作者: 程譯文，凌宗欣
（浙江大學醫學院附屬第一醫院 傳染病診治國家重點實驗室，感染性疾病診治協同創新中心，浙江 杭州 310003）
摘要：腸道菌群是一個被遺忘的 “器官”，其在宿主消化營養免疫發育等諸多方面發揮著極為重要的作用。 0~3歲是嬰幼兒腸道菌群建立的關鍵時間期，其與腸道免疫系統的成熟同步，是形成免疫耐受的關鍵時期，如果這一時期腸道菌群發生紊亂，可導致免疫耐受破壞，引起嬰幼兒過敏性疾病。近年來流行病學調查和實驗研究提示嬰幼兒早期腸道菌群紊亂與過敏性疾病的發生發展密切相關，本研究就嬰幼兒常見過敏性疾病如特應性皮炎、食物過敏、哮喘、過敏性鼻炎等與腸道菌群的相關性進行綜述。
關鍵詞：腸道菌群；過敏性疾病；兒童
中圖分類號：R446.6
文獻標誌碼： A
文章編號：1005-376X(2016)03-0352-04
DOI 編碼：10.13381/j.cnki.cjm.201603029
2004年世界變態反應組織 ( WAO )針對全球過敏展開了一項調查,調查結果於2006年公佈:在33個國家進行的過敏性疾病流行病學調查,結果顯示這些國家的13.9 億人口中,約22% 患有不同種類的過敏性疾病 [1 ] ｡過敏性疾病的發生發展有著一定的自然規律,嬰幼兒最早出現的過敏問題是特應性皮炎和食物過敏,可持續數年,並逐步發展成過敏性鼻炎和哮喘｡本研究就腸道菌群與嬰幼兒過敏性疾病的關係,以及幾種常見的兒童過敏性疾病作一綜述｡
1 腸道菌群的建立及生物學意義
新生兒剛出生時胎糞是無菌的,出生後大約2h即可從腸道檢出大腸埃希菌､腸球菌､葡萄球菌等,即微生物開始在腸道定植,最終形成以厭氧菌為優勢菌的菌群結構,此過程一般需3年左右的時間｡伴隨著腸道菌群的定植,宿主的黏膜屏障和免疫系統也在發育成熟,主要體現在出生後腸上皮細胞增殖增強,淋巴細胞開始遷移分化｡出生後到脫奶期(0~1 歲 ) 是 Toll 樣 受 體 ( Toll like receptor,TLR )介導的免疫耐受形成的關鍵時間窗,期間腸道菌群的異常定植會導致 TLR 表達異常,免疫耐受無法正常形成｡嬰幼兒腸道菌群的建立受分娩方式､餵養方式､環境衛生和抗生素應用等多種因素的影響｡
健康成人腸道棲息著 約 10^14 個細 菌,多 達近1000~1150種細菌｡腸道菌群承載著人類後天獲得基因,參與人類正常生理和疾病病理過程,是被遺忘的特殊器官｡生理狀態下,腸道菌群的功能主要體現在以下方面 [2 ] ｡(1 )維持和增強腸道黏膜屏障:腸道內的共生菌通過佔位性保護效應､營養代謝產生有機酸和拮抗作用發揮生物屏障功能｡ (2 )促進固有和獲得性免疫的發育成熟:腸道菌群能夠通過不斷刺激局部或者全身免疫應答來促進腸黏膜相關淋 巴 組 織 ( gut - associated lymphoid tissues ,GALT ) 的 發 育, 可 激 發 Th1 免 疫 應 答, 平 衡Th1 / Th2 ,共生菌 DNA 特定的 CpG 基序能刺激Th1細胞分化｡ (3 )刺激腸道分泌sIgA : sIgA 黏附於腸道黏液層,阻止病原微生物的黏附並促使其隨腸道蠕動排出體外｡ (4 )參與免疫耐受的形成｡腸道共生菌通過抑制轉錄因子 NFκB的活性 (普氏糞桿菌),或通過抑制 NFκB 的抑制劑IκB 的磷酸化､泛素化､降解,或通過促進 NFκB的亞基 RelA出核,減弱其轉錄因子功能 (多形擬桿菌),從而達到抑制炎症反應的作用 [3 ] ｡
2 過敏性疾病的發生機制
過敏性疾病的發生是由遺傳因素和環境因素兩者相互作用的結果｡近年來過敏性疾病的發病率顯著升高,這顯然已經不能簡單地用遺傳因素來解釋｡Strachan提出的 “衛生假說”認為,生命早期因缺少細菌､病毒､寄生蟲等微生物的接觸,從而導致免疫系統發育不成熟,進而增加了患過敏性疾病的可能性 [4 ] ｡細菌和病毒感染引發的自然免疫可以誘導 Th1細胞因子的釋放,胎兒及初生時免疫反應以Th2 為主,隨著出生後環境中抗原的刺激,免疫反應逐漸向 Th1轉化,達到 “ Th1 / Th2平衡”｡如今隨著家庭大小､生長環境､個人衛生､生活方式的不斷改善,“過度衛生”的環境使得嬰幼兒受環境中抗原刺激的機會減少,造成機體免疫反應向 Th2偏移,分泌的IL - 4 ､ IL - 5 ､ IL - 13等細胞因子增多,刺激B細胞產生IgE ,使嗜酸性粒細胞增殖活化,釋放炎症和細胞因子,導致過敏性疾病的發生 [5 ] ｡近年來無論是 Th2介導的過敏性疾病,還是 Th1介導的自身免疫性疾病的發病率都有所上升,經典的“衛生假說”並不能很好地解釋這個現狀｡
Rook提出的 “老朋友假說”,其中 “老朋友”指哺乳動物在經過長期進化後體內存活下來的相對無害的微生物,這些微生物對 DC的成熟起關鍵作用,成熟的 DC 產生 TGF - β 和IL - 10 促進調節性T細胞 (regulatory T cell, Treg )的分化,而Treg具有免疫抑制作用,從而使 “老朋友”免受宿主免疫系統的殺滅,同時宿主對自身細胞､腸內容物､過敏原等產生耐受 [6 ] ｡有研究者提出 “菌群學說”,認為工業化國家抗生素的使用和飲食結構的變化影響腸道正常菌群的定植,進而影響腸道菌群介導的免疫耐受的形成,導致變應性氣道疾病的發病率升高｡最近發現的 Th17是 CD4+ 效應 T 細胞的亞群,能分泌促炎因子IL - 17 ,在過敏性疾病的發生發展中起到重要作用｡ “ Treg / Th17平衡”被打破是目前認為過敏性疾病乃至自身免疫性疾病發病的重要因素 [7 ] ｡另外皮膚屏障功能的損壞與過敏性疾病的發生也相關｡
3 兒童過敏性疾病
早年Bergmann提出過敏進程 (allergic march )概念,指出過敏性疾病的發生發展具有年齡特徵,伴隨著年齡的增長,過敏症狀可能得到緩解也可能被其它症狀所替代｡嬰幼兒最早出現的過敏是食物過敏和特應性皮炎, 1歲以後逐漸得到緩解,繼而出現哮喘,哮喘發病率在學齡期達到高峰,到青春期哮喘可能得到暫時性緩解,但是會出現過敏性鼻炎,可能持續數年 [8 ]｡
3.1 食物過敏
食物過敏 (food allergy , FA )是指機體針對攝入的食物抗原產生的一種有害的免疫反應｡在西方國家約有6%的未成年人受到食物過敏的影響｡食物過敏可分為: (1 ) IgE介導的食物過敏;(2 )非IgE介導的食物過敏; ( 3 )兩者混合型食物過敏｡ IgE 介導的食物過敏佔大多數,發病機制較明確:機體暴露於過敏原,產生特異性IgE ,結合在肥大細胞等效應細胞表面,當抗原再次刺激時,效應細胞脫顆粒,釋放各種介質,引起過敏反應｡
胃腸黏膜免疫系統包括抗擊病原體,識別無害的食物蛋白,允許共生菌的定植｡一旦這種平衡被打破,口服耐受就無法正常形成,導致過敏反應的發生｡口服耐受的形成得益於完整的胃腸黏膜屏障,胃腸黏膜屏障包括生理屏障和免疫屏障｡生理屏障包括阻止食物抗原通過的組織 (如:單層上皮細胞及其表面的黏液層､小腸絨毛､內皮細胞間的緊密連接等)和降解食物抗原的成分 (如:胃酸､膽鹽､消化酶等)｡免疫屏障包括天然免疫反應 (如:上皮細胞､中性粒細胞､巨噬細胞､ NK 細胞和 TLR等)和獲得性免疫反應 (如:上皮和固有層淋巴細胞､ PP結､ sIgA 和細胞因子等) [ 9 ] ｡腸道菌群在維持和增強胃腸黏膜屏障功能中起著重要作用,首先腸道共生菌提供了生物屏障,其次,腸道菌群能促進 Th1 細胞因子的分泌,使 Th1 / Th2得到平衡,此外還能通過增強PP結分泌sIgA 來加速抗原的清除｡無菌小鼠中,發現腸道sIgA 分泌減少, GALT發育缺陷, PP 結和腸系淋巴結都發育較小｡ Sudo等研究發現無菌小鼠在灌喂卵清蛋白 (ovalbumin ,OVA )後不能產生抗 OVA - IgE 應答的抑制,而普通小鼠可產生,給無菌小鼠定植嬰兒雙歧桿菌後能恢復其抑制作用,但僅在新生小鼠有效,年齡大的小鼠則無效,說明腸道菌群在口服耐受形成中起著重要作用 [10 ] ｡
與健康兒童相比,食物過敏兒童腸道中益生菌如雙歧桿菌､乳酸桿菌較低,而需氧菌如大腸埃希菌､金黃色葡萄球菌較多 [11 ] ｡也有研究揭示腸道菌群整體多樣性的改變並不是引起食物過敏的關鍵因素,特定菌群的改變才是引起食物過敏的重要因素:過敏患兒糞便中擬桿菌､變形菌､放線菌數量減少,而厚壁菌數量增多 [12 ] ｡也有一些前瞻性研究, Kal-liomaki等對20例瑞典和24例愛沙尼亞兒童進行了為期1年的菌群測定,並且跟蹤隨訪了2年,發現日後出現過敏的兒童在1年裡雙歧桿菌的數量持續性低於正常兒童, 3個月時梭菌屬數量增多, 6個月時金黃色葡萄球菌數量增多 [13 ] ｡這些研究結果表明腸道菌群結構改變是引起食物過敏的重要因素｡雙歧桿菌､乳桿菌是大家熟知的益生菌,它們能刺激sIgA 的分泌, sIgA 是腸黏膜免疫的重要組成成分｡脆弱擬桿菌能夠刺激 TGF - β 的分泌,在修復腸上皮細胞中起作用 [14 ] ｡ Hooper等首次給無菌小鼠單獨定植多形擬桿菌後,發現宿主轉錄水平上調,其中包括CRP 導管蛋白,一種加速修復腸表皮細胞損傷的蛋白,提示腸道微生物在維護腸黏膜屏障功能上起作用 [15 ] ｡
3.2 特應性皮炎
特應性皮炎 (atopic dermatitis ,AD )也稱異位性皮炎､溼疹,是一種皮膚慢性特應性炎症反應｡發病機制複雜,目前還不明確,一般認為是在遺傳和 (或)環境因素的共同作用下,使機體皮膚屏障功能破壞或引起機體免疫反應失調,導致炎症反應的發生｡在西方國家, 10%~20%的兒童患有特應性皮炎,並且這個比率還再逐年上升｡特應性皮炎可分為兩種形式: 70%~80%的患者是IgE介導; 20%~30%的患者是非IgE介導｡
國內很多橫斷面研究發現,特應性皮炎患兒糞便中雙歧桿菌､乳酸桿菌較正常兒童少,大腸埃希菌多｡ Abrahamsson等進行的前瞻性研究發現特應性皮炎患兒在1個月時腸道菌群的多樣性較正常兒童低,且擬桿菌低於正常兒童, 12個月時變形菌低於正常兒童 [16 ] ｡結果提示兒童早期腸道菌群多樣性的改變與特應性皮炎的發生有關｡研究發現擬桿菌具有抗炎屬性,脆弱擬桿菌表達的多聚糖 A ( PSA )能刺激IL - 10的產生,阻止炎症反應[ 17 ] ;多形擬桿菌能夠調節宿主基因的轉錄,上調Sprr2a的表達, Sprr2a是一種參與皮膚屏障功能的蛋白 [15 ] ,其次還能調節CD4 +T細胞與Foxp3+Treg 細胞的轉換,從而誘導黏膜免疫耐受的形成 [18 ] ｡雙歧桿菌也被發現與特應性皮炎相關,特應性皮炎患兒的雙歧桿菌數明顯低於正常兒童,還有研究發現口服雙歧桿菌,能刺激 Th1細胞因子的產生,使宿主免疫向 Th1偏移｡
3.3 哮喘
哮喘 (asthma )是以氣道黏膜慢性炎症和氣道高反應性為特徵,由細胞因子､炎症介質､遺傳和環境等因素共同作用引起的慢性疾病｡據統計全球有多達300萬人忍受著過敏性哮喘的困擾,哮喘發生在所有年齡,所有種族中,並呈現不斷增加的趨勢｡ Th1 / Th2失衡､ Th2優勢應答是哮喘發生的關鍵性機制,其次 Th17 ､ Treg 和 DC 也參與其中｡研究發現哮喘病人中IL -17A 升高, IL - 23是Th17分泌IL - 17所必需, IL - 23 / Th17軸也是目前流行的哮喘發生機制之一 [19 ] ｡
哮喘患者和正常人的腸道菌群不同,大量服用抗生素或剖腹產嬰兒在菌群結構遭到破壞的同時也容易得哮喘等過敏性疾病｡兒童腸道早期艱難梭菌的異常定植與日後發生哮喘相關 [20 ] ｡乳桿菌可以通過 TLR傳遞信號給 DC ,誘導其產生IL - 10 ,促進Treg 細胞的分化[ 21 ] ｡柔嫩梭菌能刺激 B細胞誘導Treg 細胞的分化,提高IL- 10和 TGF - β 水平,抑制炎症因子,從而降低哮喘的發生率 [22 ] ｡ Maslowski等發現由共生菌發酵而來的短鏈脂肪酸 ( SCFA )能夠 通 過結 合 GPR43 來減弱哮 喘 引 起 的 炎 症 反應 [23 ] ｡細菌 DNA 特異的 CpG 基序能誘導IL- 12 ､IFN - γ 的產生,分支桿菌可能含有此類結構｡
3.4 過敏性鼻炎
過敏性鼻炎 (allergic rhinitis ,AR )是以鼻腔黏膜嗜酸性粒細胞浸潤為特徵的慢性炎症,表現為季節性或常年性鼻塞､噴嚏､流涕｡過敏性鼻炎在全球大多數國家流行,並在兒童和青年中發病率較高,發病率呈逐年上升的趨勢,國際兒童哮喘和變態反應研究組織 (ISAAC )對世界56個國家的45萬兒童進行調查,得出過敏性鼻炎的患病率為1.4%~39.7%[ 24 ] ｡過敏性鼻炎與哮喘的發病機制有相似之處,兒童過敏性鼻炎與隨後出現的哮喘密切相關｡有10%~40%的過敏性鼻炎患者兼患有哮喘,而哮喘患者中同時患有過敏性鼻炎的患者比例也高達80% ｡
4 結 語
近年來,全球過敏性疾病的發病率呈上升趨勢,嚴重影響人們的身心健康,尤其是對嬰幼兒危害更大｡腸道菌群通過維持和增強腸黏膜屏障功能､促進免疫系統發育､刺激腸道分泌sIgA ､參與免疫耐受形成等機制調節機體的免疫功能,維持宿主的健康｡大量的流行病學調查､臨床研究､人體和動物實驗表明,過敏性疾病患兒的腸道菌群構成和正常兒童有著明顯差異,生命早期腸道菌群的紊亂先於過敏性疾病的發生｡
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