腸道微生物-免疫功能與兒童營(yíng)養(yǎng)不良之間的研究進(jìn)展

毛嬌,金紅嬌,李竹,黃睿,林勇（貴州省遵義市第一人民醫(yī)院/遵義醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院,貴州 遵義 563000）

美國(guó)胃腸營(yíng)養(yǎng)學(xué)會(huì)（American Society for Parenteral and Enteral Nutrition，ASPEN）將兒童營(yíng)養(yǎng)不良定義為“營(yíng)養(yǎng)需求和攝入之間的不平衡，導(dǎo)致能量、蛋白質(zhì)或微量營(yíng)養(yǎng)素的累積不足，并對(duì)生長(zhǎng)、發(fā)育產(chǎn)生負(fù)面影響”[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)兒童基金會(huì)、世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，發(fā)育遲緩影響大約22.2%的5歲以下兒童，而營(yíng)養(yǎng)不良威脅著大約7.5%的5歲以下兒童的生命安全[2]。營(yíng)養(yǎng)不良兒童面臨著一系列健康問(wèn)題，直接或間接導(dǎo)致每年有310萬(wàn)兒童死亡，占全球兒童死亡率的45%[3]，故兒童營(yíng)養(yǎng)不良已成為當(dāng)今危害兒童健康的疾病之一。

有學(xué)者指出，營(yíng)養(yǎng)不良是一種“惡性循環(huán)”的核心，在這種“惡性循環(huán)”中，腸道微生物群的改變引發(fā)了一系列亞臨床的腸道問(wèn)題，包括炎癥、屏障功能障礙、病原體侵襲、轉(zhuǎn)運(yùn)改變和吸收不良，統(tǒng)稱(chēng)為腸道環(huán)境功能障礙（Environmental Enteric Dysfunction，EED），進(jìn)而導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育障礙和持續(xù)的腸道功能失調(diào)，其致病機(jī)制可能涉及腸道滲漏和通透性增加、腸道炎癥和細(xì)菌易位、全身炎癥和營(yíng)養(yǎng)吸收不良[4]。近年來(lái)，研究腸道屏障、營(yíng)養(yǎng)吸收與疾病之間的相互作用已取得一定進(jìn)展，本綜述將詳細(xì)探討腸道屏障功能調(diào)節(jié)中微生物群-免疫-宿主營(yíng)養(yǎng)之間的關(guān)聯(lián)，并探討改善營(yíng)養(yǎng)不良兒童腸道微生物的治療策略。

1 黏液屏障介導(dǎo)腸道微生物并調(diào)節(jié)宿主營(yíng)養(yǎng)吸收

腸道屏障的作用已被研究了數(shù)十年，其主要負(fù)責(zé)吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、調(diào)節(jié)機(jī)體穩(wěn)態(tài)和感知免疫，同時(shí)限制潛在有害抗原和微生物從腸腔通過(guò)[5]。其中，黏液屏障的完整性是胃腸道的第一道防線，可維持腸道菌群穩(wěn)態(tài)[6]。研究表明，黏液合成、分泌、厚度和黏度的減少，黏液降解和滲透性的增加以及黏蛋白糖基化特征和黏液成分的改變，使得共生微生物和病原微生物到達(dá)腸上皮，從而導(dǎo)致感染和炎癥的發(fā)生。在腸道微生物菌群組成與黏液層破壞相關(guān)的原因中，已表明飲食成分具有重要作用[7-8]。膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)元素的缺乏引起黏液層厚度減少和黏液滲透性增加，如黏蛋白2（MUC2）的O聯(lián)糖基化以及營(yíng)養(yǎng)微生物的代謝產(chǎn)物短鏈脂肪酸（SCFAs）產(chǎn)量減少，將導(dǎo)致黏液屏障被破壞[9-10]。MUC2是表征最好的胃腸道分泌黏蛋白，在缺乏MUC2黏蛋白的小鼠中，與上皮直接接觸的細(xì)菌入侵結(jié)腸并向下滲透到隱窩和上皮細(xì)胞中，從而誘導(dǎo)結(jié)腸免疫炎癥反應(yīng)，可間接引起營(yíng)養(yǎng)微生物的丟失和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的消化吸收障礙。以上研究表明，腸道微生物及代謝產(chǎn)物參與保護(hù)腸道黏液屏障，從而維持機(jī)體營(yíng)養(yǎng)。

2 腸道微生物-上皮細(xì)胞相互作用是腸道功能屏障發(fā)揮作用的關(guān)鍵因素

人類(lèi)腸道中擁有數(shù)萬(wàn)億的微生物細(xì)胞，大多數(shù)腸道微生物對(duì)宿主都是有益或無(wú)害的，微生物群在腸道隔室中達(dá)到最高密度，從而形成一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)群落，稱(chēng)為腸道微生物群[11]。腸上皮是將固有層與管腔分開(kāi)的物理腸道屏障的最重要組成部分[10]，最新的進(jìn)展為使用新型的體外細(xì)胞模型，即上皮類(lèi)器官，研究腸道微生物-上皮細(xì)胞的相互作用。

鼠李糖乳桿菌GG（Lactobacillus rhamnosus GG, LGG）是一種源自健康人腸道的益生菌，Han[12]等人利用類(lèi)器官研究了LGG對(duì)上皮屏障功能的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有LGG的條件下，腸上皮通透性增加，補(bǔ)充LGG能夠防止IFN-γ誘導(dǎo)的上皮損傷。Pradhan[13]等人采用兩種主要形式的志賀毒素（Stx），即Stx1和Stx2a，研究其對(duì)腸道屏障功能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是腔室還是基底外側(cè)腔室，隨著時(shí)間及劑量的改變，其上皮細(xì)胞通透性均增加。艱難梭菌菌株在上皮類(lèi)器官的定植引發(fā)了上皮的破壞，并使MUC2表達(dá)下調(diào)。艱難梭菌感染還與黏膜促炎細(xì)胞因子（如IFN-γ和TNF-α）水平升高有關(guān)，這些細(xì)胞因子能夠破壞上皮完整性。宿主STAT5依賴的JAK2信號(hào)通路對(duì)啟動(dòng)抗炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生和促進(jìn)腸上皮修復(fù)是必要的。Liu[14]等人證明了JAK2-STAT5信號(hào)通路的缺陷參與了艱難梭菌的易感性。

因此，腸道微生物群的發(fā)育和成熟是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、非隨機(jī)的過(guò)程，從人類(lèi)或動(dòng)物體內(nèi)分析腸道物種與疾病之間的關(guān)聯(lián)是極其復(fù)雜的。而體外細(xì)胞模型類(lèi)器官為研究單個(gè)腸道微生物或更復(fù)雜的細(xì)菌群落提供了機(jī)會(huì)，能全面了解腸道微生物群對(duì)腸道屏障功能的作用，并進(jìn)一步揭示腸道屏障破壞下的病理特點(diǎn)，也為兒童營(yíng)養(yǎng)不良靶向治療策略提供了新的可能。

3 腸道微生物-免疫系統(tǒng)與營(yíng)養(yǎng)代謝之間的相互作用

機(jī)體通過(guò)后天飲食攝入，微生物群多樣性增加，并參與能量的收集、儲(chǔ)存和代謝，提供促進(jìn)免疫細(xì)胞和組織成熟的關(guān)鍵信號(hào)，從而防止病原體感染，維持宿主正常免疫功能[15]。腸道菌群可發(fā)揮諸如營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收、免疫功能調(diào)節(jié)、能量代謝調(diào)控等多方面的功能作用[16]。近年來(lái)，越來(lái)越多的證據(jù)表明，腸道菌群和免疫系統(tǒng)之間的相互作用由腸道微生物調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)對(duì)腸道穩(wěn)態(tài)和疾病有重大影響[17]。腸道免疫細(xì)胞主要存在于固有層和腸道相關(guān)淋巴組織（GALT）中，GALT含有高達(dá)70%的機(jī)體免疫細(xì)胞，包括B細(xì)胞和T細(xì)胞。此外，它還參與對(duì)病原微生物的響應(yīng)，并提供對(duì)共生細(xì)菌的免疫耐受[18]。結(jié)腸細(xì)菌裂解物或特定物種（如脆弱擬桿菌）已被證明可以刺激產(chǎn)生IL-10的B細(xì)胞，這些B細(xì)胞能夠抑制T細(xì)胞介導(dǎo)的炎癥。IL-10也可下調(diào)微生物群激活的黏膜炎性細(xì)胞因子，通過(guò)加強(qiáng)腸道上皮屏障并控制腸道通透性，促進(jìn)免疫調(diào)節(jié)活性，這些相互作用都是維持腸道穩(wěn)態(tài)的重要因素[19]。

腸道菌群產(chǎn)生的代謝物（SCFAs、脂質(zhì)、維生素）在免疫調(diào)節(jié)中也發(fā)揮著重要作用。SCFAs是保護(hù)黏膜免疫的基礎(chǔ)，厚壁菌門(mén)主要產(chǎn)生丁酸鹽，丁酸鹽具有抗炎特性，可誘導(dǎo)抗原呈遞細(xì)胞和腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生TGF-β、IL-18和IL-10，同時(shí)刺激幼稚T細(xì)胞分化為T(mén)reg細(xì)胞[20]。寄居菌通過(guò)產(chǎn)生SCFAs正向影響腸上皮細(xì)胞的分化和增殖，并介導(dǎo)其他代謝效應(yīng)，為細(xì)菌的生長(zhǎng)和增殖提供能量和營(yíng)養(yǎng)。研究發(fā)現(xiàn)，在消瘦兒童的糞便中發(fā)現(xiàn)發(fā)酵植物寡糖和肽聚糖的微生物基因嚴(yán)重缺乏，這些都是促進(jìn)腸道微生物能量吸收、兒童生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)。Moreau[21]等人使用靶向代謝組學(xué)首次揭示了代謝物特征與營(yíng)養(yǎng)不良兒童生長(zhǎng)和神經(jīng)發(fā)育的關(guān)聯(lián)。研究[22]發(fā)現(xiàn)，較高濃度的羥基鞘磷脂和必需氨基酸以及較低水平的?；鈮A和膽汁酸結(jié)合與改善兒童的健康結(jié)果有關(guān)，且發(fā)現(xiàn)兒童營(yíng)養(yǎng)攝入不足，宿主腸道代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)能力也較低，同時(shí)腸道微生物群減少與營(yíng)養(yǎng)不良和氨基酸水平降低有關(guān)，且維生素A和維生素D共同調(diào)節(jié)腸道上皮和黏膜免疫系統(tǒng)，以改善腸道中的微生物群落，維持體內(nèi)平衡[23]。以上研究表明，腸道微生物菌群參與調(diào)節(jié)機(jī)體免疫，并通過(guò)代謝組學(xué)方法，進(jìn)一步闡述了其代謝產(chǎn)物與兒童營(yíng)養(yǎng)不良之間的關(guān)系，但未能發(fā)現(xiàn)特異性腸道微生物。

4 營(yíng)養(yǎng)不良兒童的腸道微生物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Velly H[24]等研究者揭示了營(yíng)養(yǎng)不良兒童和健康兒童腸道微生物群組成和功能的差異，并指出營(yíng)養(yǎng)不良兒童具有獨(dú)特的腸道菌群結(jié)構(gòu)模式。首先，營(yíng)養(yǎng)不良與糞便微生物群豐富程度（即豐度）降低有關(guān)，其中特有微生物群顯著減少。研究發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)不良兒童的糞便中所含的微生物群豐度僅為健康受試者的57%。其次，營(yíng)養(yǎng)不良兒童變形菌門(mén)致病菌屬的相對(duì)豐度增加，包括腸桿菌、大腸埃希氏菌、克雷伯氏菌和志賀氏菌。在一項(xiàng)針對(duì)孟加拉國(guó)學(xué)齡前兒童的研究中發(fā)現(xiàn)，營(yíng)養(yǎng)不良兒童的克雷伯菌屬和埃希氏菌屬，分別是健康兒童的174倍和9倍[25]，在營(yíng)養(yǎng)不良兒童的腸道中，有益菌屬的相對(duì)豐度減少，如雙歧桿菌、丁酸弧菌、糞鈣桿菌、乳桿菌和玫瑰桿菌，它們?cè)跍p輕炎癥、增強(qiáng)腸道屏障功能、抑制病原體等方面都有積極作用[26]。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，擬桿菌與體重減輕呈正相關(guān)，而厚壁菌和變形菌通常與低質(zhì)量飲食和代謝并發(fā)癥呈正相關(guān)[27]。在我國(guó)，中西部地區(qū)幼兒腸道菌群結(jié)構(gòu)差異不大，但有益菌含量存在顯著差異，腸道菌群與膳食及營(yíng)養(yǎng)健康狀況之間存在一定關(guān)系[28]。有學(xué)者進(jìn)一步研究了膳食營(yíng)養(yǎng)介導(dǎo)的腸道微生物及代謝產(chǎn)物影響人體健康的重要機(jī)制[29]。生理狀態(tài)下，從腸道黏液層到上皮細(xì)胞的保護(hù)性屏障功能，腸道微生物廣泛參與宿主營(yíng)養(yǎng)代謝，維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)。而營(yíng)養(yǎng)不良可能涉及各個(gè)環(huán)節(jié)，腸黏膜通透性增加、腸道微生物紊亂（主要是菌群及代謝產(chǎn)物失調(diào)）、免疫細(xì)胞損傷和凋亡環(huán)環(huán)相扣，這種影響機(jī)制是多個(gè)系統(tǒng)所驅(qū)動(dòng)的。

5 兒童營(yíng)養(yǎng)不良的靶向治療策略

鑒于腸道微生物及代謝物在導(dǎo)致兒童營(yíng)養(yǎng)不良中的可能機(jī)制，微生物組靶向療法有望作為營(yíng)養(yǎng)康復(fù)的輔助治療方法。已有研究表明，特定的腸道微生物有助于調(diào)節(jié)腸道和宿主營(yíng)養(yǎng)吸收。益生菌通過(guò)影響腸道微生物群、腸道上皮細(xì)胞以及宿主免疫系統(tǒng)發(fā)揮治病作用。譬如傳統(tǒng)的乳酸菌和雙歧桿菌，以及最新發(fā)現(xiàn)的特定菌屬A.muciniphila和F.prausnitzii，它們可以通過(guò)減輕炎癥反應(yīng)和加強(qiáng)上皮屏障來(lái)恢復(fù)腸道健康，并作為主要的短鏈脂肪酸生產(chǎn)者為腸細(xì)胞提供能量來(lái)源[30]。益生菌有助于增加黏蛋白基因的表達(dá)，如黏附的乳桿菌屬，能夠刺激人腸上皮細(xì)胞中的MUC 2及MUC3的產(chǎn)生和分泌。雙歧桿菌豐度與黏液生長(zhǎng)呈正相關(guān)，該菌群可以防止飲食引起的微生物群介導(dǎo)的黏液層功能障礙。A.muciniphila是一種具備降解黏蛋白功能，并使其成為維持腸道黏膜屏障的關(guān)鍵微生物，在潛在機(jī)制中，已經(jīng)表明A.muciniphila在其外膜上表達(dá)特定蛋白質(zhì)，如蛋白質(zhì)Amuc_1100，這種蛋白質(zhì)結(jié)合并激活了TLR2[31-32]。上文提到的LGG益生菌也能改善上皮屏障功能以維持腸道微生物穩(wěn)態(tài)，這些證據(jù)可能解釋了腸道微生物群、腸道屏障和宿主營(yíng)養(yǎng)吸收之間存在關(guān)聯(lián)，但其背后的復(fù)雜機(jī)制仍需要進(jìn)一步探索。

迄今為止，微生物靶向療法對(duì)營(yíng)養(yǎng)不良的療效有限。雙歧桿菌可糾正胃癌患者化療所致的腸道菌群紊亂，并改善化療所致的胃腸道不良反應(yīng)及營(yíng)養(yǎng)不良，提高生存質(zhì)量[33]。糞菌移植（Fecal Microbiota Transplants，F(xiàn)MT）作為重建腸道菌群的最有效手段，2015年，Alang[34]等人報(bào)道了一位因艱難梭菌感染入院的女性在接受來(lái)自超重供體的糞便后體重顯著增加的案例。另一項(xiàng)研究對(duì)肥胖小鼠的糞便進(jìn)行宏基因組分析顯示[35]，與體重較低的小鼠相比，參與短鏈脂肪酸產(chǎn)生的基因數(shù)量減少，但參與支鏈氨基酸代謝的基因數(shù)量增加。然而，幾乎沒(méi)有關(guān)于FMT和營(yíng)養(yǎng)不良更為深入的研究。

6 兒童營(yíng)養(yǎng)不良的預(yù)防管理

兒童營(yíng)養(yǎng)不良是一個(gè)嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題，特別是在貧困的發(fā)展中國(guó)家，預(yù)防工作更加難以實(shí)現(xiàn)。由于地理位置、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、飲食文化等因素可能引起微生物群的差異，因此，建立“正?！蹦c道微生物群特征數(shù)據(jù)庫(kù)是非常有意義的。雖然目前主要的治療手段包括微量元素營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充劑、治療性食品、抗生素、靜脈或口服體液療法，譬如通過(guò)補(bǔ)充膳食纖維能夠促進(jìn)腸上皮細(xì)胞增生、益生菌生長(zhǎng)，維持腸黏膜的屏障作用，也能夠改善腸道微環(huán)境，提高腸胃耐受性，改善消化吸收障礙和營(yíng)養(yǎng)代謝紊亂[36]，但考慮到導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)不良的各種影響因素，單一的治療劑不太可能適用于所有營(yíng)養(yǎng)不良兒童[37-39]，因此，有必要從便于獲取的體液中（如唾液、血液、糞便、小便）分析出特定的生物標(biāo)記物，通過(guò)恰當(dāng)?shù)奈⑸锇邢蛑苿┙M合形成個(gè)性化治療，以此解決個(gè)體營(yíng)養(yǎng)障礙和功能缺陷[40-41]。

目前對(duì)于腸道微生物與兒童營(yíng)養(yǎng)不良相關(guān)性的研究仍存在許多不足：首先，未能發(fā)現(xiàn)特異性腸道微生物，且研究熱度較低；同時(shí)，已證實(shí)兒童營(yíng)養(yǎng)不良與腸道菌群失衡相關(guān)，糞菌移植為重建腸道菌群的最有效手段，但關(guān)于糞菌移植與腸道菌群二者共同研究很少。其次，腸道菌群代謝物參與調(diào)節(jié)腸道屏障和宿主營(yíng)養(yǎng)吸收機(jī)制存在關(guān)聯(lián)，但目前研究未能闡明其內(nèi)在作用機(jī)制。故在未來(lái)的研究中，分析營(yíng)養(yǎng)不良兒童的特異性腸道微生物群，挖掘營(yíng)養(yǎng)、能量代謝和免疫調(diào)節(jié)之間的相互作用具有重要價(jià)值。利用代謝組學(xué)研究揭示腸道微生態(tài)系統(tǒng)失衡導(dǎo)致兒童營(yíng)養(yǎng)不良的可能機(jī)制，同時(shí)需要進(jìn)一步的干預(yù)研究來(lái)證明這些機(jī)制的潛在作用靶點(diǎn)以實(shí)施特定的營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充計(jì)劃，從而改善全球兒童營(yíng)養(yǎng)不良問(wèn)題，具有重大意義。