肠道菌群参与慢性阻塞性肺疾病Th17/Treg失衡机制的研究进展

吴思怡 巩健男 李建强

消化道承载着人体约90%的共生微生物,这些微生物构成了肠道菌群(gut microbes,GM)。近年来研究发现, GM作为人体“第二基因组”不仅参与物质的消化与吸收,在人体免疫方面也起着重要作用。正常肠道微环境中的GM保持动态平衡,一旦受到某种因素的影响,其制约关系就会被打破,进而导致肠道通透性增加、肠组织发生免疫紊乱[1-3],影响辅助性T细胞17(helper T cell 17,Th17)和调节性T细胞(regulatory T cell,Treg)的平衡[4]。众所周知,Th17和Treg细胞是建立机体免疫防御的重要部分,二者由初始CD4+T细胞分化而来并产生相互拮抗作用。Th17能够分泌多种促炎、促排异因子,而Treg主要负责抑制机体过度免疫应答,二者的平衡在自身免疫性疾病及炎性疾病的发展中起决定性作用。有学者发现慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)患者痰液和粪便中产短链脂肪酸(short-chain fatty acid,SCFA)的优势菌属丰度明显降低[2,5,6],由此可推断GM失调可能与慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)的发生、进展相关。

COPD是一种异质性肺部状态,是气道异常和/或肺泡异常所致的持续性气流阻塞[7]。近年来研究表明,免疫失衡成为COPD发生发展的关键因素[8-9]。因此,免疫调节治疗已发展为临床治疗COPD的有效手段。其中,以GM为靶标来调节机体免疫为COPD的防治提供了全新角度。

一、肠肺轴

肠道和肺之间始终保持着紧密的联系。结构上,二者有深刻的解剖学基础,它们都来自同一个胚胎器官-前肠[10]。两者突起的微绒毛(肠)或纤毛(呼吸道)作为物理屏障,参与淋巴组织局部免疫系统的形成;功能上,它们具有共同粘膜免疫系统、分泌型免疫球蛋白A及分泌粘液的杯状细胞[3]。肠和肺通过淋巴和血液循环允许信号分子进入对方微环境,即GM失调所致的细胞毒性产物、炎症因子等可经由肠-肺轴运输到肺,引起肺损伤[2,10]。

广泛研究表明,COPD患者常合并GM失调[2-3]。Chiu等人对肺气肿小鼠的粪便菌群分析显示有益拟杆菌的相对丰度降低,致病菌(如厚壁菌)丰度显著增加[11]。还有研究者在烟雾暴露的小鼠肠内观察到梭状芽孢杆菌、普雷沃氏菌数量增多,毛螺菌科细菌数量下降[12]。这些失调导致肠道赋予机体的“免疫耐受性”降低。一方面会引发肠绒毛萎缩及肠上皮紧密连接受损[2],另一方面,GM失调后引起的粘膜免疫反应通过“肠-肺轴”转移至肺,打破了肺部Th17/Treg的平衡。长期吸烟的COPD患者体内本身存在Treg细胞的降低和Th17细胞的升高,GM失调显著放大了这一免疫效应,导致肺脏弥漫性的结构改变,加速了COPD的炎症过程[4,13]。其机制探索对COPD病理生理的研究和防治具有重要意义。

二、GM失调引发COPD患者Th17/Treg失衡的机制

GM失调引发COPD患者体内Th17/Treg失衡的机制尚未完全明确,很多问题仍需要进一步探索。目前已知烟雾暴露引起的GM活动异常不仅通过影响SCFA的生成和分节丝状菌(segmented filamentous bacteria,SFB)的定植来调节肺部免疫,还通过介导Toll样受体(toll-like receptors,TLR)信号转导通路和细胞因子信号转导抑制因子1(suppressor of cytokine signaling 1,SOCS1)通路影响Th17/Treg的平衡,接下来对上述机制进行综述。

1. GM-SCFAs-Th17/Treg细胞轴

SCFA可以被直接运输到肺并与肺免疫细胞上的G蛋白偶联受体(G protein-coupled Receptors,GPRs)相结合;也可在肠内抑制组蛋白脱乙酰酶( histone deacetylase,HDAC)引发Th17/Treg失衡,失衡的免疫细胞通过肠-肺轴迁移至肺,介导共同粘膜反应。SCFA由GM酵解膳食纤维而来,包括丁酸盐、乙酸盐等,它们经肠道吸收后可以随血液遍布至全身来调节多器官代谢[14]。一方面,SCFA被直接运输到肺组织中,与肺免疫细胞上的GPR相结合(如GPR41、GPR43、GPR109),诱导叉头盒蛋白P3(forkhead box protein P3,FoxP3)增殖来促进Treg分化[14-15]。另一方面,SCFA作为HDAC的抑制剂发挥抗免疫作用,HDAC被丁酸盐抑制后,实验动物肠上皮细胞中FoxP3+及转化生长因子β的表达增加,促进了Treg在肠内积累[16]。值得一提的是,丁酸和丙酸可通过与GPR相互作用及抑制HDAC的双重途径来调节巨噬细胞代谢程序,显著抑制Th17分化[17-18]。

2. TLR信号转导通路

烟雾暴露诱发的GM失调导致细菌释放大量脂多糖(Lipopolysaccharide,LPS)入血,其可以作为病原体相关分子模式 (pathogen associated molecular pattern, PAMP) 与肠和肺免疫细胞上的TLR4受体相结合,打破COPD患者肠和肺内Th17/Treg细胞的平衡。TLR是固有免疫中一种模式识别受体,广泛存在与各个器官,它能够识别PAMP,引起下游信号级联反应。PAMP是病原体所携带的分子模式,可以被免疫系统识别并触发免疫反应,主要包括细菌来源的LPS、病毒等。已知烟雾诱导的GM失调小鼠肠屏障受损,肠菌来源的LPS与TLR4受体相结合后,通过髓样分化初级应答基因88和含TLR结构域的衔接子蛋白,触发活化B细胞的核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)的转录和翻译,刺激NF-κB途径[19]。该途径不仅产生大量直接损伤肺泡细胞的炎症因子,也可诱导Th17/Treg失衡,加重肺部炎症反应[20-21]。肺部的过度炎症反应促进GM和肠相关淋巴组织向炎症模式转变,继而产生肠-肺恶性循环。金氏副拟杆菌衍生的LPS毒性较低,它以剂量依赖方式与循环中毒性较强的LPS竞争TLR 4受体,减轻气道免疫反应[22],目前已被成功开发为功能性益生菌,广泛应用于临床。

3. 分段丝状菌诱导Th17细胞过度分化

在GM失调期间,SFB主要在小肠直接或间接刺激Th 17分化。SFB是附着于末端回肠上皮与梭菌属相关的特定共生菌,在出生后驱动肠道免疫屏障的成熟[23]。各种因素引发GM紊乱后,SFB选择性地扩大双重T细胞受体识别自身抗原来诱发Th 17过度表达[14,24]。SFB还可以在定植于宿主上皮细胞后诱导血清淀粉样蛋白A表达,从而刺激肠道固有层中树突状细胞(dentritic cell,DC)分泌白细胞介素6和白细胞介素23诱导Th 17的分化[25]。由于肺中稳定表达Th17的化学引诱物趋化因子配体20,故SFB诱导的肠道Th17可通过肠肺轴优先募集到肺,实现免疫信号的转移[24]。目前由SFB缺乏构建的肺气肿模型相对较少,其介导COPD恶化的具体机制仍有待研究。

4. GM失调抑制SOCS1的转录与表达

SOCS1缺乏的COPD患者体内GM失调,这一失调可通过介导SOCS1的下调来促进Th17/Treg失衡。SOCS是JAK信号转导通路和STAT(转录激活因子)通路的负性调节因子[26]。它不仅参与DC的分化、活化和成熟,还可以维持DC的原始状态,抑制Treg向Th17的转化。向DC内转染SOCS1可以早期保护Treg细胞功能,早期控制炎症[27]。GM与SOCS1之间存在一定的交互作用,COPD模型中SOCS 1的转录和表达受到抑制,支气管黏膜及肺泡灌洗液中的SOCS1大量降解。SOCS1敲除的小鼠肠中GM也发生相应变化,如普雷沃氏菌科成为优势种群,嗜胆汁菌属、瘤胃球菌属和链球菌属丰度也增加[27]。失衡的GM进一步触发SOCS1下调,介导白三烯 B4/白三烯B4受体1异常通路持续释放炎性介质,诱导Th17分化,加重肺损伤[28]。

三、肠道菌群及其代谢产物对COPD的防治意义

1. 通过粪便微生物移植来恢复Th17/Treg平衡

粪便微生物移植(fecal microbiota transplantation,FMT)是一种通过将供体粪便中的有益细菌或代谢产物引入患病受体来治疗肠道微生态失衡的方法[29],不仅可以使产SCFA菌种增多,还可以通过恢复Th17/Treg的平衡来改善COPD。有研究者证明FMT可增加肺气肿小鼠体内产SCFA肠菌丰度(如拟杆菌科和毛螺菌科),显著改善COPD患者临床症状[22,30]。此外,FMT促进Th 17/Treg平衡,减轻肺部氧化应激水平。研究小组用FMT来重建肺气肿小鼠的肠道微生态,结果显示小鼠肺中TLR 4/NF-κB信号传导途径下调,Th 17/Treg比例较前降低[12]。FMT在治疗方面仍存在争议。当粪便细菌被移植时病毒也被移植,引发严重的副作用[29]。因此,如何平衡仍然是一个需要解决的问题。

2. 膳食纤维通过改善肠道微生态来影响COPD进程

饮食摄入极大影响着肠道微环境。Jang Y.O.对基于膳食纤维组分的肺气肿小鼠粪便进行了微生物分析,结果表明高纤维素和高果胶饮食能显著减轻肺部病变,这与微生物群和免疫系统的相互作用有关[31]。膳食纤维果胶通过增加粪便和血清中SCFA的浓度、改变肠道和肺中厚壁菌与拟杆菌的比例、抑制DC功能发挥免疫调节作用[32]。多项研究表明高膳食纤维饮食不仅可以预防COPD,还可以显著延缓COPD进程[29]。每日膳食纤维摄入量≥ 36.8g可降低约38%的COPD患病率,长期摄入膳食纤维可以减少COPD患者约30%的急性加重风险率[29,33]。部分膳食纤维还可以作为益生元高效促进益生菌增殖,给COPD带来新的研究视角。

3. 中草药通过恢复Th 17/Treg平衡来改善COPD

据报道,中草药能通过多种途径影响GM的多样性,在改善COPD患者临床症状、延缓肺功能下降等方面取得了巨大进展。例如,宣白承气汤不仅能促进益生菌增殖,抑制致病菌生长,还可纠正Th 17/Treg失衡,延缓COPD进展[34]。芪白平肺胶囊可以改变COPD大鼠肠道群落结构,促进Th 17/Treg达到新平衡,降低COPD氧化应激水平[35]。但目前相关临床研究较少,今后需采用更先进的科学技术方法做进一步探索。

四、展望

Th17/Treg失衡在COPD的发病中起重要作用。近年来许多研究着眼于微生物组学及免疫学,为研究GM参与COPD发病的具体机制提供了新思路。在COPD中,GM失调后的代谢产物可以直接运输至肺部诱发免疫反应,也可以在肠内刺激Th17/Treg细胞失衡后再通过肠-肺轴运输至肺,影响肺免疫活性。已有研究表明FMT、高膳食纤维饮食及中草药可通过恢复肠道微生态环境达到治疗COPD的目的,但上述方法尚未广泛应用于临床。基于当前COPD发病率的不断上升,未来应积极探求GM与COPD-Th17/Treg轴之间的分子机制,构建确切的COPD-GM失衡模型,进行大规模前瞻性研究,旨在拓宽研究者对肠道微生物群在COPD发病机制的理解,为COPD的治疗提供新策略。