肠道微生物群与自噬在疾病中的研究进展

朱燕琼 宋剑 岳浩浩 李文星

山西医科大学第二医院普通外科（太原 030000）

肠道微生物群是一个多样化的微生物生态系统，包括细菌、真菌、病毒、古菌和原生生物。居住在人类肠道中的微生物群落总计约4 × 1013个［1］，它们不仅参与构成肠道机械、免疫、生物、化学屏障［2］，还协助物质分解以释放充足营养物质供宿主吸收，通过促进宿主细胞分化、保护宿主免受病原体的侵袭以及调节免疫系统维持机体健康［3］。肠道微生物群失调时，肠道屏障损伤、机体代谢紊乱、宿主平衡被打破，在这种情况下，自噬在加强肠道屏障、维持宿主代谢和炎症平衡方面的作用使其成为肠道微生物群与宿主之间共生关系的基础［4］。自噬是指在各种细胞应激条件下诱导的高度保守的分解代谢过程，可以通过对外界刺激作出反应来保护机体免受包括感染在内的外源性损害，以及免受包括分子聚集体、受损细胞器在内的内源性炎症源的影响［5］。自噬和自噬相关蛋白塑造肠道微生物群，肠道微生物群可通过多种途径和控制自噬机制的复杂调控网络影响宿主自噬。目前国内外学者对肠道微生物群与自噬的研究主要集中在炎症性肠病［6］、神经系统疾病［7］、代谢性疾病［8］等，研究证实在部分疾病进展中调节肠道微生物群可以减轻自噬损伤，减缓疾病进展，与此同时，发现调节自噬也可以改变肠道微生物群使机体免受伤害。故本文将进一步探索疾病进程中肠道微生物群与自噬的相互作用，为疾病的治疗提供新的思路。

1 炎症性肠病（inflammatory bowel disease，IBD）

IBD 包括克罗恩病（Crohn's disease，CD）和溃疡性结肠炎（ulcerative colitis，UC），是一种复杂的易复发的炎症性疾病，肠道菌群易位可导致IBD的发生。实验发现，相对于非IBD 对照组，IBD 患者代谢物（如SCFAs［9］、色氨酸［10］等）多样性丧失，肠道微生物组成结构发生改变［11］。CHENG 等［12］发现，大肠杆菌K88 感染的仔猪在接受粪便微生物群移植后，自噬相关蛋白水平增加，肠道形态改善，腹泻发生率下降，体温逐渐恢复正常。有学者研究发现用正常小鼠的微生物群和产生丁酸盐的菌株Butyrivibrio 对无菌小鼠进行定植，结肠上皮细胞中的自噬可恢复到正常水平［6］。又有研究发现［13］，齿状双歧杆菌可以通过刺激自噬来增强粘蛋白的产生，修复肠上皮细胞。这表明肠道微生物群可影响肠道自噬变化，肠道微生物群代谢物也会影响细胞自噬水平，提示可通过调节肠道微生物群来干预肠上皮细胞自噬，从而逆转肠道疾病进程。

自噬有助于加强肠道屏障、维持宿主代谢和炎症平衡，功能失调的自噬会导致肠道生态失调和疾病易感性增加。因此调节自噬对机体稳态意义重大。紧密连接缺陷被认为是IBD 的发病与进展的关键致病因素，肠道自噬可通过诱导紧密连接蛋白CLDN2（claudin 2）的溶酶体降解调节肠道屏障功能、降低肠上皮通透性［14］。实验发现［15-16］，与野生型小鼠相比，结肠上皮细胞特异性自噬相关7/5（Atg7/5）敲除的实验小鼠结肠中杯状细胞粘蛋白分泌减少，有害菌落种类与数量增多，益生菌显著减少，结肠炎症状加重。肠道中黏液层将肠道微生物群与上皮细胞隔开，自噬可通过调节黏液层塑造肠道微生物群。因此，自噬在调节肠道微生物群的多样性和组成方面起着重要的作用，肠道自噬可通过加强肠道屏障、调节肠道微生物组成及调节黏液层来减轻疾病的发生发展。

2 慢性神经退行性疾病（neurodegenerative diseases，NDD）

NDD 是由神经元和（或）其髓鞘的丧失所致，随着时间推移而恶化，出现功能障碍，是致病、致残的主要原因之一。目前认为部分NDD 病变不可逆，对其治疗尚未给出明确的方案。现有研究证明，肠道和大脑通过神经系统或化学物质穿过血脑屏障得以相互作用，在此过程中迷走神经可以将肠道神经元与中枢神经系统的神经元连接起来［17］。GAREAU 等［18］通过对实验性小鼠的研究发现微生物群-肠道-脑轴的紊乱可能会增强神经退行性疾病的易感性。BONFILI 等［19］用SLAB51 益生菌制剂干预阿尔茨海默症（Alzheimer disease，AD）早期的3xTg-AD 小鼠，发现调节肠道微生物群会通过激活自噬延缓AD 进展。尿石素A［7］是一种由肠道细菌转化鞣花单宁产生的天然代谢产物，它可以通过上调SIRT1 信号通路和下调mTOR 信号通路激活自噬。这表明肠道微生物群及其代谢产物可透过肠-脑轴调控神经细胞自噬及炎症因子，从而延缓神经系统的衰老和神经系统疾病的进展。

许多神经退行性疾病最常见的病理特征是错误折叠的蛋白质的聚集和某些神经元群体的丧失。自噬作为降解聚集蛋白和受损细胞器的主要细胞内机制，与神经退行性疾病的病理变化密切相关［20］。有学者研究［21］发现，circNF1-419 可以通过PI1K-I/Akt-AMPK-mTOR 和PI419K-I/Akt-mTOR信号通路调节细胞自噬来减轻AD 损伤，炎症因子减轻，且肠道微生物群的组成发生变化。LIU 等［22］通过实验发现，MPTP 可能同时影响肠道微生物群组成和自噬活性，它们的相互作用最终会导致PD小鼠结肠中肠道微生物生态失调和自噬缺陷。通过上述研究推测，肠道微生物群与自噬之间相互作用，共同参与调节神经系统的正常发育和疾病过程。肠道作为全身最大的免疫器官，其可通过paneth 细胞释放抗菌肽，通过肠-脑屏障于中枢神经系统增强自噬，发挥抗炎、抗病毒、维持免疫等作用［23］，不过具体调节机制有待进一步研究。

3 非酒精性脂肪性肝病（nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD）

NAFLD 是一种肥胖相关的代谢性疾病，包括从单纯性脂肪变性到脂肪肝伴肝细胞损伤，经常伴随2 型糖尿病、肥胖、血脂异常和高血压一起发生。肝脏可经由门脉系统与肠道微生物群相互影响，门静脉不仅接受来自肠道的营养物质，还会将肠道微生物群带入肝脏。肝脏、肠道微生物群、肠道共同构成肠-肝-微生物轴，其紊乱会导致脂质代谢紊乱、胆汁分泌异常、肝脏解毒功能受损等［24］。SEIF EL-DIN 等［8］通过实验证明早期添加益生菌可以通过靶向调节肠道微生物群来激活p-AKT/mTOR/LC-3II 自噬途径预防NAFLD、脂肪变性和肝损伤的进展，这提示调节肠道微生物群可以通过影响自噬预防肝脏疾病的发生发展。又有研究发现［25］益生菌干预后NAFLD 小鼠肠道短链脂肪酸比例趋于正常，肠道菌群失衡得以改善，肝脏LC3II 和p62 含量正常化。考虑肠道菌群及其代谢产物短链脂肪酸［26］通过肠肝循环减轻肝脏自噬及炎症指标，从而达到缓解疾病的目的。

自噬的增加有助于减少肝脏脂质积聚，减少巨噬细胞活化，减轻炎症发生［27］。研究表明，抑制自噬会促进NAFLD 的发生发展，例如，WU 等［28］通过研究证实棕榈酸（PA）可以通过抑制自噬促进高脂、高糖、高胆固醇饮食（FFA）小鼠非酒精性脂肪性肝病的进展。YAN 等［29］研究证明，肝脏自噬可以通过调节肠道微生物群共同在肝脏疾病的发展机制中起作用。自噬基因Atg5 缺失导致严重肝损伤及小鼠粪便中肠道微生物群结构、数量变化，抗生素治疗加重实验性小鼠的肝损伤，提示肝脏自噬缺乏可导致肠道微生物群的改变，肠道微生态失调为肝脏提供适应性保护。亚精胺［30］作为自噬诱导剂可通过调节肠道微生物群的变化从而改善NAFLD。对肝脏疾病的研究发现，调节肠道微生物群可以影响自噬功能，调节自噬也可以影响肠道微生物群的组成与数目，在这过程中，自噬与肠道微生物群的应激性改变不仅可以加速疾病进展，有时也会对机体起到一定的保护作用。

4 杜氏肌营养不良症（Duchenne muscular dystrophy，DMD）

DMD 是一种严重的全身骨骼肌进行性萎缩疾病，会导致肌肉功能丧失，晚期伴有心脏及（或）呼吸衰竭，甚至死亡［31］。现有研究提示肠道、肌肉与微生物群共同形成肠-肌-微生物轴，肠道微生物群和肌肉系统之间的双向交流可调节肌肉功能［32］。目前对DMD 的治疗仅限于通过使用糖皮质激素来减缓疾病进展，但其长期收益与安全性尚不确定。KALKAN 等［33］研究发现，功能失调的肠道微生物群与mdx 营养不良小鼠DMD 的发病机制有关，调节其代谢产物短链脂肪酸可以通过肠-肌-微生物轴缓解小鼠肌肉自噬受损及降低小鼠炎症指标，从而达到缓解DMD 的目的。又有研究发现［34］，口服益生菌会减轻肥胖大鼠的心肌细胞纤维化和心脏肥大以及可能会通过beclin-1/LC3B/Atg7 途径减轻自噬信号通路。以上研究证实，调节肠道微生物群及其代谢产物短链脂肪酸（尤其是丁酸盐）可减轻骨骼肌细胞自噬，从而达到缓解骨骼肌疾病及部分心脏疾病的目的。

自噬功能障碍可能通过肌纤维再生受损来促进某些肌病的发生。自噬抑制研究也表明自噬在肌肉再生中的重要性，而自噬的激活可以恢复某些肌病的肌肉功能。PI3K/Akt/mTOR 通路是参与骨骼肌分化的保守信号通路之一，它在自噬调节中起着至关重要的作用。有研究发现［35］，线粒体自噬激活剂尿石素A 的给药挽救了DMD 小鼠及患者成肌细胞中的线粒体自噬，增加了骨骼肌呼吸能力，并改善了肌肉干细胞的再生能力，导致肌肉功能的恢复和DMD 小鼠模型的存活率增加。RYU 等［36］通过研究指出，FGF21、肌连蛋白和脂联素通过影响AMPK 和PGC-1α 信号通路来影响自噬，PI3K-Akt-mTOR 信号通路可能通过抑制NF-κB 信号通路来调节肠-肌轴，从而减轻肌营养不良相关疾病。上述研究推测，在骨骼肌疾病发展过程中，可以尝试通过调节肌肉自噬或者调节肠道微生物群来改善疾病，而肌肉自噬可通过影响PI3K/Akt/mTOR 通路及炎症因子来调控肠道微生物群，而调节肠道微生物群及其代谢产物可影响肌肉自噬，但其具体机制暂不清楚，亟待深入探索。

5 展望

上述疾病的论证分析表明自噬与肠道微生物群之间的相互作用可能与免疫及炎症等因素相关。自噬通过清除病原体、黏液层维护、肠腔中抗菌化合物的分泌及炎症调节等一系列方式调节肠道微生物群。肠道微生物群通过加强肠道屏障、产生短链脂肪酸等代谢产物、减少内毒素及炎症因子移位及增强机体免疫等方式保护细胞自噬。尽管有证据表明敲除特定的自噬基因可以有效治疗一些疾病，然而自噬基因的长期敲除是否会给机体带来损害仍然未知。因此，通过干预肠道微生物群来影响自噬似乎可以在使患者获益的同时避免不必要的伤害。此外，肠道微生物群紊乱也是引起多器官功能障碍综合征、加速疾病进展甚至诱发患者死亡的一个重要因素，通过短期干预特定的自噬基因来快速改善肠道微生物紊乱给机体带来的伤害似乎是可行的。本文较为全面地阐述了自噬与肠道微生物群之间的相关关系。然而，目前对自噬与肠道微生物群之间相互作用的研究集中于动物实验，其在患者机体中的作用机制尚不明确。此外，益生菌的使用价值具有较大争议。普遍认为益生菌的使用对疾病的转归具有正向作用，但也有研究显示益生菌的使用会加重疾病进展甚至增加病死率，这可能与饮食结构、基因的表达及益生菌的种类、用法等因素有关，仍需要进一步的研究。

【Author contributions】ZHU Yanqiongwrote the article.SONG JIan and YUE Haohao revised the article.LI Wenxing directedand reviewed the article.All authors read and approved the final manuscript as submitted.