肠道菌群通过短链脂肪酸参与过敏性哮喘发病的相关机制研究进展

杨玉婷，倪吉祥，徐彪，罗干

三峡大学人民医院 宜昌市第一人民医院呼吸与危重症医学科，湖北宜昌443000

支气管哮喘（简称哮喘）是一种气道慢性炎症性疾病，其特点是可变的气流受限和气道高反应性（AHR），且儿童、成人均以过敏性哮喘为主［1-2］。哮喘的发病率呈逐年升高趋势，尤其好发于儿童［3］。第三次城市儿童哮喘流行病学调查结果显示，与2000 年相比，我国儿童哮喘总发病率增加了52.8%［4］。短链脂肪酸（SCFAs）是乙酸、丙酸和丁酸的统称，是膳食纤维在肠道菌群的降解下产生的发酵产物，是肠道菌群发挥作用的关键因子。研究表明，肠道菌群的改变不仅与肠道、心血管及脑部相关疾病有关，同时也参与了一些肺部疾病的发生［5］。本研究对肠道菌群通过短链脂肪酸参与过敏性哮喘发病的相关机制作一综述，为实现哮喘的精准治疗与个体化治疗提供理论依据。

1 肠道菌群与过敏性疾病的关系

肠道微生物群及其微环境是连接环境和机体的重要枢纽，生命早期包括胎儿出生之前是决定人类身体状况的关键时期。研究表明，早期生命事件如剖宫产分娩、配方喂养以及早期应用抗生素等，改变了肠道菌群的组成，甚至可引起肠道菌群失调和免疫应答紊乱，增加了过敏性哮喘的发生风险［6］。也有研究认为，哮喘风险的增加与粪肠球菌属相对丰度和微生物多样性减少等有关，而乳杆菌早期定植可减轻肠道炎症反应，进而降低哮喘的发生率［7］。HEVIA 等［8］研究发现，学龄期发生哮喘的儿童，其出生1 周及1 个月时（即生命早期）肠道菌群多样性均显著低于正常儿童，提示生命早期肠道微生物群多样性降低与学龄期儿童哮喘的发生密切相关，在此阶段调节肠道菌群或许能减少学龄期儿童哮喘的发生。BJÖRKSTÉN 等［9］研究婴儿粪便时发现，与正常儿童相比，患有过敏性疾病的患儿出生后第1 个月感染肠球菌的概率以及出生后第1 年感染双歧杆菌的概率更低；同时，患有过敏性疾病的患儿3个月时梭菌丰度较高，出生1 年时类杆菌丰度较低。由于上述研究是在过敏性疾病发病率存在明显差异的两个国家（高发区瑞士、低发区爱沙尼亚）中分别进行的，因此可以推测肠道菌群紊乱与过敏性疾病的发生、发展均存在关联。

2 SCFAs与过敏性哮喘气道高反应性的关系

气道重构是哮喘的重要病理特征，可降低哮喘患者对吸入激素的敏感性，使患者出现不可逆的气流受限和持续AHR［1］。辅助性T细胞2（Th2）及其细胞因子所介导的免疫反应在哮喘气道重塑过程中具有不可替代的作用，Th2 细胞及其细胞因子释放炎症介质，并作用于肥大细胞、嗜酸粒细胞（EOS）等效应细胞，引起Ⅱ型免疫反应，使气道黏液分泌增多、EOS浸润，最终导致AHR［10］。

三种SCFAs 的生成方式存在差异，乙酸多由双歧杆菌等多种肠道菌群代谢生成，丙酸多由拟杆菌经琥珀酸代谢途径生成，丁酸则多由梭状芽孢杆菌经丙酮酸代谢途径生成［11］。SCFAs不仅可以为肠黏膜细胞提供能量来源，而且是重要的免疫信号分子，除了能抑制宿主炎症反应和革兰阴性菌的生长以外，还能促进双歧杆菌、乳杆菌等有益菌的增殖。ZHANG 等［12］在研究小鼠模型时发现，高纤维饲料喂养可使双歧杆菌等产SCFAs 的细菌数量增多，血液中SCFAs水平升高，还能减少嗜酸粒细胞浸润、促进Th1/Th2平衡，明显减少过敏性气道疾病的发生；这提示SCFAs可以通过“肠—肺轴”抑制过敏性气道炎症反应，补充SCFAs 可以降低或缓解过敏性哮喘的发生发展，即SCFAs 对小鼠气道过敏性疾病的发生具有抑制作用。乙酸和丙酸都能通过上调调节性T 细胞（Tregs）数量和加强Tregs 细胞功能来减少过敏性气道疾病的发生，其中丙酸还能通过改变肠道菌群组成、影响辅助性T细胞数量及功能，而参与过敏性哮喘的发生［13-14］。另一项研究也发现，膳食纤维和丙酸可以预防小鼠过敏性气道疾病的发生［15］。丁酸是被国内外研究最多的SCFAs，其进入细菌后会进行分解，产生氢离子、丁酸根离子，高浓度的氢离子可使酸耐受性差的大肠杆菌等致病菌大量死亡，而乳酸杆菌等有益菌因自身耐酸性得以存活并大量增殖，与此同时丁酸根离子则可通过破坏DNA结构抑制细菌生长，从而发挥调节肠道菌群的作用［16］。当机体受到炎症因子侵袭，造成局部组织细胞功能障碍，甚至变性、坏死时，丁酸可影响白细胞介素2（IL-2）、IL-4、IL-8、肿瘤坏死因子（TNF-α）等炎症因子释放，加快中性粒细胞迁移，从而更快地发挥抗炎作用，并使受损组织得到修复［17-18］。国外研究发现，粪便中丁酸含量与儿童过敏性哮喘发生率呈负相关，即当粪便中丁酸含量降低时，儿童发生过敏性哮喘的概率会随之增加［19］。

3 肠道菌群通过SCFAs 参与过敏性哮喘发病的相关机制

3.1 激活G蛋白耦联受体41（GPR41）/GPR43并影响其表达 GPR41 和GPR43 是具有同源性的两种特异性SCFAs受体，也是重要的信号转导分子，可以调控多种信号转导通路。HALNES 等［20］研究表明，SCFAs可刺激GPR41/43基因表达上调，对于缓解哮喘患者的气道炎症反应具有重要作用。马钰等［21］研究发现，丁酸可以通过激活GPR41、GPR43 显著调节T 淋巴细胞的功能，抑制炎症因子IL-2释放，上调抗炎因子IL-4 水平，从而达到抗炎的作用。TROMPETTE 等［22］研究发现，丙酸可通过降低过敏性小鼠气道IL-4及IL-13等细胞因子表达，达到减轻机体炎性反应和缓解小鼠症状的目的；虽然SCFAs能改变肺部的免疫环境，影响过敏性气道疾病的严重程度，但丙酸对过敏性炎症的作用仅依赖于GPR41，而与GPR43 无关。上述研究均表明，过敏性哮喘的病理生理过程与SCFAs参与的G蛋白耦联受体表达下降相关，即GPR41 或GPR43 表达下调，更容易导致过敏性哮喘的发生或进展。

3.2 组蛋白乙酰化修饰 目前关于GPR41 和GPR43 在过敏性哮喘气道高反应中的作用存在争议。KAIKO 等［23］研究证实，丁酸抑制上皮细胞增殖的机制是通过剂量依赖性方式直接抑制组蛋白去乙酰化酶（HDAC），而与刺激G蛋白偶联受体（GPCRs）无关。HDAC 是一类通过去除组蛋白赖氨酸残基乙酰基团而调控组蛋白乙酰化水平，最终影响下游基因表达，进而参与组蛋白乙酰化修饰的酶家族［24］。THEILER 等［25］观察到SCFAs 能通过黏附于内皮、迁移以及存活等机制抑制人嗜酸性粒细胞发挥作用，这些作用与GPR41、GPR43 均无关，但伴随着组蛋白乙酰化的发生；由此推测，丁酸可抑制致敏原诱导的小鼠气道以及肺部嗜酸性粒细胞增多，降低Th2细胞因子水平，以改善小鼠气道高反应性。此外，SCFAs 还能降低Tregs 细胞HDAC6、HDAC9表达，影响转录因子Foxp3去乙酰化程度，致使Foxp3降解及Tregs细胞功能障碍，从而影响机体免疫稳态。

3.3 激活细胞外信号调节激酶（ERK1/2）信号通路 气道重构作为过敏性哮喘的重要病理特征，具有不可逆的特点，显著影响患者肺功能及预后。当哮喘长期、反复发作，无法得到有效控制时，可见气道上皮细胞黏液化生、杯状细胞增生、平滑肌细胞增生/肥大、细胞外基质（ECM）沉积、上皮下胶原沉积和纤维化以及血管生成增多，最终导致气道结构和功能的改变，发生气道重塑。上述过程需要嗜酸性粒细胞、肥大细胞、中性粒细胞等炎症细胞及其产生的细胞因子的参与。ERK1/2 信号转导途径是机体内多条信号转导途径的交汇点，ERK1/2 被激活后能介导多种生长因子、炎症介质，参与及调控支气管平滑肌细胞增殖，从而参与哮喘发病过程中的气道重塑、气道炎症等多个环节。Th2 细胞及其细胞因子介导的Ⅱ型免疫反应是哮喘气道重构过程中的关键环节，而ERK1/2 信号通路激活是哮喘气道重构的关键机制［10］。IL-4、IL-13均主要由Th2细胞产生，两者具有一定的同源性。研究表明，IL-13具有强大的诱导ERK1/2 MAPK 活化的功能，可以通过激活ERK 通路参与过敏性哮喘气道炎症、气道重构等相关机制［26］。IL-4、IL-13 可以刺激支气管平滑肌细胞（ASMC）分泌嗜酸粒细胞趋化蛋白，而这种作用可以被ERK1/2 MAPK 特异抑制剂PD98059 所抑制。YAMASHITA 等［27］在研究RAS-ERK MAPK 级联与Th2 细胞分化时发现，在Th2 细胞极化状态下加入PD98059 抑制剂可显著抑制Th2 细胞增殖，其分泌的IL-4、IL-13 等细胞因子表达也显著降低，从而达到减轻哮喘气道炎症反应的作用。KIM等［28］研究发现，当小鼠上皮细胞ERK1/2 介导的信号传导通路被激活时，其粪便中SCFAs丰度有所增加，其肠道炎症也随之减轻，推测SCFAs 可以通过激活ERK1/2介导的信号通路来缓解炎症。最近一项研究发现，SCFAs 水平与鼠柠檬酸杆菌易感性有关，其中以丁酸最为显著，丁酸在体外可直接抑制鼠柠檬酸杆菌生长，而补充丁酸可在体内得到相同的结果［29］。

3.4 介导Th2 细胞和Tregs 细胞 不论SCFAs 是通过上述何种途径参与过敏性哮喘的发病，其最终都是通过影响Th2细胞和Tregs细胞实现的。Th2细胞过度活跃时会大量释放针对过敏原抗体的细胞因子，而当Tregs细胞被抑制时会导致过敏原相关的免疫反应失控。因此，通过SCFAs 抑制Th2 细胞增殖、增加机体Tregs细胞数量，可以达到减轻过敏性哮喘炎症反应及气道高反应性的目的。

综上所述，肠道菌群多样性的改变导致其发酵产物SCFAs 的种类及含量随之改变，进而使气道上皮屏障遭到破坏，引发过敏性哮喘气道高反应的发生。目前关于肠道菌群通过SCFAs在过敏性哮喘发病中的相关研究比较少，未来或许可以通过调节肠道菌群失衡、SCFAs 含量等途径降低气道高反应的发生，也为今后哮喘的治疗开辟了新方向。