腸道菌群代謝產(chǎn)物對腸道免疫影響的研究進展

鄭倩婷 孟立娜

人體腸道菌群與腸道免疫系統(tǒng)之間有著密切的關(guān)系，腸道菌群可促進腸道免疫應(yīng)答、維持免疫穩(wěn)態(tài)并防止病原體定植，參與了宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育、成熟，腸道菌群與腸道免疫系統(tǒng)共同進化，以維持腸道健康[1]。腸道菌群失調(diào)會造成腸道免疫系統(tǒng)平衡的破壞，而腸道免疫失衡與腸道炎性反應(yīng)及疾病相關(guān)，如炎癥性腸病(IBD)、腸易激綜合征(IBS)等[2]。有研究報道，腸道菌群可通過降解食物、生物轉(zhuǎn)化、分泌物質(zhì)等產(chǎn)生代謝產(chǎn)物，如短鏈脂肪酸(SCFA)、膽汁酸等，這些代謝產(chǎn)物可影響宿主腸道免疫系統(tǒng)。本文就腸道菌群代謝產(chǎn)物對腸道免疫影響的研究進展作一綜述。

1 SCFA

SCFA是指碳鏈上的碳原子數(shù)<6個的有機脂肪酸，包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和戊酸。膳食纖維經(jīng)過腸道菌群發(fā)酵產(chǎn)生SCFA，SCFA通過多種途徑進入腸上皮細胞：(1)被動擴散；(2)由轉(zhuǎn)運蛋白運輸，如鈉離子偶聯(lián)的單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1(SMCT1)和單羧酸轉(zhuǎn)運蛋白1(MCT1)；(3)激活G蛋白偶聯(lián)受體(GPCR)[3]。SCFA作為腸上皮細胞的能量來源，可影響腸上皮屏障和防御功能所必需的基因表達，并可調(diào)節(jié)天然免疫細胞及T細胞、B細胞介導(dǎo)的特異性免疫[4-5]。GPCR主要包括GPR109A、GPR43、GPR41和OLFR78，在絕大多數(shù)免疫細胞中表達。SCFA通過介導(dǎo)GPCR，激活控制免疫功能的信號級聯(lián)反應(yīng)[6]。SCFA介導(dǎo)的調(diào)控是通過激活GPCR、抑制組蛋白去乙酰化酶(HDAC)、刺激組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶(HAT)活性及穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子(HIF)來實現(xiàn)的[7]。在細胞水平上，SCFA可通過改變免疫細胞的基因表達、分化、趨化、增殖和凋亡，從而影響全身性免疫反應(yīng)，參與不同的炎性反應(yīng)過程[3-4]。

乙酸與樹突狀細胞(DC)的GPR43結(jié)合，誘導(dǎo)B細胞產(chǎn)生免疫球蛋白A(IgA)，GPR43缺乏的小鼠腸道中IgA水平較低[8]。此外，乙酸還可誘導(dǎo)DC中產(chǎn)生維生素A轉(zhuǎn)化酶的基因ALDH1A2表達升高，將維生素A轉(zhuǎn)化為其代謝產(chǎn)物維甲酸，促進乙酸誘導(dǎo)B細胞產(chǎn)生IgA[8]。丁酸可直接或通過抑制HDAC誘導(dǎo)腸上皮細胞中維生素A轉(zhuǎn)化酶的表達，將維生素A轉(zhuǎn)化為維甲酸。腸上皮細胞產(chǎn)生的維甲酸可影響DC表型，誘導(dǎo)DC表達CD103+，形成耐受性DC(CD103+DC)[9]。反之，這些DC自身可產(chǎn)生維甲酸，能誘導(dǎo)Treg細胞和生成IgA的B細胞[8-9]。丁酸可抑制HDAC3活性，促使單核細胞向巨噬細胞分化。雷帕霉素靶蛋白(mTOR)是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，mTOR信號通路具有促進物質(zhì)代謝，參與細胞凋亡、自噬的作用。丁酸可通過改變巨噬細胞的代謝并誘導(dǎo)mTOR依賴性自噬相關(guān)蛋白——微管相關(guān)蛋白1輕鏈3(LC3)相關(guān)的宿主防御，LC3相關(guān)的宿主防御與抗菌肽產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，共同促進了抗菌活性[10]。經(jīng)口服丁酸處理的小鼠在感染沙門氏菌后，在腸系膜淋巴結(jié)(MLN)、脾臟和肝臟中的細菌播散程度均較未處理小鼠輕[10]。因此，丁酸鹽不僅可促進單核細胞向具有較強抗菌活性的巨噬細胞分化，而且可阻遏致病菌的傳播。B細胞誘導(dǎo)成熟蛋白-1(Blimp-1)可促進B細胞發(fā)育成漿細胞，并且在T細胞(包括Th1細胞和Th17細胞)分泌IL-10中起關(guān)鍵作用[11-12]。丁酸可通過激活信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(STAT3)和mTOR通路，誘導(dǎo)Th1細胞表達Blimp-1以產(chǎn)生IL-10[11]。Th1細胞可誘導(dǎo)結(jié)腸炎的發(fā)生，但其分泌的IL-10可抑制Th1細胞對腸道炎性反應(yīng)的驅(qū)動。經(jīng)戊酸處理的Th17細胞糖酵解增強，使IL-10分泌增加，從而抑制HDAC活性，使IL-17A表達降低，導(dǎo)致Th17細胞的代謝和表觀遺傳重編程及致病表型的喪失[13]。戊酸既可促進IL-10分泌，又可抑制調(diào)節(jié)性B細胞(Breg)凋亡，從而減輕炎性反應(yīng)[14]。在研究小鼠體內(nèi)戊酸對Breg細胞影響的實驗中，在Rag1基因缺陷小鼠(T細胞和B細胞缺陷小鼠)體內(nèi)植入經(jīng)戊酸及Breg細胞共同處理后的原始CD4+T細胞，結(jié)果顯示小鼠的體質(zhì)量未明顯降低，免疫病理得到改善，結(jié)腸固有層和MLN中CD4+效應(yīng)T細胞的數(shù)量減少[13]。

IBD患者糞便中丁酸鹽水平顯著降低，克羅恩病(CD)患者的產(chǎn)丁酸鹽細菌減少[15]，潰瘍性結(jié)腸炎(UC)患者的腸道菌群對黏蛋白型O-聚糖的利用減少[3]。黏蛋白型O-聚糖作為產(chǎn)丁酸鹽細菌的發(fā)酵產(chǎn)物，可促進丁酸鹽生成。由此可見，CD、UC與SCFA、丁酸鹽介導(dǎo)的宿主免疫有著密切的關(guān)系。

2 膽汁酸

膽汁酸是一類特殊的甾體。肝臟分解膽固醇生成初級膽汁酸，初級膽汁酸通過膽道系統(tǒng)的輸送釋放入腸道。在回腸末端，類芽孢桿菌、梭狀芽孢桿菌、乳桿菌和雙歧桿菌這些厭氧菌表達的膽鹽水解酶能使一小部分初級膽汁酸在側(cè)鏈上發(fā)生脫酰胺作用，隨后由梭狀芽孢桿菌表達的7α-脫氫酶進行7α-脫氫作用，從而產(chǎn)生次級膽汁酸[16]。此外，一些細菌有助于不同的生物轉(zhuǎn)化：擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、大腸埃希菌、消化鏈球菌、魯米諾球菌等可催化膽汁酸中羥基的氧化和異構(gòu)化，這可能是膽汁酸的酯化反應(yīng)。擬桿菌、梭狀芽孢桿菌、消化鏈球菌和假單胞菌還能在特定條件下使膽汁酸發(fā)生脫硫反應(yīng)[17]。

所有膽汁酸都是信號分子，通過激活核受體超家族成員法尼醇X受體(FXR)、維生素D受體、GPCR超家族等調(diào)節(jié)自身合成、糖代謝、脂質(zhì)代謝及炎性反應(yīng)過程。

膽汁酸可影響先天性免疫，G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(GPBAR1)和FXR在循環(huán)單核細胞和從腸、肝中分離的巨噬細胞中均有表達[18]，GPBAR1在肝駐留巨噬細胞(Kupffer細胞)中表達[19]。人和嚙齒動物巨噬細胞中這些受體的激活，能有效抑制巨噬細胞的促炎活性。GPBAR1和FXR可調(diào)節(jié)Nod樣受體蛋白3(NLRP3)炎性小體，在腸道中，次級膽汁酸脫氧膽酸(DCA)和石膽酸(LCA)可通過激活GPBAR1內(nèi)源性抑制NLRP3炎性小體的激活[20]。DCA和LCA可導(dǎo)致NLRP3炎性小體依賴的GPBAR1/環(huán)磷酸腺苷(cAMP)/蛋白激酶A(PKA)通路的泛素化，從而抑制其活化。LCA是FXR的弱配體，即使在沒有GPBAR1的情況下，LCA也可抑制NLRP3炎性小體的激活[20-21]。LCA有兩種代謝產(chǎn)物：3-oxoLCA和isoalloLCA，可調(diào)節(jié)小鼠T細胞功能；3-oxoLCA可作用于Th17細胞，抑制其分化，從而顯著減少IL-17的分泌；isoalloLCA可促進Treg細胞分化，使Foxp3表達升高[22]。由此可見，膽汁酸代謝產(chǎn)物可通過調(diào)控Th17細胞與Treg細胞的平衡，從而調(diào)控宿主免疫。

Treg細胞常表達轉(zhuǎn)錄因子 Foxp3，研究發(fā)現(xiàn)CD4+Foxp3+Treg細胞可同時表達轉(zhuǎn)錄因子RORγt[23]。另有研究表明，飲食和腸道菌群可影響腸道膽汁酸庫的組成成分，從而通過膽汁酸調(diào)節(jié)Foxp3+Treg細胞群表達RORγt[24]。盡管Foxp3+RORγt+Treg細胞群表達了RORγt及其他與Th17細胞相關(guān)的基因，但其并不分泌IL-17，該Treg細胞群具有強大的抑制免疫反應(yīng)的能力[23]。膽汁酸代謝途徑的基因缺失可顯著減少RORγt+Treg細胞的數(shù)量。恢復(fù)腸道初級膽汁酸庫可增加結(jié)腸RORγt+Treg細胞的數(shù)量，減輕宿主結(jié)腸的炎性反應(yīng)。在小鼠實驗中，敲除腸道共生菌(如多形擬桿菌、脆弱擬桿菌)的膽汁酸代謝途徑后，可抑制小鼠產(chǎn)生結(jié)腸RORγt+Treg細胞的能力；此外，在營養(yǎng)不良的無菌小鼠中，恢復(fù)腸道膽汁酸庫(即補充特定組合的初級或次級膽汁酸)，可經(jīng)膽汁酸/維生素D受體通路增加結(jié)腸RORγt+Treg細胞數(shù)量，從而降低宿主對結(jié)腸炎的易感度[24]。

3 色氨酸及其代謝產(chǎn)物

L-色氨酸(L-Trp)不僅可作為腸道營養(yǎng)物質(zhì)，而且在腸道免疫耐受和腸道菌群維持之間的平衡中起著至關(guān)重要的作用。Trp代謝分為內(nèi)源性代謝和細菌代謝。具有Trp酶的腸道細菌均可代謝Trp產(chǎn)生吲哚及其衍生物，如普通變形桿菌、副大腸桿菌、擬桿菌等；腸道菌群可直接或間接調(diào)節(jié)宿主的Trp內(nèi)源性代謝，反之Trp代謝的變化也會對腸道菌群的增殖和多樣性產(chǎn)生負面影響，IBS、IBD、結(jié)直腸癌等疾病與Trp代謝的變異性有關(guān)[25]。

由腸道菌群代謝產(chǎn)物Trp產(chǎn)生的吲哚和吲哚乙酸可通過激活芳香烴受體(AHR)或相關(guān)信號通路來增強腸黏膜屏障的完整性和免疫功能[26]。給豬仔飼喂Trp后，其盲腸和結(jié)腸中的AHR被激活，腸道中TNF-α和IL-8的mRNA水平降低，維持腸黏膜屏障和通透性的兩個關(guān)鍵緊密連接蛋白ZO-1和Claudin的豐度增加[26]。天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶募集結(jié)構(gòu)域家族成員9(CARD9)是IBD的易感基因。CARD9基因缺乏小鼠的腸道菌群不能將Trp代謝成AHR的配體；CARD9基因缺乏小鼠接種3種能代謝Trp的乳桿菌或用AHR激動劑治療后，腸道炎性反應(yīng)減輕[27]。由此可見，CARD9基因可通過促進腸道菌群代謝Trp產(chǎn)生吲哚衍生物，以激活A(yù)HR，從而增加IL-22的分泌，促進結(jié)腸炎緩解。

吲哚可調(diào)節(jié)先天性免疫反應(yīng)介導(dǎo)的炎性反應(yīng)，減輕腸道炎性反應(yīng)[28]。生孢梭菌和肉毒桿菌可降解Trp，分泌代謝產(chǎn)物吲哚丙酸(IPA)。IPA可通過結(jié)合并激活孕烷X受體(PXR)，提高IL-10的表達水平，從而降低TNF-α的表達水平，減輕腸道炎性反應(yīng)[27]。IPA水平下降會導(dǎo)致免疫細胞數(shù)量增多，并且IPA可降低腸道通透性，增強腸道屏障功能，從而減輕腸道炎性反應(yīng)[29]。IPA可減弱MLN中DC誘導(dǎo)Th1細胞分化的能力，并可促進分泌高水平IL-10的1型調(diào)節(jié)性T細胞(Tr1)分化，以增加IL-10的分泌，促進MLN中CD103+DC的產(chǎn)生，從而增強宿主腸道的免疫耐受[30]。

4 丙酮酸和乳酸

表達CX3C趨化因子受體1(CX3CR1)的小腸單核細胞(CX3CR1+細胞)可調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)[31]。CX3CR1+細胞可將樹突伸入腸腔來攝取腸腔中的抗原，從而增強免疫反應(yīng)。在小鼠研究中發(fā)現(xiàn)，細菌代謝產(chǎn)物丙酮酸和乳酸通過GPR31介導(dǎo)在CX3CR1+細胞中誘導(dǎo)樹突突起[32]。此外，經(jīng)乳酸或丙酮酸處理的野生型小鼠表現(xiàn)出免疫應(yīng)答增強，以及對腸道沙門氏菌感染的抵抗力增強[32-33]。丙酮酸還能通過糖酵解途徑調(diào)控巨噬細胞的表型分化，促進單核細胞向調(diào)節(jié)性巨噬細胞分化；調(diào)節(jié)性巨噬細胞經(jīng)脂多糖刺激后可分泌大量IL-10[34]。IL-10是一種抗炎性細胞因子，研究發(fā)現(xiàn)IL-10可阻止巨噬細胞中由炎性刺激引起的代謝程序轉(zhuǎn)換，因此IL-10被認為在終止炎性反應(yīng)中起著關(guān)鍵作用[35]。

5 小結(jié)與展望

隨著各項技術(shù)的進步，越來越多的腸道菌群功能及作用機制已被發(fā)現(xiàn)。然而，腸道菌群代謝產(chǎn)物對腸道免疫的作用機制仍未完全明確，可能還有很多其他腸道菌群代謝產(chǎn)物對人體產(chǎn)生影響。目前研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群可通過發(fā)酵膳食纖維、分解膽固醇及代謝Trp等方式，分別產(chǎn)生SCFA、膽汁酸、吲哚及其衍生物等代謝產(chǎn)物，這些代謝產(chǎn)物經(jīng)多種途徑介導(dǎo)免疫細胞的基因表達、分化、趨化、增殖和凋亡，從而影響宿主的腸道免疫。綜上所述，腸道菌群及其代謝產(chǎn)物可與免疫細胞相互作用，影響腸道的免疫發(fā)育和免疫平衡，其作用機制的揭示可能為未來開發(fā)新的預(yù)防或治療各種疾病的方法提供思路。