肠道菌群在支气管哮喘中的作用及相关机制

张灵凤，申建伟

（上海市松江区中心医院儿科，上海 201600）

支气管哮喘是以可逆性气流阻塞、气道炎症及气道高反应性为特点的慢性气道炎症性疾病。哮喘与免疫调节密切相关，个体易感性、病毒感染、过敏原暴露等因素导致免疫失衡引发哮喘，而且免疫细胞在哮喘的发展过程中起着关键作用。“微生物假说”认为 ，外界因素(如饮食结构改变、卫生条件改善、抗生素使用等)所造成的肠道微生菌群失衡而引发的异常免疫反应，是导致气道变应性炎症发生的关键因素[1]。研究发现，在哮喘患者中，不仅气道的微生物组成发生了改变，而且肠道微生物群中双歧杆菌数量减少、梭菌数量增多，说明呼吸道和肠道黏膜的微生物组成和功能相互影响[2]。早期饮食干预、减少抗生素的使用、服用益生菌及提高短链脂肪酸（SCFAs）水平均可以改变肠道菌群组成和多样性，影响哮喘病情进展，鉴于此，现就肠道菌群在哮喘发生发展中所发挥的作用及机制作一综述。

1 肠道菌群

肠道菌群是人体内最为复杂、种群数量最高的共生微生物生态系统，人类肠道中微生物定植种类多达1 000余种，数量多达1012～1014个，总质量达1～2 kg，其基因组数目庞大，在消化调节、营养吸收、能量代谢、脂肪代谢、免疫调节等诸多方面发挥着重要作用。肠道菌群紊乱常引发多种疾病，如代谢性疾病：高血脂、肥胖、糖尿病等；自身免疫性疾病：炎症性肠病、类风湿性关节炎、多发性硬化等；气道变应性疾病：变应性鼻炎、哮喘等。影响肠道菌群构成的因素很多，主要包括宿主因素与环境因素两大方面：首先，宿主的基因型决定肠道菌群的多样性，同时宿主的年龄、性别、健康状态也影响着肠道菌群的定植与多样性。人类从出生到死亡，不同的发育阶段，肠道菌群表现出不同的多样性特征，后天的外界环境因素如饮食、生活环境、地域、宿主的社会行为（运动、服用药物等）等在其过程中也发挥了举足轻重的作用。

2 肠 - 肺轴

随着高通量测序技术的发展，有关微生物功能的研究日益丰富，从而一大波学说涌出，如“肠-肝”轴、“肠-脑”轴、“肠-肺”轴等概念。所谓“肠-肺”轴主要指肠道通过其定植微生物或者其代谢产物参与了呼吸系统免疫稳态平衡及呼吸系统疾病的发生、发展过程。虽然消化道和呼吸道具有不同的内部环境，发挥不同的生理功能，但两者之间却具有相同的胚胎起源。从胎儿期形成部分胎儿免疫成分到新生儿期重要的菌群形成开始，生命早期便构成了肠道菌群与黏膜免疫相关疾病易感性的基础，一方面，肠道菌群对肺部疾病的发生、发展产生影响，尹梅等[3]通过动物实验证实，肠道微生物群可通过介导肺泡巨噬细胞功能而在肺炎链球菌引起的肺炎中起保护作用；另一方面，在肺部疾病发生过程中，肠道菌群亦会被其影响，陈善佳等[4]通过分析肺炎新生儿及正常新生儿粪便菌群证实，感染组与对照组新生儿肠道菌群的构成及其代谢产物差异存在统计学意义。“肠-肺”轴作为一个双向轴，两者相互作用，正常的肠道菌群可以通过细菌衍生产物（脂多糖）和细菌代谢产物SCFAs维持局部免疫稳态；而在感染或抗生素暴露等情况下，正常肠道菌群环境将被打破，局部黏膜免疫稳态失衡，其产物可以通过淋巴体循环作用介导超越原位的系统性免疫应答，而这正是肠道菌群参与肺部疾病发生发展过程的主要作用机制。就目前研究发现，肠道菌群与儿童多种肺部疾病存在相关性，如肺部多种病原菌感染性疾病、支气管哮喘等均存在密切关联。

3 肠道菌群与哮喘

近年来，肠道菌群与过敏性疾病的相关研究日益增多，其在过敏性哮喘发生、发展中所发挥的作用亦逐渐为人们所发掘，同时这些研究也为丰富肠道菌群在支气管哮喘中的作用机制提供了基础。支气管哮喘是严重影响儿童健康的最常见慢性呼吸系统疾病之一，目前其发病机制尚未完全明确，比较公认的是：①1型辅助性T细胞1（Th1）/2型辅助性T细胞（Th2）失衡，Ⅱ型固有淋巴细胞（ILC2）活化是参与过敏性哮喘的主要机制。②辅助性T细胞17（Th17）/白细胞介素-17A（IL-17A）炎症轴主要介导以气道中性粒细胞浸润为特点的哮喘发病过程。相关研究显示，急性发作支气管哮喘的患儿较健康对照组研究对象，肠道菌群中乳杆菌和双歧杆菌数量显著减少，而大肠埃希菌数量相对增加[5]。此外，瑞典学者ABRAHAMSSON等[6]研究发现，相比于健康新生儿，哮喘新生儿在出生后的第1周肠道菌群就开始出现显著差异。郑凯等[7]通过收集新生儿粪便标本发现，肠道菌群受分娩方式、喂养方式、辅食添加等因素的影响，并证实了其定植过程早于哮喘的发生、发展。因此，肠道菌群不仅参与哮喘的发生、发展，甚至其结构的改变也可以预测哮喘的发生。婴幼儿时期是肠道菌群形成的关键时期，各种外界因素引起的肠道菌群结构的改变，对今后变应性疾病发生与否影响深远，如饮食结构改变、抗生素使用、益生菌使用等。因此，在儿童早期建立一个高度多样化、非致病性的肠道菌群很有必要。

4 饮食结构 - 肠道菌群 - 哮喘

饮食结构能够通过改变肠道菌群结构而影响哮喘的发生、发展。在张素珍等[8]研究中发现，高纤维膳食能够调节肠道菌群结构，表现为拟杆菌占比上调、厚壁菌门肠菌占比下调；此外，研究还发现，这些高纤维膳食带来的菌群变化在哮喘的发生、发展中起保护性作用，通过建立过敏性小鼠模型，验证了高纤维膳食可以改善气道炎症反应，降低肺组织内嗜酸性粒细胞与淋巴细胞浸润、免疫球蛋白E（IgE）分泌及白细胞介素-4 （IL-4）、白细胞介素-5（IL-5）、IL-17A等炎症因子的表达。此外，在人群实验中已证实可溶性膳食纤维在哮喘气道反应中具有急性抗炎作用，主要通过改变免疫细胞的性质，使其从炎前细胞、炎症细胞转变为抗炎细胞、愈合细胞[9]；反推之，长期高脂膳食易导致肠道菌群失衡，在哮喘发生过程中可能起到负性调控作用。以上假设目前已被众多研究者证实，首第文等[10]研究发现，长期高脂喂养会影响肠道菌群结构，这一结果主要表现为肠道菌群厚壁菌门占比的升高，而拟杆菌门的相对丰度降低；然而郭兴悦等[11]报道，在小鼠过敏性哮喘模型中，高纤维膳食并不影响过敏性哮喘的疾病严重程度，这与人群实验结果存在一致性，但高脂膳食却可以在改变肠道菌群结构的同时抑制树突状细胞和T细胞活化，最终导致Th2型细胞因子分泌水平下调。总之，就目前研究而言，无论是高纤维膳食亦或是高脂膳食均参与了哮喘的发生与进展，而其具体机制尚不完全清楚，有待进一步的研究阐释。

5 抗生素使用 - 肠道菌群 - 哮喘

生命早期抗生素的使用可以影响到肠道细菌定植阻力，诱发肠道菌群失衡，参与哮喘、变应性鼻炎等过敏性疾病的远期发病过程。抗生素使用会导致一些有益作用的厌氧微生物（如双歧杆菌、乳杆菌、拟杆菌等）数量减少，而一些有潜在危害的肠道微生物（如需氧革兰阴性肠菌、厌氧菌梭状芽胞杆菌、白念珠菌等）数量增加。徐鹃鹃[12]研究发现，围生期就暴露于万古霉素的小鼠其肠道和肺部微生物群多样性降低，促进Th2细胞因子释放，其肺部组织炎症细胞因子白细胞介素-13 （IL-13）、白细胞介素-14（IL-4）水平及嗜酸性粒细胞计数明显升高。这一发现也在人群实验中观察到，在丹麦人群的队列研究中发现，孕妇妊娠期使用抗生素，新生儿患哮喘的风险增加，并且随着孕妇抗生素使用时间的延长，抗生素剂量的增加，患哮喘的风险更高[13]。此外，一项回顾性研究发现，生命早期（0～1岁）使用抗生素是6～10岁儿童发生哮喘的重要危险因素，婴儿期抗生素的使用直接干扰肠道菌群的定植与形成，造成肠道菌群结构稳定性降低，使黏膜免疫应答发生变化，诱发儿童哮喘[14]。综上，均说明了抗生素的使用易导致肠道菌群结构紊乱，打破黏膜的免疫耐受功能，导致过敏性疾病的发生、发展。

6 益生菌使用 - 肠道菌群 - 哮喘

益生菌不仅有恢复或增强肠道稳态的作用，还有维持机体免疫稳态的作用，相关研究已证实，益生菌（如双歧杆菌、乳酸杆菌、肠球菌等）的使用能够明显抑制气道变应性疾病的发生、发展[15]。WANG等[16]研究发现，婴儿型双歧杆菌通过调节Th1/Th2平衡，可缓解小鼠过敏性哮喘。还有研究发现，双歧杆菌联合布地奈德、孟鲁司特钠治疗支气管哮喘可以有效改善患者肺功能，益生菌的摄入有助于改善肠道微生态系统，通过纠正 Th1/Th2免疫失衡减轻机体变态反应；同时益生菌的联合使用显著降低了哮喘急性发作的频率和严重程度，为辅助疗法提供了新思路[17]。在田超等[18]研究中，通过纳入2018年以前所发表的有关益生菌与哮喘的随机对照试验研究，系统性评价了微生态制剂对预防和治疗哮喘的有效性，结果显示，益生菌虽有利于哮喘症状的改善，但在改善肺功能与哮喘复发率方面均无明确作用，故目前证据尚不足以支持益生菌对哮喘的发生具有预防性作用，但这无法抹灭口服益生菌可能对在过敏性哮喘的预防、治疗中具有的潜在临床意义。

7 SCFAs水平 - 肠道菌群 - 哮喘

免疫系统是宿主与肠道微生物接触的第一道防线，人类肠道微生物和免疫系统在出生后即相互影响、相互作用，维持一个互利共生的平衡状态。一方面免疫系统在调节和形成肠道菌群结构的同时，肠道菌群在促进免疫系统发育和成熟过程中也发挥了重要作用。随着肠道菌群的研究进展，人们发现，肠道内微生物产生的SCFAs对于机体免疫有着重要作用。SCFAs主要由膳食纤维、抗性淀粉、低聚糖等不易消化的糖类在结肠受有益菌群（乳酸菌、双歧杆菌等）酵解产生，包括乙酸、丙酸及丁酸等。相关研究已证实，SCFAs具有过敏性炎症抑制效应，乙酸酯、丙酸、丁酸等均已被证实具有促进Treg细胞产生及诱导T细胞向Th1和Th17效应细胞方向分化的能力[19]。众所周知，Th2细胞偏移正是哮喘的主要发病机制，SCFAs还可以通过与多种免疫细胞的相互作用在Th2应答中起到抑制性效应而介导哮喘的保护过程。SCFAs在过敏性疾病中起到的免疫调节效应，通常被认为是通过G蛋白耦合受体（GPCRs）完成的，GPCRs作为细胞表面最大的受体超家族，现已被证实在信号转导过程中具有强大的作用功能。目前研究发现，SCFAs的特异性受体主要是G-蛋白偶联受体41（GPR41）、G-蛋白偶联受 体43（GPR43）及G-蛋白偶联受体109a（GPR109a），虽然mRNA表达分析发现上述受体在组织中的分布差异较大，但就目前研究而言，以上GPR41、GPR43已被证实在过敏性疾病，尤其是哮喘发病过程中起到了重要作用。此外，相关研究也证实了SCFAs-GPR43的相互作用在炎症调节过程中的重要功能，徐方明[20]研究发现，GPR43缺陷小鼠模型与SCFAs缺乏的无菌鼠模型表现为相似的免疫炎症紊乱，其在结肠炎、关节炎及哮喘模型中均表现出更严重的炎症反应与强烈的免疫应答。研究已证实，在人乳腺癌细胞株MCF-7、牛乳腺上皮细胞等细胞中，GPR41、GPR43的激活均可诱导细胞内钙离子浓度的增加与cAMP水平的下降，从而增加胞内MAPK的磷酸化水平[21]，而这一信号通路是否也是GPCRs参与哮喘免疫应答的关键通路有待进一步研究。

随着进一步探索，研究发现，SCFAs可以通过改变基因启动子的乙酰化模式来调节免疫细胞功能，而这正是一种独立于GPCRs信号的表观遗传机制[22]。SCFAs诱导T细胞向Treg细胞、辅助性T细胞（Th1、Th17细胞）方向分化的作用主要依赖于SCFAs有效抑制组蛋白去乙酰化酶（HDACs）而介导组蛋白的高度乙酰化与 mTOR-S6K信号通路的调控过程。THEILER等[23]研究发现，丁酸通过促进嗜酸性粒细胞凋亡来促进炎症的消退，且表明HDACs抑制是丁酸阻碍嗜酸性粒细胞效应功能的潜在作用模式。张锦涛等[24]研究发现，丁酸和丙酸可有效抑制IgE和非IgE介导的肥大细胞活化，且这种抑制作用不依赖于其已知的GPR41/43和PPAR受体信号传导，而是通过抑制HDACs活性使对FcεRI介导的脱颗粒至关重要的基因（BTK、SYK及LAT）表达下调。在杨柳[25]相关研究中也得到了相似的结论，丁酸能够下调GATA3表达介导ILC2依赖的气道高反应，这一过程主要得益于丁酸的HDACs抑制剂作用，而非依赖于GPCRs模式 激活。

8 小结与展望

支气管哮喘发病机制较为复杂，肠道菌群与哮喘的发病密切相关，肠道菌群可通过提高SCFAs水平来调节机体免疫功能，进而影响哮喘的发生和发展，但其影响肺部免疫状态的具体机制还需进一步研究。早期饮食不当、使用抗生素也会改变肠道内菌群的平衡，进而影响机体内炎症因子的分泌，导致支气管哮喘的发生与发展，而通过寻找支气管哮喘患儿肠道菌中某种减少的益生菌或增多的有害菌，及时给予干预，为支气管哮喘的预防及治疗提供新思路，但由于肠道菌群与哮喘之间作用关系紧密复杂，肠道菌群参与免疫耐受的具体调控机制还未完全明确，故有待于进一步研究阐明。