腸道微生物與宿主免疫關系研究進展

金 磊，王立志

（四川農業大學動物營養研究所，四川 成都 611130）

動物的胃腸道中存在著上萬億的微生物，它們不僅在宿主營養物質的消化代謝[1]和機體發育[2]等方面發揮重要作用，而且與宿主的健康和疾病密切相關[3]。例如，腸道菌群的紊亂可能會導致肥胖[4]、糖尿病[5]、腫瘤[6]、腸道疾病[7]、代謝疾病[8]、心血管疾病[9]、中樞神經系統[10]和免疫系統[11]等各種疾病的發生。近年來，腸道微生物對于宿主健康和疾病的影響受到越來越多人們的關注，關于腸道微生物和免疫系統關系的研究也越來越多[12-15]。腸道微生物是免疫系統功能正常實施的前提，因為腸道微生物是刺激“黏膜免疫系統”和“全身免疫系統”成熟的重要因子[16-17]。然而，宿主免疫系統在區分有益菌和致病菌的過程中面臨著重要挑戰，由于腸道共生微生物與病原微生物有著相似模式識別分子結構，所以很難判定某種細菌是有益菌還是致病菌。因此，本文就腸道微生物與免疫系統的關系予以綜述，探索這些免疫機制究竟是如何合作來實現宿主-微生物的共生關系。

1 腸道菌群與免疫的關系

厚壁菌門和擬桿菌門是動物腸道中最主要的腸道菌門[18]。厚壁菌門主要以革蘭氏陽性菌屬為主，例如：梭狀芽胞桿菌、鏈球菌和乳酸桿菌科等；擬桿菌門以革蘭氏陰性細菌為主，包括多形擬桿菌和卵形擬桿菌等[19]。腸道細菌的主要功能是提高宿主對營養物質的消化利用效率[20-22]，但是，在微生物與宿主共同進化的過程中，動物腸道微生物進化出了更多的功能，例如，腸道微生物能夠作為信號分子調控腸道發育[23-24]、血管生成[25]和淋巴細胞發育等[26-28]。此外，腸道細菌在保護宿主免受病原侵害方面也發揮著極其重要的作用，腸道細菌通過與細菌病原體競爭膳食中的營養物質，限制病原體在腸道中快速定植[29]。腸道微生物還能夠刺激宿主免疫反應的發生。但腸道中存在的微生物與宿主之間并不全是互惠互利的關系，例如，人類腸道菌群中最主要的菌群之一的糞腸球菌，它能侵入黏膜組織，增加人類患菌血癥和感染性心內膜炎的發病率[30]。

腸道微生物是宿主先天免疫和適應性免疫的重要啟動和調節因子，當機體遭遇致病因子時，機體自身會激活相關受體，例如：Toll樣受體（Tolllike receptors，TLRs）和 NOD樣受體（NOD-like receptors，NLRs），啟動炎癥反應殺死致病因子[31]。因此，深入了解腸道微生物與免疫系統之間的關系顯得尤為重要。

2 腸道微生物與宿主免疫

2.1 腸道微生物與黏蛋白的分泌腸黏膜中的杯狀細胞能分泌一種黏蛋白（MUC），MUC能形成內、外2個結構不同的黏液層[32]。其中，外黏液層結構較松散，能夠儲存大量的細菌；內黏液層結構較緊致，對細菌具有抵抗力，一般沒有細菌生存[33-34]。MUC2蛋白是腸道中最豐富的黏蛋白，在膽堿類物質的刺激下，釋放到外黏液層，與病原微生物競爭性結合上皮細胞的黏附素受體，從而達到抑制病原微生物在腸道中黏附與定植的目的。研究表明，乳酸菌能促進MUC2的表達，抑制大鼠腸道中大腸桿菌的黏附，從而降低菌血癥與腦膜炎的發病率[35]。但是，腸黏膜對于共生微生物具有高度的適應性，病原體能夠不斷地進化出穿透黏液層而進入上皮細胞表面的策略[36]。例如，幽門螺桿菌通過利用尿素酶，增加其所處微環境的pH值來達到降低黏液黏度，使其更容易通過黏液層[37]；而彎曲桿菌和沙門氏菌等通過利用鞭毛穿過腸黏液[38]。然而，更重要的是，腸道中共生的隸屬于厚壁菌門的部分菌屬也具有穿透黏液層的能力，它們能刺激腸上皮細胞產生大量的抗菌蛋白[39]，來限制細菌與腸上皮細胞的接觸。

2.2 腸道微生物與抗菌蛋白分泌腸上皮細胞能分泌抗菌蛋白消滅穿透黏液層的細菌，其分泌的抗菌蛋白主要包括α-防御素、抗菌肽和C型凝集素等，這些蛋白質大部分是通過酶作用裂解細菌的細胞壁或內膜來發揮作用。宿主腸道細胞啟動先天免疫主要依賴于識別病原相關的分子模式，例如：病原微生物的核酸結構能被宿主的TLRs受體（TLR3、TLR7、TLR8和TLR9）所識別[40]。其中，TLR3由雙鏈RNA激活，TLR7和TLR8由單鏈RNA激活，TLR9由單鏈DNA內的CpG基質激活。當宿主源TLRs受體檢測到致病原時，它們可啟動先天免疫系統將其清除[41]。

腸上皮細胞的種類不同，分泌抗菌蛋白的機制也有所差異。例如，潘氏細胞產生的α-防御素的表達不需要任何表達信號，表達產物為NOD2；而腸上皮細胞和潘氏細胞分泌的抗菌c型凝集素（C-type Lectins）的表達需要再生蛋白3γ（）激活Toll樣受體（TLR）來實現[42-44]。胰島再生源蛋白3γ（RegⅢγ）由潘氏細胞分泌，可以抑制損傷組織處細菌的生長，控制腸道菌群的擴散和防止病原菌感染腸道。研究表明，當RegⅢγ與李斯特菌或糞腸球菌共同孵育時，隨著濃度增加，細菌存活率明顯下降[45]。以往的研究發現，IL-22能夠誘導RegⅢβ和RegⅢγ的表達，RegⅢβ和RegⅢγ能夠抑制檸檬酸桿菌感染結腸[46]。在腸道中除了IL-22外，TLRs信號通路中的MyD88對RegⅢγ蛋白的表達也具有重要的調節作用[33]。例如：有研究發現，MyD88基因敲除的小鼠回腸末端RegⅢγ的表達量顯著低于野生型小鼠，導致李斯特菌對MyD88基因敲除小鼠回腸末端的感染機率明顯增加[47]。

通過檢測抗菌蛋白的活性發現，腸上皮細胞分泌的抗菌蛋白主要存在于黏液層中[48]。這表明黏液層至少能起到保護腸上皮細胞的作用，首先，黏液層能夠限制管腔中的細菌進入上皮細胞；其次，黏液層中的抗菌蛋白能夠在腸上皮細胞表面形成擴散，從而增加腸上皮細胞的抗菌能力。

2.3 腸道微生物與免疫細胞的分化胃腸道病原體同樣也在不斷的進化，例如，李斯特氏菌的肽聚糖乙酰基使其能夠逃避被溶菌酶和腸上皮細胞分泌的細胞壁降解酶溶解[49]。因此，雖然腸上皮細胞分泌的抗菌蛋白能夠快速地殺死共生微生物，但仍會有少數的微生物能夠穿透腸上皮進入并存活于樹突細胞（DCs）中。這些細菌能夠隨DCs到達腸系膜淋巴結，但不能進一步達到全身次級淋巴組織[50]，因為這時DCs會誘導產生IgA來防御共生微生物的黏膜滲透。腸黏膜中的免疫細胞（巨噬細胞、樹突狀細胞、中性粒細胞等）對腸道菌群的變化異常敏感，當腸道微生物由黏膜層向淋巴結轉移時，這些免疫細胞可迅速捕捉異常的細菌并將其吞噬[51]。

樹突狀細胞（DC）是發育過程中具有特征性突起的免疫細胞，其專門用于B細胞和T細胞的抗原呈遞，將肽抗原加載到MHCⅡ類，與T細胞受體結合并傳遞信號分子。例如，DC可以刺激T細胞分泌白細胞介素-12（IL-12）促進CD4+T的分化，也可以刺激B細胞通過腫瘤壞死因子家族配體的表達使B細胞活化因子（BAFF）增殖。細菌誘導的樹突狀細胞通過誘導B細胞的分化產生IgA，IgA能隔離細菌與腸上皮細胞表面接觸[52]，阻止共生細菌穿透腸上皮，防止細菌侵入宿主組織[53]。此外，細菌能刺激固有層淋巴細胞（主要為Th2細胞）產生大量的IL-5，IL-5能夠誘導淋巴結中的B細胞分化為成熟的漿細胞，產生分泌型IgA（sIgA）[33]。研究表明，正常生理條件下，黏液層和腸腔內也均存在IgA，這些IgA多包被在厭氧菌表面，防止致病菌的擴散[54]。

梭菌屬具有調節性T細胞（Tregs）水平恢復正常的功能，并且發現梭菌屬在近端結腸呈高密度分布，這些結果說明腸道微生物菌群具有影響免疫細胞分化的功能[55]。免疫系統通過分泌細胞因子，誘導未分化的T淋巴細胞分化為Tregs細胞，從而調節腸上皮組織對腸道共生菌的耐受能力，從而防止自身免疫性疾病發生。此外，CD4+效應T細胞（CD4+T）也是穩定腸道免疫內環境的關鍵因素，CD4+T細胞包括TH1、TH17和調節性T細胞（CD4+、CD25+、Foxp3+）。TH17和Foxp3細胞的分化均需要轉化生長因子β（TGF-β）和IL-6來驅動，在結腸中，Foxp3細胞能產生IL-10，在小腸能產生IL-6和IL-10。研究發現，腸道某些特定的微生物在某些腸道免疫細胞的增殖分化方面起著至關重要的作用。例如：脆弱擬桿菌可促進IL-17的產生，進而促進輔助性T細胞（TH細胞）的生成[56]。乳酸桿菌可有效刺激低分子質量肽的產生，進而激活腸道免疫系統，增強腸道對疾病的防御能力[57]。

研究表明，減少體內Th17細胞的數量能防止或減輕自身免疫性腦脊髓炎（EAE）等自身免疫疾病的發生。分節絲狀菌（SFB）對Th17細胞的發育非常重要，SFB能夠誘導小腸表達血清淀粉樣蛋白A（SAA），SAA可促進樹突細胞分泌TGF-β與IL-6，而TGF-β與IL-6的協同作用是誘導Th17細胞分化的關鍵因素[58]。脆弱擬桿菌能夠影響Tregs的產生，脆弱擬桿菌的莢膜多糖PSA為兩性離子多糖，它能夠刺激IL-10的產生，而IL-10能進一步誘導T細胞轉化為Tregs。同時，PSA還能通過刺激Th1型T細胞的分化來促進細胞免疫[59]。IL-2會抑制Th17細胞的分化，試驗檢測到IL-2缺陷的小鼠其體內IL-17的表達會增強，而IL-21可以與TGF-β一起誘導Th17的分化；IL-23能夠上調IL-17的表達，增強Th17細胞的作用，但并不能促進Th17分化。

2.4 腸道微生物與細胞吞噬作用雖然黏液、抗菌蛋白和免疫球蛋白（IgA）三者能夠協同保護腸上皮細胞與細菌接觸，但是仍會有一部分細菌能夠突破屏障。此時，腸道第二層免疫保護能夠快速檢測并殺死穿透腸上皮細胞的細菌，例如：巨噬細胞的吞噬作用。巨噬細胞是一種大量存在哺乳動物胃腸道中吞噬細胞，盡管許多組織部位的巨噬細胞都能夠分泌激活T細胞的介質促炎癥嗜中性粒細胞，并且腸道巨噬細胞也保留了有效的吞噬細菌的能力，但卻不能夠識別炎癥反應[60]。這可能反映了這些共生細菌通過不斷進化，從而增強對環境的適應性。因為有研究表明，吞噬細胞能夠快速地殺死滲透的共生微生物，但是，腸道病原體也會很快的進化出相應的應對策略使其不被殺死。例如，沙門氏菌能夠主動下調巨噬細胞的殺菌機制，使其在宿主體內存活[61]。這說明宿主共生的細菌的確是通過不斷的進化來提高其對環境的適應性[62]。腸道中復雜微生物菌群的存在意味著如果腸上皮細胞損傷很快就會導致細菌感染和炎癥等，但腸道巨噬細胞第二個重要的作用就是能恢復被腸道菌群損傷后的上皮細胞屏障的完整性。研究表明，小鼠腸上皮細胞損傷會觸發巨噬細胞特異性修復途徑的表達[63]。

3 結語和展望

腸道微生物與宿主免疫系統間的協調與人類健康緊密相關，越來越多的研究正在逐步闡明腸道共生微生物與免疫之間的關系，現在已經確定腸道微生物可以影響宿主代謝和免疫途徑，參與人體健康與疾病。但是，還沒有完全闡明腸道微生物與宿主免疫系統相互作用的機制。同時，腸道微生物與微生物對于免疫的調節是否存在協同或抑制作用也值得我們進一步探索。因此，更好地了解腸道微生物與免疫系統之間的關系，可為預防疾病，尤其是免疫系統相關疾病提供嶄新的思路。