雙歧桿菌在過敏性哮喘治療中的作用機制研究進展

張齊齊，鄭媛 ，畢玫榮，徐文秀，安麗

1 濰坊醫學院臨床醫學院，山東濰坊 261000；2 濟南市中心醫院兒科

近年全球哮喘發病率逐年增加，兒童和青少年哮喘發病率較高［1］。哮喘是一種以反復發作性喘息、咳嗽、胸悶和呼吸急促為臨床表現的呼吸系統疾病。哮喘的病理生理特點為嗜酸性粒細胞明顯增加、可逆氣流受限和氣道高反應性。目前哮喘的治療以藥物治療為主，臨床常用藥物為糖皮質激素，但咽炎、發音困難、支氣管痙攣等不良反應較多。因此，尋求一種新型哮喘防治藥物成為目前臨床的研究熱點［2］。腸道菌群可能與哮喘的發生發展有關［3］。腸道菌群失衡會影響胎兒免疫系統的發育和成熟，使輔助性T細胞（Th0）向輔助性T細胞2（Th2）表型分化，引發2型免疫過度表達，導致過敏性疾病的發生；另外，過敏性疾病患兒與健康兒的腸道菌群組成成分存在明顯差異，哮喘患兒腸道菌群中雙歧桿菌等厭氧菌含量相對減少［4］。腸道菌群對過敏性疾病有一定的預防和治療效果。研究［5］發現，服用雙歧桿菌混合物可緩解過敏性哮喘患兒的臨床癥狀。雙歧桿菌是一種革蘭氏陽性菌，其主要的生理功能包括維持腸道穩態、參與免疫調節、抗感染、抗腫瘤等［6］。與β2受體激動劑、糖皮質激素等過敏性疾病治療的常用藥相比較，雙歧桿菌在過敏性哮喘治療中的作用機制不同。現將雙歧桿菌在過敏性哮喘治療中的作用機制最新研究進展綜述如下。

1 雙歧桿菌促進色氨酸-芳基烴受體途徑發揮過敏性哮喘的治療作用

色氨酸（Trp）是人體的必需氨基酸，參與腸道免疫調節。腸道微生物群直接代謝Trp的代謝物包括吲哚及其衍生物，例如吲哚-3-丙烯酸（IA）、吲哚乙酸（IAA）、吲酮-3-乳酸（ILA）、indole-3-丙酸（IPA）和吲哚-3-甲醛（I3C），它們均是芳基烴受體（AHR）的配體［7］。AHR是一種可以由受體激活的信號轉錄因子，可以與內源性外源性有機分子相互作用。AHR通過與樹突狀細胞和固有淋巴細胞等免疫細胞的相互作用，發揮免疫調節作用［8］。雙歧桿菌可以促進Trp的代謝，上調AHR的信號轉導［9］。雙歧桿菌促進Trp代謝并產生AHR配體ILA與兩條代謝途徑相關，一種是通過氨基酸氧化酶（AAO）的色氨酸脫氨基；另一種是通過芳香族氨基酸氨基轉移酶（Aat）將Trp轉化為吲哚丙酮酸，然后通過苯乳酸脫氫酶（fldH）轉化為ILA［10］。AHR對于哮喘患者的肺部炎癥具有抑制作用，體內敲除AHR（AHR-/-）的小鼠哮喘模型肺部炎癥明顯加重［11］。另外，最新研究［12-13］證實，AHR可以通過調節輔助性T細胞（Th17）/調節性T細胞（Treg）平衡及抑制活性氧簇（ROS）-核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（NLRP3）途徑減輕哮喘患者的氣道炎癥及黏液高分泌。

1.1 雙歧桿菌通過促進Trp-AHR途徑調節Th17/Treg平衡，減輕氣道炎癥反應 氣道的慢性炎癥是哮喘的主要病理特征，長期的炎癥刺激與組織修復可導致氣道重塑。有學者認為Th17細胞和Treg細胞的免疫失衡也可能是誘發哮喘重要機制之一。為了解哮喘患兒的Treg細胞及Th17細胞的變化，BAOHONG等［14］進行了相關研究，發現哮喘兒童Treg細胞表達減少，而Th17細胞表達顯著增加，Th17和Treg細胞的平衡對于維持免疫耐受至關重要。Th17細胞及其細胞因子IL-17與嚴重哮喘的發生有關，嚴重哮喘患者表現出一種獨特的表型，即嗜中性粒細胞和嗜酸性粒細胞浸潤的混合模式以及糖皮質激素不敏感。IL-17可刺激纖維細胞增殖并釋放促炎因子，促進中性粒細胞募集和氣道高反應性，IL-17也可間接增加平滑肌肌動蛋白，導致氣道重塑［15］。AHR參與調節Th17/Treg分化及其相應促炎和抑炎的表達，其調節的主要機制是增強了Treg 細胞轉錄因子Foxp 3的表達，減少了Th17細胞轉錄因子RORγt的表達［12］。

雙歧桿菌可以通過促進和調節腸道菌群，調節Th17/Treg平衡，增加免疫耐受，抑制炎癥反應［16］。最近的一項研究［17］發現含雙歧桿菌的益生菌治療組可以降低OVA-LPS 誘導的過敏性哮喘小鼠肺泡灌洗液中的IL-17的水平。猜測其可能作用機制為雙歧桿菌促進Trp代謝產生AHR配體，AHR配體與AHR結合后促進Treg 細胞轉錄因子Foxp 3的表達，抑制Th17細胞轉錄因子RORγt的表達，調節Th17/Treg細胞平衡，減輕氣道重塑及氣道炎癥。

1.2 雙歧桿菌通過促進Trp-AHR途徑抑制ROSNLRP3通路，減輕氣道炎癥反應及黏液分泌 目前認為哮喘的發生主要是Th2細胞作為主要細胞引發的免疫反應，Th2細胞誘導白細胞介素（IL-4、IL-5及IL-13）對特異性過敏原產生反應引發嗜酸性氣道炎癥。IL-4是2型效應細胞因子上游的調節因子，可以與其受體相結合，發揮正性調節作用，促進Th0向Th2轉化；IL-5不僅可以調節骨髓中嗜酸性粒細胞的發育、成熟和活化，對其動員以及存活也具有重要意義；IL-13可以促進B細胞同種型轉換、黏液高分泌、杯狀細胞增生、上皮下纖維化和氣道高反應性［2］。NLRP3炎性體是最具特征性的炎性體之一，可以促進炎癥細胞募集，調節胃腸道及肺部組織的免疫反應。NLRP3是Th2分化的轉錄調節因子，可以促進哮喘患者的2型免疫應答［18］。另外，杯狀細胞的增生和高分泌狀態以及粘蛋白的過度表達也是哮喘的重要病理特征。氣道中過量的黏液增加感染的概率，同時降低了哮喘的肺功能，嚴重者還可能引起死亡。粘蛋白5AC（MUC5AC）是杯狀細胞中最主要的呼吸道粘蛋白，NLRP3可以促進MUC5AC的表達從而促進黏液分泌［19］。因此NLRP3對哮喘的發生和發展具有促進作用。ROS特別是線粒體ROS對于NLRP3的激活至關重要，ROS可導致線粒體失穩和功能障礙，從而促進NLRP3炎性體激活。此外，脂質體介導的炎癥小體激活依賴于線粒體ROS的生成，以及通過瞬時受體電位通道M2（TRPM2）的ROS依賴性鈣內流［16］。

TAN等［20］發現含有雙歧桿菌的益生菌可以抑制NLRP3的mRNA表達，發揮抗炎作用。有學者通過動物實驗研究證實，與正常組相比，敲除AHR基因的小鼠其肺組織線粒體ROS顯著增加，ROS-NLRP3功能軸可能成為哮喘的潛在治療靶點［13］。雙歧桿菌代謝Trp產生AHR配體并與AHR相結合發揮免疫調節作用，緩解過敏性哮喘臨床癥狀。AHR對于線粒體ROS的生成具有抑制作用并能進一步抑制NLRP3炎性體的激活，改善哮喘臨床癥狀。一方面，NLRP3炎性體激活減少，導致Th2分化減少，進一步使得Th2細胞誘導產生的IL-4、IL-5及IL-13減少，減輕哮喘患者的氣道炎癥；另一方面，NLRP3炎性體激活減少，引起MUC5AC表達減少，減少哮喘患者的氣道黏液分泌。

2 雙歧桿菌通過促進短鏈脂肪酸生成發揮過敏性哮喘的治療作用

腸道菌群可通過短鏈脂肪酸（SCFA）參與過敏性疾病的發生發展。腸道中的SCFA主要包括乙酸鹽、丙酸鹽和丁酸鹽。雙歧桿菌可以促進SCFA的產生，一方面，腸道菌群將復雜的聚合碳水化合物分解成單糖，雙歧桿菌通過其特有的果糖-6-磷酸途徑利用單糖產生SCFA［21］；另一方面，雙歧桿菌中ATP結合盒（ABC）轉運蛋白的存在對于SCFA生產所需底物的攝取和轉運至關重要［22］。新生兒補充雙歧桿菌可增加盲腸SCFA的含量，抑制IgE介導的過敏性疾病的發生［23］。SCFA不僅可以減輕過敏性哮喘的氣道炎癥還能降低氣道高反應，緩解臨床癥狀。雙歧桿菌通過促進SCFA生成緩解過敏性哮喘的具體機制包括下調核因子-κB（NF-κB）信號通路、抑制轉化生長因子（TGF-β）/Smads信號通路以及上調G蛋白受體 41（GPR41）和 G 蛋白受體 43（GPR43）的表達。

2.1 雙歧桿菌通過其代謝產物SCFA下調NF-κB信號通路表達，減輕氣道炎癥 雙歧桿菌緩解過敏性哮喘與其促進代謝產物SCFA的產生，下調NF-κB信號通路有關。

NF-κB是細胞因子的重要介質，可以調節先天性和適應性免疫。一方面，NF-κB可以誘導細胞因子和趨化因子的表達，并有助于調節炎癥小體；另一方面，NF-κB可以維持天然免疫細胞和T淋巴細胞的活化、分化及存活并在人體免疫系統中誘導造血和淋巴器官生成［24］。NF-κB是一種蛋白質核轉錄因子，過敏性氣道炎癥中可以觀察到NF-κB的持續激活［25］。動物實驗［26］證實 OVA誘導的過敏性小鼠的肺組織中NF-κB的抑制因子-κBα（IκBα）磷酸化水平顯著升高，IκBα是一種稱為NF-κB抑制因子的抑制蛋白，它可以抑制細胞胞漿中的NF-κB的活性，但暴露于許多外界刺激時，IκBα發生磷酸化和隨后的泛素化及蛋白酶體降解從而激活NF-κB，激活后的NF-κB啟動調節CD4+T細胞分化以及Th2細胞因子IL-4、IL-13的轉錄過程。IL-4和IL-13參與過敏性哮喘的發生發展，IL-4被認為主要通過調節T細胞增殖和存活以及IgE合成在哮喘發展的早期階段發揮作用；而IL-13則主要參與過敏反應的晚期，如氣道重塑和黏液高分泌［27］。SCFA可以通過影響NF-κB蛋白復合物的活性從而抑制NF-κB信號通路。NF-κB蛋白復合物的活性受到乙酰化的影響，NF-κB含有七個賴氨酸殘基，均可以以位點特異性結合的方式經歷乙酰化和脫乙酰化過程從而發揮作用［28］。SCFA是一種非選擇性組蛋白去乙酰化酶（HDAC），可以與NF-κB結合并使其發生乙酰化，負性調節NF-κB活性從而抑制炎癥反應［29］。在結腸炎小鼠的動物模型［30］中，雙歧桿菌通過抑制細胞內NF-κB的活化從而減輕炎癥反應。

2.2 雙歧桿菌通過其代謝產物SCFA抑制TGF-β/Smads信號通路，減輕氣道重塑 氣道重塑是哮喘發生發展的重要病理特征之一。氣道重塑的病理變化以上皮損傷和可塑性、成纖維細胞/肌成纖維細胞增多、氣道平滑肌增生肥大、基底膜厚度增加和血管生成為特征。氣道成纖維細胞和肌成纖維細胞的增加通過上皮-間充質轉化（EMT）發生，上皮細胞失去緊密連接并轉化為間充質細胞，肌成纖維細胞的進一步增加通過成纖維細胞-肌成纖維母細胞轉化（FMT）發生。TGF-β是中心的EMT和FMT誘導細胞因子［31］。Smads蛋白是TGF-β下游的信號調節蛋白，TGF-β發揮調節EMT和FMT發生的作用依賴于TGF-β/Smads信號通路的激活。研究［32］發現，支氣管哮喘患者血清TGF-β1表達水平與氣道重塑相關，TGF-β1水平升高可誘發氣道重塑，TGF-β1可通過TGF-β/Smads信號轉導影響細胞遷移、組織重構、炎癥反應等病理過程。SCFA可以抑制體外培養人外周血單個核細胞表達TGF-β1［33］。ZHOU等［34］研究發現，雙歧桿菌通過調節程序性細胞死亡途徑和免疫應答，可顯著抑制炎癥性腸病小鼠TGF-β1的表達。因此，雙歧桿菌可能通過促進SCFA生成，抑制TGF-β/Smads信號通路，減輕哮喘的氣道纖維化，減輕氣道重塑。

2.3 雙歧桿菌通過其代謝產物SCFA上調GPR41、GPR43表達，抑制促炎因子表達 G蛋白耦聯受體（GPCR）是哺乳動物中最大的受體家族，涉及七個跨膜結構域，參與調節身體中幾乎所有的細胞和生理功能。GPR41和GPR43是SCFA最主要的受體，GPR41和GPR43可以被SCFA激活，在發現SCFA受體后，GPR41更名為游離脂肪酸受體3（FFAR3），GPR43又被稱為游離脂肪酸受體2（FFAR2）。FFAR2在人體中廣泛表達，FFAR2存在于單核細胞、中性粒細胞、嗜酸性粒細胞、腸Treg細胞和其他免疫細胞中［35］。FFAR2對于哮喘的發生具有重要意義，FFAR2基因敲除的小鼠哮喘癥狀明顯加重［36］。此外，SCFA可以通過FFAR2抑制IL-6、IL-1β和腫瘤壞死因子α（TNF-α）的表達，發揮抗炎作用；FFAR3在一般炎癥反應中也起到重要作用，丙酸可以通過FFAR3抑制IL-4、IL-5和IL-17A的表達，丁酸可以抑制誘導型一氧化氮合酶（iNOS）、TNF-α、IL-6和單核細胞趨化蛋白-1（MCP-1）表達［35］。丁酸鹽可以通過其受體GPR43對T淋巴細胞發揮調節功能，抑制促炎因子的表達，發揮抗炎作用［37］。

3 雙歧桿菌通過抑制TLR3/TRIF信號通路發揮過敏性哮喘的治療作用

Toll樣受體（TLRs）作為免疫系統的主要蛋白質，被廣泛認為與先天性或適應性免疫反應有關，通過感知和響應所謂的病原體相關分子模式（PAMP），如過敏原和環境污染物顆粒，可能導致哮喘急性加重［38］。TLRs可以誘導激活與免疫相關的β干擾素（INF-β）TIR結構域銜接蛋白（TRIF）信號通路。TLR3通路的不當激活可能與免疫反應的異常刺激有關，這可能導致炎癥細胞募集或細胞因子的產生，并最終導致包括哮喘在內的各種炎癥疾病［39］。YANG等［40］通過動物實驗確定了TLR3/TRIF信號通路可以加重哮喘的氣道炎癥及黏液分泌，TLR3對TRIF的直接作用是誘導INF-β的產生，INF-β可以誘導B細胞生成，激活T細胞以及提高中性粒細胞存活率，從而導致哮喘氣道炎癥加重及黏液高分泌，并且激活TLR3/TRIF信號通路的作用可以擴大哮喘小鼠的氣道炎癥，惡化氣道中的炎癥細胞浸潤，這種浸潤隨著哮喘嚴重程度的增加而增加；除此之外，TLR3/TRIF還可以改變Th1/Th2失衡以減少α-平滑肌肌動蛋白，從而改善OVA誘導的氣道重塑和氣道炎癥［40］。CHAD等［41］發現，瑞士乳桿菌、長雙歧桿菌、雙歧桿菌均可以抑制TLR3引起的炎癥，且混合菌株較單一菌株而言這種抑制效果更顯著。所以我們猜測，雙歧桿菌緩解過敏性哮喘，可能通過影響TLR3/TRIF信號通路來實現。

綜上所述，腸道菌群與早期免疫系統的發育及過敏性疾病的發生發展密切相關。目前，臨床上益生菌多用于調節腸道菌群，治療腹瀉等腸道炎癥性疾病，在過敏性哮喘的防治中的應用仍較少。雙歧桿菌是腸道菌群的重要組成部分，已被證實為有益菌株，雙歧桿菌可以從Trp-AHR途徑、短鏈脂肪酸的生成及TLR3/TRIF信號通路三個方面緩解過敏性哮喘發生。