【专题笔谈】肠道菌群失调与脊柱关节炎(上)

中华内科杂志2018-01-11 06:03:12

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作者:李坤鹏 黄烽 

本文刊于:中华内科杂志, 2015,54(05): 407-410


人的肠道中有着数以万计与人体共生的微生物,总称为肠道菌群(intestinal microbiota),包含约1 000种以上共计100万亿个细菌,是人类全身细胞数量的100倍以上。它们不仅对维持肠道黏膜屏障完整及正常的免疫功能有着至关重要的作用,且还帮助机体吸收维生素和维持能量动态平衡。微生物独立基因测序技术及宏基因组学分析结果显示,厚壁菌、拟杆菌、放线菌、变形杆菌、螺杆菌、疣微菌是人类肠道中最主要的菌群,其中厚壁菌和拟杆菌占肠道菌群的90%以上[1]。肠道菌群种类和比例在人群个体之间相对比较稳定,由于某种原因如感染、滥用抗菌药物等使肠道正常菌群中各菌种间比例发生较大改变而超出正常范围,由此产生的病症称为肠道菌群失调(dysbiosis)。目前发现肠道菌群失调与多种疾病有关,如肥胖、多发性硬化、炎性肠病(IBD)、银屑病及脊柱关节炎(SpA)等。

SpA是一组与HLA-B27分子密切相关的自身炎症性疾病,包括强直性脊柱炎(AS)、银屑病关节炎、反应性关节炎、炎性肠病性关节炎、幼年脊柱关节炎等。尽管已证实,其发病与HLA-B27密切相关,但仍不能解释其全部发病机制,有学者推测环境因素包括细菌感染在SpA发病过程中起很重要的作用。目前已知,IBD包括溃疡性结肠炎(UC)和克罗恩病(CD)的发病与肠道菌群失调密切相关,而SpA和IBD在发病机制与临床表现上有部分重叠,因此有理由相信肠道菌群失调与SpA的发病存在某种关联。


一、 IBD和SPA中的肠道菌群失调

不同的研究结果显示,IBD与SpA肠道菌群改变不同。但大多数研究结果提示,在IBD和SpA中肠道群菌的多样性减少,最常见的是厚壁菌属(Firmicutes)减少,而变形杆菌属增多。迄今未发现哪种病原菌与IBD和SpA发病直接相关。


一项研究[2]利用PCR独立基因测序和变性梯度凝胶电泳技术测定15例SpA患者和健康对照组的肠道群菌,以试图发现SpA患者中肠道菌群的变化,结果发现,由于存在高度变异,未能发现组间结果的差异,只是在SpA患者粪便样本中发现更高比例的硫酸盐还原菌。同样,在HLA-B272微球蛋白转基因鼠和健康对照鼠中也未发现任何有意义的菌群。最近利用16S-rRNA基因测序和分析技术发现,在HLA-B27转基因鼠肠道中普雷沃杆菌(Prevotella)和普通拟杆菌(Bacteroides vulgatus)数量增加,与之相伴的是理研杆菌(Rikenellaceae spp.)的减少[3]。最近发表的一项研究证实[4],SpA患者回肠末端菌群与健康对照者有显著差异,利用独立于培养的16S-rRNA基因测序和分析技术获得微生物图像发现,SpA患者肠道中毛螺旋菌、韦荣球菌、普雷沃菌、紫单孢菌及拟杆菌显著增加,而瘤胃球菌(Ruminococcus)和理研杆菌明显减少,其中毛螺旋菌和普雷沃菌与IBD密切相关。更为重要的是,这些改变均是在无肠道炎症的SpA患者中出现,提示无论是否存在结肠炎,肠道菌群失调均会导致SpA发病。


二、肠道菌群失调与炎症的关系

目前有关CD的发病机制,最主要的假说是由于环境或基因因素导致肠道菌群出现异常的免疫反应所致。最令人信服的证据是发现核苷酸结合的寡聚结构域2(NOD2)/半胱天冬酶相关募集结构域15(CARD15)的多态性,这种多态性将影响肠道群菌-黏膜相互反应,从而导致CD的发生。NOD2是一种识别细菌肽聚糖的模式识别受体(PRRs),NOD2激活后刺激NF-κB通路启动,从而导致炎症的出现。基因多态性范围逐渐扩大,其他通路如自噬溶酶体和内质网应激也将逐步启动。这些均证实了菌群失调在IBD发病机制中的重要作用。同样,在SpA中也发现这些现象,基于此我们认为肠道菌群失调可能与SpA发病相关。


肠道第一层防御系统是由肠道黏膜上皮细胞分泌的黏液、抗菌肽和分泌型IgA组成,而在SpA和CD患者中第一层防御系统出现功能紊乱。黏液是由肠道内上皮细胞分泌,具有营养某些细菌的作用,更可以直接调节宿主肠道菌群。在黏液分泌缺乏的大鼠中可出现自发的结肠炎,而在HLA-B27转基因鼠中还可出现类似SpA的症状[5]。肠道黏液分泌失调不仅可以影响肠道微生物的构成,且减低机体对肠道菌群的免疫耐受。抗菌肽作为一种防御素,可以调控肠道内菌群的增生,主要是由胃肠道黏膜中的潘氏细胞所分泌,其分泌是通过固有免疫受体NOD2识别微生物种类来进行调解。在SpA患者回肠组织切片中发现潘氏细胞抗菌肽表达上调,同样在HLA-B27转基因并出现SpA类似症状的大鼠骨髓细胞中也发现抗菌肽表达上调[6]。其他研究提示,在SpA患者中抗菌肽表达上调可以导致肠道内有益菌群数量减少,从而出现IBD样肠道炎症。分泌型IgA是肠道第一层防御系统的另一种保护因素。在AS和CD患者中肠道抗克雷伯杆菌和抗肠杆菌的分泌型IgA水平明显升高,而这些分泌型IgA可能会与关节中自身抗原如HLA-B27发生交叉反应,从而出现关节炎症,因此在SpA患者血清中或滑膜组织中也经常会发现明显升高的IgA[7]。一些AS患者还会出现一种选择性IgA缺乏,这些可能并不直接与SpA发病有关,但可能会影响肠道菌群的迁移,从而导致炎症的发生,尤其是在那些严重AS患者中更容易出现选择性IgA缺乏。


局部微生物的复合产物对维持肠道内皮细胞完整和保持屏障功能起重要作用。微生物刺激信号通路如NF-κB、丝裂原活化蛋白激酶(MAP)及炎症小体/半胱天冬酶信号能调节肠道内皮细胞(IEC)功能及激活局部免疫细胞。包括内皮细胞增生及分化、表达黏附分子/紧密连接蛋白和肠道黏膜免疫相关的趋化因子和细胞因子。在SpA患者中这些因素均出现明显的功能失调。在有亚临床肠道炎症的SpA患者中内皮细胞表达的E钙黏蛋白明显增加,而N钙黏蛋白表达明显减少,这些黏附分子的改变可能会引发肠道炎症。在SpA患者中还有另一种非常明显的现象就是肠道通透性增加,这时肠道内皮细胞完整性出现"渗漏",从而使微生物抗原暴露给黏膜免疫细胞,打破原有的免疫耐受。此外,还有可能使微生物抗原转移并沉积至外周关节而导致外周关节炎。


固有免疫细胞和肠道内皮细胞利用微生物相关分子模式(MAMPs)识别入侵的微生物病原体,主要通过细胞表面PRRs来识别,包括Toll样受体(TLRs)、NOD样受体(NLRs)、RIG-I样受体(RLRs)及C型凝集素受体(CLRs)等。缺乏这些PRRs的小鼠在肠道应激后很容易出现内皮细胞修复功能受损和继发的炎症。CARD9是一种在SpA和CD中容易受影响的基因,主要通过识别真菌和细菌壁中-葡聚糖来介导dectin-1和dectin-2受体之间信号传递。CARD9缺乏小鼠肠道内皮细胞受化学药物或肠道病原体破坏后,其肠道内皮细胞修复、重建能力下降,从而导致严重的肠道炎症。


除肠道微生物产物外,还有一种内源性组织应激因子也同样可以与PRRs结合,称之为损害相关的分子模式(DAMPs),机械应激可促使关节和肌腱端释放DAMPs。其代表因子就是钙粒蛋白(calgranulin),它是一种S100蛋白家族来源的复合胞质蛋白,常表达在最初受到应激的细胞中,继而出现在早期炎症反应中,可以作为监测局部病情活动的可靠的标记物。


除微生物产物出现异常外,宿主免疫和非免疫细胞处理细菌的能力下降也会导致肠道微生态的改变和/或肠道细菌炎症反应的扩散,其中主要的是自噬溶酶体和内质网应激。自噬溶酶体主要通过反应性氧自由基的产生来发挥其作用,而氧自由基可以引起组织损伤和诱导炎症信号通路如NLRP3炎症小体的产生。在慢性活动性AS肠组织中发现多种自噬溶酶体蛋白如LC3II、ATG5及ATG12表达增多,这间接反映SpA患者中自噬溶酶体通路功能失调,从而导致处理细菌的能力下降。内质网应激反应是炎症组织中同时存在的另一种功能失调的细菌处理通路。与SpA及CD相关的内质网应激通路基因存在多样性,如XBP-1和IRE1功能受损与IBD和SpA发病有关,HLA-B27错误折叠和内质网聚集也可引发内质网应激反应。在HLA-B27表达的巨噬细胞中,微生物信号如脂多糖可以增强内质网应激反应,产生Th17相关的细胞因子IL-23。因此肠道细菌固有物及其产物与内质网应激相互影响并促进炎症的发生。内质网应激诱导产生的IL-1证实可以促使破骨细胞形成,而这与SpA关节炎症密切相关[8]。尽管如此,SpA患者内质网应激反应功能如何失调仍无一致结论。


肠道细菌与黏膜免疫系统相互反应功能失调,可能在SpA发病和/或长期病程中起重要作用。肠道管腔内抗原和/或细菌出现异常免疫反应导致黏膜炎症,进而出现关节病变。基于免疫组化研究,失控的免疫激活和/或免疫调节导致慢性炎症,免疫活动最终导致肠道巨噬细胞和淋巴细胞从肠道黏膜迁移至关节或其他SpA受累器官或组织。多年前就已发现,反应性关节炎或其他SpA患者关节滑膜组织或关节液中发现细菌片段。此外,肠道和关节的基质细胞均产生病理水平的TNF,进一步提示SpA发病过程中存在共同的TNF依赖性。


固有免疫系统在SpA发病机制中扮演重要角色,基于此,我们着重强调肠道-关节轴系统的重要性。事实上,在CD和SpA患者的肠道中表达CD163的巨噬细胞均明显增多,同样在SpA滑膜中也明显增多。亦有研究指出滑膜T细胞可能也来源于肠道黏膜[9]。在SpA患者滑膜细胞中发现丰富表达的整合素αEβ7,而αEβ7是一种肠道细胞表达的MadCAM-1的配体,常与肠道内皮细胞表达的E钙调蛋白相结合。反应性关节炎患者滑膜组织中检测到对肠道抗原如伤寒沙门菌和小肠结肠耶尔森菌特异的T细胞,但这些T细胞是否来源于肠道仍不清楚。


此外,IL-23及Th17分泌的IL-17、IL-22也参与肠道及关节免疫过程。在SpA患者肠道黏膜、滑膜组织中IL-23、IL-17表达上调,其变化与SpA病情活动密切相关。肠道是诱导Th17成长分化的重要部位,肠道微生物来源的ATP和MAMPs如脂多糖、鞭毛蛋白可诱导肠道内单核巨噬细胞释放IL-1β、IL-6、IL-23,从而提供适合Th17分化成长的微环境。如沙门菌可诱导感染动物肠道局部的Th17反应,从而出现反应性关节炎样症状[10]。有学者认为,SpA关节炎的起病由肠道启动,尤其与Th17、IL-17及IL-23密切相关。


活动性AS患者肠道中Th17并不像IBD那样常见,反而,Th1和Th22则比较常见。因此,SpA患者IL-17和IL-22可能还有其他非T细胞来源的可能[11]。事实上有学者发现,AS患者NKp44+固有淋巴细胞(ILCs)是IL-22最主要的来源,而NKp44配体就包括微生物产物,且多是肠道常驻菌。其他一些研究发现,产IL-22的ILCs可以显著影响机体与微生物群间的关系。IL-22R表达于肠道基质细胞膜上,而许多IL-22依赖效应也是通过肠道上皮细胞上的IL-22来对肠道微生物群发挥作用,包括产生抗菌肽、上皮细胞岩藻糖基化等。而ILC/IL-22缺乏导致肠道微生物过度生长甚至透过肠道黏膜,如产碱杆菌或其他肠道病原菌。SpA患者肠道内NKp44+的产IL-22细胞增多则反映机体试图维持肠道菌群稳定和限制肠道炎症[12]。相反,NKp44激活同样引起TNF及其他炎性介质分泌增加,因此,ILCs可能是促进IBD模型鼠肠道炎症发生的一个重要因素。


总之,"正常"肠道微生物及适应性和固有性免疫细胞共同决定肠道动态自我平衡。这种微妙的平衡能使肠道免疫系统稳定的对肠道病原进行快速反应,使免疫调节处于正常状态。然而,如由防御屏障、微生物产物或细菌处理等变化介导的肠道菌群失调可能会打破这种平衡,使其向炎症方向发展。随之,这种状况可能会促使菌群失调改变并破坏肠道动态平衡。目前肠道与关节炎症的关系仍不十分清楚,但是在这种背景下,细菌产物和肠道免疫细胞肠外迁移、全身细胞因子释放均可能创造一个适合SpA发病的关节微环境。

 

 参考文献(略)



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