InteractionBetweentheMicrobiota,Epithelia,andImmuneCellsintheIntestine

肠道菌群、上皮细胞和免疫细胞之间的互作（二）

作者：HisakoKayama,RyuOkumuraandKiyoshiTakeda

通讯作者及单位：HisakoKayama日本大阪大学医学研究生院微生物学与免疫学系

引用：AnnuRevImmunol,Apr26;38:23-48.

3.微生物与免疫细胞之间的相互作用

3.1肠道菌群与免疫细胞间的信号转导

在肠黏膜中，骨髓细胞在先天和适应性淋巴样细胞的增殖和分化中起关键作用。Th1和Th17细胞驱动的炎症反应可保护宿主免受有害菌的侵害，而它们的过度活化与肠道炎症的发病机制密切相关。在适应性免疫细胞中，Foxp3+调节性T细胞（Tregs）抑制效应T细胞的过度活化，从而提高黏膜免疫耐受性。肠道菌群指导宿主固有免疫和适应性免疫细胞的发育成熟。肠道菌群对免疫细胞的信号作用分子分类为：细菌衍生的代谢产物和细菌组成成分。

3.1.1细菌代谢产物与免疫细胞

通过调节免疫反应，源自肠道菌群的代谢产物有助于维持肠道稳态，进而调控肠道炎症的发生发展。

3.1.1.1短链脂肪酸与免疫细胞

梭状芽胞杆菌簇VI、XIVa和XVIII产生的SCFAs可诱导上皮细胞分泌表达TGF-β，促进Foxp3+Treg的活化。SCFAs充当免疫细胞的组蛋白脱乙酰基酶（HDAC）抑制剂（图1b）。丙酸刺激免疫细胞产生IL-10进而诱导Foxp3+Treg的增殖，并激活GPR43信号通路，通过抑制HDAC的活性，从而预防T细胞介导的结肠炎。

丁酸通过抑制HDAC活性，促进外周组织中Foxp3+Treg的产生。梭状芽胞杆菌产生的丁酸诱导Foxp3基因启动子中的组蛋白H3乙酰化，导致Foxp3+Treg分化加速。在先天免疫系统中，丁酸通过抑制巨噬细胞中促炎性介质的表达并通过抑制HDAC活性，进而抑制DC成熟来维持机体对共生细菌较低的免疫反应。此外，丁酸介导的GPRa信号激活有助于巨噬细胞和树突状细胞（DC）在结肠中募集Foxp3+Treg和产生IL-10的CD4+T细胞进而发挥其抗炎特性。

乙酸通过p70S6激酶（P70S6K）的乙酰化和核糖体蛋白S6（rS6）的磷酸化，刺激雷帕霉素靶蛋白（mTOR）的信号转导，从而激活GPR41诱导Th1、Th17和CD4+T细胞的分化。Th1细胞中的SCFAs/GPR43信号通过激活STAT3和mTOR来上调Blimp-1的表达，从而诱导相关免疫细胞产生IL-10。

3.1.1.2乳酸和免疫细胞

乳酸是一种细菌发酵膳食纤维产生的有机酸。新生儿肠道中定植的大多数是产生乳酸的细菌，例如双歧杆菌、乳杆菌、拟杆菌、肠球菌、葡萄球菌和链球菌。研究发现，植物乳杆菌过度生长导致乳酸水平升高。乳酸介导的突变果蝇中ROS的增加导致肠道上皮干细胞过度增殖，这主要归因于肠道菌群介导的IECs发育异常所致。同样，在饥饿处理的小鼠结肠中，粘液乳杆菌分泌的乳酸可加速结肠上皮细胞的更新，其中IECs对致癌物表现出很高的敏感性。

益生菌代谢产生的乳酸（VSL＃3）有益于改善小肠的屏障完整性。乳酸通过诱导潘氏细胞和基质细胞中乳酸特异性受体GPR81及Wnt3的表达，从而促进肠道上皮干细胞的增殖，抑制肠道损伤（图1b）。此外，乳酸通过影响固有层吞噬细胞CX3CR1的表达，发挥免疫调节活性，吞噬细胞通过将树突延伸至肠腔来摄取细菌。在小肠中，菌群产生的乳酸和丙酮酸通过激活GPR31信号转导，诱导吞噬细胞CX3CR1的表达，进而调节肠道免疫功能（图1b）。口服沙门氏菌后，Gpr31缺陷型小鼠的免疫反应减弱，CX3CR1+吞噬细胞对肠腔内沙门氏菌的吞噬作用减弱，导致Gpr31缺陷型小鼠死亡率高于野生型小鼠。

3.1.1.3次级胆汁酸和免疫细胞

次级胆汁酸BAs通过其受体（包括TGR5和FXR）调节肠道和肝脏的免疫反应（图1c）。BAs与TGR5的相互作用通过抑制NLRP3炎性小体的激活，抑制NF-κB信号传导或诱导CREB介导的IL-10产生，从而下调了巨噬细胞促炎细胞因子的表达。除了TGR5以外，巨噬细胞中的BA-FXR轴还通过核受体共抑制蛋白介导的染色质修饰来抑制NF-κB依赖性炎症介质的表达，包括IL-6、TNF-α、IL-1β和iNOS等。

梭状芽胞杆菌产生的次级BAs通过减少CXCR6配体CXCL16在肝窦内皮细胞上的表达，来抑制表达CXCR6的自然杀伤T细胞（NKT）向肝脏的募集。在新生儿时期，肠道菌群的定殖通过CpG基因的超甲基化，导致IECs中CXCL16基因表达的下调。这与表达肠道CXCR6的NKT细胞数量减少和严重的肠道炎症发展有关。

回肠固有层含有大量宿主代谢产生的BAs。效应CD4+T细胞在肠道固有层中上调ATP依赖的转运蛋白ABCB1的表达，回肠效应T细胞通过CD+DC介导的机制高表达多药耐药性基因1（MDR1）。ABCB1多态性是IBD致病的关键因素。缺乏ABCB1的小鼠由于屏障完整性的破坏而患有共生细菌介导的自发性结肠炎。此外，Rag1缺陷小鼠中导入Abcb1a/1b缺失的CD4+T细胞，小鼠会产生严重的回肠炎。受体小鼠中的BAs转运蛋白（ASBT）的缺乏可缓解由效应T细胞中ABCB1缺失引起的回肠炎。BAs缓解了因效应CD4+T细胞上ABCB1缺失引起的肠道氧化应激，这与调控促炎性细胞因子的表达有关。有趣的是，患有回肠克罗恩病的患者在效应T细胞中显示ABCB1功能丧失。因此，效应子T细胞和宿主衍生的BAs通过ABCB1的协同作用，对T细胞稳态及预防小鼠回肠炎症至关重要。

3.1.1.4ATP与免疫细胞

受损或死亡的细胞向胞外释放ATP可以激活免疫细胞并触发细胞程序性死亡。在肠道中，肠腔中的共生和致病细菌（包括盲肠肠球菌、鸡肠球菌、大肠杆菌和沙门氏菌）和固有层中活化的免疫细胞会产生细胞外ATP（图1e）。CD70+CD11b+DC通过在鼠大肠中产生IL-6、IL-23和TGF-β来促进Th17细胞的分化。

胞外的ATP受ATP水解外切酶的调控，这些酶包括：外核苷三磷酸二磷酸水解酶（E-NTPDases）和外核苷焦磷酸酶/磷酸二酯酶（E-NPPs）。E-NTPDases催化ATP水解为ADP及ADP水解为AMP。其中E-NTPD1和E-NTPD7发挥免疫调节作用。E-NTPD1也称为CD39，它在Tregs细胞膜上高度表达。TCR激活Foxp3+Tregs中CD39的水解活性，随后增强其免疫抑制活性。此外，先天性髓样细胞上CD39通过酶解ATP进而调控嗜中性粒细胞的趋化活性，同时诱导嗜中性粒细胞产生IL-8和IL-1β。有学者采用对肠道炎症表现出高度敏感性的Entpd1缺陷小鼠进行试验，证实了CD39的免疫调节功能。E-NTPD7在小肠的上皮细胞上高度表达，在Entpd7缺陷型小鼠中，小肠Th17细胞的数量增加，同时肠腔内含有高水平的ATP。但是，抗生素处理或添加ATP抑制剂可减少肠道Th17细胞的数量。因此，E-NTPD7介导的ATP水解抑制了小肠Th17细胞的免疫应答反应。

目前已知E-NPP1、E-NPP2和E-NPP3可以水解ATP。E-NPP3在小肠的上皮细胞中高度表达。Enpp3缺乏引起细胞外ATP水平的增加，这导致小肠和派尔氏斑块中P2X7受体介导的浆细胞样DC（pDC）的凋亡。除上皮细胞外，活化的肥大细胞分泌大量ATP，P2X7受体介导的ATP信号传导与肠道炎症的发病机制有关。此外，Enpp3-/-小鼠会诱发严重的过敏性肠道炎症，而ATP水解功能的障碍会导致肠道肥大细胞数量增加。有趣的是，克罗恩病患者结肠中表达P2X7受体的肥大细胞水平很高，因此，ATP水解酶对于抑制与IBD相关的肠道炎症至关重要。

3.1.2细菌组成成分与免疫细胞

肠道共生细菌和致病细菌通过激活肠道中的TLR途径来调控宿主的免疫应答反应（图3）。

CX3CR1+吞噬细胞在稳定状态下不会迁移。通过TLR/MyD88信号传导，肠道菌群限制了固有层CX3CR1+吞噬细胞向肠系膜淋巴结（MLN）的归巢。MyD88的缺失或营养不良会导致CX3CR1+吞噬细胞向MLN迁移，从而诱导Th1型细胞免疫反应增强，sIgA分泌增加。除限制细菌易位外，结肠中巨噬细胞分泌IL-10的过程还需要TLR介导的微生物识别。益生丁酸梭菌通过激活TLR2/MyD88信号通路诱导CD11b+CD11c巨噬细胞分泌IL-10，从而缓解DSS诱导的结肠炎。

外界病原菌入侵肠道时，肠道固有层中表达TLR5的CD11DCs分泌大量促炎细胞因子。此外，肠道DC上的TLR5调控了免疫细胞从肠道固有层到MLN的迁移。鼠伤寒沙门氏菌感染时，由于Tlr5基因的缺失抑制了鼠伤寒沙门氏菌从肠道向MLN的转移。这表明在鼠伤寒沙门氏菌的感染过程中，菌通过鞭毛蛋白介导肠道DC中TLR5信号的激活。鼠伤寒沙门氏菌的鞭毛蛋白通过激活NLRC4炎性小体来促进caspase-1介导的IL-1β的表达。另外，NLRC4/caspase-1途径诱导吞噬鼠伤寒沙门氏菌的吞噬细胞发生热解，在这种情况下，鼠伤寒沙门氏菌被嗜中性粒细胞衍生的ROS杀死。

淋巴细胞可合成分泌IgA，淋巴细胞通过激活基质细胞来促进次生淋巴组织的生成。同时TLR介导的间质细胞对共生细菌的识别，引发巨噬细胞和DC的募集和激活，从而促进TGFβ介导的IgA的合成。固有层和派尔氏结中表达TLR5的DC通过产生视黄酸、IL-6和IL-5来驱动初级B细胞分化并分泌IgA。iNOS诱导B细胞上TGF-β受体的表达，同时iNOS通过诱导DC中增殖诱导配体（APRIL）和TNF家族的B细胞激活因子（BAFF）的表达，来启动T细胞对IgA的分泌。除TipDCs外，pDCs还响应基质细胞产生的I型干扰素诱导APRIL和BAFF表达的过程。

B细胞通过TLR/MyD88信号传导产生的IgM可通过增强上皮屏障完整性，进而预防DSS诱导的结肠损伤。T细胞中Stat3的激活促进CD4+T细胞的增殖和Th17细胞的分化，从而引起严重的肠道炎症。研究发现CD4+CD45、CD25+Treg高表达TLR2/4/5/7/8。LPS刺激CD4+CD25+Treg的增殖并增强其免疫抑制活性。效应T细胞的增殖可抑制TLR2介导的CD4+CD25+Tregs细胞的免疫活性，从而增强宿主对白色念珠菌等入侵病原体的防御功能。脆弱拟杆菌的作用途径依赖于TLR2，脆弱芽孢杆菌通过产生GSL-Bf的糖脂类磷脂来抑制iNKT细胞的增殖，并产生荚膜多糖A（PSA），PSA是一种具有免疫耐受性的共生因子，可用以缓解肠道炎症反应。PSA通过作用于肠道细胞膜上的TLR2，启动DC的TLR2依赖性激活进而维持Th1/Th2型细胞免疫稳态。在pDC中PSA诱导TLR2信号通路，上调MHCII类和cos刺激分子（包括CD86和ICOSL）的表达，从而诱导CD4+T分泌IL-10。PSA还直接作用于T细胞中的TLR2，PSA和CD4+T细胞之间通过TLR2的相互作用促进IL-10的表达，进而刺激Foxp3+Treg的增殖，同时通过抑制Th17的免疫反应促进脆弱芽孢杆菌定殖。除TLR2外，PSA还作用于CD11c+DC中的NOD2，随后诱导IL-10的表达，进而刺激Foxp3+Treg的增殖。

益生短双歧杆菌Yakult菌株在结肠中刺激Foxp3-CD4+T细胞分泌IL-10。这些过程通过激活TLR2/MyD88信号通路，促进IL-10、IL-27、cMaf、IL-21和Ahr的表达。此外，益生唾液乳杆菌Ls33和鼠李糖乳杆菌Lr32通过以TLR2和NOD2依赖性方式，刺激CD4+CD25+Treg的分化进而诱导DC吲哚胺2,3-二加氧酶的表达。

综上所述，肠道细菌及其在肠道中的各种代谢产物可调控肠道先天和适应性免疫应答反应，这对于诱导肠道免疫耐受及缓解肠道病原体感染导致的炎症反应至关重要。

3.2肠道免疫细胞对肠道菌群的调节

肠道菌群是影响宿主免疫系统发育的重要因素，肠道菌群结构的破坏与包括IBD在内的几种肠道疾病密切相关。肠道免疫细胞直接或间接调控肠道菌群结构，因此，稳定的肠道菌群和宿主的肠道健康都需要肠道免疫细胞和肠道菌群之间良性的互作（图4）。

3.2.1先天淋巴样细胞（ILC）

几个肠道先天免疫细胞通过IL-23/IL-23R途径产生细胞因子IL-22。IL-22刺激上皮细胞表达抗菌肽。IL-22的缺乏会导致结肠菌群结构的改变，从而引起肠道对DSS诱导的结肠炎的高度敏感性。DC分泌的IL-22在宿主早期感染阶段，通过诱导上皮细胞分泌Reg3家族蛋白从而对念珠菌的感染起到抑制作用。相比之下，IL-22诱导肠道免疫细胞分泌抗菌肽，进而通过减少肠杆菌科细菌的数量来抑制沙门氏菌的异常扩增。

肠道中ILC3主要分泌IL-22。在小肠中，细菌鞭毛蛋白通过诱导CD+CD11b+DC产生IL-23，对ILC分泌IL-22及随后的上皮细胞分泌Reg3γ至关重要。由缺乏产生IL-22的ILC引起IECs抗菌肽的表达降低，导致产碱菌（一种淋巴驻留的共生细菌）发生外周易位。研究发现，在克罗恩病患者中产碱蛋白特异性IgG的血清浓度高于健康志愿者。在肠黏膜中，ILC3s产生的IL-22抑制了诱导Th17细胞增殖的SFB的繁殖，从而防止了Th17介导的肠道炎症。ILC3产生的IL-22和淋巴毒素α（LTα）促进小肠上皮细胞中共生细菌依赖性的Fut2表达，而产生IL-10的CD4+T细胞下调上皮细胞的岩藻糖基化。带有岩藻糖苷酶的肠道微生物可以从岩藻糖基化的上皮细胞中裂解岩藻糖。相反，岩藻糖可被肠道微生物用作能量来源进而影响其代谢。此外，共生细菌产生的岩藻糖还可以通过减少细菌毒力因子的表达，进而缓解病原体（包括鼠疫杆菌和鼠伤寒沙门氏菌）对宿主的毒害作用。

图4宿主免疫细胞对肠道菌群的影响。先天淋巴细胞系统[例如：先天淋巴细胞（ILC）、上皮内淋巴细胞（IEL）和自然杀伤性T（NKT）细胞]，和适应性淋巴细胞直接或间接调节共生细菌在肠道内的定殖。驻留在上皮细胞层中的IEL包括αβIEL和γδIEL，两者均受树突状细胞（DC）和上皮细胞产生的IL-15调控。γδIEL和αβIEL均可产生抗菌分子和促炎细胞因子，从而保护宿主抵抗病原体的感染。NKT细胞能够识别CD1d在DC和上皮细胞间呈递的脂质抗原，进而抑制肠道共生微生物的定植等。黏膜相关淋巴细胞（MAIT）通过产生促炎细胞因子来抑制肠道菌群诱发的免疫反应。第3组先天性淋巴样细胞（ILC3）通过产生IL-22将某些共生细菌（包括产碱菌）募集于肠道淋巴组织。此外，肠道上皮细胞内α（1，2）-岩藻糖基化过程依赖于ILC3分泌的IL-22和LTα1β2诱导的FUT2表达。共生细菌的岩藻糖苷酶降低了细菌毒力因子的表达。与ILC3相比，CD4+T细胞通过分泌IL-10抑制FUT2在上皮细胞中的表达。粘液层包含浆细胞和B细胞产生的多种IgA抗体，通过聚合免疫球蛋白受体（pIgR）易位到肠腔的IgA抗体，进而抑制肠腔内抗原进入固有层并调节肠道菌群的过程。在派尔氏结的生发中心，卵泡辅助性T（Tfh）细胞上的程序性细胞死亡1（PD-1）可维持肠道菌群结构的稳定。

3.2.2上皮内淋巴细胞

沿结肠和小肠上皮细胞层分布的上皮内淋巴细胞（IEL）分为两个子集：A型IEL（CD8α+TCRαβ+和CD4+TCRαβ+）和B型IEL（CD8αα+TCRαβ+和CD8αα+TCRγδ+）。CD8αβ+TCRαβ+A型IEL对轮状病毒、弓形虫和兰氏贾第鞭毛虫等微生物具有保护作用。双歧杆菌通过激活小肠中TLR途径进而促进CD8αβ+TCRαβ+IEL的增殖。与脾脏CD8αβ+T细胞不同，IL-15可诱导小肠CD8αβ+TCRαβ+IEL高度表达包括Defa1、Lypd8和Reg3g在内的细胞因子，从而直接抑制细菌生长。DSS处理后，结肠中的TCRγδ+B型IEL产生促炎细胞因子和趋化因子，抑制了共生细菌向MLN的易位。上皮细胞固有的MyD88信号传导调控TCRγδ+IEL的免疫反应，从而抑制病原微生物向肠道固有层的迁移。此外，DC通过NOD2介导的微生物识别途径分泌IL-15，从而维持B型IEL稳态。

3.2.3自然杀伤性T细胞

DC和IEC表达的MHCI类分子CD1d将糖脂抗原呈递给NKT细胞。缺乏Cd1d的小鼠在近端小肠中包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和加氏乳杆菌的定殖频率增强。潘氏细胞产生的抗菌肽在Cd1d缺陷的无菌小鼠肠道中明显减少。此外，Cd1d缺陷型小鼠的粪便菌群结构发生了改变，主要表现为厚壁菌门丰度的降低，表明CD1d介导的NKT细胞激活对于调节肠道细菌的定植、增殖、易位等至关重要。

MHC相关蛋白1（MR1）限制的NKT细胞（简称MALT）在血液、肺、肝和肠中大量分布，但在无菌小鼠体内不存在。MR1通过结合细菌和真菌细胞可产生核黄素（维生素B）生物合成前体物。MALT细胞有助于抑制脓肿分枝杆菌或大肠杆菌对肠道的感染，但对某些无法合成核黄素的细菌无抑制作用。这表明细菌来源的核黄素代谢物激活MAIT细胞的过程对宿主抵抗细菌感染具有重要意义。

3.2.4产生IgA的细胞

IgA是肠腔中最丰富的一类抗体，它通过上皮细胞上的聚合免疫球蛋白受体（pIgR）转运，然后以分泌型IgA（SIgA）的形式释放到肠腔中。在机体正常状态下，sIgA对于调节肠道菌群的动态平衡至关重要。在缺乏B细胞的小鼠中，血清中的LPS浓度高于对照小鼠，并且肠道菌群结果发生改变。胞苷脱氨酶缺陷小鼠的小肠中SFB和厌氧细菌大量增殖。同样，由于体细胞的基因缺陷，其产生sIgA的功能较低，因此在AIDG23S突变小鼠中，观察到细菌在小肠中大量增殖，并且病原菌大量向MLNs迁移。

炎症小体介导的营养不良型小鼠肠道中大量富集大肠埃希氏菌、幽门螺杆菌、SFB等。同时IBD患者肠道内部分细菌（包括某些脆弱拟杆菌菌株）易位到肠道的粘液层中，加剧了DSS诱导的肠道炎症。

在派尔氏结中，高表达程序性细胞死亡分子1（PD-1）的滤泡辅助性T细胞（Tfh）通过在生发中心激活B细胞的增殖进而诱导sIgA的分泌。小鼠肠道中PD-1的缺乏导致肠道菌群结构改变。在这类小鼠肠道中，sIgA的分泌发生变化，sIgA对细菌的亲和力降低。因此，派尔氏结中Tfh细胞和B细胞之间相互作用的PD-1信号传导，对于小肠中sIgA介导的肠道菌群稳态至关重要。除派尔氏结外，盲肠部分淋巴细胞也具有分泌sIgA的能力。盲肠DC可以增强CCR10在B细胞上的表达，进而诱导分泌sIgA的细胞向结肠的迁移。

总之，肠道菌群通过其代谢产物和细菌组成成分调控宿主的免疫功能。同时，肠道免疫细胞可调节肠道菌群的结构、增殖、易位等。营养不良和肠道免疫功能异常均与肠道炎症的发病机制有关。因此，维持宿主免疫细胞和肠道共生细菌之间的可持续共生关系，对维持宿主肠道健康至关重要。

4.结论与展望

超过40万亿个微生物栖息在肠道中，这些微生物产生多种具有生物活性的代谢物。这些微生物代谢产物通过调节宿主免疫反应和微生物的代谢活动，直接影响宿主的肠道健康。由于肠道菌群可为机体代谢产生营养物质和生理活性成分以维持宿主肠道健康，因此肠道菌群已开始被视为人体的器官之一。最近大量研究表明，营养不良、肠道菌群失调与IBD、过敏性疾病、代谢性疾病、神经性疾病等多种疾病的发病机制有关。

营养不良不仅是由某些生活习惯引起，例如过量的高脂饮食和使用抗菌药物等；还由肠道黏膜免疫系统功能障碍引起。最近的一个研究表明，将髓样细胞与IL-23/IL-22途径缺陷的IECs整合，加剧了高脂饮食诱导的动脉粥样硬化。如本综述所述，肠道免疫功能障碍可通过诱导营养不良而潜在地促进机体疾病的发生发展。这意味着某些未知的疾病可能与肠道菌群和宿主免疫功能共同调控的肠道生态系统的稳态有关。因此，阐明肠道生态系统的互作机制和分析因肠道生态系统破坏引起的生物学反应，可能为一些疾病的防治提供策略。

为此，我们集中总结了肠道上皮细胞与肠道菌群，以及免疫细胞和肠道菌群之间的互作机制。最新的研究表明，肠道菌群与宿主细胞之间存在复杂的相互作用机制，然而这些机制仍需要进一步挖掘。涉及到细菌的代谢产物与肠道微生物之间的相互作用，包括细菌、真菌、病毒等有待进一步研究；另外包括宏基因组学、转录组学和代谢组学在内的高级分析方法，将为微生物组以及宿主细胞在机体健康和疾病中的作用研究提供重大支持。目前这些高级的分析工具已经确定了肠道微生物代谢产物与系统性疾病（例如神经系统疾病和心血管疾病）之间的联系，但目前应该结合动物上的研究结果进一步对人类多种顽固性疾病的防治寻找新的策略。