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        環(huán)境微生物組與過(guò)敏性疾病

        2021-11-30 14:25:06江翹楚李巍
        關(guān)鍵詞:灰塵過(guò)敏性住宅

        江翹楚,李巍

        過(guò)敏性疾病是一個(gè)全球性的公共衛(wèi)生問(wèn)題。在過(guò)去的幾十年中,過(guò)敏性疾病的發(fā)病率迅速上升,其中兒童新增占比最大,造成了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[1]。環(huán)境因素及生活方式變化引起了生物多樣性下降及微生物組成改變,這可能是導(dǎo)致過(guò)敏性疾病發(fā)病率升高的關(guān)鍵因素[2-3]。根據(jù)生物多樣性假說(shuō)(biodiversity hypothesis)減少與自然環(huán)境、多樣微生物的接觸,可以通過(guò)影響人體共生微生物對(duì)機(jī)體的免疫調(diào)節(jié)能力產(chǎn)生負(fù)面作用[4],肯定了環(huán)境微生物和人體共生微生物對(duì)人類健康的重要意義。目前關(guān)于微生態(tài)的研究主要集中于腸道菌群,揭示了其在人體健康和多種疾病中的重要作用,而對(duì)于環(huán)境微生物組的認(rèn)識(shí)和關(guān)注剛剛開(kāi)始。盡管有研究已發(fā)現(xiàn)環(huán)境菌群對(duì)哮喘、過(guò)敏性鼻炎和特應(yīng)性皮炎等發(fā)揮保護(hù)作用[5-7],但對(duì)降低過(guò)敏風(fēng)險(xiǎn)的有益菌群的組成、影響因素、作用機(jī)制等還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。本文對(duì)環(huán)境微生物組在過(guò)敏性疾病中的作用和機(jī)制的研究進(jìn)行梳理,以期進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解過(guò)敏性疾病發(fā)生的機(jī)制,為早期預(yù)防和治療提供新思路。

        1 環(huán)境微生物組分析方法

        環(huán)境微生物組是指特定環(huán)境中包含的細(xì)菌、真菌、病毒等微生物及其編碼基因和產(chǎn)物,包括內(nèi)毒素、霉菌毒素等微生物釋放產(chǎn)物等的總稱[8]。人們通常通過(guò)測(cè)定、評(píng)估環(huán)境微生物組的各類特征,來(lái)明確其對(duì)人體健康的具體影響。環(huán)境微生物組的分析與評(píng)估方法對(duì)于最終結(jié)果的得出與解讀息息相關(guān),包括樣本來(lái)源、采集手段、分析方法等方面。

        1.1 樣本來(lái)源

        由于現(xiàn)代社會(huì)人們大部分時(shí)間處于室內(nèi),環(huán)境微生物組與人類的主要作用發(fā)生于生活及工作的室內(nèi)環(huán)境,因此,環(huán)境微生物組研究主要選擇室內(nèi)微生物進(jìn)行采集分析。在某些情況下,室外微生物也被納入評(píng)估范圍[9],用于對(duì)比室內(nèi)微生物組的特征,以明確住宅對(duì)微生物組成的潛在影響。

        1.2 采集手段

        室內(nèi)微生物的樣本常采集于客廳和臥室,采集方法包括:拭子膠帶采樣、灰塵采樣和空氣采樣。拭子、膠帶采樣是最簡(jiǎn)單的采樣方法,但得到的樣品不是定量樣品[10],不能反映環(huán)境的整體微生物構(gòu)成,因此不作為評(píng)估的主要依據(jù)。

        灰塵采集是目前研究中最多使用的采樣方法,可細(xì)分為床墊灰塵、地板灰塵、落塵(非地板表面的沉降灰塵),以及其他灰塵如:暖通空調(diào)灰塵、吸塵器粉塵袋灰塵等。其中,床墊灰塵采集的穩(wěn)定性高,在實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性方面優(yōu)于空氣和落塵采樣[11]。

        空氣采樣也應(yīng)用于微生物的研究,可直接獲取空氣中的微生物信息,較好地代表室外微生物。但短期空氣采樣可能難以全面反映室內(nèi)微生物的整體情況,需要通過(guò)增加采樣時(shí)間或多次重復(fù)取樣[12],減少微生物波動(dòng)帶來(lái)的偏差。

        1.3 分析方法

        早期由于測(cè)序技術(shù)不發(fā)達(dá),對(duì)微生物組的分析依賴于微生物標(biāo)志物,或?qū)ξ⑸锘蛐蛄械腜CR產(chǎn)物進(jìn)行克隆、測(cè)序,這些傳統(tǒng)方法在當(dāng)時(shí)極大地拓展了人類對(duì)微生物多樣性的認(rèn)識(shí)。然而,在進(jìn)一步分析環(huán)境微生物的特征時(shí),傳統(tǒng)方法暴露出測(cè)序深度不夠、定量精確度低、大量樣品無(wú)法同時(shí)比較研究等問(wèn)題,限制了我們理解微生物與過(guò)敏性疾病的相關(guān)性。隨著高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展,16s rRNA測(cè)序廣泛用于細(xì)菌鑒別及豐度、多樣性等分析,ITS(Internal Transcribed Spacer)和18s rRNA測(cè)序用于真菌信息分析。由于18s rRNA在真菌中的保守性高,18s rRNA測(cè)序在門(mén)和綱的分類水平鑒定真菌能獲得更完整的結(jié)果,而在屬的水平,ITS測(cè)序得到的鑒定結(jié)果優(yōu)于18s rRNA測(cè)序[13],研究中采用何種測(cè)序方法取決于微生物所需在何種等級(jí)進(jìn)行分類。

        對(duì)環(huán)境微生物組的評(píng)估除了樣本分析,還涉及家庭清潔情況、潮濕情況、霉菌跡象以及室外環(huán)境特征[6, 14]等項(xiàng)目的評(píng)估與自我報(bào)告,以完善補(bǔ)充環(huán)境微生物組的信息,準(zhǔn)確理解微生物與人類健康間的聯(lián)系。

        2 影響環(huán)境微生物組因素及與過(guò)敏性疾病的相關(guān)性

        生活環(huán)境、住宅類型、家庭成員和寵物飼養(yǎng)等影響了環(huán)境微生物組的構(gòu)成,找到特定因素與有益或有害微生物間的聯(lián)系,對(duì)研究環(huán)境微生物對(duì)過(guò)敏性疾病的影響具有重要意義。

        2.1 生活環(huán)境

        城市居民患過(guò)敏性鼻炎、哮喘、濕疹的風(fēng)險(xiǎn)高于農(nóng)村居民[15-16],孕婦懷孕期間接觸農(nóng)場(chǎng)環(huán)境可降低嬰兒哮喘、花粉熱的可能性[17],對(duì)早期特應(yīng)性皮炎的發(fā)生也有保護(hù)作用[18],這些發(fā)現(xiàn)提示農(nóng)場(chǎng)環(huán)境微生物組能降低過(guò)敏性疾病的風(fēng)險(xiǎn)。與城市家庭相比,農(nóng)場(chǎng)家庭微生物的豐富度更高[19],城市化水平與微生物多樣性呈負(fù)相關(guān)[20]。隨著生活區(qū)域密集度的升高,真菌和細(xì)菌的組成差異性變小[21],這解釋了城市住宅之間細(xì)菌組成相似性較高的現(xiàn)象。住宅周圍的綠化能促進(jìn)真菌多樣性的增加[22],Dannemiller等[21]在郊區(qū)住宅中檢測(cè)出戶外植物及土壤中的真菌。農(nóng)場(chǎng)和郊區(qū)通過(guò)更高的細(xì)菌和真菌多樣性可以降低兒童患過(guò)敏性鼻炎、哮喘和特應(yīng)性皮炎的風(fēng)險(xiǎn)[14,23]。農(nóng)村和城市微生物的主要構(gòu)成存在差異,也會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生不同影響。松鼠葡萄球菌(Staphylococcussciuri)存在于多種動(dòng)物皮膚表面,能通過(guò)抑制病原體定植而對(duì)哮喘起保護(hù)作用,在松鼠葡萄球菌豐度高的農(nóng)村,特應(yīng)性疾病發(fā)病率低,存在于秸稈上的乳桿菌屬(Lactobacillus)、不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)、棒狀桿菌(Corynebacterium)、奈瑟菌(Neisseria)也起到預(yù)防氣道炎癥及特應(yīng)性疾病的作用[5]。此外,研究還發(fā)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)家庭中厚壁菌門(mén)(Firmicutes)豐富度遠(yuǎn)高于城市,該分類群同樣在非哮喘、非花粉熱、非特應(yīng)性的人群臥室中有較高的豐度[14],對(duì)特應(yīng)性疾病具有一定的保護(hù)作用。然而,Karvonen等[6]研究報(bào)告厚壁菌門(mén)在哮喘兒童住宅中的豐度高,乳球菌屬(Lactococcus)的豐度顯示與哮喘成正相關(guān)。最近,關(guān)于環(huán)境特征菌群又有新發(fā)現(xiàn),Gupta等[19]注意到副球菌(Paracoccus)、微球菌(Micrococcus)和鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas)是農(nóng)村環(huán)境中最豐富的三個(gè)類群,而立克次氏體目(Rickettsiales)在城市環(huán)境中的含量顯著增加;Lehtim?ki等[24]認(rèn)為羅斯氏菌屬(Rothia)和嗜血桿菌屬(Haemophilus)與城市環(huán)境相關(guān);狡詐球菌屬(Dolosigranulum)、莫拉菌屬(Moraxella)與農(nóng)村環(huán)境相關(guān)。針對(duì)以上特征菌群對(duì)過(guò)敏性疾病的作用未來(lái)有待進(jìn)一步研究。

        空氣污染可誘發(fā)過(guò)敏性疾病。最新研究認(rèn)為大氣污染,如:SO2、PM2.5升高等,也會(huì)影響環(huán)境微生物的構(gòu)成;大氣微生物隨污染物濃度的增加,多樣性下降,菌群結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[25],提示污染物可能通過(guò)改變環(huán)境微生物組,引起過(guò)敏性疾病的發(fā)生。然而相關(guān)機(jī)制目前尚不清晰,需要深入研究。

        2.2 住宅類型

        住宅類型的差異,包括位置、裝修、通風(fēng)、潮濕情況等方面都影響著微生物的構(gòu)成,進(jìn)而對(duì)人類健康產(chǎn)生作用。在住宅位置與格局方面,一樓以上的住宅細(xì)菌多樣性降低[22],同時(shí),建筑面積的增加也導(dǎo)致變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、擬桿菌門(mén)(Bacteroidetes)等豐度下降[20],特應(yīng)性疾病的易感性增加。然而Lee等[14]的研究報(bào)告擬桿菌門(mén)在哮喘和特應(yīng)性患者的住宅環(huán)境中富集,有關(guān)細(xì)菌對(duì)過(guò)敏性疾病的作用及相關(guān)機(jī)理還需進(jìn)一步探索。在裝修方面,Weikl等[22]發(fā)現(xiàn)光滑地板家庭的細(xì)菌多樣性高于鋪地毯的家庭,混合地板的細(xì)菌多樣性最高。通風(fēng)情況也影響室內(nèi)微生物組的構(gòu)成,長(zhǎng)期使用空調(diào)將導(dǎo)致真菌多樣性減少[26]。

        住宅濕度與微生物多樣性相關(guān)聯(lián),真菌濃度隨著住宅環(huán)境相對(duì)濕度的增加而迅速增長(zhǎng),其豐富度則逐漸減少。這一點(diǎn)在存在漏水問(wèn)題的家庭中得到印證,這些家的庭灰塵中真菌數(shù)量顯著增加,微生物群以枝孢菌(Cladosporium)、鏈格孢(Alternaria)為主[27],與兒童和青少年哮喘發(fā)病有關(guān)[28],因此,家庭住宅環(huán)境相對(duì)濕度過(guò)高將增加過(guò)敏性疾病發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。此外,霉菌也與鼻炎、過(guò)敏性哮喘的發(fā)生有關(guān),環(huán)境相對(duì)霉變指數(shù)高的家庭,兒童患哮喘的風(fēng)險(xiǎn)是環(huán)境相對(duì)霉變指數(shù)較低家庭的兩倍以上[19]。目前,在一些建筑設(shè)計(jì)與施工的指南中,已開(kāi)始將環(huán)境微生物組和濕度納入標(biāo)準(zhǔn)化考量,我們需要對(duì)“健康”的住宅微生物組進(jìn)行定義[29],來(lái)降低過(guò)敏性疾病的發(fā)生。

        2.3 家庭成員

        較大家庭規(guī)模具有更高的細(xì)菌和真菌多樣性[25]。普氏棲糞桿菌(Faecalibacteriumprausnitzii)與含3個(gè)以上兒童的家庭及多戶住宅相關(guān),能起到抗炎作用[30],從而降低過(guò)敏性疾病的風(fēng)險(xiǎn)。此外,乳桿菌屬(Lactobacillus)、不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)及棒狀桿菌(Corynebacterium)在大規(guī)模家庭中也普遍存在,對(duì)過(guò)敏和哮喘具有保護(hù)作用[5, 23]。家庭中兄弟姐妹數(shù)量的增加可導(dǎo)致微生物豐富度增加,并隨著人數(shù)發(fā)生不同程度的變化。最近,有研究發(fā)現(xiàn)家庭中女孩數(shù)量的增加不會(huì)引起細(xì)菌和真菌豐富度變化[19],這一點(diǎn)在以往的研究中并未提及,相關(guān)原因有待進(jìn)一步解釋。

        2.4 寵物飼養(yǎng)

        寵物的存在能夠增加微生物在地板灰塵中的擴(kuò)散,促進(jìn)細(xì)菌和真菌豐富度顯著增加[25],對(duì)哮喘起保護(hù)作用。在養(yǎng)寵物的家庭中,擬桿菌門(mén)、厚壁菌門(mén)、放線菌門(mén)、γ-變形菌顯著增加[25],Parajuil等[20]最近發(fā)現(xiàn)寵物對(duì)γ-變形菌的豐度起決定性作用,因?yàn)樗鼈兏菀捉佑|γ-變形菌棲息地,如水坑、濕地、土壤等,從而將菌群帶入人類室內(nèi)環(huán)境。Kirjavainen等[31]發(fā)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境存在較多種類的戶外環(huán)境細(xì)菌時(shí),可降低兒童哮喘發(fā)病率。此外,在養(yǎng)狗家庭的微生物組中富集的約氏乳桿菌(Lactobacillusjohnsonii)也具有降低過(guò)敏性疾病的作用,野生動(dòng)物在接受約氏乳桿菌后能免受呼吸道過(guò)敏原的侵襲[32]。Ownby等[33]發(fā)現(xiàn)在生命第一年,接觸2只或2只以上的狗和貓能降低過(guò)敏風(fēng)險(xiǎn),因此早期接觸寵物是過(guò)敏性疾病預(yù)防的一個(gè)策略。

        3 環(huán)境微生物組對(duì)過(guò)敏性疾病發(fā)揮作用的機(jī)制

        環(huán)境微生物組通過(guò)兩種主要途徑影響過(guò)敏性疾病的發(fā)生,一種是影響定植于人體內(nèi)的微生物群落如氣道微生物、腸道微生物等組成與結(jié)構(gòu),另一種是環(huán)境微生物釋放產(chǎn)物直接與宿主免疫系統(tǒng)相互作用,進(jìn)而改變過(guò)敏性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

        3.1 對(duì)體內(nèi)微生物組的影響

        環(huán)境微生物對(duì)塑造人體微生物群落起重要作用。特定環(huán)境細(xì)菌影響早期氣道微生物的定植,如灰塵中假鞘氨醇桿菌(Pseudosphingobacterium)、眉藻(Calothrix)等和嬰兒氣道中藤黃色桿菌(Luteibacter)呈正相關(guān)[21]。此外,研究發(fā)現(xiàn)持續(xù)暴露在不同環(huán)境微生物下的小鼠,腸道微生物群落的多樣性和豐富度具有差異,環(huán)境衛(wèi)生水平的提高導(dǎo)致羅伊氏乳桿菌(Lactobacillusreuteri)含量顯著升高,降低了腸道微生物的多樣性[34],這一現(xiàn)象解釋了城市環(huán)境相關(guān)的氣道和腸道微生物群與哮喘及濕疹發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加相關(guān)。類似地,特應(yīng)性皮炎與患者皮膚微生物群細(xì)菌多樣性降低顯著相關(guān)[35],這可能是由于環(huán)境微生物的構(gòu)成和多樣性下降,影響了人體皮膚表面有益微生物的定植,間接導(dǎo)致疾病發(fā)生,其背后涉及的細(xì)菌分類群和相關(guān)機(jī)制目前尚不明確。

        3.2 對(duì)宿主免疫系統(tǒng)的刺激

        環(huán)境微生物的產(chǎn)物通過(guò)調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答影響過(guò)敏性疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn),大多數(shù)細(xì)菌釋放的物質(zhì)如脂多糖(Lipopolysaccharide, LPS)、胞壁酸等能起到一定的保護(hù)作用。LPS也被定義為內(nèi)毒素,是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁的組成成分,內(nèi)毒素水平較高的牧場(chǎng)環(huán)境中,哮喘病發(fā)率顯著降低[36]。

        已有研究在小鼠中發(fā)現(xiàn)LPS相關(guān)作用機(jī)制:給予新生小鼠50 μg高水平的LPS激活Toll樣受體4(toll-like receptor 4, TLR4)信號(hào)通路,誘導(dǎo)TNF-α快速生成,進(jìn)而激活CD11b+樹(shù)突細(xì)胞的TNF-α/TNFR信號(hào)通路,產(chǎn)生白細(xì)胞介素-12(interleu-kin-12, IL-12);CD4+T細(xì)胞在接受IL-12信號(hào)后,上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子T-bet,從而阻止Th2細(xì)胞分化及其對(duì)過(guò)敏原的炎癥反應(yīng)[37-38],因此,新生兒及嬰兒時(shí)期接受內(nèi)毒素治療在預(yù)防過(guò)敏性疾病方面具有潛在可能性。此外,IL-5、IL-10、IL-13等炎癥因子的表達(dá)在LPS暴露下也發(fā)生改變[4, 39],可能同樣參與先天免疫通路的調(diào)節(jié)。胞壁酸是一種在革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌細(xì)胞壁中占主導(dǎo)地位的成分,能通過(guò)TLR-2激活先天免疫應(yīng)答發(fā)揮免疫調(diào)節(jié)作用[40],當(dāng)先天免疫刺激增強(qiáng)時(shí),哮喘等過(guò)敏性疾病的易感性降低[39]。

        真菌釋放產(chǎn)物也參與調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。1,3-β-D-葡萄糖是真菌細(xì)胞壁的組成成分,持續(xù)性暴露可導(dǎo)致呼吸道過(guò)敏癥狀及氣道炎癥反應(yīng)[41],與過(guò)敏性鼻炎的風(fēng)險(xiǎn)相關(guān),這是因?yàn)?,3-β-D-葡萄糖通過(guò)dectin-1介導(dǎo)的機(jī)制刺激骨髓來(lái)源樹(shù)突狀細(xì)胞產(chǎn)生TNF-α和IL-6,誘導(dǎo)Th2應(yīng)答[42-43]。麥角甾醇是真菌的一種通用標(biāo)記物,也是真菌細(xì)胞壁的組成部分[40],能抑制抗原誘導(dǎo)的骨髓源性肥大細(xì)胞脫顆粒,從而抑制Ⅰ型超敏反應(yīng),減輕過(guò)敏性皮膚反應(yīng);此外,Kawai等[44]還發(fā)現(xiàn)口服麥角甾醇可顯著抑制抗原誘導(dǎo)的組胺含量增加及肥大細(xì)胞脫顆粒,這提示麥角甾醇在過(guò)敏性疾病的預(yù)防和治療方面具有一定潛力。

        綜上所述,環(huán)境微生物組的探究在近幾年獲得了關(guān)注,人們開(kāi)始意識(shí)到它對(duì)健康的重要意義。目前研究已明確環(huán)境微生物組受生活環(huán)境、住宅類型、家庭成員和寵物飼養(yǎng)的差異而發(fā)生變化,通過(guò)多種途徑導(dǎo)致過(guò)敏性疾病的發(fā)生。未來(lái)還應(yīng)進(jìn)一步探索環(huán)境微生物組在預(yù)防和治療過(guò)敏性疾病中的應(yīng)用,通過(guò)改善環(huán)境微生物組的構(gòu)成,減少有害微生物的暴露,以促進(jìn)健康,避免過(guò)敏性疾病的發(fā)生。

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