哺乳动物胃肠道内存在数百种共生菌群，其中许多共生菌群对宿主是有益的。局部免疫系统面临着艰巨任务：与这些菌群和平共处，同时也能够抵抗病原体的入侵。保持这种平衡涉及固有免疫系统和适应性免疫系统，以及非免疫保护策略（如粘液屏障和抗菌肽）。宿主通过调节过程（限制抗菌应答和防止炎症间接损伤）平衡了这些保护机制。
肠道菌群在训练和调节宿主免疫系统中起着重要作用。无菌（germ-free，GF）小鼠在多种特异性免疫细胞群方面显示缺陷，例如CD4+T细胞区室中的Th2倾斜、先天性淋巴细胞（innate lymphoid cell，ILC）功能受损、产免疫球蛋白A（immunoglobulin A，IgA）的浆细胞缺陷及普遍更容易发生感染。
目前，我们只了解少数菌群如何影响免疫系统，如：分节丝状菌（segmented filamentous bacteria，SFB）引起了很强的Th17应答；脆弱拟杆菌的鞘糖脂抑制了自然杀伤T细胞分化；CD4+Foxp3+ 调节性T细胞（regulatory T cells，Treg）的特定亚群由一种细菌或多种细菌诱导。这些免疫细胞谱的变化对肠道和肠外的免疫应答（无论是保护性的还是致病性的）都有明显影响。因此，研究人员对肠道中免疫系统-菌群“通讯”（crosstalk）用于治疗产生了很大兴趣。一种常见的方法是进行全微生物组关联研究（microbiome-wide association studies），以寻找特定菌群与特定疾病条件之间的相关性。当然，这是一个有用的策略，但是美国哈佛大学医学院的Geva-Zatorsky N等人决定采取不同的方法。他们的理念是，数千年来肠道微生物群和免疫系统的共同进化已经使得各种微生物以大约无害的策略来调控免疫系统活性。他们的目的是使用简明且高效的筛选方法来揭开这些菌群的策略。
他们选择的方法是从人类肠道提取单一菌群菌株，对GF小鼠进行无菌定植，然后进行广泛的免疫表型分型和转录组分析。尽管这种简化实验并没有涉及复杂的微生物群落的组合效应，但单一定植（monocolonization）使免疫系统-微生物群之间复杂的相互作用变得更加容易处理。随着时间的推移，与多种细菌的宿主相比，在单一定植的宿主中的定植细菌的数量更多且更稳定，并且对局部免疫系统的抗原或代谢刺激也更强。研究人员寻求的不是概括人类肠道的生物学特性，而是要建立一个稳健、“敏感”的读出系统，它可允许筛选人源免疫调节菌群和分子。
最终，研究人员用53种细菌（代表所有5个主要门的细菌）定植小鼠，并评估它们对大多数固有和适应性免疫系统细胞的组成和活化及对肠组织转录组的影响。研究人员提供了对数据集的综合概述，以及描述了特定免疫调节细胞/分子的研究结果。
结果
研究人员建立了免疫调节人肠共生体的筛选系统。GF C57BL/6小鼠在严格微生物监测下的隔离器中饲养。在4周大的时候，8只小鼠被无菌地转移至无菌隔离器，并通过管饲法定植62种菌株的一种。跨越已知人类肠道多样性的53种细菌被选择用于完全分析；并选择9种附加菌株用于重点分析。定殖后两周，通过结肠和小肠（small intestine，SI）的免疫学和基因组分析评价宿主反应。六周大的GF小鼠被定期分析，并严格遵循标准操作规程。所有的实验都被记录在案，通过培养和16SrDNA测序，确保所需微生物的单一定植。此外，研究人员通过深度测序分析了14个随机选择的实验的小鼠粪便，结果为单一定植。研究人员报告，所有实验被证实没有污染。感兴趣的表型通过独立的重复实验进行验证。
研究人员通过分析先天性和适应性免疫系统的18种细胞类型的比例，对免疫系统的局部和全身作用进行了分析。研究人员检查了五个肠和淋巴组织：SI和结肠固有层、派尔集合淋巴结、肠系膜淋巴结（mesenteric lymph nodes，mLNs）和全身淋巴器官（systemic lymphoid organs，SLO)(汇集的脾和皮下淋巴结），同时测定了CD4+T细胞产生的细胞因子Il10、Il17a、Il22、干扰素γ（interferon γ，IFNγ），以及ILC产生的Il22。
菌群选择和定植
研究人员从人类微生物组项目（Human Microbiome Project）中选择了53种细菌，代表人类肠道菌群中门和属的谱系，并覆盖了五个主要的门：拟杆菌门、厚壁菌门、变形菌门、放线菌门和梭杆菌门。
研究人员通过对从结肠（在某些情况下可从胃和口腔）获取的粪便进行培养，评估有效的胃肠定植。大多数经口进入GF小鼠的菌株成功地定植于受体小鼠肠内[108 ~1010菌落形成单位（colony-forming units，CFU）/g]。在7个未在粪便标本中发现的菌株中，有5个在其他部位被发现。牙龈卟啉单胞菌、中间普雷沃菌、产黑色普雷沃菌只在口腔中被发现，而幽门螺杆菌和约氏乳杆菌只存在于胃中。有趣的是，这些解剖部位在正常小鼠和人类中具有复杂的微生物群。这种生态位（niche）偏好（即使在没有菌群竞争的情况下，也只存在于口腔或胃部等部位）表明其来源于特定器官的物理和或化学性质，如酸度或特定的营养类型，而不是竞争的适应度。只有两种细菌（迟缓真杆菌和直肠真杆菌）未能在任何部位定植。
由于不同的共生体在肠外移位的能力未知，研究人员利用筛选来研究细菌移位至mLNs和后淋巴结（caudal lymph nodes，cLNs）及SLO的能力。在解剖过程中采取了严格的预防措施，以避免肠道受到污染。在mLNs中，检测到大部分（88%）定殖于肠道的菌种存活，门属或需氧/厌氧状态无特别偏好。在SLO中，发现很大比例（47%）的肠道定植菌群存活。
针对人肠共生体单一定植的免疫学改变
上述筛选产生了24255个单独的免疫表型，这些免疫表型是由GF小鼠中单一定植的细菌在局部或全身的淋巴器官中诱导产生的。一些固有的细胞类型对几种菌群产生了不同应答：扩增（如CD103+树突状细胞）、收缩（如CD11b+F4/80+的巨噬细胞和单核吞噬细胞）或两者兼具[如浆细胞样树突状细胞（plasmacytoid dendritic cells，pDCs）]。这些效应分布在不同菌群中。一些菌群似乎是隐形的，影响很少或未影响免疫细胞群体[如大消化链球菌（Peptostreptococcus magnus）和萨氏拟杆菌（Bacteroides salanitronis）]，但其他菌群更加活跃（如单形拟杆菌）。在影响细胞类型的数量或相对于GF的变化程度方面，相同门或属的菌群并未引起明显相同或共享的特征模式。
除定量变化外，研究人员还观察到细胞群形态的一些改变，例如，CD11b+CD11c+单核吞噬细胞和和树突状细胞中CD11c强度存在差异。细菌对ILCs的Il22产生影响更显著，在肠组织中两种菌群[多氏拟杆菌（Bacteroides dorei）和长双歧杆菌（B.longum）]被显著诱导。相反地，洛菲不动杆菌（Acinetobacter lwoffii）、索氏梭菌（Clostridium sordellii）和韦荣菌（Veillonella）似乎抑制了Il22的产生，特别是在结肠中，这表明菌群对ILC活化具有不同影响。
研究人员通过关联结肠和SI中微生物组所引起的应答，获得了进一步的见解。许多较强的相关性与结肠和SI中相同的细胞类型有关（例如，F4/80+单核吞噬细胞，产生II10的CD4+T细胞或RORγ+Treg），尽管在这两个肠段的形态结构和菌群负荷不同，但可观察到类似应答。
研究人员将SI和结肠中菌群的标准化免疫表型反应联系起来。在通过相关性的分层聚类产生的树状图中，来自同一门或类的菌种大部分不能聚集在一起，表明门或属的免疫调节特性的高度多样化。研究人员观察了9种额外菌株对淋巴细胞群（如Treg）的影响。对于同一物种中的拟杆菌属菌株，我们发现了可量化的差异。物种间的平均欧几里得距离为0.39。有趣的是，同一物种之间菌株的平均距离非常相似，为-0.32。这些结果突出了菌株水平的信息的重要性。
细菌定植在全身淋巴器官中的作用
尽管单核细胞在SLO中有显著变化，但大多数微生物对mLNs和SLO中的固有免疫细胞的影响较为有限。类似地，在肠内，在淋巴器官中的适应性免疫细胞大多不受微生物暴露的影响。为了更敏感地检测淋巴器官中微生物指导的免疫变化的“回声”，研究人员将肠和次级淋巴器官的免疫表型相关联。对于5种细胞，所有组织都有显著的相关性。对于其中的三种类型（F4/80+巨噬细胞、单核吞噬细胞、Foxp3+ Tregs），SLO中的变化很轻微，但与肠内的微生物频率相关。这一发现表明了这两个细胞池（pools）之间的直接关系。第五种细胞类型——单核细胞是例外，在SLO和肠中也有同样强烈的诱导作用。
定植小鼠的结肠和SI转录组
结果显示，仅产生了少量转录物，这表明共生细菌在单一定植背景下对肠转录组作用有限：128个基因在结肠中上调或下调，116个在SI中，其中20个在结肠和SI中均有反应。所有细菌并未一致地诱导转录物（一些细菌诱导，其他细菌抑制），但这些反应性的转录物中的60%以上由一些微生物诱导，并被其他微生物抑制。这一观察表明，不同的微生物有时会产生截然相反的后果。
另一方面，研究人员未观察到炎症相关细胞因子（如Il1a、Il1b、Il6、Il22、肿瘤坏死因子、Il12或IFNs）的显著性诱导。然而，在对几种不同的细菌的应答中，Il18水平略有升高。
微生物定植下抗菌肽的表达
在GF和定植小鼠中，一组基因与抗菌肽（antimicrobial peptides，AMPs）的相关性最强；这些转录物的途径分析显示了大量的营养物质运输和脂质代谢途径的显著富集，提示营养、肠细胞功能和AMP产生之间的联系。在波动的背景下，结肠中一些共生体的定植产生了高度协调AMP的表达，其似乎反映了肠道功能，而不是微生物的刺激。
可变梭杆菌引起异常强烈的宿主应答特征
与转录效应一致，可变梭杆菌具有最大的表型影响。具体来说，它对αβT细胞具有最强的作用，可减少T4（CD4+）和T8（CD8+）细胞群，并引起比任何其他微生物更高的结肠双阴性（CD4-CD8-TCRβ+）细胞的频率。可变梭杆菌的显著特征支持这一概念：这个属的细菌可能与宿主有独特的互动。
总结
研究人员用53个单独的细菌种类对小鼠进行了单一定植，并对宿主的免疫适应进行了系统分析。大多数微生物具有多种专门的、互补的、冗余的转录和免疫调节作用。令人惊讶的是，这些都是独立于微生物的“系统发生”。肠道内的微生物多样性确保了微生物群能够稳健地产生一致的免疫调节作用，这是一种非常重要的表观遗传系统。该研究为肠道微生物群-宿主共生关系的研究奠定了基础，并重点突出了其在治疗中可能发挥的独特作用。（作者：马驰)
参考文献：Cell 2017;168:928-943