肠道微环境与CD4+T细胞及相关疾病的研究

2022-03-01温佳楠周晓琪周雨萌于佳圻李铭杨威徐闯张冰冰

现代畜牧兽医 2022年9期

温佳楠，周晓琪，周雨萌，于佳圻，李铭，杨威，徐闯，张冰冰*

（1.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学动物科技学院，黑龙江大庆 163319）

胃肠道是机体唯一的非造血器官，通过折叠、皱襞、绒毛和微绒毛等功能可以实现吸收表面积最大化，其面积可扩大至约2万m2[1]。肠道中含有营养物质以及数十亿微生物和潜在的免疫原性大分子。胃肠道中的微生物被认为是影响消化营养过程和宿主健康的重要因素，如牛肠道中的细菌在膳食纤维、非蛋白氮和其他营养物质的生物降解中起主要作用。在牛体内，饲料被胃肠道细菌加工转化为挥发性脂肪酸、微生物蛋白和维生素，以满足宿主维持、生长、生产和健康需要[2-3]。

肠道中菌群、免疫分子与肠道黏膜免疫共同构成肠道微环境，其中T细胞对肠道免疫具有重要作用。肠道内微生物与T细胞相互影响，共同构建机体免疫系统，T细胞在胃肠道系统中对微生物病原体的保护、调节作用可在食物和共生抗原的反应中发挥重要作用。T细胞分布于肠道上皮层、固有层、黏膜下层以及肠道集合淋巴结和其他有组织的卵泡集合中，其中固有层大多为CD4+辅助T细胞（CD4+T细胞），包括许多激活的辅助和调节T细胞。肠道固有层和上皮层是CD4+T细胞的效应部位，初始淋巴细胞暴露给抗原，并分化为效应细胞进入循环，再选择性地迁移回固有层。因此，固有层和上皮层不含初始CD4+T细胞群，主要为经历抗原分化的CD4+T细胞[4]。肠道中的T细胞免疫涉及不同的T细胞亚群，并以不同的方式受到抗原呈递细胞的影响。文章主要阐述肠道微环境和CD4+T细胞亚群的相互联系以及相关疾病的发生机制，为后续相关研究提供参考。

1 肠道微环境与CD4+T细胞亚群

1.1 肠道微环境与辅助T细胞

CD4+T细胞是适应性免疫反应和炎症性疾病的重要调节细胞，功能主要为招募和激活吞噬细胞和其他白细胞，破坏细胞内或细胞外的微生物，并帮助B淋巴细胞产生抗体。CD4+T淋巴细胞对于吞噬细胞介导消灭微生物至关重要。被抗原呈递细胞（APCs）激活后，抗原特异性CD4+T细胞分化为效应细胞，根据分泌的细胞因子发生特化，进而对抗病原体并引起组织炎症[5]。效应CD4+T细胞可根据其细胞因子表达谱和免疫调节功能分为Th1、Th2和Th17细胞谱系。Th1细胞产生Ⅱ型干扰素调节细胞免疫，可表达高水平的E-选择素和P-选择素配体，有助于细胞向强烈炎症部位迁移；而Th2细胞产生白细胞介素-4（IL-4）、白细胞介素-5（IL-5）和白细胞介素-13（IL-13）可介导体液免疫和过敏反应，其表达趋化因子受体CCR3、CCR4和CCR8，特别是在黏膜组织高表达的趋化因子，可识别在寄生虫感染或过敏反应部位。Th17大量存在于胃肠道，在对抗肠道感染和肠道炎症中十分重要。Th17的特征性细胞因子为白细胞介素-17（IL-17），Th17表达的CCR6与一些由受到细菌和真菌感染的各种组织细胞和巨噬细胞产生的CCL20结合，负责不属于Th1和Th2亚群并且由CD4+T细胞介导的炎症性疾病[5]。

1.2 肠道微环境与调节性T细胞

肠道免疫系统的主要功能之一是维持非致病性肠道微生物群和无害的外源性食物抗原、致病性微生物以及与损伤相关的自身抗原之间的免疫稳态。肠道内的适应性免疫系统必须通过激活调节性T细胞（Treg）持续抑制对食物抗原和共生微生物抗原的潜在免疫反应，平衡效应免疫细胞活动，预防肠道共生菌的炎症反应，以防止炎症反应破坏黏膜屏障。

Treg的某些亚群在黏膜相关淋巴组织中更为丰富，其中FoxP3+T细胞是调节适应性免疫反应的关键细胞。FoxP3转录因子的识别是精确捕捉免疫调节T细胞的起点，可反映Treg细胞在各种疾病中的功能，一些细胞因子或其受体的缺陷可导致病理性肠道炎症。Treg细胞对效应细胞的抑制依赖T细胞受体（TCR）的信号。虽然Treg细胞激活需要TCR特异性信号，但Treg细胞还可抑制具有不同抗原特异性的效应T细胞，有助于整体免疫稳态。

2 肠道微环境与免疫疾病

肠道微生物群是肠道内免疫屏障的重要组成部分。免疫屏障的完整性由多种不同机制维持，肠道菌群与免疫细胞的相互作用对维持免疫稳态具有重要作用，如一些常见的CD4+T细胞相关的肠道疾病均与肠道微环境紊乱存在密切关系。

2.1 肠道微环境与肠应激综合征

肠应激综合征（IBS）是功能性胃肠道紊乱，其特征为腹痛、腹胀、腹泻或便秘。IBS是常见的犬类胃肠功能性疾病，可能与肠道感染或抗生素使用有关[6]。肠道益生菌用于治疗IBS可改善肠道菌群的组成和代谢活性，如产生短链脂肪酸（SCFAs）[7]。此外，肠道益生菌可能影响肠道蠕动并发挥抗炎作用。共生细菌产生的一些代谢产物，能够调节宿主的生理、营养和免疫。

SCFAs包括乙酸、丙酸和丁酸，由结肠中膳食纤维和其他未消化的碳水化合物所产生[8]。SCFAs可通过抑制组蛋白去乙酰化酶产生作用，进而导致FoxP3的乙酰化和表达增加[9]。不同SCFAs的作用可能略有不同，丁酸盐可影响结肠Treg的从头生成，乙酸盐能够诱导结肠中胸腺Treg积累，丙酸盐能够同时发挥上述两种功能[10]。大量SCFAs通过简单扩散或溶质转运体主动转运，被结肠上皮细胞吸收并在肠道中大量产生，进而可能调节免疫系统。此外，SCFAs还可通过改变细胞因子环境直接促进T细胞分化为产生IL-17、干扰素-γ（IFN-γ）和白细胞介素-10（IL-10）的T细胞，具体表现为SCFAs可根据免疫环境促进免疫或免疫耐受促进T细胞分化为效应T细胞和调节性T细胞[11]。除直接作用于免疫系统，SCFAs还可作为结肠菌燃料增强上皮屏障，防止因免疫系统和共生菌[12]接触过于密切而引起明显的免疫激活。免疫反应中肠道菌群一般处于动态平衡状态，菌群的相互作用可随条件、空间和潜在的进化时间发生变化。因此，平衡肠道菌群非常重要[13-14]，若平衡被破坏可能导致各种疾病。胃肠道是机体最大的宿主-环境界面，不同的效应细胞CD4+T细胞亚群被不同的微生物诱导和保护。

2.2 肠道微环境与炎症性肠病

炎症性肠病（IBD）是多因素的肠道慢性炎症性疾病，可分为两种主要的临床病症：主要涉及结肠和小肠的克罗恩病（CD）以及局限于结肠和小肠的溃疡性结肠炎（UC）。上述两种IBD亚型的特征为胃肠道慢性炎症，具有可缓解和复发反复循环的特征。

CD是由产生IFN-γ的Th1细胞驱动的肉芽肿性炎症；随着产生IFN-γ的细胞扩增，肠系膜淋巴结显著增大，影响胃肠道任何部分肠壁组织的厚度，但回肠末端是最易受到影响到的部位[15]。从CD患者体内分离出可引起牛副结核病（JD）的致病菌副结核分枝杆菌（MAP）[16]，由此猜想两种疾病可能存在关联。分枝杆菌能够感染较多宿主，甚至可以跨越物种屏障，但两种主要分支：杆菌鸟分枝杆菌亚种和牛分枝杆菌主要发现于反刍动物宿主。MAP能够影响牛的回肠，引起炎症和肠内壁破坏，引起反刍动物胃肠道出现慢性炎症性疾病，进而导致无法治愈的腹泻，降低受感染动物吸收营养的能力[17]，该疾病的临床症状包括慢性腹泻和致命性消耗性疾病相关的体重减轻。对MAP的免疫反应和JD的临床阶段主要为经典的Th1、Th2样免疫反应发挥作用[18-19]，或Th17细胞在直接刺激T细胞表面的TLR-2和Toll样受体4（TLR-4）产生作用[20]。抗原提呈细胞（APCs）[21]和肠上皮细胞[22]均能够产生Th17型细胞因子，其中IL-23、IL-6和IL-1β可促进初始T细胞向Th17分化[23]。还有研究表明，尽管分枝杆菌感染与同一宿主具有联系，但不同的分枝杆菌感染会导致不同的免疫反应。牛分枝杆菌感染可导致持续的由细胞介导的应答，其特征为强烈的抗原特异性IFN-γ应答，增加T调节细胞如CD4 CD25+和γδCD25+T细胞，随着T调节细胞分泌抗原特异性IL-10提供免疫平衡。

另一种为UC，仅限于结肠黏膜，症状包括腹痛、呕吐、腹泻和体重减轻。炎症性肠病可能由Treg介导的对共生生物免疫反应的抑制不充分所引起；此外，IL-2基因缺失或FoxP3基因被敲除也可能导致Treg缺失的小鼠出现结肠炎。对动物模型T细胞反应的分析表明，受影响的部分肠段存在活跃的Th17。肠道菌群平衡是维持整体稳态和肠道免疫的基础，但这种平衡易遭到破坏，通常称为生态失调。效应T细胞和调节性T细胞的产生均受到肠道微生物群的深刻影响[24-25]，效应T细胞和调节性T细胞的平衡也对肠道菌群的平衡产生影响，肠道微生物组成改变与肠系膜淋巴结中Th17/Treg平衡改变有关[26]。作为IBD中的适应性免疫反应，SCFAs对T淋巴细胞也可发挥免疫调节作用[27]，如固有层是富含T淋巴细胞的潜在肠上皮。Peyer小结提供了淋巴细胞启动的诱导位点，而固有层可充当激活的淋巴细胞对适当刺激作出反应的效应位点。

2.3 肠道微环境与其他免疫疾病

许多非肠道疾病的发生也与肠道微环境变化有关。肠道微生物群与多种疾病有关，包括胃肠道疾病、癌症、免疫紊乱和代谢综合征，如肠道细菌种群的变化会导致肥胖和Ⅱ型糖尿病。将肥胖犬的粪便菌液转移至正常犬肠道内，可改变正常犬肠道菌群结构与功能，促进肥胖的发生[28]。此外，肠道微生物组分泌的次级代谢物与各种宿主感应信号通路相互作用，并负责代谢组织中免疫驻留细胞的功能调节[29]。改变肠道微生物群可实现改变微生物相关代谢产物，消耗肠道屏障，进而引发促炎反应。如丁酸钠给药可引起免疫代谢改变，抑制CD4+T细胞并诱导Treg细胞群，从而在高脂喂养的代谢失调小鼠模型中缓解炎症和相关的内质网应激[30]。此外，肠道细菌过度生长、细菌或细菌产物易位增加以及免疫防御失败均可增加感染风险，而肠道微生物群的失调可通过调节T细胞亚群的免疫反应，影响肺功能[31]。