环境微生物组与过敏性疾病

江翘楚，李巍

过敏性疾病是一个全球性的公共卫生问题。在过去的几十年中，过敏性疾病的发病率迅速上升，其中儿童新增占比最大，造成了巨大的社会经济负担[1]。环境因素及生活方式变化引起了生物多样性下降及微生物组成改变，这可能是导致过敏性疾病发病率升高的关键因素[2-3]。根据生物多样性假说(biodiversity hypothesis)减少与自然环境、多样微生物的接触，可以通过影响人体共生微生物对机体的免疫调节能力产生负面作用[4]，肯定了环境微生物和人体共生微生物对人类健康的重要意义。目前关于微生态的研究主要集中于肠道菌群，揭示了其在人体健康和多种疾病中的重要作用，而对于环境微生物组的认识和关注刚刚开始。尽管有研究已发现环境菌群对哮喘、过敏性鼻炎和特应性皮炎等发挥保护作用[5-7]，但对降低过敏风险的有益菌群的组成、影响因素、作用机制等还缺乏系统认识。本文对环境微生物组在过敏性疾病中的作用和机制的研究进行梳理，以期进一步认识和理解过敏性疾病发生的机制，为早期预防和治疗提供新思路。

1 环境微生物组分析方法

环境微生物组是指特定环境中包含的细菌、真菌、病毒等微生物及其编码基因和产物，包括内毒素、霉菌毒素等微生物释放产物等的总称[8]。人们通常通过测定、评估环境微生物组的各类特征，来明确其对人体健康的具体影响。环境微生物组的分析与评估方法对于最终结果的得出与解读息息相关，包括样本来源、采集手段、分析方法等方面。

1.1 样本来源

由于现代社会人们大部分时间处于室内，环境微生物组与人类的主要作用发生于生活及工作的室内环境，因此，环境微生物组研究主要选择室内微生物进行采集分析。在某些情况下，室外微生物也被纳入评估范围[9]，用于对比室内微生物组的特征，以明确住宅对微生物组成的潜在影响。

1.2 采集手段

室内微生物的样本常采集于客厅和卧室，采集方法包括：拭子胶带采样、灰尘采样和空气采样。拭子、胶带采样是最简单的采样方法，但得到的样品不是定量样品[10]，不能反映环境的整体微生物构成，因此不作为评估的主要依据。

灰尘采集是目前研究中最多使用的采样方法，可细分为床垫灰尘、地板灰尘、落尘(非地板表面的沉降灰尘)，以及其他灰尘如：暖通空调灰尘、吸尘器粉尘袋灰尘等。其中，床垫灰尘采集的稳定性高，在实验的可重复性方面优于空气和落尘采样[11]。

空气采样也应用于微生物的研究，可直接获取空气中的微生物信息，较好地代表室外微生物。但短期空气采样可能难以全面反映室内微生物的整体情况，需要通过增加采样时间或多次重复取样[12]，减少微生物波动带来的偏差。

1.3 分析方法

早期由于测序技术不发达，对微生物组的分析依赖于微生物标志物，或对微生物基因序列的PCR产物进行克隆、测序，这些传统方法在当时极大地拓展了人类对微生物多样性的认识。然而，在进一步分析环境微生物的特征时，传统方法暴露出测序深度不够、定量精确度低、大量样品无法同时比较研究等问题，限制了我们理解微生物与过敏性疾病的相关性。随着高通量测序技术的发展，16s rRNA测序广泛用于细菌鉴别及丰度、多样性等分析，ITS(Internal Transcribed Spacer)和18s rRNA测序用于真菌信息分析。由于18s rRNA在真菌中的保守性高，18s rRNA测序在门和纲的分类水平鉴定真菌能获得更完整的结果，而在属的水平，ITS测序得到的鉴定结果优于18s rRNA测序[13]，研究中采用何种测序方法取决于微生物所需在何种等级进行分类。

对环境微生物组的评估除了样本分析，还涉及家庭清洁情况、潮湿情况、霉菌迹象以及室外环境特征[6, 14]等项目的评估与自我报告，以完善补充环境微生物组的信息，准确理解微生物与人类健康间的联系。

2 影响环境微生物组因素及与过敏性疾病的相关性

生活环境、住宅类型、家庭成员和宠物饲养等影响了环境微生物组的构成，找到特定因素与有益或有害微生物间的联系，对研究环境微生物对过敏性疾病的影响具有重要意义。

2.1 生活环境

城市居民患过敏性鼻炎、哮喘、湿疹的风险高于农村居民[15-16]，孕妇怀孕期间接触农场环境可降低婴儿哮喘、花粉热的可能性[17]，对早期特应性皮炎的发生也有保护作用[18]，这些发现提示农场环境微生物组能降低过敏性疾病的风险。与城市家庭相比，农场家庭微生物的丰富度更高[19]，城市化水平与微生物多样性呈负相关[20]。随着生活区域密集度的升高，真菌和细菌的组成差异性变小[21]，这解释了城市住宅之间细菌组成相似性较高的现象。住宅周围的绿化能促进真菌多样性的增加[22]，Dannemiller等[21]在郊区住宅中检测出户外植物及土壤中的真菌。农场和郊区通过更高的细菌和真菌多样性可以降低儿童患过敏性鼻炎、哮喘和特应性皮炎的风险[14,23]。农村和城市微生物的主要构成存在差异，也会对人类健康产生不同影响。松鼠葡萄球菌(Staphylococcussciuri)存在于多种动物皮肤表面，能通过抑制病原体定植而对哮喘起保护作用，在松鼠葡萄球菌丰度高的农村，特应性疾病发病率低，存在于秸秆上的乳杆菌属(Lactobacillus)、不动杆菌(Acinetobacter)、棒状杆菌(Corynebacterium)、奈瑟菌(Neisseria)也起到预防气道炎症及特应性疾病的作用[5]。此外，研究还发现农场家庭中厚壁菌门(Firmicutes)丰富度远高于城市，该分类群同样在非哮喘、非花粉热、非特应性的人群卧室中有较高的丰度[14]，对特应性疾病具有一定的保护作用。然而，Karvonen等[6]研究报告厚壁菌门在哮喘儿童住宅中的丰度高，乳球菌属(Lactococcus)的丰度显示与哮喘成正相关。最近，关于环境特征菌群又有新发现，Gupta等[19]注意到副球菌(Paracoccus)、微球菌(Micrococcus)和鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)是农村环境中最丰富的三个类群，而立克次氏体目(Rickettsiales)在城市环境中的含量显著增加；Lehtimäki等[24]认为罗斯氏菌属(Rothia)和嗜血杆菌属(Haemophilus)与城市环境相关；狡诈球菌属(Dolosigranulum)、莫拉菌属(Moraxella)与农村环境相关。针对以上特征菌群对过敏性疾病的作用未来有待进一步研究。

空气污染可诱发过敏性疾病。最新研究认为大气污染，如：SO2、PM2.5升高等，也会影响环境微生物的构成；大气微生物随污染物浓度的增加，多样性下降，菌群结构发生改变[25]，提示污染物可能通过改变环境微生物组，引起过敏性疾病的发生。然而相关机制目前尚不清晰，需要深入研究。

2.2 住宅类型

住宅类型的差异，包括位置、装修、通风、潮湿情况等方面都影响着微生物的构成，进而对人类健康产生作用。在住宅位置与格局方面，一楼以上的住宅细菌多样性降低[22]，同时，建筑面积的增加也导致变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)等丰度下降[20]，特应性疾病的易感性增加。然而Lee等[14]的研究报告拟杆菌门在哮喘和特应性患者的住宅环境中富集，有关细菌对过敏性疾病的作用及相关机理还需进一步探索。在装修方面，Weikl等[22]发现光滑地板家庭的细菌多样性高于铺地毯的家庭，混合地板的细菌多样性最高。通风情况也影响室内微生物组的构成，长期使用空调将导致真菌多样性减少[26]。

住宅湿度与微生物多样性相关联，真菌浓度随着住宅环境相对湿度的增加而迅速增长，其丰富度则逐渐减少。这一点在存在漏水问题的家庭中得到印证，这些家的庭灰尘中真菌数量显著增加，微生物群以枝孢菌(Cladosporium)、链格孢(Alternaria)为主[27]，与儿童和青少年哮喘发病有关[28]，因此，家庭住宅环境相对湿度过高将增加过敏性疾病发生风险。此外，霉菌也与鼻炎、过敏性哮喘的发生有关，环境相对霉变指数高的家庭，儿童患哮喘的风险是环境相对霉变指数较低家庭的两倍以上[19]。目前，在一些建筑设计与施工的指南中，已开始将环境微生物组和湿度纳入标准化考量，我们需要对“健康”的住宅微生物组进行定义[29]，来降低过敏性疾病的发生。

2.3 家庭成员

较大家庭规模具有更高的细菌和真菌多样性[25]。普氏栖粪杆菌(Faecalibacteriumprausnitzii)与含3个以上儿童的家庭及多户住宅相关，能起到抗炎作用[30]，从而降低过敏性疾病的风险。此外，乳杆菌属(Lactobacillus)、不动杆菌(Acinetobacter)及棒状杆菌(Corynebacterium)在大规模家庭中也普遍存在，对过敏和哮喘具有保护作用[5, 23]。家庭中兄弟姐妹数量的增加可导致微生物丰富度增加，并随着人数发生不同程度的变化。最近，有研究发现家庭中女孩数量的增加不会引起细菌和真菌丰富度变化[19]，这一点在以往的研究中并未提及，相关原因有待进一步解释。

2.4 宠物饲养

宠物的存在能够增加微生物在地板灰尘中的扩散，促进细菌和真菌丰富度显著增加[25]，对哮喘起保护作用。在养宠物的家庭中，拟杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、γ-变形菌显著增加[25]，Parajuil等[20]最近发现宠物对γ-变形菌的丰度起决定性作用，因为它们更容易接触γ-变形菌栖息地，如水坑、湿地、土壤等，从而将菌群带入人类室内环境。Kirjavainen等[31]发现室内环境存在较多种类的户外环境细菌时，可降低儿童哮喘发病率。此外，在养狗家庭的微生物组中富集的约氏乳杆菌(Lactobacillusjohnsonii)也具有降低过敏性疾病的作用，野生动物在接受约氏乳杆菌后能免受呼吸道过敏原的侵袭[32]。Ownby等[33]发现在生命第一年，接触2只或2只以上的狗和猫能降低过敏风险，因此早期接触宠物是过敏性疾病预防的一个策略。

3 环境微生物组对过敏性疾病发挥作用的机制

环境微生物组通过两种主要途径影响过敏性疾病的发生，一种是影响定植于人体内的微生物群落如气道微生物、肠道微生物等组成与结构，另一种是环境微生物释放产物直接与宿主免疫系统相互作用，进而改变过敏性疾病的发生风险。

3.1 对体内微生物组的影响

环境微生物对塑造人体微生物群落起重要作用。特定环境细菌影响早期气道微生物的定植，如灰尘中假鞘氨醇杆菌(Pseudosphingobacterium)、眉藻(Calothrix)等和婴儿气道中藤黄色杆菌(Luteibacter)呈正相关[21]。此外，研究发现持续暴露在不同环境微生物下的小鼠，肠道微生物群落的多样性和丰富度具有差异，环境卫生水平的提高导致罗伊氏乳杆菌(Lactobacillusreuteri)含量显著升高，降低了肠道微生物的多样性[34]，这一现象解释了城市环境相关的气道和肠道微生物群与哮喘及湿疹发生风险增加相关。类似地，特应性皮炎与患者皮肤微生物群细菌多样性降低显著相关[35]，这可能是由于环境微生物的构成和多样性下降，影响了人体皮肤表面有益微生物的定植，间接导致疾病发生，其背后涉及的细菌分类群和相关机制目前尚不明确。

3.2 对宿主免疫系统的刺激

环境微生物的产物通过调节免疫应答影响过敏性疾病的发生风险，大多数细菌释放的物质如脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)、胞壁酸等能起到一定的保护作用。LPS也被定义为内毒素，是革兰氏阴性菌细胞壁的组成成分，内毒素水平较高的牧场环境中，哮喘病发率显著降低[36]。

已有研究在小鼠中发现LPS相关作用机制：给予新生小鼠50 μg高水平的LPS激活Toll样受体4(toll-like receptor 4, TLR4)信号通路，诱导TNF-α快速生成，进而激活CD11b+树突细胞的TNF-α/TNFR信号通路，产生白细胞介素-12(interleu-kin-12, IL-12)；CD4+T细胞在接受IL-12信号后，上调转录因子T-bet，从而阻止Th2细胞分化及其对过敏原的炎症反应[37-38]，因此，新生儿及婴儿时期接受内毒素治疗在预防过敏性疾病方面具有潜在可能性。此外，IL-5、IL-10、IL-13等炎症因子的表达在LPS暴露下也发生改变[4, 39]，可能同样参与先天免疫通路的调节。胞壁酸是一种在革兰氏阳性细菌细胞壁中占主导地位的成分，能通过TLR-2激活先天免疫应答发挥免疫调节作用[40]，当先天免疫刺激增强时，哮喘等过敏性疾病的易感性降低[39]。

真菌释放产物也参与调节免疫反应。1,3-β-D-葡萄糖是真菌细胞壁的组成成分，持续性暴露可导致呼吸道过敏症状及气道炎症反应[41]，与过敏性鼻炎的风险相关，这是因为1,3-β-D-葡萄糖通过dectin-1介导的机制刺激骨髓来源树突状细胞产生TNF-α和IL-6，诱导Th2应答[42-43]。麦角甾醇是真菌的一种通用标记物，也是真菌细胞壁的组成部分[40]，能抑制抗原诱导的骨髓源性肥大细胞脱颗粒，从而抑制Ⅰ型超敏反应，减轻过敏性皮肤反应；此外，Kawai等[44]还发现口服麦角甾醇可显著抑制抗原诱导的组胺含量增加及肥大细胞脱颗粒，这提示麦角甾醇在过敏性疾病的预防和治疗方面具有一定潜力。

综上所述，环境微生物组的探究在近几年获得了关注，人们开始意识到它对健康的重要意义。目前研究已明确环境微生物组受生活环境、住宅类型、家庭成员和宠物饲养的差异而发生变化，通过多种途径导致过敏性疾病的发生。未来还应进一步探索环境微生物组在预防和治疗过敏性疾病中的应用，通过改善环境微生物组的构成，减少有害微生物的暴露，以促进健康，避免过敏性疾病的发生。