腸道微生物-免疫功能與兒童營養不良之間的研究進展

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

美國胃腸營養學會（American Society for Parenteral and Enteral Nutrition，ASPEN）將兒童營養不良定義為“營養需求和攝入之間的不平衡，導致能量、蛋白質或微量營養素的累積不足，并對生長、發育產生負面影響”[1]。據聯合國兒童基金會、世界衛生組織統計，發育遲緩影響大約22.2%的5歲以下兒童，而營養不良威脅著大約7.5%的5歲以下兒童的生命安全[2]。營養不良兒童面臨著一系列健康問題，直接或間接導致每年有310萬兒童死亡，占全球兒童死亡率的45%[3]，故兒童營養不良已成為當今危害兒童健康的疾病之一。

有學者指出，營養不良是一種“惡性循環”的核心，在這種“惡性循環”中，腸道微生物群的改變引發了一系列亞臨床的腸道問題，包括炎癥、屏障功能障礙、病原體侵襲、轉運改變和吸收不良，統稱為腸道環境功能障礙（Environmental Enteric Dysfunction，EED），進而導致生長發育障礙和持續的腸道功能失調，其致病機制可能涉及腸道滲漏和通透性增加、腸道炎癥和細菌易位、全身炎癥和營養吸收不良[4]。近年來，研究腸道屏障、營養吸收與疾病之間的相互作用已取得一定進展，本綜述將詳細探討腸道屏障功能調節中微生物群-免疫-宿主營養之間的關聯，并探討改善營養不良兒童腸道微生物的治療策略。

1 黏液屏障介導腸道微生物并調節宿主營養吸收

腸道屏障的作用已被研究了數十年，其主要負責吸收營養物質、調節機體穩態和感知免疫，同時限制潛在有害抗原和微生物從腸腔通過[5]。其中，黏液屏障的完整性是胃腸道的第一道防線，可維持腸道菌群穩態[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腸上皮，從而導致感染和炎癥的發生。在腸道微生物菌群組成與黏液層破壞相關的原因中，已表明飲食成分具有重要作用[7-8]。膳食纖維等營養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聯糖基化以及營養微生物的代謝產物短鏈脂肪酸（SCFAs）產量減少，將導致黏液屏障被破壞[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菌入侵結腸并向下滲透到隱窩和上皮細胞中，從而誘導結腸免疫炎癥反應，可間接引起營養微生物的丟失和營養物質的消化吸收障礙。以上研究表明，腸道微生物及代謝產物參與保護腸道黏液屏障，從而維持機體營養。

2 腸道微生物-上皮細胞相互作用是腸道功能屏障發揮作用的關鍵因素

人類腸道中擁有數萬億的微生物細胞，大多數腸道微生物對宿主都是有益或無害的，微生物群在腸道隔室中達到最高密度，從而形成一個復雜的生態群落，稱為腸道微生物群[11]。腸上皮是將固有層與管腔分開的物理腸道屏障的最重要組成部分[10]，最新的進展為使用新型的體外細胞模型，即上皮類器官，研究腸道微生物-上皮細胞的相互作用。

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]等人利用類器官研究了LGG對上皮屏障功能的保護作用，發現在沒有LGG的條件下，腸上皮通透性增加，補充LGG能夠防止IFN-γ誘導的上皮損傷。Pradhan[13]等人采用兩種主要形式的志賀毒素（Stx），即Stx1和Stx2a，研究其對腸道屏障功能的影響。研究發現，無論是腔室還是基底外側腔室，隨著時間及劑量的改變，其上皮細胞通透性均增加。艱難梭菌菌株在上皮類器官的定植引發了上皮的破壞，并使MUC2表達下調。艱難梭菌感染還與黏膜促炎細胞因子（如IFN-γ和TNF-α）水平升高有關，這些細胞因子能夠破壞上皮完整性。宿主STAT5依賴的JAK2信號通路對啟動抗炎細胞因子的產生和促進腸上皮修復是必要的。Liu[14]等人證明了JAK2-STAT5信號通路的缺陷參與了艱難梭菌的易感性。

因此，腸道微生物群的發育和成熟是一個動態的、非隨機的過程，從人類或動物體內分析腸道物種與疾病之間的關聯是極其復雜的。而體外細胞模型類器官為研究單個腸道微生物或更復雜的細菌群落提供了機會，能全面了解腸道微生物群對腸道屏障功能的作用，并進一步揭示腸道屏障破壞下的病理特點，也為兒童營養不良靶向治療策略提供了新的可能。

3 腸道微生物-免疫系統與營養代謝之間的相互作用

機體通過后天飲食攝入，微生物群多樣性增加，并參與能量的收集、儲存和代謝，提供促進免疫細胞和組織成熟的關鍵信號，從而防止病原體感染，維持宿主正常免疫功能[15]。腸道菌群可發揮諸如營養物質吸收、免疫功能調節、能量代謝調控等多方面的功能作用[16]。近年來，越來越多的證據表明，腸道菌群和免疫系統之間的相互作用由腸道微生物調節，這種調節對腸道穩態和疾病有重大影響[17]。腸道免疫細胞主要存在于固有層和腸道相關淋巴組織（GALT）中，GALT含有高達70%的機體免疫細胞，包括B細胞和T細胞。此外，它還參與對病原微生物的響應，并提供對共生細菌的免疫耐受[18]。結腸細菌裂解物或特定物種（如脆弱擬桿菌）已被證明可以刺激產生IL-10的B細胞，這些B細胞能夠抑制T細胞介導的炎癥。IL-10也可下調微生物群激活的黏膜炎性細胞因子，通過加強腸道上皮屏障并控制腸道通透性，促進免疫調節活性，這些相互作用都是維持腸道穩態的重要因素[19]。

腸道菌群產生的代謝物（SCFAs、脂質、維生素）在免疫調節中也發揮著重要作用。SCFAs是保護黏膜免疫的基礎，厚壁菌門主要產生丁酸鹽，丁酸鹽具有抗炎特性，可誘導抗原呈遞細胞和腸上皮細胞產生TGF-β、IL-18和IL-10，同時刺激幼稚T細胞分化為Treg細胞[20]。寄居菌通過產生SCFAs正向影響腸上皮細胞的分化和增殖，并介導其他代謝效應，為細菌的生長和增殖提供能量和營養。研究發現，在消瘦兒童的糞便中發現發酵植物寡糖和肽聚糖的微生物基因嚴重缺乏，這些都是促進腸道微生物能量吸收、兒童生長發育的重要物質。Moreau[21]等人使用靶向代謝組學首次揭示了代謝物特征與營養不良兒童生長和神經發育的關聯。研究[22]發現，較高濃度的羥基鞘磷脂和必需氨基酸以及較低水平的酰基肉堿和膽汁酸結合與改善兒童的健康結果有關，且發現兒童營養攝入不足，宿主腸道代謝產物的生產能力也較低，同時腸道微生物群減少與營養不良和氨基酸水平降低有關，且維生素A和維生素D共同調節腸道上皮和黏膜免疫系統，以改善腸道中的微生物群落，維持體內平衡[23]。以上研究表明，腸道微生物菌群參與調節機體免疫，并通過代謝組學方法，進一步闡述了其代謝產物與兒童營養不良之間的關系，但未能發現特異性腸道微生物。

4 營養不良兒童的腸道微生物結構特點

Velly H[24]等研究者揭示了營養不良兒童和健康兒童腸道微生物群組成和功能的差異，并指出營養不良兒童具有獨特的腸道菌群結構模式。首先，營養不良與糞便微生物群豐富程度（即豐度）降低有關，其中特有微生物群顯著減少。研究發現，營養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，營養不良兒童變形菌門致病菌屬的相對豐度增加，包括腸桿菌、大腸埃希氏菌、克雷伯氏菌和志賀氏菌。在一項針對孟加拉國學齡前兒童的研究中發現，營養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]，在營養不良兒童的腸道中，有益菌屬的相對豐度減少，如雙歧桿菌、丁酸弧菌、糞鈣桿菌、乳桿菌和玫瑰桿菌，它們在減輕炎癥、增強腸道屏障功能、抑制病原體等方面都有積極作用[26]。進一步研究發現，擬桿菌與體重減輕呈正相關，而厚壁菌和變形菌通常與低質量飲食和代謝并發癥呈正相關[27]。在我國，中西部地區幼兒腸道菌群結構差異不大，但有益菌含量存在顯著差異，腸道菌群與膳食及營養健康狀況之間存在一定關系[28]。有學者進一步研究了膳食營養介導的腸道微生物及代謝產物影響人體健康的重要機制[29]。生理狀態下，從腸道黏液層到上皮細胞的保護性屏障功能，腸道微生物廣泛參與宿主營養代謝，維持機體穩態。而營養不良可能涉及各個環節，腸黏膜通透性增加、腸道微生物紊亂（主要是菌群及代謝產物失調）、免疫細胞損傷和凋亡環環相扣，這種影響機制是多個系統所驅動的。

5 兒童營養不良的靶向治療策略

鑒于腸道微生物及代謝物在導致兒童營養不良中的可能機制，微生物組靶向療法有望作為營養康復的輔助治療方法。已有研究表明，特定的腸道微生物有助于調節腸道和宿主營養吸收。益生菌通過影響腸道微生物群、腸道上皮細胞以及宿主免疫系統發揮治病作用。譬如傳統的乳酸菌和雙歧桿菌，以及最新發現的特定菌屬A.muciniphila和F.prausnitzii，它們可以通過減輕炎癥反應和加強上皮屏障來恢復腸道健康，并作為主要的短鏈脂肪酸生產者為腸細胞提供能量來源[30]。益生菌有助于增加黏蛋白基因的表達，如黏附的乳桿菌屬，能夠刺激人腸上皮細胞中的MUC 2及MUC3的產生和分泌。雙歧桿菌豐度與黏液生長呈正相關，該菌群可以防止飲食引起的微生物群介導的黏液層功能障礙。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鍵微生物，在潛在機制中，已經表明A.muciniphila在其外膜上表達特定蛋白質，如蛋白質Amuc_1100，這種蛋白質結合并激活了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態，這些證據可能解釋了腸道微生物群、腸道屏障和宿主營養吸收之間存在關聯，但其背后的復雜機制仍需要進一步探索。

迄今為止，微生物靶向療法對營養不良的療效有限。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及營養不良，提高生存質量[33]。糞菌移植（Fecal Microbiota Transplants，FMT）作為重建腸道菌群的最有效手段，2015年，Alang[34]等人報道了一位因艱難梭菌感染入院的女性在接受來自超重供體的糞便后體重顯著增加的案例。另一項研究對肥胖小鼠的糞便進行宏基因組分析顯示[35]，與體重較低的小鼠相比，參與短鏈脂肪酸產生的基因數量減少，但參與支鏈氨基酸代謝的基因數量增加。然而，幾乎沒有關于FMT和營養不良更為深入的研究。

6 兒童營養不良的預防管理

兒童營養不良是一個嚴重的公共衛生問題，特別是在貧困的發展中國家，預防工作更加難以實現。由于地理位置、經濟環境、飲食文化等因素可能引起微生物群的差異，因此，建立“正常”腸道微生物群特征數據庫是非常有意義的。雖然目前主要的治療手段包括微量元素營養補充劑、治療性食品、抗生素、靜脈或口服體液療法，譬如通過補充膳食纖維能夠促進腸上皮細胞增生、益生菌生長，維持腸黏膜的屏障作用，也能夠改善腸道微環境，提高腸胃耐受性，改善消化吸收障礙和營養代謝紊亂[36]，但考慮到導致營養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養不良兒童[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記物，通過恰當的微生物靶向制劑組合形成個性化治療，以此解決個體營養障礙和功能缺陷[40-41]。

目前對于腸道微生物與兒童營養不良相關性的研究仍存在許多不足：首先，未能發現特異性腸道微生物，且研究熱度較低；同時，已證實兒童營養不良與腸道菌群失衡相關，糞菌移植為重建腸道菌群的最有效手段，但關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節腸道屏障和宿主營養吸收機制存在關聯，但目前研究未能闡明其內在作用機制。故在未來的研究中，分析營養不良兒童的特異性腸道微生物群，挖掘營養、能量代謝和免疫調節之間的相互作用具有重要價值。利用代謝組學研究揭示腸道微生態系統失衡導致兒童營養不良的可能機制，同時需要進一步的干預研究來證明這些機制的潛在作用靶點以實施特定的營養補充計劃，從而改善全球兒童營養不良問題，具有重大意義。