腸道菌群參與慢性阻塞性肺疾病Th17/Treg失衡機制的研究進展

吳思怡 鞏健男 李建強

消化道承載著人體約90%的共生微生物,這些微生物構成了腸道菌群(gut microbes,GM)。近年來研究發現, GM作為人體“第二基因組”不僅參與物質的消化與吸收,在人體免疫方面也起著重要作用。正常腸道微環境中的GM保持動態平衡,一旦受到某種因素的影響,其制約關系就會被打破,進而導致腸道通透性增加、腸組織發生免疫紊亂[1-3],影響輔助性T細胞17(helper T cell 17,Th17)和調節性T細胞(regulatory T cell,Treg)的平衡[4]。眾所周知,Th17和Treg細胞是建立機體免疫防御的重要部分,二者由初始CD4+T細胞分化而來并產生相互拮抗作用。Th17能夠分泌多種促炎、促排異因子,而Treg主要負責抑制機體過度免疫應答,二者的平衡在自身免疫性疾病及炎性疾病的發展中起決定性作用。有學者發現慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者痰液和糞便中產短鏈脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)的優勢菌屬豐度明顯降低[2,5,6],由此可推斷GM失調可能與慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的發生、進展相關。

COPD是一種異質性肺部狀態,是氣道異常和/或肺泡異常所致的持續性氣流阻塞[7]。近年來研究表明,免疫失衡成為COPD發生發展的關鍵因素[8-9]。因此,免疫調節治療已發展為臨床治療COPD的有效手段。其中,以GM為靶標來調節機體免疫為COPD的防治提供了全新角度。

一、腸肺軸

腸道和肺之間始終保持著緊密的聯系。結構上,二者有深刻的解剖學基礎,它們都來自同一個胚胎器官-前腸[10]。兩者突起的微絨毛(腸)或纖毛(呼吸道)作為物理屏障,參與淋巴組織局部免疫系統的形成;功能上,它們具有共同粘膜免疫系統、分泌型免疫球蛋白A及分泌粘液的杯狀細胞[3]。腸和肺通過淋巴和血液循環允許信號分子進入對方微環境,即GM失調所致的細胞毒性產物、炎癥因子等可經由腸-肺軸運輸到肺,引起肺損傷[2,10]。

廣泛研究表明,COPD患者常合并GM失調[2-3]。Chiu等人對肺氣腫小鼠的糞便菌群分析顯示有益擬桿菌的相對豐度降低,致病菌(如厚壁菌)豐度顯著增加[11]。還有研究者在煙霧暴露的小鼠腸內觀察到梭狀芽孢桿菌、普雷沃氏菌數量增多,毛螺菌科細菌數量下降[12]。這些失調導致腸道賦予機體的“免疫耐受性”降低。一方面會引發腸絨毛萎縮及腸上皮緊密連接受損[2],另一方面,GM失調后引起的粘膜免疫反應通過“腸-肺軸”轉移至肺,打破了肺部Th17/Treg的平衡。長期吸煙的COPD患者體內本身存在Treg細胞的降低和Th17細胞的升高,GM失調顯著放大了這一免疫效應,導致肺臟彌漫性的結構改變,加速了COPD的炎癥過程[4,13]。其機制探索對COPD病理生理的研究和防治具有重要意義。

二、GM失調引發COPD患者Th17/Treg失衡的機制

GM失調引發COPD患者體內Th17/Treg失衡的機制尚未完全明確,很多問題仍需要進一步探索。目前已知煙霧暴露引起的GM活動異常不僅通過影響SCFA的生成和分節絲狀菌(segmented filamentous bacteria,SFB)的定植來調節肺部免疫,還通過介導Toll樣受體(toll-like receptors,TLR)信號轉導通路和細胞因子信號轉導抑制因子1(suppressor of cytokine signaling 1,SOCS1)通路影響Th17/Treg的平衡,接下來對上述機制進行綜述。

1. GM-SCFAs-Th17/Treg細胞軸

SCFA可以被直接運輸到肺并與肺免疫細胞上的G蛋白偶聯受體(G protein-coupled Receptors,GPRs)相結合;也可在腸內抑制組蛋白脫乙酰酶( histone deacetylase,HDAC)引發Th17/Treg失衡,失衡的免疫細胞通過腸-肺軸遷移至肺,介導共同粘膜反應。SCFA由GM酵解膳食纖維而來,包括丁酸鹽、乙酸鹽等,它們經腸道吸收后可以隨血液遍布至全身來調節多器官代謝[14]。一方面,SCFA被直接運輸到肺組織中,與肺免疫細胞上的GPR相結合(如GPR41、GPR43、GPR109),誘導叉頭盒蛋白P3(forkhead box protein P3,FoxP3)增殖來促進Treg分化[14-15]。另一方面,SCFA作為HDAC的抑制劑發揮抗免疫作用,HDAC被丁酸鹽抑制后,實驗動物腸上皮細胞中FoxP3+及轉化生長因子β的表達增加,促進了Treg在腸內積累[16]。值得一提的是,丁酸和丙酸可通過與GPR相互作用及抑制HDAC的雙重途徑來調節巨噬細胞代謝程序,顯著抑制Th17分化[17-18]。

2. TLR信號轉導通路

煙霧暴露誘發的GM失調導致細菌釋放大量脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)入血,其可以作為病原體相關分子模式 (pathogen associated molecular pattern, PAMP) 與腸和肺免疫細胞上的TLR4受體相結合,打破COPD患者腸和肺內Th17/Treg細胞的平衡。TLR是固有免疫中一種模式識別受體,廣泛存在與各個器官,它能夠識別PAMP,引起下游信號級聯反應。PAMP是病原體所攜帶的分子模式,可以被免疫系統識別并觸發免疫反應,主要包括細菌來源的LPS、病毒等。已知煙霧誘導的GM失調小鼠腸屏障受損,腸菌來源的LPS與TLR4受體相結合后,通過髓樣分化初級應答基因88和含TLR結構域的銜接子蛋白,觸發活化B細胞的核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的轉錄和翻譯,刺激NF-κB途徑[19]。該途徑不僅產生大量直接損傷肺泡細胞的炎癥因子,也可誘導Th17/Treg失衡,加重肺部炎癥反應[20-21]。肺部的過度炎癥反應促進GM和腸相關淋巴組織向炎癥模式轉變,繼而產生腸-肺惡性循環。金氏副擬桿菌衍生的LPS毒性較低,它以劑量依賴方式與循環中毒性較強的LPS競爭TLR 4受體,減輕氣道免疫反應[22],目前已被成功開發為功能性益生菌,廣泛應用于臨床。

3. 分段絲狀菌誘導Th17細胞過度分化

在GM失調期間,SFB主要在小腸直接或間接刺激Th 17分化。SFB是附著于末端回腸上皮與梭菌屬相關的特定共生菌,在出生后驅動腸道免疫屏障的成熟[23]。各種因素引發GM紊亂后,SFB選擇性地擴大雙重T細胞受體識別自身抗原來誘發Th 17過度表達[14,24]。SFB還可以在定植于宿主上皮細胞后誘導血清淀粉樣蛋白A表達,從而刺激腸道固有層中樹突狀細胞(dentritic cell,DC)分泌白細胞介素6和白細胞介素23誘導Th 17的分化[25]。由于肺中穩定表達Th17的化學引誘物趨化因子配體20,故SFB誘導的腸道Th17可通過腸肺軸優先募集到肺,實現免疫信號的轉移[24]。目前由SFB缺乏構建的肺氣腫模型相對較少,其介導COPD惡化的具體機制仍有待研究。

4. GM失調抑制SOCS1的轉錄與表達

SOCS1缺乏的COPD患者體內GM失調,這一失調可通過介導SOCS1的下調來促進Th17/Treg失衡。SOCS是JAK信號轉導通路和STAT(轉錄激活因子)通路的負性調節因子[26]。它不僅參與DC的分化、活化和成熟,還可以維持DC的原始狀態,抑制Treg向Th17的轉化。向DC內轉染SOCS1可以早期保護Treg細胞功能,早期控制炎癥[27]。GM與SOCS1之間存在一定的交互作用,COPD模型中SOCS 1的轉錄和表達受到抑制,支氣管黏膜及肺泡灌洗液中的SOCS1大量降解。SOCS1敲除的小鼠腸中GM也發生相應變化,如普雷沃氏菌科成為優勢種群,嗜膽汁菌屬、瘤胃球菌屬和鏈球菌屬豐度也增加[27]。失衡的GM進一步觸發SOCS1下調,介導白三烯 B4/白三烯B4受體1異常通路持續釋放炎性介質,誘導Th17分化,加重肺損傷[28]。

三、腸道菌群及其代謝產物對COPD的防治意義

1. 通過糞便微生物移植來恢復Th17/Treg平衡

糞便微生物移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是一種通過將供體糞便中的有益細菌或代謝產物引入患病受體來治療腸道微生態失衡的方法[29],不僅可以使產SCFA菌種增多,還可以通過恢復Th17/Treg的平衡來改善COPD。有研究者證明FMT可增加肺氣腫小鼠體內產SCFA腸菌豐度(如擬桿菌科和毛螺菌科),顯著改善COPD患者臨床癥狀[22,30]。此外,FMT促進Th 17/Treg平衡,減輕肺部氧化應激水平。研究小組用FMT來重建肺氣腫小鼠的腸道微生態,結果顯示小鼠肺中TLR 4/NF-κB信號傳導途徑下調,Th 17/Treg比例較前降低[12]。FMT在治療方面仍存在爭議。當糞便細菌被移植時病毒也被移植,引發嚴重的副作用[29]。因此,如何平衡仍然是一個需要解決的問題。

2. 膳食纖維通過改善腸道微生態來影響COPD進程

飲食攝入極大影響著腸道微環境。Jang Y.O.對基于膳食纖維組分的肺氣腫小鼠糞便進行了微生物分析,結果表明高纖維素和高果膠飲食能顯著減輕肺部病變,這與微生物群和免疫系統的相互作用有關[31]。膳食纖維果膠通過增加糞便和血清中SCFA的濃度、改變腸道和肺中厚壁菌與擬桿菌的比例、抑制DC功能發揮免疫調節作用[32]。多項研究表明高膳食纖維飲食不僅可以預防COPD,還可以顯著延緩COPD進程[29]。每日膳食纖維攝入量≥ 36.8g可降低約38%的COPD患病率,長期攝入膳食纖維可以減少COPD患者約30%的急性加重風險率[29,33]。部分膳食纖維還可以作為益生元高效促進益生菌增殖,給COPD帶來新的研究視角。

3. 中草藥通過恢復Th 17/Treg平衡來改善COPD

據報道,中草藥能通過多種途徑影響GM的多樣性,在改善COPD患者臨床癥狀、延緩肺功能下降等方面取得了巨大進展。例如,宣白承氣湯不僅能促進益生菌增殖,抑制致病菌生長,還可糾正Th 17/Treg失衡,延緩COPD進展[34]。芪白平肺膠囊可以改變COPD大鼠腸道群落結構,促進Th 17/Treg達到新平衡,降低COPD氧化應激水平[35]。但目前相關臨床研究較少,今后需采用更先進的科學技術方法做進一步探索。

四、展望

Th17/Treg失衡在COPD的發病中起重要作用。近年來許多研究著眼于微生物組學及免疫學,為研究GM參與COPD發病的具體機制提供了新思路。在COPD中,GM失調后的代謝產物可以直接運輸至肺部誘發免疫反應,也可以在腸內刺激Th17/Treg細胞失衡后再通過腸-肺軸運輸至肺,影響肺免疫活性。已有研究表明FMT、高膳食纖維飲食及中草藥可通過恢復腸道微生態環境達到治療COPD的目的,但上述方法尚未廣泛應用于臨床?；诋斍癈OPD發病率的不斷上升,未來應積極探求GM與COPD-Th17/Treg軸之間的分子機制,構建確切的COPD-GM失衡模型,進行大規模前瞻性研究,旨在拓寬研究者對腸道微生物群在COPD發病機制的理解,為COPD的治療提供新策略。