|
综述：益生菌胞外囊泡重编程巨噬细胞免疫代谢：从肠道对话到宿主健康益生菌胞外囊泡：结构与功能基础 益生菌来源的胞外囊泡（PEVs）是多种微生物分泌的功能性纳米囊泡，作为一类新型微生物信号分子，它们封装了蛋白质、核酸、脂质和微生物相关分子模式，成为肠道微生物群与宿主免疫细胞（如巨噬细胞）之间通讯的有效调节剂。PEVs的尺寸范围在20至400纳米之间，具有双层膜结构，其生物发生受母体细菌细胞包膜结构的根本影响。革兰氏阴性益生菌囊泡通过多种途径产生，其中外膜出芽产生外膜囊泡（OMVs），而爆炸性细胞裂解则产生外膜-内膜囊泡（OIMVs）和爆炸性外膜囊泡（EOMVs），每种囊泡携带不同的货物，包括DNA、RNA和代谢酶。相比之下，革兰氏阳性细菌产生细胞质膜囊泡（CMVs），这些囊泡通过局部壁重塑、前噬菌体编码的holin-lysin系统或内溶素介导的细胞壁破裂穿越厚厚的肽聚糖屏障。 货物装载是一个主动的、选择性的过程，由静电和脂质-蛋白质相互作用驱动，是PEVs能够调节宿主免疫和代谢途径能力的基础。货物选择机制尚不完全清楚，但涉及几个并行操作的过程。对于蛋白质而言，选择性富集与膜关联、电荷特性和特定靶向序列相关。相对于亲代细胞，在EVs中富集的蛋白质通常含有脂质结合域、寡聚化基序或促进膜关联的翻译后修饰（特别是酰化和异戊二烯化）。对于RNA货物，选择性包装似乎由RNA结合蛋白识别的特定序列基序、促进膜关联的二级结构以及与蛋白质复合物的共包装所介导。对于脂质，内外膜叶之间的不对称分布，加上脂筏样微结构域，创造了有利于囊泡出芽的局部环境。 PEVs与巨噬细胞的相互作用：摄取与识别 巨噬细胞是先天免疫系统的关键组成部分，广泛分布于各种器官，在宿主防御外部感染、维持内部稳态和协调免疫调节中发挥着不可或缺的作用。它们显著的可塑性使其能够响应环境线索进行动态表型转换，而代谢重编程是功能极化的核心决定因素。M1巨噬细胞通常由脂多糖（LPS）或Th1相关细胞因子（如干扰素-γ（IFN-γ））激活，以其促炎特性为特征，主要依赖有氧糖酵解（Warburg效应），其三羧酸（TCA）循环被破坏，积累信号代谢物包括琥珀酸和柠檬酸。相比之下，M2巨噬细胞由Th2相关细胞因子（包括白细胞介素-4（IL-4）和白细胞介素-10（IL-10））极化，表现出抗炎功能，由氧化磷酸化（OXPHOS）和脂肪酸氧化（FAO）支持，维持完整的TCA循环活性。 越来越多的证据表明，PEVs可以有效地穿越粘膜屏障并优先在免疫区室中积累，巨噬细胞被确定为主要的靶细胞。这种选择性靶向为了解PEVs介导其免疫调节作用提供了机制基础。荧光成像研究已证明，PEVs在各种组织环境中对巨噬细胞表现出显著的趋向性。来自Faecalibacterium prausnitzii的囊泡可以穿越肠上皮并定位到固有层，在那里它们与F4/80+巨噬细胞共定位，而不是CD3+T细胞，超过90%的结肠巨噬细胞在12小时内内化了DiI标记的F. prausnitzii EVs，这表明在结肠炎模型中优先靶向巨噬细胞以介导抗炎作用。 从机制上讲，PEVs通过内吞、直接膜融合、脂筏介导的内化和上皮屏障的细胞旁转运等多种途径进入宿主细胞，具体途径由囊泡大小、表面组成和受体细胞激活状态决定。内吞途径代表了PEVs内化的主要途径，来自Bacteroides thetaiotaomicron的囊泡通过动力蛋白依赖性内吞作用被内化到上皮细胞中，随后被运输到LAMP-1+内体-溶酶体区室并重新分布到核周区域。大小依赖性机制影响巨噬细胞的摄取，小囊泡（20-100纳米）通常采用小窝蛋白或网格蛋白依赖性内吞作用，而较大的囊泡（90-450纳米）优先利用巨胞饮作用。 介导巨噬细胞识别PEVs的特定受体-配体对包括：识别脂蛋白、LTA和肽聚糖片段的Toll样受体2（TLR2），导致髓样分化初级反应蛋白88（MyD88）-白细胞介素-1受体相关激酶（IRAK）-肿瘤坏死因子受体相关因子6（TRAF6）-核因子κB（NF-κB）信号传导；识别LPS（在革兰氏阴性EVs中）的TLR4，激活MyD88依赖性和Toll/白细胞介素-1受体结构域包含衔接蛋白诱导干扰素-β（TRIF）依赖性途径；在内体加工后识别胞壁酰二肽的NOD样受体家族成员1和2（NOD1和NOD2），激活受体相互作用丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶2（RIPK2）-NF-κB信号传导；清道夫受体（SR-A、CD36、LOX-1）介导脂质依赖性摄取；以及识别调理化囊泡的补体受体。所接合的特定受体取决于EV的组成，并显著影响下游功能结果。 PEVs介导的巨噬细胞表型调控与免疫代谢重编程 PEVs作为巨噬细胞极化的精确调节剂，将免疫平衡转向组织修复表型。大量证据表明，PEVs诱导M2极化，增强IL-10和转化生长因子-β（TGF-β）的释放，同时抑制促炎反应。区分促炎结果和抗炎结果的分子决定因素取决于几个因素。货物组成起关键作用：富含LPS/LTA的EVs激活TLR4/TLR2-NF-κB信号传导，促进M1极化，而富含鞘脂或特定microRNAs（例如，miR-146b）的EVs激活信号转导和转录激活因子6（STAT6）/过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）信号传导，有利于M2极化。摄取效率和途径也影响结果：通过清道夫受体快速、高剂量的摄取往往引发炎症反应，而通过特定整合素的逐渐摄取促进耐受性结果。宿主细胞基线状态是另一个重要的决定因素，因为预先存在的炎症致敏使巨噬细胞对促炎EV效应敏感，而稳态条件有利于抗炎反应。最后，组织微环境调节EV-巨噬细胞的相互作用，缺氧、酸性或代谢应激环境显著改变EV的释放和摄取动态。 PEVs通过直接参与模式识别受体（PRR）信号通路和重编程细胞代谢这两种主要机制发挥其免疫调节作用。这些双重机制共同决定了巨噬细胞是采用促炎（M1）还是抗炎（M2）表型，对组织稳态和疾病缓解具有深远意义。PEVs通过接合宿主PRR（特别是TLR）启动免疫调节反应，触发下游转录级联，决定巨噬细胞的极化状态。乳酸杆菌来源的EVs主要通过多个汇聚的信号通路促进抗炎M2极化。例如，来自Lactobacillus murinus的EVs激活肠道巨噬细胞中的TLR2信号，驱动IL-10产生增加和M2样极化。类似地，Lactobacillus johnsonii来源的EVs抑制细胞外信号调节激酶（ERK）信号传导，从而抑制肠道上皮细胞中NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）炎症小体激活，减轻肠产毒性大肠杆菌K88诱导的巨噬细胞功能障碍。 NF-κB通路是PEVs介导的免疫调节中的一个关键节点。Lactobacillus amylovorus来源的EVs通过上调NF-κB抑制蛋白α（NF-κBIA）表达来抑制NF-κB激活，促进免疫抑制性M2表型，有利于生命早期肠道发育。机制上不同但功能上汇聚的是，来自Clostridium butyricum的EVs恢复miR-199a-3p表达，随后与丝裂原活化蛋白激酶4（MAPK4）相互作用以抑制MAPK和NF-κB信号级联，从而减轻肠道炎症。类似地，来自Eubacterium rectale的膜囊泡抑制LPS诱导的NLRP3炎症小体激活，减少促炎细胞因子（IL-1β、肿瘤坏死因子-α（TNF-α））表达，并显著上调IL-10，在体外和体内模型中均显示出有效的抗炎作用。 除了经典的TLR-NF-κB轴，PEVs还接合替代信号通路来协调巨噬细胞极化。Lactobacillus crispatus来源的含有D-乳酸的EVs通过STAT6信号间接促进M2极化，从而阻断人乳头瘤病毒16（HPV16）感染并增强细胞迁移和血管生成等伤口愈合过程。在骨再生背景下，Lactobacillus reuteri来源的EVs通过分泌性磷蛋白1（SPP1）-Janus激酶1（JAK1）-信号转导和转录激活因子3（STAT3）信号轴介导M2极化。此外，Pediococcus pentosaceus来源的膜囊泡以TLR2依赖性方式促进M2极化和髓源性抑制细胞分化，上调IL-10、精氨酸酶-1（Arg1）和程序性死亡配体1（PD-L1）表达，同时抑制活化T细胞增殖。在葡聚糖硫酸钠（DSS）诱导的急性结肠炎模型中，全身给药这些囊泡可防止结肠缩短并保留隐窝结构。 值得注意的是，并非所有微生物群来源的EVs都促进抗炎反应。腹泻微生物群来源的EVs通过miR-125b/NF-κB介导的机制诱导巨噬细胞向促炎M1表型极化，增加TNF-α和IL-1β分泌，破坏紧密连接蛋白（闭锁小带-1（ZO-1）、Occludin），并提高肠道通透性，最终导致肠道稳态功能障碍。这一发现强调了EV介导的免疫调节的环境依赖性。 代谢重编程：连接生物能量学与免疫功能 新出现的证据表明，PEVs不仅作为免疫刺激物，而且作为巨噬细胞代谢编程的复杂调节剂，从根本上改变细胞生物能量学以影响极化状态。经典M1巨噬细胞主要依赖有氧糖酵解来支持快速促炎细胞因子的产生，而M2巨噬细胞偏爱OXPHOS和FAO以维持组织修复功能。PEVs利用这些代谢依赖性，通过协调调节多种生物能量通路来重编程巨噬细胞表型。 PEVs调节巨噬细胞功能的一个主要机制涉及抑制生物能量通路以及改变脂质稳态。Faecalibacterium prausnitzii来源的EVs体现了代谢重编程的治疗潜力。这些囊泡抑制巨噬细胞中的糖酵解和OXPHOS，下调PPARγ和ATP结合盒（ABC）转运蛋白，从而减少胆固醇外流并促进纤维化保护性M2样表型，减轻结肠炎相关纤维化。在动脉粥样硬化模型中，乳酸杆菌来源的EVs通过激活核受体亚家族1 H组成员3（NR1H3）-ATP结合盒转运体A1（ABCA1）轴来减轻斑块形成，增强脂质外流，同时抑制促炎细胞因子产生并促进M2极化。这些发现强调脂质代谢是连接PEVs暴露与巨噬细胞功能重编程的关键节点。 与代谢抑制策略相反，某些PEVs采用相反的方法，通过增强糖酵解活性来支持免疫激活。来自大肠杆菌Nissle 1917（EcN）的OMVs触发缺氧诱导因子1α（HIF-1α）、雷帕霉素机制性靶点复合体1（mTORC1）和NF-κB信号，增强糖酵解同时抑制TCA循环。这种代谢转变增加了细胞内活性氧（ROS）、促炎细胞因子（TNF-α、IL-6、IL-1β）、ATP和一氧化氮（NO）的产生，从而增强巨噬细胞的吞噬作用和增殖。这种双向代谢控制证明了PEVs介导的免疫调节的功能可塑性，并强调了囊泡-宿主相互作用的环境依赖性。 代谢重编程与信号通路调节的整合代表了PEVs实现巨噬细胞持续表型变化的复杂机制。通过释氧光热水凝胶递送的乳酸杆菌来源的EVs通过双重抑制NF-κB介导的炎症和激活磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）/蛋白激酶B（Akt）-血管内皮生长因子（VEGF）信号轴来促进促再生巨噬细胞极化，从而加速糖尿病伤口愈合，证明了转录和代谢控制机制的整合。类似地，Lactobacillus brevis来源的代谢物通过抑制组蛋白合成和激活谷胱甘肽代谢来减轻LPS诱导的炎症，通过协调的表观遗传和代谢重编程支持抗炎巨噬细胞表型。这些例子说明了PEVs如何同时协调多个细胞程序以实现全面的免疫调节效果。 这些代谢重编程机制的核心是线粒体，它成为PEVs介导的免疫代谢重塑的关键检查点。Lactobacillus reuteri来源的膜囊泡递送3-羟基丙醛（3-HPA），一种reuterin代谢物，可抑制线粒体通透性转换孔（mPTP）开放，稳定膜电位并减少线粒体ROS积累。这种线粒体稳定化抑制促炎激活，同时促进M2样极化，CD206和IL-10表达上调证明了这一点。在糖尿病伤口模型中，乳酸杆菌生物膜衍生物通过下调JAK/STAT1信号轴和促进氧化代谢来调节巨噬细胞代谢。 |
