聶 源, 朱 萱
(南昌大學(xué) 第一附屬醫(yī)院消化科, 江西 南昌 330006)
腸道內(nèi)含有數(shù)量巨大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腸道微生物并參與機體多種重要生命功能。腸道微生態(tài)主要由各種微生物、代謝物和腸道黏膜屏障組成,機體內(nèi)外環(huán)境的改變,可導(dǎo)致腸道微生態(tài)失衡、腸道代謝功能的變化和相關(guān)疾病的發(fā)展。NLRP6炎癥小體(NOD-like receptor protein 6 inflammasome)是NLR(NOD-like receptor)免疫受體家族的重要成員之一,在機體炎癥反應(yīng)應(yīng)答以及腸道微生態(tài)維持方面起著至關(guān)重要的作用。NLRP6炎癥小體表達的變化常導(dǎo)致腸道微生態(tài)失調(diào),疾病的易感性發(fā)生變化。本文將NLRP6炎癥小體對腸道微生態(tài)的調(diào)控作用進行綜述,以期基于NLRP6炎癥小體和腸道微生態(tài)調(diào)控機制為腸道微生態(tài)失衡引起的相關(guān)疾病治療提供參考。
NLRP6炎癥小體主要由胞漿內(nèi)模式識別受體(Pattern recognition receptors, PRRs)、 細胞凋亡相關(guān)的斑點樣蛋白(Apoptosis-associated speck-like protein containing a caspase-recruitment domain, ASC) 和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶 (Caspase)組成[1]。NLRP6炎癥小體活化主要包括合成前體物質(zhì)、信號激活等兩個過程,分別是NLRP6炎癥小體、Pro-Caspase-1、 Pro-白介素(IL)-1β和Pro-IL-18等的合成。NLRP6 炎癥小體激活、Pro-Caspase-1剪切成為成熟的Caspase-1, 進而將Pro-IL-1β、Pro-IL-18剪切為IL-1β、IL-18并分泌至胞外[2]。合成前體物質(zhì)的信號常由Toll樣受體(TLRs)或炎癥因子以NF-κB或絲裂原活化蛋白激酶(Mitogen-activated protein kinase, MAPK)途徑誘導(dǎo)生成。激活信號常由病原體相關(guān)分子模式或危險相關(guān)分子模式方式激活[3]。除了上述經(jīng)典作用途徑外,NLRP6炎癥小體還促進細胞焦亡(Pyroptosis)或Caspase-11激活的相關(guān)細胞因子釋放[4]。IL-1β是經(jīng)典促炎癥因子,在早期固有免疫相關(guān)細胞炎性活化中具有關(guān)鍵作用,如單核-巨噬細胞、Th17細胞,也可增強多種炎癥因子和黏附因子的表達和功能[5]。促炎癥因子IL-18又稱促γ干擾素誘導(dǎo)因子,在單核-巨噬細胞、腸上皮細胞、粒細胞等均有表達,不僅可誘導(dǎo)γ干擾素產(chǎn)生,還可與其他炎癥因子協(xié)同,增強體內(nèi)T細胞以及NK 細胞的活性[6]。
NLRP6炎癥小體在人和鼠的肝臟、腸道、腎臟等器官均有表達。與其他炎癥小體分布不同,NLPR6炎癥小體主要分布在腸上皮組織,尤其是腸上皮細胞(IECs)、分泌黏液的杯狀細胞、肌成纖維細胞。在人體中,NLRP6炎癥小體主要表達于十二指腸、空腸和回腸,而在小鼠中,NLRP6炎癥小體在小腸和大腸中都有一定表達[7]。NLRP6炎癥小體高表達于富含微生物部位,如小腸。
一項腸道代謝組學(xué)的研究結(jié)果顯示,膽汁酸(Bile acids, BAs)衍生物?;撬峥勺鳛镹LRP6炎癥小體和IL-18產(chǎn)生的正調(diào)控因子,精胺和組胺作為NLRP6炎癥小體激活的負調(diào)控因子[8]。在嬰幼兒時期,腸道微生物包括變形桿菌、放線桿菌、纖毛蟲等定殖微生物可誘導(dǎo)依賴NLRP6炎癥小體的抗菌反應(yīng)[9]。原生動物也激活NLRP6炎癥小體以誘導(dǎo)上皮IL-18的分泌。除微生物激活機制外,應(yīng)激誘導(dǎo)的促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素抑制大鼠腸道NLRP6炎癥小體的表達[10]。綜上,許多機體內(nèi)外危險信號與NLRP6炎癥小體激活相關(guān)。
NLRP6炎癥小體是細胞內(nèi)固有免疫的感受器,與許多下游信號關(guān)聯(lián),在腸道微生物調(diào)節(jié)中起著至關(guān)重要的作用。Anand等[11]報道,NLRP6-/-小鼠對李斯特菌、傷寒沙門氏菌和大腸埃希菌的感染具有較弱的抵抗力,NLRP6-/-小鼠的血液循環(huán)中單核細胞和中性粒細胞的數(shù)量增多,NLRP6-/-小鼠可增強Toll樣受體相關(guān)的MAPK和經(jīng)典NF-κB信號途徑相關(guān)的炎癥因子表達。研究結(jié)果很好地揭示了NLRP6作為炎癥信號的負調(diào)控因子,并證明了NLRP6炎癥小體在革蘭陽性和陰性致病菌清除方面的作用。Elinav等發(fā)現(xiàn),NLRP6-/-、ASC-/-、IL-18-/-小鼠與野生型(WT)小鼠糞便樣本微生物組成明顯不同,表現(xiàn)為較高的普雷沃氏菌和TM7菌,且更容易罹患葡聚糖硫酸鈉(DSS)誘導(dǎo)的結(jié)腸炎。將NLRP6-/-、ASC-/-、IL-18-/-小鼠與WT小鼠同籠飼養(yǎng)4周,WT小鼠對結(jié)腸炎的易感性也增加,且證明NLRP6炎癥小體對腸道微生物調(diào)控是通過IL-18介導(dǎo)的,趨化因子CCL5表達上調(diào),促使免疫細胞于腸道局部募集,從而導(dǎo)致自發(fā)性腸道炎癥,使用廣譜抗生素使腸道微生物耗竭可扭轉(zhuǎn)這一現(xiàn)象[12]。給予NLRP6炎癥小體的抑制劑也有類似的結(jié)果。microRNA-650(miR-650)作為NLRP6基因的上游調(diào)控因子,在潰瘍性結(jié)腸炎患者和DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎小鼠模型的腸道黏膜中高表達[13]。體外實驗,miR-650可抑制NLRP6基因的表達,導(dǎo)致CACO-2細胞和IEC6細胞凋亡增加,DSS誘導(dǎo)的小鼠死亡率增加[13]。Tomuschat等[14]報道,NLRP6炎癥小體在先天性巨結(jié)腸患者中表達下調(diào),NLRP6表達減少可能導(dǎo)致先天性巨結(jié)腸患者結(jié)腸腸道微生物的改變,從而增加先天性巨結(jié)腸的易感性。國內(nèi)的研究人員報道,植物乳桿菌可以誘導(dǎo)NLRP6炎癥小體的活化,進而抑制 IL-1β和IL-18的分泌,緩解DSS誘導(dǎo)的結(jié)腸炎[15]。Radulovic等[16]報道,將膳食黃酮處理的DSS模型小鼠與未經(jīng)膳食黃酮處理DSS模型小鼠同籠飼養(yǎng),可減輕未經(jīng)膳食黃酮處理DSS模型小鼠的結(jié)腸炎癥狀,腸道微生物組成發(fā)生了明顯變化,且該保護作用與NLRP6表達量相關(guān)。上述結(jié)果表明NLRP6炎癥小體可重塑腸道微生物組成。
由于NLRP6炎癥小體與腸道微生物關(guān)聯(lián)信號通路很多,NLRP6炎癥小體在調(diào)控腸道微生物的角色,也有相反的報道。Seregin 等[17]報道,NLRP6-/-小鼠存在微生物失調(diào),嗜黏蛋白阿克曼氏菌增加,且是DSS 誘導(dǎo)結(jié)腸炎致病基礎(chǔ)。相較于無菌WT小鼠,無菌的NLRP6-/-小鼠經(jīng)自然再繁殖后早3周內(nèi)出現(xiàn)了微生物失調(diào)[8]。Hara等報道,李斯特菌的脂磷壁酸與NLRP6結(jié)合,并通過ASC激活NLRP6炎癥小體,釋放caspase-1/11。與WT小鼠相比,NLRP6-/-、Caspase-1-/-小鼠存活率提高,證實NLRP6炎癥小體在系統(tǒng)革蘭陽性病原體感染過程中是有害的[18]。接受IL-18,但沒有接受IL-1β時,宿主防御被取消,表明NLRP6炎癥小體通過產(chǎn)生IL-18加劇了李斯特菌的感染。此外,作者將NLRP6-/-小鼠與WT小鼠同籠飼養(yǎng)4周,以確定在NLRP6-/-小鼠中觀察到的保護作用是否依賴于腸道微生物,結(jié)果顯示NLRP6/Caspase-11信號可獨立與微生物調(diào)控李斯特菌感染[18]。在腸易激綜合征模型中小鼠NLRP6表達明顯下降,并且發(fā)現(xiàn)丁酸梭菌可以對NLRP6表達抑制,對腸易激綜合征內(nèi)臟超敏反應(yīng)有抑制作用[19]。去泛素化可抑制NLRP6-ASC的活性,抑制IL-18的成熟,其中去泛素酶CYLD起關(guān)鍵作用。小鼠去泛素酶CYLD缺乏導(dǎo)致活化的IL-18水平升高而且感染輪狀檸檬酸桿菌后結(jié)腸炎癥狀加重,同時證明活化的IL-18水平與去泛素酶CYLD表達呈明顯負相關(guān)[20]。研究結(jié)論不一致可能與許多因素相關(guān)。目前絕大部分研究是基于動物模型,動物飼養(yǎng)環(huán)境和不同的誘導(dǎo)方式可能會影響結(jié)論,因此,制定統(tǒng)一的動物實驗標(biāo)準和規(guī)范動物飼養(yǎng)條件尤顯重要。
腸道微生物在參與機體物質(zhì)能量代謝過程中,可大量產(chǎn)生小分子代謝產(chǎn)物,在宿主免疫與腸道微生物信息傳遞中起重要作用。Li等[21]報道,腸道微生物失調(diào)是高果糖飲食誘導(dǎo)C57BL/6J小鼠海馬神經(jīng)炎癥的關(guān)鍵因素,可能是通過損傷腸上皮屏障來介導(dǎo)的,并且證明短鏈脂肪酸可刺激腸道NLRP6炎癥小體表達。改善腸上皮黏膜損傷,對于小鼠海馬神經(jīng)炎癥和神經(jīng)損傷具有一定保護作用,佐證了補充短鏈脂肪酸或食用膳食纖維可降低神經(jīng)退行性疾病的風(fēng)險。Wang等[22]報道,肥胖大鼠腸道NLRP6水平降低,經(jīng)胃旁路術(shù)可使NLRP6炎癥小體表達上調(diào),恢復(fù)異常的腸通透性,且賴于腸道微生物相關(guān)的代謝物,如?;撬岷徒M胺。胃旁路術(shù)后?;撬崴缴?,對NLRP6炎癥小體表達有正反饋作用。綜上,腸道微生物代謝產(chǎn)物對NLRP6炎癥小體也具有激活作用。
腸道內(nèi)存在各種結(jié)構(gòu)功能復(fù)雜、數(shù)量龐大的微生物菌群。在正常生理情況下,腸道微生物與腸道宿主免疫維持免疫耐受狀態(tài)。然而,在病理情況下,腸道內(nèi)致病菌可激活機體免疫狀態(tài),而NLRP6炎癥小體在其過程中起識別作用。在一項基于脂多糖和干擾素γ作為刺激腸膠質(zhì)細胞建立的腸道炎癥模型進行的雙歧桿菌和脆弱擬桿菌調(diào)控腸膠質(zhì)細胞的研究中,發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌對腸膠質(zhì)細胞的NLRP6的表達有雙重效應(yīng),而脆弱擬桿菌對NLRP6具有抑制作用。雙歧桿菌和脆弱擬桿菌通過影響NLRP6、IL-18、IL-1β和Caspase-1等表達,從而抑制或促進腸道炎癥[23]。在避水應(yīng)激模型(WAS)中,小鼠血清CRH水平明顯升高,通過下丘腦-垂體-腎上腺素軸(HPA)導(dǎo)致腸道微生物改變或?qū)е翹LRP6表達下調(diào),間接使腸道微生物發(fā)生改變。將小鼠與經(jīng)WAS誘導(dǎo)的小鼠同籠飼養(yǎng),發(fā)現(xiàn)同籠飼養(yǎng)的普通小鼠也可發(fā)展為明顯的腸道炎癥,腸道通透性顯著增加,然而具體是何種致病微生物并未進行相應(yīng)研究[24]。國內(nèi)有研究報道,長雙歧桿菌可通過NLRP6炎癥小體下調(diào)IL-18等下游分子表達,從而降低腸易激綜合征內(nèi)臟高敏感性和腸道炎癥[25]。
NLRP6炎癥小體是腸道微生物刺激識別的感受器,進而引起下游系列反應(yīng)。Bao等[26]報道,溫和灸顯著增加了腸易激綜合征大鼠腸道內(nèi)乳酸桿菌、雙歧桿菌和普拉梭菌的相對含量,但降低了大腸埃希菌的相對含量;溫和灸促進NLRP6、ASC、Caspase-1表達,乳酸桿菌、雙歧桿菌、普拉梭菌的相對豐度與結(jié)腸中NLRP6、ASC、Caspase-1的RNA和蛋白表達相關(guān)。感染白色念珠菌和熱滅活的白色念珠菌的CACO-2細胞和未處理組相比,NLRP3、NLRP6、ASC、β防御素-2、β防御素-3、緊密連接蛋白的表達明顯下調(diào),白色念珠菌可以抑制NLRP3和NLRP6通路,并通過減少抗菌肽和緊密連接蛋白的產(chǎn)生抑制腸黏膜屏障功能[27]。在避水應(yīng)激模型(WAS)中,小鼠血清CRH水平明顯升高,并通過下丘腦-垂體-腎上腺素軸導(dǎo)致腸道微生物改變,或?qū)е翹LRP6表達下調(diào),間接使腸道微生物發(fā)生改變。將小鼠與經(jīng)WAS誘導(dǎo)小鼠同籠飼養(yǎng),發(fā)現(xiàn)同籠飼養(yǎng)的普通小鼠也可發(fā)展為明顯的腸道炎癥,腸道通透性顯著增加,然而具體是何種致病微生物未進行相應(yīng)研究[24]。YU等[28]通過對短腸綜合征(Short Bowel Syndrome, SBS)鼠和乳脂球膜處理的SBS鼠進行比較,發(fā)現(xiàn)乳脂球膜處理的SBS鼠組腸道通透性降低,杯狀細胞增多,MCU1陽性細胞比例上升,且NLRP6和IL-18的表達高于SBS組,而IL-1β和Caspase-1的表達低于SBS組。國內(nèi)研究報道,在潰瘍性結(jié)腸炎患者中,健脾清熱活血方可負向調(diào)節(jié)NLRP6表達,進而抑制Caspase-1活化,下調(diào)IL-18表達,發(fā)揮治療潰瘍性結(jié)腸炎效用[29]。同樣,清腸化濕方能夠調(diào)節(jié)腸道NLRP6炎癥小體及相關(guān)炎癥因子,緊密連接蛋白表達水平,減輕腸道炎癥反應(yīng),緩解腸黏膜損傷,且表現(xiàn)為明顯的劑量依賴關(guān)系[30]。總之,靶向NLRP3炎癥小體可改善腸道微生態(tài)失衡,進而改善癥狀。
腸道微生物可穿過薄弱的腸道屏障進入腸肝循環(huán)中,通過NLRP6炎癥小體識別,進而引起肝臟炎癥改變,促進非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)或代謝性疾病的進展。Henao-Mejia等報道,在蛋氨酸膽堿缺乏飲食喂養(yǎng)4周的小鼠中,AS-/-、Caspase-/-的非酒精性脂肪性肝炎(NASH)癥狀嚴重程度比WT小鼠重,并且與IL-18表達下調(diào)相關(guān),而不是IL-1β。與WT小鼠相比,和NLRP6-/-、ASC-/-、Caspase-/-、IL-18-/-小鼠同籠飼養(yǎng)的WT小鼠NAFLD的嚴重程度明顯上升,易感性增加是通過NLRP6炎癥小體-IL-18信號軸調(diào)節(jié)的微生物群差異介導(dǎo)的。小鼠腸道菌群改變的代謝產(chǎn)物通過門靜脈移位激活了肝臟中的TLR4和TLR9,腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的分泌增加,導(dǎo)致NAFLD癥狀[31]。革蘭陰性細菌外膜的主要成分脂多糖直接與NLRP6炎癥小體結(jié)合,誘導(dǎo)NLRP6炎癥小體構(gòu)象變化和二聚化,在ATP的刺激下,NLRP6同源二聚體進一步組裝成線性分子,從而招募下游信號分子[32]。枸杞是中藥常見藥物,其含有的枸杞多糖具有改善MCD飲食誘導(dǎo)NASH小鼠模型的肝損傷,且與NLRP6、ASC、Caspase等表達下調(diào)有關(guān),提示了NLRP6炎癥小體通路參與枸杞多糖改善NASH模型的肝損傷。肝臟疾病進展與腸道微生物密切相關(guān),而腸-肝循環(huán)中NLRP6炎癥小體扮演著重要作用[33]。
腸道黏膜屏障主要由物理屏障、化學(xué)屏障和免疫屏障組成。腸黏膜屏障以物理屏障最為重要,主要由內(nèi)外兩層黏液層、腸上皮細胞和緊密連接構(gòu)成。兩層黏液層可防止共生微生物與結(jié)腸上皮直接接觸,外層黏膜被杯狀細胞分泌的粘蛋白(Mucoprotein, Muc) 2覆蓋,是微生物群的主要棲息地[34]。外層粘蛋白的破壞會導(dǎo)致隱窩形態(tài)異常,可能導(dǎo)致浸潤性腺癌和結(jié)直腸癌[34]。NLRP6炎癥小體激活有助于腸道黏液層的形成,保護腸上皮免受病原體的入侵和物理損傷。Wlodarska等[35]報道,與WT小鼠相比,NLRP6-/-小鼠表現(xiàn)為自噬減少,杯狀細胞增生減少,腸道黏液釋放障礙,且鼠檸檬酸桿菌在上皮隱窩中滲透得更深。在NLRP6-/-、ASC-/-、Caspase-1-/-小鼠未形成腸道黏液屏障,而在IL-18-/-小鼠腸道黏液層正常形成,研究結(jié)果表明腸道黏液屏障生成與NLRP6炎癥小體相關(guān),與NLRP6炎癥小體下游信號無關(guān),而且前哨杯狀細胞被NLRP6炎癥小體以鈣依賴的方式激活時會分泌黏液[35]。Volk等[36]報道,擬桿菌屬S24-7和Alderrutzia屬具有不同的內(nèi)黏液層功能,發(fā)現(xiàn)NLRP6炎癥小體在前哨杯狀細胞介導(dǎo)的粘蛋白分泌中對TLR1、TLR2、TLR4配體的反應(yīng)是必不可少的。前哨杯狀細胞可以內(nèi)吞微生物代謝產(chǎn)物,如LPS、脂質(zhì)A、P3CSK4和鞭毛蛋白,而不是內(nèi)吞LTA或細菌DNA,進而誘導(dǎo)細胞內(nèi)活性氧產(chǎn)生(ROS),ROS進一步激活NLRP6炎癥小體,調(diào)節(jié)杯狀細胞分泌Muc。研究表明,NLRP6炎癥小體調(diào)節(jié)杯狀細胞功能和內(nèi)外黏液層的形成只與最佳的TLR激動劑相關(guān),而與基線穩(wěn)態(tài)水平無關(guān)[37]。
化學(xué)屏障主要包括抗菌肽(antimicrobial peptides, AMPs)、粘蛋白等化學(xué)物質(zhì)。NLRP6炎癥小體通過促進IECs合成抗菌肽,形成保護性化學(xué)屏障,其中血管生成素-4、血小板凝集素-1和抵抗素樣分子β起著維持腸道微生態(tài)平衡的作用[8]。腸道微生物區(qū)系首先激活NLRP6炎癥小體,誘導(dǎo)IECs合成IL-18,從而促進抗菌肽的自分泌或依賴于IL-22的合成。由于上述功能軸的存在,NLRP6-/-小鼠不能合成保護性抗菌肽,導(dǎo)致腸道菌群失調(diào),表現(xiàn)為普雷沃氏菌、TM7菌屬增加,乳桿菌或厚壁菌門減少[38]。Levy等[8]報道微生物衍生的代謝物,如?;撬?,通過激活NLRP6炎癥小體誘導(dǎo)IL-18介導(dǎo)的抗菌肽分泌。清腸化濕方以清熱化濕為主,廣泛用于控制活動性潰瘍性結(jié)腸炎患者癥狀,并通過調(diào)節(jié)NLRP6炎癥因子及相關(guān)下游細胞因子、緊密連接蛋白表達水平,從而減輕腸道炎癥反應(yīng),緩解腸黏膜損傷[39]。Huber等報道,NLRP6炎癥小體導(dǎo)致IL-18依賴的IL-22bp下調(diào),從而促進腸上皮細胞增殖。NLRP6對DSS誘導(dǎo)結(jié)腸炎的作用還可能與腸道內(nèi)單核細胞有關(guān)。將WT小鼠腸道內(nèi)Ly6Chigh的單核細胞轉(zhuǎn)移至NLRP6-/-小鼠,NLRP6-/-小鼠的腸黏膜屏障功能明顯改善,表現(xiàn)為抗菌肽分泌增加。綜上,NLRP6炎癥小體通過調(diào)節(jié)杯狀細胞功能與上皮細胞分泌抗菌肽從而與腸道黏膜屏障完整性相關(guān)[40]。
NLRP6炎癥小體及其關(guān)聯(lián)的信號通路在維持腸道黏膜屏障完整性、微生物組成方面至關(guān)重要,與腸道微生態(tài)以及疾病發(fā)生發(fā)展密切相關(guān) (圖1)[41]。NLRP6炎癥小體通過調(diào)控腸道微生物組成,進而導(dǎo)致疾病易感性的結(jié)論不一致,可能與NLRP6炎癥小體具體關(guān)聯(lián)信號通路不一致相關(guān)。目前,有關(guān)NLRP6炎癥小體在腸道微生態(tài)相互作用的研究、實驗多基于NLRP6-/-小鼠進行,規(guī)范動物飼養(yǎng)環(huán)境和制備多種不同誘導(dǎo)方式的模型小鼠也很重要。NLRP6 炎癥小體作為炎癥反應(yīng)的核心識別環(huán)節(jié),可識別腸道微生物紊亂、代謝物等變化,進而反饋調(diào)控腸道微生態(tài)變化。研究NLRP6 炎癥小體與腸道微生態(tài)相互作用,不僅增加對兩者的認識,還可為基于兩者相互機制靶向治療微生態(tài)失衡相關(guān)疾病提供研究新方向。但基于NLRP6 炎癥小體組裝或激活的靶向藥物較少,能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用臨床的更少,需增加靶向NLRP6的藥物學(xué)研究。總之,目前NLRP6 炎癥小體與腸道微生態(tài)相互調(diào)控研究,一方面應(yīng)控制實驗的干擾因素,優(yōu)化規(guī)范實驗條件,以便得到更加可靠的結(jié)論,另一方面需加強相關(guān)的轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)的研究,更好地造福人類。
圖1 NLRP6炎癥小體與腸道微生態(tài)調(diào)控機制Fig.1 The regulation mechanism of NLRP6 inflammasome and intestinal microecology