姜 旭，楊華夏，張奉春

中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)院 1疑難重癥及罕見病國家重點實驗室 2風濕免疫科 國家皮膚與免疫疾病臨床醫(yī)學研究中心 風濕免疫病學教育部重點實驗室，北京 100730

人體腸道內(nèi)存在數(shù)量龐大、種類豐富的微生物群落，其以宿主未消化的食物及腸道上皮細胞分泌物為底物，在腸道內(nèi)進行復雜且活躍的代謝反應，產(chǎn)生大量對人體有益或有害的代謝產(chǎn)物。腸道菌群代謝產(chǎn)物作用于宿主，在宿主機體發(fā)育、消化代謝、免疫調(diào)節(jié)等諸多方面發(fā)揮重要作用；另一方面，宿主的飲食結構、免疫狀態(tài)等也會影響腸道菌群[1]。腸道菌群與宿主交互作用維持動態(tài)平衡，一旦平衡被打破，引起的腸道菌群紊亂可能導致多種疾病發(fā)生。隨著對腸道菌群功能研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)腸道菌群紊亂不僅會引起肥胖、糖尿病等代謝性疾病，且與多種自身免疫性疾病密切相關[2]。本文重點闡述腸道菌群代謝產(chǎn)物在自身免疫性疾病中的作用，以期為臨床診療提供借鑒。

1 腸道菌群參與自身免疫性疾病的發(fā)生

隨著高通量測序技術的飛速發(fā)展，對于自身免疫性疾病狀態(tài)下腸道菌群基因組和宏基因組的研究不斷推進，發(fā)現(xiàn)類風濕關節(jié)炎(rheumatoid arthritis,RA)[3-4]、系統(tǒng)性紅斑狼瘡(systemic lupus erythematosus,SLE)[5-6]、炎癥性腸病(inflammatory bowel diseases,IBD)[7]、原發(fā)性膽汁性膽管炎(primary biliary cholangitis,PBC)[8]、多發(fā)性硬化癥(multiple scler-osis,MS)[9]、強直性脊柱炎(ankylosing spondylitis,AS)[10-11]、原發(fā)性干燥綜合征(primary Sj?gren’s syndrome,pSS)[12]和白塞氏病(Behcet’s disease,BD)[13]等自身免疫性疾病患者的腸道菌群與健康人存在顯著差異，包括多樣性降低、某些疾病特異性菌株增多，且這些特異性菌株的含量與疾病活動程度相關。例如，普雷沃氏菌(Prevotellacopri)、活潑瘤胃球菌(Ruminococcusgnavus)、唾液乳桿菌(Lactobacillussalivarius)在RA患者的糞便中均有富集，且唾液乳桿菌在RA患者糞便中的富集程度與疾病活動度相關[3-4]。近年來，自身免疫性疾病腸道菌群研究已逐步從描述菌群結構差異深入至探討差異菌的致病機制，其中腸道菌群產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物對宿主免疫穩(wěn)態(tài)的調(diào)控作用越來越受到關注。

2 腸道菌群代謝產(chǎn)物參與免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)

腸道菌群通過不同的代謝模式，產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物。這些代謝產(chǎn)物可直接或間接影響宿主的免疫應答，促進或延緩自身免疫性疾病的發(fā)生，其中研究較多的代謝產(chǎn)物主要包括短鏈脂肪酸(short chain fatty acids,SCFAs)、色氨酸及其衍生物、膽汁酸。

2.1 SCFAs

2.1.1 形成途徑

SCFAs主要來源于膳食纖維和結腸黏液層中富含大量O-糖基化修飾的黏蛋白，而參與SCFAs形成過程的微生物主要有雙歧桿菌屬、乳桿菌屬、擬桿菌屬和梭桿菌屬等[14]。膳食纖維或黏蛋白中的復雜碳水化合物首先被微生物水解成五碳或六碳單糖，然后分別經(jīng)過磷酸戊糖途徑(五碳)或Embden-Meyerhof-Parnas途徑(六碳)代謝為丙酮酸，丙酮酸再經(jīng)過一系列生化反應最終形成SCFAs，其中乙酸、丙酸和丁酸占SCFAs總量的95%以上。

2.1.2 功能/機制

作為腸道內(nèi)含量最豐富的微生物代謝產(chǎn)物之一，SCFAs可影響宿主多種生理功能，其中對宿主免疫功能的調(diào)控作用備受關注。在固有免疫方面，研究者發(fā)現(xiàn)SCFAs可抑制樹突狀細胞(dendritic cell,DC)的成熟，影響細胞因子白細胞介素(interleukin,IL)-23的分泌[15]，并能調(diào)控巨噬細胞功能和細胞因子的分泌[16]。在適應性免疫方面，F(xiàn)urusawa等[17]和Smith等[18]發(fā)現(xiàn)SCFAs可調(diào)控結腸Treg細胞池的規(guī)模和功能，促進腸道中IgA的產(chǎn)生[19]，促進Th1細胞分泌具有抑炎功能的IL-10[20]，并增強抗原活化的CD8+T細胞的記憶潛能[21]，促進CD4+T細胞產(chǎn)生IL-22，維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[22]。

SCFAs主要通過以下3種作用機制調(diào)控宿主細胞功能：(1)作為宿主內(nèi)源性代謝產(chǎn)物的碳源。SCFAs中的丁酸通過持續(xù)的脂肪酸代謝途徑為氧化磷酸化提供能量，使細胞三羧酸循環(huán)過程可不依賴于糖酵解的產(chǎn)物輸入，加速細胞能量代謝，促進活化的CD8+T細胞的記憶潛能[21]。(2)作為配體激活宿主G-蛋白偶聯(lián)受體(G protein-coupled receptor,GPCR，主要包括GPR43、GPR41和GRP109A)的信號通路。例如，SCFAs可通過激活GPR43促進Th1細胞分泌IL-10[20]。(3)抑制組蛋白去乙酰酶(histone deacetylase,HDAC)影響宿主基因的表達[23-24]。SCFAs可誘導Treg細胞產(chǎn)生并增強其功能，一方面通過抑制HDAC促進組蛋白H3乙酰化，上調(diào)FOXP3表達；另一方面通過激活GPR43受體促進IL-10釋放而誘導Treg細胞增殖[17-18,23]。SCFAs還可誘導CD4+T細胞和固有樣淋巴細胞產(chǎn)生IL-22，其機制是通過激活細胞表面GPR41受體并抑制HDAC促進芳香烴受體(aryl hydrocarbon receptor,AhR)和缺氧誘導因子1α(hypoxia-inducible factor 1α,HIF1α)的表達[22]。

2.1.3 SCFAs與自身免疫性疾病

SCFAs被報道與RA、SLE、MS、pSS、IBD等多種自身免疫性疾病發(fā)病相關。

研究表明，丁酸在RA患者和RA模型小鼠的糞便樣本中含量均降低，而補充丁酸后可通過激活AhR調(diào)控Breg細胞功能，進而緩解關節(jié)炎癥狀[24]。SCFAs可緩解多種RA模型小鼠的疾病嚴重程度，包括膠原誘導的關節(jié)炎(collagen-induced arthritis,CIA)[25]和抗原誘導的關節(jié)炎(antigen-induced arthritis,AIA)[24]。

SLE患者糞便樣本中，SCFAs含量與腸道菌群結構相關[26]。在TOLL樣受體7依賴的SLE小鼠模型的飲食中加入抗消化淀粉或SCFAs，可抑制羅伊乳桿菌的生長，并緩和疾病表型[27]。但SCFAs在SLE患者體內(nèi)是否具有保護作用仍需更多的基礎和臨床研究加以證明。

近年來，腦-腸軸的調(diào)控在神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病中的作用越來越受到重視，腸道菌群代謝產(chǎn)物在神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫性疾病MS的發(fā)病過程中扮演了重要角色。在MS患者體內(nèi)，產(chǎn)生SCFAs的多種腸道菌群含量降低[9]。對實驗性自身免疫性腦脊髓炎(experimental autoimmune encephalomyelitis,EAE)模式小鼠給予丙酸治療可提高腸道局部Treg細胞含量，起到抗炎作用，有效緩解疾病癥狀[28]。除影響腸道局部外，SCFAs的效應還可延伸至中樞神經(jīng)系統(tǒng)，通過GPR43受體調(diào)控小神經(jīng)膠質(zhì)細胞(中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的常駐巨噬細胞)的成熟和功能[29]。

在pSS患者中，亦存在產(chǎn)生丁酸的腸道菌含量降低的現(xiàn)象[30]。已有研究證明，腸道菌產(chǎn)生的丁酸不僅可作用于腸道局部，還可作用于眼部，通過調(diào)控Treg細胞發(fā)揮抗炎作用[31]，在pSS疾病中是否存在類似的機制尚需在模式動物中開展深入研究。

糞便代謝組學研究揭示，IBD患者體內(nèi)腸道菌群代謝產(chǎn)物SCFAs含量低于健康對照人群[32]，且在T細胞依賴的慢性腸炎模型和葡聚糖硫酸鈉(dextran sulfate sodium,DSS)誘導的腸炎模型中，SCFAs均可減輕腸炎的嚴重程度[17,20]。同時，SCFAs受體敲除小鼠表現(xiàn)出腸炎易感性，亦證明SCFAs對IBD具有保護作用[33]。

2.2 色氨酸及其衍生物

2.2.1 形成途徑

盡管食物中的蛋白可在宿主小腸內(nèi)進行充分同化，但5%～10%的膳食蛋白可進入結腸，被腸道菌群分解、轉化，也可產(chǎn)生豐富的氨基酸及氨基酸發(fā)酵的副產(chǎn)物，包括胺、酚類、吲哚、含硫化合物等。色氨酸作為必需氨基酸在機體內(nèi)參與廣泛代謝，產(chǎn)生許多人體重要的信號分子如維生素B3、5-羥色胺、吲哚、煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD)等。色氨酸在不同腸道菌作用下經(jīng)歷不同的代謝途徑，主要包括：犬尿氨酸途徑(產(chǎn)物為犬尿氨酸、犬尿酸、NAD等)、血清素途徑(產(chǎn)物為血清素)、參與蛋白合成以及直接轉換(產(chǎn)物為色胺、吲哚等)4種途徑[34]，代謝產(chǎn)物亦不相同。

2.2.2 功能/機制

色氨酸及其衍生物主要通過作用于孕烷X受體(pregnane X receptor,PXR)或AhR，調(diào)控腸道局部和宿主全身免疫功能。AhR在免疫細胞中廣泛表達，在調(diào)節(jié)免疫反應尤其是對CD4+T細胞的調(diào)控中具有重要作用。吲哚及其衍生物可調(diào)控Treg和Th17細胞分化，抑制Th17細胞而促進Treg細胞分化[35]。研究還發(fā)現(xiàn)，羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)產(chǎn)生的吲哚衍生物可促進腸道上皮間CD4+T細胞轉化為CD4+CD8+雙陽性上皮內(nèi)淋巴細胞，有利于維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)[36]。

2.2.3 色氨酸及其衍生物與自身免疫性疾病

目前研究表明，色氨酸代謝產(chǎn)物與RA、MS、IBD等疾病密切關聯(lián)。

Pongratz等[37]發(fā)現(xiàn)，RA患者血清中的色氨酸及其代謝產(chǎn)物含量與疾病活動度及類風濕因子具有相關性。吲哚-3-甲醇可緩解佐劑誘導的關節(jié)炎疾病癥狀[38]，而吲哚-3-甲醛和吲哚-3-乙酸可促進天然免疫細胞分泌細胞因子[39]，提示吲哚及其衍生物可能在RA中具有保護作用。

色氨酸及其衍生物同樣參與了腦-腸軸調(diào)控，與MS疾病存在密切關聯(lián)。在MS患者體內(nèi)，循環(huán)的AhR受體激動劑含量降低，而對EAE模式小鼠補充色氨酸代謝產(chǎn)物吲哚、3-羥基吲哚硫酸鹽、3-吲哚丙酸、吲哚-3-甲醛等時，小鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥得到癥狀[40]。

IBD患者糞便中色氨酸及吲哚乙酸含量降低，犬尿氨酸含量升高[41]。受體AhR的表達在IBD患者腸道組織升高，而糞便中AhR的活性降低[41]。在DSS誘導的腸炎動物模型中，AhR-/-小鼠表現(xiàn)出更嚴重的腸道炎癥，而使用AhR激動劑治療后可明顯緩解癥狀[42]。

2.3 膽汁酸

2.3.1 形成途徑

膽汁酸是膽汁的主要成分，初級膽汁酸以膽固醇為原料在肝臟中合成，在小腸中溶解膳食中的脂質(zhì)和脂溶性纖維素。初級膽汁酸的合成過程需超過17種酶參與，主要經(jīng)歷兩種不同的途徑：經(jīng)典途徑和替代途徑。75%的膽汁酸經(jīng)過經(jīng)典膽汁酸途徑合成，終產(chǎn)物為鵝脫氧膽酸(chenodeoxycholic acid,CDCA)或膽酸(cholic acid,CA)。其余膽汁酸經(jīng)歷替代合成途徑，終產(chǎn)物主要為CDCA。95%的初級膽汁酸在回腸被吸收，循環(huán)回肝臟，其余5%的膽汁酸進入大腸，在腸道菌作用下通過脫羥基化、羥基異構化和氧化等一系列反應產(chǎn)生次級膽汁酸，其詳細的轉化機制目前仍在研究中。兩種含量最豐富的次級膽汁酸是脫氧膽酸(deoxycholic acid,DCA)和石膽酸(lithocholic acid,LCA)[43]。

2.3.2 功能/機制

膽汁酸在宿主體內(nèi)主要通過法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR)和G蛋白偶聯(lián)膽汁酸受體1(G-protein-coupled bile acid receptor 1,GPBAR1,亦稱TGR5)發(fā)揮功能，而非結合型的膽汁酸也可與PXR、組成型雄甾烷受體以及維生素D受體結合[44]。

研究發(fā)現(xiàn)，膽汁酸在天然免疫中具有重要作用，次級膽汁酸DCA可促進Kupffer細胞(定位于肝臟中的巨噬細胞)產(chǎn)生活性氧族(reactive oxygen species,ROS)。初級膽汁酸和次級膽汁酸依賴受體TGR5和PKA通路可抑制細菌脂多糖對巨噬細胞促炎因子的誘導[45]。此外，TGR5激動劑BAR501還可促進巨噬細胞由M1型向M2型轉化[33]。而膽汁酸及其衍生物在適應性免疫中的功能近幾年才逐漸被認識。LCA的衍生物之一IsoalloLCA可通過對FOXP3的CNS3元件乙?；揎棽⒋龠M線粒體活性氧的產(chǎn)生，進而促進Treg細胞分化形成；另一衍生物3-oxoLCA可通過與RORγt直接結合，抑制Th17細胞的分化[46]。腸道內(nèi)的膽汁酸依賴維生素D 受體，誘導RORγa+Treg細胞產(chǎn)生，是維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)的關鍵[47]。此外，在肝臟腫瘤中發(fā)現(xiàn)初級膽汁酸和次級膽汁酸分別可促進和抑制肝臟自然殺傷T細胞的積累[48]，而在其他生理或病理條件下是否也存在這樣的效應還有待進一步研究。

2.3.3 膽汁酸與自身免疫性疾病

目前研究表明，膽汁酸代謝產(chǎn)物與PBC、RA、SLE、IBD等疾病密切關聯(lián)。

膽汁酸代謝產(chǎn)物在維持肝-腸軸穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用。膽汁淤積是PBC的重要臨床表現(xiàn)，早期PBC患者使用膽汁酸螯合劑熊去氧膽酸(ursodeoxycholic acid,UDCA)治療可取得較好療效。研究發(fā)現(xiàn)，PBC患者糞便和血清中的膽汁酸譜均存在異常，且與疾病嚴重程度相關[49]，而采用UDCA治療后PBC患者的膽汁酸循環(huán)顯著降低，并伴有腸道菌群結構改變[50]。

研究發(fā)現(xiàn)，RA患者血清、滑液中均存在膽汁酸代謝異常[51]。次級膽汁酸LCA可激活TGR5受體，在CIA動物模型中表現(xiàn)出抗炎作用[52]，提示膽汁酸代謝產(chǎn)物可能具有治療RA疾病的效用，但其在RA發(fā)病機制中扮演的角色目前仍不清楚。

對SLE患者的血清和糞便進行脂代謝組學分析，發(fā)現(xiàn)SLE患者血清中存在多種膽汁酸代謝產(chǎn)物異常，且含量與疾病活動度顯著相關，SLE患者糞便中多種初級膽汁酸的含量高于健康人，包括膽酸、甘氨膽酸、?；悄懰岬萚53]。FXR受體表達量在SLE患者及MRL/lpr狼瘡小鼠體內(nèi)均下調(diào)，F(xiàn)XR受體激動劑可抑制狼瘡小鼠體內(nèi)炎癥因子的分泌，緩解狼瘡小鼠肝臟損傷[54]。

使用初級膽汁酸和次級膽汁酸混合物喂養(yǎng)小鼠可緩解DSS誘導引起的腸炎[47]。多種膽汁酸受體具有調(diào)控腸炎發(fā)生的作用，例如FXR受體激動劑INT-747可減輕DSS誘導的腸炎，而FXR-/-小鼠腸炎則加重[55]。TGR5受體激動劑BAR501在T細胞介導的腸炎動物模型中表現(xiàn)出保護效用[33]。上述研究均提示膽汁酸代謝產(chǎn)物可能參與了IBD發(fā)病。

3 小結與展望

腸道菌群與宿主免疫反應之間存在密切而復雜的關聯(lián)，腸道菌各種代謝產(chǎn)物在調(diào)節(jié)腸道局部乃至宿主全身免疫功能中發(fā)揮著重要作用。目前，已有諸多研究報道SCFAs、色氨酸及其衍生物、膽汁酸等腸道菌代謝產(chǎn)物參與了免疫細胞功能調(diào)控并在自身免疫性疾病中發(fā)揮作用，但仍有大量其他腸道菌群代謝物的功能需開展進一步探索性研究。此外，代謝產(chǎn)物的鑒定尚存在一定方法學局限性，如代謝產(chǎn)物的來源是菌群還是宿主難以追溯、代謝產(chǎn)物給予劑量難以準確評估等。隨著宏基因組學、代謝組學等技術的發(fā)展，未來研究將不斷突破上述壁壘，對腸道菌代謝產(chǎn)物的認識也將更加深入和全面。

腸道菌群的臨床應用目前仍處于起步階段，深入探索腸道菌群代謝產(chǎn)物與宿主免疫應答的關系，有助于揭示自身免疫性疾病的發(fā)病機制，并為未來研發(fā)基于菌群及其代謝產(chǎn)物調(diào)控治療自身免疫性疾病策略提供幫助。

作者貢獻：姜旭負責查閱文獻、撰寫論文；楊華夏負責修訂論文；張奉春負責終審定稿。

利益沖突：所有作者均聲明不存在利益沖突