肠道屏障功能障碍对HIV相关性免疫激活的作用①

廖 娟 玉 叶 王建超 文 彬 邓 鑫（广西中医药大学附属瑞康医院，南宁 530001）

艾滋病（acquired immune deficiency syndrome，AIDS）目前被认为是一种慢性疾病，人类缺陷免疫病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染机体后，攻击并感染人体免疫系统，使免疫系统受损，引起肠道屏障功能受损，使得免疫系统更难抵御感染和其他疾病。大多数研究支持免疫激活比HIV更能预测AIDS的疾病进展，而肠道黏膜屏障是启动全身性免疫激活的关键，因为肠道是HIV首先攻击的部位，突破屏障后，病毒、微生物及其产物均可通过淋巴结流向全身。从局部炎症跨越到全身性免疫激活，引发非AIDS相关性疾病，且预后较差，是目前临床的难题之一。

1 免疫激活与肠道屏障功能障碍是HIV发病/进展的关键

在生理条件下，大多数免疫细胞处于静止状态，HIV感染的一个关键特征是参与免疫反应的细胞数量和多样性不再静止，HIV-1通过直接或间接方式引起适应性和先天免疫系统的激活。急性感染期，HIV能引起强烈的细胞免疫反应，无论是细胞数量和范围上都表现出上升的趋势，细胞周转率增加，凋亡增加，单核细胞激活标志物等炎症指标明显上升，这些细胞的高水平激活代表了宿主较强的即时免疫反应，并预测了随后CD4+T细胞耗竭的速度［1-2］。急性感染消退后，T细胞激活达到“稳态”，进入一个低水平但持续的慢性免疫激活状态。

其次，HIV病毒的复制可以通过ART治疗得到很好的抑制，但慢性免疫激活及肠道黏膜屏障功能障碍在治疗后仍未见恢复，如Th17等黏膜保护性细胞的缺失仍未能恢复［3］。黏膜屏障在AIDS发病机制中起核心作用，被认为是AIDS免疫激活的原因。

胃肠道不断地与营养物质、过敏原、共生微生物和病原体接触，因此须拥有特殊的屏障保证内环境的平衡：紧密连接的肠上皮细胞形成的物理屏障；绒毛及杯状细胞等分泌黏液层形成的化学屏障；上皮细胞的分泌黏液素和抗菌肽以及白细胞在固有层构成的免疫屏障等共同形成了胃肠道，有助于吸收营养，防治细菌移位及病原体入侵的平衡环境。肠道内寄居着数以万亿计的微生物，与宿主保持着共生关系，不仅给宿主提供消化功能，调节宿主的新陈代谢，还能刺激淋巴组织和黏膜免疫系统的发育，并参与调节代谢、免疫、肠道屏障等重要功能，是一道能有效防止致病菌对肠道的感染及多种肠道病原体定植的生物屏障［4-5］。HIV导致肠道内大量CD4+T细胞、Th17细胞的丢失、巨噬细胞吞噬功能衰竭、局部炎症的建立、肠道通透性的改变、结构上皮损坏（肠细胞凋亡、紧密连接破坏等）以及肠道的免疫功能严重受损，允许了微生物的易位和致病菌的入侵，并且，紊乱的微生物及其产物也是促进免疫激活的物质，通过淋巴结进入体循环，促进了全身的免疫激活，而免疫激活反过来又引起更多的免疫细胞的损耗，进一步加重屏障受损，形成一个恶性循环，因此免疫激活与肠道屏障功能障碍相互促进了AIDS的进展。

2 肠道屏障损伤是全身免疫激活的先决条件

2.1 HIV的破坏HIV优先攻击的部位在肠道，引起肠道上皮细胞紧密连接的破坏，肠道通透性增加，绒毛萎缩和隐窝增生，淋巴细胞炎症浸润及肠道上皮层损伤等［6-7］。

肠道屏障的损伤是微生物易位和随之引起免疫激活的先决条件，HIV-1可以直接破坏人体内的黏膜上皮屏障，HIV的感染伴随着IL-18水平的增加及其拮抗剂IL-18结合蛋白的降低，通过激活cas‑pase-1和caspase-3诱导肠细胞的凋亡增加，减少和破坏紧密和黏附连接蛋白、闭合蛋白（occludin）、封闭蛋白（claudin 2）和β-连环蛋白（β-catenin）来增加上皮屏障的通透性，导致黏膜屏障受损，所以本该排除在外的分子或致病菌可以透过黏膜层，以及原本的微生物生长位置或数量种群的改变，导致黏膜炎症［8-9］。另外，一些受HIV感染细胞释放的病毒因子，如HIV gp120和Tat蛋白，HIV-1Tat蛋白与Toll样受体（TLR4）通路相互作用，导致促炎和抗炎细胞因子的产生，也对肠上皮细胞产生有害影响，表现在影响肠道通透性、诱导肠细胞的凋亡、激活肠胶质细胞，引起免疫激活反应［10-11］。

2.2 Th17的丢失Th17细胞是CD4+T细胞的一个主要谱系，位于屏障表面先天免疫和适应性免疫的界面，是维持屏障表面对病原体的第一道防线。HIV感染并杀伤Th17细胞，因为Th17表达HIV的主要共受体CCR5、CCR6。Th17相关细胞因子的细胞信号通路是适应性免疫反应的关键调节因子，也是触发/参与防御细菌病原体的抗菌肽的产生，如IL-17能诱导趋化因子的产生及中性粒细胞的募集，调节肠上皮细胞通透性，IL-22可诱导上皮细胞产生抗菌肽，促进肠上皮细胞增殖、存活和组织修复［12-13］。虽然Th17的丢失不一定是屏障完整性破坏的初始机制，但它的丢失会引起黏膜持续的损伤，中性粒细胞的浸润，助长微生物的易位等。

Th17与调节性T细胞（Tregs）在黏膜组织中的相互促进发展，Tregs表达转录因子forkhead box P3（FoxP3），FoxP3+Tregs具有抗炎、抑制免疫反应的作用，控制包括Th1、Th2、Th17细胞在内的T细胞的自反应，在HIV-1中，Th17持续的丢失，Treg的增加，Th17/Treg比例的失衡，这与持续的系统性免疫激活和细胞应激通路的开放有关，导致了免疫系统不能有效清除病原微生物，允许随后的微生物易位及菌群的紊乱［14］。

2.3 肠道菌群的紊乱 肠道微生物种类对宿主免疫功能的微妙之处在于：微生物群和宿主之间多方面相互作用共同维持肠道内环境，肠道菌群能有效地抵抗多种肠道病原体的定植，通过微生物产物对病原体生长的直接抑制、微生物生长对营养物质的消耗以及微生物诱导的先天性和适应性免疫反应等机制，如分叶丝状菌促进肠道Th17的产生和分化，厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌门、乳酸菌、变形菌门等菌属能帮助宿主抵御有害微生物［15-16］。HIV感染者早期即存在肠道菌群失衡，双歧杆菌和乳酸菌已被证明对黏膜免疫功能和屏障完整性有积极的影响，而AIDS感染者中2种菌群水平明显低于健康受试者，机会性病原体，如铜绿假单胞菌和白色念珠菌的检出率显著增加［17］。

肠道致病菌可以利用宿主的反应，使环境有利于菌群的生长。有研究揭示了特定肠道微生物群落对局部和全身炎症性疾病的重要致病作用，艰难梭菌能引起腹泻，也可表现为一种危及生命的疾病，伴有麻痹性肠梗阻或发展为继发性败血症［18-19］。虽然肠道有多重屏障，肠道炎症仍是高发疾病，肠道菌群组成的非自然改变，会导致多种病理紊乱。在炎症性肠病(inflammatory bowel disease，IBD)中，致病菌和益生菌都可以突破肠道屏障，诱导易感宿主发生肠道炎症，即所有细菌都有可能发展成为致病菌［20］。在HIV感染者中，由于黏膜屏障受损后，肠道微生物更容易进入黏膜层，宿主对肠道微生物过度的免疫反应引起肠道炎症，从而引起持续的免疫激活。另外，肠道驻留菌数量及菌群的紊乱，直接刺激宿主炎症反应，这可能也是HIV相关微生物群紊乱与全身免疫激活之间的一种机制。HIV感染群体中粪便检测出高浓度的肠道炎症标记物，如粪钙卫蛋白（肠道黏膜中募集的中性粒细胞分泌的一种蛋白），这表明肠道微生态学与肠道炎症、黏膜损伤及黏膜免疫激活的相关性［21］。还观察到各种变形杆菌的丰富度增加，包括大肠杆菌、沙门氏菌、假单胞菌、耶尔西尼亚和克雷伯菌等有鞭毛的、促炎的，具有易位能力的菌种［22］。这些菌属的增加得益于HIV急性感染期胃肠道固有层CD4+T细胞大量耗竭，引起上皮屏障的损伤，肠道黏膜的中性粒细胞聚集引起ROS的产生增多，而ROS的增多更适合促炎症兼性厌氧菌的生长，这些细菌的增加反过来又加剧了肠道炎症，且被认为是具有跨肠道屏障的高倾向性［23］。沙门氏菌其毒力能入侵肠上皮细胞并在黏膜巨噬细胞中存活，引起急性肠道炎症，炎症过程产生的活性氧与内源性的硫化物发生反应，形成的四硫酸盐，使伤寒链球菌在发炎的肠道内的竞争微生物群中具有生长优势并促进沙门氏菌的生长，伤寒链球菌其毒力可侵袭肠道上皮，与腹泻、急性肠道炎症和炎症单核细胞聚集有关［24-25］。因此，在黏膜屏障破坏后，大量的菌群紊乱参与了宿主免疫激活，诱导了局部乃至全身的高炎症反应。并且，菌群的失调改变了肠道内环境，增加有害菌的数量，黏液层遭到破坏，上皮细胞黏附增加、肠通透性增加和炎症易感性增加，而肠道炎症环境特别有利于肠杆菌科细菌的大量繁殖，其大量繁殖与多种炎症疾病、肥胖、癌症以及非HIV相关性疾病发生风险密切相关［26］。故肠道微生物群失调及其引起的持续性炎症反应有可能以不同的方式影响AIDS进展自然史的各个阶段，从传播期到终末期。

2.4 微生物代谢物的失衡 肠道菌群及其代谢物对肠道免疫功能的形成和维持非常重要，乃至全身性疾病亦存在非常大的关联，尤其是在HIV感染群体中肠道菌群紊乱的情况下［27-30］。SHAN等［31］人首次报道了HIV感染群体的肠道微生物相关胆碱代谢产物三甲胺-N-氧化物的增加与颈动脉斑块形成及心血管不良事件的风险增加有关。肠道微生物的代谢产物对机体也可产生保护作用，如短链脂肪酸，是一种结肠细菌发酵未消化的复杂碳水化合物的代谢物，是肠上皮的能量来源，能促进黏液的产生和Tregs的分化，起到调节黏膜免疫的作用，确定肠道促炎或抗炎环境，并通过影响结肠的水分吸收和降低粪便pH来影响其他细菌在结肠中的生长［32-33］。在HIV患者中发现缺乏广泛的SCFA，源于肠道菌种的减少，使得肠细胞容易遭受损伤及炎症刺激［34］。微生物产物的失衡，得益于肠道黏膜屏障受损，菌群的紊乱，许多研究指出，微生物紊乱及其产物从胃肠道进入体循环可能是HIV-1感染过程中免疫功能障碍和持续炎症的重要驱动因素，并不是HIV感染的结果［35］。

紊乱的代谢产物又可以是致病因素。随着HIV的发展肠道CD4+T细胞逐渐耗尽，肠道稳态进一步恶化，肠道系统的免疫激活、炎症、黏膜修复以及再生减少，都有助于HIV-1相关的肠病，增加的细菌产物更容易进入循环。脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）是革兰氏阴性菌外膜的主要成分，是微生物易位的重要标志之一，肽聚糖和细菌DNA等可能进一步刺激免疫激活的恶性循环，从而促进病毒复制和疾病进展。正常情况下，产碱杆菌LPS的炎症活性弱于大肠杆菌来源LPS，并在不诱导过度炎症反应的情况下创造和维持自身的动态平衡环境，适量的LPS还有利于宿主的抗菌防御能力，在HIV-1中，血清LPS水平与CD4+T细胞的激活标志（CD38 MFI和CD38/HLA-DR表达水平升高）、抗原经历/耗竭（PD-1的表达，尤其是CD4+记忆T细胞）和随后3个月的增殖（Ki67的表达）的标志之间密切相关，即使是在HIV阴性但亚临床水平的内毒素血症患者，其促炎细胞因子如TNFa、IP-10和MCP-1水平仍显著升高，CD4/CD8 T细胞比例显著降低，表面微生物易位是导致免疫激活的直接因素［36-37］。肝脏拥有一个复杂的免疫系统，它是内脏源性病原体/PAMPS的守门人，肝内巨噬细胞（hepatic kupffer cells，KCs）能清除易位的细菌产物和耐受LPS的促炎作用，阻止病原体促进全身免疫激活，HIV-1感染会通过上调β表达和下游激活NLRP3-Caspase1通路，使KCs对IL-1β、IL-6和TNF-α以及LPS的促炎反应增敏，并放大其炎症效应［38］。

（1→3）-β-D-葡聚糖（βDG）存在于真菌细胞壁中，可作为血清生物标志物早期诊断侵袭性真菌感染及肠道损伤的标志［39］。βDG是生物体内重要的免疫刺激剂，通过与细胞表面受体Dectin-1的多价结合可激活免疫防御系统，与LPS同样在免疫激活、炎症和非AIDS的风险事件起关键作用［40］。βDG能被先天免疫系统识别，通过激活白细胞和产生炎症介质发生免疫防御作用。免疫细胞表面表达的补体受体3、TLR和Dectin-1受体被βDG识别并转化为细胞内信号，招募脾酪氨酸激酶（spleen tyrosine kinase,Syk）的磷酸化，激活免疫防御反应，并诱导吞噬作用、活性氧的产生和炎症小体的激活，炎症细胞因子的释放协调了对病原体的免疫反应，而依赖Dectin-1的Syk-CARD9-Erk通路能诱导巨噬细胞由M1向M2表型转化，M1和M2表型之间的平衡通常被认为是宿主防御调节的关键，而M2型巨噬细胞的特征是高分泌IL-10和肿瘤生长因子-β，低水平的IL-12，它们参与炎症消退、Th2反应和寄生虫清除、免疫耐受、肿瘤形成和发展等［41-43］。HIV-1患者肠道屏障的受损极易受到细菌/真菌的侵袭感染，在感染急性期血浆BDG即开始升高，在慢性期全身免疫激活期间更进一步升高，与微生物易位程度相一致，以及CD4+T细胞计数、CD4/CD8呈负相关［44］。虽然BDG在微生物易位的特异性不是很高，但研究发现血BDG水平越高，sCD14水平越高，单核细胞活化的标志物也越高，而肠道乳酸杆菌比例越低［45］。高BDG水平仍然是一个评价肠道屏障完整性的有用标志物，与引发系统性免疫激活有直接关系。

3 总结

肠道黏膜屏障是菌群与宿主和谐的关键，肠道菌群失调与肠道内外的许多疾病都有密切的关系，除了HIV感染，还有炎症性肠病、糖尿病、肥胖、慢性心脏病、肝病、癌症、自闭症等［46］。在正常情况下，肠道菌群和宿主之间的多方面相互作用共同维持肠道内环境，但在HIV感染者中，维持黏膜屏障细胞、分子和通透性的改变等，引起黏膜生物、物理、化学屏障进行性地损伤，微生物的易位、益生菌的减少、致病菌的异常生长及其代谢产物紊乱都对免疫激活产生了重要的影响，并关系到疾病进展以及非AIDS相关性疾病的发生，逐一阻断免疫激活途径或微生物致病机制较为困难，早期积极保护肠道黏膜屏障的完整性、调节肠道免疫方面，中医药有一定的优势，这也是防止肠道微生物失调的源因素，也是全身免疫激活的最开始的屏障［47］。