沙珊珊 董世榮 楊玉菊

（哈爾濱學(xué)院食品工程學(xué)院，哈爾濱 150086）

動物腸道是一個開放的生態(tài)系統(tǒng)，與外界環(huán)境有著直接的接觸，其中棲居著大量的微生物［1]。腸道內(nèi)微生物群主要分布在腸腔內(nèi)流動的食糜中，且黏附于腸道黏膜及相關(guān)的黏膜。歷經(jīng)長期進(jìn)化，這些微生物與宿主之間建立了穩(wěn)定的共生關(guān)系，微生物的活動直接影響著宿主的健康。它們不僅在宿主營養(yǎng)物質(zhì)的消化代謝和機(jī)體發(fā)育等方面發(fā)揮重要作用，而且與宿主的免疫和疾病密切相關(guān)［2]。腸道菌群是一個混合器官，與宿主高度互惠共生，是一種共生功能體。腸道不僅是機(jī)體營養(yǎng)物質(zhì)消化吸收的主要場所，同時也是最大的免疫器官，在調(diào)節(jié)機(jī)體免疫穩(wěn)態(tài)中起著核心作用［3]。腸道微生物是刺激“腸黏膜免疫系統(tǒng)”和“全身免疫系統(tǒng)”成熟的重要因子，保證免疫系統(tǒng)功能正常實(shí)施。正常生理狀態(tài)下，腸道微生物可以促進(jìn)宿主免疫系統(tǒng)的發(fā)育，并可通過自身或腸道代謝產(chǎn)物等特定組分調(diào)控宿主的免疫反應(yīng)，形成一道由腸道共生菌、腸道黏液層、腸上皮細(xì)胞和固有層內(nèi)多種免疫細(xì)胞共同組成的特殊的生物屏障［4]。目前，腸道微生物群與宿主免疫系統(tǒng)的相互作用受到越來越多的關(guān)注，因此，本文在介紹腸道及其在宿主防御中的作用的基礎(chǔ)上，就腸道微生物及腸道內(nèi)代謝產(chǎn)物如何促進(jìn)宿主免疫系統(tǒng)發(fā)育、調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)等進(jìn)行了綜述。

1 胃腸道及其在宿主防御中的作用

胃腸道（gastrointestinal tract, GI tract）是畜禽機(jī)體表面積最大的器官，是機(jī)體外部環(huán)境與內(nèi)部環(huán)境交匯的生態(tài)位之一，由被黏液、免疫球蛋白A和糖萼覆蓋的腸上皮細(xì)胞組成，不僅負(fù)責(zé)對日糧的消化吸收，同時為機(jī)體共生益生菌群生存和增殖創(chuàng)造適宜的環(huán)境，并保護(hù)腸道黏膜免受病原體對機(jī)體的侵襲。胃腸道遭到來自微生物和外來抗原侵襲時，黏膜免疫系統(tǒng)成為抵御病原體入侵的主要屏障。腸上皮細(xì)胞（IECs）作為黏膜免疫系統(tǒng)的屏障之一，廣泛表達(dá)經(jīng)典模式識別受體（PRRs），如NOD結(jié)構(gòu)域樣受體（NLRs）和Toll樣受體（TLRs），它們通過脂多糖（LPS）、鞭毛蛋白、細(xì)菌肽聚糖和細(xì)胞壁脂蛋白的初始識別與微生物進(jìn)行通信［5]。腸黏膜提供的物理屏障功能形成了機(jī)體對病原體的第一道防線［6]，其最重要的組成部分是由緊密連接蛋白和連接黏附分子組成的緊密連接，存在于相鄰的腸黏膜上皮細(xì)胞（intestinal epithelial cells, IECs）之間。緊密連接蛋白是組成腸黏膜屏障完整性，決定腸道通透性的重要蛋白分子。既能夠調(diào)節(jié)對水、離子和營養(yǎng)的滲透性，同時阻止病原體的入侵。通常情況下，腸黏膜上皮緊密連接處于動態(tài)調(diào)節(jié)狀態(tài)，然而腸道組織持續(xù)的炎癥或感染可能導(dǎo)致黏附分子的表達(dá)失調(diào)，屏障破壞和微生物易位［7]。腸黏膜除提供物理屏障功能外，又是免疫防御的調(diào)節(jié)中樞，與免疫細(xì)胞和基質(zhì)細(xì)胞協(xié)同作用以抵抗病原體，并限制其與上皮細(xì)胞的直接接觸［8]。

胃腸道不僅是消化吸收的重要部位，也是機(jī)體最大的免疫器官，在細(xì)菌挑戰(zhàn)存在的情況下，它擁有宿主60%-80%的一般免疫細(xì)胞，以及維持腸道免疫穩(wěn)態(tài)的結(jié)構(gòu)。腸道上皮組織由單層不同的IECs組成，腸道隱窩底部的內(nèi)分泌細(xì)胞和干細(xì)胞產(chǎn)生具有特殊功能的IECs（腸細(xì)胞、杯狀細(xì)胞、潘氏細(xì)胞和腸內(nèi)分泌細(xì)胞），這些細(xì)胞通過被動和主動機(jī)制識別和攝取腸道菌群代謝物來影響腸道微環(huán)境，直接或間接參與機(jī)體先天免疫［9]。在腸黏膜上皮細(xì)胞之下為腸道固有層（lamina propria, LP），其中含有樹突狀細(xì)胞、腸系膜淋巴結(jié)、派爾集合淋巴結(jié)、固有膜和上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞［10]。這些免疫細(xì)胞之間的互相作用構(gòu)成了復(fù)雜而精密的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)宿主的免疫反應(yīng)以及幫助抵御病原菌的入侵［11]。此外，腸道后天免疫系統(tǒng)主要是通過在腸腔內(nèi)分泌免疫球蛋白（immunoglobulins, Ig）等效應(yīng)因子來對抗病原體在腸黏膜上附著及對黏膜組織的侵襲，從而促進(jìn)腸道屏障的防御效應(yīng)。

2 腸道菌群對宿主免疫系統(tǒng)發(fā)育的影響

哺乳動物的胃腸道中棲息著數(shù)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物生態(tài)系統(tǒng)，包括真菌、細(xì)菌、古生菌、病毒和寄生蟲等［12]。其中以細(xì)菌為主，腸道中約有100萬億個細(xì)菌，是微生物與宿主免疫系統(tǒng)之間相互作用的關(guān)鍵部位。數(shù)百萬年的進(jìn)化，腸道與共生菌群形成了穩(wěn)定的互惠關(guān)系，宿主為腸道菌群提供了營養(yǎng)物質(zhì)和生殖空間，而腸道菌群有助于宿主生理功能的實(shí)現(xiàn)。腸道菌群除了參與能量的收集和儲存，有助于機(jī)體對日糧的消化和發(fā)酵外，同時能夠促進(jìn)機(jī)體免疫系統(tǒng)發(fā)育，并產(chǎn)生抗菌肽等活性物質(zhì)直接參與機(jī)體對病原體的防御和清除。腸道菌群和黏液層的穩(wěn)定對于防止病原菌感染維持機(jī)體健康和疾病之間的平衡至關(guān)重要［13]。

一般認(rèn)為健康動物的胃腸道在出生前是無菌的，Milani等［14]最新研究表明新生動物最初的菌群定植發(fā)生在子宮內(nèi)，是由一些當(dāng)時環(huán)境中最先進(jìn)入機(jī)體的投機(jī)型細(xì)菌組成，這一過程受到食物等其他環(huán)境因素的影響，可能將徹底改變微生物種類，從而影響到黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育、擴(kuò)張和成熟。微生物群在胃腸道中定植后，可直接參與宿主很多生理過程，包括腸屏障免疫。腸道菌群和宿主免疫系統(tǒng)之間的相互作用從出生時開始，腸道菌群影響免疫系統(tǒng)的發(fā)育和成熟；免疫系統(tǒng)反過來塑造腸道菌群的組成。通過無菌動物（即在無菌環(huán)境中飼養(yǎng)動物，保持腸道內(nèi)無菌狀態(tài)）實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯堪l(fā)現(xiàn)，在沒有微生物干涉的情況下，腸黏膜免疫系統(tǒng)發(fā)育緩慢，機(jī)體腸系膜淋巴結(jié)和派爾集合淋巴結(jié)相對較小，同時免疫細(xì)胞如IgA型漿細(xì)胞、固有層CD4+T淋巴細(xì)胞等數(shù)量偏低，從而弱化了對病原體的抗性［15]。早期相關(guān)研究也表明，動物飼養(yǎng)環(huán)境能夠影響微生物在機(jī)體內(nèi)定殖，進(jìn)而影響免疫效應(yīng)，如與正常小鼠相比，無菌小鼠脾臟和淋巴結(jié)結(jié)構(gòu)紊亂，血清IgG水平較低［16]。此外，無菌小鼠試驗(yàn)中，腸道菌群的缺失對淋巴器官的形成有負(fù)面影響，特別是無菌小鼠的脾臟和腸系膜淋巴結(jié)形成缺陷，腸潘氏斑塊變小，降低了CD4+、CD25+調(diào)節(jié)性T細(xì)胞功能性，IgA的產(chǎn)生減少。可見，腸道菌群的早期定殖對機(jī)體免疫系統(tǒng)的形態(tài)和功能的發(fā)育至關(guān)重要。

幼齡時期腸道菌群的建立會對后期免疫系統(tǒng)的發(fā)育產(chǎn)生影響。在幼齡時期，腸道微生物群的多樣性和變異性很高，因而該時期內(nèi)微生物對宿主免疫機(jī)能的調(diào)節(jié)作用還尚未完全發(fā)揮［17]。將相同基因型的同胎小鼠分別飼養(yǎng)于不同環(huán)境中，其腸道菌群結(jié)構(gòu)即出現(xiàn)顯著差異。此外，環(huán)境、年齡、日糧、母子效應(yīng)、疾病和抗生素使用等因素均會對動物腸道菌群結(jié)構(gòu)的形成產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響免疫系統(tǒng)的發(fā)育［18-19]。在出生初期，腸黏膜表面特征完全隨微生物種類和多樣性的波動而改變，直到環(huán)境因子達(dá)到相對穩(wěn)恒的狀態(tài)。與之相關(guān)，初生期的微生態(tài)演替也是和黏膜免疫系統(tǒng)的發(fā)育，擴(kuò)展和學(xué)習(xí)呈伴隨式發(fā)育。動物在成熟以后腸道菌群趨于多樣性和穩(wěn)定性，免疫系統(tǒng)發(fā)育完善，持續(xù)維護(hù)機(jī)體健康。在小鼠試驗(yàn)中，腸道微生物群的豐度下降會對IECs產(chǎn)生消極影響，改變微絨毛形成模式并減少了細(xì)胞增殖。此外，腸道神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育也受到微生物群的極大影響，無菌和抗生素處理的小鼠相比于正常小鼠腸道神經(jīng)元數(shù)量減少，神經(jīng)遞質(zhì)表達(dá)改變，胃排空和腸轉(zhuǎn)運(yùn)出現(xiàn)延遲［20]。

3 腸道菌群對腸黏膜免疫的調(diào)控作用

3.1 微生物研究手段的革新促進(jìn)了宿主-菌群互作的研究

高通量DNA測序技術(shù)的出現(xiàn)，最初是基于細(xì)菌和古細(xì)菌16S核糖體RNA擴(kuò)增子序列的聚類讀數(shù)，現(xiàn)在是通過將整個基因組與生命中的所有領(lǐng)域相對應(yīng)，使樣本直接分類而無需培養(yǎng)。這些技術(shù)的進(jìn)步為從各種環(huán)境中分析復(fù)雜的微生物群落提供了一種可靠的方法，并且可以分析隨著時間推移群落結(jié)構(gòu)的變化［21]。通過宏基因組學(xué)和轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)能夠分析微生物的潛在功能和實(shí)時活性，并揭示微生物代謝和宿主發(fā)育之間的相互作用［22-23]。組學(xué)技術(shù)對剖析微生物組的調(diào)控、動態(tài)變化以及宿主基因表達(dá)模式的能力揭示了微生物群落的功能是如何影響宿主。質(zhì)譜技術(shù)和色譜技術(shù)已有一個多世紀(jì)的歷史，近年來也被應(yīng)用于宿主微生物組的研究，靶向和非靶向代謝組學(xué)和蛋白組學(xué)技術(shù)都可應(yīng)用于揭示微生物群落與宿主的代謝多樣性［24]。新的工具和技術(shù)進(jìn)步極大地促進(jìn)了我們對復(fù)雜微生物群落及其與宿主的相互作用的認(rèn)識，加快了研究者們對腸道微生物與機(jī)體腸道免疫相互作用的研究。

3.2 腸道菌群對機(jī)體先天和適應(yīng)性免疫的調(diào)控

在正常情況下，免疫系統(tǒng)和腸道微生物群之間以最合適的方式選擇、調(diào)整和終止反應(yīng)，將先天免疫和適應(yīng)性免疫交織在一起。腸道菌群對免疫的調(diào)控作用可能發(fā)生在先天反應(yīng)中，通過影響巨噬細(xì)胞和粒細(xì)胞，以及樹突狀細(xì)胞的抗原呈遞；也可能發(fā)生在適應(yīng)性免疫反應(yīng)中，通過影響T細(xì)胞和B細(xì)胞功能。目前仍不明確微生物的組成如何調(diào)節(jié)機(jī)體免疫穩(wěn)態(tài)，但一些研究表明，特定細(xì)菌種類的存在可以通過促進(jìn)某些亞型淋巴細(xì)胞的發(fā)育來改變免疫反應(yīng)。例如，分段絲狀菌（SFB）能夠誘導(dǎo)白細(xì)胞介素17（IL-17）和IL-22產(chǎn)生，促進(jìn)輔助性T細(xì)胞（Th）17的生成［25]。Atarashi等［26]從人和小鼠糞便中分離出的梭狀芽孢桿菌屬（Clostridium）具有獨(dú)特的Treg誘導(dǎo)能力，重建無菌小鼠微生物群，腸道菌群發(fā)生改變并促進(jìn)了IL-10+輔助性T細(xì)胞在結(jié)腸中的產(chǎn)生。以上結(jié)果表明共生微生物對T細(xì)胞的發(fā)育與分化具有誘導(dǎo)作用，以此參與調(diào)控宿主適應(yīng)性免疫。與先天免疫反應(yīng)不同，適應(yīng)性免疫反應(yīng)對抗原更具有特異性。例如，來自ApcMin/+小鼠的糞便細(xì)菌，特別是脆弱擬桿菌，與黏膜發(fā)育不良、息肉數(shù)量增加以及Th17（CD4+IL-17+）和Th1（CD4+IFN-γ+）細(xì)胞比例增加有關(guān)，從而在結(jié)直腸癌（CRC）［27]中觸發(fā)信號傳感器和轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT3）刺激。產(chǎn)腸毒素脆弱芽孢桿菌（ETBF）也通過其毒素BFT和IL-17在結(jié)腸上皮細(xì)胞上促進(jìn)腫瘤的發(fā)生。這導(dǎo)致髓樣細(xì)胞募集并分化為髓樣來源的抑制細(xì)胞（MDSCs），MDSCs可以上調(diào)一氧化氮合酶2（NOS2）和精氨酸酶1（ARG1），產(chǎn)生NO，抑制TME中的T細(xì)胞增殖［28]。

同樣，微生物對于宿主免疫系統(tǒng)的重要性也體現(xiàn)在先天免疫方面。腸道黏膜或其他消化器官中富集的先天淋巴細(xì)胞能夠幫助協(xié)調(diào)免疫平衡和表達(dá)細(xì)胞因子發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)活性。在結(jié)腸癌患者中，細(xì)菌依賴的轉(zhuǎn)錄因子6（ATF6）激活誘導(dǎo)早期腸道生態(tài)失調(diào)、上皮屏障損傷和促進(jìn)腫瘤發(fā)生的先天免疫信號。在nATF6IEC MyD88/TRIF敲除小鼠中，細(xì)菌穿透黏液誘導(dǎo)MyD88先天免疫信號轉(zhuǎn)導(dǎo)適配器（MyD88）/TLR適配器分子1（TRIF）依賴的STAT3激活，促進(jìn)腫瘤生長［29]。吞噬細(xì)胞，如巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，在維護(hù)腸道穩(wěn)態(tài)中也發(fā)揮著重要作用［30]。腸道微生物可持續(xù)刺激巨噬細(xì)胞，釋放IL-10從而促進(jìn)Treg的分化，同時抑制Th17細(xì)胞的過度增殖，此過程對維持腸道中免疫耐受狀態(tài)具有重要意義［31]。腸道菌群對免疫應(yīng)答的調(diào)控主要表現(xiàn)為：激活調(diào)節(jié)性T細(xì)胞增殖和分化；誘導(dǎo)IgA表達(dá)；以及抗菌肽表達(dá)、微生物代謝、全身炎癥調(diào)節(jié)、細(xì)菌易位的影響。

3.3 腸道菌群在機(jī)體全身免疫中的作用

宿主免疫調(diào)節(jié)腸道微生物群以維持穩(wěn)態(tài)，反過來，微生物群也影響宿主免疫。腸道微生物組不僅可以影響腸道免疫，還可以通過循環(huán)、全身代謝和免疫調(diào)節(jié)影響遠(yuǎn)端黏膜部位的免疫應(yīng)答。有研究認(rèn)為微生物組和腸道免疫系統(tǒng)不僅能夠維持局部免疫系統(tǒng)功能，同時對全身免疫反應(yīng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)也十分關(guān)鍵。腸道免疫系統(tǒng)不斷受到來自腸腔內(nèi)抗原的刺激，腸黏膜上皮的首要功能即區(qū)分自身抗原、營養(yǎng)物質(zhì)、共生微生物、病原體以及毒素等。通過腸黏膜上皮細(xì)胞或免疫細(xì)胞表面分布的模式識別受體（pattern recognition receptor, PRR）所識別，經(jīng)一系列信號級聯(lián)反應(yīng)啟動天然性免疫或獲得性免疫應(yīng)答［32]。腸道菌群的穩(wěn)定是維持免疫系統(tǒng)平衡的基礎(chǔ)，令人擔(dān)憂的是目前抗生素是畜牧業(yè)最為常見的藥物，抗生素的使用，抑制了腸道內(nèi)共生細(xì)菌的增殖，破壞了機(jī)體腸道脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，增加了病原體感染的可能性，并增加了后期自身炎癥性疾病的風(fēng)險，同時影響機(jī)體對日糧的消化吸收，尤其是對于幼齡動物如犢牛、仔豬等［33]。這一觀點(diǎn)已得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在幼齡小鼠中使用抗生素會導(dǎo)致腸道菌群改變，引起向促炎性免疫反應(yīng)的轉(zhuǎn)變，并增加了炎癥疾病的風(fēng)險。在幼齡時期使用低劑量的青霉素引起了微生物群的波動并出現(xiàn)持續(xù)的影響機(jī)體代謝等［34]。在小鼠中使用阿莫西林處理后，腸道菌群中有害菌和有益菌的比例增加，相反，苦參堿處理顯著增加了Ruminiclostridium9、Lachnospiraceae_NK4A136_group和Ruminococcaceae_unclassified等腸道有益菌群的豐度，有利于維持腸道菌群的穩(wěn)定和腸道健康［35]。因此，目前畜牧養(yǎng)殖中更應(yīng)注重對畜禽腸道微生態(tài)環(huán)境的調(diào)控，維持腸道菌群及免疫系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 腸道代謝物對腸黏膜免疫的調(diào)控作用

盡管宿主和腸道微生物的代謝可以同時發(fā)生，但是宿主依賴于其腸道菌群增加代謝物和代謝酶的產(chǎn)生。腸道菌群通過產(chǎn)生能夠影響免疫細(xì)胞的具有免疫調(diào)節(jié)和抗炎功能的分子來調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)。特別是從到達(dá)結(jié)腸部位的外源未完全消化的日糧發(fā)酵物，通過修飾宿主產(chǎn)物和新合成產(chǎn)生的內(nèi)源性化合物，腸道菌群極大地增加了機(jī)體代謝物的多樣性。宿主腸道與微生物之間的黏膜界面的單層上皮細(xì)胞使微生物代謝產(chǎn)物可以進(jìn)入宿主細(xì)胞，并與宿主細(xì)胞相互作用，從而調(diào)控免疫反應(yīng)并抵御疾病風(fēng)險。腸道菌群代謝物種類繁多，其中最主要代謝物短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids, SCFAs）、芳香烴受體（aryl hydrocarbon receptor, AhR）以及多胺化合物，在調(diào)控腸道免疫方面發(fā)揮極其重要的作用（圖1）［36-37]。

圖1 腸道菌群及代謝產(chǎn)物對腸道免疫系統(tǒng)的調(diào)控作用Fig. 1 Regulation of gut microbiota and metabolites on intestinal immune system

4.1 SCFAs對腸黏膜免疫的調(diào)控

微生物群可介導(dǎo)腸道內(nèi)產(chǎn)生大量小分子代謝產(chǎn)物在細(xì)胞和分子水平上通過直接和間接作用實(shí)現(xiàn)對宿主的生理調(diào)節(jié)。其中最為常見的即未完全消化的碳水化合物在腸道內(nèi)被厭氧細(xì)菌利用，發(fā)酵產(chǎn)生的代謝終產(chǎn)物SCFAs，主要由乙酸（C2）、丙酸（C3）和丁酸（C4）組成，且不同種類的細(xì)菌和底物通過不同的發(fā)酵途徑產(chǎn)生不同種類和數(shù)量的SCFAs。其中乙酸主要由丙酮酸鹽經(jīng)乙酰輔酶A或Wood-Ljungdahl途徑產(chǎn)生，參與作用的細(xì)菌主要有擬桿菌、雙歧桿菌、普氏菌和瘤胃球菌［38]。丙酸是由琥珀酸途徑、丙烯酸途徑和丙二醇途徑產(chǎn)生的，參與作用的細(xì)菌主要包括擬桿菌、厚壁菌、糞球菌、沙門氏菌、羅氏菌和瘤胃球菌等［39]。丁酸作為腸道內(nèi)主要 SCFAs之一，是由乙酰輔酶A還原為丁酸輔酶A，經(jīng)轉(zhuǎn)丁酸酶和丁酸激酶轉(zhuǎn)化為丁酸鹽的經(jīng)典路線形成的［40]。產(chǎn)生丁酸的主要細(xì)菌是普氏糞桿菌（Faecalibacterium Prausnitzii）和瘦梭菌、瘤胃球菌科成員等。丁酸是能量的來源，影響腸上皮細(xì)胞的代謝。而丙酸大部分被肝臟吸收，乙酸以較高濃度進(jìn)入體循環(huán)。其他短鏈脂肪酸，包括戊酸酯、己酸酯和異戊酸酯也存在于腸道中，但數(shù)量較少。動物腸道內(nèi)的SCFAs濃度可達(dá)20-140 mmol/L，這主要取決于微生物組成、腸道轉(zhuǎn)運(yùn)時間、宿主-微生物代謝通量以及宿主飲食中的纖維含量。它們對腸道穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要，通過抑制一些細(xì)菌在低pH值環(huán)境下的增殖來維持微生物群動態(tài)平衡。

SCFAs作為腸道微生物代謝的主要產(chǎn)物，能通過對腸道黏膜免疫細(xì)胞（如淋巴細(xì)胞、樹突狀細(xì)胞、巨噬細(xì)胞等）和非免疫細(xì)胞（腸上皮細(xì)胞等）功能的調(diào)節(jié)，改變細(xì)胞分化、增殖和凋亡，從而調(diào)節(jié)腸黏膜的免疫應(yīng)答過程。許多研究表明SCFAs調(diào)控免疫應(yīng)答過程主要通過激活G蛋白偶聯(lián)受體（G protein-coupled receptors, GPCRs）和抑制組蛋白去乙酰化酶（histone deacetylases, HDACs）活性來實(shí)現(xiàn)。

SCFAs激活的GPCRs主要包括GPR43/FFAR2、GPR41/FFAR3和GPR109A/HCAR2，它們由多種細(xì)胞類型表達(dá)，包括多種免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞。GPCRs 被配體激活后，可以結(jié)合4種不同的異源三聚體 G 蛋白（Gs, Gi/o, Gq/11和 G12/13），這些蛋白可以影響單個或多個效應(yīng)物的活性。GPR41和GPR43可以被乙酸、丙酸、丁酸等SCFAs有效激活，而GPR109A僅可以被丁酸激活。近期有研究表明，在炎癥期間，SCFAs（乙酸、丙酸和丁酸）通過激活GPR43［41]刺激中性粒細(xì)胞的遷移，并調(diào)節(jié)其活性氧和吞噬［42]的產(chǎn)生。此外，還能抑制中性粒細(xì)胞［43]中促炎細(xì)胞因子TNFα的產(chǎn)生。SCFAs調(diào)節(jié)DCs的功能，DCs調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)不僅依賴于細(xì)胞因子的分泌，還依賴于它們與T細(xì)胞相互作用的能力。丁酸和丙酸通過抑制脂多糖誘導(dǎo)的共刺激分子CD40的表達(dá)和IL-6和IL-12p40［44]的分泌來抑制BMDC的激活。SCFAs還通過激活T細(xì)胞［45]上的GPR43增強(qiáng)結(jié)腸T細(xì)胞Foxp3的表達(dá)。丁酸通過將GPR109a結(jié)合在DCs和巨噬細(xì)胞上，導(dǎo)致IL-10的表達(dá)增加，IL-6的產(chǎn)生減少，從而增加Treg細(xì)胞的發(fā)育，同時抑制促炎Th17細(xì)胞的擴(kuò)張。這些數(shù)據(jù)表明SCFAs感知的GPCRs在免疫和炎癥調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要作用。

SCFAs調(diào)節(jié)免疫作用的另一個機(jī)制是組蛋白去乙?；福℉DACs）抑制，HDACs的過表達(dá)導(dǎo)致組蛋白乙?；档?，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄過程中的基因沉默［46]。SCFAs可能通過抑制HDACs作用于單核血細(xì)胞和中性粒細(xì)胞，從而減少促炎細(xì)胞壞死因子（TNF）的產(chǎn)生，并導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄因子-核因子κB（NF-κB）失活［36]。Smith等［47]研究報道，用丙酸處理FFAR2+/+和FFAR2-/-小鼠，其中FFAR2+/+小鼠cTreg HDAC6和HDAC9的表達(dá)降低。丙酸處理cTreg增強(qiáng)組蛋白乙?；枰蕾囉贔FAR2的表達(dá)。結(jié)果表明，SCFAs通過激活FFAR2抑制HDAC進(jìn)而影響cTreg。Tao等［48]報道HDAC抑制劑（HDACi）增加了Treg細(xì)胞中Foxp3的基因表達(dá)，增強(qiáng)了FOXP3+Treg細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)條件下的抑制功能，從而緩解了小鼠結(jié)腸炎癥狀。丙酸鹽產(chǎn)生分泌IL-10的Foxp3+Treg，并通過GPR43信號通路通過HDAC抑制增強(qiáng)其抑制活性，從而預(yù)防T細(xì)胞誘導(dǎo)的結(jié)腸炎。在先天免疫系統(tǒng)中，丁酸鹽通過抑制巨噬細(xì)胞中促炎介質(zhì)的表達(dá)［49]和通過HDACs抑制活性抑制DC成熟［50]來維持對共生細(xì)菌的低反應(yīng)性。丁酸鹽也被證明可以調(diào)節(jié)腸道巨噬細(xì)胞的功能。用丁酸鹽處理巨噬細(xì)胞可抑制LPS誘導(dǎo)的促炎介質(zhì)，包括NO、IL-6和IL-12，但不影響TNF-α或MCP-1的產(chǎn)生。這一過程依賴于丁酸對HDAC的抑制。

丁酸是結(jié)腸上皮細(xì)胞的主要能源物質(zhì)，在腸上皮黏膜內(nèi)代謝后，通過血液循環(huán)到達(dá)肝臟中被降解。通過增加緊密連接蛋白的功能增強(qiáng)結(jié)腸物理屏障功能，還可以通過MUC2 基因組蛋白選擇乙酰化/甲基化來刺激MUC2基因表達(dá)，從而調(diào)節(jié)腸道化學(xué)屏障功能［51]。丁酸還可通過介導(dǎo)的GPR109A的激活，通過增加單核細(xì)胞抗炎效應(yīng)分子的表達(dá)和誘導(dǎo)Treg細(xì)胞和IL-10的T細(xì)胞的分化來預(yù)防結(jié)腸炎和結(jié)腸癌的發(fā)生［52]。丁酸通過抑制GPR41和HDAC促進(jìn)CD4+T細(xì)胞和先天樣淋巴細(xì)胞產(chǎn)生IL-22，以維持腸道穩(wěn)態(tài)［53]。

4.2 AhR對腸黏膜免疫的調(diào)控

某些腸道菌群或機(jī)體產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物能夠與宿主細(xì)胞上的AhR結(jié)合，即芳香烴配體。AhR是由配體誘導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄因子，大量存在于黏膜表面，由免疫細(xì)胞，上皮細(xì)胞和某些腫瘤細(xì)胞表達(dá)，激活后可增強(qiáng)腸上皮屏障功能以及調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)［54]。針對AhR的研究最初集中在其在生物素代謝中的作用，其在調(diào)節(jié)腸道屏障功能和腸道免疫細(xì)胞以及腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)中的作用［55]。腸道細(xì)菌或其代謝產(chǎn)物也可能觸發(fā)AhR反應(yīng)。研究表明，給予AhR激動劑或能夠產(chǎn)生AhR配體的乳酸菌菌株改善了與代謝綜合征相關(guān)的改變，這被證明與小鼠和人類［56]中腸道微生物群將色氨酸代謝為AhR激動劑的能力受損有關(guān)。AhR的表達(dá)影響腸道微生物群落的建立。例如，攝入激活受體信號的2,3,7,8-四氯二苯并呋喃（TCDF）導(dǎo)致小鼠代謝中斷，腸道細(xì)菌組成和宿主穩(wěn)態(tài)受到影響［57]。通過共生細(xì)菌或其代謝產(chǎn)物激活A(yù)hR后，腸道炎癥的下調(diào)，從而恢復(fù)正常菌群和黏膜穩(wěn)態(tài)［58]。機(jī)體攝入食物或經(jīng)腸道菌群代謝產(chǎn)生的AhR配體可活化IECs或腸道免疫細(xì)胞中的AhR，以促進(jìn) IECs自我修復(fù)或調(diào)控細(xì)胞因子IL-10、IL-22等的分泌共同作用于黏膜上皮，從而調(diào)節(jié)腸道黏膜免疫穩(wěn)態(tài)。小鼠缺乏AhR或配體可導(dǎo)致腸道菌群組成的變化，并降低抗菌肽的產(chǎn)生及腸上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞的數(shù)量。AhR的激活對于機(jī)體后天腸道淋巴細(xì)胞和特定的先天性淋巴樣細(xì)胞特別是產(chǎn)IL-22的視黃酸受體相關(guān)的淋巴細(xì)胞的擴(kuò)增也是必要的［59]。

日糧和腸道菌群組成均會影響AhR的激活。只有特定的細(xì)菌種屬尤其是乳酸桿菌屬，才能代謝日糧中的色氨酸，并產(chǎn)生可刺激ILC3s的芳香烴配體［60]。作為AhR的配體，微生物產(chǎn)生的這一代謝產(chǎn)物對于宿主免疫至關(guān)重要，尤其是對黏膜層的抗炎起到關(guān)鍵作用［61]。據(jù)報道，在一系列內(nèi)源酶或微生物代謝作用下產(chǎn)生的色氨酸（Trp）代謝產(chǎn)物，如犬尿氨酸和吲哚，能夠結(jié)合并激活A(yù)hR，這一過程被稱為Trp-AhR途徑［62]。由于不同的AhR配體具有不同的誘導(dǎo)作用和方向，被激活的AhR通過多種機(jī)制參與先天和適應(yīng)性免疫反應(yīng)［63]。FICZ是Trp光化學(xué)產(chǎn)物，是一種重要的高親和內(nèi)源性AhR配體。FICZ主要依靠激活A(yù)hR來誘導(dǎo)轉(zhuǎn)化生長因子-b（TGF-b1）、IL-6和IL23的產(chǎn)生，促進(jìn)Th17細(xì)胞的分化，增加IL-22的分泌來緩解腸道炎癥［64]。因此，內(nèi)源性微生物來源的色氨酸代謝物可能為宿主提供線索，這對于抵抗定植和保護(hù)免受黏膜炎癥至關(guān)重要?？傊@些研究表明，腸道免疫細(xì)胞亞群對AhR具有內(nèi)在的要求，缺少AhR活性會使宿主易于受到增強(qiáng)的免疫激活和免疫病理學(xué)的影響。

4.3 多胺化合物對腸黏膜免疫的調(diào)控

多胺，如腐胺、亞精胺和精胺，是一種幾乎存在于所有活細(xì)胞中的烷基胺類聚合陽離子，并且參與多種生物學(xué)功能的發(fā)揮，包括基因轉(zhuǎn)錄和翻譯以及細(xì)胞生長和死亡等。動物機(jī)體的多胺合成涉及精氨酸酶I（轉(zhuǎn)化精氨酸為鳥氨酸），限速酶鳥氨酸脫羧酶（由鳥氨酸合成腐胺）和依次轉(zhuǎn)化腐胺，亞精胺和精胺的順序酶。細(xì)胞內(nèi)多胺的濃度受宿主生物合成、分解代謝、攝取和外排機(jī)制以及生物合成酶的轉(zhuǎn)錄，翻譯和降解的緊密調(diào)節(jié)。與宿主多胺代謝相反，腸道菌群利用氨基酸脫羧酶的組成型或誘導(dǎo)型形式產(chǎn)生多胺。腸道中含有高水平的多胺，主要來源于日糧發(fā)酵以及宿主和微生物細(xì)胞合成。

多胺能夠增強(qiáng)IECs隔離層的完整性，Schipke等［65]體外研究表明，多胺可以通過調(diào)節(jié)細(xì)胞質(zhì)蛋白和跨膜蛋白影響緊密連接，通過改變E-鈣黏附蛋白的依賴性黏著連接來調(diào)控物理屏障功能，這對于調(diào)節(jié)旁細(xì)胞通透性和增強(qiáng)上皮屏障功能至關(guān)重要。此外，小鼠口服補(bǔ)充亞精胺或者L-精氨酸前體，不僅能下調(diào)IL-17的產(chǎn)生，還可以通過自噬相關(guān)的方式調(diào)節(jié)T細(xì)胞的發(fā)育，增強(qiáng)小鼠和人類幼稚T細(xì)胞向Treg細(xì)胞的分化［66]。多胺參與免疫細(xì)胞的分化和炎癥反應(yīng)的調(diào)節(jié)。通過對大鼠幼崽進(jìn)行多胺處理會誘導(dǎo)腸道黏液和分泌型IgA的產(chǎn)生，而大鼠飼喂多胺不足日糧處理則出現(xiàn)腸黏膜發(fā)育緩慢［67]。ter Steege等［68]報道新生小鼠補(bǔ)充精胺能夠增加表達(dá)抗原（如TCRab、CD4、CD5和CD54）的上皮內(nèi)淋巴細(xì)胞的比值。這些究結(jié)果表明，宿主-微生物合成多胺是腸道微生物群的重要功能，尤其是在初生時期更為重要，對于腸道的后期發(fā)育同樣也是必需的。多胺代謝在調(diào)節(jié)機(jī)體免疫反應(yīng)中起著核心作用，精氨酸酶I和一氧化氮合酶競爭精氨酸分別產(chǎn)生多胺或一氧化氮，兩條途徑參與機(jī)體免疫調(diào)節(jié)。在涉及受損或死亡細(xì)胞的局部炎癥反應(yīng)中，補(bǔ)充精胺可誘導(dǎo)細(xì)胞遷移和生長。多胺通過NO代謝與多胺之間復(fù)雜的相互作用對巨噬細(xì)胞的激活產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，據(jù)報道，多胺可能對腸道免疫過敏反應(yīng)發(fā)揮抑制作用［69]。多胺還可調(diào)節(jié)全身和腸道黏膜適應(yīng)性免疫，如接受富含多胺的母乳的幼犬表現(xiàn)出腸道上皮內(nèi)CD8+T細(xì)胞和固有層CD4+T細(xì)胞成熟加快，以及脾臟中B細(xì)胞的早期產(chǎn)生增多［70]。多胺的復(fù)雜調(diào)節(jié)作用對于宿主和微生物的細(xì)胞功能至關(guān)重要，值得進(jìn)一步研究以揭示宿主和微生物多胺代謝的變化如何影響宿主的健康。

5 總結(jié)與展望

腸道菌群和機(jī)體免疫系統(tǒng)之間的相互作用機(jī)制十分復(fù)雜，受多種環(huán)境因素的影響，至今尚未完全闡明。微生物代謝物及微生物-機(jī)體共代謝物對調(diào)控免疫功能具有重要作用，近年來研究人員認(rèn)識到這種共同代謝在人類健康和疾病中的作用。本文主要綜述了腸道在宿主防御中的作用，以及腸道微生物及腸道內(nèi)代謝產(chǎn)物促進(jìn)宿主免疫系統(tǒng)發(fā)育、調(diào)節(jié)宿主免疫反應(yīng)的作用機(jī)制，通過深入了解微生物代謝物及微生物與機(jī)體之間的關(guān)系使我們認(rèn)識“腸道微生物-代謝物-畜禽健康”的相互調(diào)控的作用機(jī)制。

在哺乳動物胃腸道中，大量的先天和適應(yīng)性免疫細(xì)胞與數(shù)萬億的共生微生物共存，機(jī)體主要依賴于IECs對共生微生物和致病微生物形成的物理和生化屏障，將微生物區(qū)系與宿主免疫細(xì)胞隔離開，降低腸道通透性，從而實(shí)現(xiàn)宿主-微生物相互作用和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)。此外，IECs可以感知和響應(yīng)微生物的刺激，以加強(qiáng)其屏障功能，并參與協(xié)調(diào)適當(dāng)?shù)拿庖叻磻?yīng)，從而影響?zhàn)つっ庖呒?xì)胞的發(fā)育和穩(wěn)態(tài)［71]。

腸道菌群通過調(diào)節(jié)淋巴細(xì)胞（特別是T淋巴細(xì)胞）的發(fā)育和分化來調(diào)控宿主的適應(yīng)性免疫，還可以通過刺激吞噬細(xì)胞（如巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞）來維持腸道的免疫耐受。腸道內(nèi)的代謝產(chǎn)物，包括SCFAs、AhR和多胺化合物等，對黏膜免疫的調(diào)控發(fā)揮重要作用。其中最重要的代謝產(chǎn)物SCFAs主要通過激活GPCRs和HDACs活性來調(diào)節(jié)腸黏膜免疫細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞的增殖、分化和凋亡等過程，從而調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答。腸道菌群或腸道內(nèi)代謝產(chǎn)物與宿主細(xì)胞表面的AhR結(jié)合，通過影響腸道菌群的組成或調(diào)控細(xì)胞因子的分泌來調(diào)節(jié)腸道黏膜的穩(wěn)態(tài)，還可以緩解腸道炎癥反應(yīng)［64]。來自日糧或宿主和微生物細(xì)胞合成的多胺化合物主要通過調(diào)節(jié)IECs的結(jié)構(gòu)或參與免疫細(xì)胞的分化等過程［70]，來調(diào)節(jié)全身和腸道黏膜免疫反應(yīng)。

隨著宏基因組學(xué)和計算框架技術(shù)的不斷革新將幫助系統(tǒng)預(yù)測和發(fā)現(xiàn)更多與免疫系統(tǒng)功能相關(guān)的微生物代謝物和成分。盡管如此，仍有許多問題有待進(jìn)一步探索，如腸道微生物代謝物（SCFAs）以及共代謝物（多胺和芳香烴配體）如何影響免疫細(xì)胞亞群及其功能。而腸道菌群與疾病之間的互作，有益菌的功能，改變動物腸道菌群的療法尚處于起步階段，還需要進(jìn)行更多的基礎(chǔ)研究。盡管我們對腸道菌群在人類疾病的發(fā)生和發(fā)展中所起的作用尚不了解，隨著新技術(shù)手段的更新與發(fā)展，腸道菌群多樣性及對宿主免疫功能的調(diào)控機(jī)制將更加深入，腸道菌群及其代謝的改變可能成為自身免疫性疾病的可行治療和診斷靶點(diǎn)。