引起了廣泛的關(guān)注。腸上皮細(xì)胞的能量和營(yíng)養(yǎng)支持主要由SCFA 提供，其中丁酸鹽是主要的能量來源，SCFA 受體拮抗劑可減少上皮發(fā)育。一項(xiàng)研究表明，A.muciniphila可促進(jìn)SCFA（包括乙酸、丙酸和丁酸）的分泌[9］。A.muciniphila的關(guān)鍵代謝產(chǎn)物SCFA 是細(xì)胞外信號(hào)分子，它與相應(yīng)受體結(jié)合激活第二信使，從而促進(jìn)下游信號(hào)[2］。例如，A.muciniphila產(chǎn)生的丙酸鹽與腸上皮細(xì)胞上的G 蛋白偶聯(lián)受體43 結(jié)合，在宿主中觸發(fā)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng)[2］。SCFA 還影響腸道免疫細(xì)胞，并通過多種炎癥相關(guān)蛋白復(fù)合物調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)[12］。例如，A.muciniphila產(chǎn)生的丙酸鹽調(diào)節(jié)A.muciniphila定殖小鼠的免疫應(yīng)答，維持抗炎/促炎平衡[12］。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，A.muciniphila調(diào)節(jié)色氨酸代謝，激活腸道中的芳基烴受體，進(jìn)一步發(fā)揮屏障保護(hù)作用[13］。此外，A.muciniphila促進(jìn)膽汁酸鹽的攝取，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，A.muciniphila可上調(diào)小鼠回腸中膽汁酸合成相關(guān)基因（如ASBT、IBABP 和OSTβ）的表達(dá)，可能有利于腸道微生物群結(jié)構(gòu)的重塑[14］。

另有研究表明，A.muciniphila可能會(huì)增加腸道菌群多樣性，有助于保持腸道微生物群的平衡，調(diào)節(jié)厚壁菌門和擬桿菌門比例的變化[15］?？赡苁怯捎贏.muciniphila在黏蛋白降解過程中誘導(dǎo)低聚糖和SCFA 的產(chǎn)生[16］。這些代謝產(chǎn)物可以刺激微生物群相互作用和宿主反應(yīng)，例如低聚糖和乙酸鹽刺激定植在黏液層附近的細(xì)菌的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)[17-18］。因此，有理由推測(cè)A.muciniphila代謝產(chǎn)物可能與腸上皮細(xì)胞、免疫細(xì)胞、腸道其他微生物群相互作用形成復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，維持腸道代謝穩(wěn)態(tài)。然而，目前研究有限，需要更多的實(shí)驗(yàn)來揭示這一復(fù)雜的關(guān)系網(wǎng)。

2.3A.muciniphila與腸道免疫功能A.muciniphila誘導(dǎo)了多種腸道免疫應(yīng)答相關(guān)途徑，參與趨化性和補(bǔ)體級(jí)聯(lián)反應(yīng)，以及部分先天性免疫應(yīng)答，還促進(jìn)了細(xì)胞粘附、B 細(xì)胞和T 細(xì)胞的成熟，在維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)中具有重要作用。補(bǔ)充A.muciniphila可以降低DSS 誘導(dǎo)結(jié)腸炎小鼠促炎細(xì)胞因子的表達(dá)，例如腫瘤壞死因子-α、白介素1α、白介素6、白介素12、巨噬細(xì)胞炎性蛋白1α、粒細(xì)胞集落刺激因子和趨化因子C-X-C 配體1[2-3］。研究人員還發(fā)現(xiàn)，A.muciniphila調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞及其產(chǎn)生的炎性小體的表達(dá)，緩解腸道急性炎癥[19］。A.muciniphila口服給藥減少了結(jié)腸炎小鼠脾臟和腸系膜淋巴結(jié)中的CD16/32 陽性巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)[19］。

此外，Derrien 等[20］發(fā)現(xiàn)，在無菌小鼠中植入A.muciniphila后，宿主腸道組織中的750 個(gè)基因表達(dá)發(fā)生了顯著變化，其中的大多數(shù)基因在免疫反應(yīng)中發(fā)揮作用，包括T 細(xì)胞受體、B 細(xì)胞受體、核因子kB，因此調(diào)節(jié)抗炎免疫功能。報(bào)道稱，巴氏殺菌的A.muciniphila和Amuc_1100 都可以減少CD8 細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞（cytotoxic tlymphocyte，CTL）在結(jié)腸的浸潤(rùn)，從而緩解CTL 介導(dǎo)細(xì)胞因子加重的結(jié)腸炎癥[19］。A.muciniphila也與 Toll 樣受體4 表達(dá)呈正相關(guān)，并通過增加RORγt+調(diào)節(jié)T 細(xì)胞的比例來增強(qiáng)免疫反應(yīng)，從而抑制Toll 樣受體4γ 誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥[21］。另一篇報(bào)道稱，A.muciniphila可以恢復(fù)CD4 陽性T 細(xì)胞中調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（regulatory cells，Tregs）的百分比和數(shù)量，并預(yù)防小鼠結(jié)腸炎[22］。A.muciniphila還可以增加免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）的表達(dá)水平，尤其是在建立屏障功能中起重要作用的B細(xì)胞來源的IgA[20］?？偠灾珹.muciniphila對(duì)宿主的免疫系統(tǒng)有調(diào)節(jié)作用，其調(diào)節(jié)抗炎免疫功能的分子機(jī)制和A.muciniphila激活的靶點(diǎn)需要在未來進(jìn)一步研究。

3 A.muciniphila在消化道疾病中的作用

3.1A.muciniphila與腸易激綜合征 許多研究強(qiáng)調(diào)，腸道微生物群平衡的顯著破壞與腸易激綜合征（irritable bowel syndrome，IBS）的病因有關(guān)[23］。一項(xiàng)關(guān)于IBS 患者微生物群組成分析的研究顯示，與健康個(gè)體相比，便秘型IBS 患者的A.muciniphila相對(duì)豐度增加，且與慢傳輸型便秘個(gè)體的高患病率有關(guān)[24］。而與IBS 不同的是，多數(shù)疾病例如炎癥性腸病，A.muciniphila的豐度明顯低于健康人群[25］。Presti 等通過分析炎癥性腸病和IBS 中A.muciniphila16S rRNA 基因的遺傳多樣性，推測(cè)特定的宿主因素以及與微生物群本身的其他物種的相互作用導(dǎo)致的遺傳變異，可能有助于解釋A.muciniphila在不同疾病間的豐度及作用差異[26］。

A.muciniphila在IBS 中的作用及機(jī)制的研究正在逐步展開。Cruz-Aguliar 等認(rèn)為A.muciniphila相對(duì)高豐度似乎是對(duì)機(jī)體有利的，該團(tuán)隊(duì)通過IBS 患者糞便微生物群轉(zhuǎn)移的臨床隊(duì)列研究表明，A.muciniphila的相對(duì)豐度與疼痛減輕呈負(fù)相關(guān)，即含有相對(duì)高豐度的供體糞菌移植后受體患者的腹痛有所改善[27］。有研究稱A.muciniphila介導(dǎo)短鏈脂肪酸調(diào)節(jié)內(nèi)臟傷害感受，降低健康人的內(nèi)臟疼痛敏感性[28］。該細(xì)菌還可以通過增加腸道內(nèi)源性大麻素和抗菌肽的產(chǎn)生，或通過調(diào)節(jié)腸道神經(jīng)肽（如胰高血糖素樣肽1 和2）的內(nèi)源性產(chǎn)生來增強(qiáng)小鼠的腸道黏膜屏障功能，而這些肽在IBS 患者中下調(diào)。另有研究將便秘型IBS 患者的A.muciniphila菌移植給DSS 結(jié)腸炎小鼠，導(dǎo)致結(jié)腸炎的嚴(yán)重程度降低，且促炎細(xì)胞因子（干擾素γ、白介素17、腫瘤壞死因子α、白介素1β 和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶）的基因表達(dá)受到抑制[27］。上述研究表明A.muciniphila參與介導(dǎo)了IBS 患者腸道微生物群的抗炎作用。

3.2A.muciniphila與炎癥性腸病 目前認(rèn)為炎癥性腸?。╥nflammatory bowel disease，IBD） ，包括潰瘍性結(jié)腸炎（ulcerative colitis，UC）和克羅恩?。╟rohn's disease，CD），是遺傳易感個(gè)體在尚未明確的環(huán)境因素對(duì)腸道微生物群的免疫反應(yīng)過度，導(dǎo)致腸黏膜穩(wěn)態(tài)失衡和組織損傷[29］。研究顯示，A.muciniphila的數(shù)量減少與IBD 的發(fā)展有關(guān)[30］。與健康人群相比，UC 或CD 患者無論是在臨床活動(dòng)期還是在緩解期，腸道中A.muciniphila均顯著減少。Kump 等在應(yīng)用糞便菌群移植治療難治性UC 時(shí)發(fā)現(xiàn)，供體微生物群中高豐度的A.muciniphila似乎有利于糞便微生物群移植的治療反應(yīng)[31］。此外，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，口服A.muciniphila可以緩解DSS 誘導(dǎo)的小鼠結(jié)腸炎癥[32］。這些研究表明，A.muciniphila在腸道中作為一種益生菌發(fā)揮保護(hù)作用，并可能抑制IBD 的發(fā)生發(fā)展。

研究認(rèn)為，A.muciniphila可以通過改善結(jié)腸黏膜屏障損傷、重塑腸道菌群、調(diào)節(jié)炎癥及免疫反應(yīng)等維持IBD 的腸道穩(wěn)態(tài)[15］。在IBD 患者中觀察到A.muciniphila菌豐度極低的同時(shí)其腸黏膜屏障功能減退[25］。在DSS 誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型中，A.muciniphila的給藥通過減輕腸道炎癥指數(shù)及結(jié)腸壁炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，并促進(jìn)體內(nèi)腸道微生物群的正常化[33］。最近的研究表明A.muciniphila通過增加初始T 淋巴細(xì)胞分化為Tregs 減輕慢性結(jié)腸炎癥[30］。此外，Amuc_1100 膜蛋白通過減少結(jié)腸中巨噬細(xì)胞和CTL 的浸潤(rùn)，減少了結(jié)腸炎癥[19］。然而少量研究發(fā)現(xiàn)A.muciniphila在腸道發(fā)揮促進(jìn)腸炎的作用，其機(jī)制可能為A.muciniphila通過擾亂宿主腸道黏液穩(wěn)態(tài)加劇傷寒沙門氏菌誘導(dǎo)的小鼠腸道炎癥[34-35］。此外，A.muciniphila還促進(jìn)白介素10 基因敲除小鼠誘導(dǎo)的自發(fā)性結(jié)腸炎[34］。因此，未來仍需要更廣泛的研究來闡明A.muciniphila在IBD 中的臨床作用。

3.3A.muciniphila與腸道腫瘤 研究表明，A.muciniphila從多個(gè)方面參與了對(duì)結(jié)直腸癌（colorectal cancer，CRC） 的抑制作用[30，36-37］。給小鼠灌胃A.muciniphila可抑制Apc 基因突變小鼠（易患CRC 的小鼠）的結(jié)直腸腫瘤發(fā)生[38］。CRC 小鼠口服A.muciniphila或其外膜蛋白后，降低了腫瘤淋巴結(jié)中Tregs 細(xì)胞的數(shù)量，增加干擾素γ、白介素2 的比例和血清中腫瘤壞死因子α的水平，促進(jìn)了腫瘤消退[30］。Amuc_1100 可通過誘導(dǎo)CTL 細(xì)胞的激活，增加結(jié)腸癌細(xì)胞的死亡[33］。來自A.muciniphila的另一種重組蛋白Amuc_1434 通過激活腫瘤壞死因子相關(guān)細(xì)胞凋亡途徑和線粒體凋亡途徑，促進(jìn)癌細(xì)胞的凋亡[39］。此外，A.muciniphila在增加癌癥免疫治療效果方面也具有積極作用。2018年一篇發(fā)表在《Science》雜志上的文獻(xiàn)報(bào)道了癌癥患者口服A.muciniphila能夠增強(qiáng)靶向PD-1 免疫抑制劑的治療效果，小鼠模型研究發(fā)現(xiàn)A.muciniphila主要通過增加CCR1CXCR12CD9 T淋巴細(xì)胞募集到腫瘤床中，以白細(xì)胞介素-3 依賴的方式恢復(fù)免疫治療功效[40］。另有研究表明，A.muciniphila可減少細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞表面 PD-1 與腫瘤細(xì)胞PD-配體1 的結(jié)合，促使更多CTL 細(xì)胞識(shí)別并殺傷癌細(xì)胞，有效地增加機(jī)體抗癌的免疫作用[41］。

盡管目前的大多數(shù)研究支持A.muciniphila的抗腫瘤作用，少量的研究認(rèn)為，A.muciniphila 可能在特定的環(huán)境中促進(jìn)CRC的發(fā)生。A.muciniphila灌胃給易患CRC 的Apc 突變小鼠后增加了腫瘤數(shù)量[42］。但斑疹傷寒沙門氏菌和A.muciniphila同時(shí)定植減少了Apc 突變小鼠的腫瘤數(shù)量，這表明兩種細(xì)菌之間的相互作用影響了腸道腫瘤發(fā)展[42］。A.muciniphila致病的真正原因和機(jī)制并不明確，所以它是否有促進(jìn)CRC 的作用存在著爭(zhēng)議。因此，有必要深入研究討論A.muciniphila在CRC 中的作用及機(jī)制。

4 總結(jié)與展望

在過去十幾年里，A.muciniphila因與人類健康有著積極的關(guān)系而受到廣泛關(guān)注。充分的證據(jù)表明A.muciniphila通過降解腸道黏液層黏蛋白，正反饋刺激腸道黏液更新，維持人類和小鼠腸道機(jī)械屏障的完整性。此外，A.muciniphila還參與調(diào)節(jié)炎癥免疫、維持微生物群平衡以及協(xié)調(diào)宿主代謝。如今，A.muciniphila已被認(rèn)為是維持黏液完整性及腸道穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵細(xì)菌。然而，大多數(shù)發(fā)現(xiàn)都是基于動(dòng)物體內(nèi)和體外研究，未來還需要廣泛的臨床試驗(yàn)來探究這種細(xì)菌的作用以及相關(guān)機(jī)制。因此，隨著A.muciniphila 的研究逐漸火熱，進(jìn)一步研究可能會(huì)讓我們更好地了解這種細(xì)菌，將其作為一種新的腸道疾病治療策略。