艾滋病与肠道菌群研究进展

范铮 喻剑华

1浙江中医药大学第四临床医学院（杭州310053）；2杭州市西溪医院（杭州310030）

艾滋病是由人类免疫缺陷病毒（human immuno-deficiency virus，HIV）引起的获得性免疫缺陷综合征（acquired immunodeficiency syndrome，AIDS）。许多研究显示，HIV感染后肠道菌群发生了比例改变，且由免疫缺陷引起会引起免疫激活，使肠道免疫反应发生异常。且免疫缺陷相关的一系列并发症起因与肠道菌群失调密切相关。本文着重描述肠道菌群与艾滋病之间的研究进展。

1 HIV感染后肠道菌群变化

人体胃肠道中有数目庞大的细菌，数目超过4×1013个[1]。其中主要分为4类：厚壁菌门拟杆菌门、放线菌门和变形菌门。其中厚壁菌门和拟杆菌门为优势菌种，数量占到99%以上，当人体感染HIV时，MUNTSA 教授团队做的实验结果表明HIV感染者粪便病毒脱落增加，且持续到了慢性感染期，而高效抗逆转录病毒治疗（highly active antiretroviral therapy，HAART）不会缓解这一症状。HIV感染能短暂且非特异性改变肠道菌群组成，降低其丰度，具体表现为Akkermansia 菌、厌氧弧菌、双歧杆菌及梭菌属的缺失。在慢性HIV感染者中，可观察到与慢性炎症相关的菌群失调，CD8+T 细胞生成与代谢紊乱[2]。SUSAN 团队在进行了HIV与肠道菌群与α多样性的实验中发现艾滋病患者的肠道菌群其α菌种多样性显著降低[3]。相关研究表明，HIV感染患者感染期间肠道生态发生改变与免疫缺陷与应答性炎症的存在有关，艾滋病患者粪便菌群的多样性降低与菌群易位和免疫细胞活化呈高度相关。T 细胞的活化可直接导致黏膜相关细菌活动增加，而抗逆转录治疗是独立于HIV感染的另一大导致肠道菌群比例失调的元凶[4]。而对抗逆转录治疗不同的免疫应答也会表现为肠道菌群的组分变化，如相对于应答者，不应答者梭菌群、Subdoligranulum 菌和陪伴粪球菌富集[5]。HIV阳性患者与阴性患者相比，由于T 细胞活化标记的改变而产生了普雷沃氏杆菌属和琥珀酸菌属富集，拟杆菌数量比例降低[6]。抗逆转录治疗可使脱硫弧菌科和毛螺菌科增加，梭菌科减少[7]。随着研究的进一步深入，VAQUEZ-CASTELLANOS 等[7]在研究HIV感染患者肠道微生物代谢途径与肠道菌群的变化时发现HIV 阳性患者肠道中脂多糖合成途径增强，该小组进一步证实脂多糖可使菌群丰富度大大下降，不仅如此，他们推断肠道菌群的组成发生变化只是表明现象，与之相关的代谢功能，包括营养物质和分配也发生了变化。

2 HIV感染与肠道免疫变化的关系

HIV感染后外周血CD4+T淋巴细胞数减少，同时机体的免疫应答为激活状态，部分患者在获得ART治疗后虽然CD4+T淋巴细胞数能的得到恢复，病毒复制能力得到抑制，但依旧存在免疫重建不全这一问题。由此可引发艾滋病相关的机会感染，异常免疫激活是导致免疫重建不全的重要因素[8]，菌落改变通过色氨酸-犬尿酸通路、三甲胺生成通路、短链脂肪酸生成通路激活免疫。相关研究[9]表明，HIV感染者中病情进展较慢者存在一个独特的微生物群代谢谱，该微生物谱有利于脂肪酸代谢，其过氧化物酶体的增殖能激活受体-信号通路和脂质生物合成蛋白通路，同时减少碳水化合物的代谢和次级胆汁酸合成，但HIV感染者中病情进展较快者体内富含一种可产生限速酶-吲哚胺2，3-双加氧酶1的能力的细菌群落，这种限速酶可引起色氨酸分解，而色氨酸分解可加速艾滋病进程。HIV感染患者即使得到ART治疗其体内炎症激活指标依旧较高，长期ART治疗后IL-6等炎症因子无法恢复至正常水平[10]。此外，IL-10、hsCRP 等炎症趋化因子数量的增加与HIV 病毒载量、CD4 细胞数无关[11]。HIV感染后，HIV与细胞膜上的合成膜蛋白抗原糖蛋白120 相结合，与未感染的CD4+T淋巴细胞融合，使细胞形态发生改变，进而凋亡、溶解，从而削弱肠道屏障防御力。因肠道屏障通透性的改变，肠道细菌由肠腔移位至循环系统，肠道菌群进入循环系统后激活巨噬细胞和自然杀伤细胞，诱导机体产生高炎症反应。除此之外，慢性HIV感染会使肠道上皮网络失调，Th17 及CD103 树突状细胞减少，这进一步导致炎症的发生[12]。DILLION 等[13]发现IFN-γ在HIV感染者内升高，与普雷沃氏杆菌这一条件致病菌成正相关，提示炎症性固有淋巴结使肠道黏膜遭到破坏。HIV患者肠道分泌的抗体中IgM水平相较于IgA、IgG 比率明显升高，并发现了黏膜B细胞的转换能力下降，而限制黏膜B 细胞向IgG与IgA 转化则直接导致肠道易受外来病原体的侵染，易发生慢性炎症[14]。HIV感染由于免疫系统的紊乱会对肠道免疫产生影响，而这一影响由肠道菌群的异常所引导，但其具体机制需要更深一步探究。

3 HIV感染后对人体各个系统的影响

3.1 对心血管系统的影响在现代联合抗病毒逆转录治疗（cART）的时代，心血管因素。饮食中膳食脂质磷脂酰胆碱、胆碱、氧化三甲胺（Trimethylamine N-oxide，TMAO）和甜菜碱的三种代谢物位促进和预测心血管疾病的重要因子[15]。在形成机制上来分析，氧化三甲胺通过改变钙信号、胆固醇和胆汁酸的代谢进而促进炎症通路的激活，促进泡沫细胞的形成。推测可能是HIV 相关的众多因素干扰了血小板活化。这也可以解释以往的研究结果，在HIV感染男性中，TMAO水平和冠状动疾病仍是HIV感染死亡的首要原因。越来越多的艾滋病病毒感染和治疗患者的观察研究清晰地表明，急性心肌梗死和其他血管疾病，如冠心病，在感染人群中显著有显著增加的比例[16]。艾滋病心脏病发生概率有着明显的地域差异，比如美国的HIV感染阳性和阴性的人群的血管健康状况都比欧洲的同类人群差[17]，提示地域差异，而地域差异主要体现在环境和饮食差异上，这就暗示着由饮食差异导致的肠道菌群改变可能是诱导心血管疾病发生的重要所有这些都与动脉粥样硬化形成相关。除此之外，氧化三甲胺还会增加血小板的高反应性，这与心脏代谢疾病和血栓形成的潜在风险有关[18]。SRINIVASAS 等[19]带领团队用断层扫描血管造影术证实，HIV感染阳性患者表现出进展性的钙化动脉粥样硬化症，并且血清中三甲胺（trimethylamine，TMA）与脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）水平和粥样硬化程度呈正相关。VUJKOVIC-CVIJIN 发现，颈总动脉内膜厚度与炎症趋化因子呈正相关，菌落失调通过犬尿酸-色氨酸代谢通路激活炎症反应使色氨酸分解，色氨酸的分解可加剧动脉粥样硬化的形成[20]。然而最近RATH 等[21]的研究表明，氧化三甲胺及其前体重大不良心血管事件的风险升高和更高的全因死亡率相关，而与传统的危险因素无关。最近一项实验证明，氧化三甲胺水平和血小板活性之间没有任何联系[22]，推测可能是HIV 相关的众多因素干扰了血小板活化。这也可以解释以往的研究结果，在HIV感染男性中，TMAO水平和冠状动脉狭窄之间呈倒u型关系[23]，这项研究还证明了并非所有TMAO水平高的患者都会出现心脏并发症这一事实，因此推翻了TMAO为心血管疾病强有力预测因子这一定律。因此，需要对HIV感染并发心血管疾病者和接受治疗的患者进行深入的代谢组学研究，结合微生物群多样性，来进一步挖掘HIV 肠道菌群改变对心血管疾病所产生的影响。

3.2 对骨胳系统的影响有关研究发现，肠道菌群的改变可以影响骨密度的变化。而这种变化主要依靠内脏-免疫-骨胳轴的变化来驱动。HIV感染患者中低骨密度（bone mineral density，BMD）的因素包括低体质量指数、吸烟、酗酒、以及骨质疏松等继发因素[24]。但最近的研究表明，即使纠正这些传统性的因素，HIV 仍然是一个独立的低BMD的预测因素。骨质稳态是成骨细胞介导的骨形成与破骨细胞控制的骨吸收之间紧密调节的平衡。在慢性HIV感染等炎症条件下，B淋巴细胞的失调导致B淋巴细胞RANKL表达上调，天然诱导受体-骨保护素（OPG）的表达减少，并向过度的破骨细胞（OCL）和骨质吸收方向转变[25]。此外，T细胞与破骨细胞之间直接形成相互作用，直接促进破骨细胞的形成，而CTLA-4 下调T淋巴细胞的表达，抑制破骨细胞的形成[26]。相关研究表明，无菌肠道小鼠的骨量和骨密度相较普通小鼠有所增加，其原因为肠道无菌情况下促炎因子减少，从而下调T淋巴细胞的活化，减缓了免疫激活途径[27]，这一现象提示了骨密度的调节可能是由肠道微生物和免疫骨架通路之间的相互作用而形成的。具体的机制表现为分节丝状双歧杆菌通过诱导th17 t淋巴细胞的转录因子RORyt 从而形成对IL-17的应答加剧骨丢失，而脆弱拟杆菌和梭状芽孢杆菌则通过诱导foxp3，IL-10 产生T 调节性CD4T淋巴细胞从而抑制炎症进程，减少骨破坏[28-29]。近来亦有研究表明，菌群移位与骨密度之间也存在着关系。sCD14作为菌群移位后循环中单核细胞激活的标志物在HIV患者中有所上升，而sCD14水平升高与髋部骨密度损失增大之间存在正相关[30]。另一项对457例青少年男性和女性（其中354例为HIV患者）的研究发现，HIV患者sCD14和其他炎性细胞因子（IL-1b、IL- 6和TNF-α）水平较高，只有sCD14与HIV患者的BMD 呈负相关[31]。除此之外，研究还发现抗逆转路病毒治疗本身也会引起骨密度下降，其具体机制还不明确。肠道菌群的改变可以使骨量及骨密度增加，在一项研究中，给小鼠服用了3 周低剂量的抗生素，发现其中厚壁杆菌与拟杆菌菌群比例有所上升，这促进了短链脂肪酸的形成，提示了一个更加活跃的肠道微生物代谢状态[32]。关于HIV患者肠道菌群与骨胳系统之间的关系机制目前认识还很局限，需要进一步的探讨。

4 益生菌对HIV感染者的影响

近年来，益生菌作为一种重要的新型战略，通过改变肠道菌群的组成来提高HIV患者肠道黏膜免疫力。目前，益生菌主要用于治疗腹泻、炎症性肠道疾病、HP 感染引起的胃溃疡以及乳糖不耐引起的胃肠道疾病。不同的益生菌作用似乎由菌株特异性来决定，如乳酸杆菌和双歧杆菌激发人体免疫反应，防止致病菌和条件致病菌定植，代谢分解致癌物质，加速短链脂肪酸合成以及促进维生素B、维生素K 形成[33]。一项对猴免疫缺陷病毒（simian immurodeficie ncy virus，SIV）感染的猕猴的研究表明，对使用CRT治疗的SIV感染猴补充益生菌和IL-21 后能促进肠道th17 细胞的恢复，缓解免疫激活标志物的活动，通过减少潘氏细胞促炎因子的分泌使肠道上皮细胞连接蛋白恢复从而改善临床症状[34]。相关研究[35]表明，使用鼠李糖乳杆菌、酵母菌、干酪乳酸杆菌的益生菌混合物后，血浆中的促炎因子如IL-6、IL-22、TGf-β、hsCRP和微生物移位标记物均明显减少，说明益生菌可通过减少肠道菌群的移位来抑制HIV患者的免疫激活。益生菌对肠道黏膜的完整性起到了促进作用，在一项为期6个月的实验中，对接受多种益生菌补充的HIV感染者肠道黏膜活检进行了免疫组织学分析，显示肠道黏膜完整性得到了恢复，特别的是，肠道中th1和th17 细胞亚群和肠道相关淋巴组织数量有所增加，同时表达CD38、HLA-DR的CD4+和CD8+T 细胞亚群的频率降低[36]，与此同时还发现肠道上皮凋亡减少、淋巴细胞浸润减少、线粒体形态恢复。一些益生菌虽未在艾滋病领域中获得研究成果，但在其他领域的疾病中已经得到广泛证实，如艾克曼菌在治疗肥胖和抗癌中取得的成果可以视为对免疫领域的启示，事实上一些报道已经证实了艾克曼菌影响着肠道免疫，减少肠道炎症反应，并且调节血糖以及脂类代谢，高浓度的sE-selectin、ICAM-1、VCAM-1、IL-6和sCD14被发现与围生期HIV感染者肠道中艾克曼菌的相对优势有关[37]。这一创新之举在于，可以食用食物，如多酚，来增加肠道黏膜中艾克曼菌的比例来提高肠道免疫，这是一种新型可行的“食疗”法。此外，由于肠道并不是一个孤立的系统，它的代谢还影响着全身其他器官，与其他器官进行着双向交流，因此益生菌的提供还存在着一个“肠外效应”。如相关实验证明6个月的高浓度益生菌补充可以通过降低脑脊液新蝶呤（一种炎性标志物）的浓度从而改善中枢神经系统认知能力[38]。同时，通过益生菌的补充可以降低血液中色氨酸的浓度，提高血清素5-羟色胺水平，使CD-38和HLA-DR水平下降，探索了色氨酸的代谢对脑肠轴的影响[39]。益生菌对心血管疾病也有抑制作用，将乳杆菌和链球菌的混合物给HIV患者以一天两次频率灌服，患者体内的CRP、sCD14 数量明显下降[40]。类似的，向HIV患者补充布氏酵母菌可观察到梭状芽胞杆菌和脂多糖数量减少[41]，这两者是细菌移位的标志物，说明益生菌是通过抑制菌群移位降低心血管疾病的风险。益生菌对HIV 诱导的疾病作用的研究才进行不久，一些关于益生菌的功效数据还不完整，还需要进一步探明。

5 展望

在许多地方，控制HIV感染进展及其并发症的发病率是一个棘手难题，在发达地区治疗HIV阳性患者已经转向慢性HIV治疗和多种合并症的长期控制。至今为止，普遍认为炎症和免疫激活是这些并发症的主要诱因。现今许多研究重点关注肠道菌群。HIV感染后肠道菌群改变和肠道菌群移位是全身免疫激活的重要原因，其中机制还不明确。今后的研究，应深入探讨肠道菌群和各个系统炎症之间的关系，并且从中找到治疗突破点，进一步提高HIV患者生存质量。