原名：Host-microbiota interactions in inflammatory bowel disease
译名：炎症性肠病宿主微生物群的相互作用
期刊：Nature Reviews Immunology
IF：44.019
通讯作者：Gabriel Nunez
通讯作者单位：美国密歇根大学医学院病理科与罗格尔癌症中心
1.引言
包括克罗恩氏病和溃疡性结肠炎在内的炎症性肠病（IBD）是一种慢性且复发性的肠道炎症性疾病，在美国约有300万人受到影响。尽管对IBD的发病机理了解甚少，但多方面证据表明该疾病是由改变肠道稳态的遗传和环境因素共同导致的，从而触发了遗传易感人群的免疫介导炎症。遗传学研究已经确定了200多个调节IBD风险的基因座，其中大多数与调节微生物识别和杀灭、对微生物的免疫反应和肠道屏障增强的免疫途径有关。尽管克罗恩氏病和溃疡性结肠炎的发病机理都涉及肠道炎症，但这两种疾病在几个特征上有所不同，包括与特定易感基因座的关联以及与疾病相关的免疫反应和病理类型（Box 1）。
Box 1 克罗恩病与溃疡性结肠炎的比较
两种形式的IBD发病机理的关键是它们与生活在肠道中的共生微生物的存在相关。常驻共生体有助于许多宿主的生理过程，包括消化和代谢功能，上皮屏障的调节，宿主免疫系统的发育和调节以及对病原菌定植的保护。绝大多数肠道微生物与宿主之间存在相互关系，而某些共生生物（例如Musicspirillumschaedleri和Helicobacter）通常被称为致病菌，因为它们在某些条件下会引起疾病。肠道菌群的组成表现出广泛的个体间和个体内变异性，这被认为是宿主对几种疾病（包括IBD）易感性的关键决定因素。IBD的关键特征是肠道菌群组成的改变（称为营养不良）。然而，关于病菌在疾病中的确切作用仍然知之甚少。大量共生微生物非常接近上皮表面，这是对粘膜免疫系统的挑战，因为它必须保持针对入侵病原体发起免疫反应的能力，同时避免对肠道菌群的有害炎症反应。在这篇综述中，作者讨论了限制特定微生物在上皮表面附近不适当积累并促进渗透性生物清除的机制，以最小化肠道中有害炎症反应的激活。作者还将讨论与IBD相关的基因突变如何破坏这些保护机制，这些保护机制被称为“粘膜防火墙”。此外，免疫系统已存在有效的调节机制，以抑制对可能在IBD中受损的常驻微生物群的不适当T细胞反应的激活。作者还描述了与IBD相关的遗传缺陷如何导致致病菌积累和渗透到肠道组织中，从而进一步促进营养不良和炎症。这篇综述着重于细菌，因为这些微生物在肠道炎症方面得到了最好的研究。但是，在适当的地方提到了肠道微生物群的其他成分（如病毒和真菌）在IBD中的作用。最后，作者通过讨论如何将微生物群靶向作为IBD的潜在疗法来结束本文。2.粘膜防火墙
肠道中大量的共生微生物是由单层上皮细胞从宿主组织中分离出来的。为了维持其与肠道菌群的稳态关系，宿主已经进化出几种策略来减少微生物与上皮表面的接触，并限制可能引发不必要的炎症反应的渗透共生体的存在。
2.1 从上皮表面分离共生菌
宿主通过几种机制限制了潜在有害微生物进入粘膜表面，包括粘液分泌以及抗菌蛋白和免疫球蛋白向肠腔的释放（图1）。肠上皮的粘液主要由杯状细胞分泌的高度糖基化的蛋白质（包括粘蛋白2（MUC2））组成。 MUC2的糖基化保护蛋白质免受宿主和细菌蛋白酶的降解，并促进与水的相互作用以形成粘液凝胶。在大肠中，存在两个明显不同的粘液层：外层包含大量粘液细菌，而内层靠近上皮。内粘液层提供了强大的物理屏障，并且还是抗菌肽和免疫球蛋白的支架，可防止微生物接触上皮表面。小肠缺乏界限清楚的内黏液层，但它含有大量的Paneth细胞，这些细胞是位于李柏恩隐窝底部的特化肠细胞，富含抗菌分子。为了响应细菌刺激，Paneth细胞将其抗菌分子（包括ɑ-防御素）释放到肠腔中，以限制细菌共生菌的积累。此外，小肠中的肠上皮细胞（IEC）分泌抗微生物凝集素，例如再生的胰岛衍生蛋白3γ（REG3γ），其在粘液层中积累并进一步促进微生物从宿主中的分离。
图1 粘膜防火墙
尽管固有层基本上没有急性炎症细胞，但某些中性粒细胞可以稳定状态迁移到肠腔侧，并通过多种机制杀死上皮表面附近的细菌，包括诱导氧化性爆发。细胞因子IL-22通过作用于上皮细胞介导屏障功能和抗微生物宿主防御，在建立宿主与微生物的共存关系中也具有作用。例如，第3组先天性淋巴样细胞（ILC3s）分泌IL-22对于遏制共生细菌是必需的，因为它诱导了抗菌肽的表达，从而阻止了产碱菌的系统性传播。IL-22的先天来源对于控制肠段性丝状细菌（SFB）的增殖和限制T辅助细胞17（TH17）细胞介导的结肠炎也很重要。IL-22还促进上皮聚糖的岩藻糖基化，以支持适于使用岩藻糖作为营养源的共生细菌的生长。IL-22信号转导和岩藻糖基化的破坏导致对肠道感染和结肠炎的敏感性更高，部分是由于病态的致病菌生长不良所致。 IgA也促进了肠道细菌从上皮表面的分离，而IgA是由常驻在肠道相关淋巴组织中的浆细胞产生的。大量的聚合IgA跨上皮细胞进入内腔，其中IgA通过包被细菌和结合微生物抗原及其毒素维持屏障功能，并通过未知的机制改变微生物的组成。在维持稳态过程中，IgA反应通过不依赖T细胞和依赖T细胞的过程（主要针对不同的微生物物种）组成性地发生。 IgA抗体通常具有多反应性，并且与微生物脂多糖，DNA和鞭毛抗原具有低亲和力。通过Toll样受体（TLR）参与的微生物感测可以直接刺激IgA的产生，尽管IEC的内质网应激也可以独立于微生物群诱导不依赖T细胞的IgA，从而提供针对肠道炎症的保护作用。此外，通过髓样分化初级反应蛋白88（MYD88）对微生物信号进行T细胞本能感测对于体内IgA稳态反应对预防营养不良和肠病至关重要。肠道菌群的选定成员在结肠炎期间被IgA大量覆盖，当转移至无菌动物时，对结肠炎的敏感性增强，这表明在病原体病期间优先结合IgA可能会鉴定与IBD相关的细菌。而大多数共生体强烈引起T 细胞依赖的IgA结合,典型的细菌,如SFB, M.schaedleri, Prevotella spp.和 Helicobacter sp. flexispira可以逃避T细胞依赖抗体反应来接近上皮表面,引起一个抗原依赖，高亲和性，T细胞依赖IgA的反应。相对于其通过微生物排斥保护屏障表面的作用，IgA可以被一些共生物种用来稳定地在肠道中定殖。这些研究表明，IgA可以通过促进有益共生菌的定殖来强化健康的微生物群，但在菌群失调状态下，IgA对潜在的大肠杆菌的反应是诱导作用。2.2 防止粘膜共生菌积累
促进共生体从上皮分离的保护机制不是万无一失的。考虑到大量微生物驻留在上皮表面附近，在体内平衡的情况下，某些细菌可以突破上皮屏障。为了应对这种情况，宿主免疫系统具有限制粘膜破坏性炎症和将渗透性微生物传播至全身组织的策略（图1）。这些策略包括通过大量驻留在上皮下的固有层固有巨噬细胞杀死细菌共生体，其通过多种机制吞噬和杀死渗透性微生物，包括产生抗菌分子和活性氧。在稳态条件下，这些常驻巨噬细胞在微生物感测方面存在缺陷，因此不会诱导炎症反应，而炎症反应是一种通过IL-10刺激介导的。肠道微生物也可以被固有层中的树突状细胞（DC）吞噬并转运至肠系膜淋巴结，其中细菌所含的DC诱导保护性IgA和调节性T（Treg）细胞。这些DC不能到达全身性次级淋巴样结构，从而限制了它们的全身性传播。2.3 系统性位点的控制
尽管存在坚固的粘膜防火墙，但稀有的肠道微生物仍通过静脉门系统或血管系统扩散（图1）。这些微生物可被肝中的库普弗细胞或脾中的巨噬细胞吞噬并杀死。共生细菌还可以通过依赖T细胞和不依赖T细胞的机制诱导稳态IgG反应。 IgG抗体可以通过识别高度保守的蛋白质（例如鼠莫林脂蛋白）来结合多种细菌，包括变形杆菌和相关病原体，以限制细菌从肠道的系统传播。此外，IgG2b和IgG3同型与与IgA结合的共生物种具有相似的反应活性，可以转移到母乳中的新生儿;这些母体IgG同型与IgA结合，结合新生儿菌群以限制异常的共生特异性T细胞介导的炎症。在缺乏IgA或含有MYD88和TIR结构域的介导衔接子的干扰素-β（TRIF）信号转接头缺陷的动物中，对微生物的系统性IgG反应得到增强，用于TLR介导的细菌感测。这种增强的IgG反应很可能代表由于适应性降低和渗透性共生细菌被杀死而导致的全身组织中共生菌增加的补偿性适应。
2.4 病原体逃避
肠道病原体已经进化出多种策略来破坏和逃避粘膜防火墙，这限制了细菌共生体进入粘膜组织的渗透。例如，一些病原体，包括肠沙门氏菌、弗氏志贺氏杆菌、小肠结肠炎耶尔森氏菌和霍乱弧菌，会产生黏液降解酶。此外，肠道病原体已经产生了抵抗机制，以抵抗由IEC产生的抗菌蛋白。例如，肠炎链球菌可以表达参与调节抗微生物肽抗性的脂多糖修饰的基因，以及参与抗微生物肽的螯合，外排和降解的基因。同样，单核细胞增生性李斯特菌使肽聚糖中的N-乙酰氨基葡糖残基脱乙酰基，从而逃脱了溶菌酶的溶菌活性，溶菌酶是Paneth细胞产生的酶。与细菌共生体不同，肠炎沙门氏菌产生毒性蛋白以逃避吞噬细胞中的溶酶体降解。进入肠细胞后，弗氏链球菌破裂液泡膜并逃逸到宿主细胞质中，从而逃避自噬介导的降解，在IECs之间复制和扩散。在嗜中性粒细胞中，弗氏链球菌可以通过超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的表达抑制活性氧介导的杀伤作用。因此，肠病原体已经进化出多种机制来逃避粘膜防火墙。与IBD更相关的可能是病原体，它可在缺乏粘膜防火墙的一个或多个组件的易感宿主中引发疾病。3.IBD粘膜防火墙破裂
减少微生物与上皮细胞表面接触的稳态过程的破坏可能会增加对IBD发展的易感性。通过观察多个IBD易感基因编码的蛋白，其功能是限制细菌共生菌对粘膜的渗透或促进细菌灭亡(图2)。
在小鼠中，MUC2的缺乏会导致粘液层异常，从而促进微生物群与肠道上皮表面的紧密接近，并导致自发性结肠炎。在溃疡性结肠炎患者中观察到的共同特征是隐窝深处细菌与上皮紧密接触。尽管已经在溃疡性结肠炎患者中描述MUC2的异常表达，但粘蛋白基因的变异与IBD易感性无关。然而，岩藻糖基转移酶2（FUT2）的功能丧失变异体编码一种促进粘膜屏障功能的蛋白质，与克罗恩病易感性增加相关。
核苷酸结合寡聚结构域2（NOD2）的遗传变异是第一个与克罗恩病相关的基因变异，并且仍然是疾病发展的最强遗传风险因子。NOD2是一种细胞内受体，可感测肽聚糖衍生的穆拉米二肽并诱导针对细菌的免疫应答。NOD2在Paneth细胞中表达，并可能调节其抗菌功能。但是，Paneth细胞消融或基质金属蛋白酶7（MMP7）缺乏，将无活性的前α-防御素转化为杀菌形式，并不会导致小鼠自发发炎。这表明IBD的发病机理需要额外的遗传缺陷或特定的病原体存在，而这些病原体在无特定病原体（SPF）条件下饲养的绝大多数小鼠的微生物群中都没有。 克罗恩病相关蛋白自噬相关蛋白16-like 1（ATG16L1）中的突变也可能通过损害Paneth细胞内分泌颗粒的胞吐作用而导致回肠疾病，这种活动限制了细菌共生菌的渗透。未折叠的蛋白质反应（UPR）转录因子X-box结合蛋白1（XBP1）的基因变异与克罗恩病风险增加有关。XBP1的特定上皮缺失会导致Paneth细胞内质网应激和结构缺陷。值得注意的是，IECs中的UPR和自噬途径均受损，与自发性克罗恩病样透壁回肠炎有关。两个克罗恩氏病易感基因TNFSF15和IL23R调节ILC3和TH17细胞，它们通过产生IL-17和IL-22在遏制共生微生物中起着至关重要的作用。但是，需要进一步研究以了解这些基因的变异与克罗恩氏病的关系。
3.2防止粘膜共生菌积累
通过固有层固有的巨噬细胞杀死细菌共生体在限制粘膜中有害的炎症和防止渗透性微生物的传播中具有关键作用。在肠中，NOD2由吞噬细胞，上皮细胞和基质细胞以及Paneth细胞表达。值得注意的是，NOD2缺乏症和CYBB缺乏症(也被称为NOX2)是吞噬体内烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶复合物的一个组成部分，它通过氧化爆发杀死细菌，从而在小鼠中引发M. schaedleri和自发性克罗恩病样TH1细胞驱动的结肠炎。由于与克罗恩病相关的NOD2变异是功能丧失突变，因此吞噬细胞或肠和/或基质细胞内产生的缺陷细菌感官可能促进腔内积累和病原菌的粘膜渗透，从而导致T细胞介导的肠道炎症（图 2）。但是，与NOD2相关的克罗恩病是否是由人类特定病原菌的积累引起的，还需要进一步研究。 NOD2在自噬中也有作用，自噬是介导溶酶体降解和细胞内细菌清除的一种途径。 NOD2在细菌进入部位的质膜上募集了与克罗恩病相关的蛋白ATG16L1 ，但是与克罗恩病相关的NOD2变体对ATG16L1的募集有缺陷，并损害了细菌引起的上皮内自噬。除了ATG16L1，与免疫相关的GTPase家族M（IRGM）和富含亮氨酸的重复激酶2（LRRK2）也调节自噬途径，这些基因的变异与克罗恩病风险有关。由于自噬缺陷会破坏细胞内细菌的清除，因此可以想象，自噬相关基因的突变可能导致病原体渗透和肠道炎症。IBD发病很早的患者中，细菌杀灭与对IBD的易感性之间存在联系的一个清晰例子，这与吞噬细胞NADPH氧化酶复合物的成分和调节剂的遗传变异有关。同样，多达40％的慢性肉芽肿病患者（一种由NADPH氧化酶成分的功能丧失突变引起的原发性免疫缺陷疾病）发展为克罗恩病样结肠炎。这些观察结果共同表明，杀死细菌共生体的缺陷促进了克罗恩病的发展。
4.共生菌的有益影响
共生菌通过加强粘膜防火墙来限制共生菌的渗透，同时控制T细胞对微生物的异常反应，从而促进保护性免疫。这些互惠共生的宿主共生相互作用的中断可能促进IBD患者对益生菌群的不恰当免疫反应。
4.1诱导保护性免疫反应
肠道菌群在调节宿主免疫力以建立和维持肠道稳态中起着至关重要的作用。无胚动物在这些过程中会受到一些损害，包括与粘膜相关的淋巴组织的形成不良，TH17细胞和Treg细胞发育不完全，上皮内CD8ɑβT细胞和产生IgA的浆细胞数量减少。使用无菌小鼠的研究已经鉴定出在稳态过程中可以诱导适应性免疫反应的细菌种类。也许研究得最好的例子是SFB，与梭状芽孢杆菌有关的芽孢形成革兰氏阳性细菌。可以紧密粘附在小鼠末端回肠上皮，并通过固有层中视黄酸受体相关的孤儿受体-γt（RORγt+）CD4 + TH17细胞促进IL-17表达。SFB与肠上皮细胞的粘附会触发血清淀粉样蛋白A的上皮释放，从而调节局部DC分泌TH17细胞促进细胞因子IL-1β和IL-23。这些细胞因子还增强了肠内ILC3s产生IL-22的能力，从而增强了上皮细胞血清淀粉样蛋白A的表达87,88（图3）。因此，SFB定殖为宿主提供了对细胞外病原体的保护，但也与自身免疫性疾病相关。在SFB定殖的动物中，大部分固有层TH17细胞表达识别SFB抗原的T细胞受体(TCRs)。
图3 共生的有益影响
除了上皮粘附，共生细菌在肠道上皮附近的粘液层中驻留的能力也可能是影响宿主免疫力的重要行为特征。例如，由黏液共生的阿克曼氏菌黏液菌在肠道中的定殖可以在具有简化微生物群的致生性小鼠体内稳态期间自发诱导适应性免疫反应。黏液曲霉特异性T细胞主要分化为滤泡辅助T细胞以介导针对细菌的IgG1反应，但是相同的TCR转基因CD4 + T细胞在SPF条件下可以采用多种细胞命运，这表明复杂的微生物组可以影响该共生体的定位或行为（图3）。同样，另一种驻留在黏液中的共生细菌schaedleri会触发特定的IgG和IgA反应，从而通过在母乳喂养期间将抗体递送至肠腔来保护新生儿免受结肠炎的侵害。4.2 限制不当的炎症
Treg细胞起源于两个不同的个体起源谱系：胸腺来源的Treg（tTreg）细胞和外周来源的Treg（pTreg）细胞（图4a）。大多数pTreg细胞在共生细菌的存在下在胸腺外发育，因为在无菌小鼠中结肠中pTreg细胞的频率显着降低了。Treg细胞通过防止诱导对微生物抗原产生不适当的T细胞反应，在维持组织稳态中起着至关重要的作用（图4a）。例如，小鼠缺乏Treg细胞或对其调节或功能很重要的因子，包括IL-10，转化生长因子-β（TGFβ）和αVβ8整联蛋白，会发展为自发性结肠炎。与动物数据一致，IL-10受体突变的幼儿患上了结肠克罗恩病。此外，在FOXP3（Treg细胞发育所需的转录因子）中发生突变的小鼠和人类患有自身免疫性疾病，包括结肠炎。通过观察CD45RBhiCD4+ T细胞转移到淋巴细胞性小鼠中引起的微生物依赖结肠炎可通过Treg细胞的共同转移而消除，Treg细胞抑制对共生细菌的免疫反应的作用也得到了证实。虽然通过删除Foxp3增强子保守的非编码DNA序列1（CNS1）在小鼠中选择性清除pTreg细胞不会导致在完整的Foxp3空坏血病小鼠中观察到自发的多器官自身免疫，但是在小鼠胃肠道中可以观察到2型免疫病理。pTreg细胞缺陷动物的粘膜屏障的这种免疫病理学表明，tTreg细胞足以维持系统对自身抗原的耐受性，而pTreg细胞在抑制肠道炎症中具有非冗余作用。
图4 调节性T细胞支持肠道内稳态
结肠pTreg细胞受局部抗原的影响很大，因为它们的TCR谱与外周淋巴结和脾脏的类似Treg细胞不同，并且可以识别梭状芽孢杆菌和副细菌属表达的抗原，这进一步支持细菌对肠道Treg细胞的诱导很重要（图4b）。可以在上皮细胞附近的结肠粘液层上定殖的17种人源梭状芽胞杆菌的有限组合，可以在无菌小鼠中诱导Treg细胞并可以抑制结肠炎小鼠的肠道炎症。在无菌动物中共生脆弱类杆菌的定殖可以类似地诱导产生IL-10的FOXP3 +pTreg细胞分化，而脆弱类芽孢杆菌衍生的多糖A足以逆转实验性结肠炎。
细菌共生体可通过上皮细胞诱导TGFβ的局部产生和CD103 +DCs的视黄酸的产生来促进肠道Treg细胞的分化（图4b）。 ILC3产生的粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子（GM-CSF）进一步增强了DC分泌的IL-10和视黄酸，以支持Treg细胞的增殖扩展。尽管不同的细菌种类可以调节肠道Treg细胞的活性，但是在复杂的微生物群中，肠道Treg细胞对微生物抗原的特异性仍不清楚。膳食糖发酵产生的细菌来源的短链脂肪酸（SCFA）可以恢复无菌动物中的Treg细胞种群，并抵抗T细胞介导的结肠炎，尽管其机理尚不清楚。 SCFA抑制Foxp3基因表达的组蛋白脱乙酰基酶沉默，从而通过表观遗传修饰增强Treg细胞分化。肠道菌群可诱导的RORγt+ Treg细胞群体似乎对于抑制TH1细胞和TH17细胞或2型过敏反应介导的肠道免疫病理至关重要。
