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(jìn)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(jìn)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(jìn)展作一綜述。

1 SCFA

SCFA是指碳鏈上的碳原子數(shù)<6個的有機(jī)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(jìn)入腸上皮細(xì)胞：(1)被動擴(kuò)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(xì)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(dá)，并可調(diào)節(jié)天然免疫細(xì)胞及T細(xì)胞、B細(xì)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(xì)胞中表達(dá)。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(xì)胞水平上，SCFA可通過改變免疫細(xì)胞的基因表達(dá)、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(xì)胞(DC)的GPR43結(jié)合，誘導(dǎo)B細(xì)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(dá)升高，將維生素A轉(zhuǎn)化為其代謝產(chǎn)物維甲酸，促進(jìn)乙酸誘導(dǎo)B細(xì)胞產(chǎn)生IgA[8]。丁酸可直接或通過抑制HDAC誘導(dǎo)腸上皮細(xì)胞中維生素A轉(zhuǎn)化酶的表達(dá)，將維生素A轉(zhuǎn)化為維甲酸。腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生的維甲酸可影響DC表型，誘導(dǎo)DC表達(dá)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(xì)胞和生成IgA的B細(xì)胞[8-9]。丁酸可抑制HDAC3活性，促使單核細(xì)胞向巨噬細(xì)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(jìn)物質(zhì)代謝，參與細(xì)胞凋亡、自噬的作用。丁酸可通過改變巨噬細(xì)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(jìn)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(xì)菌播散程度均較未處理小鼠輕[10]。因此，丁酸鹽不僅可促進(jìn)單核細(xì)胞向具有較強(qiáng)抗菌活性的巨噬細(xì)胞分化，而且可阻遏致病菌的傳播。B細(xì)胞誘導(dǎo)成熟蛋白-1(Blimp-1)可促進(jìn)B細(xì)胞發(fā)育成漿細(xì)胞，并且在T細(xì)胞(包括Th1細(xì)胞和Th17細(xì)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(xì)胞表達(dá)Blimp-1以產(chǎn)生IL-10[11]。Th1細(xì)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(xì)胞對腸道炎性反應(yīng)的驅(qū)動。經(jīng)戊酸處理的Th17細(xì)胞糖酵解增強(qiáng)，使IL-10分泌增加，從而抑制HDAC活性，使IL-17A表達(dá)降低，導(dǎo)致Th17細(xì)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(jìn)IL-10分泌，又可抑制調(diào)節(jié)性B細(xì)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(xì)胞影響的實驗中，在Rag1基因缺陷小鼠(T細(xì)胞和B細(xì)胞缺陷小鼠)體內(nèi)植入經(jīng)戊酸及Breg細(xì)胞共同處理后的原始CD4+T細(xì)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(xì)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(xì)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(xì)菌的發(fā)酵產(chǎn)物，可促進(jìn)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(dá)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(dá)的7α-脫氫酶進(jìn)行7α-脫氫作用，從而產(chǎn)生次級膽汁酸[16]。此外，一些細(xì)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(xì)胞和從腸、肝中分離的巨噬細(xì)胞中均有表達(dá)[18]，GPBAR1在肝駐留巨噬細(xì)胞(Kupffer細(xì)胞)中表達(dá)[19]。人和嚙齒動物巨噬細(xì)胞中這些受體的激活，能有效抑制巨噬細(xì)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(xì)胞功能；3-oxoLCA可作用于Th17細(xì)胞，抑制其分化，從而顯著減少IL-17的分泌；isoalloLCA可促進(jìn)Treg細(xì)胞分化，使Foxp3表達(dá)升高[22]。由此可見，膽汁酸代謝產(chǎn)物可通過調(diào)控Th17細(xì)胞與Treg細(xì)胞的平衡，從而調(diào)控宿主免疫。

Treg細(xì)胞常表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子 Foxp3，研究發(fā)現(xiàn)CD4+Foxp3+Treg細(xì)胞可同時表達(dá)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(xì)胞群表達(dá)RORγt[24]。盡管Foxp3+RORγt+Treg細(xì)胞群表達(dá)了RORγt及其他與Th17細(xì)胞相關(guān)的基因，但其并不分泌IL-17，該Treg細(xì)胞群具有強(qiáng)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(xì)胞的數(shù)量?；謴?fù)腸道初級膽汁酸庫可增加結(jié)腸RORγt+Treg細(xì)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(xì)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(bǔ)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(xì)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(xì)菌代謝。具有Trp酶的腸道細(xì)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(fù)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(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(dá)水平，從而降低TNF-α的表達(dá)水平，減輕腸道炎性反應(yīng)[27]。IPA水平下降會導(dǎo)致免疫細(xì)胞數(shù)量增多，并且IPA可降低腸道通透性，增強(qiáng)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(xì)胞分化的能力，并可促進(jìn)分泌高水平IL-10的1型調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Tr1)分化，以增加IL-10的分泌，促進(jìn)MLN中CD103+DC的產(chǎn)生，從而增強(qiáng)宿主腸道的免疫耐受[30]。

4 丙酮酸和乳酸

表達(dá)CX3C趨化因子受體1(CX3CR1)的小腸單核細(xì)胞(CX3CR1+細(xì)胞)可調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)[31]。CX3CR1+細(xì)胞可將樹突伸入腸腔來攝取腸腔中的抗原，從而增強(qiáng)免疫反應(yīng)。在小鼠研究中發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌代謝產(chǎn)物丙酮酸和乳酸通過GPR31介導(dǎo)在CX3CR1+細(xì)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(qiáng)，以及對腸道沙門氏菌感染的抵抗力增強(qiáng)[32-33]。丙酮酸還能通過糖酵解途徑調(diào)控巨噬細(xì)胞的表型分化，促進(jìn)單核細(xì)胞向調(diào)節(jié)性巨噬細(xì)胞分化；調(diào)節(jié)性巨噬細(xì)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(xì)胞因子，研究發(fā)現(xiàn)IL-10可阻止巨噬細(xì)胞中由炎性刺激引起的代謝程序轉(zhuǎn)換，因此IL-10被認(rèn)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(jìn)步，越來越多的腸道菌群功能及作用機(jī)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(jī)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(xì)胞的基因表達(dá)、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(xì)胞相互作用，影響腸道的免疫發(fā)育和免疫平衡，其作用機(jī)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。