肠道菌群在多发性硬化发病机制中的研究进展

鲍彩彩，原铂尧，孙梦娇，王满侠，牛彦霞，亓斐

多发性硬化(MS)是一种中枢神经系统自身免疫性疾病[1]，其特征为颅内多发的炎性脱髓鞘病变。该病好发于女性，通常起始于青年，临床上多呈复发、缓解病程交替的过程。主要临床表现包括感觉障碍、肢体无力、视神经炎、共济失调、膀胱功能障碍、认知功能障碍、胃肠症状、疲劳和抑郁等[2]。自身免疫、病毒感染、遗传倾向、环境因素及个体易感性等是多发性硬化的重要因素，但其确切的病因及发病机制尚不清楚。

肠道作为人体最大的微生物分布场所，肠道菌群参与宿主的多项生理过程，包括调节营养代谢、维持能量平衡、保护肠道屏障、抑制病原微生物以及促进肠道黏膜和全身免疫系统的形成[3]。随着对肠道菌群与神经系统这种密切联系的认识，人们逐渐开始关注其在MS发病过程中的作用[4]。近期有研究发现，MS患者肠道菌群中梭杆菌属缺乏而厚壁菌属和古生菌属增加时，MS容易复发[5]。MS患者肠道中甲烷短杆菌和艾克曼菌属含量增加，它们可以刺激机体T细胞和单核细胞分化，因而激活天然和获得性免疫系统，予以干预治疗后，MS患者肠道菌群中普式菌属和萨特氏菌属含量增加，八叠球菌属含量下降[6]。由此可见，肠道中致病菌群的增加和有益菌群的减少均可引起肠道及中枢神经系统炎症反应，从而引发或者加重MS的病理改变。

1 肠道菌群概述

人类正常菌群的组成包括细菌、真核真菌、病毒和古细菌，其中细菌数量最多且占主导地位[7]。胃肠道是人体最大的免疫反应场所，拥有5亿个神经元和庞大的肠道微生物群。据估计，人类肠道菌群大约有1～2kg细菌，数量多达100万亿，至少有1800个属，多达4万个细菌种类，它们的数量是人类基因组中基因数量的100倍[8]。多数肠道菌群可以通过分解和吸收营养物质、维持肠道屏障完整性、调节大脑生理机能、调节代谢途径(包括脂肪酸合成、激素和抗氧化代谢)等方式参与宿主的多种生理过程[9]。目前研究还发现，肠道菌群可以激活宿主免疫系统，甚至直接参与免疫调节过程[10]。在正常情况下，肠道屏障可以阻止肠道内细菌及其代谢产物进入机体。肠道屏障包括肠道正常菌群、黏液层、肠上皮细胞层、肠道免疫系统、防御素等[11]。其中，肠道正常菌群有助于维持肠道微生物处于相对稳态，正常菌群可以抑制肠道内源性以及外源性潜在致病菌对肠上皮细胞的黏附、定植；同时，肠道正常菌群还可以通过争夺营养、调节肠道局部pH值、产生具有广谱抗菌作用的物质等多种生物拮抗功能，对肠道内大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、沙门菌、链球菌等起到抑菌或杀菌作用[12]。由此可见，肠道正常菌群参与了肠道第一道屏障的构建，当肠道菌群紊乱时，这种正常菌群的肠道屏障作用被破坏，各种细菌及其代谢产物穿过肠道屏障作用于全身，参与多种疾病的致病过程。

肠道微生物群受环境、年龄和遗传背景的共同影响，同时受局部氧含量、胆汁浓度、抗菌介质的控制，对压力、感染、抗生素治疗、特别是饮食等因素非常敏感[13]。在机体与环境的共同作用下，肠道菌群的相对稳态被打破，由此可以引发一系列相关的疾病，如：克罗恩病、溃疡性结肠炎、难辨梭菌性肠炎、肠易激综合征。同样的，肠道菌群失调还可参与多种肠道外疾病的发病，如糖尿病、代谢性疾病、非酒精性脂肪肝以及一些神经系统退行性病变等[11]。Tillisch等[14]对健康女性进行了为期4周的带有混合微生物(双歧杆菌乳酸菌、链球菌、乳酸杆菌及乳酸球菌)发酵食品的干预后，受试者表现出明显情感和感觉症状，同时影像学检查结果显示实验前后受试者中脑区脑组织形态发生显著变化，提示肠道菌群的改变可能会引起神经系统结构及功能的相应变化，继而引发多种神经系统疾病。

2 肠道菌群紊乱参与MS的发病机制

中枢神经系统的自身免疫性疾病(如MS)可能是由活化的免疫细胞识别大脑自身抗原而驱动的。然而，在正常情况下，这些中枢免疫细胞处于休眠状态，只有当外周活化的免疫细胞及相关免疫因子穿过血脑屏障，激活中枢的免疫应答反应，才会出现中枢不受控制的炎症反应，从而引起脑及脊髓组织的病理损伤[15]，肠道微生物群在此激活过程中发挥了关键作用。肠道菌群紊乱时，肠道机会致病菌大量繁殖并穿过肠道屏障进入机体，诱导局部免疫应答，活化的免疫因子随着血液循环到达中枢后，导致中枢异常的免疫应答反应，从而引发MS。

2.1 通过调节淋巴细胞分化参与MS 肠道菌群可以通过调节T淋巴细胞分化来调节中枢神经免疫应答过程，参与MS和EAE(MS的动物模型)的发病过程。近期研究表明，与SPF小鼠比较，无菌环境中EAE模型的神经免疫症状及病理改变均较轻，无菌环境中EAE小鼠的树突状细胞激活髓鞘少突神经胶质糖蛋白(MOG)受体特异性T细胞的作用下调，同时全身各淋巴组织中 FoxP3+调节性T细胞(Treg)细胞表达水平较高，Th1/Th17 表达水平较低[16]。随后，Lee等[16]对无菌环境中的小鼠予以分段丝状细菌(SFBs)(可刺激Th17细胞表达)干预后，发现小鼠结肠、小肠及脊髓组织中Th17细胞表达均有不同程度的增加。而Th1和Th17都可以独立诱导小鼠的EAE模型，使小鼠表现出麻痹和炎症反应[17]。可见，肠道菌群参与诱导T细胞分化为Th1和Th17的过程，因此无菌环境中EAE表现出较轻的中枢损伤症状，而肠道菌群诱导外周淋巴细胞分化的同时影响中枢免疫细胞的激活与分化。MS患者肠道菌群内不动杆菌类含量增加时，Th1/Th2表达也相应增加而Treg细胞含量下降；副杆菌属含量下降时，中枢CD4+、CD25+、IL-10+型T细胞表达明显减少[18-19]。MS患者体内Treg细胞功能下降时，其抑制效应性T细胞和调节免疫的作用减弱，中枢异常的免疫应答不能得到及时有效的控制，从而导致了MS的发生与进展。另外有研究表明，肠道菌群及其代谢产物还可以通过调节B淋巴细胞的活化、分化和形成过程来参与MS的发病过程[9]。EAE小鼠口服广谱抗生素干预后，小鼠CD5+B细胞表达增加，CD5+B细胞可以通过增加IL-10的表达和调节免疫应答从Th1/Th17向Th2转变的方式，使其神经系统症状明显缓解[20]。可见，肠道菌群紊乱后，反应性B细胞也通过一个复杂的网络效应间接参与了MS发生发展过程。

中枢免疫应答紊乱作为MS的重要发病机制，在其发病、进展及复发过程中都发挥了重要作用。肠道菌群的正常组成发生改变时可引起中枢Treg细胞表达下调，Th1、Th17细胞表达上调：一方面，异常活化的T淋巴细胞识别并损伤脑和脊髓组织自生抗原；另一方面，Treg细胞表达受到抑制，中枢异常的免疫应答不能得到及时有效的控制，多种因素共同作用下，导致了中枢神经系统多发的炎性脱髓鞘性损伤。

2.2 通过调节免疫因子参与MS的发生发展过程 多种免疫因子参与诱发或者调节MS中枢炎症损伤过程，部分肠道菌群也通过此途径参与MS的发生发展过程。正如近期有研究者提出，MS患者胃肠系统中糖基转移酶A1(GGTA1)型微生物群含量显著下降的同时患者循环中抗α1,3-半乳糖免疫球蛋白(α1,3-Gal IgG)减少。因此，循环中抗α1,3-Gal IgG含量的下降有望成为MS筛查中的一种新型生物标记物[21]。对EAE小鼠予益生菌大肠埃希菌菌株Nissle干预后，小鼠临床症状明显改善，其外周淋巴组织以及中枢IFN-γ、GM-CSF、IL-17和 TNF-α表达明显下调而IL-10表达上调[22]。这些免疫因子联合作用，引起外周及中枢髓鞘少突胶质细胞糖蛋白(MOG)特异性CD4+T细胞表达上调，同时也证明肠道菌群可能通过调节多种炎症因子来影响外周免疫细胞向中枢趋化过程。Miyake等[23]研究发现，MS患者粪便标本中梭杆菌属ⅩⅣa，Ⅳ和ⅩⅧ明显低于正常人群。梭杆菌属能够调节中枢神经系统转化生长因子-β(TGF-β)的含量，而TGF-β可作用于CD4+T细胞，使其分化为FoxP3+Treg细胞[24]。这些研究表明，肠道菌群紊乱可对多种炎症介质起到直接或间接的调控作用，这些炎症介质又通过调节或诱导中枢炎症反应的方式，最终导致中枢神经系统的病理损伤，由此参与了MS的全过程。

2.3 通过代谢产物参与MS 肠道菌群在肠道中进行一系列复杂的代谢活动的同时，部分代谢产物可作为某些机体生理活动的必须品，也有部分代谢产物可以参与多种神经精神疾病包括MS的发病过程。正如Ochoa-Reparaz等[25]研究发现，肠道脆弱类拟杆菌属可以产生一种双性离子型多聚糖(PSA)，经PSA或脆弱拟杆菌属治疗后，小鼠颈部淋巴结CD103+树突状细胞(DC)表达增加，CD103+DC可以诱导CD4+T淋巴细胞分化为分泌IL-10的FoxP3+Treg细胞，从而增加IL-10的表达。由此可见，脆弱类拟杆菌缺乏时，其代谢产物PSA含量减少，引起中枢及全身免疫调节作用下调，PSA由此间接参与了中枢的炎症损害过程。同样的，缓解复发型MS患者肠道菌群中拟杆菌属(Parabacteroides、Bacteroides、Prevotella和Sutterella)的含量明显下降[6]，且由其所合成的脂质654-TLR2(Toll样受体)配体在MS患者血液中的含量也随之明显减少[26]，因此脂质654通过TLR2信号通路来调节中枢神经系统免疫应答的效应减弱。肠道梭菌类可利用肠道营养中的低聚糖类和食物纤维由肠上皮内的淋巴细胞(IELs)合成低链脂肪酸，这种低链脂肪酸可以促进TGF-β的表达，从而诱导Treg细胞的分化，以达到控制中枢炎症反应的效果[27]。Haghikia等[28]的研究也证明了低链脂肪酸的上述作用，同时发现中长链脂肪酸可分别促使T细胞分化为Th17、Th1细胞。此外，星形胶质细胞在中枢神经系统的相对稳态中扮演重要角色。有研究显示，饮食中的色氨酸可以被肠道微生物代谢为芳基烃受体(AHR)激动剂[29]，Ⅰ型干扰素(IFN-Ⅰ)与其结合后，在星形胶质细胞中通过配体激活AHR信号通路和细胞因子信号抑制因子2(SOCS2)，并抑制中枢神经系统炎症反应，从而达到抑制EAE中枢炎症损伤的效果，降低EAE的疾病评分。肠道菌群的组成发生改变后，随之改变的促炎因子和炎症调控因子均可影响中枢的炎症反应，而肠道菌群代谢产物也通过这种方式间接参与了MS的病变过程。

2.4 通过增加肠道屏障的通透性参与MS 肠道屏障可以阻止肠道内细菌及其代谢产物进入宿主体内，避免机体正常生理活动受到病原菌与有害物质的干扰。一方面作为构成肠道屏障的一部分，肠道菌群紊乱时，这种正常菌群的肠道屏障作用被破坏，各种肠道微生物及其代谢产物穿过肠道屏障作用于全身，引起肠道淋巴组织及全身的免疫应答反应；另一方面，肠道相关的淋巴组织(GALT)含有丰富的固有免疫细胞以及获得性免疫细胞，它们可以识别特定抗原和微生物信号如脂多糖、鞭毛蛋白或DNA，从而调节GALT的促炎或抗炎反应[30]，而且GALT是致脑炎性T细胞活化的关键部位，GALT中活化的自身免疫性T细胞迁移至中枢神经系统，引发各种中枢自身免疫性疾病。近期有研究发现，缓解复发型(RR-MS)患者肠道通透性较正常人群明显增加[31]。肠道屏障的通透性增加，为各种致病菌群进入宿主血液循环系统，从而诱导局部免疫反应提供了机会。同时肠道屏障的这种异常改变，可能也是由肠道菌群紊乱所引起的。某些特殊致病菌可以改变肠道屏障的通透性，如沙门氏菌感染后，肠黏膜固有层的血管内皮细胞表达质膜相关蛋白-1(PV1)缺陷，使得肠道血管通透性增加，沙门氏菌由此通过血液循环传播到肝脏和脾脏[32]。Nouri等[33]也发现，EAE小鼠的肠道屏障通透性增加，肠黏膜致密结蛋白Zonulin过度表达，肠道形态发生明显变化。而且，在肠道固有层、派尔集合淋巴结(Peyer)斑和肠系膜淋巴结中，促炎Th1/Th17细胞数量增加而调节性T细胞数量减少。将从EAE动物脑组织中分离出来的T细胞转移到健康小鼠，导致了类似的肠道及中枢免疫程序。EAE早期肠道内菌群失调，导致正常的肠道屏障作用破坏，肠道屏障的通透性增加又使各种致病菌及其代谢产物侵入机体，诱发了局部免疫器官的一系列免疫应答反应，部分活化的免疫细胞和炎症介质随着血液循环穿过血脑屏障，引发了中枢异常免疫应答和炎症损伤。

2.5 通过破坏血脑屏障参与MS的发生发展过程血脑屏障作为一道维持脑组织内环境相对稳态的天然屏障，可有效阻止某些血液分子进入脑组织，也可选择性摄入某些必需物质，确保血液中的大分子物质和营养成分的有效交换。近期有研究表明，当无菌环境中小鼠的血脑屏障通透性增加时，予以正常菌群干预，其血脑屏障功能得以恢复[34]，而且，无菌环境下生长的小鼠，大脑内皮细胞紧密连接蛋白Occludin和Claudin-5低表达，细胞骨架结构紊乱。脑组织内皮细胞中跨膜紧密结合蛋白的动态开放与关闭直接控制血脑屏障的通透性，肠道某些正常菌群缺失会导致血脑屏障的结构发育缺陷，以及血脑屏障高通透性改变。Braniste等[34]还发现SCFAs等肠道菌群可以通过上调紧密结合蛋白的表达来影响血脑屏障的通透性。另外有研究表明，EAE小鼠肠道普式菌含量增加时，CD4+FoxP3+T细胞表达增加的同时，肠道屏障及血脑屏障的通透性下降[35]。血脑屏障通透性增加时，各种免疫细胞及免疫因子随着血液循环到达中枢，诱发了中枢一系列的炎症损伤。

3 临床治疗展望

MS病程迁延、病情反复发作，缓解期多遗留一些神经精神系统症状，给患者身心健康造成巨大伤害。目前，临床上对MS的治疗手段主要包括抗炎和免疫调节两方面，然而疾病的反复发作多不能得到有效的控制。因此，认识和研究MS发病机制的迫切需求从未中断。如上所述，肠道菌群通过自身免疫调节、代谢调节、增加肠道屏障通透性等方式，直接或间接地参与了MS的发生、发展过程。研究肠道菌群失调在MS发病机制中的作用，是目前认识肠道微生态与中枢自身免疫性疾病的窗口，同时有望为MS寻找新的治疗方向。正如Lavasani等[36]研究发现，予以乳酸菌益生菌混合物干预的EAE小鼠，其临床症状和组织病理改变均有不同程度的缓解，这种肠道益生菌的干预实验为MS的治疗提供了一种新思路。

现阶段，我们对肠道菌群在MS发病过程中作用机制的认识还很有限，关注肠道菌群失调在MS发病中的作用机制是目前研究工作的重点。目前认为Th17在MS发病中起重要作用，予以特殊菌群干预后，动物模型颅内及脊髓组织Th17表达增高提示肠道菌群紊乱在MS发病中发挥重要作用。但是，Th17在肠道中的发生及其通过血液循环穿过血脑屏障的具体过程仍须进一步研究。G蛋白偶联受体(G protein-coupled receptors，GPCRs)是一种新型免疫调节受体，它广泛影响免疫细胞功能，尤其是炎性白细胞和Treg细胞。GPCRs通过激活肠上皮细胞来维持肠道内稳态和抑制细菌或其代谢产物。Tan等[37]认为肠道微生物通过GPCRs信号通路参与多种免疫代谢性疾病(包括哮喘、食物过敏、1型和2型糖尿病、肝脂肪变性、心血管疾病和炎症性肠病)的发病过程。但其在中枢神经免疫疾病中的研究却鲜有报道。因此，通过研究肠道GPCRs信号通路与中枢免疫应答的关系可能有助于解释肠道微生物参与MS的作用机制。同时，现阶段研究者们已通过大量实验研究益生菌混合制剂或者单种微生物制剂对MS的治疗作用，但仍处于初步阶段。在微生物制剂的临床应用和临床疗效评价，以及针对不同类型MS微生物制剂的选择等方面，仍须大量实验予以探究。