腸道菌群在眼病中的作用研究進展

姜佳譯,陸培榮

0 引言

人類腸道是一個復雜的生態系統,其中定植的大量微生物稱為腸道菌群,包括細菌如厚壁菌、擬桿菌、真菌、病毒等[1]。腸道菌群自人出生定植于腸道,隨著人體的生長和衰老而動態變化并維持一定的穩態,并對維持人體正常生理功能有重要作用,其在機體免疫、代謝、結構和神經系統中承擔著一些基本功能[1]。腸道菌群與宿主基因型、飲食結構、生活方式、免疫反應等有關,其穩態的破壞與多種疾病有相關性,如炎癥性腸病、糖尿病、心血管疾病[2-3]等,同時越來越多的研究表明,腸道菌群與宿主眼健康有關,其在青光眼、葡萄膜炎、糖尿病視網膜病變(diabetic retinopathy, DR)和年齡相關性黃斑變性(age-related macular degeneration, ARMD)中都起到一定的作用[4-6]。本文就腸道菌群與幾種常見眼部疾病的關系進行綜述。

1 腸道菌群與青光眼

青光眼是一種以神經退行性病變為特征的致盲性眼病,常表現為視網膜神經節細胞凋亡、視神經萎縮和視野缺損[7-8]。造成青光眼組織損傷的主要原因是眼壓升高,臨床實踐中降眼壓一直作為一種有效的治療手段。有研究發現,幽門螺旋桿菌感染可能影響宿主的眼壓。青光眼患者房水中的幽門螺旋桿菌抗體IgG顯著高于對照組,抗體的效價與青光眼的嚴重程度呈正相關[9],幽門螺旋桿菌感染與青光眼的發生有相關性,其中活動性的感染狀態與青光眼發生的關聯性最強[10-11]。幽門螺旋桿菌可能引起炎癥因子的釋放,繼而引起全身活性氮含量增加,線粒體損傷和神經節細胞凋亡、血管舒張收縮功能障礙,繼而引起眼壓升高和視神經損傷[12]。

此外,腸道菌群的代謝產物也對眼內壓產生影響。腸道產物硫化氫可以降低青光眼兔的眼壓,保護視網膜功能[13-14]。硫化氫可以阻斷興奮性氨基酸神經遞質的作用,促進房水流出。腸道菌群代謝物丁酸鹽對于腸道屏障和腸上皮細胞損傷修復有促進作用,Skrzypecki等[15]發現丁酸鹽可以降低正常血壓大鼠的眼壓,并且這種作用獨立于眼交感神經作用以及血壓變化,其具體機制還有待于進一步研究。

除了眼壓,越來越多的證據表明免疫異常可能是一個獨立于眼壓的青光眼危險因素[16]。Chen等[17]發現,短暫的眼壓升高可以使正常小鼠體內的T細胞持續性滲入視網膜,從而導致視網膜神經節細胞變性,但在無菌鼠中不會發生T細胞浸潤及神經節細胞的變性。這提示共生菌群在青光眼導致的T細胞視網膜浸潤,以及神經損傷中起到重要作用。

Gong等[18]采用16S rRNA測序對原發性開角型青光眼患者和健康對照組的腸道菌群進行分析,并研究腸道菌群、宿主循環代謝物與臨床表型之間的關系。結果顯示,大部分原發性開角型青光眼患者中普雷沃氏菌科、不明腸桿菌科和大腸桿菌顯著增多,而巨單胞菌屬和普通擬桿菌屬明顯減少。患者平均視力與布勞特氏菌屬呈負相關,平均視野缺損值與柔嫩梭菌屬呈負相關,平均神經纖維層厚度與鏈球菌呈正相關[18]。最新的研究發現,間歇性禁食通過促進腸道革蘭氏陽性菌產生3-吲哚丙酸,繼而促進軸突再生和神經修復[19]。這提示青光眼患者或許可以通過飲食限制,改善腸道菌群,減緩視神經的損傷。

2 腸道菌群與葡萄膜炎

葡萄膜炎是一種累及虹膜、睫狀體、玻璃體、脈絡膜、視網膜及視網膜血管的炎性疾病,其病因有感染、自身免疫、藥物等,其中自身免疫因素引起的葡萄膜炎最為常見。人白細胞抗原B27(human leucocyte antigen B27,HLA-B27)是急性葡萄膜炎的主要危險因素之一,HLA-B27轉基因大鼠及HLA-B27敲除大鼠的腸道菌群與正常大鼠表現出差異,利用BRISK算法與16S rRNA技術,將表達HLA-B27和人β2微球蛋白的轉基因Lewis大鼠與野生型大鼠的盲腸菌群進行比較,結果顯示,轉基因大鼠普雷沃菌和普通擬桿菌屬的豐度增加,嗜黏蛋白阿克曼菌與理研菌科豐度降低,其中普雷沃菌種與人類風濕性關節炎的發生有關[20],普通擬桿菌與Fischer大鼠產生結腸炎有關[21],這兩種菌群的豐度增加提示腸道菌群可能通過炎癥反應參與自身免疫性葡萄膜炎的發生[22]。

實驗性自身免疫性葡萄膜炎(experimental autoimmune uveitis, EAU)模型通過給予小鼠外源性視網膜光感受器間維生素A類結合蛋白,激活免疫細胞,獲得對葡萄膜的免疫活性構建而成。有研究發現,在EAU小鼠中,腸道通透性的增加與腸道菌群改變、載脂蛋白生成和葡萄膜炎的高峰一致[23]。而口服抗生素后EAU小鼠盲腸內厚壁菌門、擬桿菌門、α-變形菌綱顯著減少,γ-變形菌綱數量的增加,淋巴結和視網膜Treg細胞數量增加,效應T細胞和炎癥因子減少,臨床評分顯著降低[24]。

在自發性自身免疫性葡萄膜炎模型中,小鼠T細胞激活不依賴于外源性抗原刺激,其發病機制可能更接近人葡萄膜炎。在這種葡萄膜炎模型中,T細胞在未接觸過視網膜抗原的情況下,對腸道菌群的非同源抗原產生應答并產生IL-17A,從而引起葡萄膜炎[25]。并且,葡萄膜炎小鼠口服短鏈脂肪酸后,腸道趨化因子減少,抑制效應T細胞向眼部遷移,誘導調節性T細胞數量增加,從而改善葡萄膜炎的癥狀[26]。

腸道菌群可能是葡萄膜炎發生的始動因素,或作為輔助因素參與自身免疫通路。盡管自身免疫性葡萄膜炎目前的治療方案多種多樣,包括糖皮質激素、非甾體抗炎藥、免疫抑制劑等都展現出一定的療效,但藥物副作用較多、病情易反復[27],調控腸道菌群及其代謝物可能為非感染性葡萄膜炎的治療提供新的思路。

3 腸道菌群與DR

DR是糖尿病的嚴重并發癥之一,發病機制復雜,目前認為慢性炎癥、氧化應激以及胰島素抵抗是DR發生的重要機制[28]。根據是否有新生血管可分為非增殖性糖尿病視網膜病變(non-proliferative diabetic retinopathy, NPDR)和增殖性糖尿病視網膜病變(proliferative diabetic retinopathy, PDR)。有研究證明糖尿病患者的腸道菌群與正常受試者有差異。和健康人相比,T2DM患者中厚壁菌門的數量明顯降低,梭狀桿菌屬比例降低[29]。部分研究發現糖尿病患者擬桿菌門與擬桿菌屬的比例升高[30]。然而,也有研究報道糖尿病患者上述兩種菌群的豐度降低[31],不同研究中糖尿病患者菌群的差異可能由受試者的飲食、生活習慣和其他因素造成。動物實驗顯示,db/db小鼠腸道菌群也產生了變化,疣微菌門及軟壁菌門數量增加,而擬桿菌門及厚壁菌門數量降低[32]。

腸道菌群及其代謝物可能對DR的發生發展產生重要影響,其中主要包括次級膽汁酸、短鏈脂肪酸(short-chain fatty acids, SCFA)、氧化三甲胺(trimethylamine N-oxide, TMAO)和吲哚2,3雙加氧酶(indoleamine 2, 3-dioxygenase, IDO)。

次級膽汁酸由腸道菌群代謝宿主分泌的初級膽汁酸生成,包括牛磺熊去氧膽酸等,其主要輔助蛋白和脂質的吸收。T2DM患者厚壁菌門豐度與膽汁酸及結合物的變化成正相關,采取間斷性進食后,db/db小鼠體內厚壁菌門含量增加,牛磺熊去氧膽酸含量增加,其通過抑制炎癥、抵抗氧化應激、修復血-視網膜屏障來保護視網膜[32-33],同時可以增加GLP-1的分泌,降低血糖水平[34]。

TMAO主要由膽堿等前體物質經過腸道菌群代謝為三甲胺,再經由肝臟轉化生成。基于美國國家健康與營養調查(NHANES)2005～2008年的橫斷面數據分析結果顯示,膳食膽堿攝入水平升高與DR發生的可能性增加具有相關性,這種相關性在女性糖尿病患者中更為顯著[35]。

為進一步探索血漿TMAO與DR的相關性,Liu等[36]對2型糖尿病患者血漿TMAO濃度進行橫斷面研究,發現伴DR的糖尿病患者血漿TMAO水平顯著高于無DR患者;糖尿病患者TMAO血漿水平的程度越高,患DR的可能性更大或程度更嚴重。在診斷模型中,納入TMAO作為獨立危險因素,對于DR的診斷識別能力提高10.7%(IDI=10.7%),顯示外周血TMAO對DR的診斷價值。既往研究發現,較高血漿TMAO水平與糖尿病的發生、糖尿病相關心血管事件、較差的腎臟功能和較高的死亡率具有顯著相關性,TMAO是獨立于血糖和傳統危險因素的一個新的生物學標志物[37-38]。TMAO通過激活NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein 3, NLRP3)炎癥小體等多種途徑引起血管的氧化應激損傷及炎癥反應[39-40]。在DR中,TMAO也可能作為一個獨立危險因素促進病變的發生和發展,這提示糖尿病人群應關注日常膽堿的攝入量,利于控制DR的發生發展。

腸道菌群代謝產生的短鏈脂肪酸主要包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽,SCFA在維持腸道屏障功能和穩態中有著重要的作用,它可以誘導胰高血糖素樣肽-1(glucagon-like peptide-1, GLP-1)分泌增加、降低血糖、減緩炎癥反應,從而維持視網膜穩態。

Shen等[41]發現1型糖尿病大鼠攝入必需脂肪酸后,瘤胃球菌屬、擬普雷沃氏菌屬、普雷沃氏菌科豐度增加,腸道SCFA水平升高,次級膽汁酸水平升高,血糖和血脂水平明顯改善,視網膜厚度趨近正常,組織中的炎癥因子水平顯著降低。同時,PDR患者房水中脂氧素A4(必需脂肪酸的代謝物,具有抗炎作用)水平比正常對照顯著降低。

Laurans等[42]發現腸道菌群通過調節色氨酸代謝中的關鍵酶IDO影響代謝類疾病。對DR患者的血清中的IDO、色氨酸及其代謝物進行分析,IDO、犬尿氨酸、犬尿喹啉酸和3-羥基犬尿氨酸的水平相較正常受試者顯著升高,在PDR患者中升高更為明顯[43]。相較于沒有發生視網膜病變的糖尿病對照組,DR患者和DR小鼠的視網膜中IDO與炎性細胞因子γ-干擾素(interferon γ, IFN-γ)的水平升高,在人視網膜微血管內皮細胞(human retinal microvascular endothelial cells, HREC)細胞中阻斷IDO可以引起活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平下降、細胞凋亡減少[44]。因此,通過增加有益菌群,有利于提升人體次級膽汁酸、SCFA的濃度,減少TMAO及IDO含量,從而保護視網膜功能。

4 腸道菌群與ARMD

ARMD是一種引起中心視力進行性下降的退行性病變,常累及黃斑部。根據臨床癥狀和病理類型不同分為干性黃斑變性與濕性黃斑變性。許多因素會促進ARMD的發生,包括營養、基因、環境以及腸道菌群的變化[45]。這些因素之間相互依賴,互為因果。

腸道菌群與ARMD的發生發展有著密切的關系,其可能通過代謝物對視網膜產生影響。經過宏基因組測序,Zinkernagel等[46]發現相對于健康對照,ARMD患者厭氧棍狀桿菌屬、顫螺旋菌屬、瘤胃球菌屬、優桿菌屬相對富集,埃氏擬桿菌屬較少。ARMD患者腸道菌群L-丙氨酸發酵、谷氨酸降解和精氨酸生物合成通路相關基因富集,脂肪酸延長相關基因表達下降。也有研究顯示ARMD患者厚壁菌綱豐度顯著增加,而顫桿菌克與擬桿菌屬的豐度在正常人中較高[47]。因此,厚壁菌門可能促進ARMD的發生,可以作為ARMD的生物標志物,而擬桿菌屬起到保護視網膜的作用。通過糞便移植,可以讓老年小鼠的腸道菌群擁有年輕小鼠的特征,并且年齡相關的視網膜炎癥反應、視網膜色素上皮細胞(retinal pigment epithelium, RPE)和Bruch膜間補體C3的沉積也得到改善[48-49]。

許多研究證明,飲食和營養因素會影響腸道菌群的結構與ARMD的發生發展。高糖飲食的小鼠會產生類似ARMD的表現,如RPE層萎縮、光感受器變性、脂褐素沉積,而在攝入總能量相同的情況下,低糖飲食的小鼠不會產生類似的改變。從高糖飲食轉換為低糖飲食后,非靶向代謝組學顯示,腸道菌群產生的血清素等對視網膜有保護作用,小鼠的視網膜病變發展減緩甚至有所恢復[49]。

經微生物群分類分析,梭菌目豐度增加與高糖飲食、ARMD特征性視網膜改變有關,而擬桿菌目則與低糖飲食、ARMD的保護作用有關[50]。關于飲食與ARMD發生的研究AREDS Ⅰ和Ⅱ證明,補充多種營養素,包括礦物質、維生素、類胡蘿卜素等,可以降低晚期ARMD發展的風險[51-52]。在激光誘導濕性ARMD模型中[53],高脂飲食飼養小鼠腸道擬桿菌門豐度降低,而厚壁菌門豐度提高,脈絡膜新生血管(choroidal neovascularization, CNV)病變程度明顯高于正常飲食小鼠。

通過分析微生物組與臨床元數據,Zysset-Burri等[47]發現腸道菌群、補體系統與新生血管性ARMD有關。ARMD患者腸道菌群基因富集于嘌呤核糖核苷降解通路,而嘌呤核糖核苷降解異常可能導致免疫功能異常,引起自身免疫性疾病[54]。補體因子H(CFH)作為補體系統中抑制炎癥進展的成員,其突變與ARMD的發生有關[55]。進一步研究發現,腸道菌群中的擬桿菌屬與瘤胃球菌屬與CFH1亞型呈負相關。梭菌目豐度與CFH3表達正相關,與CFH1、CFH2表達呈負相關;厚壁菌綱豐度與CFH3表達呈正相關。

5 其他

Graves病(Graves’ disease, GD)是一種組織特異性自身免疫病,約20%患者會發生Graves眼病,表現為眶內細胞外基質增生、脂肪形成、組織重構等。Masetti等[56]利用16S rRNA測序及腸道菌群培養對表現出Graves眼病的促甲狀腺激素受體(thyroid stimulating hormone receptor, TSHR)免疫鼠進行分析,觀察到其厚壁菌門豐度升高,擬桿菌門豐度降低。這與GD患者發生眼病時腸道菌群擬桿菌門比例顯著降低一致。梭菌綱及芽孢桿菌綱數目與眼眶脂肪組織增生呈正相關。盡管不同實驗室建立的Graves眼病模型鼠甲狀腺刺激抗體(thyroid stimulating antibody, TSAb)水平、炎癥水平及眼眶病理學改變有所不同,其腸道菌群組成也有所不同,但Sajad等[57]發現通過抗生素清腸達到減少腸道菌群豐度和數量,可以整體改善GD小鼠全身及眼部癥狀,相反,移植Graves眼病患者糞便的小鼠導致眶周脂肪組織增生。此外,有證據認為干眼以及干燥綜合征導致的干眼與腸道菌群失衡有關。抗生素導致的腸道菌群改變會使小鼠杯狀細胞數目減少,炎癥因子增多、引流淋巴結炎癥細胞增多,干眼加劇[58-59]。Wu等[60]發現高脂飲食可以誘導小鼠出現類似干眼的癥狀。臨床研究顯示干眼與干燥綜合征干眼患者腸道中擬桿菌門比例上升、厚壁菌門比例下降[59-61],普拉梭菌比例上升[62-63]。盡管目前尚未發現某一特定類型的菌群會引起干燥綜合征干眼或干眼,但以上研究發現證實腸道菌群失調與干眼相關。

6 總結

越來越多證據表明腸道菌群與眼部健康有關,證實了腸-眼軸的存在。突飛猛進的組學技術讓我們認識到腸道菌群與眼部疾患的相關性,目前已知腸道菌群通過產生免疫和炎癥相關因子、代謝物SCFA和TMAO等調節宿主免疫系統,參與宿主代謝途徑、影響表觀遺傳學修飾等。也有證據顯示腸道屏障功能破壞時,微生物會進入血液系統,誘導機體產生抗體,引起對眼部組織的交叉免疫。既往研究多聚焦于腸道菌群與眼部疾病的相關性,而二者之間的因果關系尚不清楚。Liu等[64]通過孟德爾隨機化分析證明腸道菌群變化與DR的發生有因果關系,為腸-眼軸的存在提供了新的證據。未來還需要更多的研究證實腸道菌群在眼部疾病發生發展中是否起到始動作用。然而目前對腸道菌群的認識還有許多不足,包括健康人群腸道菌群的多樣性及差異、各種菌群的特征及對宿主的影響、其與系統性疾病或局部疾病的雙向調節。許多腸道微生物的分類及作用鮮為人知,包括病毒、真菌、噬菌體、古細菌等。有研究表明,益生菌和益生元可以改善腸道菌群的組成,以及下游的代謝物來調節免疫相關的干眼[65]。隨著研究技術的發展,我們可以更好地理解腸道菌群在眼部疾病中的作用,這將有利于為難治性眼病開發新的治療靶點。我們期望通過非醫療干預手段,如通過改變飲食習慣、使用益生菌和益生元調控腸道菌群,從而改善眼部疾病或維持眼健康,甚至通過監控和調整腸道菌群達到預防眼病的目的。此外,腸道菌群有望作為生物標志物,在眼部疾病的診斷中起到作用。