肠道菌群对动物免疫系统早期发育的影响

杜 蕾，孙 静，葛良鹏*，刘作华*

（1.重庆市畜牧科学院，重庆 402460；2. 西南大学动物科技学院，重庆 402460）

肠道菌群对动物免疫系统早期发育的影响

杜 蕾1,2，孙 静1，葛良鹏1*，刘作华1*

（1.重庆市畜牧科学院，重庆 402460；2. 西南大学动物科技学院，重庆 402460）

肠道是动物机体最大的免疫器官，肠道菌群是定植在肠道内的微生物群落。最早定植在动物体内的细菌源于动物在环境中随机接触的第一类细菌，并结合其他环境因素影响后续微生物种类的进入。微生物与免疫的互作在免疫系统的早期发育中起着重要作用，一旦中断将导致潜在、持久的免疫异常，所以微生物的早期定植有助于提高机体的免疫力。本文主要综述了肠道菌群对畜禽免疫系统早期发育的影响，探讨在养殖业中如何促进畜禽健康、提高生产成绩。

肠道菌群；免疫系统；早期定植；畜禽健康

肠道菌群对动物机体健康的影响是当今研究的热点。肠道是人体主要的黏膜免疫器官，单层肠上皮细胞（260～300 m2）覆盖在消化道黏膜层表面，环境物质、营养物和肠道共生细菌三者互相影响[1]。Sender等[2]研究表明，人体肠道菌群由3×1013的真核细胞和4×1013的定植细菌组成，并且真核细胞的线粒体与叶绿体均起源于细菌，表明细菌在早期生物进化中起着重要作用[3]。相关研究表明，免疫发生前的免疫球蛋白多样化发生在肠道或肠道相关结构[4]。从动物机体早期发育到成年阶段，肠道微生物均有助于胃肠道免疫系统组织和细胞的发育及免疫分子的分泌[3]。婴儿在出生后，最早定植于体内的细菌源于其随机接触的环境中的第一类细菌，结合其他环境因素从而影响后续微生物种类的进入。因此，成年的微生物组成在一定程度上反映了其幼年时期所接触的微生物及外界环境[5]。本文就肠道菌群定植对动物机体免疫系统早期发育及畜禽健康影响的研究现状及展望作一综述。

1 肠道菌群对免疫器官发育的影响

无菌动物的发育缺陷主要在肠道相关淋巴组织（Gut Associated Lymphoid Tissue，GALTs）、脾脏、胸腺等初级和次级免疫器官，并且无菌动物的盲肠更发达、绒毛更长、隐窝更窄、派尔淋巴结（Peyes's Pstches PP）和肠系膜淋巴结（Mesenteric Lymphnodes，MLNs）更小[6]。黏膜表面的微生物在机体生命早期呈现波动性变化，成年期在没有外界环境干扰的情况下保持相对稳定的水平[7]。机体在幼年阶段接触微生物会影响其免疫系统形态和功能的发育，共生菌的定植有助于黏膜免疫系统的发育、扩张和调教，从而直接或间接影响免疫系统的成熟[8]。在无菌鼠及SPF小鼠的空肠和结肠上的试验发现，幼年时期的微生物定植如果没有发生在关键时期或者没有接触微生物，将对宿主产生潜在、不可逆的危害，导致动物成年时免疫系统不能发育完全[9]。

2 肠道菌群对免疫细胞发育及功能的影响

机体免疫系统由固有免疫和适应性免疫2个分支组成。固有免疫系统是宿主抵御病原体的第一道防线；获得性免疫涉及到感染晚期的病原体的消除，并伴随着免疫记忆的形成。有学者发现无菌动物的免疫细胞早期发育存在缺陷：肠内淋巴细胞、分泌性IgA浆细胞数量、表达αβT细胞受体（T Cell Receptor，TCR）的上皮内淋巴细胞、固有层的CD4+和CD8＋T淋巴细胞水平均低于普通动物，但这些形态学和细胞学的缺陷均可通过尽早引入宿主特异性微生物而得到恢复[10]。共生菌对宿主免疫结构有深远影响。Haverson等[11]让无菌仔猪定植血清型为O83和O86的2株大肠杆菌菌株20 d后，发现固有层的T淋巴细胞、树突细胞（Dendritic Cells，DCs）和上皮组织广泛增加，说明特定微生物的定植将促进动物免疫系统早期发育。

2.1 DCs 微生物通过定植抗力协助宿主对抗病原菌入侵，而幼年动物需要时间来形成复杂的微生物群落和成熟的GALT，所以其幼年期间易受共生菌特别是病原菌伤害[12]。肠道内的巨噬细胞会迅速杀灭侵入机体的共生菌，而小部分的土著共生菌之所以能在肠道内生存就是依靠DCs细胞选择性诱导IgA生成，在保证黏膜免疫系统的前提下又不破坏系统免疫反应[13]。DCs细胞及其亚群可以调节固有免疫和适应性免疫应答，识别共生菌、病原体和自身抗原[1]。Drakes等[14]研究益生菌对人骨髓来源的DCs细胞表面抗原表达及其细胞因子分泌的影响，发现大量的益生菌能上调DCs表达CD80、CD86、CD40和MHCⅡ类分子。加州理工学院的研究人员通过检测小鼠肠道产生的血清素水平，发现肠道菌群可以调节宿主的DCs细胞分泌的5-羟色胺水平，无菌小鼠产生的血清素水平比拥有正常菌群的小鼠低60%[15]。熊菲等[16]给Balb/c小鼠分别饲喂双歧杆菌活菌、死菌和培养上清，发现外源性双歧杆菌能促进小鼠肠道DCs的发育成熟，增加其数量。

2.2 肠上皮细胞（Intestinal Epithelial Cells，IECs） 肠上皮的特异性减少将破坏上皮屏障，造成组织的自发性炎症。研究发现小鼠在2周龄以前，其IECs的Toll样受体1（Toll-like Receptors，TLRs）信号会出现特异性下调，过后将不再出现。主要是TLRs信号调节分子白细胞介素受体激酶1（IRAK1）的下调，诱导IECs出现固有免疫耐受，并保护初生动物免受细菌诱导的上皮损伤[17]。上皮细胞中的模式识别受体（Pattern Recognition Receptor，PRRs）参与病原菌感染的消除，如TLRs和NOD样受体NOD1、NOD2与抗菌肽和黏液的产生相关[18]。上皮NOD1蛋白调节孤立淋巴滤泡产生趋化因子CCL20，对肠道细菌定植稳态至关重要[19]；NOD2在小肠潘氏细胞中高度表达，被细菌肽聚糖激活并驱使细胞因子分泌、诱导自我吞噬、上皮再生、产生抗菌肽[20]。共生菌在肠道上皮细胞代谢中起重要作用，可诱导短链脂肪酸（Short-chain Fatty Acids，SCFAs）生成，影响耗氧量和缺氧诱导因子（Hypoxia-inducible Factor， HIF）对上皮屏障的作用[21]。

2.3 固有淋巴细胞（Innate Lymphoid Cells，ILCs）有研究证明，微生物对早期生命的影响甚至可能发生在妊娠期，妊娠期间母体的微生物组成将调节后代的固有免疫细胞的数量和活性[22]。ILCs是最近发现的固有免疫细胞的新亚群，在缺乏微生物的情况下发育正常，但功能受细菌定植的影响[23]。ILCs除了在发育与功能方面与CD4+T细胞相似外，还与肠上皮细胞反应的调节、肠道稳态密切相关[24]。目前研究最多的就是ILC3，肠系膜淋巴结中ILC3丰度很高，可以表达MHC-Ⅱ、呈递抗原，限制T细胞对共生菌的特异性作用，并且ILC3还有助于B淋巴细胞和T淋巴细胞的分化[25]。ILC3对IL-23和 IL-1β的刺激敏感，刺激后产生IL-17A和IL-22[24]，分泌的TNF-β对于IgA的产生和维持宿主肠道微生物平衡至关重要[26]。CD103+CD11b+肠道树突细胞表面的TLR5受体识别细菌的鞭毛蛋白，刺激IL-23的表达，驱使ILC3分泌IL-22[27]。通过这些因子的产生，ILC3可以参与细胞外细菌诱导的免疫反应，促进肠道内炎症及组织损伤的修复[28]。

2.4 B淋巴细胞 较普通动物而言，无菌动物分泌抗菌肽和IgA的功能受损。Cukrowska等[29]给新生无菌小猪接种非致病性大肠杆菌O86，发现接种4 d后，黏膜局部产生抗大肠杆菌IgA抗体，小猪脾、MLNs和PP中IgM、IgG和IgA分泌细胞的数量明显升高。小鼠B细胞的早期发育在肠道黏膜固有层内进行，由共生菌群的胞外信号控制，进而影响肠道免疫蛋白的形成[30]。Potockova等[31]进一步研究发现B细胞虽未在回肠内发育但却大量存在，表明菌群定植利于B细胞在回肠内大量存在，并刺激小肠淋巴细胞增殖。Butler等[32]给无菌小猪移植非致病性大肠杆菌G85-1和肠出血性大肠杆菌933D后，发现血清中IgG、IgA和IgM水平增高，其中定植933D的动物血清中总IgG、IgM及特异性IgG抗体的水平明显高于G85-1，表明抗体产生水平受定植细菌的性质的影响。

2.5 T淋巴细胞 研究发现新生儿免疫细胞与成人免疫细胞在功能方面存在差异，主要体现在T细胞发育所处环境，T细胞本质上并无差别[33]。T细胞发育环境很大一部分取决于微生物环境，共生菌通过产生小分子物质调节宿主-微生物的交互反应[34]，比较经典的例子是SCFAs作为细胞能源物质，调节细胞因子的产生和诱导调节性T细胞的增殖[35]。特定微生物可以调节固有层内的T细胞的稳态。Mazmanian等[36]发现脆弱拟杆菌（Bacteroides Fragilis）通过激活细菌多糖A(PSA)影响系统性Th1免疫反应；进一步研究发现，PSA的存在可诱导IL-10依赖性的T细胞反应，进而保护小鼠抵御肝螺杆菌诱导的结肠炎[37]。Ivanov等[38]发现，细菌Cytophaga-Flavobacter-Bacteroidetes的存在与固有层内的Th17细胞的分化及Foxp3+ 标记的T细胞数量相关，通过Th17细胞和Treg细胞的平衡影响肠道免疫、耐受和炎性肠疾病的敏感性；Wu等[39]还发现单一定植分节丝状菌（Segmented Filamentous Bacteria , SFB）可增强动物自身抗体的产生，通过形成Th17加速疾病进程。

3 肠道微生物早期定植与畜禽健康的关系

免疫系统成熟是一个宿主、病原菌、共生菌三方交互作用、精心协调的过程。肠道微生物的刺激可诱导免疫系统成熟，进而保护宿主免受感染、维持肠道内稳态、促进畜禽健康[15]。机体的肠道屏障主要由物理屏障、化学屏障、微生物屏障以及免疫屏障组成，各自具有不同的分子调控机制和生物学功能，共同防御外来抗原物质对机体的侵袭。Bocourt等[40]研究发现，鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus Rhamnosus, LGG）可提高仔猪日增重、总重量，降低腹泄率和腹泻持续时间，进而提高仔猪的生产性能和健康指数。天然肠道细菌对于机体对抗病毒和细菌来说非常有效。Ganal等[41]用不同的过滤性病毒感染正常和无菌2组小鼠，相比正常小鼠来说，无菌小鼠的免疫效应大幅降低、产生严重疾病，但给无菌小鼠接种正常小鼠的体内肠道微生物菌群后，其免疫效应便可恢复。Vatanen等[42]研究揭示，拟杆菌属的脂多糖（ Lipopolysaccharide，LPS）是有效的固有免疫激活剂，幼年时期接触微生物有助于免疫系统的训练，不易患自身免疫疾病。

4 小结与展望

肠道微生物是调节免疫反应的重要因素，肠道微生物紊乱与异常的免疫反应密切相关。An等[43]研究发现，在出生后前2周内定植脆弱拟杆菌标准菌株可治疗人工诱导的结肠炎，细菌定植的关键时期是在出生后14 d内。Xavier等[44]认为，虽然目前还不知道肠道菌群与免疫应答关系中的所有参与成分，但肠道菌群的差异会改变代谢物的产生；而代谢物的变化会进一步引导或影响免疫细胞，导致免疫细胞在暴露于不同感染的时候产生不同的结果，这也为今后的研究提供了一些思路和方向。

微生物与免疫系统的相互作用在免疫系统的早期发育中起着重要作用，微生物具有高度多样化发展的特点，可诱导、训练宿主免疫系统；另一方面免疫系统可维持与微生物的共生关系。这种关系一旦中断将导致潜在、持久的免疫异常，所以增加早期有益微生物的定植有助于提高机体免疫力。因此，明确微生物定植的关键时期，深入了解肠道菌群的结构、组分及其作用，将进一步揭示肠道菌群和疾病间的关系，利于增加细菌的有益定植，为动物疾病的个性化预防和治疗奠定基础。

[1] Niess J H, Reinecker H C. Dendritic cells in the recognition of intestinal microbiota[J]. Cell Microbiol, 2006, 8(4) : 558-564.

[2] Sender R, Fuchs S, Milo R. Are we really vastly outnumbered? Revisiting the ratio of bacterial to host cells in humans[J]. Cell, 2016, 164(3) : 337-340.

[3] Lee Y K, Mazmanian S K. Has the microbiota played a critical role in the evolution of the adaptive immune system?[J]. Science, 2010, 330 (6012): 1768-1773.

[4] Ratcliffe M J. Antibodies, immunoglobulin genes and the bursa of Fabricius in chicken B cell development[J]. Dev Comp Immunol , 2006, 30(1-2) : 101-118.

[5] Gensollen T, Iyer S S, Kasper D L, et al. How colonization by microbiota in early life shapes the immune system[J]. Science, 2016, 352(6285) : 539-544.

[6] Umesaki Y, Setoyama H, Matsumoto S, et al. Expansion of alpha beta T-cell receptor-bearing intestinal intraepithelial lymphocytes after microbial colonization in germ-free mice and its independence from thymus[J]. Immunology, 1993, 79(1) : 32-37.

[7] Spor A, Koren O, Ley R. Unravelling the effects of the environment and host genotype on the gut microbiome[J]. Nat Rev Microbiol, 2011, 9(4) : 279-290.

[8] Geuking M B, Cahenzli J, Lawson M A, et al. Intestinal bacterial colonization induces mutualistic regulatory T cell responses[J]. Immunity, 2011, 34(5) : 794-806.

[9] El Aidy S, Hooiveld G, Tremaroli V, et al. The gut microbiota and mucosal homeostasis: colonized at birth or at adulthood, does it matter?[J]. Gut microbes, 2013, 4(2) : 118-124.

[10] Yanagibashi T, Hosono A, Oyama A, et al. IgA production in the large intestine is modulated by a different mechanism than in the small intestine: Bacteroides acidifaciens promotes IgA production in the large intestine by inducing germinal center formation and increasing the number of IgA+ B cells[J]. Immunobiology, 2013, 218(4) : 645-651.

[11] Haverson K, Rehakova Z, Sinkora J, et al. Immune development in jejunal mucosa after colonization with selected commensal gut bacteria: a study in germ-free pigs[J]. Vet Immunol Immunopathol, 2007, 119(3-4) : 243-253.

[12] Bauer E, Williams B A, Smidt H, et al. Influence of the gastrointestinal microbiota on development of the immune system in young animals[J]. Curr Issues Intest Microbiol, 2006, 7(2) : 35-51.

[13] Macpherson A J, Uhr T. Induction of protective IgA by intestinal dendritic cells carrying commensal bacteria[J]. Science, 2004, 303 : 1662-1665.

[14] Drakes M, Blanchard T, Czinn S. Bacterial probiotic modulation of dendritic cells[J]. Infect Immun, 2004, 72(6) : 3299-3309.

[15] Yano J M, Yu K, Donaldson G P, et al. Indigenous bacteria from the gut microbiota regulate host serotonin biosynthesis[J]. Cell, 2015, 161(2) : 264-276.

[16] 熊菲, 程茜, 刘明方, 等. 双歧杆菌对小鼠肠道树突状细胞数量的影响[J]. 中国微生态学杂志, 2005, 17(6): 405-407.

[17] Chassin C, Kocur M, Pott J, et al. miR-146a mediates protective innate immune tolerance in the neonate intestine[J]. Cell Host Microbe, 2010, 8(4) : 358-368.

[18] Thaiss C A, Zmora N, Levy M, et al. The microbiome and innate immunity[J]. Nature, 2016, 535(7610) : 65-74.

[19] Bouskra D, Brezillon C, Berard M, et al. Lymphoid tissue genesis induced by commensals through NOD1 regulates intestinal homeostasis[J]. Nature, 2008, 456(7221) : 507-510.

[20] Ramanan D, Tang M S, Bowcutt R, et al. Bacterial sensor Nod2 prevents inflammation of the small intestine by restricting the expansion of the commensal Bacteroides vulgatus[J]. Immunity, 2014, 41(2) : 311-324.

[21] Smith M B, Kelly C R, Alm E J. How to regulate faecal transplants[J]. Nature, 2014, 506 (7488): 290-291.

[22] De Agüero M G, Ganal-Vonarburg S C, Fuhrer T, et al. The maternal microbiota drives early postnatal innate immune development[J]. Science, 2016, 351(6279): 1296-1302.

[23] Sanos S L, Bui V L, Mortha A, et al. RORgammat and commensal microflora are required for the differentiation of mucosal interleukin 22-producing NKp46+ cells[J]. Nat Immunol, 2009, 10(1) : 83-91.

[24] Spits H, Cupedo T. Innate lymphoid cells: emerging insights in development, lineage relationships, and function[J]. Annu Rev Immunol, 2012, 30: 647-675.

[25] Hepworth M R, Fung T C, Masur S H, et al. Immune tolerance. Group 3 innate lymphoid cells mediate intestinal selection of commensal bacteria-specific CD4(+) T cells[J]. Science, 2015, 348(6238): 1031-1035.

[26] Kruglov A A, Grivennikov S I, Kuprash D V, et al. Nonredundant function of soluble LTalpha3 produced by innate lymphoid cells in intestinal homeostasis[J]. Science,2013, 342(6163) : 1243-1246.

[27] Hughes T, Becknell B, Freud A G, et al. Interleukin-1beta selectively expands and sustains interleukin-22+ immature human natural killer cells in secondary lymphoid tissue[J]. Immunity, 2010, 32(6): 803-814.

[28] Sawa S, Lochner M, Satoh-Takayama N, et al. RORgammat+ innate lymphoid cells regulate intestinal homeostasis by integrating negative signals from the symbiotic microbiota[J]. Nat Immunol, 2011, 12: 320-326.

[29] Cukrowska B, Kozakova H, Rehakova Z, et al. Specific antibody and immunoglobulin responses after intestinal colonization of germ-free piglets with non-pathogenic Escherichia coli O86[J]. Immunobiology, 2001, 204(4): 425-433.

[30] Wesemann D R, Portuguese A J, Meyers R M, et al. Microbial colonization influences early B-lineage development in the gut lamina propria[J]. Nature, 2013, 501: 112-115.

[31] Potockova H, Sinkorova J, Karova K, et al. The distribution of lymphoid cells in the small intestine of germ-free and conventional piglets[J]. Dev Comp Immunol, 2015, 51(1): 99-107.

[32] Butler J E, Sun J, Weber P, et al. Antibody repertoire development in fetal and newborn piglets, III. Colonization of the gastrointestinal tract selectively diversifies the preimmune repertoire in mucosal lymphoid tissues[J]. Immunology, 2000, 100(1): 119-130.

[33] Ridge J P, Fuchs E J, Matzinger P. Neonatal tolerance revisited: turning on newborn T cells with dendritic cells[J]. Science, 1996, 271(5256): 1723-1726.

[34] Donia M S, Fischbach M A. Human Microbiota. Small molecules from the human microbiota[J]. Science, 2015, 349(6246): 1254766.

[35] Smith P M, Howitt M R, Panikov N, et al. The microbial metabolites, short-chain fatty acids, regulate colonic Treg cell homeostasis[J]. Science, 2013, 341(6145): 569-573.

[36] Mazmanian S K, Liu C H, Tzianabos A O, et al. An immunomodulatory molecule of symbiotic bacteria directs maturation of the host immune system[J]. Cell, 2005, 122: 107-118.

[37] Mazmanian S K, Round J L, Kasper D L. A microbial symbiosis factor prevents intestinal inflammatory disease[J]. Nature, 2008, 453(7195): 620-625.

[38] Ivanov I I, De Llanos Frutos R, Manel N, et al. Specific microbiota direct the differentiation of IL-17-producing T-helper cells in the mucosa of the small intestine[J]. Cell Host Microbe, 2008, 4(4): 337-349.

[39] Wu H J, Ivanov I I, Darce J, et al. Gut-residing segmented filamentous bacteria drive autoimmune arthritis via T helper 17 cells[J]. Immunity, 2010, 32(6) : 815-827.

[40] Bocourt R, Savon L, Diaz J, et al. Effect of the probiotic activity of Lactobacillus rhamnosus on productive and health indicators of piglets[J]. Cuban J Agr Sci, 2004, 38(4): 75-79.

[41] Ganal S C, Sanos S L, Kallfass C, et al. Priming of natural killer cells by nonmucosal mononuclear phagocytes requires instructive signals from commensal microbiota[J]. Immunity, 2012, 37(1): 171-186.

[42] Vatanen T, Kostic A D, d’Hennezel E, et al. Variation in microbiome LPS immunogenicity contributes to autoimmunity in humans[J]. Cell, 2016, 165(4) : 842-853.

[43] An D, Oh S F, Olszak T, et al. Sphingolipids from a symbiotic microbe regulate homeostasis of host intestinal natural killer T cells[J]. Cell, 2014, 156(1-2): 123-133.

[44] Schirmer M, Smeekens S P, Vlamakis H, et al. Linking the human gut microbiome to inflammatory cytokine production capacity[J]. Cell, 2016, 167(4): 1125-1136.

Effect of Intestinal Flora on Animal Early Development of Immune System

DU Lei1,2, SUN Jing1, GE Liang-peng1*, LIU Zuo-hua1*
(1. Chongqing Academy of Animal Science, Chongqing 402460, China; 2. College of Animal Science and Technology Southwest University, Chongqing 402460, China)

Gastrointestine was viewed as the largest immune organ of animals, intestinal flora was the microbial communities which was inhabited in. The earliest colonized bacteria in animals was primarily determined by its randomly contact the first bacteria in the environment, and then combining other environmental factors influenced the subsequent microbial species. However, microbes and immune system interactions play a crucial role in the early immune system development, once was interrupted which would cause potential and lasting immune abnormalities. Therefore microbes, especially probiotics original inoculation will obviously enhance the immune system level. This review mainly summarized the interaction of intestinal flora and the early immune system development, in order to promote the animal’s health and improve the production performance.

Intestinal microbiota; Immune system; Early colonization; Animal’s health

S852.4

A

10.19556/j.0258-7033.2017-06-010

2016-12-20；

2017-01-17

重庆市基本科研业务费计划项目（16422）；重庆市博士后科研项目特别资助（Xm2016031）

杜蕾（1992-），重庆长寿人，硕士研究生，主要从事动物营养与饲料科学研究，E-mail：dulei127899@163.com

* 通讯作者：刘作华，研究员，E-mail：liuzuohua66@163.com；葛良鹏，研究员，E-mail: geliangpeng1982@163.com