腸道菌群在支氣管哮喘中的作用及相關機制

張靈鳳，申建偉

（上海市松江區(qū)中心醫(yī)院兒科，上海 201600）

支氣管哮喘是以可逆性氣流阻塞、氣道炎癥及氣道高反應性為特點的慢性氣道炎癥性疾病。哮喘與免疫調(diào)節(jié)密切相關，個體易感性、病毒感染、過敏原暴露等因素導致免疫失衡引發(fā)哮喘，而且免疫細胞在哮喘的發(fā)展過程中起著關鍵作用?！拔⑸锛僬f”認為 ，外界因素(如飲食結(jié)構改變、衛(wèi)生條件改善、抗生素使用等)所造成的腸道微生菌群失衡而引發(fā)的異常免疫反應，是導致氣道變應性炎癥發(fā)生的關鍵因素[1]。研究發(fā)現(xiàn)，在哮喘患者中，不僅氣道的微生物組成發(fā)生了改變，而且腸道微生物群中雙歧桿菌數(shù)量減少、梭菌數(shù)量增多，說明呼吸道和腸道黏膜的微生物組成和功能相互影響[2]。早期飲食干預、減少抗生素的使用、服用益生菌及提高短鏈脂肪酸（SCFAs）水平均可以改變腸道菌群組成和多樣性，影響哮喘病情進展，鑒于此，現(xiàn)就腸道菌群在哮喘發(fā)生發(fā)展中所發(fā)揮的作用及機制作一綜述。

1 腸道菌群

腸道菌群是人體內(nèi)最為復雜、種群數(shù)量最高的共生微生物生態(tài)系統(tǒng)，人類腸道中微生物定植種類多達1 000余種，數(shù)量多達1012～1014個，總質(zhì)量達1～2 kg，其基因組數(shù)目龐大，在消化調(diào)節(jié)、營養(yǎng)吸收、能量代謝、脂肪代謝、免疫調(diào)節(jié)等諸多方面發(fā)揮著重要作用。腸道菌群紊亂常引發(fā)多種疾病，如代謝性疾?。焊哐⒎逝?、糖尿病等；自身免疫性疾?。貉装Y性腸病、類風濕性關節(jié)炎、多發(fā)性硬化等；氣道變應性疾?。鹤儜员茄?、哮喘等。影響腸道菌群構成的因素很多，主要包括宿主因素與環(huán)境因素兩大方面：首先，宿主的基因型決定腸道菌群的多樣性，同時宿主的年齡、性別、健康狀態(tài)也影響著腸道菌群的定植與多樣性。人類從出生到死亡，不同的發(fā)育階段，腸道菌群表現(xiàn)出不同的多樣性特征，后天的外界環(huán)境因素如飲食、生活環(huán)境、地域、宿主的社會行為（運動、服用藥物等）等在其過程中也發(fā)揮了舉足輕重的作用。

2 腸 - 肺軸

隨著高通量測序技術的發(fā)展，有關微生物功能的研究日益豐富，從而一大波學說涌出，如“腸-肝”軸、“腸-腦”軸、“腸-肺”軸等概念。所謂“腸-肺”軸主要指腸道通過其定植微生物或者其代謝產(chǎn)物參與了呼吸系統(tǒng)免疫穩(wěn)態(tài)平衡及呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生、發(fā)展過程。雖然消化道和呼吸道具有不同的內(nèi)部環(huán)境，發(fā)揮不同的生理功能，但兩者之間卻具有相同的胚胎起源。從胎兒期形成部分胎兒免疫成分到新生兒期重要的菌群形成開始，生命早期便構成了腸道菌群與黏膜免疫相關疾病易感性的基礎，一方面，腸道菌群對肺部疾病的發(fā)生、發(fā)展產(chǎn)生影響，尹梅等[3]通過動物實驗證實，腸道微生物群可通過介導肺泡巨噬細胞功能而在肺炎鏈球菌引起的肺炎中起保護作用；另一方面，在肺部疾病發(fā)生過程中，腸道菌群亦會被其影響，陳善佳等[4]通過分析肺炎新生兒及正常新生兒糞便菌群證實，感染組與對照組新生兒腸道菌群的構成及其代謝產(chǎn)物差異存在統(tǒng)計學意義?！澳c-肺”軸作為一個雙向軸，兩者相互作用，正常的腸道菌群可以通過細菌衍生產(chǎn)物（脂多糖）和細菌代謝產(chǎn)物SCFAs維持局部免疫穩(wěn)態(tài)；而在感染或抗生素暴露等情況下，正常腸道菌群環(huán)境將被打破，局部黏膜免疫穩(wěn)態(tài)失衡，其產(chǎn)物可以通過淋巴體循環(huán)作用介導超越原位的系統(tǒng)性免疫應答，而這正是腸道菌群參與肺部疾病發(fā)生發(fā)展過程的主要作用機制。就目前研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群與兒童多種肺部疾病存在相關性，如肺部多種病原菌感染性疾病、支氣管哮喘等均存在密切關聯(lián)。

3 腸道菌群與哮喘

近年來，腸道菌群與過敏性疾病的相關研究日益增多，其在過敏性哮喘發(fā)生、發(fā)展中所發(fā)揮的作用亦逐漸為人們所發(fā)掘，同時這些研究也為豐富腸道菌群在支氣管哮喘中的作用機制提供了基礎。支氣管哮喘是嚴重影響兒童健康的最常見慢性呼吸系統(tǒng)疾病之一，目前其發(fā)病機制尚未完全明確，比較公認的是：①1型輔助性T細胞1（Th1）/2型輔助性T細胞（Th2）失衡，Ⅱ型固有淋巴細胞（ILC2）活化是參與過敏性哮喘的主要機制。②輔助性T細胞17（Th17）/白細胞介素-17A（IL-17A）炎癥軸主要介導以氣道中性粒細胞浸潤為特點的哮喘發(fā)病過程。相關研究顯示，急性發(fā)作支氣管哮喘的患兒較健康對照組研究對象，腸道菌群中乳桿菌和雙歧桿菌數(shù)量顯著減少，而大腸埃希菌數(shù)量相對增加[5]。此外，瑞典學者ABRAHAMSSON等[6]研究發(fā)現(xiàn)，相比于健康新生兒，哮喘新生兒在出生后的第1周腸道菌群就開始出現(xiàn)顯著差異。鄭凱等[7]通過收集新生兒糞便標本發(fā)現(xiàn)，腸道菌群受分娩方式、喂養(yǎng)方式、輔食添加等因素的影響，并證實了其定植過程早于哮喘的發(fā)生、發(fā)展。因此，腸道菌群不僅參與哮喘的發(fā)生、發(fā)展，甚至其結(jié)構的改變也可以預測哮喘的發(fā)生。嬰幼兒時期是腸道菌群形成的關鍵時期，各種外界因素引起的腸道菌群結(jié)構的改變，對今后變應性疾病發(fā)生與否影響深遠，如飲食結(jié)構改變、抗生素使用、益生菌使用等。因此，在兒童早期建立一個高度多樣化、非致病性的腸道菌群很有必要。

4 飲食結(jié)構 - 腸道菌群 - 哮喘

飲食結(jié)構能夠通過改變腸道菌群結(jié)構而影響哮喘的發(fā)生、發(fā)展。在張素珍等[8]研究中發(fā)現(xiàn)，高纖維膳食能夠調(diào)節(jié)腸道菌群結(jié)構，表現(xiàn)為擬桿菌占比上調(diào)、厚壁菌門腸菌占比下調(diào)；此外，研究還發(fā)現(xiàn)，這些高纖維膳食帶來的菌群變化在哮喘的發(fā)生、發(fā)展中起保護性作用，通過建立過敏性小鼠模型，驗證了高纖維膳食可以改善氣道炎癥反應，降低肺組織內(nèi)嗜酸性粒細胞與淋巴細胞浸潤、免疫球蛋白E（IgE）分泌及白細胞介素-4 （IL-4）、白細胞介素-5（IL-5）、IL-17A等炎癥因子的表達。此外，在人群實驗中已證實可溶性膳食纖維在哮喘氣道反應中具有急性抗炎作用，主要通過改變免疫細胞的性質(zhì)，使其從炎前細胞、炎癥細胞轉(zhuǎn)變?yōu)榭寡准毎⒂霞毎鸞9]；反推之，長期高脂膳食易導致腸道菌群失衡，在哮喘發(fā)生過程中可能起到負性調(diào)控作用。以上假設目前已被眾多研究者證實，首第文等[10]研究發(fā)現(xiàn)，長期高脂喂養(yǎng)會影響腸道菌群結(jié)構，這一結(jié)果主要表現(xiàn)為腸道菌群厚壁菌門占比的升高，而擬桿菌門的相對豐度降低；然而郭興悅等[11]報道，在小鼠過敏性哮喘模型中，高纖維膳食并不影響過敏性哮喘的疾病嚴重程度，這與人群實驗結(jié)果存在一致性，但高脂膳食卻可以在改變腸道菌群結(jié)構的同時抑制樹突狀細胞和T細胞活化，最終導致Th2型細胞因子分泌水平下調(diào)?？傊?，就目前研究而言，無論是高纖維膳食亦或是高脂膳食均參與了哮喘的發(fā)生與進展，而其具體機制尚不完全清楚，有待進一步的研究闡釋。

5 抗生素使用 - 腸道菌群 - 哮喘

生命早期抗生素的使用可以影響到腸道細菌定植阻力，誘發(fā)腸道菌群失衡，參與哮喘、變應性鼻炎等過敏性疾病的遠期發(fā)病過程。抗生素使用會導致一些有益作用的厭氧微生物（如雙歧桿菌、乳桿菌、擬桿菌等）數(shù)量減少，而一些有潛在危害的腸道微生物（如需氧革蘭陰性腸菌、厭氧菌梭狀芽胞桿菌、白念珠菌等）數(shù)量增加。徐鵑鵑[12]研究發(fā)現(xiàn)，圍生期就暴露于萬古霉素的小鼠其腸道和肺部微生物群多樣性降低，促進Th2細胞因子釋放，其肺部組織炎癥細胞因子白細胞介素-13 （IL-13）、白細胞介素-14（IL-4）水平及嗜酸性粒細胞計數(shù)明顯升高。這一發(fā)現(xiàn)也在人群實驗中觀察到，在丹麥人群的隊列研究中發(fā)現(xiàn)，孕婦妊娠期使用抗生素，新生兒患哮喘的風險增加，并且隨著孕婦抗生素使用時間的延長，抗生素劑量的增加，患哮喘的風險更高[13]。此外，一項回顧性研究發(fā)現(xiàn)，生命早期（0～1歲）使用抗生素是6～10歲兒童發(fā)生哮喘的重要危險因素，嬰兒期抗生素的使用直接干擾腸道菌群的定植與形成，造成腸道菌群結(jié)構穩(wěn)定性降低，使黏膜免疫應答發(fā)生變化，誘發(fā)兒童哮喘[14]。綜上，均說明了抗生素的使用易導致腸道菌群結(jié)構紊亂，打破黏膜的免疫耐受功能，導致過敏性疾病的發(fā)生、發(fā)展。

6 益生菌使用 - 腸道菌群 - 哮喘

益生菌不僅有恢復或增強腸道穩(wěn)態(tài)的作用，還有維持機體免疫穩(wěn)態(tài)的作用，相關研究已證實，益生菌（如雙歧桿菌、乳酸桿菌、腸球菌等）的使用能夠明顯抑制氣道變應性疾病的發(fā)生、發(fā)展[15]。WANG等[16]研究發(fā)現(xiàn)，嬰兒型雙歧桿菌通過調(diào)節(jié)Th1/Th2平衡，可緩解小鼠過敏性哮喘。還有研究發(fā)現(xiàn)，雙歧桿菌聯(lián)合布地奈德、孟魯司特鈉治療支氣管哮喘可以有效改善患者肺功能，益生菌的攝入有助于改善腸道微生態(tài)系統(tǒng)，通過糾正 Th1/Th2免疫失衡減輕機體變態(tài)反應；同時益生菌的聯(lián)合使用顯著降低了哮喘急性發(fā)作的頻率和嚴重程度，為輔助療法提供了新思路[17]。在田超等[18]研究中，通過納入2018年以前所發(fā)表的有關益生菌與哮喘的隨機對照試驗研究，系統(tǒng)性評價了微生態(tài)制劑對預防和治療哮喘的有效性，結(jié)果顯示，益生菌雖有利于哮喘癥狀的改善，但在改善肺功能與哮喘復發(fā)率方面均無明確作用，故目前證據(jù)尚不足以支持益生菌對哮喘的發(fā)生具有預防性作用，但這無法抹滅口服益生菌可能對在過敏性哮喘的預防、治療中具有的潛在臨床意義。

7 SCFAs水平 - 腸道菌群 - 哮喘

免疫系統(tǒng)是宿主與腸道微生物接觸的第一道防線，人類腸道微生物和免疫系統(tǒng)在出生后即相互影響、相互作用，維持一個互利共生的平衡狀態(tài)。一方面免疫系統(tǒng)在調(diào)節(jié)和形成腸道菌群結(jié)構的同時，腸道菌群在促進免疫系統(tǒng)發(fā)育和成熟過程中也發(fā)揮了重要作用。隨著腸道菌群的研究進展，人們發(fā)現(xiàn)，腸道內(nèi)微生物產(chǎn)生的SCFAs對于機體免疫有著重要作用。SCFAs主要由膳食纖維、抗性淀粉、低聚糖等不易消化的糖類在結(jié)腸受有益菌群（乳酸菌、雙歧桿菌等）酵解產(chǎn)生，包括乙酸、丙酸及丁酸等。相關研究已證實，SCFAs具有過敏性炎癥抑制效應，乙酸酯、丙酸、丁酸等均已被證實具有促進Treg細胞產(chǎn)生及誘導T細胞向Th1和Th17效應細胞方向分化的能力[19]。眾所周知，Th2細胞偏移正是哮喘的主要發(fā)病機制，SCFAs還可以通過與多種免疫細胞的相互作用在Th2應答中起到抑制性效應而介導哮喘的保護過程。SCFAs在過敏性疾病中起到的免疫調(diào)節(jié)效應，通常被認為是通過G蛋白耦合受體（GPCRs）完成的，GPCRs作為細胞表面最大的受體超家族，現(xiàn)已被證實在信號轉(zhuǎn)導過程中具有強大的作用功能。目前研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs的特異性受體主要是G-蛋白偶聯(lián)受體41（GPR41）、G-蛋白偶聯(lián)受 體43（GPR43）及G-蛋白偶聯(lián)受體109a（GPR109a），雖然mRNA表達分析發(fā)現(xiàn)上述受體在組織中的分布差異較大，但就目前研究而言，以上GPR41、GPR43已被證實在過敏性疾病，尤其是哮喘發(fā)病過程中起到了重要作用。此外，相關研究也證實了SCFAs-GPR43的相互作用在炎癥調(diào)節(jié)過程中的重要功能，徐方明[20]研究發(fā)現(xiàn)，GPR43缺陷小鼠模型與SCFAs缺乏的無菌鼠模型表現(xiàn)為相似的免疫炎癥紊亂，其在結(jié)腸炎、關節(jié)炎及哮喘模型中均表現(xiàn)出更嚴重的炎癥反應與強烈的免疫應答。研究已證實，在人乳腺癌細胞株MCF-7、牛乳腺上皮細胞等細胞中，GPR41、GPR43的激活均可誘導細胞內(nèi)鈣離子濃度的增加與cAMP水平的下降，從而增加胞內(nèi)MAPK的磷酸化水平[21]，而這一信號通路是否也是GPCRs參與哮喘免疫應答的關鍵通路有待進一步研究。

隨著進一步探索，研究發(fā)現(xiàn)，SCFAs可以通過改變基因啟動子的乙?；Ｊ絹碚{(diào)節(jié)免疫細胞功能，而這正是一種獨立于GPCRs信號的表觀遺傳機制[22]。SCFAs誘導T細胞向Treg細胞、輔助性T細胞（Th1、Th17細胞）方向分化的作用主要依賴于SCFAs有效抑制組蛋白去乙?；福℉DACs）而介導組蛋白的高度乙酰化與 mTOR-S6K信號通路的調(diào)控過程。THEILER等[23]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸通過促進嗜酸性粒細胞凋亡來促進炎癥的消退，且表明HDACs抑制是丁酸阻礙嗜酸性粒細胞效應功能的潛在作用模式。張錦濤等[24]研究發(fā)現(xiàn)，丁酸和丙酸可有效抑制IgE和非IgE介導的肥大細胞活化，且這種抑制作用不依賴于其已知的GPR41/43和PPAR受體信號傳導，而是通過抑制HDACs活性使對FcεRI介導的脫顆粒至關重要的基因（BTK、SYK及LAT）表達下調(diào)。在楊柳[25]相關研究中也得到了相似的結(jié)論，丁酸能夠下調(diào)GATA3表達介導ILC2依賴的氣道高反應，這一過程主要得益于丁酸的HDACs抑制劑作用，而非依賴于GPCRs模式 激活。

8 小結(jié)與展望

支氣管哮喘發(fā)病機制較為復雜，腸道菌群與哮喘的發(fā)病密切相關，腸道菌群可通過提高SCFAs水平來調(diào)節(jié)機體免疫功能，進而影響哮喘的發(fā)生和發(fā)展，但其影響肺部免疫狀態(tài)的具體機制還需進一步研究。早期飲食不當、使用抗生素也會改變腸道內(nèi)菌群的平衡，進而影響機體內(nèi)炎癥因子的分泌，導致支氣管哮喘的發(fā)生與發(fā)展，而通過尋找支氣管哮喘患兒腸道菌中某種減少的益生菌或增多的有害菌，及時給予干預，為支氣管哮喘的預防及治療提供新思路，但由于腸道菌群與哮喘之間作用關系緊密復雜，腸道菌群參與免疫耐受的具體調(diào)控機制還未完全明確，故有待于進一步研究闡明。