62-topic-immunity.Rmd

# 肠道菌群与免疫 {#immunity}

在这个章节，我们主要讨论肠道菌群与免疫的相关研究。

西方一位著名的哲学家尼采曾经说过：那些杀不死你的，终将使你更加强大。
如果用这句话用来形容肠道微生物与免疫的关系，真是再合适不过了。

作为人体内最大的微生物群落的栖息地，肠道中的菌群数量与人身上人类细胞的数目几乎相当。
这股不可忽视的力量与肠道粘膜间的相互作用因此成为人体免疫前线最重要的部分。

## 免疫相关的核心文章列表

```{r immune-article-datatable, fig.cap="免疫相关的核心文章列表"}
i <- 2
topic_header <- topic[["immunity"]]
topic_caption <- paste0(topic_header,"研究核心论文")

# 文章列表
df <- topic_articles_core[["immunity"]]
df <- biblio_df(df)
produce_topic_article_datatable(df, caption = topic_caption, filename = topic_caption)
```
在图 \@ref(fig:immune-article-datatable) 中，列出了 20 年来肠道菌群与免疫相关研究的核心论文，
一共有 `r nrow(df)` 篇。近几年的新文献，过半有相应的《热心肠日报》解读。
通过阅读短科普，可以帮助你快速熟悉这一研究领域。

## 研究力量

首先，我们看一下全球尺度上，相关研究的科学家、团体都有哪些。


在图 \@ref(fig:immune-article-top-author) 中，列出了发文量最高的十位科学家，
以及他们每年发表的文章数量和被引用的次数。
由图可知，Xavier, Ramnik J. 是相关研究成果最突出的科学家，他最近几年的产出也非常稳定，
主要研究领域是炎症性肠病（IBD）。炎症性肠病，顾名思义，就是肠道的炎症所引起的疾病。
它目前是一种原因不明的疾病，也缺乏有效的治疗手段。
但是已知是由异常的免疫所介导的肠道炎症，这种炎症它反复发作，甚至可以伴随患者终生。
Xavier, Ramnik J. 的研究成果包括鉴定 IBD 相关的菌群特征、遗传位点和免疫途径等等。

第二名 Knight, Rob 是一个计算生物学家，他发展了现在最流行的宏基因组分析流程，
同时也是肠道菌群研究最为知名的科学家之一。不过，他的主要研究成果可能不仅仅限于免疫这一话题，
在此不多做介绍。

第三名，Cryan， John F. 则是研究“肠脑轴”领域的知名科学家之一。
一些神经性疾病，包括抑郁症、焦虑等都与肠道菌群免疫、代谢等存在关联，
Cryan, John F. 的研究就在于揭示“肠脑轴”相关的作用机制，寻求新的治疗手段等。



```{r immune-article-top-author, fig.cap="肠道菌群与免疫领域内顶尖专家"}
topAU <- authorProdOverTime(df, k=10, graph = TRUE)
```

第四名，Huttenhower, Curtis ，他与 Xavier 是合作关系比较紧密的一名研究者，
可能来自于同一团队（图 \@ref(fig:immune-article-author-collaboration-network)）。

第五名，Dinan, Timothy G. 则是 Cryan 最主要的合作者之一（图 \@ref(fig:immune-article-author-collaboration-network)）。

第六、七和九名则组成了另一个研究群体，他们主要的研究领域与糖尿病之间的关系。
这一部分的内容将在第 \@ref(disease) 章的疾病部分予以更多解读，在此不再赘述。

而第八名和第十名则相对比较独立的开展了相关研究。第八名 Mazmanian, Sarkis K. 与 Knight 有一些合作，
但是数目比较少（这一点可从图 \@ref(fig:immune-article-author-collaboration-network) 中线的粗细看出来）。
Mazmanian 的主要研究领域也是与肠脑轴相关，包括自闭症、抑郁症等相关的研究。

而第十名的 Pamer, Eric G. 他关注的主要领域是抗生素耐药性，以及抗生素在肠道菌群结构和功能上的调控作用。


```{r immune-article-author-collaboration-network, fig.cap="免疫相关文献的作者合作网络"}
## Author collaboration
author_network(df,nNode = 20,delete_isolate =F,edge_weight_cutoff = 3)

```

所以，总体上免疫相关研究的外延可以非常宽，涉及肠道菌群的方方面面。
从这些研究关键词的共现网络可以看到（图 \@ref(fig:immunity-keyword-network)），
**炎症**、**克罗恩病**、**（短）链脂肪酸**等 3 个主题是此类研究的重要支撑点，
整个研究体系因此形成了“三足鼎立”的总体格局。

与炎症相关的，包括稳态、感染、肥胖、代谢、小鼠、表达、细胞、受体、机制等相关内容，
与克罗恩病相关的，包括艰难梭菌感染、双盲、基因组关联分析、溃疡性结肠炎、Toll样受体等相关内容，
与（短）链脂肪酸相关的，包括 NF-κB、蛋白偶联受体、饮食诱导的肥胖、嗜黏蛋白阿克曼氏菌等相关内容。
这不足 50 个在免疫相关研究中出现最多的关键词，组成了整个免疫相关研究的一副 Big Picture。

```{r immunity-keyword-network, fig.cap="免疫相关研究的关键词共现网络"}
keyword_network(df,nNode = 50,edge_weight_cutoff = 10,remove_keyword = search_keyword_regex)
```


## 知名研究机构


接下来，我们简单看一下相关研究中最突出的机构（图 \@ref(fig:immune-article-university-collaboration-network)）。
显而易见，在这不超过 50 家发文数量最多的研究机构中，大体可以划分为 6 个不同的子网络，
在图中分别以不同的颜色标示。

其中，最大的两个是北美系列的高校和研究机构，分别是以哈佛大学、麻省理工学院等为主的“波士顿学派”，
以及以加州大学为主体的“加州学派”。稍小一些的有法国农业科学研究院、巴斯德研究所等为主体的“西欧学派”。
再次，是以瓦格宁根大学、哥本哈根大学等为主体的“北欧学派”，以及以中科院和上海交通大学为主的“中华学派”。
最后，纽约大学偏居一隅。

从这里也可能看出来，免疫相关研究非常明显的地理集聚效应。

```{r immune-article-university-collaboration-network, fig.cap="免疫相关研究机构的合作网络"}
## 机构合作网络（显示前 15 家）
university_network(df, nNode = 50, edge_weight_cutoff = 5)

```



## 免疫相关研究的历史脉络

最后，我们来回顾一下免疫相关研究的历史脉络。
在图 \@ref(fig:immune-article-histnet) 中，展现了最主要的 22 篇研究论文之间的相互引证关系。
这些论文的更多信息列在图 \@ref(fig:immunity-histplot-articles) 中。
免疫相关研究的历史比较悠久，在 2004 年就开始有了影响深远的研究发表。
与此同时，免疫相关研究的发展到后来逐渐细化，导致了诸如肠脑轴等新的研究领域的出现。
这可能是相关关键文献仅仅列举在 2014 年的内在原因。

接下来，我们就依次过一下相关研究的具体内容。

### 免疫缺陷小鼠在发现肠道菌群的功能中发挥关键作用

免疫缺陷小鼠，即通过基因工程对小鼠基因组中与免疫系统发育中的关键基因进行改造后，
生产出的一种实验动物。在早期肠道菌群的研究中，它们在肠道菌群功能研究中起到了十分关键的作用。
也正是在此之后，无菌小鼠和无菌动物才有了更广阔的发展空间。

2004 年，PNAS 上发表的一篇研究，发现肠道菌群参与小鼠中脂肪的存储。
这个脂肪堆积的过程是与小鼠的固有免疫系统失调密切相关的。
免疫缺陷导致肠道菌群稳态失衡，以及无菌小鼠的实验都表明
肠道菌群和宿主间的免疫在代谢性疾病中的作用[@backhedGutMicrobiotaEnvironmental2004]。

同年，在 Cell 上发表的另一篇研究大体也是同样的研究思路，
即也是借助免疫缺陷的小鼠证明了肠道菌群中的有益菌对于
肠道内稳态的关键作用[@rakoff-nahoumRecognitionCommensalMicroflora2004]。
因此，可以说无菌小鼠，以及免疫系统基因缺陷型的小鼠在认识肠道菌群的功能上起到了历史性的关键作用。

随后，发表在 Science 上的那篇研究，则以鉴定肠道菌群中的物种多样性为主要目的，
研究人员先后在肠粘膜、粪便等样本中获得了 13355 个原核生物的 rRNA 基因序列，
这在当时技术条件尚不发达的背景下，着实称得上一个“大手笔”了[@eckburgDiversityHumanIntestinal2005]。


```{r immune-article-histnet, fig.cap="肠道菌群与免疫核心论文引用历史脉络"}
safe_histNetwork <- purrr::possibly(histNetwork, NULL)
hist_result <- safe_histNetwork(filter(df,DT=="ARTICLE"),verbose = FALSE)
safe_histPlot <- purrr::possibly(histPlot,NULL)
hisgraph <- safe_histPlot(hist_result,verbose = F,n=20,size = 8,labelsize = 3)
```
### 免疫失调是肠道菌群失调的重要表现


现在我们知道，“**炎症**”是很多肠道菌群相关疾病的重要致病机制之一。
而从 2006 年开始，肠道菌群与宿主的免疫在
炎症性肠病[@frankMolecularphylogeneticCharacterizationMicrobial2007; @mazmanianMicrobialSymbiosisFactor2008; @frankMolecularphylogeneticCharacterizationMicrobial2007; @manichanhReducedDiversityFaecal2006]（包括克罗恩病、溃疡性结肠炎）、
肥胖、糖尿病之间的关联不断被揭示出来[@caniChangesGutMicrobiota2008]。

2013 年，发表在 Nature 上的一篇研究，首次大样本分析肥胖人群的肠道菌群特征，
发现其中菌群丰度而不是特定的菌群分类可较为明显区分胖瘦[@lechatelierRichnessHumanGut2013b]。
《热心肠日报》解读了这一篇研究：


> **Nature：肠道菌群的丰度越低，越可能肥胖？**
> 
> ①对123名非肥胖和169名肥胖的丹麦人进行肠道菌群分析；
②两个群体的肠道菌群基因数量存在差异，因此肠道菌群丰度也不同，且含不同比例的已知和未知的细菌种属；
③相比高菌群丰度个体，低菌群丰度个体整体肥胖比例更高，胰岛素抵抗和血脂异常更为明显，具有更显著的炎症表型；
④低菌群丰度群体中的肥胖者的体重随时间增加得更多；
⑤即便是在瘦和胖个体之间进行比较，仅有少数细菌种属可用于区分高/低菌群丰度个体。
>
> —— [热心肠日报](https://www.mr-gut.cn/papers/read/1054388132)


总的来说，这些疾病都有一个重要特征就是肠道菌群的失调，
但是同时都与免疫系统紊乱密切相关。
即便在现在，对于这些疾病的诊治仍然处于方法非常有限的境地。
肠道菌群功能的发现，可以说为这些疾病的治疗打开了一扇新的窗口。
在这之后，粪菌移植等基于改善肠道菌群稳态的新方法被临床营养，
并在克罗恩病等疾病的治疗中展示出了良好的疗效。


```{r immunity-histplot-articles, fig.cap="免疫相关研究的关键节点文献"}
cap <- "免疫相关研究的关键节点文献"
vip <- extract_from_hist_graph(df, hisgraph)
produce_topic_article_datatable(vip, cap, cap)
```



### 能调控免疫的肠道菌群关键类群被发现

2005 年，在 Cell 上发表的一篇论文，明确了肠道菌群中的一个成员：
**脆弱拟杆菌**（*Bacteroides fragilis*）在宿主免疫系统的发育中的作用机制。
即该菌分泌的细菌多糖在介导免疫系统细胞的成熟及平衡中发挥关键作用[@mazmanianImmunomodulatoryMoleculeSymbiotic2005]。


2008 年，在克罗恩病患者身上还鉴定出了普氏杆菌（*Faecalibacterium prausnitzii*）是
人肠道菌群中的一种具有抗炎功能的有益细菌[@sokolFaecalibacteriumPrausnitziiAntiinflammatory2008]。

2009 年，在 Cell 杂志发表的论文，指出一组丝状细菌组成的菌群，
可在无菌小鼠内诱发正常且有效的免疫系统发育，
帮助小鼠抵御致病菌的入侵。这一丝状细菌，是由 16 种拟杆菌组成的混合物[@ivanovInductionIntestinalTh172009]。

2011 年，在 Science 杂志发表的一篇论文，发现了梭菌属的两个类群
在小鼠调节型 T 细胞的发育过程中起关键作用[@atarashiInductionColonicRegulatory2011]。

2013 年，PNAS 上面发表的一篇论文，指出嗜黏蛋白阿克曼氏菌（*Akkermansia muciniphila*）通过与肠道上皮细胞互作，
调节饮食诱导的肥胖[@everardCrosstalkAkkermansiaMuciniphila2013]。
在小鼠模型中证明，服用该菌成分的益生菌能够逆转饮食诱导的代谢异常症状，
进而使该菌成为新发现益生菌菌种中的一个明星。



### 代谢产物是肠道菌群调控免疫的物质基础

2013 年，在 Nature 上发表的论文，进一步明确了共生菌是通过分泌的代谢物来促进
调节型 T 细胞的发生的。而这个代谢物，包括短链脂肪酸、丁酸等[@arpaiaMetabolitesProducedCommensal2013]。
《热心肠日报》解读了这一篇研究。

> **Nature：菌群产生丁酸盐，促T细胞分化并缓解结肠炎**
> 
> ①梭状芽胞杆菌（Clostridia）可诱导结肠调节性T细胞（Treg），但之前机制未知；
②研究者鉴定出大肠中的菌群发酵产物——丁酸盐，其可在小鼠中促进Treg分化；
③结肠腔内的丁酸等短链脂肪酸的浓度与结肠中的Treg细胞数量呈正相关；
④丁酸盐可在体外及体内诱导Treg的分化，并缓解小鼠的结肠炎发展；
⑤在Treg极化条件下，用丁酸盐处理naive T细胞，可增加Foxp3基因位点启动子及保守非编码区域的组蛋白H3乙酰化。
>
> —— [热心肠日报](https://www.mr-gut.cn/papers/read/1054387980)

在同年发表的 Science 论文上，短链脂肪酸也被进一步明确为肠道调节型 T 细胞的重要调控因子[@smithMicrobialMetabolitesShortChain2013]。
《热心肠日报》解读了这一篇研究。


> **Science：肠道T细胞，受短链脂肪酸调控！**
> 
> ①鉴定出特定的细菌物种及菌株特异性分子可影响肠道免疫病调节Treg应答，应有普遍性机制调节结肠Treg的数量与功能；
> ②肠道细菌通过发酵产生的短链脂肪酸（SCFA）可以提高无菌动物肠道结肠Treg细胞数目及其分泌IL-10的能力，在SPF小鼠中也有同样作用；
> ③SCFA是通过作用于结肠Treg细胞表面的Ffar2受体以抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC），从而促进Treg增殖与功能；
> ④体内实验表明SCFA可缓解结肠炎，暗示SCFA在代谢疾病中的治疗潜能。
>
> —— [热心肠日报](https://www.mr-gut.cn/papers/read/1079814924)


### 饮食逐渐成为肠道菌群干预的重要出口

在 2014 年，Cell Host & Microbe 上发表的一篇论文，比较了治疗前后患者肠道菌群的变化情况，
发现了传统的抗生素治疗方法实际上加剧了疾病相关的微生物组失调[@geversTreatmentNaiveMicrobiomeNewOnset2014]。
这一结果不仅指出来传统抗生素疗法无效的原理，也指明了新治疗措施可行的发展方向。
《热心肠日报》解读了这一篇研究：


> **Cell子刊：新发克罗恩病患者接受治疗前的微生物组**
> 
> ①样本来自于447名新发克罗恩病的儿童和221个无炎症性肠病的个体，取自肠粘膜、血清以及粪便；
②疾病状态下，Enterobacteriaceae、Pasteurellacaea、eillonellaceae 和 Fusobacteriaceae 丰度增加，同时 Erysipelotrichales、Bacteroidales 和 Clostridiales 丰度减少；
③抗生素治疗加剧了疾病相关的微生物组失调；
④直肠粘膜相关微生物组在诊断早期克罗恩病方面具有独特优势和潜力。
>
> —— [热心肠日报](https://www.mr-gut.cn/papers/read/1041583916)

饮食干预便是重要的一个发展方向。
在免疫相关的核心节点文献中，最后也是最近的一篇研究就是与之相关的研究。
这一篇发表在 2014 年 Nature 杂志上的研究，系统研究了植物性和动物性饮食对人类肠道菌群的影响，
且发现这种影响是一个非常迅速的过程。
《热心肠日报》解读了这一篇研究：


> **Nature：饮食可快速改变肠道菌群**
> 
> ①短期的肉食性或植物性饮食可以改变菌群的结构，这种变化可以掩盖个体的区别；
②纯动物来源的饮食可以增加胆汁盐耐受性细菌（如嗜胆菌属等）的数量，并降低可代谢植物多糖细菌的厚壁菌门的含量，其中沃氏嗜胆菌的增加可能与肉食性饮食引发的IBD有关；
③菌群的变化可以反映食草和食肉动物的区别，以及碳水化合物、蛋白质发酵之间的动态变化；
④动物性及植物性食物来源的细菌、真菌、病毒均可快速瞬时地定殖于肠道中。
>
> —— [热心肠日报](https://www.mr-gut.cn/papers/read/1037873068)


免疫相关的研究脉络至此就逐渐明朗起来。
总的来说，免疫是与肠道菌群的发现、功能密切相关的一个重要基础特征。
在这一类型的文献中，有很多与各种疾病相关的研究。
随着对肠道菌群研究的不断深入，免疫主题逐渐分化为不同的、具体的研究方向。
这可能是免疫主题的核心论文仅出现在 2014 年以前的一个缘由。