《EXPERIMENTAL PHYSIOLOGY》：Immunomodulatory effects of cathelicidin in the gut–brain axis: A novel link between mucosal immunity and neuroinflammation
引言：连接肠道与大脑的免疫桥梁
长期以来，免疫系统与神经系统被视为相对独立的生理领域。然而，越来越多的证据表明，两者之间存在着错综复杂的联系。肠脑轴（Gut-Brain Axis, GBA）作为连接胃肠道（GI）与中枢神经系统（CNS）的动态双向网络，正是这种神经免疫交叉对话的核心环节。在这一框架下，黏膜免疫不仅是屏障防御机制，更成为神经功能和稳态的关键调节器。肠脑轴功能紊乱与多种疾病相关，包括多发性硬化症（MS）、神经退行性疾病、精神综合征和炎症性肠病（IBD）。在众多先天免疫介质中，cathelicidin家族宿主防御肽因其强大的免疫调节功能而备受关注。
Cathelicidin的结构、调控与组织分布
Cathelicidins是一类在鸟类、哺乳动物和爬行动物中保守存在的宿主防御肽。在人类中，cathelicidin抗菌肽（CAMP）基因编码无活性的前肽hCAP18，后者经丝氨酸蛋白酶（如蛋白酶3）切割后生成具有生物活性的LL-37肽段。其小鼠同源物CRAMP虽序列不同，但免疫功能相似。LL-37是一种由37个氨基酸组成的肽，其N端为两个亮氨酸，可形成两亲性α螺旋结构，使其能够插入细胞膜，并通过受体和信号通路发挥抗菌和免疫调节作用。
Cathelicidin的表达受到精细调控。在巨噬细胞和结肠上皮细胞中，维生素D通过维生素D反应元件（VDRE）直接激活CAMP基因转录。而微生物代谢产物短链脂肪酸（SCFAs，如丁酸盐）则通过抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC）和激活G蛋白偶联受体（GPCRs，如FFAR2、FFAR3）来诱导LL-37的表达。Cathelicidin在肠道上皮细胞和免疫细胞、皮肤角质形成细胞、支气管上皮细胞以及CNS的神经元、星形胶质细胞和小胶质细胞中均有表达。其作用具有环境依赖性：低水平表达有助于维持完整性和免疫稳态，而来自浸润中性粒细胞的高浓度cathelicidin则会加剧炎症和组织损伤。这种受调控的组织分布支持cathelicidin作为肠脑轴信号整合者的角色。
Cathelicidin在黏膜免疫中的作用：肠道机制
在肠道中，cathelicidin的功能远不止直接的抗菌杀伤。人源LL-37及其小鼠同源物CRAMP将微生物防御、屏障支持和炎症控制整合于一体。它们通过结合带负电荷的细菌膜并破坏其完整性来中和病原体，同时调节宿主信号，使抗菌反应有效但不过度损伤组织。研究表明，LL-37能通过调整Toll样受体4（TLR4）信号和白细胞介素-1β（IL-1β）的产生来增强肠上皮细胞对鼠伤寒沙门氏菌的抵抗力，从而限制NLRP3炎症小体的激活。
LL-37还能通过诱导黏蛋白（如MUC2、MUC1）和上调紧密连接蛋白（如occludin、ZO-1）来增强上皮屏障功能。这些效应在感染性结肠炎、乳糜泻和IBD中至关重要。此外，cathelicidin能调节模式识别受体（PRRs），例如在树突状细胞中抑制TLR9驱动的炎症，而在上皮细胞中增强TLR4反应。它通过限制病原菌和支持共生菌来塑造微生物群组成。通过甲酰肽受体2（FPR2）等GPCRs，LL-37/CRAMP可招募中性粒细胞、单核细胞和T细胞，这既能清除感染，也可能在特定环境下维持慢性炎症。
肠道来源信号对Cathelicidin表达的调控
Cathelicidin在胃肠道的表达和活性受到一个复杂的系统性及局部信号网络调控，其中微生物代谢产物、营养因素和炎症介质是关键。
短链脂肪酸（SCFAs）与微生物代谢产物：肠道微生物群发酵膳食纤维产生SCFAs，主要是丁酸盐、乙酸盐和丙酸盐。丁酸盐通过抑制HDAC和激活CAMP转录，在结肠上皮细胞和神经元中强效诱导LL-37表达。SCFAs还通过上皮细胞和免疫细胞上的FFAR2和FFAR3传递信号来调节cathelicidin表达。动物研究中，口服丁酸盐可增加肠道和CNS中的CRAMP，减少神经炎症，强化血脑屏障（BBB），而这些益处在CRAMP缺陷动物中减弱。
维生素D信号：维生素D- cathelicidin轴是调节黏膜免疫的一条明确的内分泌通路。维生素D转化为其激素形式（1,25-二羟基维生素D3）后，与维生素D受体（VDR）结合，进而通过VDRE直接反式激活CAMP基因。在结肠类器官模型中，补充维生素D可提高LL-37水平并改善上皮屏障功能。临床研究显示，克罗恩病和溃疡性结肠炎患者的粪便LL-37浓度、血清维生素D水平与疾病严重程度存在关联。
细胞因子与PRRs：炎症细胞因子如IL-1β、肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和干扰素-γ，可根据细胞类型和刺激物不同，上调或抑制LL-37的产生。TLR2和TLR4的激活可与SCFAs或维生素D协同作用，增加CAMP（人）或Camp（鼠）基因的转录。值得注意的是，LL-37本身也调节PRR活性，形成一个反馈回路。
饮食与激素影响：据报道，某些膳食成分如Omega-3脂肪酸、姜黄素和多酚可通过抗炎和抗氧化途径间接改变LL-37表达。糖皮质激素和性激素（如雌激素）也可影响cathelicidin转录。总之，SCFAs和维生素D作为核心调节因子，能将饮食状况和微生物群组成与黏膜免疫力联系起来。
Cathelicidin在中枢神经系统的表达与功能
尽管cathelicidin被视为一种外周宿主防御肽，但研究发现其在CNS的神经免疫过程中具有复杂且环境依赖性的影响。
CNS中的来源与调控：在生理和病理条件下，CNS均有cathelicidin表达。在啮齿类和人类中，神经元在应激、感染或炎症时可产生CRAMP或LL-37。促炎信号如脂多糖（LPS）、IL-1β和微生物代谢产物可上调星形胶质细胞和小胶质细胞中的cathelicidin。与外周组织类似，维生素D和微生物SCFAs也能调节神经细胞中的LL-37/CRAMP。
功能双重性：神经保护与神经炎症：Cathelicidin在CNS中的作用强烈依赖于其细胞来源和浓度。神经元来源的cathelicidin似乎具有神经保护作用，低水平CRAMP可增强突触可塑性、支持神经元存活并限制氧化应激。相反，来自反应性胶质细胞或浸润中性粒细胞的高浓度cathelicidin则可能破坏血脑屏障、驱动神经炎症并促进神经元损伤。这种双重性可能反映了受体特异性信号传导的差异。LL-37可激活如FPR2、P2X7和TLR9等受体，这些受体在CNS不同细胞类型上的表达模式不同。例如，在星形胶质细胞中，LL-37–FPR2信号触发STAT3和ERK1/2通路，导致胶质纤维酸性蛋白（GFAP）上调和IL-6、TNF-α等促炎细胞因子的释放。而在神经元中，FPR2激活可能启动存活和抗凋亡通路。
对血脑屏障和免疫细胞招募的影响：Cathelicidin也调节血脑屏障完整性。在生理条件下，LL-37支持紧密连接和内皮稳态。但在炎症状态下，它会上调细胞间粘附分子-1（ICAM-1）和血管细胞粘附分子-1（VCAM-1），增加内皮通透性，促进白细胞跨内皮迁移。通过GPCR信号传导，LL-37能吸引中性粒细胞和单核细胞，这在感染期间有益，但可能加剧自身免疫性或无菌性CNS炎症。
肠道至大脑的通讯：外周Cathelicidin信号传入CNS
肠脑轴是一个高度整合的通讯系统，起源于胃肠道的周围免疫信号可通过它影响CNS功能。Cathelicidin被认为是这类免疫信使之一，能将黏膜表面的信息转化为大脑中的神经保护或神经炎症反应。
体循环与免疫交叉对话：在微生物失调、感染或上皮应激发生时，肠道来源的LL-37可进入循环系统。在血液中，它作用于免疫组织、内皮细胞和单核细胞，促进细胞迁移、树突状细胞成熟以及IL-6、IL-1β和TNF-α等细胞因子的释放，从而调节CNS炎症。在结肠炎和麸质敏感性等肠道通透性增加的状态下，血浆LL-37水平升高。升高的LL-37可通过细胞因子级联反应和内皮激活改变血脑屏障通透性，或部分通过调节血脑屏障内皮细胞ICAM-1和claudin-5的表达直接作用于CNS常驻细胞。
迷走神经与神经免疫反射通路：除了体液传递，肠道来源的免疫信号也可通过神经回路，特别是迷走神经传递至大脑。LL-37虽非神经递质，但可通过促进神经活性细胞因子的释放以及与肠内分泌细胞相互作用（后者释放如胰高血糖素样肽-1（GLP-1）和胆囊收缩素（CCK）等神经调节肽）来间接影响迷走神经传入。最新研究表明，LL-37还可能通过改变肠道微生物群组成和微生物代谢产物（特别是SCFAs，后者影响迷走神经激活阈值）来修改传入迷走神经张力。
微生物群介导的CNS Cathelicidin诱导：微生物群对远处组织cathelicidin表达的控制代表了另一条关键的肠脑通讯途径。微生物SCFAs，尤其是丁酸盐，可诱导神经元和胶质细胞中的CRAMP表达，这提供了一种机制，将肠道微生物组成的变化传递至CNS的cathelicidin水平和神经免疫状态。
大脑至肠道的反馈：CNS来源的Cathelicidin与周围免疫
虽然研究多强调肠道来源信号对大脑的影响，但肠脑轴的反向通路作为重要的反馈途径日益受到认可。在神经炎症状态下，由神经元和胶质细胞产生的LL-37/CRAMP可出现在血液和脑脊液（CSF）中，并与增强的白细胞运输和系统性细胞因子反应相关，表明CNS来源的cathelicidin可调节周围免疫力。神经炎症还会驱动交感神经输出和下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴激活，进而影响肠道免疫状态和屏障功能。
实验数据表明，cathelicidin可能通过调节交感神经元的兴奋性直接影响自主神经回路，并通过影响肠胶质细胞信号、上皮分泌、蠕动和紧密连接组织来间接发挥作用。较高的脑CRAMP水平与结肠组织中的免疫细胞浸润和连接结构改变相关。这些系统和神经输出汇聚于肠道环境，在此LL-37可改变微生物群落，在易感环境中导致菌群失调、细菌多样性减少和病原菌扩增。
因此，一个合理的反馈循环浮现：菌群失调和黏膜炎症放大了CNS激活，从而增加CNS来源的cathelicidin；这反过来又进一步刺激周围免疫反应并重塑肠道环境。在此框架下，CNS来源的LL-37不局限于局部神经效应，而是作为下行性大脑至肠道通讯中的效应器和介质，帮助维持沿肠脑轴的双向免疫对话。
实验模型、工具与转化证据
Cathelicidin沿肠脑轴的功能已通过遗传学、药理学和生物标志物方法进行了探索。小鼠中的Camp基因敲除（Camp-/-）以及CRAMP过表达或补充研究，确立了cathelicidin与微生物群组成、上皮通透性、葡聚糖硫酸钠（DSS）结肠炎严重程度以及实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）和LPS诱导的胶质细胞活化等神经炎症表型之间的因果关系。
LL-37/CRAMP的表达通常通过qPCR检测CAMP/Camp转录本，并通过蛋白质印迹、免疫组织化学或ELISA评估肠道、大脑、血清和CSF中的肽水平，常与多重细胞因子分析结合。在体外，肠上皮细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞培养物允许对屏障完整性、FPR2依赖性信号传导以及CAMP启动子受SCFAs、维生素D和TLR配体调控进行机制研究。合成LL-37类似物（如cathelicidin-WA）被用作药理学探针。转化工作测量了IBD、MS、阿尔茨海默病和感染性疾病患者血清、粪便和CSF中的LL-37，并越来越多地使用质谱法，同时评估外周血单核细胞中的LL-37 mRNA作为系统性免疫激活的标志物。
跨越这些模型的研究结果一致支持cathelicidin作为肠脑神经免疫交叉对话的关键介质。CAMP-/-小鼠会出现更严重的结肠炎，伴随屏障破坏、白细胞流入和细胞因子产生加剧，而外源性或过表达的CRAMP可部分恢复上皮完整性并减轻炎症。在神经炎症模型中，改变的胶质细胞CRAMP或LL-37与血脑屏障破坏和胶质细胞活化相关，星形胶质细胞来源的CRAMP通过FPR2–ERK1/2信号传导加重疾病。以微生物群为重点的研究表明，丁酸盐和其他SCFAs可增加肠道和大脑中的CRAMP，改善焦虑和记忆相关行为，并减少促炎介质；无菌或用抗生素处理的动物表现出cathelicidin表达降低和神经炎症加剧，这可被丁酸盐或微生物定植逆转。
人类数据虽然有限，但指向类似方向。在IBD中，活动期患者血清和粪便LL-37浓度升高，并与内镜和临床严重程度相关。在阿尔茨海默病和MS患者的CSF中可检测到LL-37，且与神经炎症标志物和认知衰退相关。旨在提高LL-37的初步干预措施（如补充维生素D）表明，在慢性炎症状态下可适度减轻全身炎症，并可能对情绪或认知有益。
讨论与临床意义
Cathelicidin已成为肠脑轴中连接黏膜免疫与神经免疫的关键分子桥梁。证据表明，LL-37/CRAMP是一种双向免疫介质，能够同步胃肠道和CNS之间的炎症信号。其功能上，cathelicidin通过调节TLR信号、保护上皮屏障完整性和限制病原体易位来塑造黏膜防御，同时影响CNS中的小胶质细胞和星形胶质细胞反应。这种环境依赖的双重性使LL-37既能加剧炎症和血脑屏障破坏，也能支持神经元存活和组织修复。环境和微生物线索进一步微调这种平衡。SCFAs和维生素D在肠道和神经区室中调节cathelicidin表达，在饮食、微生物群组成和神经结局之间建立了生化联系。这些特性凸显了以cathelicidin通路为靶点，治疗兼具黏膜和神经炎症功能障碍的疾病（如MS、阿尔茨海默病、IBD）的治疗吸引力。
循环和组织中的LL-37水平为黏膜和神经免疫激活提供了可及的指标。在IBD中，粪便LL-37升高与黏膜溃疡、疾病活动发作和较差的治疗反应相关；而在MS和阿尔茨海默病中，CSF中的LL-37与神经炎症负荷和认知衰退相关。将LL-37纳入多分析物诊断组合，可能改善对肠脑轴疾病的监测，并提供对代谢、微生物或药理学干预反应的动态读数。
在治疗上，通过营养、微生物或药理学策略适度增强cathelicidin活性，在实验模型中有助于保护上皮完整性、减轻细胞因子驱动的炎症和调节胶质细胞反应。合成cathelicidin类似物（如cathelicidin-WA）比天然LL-37具有更高的稳定性和更低的细胞毒性，进一步支持了将该通路作为胃肠和神经免疫疾病精准治疗一部分的可行性。
然而，LL-37也是一把双刃剑。过度或 prolonged 表达可能加剧CNS的炎症和胶质细胞活化，增加组织损伤风险。其与多种受体（包括FPR2、P2X7和TLR9）的结合使得受体特异性靶向和剂量确定复杂化。未来的研究应考虑CAMP基因表达和反应性的个体差异，优化治疗调节的时机和途径，并开发限制脱靶和系统毒性的靶向递送系统。
结论
Cathelicidin已成为肠脑通讯中的关键分子介质。在人类中，LL-37及其啮齿类同源物CRAMP在黏膜免疫、微生物群调节和神经炎症的界面发挥作用，将环境、微生物和营养线索整合成协调的免疫反应。通过影响上皮屏障完整性、微生物组成以及系统和局部免疫信号，cathelicidin通过对胶质细胞活化、血脑屏障功能和细胞因子网络的影响，在CNS中既贡献于神经保护过程，也参与神经毒性过程。
本综述综合的证据支持一个双向反馈循环：CNS来源的cathelicidin塑造肠道稳态和周围免疫力，而肠道来源的cathelicidin调节神经免疫状态。这种递归回路将cathelicidin与多种疾病的病理生理学联系起来，包括IBD、神经退行性疾病和微生物群相关的行为状况。未来工作应优先在人类相关系统（包括人源化模型和器官芯片平台）中明确机制，并辅以精心设计的临床研究，将cathelicidin测量与影像学、免疫学和行为学结果相结合。总体而言，cathelicidin不仅仅是一种外周抗菌肽，更是一种复杂的免疫调节剂，对肠脑通讯和神经免疫健康具有深远意义。阐明并安全地利用这一通路，可能为免疫学、神经科学和胃肠病学交叉领域开辟新的治疗途径。
