2022肠道菌群与免疫相关疾病(全文)

2022肠道菌群与免疫相关疾病（全文）摘要肠道菌群与宿主免疫反应之间存在直接和间接的相互作用，能够对宿主健康产生多方面的影响。肠道菌群紊乱导致的生态失调与许多疾病的易感性有关，特别是免疫相关性疾病。本文根据近年来的研究结果，介绍了肠道菌群与宿主免疫相互作用的机制，阐述了肠道菌群在免疫相关性疾病发生发展中的作用，包括炎性肠病等肠道系统疾病以及类风湿关节炎等其他系统疾病，并总结了以肠道菌群为靶点的疾病治疗策略。更好地了解肠道菌群与免疫相关性疾病的研究进展，将有助于此类疾病的预防和管理工作，并拓宽我们发现疾病干预靶点的路径。哺乳动物的肠道被大量的微生物定殖，它们被统称为肠道菌群。在过去的十年中，随着先进的测序和高通量等技术的发展，微生物群落的识别和功能分析已成为可能。我们的微生物群不仅仅是一个旁观者，它们与我们共同进化，是正常发育和稳态的关键。肠道菌群和宿主免疫反应之间存在直接和间接的相互作用。它们能够直接与邻近的黏膜环境相互作用，影响肠道的通透性，并影响局部和全身的炎性反应活性。肠道菌群与宿主之间也通过其代谢物进行间接的对话。例如，肠道细菌消化植物多糖产生短链脂肪酸，这些脂肪酸反过来通过各种机制调节宿主的黏膜免疫反应。我们的微生物群的组成不是静态的，而是随着年龄、地理位置而变化，并受到许多外部因素的影响，如饮食和药物。肠道菌群的失衡与许多疾病的易感性相关，如炎性肠病(inflammatoryboweldisease,IBD)结直肠癌、类风湿性关节炎(rheumatoidarthritis,RA)等免疫相关性疾病。然而，肠道菌群影响疾病发病的具体机制仍然难以捉摸，现在成为一个主要的研究焦点。关于肠道菌群在免疫相关疾病发病机制中所起作用的文献正在出现，越来越多的证据明确表明，肠道菌群的变化与这些疾病相关。同时，近年来也涌现出了许多针对肠道菌群的疾病治疗策略。了解目前肠道菌群在免疫相关疾病发病中的作用以及菌群相关的治疗策略的研究进展，将有助于此类疾病预防和管理，并可能对启动和驱动疾病进展的因素提供新的见解和开发新的治疗策略。本文综述了肠道菌群在肠内外免疫相关疾病中作用的现况。一、肠道菌群概述肠道菌群主要指由十万亿个不同共生体组成的微生物群，这些微生物数量是人体细胞数的10倍，由它们基因组成的基因库是人类基因组的100多倍。大多数肠道细菌属于厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门或放线菌门，健康成人以厚壁菌门和拟杆菌门为主［1］。胃肠道中细菌的数量各不相同，与胃和小肠相比，结肠中细菌的数量和种类最多。此外，肠道中也有一些真菌种类，如酵母菌属、念珠菌属等［2］。肠道菌群具有多样性，不同个体之间的肠道菌群受出生方式、婴儿喂养方式、生活方式、药物和宿主基因等影响，存在巨大差异［3］。此外，同一个体在不同年龄阶段、健康状况或饮食习惯下，肠道菌群也会发生改变［4］。肠道菌群与宿主之间长期共同进化导致了相互依赖，能够通过调节宿主营养、免疫发育、代谢和抵御病原体等方面维持宿主体内稳态［5］。二、肠道免疫系统肠道表面被黏膜组织覆盖，主要通过黏膜免疫系统发挥免疫功能。肠道黏膜免疫系统是一种高度特异性的免疫系统，主要由肠上皮细胞、Peyer结、肠上皮内淋巴细胞、固有层淋巴细胞等组织构成。肠道上皮细胞除了有消化吸收功能外，还具有摄取和提呈抗原、转运分泌性IgA(sIgA)和分泌细胞因子等免疫功能，是肠道黏膜免疫系统的重要组成部分。Peyer结是肠道免疫诱导的主要部位，其圆顶区上覆盖的滤泡相关上皮中含有微皱褶细胞(M细胞)。M细胞是一种特殊的抗原捕捉细胞，主要以胞吞的方式非特异性摄取抗原，并以囊泡的形式转运给下方圆顶区的抗原呈递细胞。Peyer结圆顶区的抗原呈递细胞主要是富含MHC-2类分子的树突状细胞和巨噬细胞，它们可以处理和递呈M细胞转运来的抗原，激活Peyer结中的T细胞与B细胞，启动黏膜免疫。这些致敏的免疫淋巴细胞，可以通过传出淋巴结和胸导管释放到外周血循环，进一步分化成熟后归巢到黏膜固有层及肠上皮，发挥免疫效应［6］。肠上皮内淋巴细胞主要由TCRa0+和TCRyb+T等细胞群组成，具有细胞毒性作用并且能够分泌多种细胞因子，在清除病原体、调节其他淋巴细胞和上皮细胞等方面具有重要功能［7］。固有层淋巴细胞主要包括aB+T细胞、IgA+浆细胞、巨噬细胞和树突状细胞等。T淋巴细胞在此处已被活化为CD4+T细胞，通过分泌IL-17和（-22等，参与调节肠道炎性反应。IgA+浆细胞主要作用是在固有层产生IgA。IgA与肠上皮中IgA转运蛋白的一个片段结合后成为sIgA,被上皮细胞分泌至黏膜表面，成为肠道局部黏膜免疫的主要效应分子［8］。肠道sIgA包被着驻留在肠道中的共生微生物群，并且能够抵抗肠道病原菌［9］。三、肠道菌群与免疫肠道菌群在免疫系统的形成中起着至关重要的作用。无菌动物的免疫发育受损，表现为未成熟的肠道相关淋巴组织、肠道淋巴细胞数量减少、抗菌肽和免疫球蛋白IgA水平下降等，且这些改变在共生菌定植后发生了逆转［10］。这些结果证实了肠道菌群在宿主免疫系统发育和成熟中的作用。肠道菌群通过产生具有免疫调节和抗炎功能的分子来调节免疫系统，如短链脂肪酸、吲哚及其衍生物和次级胆汁酸等。这些分子能够调节免疫细胞反应，包括T细胞、B细胞、树突状细胞和巨噬细胞等，见表1［11-15］。例如，短链脂肪酸能够通过GPR43介导促进Th1细胞产生IL-10［11］以及通过GPR41和抑制HDAC促进CD4+T细胞和先天淋巴细胞产生IL-22［12］。次级胆汁酸与TGR5相互作用可以通过减少NLRP3炎性体的激活、抑制NF-KB信号传导下调巨噬细胞促炎细胞因子的产生，以及通过核受体与FXR相互作用来共阻遏蛋白介导的染色质修饰，进而抑制巨噬细胞中NF-KB依赖性炎性反应介质的表达［13］。脆弱拟杆菌能够通过其多糖a诱导Th1细胞的发育，而且多糖A还通过与TLR2与T细胞相互作用，通过抑制Th17分化和增强调节性T细胞（Treg细胞）活性促进免疫耐受［14］。由此可见，肠道菌群对免疫系统的形成和维持至关重要，菌群失调可能在以免疫紊乱为特征的疾病中扮演着重要角色。四、菌群失调与免疫相关临床疾病一旦肠道菌群和免疫系统之间的平衡被打破，肠道免疫系统的功能紊乱就会引发多种疾病。肠道菌群失调，即肠道菌群的组成和数量发生改变，被发现与多种免疫相关疾病相关，包括IBD、结直肠癌、RA、系统性红斑狼疮（systemiclupuserythematosus,SLE）和多发性硬化等［15-16］。（一）肠道系统疾病.炎性肠病（IBD）:这是一种慢性免疫介导的影响胃肠道的疾病，包括克罗恩病（Crohn'sdisease,CD）和溃疡性结肠炎（ulcerativecolitis,UC）。微生物群在推动肠道炎性反应中发挥重要作用。例如，粪便转流可减轻或消除结肠CD炎性反应,以及抗生素或益生菌治疗可诱导活动性UC和CD患者缓解等［2］。与健康受试者相比，IBD肠道菌群的总体多样性和抗炎类群丰度都有所下降。变形菌门（特别是粘附侵袭性大肠杆菌）、巴氏杆菌科、韦氏菌科、梭杆菌属和瘤胃球菌属增加，梭菌属IV和XIVa、拟杆菌属、萨特菌、罗氏菌属、双歧杆菌属和普拉梭菌则减少［17］。除细菌外，近年来的研究也证实了正口中真菌失调的存在。例如，相比健康个体，IBD患者体内酿酒酵母菌丰度降低，白色念珠菌丰度增加。人类皮肤常见真菌马拉色菌属也被发现在CD患者的结肠黏膜中富集［18］。肠道真菌与宿主免疫受体dectin-1相互作用，dectin-1通过CARD9信号诱导炎性反应分子的产生和Th17细胞反应［19］。研究表明，CARD9变异与IBD的风险增加有关［2］。肠道菌群代谢组学研究表明，IBD患者中具有重要生物活性和功能的菌群代谢产物减少。短链脂肪酸不仅作为肠道上皮的能量来源，还能够促进结肠Treg细胞的产生和分化来维持肠道内环境稳定，而产生这些代谢物的细菌在IBD患者中减少［20-21］。特别是，丁酸酯产量的下降与拟杆菌门和梭状芽孢杆菌簇IV和XIVa的减少有关［2］。除了短链脂肪酸外，在IBD患者中，促进黏液生成和抑制炎性反应细胞因子生成的色氨酸代谢产物吲哚丙烯酸减少［22］。此外，止。患者中已观察到胆汁酸代谢紊乱，与健康对照组相比，粪便中的胆汁酸池倾向于次级胆汁酸减少而初级胆汁酸增加［23］。.结直肠癌：这是消化系统常见的恶性肿瘤，近年来众多研究表明，肠道菌群失调在结直肠癌的发生中可能发挥着重要作用。与健康人群相比，结直肠癌肠道菌群中潜在的保护菌属（如罗氏菌属）丰度降低，而促癌群（如拟杆菌属、大肠杆菌属、梭杆菌属和卟啉单胞菌属）丰度增加［24］。肠道菌群能够通过介导免疫反应影响结直肠癌的发生［25］。研究表明，产肠毒素脆弱芽孢杆菌可以通过其毒素和IL-17促进结肠癌发生［26］。具核乳杆菌能够影响肿瘤浸润性淋巴细胞的浸润,抑制自然杀伤细胞（naturalkillercell,NK细胞）和肿瘤浸润性T细胞对癌细胞的杀伤，促进结直肠癌发生［27］。此外，肠道细菌代谢产物短链脂肪酸（特别是丁酸盐）可以通过其受体（如GPR109a）介导抗炎反应，抑制结肠癌的发生［28］。未来需要更多的研究来探索肠道菌群与结直肠癌之间精细又复杂的相互作用机制。（二）其他系统疾病.类风湿性关节炎（RA）:这是一种自身免疫性炎性疾病，主要影响关节。RA患者肠道微生物的数量与种类与健康人群相比发生了明显变化［29］。未经治疗的新发类风湿性关节炎患者的粪便样本中普雷沃菌数量增加，并与拟杆菌的减少和有益微生物的损失相关［30］。除了普雷沃菌科外，罕见的肠道微生物的扩展也可能是RA的特征。有研究表明，RA患者的肠道菌群失调，特征是Faecalibacterium减少，C.aerofaciens和E.lenta数量增加［31］。此外，与抗瓜氨酸蛋白抗体阴性的RA患者比较，抗瓜氨酸蛋白抗体阳性的RA患者肠道菌群失调似乎更严重［32］。尽管根据目前的临床研究结果，很难弄清肠道菌群失调与RA发展的因果关系，但这些研究至少表明，菌群失调存在于RA的所有阶段。.系统性红斑狼疮（SLE）:是一种慢性自身免疫性疾病［33］。研究显示，与健康对照组相比，51£患者肠道菌群中厚壁菌门/拟杆菌门（F/B）比例显著降低,且厚壁菌门与SLE疾病活动指数SLEDAI评分星负相关［34］.由此可见，F/B比值的降低是SLE患者肠道菌群失调的重要表现。Azzouz等［35］研究表明，与对照组相比，SLE患者的微生物群落物种丰富度多样性降低，且在SLEDAI高的患者中最为显著。他们的研究显示，SLE患者瘤胃球菌丰度与健康对照组相比增加5倍以上，其抗体及抗dsDNA水平与SLEDAI评分呈正相关，与补体C3、C4呈负相关［35］。总的来说，SLE患者的肠道菌群失调通常表现为F/B比值、丰富度和多样性下降，且某些菌株的增殖与疾病活动情况显著相关［33］。.多发性硬化：是一种慢性炎性中枢神经系统脱髓鞘疾病［36-37］。Chen等［37］研究表明，复发-缓解型多发性硬化患者中具有抗炎作用的普氏菌属和拟杆菌属菌群数量有所下降，而有害菌属假单胞菌属的菌群数量增加。Cox等［38］研究发现，尽管一些微生物群改变在复发-缓解型多发性硬化和进行性多发性硬化中是相同的，但在进行性多发性硬化中有一些菌群改变是特有的，如肠杆菌科和梭状芽孢杆菌g24FCEY升高以及Blautia和Agathobaculum下降。他们的研究还提示，几种梭状芽孢杆菌与进行性多发性硬化较高的扩展的残疾状态量表（EDSS和疲劳评分有关。Tremlett等［39］研究发现，多发性硬化患者经过治疗后，有益菌属普氏菌属数量增加;而有益菌群梭杆菌减少、有害菌群古生菌属增加时，多发性硬化容易复发。由此可见，肠道菌群失调已经成为影响多发性硬化疾病发展的一个重要潜在因素。五、针对肠道菌群的免疫相关疾病治疗策略肠道菌群与免疫相关疾病之间存在着密切又复杂的联系。肠道菌群失调在免疫相关疾病的发生发展起着重要作用。因此，调节菌群失调在这类疾病的治疗中至关重要。近年来，随着对肠道菌群的研究不断深入，菌群调节手段也不断涌现。1.菌群移植(fecalmicrobiotatransplantation,FMT):FMT是将预先筛选和处理的健康供体的粪便转移到患者肠道的治疗方法，其目的是恢复正常的肠道菌群功能。FMT最初用于艰难梭状芽孢杆菌感染(Clostridiumdifficileinfection,CDI)的治疗，近年来逐渐应用于其他与菌群改变相关疾病的治疗，特别是免疫相关疾病如IBD等［40］°FMT在这些免疫相关疾病中的作用机制可能与增加菌群多样性、恢复菌群代谢产物水平以及增强肠道黏膜屏障等有关［41］。一项纳入53项研究的系统综述报道，FMT治疗后UC临床缓解率为36%,CD临床缓解率为50.5%,储袋炎临床缓解率为21.5%［42］。除IBD外，FMT在其他几种疾病中的研究大多集中在动物实验层面。需要指出的是，与CDI相比，FMT对免疫相关疾病的作用机制尚未完全清楚，这使得目前预测FMT结果和相关风险较为困难。因此，引起了支持和反对FMT干预免疫相关疾病患者的争论［41］。笔者认为，虽然目前FMT存在稳定性和安全性不明等一系列问题，但我们不能盲目否认其治疗价值。应进一步规范化、标准化这种治疗手段，如通过临床研究确定最佳适应证、评估临床疗效，延长随访时间来确定长期疗效和安全性。此外，肠道菌群对变化具有很强的适应性和高度的个体化，应当通过微生物组特征确定合适的供体或选择供体-受体，实现个性化FMT。2.益生菌、益生元和后生元：在临床实践中，最常用的益生菌有乳酸菌、双歧杆菌属、链球菌以及酵母菌等。迄今为止，已有许多证据证明了益生菌在免疫相关疾病中的疗效［43］。在IBD中，早在2004年，Kruis等［44］研究就表明，在UC患者中益生菌制剂大肠杆菌Nissle-1917在维持缓解方面的有效性和安全性相当于美沙拉嗪。复合益生菌VSL#3是由8种益生菌组成的混合物（4种乳酸杆菌、3种双歧杆菌和1种链球菌）,其用于轻度至中度活动性UC的诱导和维持缓解治疗功能也已被证明［45］。尽管在益生菌在疾病治疗中取得了一些积极的结果，但由于研究设计的限制、有效菌株的可得性以及有效益生菌制剂的质量控制问题，仍未能成为IBD疾病的一线治疗方案。此外，虽然益生菌被认为是安全的，但在免疫力下降的人群中，可能会出现不良反应，如细菌易位和败血症等［46］。在未来，针对特定疾病表型相关的特定微生物变化而设计的益生菌制剂，可能会为更安全化和个性化的治疗方法打开大门。除了益生菌外，益生元也可以用来调节肠道菌群。最常见的益生元有菊粉、低聚半乳糖、低聚果糖、乳糖以及半乳糖和B-葡聚糖的衍生物等。益生元不能被人体肠道内的内源性酶消化，到达结肠后被肠道菌群发酵。益生元在发酵过程中会形成短链脂肪酸，对肠道的正常运作起着极其重要的作用。益生元能够滋生有益菌，同时抑制病原体的生长;加速肠上皮细胞的愈合和再生过程；增加黏液的产生；维持肠道内正确的pH值，减少致病菌的生长;增加钙、铁、镁的吸收，降低血液胆固醇水平;同时也对肝脏中的葡萄糖和蛋白质代谢有积极影响。此外，益生元能够克服益生菌通过消化道时候被破坏、在胃肠道不易定殖、停留时间短等缺点。然而，关于益生元的在免疫相关疾病中的高质量研究相对较少，现有文献对其疾病治疗效果也具有较大差异，未来还需加强这方面研究。“后生元”一词是Tsilingiri等［47］提出的，系指非活菌。国际益生菌和益生元科学协会(InternationalScientificAssociationforProbioticsandPrebiotics,ISAPP)将后生元定义为对宿主健康有益的无生命微生物和(或)其成分的制剂［48］。根据ISAPP定义，后生元必须含有灭活的微生物细胞或细胞成分，有或没有代谢产物,和有助于观察到的健康益处［48］。后生元具有调节体内微生物群、增强上皮屏障功能、调节局部和全身免疫反应、调节全身代谢反应、通过神经系统传递全身信号等作用。与益生菌相比，后生元不但可以模拟益生菌对健康的益处，并且可避免与活菌相关的风险。此外，后生元更稳定，它们的储存和运输也更容易。目前，关于后生元在免疫相关疾病中的研究较少，鉴于其巨大的潜在价值，未来可更多开展后生元在疾病治疗中的机制和应用研究，并且应用新的定性和定量表征方法发现新的后生元。3.饮食：饮食主要是通过调节肠道菌群达到治疗疾病的目的。饮食的巨大变化会在短期内对肠道微生物和相关生理产生显著影响［49］。例如，高