腸道菌群通過短鏈脂肪酸參與過敏性哮喘發(fā)病的相關(guān)機(jī)制研究進(jìn)展

楊玉婷，倪吉祥，徐彪，羅干

三峽大學(xué)人民醫(yī)院 宜昌市第一人民醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科，湖北宜昌443000

支氣管哮喘（簡稱哮喘）是一種氣道慢性炎癥性疾病，其特點(diǎn)是可變的氣流受限和氣道高反應(yīng)性（AHR），且兒童、成人均以過敏性哮喘為主［1-2］。哮喘的發(fā)病率呈逐年升高趨勢，尤其好發(fā)于兒童［3］。第三次城市兒童哮喘流行病學(xué)調(diào)查結(jié)果顯示，與2000 年相比，我國兒童哮喘總發(fā)病率增加了52.8%［4］。短鏈脂肪酸（SCFAs）是乙酸、丙酸和丁酸的統(tǒng)稱，是膳食纖維在腸道菌群的降解下產(chǎn)生的發(fā)酵產(chǎn)物，是腸道菌群發(fā)揮作用的關(guān)鍵因子。研究表明，腸道菌群的改變不僅與腸道、心血管及腦部相關(guān)疾病有關(guān)，同時(shí)也參與了一些肺部疾病的發(fā)生［5］。本研究對腸道菌群通過短鏈脂肪酸參與過敏性哮喘發(fā)病的相關(guān)機(jī)制作一綜述，為實(shí)現(xiàn)哮喘的精準(zhǔn)治療與個(gè)體化治療提供理論依據(jù)。

1 腸道菌群與過敏性疾病的關(guān)系

腸道微生物群及其微環(huán)境是連接環(huán)境和機(jī)體的重要樞紐，生命早期包括胎兒出生之前是決定人類身體狀況的關(guān)鍵時(shí)期。研究表明，早期生命事件如剖宮產(chǎn)分娩、配方喂養(yǎng)以及早期應(yīng)用抗生素等，改變了腸道菌群的組成，甚至可引起腸道菌群失調(diào)和免疫應(yīng)答紊亂，增加了過敏性哮喘的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)［6］。也有研究認(rèn)為，哮喘風(fēng)險(xiǎn)的增加與糞腸球菌屬相對豐度和微生物多樣性減少等有關(guān)，而乳桿菌早期定植可減輕腸道炎癥反應(yīng)，進(jìn)而降低哮喘的發(fā)生率［7］。HEVIA 等［8］研究發(fā)現(xiàn)，學(xué)齡期發(fā)生哮喘的兒童，其出生1 周及1 個(gè)月時(shí)（即生命早期）腸道菌群多樣性均顯著低于正常兒童，提示生命早期腸道微生物群多樣性降低與學(xué)齡期兒童哮喘的發(fā)生密切相關(guān)，在此階段調(diào)節(jié)腸道菌群或許能減少學(xué)齡期兒童哮喘的發(fā)生。BJ?RKSTéN 等［9］研究嬰兒糞便時(shí)發(fā)現(xiàn)，與正常兒童相比，患有過敏性疾病的患兒出生后第1 個(gè)月感染腸球菌的概率以及出生后第1 年感染雙歧桿菌的概率更低；同時(shí)，患有過敏性疾病的患兒3個(gè)月時(shí)梭菌豐度較高，出生1 年時(shí)類桿菌豐度較低。由于上述研究是在過敏性疾病發(fā)病率存在明顯差異的兩個(gè)國家（高發(fā)區(qū)瑞士、低發(fā)區(qū)愛沙尼亞）中分別進(jìn)行的，因此可以推測腸道菌群紊亂與過敏性疾病的發(fā)生、發(fā)展均存在關(guān)聯(lián)。

2 SCFAs與過敏性哮喘氣道高反應(yīng)性的關(guān)系

氣道重構(gòu)是哮喘的重要病理特征，可降低哮喘患者對吸入激素的敏感性，使患者出現(xiàn)不可逆的氣流受限和持續(xù)AHR［1］。輔助性T細(xì)胞2（Th2）及其細(xì)胞因子所介導(dǎo)的免疫反應(yīng)在哮喘氣道重塑過程中具有不可替代的作用，Th2 細(xì)胞及其細(xì)胞因子釋放炎癥介質(zhì)，并作用于肥大細(xì)胞、嗜酸粒細(xì)胞（EOS）等效應(yīng)細(xì)胞，引起Ⅱ型免疫反應(yīng)，使氣道黏液分泌增多、EOS浸潤，最終導(dǎo)致AHR［10］。

三種SCFAs 的生成方式存在差異，乙酸多由雙歧桿菌等多種腸道菌群代謝生成，丙酸多由擬桿菌經(jīng)琥珀酸代謝途徑生成，丁酸則多由梭狀芽孢桿菌經(jīng)丙酮酸代謝途徑生成［11］。SCFAs不僅可以為腸黏膜細(xì)胞提供能量來源，而且是重要的免疫信號分子，除了能抑制宿主炎癥反應(yīng)和革蘭陰性菌的生長以外，還能促進(jìn)雙歧桿菌、乳桿菌等有益菌的增殖。ZHANG 等［12］在研究小鼠模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，高纖維飼料喂養(yǎng)可使雙歧桿菌等產(chǎn)SCFAs 的細(xì)菌數(shù)量增多，血液中SCFAs水平升高，還能減少嗜酸粒細(xì)胞浸潤、促進(jìn)Th1/Th2平衡，明顯減少過敏性氣道疾病的發(fā)生；這提示SCFAs可以通過“腸—肺軸”抑制過敏性氣道炎癥反應(yīng)，補(bǔ)充SCFAs 可以降低或緩解過敏性哮喘的發(fā)生發(fā)展，即SCFAs 對小鼠氣道過敏性疾病的發(fā)生具有抑制作用。乙酸和丙酸都能通過上調(diào)調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞（Tregs）數(shù)量和加強(qiáng)Tregs 細(xì)胞功能來減少過敏性氣道疾病的發(fā)生，其中丙酸還能通過改變腸道菌群組成、影響輔助性T細(xì)胞數(shù)量及功能，而參與過敏性哮喘的發(fā)生［13-14］。另一項(xiàng)研究也發(fā)現(xiàn)，膳食纖維和丙酸可以預(yù)防小鼠過敏性氣道疾病的發(fā)生［15］。丁酸是被國內(nèi)外研究最多的SCFAs，其進(jìn)入細(xì)菌后會(huì)進(jìn)行分解，產(chǎn)生氫離子、丁酸根離子，高濃度的氫離子可使酸耐受性差的大腸桿菌等致病菌大量死亡，而乳酸桿菌等有益菌因自身耐酸性得以存活并大量增殖，與此同時(shí)丁酸根離子則可通過破壞DNA結(jié)構(gòu)抑制細(xì)菌生長，從而發(fā)揮調(diào)節(jié)腸道菌群的作用［16］。當(dāng)機(jī)體受到炎癥因子侵襲，造成局部組織細(xì)胞功能障礙，甚至變性、壞死時(shí)，丁酸可影響白細(xì)胞介素2（IL-2）、IL-4、IL-8、腫瘤壞死因子（TNF-α）等炎癥因子釋放，加快中性粒細(xì)胞遷移，從而更快地發(fā)揮抗炎作用，并使受損組織得到修復(fù)［17-18］。國外研究發(fā)現(xiàn)，糞便中丁酸含量與兒童過敏性哮喘發(fā)生率呈負(fù)相關(guān)，即當(dāng)糞便中丁酸含量降低時(shí)，兒童發(fā)生過敏性哮喘的概率會(huì)隨之增加［19］。

3 腸道菌群通過SCFAs 參與過敏性哮喘發(fā)病的相關(guān)機(jī)制

3.1 激活G蛋白耦聯(lián)受體41（GPR41）/GPR43并影響其表達(dá) GPR41 和GPR43 是具有同源性的兩種特異性SCFAs受體，也是重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)分子，可以調(diào)控多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。HALNES 等［20］研究表明，SCFAs可刺激GPR41/43基因表達(dá)上調(diào)，對于緩解哮喘患者的氣道炎癥反應(yīng)具有重要作用。馬鈺等［21］研究發(fā)現(xiàn)，丁酸可以通過激活GPR41、GPR43 顯著調(diào)節(jié)T 淋巴細(xì)胞的功能，抑制炎癥因子IL-2釋放，上調(diào)抗炎因子IL-4 水平，從而達(dá)到抗炎的作用。TROMPETTE 等［22］研究發(fā)現(xiàn)，丙酸可通過降低過敏性小鼠氣道IL-4及IL-13等細(xì)胞因子表達(dá)，達(dá)到減輕機(jī)體炎性反應(yīng)和緩解小鼠癥狀的目的；雖然SCFAs能改變肺部的免疫環(huán)境，影響過敏性氣道疾病的嚴(yán)重程度，但丙酸對過敏性炎癥的作用僅依賴于GPR41，而與GPR43 無關(guān)。上述研究均表明，過敏性哮喘的病理生理過程與SCFAs參與的G蛋白耦聯(lián)受體表達(dá)下降相關(guān)，即GPR41 或GPR43 表達(dá)下調(diào)，更容易導(dǎo)致過敏性哮喘的發(fā)生或進(jìn)展。

3.2 組蛋白乙酰化修飾 目前關(guān)于GPR41 和GPR43 在過敏性哮喘氣道高反應(yīng)中的作用存在爭議。KAIKO 等［23］研究證實(shí)，丁酸抑制上皮細(xì)胞增殖的機(jī)制是通過劑量依賴性方式直接抑制組蛋白去乙?；福℉DAC），而與刺激G蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）無關(guān)。HDAC 是一類通過去除組蛋白賴氨酸殘基乙酰基團(tuán)而調(diào)控組蛋白乙?；剑罱K影響下游基因表達(dá)，進(jìn)而參與組蛋白乙?；揎椀拿讣易澹?4］。THEILER 等［25］觀察到SCFAs 能通過黏附于內(nèi)皮、遷移以及存活等機(jī)制抑制人嗜酸性粒細(xì)胞發(fā)揮作用，這些作用與GPR41、GPR43 均無關(guān)，但伴隨著組蛋白乙酰化的發(fā)生；由此推測，丁酸可抑制致敏原誘導(dǎo)的小鼠氣道以及肺部嗜酸性粒細(xì)胞增多，降低Th2細(xì)胞因子水平，以改善小鼠氣道高反應(yīng)性。此外，SCFAs 還能降低Tregs 細(xì)胞HDAC6、HDAC9表達(dá)，影響轉(zhuǎn)錄因子Foxp3去乙?；潭?，致使Foxp3降解及Tregs細(xì)胞功能障礙，從而影響機(jī)體免疫穩(wěn)態(tài)。

3.3 激活細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ERK1/2）信號通路 氣道重構(gòu)作為過敏性哮喘的重要病理特征，具有不可逆的特點(diǎn)，顯著影響患者肺功能及預(yù)后。當(dāng)哮喘長期、反復(fù)發(fā)作，無法得到有效控制時(shí)，可見氣道上皮細(xì)胞黏液化生、杯狀細(xì)胞增生、平滑肌細(xì)胞增生/肥大、細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）沉積、上皮下膠原沉積和纖維化以及血管生成增多，最終導(dǎo)致氣道結(jié)構(gòu)和功能的改變，發(fā)生氣道重塑。上述過程需要嗜酸性粒細(xì)胞、肥大細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等炎癥細(xì)胞及其產(chǎn)生的細(xì)胞因子的參與。ERK1/2 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是機(jī)體內(nèi)多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的交匯點(diǎn)，ERK1/2 被激活后能介導(dǎo)多種生長因子、炎癥介質(zhì)，參與及調(diào)控支氣管平滑肌細(xì)胞增殖，從而參與哮喘發(fā)病過程中的氣道重塑、氣道炎癥等多個(gè)環(huán)節(jié)。Th2 細(xì)胞及其細(xì)胞因子介導(dǎo)的Ⅱ型免疫反應(yīng)是哮喘氣道重構(gòu)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而ERK1/2 信號通路激活是哮喘氣道重構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)制［10］。IL-4、IL-13均主要由Th2細(xì)胞產(chǎn)生，兩者具有一定的同源性。研究表明，IL-13具有強(qiáng)大的誘導(dǎo)ERK1/2 MAPK 活化的功能，可以通過激活ERK 通路參與過敏性哮喘氣道炎癥、氣道重構(gòu)等相關(guān)機(jī)制［26］。IL-4、IL-13 可以刺激支氣管平滑肌細(xì)胞（ASMC）分泌嗜酸粒細(xì)胞趨化蛋白，而這種作用可以被ERK1/2 MAPK 特異抑制劑PD98059 所抑制。YAMASHITA 等［27］在研究RAS-ERK MAPK 級聯(lián)與Th2 細(xì)胞分化時(shí)發(fā)現(xiàn)，在Th2 細(xì)胞極化狀態(tài)下加入PD98059 抑制劑可顯著抑制Th2 細(xì)胞增殖，其分泌的IL-4、IL-13 等細(xì)胞因子表達(dá)也顯著降低，從而達(dá)到減輕哮喘氣道炎癥反應(yīng)的作用。KIM等［28］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小鼠上皮細(xì)胞ERK1/2 介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路被激活時(shí)，其糞便中SCFAs豐度有所增加，其腸道炎癥也隨之減輕，推測SCFAs 可以通過激活ERK1/2介導(dǎo)的信號通路來緩解炎癥。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs 水平與鼠檸檬酸桿菌易感性有關(guān)，其中以丁酸最為顯著，丁酸在體外可直接抑制鼠檸檬酸桿菌生長，而補(bǔ)充丁酸可在體內(nèi)得到相同的結(jié)果［29］。

3.4 介導(dǎo)Th2 細(xì)胞和Tregs 細(xì)胞 不論SCFAs 是通過上述何種途徑參與過敏性哮喘的發(fā)病，其最終都是通過影響Th2細(xì)胞和Tregs細(xì)胞實(shí)現(xiàn)的。Th2細(xì)胞過度活躍時(shí)會(huì)大量釋放針對過敏原抗體的細(xì)胞因子，而當(dāng)Tregs細(xì)胞被抑制時(shí)會(huì)導(dǎo)致過敏原相關(guān)的免疫反應(yīng)失控。因此，通過SCFAs 抑制Th2 細(xì)胞增殖、增加機(jī)體Tregs細(xì)胞數(shù)量，可以達(dá)到減輕過敏性哮喘炎癥反應(yīng)及氣道高反應(yīng)性的目的。

綜上所述，腸道菌群多樣性的改變導(dǎo)致其發(fā)酵產(chǎn)物SCFAs 的種類及含量隨之改變，進(jìn)而使氣道上皮屏障遭到破壞，引發(fā)過敏性哮喘氣道高反應(yīng)的發(fā)生。目前關(guān)于腸道菌群通過SCFAs在過敏性哮喘發(fā)病中的相關(guān)研究比較少，未來或許可以通過調(diào)節(jié)腸道菌群失衡、SCFAs 含量等途徑降低氣道高反應(yīng)的發(fā)生，也為今后哮喘的治療開辟了新方向。