朱文霞 武藝林 劉輝 姜彩妮 霍莉莉
腸道菌群是寄居在人體腸道內(nèi)的微生物群,數(shù)目在40萬億左右,其基因總數(shù)約為人自身基因數(shù)目的150倍。從數(shù)據(jù)可以看出腸道菌群是一個非常龐大的群體,因此也被稱作人體的“第二基因組”“第二大腦”“腸腦”。與人體其他部位的微生物群相比,腸道微生物群具有巨大的細菌類群和豐富的種類,因此,對人體其他器官、功能的影響也是多種多樣的,從腸道菌群入手治療各類疾病將成為一種新的趨勢。自2019年年末新型冠狀病毒肺炎(新冠肺炎)疫情爆發(fā)以來,呼吸道感染成為了最受社會關注的問題之一,其中免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育完善的兒童也深受其威脅。因此,本文通過分析近年相關文獻,總結(jié)腸道菌群與兒童免疫發(fā)育及呼吸道感染的相關性,為使用益生菌等腸道微生態(tài)制劑輔助治療兒童呼吸道感染提供依據(jù)。
腸道菌群一般作為模式識別受體(PRR)參與人體的生命活動,可促進宿主免疫系統(tǒng)的成熟,調(diào)節(jié)腸道中保護性Ig(如IgA)的分泌,幫助生物體合成維生素和膽汁酸等。這對宿主的免疫反應、營養(yǎng)物質(zhì)代謝等多個方面有重要的影響。
盡管腸道菌群與人體內(nèi)環(huán)境沒有直接接觸,但腸道菌群仍可發(fā)揮系統(tǒng)性作用,促進器官之間的交流,這主要通過短鏈脂肪酸(SCFA)來完成,如參與細胞碳水化合物和脂肪酸代謝,通過芳基烴受體調(diào)節(jié)大腦免疫細胞及膠質(zhì)細胞的成熟,通過長鏈脂酰CoA合成酶1/絲裂原活化蛋白激酶/核因子-κB(ACSL1/MAPK/NF-κB)信號通路,對TNF-α介導的單核細胞產(chǎn)生巨噬細胞趨化蛋白-1具有促進作用,從而增強機體抗炎能力,并通過作用于2型輔助性T淋巴細胞(Th2)來緩解微生物引起的過敏性肺部炎癥。另外,萬古霉素等抗菌藥物的使用會降低腸道SCFA水平,從而增加過敏性肺部疾病的發(fā)生率。此外,SCFA誘導炎性樹突狀細胞凋亡,從而影響全身和器官的免疫模式。在人體不同微環(huán)境中,SCFA以不同的存在形式參與生命活動,SCFA主要由乙酸、丙酸和丁酸構(gòu)成,這三者約占所有SCFA的95%。研究表明,乙酸可調(diào)節(jié)交感神經(jīng)張力和心臟收縮力,從而影響血壓和心功能。丙酸和丁酸可增強腸道上皮屏障能力,同時對腸道炎癥具有治療作用。丙酸還可減少缺氧誘導肺泡(主要是CD68)和間質(zhì)(CD68和CD163)肺巨噬細胞的積聚,從而起到減輕肺部炎癥的作用??梢奡CFA是腸道菌群全身作用的關鍵執(zhí)行者,在防御感染、減輕自身免疫性疾病和抗腫瘤治療中發(fā)揮著重要作用。
過去認為胎兒處于無菌的子宮環(huán)境中。但是,Mishra等利用16S rRNA基因測序技術對胎兒各器官的微生物進行了分析,在孕中期檢測到胎兒腸道、皮膚、胎盤和肺部存在著微弱的微生物信號,并在胎兒組織中發(fā)現(xiàn)了包括葡萄球菌和乳酸桿菌在內(nèi)的幾種活菌株,它們在體外誘導了胎兒腸系膜淋巴結(jié)記憶性T淋巴細胞的激活,并作為抗原促進了胎兒在子宮內(nèi)的免疫發(fā)育。研究結(jié)果表明,即使在胚胎期,胎兒也已經(jīng)與微生物接觸并進行了信息交換。受年齡、性別、喂養(yǎng)方式、環(huán)境等影響,新生兒腸道菌種和數(shù)量呈上升趨勢,1歲時嬰兒腸道菌群的數(shù)量迅速增加。自5歲后,兒童腸道菌群多樣性生長速率降低,菌群組成趨于穩(wěn)定,但其數(shù)量和種類仍低于成人。 青春期兒童因受體內(nèi)激素變化的影響,其腸道菌群發(fā)生了改變。較青春期前,青春期兒童在梭菌目、梭菌科及糞桿菌屬占比下降,而伯克霍爾德菌目占比上升,同時安德克菌屬(Adlercreutzia)、瘤胃球菌屬(Ruminococcus)、多爾菌屬(Dorea)、梭菌屬(Clostridium)和副擬桿菌屬(Parabacteroides)的豐度與睪酮水平有關。兒童腸道菌群的發(fā)育是一個從幼稚到成熟、簡單到復雜、變化到穩(wěn)定的過程。在這個過程中,腸道菌群不僅作為抗原激活了初始的免疫反應,同時其代謝產(chǎn)物經(jīng)過多重途徑,促進了兒童免疫機制的完善。
兒童的免疫系統(tǒng)與成人的免疫系統(tǒng)不同,隨著年齡的變化,其免疫系統(tǒng)處于動態(tài)發(fā)育過程。兒童早期的特異性免疫還不夠完善,更多依賴于非特異性免疫的PRR來識別危險相關分子模式或病原體相關分子模式。早在胎兒時期,人體的免疫系統(tǒng)就被激活。Aboussahoud等發(fā)現(xiàn),PRR和先天免疫Toll樣受體基因在胎兒各個時期均有不同程度的表達。新生兒的中性粒細胞比成人少。嬰兒中高水平的IL-6會減少中性粒細胞的募集,從而減少炎癥的發(fā)生。新生兒的自然殺傷(NK)細胞對抑制轉(zhuǎn)化生長因子-β(TGF-β)非常敏感,降低了細胞毒性和IFN-γ的產(chǎn)生,在控制病毒感染中起著重要作用。雖然兒童免疫系統(tǒng)尚未發(fā)育完善,但是它有獨特的免疫器官——胸腺。胸腺在胎兒期及新生兒期極其活躍,出生后開始萎縮,直至青春期完全退化。胸腺產(chǎn)生的調(diào)節(jié)性T淋巴細胞(Treg)在生命早期十分活躍,在免疫調(diào)節(jié)中具有重要作用,隨著兒童年齡的增長,其功能逐漸減退。在關于新冠肺炎的調(diào)查中發(fā)現(xiàn),T淋巴細胞的減少程度與病情輕重相關。兒童由于胸腺及Treg的存在,使得其在抵御新型冠狀病毒(新冠病毒)上有獨特的優(yōu)勢。因此一些研究者認為兒童的免疫系統(tǒng)并非不完美,因為在生命的早期階段,這樣的免疫系統(tǒng)可為他們提供保護。
與成人相比,兒童免疫系統(tǒng)的發(fā)育受外界環(huán)境影響很大,腸道菌群是其中的一條重要途徑。腸道菌群及其產(chǎn)生相關的SCFA,給嬰兒一定的黏膜免疫刺激作用,并促進其免疫系統(tǒng)的成熟。研究顯示,腸段絲狀菌(SFB)檢出率隨年齡的升高逐漸減少,其與腸道黏膜免疫息息相關,在SFB檢出陽性的兒童中,腸液特異性IgA水平高于陰性的兒童,并且陽性組回腸末端黏膜IL-17A細胞數(shù)量少于陰性組。由此可見,兒童腸道菌群與免疫系統(tǒng)均處于一個動態(tài)發(fā)育的過程中,并且兒童腸道菌群的正常定植對免疫系統(tǒng)健康發(fā)育具有促進作用。
基于兒童腸道菌群與免疫系統(tǒng)動態(tài)發(fā)育及腸道菌參與多系統(tǒng)功能發(fā)育的特點,考慮目前呼吸道感染廣受重視,但是現(xiàn)有抗感染治療存在缺陷的情況,由Budden等提出的肺、腸依靠胚胎同源性、免疫通道、神經(jīng)通道等各種途徑相互關聯(lián)的“肺-腸軸”理論,可成為防治兒童呼吸道感染的一個新的指導方向。
相關研究表明,腸道菌群可以直接調(diào)節(jié)肺部的免疫功能。首先,兒童暴露于外界環(huán)境中,微生物菌落逐漸生長,免疫系統(tǒng)不斷暴露于外源抗原,這是免疫系統(tǒng)不斷完善的外界因素,腸道菌群影響兒童的免疫系統(tǒng),為感染性疾病提供了持續(xù)的病原體。腸道菌群的紊亂可以誘導小鼠對流行性感冒(流感)病毒產(chǎn)生不同的細胞免疫反應,其中Th1和Th2受腸道菌群的影響較大,而Th17則不顯著。動物研究顯示,腸道菌群紊亂的小鼠更易受到呼吸道合胞病毒(RSV)的侵害,導致病毒載量升高,感染加重。感染RSV的嬰兒糞便16S rRNA基因測序結(jié)果表明,中度和重度感染患兒的S247、梭菌、嗅桿菌科(Odoribacteraceae)、乳桿菌和放線菌的豐度高于正常嬰兒,嚴重RSV患兒的莫拉菌科菌群減少。在兒童哮喘研究中,16S rRNA基因測序結(jié)果表明,哮喘兒童糞便標本中的毛螺菌屬(Lachnospira)、韋榮球菌屬(Veillonella)、棲糞桿菌屬(Faecalibacterium)和羅思菌屬(Rothia)減少,SCFA水平降低,這4種細菌均與疾病進展有關。研究人員認為,這些細菌的低豐度與3歲之前患哮喘的風險有較高的相關性。在嬰兒支氣管炎的研究中,健康嬰兒腸道中的4個主要菌群為大腸埃希菌(30%)、雙歧桿菌(21%)、腸桿菌/ Veillonella-優(yōu)勢型(22%)和擬桿菌型(28%),而支氣管炎患兒腸道中的主要菌群為腸桿菌(15%)和擬桿菌屬(44%)。因此研究人員推測,擬桿菌屬的主導地位可能使嬰兒患上支氣管炎的風險更高。在對兒童反復呼吸道感染(RRTI)的研究中,RRTI患兒的腸道菌群多樣性呈下降趨勢,變形桿菌、擬桿菌、放線菌、疣狀微生物、特氏彎曲桿菌和腸球菌等有害菌占主導地位,而真細菌、費卡桿菌和雙歧桿菌等有益菌減少。與健康兒童相比,肺結(jié)核兒童的腸道菌群多樣性減少,促炎細菌普雷沃菌、機會病原菌腸球菌升高,益生菌雙歧桿菌等減少。腸道菌群與呼吸道感染之間的相互作用很難證明,由于環(huán)境、飲食或遺傳因素引起的腸道菌群波動是否增加了呼吸道感染的風險,或者呼吸道感染是否與腸道菌群相關,這需要進一步的研究探討。
可以肯定的是,腸道菌群確實可以影響兒童的免疫系統(tǒng),腸道菌群與兒童呼吸道感染之間存在相關性,因此,在呼吸道感染廣受關注的當下,從腸道菌群著手防治呼吸道感染具有一定的可行性。
腸道菌群可通過影響免疫系統(tǒng)來預防呼吸道疾病。一項雙盲的隨機對照研究顯示,3~10歲學齡兒童每日補充益生菌可有效降低兒童咳嗽的發(fā)生率和抗生素頻率。在兒童呼吸道感染的治療中,廣譜抗生素的使用可導致新生兒大腸桿菌K1敗血癥的發(fā)病率增加,益生菌療法可誘導新生兒腸道固有淋巴樣細胞的產(chǎn)生,從而促進血漿粒細胞集落刺激因子和中性粒細胞的增加,通過使用微生物相關的治療策略而不是抗生素治療,提高兒童對呼吸道感染的抵抗力,降低抗生素的使用頻率。研究顯示,益生菌可加強SCFA激活炎癥小體、上調(diào)IL-1β和IL-10的表達,并激活適應性免疫應答提高機體對病原菌及其他病原體的清除能力,實現(xiàn)抗病原微生物免疫的正向調(diào)節(jié)。同時在新冠肺炎疫情下,新一代益生菌(包括抗氧化益生菌、免疫益生菌等)被認為在防治新冠病毒感染方面具有一定的效果。
目前基于腸道微生態(tài)的治療以益生菌的形式被廣泛用于臨床試驗。與傳統(tǒng)抗生素相比,結(jié)合腸道菌群治療兒童呼吸道感染可帶來更好的治療效果。通過口服絡酸羧酸活菌散治療RRTI,可顯著提高患兒Ig水平,減少呼吸道感染次數(shù),并減輕感染癥狀。臨床研究表明,聯(lián)合益生菌治療兒童喘息性支氣管炎對比常規(guī)治療,可顯著提高CD3、CD4T淋巴細胞和NK細胞比例,降低CD8T淋巴細胞比例,同時對于腸道微生態(tài)也有一定的改善作用。
總之“肺-腸軸”理論正在逐漸被探索和理解,作為人體最大微生物生態(tài)系統(tǒng),健康的腸道菌群是生命體不可或缺的組成部分。由于兒童腸道菌群與免疫系統(tǒng)處于動態(tài)發(fā)育的過程,腸道菌群紊亂極易導致免疫系統(tǒng)失調(diào),從而影響呼吸道免疫。同時,呼吸道感染引起的免疫反應也會使腸道菌群出現(xiàn)紊亂。腸與肺之間的相互交流遠遠超出了我們的想象。呼吸道感染是兒童高發(fā)的疾病,新冠肺炎疫情下,對于兒童呼吸道感染的防治更是重中之重,因此通過腸道菌群防治兒童呼吸道感染將成為一個新趨勢。但目前仍缺乏對兒童腸道菌群與呼吸道感染間聯(lián)系的深入研究,結(jié)合兒童腸道菌群與免疫系統(tǒng)均顯示出旺盛的發(fā)育特征,因此在使用菌群進行干預時,是否要考慮引入或減少某些細菌的潛在影響,也將成為今后研究中應當注重的問題。