GALTs包括: 淋巴集结, 腺窝集结和分散的淋巴滤泡[1,2]. 肠道相关淋巴组织是抗原递呈细胞的抗原递呈部位, 他的结构能够影响淋巴细胞的功能包括引起炎症和诱导免疫耐受等. 通过比较无菌小鼠和正常环境饲喂的小鼠, 研究人员发现肠道菌群缺失能够影响GALTs的生成和成熟. Moreau等[3]发现胎儿体内的淋巴组织诱导细胞在缺乏正常菌群的情况下能够促进淋巴集结的形成, 但是无菌小鼠的淋巴集结比无特定病原体的小鼠的淋巴集结要小. 进一步研究发现回肠和盲肠的分散淋巴集结在Toll样受体2(Toll-like receptor 2, TLR2)、TLR4、NOD2、MyD88、TRIF(TIR domain-containing adaptor protein inducing IFNβ)基因敲除的小鼠体内都发育不完全[4]. 另外作为细菌肽聚糖分子受体的NOD1的缺失也能够影响分散淋巴集结的发育. 与淋巴集结不同, 分散的淋巴滤泡的发育需要肠道菌群的刺激[5]. 因此正常菌群能够通过病原模式分子受体来调控GALTs的发育.

现在人们越来越认识到正常菌群在调节肠道各淋巴细胞亚群发育中的重要作用. 辅助性T细胞17(T helper 17, TH17)是CD4⁺ TH细胞的一个亚群, 他通过分泌促炎性因子如白介素17A(interleukin-17A, IL-17A), IL-17F和IL-22对于机体的防御起着重要的作用, 但在某些情况下也能够引起自身免疫性疾病[6]. 与其他CD4⁺ TH细胞亚群如TH1和TH2细胞不同, TH17细胞主要分布在肠道, 这表明TH17细胞的发育可能被肠道内在的一些机制所调控[7]. Atarashi等[7]研究发现在无菌小鼠或者抗生素处理的小鼠的肠道内, TH17细胞的数量显著降低, 这表明肠道正常菌群对于TH17细胞的发育起到很重要的作用. Ivanov等[8]的进一步研究发现, 梭状芽孢杆菌中的一类分节段丝状杆菌能够促进TH17的产生, 研究其具体机制发现分节段丝状杆菌能够黏附到肠上皮细胞, 诱导血清淀粉样蛋白A的表达, 从而刺激肠道固有层CD11c⁺树突状细胞分泌细胞因子IL-6和IL-23, 最终诱导TH17细胞的分化[9]. Atarashi等[7]发现正常菌群产生的肠腔中的ATP也能够促进TH17细胞的发育, 但其机制与分节段丝状杆菌诱导TH17产生的机制不同. 另外也有报道表明肠道菌群诱导产生的IL-1β对于TH17细胞的分化起到很重要的作用[10].

FOXP3(forkhead box P3)⁺调节性T细胞(regulatory T cell, Treg)是CD4⁺ TH细胞的一个亚群, 主要分布在肠道来维持肠道的稳态. 研究表明当剔除掉Treg细胞时, 肠道菌群会诱导CD4⁺ TH的过度增殖, 从而诱发肠道的炎症[11]. Geuking等[12]比较正常饲喂的小鼠与无菌小鼠中Treg数量时发现外周来源的Treg在无菌小鼠的盲肠固有层显著的低于正常饲喂的小鼠, 表明Treg的发育部分依赖于肠道的正常菌群. 进一步研究发现Treg能够被正常菌群中的某些特定的细菌诱导产生, 如在无菌小鼠肠道内定植46种梭菌中cluster Ⅳ和 XIVa菌株混合物或共生菌脆弱拟杆菌能够诱导盲肠中分泌IL-10的Treg的产生[13], 但是这些细菌诱导Treg产生的机制目前还不是很清楚.

肠道菌群与肠道特异性B细胞激活也存在紧密的联系. IgA是肠道黏膜组织中的主要免疫球蛋白, 他能够以一种多聚体的形式在肠腔内大量存在[14]. 多聚体IgA通过肠上皮细胞的免疫球蛋白受体运输到肠腔后, 被称为分泌性IgA[15]. 分泌性IgA能够结合到正常菌群和他们的一些分泌性抗原上从而抑制这些细菌黏附到肠上皮细胞, 并阻止这些细菌侵入到肠黏膜固有层[14]. 因此, 分泌性IgA能够促进肠道的屏障功能, 并且有助于建立宿主和肠道菌群的互利共生关系. 另外IgA还能够调控肠道菌群的组成和功能. Fagarasan等[16]报道激活诱导的胞嘧啶核苷脱氨酶的缺失或者突变能够造成IgA分泌的缺失或者功能异常, 从而导致肠道菌群组成的改变. Peterson等[17]的研究表明肠道的IgA黏附到正常菌群中的多形拟杆菌后会改变该细菌的基因表达来抑制宿主的先天性免疫反应. 另外肠道菌群也能够调控IgA的表达. Suzuki等[18]观察发现分泌IgA的细胞数量在无菌小鼠肠道内要显著的低于正常饲喂小鼠肠道内的数量, 进一步研究表明滤泡样树突细胞识别细菌的模式分子受体后通过MyD88分子, 从而诱导IgA的产生. 另外肠道菌群也能够通过促进肠黏膜固有层中的树突状细胞表达肿瘤坏死因子, 诱导性的一氧化氮合酶, B细胞激活因子等, 来促进分泌IgA的B细胞的产生[19]. 除了分泌肿瘤坏死因子和诱导型的一氧化氮合酶的树突状细胞外, 肠道的一些浆细胞在受到微生物的刺激后, 也能够分泌肿瘤坏死因子和诱导型的一氧化氮合酶, 从而进一步促进肠道内B细胞分泌IgA[20]. 因此, 肠道菌群能够刺激固有层的树突状细胞和滤泡样树突状细胞来诱导分泌IgA的B细胞分化, 而宿主分泌的IgA也能够调控肠道菌群的组成和功能来维持宿主和正常菌群的互利共生关系.

先天性淋巴样细胞(innate lymphoid cells, ILCs)具有T细胞的一些功能特点, 被认为是一种先天性的免疫细胞[21]. 该细胞起源于共同的淋巴样前体细胞, 但能够分化为多种淋巴细胞系. 先天性淋巴样细胞可以分为三大类: T-bet⁺ ILCs、GATA3⁺ ILCs和RORγt⁺ ILCs[22]. 但是目前关于肠道菌群在先天性淋巴样细胞的发育和功能上的作用存在一些争议. Satoh-Takayama等[23]研究报道表明肠道菌群对于先天性淋巴样细胞的分化和细胞因子IL-22的产生起着重要的作用. 但是另有一些研究[24]发现肠道菌群能够抑制RORγt⁺ ILCs分泌IL-22. 因为IL-22的一个重要功能是促进肠上皮细胞产生抗菌肽如REGⅢβ和REGⅢγ, 当敲除IL-22或者剔除掉分泌IL-22的先天性淋巴样细胞时会导致潜在的病原菌的生长和扩散, 从而引起肠道的损伤和系统性感染[25]. 以上研究表明正常菌群调控肠道相关的淋巴细胞除了维持肠道的免疫稳态外, 也能够维持正常菌群中的有益菌和潜在的病原菌之间的平衡, 从而防止由于病原菌过度生长引起的肠道损伤.

一些研究表明肠道的正常菌群可以通过限制营养的方式来阻止病原菌在肠道定植. 例如, 非致病性大肠杆菌能够和肠出血性大肠杆菌竞争有机酸, 氨基酸和其他营养成分来抑制病原菌的生长[27]. 虽然关于正常菌群是如何与病原菌进行竞争的机制还不很清楚, 但目前的研究表明肠道细菌往往更加容易竞争过与自己在代谢方面类似的病原菌. Kamada等[28]研究表明大肠杆菌能够更容易竞争过与其代谢类似的病原菌-柠檬酸杆菌. 除了直接竞争营养外, 正常菌群的代谢活动也能够通过其他方式来阻止病原菌在肠道的定植. 例如, 多形拟杆菌通过利用宿主肠道里的多糖产生多种岩藻糖苷酶, 这些酶能够激活肠出血性大肠杆菌的海藻糖受体, 从而影响肠出血性大肠杆菌毒性因子的表达来阻止其定植到肠道内[29]. 另外病原菌也进化出一些策略来对抗正常菌群的这种竞争. 其中一种策略是病原菌利用正常菌群非主要依赖的一些代谢营养成分来满足营养需要. 例如, 肠出血性大肠杆菌能够利用宿主的共生大肠杆菌不常利用的一些营养成分(如半乳糖、甘露糖、核糖和氨基乙醇)来作为其代谢的碳和氮的来源[30], 因此病原菌可以通过这种方式来获取一些不被宿主共生菌所利用的营养成分来进行生长. 病原菌的另外一个策略是通过表达毒性因子来诱导炎症反应. 例如, 鼠伤寒沙门氏菌感染会导致嗜中性粒细胞产生活性氧来促进内源性的硫代硫酸盐转变为连四硫酸盐, 这些硫代硫酸盐会被鼠伤寒沙门氏菌利用从而促进其生长[31]. 另外肠出血性大肠杆菌和肠致病性大肠杆菌能够侵入到接近肠上皮的一些部位来使用这些部位的一些营养成分来进行生长, 从而避免直接与共生菌竞争营养物质[28]. Murdoch等[32]研究表明一些革兰氏阴性病原菌如灵杆菌能够通过T6SS分泌一些毒素直接对与其有竞争性的共生菌进行杀伤.

病原菌黏附到肠上皮表面是其感染发生的关键步骤, 但是肠上皮通常会表达一些黏液和抗菌分子来抑制病原菌的侵入. 盲肠的黏液层形成一道很大的屏障来阻止病原菌和共生菌接触肠上皮表面[33], 因此在小肠和大肠中, 靠近肠上皮的黏液层是没有共生菌的[34]. Petersson等[35]研究发现无菌小鼠的黏液层厚度要显著低于正常饲喂的小鼠, 表明正常菌群能够促进黏液的分泌. 当无菌小鼠口服细菌的脂多糖和肽聚糖成分时, 其黏液层厚度会恢复到正常小鼠的水平, 进一步证实正常菌群在肠黏膜黏液分泌中的作用[35]. 正常菌群也能够促进大肠和小肠上皮细胞分泌抗菌分子. Cash等[36]发现潘氏细胞能够分泌REGⅢγ和REGⅢβ来调节宿主和细菌之间的相互作用. 进一步实验发现REGⅢγ和REGⅢβ在上皮细胞特异性敲除MyD88的小鼠中显著下降, 表明TLR分子能够通过识别正常菌群来调控抗菌分子的表达. 另外这些REGⅢγ和REGⅢβ表达量低的小鼠更容易被一些肠道病原菌包括: 单核李斯特菌, 假结核耶尔森氏菌和肠道沙门氏菌所感染[37]. 正常菌群也能够通过其代谢产物来增强肠上皮的屏障功能. 例如, 双歧杆菌能够通过产生醋酸盐作用于肠上皮细胞, 从而抑制大肠杆菌O157: H7产生的志贺毒素的移位[38].

位于肠黏膜固有层的单核吞噬细胞如巨噬细胞和树突状细胞能够促进对正常菌的免疫耐受, 有助于维持肠道的稳态[39]. 肠道常驻的吞噬细胞对于正常菌群及微生物的模式分子受体往往表现为低反应, 在受到刺激后不会产生很高的促炎性分子[40]. 但是, 正常菌群能够提高单核吞噬细胞中的IL-1β的前体水平. 当肠上皮比较完整时, 正常菌群并不能诱导IL-1β的前体成熟为有活性的IL-1β, 因此肠道的这种低免疫反应能够维持. 当肠道被一些病原菌例如鼠伤寒沙门氏菌和绿脓假单胞菌感染时, 这些病原菌能够通过NLRC4(NOD-, LRR- and CARD-containing 4)激活Caspase1从而诱导IL-1β的前体为成熟的IL-1β. 与正常菌群不同的是, 这些病原菌能够通过Ⅲ型分泌系统将NLRC4受体注入到细胞质内来激活炎性小体, 从而促使IL-1β成熟. 因此, NLRC4或者IL-1受体缺失的Balb/c小鼠对于经口沙门氏菌的感染更加易感. 进一步研究发现IL-1β对于肠道的免疫保护至少部分依赖于其通过促进内皮黏附分子的表达来招募嗜中性粒细胞, 从而促进病原体的清除. 肠道的正常菌群也能够诱导ILC3s分泌IL-22来提高肠道的免疫反应[23]. Satoh-Takayama等[23]观察发现无菌小鼠肠道中产生的IL-22要显著低于正常的小鼠, 表明肠道正常菌群或者其代谢产物能够调控IL-22的表达. 其进一步研究发现, 与野生型小鼠相比, IL-22缺失的小鼠对于柠檬酸杆菌的感染更加敏感, 表明正常菌群诱导ILC3s产生的IL-22对于肠道防止病原菌感染发挥着重要作用.

某些共生菌也能够促进肠道不同的T细胞亚群的产生, 而产生的这些T细胞亚群在病原菌感染过程中发挥着独特的作用. Ivanov等[9]的研究表明分节丝状菌在肠道里的定植能够诱导TH17细胞的分化, 从而帮助宿主抵抗柠檬酸杆菌的感染. 共生菌也能够诱导调节性T细胞来减轻由于病原菌感染诱导的过强免疫反应造成的机体损伤[13]. 例如, 脆弱类杆菌能够诱导调节性T细胞分泌IL-10来保护宿主免受肝螺杆菌感染引起的机体损伤[41]; 婴儿双歧杆菌能够通过增加调节性T细胞的数量来降低沙门氏菌感染造成的肠损伤[42]. 目前的研究表明共生菌诱导的针对病原菌特异性的获得性免疫反应不仅对于限制共生菌的全身性感染起着非常重要的作用, 而且能够通过调理作用或者其他的免疫机制来消灭病原菌, 但其具体作用机制还有待于后续的研究.

肠道里的共生菌不仅能够调控肠道的局部免疫反应, 也能够影响宿主产生针对全身性感染的免疫应答. Fagundes等[43]用脂多糖处理无菌小鼠, 诱导产生的炎性因子和嗜中性粒细胞能够防止全身性细菌感染, 表明共生菌通过释放一些微生物分子能够诱导远离共生菌的部位产生保护性免疫反应. 进一步研究证实共生菌产生的肽聚糖分子能够进入机体的外周血, 并且能够通过NOD1受体激活嗜中性粒细胞来增强他的杀菌作用[44]. 共生菌在诱导全身性的抗病毒免疫反应方面也发挥着重要作用. Ichinohe等[45]研究发现无菌小鼠或抗生素处理的小鼠其抗流感病毒的先天性和获得性免疫反应显著下降, 在受到流感病毒感染后体内组织的病毒含量比正常的小鼠要高. 共生菌能够通过刺激炎性小体和诱导先天性免疫分子来提高机体的抗病毒免疫反应. 例如, 共生菌能促进巨噬细胞分泌Ⅰ型干扰素来激活NK细胞, 从而增强机体抵抗鼠巨细胞病毒和淋巴细胞脉络丛脑膜炎病毒感染的能力[46]. 另外肠道的共生菌也能够通过肠道的TLR激活树突状细胞, 从而抑制全身性寄生虫感染[47]. Naik等[48]研究发现常驻皮肤的共生菌能够保护宿主抵抗局部的病原菌感染, 表明共生菌也能够为宿主提供组织特异性的防御机制. 通过使用不同的动物感染模型, 上述的研究表明共生菌能够为宿主的全身性感染提供免疫保护作用, 但是其具体机制以及皮肤和呼吸道的共生菌对于宿主防御机制的作用还需要将来进行深入研究. 另外共生菌也不是在任何条件下都对宿主抗病原菌的感染提供免疫保护, 在某些条件下也能够促进病原菌的感染[49,50].

肠道菌群不仅对宿主摄取食物和获取营养起着重要的作用, 他还调控肠道内特异性免疫反应以阻止病原菌的入侵. 因此, 近些年来肠道菌群调控下的肠黏膜系统对动物的免疫与健康作用引起了研究者的高度重视.

目前有关肠道菌的研究主要集中在利用基因缺陷或无菌小鼠模型来研究肠道菌群对肠道黏膜免疫系统的影响, 对某些种类菌群单独作用的研究及来自人体的相应研究很少. 因此, 建立合适的动物模型用于研究一些益生菌对肠道稳态的作用非常必要.

肠道功能紊乱, 如肠道黏膜免疫系统失调, 肠道菌群组成的破坏, 与代谢性疾病和炎症性肠炎密切相关. 因此, 筛选具有肠道功能调节作用的活性物质具有十分重要的意义. Mazmanian等从脆弱拟杆菌中获得荚膜多糖A, 并阐述了其对肠道相关T细胞的调节作用.

本文对肠道菌群调控黏膜免疫及其抗感染功能进行了整体性的报道, 对临床炎性肠炎的预防, 治疗及其益生菌的研究具有较高的参考价值.

通过研究肠道中某些特殊菌群与肠黏膜免疫系统之间的相互作用, 以期开发利用一些益生菌, 或者发现一些具有诊断和治疗作用的免疫分子.

共生菌: 共生菌也被称为共生细菌, 是指与生物体共同生存的细菌, 健康的人体也藏匿着庞大的各种不同的细菌群和生存在人体肠道中的其他病菌.

肠道菌群在调控宿主的免疫功能、影响宿主的健康中发挥着重要作用. 该综述内容新颖, 详细, 对肠道菌群调控肠黏膜免疫组织或免疫细胞的功能, 以及肠道菌群直接或者通过调控免疫系统来对抗病原菌感染等方面进行了全面的报道.

庹必光, 教授, 遵义医学院附属医院消化科