肠道菌群与肠黏膜免疫耐受的研究进展

江益凡 孙 洋 张 艳 李 静

1.蚌埠医学院第一附属医院检验科，安徽蚌埠 233004；2.蚌埠医学院临床医学院，安徽蚌埠 233004

众多免疫性以及胃肠道相关疾病的发生、发展过程都被发现与肠道菌群有关，恢复肠道菌群平衡、重建免疫环境就显得尤为重要。近年来对菌群的研究不断深入，目前临床上细菌产物、细菌毒素、益生菌等微生物制剂已经用于免疫耐受的重建［1］。菌群已被证实可促进对自身抗原的耐受，并且可以调节肠道运动和分泌，维持肠黏膜屏障的完整性，并维护免疫系统的正常活动等［2］。本研究从肠黏膜免疫耐受的建立机制、肠道菌群调控免疫系统在肠黏膜免疫耐受形成中的机制、共生菌群诱导免疫耐受等方面作一综述。

1 肠黏膜免疫耐受的建立机制

肠道作为人体最大的免疫器官，与食物等多种物质直接接触，承受了较大的抗原负荷。肠黏膜的存在可分隔人体内部和外部环境，形成“肠屏障结构”，阻止抗原、毒素和微生物通过，同时保证机体对于食物抗原和肠道菌群的免疫耐受［3］。此外，肠相关淋巴组织（gut-associated lymphoid tissue，GALT）也在肠黏膜免疫耐受中扮演了重要角色，GALT 组织解剖学上的特点，使机体既能够抵御病原体的侵袭，又能避免对食物抗原和共生微生物发生免疫应答，为诱导免疫耐受提供了条件［4］。

1.1 肠黏膜屏障结构在肠黏膜免疫耐受中的作用机制

在肠道黏膜的免疫耐受中，肠黏膜屏障结构发挥重要作用。肠黏膜屏障以其独特的组成和解剖结构维持其对食物抗原和肠道菌群的耐受性。肠黏膜屏障结构由细胞外成分和细胞成分共同构成。细胞外成分包括覆盖在肠黏膜上方的黏液层，其中含有糖萼、微生物群、分泌性IgA、黏蛋白和抗菌肽等［5］。细胞成分包含肠上皮结构中的各类细胞，主要包括分泌黏液的杯状细胞，分泌防御素的Paneth细胞，其他分泌激素和神经肽的细胞等，这些细胞参与维持肠屏障结构的完整性、抵御有害物质并维持免疫耐受［6］。

近年来的研究发现，黏液层中的糖萼有助于肠上皮细胞吸收营养，保持上皮的水合作用，并且保护肠黏膜免受腔内剪切应力和消化酶的影响［7］。此外，糖萼还参与上皮细胞的更新和分化，通过信号传导限制肠道抗原的免疫原性，从而维持肠黏膜的免疫耐受［8］。在维持肠黏膜免疫耐受的过程中，糖萼中高糖基化的黏蛋白MUC2起主要作用。糖萼中的MUC2 与galectin-3-Dectin-1-FcγRIIB 受体结合，形成复合物，激活β-catenin，诱导具有抗炎特性的树突状细胞（dendritic cells，DCs）形成。β-catenin可进一步通过抑制NF-κB下游炎症相关基因的转录，从而干扰DCs 表达促炎细胞因子，但不影响DCs 表达诱导免疫耐受相关的抗炎细胞因子。因此，糖萼不仅可形成非特异性的物理屏障，还可通过MUC2蛋白调控DCs 的分化，传递免疫耐受信号，限制肠道抗原的免疫原性［9］。

1.2 肠相关淋巴组织在肠黏膜免疫耐受中的作用机制

GALT 是机体中最大的淋巴器官，在调节肠道黏膜免疫耐受中具有重要作用。当免疫系统检测到危险信号时，GALT及时反应并将其清除；对于无害信号的刺激，GALT可调动其免疫耐受机制，维持肠道内环境的稳定［10］。

肠系膜淋巴结（mesentric lymph nodes，MLN），是一群位于肠系膜内的大淋巴结，属于GALT 的一部分。DCs 在肠道中一般处于未激活状态，充当哨兵的作用，一旦被激活则可以通过淋巴管迁移到MLN以呈递抗原，这也使肠道黏膜的固有层内形成了一个相互连接的免疫网络。通过体外共聚焦肠淋巴管成像和肠引流淋巴管取样证实，CD103+DCs是不断迁移到MLN 的迁移细胞群［11］。DCs 和巨噬细胞均属于专职抗原呈递细胞，可吞噬加工抗原并通过细胞表面的MHC-II将抗原呈递至T细胞，抗原呈递细胞向MLN 迁移后，识别食物抗原和共生菌，诱导Treg细胞等免疫抑制细胞分化，参与启动和维持对食物抗原和共生菌群的免疫耐受［12］。在肠道内，上皮细胞通过产生胸腺基质淋巴细胞生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）、转化生长因子-β1（transforming growth factor-β1，TGF-β1）以及维甲酸（retinoic acid，RA）等指导因子，很大程度上影响肠道内CD103+DCs。到达MLN 的肠源性CD103+DCs的印记表型可以诱导主要表达Foxp3的Treg 细胞生成，Treg 可以通过减少肠道炎症降低对饮食和环境抗原的反应性，促进肠黏膜免疫耐受，从而维护肠道内的免疫环境［13］。

1.3 肠黏膜对食物蛋白质的免疫耐受

机体对于食物蛋白质的免疫耐受是由胃肠道黏膜免疫系统介导的。胃肠道黏膜在建立免疫耐受中的作用机制是复杂的，并且依赖于诸多因素，包括肠道上皮细胞及其分泌产物形成的物理屏障，抗原的腔内消化以及Treg 的保护作用等［14］。当食物蛋白质通过胃和十二指肠时，胃酸和其他消化酶破坏其构象和线性表位，分解为二肽和三肽，降低其免疫原性，同时允许肽和氨基酸作为营养物质被吸收。若肠道中含有逃避消化的蛋白质，肠道黏膜屏障可以通过捕获和分泌IgA，阻止食物蛋白通过肠道上皮吸收［15］。此外，肠黏膜中含有特殊的细胞结构，可以维持对食物的免疫耐受，如M 细胞（microfold cells），它是一种特殊的上皮细胞，位于Peyer 结上的穹状上皮中，可以吸收颗粒抗原，从而能有效地将其传递给固有层的免疫细胞［16］；另一种细胞为肠上皮细胞（intestinal epithelial cells，IECs），它也可以通过细胞间紧密连接结构运输可溶性抗原，并由DCs 延伸至肠腔内的树突捕获，一旦抗原被DCs 捕获并呈递给T 细胞，即可诱导Treg 细胞分化，以抗原特异性的方式抑制效应T细胞的反应，从而产生对于食物蛋白质的免疫耐受［17］。

2 肠道菌群与肠黏膜免疫耐受

肠道菌群中的益生菌、有害菌、中性菌分别以不同的机制调节肠黏膜免疫系统，其不仅影响免疫系统中的组织屏障，而且同样影响免疫细胞。此外，肠道菌群的代谢产物也可以引起肠道内的免疫耐受。研究发现，若菌群紊乱，可打破肠道中的免疫环境，影响多种疾病的进展，比如自身免疫性疾病、胃肠道疾病等［18］。通过维持菌群稳态，诱导免疫耐受重建，可为多种疾病的控制和治疗提供临床思路。

2.1 先天性免疫

先天性免疫是机体免疫系统抵御病原体入侵的第一道防线。参与先天性免疫的细胞如单核/巨噬细胞、DCs、粒细胞、自然杀伤（natural killer，NK）细胞等，这些固有免疫细胞可表达模式识别受体（pattern recognition receptor，PRR），识别一种或多种病原相关分子模式（pathogen associated molecular pattern，PAMP），从而启动固有免疫应答［19］。

菌群在构建GALT的结构和维持其免疫稳态中也发挥着重要作用。作为肠道黏膜防御的前线，GALT中的天然免疫细胞主要功能是非特异性识别病原体，启动天然免疫应答，并呈递抗原，激活下游的适应性免疫系统。此外，GALT 可维持共生菌群的免疫耐受性。肠道菌群通过PRR-PAMP 识别和其产生的代谢物如短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）等，调控GALT 免疫细胞组成，并启动免疫反应，启动宿主防御功能，维持对共生细菌的耐受［20］。

先天性淋巴细胞（innate lymphoid cells，ILCs）是GALT 中重要的组成部分，其中ILC3是ILCs 中一个重要的细胞亚群。研究表明，肠道共生菌群除了影响ILC3 的抗菌作用外，还参与了ILC3 与其他免疫成分甚至非免疫细胞之间的相互作用，导致大量的下游效应，其中包括对免疫耐受的调控作用［21］。在诱导耐受性方面，ILC3能够向CD4+T细胞呈递共生细菌的抗原，T 细胞快速响应来自管腔环境的信号并启动炎症和抗炎反应，分泌IL-17 和IL-22，调节Th17/Treg 细胞分化平衡，进而共同调控免疫反应［22］。此外ILC3 和CD4+T 细胞之间存在细胞因子驱动的互惠效应，这为解释菌群和免疫应答之间复杂的免疫耐受提供了另外一种可能机制［23］。

另一个与肠道菌群密切相关的免疫细胞群是吞噬细胞，包括巨噬细胞、DCs 和其他非免疫细胞。肠道吞噬细胞在维持肠道稳态方面起关键作用，尤其是在共生菌的免疫耐受方面。在稳态条件下，环境抗原、食物和共生细菌触发PRR 后，肠道上皮细胞释放的因子（细胞因子、趋化因子、维生素代谢物等）产生免疫耐受反应。共生细菌产生的SCFAs是促进抗原呈递细胞和淋巴细胞启动和分化的关键介质，其通过触发PRR 使CD103+DCs 到达MLN，指导CD4+T 细胞分化为Treg，从而调节免疫耐受功能［24］。

目前的研究观点指出，共生菌群和强大的免疫系统是建立免疫耐受的关键，菌群失调可能改变局部免疫系统和破坏耐受性。

2.2 适应性免疫

肠道内环境稳态需要固有和适应性免疫细胞的调节网络以及它们与共生菌群的相互作用来共同维持。共生菌群通过肠道适应性免疫来保护宿主免受外来病原体的入侵进而维持肠道的稳态。肠道驻留菌群诱导的肠道适应性免疫、免疫耐受、肠屏障完整性以及肠道稳态方面与肠道上皮内淋巴细胞（intraepithelial lymphoid lymphoels，IELs）、肠道集合淋巴结（Peyer's patches，PP）、肠道黏膜上皮及固有层（lamina propria，LP）中的CD4+T 细胞以及产生IgA的B细胞分化有关［25］。

浆细胞样树突细胞（plasmacytoid dendritic cells，pDCs）可诱导口服免疫耐受，且诱发非感染性抗体反应致使肠道中的浆细胞产生IgA。IgA 的产生、亲和力成熟和种类转换重组大都发生在PPs，且依赖B细胞和DCs细胞的相互作用［26］。DCs携带细菌抗原诱导B 细胞分化为IgA+浆细胞，限制局部黏膜免疫。IgA包裹的共生细菌促进黏膜中DCs向耐受性表型转变、Treg 细胞扩增和IL-10 的产生，从而抑制黏膜和系统性自身免疫［27］。由于肠道菌群对IgA的影响，并通过肠道内IgA与其他免疫细胞相互作用，间接影响肠道内的免疫耐受。

SCFAs等细菌产物是Treg和B细胞的有效诱导因子，在稳态条件下，菌群代谢产物通过Treg和IgA促进肠道的免疫耐受。当肠道免疫环境失衡时，Foxp3+Treg 谱系受到菌群的影响，Treg 失去Foxp3表达，并以菌群依赖的方式转化为效应T 细胞［28］。耐受性DCs通过分泌IL-10促进Treg和IgA的产生，同时，PPs中的滤泡辅助性T细胞（follicular helper T cell，Tfh）分泌的IL-21 也有助于细菌特异性IgA 的分泌［29］。

总之，共生菌群调节肠道适应性免疫系统的发育和成熟，稳态下，黏膜适应性免疫细胞，特别是Treg 和Tfh，以及IgA 与肠道上皮细胞、DCs 和ILCs协同形成肠道生态环境的免疫耐受，维持肠道稳态以及宿主与菌群之间的互惠互利关系，从而保持对感染源有效免疫的能力。在失调的情况下，平衡被扰乱，可导致慢性炎症和自身免疫性疾病。

3 肠道菌群诱导免疫耐受在炎症性肠病中的作用

大量临床和实验数据表明，肠道菌群与自身免疫反应密切相关［30］。肠道菌群及其代谢产物可以通过调节免疫细胞从而影响自身免疫性疾病的发生发展，如类风湿关节炎、系统性红斑狼疮、炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）。

3.1 菌群紊乱-免疫耐受紊乱

IBD 包括溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC）和克罗恩病（Crohn's disease，CD），是一种慢性且反复发作的肠道炎症性疾病。尽管IBD发病率在全球范围内不断上升，但确切病因仍不清楚，治疗IBD的方法也尚未发现。新一代测序技术已经确定了IBD中肠道微生物群在组成和功能方面的改变［31］。与健康个体相比，IBD 患者肠道中具有抗炎能力的细菌减少，具有致炎能力的细菌增加。在CD 患者体内，肠杆菌属（主要是大肠杆菌）相对丰度增加。文献报道，与CD 疾病发生发展相关的大肠杆菌是粘附侵袭性大肠杆菌（adhesion-invasive E. coli，AIEC），且具有促炎特性，最初是从成人CD 患者粪便中分离出来的［32］。粘附肠道上皮的致病菌增多，影响肠道的通透性，改变肠道菌群的多样性和组成成分，而肠道菌群的破坏影响着与IBD 发病机制有关的菌群代谢产物，例如在IBD患者中，由于产生丁酸盐的细菌增多，导致SCFAs 浓度下降［33］。SCFAs产量的减少影响Treg细胞的分化和扩增，以及上皮细胞的生长，这些细胞在维持肠道免疫耐受中起重要作用。这也足以证明肠道菌群的改变与IBD的发病机制有关。

3.2 菌群治疗-免疫耐受重建

肠黏膜耐受诱导依赖于多种因素，如抗原本身、抗原剂量、微生物等。这些因素，无论是通过鼻腔、舌下或者口腔途径，旨在诱导特异性Treg细胞，阻断抗体迁移以及控制全身和局部过敏反应。研究证实，细菌产物、细菌毒素、益生菌等微生物制剂已经用于免疫耐受的重建［34］。细菌毒素（如霍乱毒素、大肠杆菌耐热毒素）是非常有效的黏膜佐剂。野生型的霍乱毒素常用于过敏反应的实验模型，以打破食物耐受性，但其解毒功能作为辅助作用常被保留；与抗原共用时，几乎无肠毒性，并且可以改善耐受性诱导［35-37］。广泛应用于临床的益生菌可与多种PRR 受体结合，如TLR2、TLR4 或DC-SIGN，并已经证明可以诱导Treg应答。菌群治疗、重建免疫环境也许会成为治疗免疫性疾病的潜在靶点［38］。

基于UC 动物模型的研究发现，粪菌移植（fecal microbiota transplantation，FMT）对UC模型小鼠有显著的疗效，通过对标本检测可发现，FMT治疗后，UC模型中的Th1 细胞与Th17 细胞显著减少，Th2 细胞与Treg 细胞显著增多。FMT 可能是通过细菌产物调节肠道中的Th1/Th2 细胞平衡、Th17/Treg 的细胞比例等机制来诱导机体免疫系统产生免疫耐受，从而达到治疗目的［39］。这也再次证明了菌群可以改善肠道免疫环境，保持微环境的平衡。但是目前临床上对于菌群治疗改善免疫微环境的研究尚处于起步阶段，针对肠道内不同的微生物，尚未研发出特异性、靶向性药物，菌群功能和组成的不同是否影响药物应答以及作用机制都有待探讨。为此，动物实验需与临床研究相结合，探索增强免疫治疗反应的最佳策略。

大量临床证据证明，改善肠道菌群环境在预防和治疗胃肠道疾病中具有重要作用。目前，肠道菌群与疾病的关系一直是研究的热点，益生菌制剂以及FMT 也已广泛应用于胃肠道疾病的治疗。高效改善肠道菌群环境，维持肠道内共生菌群的平衡将作为治疗胃肠道或免疫性疾病的新靶点。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突