腸道菌群與兒童免疫

曹海寧 周昌寧

隨著近年來各種分子技術在腸道微生物群落研究中的發展，人體腸道中定植的微生物群落的結構與功能正逐步得到了解。復雜的腸道微生物群落包含有500～1000種，達1013～1014個，10倍于人自身細胞總數[1]。由于兒童腸道生理功能特殊：嬰幼兒時期腸道免疫功能不完善，且腸道菌群正處于生理性演替過程中，處于不穩定時期，年齡越小，微生態平衡穩定性越不穩定，易受到各種因素(如分娩方式、喂養方式、衛生環境、疾病和抗生素的應用等)的制約，從而導致嚴重的腸道微生態平衡紊亂，主要表現在以雙歧桿菌為主的益生菌數量明顯不足，菌群之間正常比例嚴重失衡；此外，正常腸道菌的轉移和一些機會菌的大量生長繁殖。當腸道菌群的數量和種類發生異常變化，偏離正常的生理組合，轉變為病理性組合狀態，即出現菌群失調，導致許多相關疾病。本文將對其研究進展作一綜述。

1 人體腸道菌群分布

細菌在人體胃腸道各部位定植的數量和種類各異[2]：胃內PH值偏酸性，含多種消化酶類，妨礙細菌增殖，因此，胃內細菌數量和種類均較少，總菌數103CFU／mL，除了幽門螺桿菌及相關的菌種外，還包括一些G+需氧菌，如奈瑟菌、葡萄球菌、鏈球菌、念珠菌和乳酸菌等。在小腸這個過渡區，雖然pH值有所升高，但含有的多種消化酶類更多，且蠕動功能強烈，分泌腸液多，能將細菌在繁殖前沖洗到回腸和結腸遠端。因此，其細菌數量在胃和結腸之間逐漸增多，且十二指腸和空腸相對無菌。含菌濃度為0～105CFU／mL，以G+需氧菌為主，如葡萄球菌、鏈球菌和乳酸桿菌。在回腸中，G—菌開始超過G+菌，含菌濃度約103～107CFU／mL，但仍以需氧菌為主，包括擬桿菌和雙歧桿菌等；盲腸與結腸中的細菌濃度較高，達1011～1012CFU／mL，且厭氧菌超過需氧菌102～104倍，超過98%，細菌種類也達300多種，干大便的重量近1／3是由細菌組成。以擬桿菌、真桿菌和雙歧桿菌以及厭氧的G+球菌為主。

除此之外，同一腸道內不同類菌的空間分布也不一樣[3]?？偟膩碚f，腸腔內腸道菌群形成3個生物層：里層為與粘膜上皮細胞粘連形成細菌生物膜的菌群稱為膜菌群，包括雙歧桿菌和乳酸桿菌，它們是腸道共生菌，是維持腸道正常生理功能兩種主要細菌，對機體至關重要；中間主要為厭氧菌，包括糞桿菌、消化鏈球菌和優桿菌等；外層的細菌稱為腔菌群，可游動，以大腸桿菌、腸球菌等需氧及兼性需氧菌為主。

2 兒童腸道菌群發育

新生兒出生后不久腸道內就有大量細菌定植，但其微生物穩態的建立是逐漸完成的動態過程，嬰兒剛出生前在子宮內是處于相對無菌的環境，其腸道內是無菌的，出生后細菌迅速從口及肛門侵入，2h左右，腸道內很快植入腸球菌、鏈球菌和葡萄球菌等需氧菌。Yoshiok等[4]通過對新生兒出生后腸道菌群定植過程的研究，發現生后第1d腸內定植的優勢菌是腸桿菌，其次是腸球菌、葡萄球菌和類桿菌，出生后第6d雙歧桿菌數量逐漸增多成為優勢菌，其優勢狀態可持續1～3個月。研究者們對哺乳期腸道菌群發育的研究有所分歧：Roberts[5]等對哺乳期小兒腸菌群的研究發現，出生后1w左右腸道內主要含有大量的雙歧桿菌、腸球菌和腸桿菌，1個月后，雙歧桿菌為優勢菌，并伴有其他細菌的生長。Klesseu等[6]對生后第7d嬰兒糞便菌群的研究，發現89%的嬰兒檢測到雙歧桿菌，這種優勢可持續3個月左右，此外，還發現大量腸桿菌、腸球菌、類桿菌和乳桿菌等。總之，出生后1w左右小兒腸道中含有大量的腸桿菌、腸球菌和葡萄球菌，但隨著時間遷移其數量逐漸減少，而雙歧桿菌數量的逐漸升高，此后，乳桿菌數量隨時間的推移逐漸增多。母乳喂養兒添加輔食時腸菌群結構將有所改變，主要表現在腸球菌和類桿菌數量逐漸增多，這種變化可能與糞便pH值密切相關；人工喂養兒添加輔食時這一變化主要是由于他們腸道內已存在大量的需氧菌和類桿菌，斷奶后小兒的腸菌群結構越來越接近成人。Sepp等[7]對愛沙尼亞和瑞典兩國兒童斷奶后菌群結構進行了對比研究，發現所有嬰兒糞便中均含有大量的腸球菌、雙歧桿菌和類桿菌，而腸桿菌數量不多。Guerin-Danan等[8]對10～18個月斷乳兒童糞便菌群的進行研究，發現其構成主要含有大量的雙歧桿菌、腸桿菌和腸球菌，此外，部分兒童糞便中還含有乳桿菌。這證實嬰兒后期逐漸斷乳后，雙歧桿菌數量有所減少，而腸道pH值隨之升高，類桿菌、真桿菌、梭菌、乳桿菌、鏈球菌等數量將有所增多。至此，腸道菌群結構趨于穩定，這種狀態維持整個兒童期和青壯年期。

3 腸道菌群與免疫

3.1 調節免疫系統免疫功能

人體腸道內數量最多的有益菌是雙歧桿菌, 它在維持腸道微生態平衡,刺激機體特異性和非特異性免疫功能方面發揮的作用至關重要，Yasui等[9]研究發現，短雙歧桿菌作用靶細胞后釋放的活性因子可直接影響B細胞的分裂。De Simone等[10]讓志愿者口服凍干分叉雙歧桿菌膠囊后,發現外周血B細胞亞群比例顯著升高。這說明雙歧桿菌可促進B淋巴細胞的轉化。Von der Weid等[11]研究發現,乳酸桿菌雖可使CD4+T細胞增殖減少,但IL-10和TGF-β的分泌增加。在腸道雙歧桿菌數量減少，大腸埃希氏菌優勢生長時，腸壁固有層中CD3+、CD4+、CD8+細胞明顯下降，免疫調節功能減弱。Hatcher等研究發現，雙歧桿菌菌體破碎后的可溶性提取物可使巨噬細胞的溶菌酶活性顯著降低,巨噬細胞吞噬聚丙烯酰胺顆粒和活的沙門菌的能力增強。將雙歧桿菌及其表面結構成分作為生物應答調節劑可使各種細胞因子和抗體的產生增加，并能顯著提高NK和巨噬細胞活性等和全身的防御功能，且能發揮自穩調節、抗感染和抗腫瘤作用。因此,雙歧桿菌對非特異性免疫增強作用效果明顯。

除此之外，其它正常菌群也能調節機體免疫功能：如鼠李糖乳桿菌、植物乳桿菌、乳酸球菌等是TNF-α和 IL-6的強有力的誘導劑，可使體液免疫增強；干酪乳桿菌和保加利亞乳桿菌可激活巨噬細胞, 刺激人體產生免疫反應。Gill等[12]將鼠李糖乳桿菌、嗜酸乳桿菌給小鼠口服后, 可增強脾細胞對絲裂原(ConA)和刀豆素(LPS)的增殖反應和血清中抗體應答?？诜热闂U菌膠囊也能顯著升高人體外周血B細胞亞群比例。乳桿菌還能影響細胞免疫，有效阻止許多微生物的入侵和粘附。此外，吸附于人體的嗜乳桿菌能吸附于分化的腸道細胞上,殺滅入侵菌，發揮抗菌活性[7]。

3.2 屏障作用

機體的先天性或非特異性免疫反應，亦即機體免疫系統識別和排除各種異物，主要依靠機體的屏障作用，包括正常菌群是屏障作用的第一道防線。從現代的研究不難看出[13]，在機體的屏障作用中極為重要。腸道微生物定植抗力(colonization resistance，CR)由荷蘭微生物學家Van der waaij教授提出的[13]，是指腸道內源性專性厭氧菌具有抑制消化道中主要屬需氧菌的潛在致病菌群數量的能力。Vollaard認為糞便中需氧G-桿菌、腸球菌、酵母菌的數量和雙歧桿菌與腸桿菌的數量比值可作為腸道微生物定植抗力的指標[14]。

3.3 免疫佐劑活性

Himanen等[15]研究發現，枯草芽孢桿菌的脂磷壁酸(LTA)和肽聚糖-磷壁酸復合物均具有很強的免疫佐劑活性。此外，機體經口服芽孢桿菌后，在腸道淋巴組織集合的抗原結合位點上直接作為免疫佐劑，促進免疫應答，或者通過調整宿主體內的微生物群，尤其是雙歧桿菌菌群，間接的發揮免疫佐劑的調節作用，使機體的局部或全身防御功能顯著提高[10]。

3.4 協同拮抗病原菌入侵

腸道細菌通過激活穿越上皮細胞的運輸通路和特異的DC，穿過粘膜屏障與固有層免疫細胞相互接觸，持續激活粘膜免疫系統，一旦致病菌入侵即可引起病理反應[16]。Hooper等研究發現，宿主和腸道菌群的相互作用對粘膜結構和功能有重要作用。此外，還發現無細菌的動物粘膜漿細胞很少，因此認為IgA產生是直接依賴腸道菌群[17]。有文獻報道菌群缺陷時，固有層淋巴細胞減少。當菌群重新建立時，固有層淋巴細胞恢復正常，說明控制炎癥就要控制細菌，無細菌的動物存在免疫缺陷[18]。總之，腸道菌群是宿主免疫組成的一部分。

3.5 免疫系統對腸道菌群的作用

SIgA由兩個IgA聚合而成，分子的直徑較大，可抑制腸道內的細菌粘附腸道粘膜表面，還可中和腸道內的毒素、酶和病毒，并結合抗原形成免疫復合物由吞噬清除。SIgA直接作用于細菌表位，尤其對腸道菌群中的革蘭陰性桿菌具有特殊的親和力，能包被細菌，封閉細菌與腸上皮細胞結合的特異部位，阻止其與腸上皮細胞的吸附，避免細菌穿透腸上皮發生移位，是阻止細菌移位的重要環節[19]。Macpherson和Uhr實驗中，通過腸系膜淋巴結中樹突狀細胞攜帶的活細菌數的檢測，發現SIgA能夠阻止細菌穿透腸上皮細胞層，并限制共生菌侵入腸系膜淋巴結。這種保護性作用依賴于一個低親和力，高容量系統，增加細菌的流動直徑，阻止細菌入侵[19]。另有試驗表明，當生物菌膜和戊二醛固定的Caco-2細胞共同培養時，SIgA可提高菌膜的建立，菌膜的建立除了依賴菌毛的表達外，也表現為SIgA依賴性[20]。

4 腸道菌群與疾病

正常情況下腸道菌群與腸道免疫通過精密的調控機制和平共處，處于動態平衡狀態，一旦這種機制被破壞，將會導致一系列疾病發生發展。若腸道免疫系統失去對正常菌群某些抗原的耐受能力，可在腸道局部可產生炎癥反應，誘發炎癥性腸炎(包括潰瘍性結腸炎、克羅恩病)；此外，由于機體與細菌存在交叉抗原，可誘發全身炎癥反應，導致某些自身免疫性疾病的發生。無菌動物不能用來建造炎癥性腸炎及自身免疫性疾病的動物模型，這也支持這一觀點。很多臨床資料表明，利用腸道活得正常菌群如：乳酸桿菌、雙岐桿菌、非致病性大腸桿菌，治療炎癥性腸炎、嬰幼兒濕疹、食物過敏取得了很好療效，而且無副作用，作用更持久。當腸道免疫功能下降時，腸道細菌由于失去監控，會出現過度繁殖、細菌移位。如在嚴重創傷后，可因腸道細菌移位及釋放大量內毒素而引發或加重多臟器功能衰竭；在急性胰腺炎時，腸道細菌可通過毛細淋巴管，經胸導管、心臟，到達肺部，誘發胰腺炎相關性肺炎；HW感染的患者易出現腸道細菌過度繁殖引起的細菌性腹瀉。這類疾病都可通過提高機體免疫力或用益生菌改善腸道菌群來預防和治療。

5 結語

正常菌群對兒童腸道是有利的，它們除能促進腸道消化吸收外，還能抵御一些病原菌通過腸道侵入體內，抑制致病微生物的生長，是機體免疫統不可缺少的重要組成部分。研究了解正常菌與動物免疫的相互關系，研制有益菌構成的微生制劑在動物疫病防治上必將有著深遠的意義。

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