短鏈脂肪酸與兒童哮喘的關(guān)系及治療研究進(jìn)展*

吳玉苗，吳要偉，朱萬青，雍亞云，李偉偉

（1.廣西中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，廣西 南寧 530001；2.廣西中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院 兒科，廣西 南寧 530023）

支氣管哮喘（以下簡稱哮喘）是以慢性氣道炎癥和氣道高反應(yīng)為特點的異質(zhì)性疾病[1]，是兒科臨床中常見的慢性疾病之一，近年兒童發(fā)病率呈上升趨勢[2]。許多研究認(rèn)為腸道菌群失調(diào)與多種呼吸系統(tǒng)疾病聯(lián)系緊密，進(jìn)而提出了“肺-腸軸”的觀點[3]。短鏈脂肪酸作為腸道微生物的眾多代謝產(chǎn)物之一，在肺腸交流的環(huán)節(jié)中有著重要的作用[4]。故本文綜述了短鏈脂肪酸通過肺腸軸參與兒童哮喘相關(guān)發(fā)病機(jī)制及防治方案。

1 腸道菌群與肺的關(guān)系

健康人體有大量微生物定植，包括細(xì)菌、病毒、真菌，其中細(xì)菌是腸道和肺部最大的微生物群[5]，對宿主有防御感染、維護(hù)屏障、免疫、代謝、營養(yǎng)等生理功能[6]。人類腸道每毫升腸腔內(nèi)含有10 萬～1000 億個細(xì)菌，是細(xì)菌定植最密集的器官，包括擬桿菌門、厚壁菌門、變形菌門、放線菌門和特尼古菌門，并且以厚壁菌門和擬桿菌門為主[7]。許多研究表明腸道菌群對肺部健康有著重要的影響，并且生命早期是腸道菌群失調(diào)導(dǎo)致許多呼吸系統(tǒng)疾病發(fā)展的最重要時期[8]。STOKHOLM等[9]研究發(fā)現(xiàn)兒童早期發(fā)育過程中腸道微生物的成熟對哮喘的預(yù)防起關(guān)鍵作用。尤其生命早期腸道菌落中鏈球菌、擬桿菌及梭菌屬的豐度的增加及雙歧桿菌、糞桿菌屬、毛螺菌屬、韋永菌屬和羅氏菌屬數(shù)量減少與哮喘風(fēng)險增加有關(guān)[10-11]。在卵清蛋白（OVA）誘導(dǎo)的氣道炎癥小鼠模型中，將毛螺菌屬、韋氏菌屬、羅氏菌屬和糞桿菌接種進(jìn)無菌小鼠腸道可減輕炎癥，表明這些類菌群對氣道炎癥和哮喘具有保護(hù)作用[12]。進(jìn)一步證實了腸道菌群的變化對肺的生理、病理具有重要作用。

以往的理論認(rèn)為肺部是無菌的，然而近年大量研究表明，健康人的肺部也居住著與腸道不完全相同的微生物種群，其優(yōu)勢菌門為厚壁菌門、變形菌門、擬桿菌屬、梭桿菌屬、酸桿菌屬和放線菌門[5]，而與成人的微生物組略有不同，足月嬰兒的微生物組由鏈球菌、普雷沃菌、奈瑟球菌、韋永菌、卟啉單胞菌和梭狀芽胞桿菌組成[13]。有研究顯示肺部疾病與肺部微生物群落的變化相關(guān)，如變形菌門（克雷伯菌）及厚壁菌門（鏈球菌屬）數(shù)量在嚴(yán)重哮喘患者中顯著增多，且變形桿菌門似乎是哮喘患者的主要的細(xì)菌門[14-15]。而肺中擬桿菌和梭桿菌豐度減少也可能與哮喘發(fā)病有關(guān)[16]。肺微生物群落變化不僅可以影響肺部疾病，當(dāng)肺部發(fā)生炎癥時，同樣也會影響腸道微生物群。動物模型中用脂多糖刺激小鼠肺部會導(dǎo)致盲腸細(xì)菌（梭菌屬和毛螺菌科）數(shù)量顯著增加[17]；有研究表明，長期的抗結(jié)核治療會廣泛改變結(jié)核病患者的腸道微生物群，如治療組經(jīng)抗結(jié)核藥處理后，丹毒梭菌、梭桿菌、普氏菌數(shù)量增加，而布勞特菌、乳桿菌、糞球菌、瘤胃球菌、雙歧桿菌均顯著減少，并且這種失調(diào)狀態(tài)在停止治療后仍持續(xù)存在，但不會影響腸道菌群的整體多樣性[18]。以上表明了肺腸間的交流是雙向的。然而，仍缺乏關(guān)于腸道菌群和肺菌群微生物之間轉(zhuǎn)移的直接證據(jù)。

短鏈脂肪酸（short-chain fatty acids,SCFAs）是腸道微生物群的代謝產(chǎn)物，來源于難消化的膳食纖維的發(fā)酵，其中丁酸、丙酸和乙酸是人類和鼠類腸道中最豐富的短鏈脂肪酸，占總量的90%～95%[19]。腸道細(xì)菌中擬桿菌門（20%）和厚壁菌門（60%）是產(chǎn)生SCFAs 的優(yōu)勢細(xì)菌門，兩者均可生成乙酸[20]；丁酸主要由厚壁菌門中瘤胃球菌屬、梭菌屬、糞球菌屬等產(chǎn)生；而擬桿菌門中如普氏菌屬、擬桿菌屬等則產(chǎn)生丙酸[21-22]。雖未完全清楚肺腸交流的機(jī)制，但腸道微生物發(fā)酵食物產(chǎn)生的多種SCFAs 能通過血液循環(huán)進(jìn)入肺組織；未被代謝的SCFAs 能進(jìn)入外周血液循環(huán)系統(tǒng)和骨髓進(jìn)一步影響其免疫細(xì)胞和發(fā)育[23]，這是近年研究認(rèn)為SCFAs 參與肺腸交流的兩條途徑。

2 SCFAs在兒童哮喘的發(fā)病中的作用機(jī)制

哮喘是一種復(fù)雜的炎癥性疾病，其發(fā)病機(jī)制復(fù)雜，目前尚未完全明確，多認(rèn)為與免疫、遺傳、環(huán)境、感染和營養(yǎng)等因素有關(guān)，尤其是多種免疫細(xì)胞的驅(qū)動在哮喘的發(fā)病中起著重要的作用，如嗜酸性粒細(xì)胞、Th2 細(xì)胞、Th9 細(xì)胞、樹突細(xì)胞、B細(xì)胞、肥大細(xì)胞均可參與哮喘氣道炎癥的啟動、慢性炎癥持續(xù)過程及氣道重塑[24]。其中氣道炎癥是哮喘的本質(zhì)；氣道高反應(yīng)性（airway hyperresponsiveness,AHR）是哮喘的重要病理、生理改變。

2.1 SCFAs引起氣道炎癥

2.1.1 激活G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）GPCRs 是最大和最多樣化的跨膜蛋白家族，其中GPR41 和GPR43 可以被SCFAs 激活，故也稱為游離脂肪酸受體2（free fatty acid receptor 2,FFAR2）和FFAR3[25]。腸道中結(jié)腸近端的SCFAs 水平最高，可以被腸上皮細(xì)胞局部利用或通過腸道上皮細(xì)胞運輸進(jìn)入血液，激活G 蛋白偶聯(lián)受體（GPR43、GPR41 和GPR109A）是SCFAs 的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制之一[26]。通過對基因敲除小鼠的研究表明，GPR41 和GPR43 與哮喘、結(jié)腸炎和關(guān)節(jié)炎等慢性炎癥性疾病有關(guān)[27]。HALNES 等[28]發(fā)現(xiàn)SCFAs 可以上調(diào)GPR41、GPR43基因表達(dá)，對哮喘氣道有急性抗炎作用。然而，也有研究表示SCFAs 對過敏性炎癥的影響是通過結(jié)合GPR41 減少樹突狀細(xì)胞介導(dǎo)的Th2 反應(yīng)，抑制過敏反應(yīng)，而不是取決于GPR43[29]。有研究發(fā)現(xiàn)在急性過敏性氣道炎癥模型中，GPR43缺陷型（Gpr43-/-）小鼠較野生型同窩小鼠表現(xiàn)出更嚴(yán)重的炎癥，且喂食醋酸鹽小鼠的炎癥顯著減少，而這種保護(hù)作用是通過與GPR43 結(jié)合實現(xiàn)[30]。另一種由丁酸鹽激活的GPCR是GPR109A，通過信號傳導(dǎo)激活結(jié)腸巨噬細(xì)胞和樹突細(xì)胞中的炎癥小體通路。導(dǎo)致調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞和產(chǎn)生白細(xì)胞介素10（Interleukin-10,IL-10）的T 細(xì)胞分化，在促進(jìn)腸道穩(wěn)態(tài)和調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)方面同樣發(fā)揮著重要作用[31]。

2.1.2 激活絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）MAPK信號通路可以調(diào)節(jié)多種細(xì)胞機(jī)制參與生物過程，包括增殖、分化、凋亡和應(yīng)激反應(yīng)，同時也是參與哮喘的一條重要通路[32]。MAPK 是GPCRs 的下游信號級聯(lián)反應(yīng)，其中細(xì)胞外信號調(diào)節(jié)蛋白激酶1/2（ERK1/2）、Jun N-末端激酶（JNK）、p38MAPK 和ERK5 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路是在真核細(xì)胞中鑒定出的4 種MAPK 級聯(lián)，在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中起關(guān)鍵作用[33]。哮喘氣道中細(xì)胞因子和生長因子水平的提高導(dǎo)致ERK1/2的持續(xù)激活，產(chǎn)生趨化因子和持續(xù)氣道炎癥[34]。因此通過抑制ERK 信號通路可能具有治療過敏性氣道炎癥的潛力。KIM 等[35]研究則發(fā)現(xiàn)激活ERK1/2介導(dǎo)的信號傳導(dǎo)通路，增加小鼠糞便中SCFAs 豐度，減輕腸道炎癥，并且ERK1/2 激活是由SCFAs信號通過GPR41 和GPR43 誘導(dǎo)，這些信號通路介導(dǎo)了小鼠的保護(hù)性免疫和組織炎癥，故認(rèn)為SCFAs可以激活ERK1/2 介導(dǎo)的信號通路緩解氣道炎癥。

2.1.3 抑制組蛋白脫乙酰酶（HDAC）HDCA 是存在于真核細(xì)胞中一類蛋白酶，有研究表明抑制HDAC 活性可以減少小鼠呼吸道疾患[36]。SCFAs 信號傳導(dǎo)另一機(jī)制則是抑制HDAC，在SCFAs 中，丁酸鹽抑制HDAC 活性作用最有效[37]，但其機(jī)制尚不清楚，可能與劑量依賴方式增加組蛋白乙?；嘘P(guān)[38]。FOLKERTS 等[39]研究發(fā)現(xiàn)丁酸鹽阻止了OVA致敏豚鼠精確切割肺切片中過敏原誘導(dǎo)的組胺釋放和氣道收縮，是以濃度依賴性方式抑制免疫球蛋白E（Immunoglobulin E,IgE）和非IgE 介導(dǎo)的肥大細(xì)胞脫顆粒，并且這些效應(yīng)均與HDAC 的抑制有關(guān)，而與SCFAs 的受體GPR41、GPR43 的刺激無關(guān)。最終的結(jié)果表明SCFAs 通過抑制HDAC 和表觀遺傳機(jī)制對關(guān)鍵肥大細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)器的轉(zhuǎn)錄下調(diào)，抑制人類肥大細(xì)胞脫顆粒、細(xì)胞因子產(chǎn)生和過敏原誘導(dǎo)的氣道收縮。

2.2 SCFAs引起氣道高反應(yīng)

哮喘的發(fā)病與免疫系統(tǒng)關(guān)系密切，尤其是Th2介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)被認(rèn)為是哮喘的核心分子機(jī)制。2 型固有淋巴樣細(xì)胞（type 2 innate lymphoid cells,ILC2）具有產(chǎn)生Th2 型細(xì)胞因子的能力，是Th2 細(xì)胞因子IL-5 和IL-13 的重要來源，在哮喘發(fā)病機(jī)制中起著關(guān)鍵作用[40]。有研究人員證實腸道炎癥性ILC2可以通過血液循環(huán)或者淋巴細(xì)胞從腸道遷移到肺，引起肺部炎癥[41]。而肺ILC2 的激活可以迅速產(chǎn)生大量的IL-5 和IL-13，導(dǎo)致嗜酸性粒細(xì)胞增多和AHR[42]。嗜酸性粒細(xì)胞是2 型炎癥環(huán)境的啟動子，具有抗原呈遞和細(xì)胞因子介導(dǎo)的局部淋巴細(xì)胞調(diào)節(jié)等作用，有證據(jù)表明氣道嗜酸性粒細(xì)胞增多以及效應(yīng)細(xì)胞因子（如IL-13）可能最終導(dǎo)致哮喘的AHR[43]。

THEILER 等[44]研究發(fā)現(xiàn)SCFAs，尤其是丁酸對人嗜酸性粒細(xì)胞的黏附、遷移和存活有直接作用，并與抑制Ⅱa 類HDAC 有關(guān)。丁酸鹽改善了過敏原誘導(dǎo)的小鼠氣道和肺嗜酸性粒細(xì)胞增多癥，降低了支氣管液中的Th2 細(xì)胞因子水平，改善了小鼠的AHR。THIO 等[45]發(fā)現(xiàn)抑制HDAC 活性的丁酸鹽可以作為ILC2 增殖和功能的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子，抑制小鼠ILC2 產(chǎn)生的IL-13 和IL-5，調(diào)節(jié)過敏小鼠模型中的AHR。進(jìn)一步研究顯示GATA-3 是ILC2 發(fā)育和功能的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，丁酸鹽可使其顯著下調(diào)，而丁酸鹽降低GATA3 表達(dá)會減少細(xì)胞代謝，限制氧化磷酸化和糖酵解潛力，抑制ILC2 驅(qū)動的AHR[46]。

3 治療

基于肺腸軸的理論，調(diào)節(jié)腸道菌群，提高體內(nèi)短鏈脂肪酸的水平可以對防治哮喘產(chǎn)生積極作用，但SCFAs 的直接口服給藥不是人類的最佳選擇，因為口服給藥的大部分醋酸鹽被氧化，血漿水平僅保持升高60 min[47]，故可以通過飲食，口服益生菌、益生元或糞菌移植等途徑提高SCFAs 豐度以防治哮喘。

3.1 飲食

由于腸道細(xì)菌通過食物纖維來生物合成SCFAs，因此攝入更多富含膳食纖維的水果和蔬菜可能對減輕哮喘風(fēng)險和控制哮喘產(chǎn)生積極影響。歐洲過敏與臨床免疫學(xué)會在臨床實踐中建議增加水果和蔬菜的凈攝入量，以降低哮喘風(fēng)險，尤其是在兒童飲食中[48]。TROMPETTE 等[29]發(fā)現(xiàn)喂食高纖維飲食可以改變小鼠腸道和肺微生物群的組成，增加了擬桿菌和雙歧桿菌的比例，提高了循環(huán)中的SCFAs 水平，保護(hù)小鼠免受肺部過敏性炎癥的影響，而低纖維飲食則降低了SCFAs 的水平并增加了過敏性氣道疾病。

3.2 益生菌

益生菌作為膳食產(chǎn)品的補充劑，已被證實其在調(diào)節(jié)腸道微生物組中的功效及對結(jié)腸中SCFAs 含量的影響[49]。在哮喘小鼠模型中，雙歧桿菌可以通過促進(jìn)Th1 細(xì)胞和抑制Th2 細(xì)胞因子水平，減輕氣道炎癥，降低ARH[50]。WU 等[51]發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌可顯著減少OVA 致敏小鼠支氣管肺泡灌洗液、血清中浸潤性炎癥細(xì)胞及Th2 細(xì)胞因子的數(shù)量以抑制過敏性氣道反應(yīng)。在屋塵螨誘導(dǎo)的哮喘模型小鼠中，羅氏伊乳桿菌減輕了氣道炎癥，減少了總IgE及HDM-IgG1，也減少Th2 相關(guān)的促炎細(xì)胞因子，增加小鼠盲腸中的丁酸鹽[52]。近年乳桿菌、丁酸梭菌和雙歧桿菌雖已被臨床用來防治哮喘[53]，但益生菌對肺的影響和調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)等確切機(jī)制在很大程度上仍然未知。世界過敏組織（WAO）指南指出，目前的研究仍缺乏益生菌在過敏性疾病中一級預(yù)防作用的明確證據(jù)[54]。因此，需要更多的研究知悉益生菌治療哮喘的效果，制定益生菌防治哮喘的明確建議，并在更長時間的隨訪中評估其遠(yuǎn)期療效。

3.3 益生元

世界胃腸病學(xué)組織的全球指南指出益生元是人類宿主攝取的不易消化的物質(zhì)，當(dāng)攝入足夠量時，通過選擇性地刺激宿主的生長和代謝活動，對宿主產(chǎn)生有益的生理作用[55]。常見的益生元為低聚果糖補充劑、低聚半乳糖、菊粉、乳果糖和母乳寡糖，并可與益生菌合用而成合生元。1 項安慰對照試驗表明在攝入菊粉及益生菌后，雙歧桿菌和厭氧菌豐度顯著增加，痰細(xì)胞中GPR41、GPR43基因表達(dá)上調(diào)，HDAC9基因表達(dá)降低，哮喘氣道炎癥顯著減少，但SCFAs 水平僅略有提高[56]。WAO指南建議非純母乳喂養(yǎng)的嬰兒可使用益生元，而純母乳喂養(yǎng)的嬰兒則不使用[57]。但是同益生菌一樣，益生元防治哮喘的明確療效有待更多研究證實。

3.4 糞菌移植

糞菌移植（fecal microbiota transplantation,FMT）是指將健康人糞便中的功能菌群，移植到患者胃腸道內(nèi)，以恢復(fù)正常的微生物群，是一種普遍安全且副作用較少的治療方法[58]。雖然吳誠等[59]研究發(fā)現(xiàn)通過糞菌移植減輕了哮喘小鼠模型的氣道過敏性炎癥，且與調(diào)節(jié)性T 細(xì)胞的增生抑制有關(guān)。表明FMT 或許代表了一種潛在的改善哮喘的治療方法，但是目前FMT 治療哮喘的相關(guān)文獻(xiàn)鮮有報道，仍缺乏足夠的證據(jù)證明應(yīng)用FMT 對哮喘有確切療效。今后若將FMT 用于治療哮喘，需要更深入地闡明腸道菌群與宿主相互作用的機(jī)制，確定FMT如何調(diào)節(jié)腸道菌群以及與哮喘的相關(guān)性，明確其臨床穩(wěn)定性和安全性。

雖然諸多證據(jù)表明，腸道微生物組的變化在哮喘的發(fā)病與治療中起著重要作用，但迄今為止，通過飲食、益生菌、益生元及FMT 改變或恢復(fù)微生物群，以預(yù)防或治療哮喘尚不是臨床常規(guī)方案[60]。因此，需要進(jìn)一步的研究明確微生物影響哮喘的機(jī)制，逐漸完善可以防治氣道疾病的方案。

4 小結(jié)

綜上所述，目前研究顯示SCFAs 主要通過激活G 蛋白偶聯(lián)受體及下游絲裂原活化蛋白激酶信號通路、抑制組蛋白脫乙酰酶的途徑參與哮喘發(fā)病機(jī)制。通過補充膳食纖維、服用益生菌、益生元，或糞菌移植調(diào)節(jié)腸道菌落提高SCFAs 水平對兒童哮喘有保護(hù)作用。雖然越來越多的研究證明腸道菌群與肺部疾病之間的聯(lián)系密切，但目前SCFAs 通過于肺腸軸參與兒童哮喘的發(fā)病機(jī)制仍有待進(jìn)一步深入研究，亟待更多的理論和實驗為兒童哮喘的治療提供更有力的科學(xué)證據(jù)。