腸道菌群與兒童免疫

曹海寧 周昌寧

隨著近年來各種分子技術(shù)在腸道微生物群落研究中的發(fā)展，人體腸道中定植的微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能正逐步得到了解。復(fù)雜的腸道微生物群落包含有500～1000種，達1013～1014個，10倍于人自身細胞總數(shù)[1]。由于兒童腸道生理功能特殊：嬰幼兒時期腸道免疫功能不完善，且腸道菌群正處于生理性演替過程中，處于不穩(wěn)定時期，年齡越小，微生態(tài)平衡穩(wěn)定性越不穩(wěn)定，易受到各種因素(如分娩方式、喂養(yǎng)方式、衛(wèi)生環(huán)境、疾病和抗生素的應(yīng)用等)的制約，從而導(dǎo)致嚴重的腸道微生態(tài)平衡紊亂，主要表現(xiàn)在以雙歧桿菌為主的益生菌數(shù)量明顯不足，菌群之間正常比例嚴重失衡；此外，正常腸道菌的轉(zhuǎn)移和一些機會菌的大量生長繁殖。當(dāng)腸道菌群的數(shù)量和種類發(fā)生異常變化，偏離正常的生理組合，轉(zhuǎn)變?yōu)椴±硇越M合狀態(tài)，即出現(xiàn)菌群失調(diào)，導(dǎo)致許多相關(guān)疾病。本文將對其研究進展作一綜述。

1 人體腸道菌群分布

細菌在人體胃腸道各部位定植的數(shù)量和種類各異[2]：胃內(nèi)PH值偏酸性，含多種消化酶類，妨礙細菌增殖，因此，胃內(nèi)細菌數(shù)量和種類均較少，總菌數(shù)103CFU／mL，除了幽門螺桿菌及相關(guān)的菌種外，還包括一些G+需氧菌，如奈瑟菌、葡萄球菌、鏈球菌、念珠菌和乳酸菌等。在小腸這個過渡區(qū)，雖然pH值有所升高，但含有的多種消化酶類更多，且蠕動功能強烈，分泌腸液多，能將細菌在繁殖前沖洗到回腸和結(jié)腸遠端。因此，其細菌數(shù)量在胃和結(jié)腸之間逐漸增多，且十二指腸和空腸相對無菌。含菌濃度為0～105CFU／mL，以G+需氧菌為主，如葡萄球菌、鏈球菌和乳酸桿菌。在回腸中，G—菌開始超過G+菌，含菌濃度約103～107CFU／mL，但仍以需氧菌為主，包括擬桿菌和雙歧桿菌等；盲腸與結(jié)腸中的細菌濃度較高，達1011～1012CFU／mL，且厭氧菌超過需氧菌102～104倍，超過98%，細菌種類也達300多種，干大便的重量近1／3是由細菌組成。以擬桿菌、真桿菌和雙歧桿菌以及厭氧的G+球菌為主。

除此之外，同一腸道內(nèi)不同類菌的空間分布也不一樣[3]?？偟膩碚f，腸腔內(nèi)腸道菌群形成3個生物層：里層為與粘膜上皮細胞粘連形成細菌生物膜的菌群稱為膜菌群，包括雙歧桿菌和乳酸桿菌，它們是腸道共生菌，是維持腸道正常生理功能兩種主要細菌，對機體至關(guān)重要；中間主要為厭氧菌，包括糞桿菌、消化鏈球菌和優(yōu)桿菌等；外層的細菌稱為腔菌群，可游動，以大腸桿菌、腸球菌等需氧及兼性需氧菌為主。

2 兒童腸道菌群發(fā)育

新生兒出生后不久腸道內(nèi)就有大量細菌定植，但其微生物穩(wěn)態(tài)的建立是逐漸完成的動態(tài)過程，嬰兒剛出生前在子宮內(nèi)是處于相對無菌的環(huán)境，其腸道內(nèi)是無菌的，出生后細菌迅速從口及肛門侵入，2h左右，腸道內(nèi)很快植入腸球菌、鏈球菌和葡萄球菌等需氧菌。Yoshiok等[4]通過對新生兒出生后腸道菌群定植過程的研究，發(fā)現(xiàn)生后第1d腸內(nèi)定植的優(yōu)勢菌是腸桿菌，其次是腸球菌、葡萄球菌和類桿菌，出生后第6d雙歧桿菌數(shù)量逐漸增多成為優(yōu)勢菌，其優(yōu)勢狀態(tài)可持續(xù)1～3個月。研究者們對哺乳期腸道菌群發(fā)育的研究有所分歧：Roberts[5]等對哺乳期小兒腸菌群的研究發(fā)現(xiàn)，出生后1w左右腸道內(nèi)主要含有大量的雙歧桿菌、腸球菌和腸桿菌，1個月后，雙歧桿菌為優(yōu)勢菌，并伴有其他細菌的生長。Klesseu等[6]對生后第7d嬰兒糞便菌群的研究，發(fā)現(xiàn)89%的嬰兒檢測到雙歧桿菌，這種優(yōu)勢可持續(xù)3個月左右，此外，還發(fā)現(xiàn)大量腸桿菌、腸球菌、類桿菌和乳桿菌等?？傊?，出生后1w左右小兒腸道中含有大量的腸桿菌、腸球菌和葡萄球菌，但隨著時間遷移其數(shù)量逐漸減少，而雙歧桿菌數(shù)量的逐漸升高，此后，乳桿菌數(shù)量隨時間的推移逐漸增多。母乳喂養(yǎng)兒添加輔食時腸菌群結(jié)構(gòu)將有所改變，主要表現(xiàn)在腸球菌和類桿菌數(shù)量逐漸增多，這種變化可能與糞便pH值密切相關(guān)；人工喂養(yǎng)兒添加輔食時這一變化主要是由于他們腸道內(nèi)已存在大量的需氧菌和類桿菌，斷奶后小兒的腸菌群結(jié)構(gòu)越來越接近成人。Sepp等[7]對愛沙尼亞和瑞典兩國兒童斷奶后菌群結(jié)構(gòu)進行了對比研究，發(fā)現(xiàn)所有嬰兒糞便中均含有大量的腸球菌、雙歧桿菌和類桿菌，而腸桿菌數(shù)量不多。Guerin-Danan等[8]對10～18個月斷乳兒童糞便菌群的進行研究，發(fā)現(xiàn)其構(gòu)成主要含有大量的雙歧桿菌、腸桿菌和腸球菌，此外，部分兒童糞便中還含有乳桿菌。這證實嬰兒后期逐漸斷乳后，雙歧桿菌數(shù)量有所減少，而腸道pH值隨之升高，類桿菌、真桿菌、梭菌、乳桿菌、鏈球菌等數(shù)量將有所增多。至此，腸道菌群結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，這種狀態(tài)維持整個兒童期和青壯年期。

3 腸道菌群與免疫

3.1 調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)免疫功能

人體腸道內(nèi)數(shù)量最多的有益菌是雙歧桿菌, 它在維持腸道微生態(tài)平衡,刺激機體特異性和非特異性免疫功能方面發(fā)揮的作用至關(guān)重要，Yasui等[9]研究發(fā)現(xiàn)，短雙歧桿菌作用靶細胞后釋放的活性因子可直接影響B(tài)細胞的分裂。De Simone等[10]讓志愿者口服凍干分叉雙歧桿菌膠囊后,發(fā)現(xiàn)外周血B細胞亞群比例顯著升高。這說明雙歧桿菌可促進B淋巴細胞的轉(zhuǎn)化。Von der Weid等[11]研究發(fā)現(xiàn),乳酸桿菌雖可使CD4+T細胞增殖減少,但IL-10和TGF-β的分泌增加。在腸道雙歧桿菌數(shù)量減少，大腸埃希氏菌優(yōu)勢生長時，腸壁固有層中CD3+、CD4+、CD8+細胞明顯下降，免疫調(diào)節(jié)功能減弱。Hatcher等研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌菌體破碎后的可溶性提取物可使巨噬細胞的溶菌酶活性顯著降低,巨噬細胞吞噬聚丙烯酰胺顆粒和活的沙門菌的能力增強。將雙歧桿菌及其表面結(jié)構(gòu)成分作為生物應(yīng)答調(diào)節(jié)劑可使各種細胞因子和抗體的產(chǎn)生增加，并能顯著提高NK和巨噬細胞活性等和全身的防御功能，且能發(fā)揮自穩(wěn)調(diào)節(jié)、抗感染和抗腫瘤作用。因此,雙歧桿菌對非特異性免疫增強作用效果明顯。

除此之外，其它正常菌群也能調(diào)節(jié)機體免疫功能：如鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌、乳酸球菌等是TNF-α和 IL-6的強有力的誘導(dǎo)劑，可使體液免疫增強；干酪乳桿菌和保加利亞乳桿菌可激活巨噬細胞, 刺激人體產(chǎn)生免疫反應(yīng)。Gill等[12]將鼠李糖乳桿菌、嗜酸乳桿菌給小鼠口服后, 可增強脾細胞對絲裂原(ConA)和刀豆素(LPS)的增殖反應(yīng)和血清中抗體應(yīng)答?？诜热闂U菌膠囊也能顯著升高人體外周血B細胞亞群比例。乳桿菌還能影響細胞免疫，有效阻止許多微生物的入侵和粘附。此外，吸附于人體的嗜乳桿菌能吸附于分化的腸道細胞上,殺滅入侵菌，發(fā)揮抗菌活性[7]。

3.2 屏障作用

機體的先天性或非特異性免疫反應(yīng)，亦即機體免疫系統(tǒng)識別和排除各種異物，主要依靠機體的屏障作用，包括正常菌群是屏障作用的第一道防線。從現(xiàn)代的研究不難看出[13]，在機體的屏障作用中極為重要。腸道微生物定植抗力(colonization resistance，CR)由荷蘭微生物學(xué)家Van der waaij教授提出的[13]，是指腸道內(nèi)源性專性厭氧菌具有抑制消化道中主要屬需氧菌的潛在致病菌群數(shù)量的能力。Vollaard認為糞便中需氧G-桿菌、腸球菌、酵母菌的數(shù)量和雙歧桿菌與腸桿菌的數(shù)量比值可作為腸道微生物定植抗力的指標(biāo)[14]。

3.3 免疫佐劑活性

Himanen等[15]研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌的脂磷壁酸(LTA)和肽聚糖-磷壁酸復(fù)合物均具有很強的免疫佐劑活性。此外，機體經(jīng)口服芽孢桿菌后，在腸道淋巴組織集合的抗原結(jié)合位點上直接作為免疫佐劑，促進免疫應(yīng)答，或者通過調(diào)整宿主體內(nèi)的微生物群，尤其是雙歧桿菌菌群，間接的發(fā)揮免疫佐劑的調(diào)節(jié)作用，使機體的局部或全身防御功能顯著提高[10]。

3.4 協(xié)同拮抗病原菌入侵

腸道細菌通過激活穿越上皮細胞的運輸通路和特異的DC，穿過粘膜屏障與固有層免疫細胞相互接觸，持續(xù)激活粘膜免疫系統(tǒng)，一旦致病菌入侵即可引起病理反應(yīng)[16]。Hooper等研究發(fā)現(xiàn)，宿主和腸道菌群的相互作用對粘膜結(jié)構(gòu)和功能有重要作用。此外，還發(fā)現(xiàn)無細菌的動物粘膜漿細胞很少，因此認為IgA產(chǎn)生是直接依賴腸道菌群[17]。有文獻報道菌群缺陷時，固有層淋巴細胞減少。當(dāng)菌群重新建立時，固有層淋巴細胞恢復(fù)正常，說明控制炎癥就要控制細菌，無細菌的動物存在免疫缺陷[18]。總之，腸道菌群是宿主免疫組成的一部分。

3.5 免疫系統(tǒng)對腸道菌群的作用

SIgA由兩個IgA聚合而成，分子的直徑較大，可抑制腸道內(nèi)的細菌粘附腸道粘膜表面，還可中和腸道內(nèi)的毒素、酶和病毒，并結(jié)合抗原形成免疫復(fù)合物由吞噬清除。SIgA直接作用于細菌表位，尤其對腸道菌群中的革蘭陰性桿菌具有特殊的親和力，能包被細菌，封閉細菌與腸上皮細胞結(jié)合的特異部位，阻止其與腸上皮細胞的吸附，避免細菌穿透腸上皮發(fā)生移位，是阻止細菌移位的重要環(huán)節(jié)[19]。Macpherson和Uhr實驗中，通過腸系膜淋巴結(jié)中樹突狀細胞攜帶的活細菌數(shù)的檢測，發(fā)現(xiàn)SIgA能夠阻止細菌穿透腸上皮細胞層，并限制共生菌侵入腸系膜淋巴結(jié)。這種保護性作用依賴于一個低親和力，高容量系統(tǒng)，增加細菌的流動直徑，阻止細菌入侵[19]。另有試驗表明，當(dāng)生物菌膜和戊二醛固定的Caco-2細胞共同培養(yǎng)時，SIgA可提高菌膜的建立，菌膜的建立除了依賴菌毛的表達外，也表現(xiàn)為SIgA依賴性[20]。

4 腸道菌群與疾病

正常情況下腸道菌群與腸道免疫通過精密的調(diào)控機制和平共處，處于動態(tài)平衡狀態(tài)，一旦這種機制被破壞，將會導(dǎo)致一系列疾病發(fā)生發(fā)展。若腸道免疫系統(tǒng)失去對正常菌群某些抗原的耐受能力，可在腸道局部可產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，誘發(fā)炎癥性腸炎(包括潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病)；此外，由于機體與細菌存在交叉抗原，可誘發(fā)全身炎癥反應(yīng)，導(dǎo)致某些自身免疫性疾病的發(fā)生。無菌動物不能用來建造炎癥性腸炎及自身免疫性疾病的動物模型，這也支持這一觀點。很多臨床資料表明，利用腸道活得正常菌群如：乳酸桿菌、雙岐桿菌、非致病性大腸桿菌，治療炎癥性腸炎、嬰幼兒濕疹、食物過敏取得了很好療效，而且無副作用，作用更持久。當(dāng)腸道免疫功能下降時，腸道細菌由于失去監(jiān)控，會出現(xiàn)過度繁殖、細菌移位。如在嚴重創(chuàng)傷后，可因腸道細菌移位及釋放大量內(nèi)毒素而引發(fā)或加重多臟器功能衰竭；在急性胰腺炎時，腸道細菌可通過毛細淋巴管，經(jīng)胸導(dǎo)管、心臟，到達肺部，誘發(fā)胰腺炎相關(guān)性肺炎；HW感染的患者易出現(xiàn)腸道細菌過度繁殖引起的細菌性腹瀉。這類疾病都可通過提高機體免疫力或用益生菌改善腸道菌群來預(yù)防和治療。

5 結(jié)語

正常菌群對兒童腸道是有利的，它們除能促進腸道消化吸收外，還能抵御一些病原菌通過腸道侵入體內(nèi)，抑制致病微生物的生長，是機體免疫統(tǒng)不可缺少的重要組成部分。研究了解正常菌與動物免疫的相互關(guān)系，研制有益菌構(gòu)成的微生制劑在動物疫病防治上必將有著深遠的意義。

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