肠道微生物与宿主免疫关系研究进展

金 磊，王立志

（四川农业大学动物营养研究所，四川 成都 611130）

动物的胃肠道中存在着上万亿的微生物，它们不仅在宿主营养物质的消化代谢[1]和机体发育[2]等方面发挥重要作用，而且与宿主的健康和疾病密切相关[3]。例如，肠道菌群的紊乱可能会导致肥胖[4]、糖尿病[5]、肿瘤[6]、肠道疾病[7]、代谢疾病[8]、心血管疾病[9]、中枢神经系统[10]和免疫系统[11]等各种疾病的发生。近年来，肠道微生物对于宿主健康和疾病的影响受到越来越多人们的关注，关于肠道微生物和免疫系统关系的研究也越来越多[12-15]。肠道微生物是免疫系统功能正常实施的前提，因为肠道微生物是刺激“黏膜免疫系统”和“全身免疫系统”成熟的重要因子[16-17]。然而，宿主免疫系统在区分有益菌和致病菌的过程中面临着重要挑战，由于肠道共生微生物与病原微生物有着相似模式识别分子结构，所以很难判定某种细菌是有益菌还是致病菌。因此，本文就肠道微生物与免疫系统的关系予以综述，探索这些免疫机制究竟是如何合作来实现宿主-微生物的共生关系。

1 肠道菌群与免疫的关系

厚壁菌门和拟杆菌门是动物肠道中最主要的肠道菌门[18]。厚壁菌门主要以革兰氏阳性菌属为主，例如：梭状芽胞杆菌、链球菌和乳酸杆菌科等；拟杆菌门以革兰氏阴性细菌为主，包括多形拟杆菌和卵形拟杆菌等[19]。肠道细菌的主要功能是提高宿主对营养物质的消化利用效率[20-22]，但是，在微生物与宿主共同进化的过程中，动物肠道微生物进化出了更多的功能，例如，肠道微生物能够作为信号分子调控肠道发育[23-24]、血管生成[25]和淋巴细胞发育等[26-28]。此外，肠道细菌在保护宿主免受病原侵害方面也发挥着极其重要的作用，肠道细菌通过与细菌病原体竞争膳食中的营养物质，限制病原体在肠道中快速定植[29]。肠道微生物还能够刺激宿主免疫反应的发生。但肠道中存在的微生物与宿主之间并不全是互惠互利的关系，例如，人类肠道菌群中最主要的菌群之一的粪肠球菌，它能侵入黏膜组织，增加人类患菌血症和感染性心内膜炎的发病率[30]。

肠道微生物是宿主先天免疫和适应性免疫的重要启动和调节因子，当机体遭遇致病因子时，机体自身会激活相关受体，例如：Toll样受体（Tolllike receptors，TLRs）和 NOD样受体（NOD-like receptors，NLRs），启动炎症反应杀死致病因子[31]。因此，深入了解肠道微生物与免疫系统之间的关系显得尤为重要。

2 肠道微生物与宿主免疫

2.1 肠道微生物与黏蛋白的分泌肠黏膜中的杯状细胞能分泌一种黏蛋白（MUC），MUC能形成内、外2个结构不同的黏液层[32]。其中，外黏液层结构较松散，能够储存大量的细菌；内黏液层结构较紧致，对细菌具有抵抗力，一般没有细菌生存[33-34]。MUC2蛋白是肠道中最丰富的黏蛋白，在胆碱类物质的刺激下，释放到外黏液层，与病原微生物竞争性结合上皮细胞的黏附素受体，从而达到抑制病原微生物在肠道中黏附与定植的目的。研究表明，乳酸菌能促进MUC2的表达，抑制大鼠肠道中大肠杆菌的黏附，从而降低菌血症与脑膜炎的发病率[35]。但是，肠黏膜对于共生微生物具有高度的适应性，病原体能够不断地进化出穿透黏液层而进入上皮细胞表面的策略[36]。例如，幽门螺杆菌通过利用尿素酶，增加其所处微环境的pH值来达到降低黏液黏度，使其更容易通过黏液层[37]；而弯曲杆菌和沙门氏菌等通过利用鞭毛穿过肠黏液[38]。然而，更重要的是，肠道中共生的隶属于厚壁菌门的部分菌属也具有穿透黏液层的能力，它们能刺激肠上皮细胞产生大量的抗菌蛋白[39]，来限制细菌与肠上皮细胞的接触。

2.2 肠道微生物与抗菌蛋白分泌肠上皮细胞能分泌抗菌蛋白消灭穿透黏液层的细菌，其分泌的抗菌蛋白主要包括α-防御素、抗菌肽和C型凝集素等，这些蛋白质大部分是通过酶作用裂解细菌的细胞壁或内膜来发挥作用。宿主肠道细胞启动先天免疫主要依赖于识别病原相关的分子模式，例如：病原微生物的核酸结构能被宿主的TLRs受体（TLR3、TLR7、TLR8和TLR9）所识别[40]。其中，TLR3由双链RNA激活，TLR7和TLR8由单链RNA激活，TLR9由单链DNA内的CpG基质激活。当宿主源TLRs受体检测到致病原时，它们可启动先天免疫系统将其清除[41]。

肠上皮细胞的种类不同，分泌抗菌蛋白的机制也有所差异。例如，潘氏细胞产生的α-防御素的表达不需要任何表达信号，表达产物为NOD2；而肠上皮细胞和潘氏细胞分泌的抗菌c型凝集素（C-type Lectins）的表达需要再生蛋白3γ（）激活Toll样受体（TLR）来实现[42-44]。胰岛再生源蛋白3γ（RegⅢγ）由潘氏细胞分泌，可以抑制损伤组织处细菌的生长，控制肠道菌群的扩散和防止病原菌感染肠道。研究表明，当RegⅢγ与李斯特菌或粪肠球菌共同孵育时，随着浓度增加，细菌存活率明显下降[45]。以往的研究发现，IL-22能够诱导RegⅢβ和RegⅢγ的表达，RegⅢβ和RegⅢγ能够抑制柠檬酸杆菌感染结肠[46]。在肠道中除了IL-22外，TLRs信号通路中的MyD88对RegⅢγ蛋白的表达也具有重要的调节作用[33]。例如：有研究发现，MyD88基因敲除的小鼠回肠末端RegⅢγ的表达量显著低于野生型小鼠，导致李斯特菌对MyD88基因敲除小鼠回肠末端的感染机率明显增加[47]。

通过检测抗菌蛋白的活性发现，肠上皮细胞分泌的抗菌蛋白主要存在于黏液层中[48]。这表明黏液层至少能起到保护肠上皮细胞的作用，首先，黏液层能够限制管腔中的细菌进入上皮细胞；其次，黏液层中的抗菌蛋白能够在肠上皮细胞表面形成扩散，从而增加肠上皮细胞的抗菌能力。

2.3 肠道微生物与免疫细胞的分化胃肠道病原体同样也在不断的进化，例如，李斯特氏菌的肽聚糖乙酰基使其能够逃避被溶菌酶和肠上皮细胞分泌的细胞壁降解酶溶解[49]。因此，虽然肠上皮细胞分泌的抗菌蛋白能够快速地杀死共生微生物，但仍会有少数的微生物能够穿透肠上皮进入并存活于树突细胞（DCs）中。这些细菌能够随DCs到达肠系膜淋巴结，但不能进一步达到全身次级淋巴组织[50]，因为这时DCs会诱导产生IgA来防御共生微生物的黏膜渗透。肠黏膜中的免疫细胞（巨噬细胞、树突状细胞、中性粒细胞等）对肠道菌群的变化异常敏感，当肠道微生物由黏膜层向淋巴结转移时，这些免疫细胞可迅速捕捉异常的细菌并将其吞噬[51]。

树突状细胞（DC）是发育过程中具有特征性突起的免疫细胞，其专门用于B细胞和T细胞的抗原呈递，将肽抗原加载到MHCⅡ类，与T细胞受体结合并传递信号分子。例如，DC可以刺激T细胞分泌白细胞介素-12（IL-12）促进CD4+T的分化，也可以刺激B细胞通过肿瘤坏死因子家族配体的表达使B细胞活化因子（BAFF）增殖。细菌诱导的树突状细胞通过诱导B细胞的分化产生IgA，IgA能隔离细菌与肠上皮细胞表面接触[52]，阻止共生细菌穿透肠上皮，防止细菌侵入宿主组织[53]。此外，细菌能刺激固有层淋巴细胞（主要为Th2细胞）产生大量的IL-5，IL-5能够诱导淋巴结中的B细胞分化为成熟的浆细胞，产生分泌型IgA（sIgA）[33]。研究表明，正常生理条件下，黏液层和肠腔内也均存在IgA，这些IgA多包被在厌氧菌表面，防止致病菌的扩散[54]。

梭菌属具有调节性T细胞（Tregs）水平恢复正常的功能，并且发现梭菌属在近端结肠呈高密度分布，这些结果说明肠道微生物菌群具有影响免疫细胞分化的功能[55]。免疫系统通过分泌细胞因子，诱导未分化的T淋巴细胞分化为Tregs细胞，从而调节肠上皮组织对肠道共生菌的耐受能力，从而防止自身免疫性疾病发生。此外，CD4+效应T细胞（CD4+T）也是稳定肠道免疫内环境的关键因素，CD4+T细胞包括TH1、TH17和调节性T细胞（CD4+、CD25+、Foxp3+）。TH17和Foxp3细胞的分化均需要转化生长因子β（TGF-β）和IL-6来驱动，在结肠中，Foxp3细胞能产生IL-10，在小肠能产生IL-6和IL-10。研究发现，肠道某些特定的微生物在某些肠道免疫细胞的增殖分化方面起着至关重要的作用。例如：脆弱拟杆菌可促进IL-17的产生，进而促进辅助性T细胞（TH细胞）的生成[56]。乳酸杆菌可有效刺激低分子质量肽的产生，进而激活肠道免疫系统，增强肠道对疾病的防御能力[57]。

研究表明，减少体内Th17细胞的数量能防止或减轻自身免疫性脑脊髓炎（EAE）等自身免疫疾病的发生。分节丝状菌（SFB）对Th17细胞的发育非常重要，SFB能够诱导小肠表达血清淀粉样蛋白A（SAA），SAA可促进树突细胞分泌TGF-β与IL-6，而TGF-β与IL-6的协同作用是诱导Th17细胞分化的关键因素[58]。脆弱拟杆菌能够影响Tregs的产生，脆弱拟杆菌的荚膜多糖PSA为两性离子多糖，它能够刺激IL-10的产生，而IL-10能进一步诱导T细胞转化为Tregs。同时，PSA还能通过刺激Th1型T细胞的分化来促进细胞免疫[59]。IL-2会抑制Th17细胞的分化，试验检测到IL-2缺陷的小鼠其体内IL-17的表达会增强，而IL-21可以与TGF-β一起诱导Th17的分化；IL-23能够上调IL-17的表达，增强Th17细胞的作用，但并不能促进Th17分化。

2.4 肠道微生物与细胞吞噬作用虽然黏液、抗菌蛋白和免疫球蛋白（IgA）三者能够协同保护肠上皮细胞与细菌接触，但是仍会有一部分细菌能够突破屏障。此时，肠道第二层免疫保护能够快速检测并杀死穿透肠上皮细胞的细菌，例如：巨噬细胞的吞噬作用。巨噬细胞是一种大量存在哺乳动物胃肠道中吞噬细胞，尽管许多组织部位的巨噬细胞都能够分泌激活T细胞的介质促炎症嗜中性粒细胞，并且肠道巨噬细胞也保留了有效的吞噬细菌的能力，但却不能够识别炎症反应[60]。这可能反映了这些共生细菌通过不断进化，从而增强对环境的适应性。因为有研究表明，吞噬细胞能够快速地杀死渗透的共生微生物，但是，肠道病原体也会很快的进化出相应的应对策略使其不被杀死。例如，沙门氏菌能够主动下调巨噬细胞的杀菌机制，使其在宿主体内存活[61]。这说明宿主共生的细菌的确是通过不断的进化来提高其对环境的适应性[62]。肠道中复杂微生物菌群的存在意味着如果肠上皮细胞损伤很快就会导致细菌感染和炎症等，但肠道巨噬细胞第二个重要的作用就是能恢复被肠道菌群损伤后的上皮细胞屏障的完整性。研究表明，小鼠肠上皮细胞损伤会触发巨噬细胞特异性修复途径的表达[63]。

3 结语和展望

肠道微生物与宿主免疫系统间的协调与人类健康紧密相关，越来越多的研究正在逐步阐明肠道共生微生物与免疫之间的关系，现在已经确定肠道微生物可以影响宿主代谢和免疫途径，参与人体健康与疾病。但是，还没有完全阐明肠道微生物与宿主免疫系统相互作用的机制。同时，肠道微生物与微生物对于免疫的调节是否存在协同或抑制作用也值得我们进一步探索。因此，更好地了解肠道微生物与免疫系统之间的关系，可为预防疾病，尤其是免疫系统相关疾病提供崭新的思路。