環(huán)境微生物組與過敏性疾病

江翹楚，李巍

過敏性疾病是一個全球性的公共衛(wèi)生問題。在過去的幾十年中，過敏性疾病的發(fā)病率迅速上升，其中兒童新增占比最大，造成了巨大的社會經濟負擔[1]。環(huán)境因素及生活方式變化引起了生物多樣性下降及微生物組成改變，這可能是導致過敏性疾病發(fā)病率升高的關鍵因素[2-3]。根據(jù)生物多樣性假說(biodiversity hypothesis)減少與自然環(huán)境、多樣微生物的接觸，可以通過影響人體共生微生物對機體的免疫調節(jié)能力產生負面作用[4]，肯定了環(huán)境微生物和人體共生微生物對人類健康的重要意義。目前關于微生態(tài)的研究主要集中于腸道菌群，揭示了其在人體健康和多種疾病中的重要作用，而對于環(huán)境微生物組的認識和關注剛剛開始。盡管有研究已發(fā)現(xiàn)環(huán)境菌群對哮喘、過敏性鼻炎和特應性皮炎等發(fā)揮保護作用[5-7]，但對降低過敏風險的有益菌群的組成、影響因素、作用機制等還缺乏系統(tǒng)認識。本文對環(huán)境微生物組在過敏性疾病中的作用和機制的研究進行梳理，以期進一步認識和理解過敏性疾病發(fā)生的機制，為早期預防和治療提供新思路。

1 環(huán)境微生物組分析方法

環(huán)境微生物組是指特定環(huán)境中包含的細菌、真菌、病毒等微生物及其編碼基因和產物，包括內毒素、霉菌毒素等微生物釋放產物等的總稱[8]。人們通常通過測定、評估環(huán)境微生物組的各類特征，來明確其對人體健康的具體影響。環(huán)境微生物組的分析與評估方法對于最終結果的得出與解讀息息相關，包括樣本來源、采集手段、分析方法等方面。

1.1 樣本來源

由于現(xiàn)代社會人們大部分時間處于室內，環(huán)境微生物組與人類的主要作用發(fā)生于生活及工作的室內環(huán)境，因此，環(huán)境微生物組研究主要選擇室內微生物進行采集分析。在某些情況下，室外微生物也被納入評估范圍[9]，用于對比室內微生物組的特征，以明確住宅對微生物組成的潛在影響。

1.2 采集手段

室內微生物的樣本常采集于客廳和臥室，采集方法包括：拭子膠帶采樣、灰塵采樣和空氣采樣。拭子、膠帶采樣是最簡單的采樣方法，但得到的樣品不是定量樣品[10]，不能反映環(huán)境的整體微生物構成，因此不作為評估的主要依據(jù)。

灰塵采集是目前研究中最多使用的采樣方法，可細分為床墊灰塵、地板灰塵、落塵(非地板表面的沉降灰塵)，以及其他灰塵如：暖通空調灰塵、吸塵器粉塵袋灰塵等。其中，床墊灰塵采集的穩(wěn)定性高，在實驗的可重復性方面優(yōu)于空氣和落塵采樣[11]。

空氣采樣也應用于微生物的研究，可直接獲取空氣中的微生物信息，較好地代表室外微生物。但短期空氣采樣可能難以全面反映室內微生物的整體情況，需要通過增加采樣時間或多次重復取樣[12]，減少微生物波動帶來的偏差。

1.3 分析方法

早期由于測序技術不發(fā)達，對微生物組的分析依賴于微生物標志物，或對微生物基因序列的PCR產物進行克隆、測序，這些傳統(tǒng)方法在當時極大地拓展了人類對微生物多樣性的認識。然而，在進一步分析環(huán)境微生物的特征時，傳統(tǒng)方法暴露出測序深度不夠、定量精確度低、大量樣品無法同時比較研究等問題，限制了我們理解微生物與過敏性疾病的相關性。隨著高通量測序技術的發(fā)展，16s rRNA測序廣泛用于細菌鑒別及豐度、多樣性等分析，ITS(Internal Transcribed Spacer)和18s rRNA測序用于真菌信息分析。由于18s rRNA在真菌中的保守性高，18s rRNA測序在門和綱的分類水平鑒定真菌能獲得更完整的結果，而在屬的水平，ITS測序得到的鑒定結果優(yōu)于18s rRNA測序[13]，研究中采用何種測序方法取決于微生物所需在何種等級進行分類。

對環(huán)境微生物組的評估除了樣本分析，還涉及家庭清潔情況、潮濕情況、霉菌跡象以及室外環(huán)境特征[6, 14]等項目的評估與自我報告，以完善補充環(huán)境微生物組的信息，準確理解微生物與人類健康間的聯(lián)系。

2 影響環(huán)境微生物組因素及與過敏性疾病的相關性

生活環(huán)境、住宅類型、家庭成員和寵物飼養(yǎng)等影響了環(huán)境微生物組的構成，找到特定因素與有益或有害微生物間的聯(lián)系，對研究環(huán)境微生物對過敏性疾病的影響具有重要意義。

2.1 生活環(huán)境

城市居民患過敏性鼻炎、哮喘、濕疹的風險高于農村居民[15-16]，孕婦懷孕期間接觸農場環(huán)境可降低嬰兒哮喘、花粉熱的可能性[17]，對早期特應性皮炎的發(fā)生也有保護作用[18]，這些發(fā)現(xiàn)提示農場環(huán)境微生物組能降低過敏性疾病的風險。與城市家庭相比，農場家庭微生物的豐富度更高[19]，城市化水平與微生物多樣性呈負相關[20]。隨著生活區(qū)域密集度的升高，真菌和細菌的組成差異性變小[21]，這解釋了城市住宅之間細菌組成相似性較高的現(xiàn)象。住宅周圍的綠化能促進真菌多樣性的增加[22]，Dannemiller等[21]在郊區(qū)住宅中檢測出戶外植物及土壤中的真菌。農場和郊區(qū)通過更高的細菌和真菌多樣性可以降低兒童患過敏性鼻炎、哮喘和特應性皮炎的風險[14,23]。農村和城市微生物的主要構成存在差異，也會對人類健康產生不同影響。松鼠葡萄球菌(Staphylococcussciuri)存在于多種動物皮膚表面，能通過抑制病原體定植而對哮喘起保護作用，在松鼠葡萄球菌豐度高的農村，特應性疾病發(fā)病率低，存在于秸稈上的乳桿菌屬(Lactobacillus)、不動桿菌(Acinetobacter)、棒狀桿菌(Corynebacterium)、奈瑟菌(Neisseria)也起到預防氣道炎癥及特應性疾病的作用[5]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)農場家庭中厚壁菌門(Firmicutes)豐富度遠高于城市，該分類群同樣在非哮喘、非花粉熱、非特應性的人群臥室中有較高的豐度[14]，對特應性疾病具有一定的保護作用。然而，Karvonen等[6]研究報告厚壁菌門在哮喘兒童住宅中的豐度高，乳球菌屬(Lactococcus)的豐度顯示與哮喘成正相關。最近，關于環(huán)境特征菌群又有新發(fā)現(xiàn)，Gupta等[19]注意到副球菌(Paracoccus)、微球菌(Micrococcus)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)是農村環(huán)境中最豐富的三個類群，而立克次氏體目(Rickettsiales)在城市環(huán)境中的含量顯著增加；Lehtim?ki等[24]認為羅斯氏菌屬(Rothia)和嗜血桿菌屬(Haemophilus)與城市環(huán)境相關；狡詐球菌屬(Dolosigranulum)、莫拉菌屬(Moraxella)與農村環(huán)境相關。針對以上特征菌群對過敏性疾病的作用未來有待進一步研究。

空氣污染可誘發(fā)過敏性疾病。最新研究認為大氣污染，如：SO2、PM2.5升高等，也會影響環(huán)境微生物的構成；大氣微生物隨污染物濃度的增加，多樣性下降，菌群結構發(fā)生改變[25]，提示污染物可能通過改變環(huán)境微生物組，引起過敏性疾病的發(fā)生。然而相關機制目前尚不清晰，需要深入研究。

2.2 住宅類型

住宅類型的差異，包括位置、裝修、通風、潮濕情況等方面都影響著微生物的構成，進而對人類健康產生作用。在住宅位置與格局方面，一樓以上的住宅細菌多樣性降低[22]，同時，建筑面積的增加也導致變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)等豐度下降[20]，特應性疾病的易感性增加。然而Lee等[14]的研究報告擬桿菌門在哮喘和特應性患者的住宅環(huán)境中富集，有關細菌對過敏性疾病的作用及相關機理還需進一步探索。在裝修方面，Weikl等[22]發(fā)現(xiàn)光滑地板家庭的細菌多樣性高于鋪地毯的家庭，混合地板的細菌多樣性最高。通風情況也影響室內微生物組的構成，長期使用空調將導致真菌多樣性減少[26]。

住宅濕度與微生物多樣性相關聯(lián)，真菌濃度隨著住宅環(huán)境相對濕度的增加而迅速增長，其豐富度則逐漸減少。這一點在存在漏水問題的家庭中得到印證，這些家的庭灰塵中真菌數(shù)量顯著增加，微生物群以枝孢菌(Cladosporium)、鏈格孢(Alternaria)為主[27]，與兒童和青少年哮喘發(fā)病有關[28]，因此，家庭住宅環(huán)境相對濕度過高將增加過敏性疾病發(fā)生風險。此外，霉菌也與鼻炎、過敏性哮喘的發(fā)生有關，環(huán)境相對霉變指數(shù)高的家庭，兒童患哮喘的風險是環(huán)境相對霉變指數(shù)較低家庭的兩倍以上[19]。目前，在一些建筑設計與施工的指南中，已開始將環(huán)境微生物組和濕度納入標準化考量，我們需要對“健康”的住宅微生物組進行定義[29]，來降低過敏性疾病的發(fā)生。

2.3 家庭成員

較大家庭規(guī)模具有更高的細菌和真菌多樣性[25]。普氏棲糞桿菌(Faecalibacteriumprausnitzii)與含3個以上兒童的家庭及多戶住宅相關，能起到抗炎作用[30]，從而降低過敏性疾病的風險。此外，乳桿菌屬(Lactobacillus)、不動桿菌(Acinetobacter)及棒狀桿菌(Corynebacterium)在大規(guī)模家庭中也普遍存在，對過敏和哮喘具有保護作用[5, 23]。家庭中兄弟姐妹數(shù)量的增加可導致微生物豐富度增加，并隨著人數(shù)發(fā)生不同程度的變化。最近，有研究發(fā)現(xiàn)家庭中女孩數(shù)量的增加不會引起細菌和真菌豐富度變化[19]，這一點在以往的研究中并未提及，相關原因有待進一步解釋。

2.4 寵物飼養(yǎng)

寵物的存在能夠增加微生物在地板灰塵中的擴散，促進細菌和真菌豐富度顯著增加[25]，對哮喘起保護作用。在養(yǎng)寵物的家庭中，擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、γ-變形菌顯著增加[25]，Parajuil等[20]最近發(fā)現(xiàn)寵物對γ-變形菌的豐度起決定性作用，因為它們更容易接觸γ-變形菌棲息地，如水坑、濕地、土壤等，從而將菌群帶入人類室內環(huán)境。Kirjavainen等[31]發(fā)現(xiàn)室內環(huán)境存在較多種類的戶外環(huán)境細菌時，可降低兒童哮喘發(fā)病率。此外，在養(yǎng)狗家庭的微生物組中富集的約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii)也具有降低過敏性疾病的作用，野生動物在接受約氏乳桿菌后能免受呼吸道過敏原的侵襲[32]。Ownby等[33]發(fā)現(xiàn)在生命第一年，接觸2只或2只以上的狗和貓能降低過敏風險，因此早期接觸寵物是過敏性疾病預防的一個策略。

3 環(huán)境微生物組對過敏性疾病發(fā)揮作用的機制

環(huán)境微生物組通過兩種主要途徑影響過敏性疾病的發(fā)生，一種是影響定植于人體內的微生物群落如氣道微生物、腸道微生物等組成與結構，另一種是環(huán)境微生物釋放產物直接與宿主免疫系統(tǒng)相互作用，進而改變過敏性疾病的發(fā)生風險。

3.1 對體內微生物組的影響

環(huán)境微生物對塑造人體微生物群落起重要作用。特定環(huán)境細菌影響早期氣道微生物的定植，如灰塵中假鞘氨醇桿菌(Pseudosphingobacterium)、眉藻(Calothrix)等和嬰兒氣道中藤黃色桿菌(Luteibacter)呈正相關[21]。此外，研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)暴露在不同環(huán)境微生物下的小鼠，腸道微生物群落的多樣性和豐富度具有差異，環(huán)境衛(wèi)生水平的提高導致羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)含量顯著升高，降低了腸道微生物的多樣性[34]，這一現(xiàn)象解釋了城市環(huán)境相關的氣道和腸道微生物群與哮喘及濕疹發(fā)生風險增加相關。類似地，特應性皮炎與患者皮膚微生物群細菌多樣性降低顯著相關[35]，這可能是由于環(huán)境微生物的構成和多樣性下降，影響了人體皮膚表面有益微生物的定植，間接導致疾病發(fā)生，其背后涉及的細菌分類群和相關機制目前尚不明確。

3.2 對宿主免疫系統(tǒng)的刺激

環(huán)境微生物的產物通過調節(jié)免疫應答影響過敏性疾病的發(fā)生風險，大多數(shù)細菌釋放的物質如脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)、胞壁酸等能起到一定的保護作用。LPS也被定義為內毒素，是革蘭氏陰性菌細胞壁的組成成分，內毒素水平較高的牧場環(huán)境中，哮喘病發(fā)率顯著降低[36]。

已有研究在小鼠中發(fā)現(xiàn)LPS相關作用機制：給予新生小鼠50 μg高水平的LPS激活Toll樣受體4(toll-like receptor 4, TLR4)信號通路，誘導TNF-α快速生成，進而激活CD11b+樹突細胞的TNF-α/TNFR信號通路，產生白細胞介素-12(interleu-kin-12, IL-12)；CD4+T細胞在接受IL-12信號后，上調轉錄因子T-bet，從而阻止Th2細胞分化及其對過敏原的炎癥反應[37-38]，因此，新生兒及嬰兒時期接受內毒素治療在預防過敏性疾病方面具有潛在可能性。此外，IL-5、IL-10、IL-13等炎癥因子的表達在LPS暴露下也發(fā)生改變[4, 39]，可能同樣參與先天免疫通路的調節(jié)。胞壁酸是一種在革蘭氏陽性細菌細胞壁中占主導地位的成分，能通過TLR-2激活先天免疫應答發(fā)揮免疫調節(jié)作用[40]，當先天免疫刺激增強時，哮喘等過敏性疾病的易感性降低[39]。

真菌釋放產物也參與調節(jié)免疫反應。1,3-β-D-葡萄糖是真菌細胞壁的組成成分，持續(xù)性暴露可導致呼吸道過敏癥狀及氣道炎癥反應[41]，與過敏性鼻炎的風險相關，這是因為1,3-β-D-葡萄糖通過dectin-1介導的機制刺激骨髓來源樹突狀細胞產生TNF-α和IL-6，誘導Th2應答[42-43]。麥角甾醇是真菌的一種通用標記物，也是真菌細胞壁的組成部分[40]，能抑制抗原誘導的骨髓源性肥大細胞脫顆粒，從而抑制Ⅰ型超敏反應，減輕過敏性皮膚反應；此外，Kawai等[44]還發(fā)現(xiàn)口服麥角甾醇可顯著抑制抗原誘導的組胺含量增加及肥大細胞脫顆粒，這提示麥角甾醇在過敏性疾病的預防和治療方面具有一定潛力。

綜上所述，環(huán)境微生物組的探究在近幾年獲得了關注，人們開始意識到它對健康的重要意義。目前研究已明確環(huán)境微生物組受生活環(huán)境、住宅類型、家庭成員和寵物飼養(yǎng)的差異而發(fā)生變化，通過多種途徑導致過敏性疾病的發(fā)生。未來還應進一步探索環(huán)境微生物組在預防和治療過敏性疾病中的應用，通過改善環(huán)境微生物組的構成，減少有害微生物的暴露，以促進健康，避免過敏性疾病的發(fā)生。