腸道菌群在氣道變應(yīng)性疾病中的研究進(jìn)展

江妙華，涂博 綜述李輝 審校

暨南大學(xué)附屬第一醫(yī)院耳鼻咽喉頭頸外科，廣東廣州510000

腸道菌群是近年來的比較熱門的研究領(lǐng)域，其不僅與人體健康，還和多種疾病的發(fā)生和發(fā)展有著密切關(guān)系。大量的研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群除了影響腸道自身的微生態(tài)環(huán)境外，也在不同程度上參與機(jī)體的其他正常功能活動，影響著機(jī)體各系統(tǒng)。因此，腸道菌群紊亂會導(dǎo)致人體多個系統(tǒng)功能障礙，如：呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)等，從而損害機(jī)體的健康。目前有不少學(xué)者嘗試揭示腸道微生物群和哮喘、變應(yīng)性鼻炎之間互相作用的機(jī)制，但仍存在許多問題尚待探討，特別是腸道菌群與變應(yīng)性鼻炎之間的關(guān)系。本文將著重對腸道菌群與氣道變應(yīng)性疾病(哮喘、變應(yīng)性鼻炎)的相關(guān)性研究進(jìn)行綜述，以及學(xué)習(xí)“腸-肺軸”這個新概念，旨在為腸道菌群與氣道變應(yīng)性疾病的發(fā)生機(jī)制和治療提供依據(jù)。

1 腸道菌群

腸道是人體最大的消化和排毒臟器，其盤旋迂回的結(jié)構(gòu)被形象地稱為人體第二大腦。腸道中存在著數(shù)以億計的微生物，其中包含細(xì)菌、病毒、真菌、寄生蟲等。目前已知的腸道細(xì)菌種類有1 000多種，主要包括擬桿菌門、放線菌門、厚壁菌門、和疣微菌門。腸道內(nèi)寄生有約38萬億細(xì)菌，微生物基因組序列包含3×106個基因，大概是人類基因組長度的150倍[1]。根據(jù)胃腸道不同部位的pH梯度和氧含量不同而分布著不同的菌群[2]。它們是人體內(nèi)相當(dāng)重要的一種外環(huán)境，不同微生物按一定比例組成，相互制約與依存，在質(zhì)和量上構(gòu)成一種生態(tài)平衡。當(dāng)人體腸道菌群失去平衡時，會影響人體免疫力，從而導(dǎo)致多種疾病的發(fā)生。人類腸道及其微生物組的相互作用受到飲食和環(huán)境變化的制約，導(dǎo)致機(jī)體自主選擇適合生存的細(xì)菌，以獲得防御和營養(yǎng)優(yōu)勢。此外，對于嬰兒而言，分娩時間、分娩方式、產(chǎn)婦年齡、住院、體質(zhì)量指數(shù)、吸煙狀況、社會經(jīng)濟(jì)狀況、母乳喂養(yǎng)、抗生素使用等都影響著其微生物群的發(fā)育[3]。

2 肺部菌群

相比對腸道菌群的了解認(rèn)識，研究者對肺部微生態(tài)就知之甚少了。在過去，呼吸道常被認(rèn)為是無菌的，形成這種觀念的主要原因是肺部細(xì)菌培養(yǎng)非常困難，但最近這種觀念被宏基因組學(xué)數(shù)據(jù)分析所否定，該數(shù)據(jù)揭示了在健康新生兒中也存在很多微生物[4]。最新研究發(fā)現(xiàn)，通過比較同一個人的支氣管肺泡灌洗(BAL)樣品和口腔清洗樣品，可以觀察到肺部和口腔微生物組之間的顯著相似性，提示這些微生物很可能是經(jīng)由呼吸道吸入肺臟[5]。肺部微生物主要分為以下四個門：擬桿菌門、變形桿菌門、硬毛菌門和放線菌門[6]。與周圍部位的菌群分布相比，肺臟普雷沃菌的濃度降低、變形菌門細(xì)菌變豐富，特別是腸桿菌科細(xì)菌、雷氏菌屬細(xì)菌和嗜血桿菌屬細(xì)菌尤其適合在肺臟環(huán)境中定植存在[7]。

3 腸-肺軸

從胚胎發(fā)育角度來看，腸和氣道的上皮細(xì)胞來自相同的胚胎結(jié)構(gòu)，即內(nèi)胚層的前腸區(qū)域。因此，他們的解剖結(jié)構(gòu)很相似，具有柱狀型上皮，杯狀細(xì)胞和粘液腺。黏膜下層的淋巴組織由抗原呈遞細(xì)胞和能夠釋放促炎性細(xì)胞因子的淋巴細(xì)胞組成，并且在固有免疫和適應(yīng)性免疫防御中均起著重要的作用，是胃腸道和呼吸道屏障功能的一部分[8]。除了黏膜特性和免疫系統(tǒng)等內(nèi)源性因素外，飲食結(jié)構(gòu)、感染性疾病、抗生素類藥物、生活習(xí)慣和環(huán)境等外源性因素同樣影響肺、腸道微生態(tài)中的細(xì)菌組成，這方面的研究近年來也逐漸被人們所關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，一方面當(dāng)機(jī)體發(fā)生肺部感染造成微生態(tài)紊亂時，腸道微生態(tài)也遭受破壞。相比于正常人，患有喘息性支氣管炎的小兒腸道雙歧桿菌顯著減少，而大腸埃希菌卻顯著增加[9]。另一方面，消化道疾病可以造成的腸道微生態(tài)紊亂，往往伴隨肺部疾病的發(fā)生，如：據(jù)統(tǒng)計，40%～60%炎癥性腸炎(IBD)患者在肺功能測試和高分辨率斷層成像(HRCT)下證明具有一定程度的亞臨床肺部受累[8]。2019年新型冠狀病毒肺炎的患者(尤其重癥患者)除了有咳嗽、發(fā)熱、胸悶和乏力的主要癥狀外，同時還可能伴有胃腸癥狀(如腹瀉、惡心、嘔吐等)[10]。這就形成“腸-肺”軸的新概念。但是目前的研究資料有限，其中的機(jī)制仍未弄明白，仍需進(jìn)一步探索。

4 腸道菌群與氣道變應(yīng)性疾病

氣道變應(yīng)性疾病主要指上氣道變應(yīng)性鼻炎和下氣道支氣管哮喘，是一類以肥大細(xì)胞、淋巴細(xì)胞和嗜酸性細(xì)胞等反應(yīng)為主，多種炎性介質(zhì)共同參與的慢性變態(tài)反應(yīng)性疾病。在“同一氣道，同一疾病”這一概念下，他們常被認(rèn)為聯(lián)合病，因兩者具有相似的病理生理學(xué)機(jī)制及病理學(xué)表現(xiàn)[11]。

4.1 腸道菌群與哮喘支氣管哮喘是全世界最常見的慢性氣道疾病之一，它能影響所有年齡段，但通常始于兒童時期，其特征是喘息、呼吸急促、胸悶和咳嗽，其發(fā)生時間、頻率和嚴(yán)重程度可隨時間變化[12]。以上癥狀主要與可逆的呼氣氣流障礙有關(guān)，即由于支氣管收縮、氣道壁增厚和黏液產(chǎn)生增多而造成呼吸困難和呼氣時間延長。

臨床研究發(fā)現(xiàn)，對于處于哮喘高風(fēng)險的嬰兒來說，腸道菌群大體上并未發(fā)生明顯變化，但是某些菌群會在出生后的幾個月內(nèi)發(fā)生短暫性的細(xì)微變化[13]。如果在出生后初期腸道有艱難梭菌定植，可能會增加哮喘發(fā)病風(fēng)險[14]。與6～14歲健康兒童相比較，哮喘兒童的腸道細(xì)菌總數(shù)量明顯升高，而益生菌(如:雙歧桿菌和乳酸桿菌)的水平明顯降低,有害細(xì)菌(如：大腸桿菌、鏈球菌和葡萄球菌)的水平顯著升高[15]。然而很多關(guān)于菌群分析的研究結(jié)果并不太一致。在成年個體中，過敏性哮喘患者與健康個體糞便菌群雖然沒有顯著差異，但還是存在菌屬特異性差異，比如青春雙歧桿菌豐富度與哮喘發(fā)病存在負(fù)相關(guān)[16]。以上研究表明腸道菌群的微生態(tài)、菌屬與哮喘發(fā)生發(fā)展有著密切關(guān)聯(lián)。另有關(guān)于益生菌治療哮喘的系統(tǒng)分析也支持上述觀點，盡管補(bǔ)充益生菌未能明顯減輕臨床癥狀，但能調(diào)節(jié)血清細(xì)胞因子和血清IgE濃度下降并減少嗜酸性粒細(xì)胞[17-18]。

此外，已經(jīng)有不少學(xué)者正著手研究腸道菌群對哮喘免疫反應(yīng)的作用機(jī)制。CHUA等[19]給小鼠喂食Rgnavus后，小鼠出現(xiàn)氣道過敏性炎癥，其主要機(jī)制是Rgnavus造成結(jié)腸和肺中T-helper 2細(xì)胞膨脹，導(dǎo)致肥大細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞浸潤結(jié)腸和肺實質(zhì)。有研究者在重癥哮喘的小鼠模型實驗中發(fā)現(xiàn)，短雙歧桿菌MRx0004可以抑制嗜酸性粒細(xì)胞和中性粒細(xì)胞肺浸潤，從而起到預(yù)防氣道炎癥的作用[20]。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充益生菌(鼠李糖乳桿菌、唾液乳桿菌等菌)主要通過CD4(+)CD25(+)Foxp3(+)Treg細(xì)胞介導(dǎo)免疫調(diào)節(jié)，來減輕以卵清蛋白(OVA)誘導(dǎo)的呼吸道變應(yīng)性疾病(ADD)小鼠模型中的過敏性哮喘癥狀[21-22]。JOHNSON等[23]研究表明，有哮喘高風(fēng)險的嬰兒糞便中LPS水平降低，經(jīng)過小鼠模型實驗發(fā)現(xiàn)脆弱擬桿菌的莢膜多糖(PSA)可以通過誘導(dǎo)T細(xì)胞IL-10反應(yīng)抑制氣道炎性疾病的發(fā)生。幽門螺桿菌可以通過調(diào)節(jié)性T細(xì)胞(Treg)對效應(yīng)T細(xì)胞的傾斜，表達(dá)CXCR3或RORγT的Treg亞群的擴(kuò)增，以及FOXP3位點的去甲基化，來減輕氣道過敏炎癥反應(yīng)，并且其還能顯著影響胃腸道微生物群的組成和多樣性[24]。

腸道菌群也可以通過產(chǎn)生或者分泌代謝物影響哮喘的發(fā)生。BANDEIRA等[25]通過構(gòu)建ADD小鼠模型，證明適當(dāng)?shù)睦w維補(bǔ)充可有效促進(jìn)Th1/Th2免疫平衡，降低血清IgE濃度，顯著減輕氣道變應(yīng)性炎癥反應(yīng)。高纖維攝入主要增加了血清中的短鏈脂肪酸(SCFA)水平，特別是乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽[26]。高濃度SCFA不僅能夠通過抑制T細(xì)胞和DC依賴性機(jī)制減輕過敏性肺部炎癥[27]，還可以降低腸道pH值，從而抑制大腸桿菌和腸桿菌科等致病菌生長[28]。乙酸鹽能通過抑制組蛋白脫乙?；?(HDAC9)增加Foxp3啟動子的乙酰化作用，從而增加Treg細(xì)胞[26]。丙酸酯對變應(yīng)性炎癥的作用取決于G蛋白偶聯(lián)受體41(GPR41，也稱為游離脂肪酸受體3或FFAR3)表達(dá)[29]。腸道菌群的代謝物與相應(yīng)的G蛋白偶聯(lián)受體(例如GPR43，GPR41和GPR109A)結(jié)合后，這些受體能促進(jìn)腸內(nèi)穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)。例如，這些受體及其代謝物可影響Treg生物學(xué)、上皮完整性、腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)、DC生物學(xué)和IgA抗體反應(yīng)[30]。總的來說，高纖維飲食或醋酸鹽喂養(yǎng)主要通過塑造腸道微生物群并增強(qiáng)Tregs的發(fā)育和功能，以及改變后代發(fā)展AAD的能力，從而抑制了過敏性哮喘的發(fā)生[26]。另外，D-色氨酸屬于益生菌的產(chǎn)物，其能增加肺以及腸道Treg細(xì)胞的數(shù)量，降低肺Th2反應(yīng)，并減輕了過敏性氣道炎癥反應(yīng)。同時D-色氨酸還可以增加腸道微生物多樣性[31]。除此之外，哮喘高風(fēng)險的新生兒的糞便中發(fā)現(xiàn)含有高濃度的12,13-diHOME(主要由糞腸球菌、雙歧桿菌產(chǎn)生)，其能減少Tregs細(xì)胞數(shù)量和增加血清IgE濃度，進(jìn)而加重氣道過敏性炎癥反應(yīng)[32]。

4.2 腸道菌群與變應(yīng)性鼻炎變應(yīng)性鼻炎是特應(yīng)性個體接觸致敏原后由IgE介導(dǎo)的介質(zhì)(主要是組胺)釋放，并有多種免疫活性細(xì)胞和細(xì)胞因子等參與的鼻黏膜非感染慢性炎癥疾病，以鼻癢、噴嚏、鼻分泌亢進(jìn)、鼻黏膜腫脹等為主要特點[33]。日本流行病學(xué)調(diào)查表明，腸道細(xì)菌菌群可能會影響過敏性疾病(哮喘、變應(yīng)性鼻炎)的癥狀加重和緩解[34]。嬰兒出生后的前6年，腸道菌群菌屬多樣性降低與變應(yīng)性鼻炎發(fā)病風(fēng)險增加和外周血嗜酸性粒細(xì)胞增多呈負(fù)相關(guān)[35]。與健康兒童相比，患有變應(yīng)性鼻炎的兒童中厚壁菌門的生物豐富度顯著降低，并且多利亞屬在AR患兒中含量與糞便總IgE水平呈負(fù)相關(guān)[36]。而與健康成年人相比，AR患者腸道菌群多樣性顯著降低。比如，在門的水平上，AR組擬桿菌的相對豐富度高于對照組，而放線菌和蛋白菌的相對豐度則低于對照組。而在屬水平上，AR組的大腸桿菌志普氏菌、賀氏菌和對羥基半乳桿菌的相對豐度顯著高于對照組[37]。SHI等[38]通過構(gòu)建AAD小鼠模型證明腸道菌群失調(diào)(ID)會引起鼻腔摩擦、打噴嚏、血清IgE水平和腫瘤壞死因子α(TNF-α)增加。并且，ID還可以抑制AAD小鼠的microRNA-130a表達(dá)，再進(jìn)一步分子研究發(fā)現(xiàn)microRNA-130a可以抑制TNF-α表達(dá)。因此，ID可能通過抑制microRNA-130a后上調(diào)TNF-α，進(jìn)而增加了AAD的易感性和氣道過敏性炎癥反應(yīng)。

據(jù)臨床數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，嬰兒期使用抑酸藥物(H2RA和PPI)或抗生素與兒童過敏性疾病(變應(yīng)性鼻炎和哮喘)的發(fā)展存在顯著關(guān)聯(lián)。尤其，口服抑酸藥物與變應(yīng)性鼻炎和哮喘的風(fēng)險增加呈正相關(guān)[39]。另有研究發(fā)現(xiàn)，雖然在生命的第1年內(nèi)使用抗生素與變應(yīng)性鼻炎無關(guān)。但終生使用抗生素與哮喘和過敏性鼻炎之間存在顯著關(guān)聯(lián)，且存在顯著的劑量反應(yīng)關(guān)系[40]。上述藥物主要通過影響腸道菌群的微生態(tài)及菌屬，從而增加過敏性鼻炎兒童的發(fā)病風(fēng)險。另外，人參皂苷Rd和雙歧桿菌發(fā)酵的eRG(fRG)能夠通過抑制IgE、IL-4、IL-5和IL-13表達(dá)，并恢復(fù)腸道菌群組成來減輕AR患者癥狀[41]。

目前有不少學(xué)者針對益生菌對AR患者的作用進(jìn)行研究。據(jù)報道，乳酸菌、雙歧桿菌等益生菌對變應(yīng)性鼻炎患者有預(yù)防、緩解癥狀、提高生活質(zhì)量的作用[42]。有系統(tǒng)分析表明，益生菌能夠改善過敏性鼻炎患者的癥狀和生活質(zhì)量[43-44]。然而也有研究表明使用益生菌與安慰劑分別治療AR患兒，效果并未表現(xiàn)出明顯差異[45]。最近研究發(fā)現(xiàn)，AR患者進(jìn)行草花粉鼻激發(fā)試驗(NPT)之前短期服用副干酪乳桿菌(ST11)發(fā)酵乳治療，可顯著改善NPT的臨床指標(biāo)(主觀鼻塞)和下調(diào)的全身免疫指標(biāo)(外周血單核細(xì)胞IL-5和血清IgG4)[46]。此外，補(bǔ)充熱處理后糞腸球菌TN-3(TN)可通過調(diào)節(jié)IFN-γ和IL-4的細(xì)胞因子水平，減少抗原特異性IgE，進(jìn)而減輕AR模型小鼠的鼻癥狀和減少嗜酸性細(xì)胞[47]。而補(bǔ)充長雙歧桿菌IM55和植物乳桿菌IM76可以通過恢復(fù)Th2/Treg失衡和腸道菌群紊亂來減輕AR癥狀[48]。迄今為止，專家們對益生菌在預(yù)防和治療過敏方面的意見尚未達(dá)成共識。

5 展望

腸道微生物構(gòu)成十分復(fù)雜，目前對菌群和宿主之間相互作用的探索尚處于起步階段，這些相互影響極其復(fù)雜，其中任何局部改變均可能對機(jī)體健康造成影響?，F(xiàn)階段，目前只能從現(xiàn)有研究數(shù)據(jù)得知腸道微生物組主要由以下三個方面參與氣道變應(yīng)性疾病進(jìn)程、影響其發(fā)生發(fā)展：①微生態(tài)；②菌屬；③微生物的代謝物。而兩者之間的具體作用機(jī)制仍尚未完全闡明。此外，關(guān)于“腸-肺軸”這個新概念的研究也完全處于初步階段，并且目前也沒更多關(guān)于對腸道菌群和肺部菌群在協(xié)助機(jī)體抵抗疾病中的相對重要性的研究和報道。盡管如此，它們?nèi)允乾F(xiàn)在及未來研究熱點，目前已經(jīng)有不少專家學(xué)者著手這方面研究，旨在揭示它們之間的復(fù)雜機(jī)制。隨著未來的樣品處理方法不斷更新、測序技術(shù)不斷進(jìn)步和測序結(jié)果解讀深度不斷提高，這個領(lǐng)域?qū)〉弥卮蟮耐黄?。并且，以腸道菌群作為新的靶點，將會為氣道變應(yīng)性疾病的預(yù)防和治療提供更加安全有效的途徑，也會給更多新型藥物的開發(fā)提供新的思路，對未來醫(yī)學(xué)發(fā)展具有重要意義。