腸道菌群對動物免疫系統早期發育的影響

腸道是動物機體最大的免疫器官，腸道菌群是定植在腸道內的微生物群落。最早定植在動物體內的細菌源於動物在環境中隨機接觸的第一類細菌，並結合其他環境因素影響後續微生物種類的進入。微生物與免疫的互作在免疫系統的早期發育中起著重要作用，一旦中斷將導致潛在、持久的免疫異常，所以微生物的早期定植有助於提高機體的免疫力。本文主要綜述了腸道菌群對畜禽免疫系統早期發育的影響，探討在養殖業中如何促進畜禽健康、提高生產成績。

1 腸道菌群對免疫器官發育的影響

無菌動物的發育缺陷主要在腸道相關淋巴組織（Gut Associated Lymphoid Tissue，GALTs）、脾臟、胸腺等初級和次級免疫器官，並且無菌動物的盲腸更發達、絨毛更長、隱窩更窄、派爾淋巴結（Peyes s Pstches PP）和腸系膜淋巴結（Mesenteric Lymphnodes，MLNs）更小。黏膜表面的微生物在機體生命早期呈現波動性變化，成年期在沒有外界環境干擾的情況下保持相對穩定的水平。機體在幼年階段接觸微生物會影響其免疫系統形態和功能的發育，共生菌的定植有助於黏膜免疫系統的發育、擴張和調教，從而直接或間接影響免疫系統的成熟。在無菌鼠及SPF 小鼠的空腸和結腸上的試驗發現，幼年時期的微生物定植如果沒有發生在關鍵時期或者沒有接觸微生物，將對宿主產生潛在、不可逆的危害，導致動物成年時免疫系統不能發育完全 。

2 腸道菌群對免疫細胞發育及功能的影響

機體免疫系統由固有免疫和適應性免疫2 個分支組成。固有免疫系統是宿主抵禦病原體的第一道防線；獲得性免疫涉及到感染晚期的病原體的消除，並伴隨著免疫記憶的形成。有學者發現無菌動物的免疫細胞早期發育存在缺陷：腸內淋巴細胞、分泌性IgA 漿細胞數量、表達αβ T 細胞受體（T Cell Receptor，TCR）的上皮內淋巴細胞、固有層的CD4+和CD8＋T 淋巴細胞水平均低於普通動物， 但這些形態學和細胞學的缺陷均可通過儘早引入宿主特異性微生物而得到恢復。共生菌對宿主免疫結構有深遠影響。Haverson 等讓無菌仔豬定植血清型為O83 和O86 的2 株大腸桿菌菌株20 d 後， 發現固有層的T 淋巴細胞、樹突細胞（Dendritic Cells，DCs）和上皮組織廣泛增加，說明特定微生物的定植將促進動物免疫系統早期發育。

DCs

微生物通過定植抗力協助宿主對抗病原菌入侵，而幼年動物需要時間來形成複雜的微生物群落和成熟的GALT，所以其幼年期間易受共生菌特別是病原菌傷害。腸道內的巨噬細胞會迅速殺滅侵入機體的共生菌，而小部分的土著共生菌之所以能在腸道內生存就是依靠DCs 細胞選擇性誘導IgA 生成，在保證黏膜免疫系統的前提下又不破壞系統免疫反應。DCs 細胞及其亞群可以調節固有免疫和適應性免疫應答，識別共生菌、病原體和自身抗原。

Drakes 等研究益生菌對人骨髓來源的DCs 細胞表面抗原表達及其細胞因子分泌的影響， 發現大量的益生菌能上調DCs 表達CD80、CD86、CD40 和MHC Ⅱ類分子。

加州理工學院的研究人員通過檢測小鼠腸道產生的血清素水平，發現腸道菌群可以調節宿主的DCs 細胞分泌的5- 羥色胺水平， 無菌小鼠產生的血清素水平比擁有正常菌群的小鼠低60%。

熊菲等給Balb/c 小鼠分別飼餵雙歧桿菌活菌、死菌和培養上清，發現外源性雙歧桿菌能促進小鼠腸道DCs 的發育成熟，增加其數量。

腸上皮細胞（Intestinal Epithelial Cells，IECs）

腸上皮的特異性減少將破壞上皮屏障，造成組織的自發性炎症。研究發現小鼠在2 周齡以前，其IECs 的Toll 樣受體1（Toll-like Receptors，TLRs）信號會出現特異性下調，過後將不再出現。主要是TLRs 信號調節分子白細胞介素受體激酶1（IRAK1） 的下調，誘導IECs 出現固有免疫耐受，並保護初生動物免受細菌誘導的上皮損傷。上皮細胞中的模式識別受體（Pattern Recognition Receptor， PRRs）參與病原菌感染的消除，如TLRs 和NOD 樣受體NOD1、NOD2 與抗菌肽和黏液的產生相關。上皮NOD1 蛋白調節孤立淋巴濾泡產生趨化因子CCL20，對腸道細菌定植穩態至關重要； NOD2 在小腸潘氏細胞中高度表達，被細菌肽聚糖激活並驅使細胞因子分泌、誘導自我吞噬、上皮再生、產生抗菌肽。共生菌在腸道上皮細胞代謝中起重要作用，可誘導短鏈脂肪酸（Short-chain Fatty Acids，SCFAs）生成，影響耗氧量和缺氧誘導因子（Hypoxia-inducible Factor， HIF）對上皮屏障的作用。

固有淋巴細胞（Innate Lymphoid Cells，ILCs）

有研究證明，微生物對早期生命的影響甚至可能發生在妊娠期，妊娠期間母體的微生物組成將調節後代的固有免疫細胞的數量和活性。ILCs 是最近發現的固有免疫細胞的新亞群，在缺乏微生物的情況下發育正常，但功能受細菌定植的影響。ILCs 除了在發育與功能方面與CD4+T 細胞相似外，還與腸上皮細胞反應的調節、腸道穩態密切相關。目前研究最多的就是ILC3，腸系膜淋巴結中ILC3 丰度很高，可以表達MHC- Ⅱ、呈遞抗原，限制T 細胞對共生菌的特異性作用，並且ILC3 還有助於B 淋巴細胞和T 淋巴細胞的分化。ILC3 對IL-23 和 IL-1β 的刺激敏感，刺激後產生IL-17A 和IL- 22，分泌的TNF-β 對於IgA 的產生和維持宿主腸道微生物平衡至關重要。

CD103+CD11b+腸道樹突細胞表面的TLR5 受體識別細菌的鞭毛蛋白， 刺激IL-23 的表達，驅使ILC3 分泌IL-22。通過這些因子的產生，ILC3 可以參與細胞外細菌誘導的免疫反應，促進腸道內炎症及組織損傷的修復。

B 淋巴細胞

較普通動物而言，無菌動物分泌抗菌肽和IgA 的功能受損。Cukrowska 等給新生無菌小豬接種非致病性大腸桿菌O86，發現接種4 d 後，黏膜局部產生抗大腸桿菌IgA 抗體，小豬脾、MLNs 和PP 中IgM、IgG 和IgA 分泌細胞的數量明顯升高。小鼠B 細胞的早期發育在腸道黏膜固有層內進行，由共生菌群的胞外信號控制，進而影響腸道免疫蛋白的形成。Potockova 等進一步研究發現B 細胞雖未在迴腸內發育但卻大量存在，表明菌群定植利於B 細胞在迴腸內大量存在，並刺激小腸淋巴細胞增殖。Butler 等給無菌小豬移植非致病性大腸桿菌G85-1 和腸出血性大腸桿菌933D 後， 發現血清中IgG、IgA 和IgM 水平增高，其中定植933D 的動物血清中總IgG、IgM 及特異性IgG 抗體的水平明顯高於G85-1，表明抗體產生水平受定植細菌的性質的影響。

T 淋巴細胞

研究發現新生兒免疫細胞與成人免疫細胞在功能方面存在差異，主要體現在T 細胞發育所處環境，T 細胞本質上並無差別。T 細胞發育環境很大一部分取決於微生物環境，共生菌通過產生小分子物質調節宿主- 微生物的交互反應，比較經典的例子是SCFAs 作為細胞能源物質，調節細胞因子的產生和誘導調節性T 細胞的增殖。特定微生物可以調節固有層內的T 細胞的穩態。Mazmanian 等發現脆弱擬桿菌（Bacteroides Fragilis ）通過激活細菌多糖A(PSA) 影響系統性Th1 免疫反應； 進一步研究發現，PSA 的存在可誘導IL-10 依賴性的T 細胞反應，進而保護小鼠抵禦肝螺桿菌誘導的結腸炎。Ivanov 等發現，細菌Cytophaga-Flavobacter-Bacteroidetes 的存在與固有層內的Th17 細胞的分化及Foxp3+ 標記的T 細胞數量相關，通過Th17 細胞和Treg 細胞的平衡影響腸道免疫、耐受和炎性腸疾病的敏感性；Wu 等還發現單一定植分節絲狀菌（Segmented Filamentous Bacteria , SFB）可增強動物自身抗體的產生，通過形成Th17 加速疾病進程。

3 腸道微生物早期定植與畜禽健康的關係

免疫系統成熟是一個宿主、病原菌、共生菌三方交互作用、精心協調的過程。腸道微生物的刺激可誘導免疫系統成熟，進而保護宿主免受感染、維持腸道內穩態、促進畜禽健康。機體的腸道屏障主要由物理屏障、化學屏障、微生物屏障以及免疫屏障組成，各自具有不同的分子調控機制和生物學功能，共同防禦外來抗原物質對機體的侵襲。Bocourt 等研究發現，鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus Rhamnosus , LGG）可提高仔豬日增重、總重量，降低腹泄率和腹瀉持續時間，進而提高仔豬的生產性能和健康指數。天然腸道細菌對於機體對抗病毒和細菌來說非常有效。Ganal 等用不同的過濾性病毒感染正常和無菌2 組小鼠，相比正常小鼠來說， 無菌小鼠的免疫效應大幅降低、產生嚴重疾病，但給無菌小鼠接種正常小鼠的體內腸道微生物菌群後， 其免疫效應便可恢復。Vatanen 等研究揭示，擬桿菌屬的脂多糖（ Lipopolysaccharide，LPS）是有效的固有免疫激活劑，幼年時期接觸微生物有助於免疫系統的訓練，不易患自身免疫疾病。

4 小結與展望

腸道微生物是調節免疫反應的重要因素，腸道微生物紊亂與異常的免疫反應密切相關。An 等研究發現，在出生後前2 周內定植脆弱擬桿菌標準菌株可治療人工誘導的結腸炎，細菌定植的關鍵時期是在出生後14 d 內。Xavier 等認為，雖然目前還不知道腸道菌群與免疫應答關係中的所有參與成分，但腸道菌群的差異會改變代謝物的產生；而代謝物的變化會進一步引導或影響免疫細胞，導致免疫細胞在暴露於不同感染的時候產生不同的結果， 這也為今後的研究提供了一些思路和方向。

微生物與免疫系統的相互作用在免疫系統的早期發育中起著重要作用，微生物具有高度多樣化發展的特點，可誘導、訓練宿主免疫系統；另一方面免疫系統可維持與微生物的共生關係。這種關係一旦中斷將導致潛在、持久的免疫異常，所以增加早期有益微生物的定植有助於提高機體免疫力。因此， 明確微生物定植的關鍵時期，深入了解腸道菌群的結構、組分及其作用，將進一步揭示腸道菌群和疾病間的關係，利於增加細菌的有益定植，為動物疾病的個性化預防和治療奠定基礎。

參考文獻略

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