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肠道菌群与儿童过敏性疾病研究进展

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摘要:人类健康与肠道菌群息息相关,肠道菌群通过促进肠免疫系统发育、诱导T细胞分化等多种途径调节机体免疫功能,使之处于平衡状态,从而避免或减少免疫相关疾病的发生。过敏性疾病与自身免疫系统发育不全、免疫调控机制不完善有关,并且,过敏患儿体内菌群分布及多样性较健康儿童有明显的差异,因此过敏性疾病与肠道菌群的功能状态密切相关。该文就儿童常见过敏性疾病如食物过敏、湿疹、哮喘、过敏性紫癜等与肠道菌群的相关性及作用机制进行综述。

过敏性疾病的发生是由环境因素和遗传因素相互作用的结果,是一个动态发展的过程,婴幼儿以食物过敏症和特应性皮炎为主,随着年龄增长,变应性鼻炎、支气管哮喘等疾病逐渐占主要地位。在不同人群中,过敏性疾病的发生顺序可能不同。人类基因表型不可能在短时间内发生明显变异,故认为环境因素对于近年来过敏性疾病发病率增高起主要作用。早期队列研究表明,过敏性疾病患儿和健康儿童肠道菌群组成存在显著差异,且肠道菌群失调先于过敏性疾病的发生。本文就肠道菌群与儿童过敏性疾病的关系,以及几种常见的儿童过敏性疾病作一综述。

1  肠道菌群概述

最近研究发现,胎儿娩出前肠道菌群就已经存在,出生后随着接触周围环境及年龄增长,肠道内优势菌群由兼性厌氧菌过渡到厌氧菌,其多样性也在不断改变。新生儿肠道菌群是变化的,直到1岁左右建立一个类似于成人的稳定菌群,3岁左右肠道菌群才完全成熟[1]。0~3岁是肠道菌群及免疫系统发展、成熟的关键时期。一项前瞻性研究对24例爱沙尼亚儿童和20例瑞典儿童分别于生后5~6日龄、1月龄、6月龄、12月龄进行菌群测定,并随访受试儿童2岁内过敏性疾病发生情况,发现日后出现过敏性疾病的患儿,其1月龄时肠球菌减少,3月龄时梭菌增高,6月龄时金黄色葡萄球菌增高,1年内多次测定双歧杆菌计数均偏低,通过荧光原位杂交技术发现,过敏患儿在新生儿期的粪便中梭状芽孢杆菌较高,而双歧杆菌减少,说明在过敏症状出现之前,肠道菌群失调就已经存在,而非继发现象。Johansson等[2]发现,健康儿童菌群定植迅速且丰富,而过敏儿童在婴儿期菌群定植迟缓且单一。这种肠道菌群的不成熟,可能是婴幼儿过敏性疾病多于成年人的原因之一。

“益生菌”是一种活的微生物,被定义为对宿主健康有益的微生物制剂,与任何活的微生物一样,它们受到体外和体内环境的双重影响,目前认为食用是安全的。益生菌可通过提高酶活性对肠腔内的生态系统产生直接影响,同时调节宿主免疫应答,从而减轻小儿免疫介导的疾病。世界过敏协会目前建议使用益生菌预防过敏儿童,高风险孕妇和哺乳期母亲以及发生过敏性疾病高风险婴儿(基于家族史)的过敏预防[3]。当前较为确定的益生菌有短双歧杆菌、长双歧杆菌、双歧杆菌,乳酸杆菌和双歧杆菌的代表菌种已被用作微生物制剂用于临床,早期使用可定植在婴儿肠道并调节宿主的免疫应答[4]。长双歧杆菌是迄今为止在1岁婴儿中发现的最主要的物种(平均相对丰度为37%)[5]。婴儿肠道中的克劳氏芽孢杆菌、嗜酸乳杆菌、乳酸杆菌GG、植物乳杆菌、副干酪乳杆菌、保加利亚乳杆菌、嗜热链球菌、大肠杆菌(尼氏大肠杆菌1917)和酵母如布拉酵母菌等,都有益于避免多种胃肠疾病的发生[6]。

2  过敏性疾病的发生机制

2.1 “T reg/T h17 平衡”  

最近发现的T hl7是CD 4效应T细胞的亚群,能分泌促炎因子IL-17,并对哮喘患者气道腺体的高分泌、高反应性及重塑起作用,同时主宰着过敏性疾病的发生发展。“T reg/T h17 平衡”被打破是目前认为过敏性疾病乃至自身免疫性疾病发病的主要因素,也是“卫生假说”的免疫学基础[7]。

2.2  卫生假说  

早期微生物暴露通过免疫刺激诱导免疫耐受,低卫生环境、发酵食品、未经高温消毒的乳制品、在农场生活和早期使用益生菌等暴露于多样化的微生物环境里,增加抗原暴露刺激免疫系统向更稳定的方向发展,减少过敏反应的发生[8]。细菌和病毒感染引发自然免疫,可以诱导Thl型细胞因子的释放,胎儿及出生时免疫反应表现为Th2型优势,随着生后环境中抗原的刺激,免疫反应逐渐向Thl型转化,达到“Thl/Th2平衡”。“过度卫生”的环境(例:抗生素的广泛使用)使得婴儿受环境中抗原刺激的机会减少,造成机体免疫反应向Th2偏移,分泌的IL-4、IL-5、IL -13等细胞因子增多,刺激B细胞产生IgE,使嗜酸性粒细胞增殖活化,释放炎症介质和细胞因子,导致过敏性疾病的发生。实验性无菌(生殖细胞)小鼠模型证明,当微生物定殖被延迟时,肠相关淋巴组织不能发展,导致Th2免疫应答。B细胞产生的肠相关淋巴组织中的分泌性IgA通过结合肠道中的过敏原阻止其摄取来促进口服耐受,因此, 微生物定殖在Th1的发展中是重要的[9-10]。生命早期抗原刺激减少,影响微生物定植,导致“Thl/Th2平衡”偏移,延缓了免疫耐受的形成,早期微生物暴露可影响机体的免疫系统发育,暴露的缺乏可导致以后对无害抗原的异常免疫应答[11]。

3  婴幼儿过敏性疾病

3.1  食物过敏  

对食物过敏者存在肠道屏障损害和肠道菌群失调。Canani等[12]研究益生菌对牛奶过敏婴儿肠道菌群的影响,发现添加鼠李糖乳杆菌GG(LGG)的深度水解酪蛋白(EHCF)导致与丁酸盐产生的相关特定细菌富集。丁酸盐是已知的结肠细胞基质,并且与肠道完整性有关。与单用EHCF相比,使用EHCF和LGG治疗的婴儿在治疗6个月后丁酸盐增长呈双峰分布。微生物代谢物丁酸盐和丙酸盐对组蛋白脱乙酰酶具有抑制作用,其可促进外周诱导的Treg的发展[13]。瘤胃球菌属在丁酸盐富集后增多,而类杆菌却明显减少,它们之间相互作用形成负反馈导致丁酸增多,同时保护了肠道完整性。梁燕婷[14]等研究发现:不论采用何种喂养方式,发生食物过敏的婴儿,肠道内双歧杆菌和乳酸杆菌等有益菌均显著减少,而肠杆菌含量显著提高。乳酸杆菌、双歧杆菌等有益菌群可发酵结肠中的膳食纤维、抗性淀粉、低聚糖等不易消化的糖类产生短链脂肪酸,主要包括乙酸、丙酸和丁酸等。短链脂肪酸的产生能够提供菌群自身生长所需的能量,降低肠道内pH值,促进黏膜细胞的生长,减少促炎症因子的生成,提高肠道的稳定性。肠道菌群失调后,与梭菌相关的乙酸含量明显增高,与乳酸杆菌相关的丙酸、异丁酸、丁酸和异戊酸水平降低。通过检测其粪便中菌群相关代谢产物,研究者发现过敏性疾病婴儿粪便中丙酸、异丁酸、丁酸、异戊酸和戊酸水平降低,而异己酸明显增高,提示两者间的肠道菌群及其代谢存在差异。

3.2  湿疹  

又称特应性皮炎,是儿童期常见的慢性皮肤疾病。相对于健康人,湿疹患儿表现出“有益菌”和“有害菌”的丰富度改变,很多因素(例如:饮食、体力活动的程度、以及怀孕期间使用的广谱抗生素)都通过影响肠道菌群来与湿疹疾病相关联,患儿粪便中双歧杆菌、乳酸杆菌较正常儿童少,大肠埃希菌多,口服双歧杆菌能刺激T hl细胞因子的产生,使宿主免疫向T hl偏移。与健康婴儿相比,湿疹婴儿的拟杆菌丰度、变形杆菌门和肠杆菌科的丰度明显降低。变形菌门的丰度与TLR4诱导的TNF-cx呈负相关;肠杆菌科的丰度与TLR4诱导的TNF-α和IL-6呈负相关[15]。同时,湿疹婴儿的弯曲杆菌明显增多,而氏菌属明显少于对照组。弯曲杆菌可以破坏肠上皮屏障,允许非侵入性细菌(例如:大肠杆菌)易位加剧肠道屏障的损坏,并为敏感婴儿炎症反应的启动奠定了基础[16]。出生后的第一年里,IgE相关性湿疹婴儿放线菌多样性明显降低,此外还发现,疣微菌属与维持肠道健康有关[17]。金黄色葡萄球菌产生许多被称为超级抗原的T细胞,从而激活肠毒素产生。超级抗原和粘附素基因组合体随金黄色葡萄球菌一同定植在肠道,与湿疹的后续发展成负相关。金黄色葡萄球菌作为抗原刺激促进婴儿免疫系统的成熟、激发免疫反应对婴儿起保护作用[18]。 

3.3  哮喘  

哮喘是儿科最常见的慢性疾病,肠道菌群的早期建立对免疫系统发育,特别是易患哮喘婴儿有显著影响,免疫学研究发现肠道菌群与过敏性哮喘和特应性皮炎中免疫球蛋白A(IgA)、IgG和IgM介导的致敏作用之间存在明显关联。由“卫生假说”延伸出的“微生物假说”中提到,有家庭宠物或居住在农场附近的儿童,他们暴露于和20世纪早期环境相似的“家庭微生物”菌群中,来抵制更大“家庭卫生”的趋势。家庭微生物群可能直接或间接地影响婴儿的免疫系统发育、成熟,甚至是免于疾病的侵扰,例如过敏性哮喘[19]。的确,与奶牛、稻草接触,并且食用未加工的牛奶可以提供针对哮喘的保护[20]。类杆菌门多样性降低与哮喘风险增加有关[21]哮喘急性发作时患儿体内菌群中变形杆菌丰度显著增加, 而变形杆菌丰度增加与气道高反应性有关[22]。土耳其0~3岁儿童的一项研究发现,哮喘患儿中长双歧杆菌检出率较正常儿童低[23-24]。通过对鼠类口服罗伊氏乳杆菌的研究中发现,实验对象的肺部炎症细胞明显减少并且减轻了气道过敏反应,进一步的研究表明,其机制正是由于罗伊氏乳杆菌激发了Treg细胞的免疫调节功能[25]。挪威一项包含40614例样本的大规模队列研究表明,母亲孕期服用含益生菌乳制品的儿童,其3岁时过敏性湿疹、结膜炎的发病率较对照组降低,但哮喘的发病率无显著差异[26]。

3.4  过敏性紫癜  

过敏性紫癜是儿童期常见的血管炎,有益菌由于炎症导致肠黏膜水肿、出血以至于黏膜遭受损坏而失去黏附位置,数量减少,以致病原菌或条件致病菌由于有益菌的竞争抑制作用减弱而增加。IgA是肠黏膜屏障的核心组成部分,对免疫保护起着关键作用,分泌型IgA(secreted IgA,slgA)可以耐受共生菌、结合病原体或共生菌的抗原以维持肠道非炎性环境。当菌群失调时则会诱导特异性黏膜sIgA反应,导致肠道sIgA 数量降低,以至于病原菌定植或入侵肠上皮细胞,肠腔内的共生菌等抗原成分会被其它炎性细胞直接摄取而导致肠黏膜受损、屏障功能减弱、引发炎症反应产生过敏。陈超等[27]研究显示过敏性紫癜患儿肠黏膜免疫屏障出现受损,肠黏膜免疫机能减弱,粪便sIgA数量显著降低,以双歧杆菌为代表专性厌氧菌数量减少,以大肠杆菌代表的兼性厌氧细菌的数量升高。流行病学调查表明,过敏性紫癜患儿与健康儿童相比体内的肠道菌群有所不同,梭状芽胞杆菌含量较高,双歧杆菌含量较低,同时,粪便菌群中变形菌门、欧文氏菌属(从目到属)、拟杆菌属、巨单胞菌属、肠球菌属(从科到属)丰度高于健康儿童。罗文等[28]发现过敏性紫癜患儿粪便菌群中双歧杆菌属(从目到属)、链球菌属(从目到属)、普拉梭菌种(从科到种)丰度低于健康儿童。

4  结语

综上所述,肠道菌群失调实际上是菌群多样性发生了变化,“有益菌”的减少,“有害菌”的增多,早期微生物定植有益于免疫系统的成熟、降低过敏性疾病发生的风险。肠道菌群种类繁多,具体的作用及危害我们还了解甚少,益生菌有助于增强肠道健康,但对于菌株的品种、摄入剂量及时间的选择,仍需要大量的研究来进一步确定。选择双歧杆菌种属的细菌成分体外培养未成熟DC,再诱导T细胞产生分化,这有可能成为过敏性疾病的初级预防的新途径[29]。因此通过调整肠道菌群,有望预防或缓解儿童过敏性疾病的发生发展,更好地提高儿童的生活质量及健康指数。

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