《眼科新进展》  2024年6期 494-498   出版日期:2024-06-03   ISSN:1003-5141   CN:41-1105/R
甲状腺相关性眼病患者眼表及肠道菌群的研究进展


眼表菌群和肠道菌群是人体微生物菌落中的重要组成部分,对维持人体健康起着积极的作用。眼表菌群的失衡与多种眼部疾病有关,如干眼症和角膜溃疡[1]。肠道菌群是人体肠道内大量微生物所构成的集合体,可发挥免疫、代谢等功能,保护肠道黏膜屏障的完整性。肠道菌群的紊乱与自身免疫性疾病的发病相关,如I型糖尿病、狼疮肾炎、类风湿性关节炎[2]。甲状腺相关性眼病(TAO)是一种以自身免疫系统的破坏和甲状腺功能障碍为特征的眼部疾病。多项研究已明确眼表菌群及肠道菌群的改变与TAO有关[3-4]。本文汇总TAO患者与健康人群之间有显著差异的眼表菌群及肠道菌群,并从“肠-眼轴”角度探讨TAO与眼表及肠道菌群之间的关系。
1 TAO的发病机制及危险因素
TAO是一种由自身免疫反应造成的眼眶炎症性疾病。TAO的发病机制尚未完全明确,目前普遍认为由眶周组织表达的共同抗原引起,以细胞免疫为主、体液免疫参与的自身免疫性疾病,可导致淋巴细胞浸润、眶周组织水肿、肌成纤维细胞分化和脂肪细胞增生等病理改变,表现为眼球突出、眼外肌功能障碍[5]。促甲状腺激素受体(TSHR)的表达与TAO相关联,TSHR同时存在于甲状腺细胞和眼眶组织的成纤维细胞中,B细胞会产生针对TSHR的抗体,导致自身免疫疾病的发生。此外,胰岛素样生长因子1(IGF-1)能够促进眼眶脂肪干细胞的增殖分化和脂肪堆积。需要注意的是,TSHR和IGF-1之间存在交叉抗原,TSHR抗体可以激活IGF-1的产生,从而造成突眼的发生。另外有研究表明,TSHR与IGF-1可以形成功能复合体,共同调节多种细胞因子表达并促进透明质酸累积,引发眼部炎症,导致眼外肌增粗和眼眶脂肪的积聚[6-7]。TAO对患者的生活质量和心理健康产生了较大影响,但目前对其发病机制的了解还有限。研究人员目前主要通过临床观察、实验室检测和分子生物学技术等手段来探索TAO的病因和发病机制。因此,认识TAO的相关危险因素以及采取相应的预防措施,有助于减少该疾病的发生以及延缓疾病的进展。
1.1 物理和化学危险因素
目前,普遍认为吸烟和接受放射性碘治疗是导致TAO发生的两个重要危险因素。香烟产生的烟雾含有大量有害物质,对患者眼睛具有直接刺激作用,可以导致眼睛出现流泪、灼烧等不适感,香烟的提取物可诱导眼眶成纤维细胞发生氧化应激和氧化损伤,加重TAO严重程度的同时也会影响疾病的预后[8]。放射性碘治疗释放的大量碘元素破坏甲状腺滤泡细胞,使甲状腺相关抗原释放,从而诱发免疫反应导致TAO的发生[9]
1.2 硒的缺乏
硒的缺乏也被证实为导致TAO发病的一个危险因素,硒是一种非常重要的微量元素,作为一种抗氧化剂和抗炎作用参与甲状腺激素的合成,适量的硒对于甲状腺功能和免疫调节是有益的,当人体缺乏硒时,甲状腺组织的抗氧化能力下降,可能导致自由基的积累,从而引发自身免疫反应以及眼部病变[10]
1.3 菌群的失衡
菌群的失衡对TAO也是至关重要的一个因素,研究发现,TAO患者的眼表和肠道中的菌群与健康人群存在差异。TAO患者眼表菌群中的乳酸杆菌与双歧杆菌等菌株可能与TAO发展相关[3]。TAO患者的肠道菌群组成异常,可能与免疫系统的异常激活有关[4]。当肠道菌群失调时,肠道树突状细胞可以分泌转化生长因子,导致Th17/Treg比例失衡,与TAO存在一定关联[11-12]。上述研究结果可能表明,TAO与肠道及眼表菌群的关系是一个复杂且值得深入研究的领域。
2 TAO与眼表菌群
眼表菌群是独立于眼表的微生物群落,眼表存在两种类型的菌群,一种是核心眼表菌群,其持续存在于健康人中,眼表菌群多样性低且相对稳定,有助于维持眼表菌群的平衡。另一种是可变眼表菌群,可受环境、生活方式、年龄、性别、疾病状态等生理因素的影响而破坏眼表菌群的平衡从而引发眼部病变[13-14]。早期主要通过传统的方法来鉴定微生物,但是只有极少量的微生物可被培养和鉴定,随着技术的发展,宏基因组学被广泛应用于眼表疾病的研究中,其可以更全面地揭示眼表菌群的组成、多样性、代谢特征、毒力因子等。目前,宏基因主要通过16S rRNA基因测序、鸟枪法测序来检测和分析样本中的微生物。16S rRNA基因测序分析是最为常用的宏基因分析技术之一,主要用于检测细菌的多样性及丰度,由于其只检测细菌基因组的部分保守序列(如V3、V4区),所以只能鉴定到属水平。鸟枪法测序则是对样本中所有微生物进行全基因组测序,可以鉴定细菌、真菌、病毒等所有微生物,并且能够鉴定到种水平,除了可以分析细菌的多样性及丰度外,鸟枪法测序还可以分析代谢谱和毒力特征[15]
既往研究中健康人眼表菌群的优势菌门是变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门,优势菌属是棒状杆菌属、假单胞菌属、葡萄球菌属、不动杆菌属、链球菌属[16]。Ji 等[3]研究发现,TAO患者眼表优势菌群与健康人一致,但是TAO患者眼表上优势细菌的相对丰度与健康人相比发生了显著变化,芽孢杆菌属与短波单胞菌属的相对丰度显著增加,而棒状杆菌属的相对丰度显著降低。在TAO患者眼表优势菌中,棒状杆菌属检出率和相对丰度最高,但与健康人相比,TAO患者中棒状杆菌属的相对丰度显著降低。另有研究发现,棒状杆菌属和其他属的细菌之间存在负相关性,可能因为棒状杆菌属是参与正常眼表菌群稳态的形成,而眼表疾病可破坏眼表菌群的平衡、显著增加致病菌,从而导致棒状杆菌属相对丰度降低[17]。一些眼表的菌属与TAO的临床特征有关,乳酸杆菌属、双歧杆菌属与疾病的严重程度和活动性呈正相关,短波单胞菌属与TAO患者干眼程度呈正相关,副球菌属与角膜上皮损伤程度呈正相关,嗜血杆菌属与眼球突出度呈正相关。
因此,快速准确地检测和鉴定TAO患者眼表菌群对于了解该疾病的发生机制以及指导治疗具有重要的临床意义。通过利用高通量测序技术研究TAO患者眼表微生物群,我们可以更全面地了解眼表微生物群的多样性,并发现参与眼表菌群组成的不同类型、相对丰度和变化情况。这将有助于深入理解TAO与眼表菌群之间的关系,并为个体化治疗提供新的可能性。
3 TAO与肠道菌群
肠道菌群在维持宿主健康方面起着重要的免疫和病理生理作用。肠道菌群失调可能影响多种眼部疾病,如葡萄膜炎、年龄相关性黄斑病变、青光眼和干眼等[18-19]。研究发现,TAO患者肠道菌群与健康人群存在明显差异,肠道菌群的改变可能导致免疫系统的异常激活,从而影响TAO的病程进展[12]。国内研究小组[20-21]发现,TAO患者的肠道菌群与健康人群在组成和多样性方面存在明显差异,门水平上拟杆菌门丰度增加,厚壁菌门丰度下降,重度TAO患者中普雷沃菌科和拟杆菌属丰度增加,随后应用网络驱动分析了肠道菌群与TAO的临床指标的关系,发现普雷沃菌科的丰度与促甲状腺激素受体抗体(TRAb)有关,拟杆菌属与甲状腺球蛋白抗体(TGAb)和临床活动性评分有关。另一项在欧洲四个国家进行的多中心研究表明,与健康组相比,TAO患者肠道菌群的组成和多样性没有非常显著的差异,其中厚壁菌门丰度升高,而拟杆菌门丰度降低。特别值得注意的是,拟杆菌属被发现是TAO患者重要生物标志物,并且与患者吸烟情况显著相关[4]。这项研究与国内研究小组在TAO患者肠道菌群组成(如门水平上)和多样性方面存在差异,可能是由于肠道菌群与疾病之间的关系受种族、地区、样本量、实验设计等差异因素影响。因此,对于肠道菌群丰度的变化,仍需要更多的横向、纵向研究来进一步探索。
关于TAO患者的肠道菌群研究结果较少,其他关于TAO疾病的研究是基于Graves病(GD)/TAO小鼠模型,其研究发现肠道菌群的变化与临床表现密切相关,如眼眶脂肪的生成与拟杆菌属呈负相关,眼眶肌肉萎缩程度与乳酸杆菌属呈正相关,抗生素万古霉素可以降低GD/TAO小鼠模型发病的严重程度[22-23]。以上研究表明,肠道菌群在TAO的发展中扮演着重要角色,特定菌群的增加或减少与疾病的进程密切相关,这种变化可能因为致病菌增殖侵害宿主或益生菌抵消致病菌的伤害而产生。随着研究的深入,有望发现在TAO中起关键作用的生物标志物,这些标志物未来会成为TAO诊断和治疗的潜在靶点。
4 “肠-眼轴”理论的作用机制
研究人员探索了肠道菌群对眼表的影响,以及肠道菌群是否影响眼病的病理生理学,发现了“肠-眼轴”的存在。肠道菌群的失调、肠道屏障的破坏,可能导致肠道菌群及其代谢物移位进入血液循环系统和淋巴系统,进一步影响距离较远的眼睛。Prasad 等[24]发现,糖尿病视网膜病变小鼠的肠道菌群代谢物肽聚糖(PGN)升高,血液中PGN的含量与正常小鼠相比也升高,进一步摘除糖尿病视网膜病变小鼠的眼球,分离视网膜发现其菌群的代谢物PGN含量同样升高。这项研究为“肠-眼轴”理论提供了依据,当肠道屏障功能受损时,肠道菌群及其代谢产物(如PGN)可能通过血液循环进入视网膜区域,从而导致视网膜中PGN含量的升高。Schaefer 等[25]发现肠道菌群的代谢产物丁酸盐可以直接与眼表上皮细胞相互作用,并在体外实验中发现丁酸盐可以抑制角膜外植体促炎基因的表达,最后使用来源于肠道的丁酸酯对干眼症的小鼠模型进行灌胃操作可以改善干眼的症状,以上研究提示肠道菌群对眼睛有间接的影响,进一步证实了“肠-眼轴”的存在。GD/TAO患者粪便移植到GD/TAO小鼠中加重了小鼠模型疾病突眼的程度,使用抗生素万古霉素可以减轻突眼程度。这些发现强调了TAO发病机制之一可能是通过“肠-眼轴”的相互作用而启动或加重的[22]。本文综述了“肠-眼轴”影响TAO的发生发展的可能机制。
4.1 髓细胞与T细胞的迁移
肠道菌群失调会导致树突状细胞、巨噬细胞迁移到引流的淋巴结和眼表,并激活初始T细胞转变为效应T细胞,同时,这些细胞在眼表释放促炎细胞因子[26]。例如,T细胞通过分泌细胞因子参与疾病的进程,既往研究发现乳酸杆菌属具有潜在的致病性,甲状腺激素的水平变化会导致乳酸杆菌属的丰度增加,可能通过激活核因子-κB信号通路,诱导巨噬细胞分泌细胞因子如白细胞介素-10、白细胞介素-8、白细胞介素-6和肿瘤坏死因子-α参与TAO[27-28]。其次,肠道引起的Th1、Th17细胞和自身反应性B细胞来源的免疫球蛋白可能直接迁移到眼表引起炎症;肠道引起的Treg循环数量减少也可能增加眼表的炎症反应[29]
4.2 交叉免疫反应的发生
TSHR作为甲状腺和眼眶的共同自身抗原,是介导TAO发生的主要自身抗原,TRAb可以诱导TAO的自身免疫反应[30]。TAO患者的肠道菌群研究表明,某些菌属的成分与某些甲状腺自身抗原成分相同,可以共同刺激甲状腺抗体,发生交叉免疫反应从而直接或间接调节甲状腺免疫状态并诱发TAO,如双歧杆菌属、乳酸杆菌属。双歧杆菌属和乳酸杆菌属作为典型的益生菌,可以使肠道有益代谢物短链脂肪酸增加,调节肠道健康[31]。在肠道稳定的状态下,两种菌属具有较好的应用安全性,在其共同作用下可以通过调节细胞因子IL-10的表达来降低对自身免疫疾病的易感性,如1型糖尿病[31]。但当一些不利因素出现时,如休克、肠上皮的损伤、抗生素治疗等,会使肠道通透性增加,使这些菌种可以穿过肠上皮屏障进入血液循环,由于免疫系统不耐受进而成为潜在致病菌[32]。TAO肠道中的双歧杆菌属和乳酸杆菌属某些特定菌株的氨基酸序列与甲状腺过氧化物酶(TPO)和甲状腺球蛋白(Tg)的氨基酸序列相同,可以选择性地结合甲状腺自身抗体,通过交叉免疫反应机制触发TAO[33]。同样,TAO眼表中的乳酸杆菌属与双歧杆菌属的一些菌株的氨基酸序列与诱导疾病发生的自身抗原TPO和Tg之间也存在大量结构同源性,可以竞争TPO-Ab和Tg-Ab,通过分子拟态来引起免疫反应,可能促使眼部组织发生炎症和纤维化反应,导致典型的TAO的症状,如眼睑肿胀和眼球突出[33]
4.3 代谢物的循环
短链脂肪酸(SCFA)作为微生物代谢物可以促进肠道黏膜细胞的增殖和修复,维持肠道屏障的完整性,防止有害物质的渗透[34]。自身免疫性疾病患者肠道菌群失调会引起SCFA的减少,间接也会影响远端靶器官的免疫活性[35]。TAO患者肠道中普拉梭菌属具有抗炎特性,既能刺激外周血单个核细胞增加分泌抗炎细胞因子白细胞介素-10,也能抑制自身反应性T细胞和B细胞,维持自身免疫耐受[36]。高丰度的普拉梭菌属在肠道中能增加SCFA的浓度,通过保护肠道屏障功能、减少细菌内毒素在胃肠道壁的移位来改善肠道健康。此菌属丰度的减少还与其他自身免疫疾病有关,如溃疡性结肠炎和克罗恩病[37]。另一些菌属则相反,通过增加肠道通透性、炎症因子的分泌来加重TAO,如拟杆菌属。虽然拟杆菌属可以通过产生SCFA维持肠道内环境的稳态,但它们不能诱导黏蛋白的合成,从而导致肠道通透性增加。在自身免疫病类风湿性关节炎患者中发现拟杆菌属的丰度也是增加的[38],由此推断拟杆菌属及其代谢物水平的升高可能影响肠道通透性,导致大量炎症因子渗出,从而激发免疫反应。
5 结束语
总的来说,TAO的研究已经开始关注微生物在其发病机制中的作用。眼表菌群及肠道菌群的失调可能通过影响免疫系统和代谢产物的循环,促使TAO的发生发展。但是TAO的菌群研究还处于起步阶段,当前的研究主要集中在患者眼表菌群与肠道菌群的鉴定和功能分析,以及微生物感染对于疾病发展的影响。未来需要不同时间、不同地区和不同人群的外部验证,以评估结果的普遍性,进一步探索眼表及肠道菌群与TAO之间的确切关系和作用机制,从微生物学方面为TAO诊断、治疗提供新途径。