共生微生物會引發自身免疫性疾病嗎？

編譯 聞心

由常駐菌及其宿主產生的分子可能都向免疫細胞發出信號，進而使其攻擊人體自身的組織。

20世紀80年代中期，當免疫學家雷切爾·卡斯皮（Rachel Caspi）開始研究一種名為自身免疫性葡萄膜炎的炎癥性眼病時，她將在患病哺乳動物視網膜中發現的蛋白質注射給小鼠，以引發小鼠患上這種疾病：將感光細胞間維生素A類結合蛋白（IRBP）和一種免疫刺激化合物一起注射到小鼠的血液中，小鼠自身的T細胞會攻擊眼睛，最終導致了炎癥，組織損傷，最終失明。卡斯皮需要一個更好的模型來研究人類葡萄膜炎，她希望在這個模型中，IRBP特異性T細胞會自發地攻擊視網膜，而不需要任何外源性免疫刺激。

十年前，在馬里蘭州貝塞斯達的國立眼科研究所，卡斯皮和研究團隊研發了一種新的葡萄膜炎的基因小鼠模型：人為地使小鼠產生大量與IRBP結合的T細胞，而不需要加入佐劑。這一模型發病時，和人體發病過程一樣——這些T細胞進入小鼠的眼睛，視網膜發炎。

這個模型使卡斯皮能夠探索關于自身免疫性葡萄膜炎的疑問：T細胞被一種蛋白質激活，而這種蛋白質卻只有視網膜細胞和松果體才能產生——而它們通常與免疫系統幾乎沒有互動。眼睛細胞甚至會釋放出阻止T細胞進入的分子，只有處于激活狀態的T細胞才能進入免疫特權器官。但在小鼠模型中，眼外及松果體外并沒有可以激活T細胞的IRBP。

卡斯皮推斷，T細胞可能是在身體其他部位遇到類似IRBP。但她知道光有蛋白質是不夠的，T細胞還需要第二個信號才能切換到攻擊模式。她說：“我們認為T細胞不僅需要抗原信號，而且還需要免疫學家的小秘密——佐劑——細菌提供的先天危險信號。”

和大多數免疫學家一樣，卡斯皮也意識到一種現象，即病原體可以通過產生與宿主細胞相似的抗原來觸發自身免疫性攻擊，同時提供激活免疫細胞所需的炎癥信號。這一過程被稱為分子擬態（曾是感染發生時的專門研究內容），可導致自身抗體或對宿主自身組織做出反應的抗體的濃度在血液中暫時升高。對大多數人來說，這一過程是無害的，但在某些情況下，例如，對具有遺傳易感性的人來說，這可能會導致疾病。分子擬態現已成為一種確切的機制，通過這種機制，感染可導致某些自身免疫性疾病，如風濕熱。

自身免疫性疾病中的共生擬態

最近的研究表明，從免疫細胞的角度來看，來自微生物群的抗原可能看起來像人體組織自身的蛋白質，因此可能引發自身免疫反應。在幾項研究中，研究人員發現，攻擊人體的B細胞和T細胞與人體蛋白結合，也與由共生細菌產生的類似蛋白結合

來自口腔、皮膚和腸道的共生細菌產生人體蛋白Ro60的同源體。其中一些細菌的Ro60激活了狼瘡患者血液中的T細胞。狼瘡患者的Ro60特異性抗體也與細菌Ro60結合，這表明共生細菌可能參與自身免疫性疾病進展時激活B細胞產生抗體的過程

從幾例多發性硬化癥患者腦脊液中分離出的T細胞對人類的和細菌的鳥苷二磷酸巖藻糖合酶都有反應。研究人員認為，產生這種蛋白質的腸道細菌有可能激活T細胞，進而攻擊中樞神經系統

從類風濕關節炎患者的血液和滑液中分離出的兩種蛋白與幾種共生腸道細菌蛋白具有序列同源性。患者體內的抗體和T細胞對人類的和細菌的縮氨酸都有反應，而健康對照組則沒有

卡斯皮想知道她的實驗小鼠身上是否也發生了類似的事情，但這些小鼠從未接觸過傳染性病原體。她說：“我們首先想到的是，在一個健康的個體身上，你在哪里能發現大量的細菌？對了，就是腸道。”

針對一組有自身免疫性傾向的小鼠，在它們出生前和出生后，研究團隊通過兩次注射混合抗生素達到盡可能徹底消除它們體內腸道微生物群的目的。果然，與未接受注射的小鼠相比，接受注射的小鼠患葡萄膜炎的可能性更小，而未接受注射的小鼠一般在4星期左右就會患上葡萄膜炎；而且接受抗生素注射的小鼠即使患病時，癥狀也不那么嚴重。這表明，腸道中的一些微生物激活了IRBP特異性T細胞，從而引發疾病。

微生物群和自身免疫之間存在關聯并非新鮮事。眾所周知，患有各種自身免疫性疾病的患者體內的腸道微生物群落發生了改變。將多發性硬化癥（MS）患者的排泄物成分注射到易于發生自身免疫性疾病的實驗室小鼠體內，可在小鼠體內誘發疾病癥狀。相反地，抗生素治療或在無菌環境中居住，可以治療、治愈或預防這些嚙齒動物發生自身免疫性疾病。其中一些自身免疫-微生物群的關聯被認為是來自共生細菌的化學信號，這些信號可以觸發T細胞進入發炎處。直到最近幾年，研究人員才開始思考是否腸道細菌和人類共享的抗原引發了疾病。

卡斯皮表示，盡管已有幾十年的時間，人們對生活在人體表和人體內的微生物生態系統的了解日益加深，但對分子擬態概念的關注很少。卡斯皮和同事們于2015年發表的研究結果指出：“這是我們第一次證明看起來相似的抗原可能來自我們自己的腸道菌群，且我們無法與之隔離。”

卡斯皮仍在尋找確鑿的證據，證明共生擬態導致她的實驗小鼠發展出自身免疫性葡萄膜炎。她的研究團隊正試圖找出哪些細菌抗原協助了IRBP反應性T細胞，以及這些細胞是如何被調控從而攻擊眼睛的。自從她開啟這個項目以來，這個想法得到了其他幾個研究團隊的支持。過去幾年，研究人員將共生微生物與自身免疫性疾病聯系在一起，包括多發性硬化癥、狼瘡、青光眼、1型糖尿病和類風濕性關節炎，這表明細菌抗原可以激活人類免疫細胞去攻擊人體內自身組織。

耶魯大學免疫學家馬丁·克里格爾（Martin Kriegel）認為，最近的研究表明，與病原體一樣，共生微生物會導致免疫系統與宿主組織發生交叉反應。他表示，現在的挑戰在于弄清楚在什么情況下，分子擬態會導致自身免疫性疾病。

誘導轉變

最早證明人類細胞產生的分子與細菌產生的分子之間的相似性——病原性或共生性——會導致自身免疫性疾病，包括風濕熱（如關節炎、心力衰竭），以及神經系統疾病。早在20世紀50年代，研究人員就懷疑感染A組鏈球菌可能會以某種方式觸發人類免疫細胞攻擊心臟組織。直到1962年，這一關聯才得到確認，當時哈佛大學的兩名研究人員梅爾文·卡普蘭（Melvin Kaplan）和瑪麗·梅耶塞利安（Mary Meyeserian）對一名11歲男孩的心臟進行了研究。這名男孩死于鏈球菌感染引發的風濕熱。他們在他的心臟中發現了免疫細胞和抗體沉積。他們還用鏈球菌細胞壁對兔子進行了免疫，發現了兔子血液中的某些東西——后來被證明是抗體——與人類心臟組織發生反應。

隨后在小鼠和人類身上進行的研究顯示，在感染A組鏈球菌時，B細胞會產生抗體，與細菌表面的一個糖基結合，標記出要消滅的微生物。同樣的糖基也存在于心臟、皮膚和大腦的蛋白質中，這意味著被激活的免疫細胞也會攻擊這些組織。與此同時，攜帶識別糖基受體的T細胞會增殖，并與抗體一起引發炎癥，從而損害心臟，引起神經系統癥狀。免疫系統對感染的反應變成了對自身的毀滅性攻擊。

自那以后，這種擬態被認為是引發多種自身免疫性疾病的可能因素。例如，有充分證據表明，神經細胞的細胞膜成分與空腸彎曲菌的細胞膜成分的相似之處是神經自身免疫性疾病格林-巴利綜合征的一個重要原因。另一個確定的例子是多發性硬化癥和艾巴氏病毒之間的聯系。攻擊多發性硬化癥患者髓磷脂的T細胞也能識別出艾巴氏病毒抗原，攜帶該病毒被認為是導致這種疾病的一個危險因素。

卡斯皮表示，鑒于感染性病原體與宿主自身免疫性疾病之間的聯系越來越多，我們很自然地將共生菌視為擬態源。微生物制造的蛋白質和哺乳動物制造的蛋白質之間的分子相似性非常普遍。一項研究報告稱，人類與至少一種細菌共享超過99%的少于8個氨基酸的多肽。

2016年，耶魯大學醫學院臨床醫師、免疫學家李文及同事們發現，基因易發1型糖尿病的小鼠腸道微生物群組成發生了重大變化。研究人員比對了一種胰腺蛋白的序列，這種蛋白名為胰島特異性葡萄糖-6磷酸酶催化亞基相關蛋白，簡稱IGRP，已知IGRP能激活那些1型糖尿病小鼠和人的T細胞攻擊胰腺，與細菌蛋白質的數據庫對比后，確定了3種共生細菌擬態。當研究人員將受到IGRP擬態刺激的T細胞注射到有患病傾向的小鼠體內時，小鼠尿液中的葡萄糖水平開始升高，這表明，相比正常情況，它們將更早患上糖尿病。給小鼠喂食一種能產生IGRP擬態的細菌，同樣可以使小鼠更早患上糖尿病。這項研究首次證明，一種模仿哺乳動物肽的共生體可以直接激活導致1型糖尿病的T細胞。

可能與人類共生擬態有關的疾病正在迅速增加。2018年3月，克里格爾的團隊發表的證據表明，共生擬態可能在狼瘡中發揮作用。狼瘡是一種免疫系統攻擊多種器官的疾病，包括皮膚和腎臟。研究人員發現，針對一種名為Ro60的人類蛋白的抗體是導致狼瘡的一個風險因素，可能在患者確診前數年就存在于血液中。研究人員尋找共生細菌產生的具有相似結構的蛋白質。正如所預料的那樣，研究團隊發現了由健康個體和狼瘡患者的腸道、口腔和皮膚微生物群中的細菌產生的類似人類Ro60的蛋白質。然而，只有狼瘡患者攜帶針對Ro60的抗體和T細胞。研究人員從患者身上分離出Ro60特異性T細胞，發現這些細胞與由腸道共生多形擬桿菌和口腔及皮膚共生丙酸丙酸桿菌產生的Ro60模擬物結合并發生反應。Ro60特異性抗體還能與人類蛋白和細菌模擬物結合。克里格爾表示，這至少表明，共生細菌有可能激活體內Ro60特異性B細胞和T細胞。

在未發表的研究中，克里格爾的團隊還觀察到，對自身免疫性疾病抗磷脂綜合征相關抗原的特異性T細胞和B細胞與腸道中發現的細菌抗原發生交叉反應。在類風濕關節炎的研究中，波士頓大學和哈佛大學的一組研究人員報告了來自幾種不同共生細菌的肽序列和在患者發炎關節的體液中發現的兩種抗原的重疊。在實驗中，這些細菌肽激活了大約一半患者的T細胞，但沒有激活健康個體的T細胞。

免疫平衡

即使共生細菌確實會引發我們自身的免疫攻擊，研究人員也一致認為，消除微生物群并不是治療自身免疫性疾病的方法。常駐細菌對免疫系統至關重要，在某些情況下，它們負責抑制潛在的破壞性免疫反應。卡斯皮說：“沒有共生細菌的情況比有共生細菌的情況要糟糕得多。”

最近的一項研究甚至發現，細菌擬態可以在共生的免疫抑制活動中發揮作用。由幾種腸道微生物組成的抗原看起來像胰腺蛋白IGRP，并激活細胞毒性IGRP特異性T細胞的一個子集。這些T細胞進入腸道，殺死其他已知會引起腸道炎癥的免疫細胞，從而保護小鼠免受結腸炎的侵襲。

克里格爾表示，對于自身免疫性疾病風險較高或處于疾病早期階段的患者來說，清除某些微生物可能是一個值得考慮的策略。他說：“從理論上來說，選擇這些病人，確定交叉反應的觸發因素并設法將其去除，是可行的。最困難的是如何去除它們。”他表示，對于狼瘡患者來說，或許可以使用局部抗生素去除皮膚微生物群中Ro60模擬物的來源。

卡斯皮對已經在進行中的以共生細菌治療疾病的方法持懷疑態度。她說：“很多都是誘導效應。共生細菌會引發自身免疫攻擊，這并不意味著通過消除誘導效應就可以阻止它。”卡斯皮建議以益生菌的形式添加細菌，而不是去除體內的細菌，她說：“通過使用適當的益生菌，我們仍然有可能影響疾病的發展。”

蘇黎世大學的免疫學家米雷婭·拉莫斯（Mireia Sospedra Ramos）表示，已有一些證據表明，改變腸道微生物組合可能對多發性硬化癥患者有益。她指出，有研究表明，服用益生菌可以減少炎癥的標志物和該疾病的一些癥狀。她補充說，同樣的共生細菌可能不會對所有患者都有益，因為人們攜帶著對不同抗原有不同反應的免疫細胞。

卡斯皮表示，簡單地根除或改變單一種類的細菌不太可能解決問題。“我覺得我們很難從分子模擬方面的發現中直接得出治療方法。我們可能需要調用其他方法來恢復免疫平衡，而不是試圖消除最初導致免疫平衡的因素。”

有證據表明，共生抗原模擬物可以提供使免疫細胞進入免疫特權部位（如眼睛和中樞神經系統）所需的刺激。最近，米雷婭·拉莫斯從一位多發性硬化癥患者的腦脊液和腦部病變中分離出T細胞，這些細胞對鳥苷二磷酸巖藻糖合酶有反應。這種酶參與細胞表面蛋白生成，介導人體內各細胞之間的相互作用，尤其是在大腦和腸道中。結果表明，鳥苷二磷酸巖藻糖合酶也可以由幾種共生細菌產生。

拉莫斯及其同事發現，在研究中，大約40%多發性硬化癥患者的腦脊液中含有的T細胞，對人類的鳥苷二磷酸巖藻糖合酶有反應。研究人員發現，在他們測試的7名患者中，有4名患者的T細胞與兩種細菌制造的酶反應強烈，這兩種細菌在多發性硬化癥患者的腸道中含量過高。她表示，腸道中細菌鳥苷二磷酸巖藻糖合酶的激活，有可能使T細胞穿過中樞神經血管周圍的細胞防御系統，即血腦屏障。拉莫斯假設：“為了跨越血腦屏障，這些T細胞應該是在大腦外部被激活。可能是因為腸道中的T細胞可以識別細菌中的這種蛋白質，然后，由于某些我們尚未了解的原因，可以遷移到大腦中，穿過血腦屏障。在大腦中，識別人體產生的這個酶。”

盡管共生細菌能夠產生慢性自身免疫性疾病的觀點仍然是推測，但像這樣的實驗使克里格爾相信，共生擬態與自身免疫疾病之間的聯系是真實存在的。他說：“總的來說，我認為交叉反應的發生毫無疑問會導致疾病。只是很難確切地證明。”

第二信號

在無菌小鼠身上培養能夠產生模仿自身抗原蛋白的細菌，肯定會增加小鼠罹患自身免疫疾病的風險，從而暗示一種因果關系的存在，但通常情況下，細菌或其抗原本身的存在并不足以導致疾病。正如20世紀80年代卡斯皮不得不在小鼠模型中使用她的“小秘密”——佐劑觸發小鼠患上葡萄膜炎，克里格爾的團隊除了喂給小鼠一種細菌用來產生Ro60模擬蛋白，也同樣不得不使用佐劑，以引發小鼠的腎臟炎癥——狼瘡的核心癥狀。

這可能是因為免疫系統還有很多預防自身免疫的措施。一個主要的免疫控制是T細胞需要通過至少兩種不同的受體進行刺激才能發動攻擊。麻省理工學院的免疫學家陳建柱說：“通常，為了激活原始T細胞，身體需要兩個信號——抗原和共刺激。”他的研究團隊最近在青光眼小鼠模型中發現了共生擬態的作用。最常見的情況是，T細胞從被稱為抗原遞呈細胞（APCs）的免疫細胞中獲得共刺激，APCs是損傷或感染的第一反應者。這些細胞消耗和處理受損的細胞成分或細菌抗原等物質，感知環境，并在必要時給予T細胞攻擊的許可。

在腸道中，APCs通常做相反的事情，提供信號告訴T細胞容忍共生微生物。在這個過程中，一定有什么東西出了問題，使得共生模仿物能夠驅動自身免疫。克里格爾說：“你可以想象，一旦基因關聯錯誤，致病反應來得有多快！”

經歷過自身免疫疾病和沒有經歷過自身免疫疾病的人之間的區別可能與某些微生物的存在數量有關，但也在于人們的免疫系統如何處理這些微生物攜帶的交叉反應抗原。克里格爾說：“任何疾病都是多因素的。你有錯誤的基因加上錯誤的細菌，那么你很容易患病。”

卡斯皮正試圖在她的葡萄膜炎小鼠模型中找出該配方的成分。除了確定IRBP的細菌模擬物外，她的團隊還在研究代謝物和其他由共生細菌組成的分子，這些共生細菌可能參與引導IRBP反應性T細胞向促炎表型發展的過程。她說：“這是一個非常復雜的體系。有一些反應甚至發生對抗作用，但分析時需要綜合考慮，最終決定機體是否患上疾病。”

模擬物

由幾種共生細菌產生的蛋白質與人體蛋白有著共同的肽序列或結構，人體的這些蛋白恰與自身免疫T細胞和B細胞結合。在實驗中，這些細菌模擬物可以激活從自身免疫性疾病患者身上收集的致病免疫細胞，并誘導或加速小鼠的病情發展。這使得研究人員認為，由腸道細菌產生的抗原模擬物能夠以某種方式激活免疫細胞，然后這些免疫細胞進入并攻擊目標組織，從而導致自身免疫性疾病。

?