肠道菌群失调与类风湿性关节炎

陈晓欢 洪学志 刘雷 廖磊 王亚慧 莫汉有

桂林医学院附属医院风湿免疫科（广西桂林541000）

类风湿性关节炎（rheumatoid arthritis，RA）是一种累及全身各系统的慢性炎症性自身免疫性疾病，其病理特征为滑膜炎及血管翳形成，导致关节软骨、骨破坏及外周组织损伤，最终引起关节畸形、功能丧失及全身多系统受累[1]。目前RA的发病机制尚不明确，考虑与环境因素、遗传因素及雌激素导致机体免疫紊乱相关。近期大量研究表明，肠道菌群及其代谢产物对宿主免疫系统形成起至关重要作用，当肠道菌群失衡时可导致多种自身免疫性疾病的发生，其中类风湿性关节炎的发生及发展同样与之关系密切。WANG等[2]通过证明短链脂肪酸（SCFAs）在遗传、功能和表型水平上与RA高度相关，表明RA具有很强的肠道-微生物-免疫-关节相互作用，这在遗传、功能和表型水平上都是一致的。此外，有国内外学者通过对改变饮食或使用益生菌等方式调节肠道菌群从而缓解类风湿性关节炎进行了相关研究，证明肠道菌群改善后可减轻相关炎症因子，减缓RA的发展[3-4]。

因此，通过对肠道微生物群与RA发生、发展的关系，RA患者与健康人群肠道菌群的比较，调节肠道菌群后对于RA改善及缓解的程度的研究，对于阐明RA的发病机制具有重要意义，并将对预防及治疗RA提供新的思路。故本文对肠道菌群与RA发病之间的关系及通过改变肠道菌群改善RA的治疗措施进行讨论。

1 人体肠道菌群的形成及功能

自新生儿出生后，微生物会迅速定植于新生儿消化道内，随着年龄增长，婴幼儿（18个月左右）肠道微生物的组成、种类及功能与成年人相似。正常情况下肠道菌群与人体处于共生的状态，两者相互依赖，一方面人体为肠道菌群提供生命活动的场所和营养，同时避免对肠道菌群起强烈的免疫反应（即免疫耐受状态）；另一方面，肠道菌群对人体发挥必要的生理功能，如生物拮抗、营养吸收与代谢、免疫系统成熟和免疫调节等[5]。随着年龄增长，肠道菌群种类会逐渐减少，各菌群之间的比例也随之发生变化，同时受到内外因素的影响，肠道微生物群也会产生相应改变[6]。目前，许多研究表明肠道微生物群的失衡与许多自身免疫性疾病相关，如炎症性肠病、湿疹、过敏性鼻炎、哮喘、RA 等[5-8]。

2 RA患者的肠道菌群

RA是一种受遗传和环境因素双重影响的慢性炎症性自身免疫性疾病。RA的发生发展不能完全由遗传因素和表观遗传机制的严格调控来解释，环境因素也是诱发遗传易感个体疾病的因素之一[9]。环境因素包括饮食、吸烟、药物、感染等外环境，也包括宿主体内的微环境，如肠道微生物群等。临床研究发现RA患者肠道微生物的数量与种类与健康人群相比发生了明显变化。SCHER等[10]采用宏基因组测序技术发现早期RA患者与健康对照组相比定居更多的P.copri，而拟杆菌和梭状芽孢杆菌则明显减少。MAEDA等[7]发现未接受过药物治疗的早期RA患者肠道存在大量的P.copri。由此可见，P.copri可能是RA患者的优势菌群，与RA的发展过程存在着一定关系。近来另一项研究中，CHEN等[11]研究证明放线菌属在RA的发病机制中也发挥着重要作用，比如测定Collinsella sp.和Eggerthella sp.可以预测RA的存在，并且在使用改善病情抗风湿药之后肠道菌群失衡可以得到部分恢复；此外，他们还发现细菌数量与RA病情活动度具有一定的相关性。这些发现均支持肠道菌群紊乱参与RA发病机制的假说。尽管在各项研究中RA患者肠道微生物群都出现了部分菌群大同小异的增加或减少，但发生的改变没有表现出相同的模式，这可能是受到疾病的时间过程差异，对照组选择受试者的差异，接受的治疗以及地理位置差异等影响。

3 肠道菌群紊乱与RA发病的可能机制

3.1 动物研究目前对于RA发病与肠道菌群之间的可能作用机制已开展多项动物研究。LIU等[12]研究发现胶原诱导性关节炎（collagen induced arthritis，CIA）小鼠在发病前体内含有丰富的乳酸杆菌属，与无菌小鼠相比，CIA小鼠血清白介素17（interleukin 17，IL-17）和脾脏CD8+T细胞、辅助性T细胞17（T helper cells 17，Th17）水平明显升高，而树突细胞、B细胞和调节性T细胞（T regulatory cells，Treg）明显减少。WU 等[13]发现K/BxN 小鼠模型在无菌条件下自身免疫性关节炎可显著缓解，并伴有血清自身抗体滴度、脾脏自身抗体分泌细胞、生发中心和脾脏Th17细胞群减少。然而一旦引入一种单一的肠道菌群，如分节丝状细菌，就可以使得Th17细胞在小肠固有层中再次出现，从而迅速产生抗体并发展为关节炎。此外，MAEDA等[7]还发现携带RA患者微生物群的SKG小鼠，在接受酵母聚糖治疗时，肠道Th17细胞数量增加，并发展为严重的关节炎。原始SKG小鼠T细胞与P.copri刺激的树突细胞共培养后产生IL-17，对关节炎相关自身抗原60S核糖体蛋白L23a（ribosomal protein L23a，RPL23A）产生应答，并迅速诱导关节炎[13]。以上实验表明T细胞的分化可受微生物群的控制，肠道菌群可通过在肠道中诱导Th17细胞应答，引起Th17/Treg细胞之间的失衡从而驱动自身免疫性关节炎的发生。

GOMEZ等[14]首次通过对转基因小鼠的研究证明人类白细胞抗原（human leukocyte antigen，HLA）基因与肠道微环境相互作用影响关节炎的发生。该研究表明RA易感的HLA-DRB1*0401转基因小鼠肠道菌群中梭状芽胞杆菌的数量较多，小鼠肠道通透性和Th17细胞因子转录增加，促进炎症反应；而抗RA发生的DRB1*0402转基因小鼠肠道菌群则大部分由卟啉单胞菌科和双歧杆菌组成，通过抑制T细胞增殖，抑制促炎细胞因子和核因子κB（nuclear factor κB，NF-κB），从而对肠黏膜免疫系统起着抗炎作用[14]。该实验结果提示主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex，MHC）基因可能直接或间接参与了肠道微生物组成以及肠道共生菌之间的相互作用。

肠道微生物在生长和分裂的过程中不断地从细胞壁中脱落肽聚糖，这些脱落的分子能够越过肠道屏障进入循环。HUANG等[15]使用CIA和胶原抗体诱导关节炎（collagen antibody-induced arthritis，CAIA）两种小鼠模型来观察循环肽聚糖如何影响疾病的发展。与给予生理盐水组相比，增加小鼠体内胞壁酰-L-丙氨酸-D-异谷酰胺（muramyl-L-alanine-D-isoglutamine，MDP）浓度后可以加重关节炎，而在诱导疾病前给予2E7的CAIA模型中，则几乎未发生关节炎。该实验表明肠道微生物群可以间接增加肽聚糖，引起MDP浓度升高，触发促炎症信号通路从而加重RA关节炎的炎症反应。

这些动物实验均提示肠道菌群改变时可通过多种不同的机制诱导或促进RA的发生发展，包括影响T细胞的分化从而破坏Th17/Treg平衡、与HLA相互作用、影响肠道中循环肽聚糖浓度等。这为开展RA与肠道菌群关系的人类研究奠定了相关基础，也进一步证明“肠道-微生物-免疫-关节”相互作用与RA发病之间的可能关系。

3.2 人类研究随着年龄增长，人类肠道内壁会逐渐萎缩，发生自身免疫性疾病及炎症性疾病风险增加。肠道内膜缺失使肠道细菌抗原暴露于人体免疫系统，诱导对某些细菌蛋白的免疫，但同时这种免疫也可能是宿主自身免疫抗原引起。这种自身免疫抗原的出现，可能参与自身免疫性疾病的发生。NEGI等[16]发现人类与肠道细菌之间存在大量相同的肽段，这些肽段与HLA-Ⅱ等位基因结合，因此可能具有自身免疫原性。这种自身免疫肽段在厚壁菌门和变形杆菌门的细菌中富集，表明这些菌群可能对基因易感个体具有更重要的影响。随后，PIANTA等[17]对肠道菌群可能通过模拟自身抗原分子参与RA发病开展了进一步研究。N-乙酰氨基葡萄糖-6-硫酸酯酶（N-acetylglucosamine 6-sulfatase，GNS）和丝状蛋白 A（filamentin A，FLNA）两种自身抗原分别作为52%和56%RA患者的T细胞和B细胞反应靶点。HLA-DR呈递的 GNS 肽与Prevotella sp.和Parabacteroides sp.的硫酸酯酶蛋白表位序列同源，而HLA-DR呈递的FLNA肽则与Prevotella sp.和Butyricimonas sp.的蛋白表位序列同源[17]。可与内源性自身肽发生T细胞反应的患者与相应的微生物肽也可产生反应，且水平直接相关，尤其是含有由共享表位（SE）等位基因编码的HLA-DR分子的RA患者，与这些内源性自身肽和微生物肽更易产生强烈反应。

有研究[7，10]通过宏基因组测序技术及临床对比试验发现RA患者肠道存在较大数量的P.copri，其可能是RA患者的优势菌群，并与RA存在着一定联系。PIANTA等[18]对P.copri与类风湿关节炎之间的免疫反应进行了研究，发现在部分RA患者的滑膜组织、滑膜液单核细胞、外周血单核细胞（PBMCs）中可检测到HLA-DR肽段，而在P.copri的27-kd蛋白（Pc-p27）中也有该肽段的表达。PIANTA等[18]用该肽刺激40例RA患者的PBMCs，并用酶联免疫吸附试验（ELISA）评估产生的细胞因子，他们发现42%的RA患者干扰素（IFN-γ）水平升高，只有1例RA患者的PBMCs显示IL-17的产量增加。此外，他们还发现在新发RA和慢性RA患者中，有一部分患者对Pc-p27发生了IgA抗体反应，这与Th17细胞因子反应和体内较多的抗瓜氨酸化蛋白抗体（anticitrullinated protein antibodies，ACPA）有关。另有一部分患者对Pc-p27发生了IgG抗体反应，这与滑膜液中PrevotellaDNA、P.copri特异性Th1反应和较少的ACPA有关。RA患者有IgA、IgG或无特异性抗体，表明不同的免疫应答可在单个患者体内发生，这反过来可能会影响疾病的风险和结果。该研究表明自身蛋白T细胞表位与肠道微生物相关顺序的序列同源性可能为RA患者的黏膜免疫和关节免疫之间提供了联系。

然而，近期有一项研究发现人类肠道菌群中的P.histicola对RA患者可能起着有益作用。MARIETTA等[19]从人类十二指肠共生菌中分离出P.histicola，并使胶原诱导免疫的HLA-DQ8小鼠口服该菌群，实验结果发现P.histicola可以减轻HLA-DQ8小鼠胶原诱导关节炎的严重程度，抑制了血清中多种促炎细胞因子如IL-2、IL-17和肿瘤坏死因子（TNF-α）的水平，小鼠肠道中调节性T细胞有所增加，而抗原特异性Th17反应则降低。P.histicola与P.copri同属Prevotella菌群，但对RA起着截然不同的作用，提示各菌群之间或同一菌群不同菌属之间的平衡与RA的发生发展均有着重要联系。

RA患者的关节炎症主要是由ACPA与相应抗原形成免疫复合物沉积在滑膜上所引起。BENNIKE等[20]从RA患者和对照组的结肠组织中发现了21种先前存在于RA患者肺组织和滑膜液体中的瓜氨酸化肽。其中3种包括瓜氨酸化波形蛋白、纤维蛋白原-α和肌动蛋白是ACPA的已知靶点，支持了结肠黏膜可能是对于瓜氨酸化肽免疫耐受的潜在断裂部位。与对照组相比，RA患者瓜氨酸化波形蛋白在结肠组织中的丰度增加，这表明RA发病的触发位点不仅限于身体特定部位，而是可以发生在其他许多部位。包括肠道黏膜也可以作为瓜氨酸化肽免疫耐受破坏的部位，从而触发免疫系统受损患者体内ACPA的产生。DONALDSON等[21]研究发现肠道菌群中的脆弱拟杆菌可激活宿主的适应性免疫，诱导分泌IgA，可帮助清除病原体保护肠道屏障从而维护肠道黏膜免疫。然而一旦肠道菌群紊乱后，肠道黏膜受到破坏，即可触发黏膜免疫反应，继而引起抗体产生，促进RA患者关节炎症反应的发生。

目前肠道微生物群促进关节炎发展的证据大部分来自于小鼠实验模型。在人类实验中，主要基于比较组中微生物群之间的差异，而这并不一定代表其因果关系。人类的研究结果表明，肠道菌群失调是RA进展的重要病因之一。某些肠道微生物存在与人类相同的肽段，可通过分子模拟的方式参与RA的发病，也可以通过破坏肠道粘膜从而间接引起RA关节炎症反应。这为我们临床中预测RA发生提供了新的思路，未来能否通过测定肠道菌群中微生物的肽段，从而判断发生相关疾病的可能性，仍需进一步实验得到验证。

4 肠道菌群改变与RA治疗

益生菌是一种为宿主带来健康益处的活生物体。其主要通过以下3种方式发挥作用：抗菌作用、增强粘膜屏障完整性和免疫调节[3]。近期MOHAMMED等[22]通过meta分析对9项相关研究进行分析后发现益生菌可以降低RA中促炎细胞因子IL-6，但其临床效果尚不清楚。随后，AQAEINEZHAD等[23]也通过比较已发表的随机对照试验（RCT）的可用数据，发现与安慰剂相比，益生菌并没有显著改变炎症参数（红细胞沉降率）、TNF-α、IL-1β、IL-6、IL-10、IL-12和氧化应激指标（总抗氧化能力和丙二醛），但疾病活动度指数包括疾病活动度评分（DAS）、关节活动度评分和关节肿胀度评分显著改善。由于研究有限，益生菌干预措施的改进尚不足以证明治疗RA患者的有效性。未来的研究需要更多的患者和更长的评估时间来证实这些结果，同时也需要进行更好的设计研究，以确定减轻RA的最佳细菌物种，并优化益生菌的摄入方法和剂量。在将来益生菌可能会被常规用作治疗免疫介导疾病的辅助疗法。

口服益生菌现已成为一种改变肠道菌群的常用方法，许多患者也将其作为许多疾病的辅助治疗，但肠道中的微生物复杂且数量庞大，时常难以达到预期的效果。因此目前粪便菌群移植成为了一种新的改变肠道菌群的重要方式，即通过将健康人体的肠道菌群移植到有需求的受者肠道中，帮助患者建立新的且健康的肠道菌群环境，从而改善肠道菌群紊乱而导致的疾病。粪便移植不仅可以给患者带来其肠道中含量减少的有益菌群，同时还可以改变菌群生存结构与空间。由此可见，通过粪便移植改变肠道菌群从而改善类风湿关节炎的症状或抑制炎症的产生也是有望实现的[24]。除此之外，也有专家通过研究发现地中海饮食、纯素饮食可以减轻炎症活动，增加身体机能，并提高活力[4]。但是在这些研究中尚未确定RA的改善是否实际上是由于肠道菌群组成的变化所引起的。

总之，通过使用益生菌、粪便移植、改变饮食等方式均能改变人体内肠道菌群，人体微环境中细菌的数量及分布得到平衡，有利于改善RA患者体内炎症因子，缓解RA患者关节症状。微生物组的可塑性使得我们可以对与宿主疾病相关的某些肠道微生物群进行特定的或系统的操作，从而改变RA患者的治疗策略。

该篇综述着重于探讨RA患者肠道菌群失调在RA发病中的可能作用机制以及通过改变肠道菌群治疗RA的可能方式。肠道微生态的失衡是许多自身免疫性疾病发生发展的重要环节。因此，通过不断地了解以及更深入的研究肠道微生物与RA发生之间的机制，以及具体某种微生物对RA产生促进或抑制作用，未来或许可通过检测人类肠道菌群预测发生RA的概率以及评估RA患者病情变化。此外，可以使得RA患者在将来获得更多副作用小的治疗方案和措施，即通过改变饮食结构、补充益生菌、粪便移植等方式改变肠道菌群结构从而控制炎症、改善症状。然而，未来的研究仍需要进行大量多中心、大样本的研究来明确两者之间的确切联系。