腸道菌群與哮喘關(guān)系的研究進(jìn)展

袁琛 朱振剛

作者單位：300193 天津，天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院呼吸科

哮喘是一種由多種細(xì)胞及細(xì)胞組分參與的慢性氣道炎癥性疾病。目前影響著全球超過3億人口的健康，占總?cè)丝诘?.5%，每年約有25萬人死于哮喘，預(yù)計(jì)到2025年將增加到4億人[1]。哮喘發(fā)病率的逐年攀升使其成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)的沉重負(fù)擔(dān)，人們一直致力于探索新的方法來改變哮喘的控制現(xiàn)狀[2-3]。隨著二代測序技術(shù)，如高通量測序、宏基因組和分子生物學(xué)的應(yīng)用，對于菌群的研究取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。其中，腸道菌群的研究是最受關(guān)注的領(lǐng)域。越來越多的研究表明，正常的腸道菌群對肺部疾病有積極作用，腸道菌群的紊亂與哮喘等免疫相關(guān)疾病的發(fā)生和發(fā)展密切相關(guān)。本文就近年來關(guān)于腸道菌群與哮喘相關(guān)性的文獻(xiàn)加以綜述。

腸道菌群的概述

腸道菌群是寄居于腸道的微生物群的總稱。人體腸道內(nèi)微生物定植數(shù)量高達(dá)1014個(gè)。腸道菌群具有多樣性，主要以厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門和放線菌門為主，各菌門以不同比例分布在腸道不同部位，在維持人體內(nèi)外環(huán)境的動(dòng)態(tài)平衡中，菌群的數(shù)量和組成處在不斷變化之中[4]。與其他共生菌群相比，腸道菌群是更龐大復(fù)雜的部分。腸道菌群具有調(diào)節(jié)營養(yǎng)代謝、供給能量、防御感染及增強(qiáng)腸道屏障、促進(jìn)免疫系統(tǒng)成熟等作用，是維持機(jī)體內(nèi)環(huán)境的重要保障[5]。腸道黏膜組織中的免疫細(xì)胞占所有免疫細(xì)胞的80%，是機(jī)體免疫系統(tǒng)的重要組成部分，被稱為人體的“第二基因組”[6]。從生命早期開始，逐步有序地定植在消化道內(nèi)，形成穩(wěn)定的腸道微生態(tài)環(huán)境。

腸道菌群失調(diào)與哮喘的關(guān)系

近年來，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)腸道菌群失調(diào)與哮喘的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。腸道菌群失調(diào)大致可分為三類:有益微生物的損失、病原微生物的過度生長以及微生物多樣性的喪失。這三種類型并不是互相排斥的，事實(shí)上，它們經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)[7]。嬰幼兒時(shí)期是菌群形成的關(guān)鍵時(shí)期，在生命開始的兩到三年內(nèi)，腸道菌群在組成和多樣性上發(fā)生變化，并在功能上成熟，之后逐漸穩(wěn)定到與成人相似的模式。早期腸道菌群的不穩(wěn)定，可能與免疫功能不成熟并行，易受到外界因素的影響。因此，腸道菌群與哮喘的相關(guān)性，在嬰幼兒時(shí)期表現(xiàn)得非常明顯，早期菌群的建立確定了機(jī)體的“免疫背景”[8]，正常菌群的建立有利于哮喘的預(yù)防，而早期菌群失調(diào)會(huì)增加發(fā)展成為哮喘的可能性，因此，這個(gè)時(shí)期被稱為“機(jī)會(huì)之窗”[9]。一項(xiàng)來自加拿大的縱向研究顯示，對于高危的3個(gè)月大的哮喘嬰兒進(jìn)行糞便樣本檢測發(fā)現(xiàn)糞便桿菌(Faecaliillus)、拉氏螺旋菌(Lachnospira)、韋洛氏菌(Veillonella)和羅氏菌(Rothia)等4種細(xì)菌的定植與哮喘的患病率呈負(fù)相關(guān)[10]。Abrahamsson等對于出生1 周和1 個(gè)月的嬰兒糞便中微生物進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)糞便中菌群的多樣性增加，可以降低 7 歲時(shí)哮喘的發(fā)病的可能性[11]。而關(guān)于哮喘的實(shí)驗(yàn)性研究顯示，對于小鼠補(bǔ)充相應(yīng)菌群后可明顯改善小鼠呼吸道癥狀[12]。除此之外，腸道菌群的代謝產(chǎn)物同樣影響機(jī)體的免疫應(yīng)答。Roduit等發(fā)現(xiàn)1歲時(shí)糞便中丁酸鹽和丙酸含量較高的兒童特應(yīng)性致敏程度顯著較低，在3至6歲之間患哮喘的可能性也較小[13]。在OVA和屋塵螨(HDM)誘導(dǎo)的小鼠模型中，SCFA也被證明可以減輕氣道炎癥反應(yīng)[14]。隨著研究的深入，發(fā)現(xiàn)多種外界因素可暫時(shí)或永久性的改變腸道的微生態(tài)環(huán)境。

一、藥物因素

早期抗生素的過度使用，可以使機(jī)體免疫穩(wěn)態(tài)持續(xù)而嚴(yán)重的失衡，引起腸道菌群結(jié)構(gòu)和多樣性發(fā)生長期性改變。尤其對嬰幼兒而言，抗生素破壞的正常菌群結(jié)構(gòu)可能不能完全恢復(fù)[15]。事實(shí)上，生命前3年使用抗生素與增加患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)直接相關(guān)[15]。Stiemsma等研究發(fā)現(xiàn)嬰兒出生早期，抗生素暴露顯著增加哮喘和過敏性疾病的易感性和嚴(yán)重性[16]。同時(shí)，孕期使用抗生素，同樣受到了重視，在分娩前9個(gè)月到產(chǎn)后9個(gè)月使用抗生素會(huì)增加后代患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是阿奇霉素，導(dǎo)致辛普森多樣性指數(shù)的嚴(yán)重變化，[17-18]懷孕晚期使用抗生素對后代過敏風(fēng)險(xiǎn)的影響最大[19]。嬰兒患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)還取決于懷孕期間使用的抗生素的周期，風(fēng)險(xiǎn)比從一個(gè)療程的1.15上升到三個(gè)或更多療程的1.51[20]。除此之外，近年來發(fā)現(xiàn)抗?jié)兯幬?，特別是質(zhì)子泵抑制劑(PPI)，通過先天和獲得性免疫細(xì)胞產(chǎn)生對Th2的免疫異常，降低腸道菌群多樣性[21]。在20歲的受試者中，PPI會(huì)使隨后需要使用抗過敏藥物的風(fēng)險(xiǎn)增加1倍，而在60歲以上的患者中，這種風(fēng)險(xiǎn)甚至?xí)杀对黾?倍[22]。PPI的致敏作用與抗生素有協(xié)同作用[23]。

二、分娩方式

分娩方式可以影響新生兒早期腸道菌群的正常定植,嬰幼兒腸道菌群的定植主要源于母體產(chǎn)道的微生物，自然分娩時(shí)接觸母體陰道分泌物，獲得來自母體的有益微生物，如大腸埃希菌、鏈球菌等兼性厭氧益生菌，并在腸道內(nèi)有效定植[24]。產(chǎn)道中的微生物定植到兒童的呼吸道，產(chǎn)生免疫耐受[25]。剖宮產(chǎn)新生兒無法接觸到母體有益微生物，致使出生后無法快速建立自身健康的腸道環(huán)境。因此，與剖宮產(chǎn)嬰兒相比，自然分娩的嬰兒腸道中菌群定植時(shí)間早，數(shù)量高，多樣性更為豐富，剖宮產(chǎn)兒發(fā)生過敏性疾病的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度是自然分娩的1.3倍[26]。

三、喂養(yǎng)方式及膳食結(jié)構(gòu)

不同喂養(yǎng)方式也會(huì)對嬰幼兒腸道菌群產(chǎn)生影響，母乳中的雙歧桿菌、乳酸桿菌、鏈球菌等微生物可以促進(jìn)嬰幼兒腸道菌群的發(fā)育和免疫系統(tǒng)的成熟,人工喂養(yǎng)會(huì)使嬰兒腸道菌群定植推遲[27]。嬰兒6～12月是腸道菌群結(jié)構(gòu)的波動(dòng)階段，母乳喂養(yǎng)能夠增加這段嬰兒腸道菌群的多樣性[28]。膳食結(jié)構(gòu)也會(huì)影響嬰幼兒腸道菌群的建立，研究發(fā)現(xiàn)無菌小鼠腸道內(nèi)短鏈脂肪酸(SCFAs)顯著下降，高纖維飲食可改變小鼠腸道菌群，使SCFAs含量增加，抑制Th2細(xì)胞活性，改善Th1/Th2失衡,減輕氣道炎癥，預(yù)防哮喘的發(fā)生[29]。

腸道菌群失調(diào)與哮喘發(fā)病機(jī)制的關(guān)系

腸道菌群與哮喘的發(fā)病機(jī)制非常復(fù)雜，目前認(rèn)為腸道菌群在調(diào)節(jié)機(jī)體適應(yīng)性免疫穩(wěn)態(tài)中起到重要作用。腸道菌群失調(diào)通過影響T細(xì)胞的發(fā)育和分化，破壞腸道上皮的完整性和黏膜穩(wěn)態(tài)，影響肥大細(xì)胞歸巢等機(jī)制導(dǎo)致哮喘的發(fā)生。

一、影響T細(xì)胞的發(fā)育和分化

二、破壞上皮完整性和黏膜穩(wěn)態(tài)

哮喘患者常伴有腸黏膜結(jié)構(gòu)和功能的變化。腸道上皮屏障在調(diào)控免疫反應(yīng)中起重要作用，腸道菌群通過產(chǎn)生某些特定代謝產(chǎn)物來調(diào)節(jié)上皮屏障，維持上皮完整性并誘導(dǎo)組織修復(fù)。腸道上皮的通透性依賴于緊密連接，緊密連接，包括連接細(xì)胞外基質(zhì)中的細(xì)胞并與細(xì)胞質(zhì)中的細(xì)胞骨架蛋白結(jié)合的跨膜蛋白，連接的緊密程度，受細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白與肌球蛋白相互作用的調(diào)節(jié)，而肌球蛋白輕鏈激酶和Rho激酶等又對其進(jìn)行調(diào)節(jié)[34]。短鏈脂肪酸(SCFAs)是腸道菌群的主要代謝產(chǎn)物，SCFA信號(hào)可以改變肌球蛋白輕鏈激酶和Rho激酶的活性，從而誘導(dǎo)新的緊密連接的重組，因此，短鏈脂肪酸在維持上皮完整性和黏膜穩(wěn)態(tài)方面起著至關(guān)重要的作用[35-36]。此外，菌群失調(diào)伴隨的炎癥狀態(tài)會(huì)破壞了緊密連接和降低上皮完整性，通過炎癥因子和抗炎因子，包括IFN-γ、TNF-α、IL-1、IL-6和IL-10等調(diào)節(jié)緊密連接。例如，艱難梭菌對腸道的定植可能會(huì)引起一連串的炎癥反應(yīng)，包括TLR5的結(jié)合和控制炎癥基因表達(dá)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子NF-KB的激活等，從而導(dǎo)致黏膜炎癥和上皮屏障的破壞[37]。

三、減少肥大細(xì)胞歸巢

腸道菌群對于肥大細(xì)胞上表達(dá)的CXC趨化因子受體2(CXCR2)配體在腸上皮細(xì)胞中的正確表達(dá)非常重要。研究比較了無菌小鼠和野生型小鼠中三種配體的轉(zhuǎn)錄水平，無菌動(dòng)物模型證實(shí)了腸道菌群在調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答平衡中的作用。所研究的3種配體分別是角質(zhì)形成細(xì)胞衍生細(xì)胞因子、脂多糖誘導(dǎo)的CXC趨化因子和巨噬細(xì)胞炎性蛋白2。在無菌小鼠中這3種配體的轉(zhuǎn)錄均顯著降低，提示共生菌可能通過TLR信號(hào)通路對腸上皮細(xì)胞產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄作用。腸上皮細(xì)胞表達(dá)趨化因子CXCL1，表達(dá)CXCR2的肥大細(xì)胞被吸引到該趨化因子上，CXCL1的下調(diào)減少了肥大細(xì)胞對腸道的歸巢，從而增加循環(huán)中的肥大細(xì)胞[38]。因此，無菌小鼠腸道中的肥大細(xì)胞較少，而血液中的肥大細(xì)胞較多，這與炎癥狀態(tài)相對應(yīng)，并在哮喘等疾病中觀察到[39]。

益生菌在哮喘治療中的作用

目前臨床上治療哮喘的藥物主要有糖皮質(zhì)激素、β2受體激動(dòng)劑等，這些藥物雖能緩解患者癥狀和病情，但無法達(dá)到根治目的。因此，哮喘的治療還處于被動(dòng)控制和緩解的階段。隨著腸道菌群在疾病中的地位受到廣泛關(guān)注，益生菌成為預(yù)防和治療哮喘的一個(gè)新方向。益生菌多數(shù)來自人類腸道中的健康菌群，是具有免疫調(diào)節(jié)、抗氧化活性和抗菌作用的有益的、活的微生物[40]。多項(xiàng)研究表明單一或復(fù)合益生菌在哮喘的防治中具有肯定療效。這些益生菌能影響腸道屏障(腸黏膜結(jié)構(gòu)/功能)的成熟和耐受性樹突狀細(xì)胞的發(fā)育，隨之影響局部腸道和全身免疫反應(yīng)[41]。

Du等對最新的6個(gè)數(shù)據(jù)庫中的隨機(jī)對照試驗(yàn)進(jìn)行的薈萃分析顯示，在長期隨訪中，鼠李糖乳桿菌(LGG)有助于預(yù)防哮喘[42]。Wu 等[43]發(fā)現(xiàn)鼠李糖乳桿菌GG(LGG)能降低小鼠氣道阻力，減少肺泡灌洗液及血清中炎癥細(xì)胞和Th2細(xì)胞因子數(shù)量，使血清中IgE水平下降。Yu等[44]在致敏前使小鼠補(bǔ)充鼠李糖乳桿菌，能降低對乙酰甲膽堿的高反應(yīng)性，在減輕氣道炎癥反應(yīng)方面能達(dá)到與布地奈德相似的治療效果。Chen等給予同時(shí)患哮喘和過敏性鼻炎的小學(xué)生，為期2個(gè)月的加氏乳桿菌治療，結(jié)果發(fā)現(xiàn)患者癥狀明顯好轉(zhuǎn)，晝夜呼吸流速(PEFR)改善，外周血中TNF-α、IFN-γ、IL-13等細(xì)胞因子顯著下降[45]。對于復(fù)合益生菌制劑，Giudice等[46]發(fā)現(xiàn)雙歧桿菌合劑(長雙歧桿菌BB536、嬰兒雙岐桿菌M-63、短雙歧桿菌M-16V)能夠顯著改善哮喘患者癥狀，減少發(fā)作次數(shù)，提高生活質(zhì)量。 Huang等研究表明副乳桿菌(LP)、發(fā)酵乳桿菌(LF)或它們的組合，以膠囊形式給予6～18歲的哮喘兒童3個(gè)月，可降低哮喘嚴(yán)重程度，改善哮喘控制，增加最大呼氣流速，降低IgE水平，且兩個(gè)菌株組合給藥似乎更加有效[47]。

但部分研究未達(dá)到理想的治療效果。Evelyn X.L.Loo等[48]對于患有哮喘、過敏性鼻炎、濕疹等患兒進(jìn)行了長期隨訪，發(fā)現(xiàn)5歲時(shí)的發(fā)病率與對照組無顯著差異，早期益生菌治療未能改善患者長期預(yù)后。迄今為止進(jìn)行的大多數(shù)薈萃分析，都未能證明孕期母親和/或嬰兒在出生第一年期間預(yù)防性補(bǔ)充益生菌對哮喘風(fēng)險(xiǎn)的有利影響。因此，益生菌對于哮喘的防治的療效仍然具有爭議性，國際衛(wèi)生組織指南也表示，需要更多關(guān)于益生菌預(yù)防哮喘是否有效的研究，因?yàn)槠駷橹沟难芯靠赡堋皼]有使用正確的益生菌、正確的劑量、正確的時(shí)間或持續(xù)時(shí)間和/或人群”[49]。

展 望

腸道菌群作為人體最復(fù)雜的微生態(tài)系統(tǒng)，在機(jī)體的免疫穩(wěn)態(tài)中起到重要作用。哮喘發(fā)生發(fā)展與腸道菌群功能失調(diào)密切相關(guān)，為哮喘的防治提供了新的思路與方法。益生菌對于哮喘的防治效果尚不完全清楚，因個(gè)體差異可能產(chǎn)生不同的結(jié)果，部分研究結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化和穩(wěn)定性欠佳，仍需更多大樣本、前瞻性的深入研究。