肠道微生物群在眼部疾病中的作用

耿超 综述 李亚红 张琰 审校

天津医科大学眼科医院 天津医科大学眼视光学院 天津医科大学眼科研究所 国家眼耳鼻喉疾病临床医学研究中心天津市分中心 天津市视网膜功能与疾病重点实验室，天津 300384

微生物群是指定植在人体的古细菌、细菌、真菌和病毒等微生物种群的集合。共生菌群可栖息于所有与外界相通器官的上皮表面(如皮肤、眼表、口腔、呼吸道、肠道和阴道)，并与宿主共同进化，互利共生。胃肠道是人体最大的微生物聚集地[1]。正常的肠道微生物群不仅可促进食物消化和营养物质的吸收，保护其共生宿主免受感染，维持肠道稳态，也对宿主的免疫调节至关重要。肠道菌群可刺激抗体、细胞因子和抗生素等效应分子分泌，从而抵抗有害病原体的损伤而稳定存在于机体，同时又可向免疫细胞提供信号，刺激免疫系统发育[2-3]。肠道微生物群由于其广泛而重要的作用常常被描述成隐藏的“器官”，这个“器官”主要包含有厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门、放线菌门、疣微菌门以及梭杆菌门[4]。肠道微生物群包括有益菌和有害菌，在正常情况下，有益菌和有害菌保持平衡且有益菌起主要作用，维持肠道健康。然而，遗传因素、年龄、抗生素、饮食和感染均可诱发肠道微生物群平衡失调，使有害菌处于主导地位，继而引发炎症、代谢综合征、自身免疫性疾病、癌症和神经障碍等不同的疾病[5]。大量研究证明，肠道可通过交感和副交感神经与中枢神经系统相互作用，而且肠道微生物群在肠-脑轴中起着重要作用。肠道微生物代谢产物，如短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)、5-羟色胺、γ-氨基丁酸、色氨酸前体、儿茶酚胺等神经活性物质与肠道常驻细胞上的受体结合，进而通过神经环路或内分泌途径，向肠外细胞发出信号，靶向大脑内受体，调节行为与大脑功能[6-7]。同时，大脑也可通过神经系统改变肠道微生物群的组成。中枢神经系统通过交感神经、副交感神经、以及下丘脑-垂体-肾上腺轴调节胃肠道和肠神经系统。紧张、焦虑和抑郁等中枢神经系统的异常状态，一方面可通过神经元或神经内分泌细胞释放到肠腔大量信号分子，直接影响肠道微生物群的组成；另一方面可引起肠道微生物所寄居的环境，如肠上皮通透性和肠粘液分泌改变，从而间接影响肠道微生物群的平衡[7]。由此，考虑到视网膜作为中枢神经系统的一部分，一些研究者提出了肠-眼轴的概念。目前，越来越多的研究探索肠道微生物群在眼部疾病中的作用[8]。已有结果提示，角膜病、葡萄膜炎、视网膜病、以及与系统性疾病相关的眼病都与肠道微生物群失调有关，为肠-眼轴的存在提供了有力证据。本文就近年来关于肠道微生物群在角膜病、葡萄膜炎、视网膜病，以及与系统性疾病相关眼病中的作用进行综述。

1 肠道微生物群的作用

肠道是免疫系统的重要所在，并且肠道菌群对免疫系统具有不可忽视的调节作用[18]。研究表明，肠道共生菌脆弱拟杆菌可以促进诱导性Foxp3+调节性T细胞(regulatory T cell，Treg)的发育[9]。Treg可分泌抗炎因子并维持自身免疫耐受，阻止炎症性疾病的进展。另外，某些特异性共生微生物(如节段丝状细菌)的定植可诱导肠道固有层的促炎性CD4+辅助性T细胞17(T helper 17 cell，Th17)的分化，Th17细胞可通过分泌多种促炎因子，如白细胞介素(interleukin，IL)-17和IL-22，增加抗菌防御能力，免受肠道病原体的感染[10-11]。当肠道微生物群发生改变时，可使Th17细胞增加，并迁移到肠外淋巴组织成为致病细胞，参与炎症和自身免疫反应。大量研究报道，肠道微生物群紊乱可导致自身免疫性疾病，特别是自身免疫性眼病的发生。譬如，免疫介导的炎症性肠病可由于肠道微生物群紊乱，肠道屏障功能破坏，引起眼部免疫反应，进而出现眼部炎症细胞浸润等表现[12]。现已证明，肠道益生菌干酪乳杆菌、嗜酸乳杆菌、子宫乳杆菌、双歧杆菌和嗜热链球菌的混合物IRT-5可减轻实验性自身免疫性葡萄膜炎(experimental autoimmune uveitis，EAU)和自身免疫性干眼的严重程度[13]。

肠道微生物群对营养物质，如碳水化合物、脂质、蛋白质和维生素的代谢起到重要调节作用[14]。厚壁菌和拟杆菌等厌氧菌可将碳水化合物分解发酵为SCFAs(如乙酸、丙酸和丁酸)[6]。SCFAs可诱导Treg产生，从而影响促炎和抗炎系统之间的平衡，调节肠道稳态[15]。另有研究表明，多形拟杆菌可通过增加回肠隐窝上皮共脂肪酶的表达，进而增加胰腺甘油三酯脂肪酶和胰脂肪酶相关蛋白-2的活性，调节脂质代谢[16]。

肠道微生物群还可通过其结构成分和代谢产物诱导抗菌蛋白的合成。微生物相关分子模式(包括各种微生物成分)可激活模式识别受体，导致多种信号通路激活，诱导抗菌蛋白产生，破坏病原体表面结构[14]。肠道内乳酸杆菌产生的乳酸可通过降低细胞内pH值，破坏跨膜质子动力，以及促进其他抗菌物质有效穿透革兰阴性菌的外膜而发挥抗菌特性[17]。梭菌属产生的丁酸盐可诱导Treg，抑制核因子κB的活性，并通过抑制组蛋白去乙酰化酶而产生抗炎作用[6]。另外，鼠李糖乳酸杆菌GG作为一种肠道有益菌，其衍生的可溶性蛋白p40可激活表皮生长因子受体，从而激活PI3K/Akt信号通路，抑制肠上皮细胞凋亡，保护肠屏障功能[18]。此外，SCFAs可结合位于肠道上皮细胞的代谢物感受受体GPR43和GPR109A，进而激活炎性小体通路，促进IL-18的产生。IL-18可以维持肠道上皮完整，促进上皮修复，有利肠道健康[19]。因此，SCFAs可加强上皮屏障的紧密连接，防止肠道内有害物质进入血液，调节免疫稳态。当肠道菌群失调，有益的微生物代谢产物SCFAs减少或病原微生物增多时，肠道屏障功能都会受损[20]。因此，正常的肠道微生物群对宿主有重要的保护作用；一旦出现微生物群失调，不仅保护作用会丧失，甚至还可能引发宿主疾病。

2 肠道微生物群与眼病

2.1 肠道微生物群与角膜病

角膜位于眼睛的最外层，易受感染和外伤的影响。正常情况下，角膜和结膜存在眼表微生物群的定植，主要由细菌、少部分真菌、病毒和寄生虫构成，其中变形菌门、厚壁菌门、放线菌门是3个主要的细菌门[21]。正常眼表微生物群的组成相对稳定，与眼表上皮细胞共存，并可防止致病微生物定植，在维持眼表免疫和眼表健康中起到重要作用[22]。因此，眼表微生物群稳态的破坏可能影响眼表面的微生物丰度，进而引起眼表上皮细胞对共生菌的炎症反应，增加致病菌引发眼部感染的风险[23]。

此外，Kalyana Chakravarthy等[24]对比印度真菌性角膜炎患者和健康对照者的肠道微生物组成，结果显示，真菌性角膜炎患者肠道微生物群的丰度和多样性下降，肠道微生物群失调。具体表现为产丁酸盐的部分有益微生物，例如巨球型菌属和毛螺菌属数量降低；而有促炎作用的密螺旋体和脆弱拟杆菌丰度增加。该团队进一步对细菌性角膜炎患者的粪便进行分析，得到相似结果，即健康对照组中存在更丰富的抗炎、抗致病菌、有益的细菌和真菌；而细菌性角膜炎患者由于肠道细菌和真菌失调，促炎和致病的微生物更为丰富[25]。这些患病人群中的流行病学证据提示肠道微生物群与眼表疾病密切相关。

在动物实验中，肠道微生物产酸拟杆菌可通过IL-1β信号刺激无特异性病原菌的瑞士韦伯斯特小鼠眼相关淋巴组织中IgA的转录，调节眼表分泌型IgA水平，从而对其眼表产生广泛的免疫保护作用[26]。此外，一项铜绿假单胞菌诱导细菌性角膜炎的动物研究显示，无菌小鼠和无特异性病原体的抗生素给药小鼠均表现为肠道微生物数量降低，IL-1β表达水平下降，中性粒细胞分化能力减弱，最终使宿主对铜绿假单胞菌诱导角膜炎的易感性增加。因此，我们推测肠道微生物群可能以一种IL-1β依赖的方式提供信号，调节中性粒细胞在眼组织浸润的数量，进而抵抗角膜感染[27]。除角膜感染外，Liu等[28]还在小鼠模型中研究了肠道微生物群对角膜神经再生的作用；该团队发现口服抗生素可导致肠道微生物群组成改变，从而影响免疫细胞的分布和功能；在机械磨损小鼠角膜上皮后，角膜基因表达谱改变，神经密度降低。值得注意的是，在抗生素处理后，角膜再生受损，同时C-C趋化因子受体2(C-C chemokine receptor type 2，CCR2)阴性巨噬细胞数量明显降低。而CCR2阴性巨噬细胞的过继转移或益生菌及粪便移植，均可促进角膜神经再生。不仅如此，该团队还进一步证明了抗生素诱导的肠道菌群失调也会通过调控角膜CCR2阴性巨噬细胞分布损害出生后小鼠的角膜发育[29]。尽管具体作用机制尚需深入研究，然而肠道微生物群在角膜疾病中已显示出重要作用，为角膜疾病的治疗以及发病机制的研究提供了新的方向和思路。

2.2 肠道微生物群与葡萄膜炎

葡萄膜炎是一组涉及虹膜、睫状体、脉络膜、视网膜、视神经盘和玻璃体的眼内炎症性疾病的总称。一项对印度南部人群中葡萄膜炎患者和健康对照者的肠道微生物群分析显示，葡萄膜炎患者肠道菌群丰度和多样性整体下降。具体而言，链球菌等具有促炎和致病特性的微生物增加；而有抗炎作用和有益的微生物，如粪杆菌属、拟杆菌属、毛螺菌属和瘤胃球菌属减少[30]，初步提示肠道微生物群和葡萄膜炎的相关性。

葡萄膜炎按发病部位可分为前葡萄膜炎、后葡萄膜炎及中间葡萄膜炎。部分急性前葡萄膜炎(acute anterior uveitis，AAU)患者呈现人类白细胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)-B27阳性[31]，而这些患者肠道中连蛋白表达上调，肠上皮紧密连接蛋白表达降低，使肠道通透性增加，最终肠道微生物代谢产物入血，沉积在葡萄膜，引起局部免疫反应，促进葡萄膜炎的发生与进展[32]。在动物实验中，Lin等[33]对表达人HLA-B27基因的大鼠和野生型大鼠的盲肠微生物群进行16S rRNA基因测序，结果显示，转基因大鼠肠道理研菌属减少，而与人类关节炎发生有关的帕拉普氏菌属增加，这提示HLA-B27可能通过改变肠道微生物群而参与AAU的病理过程。

葡萄膜炎还可根据病因分为感染性和非感染性葡萄膜炎，后者主要指T细胞驱动、靶向神经视网膜的自身免疫性葡萄膜炎。自身免疫性葡萄膜炎可继发于累及多器官的系统性自身免疫性疾病。白塞病是一种累及多系统的慢性且易复发的炎症性疾病，其发病可能与自身免疫反应有关，在眼部以葡萄膜炎为主要变现[34]。Ye等[35]对白塞病患者和健康对照者粪便样本进行分析，结果表明白塞病患者肠道微生物群组成显著改变，有更丰富的条件致病菌和促炎细菌；然而健康对照者富含产丁酸菌和产甲烷菌等有益菌，有利于保护肠上皮的完整性；这一研究提示肠道微生物群在白塞病相关眼病的发病过程中可能起到重要作用。

肠道微生物群在自身免疫性葡萄膜炎发病机制中的作用是近年来眼免疫领域的研究热点。EAU模型是研究自身免疫性葡萄膜炎的经典动物模型。通常用光感受器间类视黄醇结合蛋白(interphotoreceptor retinoid binding protein，IRBP)和完全弗氏佐剂的混合乳化剂免疫小鼠而诱发EAU。然而，健康眼睛中的血-视网膜屏障可隔离免疫系统和眼部抗原，因此只有当视网膜特异性T细胞在眼外被激活时，才能穿越血-视网膜屏障，识别视网膜抗原，进而诱发葡萄膜炎[36]。Horai等[37]构建了新型自发性自身免疫性葡萄膜炎的转基因小鼠模型，该小鼠表达针对IRBP第161～180氨基酸残基的特异性T细胞受体(T cell receptor，TCR)。他们利用这一TCR转基因小鼠模型证明，肠道微生物可作为非同源性抗原，与克隆型自身反应性TCR反应并传递信号，导致视网膜特异性T细胞在肠固有层被激活，而这一激活过程与内源性IRBP无关。此时，活化的视网膜特异性T细胞能够突破完整的血-视网膜屏障，这一研究结果提示肠道微生物群对自身免疫性葡萄膜炎的可能致病作用及其免疫过程[38]。此外，在EAU小鼠模型中，Nakamura等[39]发现口服抗生素可明显减轻葡萄膜炎的严重程度，而腹腔内注射则无明显效果。这可能由于口服广谱抗生素引起肠道微生物群改变，从而导致肠道和肠外淋巴组织，尤其是眼中的炎性因子、效应T细胞和Treg的改变，从而减轻葡萄膜炎的严重程度。在此基础上，该团队进一步研究发现，肠道形态和基因表达的改变先于葡萄膜炎的发生，并且口服肠道微生物的代谢产物SCFAs可诱导肠道固有层和颈部淋巴结的Treg分化，促进肠道稳态并抑制白细胞从肠道向眼部的迁移，从而减轻葡萄膜炎的严重程度[40]。类似地，在另一项研究中，无菌或口服广谱抗生素的EAU小鼠，由于肠道微生物负荷降低，减少巨噬细胞和T细胞在视网膜的浸润，眼引流淋巴结中Treg增加，Th1和Th17细胞减少，最终减轻葡萄膜炎的严重程度[41]。此外，有研究显示，在EAU的发病过程中会出现肠道微生物群的组成改变，肠紧密连接蛋白Occludin-1的表达下调，进而导致肠道形态、基因表达谱和肠道屏障功能改变[42]。

总结现有文献，目前关于肠道微生物群导致自身免疫性葡萄膜炎发生的机制主要有3种：(1)肠道微生物群与眼部抗原间的交叉分子模拟机制。(2)肠道微生物群改变，导致Th17细胞和Treg比例失衡，促进Th17细胞分化的特定细菌增加，而促进Treg分化的细菌减少，增加了疾病的易感性。(3)肠道菌群紊乱，损害肠道屏障功能，使致病微生物及其代谢产物进入血液或淋巴液，并向眼部移位，进而触发免疫反应[39,42]。

2.3 肠道微生物群与年龄相关性黄斑变性

年龄相关性黄斑变性(age-related macular degeneration，AMD)是一种多因素的疾病，主要发生在老年人群中。早期AMD主要表现为胶样或透明玻璃膜疣。随着病情进展，主要发展为以萎缩和非渗出为特征的干性AMD和以脉络膜新生血管和渗出为特征的湿性AMD。目前，抗血管内皮生长因子是湿性AMD的主要治疗方法，而干性AMD仍然缺乏有效的治疗方法。有研究提出不健康的饮食习惯、肠道菌群失调、吸烟与轻度炎症等可增加AMD的风险。而微量营养素和维生素的摄入可延缓早期甚至晚期AMD的进展[43-44]。

肠道微生物可调节食物的消化和吸收，维持肠道稳态。肠道微生物群的组成可根据饮食习惯而不同。一项AMD患者和健康对照者的肠道微生物群组成分析显示，AMD患者肠道富含更多的扭链瘤胃球菌、颤杆菌、厌氧菌种和真杆菌属，这些菌群与黏蛋白降解、肠道通透性增加和促炎因子升高相关；而在健康对照者肠道中，调节病原体免疫反应的埃氏拟杆菌的丰度则有所增加[45]。因此，人群调查结果初步提示肠道微生物群与AMD的相关性。

另一方面，动物实验也表明高糖、高脂饮食可通过改变肠道微生物群而影响AMD的进展。Andriessen等[46]对高脂饮食和常规饮食小鼠激光诱导脉络膜新生血管后发现，与常规饮食小鼠相比，高脂饮食小鼠脉络膜新生血管数量增加60%。由于高脂饮食诱导肠道微生物群失调，导致肠道屏障功能降低，使微生物代谢产物异位进入全身循环，从而触发系统性炎症反应，进而加剧AMD脉络膜新生血管生成。而将常规饮食小鼠粪便微生物移植到高脂饮食小鼠体内，可显著降低肠道通透性，缓解AMD脉络膜新生血管。Rowan等[47]用高糖饮食诱导野生型小鼠，出现了脂褐素积累，视网膜色素上皮细胞萎缩和光感受器细胞丢失等与人类干性AMD类似的症状。相反，低糖饮食或高糖饮食后改为低糖饮食的小鼠肠道微生物代谢产物，尤其是5-羟色胺水平升高，则对AMD产生保护作用，可使小鼠不发生AMD或逆转已有的AMD表型。以上研究表明肠道微生物群在AMD的进展中起到重要作用，且不同饮食可导致肠道微生物组成的丰度不同。因此，健康的饮食可能通过影响肠道微生物群而对AMD有潜在的保护作用[48]。

2.4 肠道微生物群与糖尿病视网膜病变

糖尿病是一种以体内血糖水平升高为主要特征的代谢性疾病，其中2型糖尿病(type 2 diabetes，T2D)占绝大部分，其病因可能与高糖、高热量饮食和运动减少导致的肥胖有关[49]。在高脂饮食饲喂的小鼠中，由于肠道微生物群的改变可能会导致肠道中产生过量的脂多糖。脂多糖可降低肠紧密连接蛋白的表达，增加肠道通透性，提高血液中促炎脂多糖的含量，从而促进炎性因子的表达并加重高脂饮食诱导的肥胖和胰岛素抵抗。然而口服益生菌沙克乳杆菌OK67，可降低高脂饮食诱导的肠道微生物群脂多糖的水平，抑制体重增加，改善高血糖和肥胖[50]。因此，肠道微生物群的改变可能与高脂饮食诱导的T2D有关。另有研究表明，1型糖尿病(type 1 diabetes，T1D)也与肠道微生物群改变有关。T1D是以胰岛β细胞破坏为特点的自身免疫性糖尿病。适配器蛋白MyD88作为多重先天性免疫受体，可识别微生物刺激，并且对T1D的发展有重要作用。无特异性病原体的非肥胖型MyD88敲除鼠不发生T1D，而在无菌条件下则发展为T1D。因此，MyD88蛋白缺乏，可因肠道微生物群的不同而对T1D的进展产生不同的影响[51]。

糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy，DR)是糖尿病在眼部的常见并发症。有研究显示，DR与饮食诱导的肠道微生物群改变有关。间断禁食的db/db小鼠可发生肠道微生物群重建，引起硬壁菌增加。硬壁菌可调节胆汁酸的代谢，促进具有神经保护作用的牛磺熊去氧胆酸盐(tauroursodeoxycholate，TUDCA)增加。TUDCA可穿过血-视网膜屏障，发挥对视网膜的神经保护作用；同时，位于视网膜神经节细胞上的TUDCA受体TGR5有重要的抗炎作用，可阻止DR的进展[52]。尽管已经有大量的研究证明肠道微生物群在免疫及代谢水平上与糖尿病的发病和进展有关，但是关于DR与肠道共生菌之间的相互作用机制仍需进一步探索。

2.5 肠道微生物群与系统性疾病相关的眼病

2.5.1Graves眼眶病 Graves病(Graves disease，GD)是一种自身免疫性疾病，GD患者由于自身抗体与促甲状腺激素受体(thyrotropin receptor，TSHR)结合，刺激甲状腺激素过度分泌，影响机体代谢，主要症状为体重减轻、心率加快、疲劳和眼部异常。甲状腺相关眼病是最常见的甲状腺外表现。眼眶成纤维细胞的TSHR可能是自身免疫反应的靶点。此外，TSHR也可在棕色脂肪组织中表达。在大多数Graves眼眶病(Graves orbitopathy，GO)患者中，由于TSHR刺激抗体的存在，眼眶内TSHR活化，促进脂肪组织形成[53]；扩张的眼外肌和脂肪组织使眼球突出，出现复视；而眼睑闭合不完全又可导致角膜干燥和暴露性角膜炎[54]。已知肠道微生物群与自身免疫性疾病有关，因此肠道微生物可能引起自身抗体的产生而参与GD的发病。目前已有研究显示，GD患者相比于健康对照者肠道微生物组成差异显著，肠道平衡失调[55]。相似地，GO患者粪便样品的16S rRNA基因测序分析也发现细菌菌落多样性明显降低，粪便微生物群组成明显与正常对照组不同[56]。因此，肠道微生物群可能为GO的诊断和治疗提供新思路。

2.5.2Sjögren综合征相关的干眼 Sjögren综合征是一种与自身免疫相关的疾病，以外分泌腺慢性淋巴细胞浸润为特征。在眼部，因泪腺受累引起泪液分泌减少，以而导致干眼发生[57]。Wang等[58]研究证明，无菌小鼠可形成类似人类Sjögren综合征的自发性角结膜炎症状，伴有角膜屏障破坏，结膜杯状细胞密度降低和泪腺炎症细胞浸润。而无菌小鼠接受常规小鼠粪便微生物移植后，可逆转角结膜炎，改善干眼症状。因此，肠道微生物可在维持眼表稳态中发挥作用。另外，抗生素处理的Sjögren综合征小鼠则使致病性微生物如肠杆菌属和埃希氏菌属增加，有益微生物如普氏粪杆菌及其代谢产物SCFAs减少，进而破坏肠道屏障，减少Treg，增加促炎因子，最终加重干眼症状[59]；而益生菌混合物则可以改善干眼症状[60]。由此可知，抗生素、益生菌以及粪便微生物移植在动物实验中可能通过改变肠道微生物组成而改善Sjögren综合征相关的干眼症状，为人类干眼的治疗提供可能的途径。

3 总结与展望

肠道微生物群在眼病中发挥着重要作用。诸多研究表明，肠道微生物群失调可诱发眼病；而多种眼病也常伴随肠道菌群的改变。目前研究结果提示，肠道微生物群可通过调节免疫平衡，影响眼表免疫细胞的数量和分布，对角膜产生保护或损伤；葡萄膜炎、AMD、DR、GO、Sjögren综合征相关干眼均可引起肠道微生物菌群失调，导致代谢或免疫系统紊乱和疾病的发生。另外，大量动物实验表明，益生菌、抗生素、以及粪便微生物移植均可通过改变肠道微生物群的组成和数量而影响眼病的进展。然而，这一潜在的治疗手段目前尚处于研究阶段，肠道微生物群与人类眼病之间的具体作用机制仍需深入研究。同时肠道微生物群庞大而复杂，对全身组织、器官都有不可忽视的作用，因此，通过调节肠道微生物群治疗眼病是否会对其他器官产生影响仍不得而知。但是，现有研究已为肠-眼轴的存在提供了证据，并为未来眼科疾病的治疗提供了新思路。

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