肠道菌群在IBD肠外表现发生中作用的研究进展

林婷，刘妹妹，叶玉伟，张宏玲，任茜，路红，周永宁

1 兰州大学第一临床医学院，兰州 730000；2 兰州大学第一医院消化内科；3 甘肃省胃肠病重点实验室

肠道菌群是人体内最大、最复杂的微生物系统，包含超过1×1014个微生物，种类超过1 000 种［1］。肠道菌群对人体健康和肠道稳态具有重要作用，而肠道菌群失调则会引起多种疾病，如非酒精性脂肪性肝病、肥胖、胆石症等。炎症性肠病（IBD）是一种病因不明的慢性非特异性炎症性疾病。有相当一部分IBD 患者会出现肠外表现（EIMs），这些EIMs 可伴随IBD 发生，亦可发生在IBD 之前或之后［2］。多组学研究发现，在IBD 患者中可观察到肠道菌群稳定性下降及多样性降低，如专性厌氧菌减少、兼性厌氧菌富集，并且肠道菌群代谢产物变化也相当显著［3］。肠道菌群及其代谢产物失调可导致肠黏膜炎症反应、免疫细胞分化及功能失调、细胞因子失衡和氧化应激反应，这些因素均可参与IBD 的发生、发展。近年来，肠道菌群在EIMs发生机制中的潜在作用备受关注。本文结合文献就肠道菌群在EIMs 发生中作用的研究进展作一综述。

1 EIMs概述

IBD 是一种病因不明的慢性非特异性炎症性疾病，包括克罗恩病和溃疡性结肠炎，临床表现为腹痛、腹泻和血便等，具有终身复发倾向。尽管IBD 主要影响肠道，但作为一种全身性疾病还会累及肠外器官，如关节、皮肤、眼等。超过50% IBD 患者一生至少出现一种EIMs，这些EIMs 可伴随IBD 发生，亦可发生在IBD 之前或之后［2］，并且随着IBD 及已有EIMs 病情进展，发生其他EIMs 的概率还会增加。合并EIMs 的IBD 诊断与治疗难度较大，癌变率较高，致残和致死风险显著增加。目前，EIMs 的具体发生机制尚不完全清楚。普遍认为，EIMs 发生相关的因素与IBD相同或相似，是遗传、免疫、环境、感染等因素共同作用的结果。近年来，肠道菌群在EIMs发生中的潜在作用备受关注。

2 肠道菌群在EIMs发生中的作用机制

肠道微生物组对维持免疫稳态至关重要。肠道菌群失调可能在EIMs 发生中具有重要作用。目前认为，分子拟态、肠黏膜屏障损伤导致的肠道微生物移位、肠道微生物代谢产物及衍生因子改变等在EIMs发生中具有重要作用。

2.1 分子拟态 分子拟态是指微生物抗原表位与自身抗原表位序列或结构类似，从而引起机体产生能识别自身抗原的免疫细胞或抗体的现象。分子拟态在外源性病原体感染中较为常见。与外源性病原体类似，存在于人体内的某些肠道微生物也会引起免疫系统与宿主组织的交叉反应，从而导致自身免疫性疾病发生。

肠道菌群抗原表位与肠外部位自身抗原表位的分子相似性被认为是导致EIMs 发生的潜在原因。在无菌小鼠体内培养可产生模仿自身抗原的细菌，会增加小鼠罹患自身免疫性疾病的风险。相反，采用抗生素干预或在无菌环境中饲养的小鼠能够预防多种自身免疫性疾病［4］。有研究发现，部分强直性脊柱炎患者肠道来源细菌的抗原成分与宿主的HLA-B27 编码产物存在分子相似性，可引起交叉反应［5］。有研究报道，狼疮患者体内携带肠道共生拟杆菌和黏膜/皮肤共生丙酸杆菌产生的Ro60同源蛋白抗体和特异性T 细胞，这提示共生菌产生的自身抗体同源物可能是引起狼疮发病的机制之一［6］。肠道菌群与多发性硬化症（MS）也存在关联，普氏菌属、阿克曼菌属等肠道共生菌与MS 患者脑部病变中鸟苷二磷酸-L-岩藻糖合成酶的交叉反应亦支持分子拟态机制［7］，交叉抗原可能在EIMs 中作为致病性自身免疫应答的诱导物或驱动因子。R161H 小鼠葡萄膜炎模型为肠道菌群、自身抗原识别和肠外部位炎症反应的联系提供了依据，依赖肠道菌群信号激活肠固有层中特异性T 细胞，并通过自身反应性T细胞受体传递信号，引起自身免疫性葡萄膜炎，这一过程可不依赖于自体视黄醇结合蛋白表达［8］。此外，脆弱拟杆菌、白色念珠菌、血链球菌及嗜血杆菌等可产生与Ⅱ型胶原蛋白相似的肽段，可在由胶原蛋白诱发的关节炎中引起交叉反应［9］。细胞色素P450 2D6和甲氨酸氨基转移酶亦被认为是IBD患者发生自身免疫性肝炎的抗原靶标［10-11］。以上研究均支持肠道微生物的分子拟态与EIMs 的联系是真实存在的，分子拟态是肠道菌群引起和促进EIMs的重要机制。

2.2 肠道微生物移位 肠黏膜屏障完整性是维持肠道菌群和宿主免疫稳态动态平衡所必需的，可避免机体免疫系统异常活化。然而，在慢性肠道炎症状态下，IBD 患者通常伴随肠壁破坏及渗漏，而肠黏膜屏障损伤会引起肠道微生物移位，导致肠道微生物与宿主免疫系统异常接触并通过相关机制触发炎症反应。

NAKAMOTO 等［12］研究发现，肠道肺炎克雷伯菌能够诱导硬化性胆管炎患者肠道上皮细胞形成毛孔，破坏肠黏膜屏障，导致其他细菌穿过肠道屏障并增强Th17 细胞反应，进而引起由Th17 细胞介导的肝脏炎症反应。同样，在患有系统性红斑狼疮或自身免疫性肝炎患者肝脏中可检测到肠球菌，在易患狼疮小鼠胃内接种的肠球菌可穿过肠道屏障进入肝脏，其原因是肠黏膜屏障损伤导致肠道微生物沿门静脉、肠系膜淋巴结等转移至循环系统，从而引起肝脏或其他肠外器官免疫系统异常激活和炎症反应［12］。因此，肠黏膜屏障破坏、肠道菌群移位并过度接触宿主免疫细胞，导致免疫系统异常激活是EIMs发生的重要基础。克罗恩病患者肠外“爬行脂肪”中具有独特的、以梭菌为主的细菌聚生体，可使巨噬细胞转化为促纤维化M2 表型，从而促进纤维化和肠道重塑。这有助于将潜在的致病微生物保持在局部炎症及损伤部位，防止潜在的有害微生物穿过肠黏膜屏障损伤部位发生传播和定植［13］，间接表明肠道微生物移位可能会导致EIMs 发生。但这些结果并不能证实肠道微生物移位在自身免疫激活中起关键作用，导致IBD 患者因肠黏膜屏障损伤发生EIMs 仍需直接证据证实。

2.3 肠道微生物代谢产物 肠道菌群可利用肠道无法直接消化吸收的物质，产生许多影响宿主病理生理过程的活性代谢产物，如短链脂肪酸（SCFAs）、色氨酸（Trp）代谢产物、胆汁酸（BAs）等［14］。

2.3.1 SCFAs 食物中不易被消化的纤维在肠道微生物发酵作用下可产生SCFAs，如乙酸、丙酸、丁酸等。SCFAs 除了为宿主提供能量外，还可调控肠上皮细胞生长，促使肠上皮细胞紧密连接，维持肠黏膜屏障功能，同时还可调节机体免疫功能，抑制病原微生物生长繁殖［15-16］。SCFAs 可通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）活性来调节基因表达、细胞增殖和免疫应答，还可通过G 蛋白偶联受体（GPCRs）来传递信号，如GPR41（FFAR3）、GPR43（FFAR2）和GPR109A。

SCFAs可通过与GPCRs或HDAC 相互作用影响大脑，这与阿尔茨海默症、自闭症及抑郁症等神经系统疾病发生密切相关。无菌小鼠大脑的免疫调节及应激反应出现减退，而补充SCFAs 可使无菌小鼠因肠道菌群缺失所致的免疫失调正常化［17］。丙酸盐可作用于肠神经元FFAR3，通过肠-脑轴恢复帕金森病小鼠运动功能，延缓多巴胺能神经元丢失，从而发挥神经保护作用［18］。此外，MS患者肠道菌群中梭状芽胞杆菌数量显著减少，补充梭菌混合物可减少实验性自身免疫性脑脊髓炎小鼠脱髓鞘，降低中枢神经系统中免疫细胞活化、分化和增殖，并延缓轴突损伤，同时增强外周Treg 细胞的免疫调节作用［19］。SCFAs 既可通过减少NF-κB 信号传导和诱导凋亡，在脑内小胶质细胞中显示出抗炎作用，又可通过抑制Treg 细胞产生HDAC，独立于GPCRs 调节mTORS6K 信号通路来保护神经，还可通过上调神经递质和神经营养因子表达来营养神经［20］。这些证据表明，肠道菌群相关的SCFAs 可通过不同作用途径发挥抗炎及神经保护作用。

在其他部位EIMs 中，SCFAs 亦能显示出抑制炎症反应的作用。丁酸盐可诱导Treg 细胞分化并抑制Th17 细胞及Tfh 细胞，下调IL-17 表达，并诱导IL-10、Foxp3 转录，同时还可下调HDAC 和炎症因子表达，抑制传统Th 细胞产生及破骨细胞分化，达到缓解炎症反应和调节骨量的作用，从而抑制关节炎、皮肤炎症等［21-22］。此外，SCFAs 还能上调树突状细胞（DCs）H3K4 三甲基化状态，并诱导炎症因子IL-6和干扰素β1分泌，进而激活自然杀伤细胞，提高宿主免疫能力。因此，SCFAs 或许能够成为早期诊断EIMs并追踪其进展的生物标志物。

2.3.2 Trp 代谢产物 Trp 是人体必需氨基酸之一，经肠道菌群分解代谢，在免疫稳态、肠黏膜屏障和促进脑-肠-微生物群轴功能中发挥重要作用。Trp 代谢途径通常包括：①肠道免疫细胞和上皮细胞通过吲哚胺2，3-加双加氧酶1 介导的犬尿氨酸途径；②由肠道微生物区系直接代谢，包括芳香烃受体（AhR）配体在内的吲哚途径；③肠嗜铬细胞通过色氨酸羟化酶1 介导的5-羟色胺途径［23］。在IBD 患者中可观察到疾病活跃程度与血清Trp 水平呈负相关，血清Trp 水平降低，Trp 代谢增加，尤其通过犬尿氨酸途径的代谢增加，肠道组织AhR表达降低［24］。

肠道菌群失调、Trp 代谢障碍和宿主遗传易感性的相互作用会刺激活化的免疫细胞并产生自身抗体，这有助于自身免疫系统激活。作为菌群-宿主之间的桥梁物质，Trp 代谢产物可通过不同机制对宿主发挥促进或抑制炎症反应的作用。一方面，Trp代谢产物吲哚及其衍生物可通过AhR 通路促进神经前体细胞分化，促进神经元成熟和突触功能从而激活神经发生，与中枢神经系统炎症反应发生有关［25］。另一方面，Trp 代谢产物可通过AhR 参与小胶质细胞对星形胶质细胞的调控，抑制神经系统免疫细胞功能以限制中枢神经系统炎症反应，从而抑制神经退行性疾病发生［26］。此外，Trp 代谢产物可通过抑制肝星状细胞活化来抑制肝纤维化，也可由骨髓细胞的糖酵解调控PFKFB3 表达显著降低肝脏脂肪变性和炎症反应程度，还可降低NF-κB 信号通路中关键蛋白表达及上调下游炎症因子基因表达，通过转录调节缓解肝脏炎症反应［27-28］。因此，Trp 代谢产物与EIMs发生存在联系是毋庸置疑的，但其具体机制有待于进一步探索。

2.3.3 BAs BAs 是胆汁的主要成分，由肝细胞生成并分泌至肠道，大部分被重吸收回到肝脏，部分通过胆盐水解酶作用后转变为次级BAs。胆盐水解酶广泛存在于肠道微生物中，如梭状芽孢杆菌、类杆菌、乳杆菌、双歧杆菌和肠球菌等［29］。除了参与能量代谢外，BAs 还可通过与多种受体相互作用调控机体免疫稳态［30］。此外，BAs 自身的理化性质使其具有抑菌和杀菌能力，可维持肠黏膜屏障完整性并阻止病原体定植。IBD 患者胆盐水解酶活性下降，导致初级和次级BAs平衡被破坏，甘氨胆酸、牛磺胆酸和甘氨鹅脱氧胆酸等初级BAs富集，而石胆酸、脱氧胆酸等次级BAs 含量减少，表明产次级BAs 的细菌在IBD患者体内亦显著减少［3］。

HE 等［31］研究发现，狼疮患者肠道菌群失调，并且多种菌群代谢产物发生改变，初级BAs 增加而次级BAs 减少，提示BAs 组成与狼疮的发生、发展有关。在肝脏疾病中发现，次级BAs 可减少巨噬细胞产生IL-1β、IL-6、IFN-γ，同时诱导巨噬细胞偏向抗炎M2 表型，导致IL-10 上调以及IL-6、TNF-α 下调。次级BAs 还可通过减少DCs 产生IL-12 来抑制Th17细胞分化，从而促进Treg 细胞分化［32］。在无菌状态下饲养的小鼠肝脏损伤更为严重，考虑也是缺乏微生物代谢的次级BAs 所致［33］。此外，次级BAs 还可通过TGR5-cAMP-PKA 信号通路来调控DCs 功能，抑制DCs 生成NF-κB 相关炎症因子，并减少Th1、Th17 细胞发育，发挥减轻炎症反应和缓解病情的作用。自身免疫性葡萄膜炎也被证实与微生物区系组成改变所致的BAs 代谢失调有关，补充次级BAs 脱氧胆酸能够减轻自身免疫性葡萄膜炎严重程度［34］。BAs 还可通过下调Rorc 表达抑制T 细胞IL-17A 产生，并抑制角质形成细胞CCL20 表达，通过阻断CCL20 介导的免疫趋化来改善银屑病病情［35］。因此，BAs在EIMs的发生中起关键作用。

2.4 肠道微生物衍生因子 脂多糖（LPS）是革兰阴性菌细胞壁的特有组分。宿主免疫细胞通过其模式识别受体特异性识别细菌的病原体相关分子模式（PAMP），启动机体防御系统，而LPS 是受宿主免疫系统识别的重要PAMP。LPS 可通过扰乱宿主的免疫系统、补体系统和凝血系统等引起一系列严重的病理生理反应。

随循环系统到达肝脏的过量LPS 可通过TLR4信号通路激活Kupffer 细胞，产生自由基和炎症因子，还能激活静息肝星状细胞，刺激炎症因子分泌，导致肝脏炎症反应和纤维化，也可通过CD14、NF-κB、TNF-α 等信号途径诱导肝细胞凋亡［36］。肠道菌群失调导致LPS增加，并通过肠-脑轴破坏血脑屏障，导致小胶质细胞活化，诱导神经炎症反应［37］。在阿尔茨海默症患者脑部特定区域中可发现来源于胃肠道细菌的LPS 增加，通过调节相关信号通路产生与阿尔茨海默症发病相关的炎症因子，注射LPS可诱导小鼠病态行为、认知障碍和急性抑郁样行为［38］，表明LPS 在中枢神经系统疾病发生中具有重要作用。

综上所述，EIMs 发生的具体机制尚不完全清楚，但越来越多研究证实肠道菌群在EIMs发生中具有重要作用。肠道菌群不仅可通过分子拟态方式诱导肠外炎症反应，还可通过肠黏膜屏障损伤导致肠道微生物移位、肠道微生物代谢产物及衍生因子改变等，从而参与EIMs的发生、发展。因此，深入探索肠道菌群在EIMs发生中的具体机制及作用靶点，将为EIMs预防和治疗提供新的思路。