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治疗自身免疫性疾病,或可从肠道菌群入手!

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治疗自身免疫性疾病,或可从肠道菌群入手!

分类:
益生菌
作者:
Amanda B. Keener
来源:
《肠道产业》
2020/04/10 11:47
这是《肠道产业》第 232 篇文章
 
编者按:
 
人们发现分子拟态这一机制已经很久了,但是直到最近我们才开始关注与人共存的微生物的分子拟态。研究发现人体微生物确实会表达产生一些与宿主蛋白类似的同源蛋白,而这些蛋白在某些情况下可能会引起宿主免疫失衡,造成自身免疫疾病。
 
那么,我们是否可能通过调控微生物来治疗自身免疫疾病呢?是否只需要消除这些致病的微生物就可以了呢?
 

今天我们特别关注肠道微生物与自身免疫疾病。希望该文能够为产业人士和相关读者带来一些启发与帮助。

 

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自身免疫性葡萄膜炎与分子拟态

 
20 世纪 80 年代中期,免疫学家 Rachel Caspi 开始研究一种名为自身免疫性葡萄膜炎的炎症性眼病。为了建立这种疾病的小鼠模型,她需要给小鼠的血液中注射一种在哺乳动物视网膜中发现的蛋白质——类视黄醇结合蛋白(IRBP)。
 
此外,还要注射一种免疫刺激化合物佐剂,然后小鼠自身的 T 细胞就会攻击他们的眼睛,从而引发炎症、组织损伤,最终导致失明。
 
尽管该模型可以引发炎症性眼病,但是,Caspi 希望能够建立一个可以更好地模拟人类葡萄膜炎发生的模型。她希望在这个模型中 IRBP 特异性 T 细胞能够自发攻击视网膜,而无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组开发出了符合上述要求的新遗传小鼠模型。
 
在该模型中小鼠能够产生过量的与 IRBP 结合的 T 细胞。而且,这些小鼠从未接受过 IRBP 或佐剂的注射,但体内的 T 细胞仍会转移到眼部并在视网膜上引起炎症1
 
该模型使 Caspi 能够探索自身免疫性葡萄膜炎的悖论:T 细胞能够被一种蛋白质激活,但这种蛋白质仅由视网膜细胞和松果体产生,而这些组织通常与免疫系统之间的相互作用非常小。
 
不仅如此,眼部的细胞甚至还会释放出分子物质将 T 细胞拦截在外,只有处于激活状态的 T 细胞才能进入眼部这样具有免疫豁免的器官。
 
此外,在小鼠模型中,眼睛和松果体以外并没有 IRBP 来激活 T 细胞。
 
Caspi 认为,T 细胞可能是在体内其他地方遇到类似 IRBP 的物质,从而被激活。但是她知道光靠蛋白质还不够。T 细胞需要第二个信号才能切换到攻击模式。
 
她说:“我们认为 T 细胞不仅需要抗原信号,还需要一种免疫学家尚不清楚的佐剂,一种可能是由细菌提供的天然危险信号。”
 
像大多数免疫学家一样,Caspi 想到了病原体。某些病原体可以模仿并产生与宿主自身抗原相似的抗原,同时提供激活免疫细胞所需的炎症信号来触发自身免疫,造成机体对自身的攻击。
 
这种模仿宿主自身抗原的现象被称为分子拟态,在感染的情况下十分常见,它可以引起自身抗体或是能与宿主自身的组织发生反应的抗体短暂地出现浓度增加。对于大多数人来说,这个过程是无害的,但是在一定的情况下,如对某些具有遗传易感性的人而言,它可能会导致疾病。
 
目前,分子拟态现已成为一种可考证的机制,这种机制可能会导致某些自身免疫性疾病,如风湿热。
 
Caspi 想知道她的实验老鼠是否会出现了类似的状况,但是这些动物从未接触过传染性病原体,那么病原体是从哪里来的呢?
 
 “我们首先想到的是,在一个健康的个体中,哪里可以看到很多细菌?”她说,“那就是肠道。”
 
于是,该研究小组对易出现自身免疫的小鼠在胎儿期和出生后使用抗生素,来尽可能地消除肠道微生物。
 
结果发现采用该干预方法的小鼠患葡萄膜炎的机率低于未经干预的小鼠,后者通常在 4 周龄左右患上这种疾病。另外,即便采用抗生素干预的小鼠生病其患病的时间也更迟,症状的严重程度也相对降低1
 

这让 Caspi 意识到,肠道中的某些微生物可能正在激活诱发该病的 IRBP 特异性 T 细胞。

诱饵和掉包:从体外到体内

 
微生物与自身免疫并不是个新鲜的话题。我们已经知道,患有各种自身免疫性疾病的患者会出现肠道微生物的变化。此外,将多发性硬化症(MS)患者的粪便移植到易患自身免疫性疾病的实验小鼠中,也会诱发动物出现相应的疾病症状2
 
相反,采用抗生素干预或在无菌环境中饲养小鼠可以预防、治疗甚至治愈多种自身免疫性疾病。
 
这些自身免疫性疾病与微生物组的联系可能与共生细菌产生的化学信号有关,因为这些化学信号可能可以促进 T 细胞转化为促炎表型。
 
不过,实际上也是最近几年,研究人员才开始怀疑肠道微生物和人类共享的抗原是否会引发疾病。
 
Caspi 说,尽管分子拟态的概念已经出现数十年了,但在逐步了解生存于人体表面和人体内的微生物的过程中,分子拟态的概念常被忽视。
 
当 Caspi 和她的同事在 2015 年发表研究成果时,Caspi 表示:“这是我们第一次证明外观相似的抗原可能是来自我们无法避免的自身肠道微生物。”
 
Caspi 仍在寻找确凿的证据,证明分子拟态在其小鼠中诱发了自身免疫性葡萄膜炎。她的团队正在尝试找出哪些细菌的抗原正在影响 IRBP 反应性 T 细胞,以及它们如何对细胞进行改变以攻击眼睛。
 
自从她开始这个项目以来,这个想法就受到了其他几个研究小组的支持。
 
在过去的四年中,研究人员已将共生微生物与包括多发性硬化(MS)、狼疮、青光眼,Ⅰ 型糖尿病和类风湿性关节炎在内的自身免疫性疾病联系起来,表明共生细菌抗原可以激活人类免疫细胞攻击自己的身体组织。
 

耶鲁大学免疫学家 Martin Kriegel 说,最近的研究表明,与病原体一样,共生微生物也会导致免疫系统与宿主组织发生“交叉反应” 。他说,现在的难点是弄清分子拟态在什么情况下会导致自身免疫。

 

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肠道微生物与自身免疫性疾病

 
分子拟态致病的最早的证据是关于一种名为风湿热的自身免疫性疾病,其症状包括关节炎、心力衰竭、无法控制的抽搐以及情绪失控等问题。
 
早在 20 世纪 50 年代,研究人员就怀疑 A 型链球菌细菌感染可能以某种方式触发机体攻击心脏组织,但是这种联系一直不为人知。
 
直到 1962 年,哈佛大学的两名研究人员 Melvin Kaplan 和 Mary Meyeserian 研究了一个 11 岁男孩的心脏,该男孩在链球菌感染后死于风湿热感染。研究人员在他的心脏组织中发现了相关的免疫细胞和抗体沉积物3
 
他们还通过注射链球菌细胞壁使兔子获得了免疫,发现兔子血液中的某些物质(后来被发现是抗体)能与人的心脏组织发生反应。
 
随后在小鼠和人类中进行的研究表明,在感染 A 型链球菌的过程中,B 细胞产生的抗体与细菌表面的糖基结合,从而将微生物标记为入侵者。但是在人体的心脏、皮肤和大脑的蛋白质上也有相同的糖基,这意味着活化的免疫细胞也会攻击这些组织。
 
同时,携带识别糖基团受体的 T 细胞会与抗体一起增殖,并诱发可损害心脏、引发神经系统症状的炎症。于是,免疫系统对感染的反应转变成了对自身的破坏性攻击。
 
此后,分子拟态被认为是几种自身免疫性疾病的可能诱因。例如,神经细胞和空肠弯曲菌的细胞膜成分之间相似,这被认为是神经系统自身免疫性疾病——格林-巴雷综合征的一个致病原因。
 
另一个例子是多发性硬化(MS)与 Epstein-Barr 病毒之间的联系。MS 患者中攻击髓磷脂的 T 细胞同样会识别 Epstein-Barr 病毒抗原,因而携带病毒被认为是该疾病的危险因素。
 
Caspi 说:“鉴于宿主中传染性病原体与自身免疫性疾病之间的联系越来越多,我们自然而然地联想到了分子拟态。微生物产生的很多蛋白质都与哺乳动物产生的蛋白质非常相似。”
 
一项研究报告称,我们产生的 99%以上的短于 8 个氨基酸的肽与至少一种细菌产生的蛋白质同源4
 
但是过去大部分的研究都关注于体外环境中的微生物,而近年来人们发现我们体内的微生物可能也会干相同的事情。
 
2016 年,耶鲁大学医学院的临床医生和免疫学家 Li Wen 及其同事发现,遗传上易患 Ⅰ 型糖尿病的小鼠的肠道微生物组组成发生了重大变化。
 
该研究小组将一种名为胰岛特异性葡萄-6-磷酸酶催化亚基相关蛋白(IGRP)的胰岛蛋白与细菌蛋白的数据库进行了序列比对,发现有三种共生细菌能够产生相似的蛋白,而 IGRP 已知可激活 Ⅰ 型糖尿病小鼠和人类中的胰腺侵袭性 T 细胞。
 
当研究人员将受到 IGRP 模拟物刺激的 T 细胞注射到易患疾病的小鼠体内时,动物尿液中的葡萄糖水平开始增加,这表明它们比正常情况更早出现糖尿病症状。而给小鼠喂食一种能够产生 IGRP 模拟物的细菌,同样也会导致糖尿病的发作。
 
该研究首次证明能产生哺乳动物肽模拟物的共生菌可以直接激活 T 细胞并引发糖尿病。 
 
2018 年 3 月,Kriegel 的研究小组发表研究表明,共生菌产生的人体自身抗原同源物可能是引发狼疮的机制之一。
 
狼疮是一种免疫系统疾病,机体会攻击包括皮肤和肾脏在内的多种器官。过去的研究已经发现 Ro60 的人蛋白质抗体与狼疮疾病的发生有关,因此,研究人员寻找了由共生细菌产生的 Ro60 同源蛋白。
 
正如他们所预料,研究小组在健康个体和狼疮患者的肠道、口腔和皮肤微生物群组中发现了由细菌产生的人类 Ro60 同源蛋白。但是,只有狼疮患者携带针对 Ro60 的抗体和 T 细胞。
 
研究人员从患者体内分离出 Ro60 特异性 T 细胞,发现这些细胞可以与肠道共生拟杆菌和口腔/皮肤的共生丙酸杆菌制造的 Ro60 同源蛋白结合。
 
Kriegel 说,这至少表明,这些共生微生物有可能激活体内针对 Ro60 特异的 B 细胞和 T 细胞。
 
在未发表的研究中,Kriegel 研究小组还观察到,对抗磷脂综合症(一种自身免疫疾病)相关抗原具有特异性的 T 细胞和 B 细胞与肠道中发现的细菌抗原会发生交叉反应。
 
在类风湿关节炎的相关研究中,波士顿大学和哈佛大学的一组研究人员发现,几种共生细菌的肽段和患者发炎关节液中发现的两种抗原的序列存在重叠。在实验中,细菌肽激活了约一半患者的 T 细胞,但没有激活健康个体的 T 细胞6
 
另外,还有证据表明,共有微生物产生的抗原模拟物可以刺激免疫细胞,使之进入免疫器官,如眼睛和中枢神经系统(CNS)。
 
苏黎世大学的免疫学家 Mireia Sospedra Ramos 从一名 MS 患者的大脑脊髓液和脑损伤中分离出了 T 细胞,并发现这些 T 细胞与鸟苷二磷酸(GDP)-L-岩藻糖合成酶会发生反应。
 
GDP-L-岩藻糖合成酶与细胞表面的某些蛋白合成有关,而这些细胞表面的蛋白可以介导机体中,尤其是大脑和肠道中的细胞间相互作用。事实证明,这些合成酶也可由几种共生细菌生成7
 
此外,Sospedra Ramos 和她的同事发现,他们研究中约 40%的 MS 患者大脑脊液中的 T 细胞对人的 GDP–L-岩藻糖合成酶有反应。
 
关于该研究热心肠日报做过相关报道:

Science子刊:GDP-岩藻糖合成酶是特定多发性硬化患者体内的自身抗原

Science Translational Medicine——[17.161]
 
① 从多发性硬化患者的脑脊髓液中分离出脑浸润性CD4 T细胞,利用此细胞克隆筛选十肽文库;② 鉴定出鸟苷二磷酸(GDP)-1-岩藻糖合成酶作为自身抗原,被来自HLA-DRB3*阳性患者的脑脊液浸润的CD4 T细胞识别;③ 对GDP-1-岩藻糖合酶肽的反应性与DRB3*02:02的表达及对免疫显性髓鞘碱性蛋白肽的反应性之间呈显著关联;④ 结合来自肠道菌群的同源肽的交叉识别,该抗原可能在多发性硬化症中作为致病性自身免疫应答的诱导物或驱动因子发挥作用。
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
【主编评语】多发性硬化症是中枢神经系统的免疫介导的自身免疫疾病,其在遗传易感个体中发展可能需要环境诱因。来自 Science Translational Medicine 上发表的一项最新研究,在(@szx)
 

 
研究人员还发现,在接受测试的 7 名患者中,有 4 名患者的 T 细胞与由两种细菌产生的酶存在强烈反应,而这两种细菌在 MS 患者的肠道中数量显著升高5
 
Sospedra Ramos 说,肠道细菌产生的 GDP-L-岩藻糖合成酶可能会使 T 细胞穿过血脑屏障。
 
她还表示, “我们认为也许肠道中的 T 细胞可以识别细菌的这种蛋白质,由于某些未知的原因,这些 T 细胞可以迁移到大脑中,穿越血脑屏障,并在大脑中识别人体产生的这类酶。”
 
尽管共生细菌能够引发慢性自身免疫的想法仍是推测性的,但像这样的实验使 Kriegel 确信,共生微生物的分子拟态与自身免疫性疾病之间的联系是真实的。
 

 “总的来说,我认为毫无疑问会发生交叉反应,并且交叉反应会导致疾病。”他说, “但是这一结论很难被证明。”

 

调控微生物可以恢复免疫平衡吗?

 
能够产生抗原模拟物的细菌在无菌小鼠中定殖与增加动物自身免疫的风险存在一定的关系,但通常来说,只有细菌或它们的抗原的存在并不足以引起疾病。
 
正如 Caspi 在 20 世纪 80 年代的小鼠模型中不得不使用佐剂引发葡萄膜炎一样, Kriegel 的研究小组除了给动物喂食产生 Ro60 模仿蛋白的细菌外,也必须对小鼠使用佐剂,才能使之出现肾脏炎症——狼疮的核心症状3
 
这可能是因为免疫系统采取了许多措施来预防自身免疫的发生。一种主要的控制措施是 T 细胞需要至少两种不同的受体进行刺激,然后才能发起免疫攻击。
 
麻省理工学院的免疫学家陈建柱说:“通常,要激活天然 T 细胞,需要两个信号:抗原和共刺激。” 他所领导的研究小组在青光眼小鼠模型中发现了分子拟态的作用8
 
关于该研究热心肠日报做过相关报道:

Nature子刊:被菌群“刺激”的T细胞介导青光眼发病

Nature Communications——[11.878]
 
① 青光眼是能导致失明的神经退行性疾病;② 对模型小鼠的实验表明,眼压短暂升高足以诱导CD4+ T细胞浸润到视网膜,使得眼压恢复后视网膜神经节细胞仍然发生持续性退变;③ 青光眼模型小鼠和人类患者中,热休克蛋白(HSP)(HSP27和HSP60)特异性的T细胞数量显著增加,在视网膜中浸润的T细胞可与人体和细菌的HSP产生交叉反应;④ 无菌小鼠实验表明,眼压升高诱导的HSP特异性T细胞应答和青光眼视网膜神经退化,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
【主编评语】Nature Communications近期发表来自哈佛医学院和麻省理工两位华人学者主导的研究,揭示了青光眼疾病进程中由共生菌群诱导的T细胞应答的关键作用,提示青光眼应归为自身免疫疾病。这些发现或能为青光眼的诊断和防治带来新启示。(@mildbreeze)

 
最常见的是,T 细胞从称为抗原呈递细胞(APC)的免疫细胞接受共刺激,该免疫细胞对损伤或感染起第一反应。这些细胞消耗并处理诸如受损的细胞成分或细菌抗原之类的东西,同时还会感知环境,并在需要时授予 T 细胞攻击的权限。
 
但是在肠道中,APC 所做的则相反,APC 需要释放信号告诉 T 细胞要“耐受”共生微生物。因此,想要通过分子拟态引发自身免疫,必须要采取某些其他措施。
 
Kriegel 说:“你可以想象一下,一旦基因关联错误,那么就会立马引起致病反应,而不是正常的调控。”
 
发生自身免疫的人与不发生自身免疫的人之间的差异可能与某些微生物的存在或相对丰度的变化有关,还可能与人们的免疫系统如何处理这些微生物产生的能够引起交叉反应的抗原有关。
 
 “任何疾病都是多因素的。” Kriegel 说,“如果您拥有错误的基因加上错误的微生物,那么您很容易患上疾病。”
 
那么,即便不能通过微生物疗法根除疾病,但是是否有可能通过调控微生物来缓解疾病呢?
 
虽然小鼠的实验证明了抗生素可能会降低某些自身性免疫疾病的发病风险,但是一些研究人员认为使用抗生素等手段消除微生物组并不是治疗自身免疫性疾病的方法。
 
因为我们已经知道常驻细菌对于建立免疫系统至关重要,甚至在某些情况下,它们可能会阻止潜在的有害免疫反应。
 
马里兰州贝塞斯达市国家眼科研究所的免疫学家 RACHEL CASPI 说:“没有这些共生的微生物,我们的状况会更糟。”
 
最近的一项研究甚至发现分子拟态可以在共生微生物的免疫抑制活动中发挥作用。几种由肠道细菌产生的抗原看起来像胰蛋白 IGRP,能够激活一部分细胞毒性 IGRP 特异性 T 细胞。这些 T 细胞进入肠道病杀死已知引起肠道炎症的其他免疫细胞来保护小鼠免于结肠炎9
 
关于该研究热心肠日报做过相关报道:

Cell:肠道细菌通过模拟胰岛细胞抗原表位,以抑制结肠炎!

Cell——[36.216]
 
① 肠道拟杆菌属中的某些物种表达的整合酶基因中,编码低亲和力模拟表位;② 其模拟的是胰腺β细胞上被CD8+ T细胞识别的自身抗原IGRP206-214,这样的识别促进β细胞损伤和1型糖尿病;③ 通过在无菌小鼠中定殖整合酶正常/缺陷的拟杆菌属细菌,明确模拟表位促进肠道招募致糖尿病CD8+ T细胞;④ 这些交叉反应性CD8+ T细胞通过整合素b7、MHCI、穿孔素依赖性途径,靶向肠道中树突状细胞而抑制结肠炎;⑤ 人外周血中的T细胞同样可识别拟杆菌属的整合酶。
A Gut Microbial Mimic that Hijacks Diabetogenic Autoreactivity to Suppress Colitis
2017-10-19, doi: 10.1016/j.cell.2017.09.022
【主编评语】这是刚刚出版的Cell上一篇精彩绝伦的免疫学研究,除了我们分享的200字简介,我们再特别科普一下大概意思:① 在胰腺β细胞上,有一个自身抗原会被特定的T细胞识别;② T细胞识别以后破坏β细胞,促进自身免疫性的1型糖尿病;③ 在肠道里,有一些拟杆菌会表达整合酶,这个酶分子结构中有一部分能模拟胰腺β细胞上的那个抗原表位;④ 这个模拟的表位会召集跟胰腺中一样的T细胞到肠道;⑤ 召集来的T细胞帮助抑制肠道炎症。大概明白了么?是不是很酷的研究?话说这么复杂,研究者是怎么想到的…专业人士去搞明白吧,我们搞清楚研究的大概意思已经不容易了。(@szx)
 

 
不过也有人认为移除微生物或许可以成为一种潜在疗法。
 
耶鲁大学免疫学家 MARTIN KRIEGEL 说过,对于某些具有自身免疫风险或处于疾病早期阶段的患者,移除某些微生物仍然是一种方法。
 
他说:“从理论上来说,选择这些患者、确定交叉反应的触发因素并去除是可行的。最难的部分在于是如何去除?” 
 
他补充道,在狼疮的案例中,也许可以使用局部抗生素,用以去除皮肤微生物中的 Ro60 模拟物的“制造者”。
 
CASPI 对于把共生微生物作为靶点用以预防或治疗疾病的方式有些让人怀疑。“这其中很多都是经验性的处理方法。”她说, “疾病由某些因素诱发。这并不意味着通过消除这些因素就可以阻止疾病的发生。”
 
 CAPSI 建议,人们可以通过补充益生菌来调节会产生抗原模拟物的肠道细菌的丰度。她说:“通过使用适当的益生菌,我们仍可能能够影响疾病的进展。”
 
苏黎世大学的免疫学家 MIREIA SOSPEDRA RAMOS 则提出,已经有证据表明,改变肠道微生物的组成可以使多发性硬化症患者受益,这些研究表明,服用益生菌可以减少炎症标志物,并缓解某些疾病症状。
 
但是,她补充道:“不过服用同样的益生菌可能不会对所有的患者有效,因为人们可能携带对不同抗原起反应的免疫细胞。”
 
CASPI 说:“该解决方案不可能是消除或改变某个细菌这般简单。我认为我们不能从我们在分子拟态方面的发现中直接得到一个解决方法。我们可能需要呼吁其它能够恢复免疫平衡的方法,而不是首先消除引起免疫失衡的因素。”