大家好，这是我解读的第十六篇文献，于年12月31日发表于新英格兰杂志（IF=71），题目为《PathophysiologyofInflammatoryBowelDiseases》，本文对IBD的致病机理和影响因素分别进行介绍，也提示了在IBD不同疾病间的异质性，应用单细胞转录组技术等创新技术可以为我们更好的对患者进行个体化治疗提供参考。
炎症性肠病（IBD）是慢性肠道疾病，通常分为以下两种亚型：克罗恩病和溃疡性结肠炎。溃疡性结肠炎仅限于结肠，表面黏膜炎症以近端的方式向近端延伸，并且可以导致溃疡，严重出血，中*性巨结肠和暴发性结肠炎。相比之下，克罗恩病通常以不连续的方式影响消化道的任何部分，其特征是透壁性炎症，可导致诸如纤维性狭窄，瘘管和脓肿等并发症。
尽管已经发现溃疡性结肠炎和克罗恩病之间存在潜在的重要差异，例如免疫细胞亚群的差异性富集和遗传变异（例如NOD和PTPN22）会增加克罗恩病的风险，但可以预防溃疡性结肠炎，对于导致这些不同临床表现的潜在病理生理机制仍然是研究不清。此外，除了这两种IBD亚型外，还可能存在其他异质性。例如，回肠和结肠克罗恩病可能代表不同的疾病，而结肠克罗恩病可以根据基因表达谱进一步分为不同亚型。
IBD的治疗手段包括非靶向疗法（如氨基水杨酸盐、糖皮质激素和免疫调节剂），以及通过以下机制之一发挥作用的靶向生物疗法：中和可促进炎症（如抗TNF抗体）或者驱动特化免疫细胞亚群分化和功能（抗IL12和抗IL23抗体）的细胞因子，阻断这些通路下游的信号传导级联（如JAK抑制剂），或者调节淋巴细胞迁移（如抗α4β7整合素抗体）。生物疗法对许多患者有效，但是多达30％的患者出现原发性失应答，而多达50％的患者出现继发性失应答。尽管药物水平不足和药物免疫原性是其中一些治疗失败的根源，但IBD异质性可能是另一个重要因素。
肠道上皮
肠道上皮由一层紧密连接的上皮细胞和免疫细胞组成（图1）。小肠上皮是一种高度动态的组织，主要功能包括促进营养吸收，充当物理屏障以及对来自肠道菌群和免疫系统的信号做出反应。分泌细胞主要是杯状细胞，通过分泌黏液如抗菌肽限制微生物的入侵。最近的一项单细胞RNA测序（scRNA-seq）研究表明，活动性溃疡性结肠炎患者的结肠杯状细胞分泌蛋白WFDC2下调可能导致黏液层形成过程异常、微生物群定植和入侵增加以及上皮屏障破坏。这些发现提示WFDC2和杯状细胞产生的其他分子可能在溃疡性结肠炎中发挥保护作用。
图1健康状态下的肠黏膜免疫系统
基质细胞是非造血间充质细胞，包括成纤维细胞、肌成纤维细胞和血管周围周细胞；基质细胞位于固有层上皮之下，在纤维化和伤口愈合过程中发挥重要作用。最近的一篇文献指出，一个以前未知的成纤维细胞亚群在加重溃疡性结肠炎方面发挥作用，其机制是免疫细胞吸引物趋化因子CCL19和CCL21表达增加，此外可诱导某些免疫细胞亚群产生2型细胞因子的IL-33也表达增加。因此，旨在增强上皮屏障功能的方法可能成为IBD的潜在治疗策略。
遗传学、基因组学和表观基因组学
早期的研究表明，克罗恩病的遗传风险比溃疡性结肠炎的遗传风险更高，IBD患者一级亲属的IBD发病率比普通人群更高。迄今为止，WGS分析已经确定了影响识别微生物产物的细胞内通路（如NOD2），自噬途径（如ATG16L1），调控上皮屏障功能的基因（如ECM1），调控天然免疫和适应性免疫的通路（如IL23R和IL10）。已知的IBD风险基因座只能解释克罗恩病中8％到13％的疾病变异，溃疡性结肠炎中4％到7％的遗传变异，而遗传因子如IL-10信号通路的变异，可能在发病较早的儿童中的作用更大。
全基因组分析用于鉴定分子特征，例如基因表达和表观遗传修饰，这些特征可区分典型的克罗恩病或溃疡性结肠炎分类中的其他亚型，区分克罗恩病和溃疡性结肠炎或区分IBD和健康状态。例如，在IBD患者炎性肠组织中观察到细胞因子抑制素M的表达增加，预示着随后的抗TNF治疗失败。然而，使用整肠组织进行分析的潜在局限性是不同细胞间的异质性；因此，基因表达测量可以优先检测最丰富的细胞中表达最高的信使RNA（mRNA）转录本，并且不能明确地与特定细胞类型相关联。
其他先进技术如单细胞转录组测序和蛋白质组测序技术的进步，都将在不同层面上揭示不同类型细胞的异质性。例如，一种名为GIMATS（产生IgG的浆细胞，炎性单核吞噬细胞，活化的T细胞和基质细胞）的细胞模块显示出在回肠克罗恩病患者亚组中富集，并且与抗TNF治疗缺乏持续缓解存在关联。
遗传学、基因组学和表观遗传学研究具有在特定细胞亚型中识别基因和通路的潜力，而这些基因和通路在未来可能成为治疗靶点或协助临床决策的生物标志物。
微生物群
人类的所有屏障表面存在许多病*，真菌，细菌和真核微生物的定植，这些微生物被称为微生物组。胃肠道，尤其是回肠远端和结肠，包含数量最多且多样性最大的细菌。肠道微生物与人类间存在着互惠互利的关系，并且在维持健康中起着至关重要的作用。此外，肠道微生物还产生必要的成分如维生素K，和短链脂肪酸（结肠上皮细胞的能量来源）。
共生细菌及其产物在免疫系统的正常发育和功能中也起着至关重要的作用。共生细菌的存在会干扰病原体定居和入侵肠道的能力，部分原因是竞争空间和养分。因此，当粘膜屏障的完整性受到损害时，通常无害的共生细菌可通过穿过上皮并引发免疫反应和肠道炎症而成为致病性。
NGS测序技术表明，在包括IBD在内的多种人类疾病的背景下，微生物群落组成发生了变化，称为菌群失调。这些研究共同表明，克罗恩病和溃疡性结肠炎与减少微生物物种的总数，多样性和丰富度有关。尽管这些研究无法推断微生物组和IBD观察到的变化之间的因果关系，但它们增加了基于微生物群的干预措施（例如粪便微生物群移植）的可能性，这种干预措施已被证明对艰难梭菌感染有好处。然而，在临床试验中，粪便移植物治疗IBD的功效可能不同，这可能是由于试验设计的差异，包括粪便供体的选择，给药途径，输注次数和抗生素预处理的使用。负责介导IBD可能的有益作用的供体粪便的特定成分仍然不确定，并且对该成分的鉴定是基于微生物群疗法的合理设计中必不可少的第一步。
与接受健康人粪便的小鼠相比，IBD患者的粪便使无菌小鼠的结肠炎易感性增加，部分原因是促进了炎症性17型辅助性T（Th17）细胞数量的增加和减少Treg细胞的数量。对微生物群的研究有可能确定由于对粘膜免疫系统的影响，进而促进或减轻肠道炎症的特定微生物或微生物群。
黏膜免疫
免疫系统可以根据功能（先天性与适应性）和解剖部位（系统性与黏膜性）进行划分。天然免疫细胞表达检测微生物产物或模式的恒定受体，包括粒细胞，巨噬细胞和树突状细胞（图2）。适应性免疫细胞包括B细胞和T细胞，他们表达识别特定抗原的高度可变受体，以及MAIT细胞，其表达多样性的抗原受体。黏膜免疫系统是免疫系统的最大组成部分，在健康人体内约占所有淋巴细胞的75％，并产生大部分的免疫球蛋白。与系统性免疫不同，黏膜免疫必须同时平衡针对病原体的保护性免疫和过度免疫反应。
图2IBD下的肠黏膜免疫系统
在肠黏膜中，免疫细胞存在于有组织的次级淋巴结构（统称为肠道相关淋巴组织[GALT]）内，也存在于负责肠组织引流的肠系膜淋巴结内，这些淋巴结嵌入表面上皮细胞之间和底层结缔组织中。
B细胞
在IBD患者中很容易检测到针对微生物或其他产物的抗体，例如啤酒酵母，大肠杆菌外膜蛋白C（OmpC）和细菌鞭毛蛋白（CBir1），但仍不确定这些抗体是否直接参与IBD的发病。从利妥昔单抗（抗CD20抗体）不能有效诱导活动性溃疡性结肠炎的缓解，得出的结论是B细胞不参与IBD。但是，其他研究表明，利妥昔单抗不能有效地靶向组织中的B细胞，特别是针对不高表达CD20的浆细胞。
此外，与IgA占优势的健康肠道组织不同，在发炎IBD组织中，IgG明显占优势，因此有人提出IgA缺乏、IgG增加或两者同时存在可能具有致病性。实际上，在小鼠中，IgA生成过程缺陷或某些IgA特异性的亲和力成熟过程缺陷会导致肠道微生物群多样性减少，并导致肠道炎症。此外，在溃疡性结肠炎患者的结肠黏膜中，我们已观察到共生微生物群特异性IgG抗体增多；在小鼠模型中，由于巨噬细胞活化、中性粒细胞募集和17型免疫（即产生17型细胞因子的所有免疫细胞），抗共生微生物群IgG抗体受到的诱导导致了肠道炎症。因此，由于在IBD组织中观察到的IgG优势可能通过几种机制（包括募集炎性免疫细胞和激活补体，导致细胞溶解）导致肠道炎症，因此靶向生成IgG的浆细胞，或者将IgG优势转变为IgA优势的方法可能成为IBD治疗策略。
效应T细胞
幼稚T细胞受到GALT或肠系膜淋巴结中带有抗原的树突状细胞的激活，并上调特定的归巢受体，从而使T细胞重新分布到粘膜表面。归巢受体包括趋化因子受体（小肠中的CCR9和结肠中的CCR10）和与粘附分子1（MAdCAM-1）结合的α4β7整联蛋白。迁移到上皮区室的淋巴细胞上调αEβ7整联蛋白（CD），该蛋白与上皮细胞上的E-钙粘蛋白相互作用以促进淋巴细胞的保留。在IBD的治疗中，已经评估了靶向整联蛋白与S1PR家族的作用。
活化的T细胞可以分为效应T细胞、调节性T细胞和记忆T细胞。通常，效应T细胞可以产生炎性细胞因子，病提供针对微生物感染的即时保护，调节细胞可以减轻炎症，记忆细胞可以提供持久的免疫力。效应T细胞还具有其他的异质性，在幼稚细胞受细胞因子的影响下激活产生（图3）。例如IL-12是包含IL12p35和IL12p40亚基的异二聚体细胞因子，可以诱导转录因子T-bet的上调并促进Th1细胞的分化，从而产生干扰素-γ和募集巨噬细胞，自然杀伤细胞和CD8+T细胞。相反，IL-6、TGF-β和IL-1诱导IL-23R和转录因子网络包括RORγt的表达上调。IL-23是由IL23p19和IL23p40亚基组成的异二聚体因子，有助于Th17细胞的分化，并招募中性粒细胞产生IL-17A，IL-17F,IL-22。其中IL-17不仅由T细胞产生，而且由其他细胞如3型ILCs产生。IL12/IL23抗体已显示可有效治疗克罗恩病和溃疡性结肠炎。此外，Janus激酶（JAK）抑制剂（例如tofacitinib）可抑制下游信号通路来阻断白介素12，白介素23和其他细胞因子的信号，并在溃疡性结肠炎中证实有效。然而IL17A或IL17R抗体在克罗恩病中无效，突显了调节细胞因子网络在维持肠道粘膜稳态和健康方面的复杂性。
图3免疫细胞的异质性
调节性T细胞
表达转录因子FOXP3的Treg细胞通过多种机制维持免疫稳态，这些机制包括表达抑制性分子（如CTLA-4，以及T细胞免疫受体TIGIT）和产生抗炎细胞因子（如IL10和TGF-β）。此外，Treg细胞具有非免疫功能，如通过产生生长因子双调蛋白来介导组织修复。
研究表明，IBD患者发炎组织中的Treg细胞增加，这似乎提示这些细胞有功能缺陷，FOXP3（Treg细胞的转录因子）在活化的常规T细胞中也可低水平短暂表达。但是，大多数研究尚未考虑Treg细胞可能的异质性，并且Treg细胞亚群在IBD中受到差异性影响的可能性仍然存在。实际上，一项研究表明，克罗恩病患者的发炎组织中富含RORγt+FOXP3+Treg细胞，这些细胞可产生IL17A和IFγ，同时仍维持抑制功能。之后的一项研究表明，溃疡性结肠炎患者的肠组织中可能富含类似的RORγt+FOXP3lo细胞群。我们尚不清楚这些细胞代表发生适应后，可抑制17型免疫应答的Treg细胞亚群，还是代表因不再表达FOXP3而正转变为致病性效应细胞表型的细胞，上述情况增加了在Treg细胞可塑性和稳定性方面的不确定性。此外，由于这些研究中的Treg细胞是在活动性IBD的背景下进行评估，因此很难确定观察到的Treg细胞表型是肠道炎症的原因还是后果。虽然存在这些问题，但通过提高Treg细胞数量、功能或这两方面来减轻IBD肠道炎症的策略正在评估中。
记忆T细胞
除了效应T细胞和Treg细胞间存在异质性，活化的CD4+和CD8+T细胞还可以产生功能多样的循环和组织驻留的记忆细胞亚群。组织驻留记忆T细胞（TRM）在肠道黏膜中高表达CD69和CD。一旦接触微生物，TRM细胞就会定位于屏障表明，如皮肤、肠道等，
组织中驻留的免疫细胞可也能在器官特异性自身免疫和炎性疾病中发挥致病作用。如在克罗恩病中可以看到CD的跳跃性病变。此外，克罗恩病在回肠结肠切除术后往往于手术吻合部位复发，这增加了TRM细胞涉及其中的可能性。实际上，TRM样细胞数量在溃疡性结肠炎和克罗恩病中均增加。
有研究显示TRM细胞在实验性结肠炎的鼠模型中起着重要的功能性作用。最近发现鼠CD8+T细胞可以介导肠道屏障通透性的增加，表明CD8+T细胞可能在IBD中发挥作用的一种机制。
展望
随着科技技术的不断发展，在同一细胞上整合表观遗传学和基因表达谱，空间转录组学和蛋白质谱分析方法，将继续加深我们对IBD疾病模型下的小鼠上皮、间质和免疫细胞的异质性和复杂性的理解。类器官等模拟系统生物的出现，也可以加深我们对引发和维持IBD因素的了解。同时，微生物组学的致病机理和疗法的深入分析将可能产生新的基于微生物群的疗法。基于机器学习并结合越来越多的“多组学”数据的分类算法可以改善风险分层，疾病进展的预测和对特定药物疗法应答的可能性。
参考文献
ChangJT.PathophysiologyofInflammatoryBowelDiseases.NEnglJMed.Dec31;(27):-.doi:10./NEJMra.PMID:.
本文系作者个人观点，不对用药构成推荐
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