肠道菌群与免疫.doc

肠道菌群与免疫丁文京，北美医学教育基金会哺乳动物胃肠道有大量和多样化的共生细菌。近些年来的研究逐渐证明我们的健康高度依赖于肠道共生菌对免疫的贡献。宿主和肠道共生菌的和谐关系以及肠道菌群对免疫的作用是数百万年的共同进化的结果。 胃肠道是一个由一个有组织的由宿主真核细胞组成的动态生态系统。这个系统包括一个全功能的免疫系统和无数的栖息在胃肠道，主要是肠道，特别是大肠，各种各样的微生物。使用分子学方法对胃肠道菌群的分析表明细菌种群之间有很大差异性，而在菌群个体则表现为出现的相对稳定性。哺乳动物的免疫系统和肠道菌群的动态平衡对健康至关重要。二者之间需要保持稳定的共生和互惠关系。了解适应性免疫和定植在肠道大量各种菌群的相互关系，以及原始的先天免疫和肠道菌群的整合对胃肠免疫稳态，预防和治疗疾病有重要的意义。肠道的免疫细胞可能需要微生物来源对其分化。我们已经知道肠道内免疫细胞对某些特殊的菌群存在选择性反应，肠道内哪些细菌参与和影响了免疫系统的发育和功能，以及这些细菌的免疫特点是当前研究的一个焦点。随着研究的广泛开展和逐渐深入，这一神秘面纱正在逐渐被披露出来。2010年8月发表在科学（Science）一篇报道指出正常情况下，树突状细胞（Dendritic cells (DCs)）在防止T细胞对肠粘膜不起反应，因此在保持肠道的免疫耐受方面起重要作用。但是，当环境发生变化时，树突状细胞可以激活T细胞，其细胞上的-链蛋白对树突状细胞起重要的调节作用。当从小鼠的肠道清除-链蛋白后，调节T细胞的活性和抗炎细胞因子的作用明显降低，而亲炎症的辅助T细胞1和17以及其细胞因子上升。树状细胞缺少-链蛋白的小鼠表现出对肠炎的敏感性增加。Daehee Han等人2013年在免疫（Immunity）发表文章“树突状细胞信号分子TRAF6的表达是肠道菌群相关的免疫耐受的关键”报道了题目的研究成果。题目指出细胞内信号分子TRAF6是Toll样受体（TLR）在激活树突状细胞过程中起关键作用。当特异性去除树突状细胞信号分子TRAF6后导致丧失粘膜免疫耐受。与此同时，小肠粘膜固有层的T辅助细胞2（Th2细胞）发育和出现嗜酸性粒细胞性肠炎和小肠细胞纤维化。免疫耐受消失需要肠道共生菌存在，但是依赖树状细胞表达MyD88。TRAF6小鼠显示小肠调节性T细胞（Treg）数量减少和诱导iTreg细胞对新型抗原的反应消失。这些结果显示免疫缺陷和树状细胞表达白细胞介素2（IL-2）减少有关。他们还发现在traf6ddc 小鼠Th2细胞相关的反应表现异常。这种免疫缺陷可以通过调节性T细胞活性的恢复。由此他们认为TRAF6在指导树状细胞通过Treg 和Th2细胞免疫保持肠道免疫耐受中起作用。S Mashoof等人研究切除了胸腺和没有切除胸腺的幼体非洲爪蟾肠道菌群与T淋巴细胞的影响。他们用焦磷酸测序的16S核糖体RNA基因评估胃，小肠和大肠细菌群体中的相对丰度。他们发现整个胃肠道里梭菌科和黄杆菌是所有菌群中含量最丰富的细菌。切除了胸腺和没有切除胸腺的幼体非洲爪蟾，通过UniFrac分析显示两种胃肠道菌群分布无显着差异。他们的研究结果与以前切除胸腺后对肠粘膜免疫球蛋白水平没有显著改变的研究结果一致。这个发表的自然的研究结果揭示胸腺对胃肠免疫没有影响。虽然科学研究证明微生物诱导的细胞因子反应参与肠道内环境稳定，但在稳定状态下的细胞因子平衡和单个细菌物种在建立这种稳态平衡中所起的作用仍然不清楚。Routhiau等人2009年在免疫（Immunity）发表了题目为“分段丝状菌在肠道内的辅助性T细胞的反应协调成熟的关键作用”的文章。他们在无菌小鼠做的研究系统性分析表明，无论是菌群还是单个菌种的促炎反应T辅助细胞1（Th1细胞），Th17细胞和调节性T细胞的反应，都不能有效地刺激肠道T细胞的反应。他们发现分段丝状菌，一种非培养的梭状芽胞杆菌相关的物种，可以在很大程度上诱导T细胞成熟。这种细菌可以作为一种有效的诱导的粘膜IgA抗体，可能在肠道免疫功能发育成熟中发挥了独特的作用。在婴儿的菌群的变化，从而可能影响宿主的免疫反应的发展。T辅助-17（Th17细胞）细胞在粘膜的防御和自身免疫性疾病的发病机制方面起重要作用。在小肠固有层有最丰富的T辅助-17细胞。Yi Yang等人2014年自然（Nature）报道了他们关于共生菌抗原和T-辅助-17（Th17细胞的研究成果。在有自身免疫疾病的动物模型实验发现分段丝状菌可以明显诱导和促进T辅助-17细胞。他们发现在植有分段丝状菌的小鼠肠道T辅助-17细胞的T细胞抗原受体(TCR)，识别编码的SFB抗原，减少了其它肠道CD4 T细胞和其它T辅助-17细胞的重叠的，而不是其它T细胞。有特异性抗原受体的T细胞，分段丝状菌-编码肽分化成RORrt表达的T辅助-17细胞，即使分段丝状菌定植的小鼠也在肠道同样显示强烈的T辅助-1细胞诱导剂，李斯特（Listeria）单核细胞增多。细菌产生的抗原决定了T细胞的作用和抗原特异性。他们的发现对理解肠道共生菌对器官特异性自身免疫和开发新的粘膜疫苗治疗自身免疫性疾病具有重大的意义。Yun Kyung Lee and Sarkis K. Mazmanian2010年在科学（Science）发表了他们研究肠道共生菌和适应性免疫关系的研究成果。Yukihiro Furusawa等人2013年也在自然（Nature）发表文章题目为“肠道共生菌产生的丁酸肠促进道调节T细胞的分化”的文章。报道了肠道共生菌可以调节多种T细胞的分化改变肠道粘膜的免疫系统。肠道共生菌中最主要的梭状芽胞杆菌可以导致结肠调节T (Treg)细胞，在抑制炎性反应和过敏反应起最重要的作用。虽然目前尚不完全清楚这种诱导作用的分子机制。他们在小鼠的研究发现大肠内肠道共生局产生的丁酸（butyrate）可以诱导结肠调节T (Treg)细胞分化。基于NMR的代谢组学分析比较结果提示结肠调节T (Treg)细胞的数量很可能与肠道管腔短链脂肪酸的浓度有关。体内和体外实验都证实链脂肪酸中的丁酸可以促进结肠调节T (Treg)细胞分化，并且可以改善结肠炎。在调节性T细胞极化条件下和丁酸在启动子和保守的非编码区的Foxp3的基因序列强化组蛋白H3乙酰化用幼稚T细胞的治疗结肠炎。他们的研究提示肠道共生菌产生的丁酸可能起到诱导T细胞分化的可能机制，为研究宿主和肠道菌群互动建立肠道免疫稳态机制的新思路。同年，Patrick M. Smith等人在2013年科学(Science)发表了题为“微生物代谢产物，短链脂肪酸，调节肠道T细胞稳态”的文章，报道了相似的研究结果。可以表达转录因子Foxp3的调节性T细胞（Treg细胞）是调节肠道炎症的关键。某些细菌和菌株特异性的分子会诱导T细胞分化影响肠道免疫反应。他们在小鼠的研究发现肠道共生菌酵解的产物短链脂肪酸可以调节结肠T细胞的数量和功能，并且可以抵抗结肠炎。他们的研究结果提示短链脂肪酸，特别是丁酸这些微生物代谢产物可以促进结肠的内环境稳态和健康。Timothy W. Hand等人2012年在科学（Science）报导了肠道的急性感染可以诱导长寿菌群特异性T细胞反应。当肠道感染时，失去对肠道共生菌的耐受性，激活微生物特异性T细胞分化成炎性效应细胞（effector cells）。这些T细胞形成对致病原具有特异性识别的记忆细胞。他们的研究结果显示在肠道感染时，对共生菌的免疫反应与对致病微生物的免疫反应同时并存。对共生菌的适应性反应是整个肠粘膜免疫的一个重要组成部分。MARK SCHLISSEL2013年在自然（Nature）9月发表文章指出肠道菌群的代谢产物可以刺激肠道产生B细胞。肠道菌群起着重要的免疫功能。TH17 免疫细胞必须要肠道菌群激活才能分化。Wesemann等人在同一期杂志发表的文章介绍了在小鼠的研究结果，指出肠道菌群的非致病性代谢产物刺激B细胞的发育，抵抗肠道的炎性反应和防治肠道的自身免疫性疾病。肠巨噬细胞产生白细胞介素-1（IL-1）以响应来自微生物信号。白细胞介素-1作用于3型肠型先天淋巴样细胞，从而产生细胞因子，结肠刺激因子2（CSF2）。结肠刺激因子2诱导髓系细胞（包括树突状细胞和巨噬细胞）产生调节因子，如维甲酸和白介素-10，它们支持和调节性T细胞的增生和转化，这些细胞在维持在肠道的免疫耐受方面起关键性作用。Jacqueline M. Leung and Png Loke报道白细胞介质素-22（IL-22）在维护肠道致病原和共生菌的稳定状态方面起重要的作用。当肠道蠕虫感染减重炎性肠病的症状时，白细胞介质素-22（IL-22）可能会增强肠粘膜上皮细胞的防御功能，纠正与炎性肠病相关的肠道菌群失调，改善肠道微生态的稳态。宿主肠道和微生物之间需要互相适应，共同进化。脊柱动物的适应性免疫具有特异性和记忆的特点可以之有效地对各种微生物起反应，促进宿主和肠道菌群的共生关系，提高防御能力。肠道存在着特殊的免疫调节机制，可能与肠道共生菌和食物抗原存在密切的关系。哺乳动物适应性免疫源自于其进化过程和长的生命过程。肠道菌群在适应性免疫的发展中其重要的作用。揭示肠道菌群和免疫的研究，发现肠道菌群和宿主之间共生关系的分子机制，必将重新定义免疫和进化，帮助我们更好地了解许多免疫疾病的发病原理和寻找更有效的治疗方法。参考文献 MARK SCHLISSEL， B-cell development in the gut， Nature 501， 42-43（2013）. Wesemann, D. R. et al. Nature 501, 112115 (2013). Yukihiro Furusawa，et al., Commensal microbe-derived butyrate induces the differentiation of colonic regulatory T cells， Nature, 2013, 1-5. Patrick M. Smith，et al., The microbial metabolites, short chain fatty acids, regulate colonic Treg cell homeostasis, Science. 2013 August 2; 341(6145). Vale rie Gaboriau-Routhiau, et al., The Key Role of Segmented Filamentous Bacteria in the Coordinated Maturation of Gut Helper T Cell Responses, Immunity 31, 677689, October 16, 2009. Timothy W. Hand et al.，Acute Gastrointestinal Infection Induces Long-Lived Microbiota-Specific T Cell Responses，Science 337, 1553 (2012). Patrick M. Smith and Wendy S. Garrett. The gut microbiota and mucosal T cells, Front Microbiol.2011;2: 111. S Mashoof，et al., Ancient T-independence of mucosal IgX / A: gut microbiota unaffected by larval thymectomy in Xenopus laevis， Nature VOLUME 6 NUMBER 2 , P: 358-368，2013 Yun Kyung Lee and Sarkis K. Mazmanian， Has the microbiota played a critical role in the evolution of the adaptive immune system? Science. 2010 December 24; 330(6012): 17681773. Yi Yang, et al., Focused specificity of intestinal TH17 cells towards commensal bacterial antigens， Nature, 2014, Vol 510. P:152. H. Rex Gaskins, et al., Impact of the Intestinal Microbiota on the Development of Mucosal Defense, Clinical Infectious Diseases 2008; 46:S806. Camilla Hartmann Friis Hansen，et al., Patterns of Early Gut Colonization Shape Future Immune Responses of the Host, PLoS ONE 7(3): e34043. Vanessa Livin-Le Moal and Alain L. Servin, The Front Line of Enteric Host Defense against Unwelcome Intrusion of Harmful Microorganisms: Mucins, Antimicrobial Peptides, and Microbiota, CLINICAL MICROBIOLOGY REVIEWS, Apr. 2006, p. 315337. Daehee Han, et al., Dendritic Cell Expression of the Signaling Molecule TRAF6 Is Critical for Gut Microbiota-Dependent Immune Tolerance, Immunity 38, 12111222, June 27, 2013. Lora V. Hooper, et al., Interactions Between th