《Medicine in Microecology》：Gut-Joint Axis in Rheumatic Diseases: Insights into Pathogenesis and Therapeutic Strategies
类风湿性关节炎（RA)是一种主要累及关节的慢性自身免疫性疾病。微生物感染被认为在RA的发生发展中起促进作用。临床前期及已确诊RA患者均存在肠道细菌组成的改变，提示肠道菌群(GM)在RA特征性免疫功能紊乱中发挥关键作用。肠道完整性降低所致内毒素血症和促炎状态可通过触发自身免疫反应加重RA，进而导致自身反应性细胞向关节迁移，造成滑膜和关节损伤。然而，肠道菌群失调导致RA的确切途径尚不清楚。多种RA治疗方法可改变肠道菌群多样性，提示肠道菌群调节可能有益于RA的预防或治疗。本综述概述了肠道菌群失调导致RA的发病机制及可能有助于指导该领域进一步研究的治疗策略。
1. 引言
类风湿性关节炎(RA)是一种以关节炎症为主要特征的持续性自身免疫性疾病，伴随滑膜增生、血管翳形成、软骨破坏及系统性并发症，临床表现为疼痛、关节僵硬、发热和体重下降。RA是全球最常见的自身免疫病之一，患病率约为0.5%-1%，工业化国家发病率更高，女性发病率约为男性的2-3倍。RA的病因涉及遗传、表观遗传和环境因素的共同作用，环境触发因素如香烟烟雾、粉尘暴露和微生物群可导致免疫耐受丧失，产生类风湿因子(RF)和抗修饰蛋白抗体等自身抗体，包括抗瓜氨酸化肽抗体(ACPA)、抗氨甲酰化蛋白抗体(anti-CarP)和抗乙酰化肽抗体(AAPA)。自身抗体和自身反应性T细胞可在临床关节炎出现前数年检测到，支持"黏膜起源"假说，即屏障部位的慢性微生物暴露启动耐受破坏，随后才在关节显现临床症状。本综述聚焦于肠-关节轴的肠道环节，总结肠道菌群失调、屏障功能障碍和黏膜免疫学如何启动或延续RA，以及这些途径如何用于预测和治疗。
2. 生理串扰
肠-关节轴指肠道与关节之间的关联，主要关注肠道健康如何影响关节炎症和关节炎等疾病。肠道即胃肠道(GI Tract)，包含人体多数重要器官。人类体内约有38万亿细菌，是人体细胞数(10
12)的1.3倍。根据特定区域，菌群可分为口腔菌群、肠道菌群、呼吸道菌群和皮肤菌群，其中肠道聚集最多微生物，统称为肠道微生物组。这些微生物维持健康肠道环境、产生必需维生素并促进消化。该多样生态系统中 majority 为拟杆菌门(Bacteroidetes)和厚壁菌门(Firmicutes)，变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)亦有分布。微生物组的主要功能集中于免疫学、神经学和代谢领域，通过训练免疫系统区分良性抗原和病原体，防止导致自身免疫病的过度炎症反应。
肠道菌群在维持骨密度和激素稳态中的重要性体现了其 beyond 胃肠道健康的全身影响。近期数据表明内分泌系统与微生物群相互作用，调节骨骼代谢所需的激素，尤其是雌激素。某些细菌菌株可将膳食植物雌激素转化为肠二醇(equol)，一种与骨矿物质密度增加相关的非甾体雌激素。这种相互作用可能显著影响骨质疏松症及其他骨骼疾病的发病风险，尤其对绝经后雌激素水平降低而易患骨质流失的女性更为关键。
此外，肠道微生物组促进不可消化膳食成分如复杂碳水化合物、抗性淀粉和纤维的发酵，将其转化为可吸收的代谢产物如短链脂肪酸(SCFAs)——主要包括乙酸(acetate)、丁酸(butyrate)和丙酸(propionate)。这些SCFAs不仅为结肠细胞提供能量，还改善铁、钙和镁等必需矿物质的吸收，这些矿物质对骨骼健康和氧转运等生理功能至关重要。肠道微生物还参与关键微量营养素如维生素K和多种B族维生素的生物合成，这些维生素对凝血、细胞能量产生和DNA合成不可或缺。
2.1 肠道微生物组在骨稳态中的作用
2.1.1 肠道微生物组通过免疫功能影响骨稳态
肠道菌群(GM)对机体适应性和先天性免疫的发育至关重要。通过肠道形成的免疫介质通常向骨骼系统迁移，通过核因子-κB配体(RANKL)和肿瘤坏死因子(TNF)等关键分子参与骨代谢，这些分子在免疫反应和骨调节中均发挥重要作用。T细胞和B细胞通过产生细胞因子、促进骨吸收的RANKL和阻断骨吸收的骨保护素(OPG)来调控骨破坏和骨形成。
友好肠道细菌激活的免疫受体如Toll样受体(TLRs)和NOD样受体(NODs)有助于保护和修复肠道细胞，平衡信号对骨重塑至关重要。Ohlsson等(2017)的研究探索了肠道菌群如何通过先天免疫系统影响骨健康，研究者使用无菌(GF)小鼠和常规饲养(CONV-R)小鼠，灭活TLRs和NODs受体后，GF小鼠中TNF-α和RANKL等骨吸收因子降低，NODs缺陷GF小鼠也出现骨量减少。
例如，脆弱拟杆菌(Bacteroides fragilis)产生的多糖A(PSA)可激活Toll样受体2和1(TLR2/TLR1)，通过环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(CREB)产生抗炎效应。此外，微生物组促进调节性T细胞(Tregs)发育，减轻肠道炎症。肠道细菌产生的代谢产物如短链脂肪酸(SCFAs)和氧化三甲胺(TMAO)影响免疫细胞。
2.1.2 肠道微生物组通过内分泌系统影响骨稳态
肠道微生物组还通过甲状旁腺激素、降钙素、雌激素和胰岛素样生长因子-1(IGF-1)影响内分泌系统以维持骨稳态。
2.1.2.1 甲状旁腺激素(PTH)、降钙素和维生素D的作用
PTH和降钙素协同作用进行骨重塑。PTH激素增加破骨细胞活性，降钙素激活成骨细胞活性。肠道细菌影响维生素D代谢并调节钙吸收。更高效的维生素D意味着需要更少的PTH来维持钙平衡。近期研究表明间歇性PTH对骨形成是必需的。丁酸作为肠道菌群产生的短链脂肪酸，通过Wnt10b蛋白在帮助间歇性甲状旁腺激素(PTH)构建骨骼方面发挥支持作用，Wnt10b是刺激成骨细胞(骨构建细胞)活性的蛋白质。Rodrigues等(2012)表明双歧杆菌能够产生短链脂肪酸(SCFA)，降低肠道pH值，促进矿物质溶解和钙离子通过细胞旁途径递送至细胞，从而控制骨矿物质密度。此外，针对绝经后女性骨代谢的研究显示，瑞士乳杆菌(Lactobacillus helveticus)可提高血清钙水平、降低甲状旁腺激素(PTH)并促进钙吸收。
2.1.2.2 雌激素的作用
雌激素对骨健康很重要，因为它减少破骨细胞(骨破坏细胞)并增加成骨细胞(骨构建细胞)。当雌激素水平低时(如绝经后)，骨重塑周期变得过度活跃，导致骨丢失。研究表明，在小鼠中去除卵巢(降低雌激素)会导致TNF-α增加，这是导致骨丢失的关键，它激活核因子κB受体活化因子(RANK)(骨吸收途径)并增加T辅助17细胞(Th17)(促进炎症)。肠道微生物与骨代谢密切相关且复杂，可通过肠道激素影响宿主内分泌环境，通过SCFAs影响宿主代谢，通过T细胞影响宿主免疫功能。
2.1.2.3 胰岛素样生长因子-1(IGF-1)的作用
肠道微生物可能通过改变胰岛素样生长因子1(IGF-1)水平来控制骨形成。IGF-1是一种关键的内分泌激素，通过Wnt/β-catenin通路控制骨髓间充质干细胞(BMSC)生长，促进成骨分化和增殖，这对骨成熟和积累是必需的。Yan等(2016)发现，当给抗生素处理的小鼠施用SCFAs(来自肠道微生物)时，IGF-1水平和骨量均恢复正常，表明SCFAs有助于增加IGF-1，从而支持骨健康。
2.1.3 肠道微生物组通过神经系统影响骨稳态
5-羟色胺(5-HT)通过外周和中枢途径对骨稳态发挥双重作用。肠道来源的5-HT(外周)通过激活成骨细胞前体上的5-HT1B受体，经PKA/CREB/细胞周期蛋白通路阻断成骨细胞生长来抑制骨形成。另一方面，脑源性5-HT(中枢)促进骨形成，它作用于脑内5-HT2C受体，降低交感神经系统活性，从而有益于骨骼。肠道微生物组通过SCFAs帮助肠道产生5-HT。研究表明无菌小鼠5-HT较低且骨密度更好，肠道细菌定植可恢复5-HT水平。
3. 致病机制
3.1 肠道屏障功能改变作为初始检查点
肠道屏障的功能是保护宿主抵御细菌，防止病原体进入结肠和肠外组织及全身循环，从而触发免疫反应。黏膜屏障由单层肠道上皮细胞通过紧密连接相连，保护宿主免受大量膳食和微生物来源抗原的侵害。黏液对这一屏障至关重要，促进各种扩散化学物质进入宿主组织，同时限制微生物的侵入和定植。肠细胞释放肠毒素zonulin以响应膳食和微生物刺激，导致occludin和闭锁蛋白-1(ZO-1)从紧密连接(TJ)复合物中分离。结果肠道屏障受损，通透性增加，细菌产物进入循环，触发炎症反应。Zonulin可能控制免疫细胞从胃到关节的迁移，导致T细胞介导的黏膜炎症。
人类肠道微生物与免疫系统精确协作以控制肠道屏障。当黏膜屏障受损时，微生物及其产物可渗入固有层和上皮下间隙，影响细菌和抗原转运。微生物的病原体相关分子模式(PAMPs)与Toll样受体(TLRs)相互作用以刺激免疫系统，通过产生白细胞介素-6(IL-6)、肿瘤坏死因子α(TNF-α)和白细胞介素-1β(IL-1β)等促炎细胞因子来消除病原体。肠道细菌(无论有活性或无活性)从结肠到关节的转位可能导致类风湿性关节炎患者的关节炎症。研究表明，RA患者的血液和滑膜液包含多种细菌物种的DNA，包括卟啉单胞菌属(Porphyromonas)、普雷沃菌属(Prevotella)、梭杆菌属(Fusobacterium)和拟杆菌属(Bacteroides)及其细菌细胞壁成分。
近期研究显示，类风湿性关节炎第四阶段(RAS4)发生微生物对关节滑膜液的浸润，RAS4期RA患者大多数滑膜液样本含有Prevotella copri。体外研究表明，与Collinsella aerofaciens共培养的CACO-2细胞系通过降低上皮细胞中紧密连接蛋白ZO-1的表达来增加肠道通透性。报告指出，富含益生菌的饮食可通过恢复肠道黏膜屏障过程缓解某些类风湿性关节炎症状。在遗传易感个体中，双歧杆菌和乳酸杆菌可能通过增加TJ蛋白的产生来预防自身免疫病的发生。总体而言，这些发现表明，由zonulin、菌群失调和维持屏障的细菌丢失驱动的肠道屏障衰竭，是允许微生物转位、启动全身炎症和引发RA关节靶向自身免疫的上游"开门"事件。
3.2 微生物抗原"形状"和分子模拟
根据交叉反应性或分子模拟理论，外源性物质通常由病原体产生或拥有，可能导致机体对自我抗原产生负面反应。根据这一概念，具有与自身抗原相似抗原性的微生物病原体感染易感个体。因此，病原体特异性抗体与含有交叉反应自身抗原的宿主结构结合导致组织损伤和疾病。菌群失调不仅增加微生物抗原暴露，还改变其抗原"形状"，产生类似自身的表位并破坏耐受性。例如，Prevotella copri通过刺激对自身抗原核糖体蛋白L23a(RPL23A)特异性的自身反应性T细胞，促进小鼠关节炎的发展，RPL23A与关节炎相关。
其他研究表明，分子模拟可能在人和动物模型中引发致关节炎性自身免疫反应中起作用。初步研究显示，与对照组相比，患者滑膜液对大肠杆菌表位QKRAA存在免疫反应性。另一方面，口腔菌群失调通过牙龈卟啉单胞菌表达的肽基精氨酸脱亚胺酶(PPAD)和精氨酸牙龈蛋白酶同时引入基于瓜氨酸化的自身反应途径，这些酶切割并瓜氨酸化宿主蛋白(如纤维蛋白原和α-烯醇酶)，产生类似于滑膜瓜氨酸化靶点的新表位。此外，伴放线聚集杆菌(Aggregatibacter actinomycetemcomitans)通过成孔毒素导致中性粒细胞过度瓜氨酸化，在临床关节炎发作前使黏膜区域充斥瓜氨酸化自身抗原。这些机制促进类风湿因子和抗瓜氨酸化蛋白抗体(ACPA)的形成，产生最终聚焦于关节的全身性自身抗体库，当屏障衰竭和局部危险信号汇聚时发挥作用。因此，分子模拟可能有助于解释RA患者肠道屏障功能改变和自身免疫病的发展。
3.3 免疫细胞回路——从黏膜到滑膜
自身免疫和持续炎症。免疫细胞侵入滑膜是RA病理生理的重要步骤。趋化因子和促炎细胞因子促进B细胞、T细胞、中性粒细胞和巨噬细胞的浸润，这些细胞由肠道菌群失调通过自身免疫和持续炎症带来。T辅助1(Th1)和T辅助17(Th17)细胞过度产生促炎细胞因子，触发B细胞产生自身抗体和巨噬细胞产生促炎细胞因子。这些细胞因子导致软骨和关节破坏、血管翳形成和滑膜增生。促炎细胞因子促使成纤维细胞产生RANKL和基质金属蛋白酶，促进骨和软骨组织破坏，导致RA。
肠道微生物群对Th17/Treg平衡的调节。Th17细胞是一类独特的效应T细胞，因为它们产生IL-17家族成员、IL-21和IL-22，并表达视黄酸相关孤儿受体(ROR)γt。IL-17家族有六个成员，从IL-17A到IL-17F。IL-17家族的第一个成员IL-17A仍被称为IL-17。IL-17的重要性在于它驱动关节中血管翳组织生长、破骨细胞形成和新血管形成。当IL-17与其靶细胞上的受体结合时，这些细胞释放更多炎症信号(细胞因子、趋化因子、MMPs)，因此在自身免疫病中数量占优。
Th17细胞通常以依赖微生物群的方式在肠道中维持组织稳态并抵御外来细菌和真菌。相反，肠道调节性T细胞(Treg)限制自身反应性效应T细胞的发育和 tableau 激活，同时维持对肠道菌群和膳食抗原的免疫耐受。微生物群产生的Treg减少感染引起的免疫反应增强造成的肠道损伤。Th17与Treg细胞比例的改变是RA发展初期的重要因素。动物模型中已显示肠道来源的Th17细胞在关节炎中发挥致病作用。CIA易感小鼠微生物群中Th17/Treg细胞比例改变，Th17细胞增多而Treg细胞减少。
在胶原诱导关节炎(CIA)模型中，Th17细胞在生发中心聚集。自身抗体和细胞因子释放入血液循环后前往组织和器官，激活巨噬细胞并导致促炎细胞因子(TNF-α、IL-6、IL-1和IL-17)合成。Prevotella histicola通过促进IL-10产生Treg细胞、减少肠道Th17反应和减少肠道及脾脏CD11c
+CD103
+树突状细胞，降低HLA-DQ8转基因小鼠CIA的发生率和严重程度。健康的肠道微生物组可帮助预防或减轻类风湿性关节炎，通过增加Treg细胞(镇静免疫系统)和减少Th17细胞(驱动炎症)。
肠道微生物参与调节T滤泡辅助(Tfh)细胞和T滤泡调节(Tfr)细胞之间的平衡：Tfh细胞对激活产生抗体的B细胞是必需的。B细胞产生针对外来毒素和病原体的抗体。Tfh和Tfr细胞的相互作用控制生发中心抗体产生。Tfh细胞发育的适当调控对正常免疫活动和预防自身免疫病至关重要。Tfr细胞可通过抑制效应细胞因子(IL-4、IFN-γ和IL-21)的合成来阻止Tfh细胞产生体液免疫，这些细胞因子对类别转换重组和B细胞活化是必需的。Tfh增加和Tfr减少与自身反应性B细胞的形成相关，导致大量自身反应性自身抗体产生。某些研究表明，Tfh和Tfr细胞失衡可能由RA和肠道菌群失调的病理生理引起。Zeng等(2022)证明，CIA小鼠模型中脾脏生发中心Tfh和Tfr细胞升高，抗TNF-α和抗IL-1β治疗后其数量和功能恢复正常。Wang等(2019)报道，RA患者循环Tfh和Tfr细胞水平高于健康对照(HCs)。Tfh细胞百分比与28关节疾病活动评分(DAS28)指数、血清ACPA水平和血清RF呈正相关。相反，Tfr/Tfh比值与血清ACPA、RF水平和DAS28呈负相关。
需要额外研究以确定Tfh和Tfr细胞的变化是否促成RA病理生理，以及肠道微生物组是否在关节炎发展过程中影响这些细胞。
3.4 微生物代谢产物作为轴的调节器
微生物代谢产物，尤其是短链脂肪酸(SCFAs)，是连接食物、微生物组和免疫编程的生化层。SCFAs包括乙酸、丙酸和丁酸，在复杂碳水化合物发酵过程中产生。这些化合物为结肠细胞提供能量，强化紧密连接，维持黏液完整性。
小肠是大部分营养分解、乳化和吸收发生的部位。然而，人体缺乏某些复杂碳水化合物分解酶，包括膳食纤维中的酶。尽管如此，肠道菌群可促进这些不可消化碳水化合物代谢为各种短链脂肪酸(如乙酸、丁酸和丙酸)。短链脂肪酸(SCFAs)有助于调节肠道屏障。长期以来已知丙酸和丁酸是结肠细胞生长和肠道屏障维持的必需能量来源。已确定RA与产生SCFAs的细菌(主要是丙酸和丁酸)流行率降低相关。临床样本分析显示，RA患者中乙酸、丁酸、丙酸和戊酸的平均浓度降低。然而，在胶原诱导关节炎发展前给小鼠施用前三种短链脂肪酸可减轻关节炎症状。
短链脂肪酸(SCFAs)通过多种机制发挥直接抗炎作用，包括抑制核因子κB(NF-κB)转录因子。这是通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPAR-γ)通路和抑制组蛋白去乙酰化酶(HDAC)通路实现的，两者均可阻止下游NF-κB活性。RA患者中，丁酸水平升高与Treg水平增强相关。
小鼠CIA模型的研究中，短链脂肪酸(SCFAs)通过增强循环调节性T细胞(Treg)的局部和全身增殖，同时调节IL-10产生来减轻关节炎严重程度。丁酸显著增加RA模型小鼠中IL-10的合成，同时抑制IL-1β、IL-6和IL-17A的表达。IL-10影响Th17细胞活性，增加全身Treg细胞数量同时降低Th17细胞数量。近期研究表明，游离脂肪酸受体2(FFA2)受体对SCFAs的治疗效应是必需的，这通过改变B细胞分化实现。在人类B细胞中，短链脂肪酸以剂量依赖方式减少浆细胞分化和IgG、IgA、IgE的产生。
因此，产生SCFA的菌群及其代谢产物的丧失消除了对炎症和屏障渗漏的主要制动，而这些通路(通过直接SCFA施用、益生元、益生菌或高纤维饮食)的恢复可恢复免疫耐受和上皮完整性。这种代谢调节器提供了多个可影响肠-关节轴的实际靶点。
3.5 小结
RA沿肠-关节轴发病的可操作模型包含四个相互关联的组成部分。首先，当肠道屏障因菌群失调和zonulin而破裂时，微生物及其产物滑入体内。其次，免疫系统被抗原模拟和瓜氨酸化等事物混淆，这些产生类自身靶点并触发自身抗体。第三，Th17/Treg和Tfh/Tfr细胞之间的平衡被打破，使机体进入持续自身免疫和更多自身抗体产生的状态。最后，当丁酸等抗炎代谢物消失时，系统失去正常抑制炎症的重要检查。
