肠道微生物菌群与川崎病关系研究进展

赵 萌,杨轶童,李翰文,孙文婷,赵苗苗,陈露萍,石曌玲,2

(1.陕西中医药大学,陕西 咸阳 712046;2.陕西中医药大学第二附属医院,陕西 咸阳 712044)

1967年KAWASAKI等[1]首次报告了川崎病(Kawasaki disease,KD)的病例,最初被定义为黏膜皮肤淋巴结综合征,是一种带有发热性血管炎的自身免疫疾病,世界各国均可发生,以亚裔人发病率最高。其病因尚不明确,但有研究发现其发病机制可能与炎症和自身免疫相关。在KD的急性期,存在T辅助细胞17(Th17)/调节性T细胞(Treg)细胞失衡,Th17细胞增加和Treg细胞减少,这可能导致机体免疫反应的失控和组织炎症的发生[2]。肠道微生物菌群失衡,会导致肠道黏膜屏障功能受损,使得肠道内的致病菌、条件致病菌等有机会入侵,引起机体出现各种炎症和免疫疾病的发生[3]。本文就肠道微生物菌群与KD的关系综述如下。

1 肠道菌群与全身炎性反应

KD是一种常见的儿童急性全身性血管炎,其特征在于免疫系统的过度反应,产生一系列炎症细胞因子。CHEN等[4]研究表明,急性KD患儿全身炎症生物标志物[包括白介素(IL)-2、IL-4、IL-6、IL-10、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和干扰素-γ]水平显著升高。改变的微生物群属肠球菌属和幽门螺杆菌丰度被证明与 IL-6 呈正相关。同时,在KD中IL-6的表达水平显著升高,IL-6可以诱导B细胞分化并产生抗体,还可以激活T细胞,进一步加剧炎性反应。肠道黏膜屏障的破坏和肠道黏膜屏障通透性的增加促进许多炎症性疾病的发生,而肠道黏膜屏障功能的受损与肠道菌群的紊乱密切相关。肠道微生物菌群的不平衡会对宿主产生显著的影响,这种影响主要体现在与肠上皮细胞的交互作用上。通过调节肠上皮细胞的信号通路和基因表达,肠道微生物群落可以影响全身炎症的发生和发展,并可能影响宿主的自身免疫性疾病的发生和发展[5-6]。对LCWE诱导的KD小鼠研究发现,KD小鼠的肠道黏膜屏障被破坏的同时,其体内的炎症因子也明显升高。主要包括IL-1β、高迁移率族蛋白B1(HMGB1)以及TNF-α等[7]。肠黏膜屏障功能障碍在血管炎之前就已出现,而且肠上皮产生的IL-1β是导致肠黏膜屏障功能障碍的主要因素,它不仅参与了肠黏膜屏障功能障碍的诱导,还在KD的血管炎过程中起到了关键作用[8]。IL-1β可以诱导KD急性期反应,导致血浆中的炎性标志物增加,如C反应蛋白和血清淀粉样蛋白A的增加[9]。这些炎性标志物的增加会导致血管炎的发生[10]。QIAN等[11]通过收集KD患者血样52份,并使用ELISA方法检测了各组患者血清中HMGB1发现KD患者血清HMGB1水平显著升高,这提示HMGB1信号通路在KD血管损伤中起重要作用。TNF-α可以激活中性粒细胞和巨噬细胞,引发血管炎症,还可以诱导细胞凋亡和坏死。此外,TNF-α还可以上调表达一些细胞因子导致血管内皮细胞的活化,使得血管通透性增加,白细胞进入血管壁组织进而引发炎性反应[12-13]。

2 肠道菌群与自身免疫激活

Th17和Treg是一对具有促进炎症和抑制炎症的T细胞亚群,参与维持体内免疫的动态平衡。这一现象表明,Th17/Treg失衡可能在KD急性血管炎综合征的发病过程中发挥重要作用[14]。KD是在易感个体中由产生超级抗原(SAg)的病原体感染触发的自身免疫性疾病,某些SAg在KD患者中存在TCR-Vβ扩增,同时Th17的产生依赖于肠道微生物菌群[15]。KANEKO等[16]通过对KD患者粪便中的细菌DNA进行宏基因组分析发现,短链脂肪酸(SCFA)产生减少导致Th17和Treg细胞之间的不平衡与KD的异常免疫反应有关。例如,普拉梭杆菌可能通过产生丁酸来调节T细胞,促进调节T细胞的分化。影响T细胞分化为不同类型辅助细胞或调节性T细胞,分别是Th1、Th2和Th17,或分化为Treg细胞[17]。脆弱拟杆菌的纯化荚膜多糖可以抑制IL-17的产生,保护结肠黏膜免受炎性反应,刺激CD4+淋巴细胞产生IL-10。肠道微环境也刺激调节性T细胞的分化和扩增,Treg是免疫耐受的关键介质,限制不适当的炎性反应,其功能障碍导致自身免疫性疾病[18]。在LCWE诱导的KD血管炎模型中,发现肠道屏障存在缺陷,紧密连接蛋白的表达下降,这导致了分泌型免疫球蛋白A数量的增加,从而加剧了血管炎症和心肌损伤的发生。这些发现进一步证实了,通过靶向改善肠道通透性,可以有效地缓解肠道屏障功能障碍,并显著减少心血管组织的炎性反应[8]。FUKAZAAWA等[19]通过对50例患者和200例对照受试者进行了一项年龄和性别匹配的病例对照研究发现,抗生素的使用可能会破坏肠道微生物群落的平衡,导致肠道黏膜屏障功能的受损,从而使得肠道内的致病菌、条件致病菌等有机会入侵。应用抗生素可能导致肠道菌群失调,进而促进了KD的发生发展。例如,双歧杆菌等专性厌氧菌能够通过黏附作用与肠上皮紧密结合,形成菌膜屏障,从而竞争抑制肠道中致病菌与肠上皮结合,抑制他们的定植和生长[20]。

3 肠道菌群代谢物

SCFA是由肠道微生物群发酵膳食纤维产生的有机酸,主要包括乙酸、丙酸和丁酸,在结肠中的浓度为10～100 mmol/L,作为肠道细胞的主要能量来源[21]。小鼠模型研究表明,SCFA对结肠上皮细胞的炎性反应既有促进也有抗炎的作用。SCFA可以与肠上皮细胞上的G蛋白偶联受体(GPCR)结合,导致细胞内活性氧(ROS)的释放从而促进T细胞的分化和细胞因子的表达,这些效应可以对免疫细胞和炎性反应产生调节作用[22]。WANG等[23]在KD小鼠模型中发现丁酸盐显著降低抑制p38 MAPK通路的激活从而导致抗炎能力下降,证明了产生SCFA的细菌及其代谢物SCFA的减少是KD肠道菌群失调和炎症之间的关键联系。

4 肠道微生物菌群对KD发生发展的影响

HU等[24]通过采用16sRNA基因测序技术分析KD患儿与健康患儿的微生物群落的特征,发现肠球菌、双歧杆菌、大肠埃希菌/志贺菌、链球菌和布劳特菌的丰度较高,其中肠球菌的丰度更高。这提示肠道菌群在KD的发生发展中起到重要作用。KINUMAKI等[25]通过宏基因组分析方法对28例KD患儿肠道微生物菌群纵向研究,发现KD患儿急性期增加的菌属主要有链球菌属、葡萄球菌属,减少的菌属主要有瘤胃球菌属、粪杆菌属、布劳特菌属、罗斯式菌属,提示链球菌在KD的发生和发展中可能起到更重要的作用。葡萄球菌和肠道细菌产生的热休克蛋白60(HSP60)具有诱导促炎细胞因子过度分泌的能力,同时这些革兰阳性球菌具有诱导Vβ2T细胞扩增的能力,而Vβ2T细胞的过度扩增引发炎症和自身免疫反应。这表明不同肠道细菌通过激活免疫途径诱导KD的发病[26]。

4.1 肠道微生物菌群与冠状动脉损伤 冠状动脉损伤是KD最常见的心脏并发症。其可以导致心肌缺血、心肌梗死,甚至心源性猝死。未经治疗的KD患儿中有25%可能发生冠状动脉损伤,这些损伤可能导致冠状动脉扩张、冠状动脉瘘的形成、冠状动脉瘤、动脉重塑、狭窄、闭塞等一系列病变。这些病变可能导致心脏缺血、心肌梗死或猝死等严重后果,成为发达国家儿童获得性心脏病的主要病因[27]。在KD小鼠模型的研究中发现冠状动脉炎症与核转录因子κB(NF-κB)信号通路密切相关。这个通路在白细胞与内皮细胞黏附过程中发挥关键作用,诱导炎症基因的表达,从而增加了血管炎症和冠状动脉疾病的风险[28]。CHENG等[29]采用酶联免疫吸附测定法对71例KD患者和63例健康人群进行研究,发现KD组血清脂蛋白相关磷脂酶A2(Lp-PLA2)水平明显高于健康对照组,这表明 Lp-PLA2可能与KD冠状动脉损伤相关。同时,肠道微生物菌群的改变,包括多样性减少、生态失调或菌群移植,可能影响Lp-PLA2的水平。由此推断,肠道菌群的紊乱可能会通过影响 Lp-PLA2,诱导KD冠状动脉的损伤。肠道细菌也会产生大量的HSP60诱导外周血单个核细胞产生促炎细胞因子,并且KD患儿冠状动脉损伤组血清HSP60水平明显高于非冠状动脉损伤组,这提示了肠道细菌产生的HSP60可能参与KD的病理生理过程[30]。此外,双歧杆菌能够产生多种SCFA(如乙酸和丁酸等),这些脂肪酸可以抑制炎症细胞(如巨噬细胞和淋巴细胞等)的活化和增殖,从而减轻炎性反应[31]。而当它们的浓度降低时,可能使得机体更容易发生炎性反应和免疫失调,从而诱导KD的发生。肠道微生物菌群与先天免疫途径的激活有关,通过模式识别受体鉴定细菌内毒素,从而激活炎性反应,进一步诱导冠状动脉损伤的发生发展。这些过程与KD的发病机制有关,细菌如链球菌属和葡萄球菌属的丰度增加,而其他细菌如瘤胃球菌属、粪杆菌属等则减少。这些变化可能影响肠道屏障功能,导致肠道内的细菌、内毒素等进入血液循环,引发全身炎性反应。GIORDANI等[32]研究发现这种炎性反应可能通过模式识别受体(如TLR-9)进一步被激活,从而加剧冠状动脉损伤的发生和发展。TLR-9是一种Toll 样受体,可识别细菌内毒素并引发炎性反应。在KD患者中,TLR-9的表达水平上调,并通过激活NF-κB等信号通路,促进炎症细胞因子的产生和冠状动脉损伤。在KD的急性期和亚急性期,血管内皮细胞中血管内皮生长因子(VEGF)水平显著升高[33]。同时血管紧张素-2(Ang-2)与TIE-2 的结合则具有促炎作用,并与VEGF共同作为重要的信号协同因子发挥作用,在KD的血管病变中发挥重要作用[34]。

4.2 肠道微生物菌群与心肌损伤 心肌损伤是KD的一个重要表现,KD患者的肠道微生物菌群改变可能导致肠道屏障功能受损和全身炎性反应加剧。SCFA可能通过调节免疫反应和促进炎症细胞因子的产生来进一步加剧冠状动脉损伤[35]。在KD患者的肠道微生物菌群中,厚壁菌门的数量减少和拟杆菌门的数量增加。这种微生物菌群的改变可能导致肠道屏障功能受损,使肠道内的细菌和内毒素等进入血液循环,引发全身炎性反应,促进心肌损伤[26]。其中IL-1α和β是血管炎症中的重要细胞因子,在KD中的血管炎症中扮演着重要的角色[36]。SCFA可能通过过度调节促进炎症细胞因子的产生,如IL-1α和β、IL-6和TNF-α,这些细胞因子在KD的血管炎症中扮演重要角色。IL-1β信号能够延长中性粒细胞的存活时间,驱动平滑肌细胞(SMC)的增殖和成纤维细胞的形成,这种增殖是由基质金属蛋白酶(MMP3和MMP9)驱动的。这些过程可能会对心肌造成一定程度的损伤[37]。SCFA可以调节免疫反应,通过与树突状细胞上的GPR109a相互作用来促进T细胞向Foxp3+调节性T细胞分化。这种分化异常可能会导致免疫系统的功能失调,进一步促进炎症细胞因子的聚集,从而加剧冠状动脉损伤[38]。SCFA还可能通过激活MEK-ERK和p38 MAPK信号传导通路来影响心肌细胞的生存和死亡。这些信号传导通路在心肌细胞的生长、分化、凋亡以及KD心肌损伤的发生中都起到了关键作用[39]。

4.3 肠道微生物菌群与肺动脉结构和功能异常 在KD急性期,KD大鼠模型中存在明显的肺动脉结构与功能异常,其发生机制可能是脂质运载蛋白-2(Lcn 2)通过促进肺动脉平滑肌细胞(PASMCs)的内质网(ER)应激和增殖诱导了KD肺动脉异常[40]。同时肠道菌群的紊乱可能会加重肠道炎性反应,导致肠道血管损伤、肠壁通透性增加和肠道菌群易位。虽然目前还没有直接证据表明肠道微生物菌群紊乱会导致肺血管损伤,但这种可能性不能完全排除。KD患儿的肠道微生态系统与健康儿童相比存在统计学差异[41]。微生物菌群不仅影响肠道功能,还可能通过肠-肺轴影响肺部健康。肠-肺轴是一个双向通讯枢纽,连接着肠道和肺部,能够影响肠道和肺部的免疫状态。这种双向通讯是通过微生物直接产生或经免疫触发后生成的化学信号实现的[42]。SCFA可以通过血液循环输送到不同部位,以影响机体(包括肺)中的免疫细胞的招募和活力,从而降低炎性反应[43]。SCFA可能抑制肺动脉高压相关基因的表达。在肺动脉高压患者中,SCFA可能通过与GPR43和GPR41结合,激活细胞内信号转导通路,调节肺动脉高压相关基因的表达。这些基因包括促炎基因、抗凋亡基因、抗血管生成基因等,从而减轻肺动脉高压的症状。SCFA还可以抑制转化生长因子-β(TGF-β)信号通路的活性,从而抑制肺动脉平滑肌细胞的增殖和迁移。肠道微生物菌群与KD中肺动脉高压的相关性还需要更多的研究来证实。未来的研究可以进一步探讨肠道微生物菌群在KD发病机制中的作用[44]。

5 结 语

KD是一种自身免疫性疾病,其病因和发病机制尚不明确。探讨肠道微生物菌群在KD中的潜在作用,揭示肠道微生物与KD之间的关键联系意义重大。首先,肠道微生物菌群的失衡与KD的发病有关。KD患者的肠道微生物菌群显示出明显的不平衡,其中某些菌属的丰度明显升高,而其他菌属则减少。这种菌群失衡可能与KD的病理过程密切相关。其次,肠道微生物菌群可能通过免疫调节影响KD的发展。肠道微生物可以影响免疫系统的活性,包括调节T细胞的分化和产生炎症细胞因子。这些免疫调节机制可能对KD的病理过程产生重要影响。最后,肠道微生物菌群可能与KD的并发症有关。肠道微生物菌群的紊乱可能导致冠状动脉损伤、肺动脉结构和功能异常以及心肌损伤,这表明肠道微生物对KD的影响。尽管已经取得了一些有关肠道微生物和KD之间关系的重要进展,但仍有许多问题需要进一步研究和讨论。例如,需要更深入地了解肠道微生物菌群失衡的原因,包括遗传、环境和生活方式等因素。此外,还需要研究肠道微生物菌群对KD病程的影响,以及了解其在KD发病过程中的具体作用机制。另外,肠道微生物与环境因素、病程分期和个体差异之间的关系也需要进一步研究。将来的研究有望进一步增进对KD与肠道微生物菌群之间的关系的了解,更全面地揭示KD的发病机制。通过这些研究,有望找到改善KD患者生活质量、降低心脏并发症风险的新途径,并探索出更有效的干预方法,为KD的预防和治疗提供新的视角和策略。