腸道菌群通過短鏈脂肪酸參與過敏性哮喘發病的相關機制研究進展

楊玉婷，倪吉祥，徐彪，羅干

三峽大學人民醫院 宜昌市第一人民醫院呼吸與危重癥醫學科，湖北宜昌443000

支氣管哮喘（簡稱哮喘）是一種氣道慢性炎癥性疾病，其特點是可變的氣流受限和氣道高反應性（AHR），且兒童、成人均以過敏性哮喘為主［1-2］。哮喘的發病率呈逐年升高趨勢，尤其好發于兒童［3］。第三次城市兒童哮喘流行病學調查結果顯示，與2000 年相比，我國兒童哮喘總發病率增加了52.8%［4］。短鏈脂肪酸（SCFAs）是乙酸、丙酸和丁酸的統稱，是膳食纖維在腸道菌群的降解下產生的發酵產物，是腸道菌群發揮作用的關鍵因子。研究表明，腸道菌群的改變不僅與腸道、心血管及腦部相關疾病有關，同時也參與了一些肺部疾病的發生［5］。本研究對腸道菌群通過短鏈脂肪酸參與過敏性哮喘發病的相關機制作一綜述，為實現哮喘的精準治療與個體化治療提供理論依據。

1 腸道菌群與過敏性疾病的關系

腸道微生物群及其微環境是連接環境和機體的重要樞紐，生命早期包括胎兒出生之前是決定人類身體狀況的關鍵時期。研究表明，早期生命事件如剖宮產分娩、配方喂養以及早期應用抗生素等，改變了腸道菌群的組成，甚至可引起腸道菌群失調和免疫應答紊亂，增加了過敏性哮喘的發生風險［6］。也有研究認為，哮喘風險的增加與糞腸球菌屬相對豐度和微生物多樣性減少等有關，而乳桿菌早期定植可減輕腸道炎癥反應，進而降低哮喘的發生率［7］。HEVIA 等［8］研究發現，學齡期發生哮喘的兒童，其出生1 周及1 個月時（即生命早期）腸道菌群多樣性均顯著低于正常兒童，提示生命早期腸道微生物群多樣性降低與學齡期兒童哮喘的發生密切相關，在此階段調節腸道菌群或許能減少學齡期兒童哮喘的發生。BJ?RKSTéN 等［9］研究嬰兒糞便時發現，與正常兒童相比，患有過敏性疾病的患兒出生后第1 個月感染腸球菌的概率以及出生后第1 年感染雙歧桿菌的概率更低；同時，患有過敏性疾病的患兒3個月時梭菌豐度較高，出生1 年時類桿菌豐度較低。由于上述研究是在過敏性疾病發病率存在明顯差異的兩個國家（高發區瑞士、低發區愛沙尼亞）中分別進行的，因此可以推測腸道菌群紊亂與過敏性疾病的發生、發展均存在關聯。

2 SCFAs與過敏性哮喘氣道高反應性的關系

氣道重構是哮喘的重要病理特征，可降低哮喘患者對吸入激素的敏感性，使患者出現不可逆的氣流受限和持續AHR［1］。輔助性T細胞2（Th2）及其細胞因子所介導的免疫反應在哮喘氣道重塑過程中具有不可替代的作用，Th2 細胞及其細胞因子釋放炎癥介質，并作用于肥大細胞、嗜酸粒細胞（EOS）等效應細胞，引起Ⅱ型免疫反應，使氣道黏液分泌增多、EOS浸潤，最終導致AHR［10］。

三種SCFAs 的生成方式存在差異，乙酸多由雙歧桿菌等多種腸道菌群代謝生成，丙酸多由擬桿菌經琥珀酸代謝途徑生成，丁酸則多由梭狀芽孢桿菌經丙酮酸代謝途徑生成［11］。SCFAs不僅可以為腸黏膜細胞提供能量來源，而且是重要的免疫信號分子，除了能抑制宿主炎癥反應和革蘭陰性菌的生長以外，還能促進雙歧桿菌、乳桿菌等有益菌的增殖。ZHANG 等［12］在研究小鼠模型時發現，高纖維飼料喂養可使雙歧桿菌等產SCFAs 的細菌數量增多，血液中SCFAs水平升高，還能減少嗜酸粒細胞浸潤、促進Th1/Th2平衡，明顯減少過敏性氣道疾病的發生；這提示SCFAs可以通過“腸—肺軸”抑制過敏性氣道炎癥反應，補充SCFAs 可以降低或緩解過敏性哮喘的發生發展，即SCFAs 對小鼠氣道過敏性疾病的發生具有抑制作用。乙酸和丙酸都能通過上調調節性T 細胞（Tregs）數量和加強Tregs 細胞功能來減少過敏性氣道疾病的發生，其中丙酸還能通過改變腸道菌群組成、影響輔助性T細胞數量及功能，而參與過敏性哮喘的發生［13-14］。另一項研究也發現，膳食纖維和丙酸可以預防小鼠過敏性氣道疾病的發生［15］。丁酸是被國內外研究最多的SCFAs，其進入細菌后會進行分解，產生氫離子、丁酸根離子，高濃度的氫離子可使酸耐受性差的大腸桿菌等致病菌大量死亡，而乳酸桿菌等有益菌因自身耐酸性得以存活并大量增殖，與此同時丁酸根離子則可通過破壞DNA結構抑制細菌生長，從而發揮調節腸道菌群的作用［16］。當機體受到炎癥因子侵襲，造成局部組織細胞功能障礙，甚至變性、壞死時，丁酸可影響白細胞介素2（IL-2）、IL-4、IL-8、腫瘤壞死因子（TNF-α）等炎癥因子釋放，加快中性粒細胞遷移，從而更快地發揮抗炎作用，并使受損組織得到修復［17-18］。國外研究發現，糞便中丁酸含量與兒童過敏性哮喘發生率呈負相關，即當糞便中丁酸含量降低時，兒童發生過敏性哮喘的概率會隨之增加［19］。

3 腸道菌群通過SCFAs 參與過敏性哮喘發病的相關機制

3.1 激活G蛋白耦聯受體41（GPR41）/GPR43并影響其表達 GPR41 和GPR43 是具有同源性的兩種特異性SCFAs受體，也是重要的信號轉導分子，可以調控多種信號轉導通路。HALNES 等［20］研究表明，SCFAs可刺激GPR41/43基因表達上調，對于緩解哮喘患者的氣道炎癥反應具有重要作用。馬鈺等［21］研究發現，丁酸可以通過激活GPR41、GPR43 顯著調節T 淋巴細胞的功能，抑制炎癥因子IL-2釋放，上調抗炎因子IL-4 水平，從而達到抗炎的作用。TROMPETTE 等［22］研究發現，丙酸可通過降低過敏性小鼠氣道IL-4及IL-13等細胞因子表達，達到減輕機體炎性反應和緩解小鼠癥狀的目的；雖然SCFAs能改變肺部的免疫環境，影響過敏性氣道疾病的嚴重程度，但丙酸對過敏性炎癥的作用僅依賴于GPR41，而與GPR43 無關。上述研究均表明，過敏性哮喘的病理生理過程與SCFAs參與的G蛋白耦聯受體表達下降相關，即GPR41 或GPR43 表達下調，更容易導致過敏性哮喘的發生或進展。

3.2 組蛋白乙酰化修飾 目前關于GPR41 和GPR43 在過敏性哮喘氣道高反應中的作用存在爭議。KAIKO 等［23］研究證實，丁酸抑制上皮細胞增殖的機制是通過劑量依賴性方式直接抑制組蛋白去乙酰化酶（HDAC），而與刺激G蛋白偶聯受體（GPCRs）無關。HDAC 是一類通過去除組蛋白賴氨酸殘基乙酰基團而調控組蛋白乙酰化水平，最終影響下游基因表達，進而參與組蛋白乙酰化修飾的酶家族［24］。THEILER 等［25］觀察到SCFAs 能通過黏附于內皮、遷移以及存活等機制抑制人嗜酸性粒細胞發揮作用，這些作用與GPR41、GPR43 均無關，但伴隨著組蛋白乙酰化的發生；由此推測，丁酸可抑制致敏原誘導的小鼠氣道以及肺部嗜酸性粒細胞增多，降低Th2細胞因子水平，以改善小鼠氣道高反應性。此外，SCFAs 還能降低Tregs 細胞HDAC6、HDAC9表達，影響轉錄因子Foxp3去乙酰化程度，致使Foxp3降解及Tregs細胞功能障礙，從而影響機體免疫穩態。

3.3 激活細胞外信號調節激酶（ERK1/2）信號通路 氣道重構作為過敏性哮喘的重要病理特征，具有不可逆的特點，顯著影響患者肺功能及預后。當哮喘長期、反復發作，無法得到有效控制時，可見氣道上皮細胞黏液化生、杯狀細胞增生、平滑肌細胞增生/肥大、細胞外基質（ECM）沉積、上皮下膠原沉積和纖維化以及血管生成增多，最終導致氣道結構和功能的改變，發生氣道重塑。上述過程需要嗜酸性粒細胞、肥大細胞、中性粒細胞等炎癥細胞及其產生的細胞因子的參與。ERK1/2 信號轉導途徑是機體內多條信號轉導途徑的交匯點，ERK1/2 被激活后能介導多種生長因子、炎癥介質，參與及調控支氣管平滑肌細胞增殖，從而參與哮喘發病過程中的氣道重塑、氣道炎癥等多個環節。Th2 細胞及其細胞因子介導的Ⅱ型免疫反應是哮喘氣道重構過程中的關鍵環節，而ERK1/2 信號通路激活是哮喘氣道重構的關鍵機制［10］。IL-4、IL-13均主要由Th2細胞產生，兩者具有一定的同源性。研究表明，IL-13具有強大的誘導ERK1/2 MAPK 活化的功能，可以通過激活ERK 通路參與過敏性哮喘氣道炎癥、氣道重構等相關機制［26］。IL-4、IL-13 可以刺激支氣管平滑肌細胞（ASMC）分泌嗜酸粒細胞趨化蛋白，而這種作用可以被ERK1/2 MAPK 特異抑制劑PD98059 所抑制。YAMASHITA 等［27］在研究RAS-ERK MAPK 級聯與Th2 細胞分化時發現，在Th2 細胞極化狀態下加入PD98059 抑制劑可顯著抑制Th2 細胞增殖，其分泌的IL-4、IL-13 等細胞因子表達也顯著降低，從而達到減輕哮喘氣道炎癥反應的作用。KIM等［28］研究發現，當小鼠上皮細胞ERK1/2 介導的信號傳導通路被激活時，其糞便中SCFAs豐度有所增加，其腸道炎癥也隨之減輕，推測SCFAs 可以通過激活ERK1/2介導的信號通路來緩解炎癥。最近一項研究發現，SCFAs 水平與鼠檸檬酸桿菌易感性有關，其中以丁酸最為顯著，丁酸在體外可直接抑制鼠檸檬酸桿菌生長，而補充丁酸可在體內得到相同的結果［29］。

3.4 介導Th2 細胞和Tregs 細胞 不論SCFAs 是通過上述何種途徑參與過敏性哮喘的發病，其最終都是通過影響Th2細胞和Tregs細胞實現的。Th2細胞過度活躍時會大量釋放針對過敏原抗體的細胞因子，而當Tregs細胞被抑制時會導致過敏原相關的免疫反應失控。因此，通過SCFAs 抑制Th2 細胞增殖、增加機體Tregs細胞數量，可以達到減輕過敏性哮喘炎癥反應及氣道高反應性的目的。

綜上所述，腸道菌群多樣性的改變導致其發酵產物SCFAs 的種類及含量隨之改變，進而使氣道上皮屏障遭到破壞，引發過敏性哮喘氣道高反應的發生。目前關于腸道菌群通過SCFAs在過敏性哮喘發病中的相關研究比較少，未來或許可以通過調節腸道菌群失衡、SCFAs 含量等途徑降低氣道高反應的發生，也為今后哮喘的治療開辟了新方向。