肠道菌群调节肠道干细胞影响炎性肠病进程的机制

撰文│夏荣木

编辑│毕紫娟

审校│汤红明

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最近研究证实，肠道菌群可显著影响宿主多种生物学行为，包括新陈代谢、器官发育、炎症及免疫反应等。研究者现已充分认识到，宿主—肠道菌群相互作用可形成对健康有益的“智能通讯系统”，肠道菌群的生物活性代谢物，如短链脂肪酸（SCFA）、共轭脂肪酸、胞外多糖及神经活性代谢物—γ- 氨基丁酸（GABA）及血清素—可为宿主带来益处。因此，宿主与肠道菌群的相互作用对维持宿主健康状态至关重要。最近研究表明，肠道菌群可通过调节肠道干细胞影响肠道疾病进程，尤其是炎症性肠病的发生发展。本文就最近前沿研究进行梳理，以便全面了解肠道菌群在炎症性肠病中的作用机制。

肠道是一个与外界相通的动态环境，经常受到各种生理、病理及环境刺激。肠上皮细胞充当了保护机体的屏障，使组织免受潜在伤害及感染。肠道上皮由一系列分化细胞组成，通过来回折叠形成交替的绒毛及隐窝并覆盖整个肠道。这些肠隐窝的底部是肠道干细胞（ISC），它们通过不断分裂以补充各种细胞谱系，是肠道再生过程的核心事件。在这些干细胞周围，由基质细胞、营养因子及基质组成微环境。ISC微环境包含上皮细胞、间充质细胞、免疫细胞及肠道菌群。

炎性肠病（IBD）是一种慢性炎症性疾病，分为溃疡性结肠炎（UC）及克罗恩病（CD），其特征是上皮细胞功能严重失调、ISC微环境结构及功能显著改变，表现为杯状细胞（GC）及潘氏细胞（PC）数量减少，功能改变。正常状态下，这些细胞参与维持黏膜屏障、引发抗菌反应及激活免疫细胞。肠道菌群是ISC的重要组成部分，除了与ISC形成直接相互作用外，它还与ISC微环境中其他上皮细胞类型协同作用。它们的代谢产物与ISC产生大量直接和间接相互作用，以调节上皮功能，影响损伤修复等。在稳态及肠道慢性炎症期间ISC—IBD—肠道菌群三者之间的相互作用处于一个动态变化的过程，深入研究三者间的关系有助于寻找缓解炎症性肠病的新策略。

一、肠道菌群衍生代谢物对ISC的直接影响

在健康及结肠炎隐窝相关黏液凝胶中存在大量共生细菌，人类结肠隐窝主要由厚壁菌门定殖，在急性溃疡性结肠炎患者肠道中细菌计数显著减少。越来越多证据表明益生菌或肠道菌群移植治疗能够缓解IBD的相关症状。此外，在没有肠道菌群情况下肠道黏膜修复能力显著降低，且在无菌动物中无法诱发结肠炎，这些证据表明肠道菌群是IBD进展的相关因素。

胆汁酸（BA）是肠道菌群影响IBD的介质之一。研究发现IBD中的BA成分发生了改变，即初级胆汁酸增加，次级胆汁酸减少，且肠道梭菌属成员减少。BA已被公认为是上皮细胞生理学及病理生理学的调节因子，除了能够通过膜结合的GPBAR1（TGR5）起到抗炎作用外，这些BA还通过细胞受体调节ISC数量及功能。BA-TGR5 相互作用驱动SRC/yes 相关蛋白（YAP）再生信号通路，从而在稳态及损伤诱导的上皮再生期间促进ISC自我更新并分化为肠内分泌细胞。

短链脂肪酸（SCFA）是微生物驱动不可消化的膳食多糖厌氧发酵产生的代谢物。SCFA被证明对ISC的增殖及分化有影响。口服SCFA可通过GPCR介导的MEK-ERK信号激活恢复隐窝上皮的增殖及分化能力。另外研究表明用SCFA处理肠道类器官可通过调节转录因子Foxo3抑制ISC增殖并促进其分化。SCFA的这种差异效应体现出肠道菌群来源的代谢物影响ISC的复杂性。此外，结肠黏膜中丁酸盐代谢紊乱、粪便SCFA水平降低及肠道菌群功能或组成改变也是IBD的显著特征。

基于肠道菌群的色氨酸代谢途径改变与IBD发生发展过程显著相关。色氨酸是一种必需的芳香族氨基酸，通过宿主细胞驱动的犬尿氨酸及血清素途径或肠道菌群介导的吲哚途径代谢。吲哚代谢物通过充当宿主细胞上芳烃受体（AhR）配体，以影响肠道上皮屏障完整性及免疫反应。IBD与吲哚代谢物、血清色氨酸水平及炎症黏膜中的AhR表达呈负相关。此外，犬尿氨酸途径的代谢产物与AhR相互作用，激活E3泛素连接酶活性，促进细胞增殖相关的Akt、ERK和p38激酶降解，从而阻碍细胞中Wnt及Notch信号传导，最终抑制细胞增殖。因此，色氨酸的代谢产物可在体内影响IBD发病期间ISC微环境。

二、细菌细胞壁衍生抗原

细菌细胞成分，如细胞壁分子脂磷壁酸、肽聚糖、脂多糖、脂质A、胞壁酰二肽（MDP）及鞭毛蛋白也是肠道上皮增殖、分化的关键调节剂。

MDP是细菌共有的肽聚糖基序，是NOD2的激动剂，ISC表达这些细胞质模式识别受体。用MDP处理可促进小肠类器官生长。微生物衍生的MDP可清除ISC中过量的活性氧物质，从而维持上皮再生能力。MDP刺激后的这种ROS清除依赖于线粒体ATG16L1及NOD2基因，但这些基因已被公认为是IBD易感基因座。

细菌鞭毛蛋白也是调节ISC增殖能力的一种因素。ISC上鞭毛蛋白—TLR5相互作用信号上调，ISC特异性表达NOX1，导致ROS含量上升， 从而激活EGFR并增强ISC增殖。NOX1能够支持肠隐窝细胞增殖，以响应由细菌刺激驱动的黏膜损伤。NOX1功能缺失突变体已被证明在IBD患者中普遍存在。此外，先前研究证实鞭毛蛋白的有益作用，其中鞭毛蛋白在小肠隐窝上皮细胞中能够保护细胞免受辐射损伤。

细菌脂多糖（LPS）通过与细胞表面的TLR4相互作用，从而激活NF-κB等多种炎症信号通路，发挥其免疫调节作用。LPS水平与CD疾病的严重程度密切相关，其抗增殖作用已在小肠类器官模型及ISC特异性TLR4敲除小鼠中得到证实。从机制上讲，LPS诱导的细胞凋亡是通过TNF依赖性的方式上调p53凋亡通路的上游细胞凋亡相关因子。总的来说，LPS对ISC微环境具有双重作用，首先是抑制ISC死亡，其次是促进ISC分化。

三、肠道菌群通过上皮途径调节ISC

潘氏细胞位于隐窝底部，与肠上皮干细胞相邻。可通过TLR-Myd88途径感知微生物成分，进而通过释放抗菌肽、溶菌酶及磷脂酶A来增强抗菌防御。由乳酸杆菌及双歧杆菌等肠道细菌产生的乳酸可被潘氏细胞上的G蛋白偶联受体感知，触发隐窝中Wnt3释放，促进ISC增殖并保护小鼠肠道免受辐射及化疗引起的损伤。产乳酸菌是公认的用于缓解IBD症状的益生菌疗法。考虑到乳酸在维持上皮增殖中的作用，这些益生菌在IBD中的有益作用可能归因于它们刺激潘氏细胞释放Wnt。

肠内分泌细胞（EEC）是人体最大的内分泌器官之一，EEC与肠道菌群的紧密定位与调节GLP-2的释放有关。这些细胞会产生GLP-2，一种可促进肠道屏障完整性及隐窝增殖的分子。GLP-2还通过与上皮下成纤维细胞上的GLP-2受体结合，作为一种微环境信号，诱导EGF及IGF等生长因子表达。这些生长因子依次结合并激活隐窝中的细胞增殖潜力。在使用SCFA或产SCFA的细菌处理后，大肠组织及血清GLP-2水平增加。具体来说，SCFA与肠细胞上的FFA3（或GPR41）受体结合，促进GLP-2释放，从而加强上皮紧密连接并刺激上皮细胞增殖，缓解炎症。IBD发病时血液及组织相关的GLP-2水平显著降低，而上皮损伤恢复能力与GLP-2水平正相关。GLP-2激动剂可缓解小鼠IBD模型的症状，对隐窝细胞具有抗凋亡及促增殖作用，其激动剂（替度鲁肽）在临床实践中用于治疗短肠综合征。

四、肠道菌群通过免疫途径调节ISC

肠道固有层中富集的CD4+T 淋巴细胞、树突状细胞、巨噬细胞及先天性淋巴细胞，负责协调肠道免疫系统以响应来自肠道菌群及饮食抗原的信号。肠道菌群能够调节肠道Th细胞，控制它们的成熟、分化及可塑性。这种调节作用呈双向性，辅助性T细胞通过ISC表面表达的MHC-Ⅱ分子与ISC相互作用，诱导Treg细胞产生IL-10，从而在稳态下促进ISC自我更新。肠道菌群调节的犬尿氨酸途径酶—IDO1—有助于肠道Treg扩增，以促进肠道菌群与ISC相互作用。

IBD的部分特点是肠道菌群失调及异常的Th1和Th17反应。然而，肠道菌群失调是这种异常免疫反应的“原因”还是“结果”？研究显示，肠道活性氧水平及代谢重编程的改变可导致兼性厌氧菌分布异常增加，初步说明肠道菌群失调是IBD微环境改变的“原因”。另一方面，将IBD相关细菌转移至无菌小鼠中可提高Th17细胞及其相关细胞因子含量，从而诱导肠道炎症发生。不管这种“因果关系”如何，肠道菌群—Th细胞—ISC的相互作用可能在IBD中失调，导致肠道Th细胞反应不稳定，引起肠道菌群失调。

肠道固有层的先天淋巴样细胞（ILC）是相对较新的调节性细胞类型，它们在维持肠道稳态中发挥作用。固有层常驻ILC3及其细胞因子IL-22可通过激活细胞内STAT3磷酸化维持ISC增殖能力。肠道菌群可通过与ILC3相互作用，促进IL-22分泌，影响肠道上皮再生进程。

五、基质细胞介导的肠道菌群-ISC串扰

基质细胞曾被称为间充质细胞，是肠道上皮层与黏膜下层之间的主要组成部分，能够与ISC在内的上皮细胞直接接触。基质细胞群可分泌Wnt、PGE2、EGF及其他必需生长因子，维持ISC增殖所需的微环境。肠隐窝周围的成纤维细胞群是Wnt及BMP配体的重要来源。在CD及UC发病过程中，SMA+、Tenascin-C+、Gli1+ 及CD142+ 的细胞基质细胞数量显著增加。肠道成纤维细胞表达细菌成分受体，如TLR 1-9及NOD-1/2，用活细菌及其抗原刺激成纤维细胞会产生趋化因子（CCL-2）、细胞因子（包括IL-1）及生长因子（GM-CSF）等。这些因子与周围细胞相互作用以调节黏膜免疫反应，并间接影响上皮细胞增殖能力。肠道菌群产生的乳酸可与隐窝周围基质细胞相互作用并触发Wnt释放，从而增强ISC增殖能力。沙门菌感染可触发隐窝周围肌成纤维细胞表达IL-33，IL-33通过ST2依赖的信号传导诱导ISC及祖细胞分化为分泌型细胞。

六、结论

IBD是遗传易感、环境刺激及肠道菌群紊乱共同作用的结果，失调的肠道菌群是 IBD炎症通路的主要“启动”开关，因此IBD的治疗主要集中在炎症免疫途径及肠道菌群的恢复。IBD相关ISC 微环境的重塑已被确定为IBD病理生理学过程中的关键事件。了解 IBD期间ISC微环境调节及其变化的特定微生物相关机制有助于开发新的治疗策略，也能够为IBD期间进行肠道菌群移植、服用益生菌或益生元等提供理论及实践依据。

（ ID：yxckbsc2022040301）

作者简介

夏荣木

现任厦门承葛生物科技有限公司学术部主管。主要从事干细胞分子生物学、肠道菌群微生态健康领域的相关基础及临床转化研究。在探索肿瘤疾病发生发展相关机制， 干细胞自我更新机制方面具有较好经验。在Oncogene、Journal for ImmunoTherapy of Cancer、Clinical and Translational Medicine、Frontiers in Cell and Developmental Biology等期刊发表论文10余篇。申请实用新型专利1 项，发明专利2项。

《医学参考报》干细胞与再生医学专刊

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