江翹楚，李巍

過敏性疾病是一個全球性的公共衛(wèi)生問題。在過去的幾十年中，過敏性疾病的發(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(biodiversity hypothesis)減少與自然環(huán)境、多樣微生物的接觸，可以通過影響人體共生微生物對機(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，而對于環(huán)境微生物組的認(rèn)識和關(guān)注剛剛開始。盡管有研究已發(fā)現(xiàn)環(huán)境菌群對哮喘、過敏性鼻炎和特應(yīng)性皮炎等發(fā)揮保護(hù)作用[5-7]，但對降低過敏風(fēng)險的有益菌群的組成、影響因素、作用機(jī)制等還缺乏系統(tǒng)認(rèn)識。本文對環(huán)境微生物組在過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)識和理解過敏性疾病發(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]。人們通常通過測定、評估環(huán)境微生物組的各類特征，來明確其對人體健康的具體影響。環(huán)境微生物組的分析與評估方法對于最終結(jié)果的得出與解讀息息相關(guān)，包括樣本來源、采集手段、分析方法等方面。

1.1 樣本來源

由于現(xiàn)代社會人們大部分時間處于室內(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估范圍[9]，用于對比室內(nèi)微生物組的特征，以明確住宅對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，在實驗的可重復(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，需要通過增加采樣時間或多次重復(fù)取樣[12]，減少微生物波動帶來的偏差。

1.3 分析方法

早期由于測序技術(shù)不發(fā)達(dá)，對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、測序，這些傳統(tǒng)方法在當(dāng)時極大地拓展了人類對微生物多樣性的認(rèn)識。然而，在進(jìn)一步分析環(huán)境微生物的特征時，傳統(tǒng)方法暴露出測序深度不夠、定量精確度低、大量樣品無法同時比較研究等問題，限制了我們理解微生物與過敏性疾病的相關(guān)性。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，16s rRNA測序廣泛用于細(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測序在門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測序得到的鑒定結(jié)果優(yōu)于18s rRNA測序[13]，研究中采用何種測序方法取決于微生物所需在何種等級進(jìn)行分類。

對環(huán)境微生物組的評估除了樣本分析，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]等項目的評估與自我報告，以完善補充環(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，對研究環(huán)境微生物對過敏性疾病的影響具有重要意義。

2.1 生活環(huán)境

城市居民患過敏性鼻炎、哮喘、濕疹的風(fēng)險高于農(nóng)村居民[15-16]，孕婦懷孕期間接觸農(nóng)場環(huán)境可降低嬰兒哮喘、花粉熱的可能性[17]，對早期特應(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)場環(huán)境微生物組能降低過敏性疾病的風(fēng)險。與城市家庭相比，農(nóng)場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)住宅中檢測出戶外植物及土壤中的真菌。農(nóng)場和郊區(qū)通過更高的細(xì)菌和真菌多樣性可以降低兒童患過敏性鼻炎、哮喘和特應(yīng)性皮炎的風(fēng)險[14,23]。農(nóng)村和城市微生物的主要構(gòu)成存在差異，也會對人類健康產(chǎn)生不同影響。松鼠葡萄球菌(Staphylococcussciuri)存在于多種動物皮膚表面，能通過抑制病原體定植而對哮喘起保護(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)場家庭中厚壁菌門(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]，對特應(yīng)性疾病具有一定的保護(hù)作用。然而，Karvonen等[6]研究報告厚壁菌門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)。針對以上特征菌群對過敏性疾病的作用未來有待進(jìn)一步研究。

空氣污染可誘發(fā)過敏性疾病。最新研究認(rèn)為大氣污染，如：SO2、PM2.5升高等，也會影響環(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改變環(huán)境微生物組，引起過敏性疾病的發(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，建筑面積的增加也導(dǎo)致變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)等豐度下降[20]，特應(yīng)性疾病的易感性增加。然而Lee等[14]的研究報告擬桿菌門在哮喘和特應(yīng)性患者的住宅環(huán)境中富集，有關(guān)細(xì)菌對過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)境相對濕度的增加而迅速增長，其豐富度則逐漸減少。這一點在存在漏水問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)境相對濕度過高將增加過敏性疾病發(fā)生風(fēng)險。此外，霉菌也與鼻炎、過敏性哮喘的發(fā)生有關(guān)，環(huán)境相對霉變指數(shù)高的家庭，兒童患哮喘的風(fēng)險是環(huán)境相對霉變指數(shù)較低家庭的兩倍以上[19]。目前，在一些建筑設(shè)計與施工的指南中，已開始將環(huán)境微生物組和濕度納入標(biāo)準(zhǔn)化考量，我們需要對“健康”的住宅微生物組進(jìn)行定義[29]，來降低過敏性疾病的發(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]，從而降低過敏性疾病的風(fēng)險。此外，乳桿菌屬(Lactobacillus)、不動桿菌(Acinetobacter)及棒狀桿菌(Corynebacterium)在大規(guī)模家庭中也普遍存在，對過敏和哮喘具有保護(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)量的增加不會引起細(xì)菌和真菌豐富度變化[19]，這一點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]，對哮喘起保護(hù)作用。在養(yǎng)寵物的家庭中，擬桿菌門、厚壁菌門、放線菌門、γ-變形菌顯著增加[25]，Parajuil等[20]最近發(fā)現(xiàn)寵物對γ-變形菌的豐度起決定性作用，因為它們更容易接觸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，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)也具有降低過敏性疾病的作用，野生動物在接受約氏乳桿菌后能免受呼吸道過敏原的侵襲[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敏風(fēng)險，因此早期接觸寵物是過敏性疾病預(yù)防的一個策略。

3 環(huán)境微生物組對過敏性疾病發(fā)揮作用的機(jī)制

環(huán)境微生物組通過兩種主要途徑影響過敏性疾病的發(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)而改變過敏性疾病的發(fā)生風(fēng)險。

3.1 對體內(nèi)微生物組的影響

環(huán)境微生物對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 對宿主免疫系統(tǒng)的刺激

環(huán)境微生物的產(chǎn)物通過調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答影響過敏性疾病的發(fā)生風(fēng)險，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)信號通路，誘導(dǎo)TNF-α快速生成，進(jìn)而激活CD11b+樹突細(xì)胞的TNF-α/TNFR信號通路，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信號后，上調(diào)轉(zhuǎn)錄因子T-bet，從而阻止Th2細(xì)胞分化及其對過敏原的炎癥反應(yīng)[37-38]，因此，新生兒及嬰兒時期接受內(nèi)毒素治療在預(yù)防過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性細(xì)菌細(xì)胞壁中占主導(dǎo)地位的成分，能通過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，哮喘等過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)致呼吸道過敏癥狀及氣道炎癥反應(yīng)[41]，與過敏性鼻炎的風(fēng)險相關(guān)，這是因為1,3-β-D-葡萄糖通過dectin-1介導(dǎo)的機(jī)制刺激骨髓來源樹突狀細(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，人們開始意識到它對健康的重要意義。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，通過多種途徑導(dǎo)致過敏性疾病的發(fā)生。未來還應(yīng)進(jìn)一步探索環(huán)境微生物組在預(yù)防和治療過敏性疾病中的應(yīng)用，通過改善環(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，避免過敏性疾病的發(fā)生。