腸道菌群及免疫調(diào)節(jié)與兒童哮喘關(guān)系的研究進(jìn)展

崔天怡，劉佳蕊，呂彬，高秀梅，趙鑫*

支氣管哮喘（以下簡(jiǎn)稱哮喘）在全球范圍發(fā)病率較高，且通常情況下，哮喘患者常從幼兒期開始出現(xiàn)癥狀［1］。兒童哮喘伴隨反復(fù)發(fā)作的喘息、咳嗽、氣促、胸悶等臨床表現(xiàn)，以慢性氣道炎癥和氣道高反應(yīng)性為主要特征［2］。哮喘與免疫調(diào)節(jié)密切相關(guān)，個(gè)體易感性、病毒感染、過敏原暴露等因素導(dǎo)致免疫失衡引發(fā)哮喘［3］，而且免疫細(xì)胞在哮喘的發(fā)展過程中起著關(guān)鍵作用。兒童哮喘具有多種不同的臨床和病理生理特征。值得注意的是，哮喘患兒的腸道微生物組成與健康兒童相比有顯著差異。臨床研究表明，3 月齡哮喘患兒的糞便樣本中毛螺菌屬（Lachnospira）、韋榮氏菌屬（Veillonella）、糞桿菌屬（Faecalibacterium）和羅斯氏菌屬（Roseburia）的相對(duì)豐度顯著降低，并伴有乙酸鹽合成減少和腸肝代謝產(chǎn)物失調(diào)［4］。另一項(xiàng)隊(duì)列研究證實(shí)，糞便樣本中鏈球菌（Streptococcus）和擬桿菌（Bacteroides）的相對(duì)豐度增加，且雙歧桿菌（Bifidobacterium）和瘤胃球菌（Ruminococcus）相對(duì)豐度降低的3 月齡兒童，在其5 歲時(shí)患特應(yīng)性喘息的風(fēng)險(xiǎn)更高［5］。腸道中雙歧桿菌、阿克曼菌屬（Akkermansia）和糞桿菌屬相對(duì)豐度較低，且念珠菌（Candida）和紅酵母（Rhodotorula）相對(duì)豐度較高的兒童發(fā)生特應(yīng)性哮喘的風(fēng)險(xiǎn)升高［6］。在生命早期，免疫系統(tǒng)的成熟與微生物群的形成同時(shí)發(fā)生。由于腸道微生物對(duì)于調(diào)節(jié)免疫細(xì)胞功能和抵抗致病菌有重要影響，因此嬰幼兒期的腸道微生物定植與失調(diào)同包括哮喘在內(nèi)的眾多呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生密切相關(guān)。此外，腸道菌群失調(diào)誘發(fā)腸道損傷及黏膜免疫功能失調(diào)，加速了哮喘的發(fā)生與發(fā)展。因此，本文概述了哮喘兒童的腸道菌群特征和基于“腸-肺軸”的免疫調(diào)節(jié)機(jī)制，并探討菌群精準(zhǔn)化治療哮喘在未來的應(yīng)用前景。

1 哮喘中的免疫調(diào)節(jié)依賴于腸道菌群

多項(xiàng)臨床和基礎(chǔ)研究已證實(shí)了腸上皮細(xì)胞和腸固有免疫細(xì)胞通過吸收內(nèi)皮細(xì)胞的信號(hào)，形成局部細(xì)胞因子微環(huán)境，從而導(dǎo)致遠(yuǎn)端呼吸道免疫反應(yīng)的改變［7-11］。兒童哮喘涉及先天和獲得性免疫反應(yīng)，以下將具體闡述腸道菌群對(duì)兒童免疫系統(tǒng)的影響及其與兒童哮喘的關(guān)系（圖1）。

圖1 腸道微生物參與調(diào)節(jié)哮喘的免疫反應(yīng)Figure 1 Gut microbiota regulate the immune response in asthma

1.1 腸道菌群調(diào)節(jié)T 淋巴細(xì)胞群 T 淋巴細(xì)胞包括輔助型T淋巴細(xì)胞（Th 細(xì)胞）和調(diào)節(jié)性T 淋巴細(xì)胞（Treg 細(xì)胞），具有調(diào)節(jié)機(jī)體免疫活動(dòng)、維持對(duì)自身抗原的耐受性以及阻礙自身免疫性疾病發(fā)生發(fā)展的功效［12］。過敏性哮喘的慢性炎癥多由常見的、非致病性的過敏原產(chǎn)生的Th2 型免疫反應(yīng)增強(qiáng)所致［12-13］，且免疫球蛋白E（IgE）水平升高［13-14］。Th2 細(xì)胞產(chǎn)生的細(xì)胞因子白介素4（IL-4）、白介素5（IL-5）、白介素9（IL-9）等通過刺激B 淋巴細(xì)胞產(chǎn)生嗜酸粒細(xì)胞和IgE 抗體，進(jìn)而促進(jìn)肥大細(xì)胞釋放組胺、5-羥色胺和白三烯，造成支氣管收縮及過敏反應(yīng)［15］。Th1 細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子白介素2（IL-2）、干擾素γ（IFN-γ）、腫瘤壞死因子β（TNF-β）等促進(jìn)巨噬細(xì)胞介導(dǎo)的免疫應(yīng)答過程［16］。研究表明，Th1/Th2 平衡及Treg 細(xì)胞的免疫功能受腸道微生物的調(diào)節(jié)，如腸道分節(jié)絲狀菌（segmented filamentous bacteria，SFB）直接刺激Th17 分化［17］、梭狀芽孢桿菌（Clostridium spp.）參與誘導(dǎo)Treg 產(chǎn)生［18］、擬桿菌參與調(diào)節(jié)Th1/Th2 平衡［19］。因此，從腸道菌群入手對(duì)T淋巴細(xì)胞的免疫反應(yīng)調(diào)節(jié)有助于緩解哮喘。

1.2 腸道菌群調(diào)節(jié)氣道上皮細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞（DCs） 氣道上皮細(xì)胞在協(xié)調(diào)先天和獲得性免疫方面起著重要作用，而先天免疫和獲得性免疫參與了哮喘的發(fā)展［20］。上皮細(xì)胞調(diào)控免疫球蛋白A（IgA）抗體、防御素和溶菌酶的局部免疫活性，這些免疫活性也受白介素33（IL-33）、白介素25（IL-25）和胸腺基質(zhì)淋巴生成素（TSLP）的調(diào)節(jié)，后者刺激Th2 型炎癥并促進(jìn)哮喘發(fā)生。另一項(xiàng)相關(guān)研究證實(shí)了抗TSLP 抗體能夠抑制由上皮細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的Th2 炎性反應(yīng)，該抗體可使過敏原誘導(dǎo)的支氣管收縮減少，并降低呼出氣一氧化氮（NO）水平和痰中嗜酸粒細(xì)胞的數(shù)量，上皮細(xì)胞還產(chǎn)生其他調(diào)節(jié)細(xì)胞因子，如白介素10（IL-10）和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β（TGF-β）［21］。腸道菌群通過代謝L-酪氨酸使甲酚硫酸鹽（PCS）水平升高，該作用促進(jìn)了表皮生長(zhǎng)因子受體（EGFR）和Toll 樣受體4（TLR4）信號(hào)解偶聯(lián)，從而減少了氣道上皮細(xì)胞CC 族趨化因子（CCL20）的產(chǎn)生，保護(hù)宿主抵抗過敏性氣道炎癥［22］。該研究提示腸道菌群代謝產(chǎn)物可作用于遠(yuǎn)端氣道上皮細(xì)胞從而減少過敏性哮喘反應(yīng)。

DCs 是先天免疫和獲得性免疫之間的重要紐帶，其影響過敏性哮喘的發(fā)展。DCs 呈現(xiàn)給免疫系統(tǒng)的微生物片段可以促進(jìn)許多調(diào)節(jié)和適應(yīng)性反應(yīng)，包括Th1、Th2 和Th17 細(xì)胞通路［23-24］。最近的研究證實(shí)了肺DCs 在哮喘中的作用，DCs 可以激活幾種免疫細(xì)胞類型，如T 淋巴細(xì)胞和固有淋巴樣細(xì)胞（ILCs），這些細(xì)胞能夠提供針對(duì)共生菌的環(huán)境信號(hào)［25］。

1.3 “腸-肺軸”免疫細(xì)胞遷移依賴于微生物群 “腸-肺軸”的通訊機(jī)制也涉及免疫細(xì)胞，如2 型固有淋巴樣細(xì)胞（ILC2）、3 型固有淋巴樣細(xì)胞（ILC3）和Th17 細(xì)胞，通過血液循環(huán)從腸道直接遷移到呼吸道，參與哮喘的發(fā)病過程［26］。研究表明，通過給一只小鼠腹腔注射細(xì)胞因子IL-25，激活其腸道的炎癥性ILC2，將ILC2 移植至正常小鼠體內(nèi)可觀察到ILC2 細(xì)胞向肺部遷移［26-27］，但若是小鼠在注射IL-25 后服用抗生素并感染巴西擬青霉（Penicillium），則遷移現(xiàn)象并不明顯［27］，該實(shí)驗(yàn)證實(shí)了免疫細(xì)胞遷移可以依賴于微生物群。免疫細(xì)胞在腸道和肺部之間的轉(zhuǎn)移可能會(huì)增強(qiáng)宿主抵抗感染的能力，例如，腸道DCs 調(diào)控表達(dá)白介素22（IL-22）的ILC3 遷移到肺部并介導(dǎo)對(duì)炎癥的保護(hù)，該過程需要依賴于腸道共生菌的參與［28］。然而，這樣的串?dāng)_也可能在疾病中發(fā)生，因?yàn)镾FB特異性Th17 細(xì)胞帶有雙重T 淋巴細(xì)胞抗原受體，一個(gè)是SFB特異性的，另一個(gè)是自身抗原特異性的，其遷移到呼吸道并且會(huì)促進(jìn)肺部病理性損傷加重［29］。

2 腸道菌群代謝物參與免疫調(diào)節(jié)機(jī)制

2.1 脂多糖或肽聚糖 具有表達(dá)模式識(shí)別受體（如Toll 受體或核苷酸結(jié)合結(jié)構(gòu)域、富含亮氨酸重復(fù)的受體）的宿主細(xì)胞——可溶性腸道微生物代謝物肽聚糖或脂多糖（LPS），經(jīng)循環(huán)運(yùn)輸是腸道微生物和呼吸系統(tǒng)溝通的主要方式。經(jīng)抗生素干預(yù)的小鼠直腸內(nèi)注射LPS，可恢復(fù)其對(duì)流感病毒肺部感染的免疫反應(yīng)能力［30］。LPS 失活小鼠在塵螨中產(chǎn)生Th2 細(xì)胞反應(yīng)的能力降低，這表明具備生物活性的LPS 對(duì)哮喘具有預(yù)防作用［31］。不過，當(dāng)研究人員給耗盡腸道微生物群的小鼠腸內(nèi)注射LPS 時(shí)，這種預(yù)防作用就消失了［31］。這些實(shí)驗(yàn)反映了腸道微生物衍生的LPS 影響呼吸道對(duì)過敏原反應(yīng)的能力。

2.2 短鏈脂肪酸 經(jīng)微生物群代謝產(chǎn)生的短鏈脂肪酸（SCFAs），包括丁酸、丙酸和醋酸，釋放至腸腔后，會(huì)在腸道形成局部免疫反應(yīng)［32-33］。臨床研究表明，1 歲時(shí)糞便中丁酸酯和丙酸酯含量較高的兒童患過敏性哮喘的概率顯著降低，并且在其成長(zhǎng)到3～6 歲時(shí)患哮喘的可能性較?。?4］。不同于胃腸道的SCFAs 經(jīng)門靜脈輸送到肝臟進(jìn)行代謝，未代謝的SCFAs 進(jìn)入外周循環(huán)和身體遠(yuǎn)端部位會(huì)影響免疫細(xì)胞的發(fā)育。研究證實(shí)，口服丙酸可以通過削弱對(duì)DCs 的招募，從而抑制Th2 細(xì)胞功能，進(jìn)而減輕小鼠過敏性氣道炎癥［35］。在經(jīng)萬古霉素干預(yù)的口服丁酸鹽、丙酸鹽和醋酸混合物的小鼠中，也被證實(shí)DCs 功能減弱與肺部過敏反應(yīng)相關(guān)［36］。在哮喘的小鼠模型中，喂食小鼠醋酸有利于Treg 細(xì)胞的分化［37］。另外，有研究結(jié)果提示SCFAs 可減輕雞卵白蛋白（OVA）和屋塵螨（HDM）誘導(dǎo)的氣道炎癥模型的炎性反應(yīng)［36］。此外，在妊娠和斷奶期間小鼠口服SCFAs 可以保護(hù)后代免受過敏引起的肺部炎癥，尤其是服用丁酸酯后，可有效誘導(dǎo)后代肺部的Treg 細(xì)胞增加［34］。

最新的證據(jù)表明“肺-腸軸”是雙向的［38］，例如LPS刺激小鼠肺臟可以導(dǎo)致腸道細(xì)菌數(shù)量顯著增加［39］，并且細(xì)菌性肺炎會(huì)導(dǎo)致腸道損傷［40］并減少腸上皮細(xì)胞增殖。此外，來自腸道細(xì)菌的SCFAs 通過與G 蛋白受體結(jié)合或通過羥甲基戊二酰輔酶A（HMGCoA）還原酶抑制甲羥戊酸途徑來抑制先天免疫應(yīng)答，發(fā)揮對(duì)肺部炎性反應(yīng)的抑制作用［41］。其他已知具有免疫調(diào)節(jié)作用的腸道微生物代謝物，包括膽汁酸、吲哚衍生物（膳食色氨酸代謝產(chǎn)物）、煙堿、多胺（l-精氨酸代謝產(chǎn)物）、尿素A、丙酮酸和乳酸，在維持腸道內(nèi)穩(wěn)態(tài)中均有重要作用［42-45］。然而，這些腸道微生物代謝物是否影響呼吸系統(tǒng)健康仍有待確定。

3 益生菌改善哮喘的前景分析

應(yīng)用益生菌對(duì)呼吸系統(tǒng)疾病的預(yù)防和治療已有文獻(xiàn)報(bào)道［46-47］。使用益生菌或益生元防治兒童哮喘已開展了多項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)（RCT）。2020 年一項(xiàng)薈萃分析顯示，應(yīng)用益生菌可以顯著降低特應(yīng)性哮喘嬰兒的喘息發(fā)生率［48］。此外，應(yīng)用雙歧桿菌和乳酸乳球菌（Lactococcus lactis）能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生IL-10，并參與抑制Th2 細(xì)胞因子IL-5 和白介素13（IL-13）的表達(dá)［49-51］，這些免疫細(xì)胞因子的改變有助于預(yù)防或治療過敏性哮喘。然而，也有研究表明在產(chǎn)前或產(chǎn)后使用乳桿菌（Lactobacillus）和雙歧桿菌對(duì)兒童哮喘發(fā)生率無顯著影響［49，52-62］。動(dòng)物研究中，口服鼠李糖乳桿菌（Lactobacillus rhamnosus）［63-64］、羅伊氏乳桿菌（Lactobacillusreuteri）［65］、副干酪乳桿菌（Lactobacillus paracasei）［66］和雙歧桿菌［63］已被證實(shí)能夠減輕哮喘小鼠的肺部損傷，其主要機(jī)制是通過促進(jìn)Treg 細(xì)胞和Th1 細(xì)胞的活性，從而發(fā)揮保護(hù)性免疫作用［63，67］。在OVA 誘導(dǎo)的小鼠哮喘模型中，益生菌降低了血清中特異性IgE 水平，減少了支氣管肺泡灌洗液和血清中炎性Th2 細(xì)胞數(shù)量［68］。使用乳酸乳球菌NZ9000 減少了OVA誘導(dǎo)的哮喘大鼠支氣管肺泡腔中嗜酸粒細(xì)胞的浸潤(rùn)，并降低了肺組織中IL-4 和IL-5 的表達(dá)以及血清中特異性IgE 的水平［69］。此外，益生菌對(duì)呼吸道病毒感染的保護(hù)作用在大量動(dòng)物模型中已被證實(shí)，其主要機(jī)制是通過誘導(dǎo)相關(guān)抗體的產(chǎn)生［70］、提高自然殺傷細(xì)胞的活性［71］、分泌Ⅰ型干擾素和INF-γ［71-72］，以及誘導(dǎo)生成具有抗炎作用的細(xì)胞因子如IL-10［73］，發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用。盡管諸多研究證明了，腸道菌群在調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和預(yù)防過敏性哮喘方面具有較大潛力，但應(yīng)用益生菌進(jìn)行哮喘治療的可行性以及有效性仍需深入探索。

4 展望

近20 年的研究使人們對(duì)腸道微生物在肺部疾病中的作用有了一定的認(rèn)識(shí)，并明確了兒童哮喘發(fā)生發(fā)展與腸道微生物的密切關(guān)系，例如毛螺菌、瘤胃球菌、韋榮氏菌、糞桿菌和羅斯氏菌、雙歧桿菌、阿克曼菌和糞桿菌在兒童腸道內(nèi)豐度相對(duì)較低，且念珠菌和紅酵母相對(duì)豐度較高時(shí)兒童特應(yīng)性哮喘風(fēng)險(xiǎn)升高［4，6］。腸道菌群結(jié)構(gòu)特征的改變將導(dǎo)致包括LPS、短鏈脂肪酸、氨基酸和膽汁酸在內(nèi)的腸道細(xì)菌代謝產(chǎn)物含量變化，而這些代謝產(chǎn)物均已被證實(shí)能夠作為內(nèi)源性小分子參與哮喘疾病的發(fā)生，主要調(diào)控機(jī)制涉及了Th1/Th2 平衡、肺部免疫因子釋放以及調(diào)節(jié)型T 淋巴細(xì)胞肺部遷移。但目前仍未開發(fā)出具體的預(yù)防和治療策略，提示仍需通過更為深入的研究來發(fā)掘兒童哮喘和腸道微生物的深層聯(lián)系。此外，腸道微生物的代謝物在兒童過敏性哮喘中的應(yīng)用也值得研究和探討。雖然使用益生菌具有防治過敏性哮喘的巨大潛力，但只有明確哮喘發(fā)生時(shí)腸道菌群的具體變化和調(diào)控機(jī)制，以及益生菌菌株和益生元類型，才能夠合理的使用益生菌對(duì)抗哮喘導(dǎo)致的特定菌群失調(diào)。

作者貢獻(xiàn)：崔天怡進(jìn)行文章構(gòu)思與設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)查詢，論文撰寫；劉佳蕊、呂彬進(jìn)行了論文的修訂，英文摘要的修訂；高秀梅進(jìn)行了文章質(zhì)量控制；趙鑫負(fù)責(zé)文章審校，對(duì)文章整體負(fù)責(zé)，監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。