肠道微生物群对疫苗免疫效力的影响及可能机制

黄碧青，李兰娟

1中国医学科学院北京协和医学院感染病与微生态研究创新单元，杭州 3100032中国医学科学院北京协和医学院病原生物学研究所 梅里埃实验室 呼吸系统疾病病原学重点实验室，北京 1026003浙江大学医学院附属第一医院传染病重症诊治全国重点实验室 国家感染性疾病临床医学研究中心 感染性疾病诊治协同创新中心，杭州 310003

疫苗接种是预防传染病的最有效手段之一，可显著降低疾病发病率、重症率和死亡率，同时降低抗生素使用率及延缓抗生素耐药性的发展[1]。然而，不同地区和人群对疫苗引发的免疫反应存在显著差异[1]。因此，了解产生这种差异的根源对于人类健康至关重要。尽管诸多因素可能影响疫苗的免疫原性，进而影响其有效性，但越来越多的动物实验和临床研究证据表明，肠道微生物群的构成和功能是调节疫苗免疫反应的关键[2]。

人类肠道微生物群由细菌、病毒、古细菌和真菌等复杂的生物群落构成，影响人类整个生命周期的健康，如维持肠道稳态、调节免疫系统发育、代谢营养物质以及防止病原体定植等[3]。此外，肠道微生物群还可作为天然佐剂，调节宿主免疫反应，携带与疫苗抗原相似的表位以诱导交叉反应，从而影响疫苗效力[1]。本文阐述了肠道微生物群对疫苗免疫效力的影响和可能机制，以及靶向肠道微生物群优化疫苗效力的有效策略，以期为临床提供借鉴和参考。

1 肠道微生物群构成对疫苗效力的影响

研究显示，疫苗的免疫原性差异与肠道微生物群的个体差异相关[1]。综合动物实验和临床研究证据，肠道微生物群构成被认为是影响疫苗反应差异的重要因素，具体内容详见表1。

1.1 动物实验

动物实验研究显示，肠道微生物群在疫苗效力调控中扮演重要角色。使用抗生素(如万古霉素、新霉素等)破坏肠道微生态后，诸如小鼠等动物接种疫苗后的免疫反应降低，表现为抗原特异性免疫球蛋白(immunoglobulin，Ig)M、IgG和病毒中和抗体滴度下降，淋巴结中T滤泡辅助细胞、生发中心B细胞和浆细胞减少，而接种疫苗前恢复肠道微生态可挽救受损的抗体反应。RNA测序分析显示，肠道某些菌群的丧失或丰度改变可能导致疫苗效力减弱[4-5，17-18]。另一项研究发现，广谱抗生素诱导的肠道生态失调可减弱小鼠对卡介苗的免疫反应，表现为小鼠肺部CD4+和CD8+T细胞激活减少、肺部和次级淋巴器官中记忆CD4+和CD8+T细胞的比例下降、结核分枝杆菌特异性T细胞分泌γ干扰素和肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor，TNF)-α减少，从而有利于结核分枝杆菌的存活[19]。这些研究表明，抗生素驱动的肠道微生物群构成失调不仅可抑制先天免疫系统分泌细胞因子，还可抑制适应性免疫系统相关免疫细胞的增殖和分化、疫苗特异性抗体的产生和分泌，以及记忆性免疫细胞的发育和分化，从而降低疫苗效力和免疫持久性。而通过微生物群移植恢复肠道微生态，可挽救抗生素导致的疫苗效力降低。

表 1 肠道微生物群构成对疫苗效力的影响

1.2 临床研究

为探讨肠道微生物群构成对人类接种疫苗后免疫效力的影响，多个国家如加纳、巴基斯坦、荷兰、英国、尼加拉瓜、孟加拉国和中国等开展了相关临床研究。

1.2.1 轮状病毒疫苗

在加纳和巴基斯坦婴儿中，口服轮状病毒疫苗(oral rotavirus vaccine，ORV)反应良好的婴儿肠道微生物群构成与荷兰婴儿相似，表现为牛链球菌和变形杆菌丰度增加，拟杆菌门丰度减少。对ORV反应较差的加纳婴儿个体则显示为链球菌增加和类杆菌减少的肠道微生物群特征，且与噬菌体、肠道病毒B和多种新型共病毒的存在呈负相关[6-8]。在印度和马拉维，婴儿肠道微生物群多样性增加与ORV免疫原性呈负相关，疫苗脱落率和血清转换率也明显低于英国[20]。在尼加拉瓜，对ORV反应良好的婴儿表现为变形杆菌和埃格氏菌丰度较高，无反应的婴儿梭杆菌和肠杆菌科丰度较高[9]。针对津巴布韦农村地区的研究发现，多形拟杆菌是唯一与抗轮状病毒IgA滴度相关的菌种[10]。上述研究表明，肠道微生物群可影响人群对ORV的免疫反应，且可能与地区的经济状况相关。

1.2.2 新型冠状病毒疫苗

新型冠状病毒(下文简称“新冠”)疫苗类型多样。研究发现，科兴疫苗(一种灭活疫苗)的免疫反应明显低于BNT162b2(一种mRNA疫苗)；肠道双歧杆菌丰度与科兴疫苗的免疫反应呈正相关；瘤胃球菌、龙包茨氏菌、毛螺菌、梭菌、真杆菌、铁门罗螺菌以及盲肠罗斯拜瑞氏菌的丰度与BNT162b2的体液免疫应答呈正相关；副萨特氏菌、优杆菌属和布劳特氏菌的丰度与ChAdOx1(一种腺病毒载体疫苗)的体液免疫应答呈正相关；普雷沃氏菌和两种巨单胞菌的丰度与科兴和BNT162b2疫苗的副作用呈负相关[14，16]。此外，接种BNT162b2或ChAdOx1的炎症性肠病患者，疫苗效应与嗜胆菌属丰度、肠道菌群代谢产物如三甲胺、异丁酸和ω-鼠胆酸的水平呈正相关，而与链球菌属丰度及琥珀酸、苯丙氨酸、牛磺胆酸和牛磺脱氧胆酸的水平呈负相关[15]。上述研究表明，特定的肠道微生物群标志物与新冠疫苗接种后免疫应答和不良事件相关，靶向菌群干预可能提高新冠疫苗的有效性。

1.2.3 其他疫苗

在其他疫苗研究中也存在类似发现。孟加拉国的一项研究指出，婴儿肠道放线菌，特别是长双歧杆菌亚种丰度与脊髓灰质炎疫苗、卡介苗、破伤风类毒素疫苗和乙型肝炎病毒疫苗的T细胞应答、2年后的CD4+T细胞数量及特异性IgG和IgA滴度呈正相关；低疫苗反应和中性粒细胞增多则与梭状芽胞杆菌、肠杆菌和假单胞菌的高丰度相关，提示肠道微生物群与疫苗免疫反应及疫苗诱导的持久性免疫反应密切相关[11]。一项关于破伤风类毒素疫苗的临床队列研究显示，双歧杆菌科丰度与该疫苗特异性抗体反应呈负相关，而CDP-二酰基甘油生物合成途径相关物种丰度则与该疫苗抗体反应呈正相关[12]。Stražar等[13]研究发现，卡介苗诱导的非特异性免疫应答与罗斯氏菌属丰度呈负相关，特异性免疫应答与瘤胃球菌属及迟缓埃格特菌丰度呈正相关。

上述研究为靶向肠道微生物群提高疫苗免疫功效提供了证据。肠道微生物群不仅是导致不同地区人群对同种疫苗免疫应答差异的关键因素，也是影响同一个体对不同种类疫苗反应各异的重要因素。因此，靶向肠道微生物群优化疫苗免疫效力需根据不同人群进行分层，特定疫苗可能需特定的微生物群以增强其免疫效果。

2 肠道微生物群通过调节免疫反应影响疫苗效力

肠道微生物群携带或衍生的分子可作为天然免疫佐剂，调节免疫系统发育，或通过诱导交叉免疫等方式调节宿主免疫反应，从而影响疫苗效力[21]。

2.1 作为天然免疫佐剂

疫苗依赖于诱导机体产生抗原特异性免疫反应以提供防护，但由于疫苗抗原本身免疫原性较差，需佐剂增强其效力[1]。研究表明，肠道微生物群可作为天然免疫佐剂来源，改善疫苗效力。如无菌或抗生素处理的小鼠接种人类三价灭活流感疫苗后，外周血中该疫苗特异性抗体滴度和浆细胞数量降低，记忆性B细胞反应受损，而口服含有鞭毛的大肠杆菌菌株重建后可恢复，其机制为细菌鞭毛蛋白结合Toll样受体5，诱导巨噬细胞分泌白细胞介素(interleukin，IL)-6、增殖诱导配体和TNF-α，从而导致浆细胞分化增加[22]。Toll样受体5介导的微生物群感应也可影响灭活脊髓灰质炎疫苗的抗体应答，但不影响佐剂疫苗和黄热病减毒活疫苗的免疫效应[22]。Stražar等[13]研究发现，肠道罗氏菌属可能通过影响苯丙氨酸代谢抑制卡介苗诱导的非特异性免疫细胞因子IL-6、IL-1β和TNF-α的产生，而埃格特氏菌与卡介苗诱导的特异性T细胞介导的记忆反应呈正相关。这些研究表明，肠道某些特定微生物群可作为天然免疫佐剂，促进B细胞产生抗体，招募长效记忆性免疫细胞，通过调节适应性免疫系统影响疫苗免疫反应。

2.2 调节免疫系统发育及免疫反应

生命早期肠道微生物群对婴儿免疫系统的发育和成熟至关重要[3]。研究表明，无菌或抗生素处理的小鼠肠道Peyer斑块发育不良，血清和肠道中吞噬细胞、抗原提呈细胞(如树突状细胞、巨噬细胞和中性粒细胞)和分泌IgA的浆细胞数量减少，T细胞分化不足，IgA水平降低；而当无菌小鼠被共生菌定殖时，IgA的分泌可恢复至正常水平[23]。双歧杆菌、多形拟杆菌、干酪乳杆菌和阴沟肠杆菌产生的核黄素衍生物可通过限制性主要组织相容性复合体相关蛋白-1激活黏膜相关T细胞[24]。此外，肠道细菌代谢产生的短链脂肪酸可诱导骨髓中的免疫细胞发育，并影响肺部免疫反应[25]。附着在小肠下部上皮细胞上的分节丝状细菌，不仅可激发IgA反应，还可激活固有层树突状细胞和巨噬细胞分泌IL-1β、IL-6和IL-23，诱导肠道黏膜特异性Th17细胞群的产生[26]。微生物特异性T细胞可为肠道相关淋巴组织中的滤泡B细胞提供量身定制的信号，从而增强多样化和选择性同型转换[27]。这些研究表明，肠道微生物群及其衍生物具有调节免疫系统发育和免疫反应的能力，将疫苗接种与肠道微生物群相结合，可能增强机体对病原体的抗体反应，改善疫苗预防传染病的作用。

2.3 携带疫苗类似抗原表位诱导交叉免疫

肠道微生物群可能通过引发对非保护性疫苗抗原的抗体反应，从而对疫苗效力产生负面影响。如预先存在的对人类免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus，HIV)-1包膜Env糖蛋白特异的记忆性T细胞和B细胞与肠道共生抗原发生交叉反应，可诱导非保护性gp41抗体的分泌，从而降低HIV疫苗的效力。因此，调整肠道微生物群结构可促进更有效的抗HIV抗体反应。针对新冠疫苗的研究发现，人类和小鼠肠道共生菌衍生的微生物蛋白(如大肠杆菌衍生的热休克蛋白60和热休克蛋白70)与新冠S2蛋白的接头结构域(P144)相似，诱导的反应性单克隆抗体可与S2和P144结合，中和新冠病毒，抑制病毒S蛋白介导的细胞融合，增强新冠DNA疫苗接种后的抗体反应[28]。研究还发现，肠道大肠杆菌O86：B7与疟原虫孢子体表面均表达α-gal，可诱导人体或小鼠产生具有疟疾保护作用的α-gal特异性IgM抗体[29]。这些研究表明，肠道微生物群通过携带疫苗类似抗原表位诱导交叉免疫，从而影响疫苗效力，也导致疫苗免疫反应在不同人群中存在差异，而靶向肠道微生物群有助于提高疫苗效力，对后续临床应用具有重要参考价值。

3 靶向肠道微生物群调节疫苗效力

肠道微生物群可影响疫苗免疫反应，因此调控肠道微生物群是提高疫苗效力的重要策略。采用抗生素、益生菌、工程菌、膳食纤维等措施调节肠道微生物群，被视为增强疫苗效力的有效方法[21]。

3.1 抗生素

抗生素的应用在调整肠道微生态并影响疫苗反应方面扮演了关键角色。研究发现，针对缺乏流感抗体的健康人群，在服用抗生素期间接种流感疫苗，将削弱疫苗引起的H1N1特异性IgG1和IgA应答。此现象归因于抗生素导致的肠道菌群缺失，这种缺失通过影响AP-1/NR4A信号和炎症小体活化，进而影响炎症信号和疫苗诱导的抗体反应[30]，而补充相应的肠道菌群有望改善疫苗免疫反应。另一项随机对照临床试验探讨了万古霉素对健康成人ORV免疫应答的影响，结果发现，尽管万古霉素未改变受试者抗轮状病毒IgA的绝对滴度，但其增强了ORV在接种后第7天的免疫反应；此外，万古霉素可增加轮状病毒在粪便中的排泄，并快速改变肠道菌群的多样性[31]。疫苗接种后第7天，拟杆菌门尤其是普雷沃菌科成员可作为区分ORV效果增强和轮状病毒排泄的指标[31]。尽管此项研究应用于婴幼儿尚有一段距离，但已初步证明可通过调节菌群改变机体对ORV的免疫应答，为发展以菌群调节增强疫苗效果的干预方法提供了方向。

3.2 益生菌

有效调整肠道微生物群可优化疫苗免疫反应。如婴儿在4个月大时接受增强配方以刺激双歧杆菌的生长，可增强脊髓灰质炎疫苗的免疫反应，且双歧杆菌比例与抗脊髓灰质炎病毒IgA滴度呈正相关[32]。添加了益生菌混合物(植物乳杆菌+动物双歧杆菌+婴儿长双歧杆菌)的流感疫苗增强了老年受试者的总抗氧化能力和β-防御素水平，同时增加了与健康相关的肠道微生物群[33]。上述发现表明，将益生菌菌株作为疫苗成分或通过益生元调节肠道有益菌的丰度，可提高疫苗的免疫效力。

3.3 工程菌

通过工程菌改善疫苗效果的研究目前已在临床开展。Laver等[34]开发了一种能在乳糖奈瑟菌表面异源表达脑膜炎球菌抗原黏附素A(NadA)的工程菌(GM-Nlac)，并对其进行临床前质量和安全性评估，以确定共生工程菌是否可引起有益的免疫应答。结果表明，GM-Nlac可引发有效的免疫应答，如产生NadA特异性IgG和IgA分泌浆细胞、NadA特异性IgG记忆B细胞及针对表达NadA的脑膜炎球菌的血清杀菌抗体活性，且在90 d 实验期间未出现工程菌扩散[34]。该项研究显示，工程菌可提高疫苗免疫效力，且安全性良好，为未来临床推广工程菌奠定了基础。另一项研究发现，接种基因修饰乳酸菌携带的人乳头瘤病毒表面锚定抗原口服疫苗，可引发更强的全身及黏膜特异性细胞毒性免疫反应，降低人乳头瘤病毒感染率，进而降低宫颈癌的发病率[35]。该项研究表明改造的乳酸菌具有作为黏膜疫苗载体的能力，并可提高递送疫苗的免疫效力。

3.4 膳食纤维

一项针对新冠mRNA疫苗的研究表明，膳食纤维调控的肠道菌群及其影响的支链脂肪酸水平，可调节人体对新冠疫苗的免疫反应。高纤维摄入者的抗体亲和力改变更显著，疫苗应答更成熟，可能与支链脂肪酸的总量减少有关[36]。这一研究揭示了肠道菌群特征和膳食模式可能影响疫苗反应，为增强疫苗反应提供了新视角。

4 小结与展望

肠道微生物群作为高度适应的组织特异性佐剂，可调节免疫反应，影响疫苗的免疫原性和免疫效力。因此，靶向微生物群已被视为提升疫苗效力的策略。然而，现有关于肠道微生物群对疫苗效力影响的研究多为横断面研究，仅在特定时间点将微生物群与疫苗反应关联。鉴于肠道微生物群的构成随环境暴露而变化，因此需更多纵向研究评估其对疫苗应答的影响及具体分子机制。在未来的疫苗研究中，依据个体肠道微生物群特征、代谢及宿主遗传因素进行分层可能是关键。现有的疫苗开发和管理方法需进行重大转变，如设计包含特定免疫调节益生菌的疫苗，以补充肠道缺乏必要免疫刺激微生物的疫苗接种者。

作者贡献：黄碧青负责研究设计及论文撰写；李兰娟负责研究指导、论文审校。

利益冲突：所有作者均声明不存在利益冲突