腸道菌群參與慢性阻塞性肺疾病Th17/Treg失衡機(jī)制的研究進(jìn)展

吳思怡 鞏健男 李建強(qiáng)

消化道承載著人體約90%的共生微生物,這些微生物構(gòu)成了腸道菌群(gut microbes,GM)。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn), GM作為人體“第二基因組”不僅參與物質(zhì)的消化與吸收,在人體免疫方面也起著重要作用。正常腸道微環(huán)境中的GM保持動(dòng)態(tài)平衡,一旦受到某種因素的影響,其制約關(guān)系就會(huì)被打破,進(jìn)而導(dǎo)致腸道通透性增加、腸組織發(fā)生免疫紊亂[1-3],影響輔助性T細(xì)胞17(helper T cell 17,Th17)和調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(regulatory T cell,Treg)的平衡[4]。眾所周知,Th17和Treg細(xì)胞是建立機(jī)體免疫防御的重要部分,二者由初始CD4+T細(xì)胞分化而來(lái)并產(chǎn)生相互拮抗作用。Th17能夠分泌多種促炎、促排異因子,而Treg主要負(fù)責(zé)抑制機(jī)體過(guò)度免疫應(yīng)答,二者的平衡在自身免疫性疾病及炎性疾病的發(fā)展中起決定性作用。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者痰液和糞便中產(chǎn)短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)的優(yōu)勢(shì)菌屬豐度明顯降低[2,5,6],由此可推斷GM失調(diào)可能與慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的發(fā)生、進(jìn)展相關(guān)。

COPD是一種異質(zhì)性肺部狀態(tài),是氣道異常和/或肺泡異常所致的持續(xù)性氣流阻塞[7]。近年來(lái)研究表明,免疫失衡成為COPD發(fā)生發(fā)展的關(guān)鍵因素[8-9]。因此,免疫調(diào)節(jié)治療已發(fā)展為臨床治療COPD的有效手段。其中,以GM為靶標(biāo)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)體免疫為COPD的防治提供了全新角度。

一、腸肺軸

腸道和肺之間始終保持著緊密的聯(lián)系。結(jié)構(gòu)上,二者有深刻的解剖學(xué)基礎(chǔ),它們都來(lái)自同一個(gè)胚胎器官-前腸[10]。兩者突起的微絨毛(腸)或纖毛(呼吸道)作為物理屏障,參與淋巴組織局部免疫系統(tǒng)的形成;功能上,它們具有共同粘膜免疫系統(tǒng)、分泌型免疫球蛋白A及分泌粘液的杯狀細(xì)胞[3]。腸和肺通過(guò)淋巴和血液循環(huán)允許信號(hào)分子進(jìn)入對(duì)方微環(huán)境,即GM失調(diào)所致的細(xì)胞毒性產(chǎn)物、炎癥因子等可經(jīng)由腸-肺軸運(yùn)輸?shù)椒?引起肺損傷[2,10]。

廣泛研究表明,COPD患者常合并GM失調(diào)[2-3]。Chiu等人對(duì)肺氣腫小鼠的糞便菌群分析顯示有益擬桿菌的相對(duì)豐度降低,致病菌(如厚壁菌)豐度顯著增加[11]。還有研究者在煙霧暴露的小鼠腸內(nèi)觀察到梭狀芽孢桿菌、普雷沃氏菌數(shù)量增多,毛螺菌科細(xì)菌數(shù)量下降[12]。這些失調(diào)導(dǎo)致腸道賦予機(jī)體的“免疫耐受性”降低。一方面會(huì)引發(fā)腸絨毛萎縮及腸上皮緊密連接受損[2],另一方面,GM失調(diào)后引起的粘膜免疫反應(yīng)通過(guò)“腸-肺軸”轉(zhuǎn)移至肺,打破了肺部Th17/Treg的平衡。長(zhǎng)期吸煙的COPD患者體內(nèi)本身存在Treg細(xì)胞的降低和Th17細(xì)胞的升高,GM失調(diào)顯著放大了這一免疫效應(yīng),導(dǎo)致肺臟彌漫性的結(jié)構(gòu)改變,加速了COPD的炎癥過(guò)程[4,13]。其機(jī)制探索對(duì)COPD病理生理的研究和防治具有重要意義。

二、GM失調(diào)引發(fā)COPD患者Th17/Treg失衡的機(jī)制

GM失調(diào)引發(fā)COPD患者體內(nèi)Th17/Treg失衡的機(jī)制尚未完全明確,很多問(wèn)題仍需要進(jìn)一步探索。目前已知煙霧暴露引起的GM活動(dòng)異常不僅通過(guò)影響SCFA的生成和分節(jié)絲狀菌(segmented filamentous bacteria,SFB)的定植來(lái)調(diào)節(jié)肺部免疫,還通過(guò)介導(dǎo)Toll樣受體(toll-like receptors,TLR)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和細(xì)胞因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子1(suppressor of cytokine signaling 1,SOCS1)通路影響Th17/Treg的平衡,接下來(lái)對(duì)上述機(jī)制進(jìn)行綜述。

1. GM-SCFAs-Th17/Treg細(xì)胞軸

SCFA可以被直接運(yùn)輸?shù)椒尾⑴c肺免疫細(xì)胞上的G蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled Receptors,GPRs)相結(jié)合;也可在腸內(nèi)抑制組蛋白脫乙酰酶( histone deacetylase,HDAC)引發(fā)Th17/Treg失衡,失衡的免疫細(xì)胞通過(guò)腸-肺軸遷移至肺,介導(dǎo)共同粘膜反應(yīng)。SCFA由GM酵解膳食纖維而來(lái),包括丁酸鹽、乙酸鹽等,它們經(jīng)腸道吸收后可以隨血液遍布至全身來(lái)調(diào)節(jié)多器官代謝[14]。一方面,SCFA被直接運(yùn)輸?shù)椒谓M織中,與肺免疫細(xì)胞上的GPR相結(jié)合(如GPR41、GPR43、GPR109),誘導(dǎo)叉頭盒蛋白P3(forkhead box protein P3,FoxP3)增殖來(lái)促進(jìn)Treg分化[14-15]。另一方面,SCFA作為HDAC的抑制劑發(fā)揮抗免疫作用,HDAC被丁酸鹽抑制后,實(shí)驗(yàn)動(dòng)物腸上皮細(xì)胞中FoxP3+及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β的表達(dá)增加,促進(jìn)了Treg在腸內(nèi)積累[16]。值得一提的是,丁酸和丙酸可通過(guò)與GPR相互作用及抑制HDAC的雙重途徑來(lái)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞代謝程序,顯著抑制Th17分化[17-18]。

2. TLR信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路

煙霧暴露誘發(fā)的GM失調(diào)導(dǎo)致細(xì)菌釋放大量脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)入血,其可以作為病原體相關(guān)分子模式 (pathogen associated molecular pattern, PAMP) 與腸和肺免疫細(xì)胞上的TLR4受體相結(jié)合,打破COPD患者腸和肺內(nèi)Th17/Treg細(xì)胞的平衡。TLR是固有免疫中一種模式識(shí)別受體,廣泛存在與各個(gè)器官,它能夠識(shí)別PAMP,引起下游信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。PAMP是病原體所攜帶的分子模式,可以被免疫系統(tǒng)識(shí)別并觸發(fā)免疫反應(yīng),主要包括細(xì)菌來(lái)源的LPS、病毒等。已知煙霧誘導(dǎo)的GM失調(diào)小鼠腸屏障受損,腸菌來(lái)源的LPS與TLR4受體相結(jié)合后,通過(guò)髓樣分化初級(jí)應(yīng)答基因88和含TLR結(jié)構(gòu)域的銜接子蛋白,觸發(fā)活化B細(xì)胞的核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的轉(zhuǎn)錄和翻譯,刺激NF-κB途徑[19]。該途徑不僅產(chǎn)生大量直接損傷肺泡細(xì)胞的炎癥因子,也可誘導(dǎo)Th17/Treg失衡,加重肺部炎癥反應(yīng)[20-21]。肺部的過(guò)度炎癥反應(yīng)促進(jìn)GM和腸相關(guān)淋巴組織向炎癥模式轉(zhuǎn)變,繼而產(chǎn)生腸-肺惡性循環(huán)。金氏副擬桿菌衍生的LPS毒性較低,它以劑量依賴方式與循環(huán)中毒性較強(qiáng)的LPS競(jìng)爭(zhēng)TLR 4受體,減輕氣道免疫反應(yīng)[22],目前已被成功開(kāi)發(fā)為功能性益生菌,廣泛應(yīng)用于臨床。

3. 分段絲狀菌誘導(dǎo)Th17細(xì)胞過(guò)度分化

在GM失調(diào)期間,SFB主要在小腸直接或間接刺激Th 17分化。SFB是附著于末端回腸上皮與梭菌屬相關(guān)的特定共生菌,在出生后驅(qū)動(dòng)腸道免疫屏障的成熟[23]。各種因素引發(fā)GM紊亂后,SFB選擇性地?cái)U(kuò)大雙重T細(xì)胞受體識(shí)別自身抗原來(lái)誘發(fā)Th 17過(guò)度表達(dá)[14,24]。SFB還可以在定植于宿主上皮細(xì)胞后誘導(dǎo)血清淀粉樣蛋白A表達(dá),從而刺激腸道固有層中樹(shù)突狀細(xì)胞(dentritic cell,DC)分泌白細(xì)胞介素6和白細(xì)胞介素23誘導(dǎo)Th 17的分化[25]。由于肺中穩(wěn)定表達(dá)Th17的化學(xué)引誘物趨化因子配體20,故SFB誘導(dǎo)的腸道Th17可通過(guò)腸肺軸優(yōu)先募集到肺,實(shí)現(xiàn)免疫信號(hào)的轉(zhuǎn)移[24]。目前由SFB缺乏構(gòu)建的肺氣腫模型相對(duì)較少,其介導(dǎo)COPD惡化的具體機(jī)制仍有待研究。

4. GM失調(diào)抑制SOCS1的轉(zhuǎn)錄與表達(dá)

SOCS1缺乏的COPD患者體內(nèi)GM失調(diào),這一失調(diào)可通過(guò)介導(dǎo)SOCS1的下調(diào)來(lái)促進(jìn)Th17/Treg失衡。SOCS是JAK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和STAT(轉(zhuǎn)錄激活因子)通路的負(fù)性調(diào)節(jié)因子[26]。它不僅參與DC的分化、活化和成熟,還可以維持DC的原始狀態(tài),抑制Treg向Th17的轉(zhuǎn)化。向DC內(nèi)轉(zhuǎn)染SOCS1可以早期保護(hù)Treg細(xì)胞功能,早期控制炎癥[27]。GM與SOCS1之間存在一定的交互作用,COPD模型中SOCS 1的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)受到抑制,支氣管黏膜及肺泡灌洗液中的SOCS1大量降解。SOCS1敲除的小鼠腸中GM也發(fā)生相應(yīng)變化,如普雷沃氏菌科成為優(yōu)勢(shì)種群,嗜膽汁菌屬、瘤胃球菌屬和鏈球菌屬豐度也增加[27]。失衡的GM進(jìn)一步觸發(fā)SOCS1下調(diào),介導(dǎo)白三烯 B4/白三烯B4受體1異常通路持續(xù)釋放炎性介質(zhì),誘導(dǎo)Th17分化,加重肺損傷[28]。

三、腸道菌群及其代謝產(chǎn)物對(duì)COPD的防治意義

1. 通過(guò)糞便微生物移植來(lái)恢復(fù)Th17/Treg平衡

糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是一種通過(guò)將供體糞便中的有益細(xì)菌或代謝產(chǎn)物引入患病受體來(lái)治療腸道微生態(tài)失衡的方法[29],不僅可以使產(chǎn)SCFA菌種增多,還可以通過(guò)恢復(fù)Th17/Treg的平衡來(lái)改善COPD。有研究者證明FMT可增加肺氣腫小鼠體內(nèi)產(chǎn)SCFA腸菌豐度(如擬桿菌科和毛螺菌科),顯著改善COPD患者臨床癥狀[22,30]。此外,FMT促進(jìn)Th 17/Treg平衡,減輕肺部氧化應(yīng)激水平。研究小組用FMT來(lái)重建肺氣腫小鼠的腸道微生態(tài),結(jié)果顯示小鼠肺中TLR 4/NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)途徑下調(diào),Th 17/Treg比例較前降低[12]。FMT在治療方面仍存在爭(zhēng)議。當(dāng)糞便細(xì)菌被移植時(shí)病毒也被移植,引發(fā)嚴(yán)重的副作用[29]。因此,如何平衡仍然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

2. 膳食纖維通過(guò)改善腸道微生態(tài)來(lái)影響COPD進(jìn)程

飲食攝入極大影響著腸道微環(huán)境。Jang Y.O.對(duì)基于膳食纖維組分的肺氣腫小鼠糞便進(jìn)行了微生物分析,結(jié)果表明高纖維素和高果膠飲食能顯著減輕肺部病變,這與微生物群和免疫系統(tǒng)的相互作用有關(guān)[31]。膳食纖維果膠通過(guò)增加糞便和血清中SCFA的濃度、改變腸道和肺中厚壁菌與擬桿菌的比例、抑制DC功能發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[32]。多項(xiàng)研究表明高膳食纖維飲食不僅可以預(yù)防COPD,還可以顯著延緩COPD進(jìn)程[29]。每日膳食纖維攝入量≥ 36.8g可降低約38%的COPD患病率,長(zhǎng)期攝入膳食纖維可以減少COPD患者約30%的急性加重風(fēng)險(xiǎn)率[29,33]。部分膳食纖維還可以作為益生元高效促進(jìn)益生菌增殖,給COPD帶來(lái)新的研究視角。

3. 中草藥通過(guò)恢復(fù)Th 17/Treg平衡來(lái)改善COPD

據(jù)報(bào)道,中草藥能通過(guò)多種途徑影響GM的多樣性,在改善COPD患者臨床癥狀、延緩肺功能下降等方面取得了巨大進(jìn)展。例如,宣白承氣湯不僅能促進(jìn)益生菌增殖,抑制致病菌生長(zhǎng),還可糾正Th 17/Treg失衡,延緩COPD進(jìn)展[34]。芪白平肺膠囊可以改變COPD大鼠腸道群落結(jié)構(gòu),促進(jìn)Th 17/Treg達(dá)到新平衡,降低COPD氧化應(yīng)激水平[35]。但目前相關(guān)臨床研究較少,今后需采用更先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)方法做進(jìn)一步探索。

四、展望

Th17/Treg失衡在COPD的發(fā)病中起重要作用。近年來(lái)許多研究著眼于微生物組學(xué)及免疫學(xué),為研究GM參與COPD發(fā)病的具體機(jī)制提供了新思路。在COPD中,GM失調(diào)后的代謝產(chǎn)物可以直接運(yùn)輸至肺部誘發(fā)免疫反應(yīng),也可以在腸內(nèi)刺激Th17/Treg細(xì)胞失衡后再通過(guò)腸-肺軸運(yùn)輸至肺,影響肺免疫活性。已有研究表明FMT、高膳食纖維飲食及中草藥可通過(guò)恢復(fù)腸道微生態(tài)環(huán)境達(dá)到治療COPD的目的,但上述方法尚未廣泛應(yīng)用于臨床?；诋?dāng)前COPD發(fā)病率的不斷上升,未來(lái)應(yīng)積極探求GM與COPD-Th17/Treg軸之間的分子機(jī)制,構(gòu)建確切的COPD-GM失衡模型,進(jìn)行大規(guī)模前瞻性研究,旨在拓寬研究者對(duì)腸道微生物群在COPD發(fā)病機(jī)制的理解,為COPD的治療提供新策略。