自身免疫性肝炎发病机制研究进展：聚焦“肠道菌群与免疫系统相互作用”
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自身免疫性肝炎发病机制研究进展
——聚焦“肠道菌群与免疫系统相互作用”
自身免疫性肝炎(autoimmune hepatitis, AIH)是由免疫介导的慢性进展性肝脏疾病,以血清自身抗体阳性、高免疫球蛋白G (immunoglobulins,IgG) 血症、氨基转移酶水平升高和病理组织学检查可见界面性肝炎为主要特征。如不及时治疗,AIH可进一步进展为肝硬化甚至肝衰竭[1]。AIH全球性分布,可发生在任何年龄,迄今为止,其确切发病机制尚未完全阐明,目前认为是遗传易感个体在环境因素的作用下诱发针对自身抗原的免疫反应[2]。
近年来,越来越多研究证实,肠道菌群作为环境因素的一员在该病的发病机制中扮演重要角色,并且可通过调节免疫作用达到致病的目的[3]。疾病状态下存在肠道微生物群失调[4],菌群的失调进一步诱发肠道免疫细胞分泌炎症细胞因子,免疫功能紊乱,引起肠黏膜炎症,破坏肠道屏障紧密连接(tight junctions,TJs),导致肠道通透性(也称为“漏肠”)增加和细菌移位[5],肠道菌群及代谢产物进入肝脏激活肝内免疫细胞[6-7],破坏自身免疫耐受,最终导致疾病的发生[8]。
此外,AIH是由于先天性免疫系统和适应性免疫系统紊乱导致的慢性肝脏炎症,免疫异常是AIH的重要的促成因素[9]。免疫系统通过细胞免疫和体液免疫途径, 在多种免疫效应因子共同作用下, 影响肠道微生物的分布和组成[10]。这些现象均提示微生物群生态失调和免疫反应相互作用、相互影响,并协同作用介导AIH的慢性免疫激活。本综述主要介绍肠道菌群与肠肝免疫系统相互作用,阐释其在AIH中的作用,为AIH的发病机制提供思路,为开发针对AIH的免疫治疗提供潜在临床治疗策略。
1 肠道菌群失调和免疫系统紊乱对AIH的影响
作为一个复杂的生态系统,人类肠道微生物群由大约1014个细菌组成,涵盖数百种不同的物种,相当于自身细胞数量的10~20倍,其重量接近肝脏[11-12]。1998年,“肠-肝轴”学说被提出[13],其形象地描述了肝脏和肠道之间密切的双向交流。大约70%来自肠道的血液经门静脉汇入肝脏,这使肝脏持续暴露在肠道来源的各种抗原物质和毒素中[5]。同时肝脏分泌的炎症因子通过胆汁酸进入肠道后,对肠道菌群种类产生巨大影响,进而影响肠道环境[14]。正常情况下,肠黏膜屏障起到保护作用,减少抗原等进入门脉系统;在某些病理状态下,肠黏膜屏障功能受损,肠道通透性增加,大量细菌移位,进入肝脏,引发炎症反应从而加重肝损伤[15]。肠道微生物群作为肠-肝轴的一个重要变量,在AIH发生和进展中发挥综合作用[16-17]。相关研究发现,肠道菌群可作为一种非侵入性生物标志物辅助诊断和评估AIH的严重程度[4]。与健康组相比,AIH患者中肠道微生物群落的生物多样性显著下降,需氧或兼性厌氧菌的相对丰度增加[18-20],其中韦荣菌属作为疾病相关性最高的菌群,其水平与疾病炎症程度呈正相关[4]。
AIH作用机制尚不明确,目前认为其是一种针对自身抗原的免疫反应,肠道和肝脏作为对微生物及其产物进行免疫应答和处理的免疫器官,通过塑造肠道微生物群的组成参与AIH的进展[10]。肠道黏膜炎症免疫反应通过增加氧浓度和改变代谢直接改变肠道微生物群的结构,具体表现为需氧或兼性厌氧菌群相对丰度增加[21]。此外,肠道免疫系统通过肠道屏障作用和免疫排斥进一步调节肠道菌群,限制革兰阳性菌的定植及下调合成丁酸盐相关菌群[22-23],而肠道菌群失调又可以进一步通过免疫调节促进疾病的发展。肠道微生物群与免疫系统的相互作用在诱导AIH发病中具有重大效应。
2 肠道菌群与先天性免疫的互相作用在AIH发病中的作用机制
2.1 肠道菌群调控先天性免疫促进AIH发生发展
肠道菌群被认为是参与AIH的一个重要因素,其与先天性免疫存在错综复杂的联系,因此,理解免疫系统-微生物组串扰对于确定宿主生态失调驱动免疫在AIH发病中的作用至关重要。
肠道微生物组通过代谢产物、受体识别等途径参与调控先天性免疫,促进AIH的发生进展。肠道菌群通过其代谢产物直接影响宿主屏障功能,调节免疫平衡。研究发现,由异杆菌属、双歧杆菌属和罗氏菌属等菌群发酵产生的丁酸能够通过活化肠上皮细胞的G蛋白偶联受体41和43,激活细胞外信号调节激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)1/2和p38有丝分裂原活化蛋白激酶信号通路(mitogen-activated protein kinases, MAPK)[4,24],进而激活NLRP3炎症小体,诱导趋化因子和细胞因子的产生。此外,丁酸通过活化G蛋白偶联受体109a参与调控抗炎性先天免疫细胞的功能。研究证实,丁酸活化后的G蛋白偶联受体109a能够增加结肠上皮细胞中白介素(interleukin,IL)-18的生成[25],并且显著增强结肠巨噬细胞和树突状细胞的抗炎特性,进而诱导调节性T(regulatory cells, Treg)细胞和产生IL-10的T细胞的分化。肠道菌群的代谢产物通过调节炎性因子生成、调控先天免疫细胞的功能的多种途径共同介导了宿主的保护性免疫和组织炎症,维持机体内稳态。一方面,异杆菌属、双歧杆菌属和罗氏菌属等转化产生丁酸盐的菌群减少加剧了肠道屏障的破坏和肠道炎症反应[4],外来的病原菌向肝脏转移,继而促进Kupffer细胞等固有免疫细胞的活化,募集炎症细胞向肝脏浸润,参与AIH的发生及发展[26];另一方面,肠道菌群紊乱影响其代谢产物丁酸分泌减少,其通过调控G蛋白偶联受体41和43、G蛋白偶联受体109a或ERK1/2和p38MAPK信号通路,间接抑制细胞因子抗炎特性,调节先天性免疫细胞分化,引起各类炎症和趋化因子释放[24-25],从而促进了AIH的发生和发展。
微生物组通过调节受体介导的信号通路参与调节AIH的发生发展。Toll样受体(Toll-like receptors, TLRs)通过识别与其结合的微生物相关分子模式(pathogen associated molecular patterns,MAMPs)和病原体相关模式分子(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs)来介导自身免疫激活,加剧AIH相关肝损伤[27]。模式识别受体,尤其是TLRs,是响应微生物信号的先天免疫感受器。激活的TLR4依赖MyD88/核因子κB(nuclear factor kappa-B,NF-κB)/MAPK信号通路和RIP3信号通路来促进免疫信号传递[28],介导肝脏Kuffer细胞激活,导致促炎细胞因子(TNF-α、IL-12、IL-1β)和干扰素γ(interferon γ,IFN-γ)的产生,以TNF-α、IL-12、IFN-γ等Th1型细胞因子为主的炎症因子被认为在ConA诱导的AIH发病中具有重要作用[29-30]。另外,核苷酸结合寡聚化结构域样受体(nucleotide-binding domain leucine-rich repeats, NLRs)通过识别PAMPs或者MAMPs,形成炎症复合体(NLRP1和NLRP3),激活促炎症蛋白酶1。活化的促炎症蛋白酶1切割IL-1β和IL-18的前体,产生成熟细胞因子IL-1β和IL-18[31],协同其他炎症因子共同促进炎症反应,加重AIH。
除了影响受体识别,肠道微生物组还参与调节NKT细胞诱导AIH发病。作为先天性免疫应答和适应性免疫应答连接的桥梁,NKT细胞能够快速产生大量的Th1/Th2类细胞因子(如IFN-γ和IL-4),也可以分泌某些效应分子,如肿瘤坏死因子(TNF-α)、FasL等[32],通过调控自身免疫平衡直接或间接介导AIH。正常情况下,肠道微生物控制外周多巴胺的合成,通过D1样受体-PKA途径抑制iNKT细胞中IL-4和IFN-γ的产生,并抑制了iNKT细胞介导的肝炎[33],另一种肠道代谢物次级胆汁酸通过活化G蛋白偶联胆汁酸受体1,促进NKT10细胞的转化和抗炎细胞因子IL-10的分泌,从而减轻ConA诱导的肝炎中的肝损伤[34]。肠道微生物及其代谢物具有调控NKT细胞,联合多种抗炎细胞因子达到缓解AIH的作用。当肠道菌群失调时,活化的NKT细胞产生大量IL-4和IFN-γ,通过分泌穿孔素-颗粒酶B和上调FasL的表达、募集巨噬细胞产生促炎细胞因子TNF-α等作用机制共同破坏免疫稳态[35-36],介导AIH的发生。
2.2 先天性免疫调控肠道菌群影响
AIH进展 尽管上述机制涉及肠道菌群促进免疫失调的发展,但一旦免疫失调,就会进一步影响肠道微生物群的结构和数量,从而形成一个关于宿主免疫系统及其微生物群相互交叉调节的反馈回路。免疫失调影响肠道微生物群在宿主中的定植,具体表现为黏膜相关细菌数量增加,促进菌群移位,同时上皮屏障的破坏使组织易于发生自发炎症[37-38],加重AIH肝脏损伤。Nod样受体是参与调控肠道菌群的主要模式识别受体。在缺乏NOD1的情况下,抗微生物肽产生减少,细菌种群增加,包括梭状芽孢杆菌、拟杆菌以及肠杆菌[23]。当NOD1被活化时,梭状芽孢杆菌和拟杆菌丰度减少,短链脂肪酸,特别是丁酸合成下调,进一步通过调控G蛋白偶联受体41和43、G蛋白偶联受体109a或激活ERK1/2和p38MAPK信号通路,参与AIH的发生发展。NOD2控制肠道共生细菌[39],具体表现为类杆菌门及厚壁菌门丰度增加[40],NOD2缺失的小鼠保护宿主免受肠道致病菌定植的能力下降,共生细菌及黏膜相关细菌比例增加。共生细菌控制的先天免疫反应依赖于NOD2和Rip2来激活NF-κB[41],诱导促炎细胞因子聚集,引发炎症加速AIH疾病进展。此外,再生胰岛衍生蛋白3 γ是一种重要的依赖于TLR-MyD88信号通路的因子,能够通过微生物群依赖的方式,限制小肠上皮表面的革兰阳性菌定植[22],进一步限制微生物群对IgA和Th1反应的激活[38]。这种限制在AIH中明显减弱,其中Th1细胞通过激活细胞毒T细胞及Kupffer细胞参与细胞免疫效应[29-30],在AIH的免疫调控机制中发挥重要作用。上述研究表明,先天性免疫可以通过改变微生物群的表达和结构进一步参与AIH。
3 肠道菌群与适应性免疫的互相作用在AIH发病中的作用机制
3.1 肠道菌群调控适应性免疫参与AIH发生发展
肠道菌群可通过微生物细胞成分和代谢产物两种类型的信号影响宿主的适应性免疫。在生态失调状态下,宿主感受到的微生物分子特征的变化可能会导致免疫系统的不同激活状态。过量的脂多糖和其他菌群代谢物通过激活TLRs,促进T淋巴细胞分化增殖。在树突状细胞和巨噬细胞中,活化的TLRs上调主要组织相容性复合物的II类分子、CD80、CD86和CD40的表达[42],进一步影响T淋巴细胞分化和增殖,增强免疫应答反应,加重炎症反应。T淋巴细胞的大量募集被证实与ConA诱导的AIH模型密切相关[43]。此外,TLRs还通过诱导IL-6分泌来阻断Tregs的抑制作用[44],导致肝脏免疫耐受的破坏,参与AIH的发生、发展。
此外,肠道微生物群可影响适应性免疫的一个重要机制上调辅助性T细胞17(T helper cell 17, Th17)的活性。相关研究发现,AIH中外周血和肝内Th17数量及IL-17的表达显著高于正常人[45]。AIH中,鸡肠球菌激活肝脏中AhR-CYP1A1信号通路[46],进一步诱导滤泡辅助性T细胞的产生,促进促炎细胞因子TNF-α分泌[47]。石胆酸衍生物3-oxo石胆酸抑制Th17细胞分化[48],当菌群失调时,转化产生的次级胆汁酸(如石胆酸)减少,这种抑制作用被减弱,从而引起炎症反应。
由肠道菌群调控的另一类免疫细胞是Treg细胞。研究表明,肝细胞和外周血中Treg细胞的减少是导致AIH免疫耐受丧失的主要原因[49],近期研究发现,AIH中Treg细胞减少与肠道微生物群调控相关。其中,石胆酸衍生物异位石胆酸的减少抑制Treg的产生[48],另外,丁酸盐具有诱导树突状细胞体外生产Treg细胞的能力[50]。与正常人相比,AIH患者粪便中产丁酸盐相关菌群减少,这种减少进一步减弱这种能力。同时,滤泡辅助性T细胞和滤泡调节性T细胞作为一类独特的Treg细胞,其激活被认为在AIH的发生和进展中发挥一定的作用。MAMPs、PAMPs通过TLR4/MyD88信号通路激活滤泡辅助性T细胞[51],同时石胆酸可与关键转录因子视黄酸受体相关孤儿受体γt(retinoic acid receptor-related orphan receptor γt, RORγt)结合,当石胆酸含量减少时,下调诱导产生的 RORγt/FOXP3+Treg[48],增强滤泡调节性T细胞细胞的活性。与此同时,滤泡调节性T细胞识别细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4受体间接抑制滤泡辅助性T细胞的能力也被削弱[52]。这些变化打破肝脏免疫耐受,同时通过减弱对单核细胞、CD4靶细胞等效应细胞的抑制作用,诱导肝细胞分泌IFN-γ和IL-17等细胞因子,减少IL-10释放,进而加重AIH[53⇓-55]。
3.2 适应性免疫影响肠道菌群改变参与AIH发生发展
与先天性免疫在调节肠道菌群的作用类似,越来越多的证据表明适应性免疫系统通过控制肠道微生物群诱导AIH发病。目前研究发现,B细胞产生的分泌型IgA (secretory immunoglobulin A, SIgA)缺乏被认为与AIH发病具有相关性,SIgA可通过调控肠道菌群促进AIH的进展,包括影响肠道屏障功能、改变菌群基因表达[56]。SIgA与肠道菌群和其代谢产物结合并抑制这些细菌黏附肠上皮细胞及侵入肠黏膜固有层[57],进一步促进肠道屏障功能。此外,Suzuki等[58]观察发现SIgA的细胞数量在无菌小鼠肠道内显著低于正常饲喂小鼠肠道内的数量,同时相关研究表明肠道的IgA黏附到正常菌群中的多形拟杆菌后会改变该细菌的基因表达来抑制宿主的适应性免疫反应[59]。随着AIH的加重,肠道聚合免疫球蛋白受体(polymeric immunoglobulin receptor, pIgR)的表达呈现先升高后下降的趋势,pIgR的缺失抑制pIgR运输免疫球蛋白 (immunoglobulin, Ig)A的关键信号通路MEK/ERK,导致IgA分泌减少,进一步通过调控肠道菌群加重疾病炎症反应[60]。可见, SIgA通过调控肠道菌群表达和功能在AIH发病过程中起着重要的调节作用。
4 总结与展望
肠道微生物失调与免疫系统紊乱以及两者的相互作用共同参与肝脏疾病的发生发展。如本文所述,一方面,肠道微生物群生态失调进一步调节肠道代谢产物水平,如SCFAs、MAMPs、PAMPs等。肠道微生物和其代谢产物与受体识别介导激活ERK1/2和p38MAPK,MyD88/NF-κB/MAPK和AhR-CYP1A1等信号通路来促进免疫信号传递,进而调控先天性免疫和适应性免疫细胞分化,诱导促炎症细胞因子聚集,引发炎症加速AIH疾病进展。另一方面,先天性免疫和适应性免疫紊乱通过细胞免疫和体液免疫途径诱导肠道屏障功能损伤,肠道通透性增加,导致革兰阳性菌等黏膜相关细菌比例增加,肠道优势菌梭状芽孢杆菌和拟杆菌的丰度减少,菌群失调进一步加重炎症反应,促进AIH的发生发展。目前,肠道菌群的相关研究进入“后测序”时代,特定肠道菌群的功能研究逐渐成为主流。肠道菌群与免疫系统互作的分子机制仅在少部分菌群中被聚焦研究,绝大多数共生菌的免疫调控功能仍略知皮毛。因此我们需要更好地细化肠道菌群的种类和数量对宿主免疫的影响以及微生物群如何通过自身代谢产物、相关通路影响免疫细胞的分化和产生。同时,肠道微生物群还包括病毒、噬菌体、真菌和原生生物等,它们与宿主免疫系统之间的交联也有待我们进一步探讨。其次,免疫系统通过作用肠道菌群参与AIH的相关机制尚未完全阐明,后续仍需积极探寻免疫调控肠道菌群的相关分子机制,加深对肠道菌群与肠道免疫相互作用的理解。
肠道菌群的过度生长、代谢紊乱及免疫功能受损是肝损伤向不同阶段发展的重要驱动力,恢复肠道菌群平衡以及免疫功能对AIH的治疗具有重要价值和深远意义。诺贝尔奖获得者Lederberg形容人体是一个由宿主自身细胞及微生物细胞共同构成的“超生物体”, 同时,越来越多的研究提出,肠道微生物群产生的代谢相关产物以及细菌分子组分是人体细胞进行必要生理活动的关键组成部分,对机体免疫调节发挥重要作用。益生元、合生元、益生菌和粪菌移植等相关治疗方法已经在肝脏相关疾病的医学临床中探索应用,为AIH的治疗提供更宽广的思路。但目前基于AIH中肠道菌群与免疫系统相互作用的相关机制尤其是靶点的研究较少,寻求特定类型的菌株、挖掘肠道菌群代谢产物替代传统治疗方案应作为后续的研究重点。
引用：张晓璐, 李红山. 自身免疫性肝炎发病机制研究进展——聚焦“肠道菌群与免疫系统相互作用”[J]. 临床荟萃, 2024, 39(2): 177-182