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1、共生菌与免疫,Vocabulary,SFB,Segmented filamentous bacteria 分节丝状菌polysaccharide A(PSA)多聚糖 Apolysaccharide A(PSA)+Bacteroides fragilis-产生多聚糖A的脆弱拟杆菌Clostridium spp.clusters IV and XIVa，梭状芽胞杆菌 IV and XIVaSCFA,short-chain fatty acid,短链脂肪酸REGIII,regenerating islet-derived protein 3 ILC3s,group 3 innate lymphoid
2、 cells，第三组固有淋巴样细胞TSLP,thymic stromal lymphopoietin，胸腺基质淋巴细胞生成素MALT/MIS,Mucosa-associated lymphoid tissue,粘膜相关淋巴组织,粘膜相关淋巴组织Mucosa-associated lymphoid tissue,呼吸道，肠道，及泌尿生殖道黏膜固有层和上皮细胞下散在的无被膜淋巴组织，以及某些带有生发中心的，器官化的淋巴组织，如扁桃体，小肠的派氏集合淋巴结（Peyers patch)、阑尾等。,粘膜相关淋巴组织Mucosa-associated lymphoid tissue,MALT(MIS)是保
3、护粘膜的特有免疫系统。虽然淋巴样组织或细胞分布在粘膜的不同部位，却有相似的结构和功能。MALT是体内最大的淋巴器官系统，在成人MALT的淋巴细胞占全身淋巴细胞总数的3/4。,(1)表面积大:(2)屏障薄且通透性强 皮肤 2 m2(3)常暴露在外源性物质之下(食物,花粉)肺部 140 m2(4)肠道寄生大量共生菌（1014）消化道 400 m2,Effector Site,Inductive Site,器官化淋巴组织：-派氏集合淋巴结：小肠-孤立淋巴滤泡：小肠和大肠，直肠-肠系膜淋巴结：T细胞区和淋巴滤泡-阑尾 弥散淋巴细胞：-上皮内淋巴细胞（IEL）-固有层淋巴细胞（LPL）,GALT,GAL
4、T Architecture,派氏集合淋巴结主要分布在小肠，类似结构分布在阑尾与其余消化道和呼吸道部位。,Lamina Propria,接触抗原的特点,系统免疫系统 主要是无菌环境，对微生物入侵发生强烈应答。粘膜免疫系统 常与外来抗原接触 无害抗原：低应答，免疫耐受-共生菌(1 x 10 14)-食物或其它无害抗原 有害抗原（病原体）：有效免疫应答,特有的摄取抗原方式-M细胞(microfold cells),基底面向内折叠，形成口袋状口袋里包含有T细胞,B细胞,DC,以及巨噬细胞腔面的抗原由M细胞摄取，经穿越细胞，转运到基底面，释放到细胞外APCs 细胞摄取抗原并活化T细胞或迁移至肠系膜淋巴
5、结,粘膜免疫抗原摄取特点,M细胞缺乏微绒毛其表面无粘液覆盖可直接与肠道抗原接触也是某些病原体在GALT的入侵途径（如沙门氏均属，志贺氏杆菌）,肠道粘膜M细胞摄取和转运抗原,DC跨越上皮屏障摄取抗原,物理屏障功能,1.粘液层 杯状细胞产生粘液，形成覆盖在消化道上皮细胞的一个厚凝胶状的粘液层，使肠道微生物难以接近肠上皮细胞。-病原体被捕获在粘液层中，随蠕动或纤毛运动而被排除。-粘液层还是分泌型IgA贮存库。,物理屏障功能,2.上皮细胞屏障：紧密连接-阻止病原体和大分子通过。,紧 密 连 接,化学屏障功能-抗菌分子：,（1）转铁蛋白 竞争性结合铁，抑制细菌生长；（2）溶酶体酶 水解革兰氏阳性细菌的细
6、胞壁；（3）防御素（defension,）30-40个氨基酸肽，破坏细菌和真菌细胞膜，导致溶菌。为AMP（抗菌肽）的一种 共生菌持续刺激黏膜免疫系统，可诱生共生菌特异性Th1和Th17细胞，通过产生IL-22而促进抗菌肽产生，限制共生菌穿越上皮屏障（见slide63:MIS对共生菌的低应答）固有淋巴样细胞ILC3也可以产生IL-22。,生物屏障功能-共生菌,100 trillion（万亿）种共生菌，表达的基因数至少为宿主基因的十倍。生理作用：提供酶参与食物消化；吸收钙、镁、铁等离子；降解毒素；产生机体所需辅助因子（如维生素K1、B1、B2、B6、B12、泛酸、叶酸和短链脂肪酸）；参与免疫系统发
7、育和功能，并与免疫系统协同发挥作用。,菌群失调导致血性腹泻,生物屏障功能-共生菌,100 trillion（万亿）种共生菌，表达的基因数至少为宿主基因的十倍。生理作用：提供酶参与食物消化；吸收钙、镁、铁等离子；降解毒素；产生机体所需辅助因子（如维生素K1、B1、B2、B6、B12、泛酸、叶酸和短链脂肪酸）；参与免疫系统发育和功能，并与免疫系统协同发挥作用。,参与粘膜免疫的淋巴细胞,A型T细胞:传统的abT细胞，包括CD4+T 和 CD8+T细胞，主要分布在粘膜固有层。B型T细胞:主要分布于上皮，与不同配体结合（如MIC-A,MIC-B）。-gdT细胞:CD8(aa)+，CD4-CD8-（少量）
8、-abT细胞:CD8(aa)+，CD4-CD8-（少量）,上皮内淋巴细胞（IEL）特征,弥散在大、小肠粘膜上皮细胞间，约1个IEL/20个上皮细胞。80%T细胞是CD8+T细胞。A型和B型IEL几乎各占一半。IEL的多样性有限。其增殖和产生CK能力较弱，防止有害炎症。B型IEL识别自身应激抗原（MIC-A，MIC-B），诱导损伤上皮细胞凋亡。,上皮内淋巴细胞的功能,为肠道第一防御线的免疫细胞主要为胞毒活性，杀伤感染上皮细胞（A型IEL）释放细胞因子（IFN-g,TNF-a)，参与抗感染调节上皮细胞的动态更新，维持粘膜屏障完整性（B型IEL）免疫调节，参与口服耐受。,固有层淋巴细胞（LPL）的特
9、征,LPL弥散在肠粘膜固有层（粘膜上皮细胞和粘膜肌层之间的一层结缔组织）中。多数LPL为CD4+T细胞（A型），包括(95%CD45RO+，Th1,Th2,Th17,Treg)。其对丝裂原或特异性抗原的增殖能力有限。Th细胞可辅助B细胞产生IgA；Th17抵御胞外菌和真菌感染；Treg维持MIS对无害抗原的低应答。CD8+T细胞：杀伤活性，产生CK，参与炎症反应和抵御病原体感染。,持续生理性炎症状态,对大量无害抗原产生持续性和限制性低应答；而局部占优势的负调控机制（耐受型DC,Treg)可阻止粘膜免疫应答失控。,黏膜固有免疫细胞,黏膜上皮细胞：抗原提呈，产生多种细胞因子（促炎和免疫调节），分泌
10、抗菌肽和溶菌酶。巨噬细胞：吞噬和杀伤，产生IL-10 树突状细胞:抗原提呈和免疫耐受 固有淋巴样细胞(ILC):产生IL-22诱生防御素（抗菌肽）,黏膜固有免疫细胞-树突状细胞,（1）黏膜及淋巴组织内的DC：黏膜下DC多为CD11b+CD8-并表达CCR6，静止状态下，此类DC摄取抗原后可产生IL-10，从而防止T细胞致敏并分化为炎性T细胞。致病菌感染时，覆盖Peryer集合淋巴结的FAE（follicle-associated epithelium）分泌CCL20（CCR6的配体）和CCL9（CCR1的配体)，可将DC募集至M细胞附近，后者将抗原转递给DC，装载抗原的DC迁移至集合淋巴结T细
11、胞区，将抗原提呈给特异性T细胞。,29,30,黏膜固有免疫细胞-树突状细胞,（2）黏膜固有层DC：多表达CD103,其功能为：摄取抗原后即离开黏膜而迁移至系膜淋巴结T细胞区，诱导初始T细胞分化为效应细胞，并获得肠道归巢能力；对炎性刺激低反应，可产生IL-10、TGF-和视黄酸，促进Foxp3+iTreg细胞产生；来源于上皮细胞及基质细胞的胸腺基质淋巴细胞生成素（thymic stromal lymphopoietin，TSLP）、视黄酸、TGF-、吲哚胺双加氧酶（IDO）、PGE2等可促进CD103+DC的抑炎效应，从而参与维持肠道黏膜免疫系统对食物和共生菌等无害抗原的耐受(见slide49)
12、。,黏膜固有免疫细胞-固有淋巴样细胞（ILC）,是来源于骨髓淋巴细胞前体、不表达特异抗原受体、具有固有免疫功能的淋巴细胞。有3组ILC，其中第三组为淋巴组织诱导细胞(LTi)，主要分布于肠黏膜固有层，其生物学特征：表达RORt和NKp44；可产生大量IL-22和IL-17A，其中IL-22在维持上皮组织稳态、诱生防御素及抗枸橼酸杆菌感染中起重要作用。,共生菌VS免疫系统,共生菌对免疫系统的影响（关键词：低，稳）MALT对共生菌的低应答（关键词：低，否）,Regulation of the Immune System by the Resident Intestinal Bacteria,Gas
13、troenterology 2014;146:14771488,Nobuhiko Kamada,Gabriel Nez,Role of the gut microbiota in immunity and inflammatory diseaseNATURE REVIEWS|IMMUNOLOGY VOLUME 13|MAY 2013|321,Technical approach to characterizing both the composition and function of the gut microbiome.,共生菌分类,Proteobacteria(变形菌门)：-变形菌：肠杆
14、菌科(Enterobacteraceae)；-变形菌：螺杆菌属(Helicobacter)；Firmicutes(厚壁菌门)：芽孢杆菌纲：肠球菌属(Enterococcus)、乳杆菌属(Lactobacillus)和链球菌属(Streptococcus)；-NKp46+ILC 梭菌纲：梭菌属(Clostridium),Clostridium spp.clusters IV and XIVa-Treg；Bacteroidetes(拟杆菌门)：拟杆菌属(Bacteroides),polysaccharide A(PSA)+Bacteroides fragilis-TregSegmented fil
15、amentous bacteria(SFB)-Th17Fusobacria(梭杆菌门)：梭杆菌属(Fusobacterium)*2011-2014热门；Actinobacteria(放线菌门)：双歧杆菌属(Bifidobacterium)-Tr1；,Specific microbiota induces development of T cells,The gut microbiota-mediated development of the intestinal immune system,1.参与免疫系统发育,无菌小鼠特征-外周淋巴器官（包括黏膜免疫器官）体积缩小、缺乏生发中心；-血清免疫球
16、蛋白水平降低，所有类型的免疫应答均减弱（尤其是Th1和Th17细胞应答）；-肠道Peyer集合淋巴结发育受阻，孤立淋巴滤泡缺如，固有层和上皮内T细胞数明显减少,-分泌IgA的浆细胞减少；某些调节局部免疫的介质（如抗菌肽、IL-7、IL-25、IL-33和TSLP）产生缺陷,DC,IFN-,T细胞分化,Treg,IL-4 IL-5 IL-13,IL-17A IL-17F IL-22,IL-10 TGF-IL-35,免疫耐受,IL-12,IL-4,IL-6+TGF-,IL-2+TGF-,胞内病原感染,寄生虫感染,胞外病原以及真菌感染,2.参与固有免疫,（1）参与维持上皮细胞正常屏障功能：共生菌直接
17、作用于上皮细胞，控制其增殖并调节上皮细胞的紧密连接，促进上皮屏障完整性。共生菌可促进杯状细胞分泌黏液，形成黏液层屏障。（2）干扰病原体入侵：共生菌可与病原体竞争营养和定居空间，并可产生抗菌肽杀伤病原菌，或直接抑制病原体刺激上皮细胞产生的促炎信号，后者为病原体入侵所必需。,The gut microbiota-mediated development of the intestinal immune system,3.参与适应性免疫,共生菌不同组分诱导特定的免疫细胞亚群分化 共生菌脆弱类杆菌的多糖（polysaccharide A,PSA）可诱导Treg细胞分化；分节丝状菌（SFB）可刺激Th1
18、、Th17分化，若共生菌中缺失这种菌，则如同无菌动物；共生菌DNA可通过TLR9促进Th17细胞分化,Segmented filamentous bacteria(SFB)in the terminal ileum of an 8-week old Taconic B6 mouse,The gut microbiota-mediated development of the intestinal immune system,4.维持黏膜局部免疫平衡,（1）共生菌调控黏膜局部DC功能状态：静止状态下，共生菌可诱导肠上皮细胞和基质细胞产生TSLP、TGF-和PGE2，抑制DC,并诱导Treg细胞产
19、生，使肠黏膜微环境呈现免疫负调节状态，从而对无害抗原不应答或低应答（见slide 31)。一旦病原体入侵，黏膜DC通过PRR识别病原体PAMP或受炎性因子刺激而被激活，从而有效启动针对病原体的免疫应答。,4.维持黏膜局部免疫平衡,（2）共生菌诱导“生理性炎症”：即在无感染情况下，肠道黏膜含大量效应淋巴细胞及慢性炎症相关的白细胞。机制：共生菌（及其产物）与黏膜免疫系统密切接触并持续刺激，导致大量Th17细胞、Th1细胞和分泌IgA的浆细胞存在；上述效应细胞受共生菌诱生的Treg细胞严密控制，维持一种“活化-静止”及不完全应答的平衡，呈现低度慢性炎症。意义：保证黏膜免疫系统高度戒备共生菌的潜在威胁
20、，并及时对入侵的病原体产生有效的保护性应答。,The gut microbiota-mediated development of the intestinal immune system,共生菌下调粘膜免疫应答,共生菌存在下，肠上皮细胞和间质细胞产生TGF-b,IL-10，抑制DC成熟，并诱导Treg细胞；共生菌抑制病原体诱导上皮细胞NF-kB活化。核因子NF-B与其抑制物IB结合而存在于细胞浆，细胞受刺激（如LPS）后，IKK激酶活化，使IB磷酸化，泛素化被降解，NF-B释放入核，与其靶基因结合并促进基因表达。共生菌抑炎作用的机制：通过活化核受体PPAR而促进NF-B出核；或抑制IB降解，
21、使NF-B滞留于胞浆而不能入核发挥作用。,肠道黏膜DC耐受共生菌但对致病菌产生应答,共生菌抑制病原体诱导上皮细胞NF-kB活化,5.下调肠道炎症应答,正常情况下，核因子NF-B与其抑制物IB结合而存在于细胞浆，细胞受刺激（如LPS）后，IKK激酶活化，使IB磷酸化，泛素化被降解，NF-B释放入核，与其靶基因结合并促进基因表达。共生菌抑炎作用的机制为：通过活化核受体PPAR而促进NF-B出核；或抑制IB降解，使NF-B滞留于胞浆而不能入核发挥作用。,The gut microbiota-mediated development of the intestinal immune system,Di
22、rect and indirect resistance of the microbiota to colonization by enteric pathogens.,IL-22的作用,IL22可由TH1,Th17产生，也可由RORrt+ILC3产生，可刺激上皮细胞产生防御素REGIII。,58,共生菌VS免疫系统,共生菌对免疫系统的影响 MALT对共生菌的低应答,1.共生菌侵袭能力低下-忽视,共生菌不产生可介导穿透黏液层与完整上皮屏障并侵入机体的毒力因子；可识别共生菌PAMP的PRR分布于黏膜上皮细胞胞内（如NLR）及基底膜面(如TLR5)，肠腔面仅低表达；少量共生菌即使跨越黏膜屏障，但由
23、于缺少毒力因子，不能抵抗吞噬细胞摄取和杀伤，被快速杀灭。,粘膜上皮肠腔面不表达PRR，而仅在上皮细胞内体、胞浆内及其基底面表达PRR。故MIS忽视共生菌；而侵袭力强的病原体则可被相应的PRR识别。,MIS忽视共生菌,2.MALT使系统免疫系统与共生菌隔绝,由于肠道黏膜屏障、黏液屏障及黏膜免疫系统将共生菌（及其产物）与系统免疫次级淋巴器官隔绝，从而使系统免疫忽视共生菌而无应答。共生菌一旦通过损伤的黏膜屏障进入机体，则可诱导保护性免疫应答。,3.黏膜免疫系统对共生菌应答能力低下,共生菌持续刺激黏膜免疫系统，可诱生共生菌特异性Th1和Th17细胞，通过产生IL-22而促进抗菌肽产生，限制共生菌穿越上
24、皮屏障(见slide 18:黏膜免疫 化学屏障功能-防御素)；黏膜免疫系统产生高水平抗共生菌IgA抗体，可限制共生菌黏附及定居，并阻止其穿越上皮屏障；共生菌可刺激肠上皮细胞与基质细胞组成性产生TGF-、TSLP和PGE2，维持局部DC处于不成熟状态，并诱生Treg细胞，继而限制共生菌穿越上皮屏障，并阻止共生菌特异性Th1和Th17效应细胞的致炎作用。,The gut microbiota-mediated development of the intestinal immune system,共生菌可被IgA与粘液和粘膜屏障滞留在肠腔；其侵袭能力弱。病原体有毒力因子(粘附分子,毒素)，故有很强
25、的侵袭性。,粘膜屏障和IgA滞留共生菌在肠腔,Multiple firewalls limit immune responses against resident intestinal bacteria.,Regulation of the resident intestinal bacteria by the immune system,李兰娟（LanjuanLi）中国工程院院士、浙江大学医学院传染病诊治国家重点实验室主任“我们使用宏基因组学和宏转录组学工具，来阐明微生物在肝病进程中的作用，构建肝病进程中的微生物互作网络。这些研究可以帮助我们提出新策略，对肝硬化等疾病进行诊断、治疗和预防。今
26、年我们希望阐明抗生素和益生素（probiotic）对肝脏的影响。我们已经跟进了八十名肝硬化患者半年时间，以阐明益生素（乳果糖等）对疾病进程的影响和作用机制。为了研究患者肠道微生物组的改变，我们还跟踪了四十名肝功能衰竭患者的情况，每周进行样本收集，现在已经持续了一个月。我们希望找到可以治疗肝病的新益生素。在新的一年里，我还希望为我的团队创造更多的机会，与其他国家的人进行交流和协作。”,Wang J,Li F,Sun R,Gao X,Wei H,Li LJ,Tian Z.Bacterial colonization dampens influenza-mediated acute lung inj
27、ury via induction of M2 alveolar macrophages.Nat Commun.2013;4:2106.Lv LX,Li YD,Hu XJ,Shi HY,Li LJ.Whole-genome sequence assembly of Pediococcus pentosaceus LI05(CGMCC 7049)from the human gastrointestinal tract and comparative analysis with representative sequences from three food-borne strains.Gut
28、Pathog.2014 Aug 30;6:36,SFB（Segmented filamentous bacteria，分节丝状菌）,Segmented Filamentous Bacteria Antigens Presented by Intestinal Dendritic Cells Drive Mucosal Th17 Cell DifferentiationImmunity，2014；Induction of intestinal Th17 cells by segmented filamentous bacteriaCell，2009；The Key Role of Segment
29、ed Filamentous Bacteria in the Coordinated Maturation of Gut Helper T Cell ResponsesImmunity，2009；,拟杆菌属(Bacteroides),Stat3 Activation in Murine Colitis Induced by Enterotoxigenic Bacteroides fragilisInflamm Bowel Dis，2014；Enterotoxigenic Bacteroides fragilis(ETBF)-mediated colitis in Min(Apc+_-)mice
30、_ a human commensal-based murine model of colon carcinogenesis.Cell Cycle.2010；A human colonic commensal(ETBF)promotes colon tumorigenesis via activation of T helper type 17 T cell responsesNature Med，2009；,Microbes and Inflammation in Colorectal（CancerCancer Immunol Res-2013）,共生菌与疾病,机体对共生菌应答的调控机制异常
31、 共生菌在体内异位存在 共生菌的组成谱,1.机体对共生菌应答的调控机制异常,如IL-10和TGF-b缺陷，则共生菌可激发系统免疫应答，并介导黏膜部位强烈的炎症反应，微环境产生大量炎性细胞因子（如IL-23、TNF-、IL-12等），从而引发肠道炎性疾病（如Crohns病）。,2.共生菌在体内异位存在,黏膜屏障受损（如肠上皮完整性遭破坏）时（创伤、感染、内毒素性休克、重症肝炎等），大量正常无害的共生菌（如大肠杆菌）跨越上皮屏障而进入血流，可引起致命性全身感染，并激发系统免疫应答。,3.共生菌的组成谱-与糖尿病,高能量饮食可改变肠道共生菌组成，并导致糖尿病发生，其机制：共生菌组成谱改变（拟杆菌减少
32、；壁厚菌增加），可选择性增加双歧杆菌，使革兰阴性菌/阳性菌比例及循环LPS水平增高，诱导多种促炎细胞因子产生，引起糖耐量降低和胰岛素抵抗。反之，低能量饮食可恢复拟杆菌/壁厚菌比例，使肥胖鼠体重减轻。,3.共生菌的组成谱-与自身免疫病,将分节丝状菌定居于动物肠道，可致抗原特异性Th17细胞增加，生发中心B细胞增殖，产生大量自身抗体，加重自身免疫性关节炎；将双歧杆菌定居动物肠道，可导致Treg细胞增殖，抑制炎症应答，缓解EAE。,3.共生菌的组成谱-菌群失调,正常栖息菌群间的平衡被打破可引起菌群失调，导致稳态下非致病菌大量侵入黏膜组织，致病菌大量繁殖、入侵，通过激活黏膜免疫系统而产生较强炎症性应答
33、，造成病理损伤。,Gut microbiota affects extra-intestinal autoimmune diseases.,Protective and pathogenic role of the gut microbiota in IBD,Mechanisms controlling hostmicrobiota interactions and associated failures implicated in cancer development,Mechanisms by which the bacterial microbiome modulates carcino
34、genesis.,Targeting the bacterial microbiota for therapeutic modulation of carcinogenesis.,The Mucosal Firewall,Promotion of Immune Regulation by the Microbiota during Steady State and Inflammation,Promotion of Protective Immunity by the Microbiota,The composition of intestinal microbiota participates in the regulation of immune homeostasis（SFB and Th17),Trillion 万亿,the balance between two major effector T cell populations in the intestine,IL-17+Th17 cells and Foxp3+Tregs,requires signals from commensal bacteria and is dependent on the composition of the intestinal microbiota.,
