史佳鷺,李慧臻,閆芬芬,關嘉琦,焦雯姝,趙 莉,霍貴成

(東北農業(yè)大學乳品科學教育部重點實驗室,黑龍江哈爾濱 150030)

益生菌是一類能夠定殖宿主腸道并對機體產生有益作用的活性微生物的總稱,通過與宿主細胞相互作用,影響腸道菌群組成與結構完整性,從而影響其代謝和免疫[1]。近年來,有很多關于DC細胞、單核細胞(monocytes)、巨噬細胞(macrophages)以及T細胞干預自身免疫性疾病發(fā)生和發(fā)展的報道,特別是T細胞,但其具體作用機制還不明確[2]。而本文結合最近國內外的研究狀況,綜述益生菌對免疫細胞的調節(jié)作用,以及應用于自身免疫性疾病的進展,旨在為自身免疫性疾病的治療提供參考。

1 益生菌與免疫細胞

圖1 腸道相關淋巴組織與益生菌和腸道微生物群的相互作用Fig.1 Gut associated lymphoid tissue(GALT)and its interaction with probiotics and gut microbiota

圖2 益生菌刺激Th1、Th2、Th17或Treg細胞的免疫調節(jié)作用Fig.2 Immunomodulatory effects of probiotics stimulating Th1,Th2,Th17 cells or Treg cells

世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)將益生菌定義為“一類活的微生物,當有足夠量的活菌體到達宿主腸道、定殖從而改變宿主腸道菌落平衡,進而對宿主起著健康效應”[3]。益生菌和腸道微生物共同與腸相關淋巴組織(gut-associated lymphatic tissue,GALT)互作,增強免疫調節(jié)能力(圖1)[4]。益生菌在人體或小鼠體內刺激先天性免疫系統(tǒng)產生,誘導抗原呈遞細胞(antigen-presenting cells,APC)和自然殺傷細胞(natural killer cell,NK)生成。獲得性免疫也會由益生菌引起,如雙歧桿菌可以誘導免疫球蛋白G(immunoglobulin G,IgG)、免疫球蛋白A(immunoglobulin A,IgA)分泌[5]。此外,益生菌還誘導巨噬細胞、CD8+T細胞、調節(jié)性T細胞(regulatory cells,Treg)及細胞因子的生成[6]。因此,益生菌可以通過控制免疫反應的“開/關”,在黏膜水平上調節(jié)宿主免疫系統(tǒng),維持機體健康。如果缺乏足夠的益生菌刺激免疫系統(tǒng),會使免疫調節(jié)不充分或不適當,從而導致一系列免疫疾病的發(fā)生,如炎癥性腸病、癌癥和自身免疫性疾病。可見,在多種免疫相關疾病中,益生菌可以作為誘導免疫耐受的免疫調節(jié)劑。因此,需要進一步了解免疫細胞的免疫學特性以及益生菌對這些免疫細胞的調節(jié)作用。

1.1 益生菌與樹突細胞

樹突細胞(dendritic cells,DC)在適應性免疫應答的起始和調節(jié)中起重要作用,是機體內功能最強的APC,其與T細胞相互作用啟動機體免疫應答。活化的DC細胞在決定T細胞亞群的激活和分化中起重要作用,通過表達多種炎性細胞因子,趨化因子,共刺激分子和MHC分子,將抗原呈遞給T細胞,啟動T細胞向Th1或Th2分化(圖2)[4，7]。益生菌對DC細胞的表型、細胞因子的釋放、分化和成熟以及其抗原提呈能力均有影響,使T細胞不能產生強有效的免疫應答，特別是能夠激活腸道中致耐受性DC細胞,從而誘導Treg細胞分化(圖2),且益生菌的出現(xiàn)伴隨著IL-10水平的升高,共刺激分子(CD80、CD83、CD86)、白介素-12(IL-12)和NF-κB表達的降低[8]。此外,DC細胞還可內吞益生菌,向T細胞呈現(xiàn)抗原多肽,刺激Th1、Th2、Th17和Treg細胞分化(圖2)。研究發(fā)現(xiàn),益生菌嬰兒雙歧桿菌35624和嬰兒雙歧桿菌14518可以刺激DC細胞成熟和GALT中CD103+DCs的積累,從而誘導CD4+細胞向Treg細胞分化,上調白介素-4(IL-4)、IL-10和TGF-β等抗炎因子表達,改善免疫性疾病相關癥狀[9-10]。此外,鼠李糖乳桿菌JB-1可以通過DC-SIGN和TLR-2模式識別受體(PRRs)通路的機制,調節(jié)DC細胞,降低共刺激分子表達,減少Th1細胞分泌IL-2、TNF-α等促炎因子,抑制炎癥反應[11]。

1.2 益生菌與單核細胞

單核細胞是一種血液中體積龐大且來自于骨髓中的造血干細胞的血細胞,其可在外周血中分化為組織巨噬細胞和髓系樹突狀細胞,并在人體免疫方面發(fā)揮重要作用。腸道菌群和攝入的益生菌可參與單核細胞的分化并與巨噬細胞相互作用,從而有利于免疫作用的發(fā)揮[12]。CD4+T細胞和NK細胞通過巨噬細胞所分泌的IL-12刺激完成分泌干擾素-γ(interferon-γ,IFN-γ),進而生成促炎Th1細胞，而IFN-γ以反饋調節(jié)的方式促進IL-12的分泌。這種循環(huán)對人體的免疫作用方面產生的負面影響是很大的,因為它可能導致細胞因子的表達失去控制。近些年,學者們發(fā)現(xiàn)益生菌在IFN-γ和IL-12反饋調節(jié)通路方面發(fā)揮著重要的作用。Donkor等[13]發(fā)現(xiàn),將人外周血單核細胞(PBMCs)與益生菌(嗜酸乳桿菌LAVRI-A1、鼠李糖乳桿菌和雙歧桿菌)共培養(yǎng)可提高抗炎細胞因子IL-4、IL-10和TGF-β水平,抑制IL-12和IFN-γ等促炎細胞因子產生,從而提高人體的自身免疫,避免過敏反應的發(fā)生。此外,乳源的益生菌如格氏乳桿菌DSM20243 T可以誘導單核細胞產生干擾素-α(interferon-α,IFN-α),并促進NK細胞、巨噬細胞和T細胞的活化[14]。商用益生菌如副干酪乳桿菌DG能夠通過促進人單核細胞系THP-1的TNF-α、IL-6、IL-8和CCL20分泌提升人體的免疫刺激特性。而這種作用可能與核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)信號通路表達得下調有關[15]。最新研究顯示,嗜熱鏈球菌也可以誘導人單核細胞系U937分泌各種細胞因子,如IL-4和IL-10、TNF-a和IL-6、趨化因子CXCL8和粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(granulocyte-macrophage colony stimulating factor,GM-CSF)等。因此,益生菌的使用有利于單核細胞的活化和免疫特性的改善,從而在抑制由于過量致病菌誘導產生的促炎反應方面發(fā)揮積極作用。

1.3 益生菌與調節(jié)性T細胞

Treg細胞是一類控制體內自身免疫反應性的T細胞亞群,其特征標志為其高表達叉頭樣轉錄因子(forkhead box P3,Foxp3),與自身免疫性疾病的發(fā)生關系密切。研究證明,嬰兒雙歧桿菌可以增加PBMCs中IL-10和FoxP3表達[16],且在小鼠試驗也發(fā)現(xiàn)嬰兒雙歧桿菌施用導致CD4+CD25+FoxP3+淋巴細胞增加[17]。Giacinto等[18]發(fā)現(xiàn),混合益生菌制劑VSL#3(由8種不同的益生菌組成:嗜酸乳桿菌、德氏乳桿菌、干酪乳桿菌、植物乳桿菌、長雙歧桿菌、嬰兒長雙歧桿菌、短雙歧桿菌和嗜熱乳鏈球菌)可以改善結腸炎小鼠病理損傷,提高血清及結腸中IL-10、TGF-β分泌及mRNA表達,進一步揭示益生菌可以通過控制Treg細胞分泌相關因子,導致疾病發(fā)生。另一方面,腸道微生物發(fā)酵膳食纖維產生的短鏈脂肪酸(SCFAs),尤其是丁酸鹽,具有促進腸道Treg細胞分化的特性,抑制炎癥反應[19-20]。?zdemir等[21]發(fā)現(xiàn),結腸炎小鼠補充含有復合益生菌的乳制品(由干酪乳桿菌、乳酸乳球菌、嗜酸乳桿菌、雙歧桿菌和乳酸乳球菌組成)后,與安慰劑相比較,實驗組小鼠脾細胞中CD4+和CD8+T細胞數(shù)量明顯降低,而Treg細胞數(shù)量增加,其緩解疼痛效果也優(yōu)于安慰劑組,這種效應被證實是由SCFAs(包括醋酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽)引起。另外也有研究顯示丁酸鹽誘導轉錄因子T-bet表達,導致T細胞分泌IFN-γ,而不是刺激Treg細胞分化。因此,丁酸鹽可能對黏膜免疫系統(tǒng)產生有益或有害的影響,需要進一步的研究確定丁酸鹽的劑量及其誘導Treg細胞的機制。

1.4 益生菌與輔助性Th17細胞

West等[22-23]發(fā)現(xiàn)的輔助性Th17細胞,是一種主要分泌細胞因子IL-17的新型CD4+T細胞亞群,它能夠分泌產生IL-17、IL-6、IL-22以及TNF-α等促炎因子,其中最重要的效應因子IL-17A具有強大的致炎作用。在炎癥性自身免疫病患者和動物模型中均發(fā)現(xiàn)IL-17的異常高表達,與其炎癥性病理機制密切相關[24]。有研究表明系統(tǒng)性紅斑狼瘡(SLE)患者外周血單個核細胞在加入IL-17后,分泌IgG和IL-6的水平明顯增加,表明SLE患者中IL-17可促進自身反應性B細胞的活化[25]。在益生菌治療炎癥性腸病的研究中發(fā)現(xiàn),嬰兒雙歧桿菌、短雙歧桿菌、長雙歧桿菌、嗜酸乳桿菌、加氏乳桿菌A5和嗜熱鏈球菌ST28均可明顯減少結腸炎小鼠模型血清中IL-23和TNF-α的分泌,而IL-23對Th17細胞增殖和分化有重要的影響,因此推測益生菌是通過減少IL-23的分泌進而抑制IL-17的產生,抑制炎癥。另一方面,研究發(fā)現(xiàn)給去卵巢小鼠喂食6周嗜酸乳桿菌能夠使Th17細胞趨向Treg細胞表型分化,通過提高Treg細胞數(shù)量并抑制Th17細胞的活性維持Treg/Th17平衡,進而減輕炎癥反應[26-27]。Th17可被視為一個潛在的抗炎靶點,通過益生菌降低Th17細胞IL-17的表達,以及維持IL-23/IL-17和Treg/Th17平衡,抑制炎癥反應。

2 益生菌在自身免疫性疾病的應用

自身免疫性疾病(autoimmune disease,AID)是一類因機體免疫耐受功能受損而致使免疫細胞及其成分對自身組織結構和功能破壞的疾病,包括Ⅰ型糖尿病(type 1 diabetes,T1D)、類風濕性關節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)、系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)、多發(fā)性硬化(multiple sclerosis,MS)和潰瘍性結腸炎(ulcerative colitis,UC)等[28]。免疫系統(tǒng)的紊亂和失衡是引起自身免疫病發(fā)生和發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的糖皮質激素和免疫抑制劑雖能夠抑制病情,提高患者存活率,但長期使用會造成一系列不良后果[29]。目前大量臨床試驗、動物模型和體外研究發(fā)現(xiàn),益生菌可以通過多種免疫途徑有效治療自身免疫性疾病[30]。但由于AID發(fā)病機制復雜,加上益生菌個體差異、種類和治療劑量不同甚至益生菌自身生長狀態(tài)的不同導致益生菌免疫調節(jié)能力有所差異。

2.1 Ⅰ型糖尿病

Ⅰ型糖尿病是由胰島中分泌胰島素的胰島β細胞進展性破壞為特點的自身免疫性疾病,是由遺傳和環(huán)境兩者之間復雜的相互作用引起的[31]。根據(jù)國際糖尿病聯(lián)合會統(tǒng)計,全世界每年有79100名15歲以下兒童會患上T1D[32]。目前已經明確,T1D的發(fā)生主要以免疫介導為主,多種免疫細胞及其細胞因子參與胰島β細胞破壞。動物實驗表明,Th1/Th2失衡在T1D的發(fā)生和發(fā)展過程起到關鍵作用。Th1細胞亞群分泌的細胞因子,如IL-2、IFN-γ、TNF-α、IL-12和GM-CSF等,能夠增強炎癥反應,介導胰島細胞損壞,從而導致T1D的發(fā)生。而Th2細胞亞群分泌的細胞因子,如IL-4、IL-10等,能夠抑制炎癥反應，對T1D的發(fā)展起到一定的緩解作用[33]。此外,有研究發(fā)現(xiàn)T1D患者外周血中可以分泌IL-17的CD4+和CD8+細胞比例增加,且CD4+CD25+Treg細胞數(shù)量較對照組明顯降低[34]。目前,很多實驗已經證明益生菌可以通過調節(jié)免疫細胞及其細胞因子,抑制炎癥反應,提高抗生素敏感性,進而防止T1D的發(fā)生。早在1997年,Matsuzaki等[35]研究發(fā)現(xiàn)干酪乳桿菌YIT 9018具有降低血糖水平的功效,能明顯改善非肥胖糖尿病(NOD)小鼠相關癥狀,另外補充干酪乳桿菌YIT 9018能明顯降低脾臟CD8+T細胞和全身性炎癥性標志物,說明益生菌可能通過降低炎癥反應,降低血糖水平,進而阻止T1D的發(fā)展。此外,在一項研究中根據(jù)乳酸菌促進STC-1細胞分泌胰高血糖素樣肽-1(GLP-1)的能力,篩選馬乳酒樣乳桿菌M和開菲爾乳桿菌K。將兩株乳酸菌喂給鏈脲佐菌素誘導的Ⅰ型糖尿病小鼠,發(fā)現(xiàn)糖尿病相關癥狀得到改善,可能機制包括益生菌刺激GLP-1分泌,抑制促炎因子和炎性細胞因子產生,提高IL-10的產生,改變腸道菌群[36]。NOD小鼠口服乳桿菌后,有效緩解T1D的發(fā)展,其機制是益生菌抑制IL-1β表達及降低吲哚胺2,3-雙加氧酶的釋放,且促進腸道中CD103+致耐受性樹突細胞的分化[37]。再次揭示了益生菌具有治療Ⅰ型糖尿病的潛在功能,但具體機制仍需更深入的試驗驗證。

2.2 類風濕性關節(jié)炎

類風濕性關節(jié)炎是一種以關節(jié)病變?yōu)橹鞯穆匀碜陨砻庖咝约膊?其中自身抗體主要以類風濕因子和抗環(huán)瓜氨酸肽抗體(anticitrullinated protein antibody,ACPA)為代表[38]。其特征是關節(jié)腫脹疼痛,繼而畸形殘疾[39],且伴隨內臟損傷,如肺、心臟和腎臟等。根據(jù)WHO統(tǒng)計,RA患病率為0.3%和1%,是最常見的自身免疫性疾病之一[40]。目前研究均認為,RA是由遺傳因素和環(huán)境因素共同作用而致病。環(huán)境因素中,免疫細胞失衡導致的免疫異常已被證實參與RA的發(fā)生與發(fā)展[41],其中包括T、B淋巴細胞、巨噬細胞、中性粒細胞等[42],且Th1、Th2和Th17細胞的比例失衡及細胞因子IL-1、IL-2、IL-17、IFN-γ和TNF-a等產生的免疫損害,是導致RA慢性炎癥的關鍵因素。此外,核因子-κB(nuclear factor of kappa B,NF-κB)與RA致病及關節(jié)損害等也密切相關[43]。大量研究發(fā)現(xiàn),益生菌作為一種外界環(huán)境因素,可以降低炎性應答的趨勢,表明益生菌可能對緩解RA具有一定的作用。Hatakka等[44]發(fā)現(xiàn)給RA患者服用鼠李糖乳桿菌(LGG)后,關節(jié)觸痛和腫脹均數(shù)由8.3降至4.6,疾病評分減少了71%,風濕病發(fā)作率降低,使受試者產生主觀幸福感。Vaghefmehrabany等[45]研究發(fā)現(xiàn),與安慰劑組相比較,服用8周瑞士乳桿菌的RA患者疾病活動度下降,超敏C-反應蛋白(high-sensitivity C-reactive protein,hs-CRP)水平降低,且血清中TNF-a、IL-6和IL-12等促炎因子水平明顯降低,調節(jié)性細胞因子IL-10明顯升高,益生菌組未發(fā)現(xiàn)任何副作用。進一步表明益生菌通過控制免疫細胞平衡,調節(jié)細胞因子分泌,抑制炎癥反應,進而干預RA的發(fā)展。在動物試驗中也發(fā)現(xiàn),口服凝結芽孢桿菌具有抗炎作用,明顯降低了RA大鼠模型中血清淀粉樣蛋白A(serum amyloid A protein,SAA)、TNF-a和纖維蛋白原的產生,從而改善RA大鼠關節(jié)炎病情水平[46]。但在一些評估益生菌治療RA效果的研究中并未得到顯著功效。在一項雙盲安慰劑對照臨床試驗中,27名RA患者服用鼠李糖乳桿菌和羅伊氏乳桿菌3個月,結果表明,治療組與對照組在關節(jié)炎病情緩解指數(shù)ACR20評分方面的差異無顯著意義[47]。

2.3 系統(tǒng)性紅斑狼瘡

系統(tǒng)性紅斑狼瘡是一種累及多系統(tǒng)、多器官并有多種自身抗體出現(xiàn)的自身免疫性疾病,由于體內有大量致病性自身抗體和免疫復合物而造成組織損傷[48]。SLE的發(fā)病機制非常復雜,尚不清楚,但大量研究證實,SLE患者循環(huán)中T淋巴細胞失調,是SLE的特征之一,其嚴重程度與疾病活動性相關[49]。進一步的研究發(fā)現(xiàn)T細胞失調是由APC功能缺陷所致,而DC是機體內功能最強的APC,所以DC的功能缺陷是導致T細胞功能缺陷的主要原因[50]。此外,SLE患者中細胞因子IL-1、IL-6、TNF-α、IFN-γ、IL-4和IL-10等的異常表達,進一步揭示了免疫細胞及細胞因子介導SLE發(fā)生[51]。Esmaeili等[52]在一項體外研究中發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌和德氏乳桿菌可以調節(jié)SLE患者中DC細胞產生,后者誘導Treg細胞增殖分化,分泌IL-10、TGF-β等細胞因子,參與免疫調節(jié),從而降低炎癥反應。Hsu等[53]評估了副干酪乳桿菌GMNL-32、羅伊氏乳桿菌GMNL-89和羅伊氏乳桿菌GMNL-263對系統(tǒng)性紅斑狼瘡動物模型干預效果,發(fā)現(xiàn)這些乳酸桿菌可以緩解SLE相關癥狀,可能機制是通過抑制NF-κB通路以及細胞外信號調節(jié)的激酶致炎通路,進而降低TNF-a、IL-1β表達,提高抗炎細胞因子IL-10表達,減輕炎癥。Fatemeh等[54]對降植烷誘導前的小鼠進行口服2個月的益生菌(鼠李糖乳桿菌和德氏乳桿菌)處理,持續(xù)至實驗結束,結果發(fā)現(xiàn)益生菌能夠明顯抑制SLE的發(fā)病率;另外,用鼠李糖乳桿菌和德氏乳桿菌治療降植烷正在誘導的小鼠實驗中,發(fā)現(xiàn)可以延遲疾病的發(fā)生。其機制是通過抑制Th1和Th17極化,同時誘導IL-10生成,降低IL-17和IFN-γ數(shù)量。進一步證明益生菌在治療SLE中的免疫調節(jié)作用。然而,目前在clinicaltrials.gov中尚未有關于益生菌治療SLE患者的臨床試驗。益生菌用于SLE研究和防治的機制還相對不夠深入,還有待進一步探索。

2.4 多發(fā)性硬化癥

多發(fā)性硬化癥是引起中樞神經系統(tǒng)(central nervous system,CNS)炎性脫髓鞘的自身免疫疾病,以多發(fā)病灶、緩解、復發(fā)病程為特點[55]。研究發(fā)現(xiàn),MS主要由CD4+T細胞介導發(fā)生,MS患者在活動期時外周血中CD4+CD25 high T細胞數(shù)量比正常組減少,且CD4+CD25+T細胞的FOXP3 mRNA表達降低[56]。此外,最新研究顯示,分泌IFN-γ的Th-1和分泌IL-17的Th-17的兩個CD4+T細胞亞群失調,是MS及其實驗動物模型EAE(experimental autoimmune encephalomy-elitis,實驗性變態(tài)反應性腦脊髓炎)的主要病因[57],且MS患者Treg細胞功能的受損可能也與疾病發(fā)展有重要關系[58]。而益生菌作為自身免疫調節(jié)劑,可有效緩解MS相關癥狀。大量研究發(fā)現(xiàn),乳酸桿菌、乳酸片球菌、雙歧桿菌和脆弱擬桿菌等通過促進IL-10及TGF-β的分泌,誘導腸道粘膜中Treg細胞分化,且降低Th1/Th17細胞分化,從而改善CNS炎癥反應[59-60]。在一項臨床試驗中,給予9名MS患者益生菌(乳酸菌和雙歧桿菌)8周干預后,能夠顯著改善患者精神狀態(tài)、痙攣和視力等相關癥狀。進一步研究發(fā)現(xiàn),與正常組相比,干預組患者中艾克曼菌屬和勞特氏菌屬的豐度下降,乳酸菌和雙歧桿菌豐度增加,炎癥單核細胞數(shù)量減少,MHC-II和共刺激分子CD80表達降低,表明通過調節(jié)患者腸道菌群和腸道炎癥水平等作用來恢復腸道正常,進而干預MS的發(fā)病[61]。在另一項隨機雙盲安慰劑對照臨床試驗中,60名MS患者服用12周益生菌(包括嗜酸乳桿菌、干酪乳桿菌、發(fā)酵乳桿菌和雙歧桿菌)后,擴展殘疾狀況評分(expanded disability status scale,EDSS)和炎癥標志物明顯降低[62]。在動物試驗中,輕度EAE小鼠口服腸產毒素大腸桿菌的“疫苗”后可以完全恢復,組織病理學顯示脊髓灰質和白質炎性浸潤減少,IFN-γ分泌降低,IL-4、IL-10、IL-13和TGF-β抗炎因子分泌增加,說明益生菌通過調節(jié)多種炎癥因子來緩解EAE癥狀[63-64]。此外,Ochoarepáraz等[65-66]研究發(fā)現(xiàn),脆弱擬桿菌可以產生一種雙性離子型多聚糖(PSA),對EAE小鼠給予脆弱乳桿菌或PSA干預后,發(fā)現(xiàn)FoxP3+調節(jié)性T細胞、CD103+樹突細胞以及CD39+CD4調節(jié)性T細胞數(shù)量增加,調節(jié)細胞因子IL-10數(shù)量也增加,但Th17細胞數(shù)量降低,說明脆弱類擬桿菌缺乏時,其代謝產物PSA含量減少,引起全身免疫調節(jié)作用下調。進一步證明了益生菌可以調節(jié)免疫細胞和細胞因子,參與機體腸道及系統(tǒng)免疫調節(jié),改善患者相關癥狀。

3 結論

腸道菌群-宿主之間相互作用的研究越來越深入,為益生菌在治療自身免疫性疾病提供了新的途徑。無論臨床研究或動物模型,益生菌在改善自身免疫性疾病中都展現(xiàn)出良好的干預效果。益生菌影響機體健康是多方面的,目前證據(jù)證實攝入的益生菌與腸道菌群相互協(xié)調,并通過與GALT相互作用,調節(jié)免疫細胞分化及其相關細胞因子分泌,減少炎癥反應,從而改善自身免疫性疾病。由于自身免疫性疾病發(fā)病機制復雜,加上菌株特異性及患者病理狀態(tài)不同,益生菌在治療效果上有所差異。雖然大量試驗表明益生菌具有免疫調節(jié)作用,但其治療自身免疫性疾病的機制還不夠完善,在臨床應用上還未形成規(guī)模,仍需大量深入研究為益生菌的有益效果提供合理詳細的證據(jù)。