腸道微生物與免疫的研究進展

周 瑛 王偉銘

大量微生物與人類和平共處，其數量約為人類體細胞和生殖細胞總數的10倍，其中超過70%聚集在腸道內。微生物作為病原體的屏障，發揮著重要的代謝作用，同時通過刺激免疫系統來調節炎性反應［1］。微生物群與人體之間的平衡如果被破壞就會引起多種疾病，常見的有炎癥性腸病、乳糜瀉、食物過敏、結腸癌等。人類免疫系統主要分為固有免疫和適應性免疫，現就從這兩方面簡單綜述腸道微生物與人類免疫的關系。

1 腸道固有免疫

腸上皮細胞、微皺褶細胞（M細胞）、杯狀細胞、腸腺嗜酸細胞、上皮內淋巴細胞（IEL）、巨噬細胞等在腸道固有免疫中發揮了重要作用，其中腸上皮細胞通過模式識別受體（PRRs）識別微生物，M細胞是重要的抗原轉運細胞，杯狀細胞分泌黏液，巨噬細胞吞噬病原體和分泌抗炎細胞因子，IEL具有腸道異質性等［2］。

1.1 PRRs 常見的PRRs有 Toll樣受體（TLRs）、核苷酸結合寡聚化結構域樣受體（NLRs）、視黃酸誘導基因1樣受體、C型凝聚素、黑色素瘤缺乏因子2樣受體、OAS（2'-5'oligoadenylates synthesis）樣受體等。TLRs和NLRs在腸道微生物免疫中起了重要作用；而視黃酸誘導基因1樣受體等重點識別病毒，通過Ⅰ型IFN發揮作用。

1.1.1 TLR4 TLR4是TLRs與腸道免疫中最重要且被研究最透徹的，它由上皮和免疫細胞表達，并在腸黏膜防治革蘭陰性細菌中發揮作用。在識別其同源配體時，TLR4二聚化并啟動促炎反應的激活信號級聯，此后誘導兩種信號通路，即髓樣分化因子88（MyD88）依賴性和My D88非依賴性途徑，并產生促炎細胞因子和Ⅰ型IFN。目前已知參與這兩個途徑激活的銜接蛋白有4個：My D88、包含 Toll/IL-1 的接頭蛋白（TIRAP）、IFN-βTLRS結構域銜接蛋白（TRIF）和TRIF相關銜接分子（TRAM）。My D88和TIRAP負責誘導促炎基因，而TRIF和TRAM誘導IFN。在MyD88依賴性信號轉導中，MyD88識別配體后，被募集到TLRs的細胞質結構域并與之結合，通過磷酸化募集并激活IL-1受體相關激酶（IRAK）-4和IRAK-1，進一步激活TNF受體相關因子6（TRAF6）、轉化生長因子激活激酶1（TAK1）。激活的TAK1磷酸化I-κB激酶（IKK-b）和絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）6，使Ⅰ-κB降解，進而使NF-κB的核易位，最終導致了一系列炎性反應發生。My D88依賴途徑的激活同時激活了髓鞘堿性蛋白（MAP）激酶，如MAPK p38和c-Jun氨基末端激酶，進而導致轉錄因子AP-1的激活。而MyD88非依賴性途徑則激活Ⅰ型IFN反應，促使IFN-α和IFN-β表達，發揮抗病毒效應［3］。

將感染后腸易激綜合征（PI-IBS）患者與健康人群對比發現，PI-IBS患者的回腸和結腸中的IL-1α、IL-6和IL-8 m RNA水平，以及TLR-4蛋白質表達水平顯著升高，而IL-10 mRNA水平降低；在用脂多糖（LPS）刺激后，干酪乳桿菌DG可顯著降低促炎性細胞因子和TLR4的mRNA水平，同時提高IL-10的水平，提示干酪乳桿菌DG可改善黏膜的炎性免疫應答［4］。Alhasson等［5］發現，在海灣戰爭疾病中，化學暴露引起嚴重的腸道微生物失調，包括厚壁菌、軟壁菌大量增加和擬桿菌大量減少，這些微生物的改變減少了閉鎖蛋白，增加了緊密連接蛋白2，從而提高了腸道通透性，使內毒素入血，激活小腸和大腦的TLR4；而在TLR4敲除小鼠和無菌小鼠中，小腸和額葉皮層中酪氨酸硝基化、炎性介質IL-1β和單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）則顯著減少。提示，腸道菌群紊亂、通透性增加和內毒素入血引起的TLR4激活參與了海灣戰爭疾病中的神經炎性反應和胃腸失調。另外，在2型糖尿病腎病早期患者外周血單核細胞中，TLR4表達水平高于正常人，且在體外經過LPS干預刺激24 h后，TLR4、NF-кBp65蛋白表達和IL-6分泌水平升高，趨化因子配體2和CD68在腎小管的過度表達，造成腎小管巨噬細胞浸潤、組織損傷、糖尿病腎病進展［6］。

1.1.2 其他TLRs TLR2通過刺激炎性細胞因子的產生介導對細菌肽和肽聚糖的先天免疫應答，其主要位于巨噬細胞，參與介導IFN-β的產生。研究［7］發現，乳酸桿菌改善了5/6腎切除大鼠結腸中緊密連接蛋白和TLR2表達的下調，降低了腸道的滲透性，從而降低了血清吲哚酚硫酸鹽、尿素氮水平和尿蛋白排泄量。另有實驗［8］發現，用富含嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌的益生菌處理大鼠后，黏蛋白2、緊密連接蛋白-1、閉鎖蛋白和TLR2的表達增加，而含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶3、環氧合酶2和β-鏈蛋白的表達降低，提示益生菌通過增強TLR2改善腸黏膜上皮屏障完整性和抑制凋亡與炎性反應。

TLR5可以識別鞭毛蛋白，鞭毛蛋白是目前發現的TLR5的唯一配體。克羅恩病相關性大腸桿菌可在鞭毛蛋白受體TLR5缺陷小鼠中誘發慢性結腸炎，并且在除去外源性細菌后不能自主恢復，提示微生物參與了先天免疫的調節并引發自身免疫性疾病，其機制可能與TLR5缺失導致依賴IL-1β的免疫途徑異常有關［9］。

TLR9識別細菌DNA中未甲基化的胞嘧啶鳥嘌呤二核苷酸，并且足夠水平的TLR9信號轉導可維持腸道上皮中的穩態。另有研究［10］也發現，乳酸桿菌激活腸道固有淋巴細胞產生IL-22，增強腸道黏膜屏障功能并促進調節性樹突狀細胞向肝臟聚集，這些樹突狀細胞激活TLR9產生IL-10和轉化生長因子-β，進而抑制急性肝損傷時肝臟的炎性反應應答，提示腸道微生物參與調節免疫耐受。

1.1.3 NLRs 核苷酸結合寡聚化結構域2（NOD2）是NLRs中常見的一種，在小腸的上皮細胞高度表達，被細菌胞壁成分肽聚糖激活后分泌細胞因子，介導自噬，細胞內囊交換，上皮再生，產生抗微生物的多肽，從而影響微生物的組成。NOD2可以識別脆弱桿菌，誘導產生高濃度的IL-6和IL-8、中濃度的IL-1β和TNF-α，以及少量的IL-10、IL-17、IL-23和IFN-γ。

De Bruyn等［11］在克羅恩病患者回腸活組織檢查中發現厚壁菌和擬桿菌增加，考慮與NOD2突變直接參與了微生物生態失調有關。Ohlsson等［12］發現，在無菌環境下，與野生型和 Myd88－/－的小鼠相比，NOD1或NOD2缺乏的小鼠骨皮質厚度并未增加；骨組織上TNF-α和NF-кB配體的受體激活因子的表達量在無菌小鼠和野生型小鼠中顯著降低，而在 NOD1－/－或 NOD2－/－小鼠中不下降，提示腸道微生物增加TNF-α、RANKL在骨組織上的表達和減少骨量的機制均同時依賴于NOD1和NOD2信號通路。

1.2 巨噬細胞 巨噬細胞作為固有免疫的重要組成部分，因其激活后產生包括 TNF-α、IL-6、IL-10、轉化生長因子β在內的大量促炎細胞因子和各種活性氧，在腸道微生物與人類免疫系統之間起了極為重要的作用。一般來說，巨噬細胞激活包括經典活化型（M1型）和替代活化型（M2型）兩種類型，M1型具有促炎作用，而 M2型相反。M1型巨噬細胞通過激活多種促炎性反應因子來根除細胞內的感染，是主要的“殺菌”成員。而不受管制的M1型巨噬細胞的活性反而誘導組織損傷，如在糖尿病腎病早期，在糖基化終末產物和TNF-α的作用下，可觀察到促炎性的M1型巨噬細胞被激活［13］。此外，微生物反過來可影響巨噬細胞的功能。另一項研究［14］結果顯示，大腸微生物發酵產物丁酸酯通過信號轉導和轉錄活化因子（STAT）6/H3K9通路，促進體外和體內的 M2型巨噬細胞極化，同時可減輕右旋硫酸葡聚糖鈉誘導的小鼠結腸炎模型中結腸的炎性反應。

1.3 IEL 分布于上皮細胞間的IEL是黏膜免疫系統的特征性細胞。小腸IEL具有很高的異質性［2］，其中40%是γδT淋巴細胞。γδT淋巴細胞因其主要組織相容性復合體的缺陷和獨特的免疫調節功能，被認為是針對感染和腸道傷口愈合的第一道防線的關鍵細胞。胃腸道屏障不成熟使早產兒易患壞死性腸炎，而γδT淋巴細胞通過產生IL-17保持腸壁完整性并部分阻止細菌易位［15］。另一組重要的IEL是CD8＋αβ＋T淋巴細胞，其功能類似于常規主要組織相容性復合體（MHC）Ⅰ類分子限制性細胞毒性淋巴細胞。在小鼠的腸道環境下，淋巴細胞活化因子家族受體4表達并與IEL上CD8＋αβ＋T淋巴細胞受體結合，通過信號轉導控制細胞毒性CD8＋αβ＋IEL的擴增，調節固有層吞噬細胞的可逆耗竭和小腸中的炎性反應［16］。

2 適應性免疫

與機體其他部位的免疫系統相比，消化道的適應性免疫有其特點。首先，由二聚體免疫球蛋白（Ig）A介導的體液免疫是其主要形式；其次，輔助性T淋巴細胞（Th）17細胞在腸道免疫應答中十分活躍，誘導保護性免疫；再次，調節性T淋巴細胞（Treg）維持了腸道對食物抗原和共生菌的免疫耐受。

2.1 Ig A 在腸道微生物和各種食物成分的刺激下，黏膜漿細胞產生的Ig A形成二聚體，與跨上皮細胞的Ig受體結合，控制相關基因的表達，調節免疫。Ig A的產生主要有兩個機制：經典途徑是通過T淋巴細胞依賴性并由TGF-β調控；另一條途徑與T淋巴細胞無關，而依賴上皮細胞、樹突狀細胞和先天性淋巴細胞。無論是哪條路徑，都提示腸道微生物參與了Ig A濃度和多樣性的調節。

腸腔內的Ig A可以抑制微生物黏附到上皮細胞，中和微生物產生的毒素或酶，增強M細胞對抗原的攝取和胞吞轉運作用，調控微生物入侵的途徑和調節對食物的耐受；也能與Ig A Fc受體（FcαRI）受體相互作用，招募并激活中性粒細胞，產生促炎或抗炎反應。感染諾如病毒的無菌小鼠的小腸和結腸中產生了大量Ig A，膳食纖維在微生物作用下產生的短鏈脂肪酸也可以刺激腸道Ig A 的分泌［17］。

微生物群促進了Ig A的產生，反之，其所產生的Ig A也會影響微生物的組合。在炎癥性腸病高發的IL-10－/－小鼠中，使用丁酸鈉治療后，腸道菌群發生變化，如厚壁菌增多、普雷沃氏菌減少［18］。在剛出生的小鼠中，使用野生型母鼠喂養的小鼠的腸道內可以產生豐富的乳酸菌，而使用Ig A缺乏的牛奶喂養的小鼠的機會致病菌增加［19］。

2.2 Th17細胞 黏膜系統的Th17細胞主要分布于結腸和回腸的固有層，可能與這些部位有大量特定的微生物聚集有關，如梭菌相關性分段絲狀菌易在該處形成群落，對于Th17細胞的分化有作用。Th17細胞表達的IL-17A和IL-17F不但能誘導趨化因子和細胞因子如IL-6、粒細胞集落刺激因子，進而調節嗜中性粒細胞的分化和活化，而且可以刺激上皮細胞產生抗菌肽和CCL20，誘導3型先天性淋巴細胞產生IL-22。此外，Th17細胞也可作用于B細胞，誘導全身B細胞分化和抗體產生。

IL-17和IL-22刺激腸道上皮細胞加速分泌黏液和β-防御素，具有保護黏膜免受微生物傷害的作用，如刺激IL-17的表達可預防檸檬酸桿菌的感染［20］。然而，Th17細胞的過度激活可能導致嚴重的疾病，如它可以在TGF-βl作用下誘導腎臟局部微環境中IL-17的產生，升高腎小球硬化指數，加重腎臟局部炎性反應［21］。

2.3 Treg細胞 普通器官中的Treg細胞含有對自身抗原特異的T淋巴細胞受體，而腸道中表達叉頭樣轉錄因子3的Treg細胞則不同，它含有一套獨特的T淋巴細胞受體組，可產生IL-10，作用于髓系細胞，通過激活STAT3來抑制對膳食中無害抗原和共生微生物抗原的免疫應答。除髓系細胞外，Th17細胞也表達高水平的IL-10受體α（IL-10Rα），因此IL-10可同樣抑制Th17的活性。如在小鼠中，多糖A產生的叉頭翼狀螺旋轉錄因子（Foxp）3＋Treg抑制Th17活性，從而促進細菌腸道定植，被用于炎癥性腸病的治療［22］。另一方面，共生細菌及其代謝物也可促進并誘導黏膜耐受的Treg細胞產生。在經典的狼瘡性腎炎模型小鼠 MRL/lpr中使用乳酸桿菌后，其腎功能改善，存活時間延長，可能機制是乳酸桿菌減少了腸道中的IL-6而增加了IL-10，降低了血循環中IgG2a的濃度并減少其在腎臟的沉積；同時在腎臟中，乳酸桿菌促進Treg表達的增加［23］。一些代謝產物，如短鏈脂肪酸和吲哚，也可作為信號分子，參與調節Treg細胞的功能。

3 小 結

近十年來，人們已經越來越意識到人體與腸道微生物之間互惠互利的關系。在大量的無菌和常規培養動物模型中發現，微生物在人類固有和適應性免疫的發展和調控中起了重要作用，并且與多種自身免疫性疾病有關。因此，進一步深入研究宿主和微生物的關系對預防和治療與腸道微生物菌群失調有關的疾病具有深遠的意義。