肠道菌群失调引起类风湿关节炎发病的研究进展

闫梦真,余 婕,董甜甜,陈桂婷,周婷婷,李世刚

(三峡大学医学院,中国湖北宜昌443002)

肠道菌群与人体免疫系统共生并相互影响。研究表明自身免疫性疾病,如:系统性红斑狼疮、炎性肠病、类风湿关节炎等,与肠道微生态的改变相关[1]。目前,越来越多的微生物群成分被发现与自身免疫性疾病相关,如肠道普氏菌(Prevotella copri)、牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)、柯林斯氏菌(Collinsella)等,这些微生物菌群通过激活肠组织黏膜表面的免疫反应位点,破坏适应性反应,进而导致免疫性疾病[2]。肠道微生物群在宿主体内功能多样,包括保护肠道免受致病菌的定植、促进肠道相关淋巴组织的发展及诱导肠道适应性免疫反应的极化[3]。肠道微生物群在宿主体内功能的紊乱常常与免疫性疾病伴随发生。多项研究显示,相比健康对照组的人群,类风湿关节炎患者肠道菌群数量略有减少,菌群结构丰富度降低[4～7],提示类风湿关节炎发病与肠道菌群紊乱相关,可能是肠道菌群数量、结构改变导致功能失调从而诱发了类风湿关节炎,也可能是类风湿关节炎疾病引起肠道菌群发生紊乱。由此可见,类风湿关节炎与肠道菌群失调存在因果关系,但其中机制复杂,仍有待进一步的探究。此外,生物信息学技术的发展推动了肠道菌群的研究,检测肠道菌群数量、结构的常用技术为16S核糖体RNA(16S ribosomal RNA,16S rRNA),该技术能检测粪便中的肠道菌群种类。借助16S rRNA技术,能更全面地研究微生物多样性、种群的结构、进化关系、功能活性、相互间的协作关系等,以探讨肠道菌群与类风湿关节炎的联系[8]。现针对肠道菌群失调与类风湿关节炎发展的相互作用机制予以简要综述。

1 肠道菌群与类风湿关节炎的相关性

类风湿关节炎是一种全身性、自身免疫性疾病,其特征是慢性和进行性关节疼痛、关节破坏、畸形和残疾。尽管类风湿关节炎的病因尚不明确,但这种系统性自身免疫性疾病是一种多因素疾病,其发病机制受遗传因素、环境因素两方面的影响[9～10]。双胞胎是较好的研究对象,利于判断环境因素、遗传因素在RA发展中的重要性。Goodrich等[11]调查研究了1 126对同卵双胞胎,并利用16S rRNA检测了他们的肠道菌群组成。研究发现类风湿关节炎的进展虽然受双因素影响,但是环境因素处于主导地位,决定了类风湿关节炎是否发生,而遗传因素仅起到调节的作用。

影响类风湿关节炎的环境因素很多,但近几年的研究表明,肠道菌群失调是诱发类风湿关节炎的重要环境因素之一。Scher等[12]研究发现,P.copri菌与新发未治疗的类风湿性关节炎(new-onset untreated rheumatoid arthritis,NORA)患者的病情密切相关,该菌丰度的增加与拟杆菌的减少导致NORA受试者肠道内有益微生物减少,加重RA病情。Zhang等[6]指出,类风湿关节炎患者接受治疗后,肠道菌群发生改变,但并没有恢复到健康对照组的菌群组成水平,值得注意的是嗜血杆菌的数量变化与类风湿关节炎病情、血清抗体水平呈负相关。除了肠道菌群数量的变化,类风湿关节炎患者的微生物群中,铁、硫、锌和精氨酸的氧化还原环境、转运和代谢也发生了改变。该研究分析了肠道菌群改变与RA的相关性,并提出了使用宏基因组测序进行预后和诊断的潜在方法,这一方法若应用到临床,可以通过肠道菌群的变化推测RA的发病情况,对类风湿关节炎疾病的预防、发现、治疗有极大帮助。刘晓飞等[13]的临床研究表明,类风湿关节炎患者中肠道菌群种类、菌群结构复杂性、肠道菌的相对密度均显著降低;在变性梯度凝胶电泳(denaturing gradient gel electrophoresis,DGGE)下方区域,患者肠道菌群条带数量明显减少或消失,提示RA患者肠道菌群丰度降低。此外,研究人员通过测序发现,相比健康人肠道菌群,患者肠道菌群的构成有很大差别,RA患者肠道内优势菌群减少,肠道菌群丰度降低,这不利于肠道菌群-黏膜免疫的稳定,影响局部肠道健康。有报道指出,肠道黏膜下派氏集合淋巴结(Peyer’s patches,PPs)中的免疫细胞也参与肠道菌群-黏膜免疫反应。肠道菌群改变刺激PPs中的免疫细胞(如T细胞)释放免疫因子进入血液循环,激发全身免疫反应。肠道菌群紊乱是影响类风湿关节炎病情发生、发展中不可或缺的关键环境因素[14]。综上所述,肠道菌群失调不仅会引起局部肠道疾病,也会诱发与全身免疫性疾病相关的类风湿关节炎。

2 肠道菌群-黏膜失衡诱导类风湿关节炎

肠道黏膜表面介导微生物与外界环境接触,许多外源性致病菌通过肠道感染宿主,但宿主黏膜平衡及内环境稳态受到有效的先天性和适应性免疫系统的保护。几乎80%的身体免疫活性细胞都属于黏膜相关免疫系统,这些细胞中的大多数存在于胃肠道的组织中。在生理条件下,肠道被体内最大的上皮表面覆盖(人体约为200 m2),它包含了多种不同形态和功能的肠道细胞,这些细胞能调节正常细菌菌群的抗原反应[15～19]。黏蛋白层是肠道内容物和肠上皮细胞之间的第一道屏障,可保护免疫系统,使其免于与共生细菌及其代谢产物直接接触,避免细菌刺激免疫细胞释放免疫因子,引起过度免疫应答,诱发RA。

参与黏膜屏障功能的上皮细胞是结肠中的细胞,其中杯状细胞产生上皮生长和修复所需的黏液和三叶肽,肠内分泌细胞产生具有旁分泌作用的神经内分泌分子,潘氏细胞分泌抗菌肽防御素。神经肽(神经系统的产物)能够增加紧密连接对大分子的渗透性,从而改变黏膜屏障功能。这些都是维持黏膜屏障功能必不可少的组成成分。肠道内稳态的维持,除了上述细胞功能的正常发挥,更需要与肠道微生物相互协调。正常肠道微生物参与宿主营养吸收、药物代谢,维持肠道黏膜结构完整性,调节免疫系统,对抗病原体定植[20]。动物实验证实,将从RA患者粪便中分离出的屎肠球菌和短乳杆菌再定植到大鼠肠道中,可破坏肠道菌群-黏膜平衡,诱导大鼠RA的发生[21]。

肠道黏膜稳态的建立要追溯到生命最初,即胎儿脱离母体成为婴儿的时刻。婴儿离开母体,身体各系统独立发育,微生物也在此时占据宿主。特殊的是,有研究发现常驻菌群定植的时刻也是免疫系统发育时段[22],这一事件并非偶然,肠道微生物的定植与免疫系统成熟的相互作用对今后黏膜稳态极其重要。Bäckhed等[23]研究表明,婴儿分娩方式及第一年的营养状况会影响其肠道菌群的定植。在此期间,黏膜和皮肤成为菌群的“殖民地”并对免疫系统发育产生极大的影响。最初人体肠道内菌群的定植期,也是黏膜相关免疫系统发育的关键时期,免疫细胞与这些菌群相互接触,将它们视作“自己人”,形成适应性免疫,若肠道菌群结构改变,肠道黏膜平衡破坏,则可诱发免疫炎症反应。Jubair等[14]研究发现,在没有完整的微生物群的情况下,患有胶原诱导型关节炎(collagen induced arthritis,CIA)的小鼠不会产生强烈的类风湿关节炎症状。研究者提出CIA临床前阶段的微生物生态失调与黏膜变化有显著关系,并指出类风湿关节炎病程发展依赖于某种微生物,而微生物紊乱与黏膜失衡参与免疫性疾病的全身症状。综上所述,肠道菌群与黏膜细胞相互协同维持肠道健康,最初定植的肠道菌与黏膜免疫细胞、因子接触,人体能识别健康状态下的菌群。当各种因素导致肠道菌群改变时则推动疾病进展,而且将患者肠道内异常的菌群移植到健康小鼠肠道内时能引起肠道黏膜平衡破坏,诱发RA。

3 肠道菌群与免疫应答

几十年来,肠道微生物的研究通常与感染或肠道疾病有关,科研人员常常是从微生物的角度去分析菌群与疾病的关系。然而,近年来研究者发现,肠道菌群不仅作用于肠道本身,还参与了免疫系统的发育,影响着机体的其他疾病。有研究指出,宿主免疫系统和微生物群之间的复杂相互作用对于人体内环境稳态是必需的[24～26]。当宿主和微生物群之间的共生关系被破坏时,如肠道菌群失调、宿主免疫力降低、全身免疫炎症反应等,会诱导免疫系统疾病,引起全身反应[27～29]。

肠道菌群与免疫应答之间的研究最早始于无菌小鼠。无菌小鼠免疫系统发育不良,IgA生成浆细胞数量减少,CD4+T细胞百分比减少,导致肠道中的T细胞数量减少[30]。基于这种特有的免疫系统,无菌小鼠常被用于研究肠道菌群与宿主的免疫应答。目前,已有许多研究证实类风湿关节炎患者与正常人相比肠道菌群发生紊乱,而无菌小鼠可以通过定植,检验某种特定的微生物是否参与类风湿关节炎发病及其潜在机制,这为类风湿关节炎早期诊断和治疗提供了新的方向。Feng等[31]研究发现,分段的丝状细菌可以促进辅助性T细胞17(T helper cell 17,Th17)的分化。Th17具有明显的促炎症作用。减少分段的丝状细菌有助于减轻RA的炎症反应。Atarashi等[32]发现,梭菌属细菌的分化可促进调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)的发育,而Treg发育成熟后参与RA的免疫炎症反应。若抑制梭菌属细菌的增殖、分化,可减轻关节炎的症状。Teng等[33]研究显示,肠道共生细菌——分节丝状菌(segmented filamentous bacteria,SFB)是引起全身性关节炎必不可少的菌群,SFB通过驱动PPs中滤泡辅助性T细胞(follicular helper T cell,Tfh)的分化和移动,远程调节全身性关节炎疾病。这些研究探讨了特定菌群与免疫细胞间的作用,而先前肠道菌群的研究多是采用粪便移植的方法,将不同实验组小鼠的粪便灌胃移植,这种方法虽然也能确定疾病与肠道菌群之间的关系,但是无菌小鼠模型的出现,更进一步探究了特定菌种与免疫细胞、免疫因子的作用机制。

免疫系统既能防御外来致病菌的干扰,也能与肠道常驻菌共生进化,这对维持肠道稳态十分重要。其中的机制是,肠道驻留吞噬细胞对微生物配体和共生细菌的反应较弱,当受到刺激时,它们不会产生生物学上显著水平的促炎分子,而外来致病菌在肠道免疫形成阶段,没有与免疫细胞接触,在免疫系统发育成熟后,被机体视作异己成分,发动吞噬细胞将其清除,以此维持肠道系统稳态[34～35]。当黏膜处于平衡状态下时,上皮屏障完整,常驻共生细菌不能诱导IL-1β前体加工成有生物活性的IL-1β,从而维持免疫低反应性状态,不引发免疫应答。在黏膜失衡的状态下,致病菌肠道病原体(如鼠伤寒沙门氏菌和铜绿假单胞菌)的感染可以通过Nod样受体C4(Nod-like receptor C4,NLRC4)的激活,促进胱天蛋白酶1(caspase 1)的活化,从而诱导IL-1β前体的加工[36]。因此,缺乏NLRC4或IL-1受体(IL-1R)的BALB/c小鼠对鼠伤寒沙门氏菌的胃肠道感染高度敏感。IL-1β在肠道免疫中的保护作用,部分是由其诱导内皮黏附分子表达的能力介导的,内皮黏附分子有助于中性粒细胞募集和肠道中的病原体清除。通过以上机制,人体对外来致病菌做出正确的免疫应答,清除有害菌群,维持肠道菌群稳定。

4 小结与展望

肠道微生物群已经研究了一个多世纪,近年来,研究者从免疫学的新角度去看待肠道微生物,认识到其在健康和疾病中的作用。肠道微生物群的构成极其复杂,有致病菌也有常驻正常菌群,并且这些肠道菌还与局部黏膜相互作用,影响黏膜平衡,参与黏膜发育和黏膜免疫应答。除此之外,肠道菌还参与全身免疫反应,在过去对类风湿关节炎研究的基础上,研究人员进一步探索类风湿关节炎、免疫细胞、肠道菌群三者之间的关系,发现Th17、Tfh等多种免疫细胞依赖于肠道菌群的调节,促进类风湿关节炎的发生和发展。此外,部分类风湿关节炎患者的抗生素治疗取得成功,这进一步证明肠道菌群在类风湿关节炎发病机制中确实起到作用[37]。尽管肠道菌群失调与疾病发病机制的关联比较明显,但在很大程度上,人们仍然不知道是哪些因素对引发肠道菌群失调起决定性作用。显然,遗传和环境因素在塑造微生物群方面都很重要。然而,这两组因素的相对贡献以及它们相互作用导致肠道菌群失调的机制仍然是值得积极探索的未知领域。

值得探究的另一个问题是,肠道菌群失调是否具有疾病特异性？而且如果肠道菌群失调发生在生命周期的不同时间点,其是否会对疾病的影响也有所差异？特别是在生命的早期,免疫系统发育与肠道微生物定植的同期,若肠道菌群变化则可能导致免疫系统发育缺陷。

综合以上分析可以看到,肠道菌群失调在类风湿关节炎疾病的发生、发展中起到不容忽视的作用。由此可推测,针对肠道菌群调节,维持微生物稳态,是一种极其有吸引力的治疗方法,甚至可以在出现类风湿关节炎症状前预防病程发展。事实上,粪便微生物群移植(fecal microbiota transplantation,FMT)在艰难梭菌感染的治疗中非常有效,这表明调节肠道菌群失调可能是降低相关疾病(包括RA)易感性的有效方法。但这还需要进一步研究,不仅要深入了解宿主-肠道菌群的关系,还要利用这种关系,制定预防或治疗肠道内外疾病的最佳方法。