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治療自身免疫性疾病,或可從腸道菌群入手!

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治療自身免疫性疾病,或可從腸道菌群入手!

分類:
益生菌
作者:
Amanda B. Keener
來源:
《腸道產業》
2020/04/10 11:47
這是《腸道產業》第 232 篇文章
 
編者按:
 
人們發現分子擬態這一機制已經很久了,但是直到最近我們才開始關注與人共存的微生物的分子擬態。研究發現人體微生物確實會表達產生一些與宿主蛋白類似的同源蛋白,而這些蛋白在某些情況下可能會引起宿主免疫失衡,造成自身免疫疾病。
 
那么,我們是否可能通過調控微生物來治療自身免疫疾病呢?是否只需要消除這些致病的微生物就可以了呢?
 

今天我們特別關注腸道微生物與自身免疫疾病。希望該文能夠為產業人士和相關讀者帶來一些啟發與幫助。

 

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自身免疫性葡萄膜炎與分子擬態

 
20 世紀 80 年代中期,免疫學家 Rachel Caspi 開始研究一種名為自身免疫性葡萄膜炎的炎癥性眼病。為了建立這種疾病的小鼠模型,她需要給小鼠的血液中注射一種在哺乳動物視網膜中發現的蛋白質——類視黃醇結合蛋白(IRBP)。
 
此外,還要注射一種免疫刺激化合物佐劑,然后小鼠自身的 T 細胞就會攻擊他們的眼睛,從而引發炎癥、組織損傷,最終導致失明。
 
盡管該模型可以引發炎癥性眼病,但是,Caspi 希望能夠建立一個可以更好地模擬人類葡萄膜炎發生的模型。她希望在這個模型中 IRBP 特異性 T 細胞能夠自發攻擊視網膜,而無需任何形式的外源性免疫刺激。
 
十年前,她和她所在的研究小組開發出了符合上述要求的新遺傳小鼠模型。
 
在該模型中小鼠能夠產生過量的與 IRBP 結合的 T 細胞。而且,這些小鼠從未接受過 IRBP 或佐劑的注射,但體內的 T 細胞仍會轉移到眼部并在視網膜上引起炎癥1。
 
該模型使 Caspi 能夠探索自身免疫性葡萄膜炎的悖論:T 細胞能夠被一種蛋白質激活,但這種蛋白質僅由視網膜細胞和松果體產生,而這些組織通常與免疫系統之間的相互作用非常小。
 
不僅如此,眼部的細胞甚至還會釋放出分子物質將 T 細胞攔截在外,只有處于激活狀態的 T 細胞才能進入眼部這樣具有免疫豁免的器官。
 
此外,在小鼠模型中,眼睛和松果體以外并沒有 IRBP 來激活 T 細胞。
 
Caspi 認為,T 細胞可能是在體內其他地方遇到類似 IRBP 的物質,從而被激活。但是她知道光靠蛋白質還不夠。T 細胞需要第二個信號才能切換到攻擊模式。
 
她說:“我們認為 T 細胞不僅需要抗原信號,還需要一種免疫學家尚不清楚的佐劑,一種可能是由細菌提供的天然危險信號。”
 
像大多數免疫學家一樣,Caspi 想到了病原體。某些病原體可以模仿并產生與宿主自身抗原相似的抗原,同時提供激活免疫細胞所需的炎癥信號來觸發自身免疫,造成機體對自身的攻擊。
 
這種模仿宿主自身抗原的現象被稱為分子擬態,在感染的情況下十分常見,它可以引起自身抗體或是能與宿主自身的組織發生反應的抗體短暫地出現濃度增加。對于大多數人來說,這個過程是無害的,但是在一定的情況下,如對某些具有遺傳易感性的人而言,它可能會導致疾病。
 
目前,分子擬態現已成為一種可考證的機制,這種機制可能會導致某些自身免疫性疾病,如風濕熱。
 
Caspi 想知道她的實驗老鼠是否會出現了類似的狀況,但是這些動物從未接觸過傳染性病原體,那么病原體是從哪里來的呢?
 
 “我們首先想到的是,在一個健康的個體中,哪里可以看到很多細菌?”她說,“那就是腸道。”
 
于是,該研究小組對易出現自身免疫的小鼠在胎兒期和出生后使用抗生素,來盡可能地消除腸道微生物。
 
結果發現采用該干預方法的小鼠患葡萄膜炎的機率低于未經干預的小鼠,后者通常在 4 周齡左右患上這種疾病。另外,即便采用抗生素干預的小鼠生病其患病的時間也更遲,癥狀的嚴重程度也相對降低1。
 

這讓 Caspi 意識到,腸道中的某些微生物可能正在激活誘發該病的 IRBP 特異性 T 細胞。

誘餌和掉包:從體外到體內

 
微生物與自身免疫并不是個新鮮的話題。我們已經知道,患有各種自身免疫性疾病的患者會出現腸道微生物的變化。此外,將多發性硬化癥(MS)患者的糞便移植到易患自身免疫性疾病的實驗小鼠中,也會誘發動物出現相應的疾病癥狀2。
 
相反,采用抗生素干預或在無菌環境中飼養小鼠可以預防、治療甚至治愈多種自身免疫性疾病。
 
這些自身免疫性疾病與微生物組的聯系可能與共生細菌產生的化學信號有關,因為這些化學信號可能可以促進 T 細胞轉化為促炎表型。
 
不過,實際上也是最近幾年,研究人員才開始懷疑腸道微生物和人類共享的抗原是否會引發疾病。
 
Caspi 說,盡管分子擬態的概念已經出現數十年了,但在逐步了解生存于人體表面和人體內的微生物的過程中,分子擬態的概念常被忽視。
 
當 Caspi 和她的同事在 2015 年發表研究成果時,Caspi 表示:“這是我們第一次證明外觀相似的抗原可能是來自我們無法避免的自身腸道微生物。”
 
Caspi 仍在尋找確鑿的證據,證明分子擬態在其小鼠中誘發了自身免疫性葡萄膜炎。她的團隊正在嘗試找出哪些細菌的抗原正在影響 IRBP 反應性 T 細胞,以及它們如何對細胞進行改變以攻擊眼睛。
 
自從她開始這個項目以來,這個想法就受到了其他幾個研究小組的支持。
 
在過去的四年中,研究人員已將共生微生物與包括多發性硬化(MS)、狼瘡、青光眼,Ⅰ 型糖尿病和類風濕性關節炎在內的自身免疫性疾病聯系起來,表明共生細菌抗原可以激活人類免疫細胞攻擊自己的身體組織。
 

耶魯大學免疫學家 Martin Kriegel 說,最近的研究表明,與病原體一樣,共生微生物也會導致免疫系統與宿主組織發生“交叉反應” 。他說,現在的難點是弄清分子擬態在什么情況下會導致自身免疫。

 

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腸道微生物與自身免疫性疾病

 
分子擬態致病的最早的證據是關于一種名為風濕熱的自身免疫性疾病,其癥狀包括關節炎、心力衰竭、無法控制的抽搐以及情緒失控等問題。
 
早在 20 世紀 50 年代,研究人員就懷疑 A 型鏈球菌細菌感染可能以某種方式觸發機體攻擊心臟組織,但是這種聯系一直不為人知。
 
直到 1962 年,哈佛大學的兩名研究人員 Melvin Kaplan 和 Mary Meyeserian 研究了一個 11 歲男孩的心臟,該男孩在鏈球菌感染后死于風濕熱感染。研究人員在他的心臟組織中發現了相關的免疫細胞和抗體沉積物3。
 
他們還通過注射鏈球菌細胞壁使兔子獲得了免疫,發現兔子血液中的某些物質(后來被發現是抗體)能與人的心臟組織發生反應。
 
隨后在小鼠和人類中進行的研究表明,在感染 A 型鏈球菌的過程中,B 細胞產生的抗體與細菌表面的糖基結合,從而將微生物標記為入侵者。但是在人體的心臟、皮膚和大腦的蛋白質上也有相同的糖基,這意味著活化的免疫細胞也會攻擊這些組織。
 
同時,攜帶識別糖基團受體的 T 細胞會與抗體一起增殖,并誘發可損害心臟、引發神經系統癥狀的炎癥。于是,免疫系統對感染的反應轉變成了對自身的破壞性攻擊。
 
此后,分子擬態被認為是幾種自身免疫性疾病的可能誘因。例如,神經細胞和空腸彎曲菌的細胞膜成分之間相似,這被認為是神經系統自身免疫性疾病——格林-巴雷綜合征的一個致病原因。
 
另一個例子是多發性硬化(MS)與 Epstein-Barr 病毒之間的聯系。MS 患者中攻擊髓磷脂的 T 細胞同樣會識別 Epstein-Barr 病毒抗原,因而攜帶病毒被認為是該疾病的危險因素。
 
Caspi 說:“鑒于宿主中傳染性病原體與自身免疫性疾病之間的聯系越來越多,我們自然而然地聯想到了分子擬態。微生物產生的很多蛋白質都與哺乳動物產生的蛋白質非常相似。”
 
一項研究報告稱,我們產生的 99%以上的短于 8 個氨基酸的肽與至少一種細菌產生的蛋白質同源4。
 
但是過去大部分的研究都關注于體外環境中的微生物,而近年來人們發現我們體內的微生物可能也會干相同的事情。
 
2016 年,耶魯大學醫學院的臨床醫生和免疫學家 Li Wen 及其同事發現,遺傳上易患 Ⅰ 型糖尿病的小鼠的腸道微生物組組成發生了重大變化。
 
該研究小組將一種名為胰島特異性葡萄-6-磷酸酶催化亞基相關蛋白(IGRP)的胰島蛋白與細菌蛋白的數據庫進行了序列比對,發現有三種共生細菌能夠產生相似的蛋白,而 IGRP 已知可激活 Ⅰ 型糖尿病小鼠和人類中的胰腺侵襲性 T 細胞。
 
當研究人員將受到 IGRP 模擬物刺激的 T 細胞注射到易患疾病的小鼠體內時,動物尿液中的葡萄糖水平開始增加,這表明它們比正常情況更早出現糖尿病癥狀。而給小鼠喂食一種能夠產生 IGRP 模擬物的細菌,同樣也會導致糖尿病的發作。
 
該研究首次證明能產生哺乳動物肽模擬物的共生菌可以直接激活 T 細胞并引發糖尿病。 
 
2018 年 3 月,Kriegel 的研究小組發表研究表明,共生菌產生的人體自身抗原同源物可能是引發狼瘡的機制之一。
 
狼瘡是一種免疫系統疾病,機體會攻擊包括皮膚和腎臟在內的多種器官。過去的研究已經發現 Ro60 的人蛋白質抗體與狼瘡疾病的發生有關,因此,研究人員尋找了由共生細菌產生的 Ro60 同源蛋白。
 
正如他們所預料,研究小組在健康個體和狼瘡患者的腸道、口腔和皮膚微生物群組中發現了由細菌產生的人類 Ro60 同源蛋白。但是,只有狼瘡患者攜帶針對 Ro60 的抗體和 T 細胞。
 
研究人員從患者體內分離出 Ro60 特異性 T 細胞,發現這些細胞可以與腸道共生擬桿菌和口腔/皮膚的共生丙酸桿菌制造的 Ro60 同源蛋白結合。
 
Kriegel 說,這至少表明,這些共生微生物有可能激活體內針對 Ro60 特異的 B 細胞和 T 細胞。
 
在未發表的研究中,Kriegel 研究小組還觀察到,對抗磷脂綜合癥(一種自身免疫疾?。┫嚓P抗原具有特異性的 T 細胞和 B 細胞與腸道中發現的細菌抗原會發生交叉反應。
 
在類風濕關節炎的相關研究中,波士頓大學和哈佛大學的一組研究人員發現,幾種共生細菌的肽段和患者發炎關節液中發現的兩種抗原的序列存在重疊。在實驗中,細菌肽激活了約一半患者的 T 細胞,但沒有激活健康個體的 T 細胞6。
 
另外,還有證據表明,共有微生物產生的抗原模擬物可以刺激免疫細胞,使之進入免疫器官,如眼睛和中樞神經系統(CNS)。
 
蘇黎世大學的免疫學家 Mireia Sospedra Ramos 從一名 MS 患者的大腦脊髓液和腦損傷中分離出了 T 細胞,并發現這些 T 細胞與鳥苷二磷酸(GDP)-L-巖藻糖合成酶會發生反應。
 
GDP-L-巖藻糖合成酶與細胞表面的某些蛋白合成有關,而這些細胞表面的蛋白可以介導機體中,尤其是大腦和腸道中的細胞間相互作用。事實證明,這些合成酶也可由幾種共生細菌生成7。
 
此外,Sospedra Ramos 和她的同事發現,他們研究中約 40%的 MS 患者大腦脊液中的 T 細胞對人的 GDP–L-巖藻糖合成酶有反應。
 
關于該研究熱心腸日報做過相關報道:

Science子刊:GDP-巖藻糖合成酶是特定多發性硬化患者體內的自身抗原

Science Translational Medicine——[17.161]
 
① 從多發性硬化患者的腦脊髓液中分離出腦浸潤性CD4 T細胞,利用此細胞克隆篩選十肽文庫;② 鑒定出鳥苷二磷酸(GDP)-1-巖藻糖合成酶作為自身抗原,被來自HLA-DRB3*陽性患者的腦脊液浸潤的CD4 T細胞識別;③ 對GDP-1-巖藻糖合酶肽的反應性與DRB3*02:02的表達及對免疫顯性髓鞘堿性蛋白肽的反應性之間呈顯著關聯;④ 結合來自腸道菌群的同源肽的交叉識別,該抗原可能在多發性硬化癥中作為致病性自身免疫應答的誘導物或驅動因子發揮作用。
GDP-l-fucose synthase is a CD4 T cell-specific autoantigen in DRB3*02:02 patients with multiple sclerosis
2018-10-10, doi: 10.1126/scitranslmed.aat4301
【主編評語】多發性硬化癥是中樞神經系統的免疫介導的自身免疫疾病,其在遺傳易感個體中發展可能需要環境誘因。來自 Science Translational Medicine 上發表的一項最新研究,在(@szx)
 

 
研究人員還發現,在接受測試的 7 名患者中,有 4 名患者的 T 細胞與由兩種細菌產生的酶存在強烈反應,而這兩種細菌在 MS 患者的腸道中數量顯著升高5。
 
Sospedra Ramos 說,腸道細菌產生的 GDP-L-巖藻糖合成酶可能會使 T 細胞穿過血腦屏障。
 
她還表示, “我們認為也許腸道中的 T 細胞可以識別細菌的這種蛋白質,由于某些未知的原因,這些 T 細胞可以遷移到大腦中,穿越血腦屏障,并在大腦中識別人體產生的這類酶。”
 
盡管共生細菌能夠引發慢性自身免疫的想法仍是推測性的,但像這樣的實驗使 Kriegel 確信,共生微生物的分子擬態與自身免疫性疾病之間的聯系是真實的。
 

 “總的來說,我認為毫無疑問會發生交叉反應,并且交叉反應會導致疾病。”他說, “但是這一結論很難被證明。”

 

調控微生物可以恢復免疫平衡嗎?

 
能夠產生抗原模擬物的細菌在無菌小鼠中定殖與增加動物自身免疫的風險存在一定的關系,但通常來說,只有細菌或它們的抗原的存在并不足以引起疾病。
 
正如 Caspi 在 20 世紀 80 年代的小鼠模型中不得不使用佐劑引發葡萄膜炎一樣, Kriegel 的研究小組除了給動物喂食產生 Ro60 模仿蛋白的細菌外,也必須對小鼠使用佐劑,才能使之出現腎臟炎癥——狼瘡的核心癥狀3。
 
這可能是因為免疫系統采取了許多措施來預防自身免疫的發生。一種主要的控制措施是 T 細胞需要至少兩種不同的受體進行刺激,然后才能發起免疫攻擊。
 
麻省理工學院的免疫學家陳建柱說:“通常,要激活天然 T 細胞,需要兩個信號:抗原和共刺激。” 他所領導的研究小組在青光眼小鼠模型中發現了分子擬態的作用8。
 
關于該研究熱心腸日報做過相關報道:

Nature子刊:被菌群“刺激”的T細胞介導青光眼發病

Nature Communications——[11.878]
 
① 青光眼是能導致失明的神經退行性疾??;② 對模型小鼠的實驗表明,眼壓短暫升高足以誘導CD4+ T細胞浸潤到視網膜,使得眼壓恢復后視網膜神經節細胞仍然發生持續性退變;③ 青光眼模型小鼠和人類患者中,熱休克蛋白(HSP)(HSP27和HSP60)特異性的T細胞數量顯著增加,在視網膜中浸潤的T細胞可與人體和細菌的HSP產生交叉反應;④ 無菌小鼠實驗表明,眼壓升高誘導的HSP特異性T細胞應答和青光眼視網膜神經退化,需要共生菌群存在。
Commensal microflora-induced T cell responses mediate progressive neurodegeneration in glaucoma
2018-08-10, doi: 10.1038/s41467-018-05681-9
【主編評語】Nature Communications近期發表來自哈佛醫學院和麻省理工兩位華人學者主導的研究,揭示了青光眼疾病進程中由共生菌群誘導的T細胞應答的關鍵作用,提示青光眼應歸為自身免疫疾病。這些發現或能為青光眼的診斷和防治帶來新啟示。(@mildbreeze)

 
最常見的是,T 細胞從稱為抗原呈遞細胞(APC)的免疫細胞接受共刺激,該免疫細胞對損傷或感染起第一反應。這些細胞消耗并處理諸如受損的細胞成分或細菌抗原之類的東西,同時還會感知環境,并在需要時授予 T 細胞攻擊的權限。
 
但是在腸道中,APC 所做的則相反,APC 需要釋放信號告訴 T 細胞要“耐受”共生微生物。因此,想要通過分子擬態引發自身免疫,必須要采取某些其他措施。
 
Kriegel 說:“你可以想象一下,一旦基因關聯錯誤,那么就會立馬引起致病反應,而不是正常的調控。”
 
發生自身免疫的人與不發生自身免疫的人之間的差異可能與某些微生物的存在或相對豐度的變化有關,還可能與人們的免疫系統如何處理這些微生物產生的能夠引起交叉反應的抗原有關。
 
 “任何疾病都是多因素的。” Kriegel 說,“如果您擁有錯誤的基因加上錯誤的微生物,那么您很容易患上疾病。”
 
那么,即便不能通過微生物療法根除疾病,但是是否有可能通過調控微生物來緩解疾病呢?
 
雖然小鼠的實驗證明了抗生素可能會降低某些自身性免疫疾病的發病風險,但是一些研究人員認為使用抗生素等手段消除微生物組并不是治療自身免疫性疾病的方法。
 
因為我們已經知道常駐細菌對于建立免疫系統至關重要,甚至在某些情況下,它們可能會阻止潛在的有害免疫反應。
 
馬里蘭州貝塞斯達市國家眼科研究所的免疫學家 RACHEL CASPI 說:“沒有這些共生的微生物,我們的狀況會更糟。”
 
最近的一項研究甚至發現分子擬態可以在共生微生物的免疫抑制活動中發揮作用。幾種由腸道細菌產生的抗原看起來像胰蛋白 IGRP,能夠激活一部分細胞毒性 IGRP 特異性 T 細胞。這些 T 細胞進入腸道病殺死已知引起腸道炎癥的其他免疫細胞來保護小鼠免于結腸炎9。
 
關于該研究熱心腸日報做過相關報道:

Cell:腸道細菌通過模擬胰島細胞抗原表位,以抑制結腸炎!

Cell——[36.216]
 
① 腸道擬桿菌屬中的某些物種表達的整合酶基因中,編碼低親和力模擬表位;② 其模擬的是胰腺β細胞上被CD8+ T細胞識別的自身抗原IGRP206-214,這樣的識別促進β細胞損傷和1型糖尿??;③ 通過在無菌小鼠中定殖整合酶正常/缺陷的擬桿菌屬細菌,明確模擬表位促進腸道招募致糖尿病CD8+ T細胞;④ 這些交叉反應性CD8+ T細胞通過整合素b7、MHCI、穿孔素依賴性途徑,靶向腸道中樹突狀細胞而抑制結腸炎;⑤ 人外周血中的T細胞同樣可識別擬桿菌屬的整合酶。
A Gut Microbial Mimic that Hijacks Diabetogenic Autoreactivity to Suppress Colitis
2017-10-19, doi: 10.1016/j.cell.2017.09.022
【主編評語】這是剛剛出版的Cell上一篇精彩絕倫的免疫學研究,除了我們分享的200字簡介,我們再特別科普一下大概意思:① 在胰腺β細胞上,有一個自身抗原會被特定的T細胞識別;② T細胞識別以后破壞β細胞,促進自身免疫性的1型糖尿??;③ 在腸道里,有一些擬桿菌會表達整合酶,這個酶分子結構中有一部分能模擬胰腺β細胞上的那個抗原表位;④ 這個模擬的表位會召集跟胰腺中一樣的T細胞到腸道;⑤ 召集來的T細胞幫助抑制腸道炎癥。大概明白了么?是不是很酷的研究?話說這么復雜,研究者是怎么想到的…專業人士去搞明白吧,我們搞清楚研究的大概意思已經不容易了。(@szx)
 

 
不過也有人認為移除微生物或許可以成為一種潛在療法。
 
耶魯大學免疫學家 MARTIN KRIEGEL 說過,對于某些具有自身免疫風險或處于疾病早期階段的患者,移除某些微生物仍然是一種方法。
 
他說:“從理論上來說,選擇這些患者、確定交叉反應的觸發因素并去除是可行的。最難的部分在于是如何去除?” 
 
他補充道,在狼瘡的案例中,也許可以使用局部抗生素,用以去除皮膚微生物中的 Ro60 模擬物的“制造者”。
 
CASPI 對于把共生微生物作為靶點用以預防或治療疾病的方式有些讓人懷疑。“這其中很多都是經驗性的處理方法。”她說, “疾病由某些因素誘發。這并不意味著通過消除這些因素就可以阻止疾病的發生。”
 
 CAPSI 建議,人們可以通過補充益生菌來調節會產生抗原模擬物的腸道細菌的豐度。她說:“通過使用適當的益生菌,我們仍可能能夠影響疾病的進展。”
 
蘇黎世大學的免疫學家 MIREIA SOSPEDRA RAMOS 則提出,已經有證據表明,改變腸道微生物的組成可以使多發性硬化癥患者受益,這些研究表明,服用益生菌可以減少炎癥標志物,并緩解某些疾病癥狀。
 
但是,她補充道:“不過服用同樣的益生菌可能不會對所有的患者有效,因為人們可能攜帶對不同抗原起反應的免疫細胞。”
 
CASPI 說:“該解決方案不可能是消除或改變某個細菌這般簡單。我認為我們不能從我們在分子擬態方面的發現中直接得到一個解決方法。我們可能需要呼吁其它能夠恢復免疫平衡的方法,而不是首先消除引起免疫失衡的因素。”
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