肠道菌群与哮喘关系的研究进展

袁琛 朱振刚

作者单位：300193 天津，天津中医药大学第一附属医院呼吸科

哮喘是一种由多种细胞及细胞组分参与的慢性气道炎症性疾病。目前影响着全球超过3亿人口的健康，占总人口的4.5%，每年约有25万人死于哮喘，预计到2025年将增加到4亿人[1]。哮喘发病率的逐年攀升使其成为社会经济的沉重负担，人们一直致力于探索新的方法来改变哮喘的控制现状[2-3]。随着二代测序技术，如高通量测序、宏基因组和分子生物学的应用，对于菌群的研究取得了实质性的进展。其中，肠道菌群的研究是最受关注的领域。越来越多的研究表明，正常的肠道菌群对肺部疾病有积极作用，肠道菌群的紊乱与哮喘等免疫相关疾病的发生和发展密切相关。本文就近年来关于肠道菌群与哮喘相关性的文献加以综述。

肠道菌群的概述

肠道菌群是寄居于肠道的微生物群的总称。人体肠道内微生物定植数量高达1014个。肠道菌群具有多样性，主要以厚壁菌门、拟杆菌门、变形菌门和放线菌门为主，各菌门以不同比例分布在肠道不同部位，在维持人体内外环境的动态平衡中，菌群的数量和组成处在不断变化之中[4]。与其他共生菌群相比，肠道菌群是更庞大复杂的部分。肠道菌群具有调节营养代谢、供给能量、防御感染及增强肠道屏障、促进免疫系统成熟等作用，是维持机体内环境的重要保障[5]。肠道黏膜组织中的免疫细胞占所有免疫细胞的80%，是机体免疫系统的重要组成部分，被称为人体的“第二基因组”[6]。从生命早期开始，逐步有序地定植在消化道内，形成稳定的肠道微生态环境。

肠道菌群失调与哮喘的关系

近年来，越来越多的研究发现肠道菌群失调与哮喘的发生发展密切相关。肠道菌群失调大致可分为三类:有益微生物的损失、病原微生物的过度生长以及微生物多样性的丧失。这三种类型并不是互相排斥的，事实上，它们经常同时出现[7]。婴幼儿时期是菌群形成的关键时期，在生命开始的两到三年内，肠道菌群在组成和多样性上发生变化，并在功能上成熟，之后逐渐稳定到与成人相似的模式。早期肠道菌群的不稳定，可能与免疫功能不成熟并行，易受到外界因素的影响。因此，肠道菌群与哮喘的相关性，在婴幼儿时期表现得非常明显，早期菌群的建立确定了机体的“免疫背景”[8]，正常菌群的建立有利于哮喘的预防，而早期菌群失调会增加发展成为哮喘的可能性，因此，这个时期被称为“机会之窗”[9]。一项来自加拿大的纵向研究显示，对于高危的3个月大的哮喘婴儿进行粪便样本检测发现粪便杆菌(Faecaliillus)、拉氏螺旋菌(Lachnospira)、韦洛氏菌(Veillonella)和罗氏菌(Rothia)等4种细菌的定植与哮喘的患病率呈负相关[10]。Abrahamsson等对于出生1 周和1 个月的婴儿粪便中微生物进行研究，发现粪便中菌群的多样性增加，可以降低 7 岁时哮喘的发病的可能性[11]。而关于哮喘的实验性研究显示，对于小鼠补充相应菌群后可明显改善小鼠呼吸道症状[12]。除此之外，肠道菌群的代谢产物同样影响机体的免疫应答。Roduit等发现1岁时粪便中丁酸盐和丙酸含量较高的儿童特应性致敏程度显著较低，在3至6岁之间患哮喘的可能性也较小[13]。在OVA和屋尘螨(HDM)诱导的小鼠模型中，SCFA也被证明可以减轻气道炎症反应[14]。随着研究的深入，发现多种外界因素可暂时或永久性的改变肠道的微生态环境。

一、药物因素

早期抗生素的过度使用，可以使机体免疫稳态持续而严重的失衡，引起肠道菌群结构和多样性发生长期性改变。尤其对婴幼儿而言，抗生素破坏的正常菌群结构可能不能完全恢复[15]。事实上，生命前3年使用抗生素与增加患哮喘的风险直接相关[15]。Stiemsma等研究发现婴儿出生早期，抗生素暴露显著增加哮喘和过敏性疾病的易感性和严重性[16]。同时，孕期使用抗生素，同样受到了重视，在分娩前9个月到产后9个月使用抗生素会增加后代患哮喘的风险，尤其是阿奇霉素，导致辛普森多样性指数的严重变化，[17-18]怀孕晚期使用抗生素对后代过敏风险的影响最大[19]。婴儿患哮喘的风险还取决于怀孕期间使用的抗生素的周期，风险比从一个疗程的1.15上升到三个或更多疗程的1.51[20]。除此之外，近年来发现抗溃疡药物，特别是质子泵抑制剂(PPI)，通过先天和获得性免疫细胞产生对Th2的免疫异常，降低肠道菌群多样性[21]。在20岁的受试者中，PPI会使随后需要使用抗过敏药物的风险增加1倍，而在60岁以上的患者中，这种风险甚至会成倍增加5倍[22]。PPI的致敏作用与抗生素有协同作用[23]。

二、分娩方式

分娩方式可以影响新生儿早期肠道菌群的正常定植,婴幼儿肠道菌群的定植主要源于母体产道的微生物，自然分娩时接触母体阴道分泌物，获得来自母体的有益微生物，如大肠埃希菌、链球菌等兼性厌氧益生菌，并在肠道内有效定植[24]。产道中的微生物定植到儿童的呼吸道，产生免疫耐受[25]。剖宫产新生儿无法接触到母体有益微生物，致使出生后无法快速建立自身健康的肠道环境。因此，与剖宫产婴儿相比，自然分娩的婴儿肠道中菌群定植时间早，数量高，多样性更为丰富，剖宫产儿发生过敏性疾病的关联强度是自然分娩的1.3倍[26]。

三、喂养方式及膳食结构

不同喂养方式也会对婴幼儿肠道菌群产生影响，母乳中的双歧杆菌、乳酸杆菌、链球菌等微生物可以促进婴幼儿肠道菌群的发育和免疫系统的成熟,人工喂养会使婴儿肠道菌群定植推迟[27]。婴儿6～12月是肠道菌群结构的波动阶段，母乳喂养能够增加这段婴儿肠道菌群的多样性[28]。膳食结构也会影响婴幼儿肠道菌群的建立，研究发现无菌小鼠肠道内短链脂肪酸(SCFAs)显著下降，高纤维饮食可改变小鼠肠道菌群，使SCFAs含量增加，抑制Th2细胞活性，改善Th1/Th2失衡,减轻气道炎症，预防哮喘的发生[29]。

肠道菌群失调与哮喘发病机制的关系

肠道菌群与哮喘的发病机制非常复杂，目前认为肠道菌群在调节机体适应性免疫稳态中起到重要作用。肠道菌群失调通过影响T细胞的发育和分化，破坏肠道上皮的完整性和黏膜稳态，影响肥大细胞归巢等机制导致哮喘的发生。

一、影响T细胞的发育和分化

二、破坏上皮完整性和黏膜稳态

哮喘患者常伴有肠黏膜结构和功能的变化。肠道上皮屏障在调控免疫反应中起重要作用，肠道菌群通过产生某些特定代谢产物来调节上皮屏障，维持上皮完整性并诱导组织修复。肠道上皮的通透性依赖于紧密连接，紧密连接，包括连接细胞外基质中的细胞并与细胞质中的细胞骨架蛋白结合的跨膜蛋白，连接的紧密程度，受细胞骨架肌动蛋白与肌球蛋白相互作用的调节，而肌球蛋白轻链激酶和Rho激酶等又对其进行调节[34]。短链脂肪酸(SCFAs)是肠道菌群的主要代谢产物，SCFA信号可以改变肌球蛋白轻链激酶和Rho激酶的活性，从而诱导新的紧密连接的重组，因此，短链脂肪酸在维持上皮完整性和黏膜稳态方面起着至关重要的作用[35-36]。此外，菌群失调伴随的炎症状态会破坏了紧密连接和降低上皮完整性，通过炎症因子和抗炎因子，包括IFN-γ、TNF-α、IL-1、IL-6和IL-10等调节紧密连接。例如，艰难梭菌对肠道的定植可能会引起一连串的炎症反应，包括TLR5的结合和控制炎症基因表达的关键转录因子NF-KB的激活等，从而导致黏膜炎症和上皮屏障的破坏[37]。

三、减少肥大细胞归巢

肠道菌群对于肥大细胞上表达的CXC趋化因子受体2(CXCR2)配体在肠上皮细胞中的正确表达非常重要。研究比较了无菌小鼠和野生型小鼠中三种配体的转录水平，无菌动物模型证实了肠道菌群在调节免疫应答平衡中的作用。所研究的3种配体分别是角质形成细胞衍生细胞因子、脂多糖诱导的CXC趋化因子和巨噬细胞炎性蛋白2。在无菌小鼠中这3种配体的转录均显著降低，提示共生菌可能通过TLR信号通路对肠上皮细胞产生转录作用。肠上皮细胞表达趋化因子CXCL1，表达CXCR2的肥大细胞被吸引到该趋化因子上，CXCL1的下调减少了肥大细胞对肠道的归巢，从而增加循环中的肥大细胞[38]。因此，无菌小鼠肠道中的肥大细胞较少，而血液中的肥大细胞较多，这与炎症状态相对应，并在哮喘等疾病中观察到[39]。

益生菌在哮喘治疗中的作用

目前临床上治疗哮喘的药物主要有糖皮质激素、β2受体激动剂等，这些药物虽能缓解患者症状和病情，但无法达到根治目的。因此，哮喘的治疗还处于被动控制和缓解的阶段。随着肠道菌群在疾病中的地位受到广泛关注，益生菌成为预防和治疗哮喘的一个新方向。益生菌多数来自人类肠道中的健康菌群，是具有免疫调节、抗氧化活性和抗菌作用的有益的、活的微生物[40]。多项研究表明单一或复合益生菌在哮喘的防治中具有肯定疗效。这些益生菌能影响肠道屏障(肠黏膜结构/功能)的成熟和耐受性树突状细胞的发育，随之影响局部肠道和全身免疫反应[41]。

Du等对最新的6个数据库中的随机对照试验进行的荟萃分析显示，在长期随访中，鼠李糖乳杆菌(LGG)有助于预防哮喘[42]。Wu 等[43]发现鼠李糖乳杆菌GG(LGG)能降低小鼠气道阻力，减少肺泡灌洗液及血清中炎症细胞和Th2细胞因子数量，使血清中IgE水平下降。Yu等[44]在致敏前使小鼠补充鼠李糖乳杆菌，能降低对乙酰甲胆碱的高反应性，在减轻气道炎症反应方面能达到与布地奈德相似的治疗效果。Chen等给予同时患哮喘和过敏性鼻炎的小学生，为期2个月的加氏乳杆菌治疗，结果发现患者症状明显好转，昼夜呼吸流速(PEFR)改善，外周血中TNF-α、IFN-γ、IL-13等细胞因子显著下降[45]。对于复合益生菌制剂，Giudice等[46]发现双歧杆菌合剂(长双歧杆菌BB536、婴儿双岐杆菌M-63、短双歧杆菌M-16V)能够显著改善哮喘患者症状，减少发作次数，提高生活质量。 Huang等研究表明副乳杆菌(LP)、发酵乳杆菌(LF)或它们的组合，以胶囊形式给予6～18岁的哮喘儿童3个月，可降低哮喘严重程度，改善哮喘控制，增加最大呼气流速，降低IgE水平，且两个菌株组合给药似乎更加有效[47]。

但部分研究未达到理想的治疗效果。Evelyn X.L.Loo等[48]对于患有哮喘、过敏性鼻炎、湿疹等患儿进行了长期随访，发现5岁时的发病率与对照组无显著差异，早期益生菌治疗未能改善患者长期预后。迄今为止进行的大多数荟萃分析，都未能证明孕期母亲和/或婴儿在出生第一年期间预防性补充益生菌对哮喘风险的有利影响。因此，益生菌对于哮喘的防治的疗效仍然具有争议性，国际卫生组织指南也表示，需要更多关于益生菌预防哮喘是否有效的研究，因为迄今为止的研究可能“没有使用正确的益生菌、正确的剂量、正确的时间或持续时间和/或人群”[49]。

展 望

肠道菌群作为人体最复杂的微生态系统，在机体的免疫稳态中起到重要作用。哮喘发生发展与肠道菌群功能失调密切相关，为哮喘的防治提供了新的思路与方法。益生菌对于哮喘的防治效果尚不完全清楚，因个体差异可能产生不同的结果，部分研究结果的标准化和稳定性欠佳，仍需更多大样本、前瞻性的深入研究。