腸道菌群在IBD腸外表現發生中作用的研究進展

林婷，劉妹妹，葉玉偉，張宏玲，任茜，路紅，周永寧

1 蘭州大學第一臨床醫學院，蘭州 730000；2 蘭州大學第一醫院消化內科；3 甘肅省胃腸病重點實驗室

腸道菌群是人體內最大、最復雜的微生物系統，包含超過1×1014個微生物，種類超過1 000 種［1］。腸道菌群對人體健康和腸道穩態具有重要作用，而腸道菌群失調則會引起多種疾病，如非酒精性脂肪性肝病、肥胖、膽石癥等。炎癥性腸病（IBD）是一種病因不明的慢性非特異性炎癥性疾病。有相當一部分IBD 患者會出現腸外表現（EIMs），這些EIMs 可伴隨IBD 發生，亦可發生在IBD 之前或之后［2］。多組學研究發現，在IBD 患者中可觀察到腸道菌群穩定性下降及多樣性降低，如專性厭氧菌減少、兼性厭氧菌富集，并且腸道菌群代謝產物變化也相當顯著［3］。腸道菌群及其代謝產物失調可導致腸黏膜炎癥反應、免疫細胞分化及功能失調、細胞因子失衡和氧化應激反應，這些因素均可參與IBD 的發生、發展。近年來，腸道菌群在EIMs發生機制中的潛在作用備受關注。本文結合文獻就腸道菌群在EIMs 發生中作用的研究進展作一綜述。

1 EIMs概述

IBD 是一種病因不明的慢性非特異性炎癥性疾病，包括克羅恩病和潰瘍性結腸炎，臨床表現為腹痛、腹瀉和血便等，具有終身復發傾向。盡管IBD 主要影響腸道，但作為一種全身性疾病還會累及腸外器官，如關節、皮膚、眼等。超過50% IBD 患者一生至少出現一種EIMs，這些EIMs 可伴隨IBD 發生，亦可發生在IBD 之前或之后［2］，并且隨著IBD 及已有EIMs 病情進展，發生其他EIMs 的概率還會增加。合并EIMs 的IBD 診斷與治療難度較大，癌變率較高，致殘和致死風險顯著增加。目前，EIMs 的具體發生機制尚不完全清楚。普遍認為，EIMs 發生相關的因素與IBD相同或相似，是遺傳、免疫、環境、感染等因素共同作用的結果。近年來，腸道菌群在EIMs發生中的潛在作用備受關注。

2 腸道菌群在EIMs發生中的作用機制

腸道微生物組對維持免疫穩態至關重要。腸道菌群失調可能在EIMs 發生中具有重要作用。目前認為，分子擬態、腸黏膜屏障損傷導致的腸道微生物移位、腸道微生物代謝產物及衍生因子改變等在EIMs發生中具有重要作用。

2.1 分子擬態 分子擬態是指微生物抗原表位與自身抗原表位序列或結構類似，從而引起機體產生能識別自身抗原的免疫細胞或抗體的現象。分子擬態在外源性病原體感染中較為常見。與外源性病原體類似，存在于人體內的某些腸道微生物也會引起免疫系統與宿主組織的交叉反應，從而導致自身免疫性疾病發生。

腸道菌群抗原表位與腸外部位自身抗原表位的分子相似性被認為是導致EIMs 發生的潛在原因。在無菌小鼠體內培養可產生模仿自身抗原的細菌，會增加小鼠罹患自身免疫性疾病的風險。相反，采用抗生素干預或在無菌環境中飼養的小鼠能夠預防多種自身免疫性疾病［4］。有研究發現，部分強直性脊柱炎患者腸道來源細菌的抗原成分與宿主的HLA-B27 編碼產物存在分子相似性，可引起交叉反應［5］。有研究報道，狼瘡患者體內攜帶腸道共生擬桿菌和黏膜/皮膚共生丙酸桿菌產生的Ro60同源蛋白抗體和特異性T 細胞，這提示共生菌產生的自身抗體同源物可能是引起狼瘡發病的機制之一［6］。腸道菌群與多發性硬化癥（MS）也存在關聯，普氏菌屬、阿克曼菌屬等腸道共生菌與MS 患者腦部病變中鳥苷二磷酸-L-巖藻糖合成酶的交叉反應亦支持分子擬態機制［7］，交叉抗原可能在EIMs 中作為致病性自身免疫應答的誘導物或驅動因子。R161H 小鼠葡萄膜炎模型為腸道菌群、自身抗原識別和腸外部位炎癥反應的聯系提供了依據，依賴腸道菌群信號激活腸固有層中特異性T 細胞，并通過自身反應性T細胞受體傳遞信號，引起自身免疫性葡萄膜炎，這一過程可不依賴于自體視黃醇結合蛋白表達［8］。此外，脆弱擬桿菌、白色念珠菌、血鏈球菌及嗜血桿菌等可產生與Ⅱ型膠原蛋白相似的肽段，可在由膠原蛋白誘發的關節炎中引起交叉反應［9］。細胞色素P450 2D6和甲氨酸氨基轉移酶亦被認為是IBD患者發生自身免疫性肝炎的抗原靶標［10-11］。以上研究均支持腸道微生物的分子擬態與EIMs 的聯系是真實存在的，分子擬態是腸道菌群引起和促進EIMs的重要機制。

2.2 腸道微生物移位 腸黏膜屏障完整性是維持腸道菌群和宿主免疫穩態動態平衡所必需的，可避免機體免疫系統異常活化。然而，在慢性腸道炎癥狀態下，IBD 患者通常伴隨腸壁破壞及滲漏，而腸黏膜屏障損傷會引起腸道微生物移位，導致腸道微生物與宿主免疫系統異常接觸并通過相關機制觸發炎癥反應。

NAKAMOTO 等［12］研究發現，腸道肺炎克雷伯菌能夠誘導硬化性膽管炎患者腸道上皮細胞形成毛孔，破壞腸黏膜屏障，導致其他細菌穿過腸道屏障并增強Th17 細胞反應，進而引起由Th17 細胞介導的肝臟炎癥反應。同樣，在患有系統性紅斑狼瘡或自身免疫性肝炎患者肝臟中可檢測到腸球菌，在易患狼瘡小鼠胃內接種的腸球菌可穿過腸道屏障進入肝臟，其原因是腸黏膜屏障損傷導致腸道微生物沿門靜脈、腸系膜淋巴結等轉移至循環系統，從而引起肝臟或其他腸外器官免疫系統異常激活和炎癥反應［12］。因此，腸黏膜屏障破壞、腸道菌群移位并過度接觸宿主免疫細胞，導致免疫系統異常激活是EIMs發生的重要基礎。克羅恩病患者腸外“爬行脂肪”中具有獨特的、以梭菌為主的細菌聚生體，可使巨噬細胞轉化為促纖維化M2 表型，從而促進纖維化和腸道重塑。這有助于將潛在的致病微生物保持在局部炎癥及損傷部位，防止潛在的有害微生物穿過腸黏膜屏障損傷部位發生傳播和定植［13］，間接表明腸道微生物移位可能會導致EIMs 發生。但這些結果并不能證實腸道微生物移位在自身免疫激活中起關鍵作用，導致IBD 患者因腸黏膜屏障損傷發生EIMs 仍需直接證據證實。

2.3 腸道微生物代謝產物 腸道菌群可利用腸道無法直接消化吸收的物質，產生許多影響宿主病理生理過程的活性代謝產物，如短鏈脂肪酸（SCFAs）、色氨酸（Trp）代謝產物、膽汁酸（BAs）等［14］。

2.3.1 SCFAs 食物中不易被消化的纖維在腸道微生物發酵作用下可產生SCFAs，如乙酸、丙酸、丁酸等。SCFAs 除了為宿主提供能量外，還可調控腸上皮細胞生長，促使腸上皮細胞緊密連接，維持腸黏膜屏障功能，同時還可調節機體免疫功能，抑制病原微生物生長繁殖［15-16］。SCFAs 可通過抑制組蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性來調節基因表達、細胞增殖和免疫應答，還可通過G 蛋白偶聯受體（GPCRs）來傳遞信號，如GPR41（FFAR3）、GPR43（FFAR2）和GPR109A。

SCFAs可通過與GPCRs或HDAC 相互作用影響大腦，這與阿爾茨海默癥、自閉癥及抑郁癥等神經系統疾病發生密切相關。無菌小鼠大腦的免疫調節及應激反應出現減退，而補充SCFAs 可使無菌小鼠因腸道菌群缺失所致的免疫失調正常化［17］。丙酸鹽可作用于腸神經元FFAR3，通過腸-腦軸恢復帕金森病小鼠運動功能，延緩多巴胺能神經元丟失，從而發揮神經保護作用［18］。此外，MS患者腸道菌群中梭狀芽胞桿菌數量顯著減少，補充梭菌混合物可減少實驗性自身免疫性腦脊髓炎小鼠脫髓鞘，降低中樞神經系統中免疫細胞活化、分化和增殖，并延緩軸突損傷，同時增強外周Treg 細胞的免疫調節作用［19］。SCFAs 既可通過減少NF-κB 信號傳導和誘導凋亡，在腦內小膠質細胞中顯示出抗炎作用，又可通過抑制Treg 細胞產生HDAC，獨立于GPCRs 調節mTORS6K 信號通路來保護神經，還可通過上調神經遞質和神經營養因子表達來營養神經［20］。這些證據表明，腸道菌群相關的SCFAs 可通過不同作用途徑發揮抗炎及神經保護作用。

在其他部位EIMs 中，SCFAs 亦能顯示出抑制炎癥反應的作用。丁酸鹽可誘導Treg 細胞分化并抑制Th17 細胞及Tfh 細胞，下調IL-17 表達，并誘導IL-10、Foxp3 轉錄，同時還可下調HDAC 和炎癥因子表達，抑制傳統Th 細胞產生及破骨細胞分化，達到緩解炎癥反應和調節骨量的作用，從而抑制關節炎、皮膚炎癥等［21-22］。此外，SCFAs 還能上調樹突狀細胞（DCs）H3K4 三甲基化狀態，并誘導炎癥因子IL-6和干擾素β1分泌，進而激活自然殺傷細胞，提高宿主免疫能力。因此，SCFAs 或許能夠成為早期診斷EIMs并追蹤其進展的生物標志物。

2.3.2 Trp 代謝產物 Trp 是人體必需氨基酸之一，經腸道菌群分解代謝，在免疫穩態、腸黏膜屏障和促進腦-腸-微生物群軸功能中發揮重要作用。Trp 代謝途徑通常包括：①腸道免疫細胞和上皮細胞通過吲哚胺2，3-加雙加氧酶1 介導的犬尿氨酸途徑；②由腸道微生物區系直接代謝，包括芳香烴受體（AhR）配體在內的吲哚途徑；③腸嗜鉻細胞通過色氨酸羥化酶1 介導的5-羥色胺途徑［23］。在IBD 患者中可觀察到疾病活躍程度與血清Trp 水平呈負相關，血清Trp 水平降低，Trp 代謝增加，尤其通過犬尿氨酸途徑的代謝增加，腸道組織AhR表達降低［24］。

腸道菌群失調、Trp 代謝障礙和宿主遺傳易感性的相互作用會刺激活化的免疫細胞并產生自身抗體，這有助于自身免疫系統激活。作為菌群-宿主之間的橋梁物質，Trp 代謝產物可通過不同機制對宿主發揮促進或抑制炎癥反應的作用。一方面，Trp代謝產物吲哚及其衍生物可通過AhR 通路促進神經前體細胞分化，促進神經元成熟和突觸功能從而激活神經發生，與中樞神經系統炎癥反應發生有關［25］。另一方面，Trp 代謝產物可通過AhR 參與小膠質細胞對星形膠質細胞的調控，抑制神經系統免疫細胞功能以限制中樞神經系統炎癥反應，從而抑制神經退行性疾病發生［26］。此外，Trp 代謝產物可通過抑制肝星狀細胞活化來抑制肝纖維化，也可由骨髓細胞的糖酵解調控PFKFB3 表達顯著降低肝臟脂肪變性和炎癥反應程度，還可降低NF-κB 信號通路中關鍵蛋白表達及上調下游炎癥因子基因表達，通過轉錄調節緩解肝臟炎癥反應［27-28］。因此，Trp 代謝產物與EIMs發生存在聯系是毋庸置疑的，但其具體機制有待于進一步探索。

2.3.3 BAs BAs 是膽汁的主要成分，由肝細胞生成并分泌至腸道，大部分被重吸收回到肝臟，部分通過膽鹽水解酶作用后轉變為次級BAs。膽鹽水解酶廣泛存在于腸道微生物中，如梭狀芽孢桿菌、類桿菌、乳桿菌、雙歧桿菌和腸球菌等［29］。除了參與能量代謝外，BAs 還可通過與多種受體相互作用調控機體免疫穩態［30］。此外，BAs 自身的理化性質使其具有抑菌和殺菌能力，可維持腸黏膜屏障完整性并阻止病原體定植。IBD 患者膽鹽水解酶活性下降，導致初級和次級BAs平衡被破壞，甘氨膽酸、牛磺膽酸和甘氨鵝脫氧膽酸等初級BAs富集，而石膽酸、脫氧膽酸等次級BAs 含量減少，表明產次級BAs 的細菌在IBD患者體內亦顯著減少［3］。

HE 等［31］研究發現，狼瘡患者腸道菌群失調，并且多種菌群代謝產物發生改變，初級BAs 增加而次級BAs 減少，提示BAs 組成與狼瘡的發生、發展有關。在肝臟疾病中發現，次級BAs 可減少巨噬細胞產生IL-1β、IL-6、IFN-γ，同時誘導巨噬細胞偏向抗炎M2 表型，導致IL-10 上調以及IL-6、TNF-α 下調。次級BAs 還可通過減少DCs 產生IL-12 來抑制Th17細胞分化，從而促進Treg 細胞分化［32］。在無菌狀態下飼養的小鼠肝臟損傷更為嚴重，考慮也是缺乏微生物代謝的次級BAs 所致［33］。此外，次級BAs 還可通過TGR5-cAMP-PKA 信號通路來調控DCs 功能，抑制DCs 生成NF-κB 相關炎癥因子，并減少Th1、Th17 細胞發育，發揮減輕炎癥反應和緩解病情的作用。自身免疫性葡萄膜炎也被證實與微生物區系組成改變所致的BAs 代謝失調有關，補充次級BAs 脫氧膽酸能夠減輕自身免疫性葡萄膜炎嚴重程度［34］。BAs 還可通過下調Rorc 表達抑制T 細胞IL-17A 產生，并抑制角質形成細胞CCL20 表達，通過阻斷CCL20 介導的免疫趨化來改善銀屑病病情［35］。因此，BAs在EIMs的發生中起關鍵作用。

2.4 腸道微生物衍生因子 脂多糖（LPS）是革蘭陰性菌細胞壁的特有組分。宿主免疫細胞通過其模式識別受體特異性識別細菌的病原體相關分子模式（PAMP），啟動機體防御系統，而LPS 是受宿主免疫系統識別的重要PAMP。LPS 可通過擾亂宿主的免疫系統、補體系統和凝血系統等引起一系列嚴重的病理生理反應。

隨循環系統到達肝臟的過量LPS 可通過TLR4信號通路激活Kupffer 細胞，產生自由基和炎癥因子，還能激活靜息肝星狀細胞，刺激炎癥因子分泌，導致肝臟炎癥反應和纖維化，也可通過CD14、NF-κB、TNF-α 等信號途徑誘導肝細胞凋亡［36］。腸道菌群失調導致LPS增加，并通過腸-腦軸破壞血腦屏障，導致小膠質細胞活化，誘導神經炎癥反應［37］。在阿爾茨海默癥患者腦部特定區域中可發現來源于胃腸道細菌的LPS 增加，通過調節相關信號通路產生與阿爾茨海默癥發病相關的炎癥因子，注射LPS可誘導小鼠病態行為、認知障礙和急性抑郁樣行為［38］，表明LPS 在中樞神經系統疾病發生中具有重要作用。

綜上所述，EIMs 發生的具體機制尚不完全清楚，但越來越多研究證實腸道菌群在EIMs發生中具有重要作用。腸道菌群不僅可通過分子擬態方式誘導腸外炎癥反應，還可通過腸黏膜屏障損傷導致腸道微生物移位、腸道微生物代謝產物及衍生因子改變等，從而參與EIMs的發生、發展。因此，深入探索腸道菌群在EIMs發生中的具體機制及作用靶點，將為EIMs預防和治療提供新的思路。