肠道菌群的建立和免疫系统的发育有着紧密的联系，肠道菌群建立的过程几乎和免疫系统的完善是同时的。我们出生时是无菌的，但是在出生后的极短时间内肠道会迅速定植细菌。因此，我们生产的方式 （顺产或者剖腹产）、喂养方式 （母乳或者配方奶粉）、抗生素的使用等因素等都会直接影响到我们的肠道菌群结构[1].顺产的婴儿定植菌群与母亲阴道内的菌群类似，包括乳杆菌、普氏菌和纤毛菌等；而剖腹产婴儿诱导而主要是在皮肤表面的菌，比如葡萄球菌、棒状杆菌和丙酸菌属[2];早产儿体内艰难梭菌 （C.difficile）的数量要多些[1].肠道菌群的定植是个循序渐进的过程：最先定植的是兼性厌氧菌，比如肠杆菌、大肠埃希菌群和乳酸菌，接下来是厌氧菌比如双歧杆菌、拟杆菌、梭菌和优杆菌。在生命早期由于某些原因造成的定植顺序或者肠道菌群的改变，比如剖腹产、抗生素的使用等，可能会造成之后童年期的哮喘、过敏和自主免疫病的发病率增加[3-4].而母亲服用益生菌也会影响胎儿肠道菌群的构成，降低胎儿患湿疹的风险。
出生后肠道菌群稳态的建立和维持是促进免疫系统发育的重要因素[6].肠道上皮是寄主内环境和肠腔内的大量肠道微生物之间的一个重要屏障。在出生的很长一段时间内，肠上皮的紧密性和免疫调节的网络都比较脆弱。动物实验表明出生后免疫稳态的发育依赖于肠道菌群稳态的建立和外源食物抗原的充足的时间和充足剂量的接触。出生后的第一年是肠道菌群稳态逐步建立的时间，也恰恰是免疫系统发育和成熟的关键时期。在这个阶段婴儿的喂养方式和其他因素都将影响肠道菌群的构成和肠上皮的完整性，也最终影响到免疫系统的功能。在哺乳动物从母乳到固体食物过渡的断奶期，肠道内的微生物群落发生了极大的变化，比如新生儿肠道内占优势的兼性厌氧菌大肠埃希菌和链球菌减少而专性厌氧菌增加[7].随着年龄的增长，微生物群落最终成为包含拟杆菌和梭菌的稳定群落[6-7].在断奶期免疫系统的功能也发生了重要的变化。在这个阶段来自母乳的免疫球蛋白介导的被动免疫逐步减弱；在固有层绒毛和上皮内的B细胞和T细胞数目显着增多[8];而且参与肠道上皮宿主免疫的杀菌颗粒蛋白比如Angiogenin-4（Ang4）被诱导表达，迅速达到成年人水平[9].与正常小鼠相比，无菌小鼠体内的Ang4始终达不到较高水平。
1肠道微生物促进了肠道免疫系统的发育肠道上皮是由单层肠道上皮细胞组成，有分泌、消化、吸收功能。肠道上皮提供了一个主要的生理屏障，将肠腔内的共生菌与肠道外的无菌组织隔离开。尽管不是免疫细胞，但是除了有机械性保护功能外，这些上皮细胞参与一系列的免疫调节功能，比如，分泌抗菌肽、细胞因子和趋化因子。在无菌小鼠和广谱抗生素处理的小鼠体内，肠道上皮细胞的增殖速率减慢，抗菌基因表达降低[10].这些结果表明，肠道菌群可以通过抗菌因子的表达来决定肠道上皮细胞的免疫调节功能。肠道上皮层被细胞外的紧密连接加固。紧密连接是肠道上皮的一个高度调节的入口，其开关依赖于来自肠道内腔、固有层及上皮细胞的信号，比如，细胞因子和微生物组分。
肠道菌群在维持肠道通透完整性中发挥着重要作用。
许多因素造成的肠道菌群紊乱会引起紧密蛋白表达的变化，肠道通透性增加，许多正常情况下被限制进入体内的大分子等抗原出现在血液中。
肥大细胞是特化的肠道表皮细胞，占肠道基底层细胞的2%~3%.它有一系列的调节功能，包括控制血流和血液凝固、平滑肌蠕动及与肠道上皮细胞的通透性和电解质交换[11].与正常小鼠相比，无菌小鼠肠道杯状细胞密度低，而其在血液细胞中占的比例较大。进一步的机理研究显示，肠道微生物可以通过诱导肠道上皮细胞迁移进入肠道，这个迁移过程是依赖于TLR信号通路中的MYD88组件[12].
肠道上皮细胞和肠道免疫系统相接触，在小肠和大肠固有层及派伊尔斑 （peyer's patches）排列成线。派伊尔斑是个淋巴组织，对肠道的直接抗原取样非常重要。肠道菌群启动一系列的反应，包括诱导派伊尔结中B细胞生发中心的短暂扩张，促进派伊尔结中的B细胞的发育，增加B细胞产生IgA抗体。在无菌小鼠体内，派伊尔斑的数目和细胞性都有显着降低；浆细胞的数目和IgA的水平都会降低[13].因此，肠道菌群是黏膜IgA产生的主要推动力。在无菌动物体内为保证一个高滴度的IgA产生，需要有109的活细菌[14].此外，无菌小鼠肠道内定植一种的共生菌并不能恢复B细胞的正常发育和IgA的正常水平，可见细菌种类和抗体的多样性对肠道免疫系统的充分发育是必须的。
肠道菌群对嗜中性粒细胞的调节产生系统性影响。无菌小鼠有中性粒细胞缺乏症[15],而且其外周血中的中性粒细胞产生超氧化物阴离子和氧化一氮的能力被破坏，吞噬功能降低[16].将无菌鼠转入正常或者SPF（specific pathogen free）环境，这种超氧化物阴离子异常的表型仍然无法恢复。最近的研究表明，细胞质内的NOD1受体 （nucleotide oli-gomerization domain 1）识别肠道菌群的肽聚糖后，可以增强骨髓嗜中性粒细胞的杀伤能力[17].
许多证据都表明肠道菌群可以调节抗原呈递细胞 （包括树突细胞核巨噬细胞）的发育。在无菌小鼠体内，肠道内的抗原呈递细胞数量减少，但是全身的并没有变化。当无菌小鼠体内定植单一的菌比如大肠埃希菌后，就可以将全身系统免疫的树突细胞转入肠道内[18].肠道菌群产生的ATP可以刺激细胞表面表达CD70和CX3CR1的树突细胞的发育，这些树突细胞可以诱导Th17细胞的分化。无菌猪的系统免疫系统和肠道内的巨噬细胞都减少。在无菌小鼠体内，尽管肠道内的巨噬细胞数目没有变化[18],但是腹膜内巨噬细胞的功能比如趋化性、吞噬功能和杀菌能力等都会减弱[19].有些益生菌粘附在肠壁上皮细胞，尤其是乳酸菌，促使他们很容易被潘氏结捕获，它们在潘氏结的位置可以调控树突细胞的激活和增殖。
CD4+肠道菌群与适应性免疫稳态：CD4+细胞是是适应性免疫系统中的关键组分。肠 道 内 的CD4+T细胞主要分布在肠道固有层。在接受刺激后，幼稚的CD4+T细胞主要分化成四种细胞亚型：T helper 1（Th1）、Th2、Th17及regulatory T cell（Treg）[20].这些不同的CD4+T细胞表达不同的转录因子和细胞因子。
T细胞亚型之间的恰当的调节和稳态是个体健康状态的决定性因素。比如，Th1细胞对寄主抵抗细胞内的微生物感染非常重要，主要参与细胞免疫，而Th2细胞在清除寄生虫感染中发挥着重要作用，主要参与体液免疫。正常情况下，Th1和Th2细胞处于平衡状态，而习惯上把Th1及其细胞因子占优势的状态称为Th1状态，Th2及其细胞因子占优势的状态称为Th2状态。失控的Th响应会导致疾病，Th1和Th17和自主免疫疾病相关，Th2和过敏反应相关。
Treg是免疫耐受的关键调节子，其功能失调会导致自主免疫紊乱。
肠道菌群在肠道内和肠道外的CD4+T细胞的发育中发挥着重要作用。个别的共生菌属影响固有层T淋巴细胞亚群的组成，这些T细胞有不同的功能。在正常的稳态下，肠道内有大量的T细胞，产生IL-17、IL-22、IFN-g和IL-10[21-22].肠道菌群缺失后， 这些细胞因子的产生会出现缺陷[22-23],CD4+T细胞成员Th1和Th17减少，而Treg数目保持不变[21-22].当无菌小鼠肠道内定 植 细 菌 后，Th1和Th17及Treg细胞数目会增加，细胞因子的产生会恢复到正常水平，这说明肠道内功能T细胞的积累是依赖于肠道共生微生物的。
肠道菌群的构成参与肠道内免疫稳态的调节。无菌小鼠体内的Th1/Th2不平衡，过敏相关的免疫球蛋白IgE在肠道和全身的血清中都增加，其免疫响应倾向于Th2响应[24].肠道菌群不完善的新生小鼠和新生儿的免疫系统都有Th2倾向，易产生过敏症状。
稳定的肠道菌群被破坏后也会产生免疫失衡：3周大小的小鼠喂卡那霉素持续1周后，粪便中所有的革兰阴性菌都被消除，免疫反应漂移向TH2.这个结果表明肠道菌群参与抑制TH2响应的过程[25].
除了Th1/Th2之间的平衡，肠道黏膜稳态的维持是依赖于促炎症细胞和抗炎症细胞之间的相互制衡系统实现的。促炎症细胞包括产生interferon-γ（IFN-γ）的Th1细胞，产生IL-17a、IL-17f和IL-22的Th17细胞，还有与Th2及Th17相似细胞因子谱的固有淋巴细胞。而抑制炎症细胞包括表达Foxp3+的调节性T细胞 （Tregs）。在肠道固有层，肠道菌群的不同组分产生的信号调节黏膜T细胞响应的不同分支。肠道菌群构成的改变会引起免疫稳态的 变 化。 分 支 丝 状 菌 （segmented filamentousbacterium,SFB）是和梭菌属相关的一种产孢子的革兰阳性菌，主要分布在空肠，紧紧粘附在上皮细胞。肠道内分支丝状菌的出现会增加诱导Th17细胞分化的信号，使得Th17产生的细胞因子，IL-17、IL-22增多，从而使得肠道上皮细胞产生的抗菌肽增多。这种促炎症性细胞因子的增加使得寄主更容易患慢性自体免疫炎症[26];但是当菌群中再引入梭菌属的clusterⅣandⅩⅣa后，结肠中的Treg细胞被诱导产生，Treg细胞群体上调，维持固有的平衡，抑制机体对于自身细胞的免疫反应，避免这种自身免疫疾病发生，同时右旋糖酐 （dextran sul-phate sodium,DSS）诱导的结肠炎得到缓解。所以，梭菌可能介导Treg细胞参与抗炎症反应[27].
在另一项研究中，肠道菌群DNA诱导的TLR9信号可以通过现在Treg细胞在肠道内的转化来维持免疫系统的稳态[21];脆弱拟杆菌通过其多聚糖（polysaccharide A,PSA）分子不仅可以诱导系统性的Th1响应的发育[28],而且可以通过TLR2对Treg的作用来抑制Th17免疫响应[29].在这个角度可以说，不同的肠道菌群构成使得个体在面对相似环境的时候产生不同的免疫响应。
2肠道菌群与肠道相关疾病
与肠道最直接相关的免疫反应就是食物过敏。
与成人相比，婴儿和儿童更容易产生食物过敏，其主要表现为皮肤的特应性湿疹或荨麻疹，血管性水肿、支气管梗阻等复杂症状。绝大多数的过敏症状是非特异的，比如恶心、呕吐、腹泻和便秘。在成人体内，完善的肠道屏障和免疫系统会抑制针对食物抗原的免疫响应。这种口服抗原产生抗原特异的免疫耐受即口服耐受[30].摄取的抗原产生的口服耐受可以阻止接下来的全身的免疫反应。口服耐受在童年早期建立，它使得机体对食物抗原和内源性细菌、肠道菌群产生局部和系统性的免疫抑制。肠道黏膜通透性增加和过早接触食物抗原可能是婴儿致敏的原因。口服耐受和T细胞调节的缺失会导致致敏个体的过敏反应[31-32].口服耐受的分子机制仍然不是特别清楚，但是现在的研究表明，黏膜免疫响应是耐受还是激活依赖于参与激活调节型T细胞的树突细胞的不同亚群。激活的Treg细胞抑制免疫响应、产生免 疫 耐 受 依 赖 于IL-10和TGF-β（transforminggrowth factor beta）的产生。无菌小鼠肠道内T细胞分化存在缺陷，减少的TGF-β和IL-10及受损的Treg的免疫抑制作用，最终会导致无菌小鼠无法建立起口服耐受[33].所以，肠道正常菌群对这个口服耐受的建立是必需的。无菌小鼠恢复正常菌群后口服耐受也随之建立，所以，在出生后的很长一段时期内，肠道菌群可以调节口服耐受的发生[34-35].
在用DSS诱导大肠炎的动物模型中，无菌小鼠体内无菌，无法进行正常的免疫响应，结果造成极其严重的结肠炎症。DSS造成无菌小鼠体重下降，日常活动指数上升 （DAI,体重，结肠出血及粪便黏稠度的综合考虑）。当无菌小鼠被灌服正常小鼠的粪便后，炎症会明显减轻，说明过度的炎症反应和肠道内缺少定植菌相关[36].
在IBD的患者和经性结肠炎动物模型中都发现肠道内硬壁菌和拟杆菌的数目都减少而普氏菌的数目增多[37].尽管越来越多的证据表明IBD患者和动物模型体内的肠道菌群失衡相关，但是二者之间的因果关系一直难以证明。两个动物实验证明了肠道菌群的改变在IBD发病重的重要作用。
T-bet是T-box转录因子家族的一员，在免疫细胞调节过程中发挥了重要作用。
T-bet-/-Rag-/-溃疡性结肠炎小鼠 （ulcerative colitis,TRUC）的炎症与人类的溃疡性结肠炎非常相似[38].TRUC小鼠的炎症主要是由于结肠内的树突细胞产生了过多的促炎因子TNF-α.将这些小鼠体内的菌群转移到正常小鼠肠道内后，正常小鼠会出现溃疡性结肠炎。后续的研究发现，克雷伯肺炎球菌和变形菌在TRUC小鼠的发病中发挥了关键作用。但是当把这两种菌转入无菌小鼠肠道内并不会产生结肠炎，转入SPF小鼠肠道内会引起结肠炎[39].这说明这两种菌需要和其他细菌相互作用才能诱发炎症致病。
在另一种免疫缺陷小鼠NLRP-/-（nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor pro-teins,NLRP），其炎性体途径存在缺陷导致肠道菌群改变，尤其是普氏菌 （Prevotella）和TM7菌增多，致 使NLRP-/-小 鼠 更 容 易 患 结 肠 炎。 和TRUC小鼠一样，NLRP-/-小鼠的肠道菌群也可以使正常小鼠患病[40].
NOD2是一个细菌肽聚糖的胞内受体。在小鼠和人体内，NOD2的功能损伤和严重的肠道菌群失调相关，会造成硬壁菌门的细菌减少和拟杆菌门的细菌增多[41-43].当把正常小鼠的共生粪便菌群移植入NOD2缺陷鼠体内，会给其肠道菌群带来长期的改变，降低NOD2缺陷的小鼠结肠损伤的易感性。
相反，当把这种NOD2缺陷小鼠紊乱的肠道菌群移植入正常小鼠体内后，会极大的增加正常小鼠患结肠癌风险[43].这些动物实验证明特定的肠道菌群是疾病的原因而不是结果[44].
3肠道菌群与肠道外的免疫疾病肠道菌群不仅与肠道相关的免疫疾病相关，而且对肠道外的免疫疾病也会产生重要影响。最近几十年来自世界各地的研究显示人在早期接触宠物或者 年 长 的 兄 弟 姐 妹 可 以 抵 御 过 敏 性 疾 病 的 发生[45-46].这种相关性应该归因于 "卫生假说 （hy-giene hypothesis）".卫生假说是Strachan在1989年提出的，它阐述了微生物在免疫系统成熟过程中发挥的重要作用[47].在过去的近一百年的时间里，随着家庭人数的减少、家庭设施的改进和个人清洁标准的提高，家庭成员间的交叉感染几率下降，这种生活早期的有限的感染会阻碍免疫系统的自然发育，造成对过敏疾病的易感性增加[47].卫生假说在修订后成为 "微生物群落假说",该假说指出相较于特异的有限的感染，过度干净的西方生活方式限制了普遍的微生物接触，改变了婴儿肠道的菌群定植，从而破坏了免疫系统的发育，最终造成过敏性疾病的发生[48].不同的流行病学调查研究支持了卫生假说而且清楚的表明，接触的微生物的改变是过敏性疾病发病率上升的关键因素，而且这种过敏性疾病的增多反映了幼年时期感染几率的下降[49].
在婴儿的临床研究中发现，非过敏症的孩子在出生后的前两年内，Th2响应会逐渐减弱。如果从卫生假说合理的免疫基础角度来说，发育的免疫系统需要来自环境的病原接触来激活Th1响应，降低Th2/Th1的免疫响应比例，避免过敏 的 发 生[50].
本质上来说，现代生活方式使得婴儿接触充足的免疫刺激的机会大大减少，肠道菌群的定植发生改变，肠道稳态被破坏。这种降低的免疫刺激和紊乱的肠道状态导致了Th1细胞的活性极低，缺乏足够的IFN-γ调节IgE诱导的Th2细胞响应。肠道微生物的构成、食物接触和病原菌的感染对肠道稳态的建立有重要作用[51].
在一项前瞻研究中，通过对957名一个月大的婴儿2年的追踪研究发现，肠道菌群组成的改变要早于特异反应的发生。大肠埃希菌的早期定植和皮肤湿疹的发生相关，而且定植的数目越大，发生湿疹的风险就越高；艰难梭菌的定植和许多过敏性疾病的发生相关，比如，皮肤湿疹、过敏性皮炎、复发性喘息、过敏性敏化作用等，但是这种相关性是不依赖于定植的梭菌数目[52].菌群组成改变，比如，乳酸菌、双歧杆菌、肠杆菌减少，梭菌增多都和过敏性疾病有很大的相关性[53-54].
除了过敏性疾病，许多其他的免疫疾病也与肠道菌群相关。比如，早期的关节炎患者 （病程6个月）会出现肠道菌群紊乱的症状[55].
在实验性动物模型中，一些自主免疫的大鼠模型建立是依赖于肠道菌群的定植状态的。所以，在关节炎、实验性脑脊髓炎和各种结肠炎的模型中，无菌小鼠的症状要明显减弱。 （IL-1Rn-/-）IL-1受体拮抗剂缺陷小鼠是自发性的T细胞介导的关节炎模型。无菌的IL-1Rn-/-小鼠不会像肠道菌群正常的该鼠一样产生自发的关节炎。而且，当在无菌的IL-1Rn-/-小鼠体内定植单一的双叉乳杆菌后就会诱导产生关节炎。可见，肠道菌群对于IL-1Rn-/-的关节炎发病是个必要条件[56].
1型糖尿病 （Type 1diabetes,T1D），是由T细胞介导的胰岛素合成细胞β细胞受损，是一种自主免疫疾病。在T1D患者中，肠道内的Treg细胞数目显着减少，这暗示肠道菌群可能参与到T1D的发病过程中[57].许多其他的自主免疫疾病在肠道无菌的情况下病情会减轻不同，T1D在肠道无菌情况下发病率会显着提高。在自发性T1D的小鼠模型NOD小鼠中，无菌的比SPF环境下的小鼠患病率显着提高。这个结果和在流行病学的调查结果一致，该调查结果显示在卫生条件更好的国家，T1D的发病率更高[58-59].
多发性硬化 （Multiple Sclerosis,MS）又称为脑脊髓炎，是一种慢性的炎症性的免疫疾病，主要表现是患者脑内和脊髓内神经细胞的髓鞘脱落。在动物模型中，实验性自身免疫性脑脊髓炎 （Experi-mental autoimmune encephalomyelitis,EAE）是多发性硬化的动物模型，抗生素处理引起的肠道菌群改变可以显着减弱MS的症状[60].无菌小鼠诱导产生的EAE模型症状也比正常小鼠模型中的要轻，这和无菌小鼠体的内促炎症因子比如IL-17的浓度较低相一致[61].当无菌小鼠体内定植单一的SFB菌后，中枢神经系统中Th17细胞增多，其发育恢复正常而且EAE的病程进展也如正常小鼠一样。这些结果暗示SFB可能在EAE的发病中起着一定的作用。
