腸道屏障功能障礙對HIV相關性免疫激活的作用①

廖 娟 玉 葉 王建超 文 彬 鄧 鑫（廣西中醫藥大學附屬瑞康醫院，南寧 530001）

艾滋病（acquired immune deficiency syndrome，AIDS）目前被認為是一種慢性疾病，人類缺陷免疫病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染機體后，攻擊并感染人體免疫系統，使免疫系統受損，引起腸道屏障功能受損，使得免疫系統更難抵御感染和其他疾病。大多數研究支持免疫激活比HIV更能預測AIDS的疾病進展，而腸道黏膜屏障是啟動全身性免疫激活的關鍵，因為腸道是HIV首先攻擊的部位，突破屏障后，病毒、微生物及其產物均可通過淋巴結流向全身。從局部炎癥跨越到全身性免疫激活，引發非AIDS相關性疾病，且預后較差，是目前臨床的難題之一。

1 免疫激活與腸道屏障功能障礙是HIV發病/進展的關鍵

在生理條件下，大多數免疫細胞處于靜止狀態，HIV感染的一個關鍵特征是參與免疫反應的細胞數量和多樣性不再靜止，HIV-1通過直接或間接方式引起適應性和先天免疫系統的激活。急性感染期，HIV能引起強烈的細胞免疫反應，無論是細胞數量和范圍上都表現出上升的趨勢，細胞周轉率增加，凋亡增加，單核細胞激活標志物等炎癥指標明顯上升，這些細胞的高水平激活代表了宿主較強的即時免疫反應，并預測了隨后CD4+T細胞耗竭的速度［1-2］。急性感染消退后，T細胞激活達到“穩態”，進入一個低水平但持續的慢性免疫激活狀態。

其次，HIV病毒的復制可以通過ART治療得到很好的抑制，但慢性免疫激活及腸道黏膜屏障功能障礙在治療后仍未見恢復，如Th17等黏膜保護性細胞的缺失仍未能恢復［3］。黏膜屏障在AIDS發病機制中起核心作用，被認為是AIDS免疫激活的原因。

胃腸道不斷地與營養物質、過敏原、共生微生物和病原體接觸，因此須擁有特殊的屏障保證內環境的平衡：緊密連接的腸上皮細胞形成的物理屏障；絨毛及杯狀細胞等分泌黏液層形成的化學屏障；上皮細胞的分泌黏液素和抗菌肽以及白細胞在固有層構成的免疫屏障等共同形成了胃腸道，有助于吸收營養，防治細菌移位及病原體入侵的平衡環境。腸道內寄居著數以萬億計的微生物，與宿主保持著共生關系，不僅給宿主提供消化功能，調節宿主的新陳代謝，還能刺激淋巴組織和黏膜免疫系統的發育，并參與調節代謝、免疫、腸道屏障等重要功能，是一道能有效防止致病菌對腸道的感染及多種腸道病原體定植的生物屏障［4-5］。HIV導致腸道內大量CD4+T細胞、Th17細胞的丟失、巨噬細胞吞噬功能衰竭、局部炎癥的建立、腸道通透性的改變、結構上皮損壞（腸細胞凋亡、緊密連接破壞等）以及腸道的免疫功能嚴重受損，允許了微生物的易位和致病菌的入侵，并且，紊亂的微生物及其產物也是促進免疫激活的物質，通過淋巴結進入體循環，促進了全身的免疫激活，而免疫激活反過來又引起更多的免疫細胞的損耗，進一步加重屏障受損，形成一個惡性循環，因此免疫激活與腸道屏障功能障礙相互促進了AIDS的進展。

2 腸道屏障損傷是全身免疫激活的先決條件

2.1 HIV的破壞HIV優先攻擊的部位在腸道，引起腸道上皮細胞緊密連接的破壞，腸道通透性增加，絨毛萎縮和隱窩增生，淋巴細胞炎癥浸潤及腸道上皮層損傷等［6-7］。

腸道屏障的損傷是微生物易位和隨之引起免疫激活的先決條件，HIV-1可以直接破壞人體內的黏膜上皮屏障，HIV的感染伴隨著IL-18水平的增加及其拮抗劑IL-18結合蛋白的降低，通過激活cas?pase-1和caspase-3誘導腸細胞的凋亡增加，減少和破壞緊密和黏附連接蛋白、閉合蛋白（occludin）、封閉蛋白（claudin 2）和β-連環蛋白（β-catenin）來增加上皮屏障的通透性，導致黏膜屏障受損，所以本該排除在外的分子或致病菌可以透過黏膜層，以及原本的微生物生長位置或數量種群的改變，導致黏膜炎癥［8-9］。另外，一些受HIV感染細胞釋放的病毒因子，如HIV gp120和Tat蛋白，HIV-1Tat蛋白與Toll樣受體（TLR4）通路相互作用，導致促炎和抗炎細胞因子的產生，也對腸上皮細胞產生有害影響，表現在影響腸道通透性、誘導腸細胞的凋亡、激活腸膠質細胞，引起免疫激活反應［10-11］。

2.2 Th17的丟失Th17細胞是CD4+T細胞的一個主要譜系，位于屏障表面先天免疫和適應性免疫的界面，是維持屏障表面對病原體的第一道防線。HIV感染并殺傷Th17細胞，因為Th17表達HIV的主要共受體CCR5、CCR6。Th17相關細胞因子的細胞信號通路是適應性免疫反應的關鍵調節因子，也是觸發/參與防御細菌病原體的抗菌肽的產生，如IL-17能誘導趨化因子的產生及中性粒細胞的募集，調節腸上皮細胞通透性，IL-22可誘導上皮細胞產生抗菌肽，促進腸上皮細胞增殖、存活和組織修復［12-13］。雖然Th17的丟失不一定是屏障完整性破壞的初始機制，但它的丟失會引起黏膜持續的損傷，中性粒細胞的浸潤，助長微生物的易位等。

Th17與調節性T細胞（Tregs）在黏膜組織中的相互促進發展，Tregs表達轉錄因子forkhead box P3（FoxP3），FoxP3+Tregs具有抗炎、抑制免疫反應的作用，控制包括Th1、Th2、Th17細胞在內的T細胞的自反應，在HIV-1中，Th17持續的丟失，Treg的增加，Th17/Treg比例的失衡，這與持續的系統性免疫激活和細胞應激通路的開放有關，導致了免疫系統不能有效清除病原微生物，允許隨后的微生物易位及菌群的紊亂［14］。

2.3 腸道菌群的紊亂 腸道微生物種類對宿主免疫功能的微妙之處在于：微生物群和宿主之間多方面相互作用共同維持腸道內環境，腸道菌群能有效地抵抗多種腸道病原體的定植，通過微生物產物對病原體生長的直接抑制、微生物生長對營養物質的消耗以及微生物誘導的先天性和適應性免疫反應等機制，如分葉絲狀菌促進腸道Th17的產生和分化，厚壁菌門、擬桿菌門、放線菌門、乳酸菌、變形菌門等菌屬能幫助宿主抵御有害微生物［15-16］。HIV感染者早期即存在腸道菌群失衡，雙歧桿菌和乳酸菌已被證明對黏膜免疫功能和屏障完整性有積極的影響，而AIDS感染者中2種菌群水平明顯低于健康受試者，機會性病原體，如銅綠假單胞菌和白色念珠菌的檢出率顯著增加［17］。

腸道致病菌可以利用宿主的反應，使環境有利于菌群的生長。有研究揭示了特定腸道微生物群落對局部和全身炎癥性疾病的重要致病作用，艱難梭菌能引起腹瀉，也可表現為一種危及生命的疾病，伴有麻痹性腸梗阻或發展為繼發性敗血癥［18-19］。雖然腸道有多重屏障，腸道炎癥仍是高發疾病，腸道菌群組成的非自然改變，會導致多種病理紊亂。在炎癥性腸病(inflammatory bowel disease，IBD)中，致病菌和益生菌都可以突破腸道屏障，誘導易感宿主發生腸道炎癥，即所有細菌都有可能發展成為致病菌［20］。在HIV感染者中，由于黏膜屏障受損后，腸道微生物更容易進入黏膜層，宿主對腸道微生物過度的免疫反應引起腸道炎癥，從而引起持續的免疫激活。另外，腸道駐留菌數量及菌群的紊亂，直接刺激宿主炎癥反應，這可能也是HIV相關微生物群紊亂與全身免疫激活之間的一種機制。HIV感染群體中糞便檢測出高濃度的腸道炎癥標記物，如糞鈣衛蛋白（腸道黏膜中募集的中性粒細胞分泌的一種蛋白），這表明腸道微生態學與腸道炎癥、黏膜損傷及黏膜免疫激活的相關性［21］。還觀察到各種變形桿菌的豐富度增加，包括大腸桿菌、沙門氏菌、假單胞菌、耶爾西尼亞和克雷伯菌等有鞭毛的、促炎的，具有易位能力的菌種［22］。這些菌屬的增加得益于HIV急性感染期胃腸道固有層CD4+T細胞大量耗竭，引起上皮屏障的損傷，腸道黏膜的中性粒細胞聚集引起ROS的產生增多，而ROS的增多更適合促炎癥兼性厭氧菌的生長，這些細菌的增加反過來又加劇了腸道炎癥，且被認為是具有跨腸道屏障的高傾向性［23］。沙門氏菌其毒力能入侵腸上皮細胞并在黏膜巨噬細胞中存活，引起急性腸道炎癥，炎癥過程產生的活性氧與內源性的硫化物發生反應，形成的四硫酸鹽，使傷寒鏈球菌在發炎的腸道內的競爭微生物群中具有生長優勢并促進沙門氏菌的生長，傷寒鏈球菌其毒力可侵襲腸道上皮，與腹瀉、急性腸道炎癥和炎癥單核細胞聚集有關［24-25］。因此，在黏膜屏障破壞后，大量的菌群紊亂參與了宿主免疫激活，誘導了局部乃至全身的高炎癥反應。并且，菌群的失調改變了腸道內環境，增加有害菌的數量，黏液層遭到破壞，上皮細胞黏附增加、腸通透性增加和炎癥易感性增加，而腸道炎癥環境特別有利于腸桿菌科細菌的大量繁殖，其大量繁殖與多種炎癥疾病、肥胖、癌癥以及非HIV相關性疾病發生風險密切相關［26］。故腸道微生物群失調及其引起的持續性炎癥反應有可能以不同的方式影響AIDS進展自然史的各個階段，從傳播期到終末期。

2.4 微生物代謝物的失衡 腸道菌群及其代謝物對腸道免疫功能的形成和維持非常重要，乃至全身性疾病亦存在非常大的關聯，尤其是在HIV感染群體中腸道菌群紊亂的情況下［27-30］。SHAN等［31］人首次報道了HIV感染群體的腸道微生物相關膽堿代謝產物三甲胺-N-氧化物的增加與頸動脈斑塊形成及心血管不良事件的風險增加有關。腸道微生物的代謝產物對機體也可產生保護作用，如短鏈脂肪酸，是一種結腸細菌發酵未消化的復雜碳水化合物的代謝物，是腸上皮的能量來源，能促進黏液的產生和Tregs的分化，起到調節黏膜免疫的作用，確定腸道促炎或抗炎環境，并通過影響結腸的水分吸收和降低糞便pH來影響其他細菌在結腸中的生長［32-33］。在HIV患者中發現缺乏廣泛的SCFA，源于腸道菌種的減少，使得腸細胞容易遭受損傷及炎癥刺激［34］。微生物產物的失衡，得益于腸道黏膜屏障受損，菌群的紊亂，許多研究指出，微生物紊亂及其產物從胃腸道進入體循環可能是HIV-1感染過程中免疫功能障礙和持續炎癥的重要驅動因素，并不是HIV感染的結果［35］。

紊亂的代謝產物又可以是致病因素。隨著HIV的發展腸道CD4+T細胞逐漸耗盡，腸道穩態進一步惡化，腸道系統的免疫激活、炎癥、黏膜修復以及再生減少，都有助于HIV-1相關的腸病，增加的細菌產物更容易進入循環。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是革蘭氏陰性菌外膜的主要成分，是微生物易位的重要標志之一，肽聚糖和細菌DNA等可能進一步刺激免疫激活的惡性循環，從而促進病毒復制和疾病進展。正常情況下，產堿桿菌LPS的炎癥活性弱于大腸桿菌來源LPS，并在不誘導過度炎癥反應的情況下創造和維持自身的動態平衡環境，適量的LPS還有利于宿主的抗菌防御能力，在HIV-1中，血清LPS水平與CD4+T細胞的激活標志（CD38 MFI和CD38/HLA-DR表達水平升高）、抗原經歷/耗竭（PD-1的表達，尤其是CD4+記憶T細胞）和隨后3個月的增殖（Ki67的表達）的標志之間密切相關，即使是在HIV陰性但亞臨床水平的內毒素血癥患者，其促炎細胞因子如TNFa、IP-10和MCP-1水平仍顯著升高，CD4/CD8 T細胞比例顯著降低，表面微生物易位是導致免疫激活的直接因素［36-37］。肝臟擁有一個復雜的免疫系統，它是內臟源性病原體/PAMPS的守門人，肝內巨噬細胞（hepatic kupffer cells，KCs）能清除易位的細菌產物和耐受LPS的促炎作用，阻止病原體促進全身免疫激活，HIV-1感染會通過上調β表達和下游激活NLRP3-Caspase1通路，使KCs對IL-1β、IL-6和TNF-α以及LPS的促炎反應增敏，并放大其炎癥效應［38］。

（1→3）-β-D-葡聚糖（βDG）存在于真菌細胞壁中，可作為血清生物標志物早期診斷侵襲性真菌感染及腸道損傷的標志［39］。βDG是生物體內重要的免疫刺激劑，通過與細胞表面受體Dectin-1的多價結合可激活免疫防御系統，與LPS同樣在免疫激活、炎癥和非AIDS的風險事件起關鍵作用［40］。βDG能被先天免疫系統識別，通過激活白細胞和產生炎癥介質發生免疫防御作用。免疫細胞表面表達的補體受體3、TLR和Dectin-1受體被βDG識別并轉化為細胞內信號，招募脾酪氨酸激酶（spleen tyrosine kinase,Syk）的磷酸化，激活免疫防御反應，并誘導吞噬作用、活性氧的產生和炎癥小體的激活，炎癥細胞因子的釋放協調了對病原體的免疫反應，而依賴Dectin-1的Syk-CARD9-Erk通路能誘導巨噬細胞由M1向M2表型轉化，M1和M2表型之間的平衡通常被認為是宿主防御調節的關鍵，而M2型巨噬細胞的特征是高分泌IL-10和腫瘤生長因子-β，低水平的IL-12，它們參與炎癥消退、Th2反應和寄生蟲清除、免疫耐受、腫瘤形成和發展等［41-43］。HIV-1患者腸道屏障的受損極易受到細菌/真菌的侵襲感染，在感染急性期血漿BDG即開始升高，在慢性期全身免疫激活期間更進一步升高，與微生物易位程度相一致，以及CD4+T細胞計數、CD4/CD8呈負相關［44］。雖然BDG在微生物易位的特異性不是很高，但研究發現血BDG水平越高，sCD14水平越高，單核細胞活化的標志物也越高，而腸道乳酸桿菌比例越低［45］。高BDG水平仍然是一個評價腸道屏障完整性的有用標志物，與引發系統性免疫激活有直接關系。

3 總結

腸道黏膜屏障是菌群與宿主和諧的關鍵，腸道菌群失調與腸道內外的許多疾病都有密切的關系，除了HIV感染，還有炎癥性腸病、糖尿病、肥胖、慢性心臟病、肝病、癌癥、自閉癥等［46］。在正常情況下，腸道菌群和宿主之間的多方面相互作用共同維持腸道內環境，但在HIV感染者中，維持黏膜屏障細胞、分子和通透性的改變等，引起黏膜生物、物理、化學屏障進行性地損傷，微生物的易位、益生菌的減少、致病菌的異常生長及其代謝產物紊亂都對免疫激活產生了重要的影響，并關系到疾病進展以及非AIDS相關性疾病的發生，逐一阻斷免疫激活途徑或微生物致病機制較為困難，早期積極保護腸道黏膜屏障的完整性、調節腸道免疫方面，中醫藥有一定的優勢，這也是防止腸道微生物失調的源因素，也是全身免疫激活的最開始的屏障［47］。