（原文章）本翻译仅用于学习
摘要
哺乳动物的肠道被至少1万亿个微生物定植，这些微生物组成了“肠道微生物群”，它们与宿主共同进化形成互利关系。越来越多的证据表明，肠道微生物群参与了免疫系统的成熟，并在宿主抵御病原体方面发挥着核心作用。在这篇综述里，回顾了肠道微生物群促进先天免疫反应抵御存在于上皮黏膜表面的病原体的相关机制。抗菌肽分泌、炎症小体激活和诱导宿主IL-22、IL-17和IL-10的产生是肠道菌群用于宿主抗病原体防御最常见的策略。综上所述，有证据表明，宿主的肠道微生物群可以诱发针对对病原体的先天免疫。
关键词
肠道微生物群，宿主先天免疫，抗菌肽，炎性小体，IL-22，IL-17，IL-10
1、介绍
肠道菌群参与先天免疫系统的成熟及其功能，并在宿主防御病原体方面具有复杂作用。一方面，肠道菌群可以帮助修复肠道黏膜屏障损伤，另一方面，肠道菌群介导宿主抗病原体防御。越来越多的研究表明，至少有上千种不同的肠道微生物种类，如厚壁菌门、拟杆菌门、放线菌、变形杆菌等，其中40种有助于宿主抵御有害微生物。
2、肠道菌群和抗菌肽
2.1防御素（Defensins）
α-防御素，主要由潘氏细胞产生，是先天免疫的重要成分。它们控制肠道内病原体的生长。它们可以由革兰阳性和革兰阴性菌，以及细菌产物直接诱导产生。相比之下，活的真菌和原生动物似乎没有刺激Paneth细胞，因此不能引起Paneth细胞脱颗粒。然而，最近的研究发现肠道菌群在诱导α-防御素抵抗病原体方面具有重要作用。
一项体外研究发现，活的大肠杆菌（E. coli）或金黄色葡萄球菌（S. aureus），活的或死的沙门氏菌（S. typhimurium），脂多糖（LPS），脂质A，脂磷壁酸（LTA），或脂质体，可以刺激孤立完整的肠道隐窝，证明潘氏细胞可能感知外源性细菌或者细菌抗原存在，从而引起α-防御素的分泌。
为证明肠道菌群是否具有相同或者相似的功能，Shipra Vaishnava等人使用了一种CR2-MyD88 Tg小鼠模型，在这种模型中，潘氏细胞是唯一表达MyD88的细胞系，来证明潘氏细胞可以直接感知肠道细菌，从而触发MyD88依赖的抗菌程序。此外，与野生型小鼠相比，MyD88-/-和无菌型小鼠的被肠系膜淋巴结(MLN)细胞内化的沙门氏菌的数量增加。同样，转录组表明，α-干扰素基因转录本在无菌小鼠和TLRs -缺失或MyD88 -缺失的小鼠中较少，但在使用Toll样受体激动剂(TLR)刺激后可以恢复，尤其是TLR2和TLR4的激动剂。因此，共生菌群似乎通过触发肠道潘氏细胞TLR- MyD88信号来保护宿主免受病原体入侵。
这种机制不同于NOD2依赖的抗菌应答。前者的机制需要触发多种抗菌因子的表达。然而，一些基于人类的的研究已经表明，NOD2肽聚糖感受器突变确实减少α-防御素的分泌。因此，这些人鼠矛盾的一些研究结果有待进一步探讨。
另一项研究显示，Cd1d -/-小鼠的Paneth细胞颗粒超微结构存在缺陷，导致细菌定植后无法脱颗粒，同时分节丝状细菌(SFB)的负荷也有所增加。因此,没有明确的证据表明，CD1d通过α-防御素表达来介导肠道微生物群对免疫的调节。
最近的研究已开始研究肠道微生物群如何影响α-防御素分泌的机制。研究使用Caco-2 IEC系证明，乳酸强烈抑制α-防御素基因的转录，而盲肠的内容可能包含有未知的因素，会提高伴随α-防御素5的表达。然而，与上述结果相反，Menendez等人发现，乳酸菌给药后，给经抗生素处理的小鼠注射乳酸菌，体内Defa表达部分恢复。值得注意的是，维生素D是乳酸菌的一种代谢产物，最近发现它在对α-防御素表达的影响上，与乳酸不同。为调和这些结果，Su等人使用了一种小鼠模型和特定的饲料配方喂养，来证明VDD- 和HFD+VDD喂养小鼠回肠隐窝表现出低表达的α-防御素和MMP7（一种金属蛋白酶，可以将α-防御素前体转化为成熟和活性形式）与对照组和HFD组相比较。此外,他们的研究结果表明维生素D信号在生理条件下维持α-防御素和MMP7稳定表达中的关键作用。随后,苏等人证明，膳食维生素D缺乏导致的潘氏细胞特异性α-防御素缺失，导致肠道失调和内毒素血症。并且，口服α-防御素可以抑制幽门螺杆菌的在体内生长。同时，使用防御素缺乏(MMP7-/-)和过剩(HD5+/+)的互补小鼠模型，Salzman注意到小肠内防御素依赖的优势菌种的比例相互转移，但总细菌数量没有变化。在进一步的研究中，本研究组观察到，过度表达HD5的小鼠表现出明显的分节丝状细菌(SFB)的丢失，导致固有层Th17细胞的数量减少。然而,证明SFB参与α-防御素产生的直接证据缺乏，研究特定共生微生物对α-防御素调节仍然很少，需要进一步研究。然而，鉴于现有的研究成果，我们认为通过研究特定的微生物来发现特定的代谢途径可能是一种更有成效的方法。
关于β-防御素，直接杀死或抑制微生物的生长，它们已被证明对某些细菌有抗菌活性，如肠致病性革兰氏阳性的金黄色葡萄球菌和链球菌,以及针对革兰氏阴性铜绿假单胞菌、大肠杆菌和酵母白色念珠菌。事实上，积累的证据表明,类似于α-defensins，β-defensins的分泌也由肠道微生物群调节。例如，在体外对HT-29和Caco-2这两种人结肠上皮细胞系的研究中，已经观察到人胎儿肠道异种移植物表达hBD-1，而不是hBD-2，只有后者在灌肠感染沙门氏菌中上调。同时，有独立研究表明，活粪肠球菌预孵育Caco-2细胞可显着降低伤寒链球菌内化45.8%，而加热杀死的粪肠球菌预处理对病原菌内化无影响。这个结果与最新的研究表明，只有活的肠道微生物群，使用嗜酸乳杆菌PZ 1129和PZ1130、副干酪乳杆菌,乳杆菌,大肠杆菌K-12和大肠杆菌Nissle 1917作为模型，可以强烈诱导Caco-2肠道上皮细胞以时间和剂量依赖的方式表达hBD-2。值得注意的是，大肠杆菌菌株Nissle 1917，是一种不致病的革兰氏阴性菌株，于19由Alfred Nissle分离，可以引起β-defensin在体外诱导显着表达。有趣的是，Schlee等人通过构建一些大肠杆菌Nissle 1917缺失突变体，查明鞭毛蛋白是引发β-defensin分泌的主要刺激因素。同时，Wehkamp等人以及其他人发现在细胞培养基中，大肠杆菌Nissle1917-诱导β- defensin表达是由NF-κB和MAPK / AP-1依赖的通路介导。然而，体内研究仍需要确认是否肠道微生物群可以诱导β-defensins表达减少病原体定殖和控制肠道内稳态。最近，为进一步阐明肠道微生物群和β-defensin分泌之间的关系，Miani等人用小鼠模型和抗生素治疗实验研究，紊乱微生物群的参与和低亲和力受体芳基碳氢化合物(AHR)等位基因in the defective pancreatic expression ofmBD14 observed in NOD mice。通过16S rDNA基因测序和AHR配体活性测定，他们证明肠道微生物衍生的分子，包括AHR配体和丁酸盐，促进pancreatic ILCs分泌IL-22，进而诱导内分泌细胞表达mBD14。因此，菌群失调和低亲和力AHR等位基因似乎可以解释NOD小鼠pancreatic mBD14表达缺陷。因为只有活的肠道微生物群可以刺激β- defensins分泌，我们认为，特定的肠道微生物群，拥有特殊的代谢途径的功能，包括AHR配体的分泌途径，来调节β- defensins分泌。
2.2 C型凝集素
c型凝集素，也是控制肠道病原体生长的先天免疫的关键成分，由小肠多个上皮谱系表达。Reg3γReg3β,两种c型凝集素,保护免受特定细菌病原体的感染,包括粪肠球菌，假结核耶尔森菌，单核细胞增多性李斯特氏菌。值得注意的是，更多的证据表明，c型凝集素实际上通过防止病原体定植，介导合胞体内共生体的防御。为了进一步证明这些凝集素如何控制肠道上皮表面的细菌定植，VilMyd88Tg小鼠（IEC中MyD88表达受限的小鼠）用于确定是否上皮细胞表面Myd88足以抑制细菌定植。结果表明，分泌c型凝集素既需要激活MyD88通路，又需要TLRs对合胞体内共生细胞（syncytium endosymbionts）的识别。此外，Earle等人使用管道法评估固定肠横截面免疫荧光图像中的肠道微生物群定位。结果表明,消除膳食微生物可获得的碳水化合物(mac)导致远端结肠内的粘液变薄,增加邻近上皮细胞的微生物和炎症标记Reg3β的表达。这些结果与早期研究十二指肠、空肠、回肠和结肠样本的转录一致,表明MyD88是合胞体内共生体诱导结肠上皮的表达抗菌基因Reg3β和Reg3γ必不可少的,与MyD88缺陷相关同时有细菌多样性的变化和SFB在小肠中占更大比例。事实上，其他研究发现，传统饲养的Myd88−/−小鼠结肠中抗病毒基因表达增加，这与诺如病毒感染结肠上皮有关。因此，我们可以得出结论，激活MyD88通路和通过TLRs识别合胞体内共生体是触发c型凝集素分泌必不可少的。（Fig.1）最近,Ju等人用抗生素处理的小鼠来研究灭滴灵治疗和对照组的差异，并观察到灭滴灵（metronidazole）处理组的Turicibacteraceae大量减少,大肠杆菌的过度增长和Reg3β和Reg3γmRNA水平更高。这些结果为研究特定肠道合胞体内共生生物对c型凝集素分泌的影响提供了依据。
其他不断积累的证据表明，哺乳动物的肠道中含有丰富的真菌群落，它们通过c型凝集素受体Dectin-1与免疫系统相互作用。为了证明共生真菌是否影响c型凝集素分泌，从而阻止病原体定植，Iliev等人研究了缺乏Dectin-1的小鼠，发现由于对同一位置固有真菌的反应发生改变，化学诱导的结肠炎的易感性增加。此外，他们还在人类身上发现了一种与严重溃疡性结肠炎密切相关的Dectin-1 (CLEC7A)基因多态性。Eriksson等人发现CLR特异性细胞内黏附分子-3抓取非整合素同源性相关3 (SIGNR3)，是最接近人类树突状细胞特异性细胞间黏附分子-3抓取非整合素(DC-SIGN)受体的小鼠同源性。这两种受体都能识别类似的碳水化合物配体，如末端岩藻糖或高甘露聚糖。值得注意的是,使用硫酸葡聚糖DSS诱导结肠炎模型,IGNR3已经观察到识别真菌共生的微生物群的成员,SIGNR3−−/老鼠在结肠表现出更水平的TNF-α。因此，共生真菌似乎通过c型凝集素受体与宿主沟通，以维持肠道的稳态。然而，目前还没有直接的证据来确定共生真菌是否可以调节选择素的分泌，这需要进一步的研究。
图1肠道菌群在诱导抗菌肽针对病原菌表达过程中起重要作用。
抗菌肽是控制肠道内病原菌生长的天然免疫系统的重要组成部分。积累的证据表明，肠道微生物群可以促进抗菌肽的表达，并在宿主对病原体的防御中发挥核心作用。Paneth细胞可以通过细胞自主髓样分化主要响应88 (MyD88)端依赖toll样受体(TLR)激活,从而感知肠道菌群，引发α-defensins和C型凝集素的表达。关于β-defensin,肠道微生物群在细胞培养中通过NF-κB和MAPK / AP-1依赖的通路，体外诱导β-defensin表达。然后β-defensin与肠上皮细胞(IEC)通过CCR6相互作用，激活上皮恢复和屏障修复。
3. 肠道微生物群引起炎症小体对病原体的激活
炎症小体激活是一个重要的先天免疫途径，通过促炎细胞因子IL-1β和IL-18的分泌，以及诱导细胞凋亡。阻止病原体入侵。炎症小体有两种主要来源，即髓性和上皮性炎症小体。虽然它们有一些共同的特征，但值得注意的是，起源不同的炎性小体可能具有不同的特征和效应功能。例如，从机制上看，巨噬细胞和上皮细胞来源的炎性小体通过不同的中间过程被激活。IL-18的处理依赖于IECs中的caspase-11，而caspase-1负责髓性细胞中IL-18的处理。此外,与髓细胞相比,IEC主要表达IL-18，产生IL-1β较少。此外，与髓样炎性小体不同，IEC炎性小体在活化时能够产生大量前列腺素。有趣的是，上皮细胞和髓样炎性小体之间的信号通路也不同。例如，在稳态条件下，NLRP3和PYCARD基因在小鼠巨噬细胞中均有高表达，而小鼠气道上皮细胞只能表达低水平的PYCARD，而不能表达NLRP3。
越来越多的证据表明，肠道微生物群可以激活NLRC4和NLRP3炎症小体途径来对抗病原体。肠杆菌科和致病性变形杆菌属是人类胃肠道正常菌群的成员，被证明通过肠道Ly6Chigh 单核细胞介导激活NLRP3，产生大量的IL-1β。事实上，招募的Ly6Chigh单核细胞已经被证明可以表达多种炎症小体成分，如NAIPs，NLRC4，NLRP1，NLRP6，AIM2，caspase-1，caspase-4，ASC和IL-18。与此同时,Seo等人也证 明,变形杆菌(一种变形菌门门成员)诱导NLRP3激活和IL-1β生产。有趣的是，来自其他变形杆菌的细菌成分，如假单胞菌产生的LPS，甚至已经被证明可以通过NLRP3炎症小体的激活诱发宿主的精神抑郁症状。其他有趣的研究表明，除了肠道共生细菌，哺乳动物的肠道还含有丰富的真菌群落，它们似乎也能激活炎症体途径。这个群落包括人类共菌白色念珠菌(C. albicans)，它在胃肠道和阴道粘膜表面定居，并在AOM-DSS诱导的结肠炎中促进炎症小体的激活。为进一步支持这一发现,直接肽注射实验证明candidalysin肽，一种来源于菌丝特异性 ECE1基因，作为一种真菌引发NLRP3 炎症小体介导的成熟, 以一个NLRP3 炎症小体依赖的方式，足以诱导IL-1β分泌成熟的巨噬细胞。在最近的研究中，大量的其他肠道微生物代谢物也被证明可以诱导炎症体途径对抗病原体。例如，肠道微生物源三磷酸腺苷(ATP)通过巨噬细胞P2X7受体与NLRP3(也称为CIAS1)协同，诱导胞质蛋白复合物的组装包括ASK和caspase-1，t最终导致炎性小体活化。
另一种重要的肠道微生物代谢物短链脂肪酸(SCFAs)是厌氧肠道微生物发酵膳食纤维的最终产物，它也与炎症小体的激活有关。SCFAs结合结肠上皮细胞GPR43来刺激K +外流和超极化已被证明是导致NLRP3 炎症小体激活,以及随后加速细胞成熟和分泌IL-1β和IL-18。
4. 肠道微生物群可增强白细胞介素的表达，清除入侵病原体
IL-22
IL-22是维持粘膜屏障完整性的重要物质，由许多不同类型的先天免疫细胞产生。这种细胞因子已被证明在多种病原体感染时发挥宿主保护作用，包括肺炎克雷伯菌、柠檬酸杆菌、抗万古霉素肠球菌和查鲍迪疟原虫。一种IL-22依赖的病原体清除机制是粘膜内抗菌蛋白的增加，其中包括:钙蛋白保护素和脂蛋白-2（lipocalin-2），与肠铁螯合蛋白结合的脂蛋白-2，两者都限制了肠道铁的可用性。
C型凝集素,再生islet衍生的蛋白质Reg3β和Reg3γ，控制微生物群的一些成分；和S100A8和S100A9，这两个抗菌肽异聚形成钙保护素，一种抗菌蛋白，可以隔离锌和锰，来防止微生物获得这些营养物质。虽然上皮细胞的抗菌防御也存在，但许多病原体仍可在黏膜表面定植，造成感染。然而，积累的证据表明，IL-22是通过特定的肠道微生物衍生分子激活宿主AhR，在病原体入侵时迅速被诱导（Fig.2）。例如，乳酸菌(特别是罗伊氏乳杆菌)可以激活肠道3型固有淋巴细胞(ILC3)产生IL-22。而其他研究表明，补充三株具有高色氨酸代谢活性的共生乳酸菌就足以恢复肠道IL-22的生成。事实上，更多的研究表明，乳酸菌可以利用色氨酸作为能量来源，产生代谢物吲哚-3-醛(IAld)，从而激活ILCs上的AhRs。除了乳酸菌菌株外，最近的其他研究表明，别样棒菌属菌株、大肠杆菌、梭菌属菌株和拟杆菌属菌株也可以利用色氨酸产生IAld，并诱导IL-22的产生。同时，其他研究表明，激活的ILCs分泌IL-22，通过减少病原体定植，保护宿主免受机会性病原体的侵袭。事实上,其他先天免疫细胞,如NKT细胞,γδT细胞和巨噬细胞,最近被证明肠道微生物群通过AhR途径调节时，能够分泌IL – 22。因此，肠道微生物群可以通过AhR途径共同提高IL-22的表达，从而预防病原菌感染。
图2肠道微生物群增强IL-22对侵袭性病原体的表达
IL-22在维持粘膜屏障完整性方面具有重要作用，可由多种不同类型的先天免疫细胞产生，诱导多种抗菌蛋白的表达，包括脂蛋白-2、钙保护素、c型凝集素、S100A8、S100A9等来清除病原体。越来越多的证据表明，肠道微生物群增强了IL-22的表达，以保护宿主免受病原体的侵袭。结果表明，肠道微生物群利用色氨酸作为能量来源，产生代谢产物吲哚-3-醛(IAld)，从而激活先天免疫细胞的Ahr。一旦被激活，先天免疫细胞将分泌IL-22，通过减少其定植来保护宿主免受机会性病原体的侵袭。
IL-17
IL-17是一种公认的重要细胞因子，通过招募中性粒细胞的聚集和诱导抗菌肽的产生，参与限制病原体(包括伤寒沙门氏)的入侵和传播。最近的研究表明,丰富和激活状态的生产IL-17 的上皮内淋巴细胞(IELs)由共生的细菌调节,IELs中γδT的细胞群丰富，代表了先天IL-17产生的一个重要来源。值得注意的是,一项GF小鼠和SPF小鼠的比较研究表明,TCRγδIELs 的数量在GF老鼠中降低。此外,除了IELs数量的调节,肠道微生物群也可以调节TCRγδIELs的激活,一份报告显示, TCRγδIELs产生的IL-17在GF老鼠中降低了。同时,抗生素治疗和单一定植的老鼠被用来证明腹膜内绝大多数的γ/δT细胞是 CD62L-γδT细胞，它们是激活的γδT细胞， GF小鼠比SPF小鼠具有更少的CD62L-γδT细胞。值得注意的是,其他研究表明,特定的共生的细菌,不包括甲硝唑敏感的厌氧菌，如拟杆菌物种,需要参与维持IL-1R1 +γδT细胞, 这是另一个研究小组的结果，与之前的研究结果相吻合。总之,肠道微生物群影响IL-17-producingTCRγδIELs的丰度和激活状态，来保护宿主免受病原体感染和维持肠道内稳态。此外，淋巴组织诱导细胞(LTi)和NCR - ILC3细胞似乎也作为先天IL-17产生的重要来源。然而，很少有研究调查肠道微生物如何调节这些细胞类型，这一领域值得进一步研究。
IL-10
IL-10是一种抗炎细胞因子，在调节宿主对病原体的免疫反应方面发挥着核心作用，从而预防宿主损伤和维持正常组织稳态。越来越多的证据表明，巨噬细胞是先天IL-10的重要来源，而肠道微生物群在体内平衡条件下对黏膜先天IL-10的生成起着至关重要的作用。例如，对GF小鼠和SPF小鼠的研究表明，来自无菌小鼠的结肠固有层显示出较低的IL-10产量，后来证实，稳定状态下IL-10水平下降了50%。为了阐明肠道微生物群调控肠道巨噬细胞IL-10产生的机制，Hayashi等人使用巨噬细胞特异性IL-10缺陷小鼠证明，丁酸梭菌(CB)是一种独特的I型梭状芽胞杆菌株，它诱导IL-10产生，最终预防急性实验性结肠炎。然而，CB处理对T细胞产生IL-10无影响，而IL-10产生F4/80+CD11b+CD11cint巨噬细胞在CB处理后在炎症粘膜内积聚。随后，更严格的检测表明CB通过TLR2/MyD88通路直接触发肠道巨噬细胞产生IL-10。同时，Ochi等人最近发现，饮食中的氨基酸通过小肠(SI)巨噬细胞直接调控Il-10的产生。采用全肠外营养喂养的小鼠，SI中产生IL-10的巨噬细胞显着减少，而产生IL-10的CD4+ T细胞保持完整。同样，肠内营养剥夺选择性地降低了单核细胞来源的F4/80+巨噬细胞群产生IL-10的能力，但对非单核细胞来源的CD103+树突状细胞没有影响。值得注意的是，与结肠巨噬细胞的调节相反，SI巨噬细胞的补充及其IL-10的产生不受肠道微生物群的调节。与在稳态条件下得到的结果相反，用一个损伤模型来研究微生物群的参与，来解释损伤后观察到的IL-10增加的得到了不同的结果。比较未损伤的完整组织和SPF或GF小鼠创面修复第2天组织的IL-10mRNA水平，发现SPF和GF小鼠创伤后结肠组织均诱导IL-10 mRNA表达。因此，损伤引起的IL-10增加似乎在很大程度上是独立于微生物群的，尽管原因尚不清楚，在不同的模型系统中观察到的肠道微生物群的影响不同。然而，我们假设，局部损伤相关分子蛋白(DAMPs)可能在肠道损伤后更快、更强地调节免疫细胞，导致肠道微生物群无法在短时间内调整，或者掩盖了任何基于微生物群的调节作用。
5. 结论
肠道微生物群通过诱导抗菌肽、IL-22、IL-17和IL-10的表达，在诱导炎症小体活化的同时，抵抗入侵病原体的定植和生长。由于肠道微生物群抵抗病原入侵的潜在机制仍不清楚，未来的研究显然需要确定肠道微生物群对各种病原体的功能，以便开发有希望的治疗传染病的策略。例如,大肠杆菌Nissle 1917可以由NF-κB 和MAPK /AP1-依赖的通路诱导β-defensin表达,而乳酸菌属激活IL-22生成来对抗各种机会性感染，减少定植。因此，移植合适的特异性肠道菌群与特异性病原体竞争是一种有效的防御策略。然而，由于这一策略带来了新的疾病风险，恢复肠道稳态和促进宿主免疫系统的策略可能有助于更安全地清除病原体。为此，确定特定的肠道微生物群功能和确定正常的肠道微生物群是制定加强宿主对病原体防御的更安全策略的第一步。此外，研究肠道微生物代谢物的功能和机制可能有助于开发新的治疗策略来对抗耐药病原体。
