菌群代谢产物与变态反应性疾病

徐蓓蕾，姚 煦

细菌代谢产物是细菌通过代谢活动所产生的、自身生长和繁殖所必需的物质，如氨基酸、核苷酸、多糖、脂类、维生素等。近年来的研究发现，细菌代谢产物在变态反应性疾病的发生和发展中发挥了重要作用，相关研究主要集中于短链脂肪酸、长链脂肪酸、氨基酸和维生素。

1 短链脂肪酸

短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFAs)是碳链长度为1～6个碳原子的脂肪酸，由肠道菌群对不易消化的多糖(主要为纤维素)进行发酵而产生，肠道内主要的SCFAs为乙酸(C2)、丙酸(C3)和丁酸(C4)。乙酸可以由多种肠道微生物代谢所产生，如双歧杆菌；丙酸主要由拟杆菌和厚壁菌通过琥珀酸代谢途径所产生[1]，丁酸则主要由梭状芽孢杆菌经丙酮酸代谢途径所产生[2]。研究发现，无菌小鼠结肠内SCFAs显著下降，而难以消化的低聚糖显著上升[3]，表明共生菌群对SCFAs的合成必不可少。Tromette等[4]研究发现，给予小鼠喂食高纤维饮食来增加血液循环中的SCFA水平可防止变态反应性气道疾病。双歧杆菌可产生高水平的SCFAs，减少小鼠的食物过敏的概率[5]，孕妇应用双歧杆菌可显著降低新生儿变态反应的发生率[6]。

SCFAs作为细胞外和细胞内信号分子而发挥免疫调节功能。在细胞外，SCFAs可作为细胞表面G蛋白偶联受体(G protein receptor，GPR)，GPR43、GPR41和GPR109a(仅丁酸)的配体可间接地调节机体的免疫功能。GPR43、GPR41和GPR109a表达于多种细胞中，包括肠上皮细胞和免疫细胞，丁酸可通过结肠巨噬细胞上的GPR109a减缓炎症反应并维持肠道稳态[7]，乙酸和丙酸可通过GPR43和GPR41信号调节小鼠结肠调节性T(regulatory T，Treg)细胞的数量和功能[8]。在细胞内，SCFAs可通过抑制组蛋白去乙酰化酶(histone deacetylases，HDACs)和增强组蛋白乙酰转移酶(histone acetyltransferases，HATs)活性来调节基因转录，从而直接调节免疫功能[9]。乙酸可通过抑制HDAC9以增加体内转录因子Foxp3启动子的乙酰化，从而增加Treg细胞的增生和功能[10]；丁酸可通过增强FOXP3基因上组蛋白H3的乙酰化来体外诱导T调节细胞的分化[11]，并通过抑制HDACs降低LPS诱导的骨髓来源巨噬细胞的促炎症介质一氧化氮、白细胞介素(interleukin，IL)-6和IL-12的释放[12]。除有抑制促炎因子的作用外，SCFAs介导的对HDACs的抑制还可促进免疫反应，增强B细胞分化和IgA类转化所需的基因乙酰化[13]，从而增加IgA的分泌量，促进体液免疫反应。此外，肠上皮的屏障功能对食物变态反应的预防非常重要[14]。丁酸和乙酸还通过诱导肠道上皮细胞生理性缺氧来加强上皮的屏障功能[15]，从而预防食物变态反应的发生。

2 长链脂肪酸

长链脂肪酸(long-chain fatty acids，LCFAs)是碳链长度大于12个碳原子的脂肪酸。食物(如鱼类、食用油)被人体吸收后经肠道菌群代谢而产生LCFAs，其中omega-3(n-3)和omega-6(n-6)是主要的必需脂肪酸。LCFAs通过宿主氧化酶(如环氧合酶、脂氧合酶和细胞色素P450单加氧酶)和共生细菌(如植物乳杆菌)转化为具有生物活性的脂质代谢产物，参与免疫反应的调节。n-3脂肪酸的部分脂质代谢物具有抗炎和抗变态反应作用[16]。消退素(resolvin E，Rv)E来源于EPA，RvD1和蛋白D1(protein D1，PD1)来源于DHA。RvD1、RvD2和PD1降低促炎细胞因子[包括IL-6、IL-1β、IL-23和 肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor-α，TNF-α)]和中性粒细胞水平，从而促进巨噬细胞对凋亡细胞和炎性碎屑的吞噬[17]。研究显示，在无菌小鼠的结肠中，n-3脂肪酸的脂类代谢产物RvD1水平明显高于有大肠杆菌感染的小鼠，RvD1可降低促炎细胞因子IL-1β[17]，而IL-1β参与许多炎症性疾病包括变态反应性疾病的发生和发展[18]。通过改变菌群种类和数量可增加DHA代谢产生的RvD1水平，进而抑制IL-1β，从而减轻变态反应性疾病程度，如变态反应性湿疹、哮喘、接触性皮炎等。研究表明，食用富含n-3脂肪酸的鱼类的量与哮喘的发生频数呈负相关[19]，摄入富含n-3 脂肪酸的亚麻籽油可以减轻变态反应性腹泻的程度[20]，来自n-3脂肪酸衍生物二十碳五烯酸(EPA)的脂类代谢产物17,18-环氧-EPA具有很强的抗变态反应作用[20]。

植物乳杆菌可代谢n-6 脂肪酸而产生共轭亚油酸、含氧脂肪酸和羟基脂肪酸。研究发现近端小肠内定植着大量的乳杆菌[21]，而在无菌小鼠的小肠内羟基脂肪酸的含量明显低于无特异病原菌小鼠。一项研究显示，服用合成羟基脂肪酸(10-羟基顺式-12-18碳烯酸)可恢复上皮细胞紧密连接的活性，进而改善炎症性肠病[22]。肠道上皮细胞的屏障功能对于食物变态反应的控制很重要[14]，由乳杆菌代谢产生的10-羟基顺式-12-18碳烯酸可能通过维持肠道上皮细胞的屏障功能而对食物变态反应发挥预防作用。

GPR40和GPR120是常见的LCFAs受体，10-羟基顺式-12-18碳烯酸能上调GPR40的表达，进而通过MEK-ERK通路抑制肿瘤坏死因子受体Ⅱ(tumor necrosis factor receiptor 2，TNFR2)和核转录因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的基因表达[22]，可用于紧密连接障碍相关疾病的治疗，如炎症性肠病。此外，DHA可与巨噬细胞上的GPR40和GPR120结合而改善炎症过程，防止NLRP3炎症体的活化[23]。巨噬细胞上NLRP3炎症体的激活可导致变态反应的加重[24]，这可能对其他变态反应性疾病的调节提供了新的方法。

LCFAs还可通过过氧化物酶体增殖剂激活受体(peroxisome prolierators-activated receptors，PPARs)家族受体来调节免疫反应，对变应性疾病起负调节作用。多形拟杆菌由PPAR-γ介导选择性拮抗的NF-κB的激活，减少IL-8的分泌[25]，继而抑制IL-8介导的支气管变态反应过程中中性粒细胞的浸润[26]。此外，粪肠球菌可致人类肠道上皮PPAR-γ1的激活和IL-10的产生，从而抑制变应性炎症病变[27]。

3 氨基酸

人类有20种必需氨基酸，部分可由共生菌群代谢而产生[28]，其中色氨酸与人体的免疫功能密切相关。色氨酸广泛存在于牛奶、鸡蛋、红肉、蔬菜(如西兰花)中，为肠道菌群提供所需氮源，可被肠道菌群分解为多种吲哚衍生物(吲哚-3-乙醛、吲哚-3-甲醛等)，在介导菌群与宿主的免疫应答中发挥重要作用[29]。

研究发现变态反应性疾病，如变应性哮喘、鼻炎和特应性皮炎的早期阶段均以Th2型免疫反应为主，使得Th2型细胞因子上调，而Th1型细胞因子如干扰素-γ(interferon-γ，IFN-γ)下调。IFN-γ是吲哚胺2,3-双加氧酶-1((indoleamine 2,3-dioxygenase 1， IDO-1)的强诱导剂，IFN-γ的下调使得IDO-1的活性显著降低，引起肠道菌群代谢色氨酸的功能障碍，导致包括阿尔茨海默病(Alzheimer disease，AD)在内的变应性疾病患者血液中色氨酸的质量浓度增高[30]。研究还表明，来自与菌群相关的色氨酸代谢产物参与调节肠道和中枢神经系统的炎症过程和疾病的发展[31-32]。脑脊髓炎动物模型中色氨酸代谢产物减少，添加外源性色氨酸代谢产物吲哚乙醛后炎症评分降低[31]。

吲哚衍生物可作为芳香烃受体(aryl hydro-carbon receptor，AhR)的配体[29]， AhR由配体所激活的、在肠黏膜中发挥核心作用的转录因子[33]。吲哚衍生物可激活AhR从而活化肠道常驻T细胞与先天淋巴样细胞(innate lymphoid cells，ILCs)，调节局部IL-22(一种能增强上皮细胞完整性和抗感染的细胞因子)的生成量，从而平衡共生宿主的黏膜反应[29]。色氨酸及其代谢产物也发挥全身性影响，信号通过星形胶质细胞上的AhR影响Ⅰ型干扰素(interferon-Is，IFN-Is)信号通路，并降低由NF-κB活化引发的炎症，其机制是通过细胞因子信号转导抑制因子2(supressors of cytokine signaling 2，SOCS2)和减少中枢神经系统的自身免疫反应而实现的[31]。研究显示，补充益生菌(例如鼠李糖乳杆菌GG、干酪乳杆菌W56)来增加D-色氨酸代谢能增加肺和肠道Treg 细胞的数量，减少肺部Th2型反应，从而减轻气道变应性炎症和气道的高反应性[34]。

4 维生素

维生素是维持正常细胞功能所必需的有机营养素。人类有13种必需维生素：脂溶性维生素A、D、E、K和水溶性维生素B1、B2、B3、B5、B6、B7、B9、B12和维生素C。共生菌群具有合成维生素的能力，是维生素的重要来源，尤其是B族和K族维生素[35]。

维生素在调节人体的免疫功能方面非常重要。维生素B1是三羧酸循环的一个重要的辅助因子，维生素B1含量的减少可降低肠道派尔集合淋巴结中幼稚B细胞的数量，从而影响肠道免疫功能[36]。维生素B6缺乏可抑制T淋巴细胞的生长、增生和分化，导致IL-2减少，IL-4增加，从而影响宿主的免疫功能[37]。维生素B9对维持Treg细胞的功能非常重要[38]，Treg细胞表达高水平的维生素B9受体(叶酸受体4)，缺乏维生素B9可致从幼稚T细胞分化的Treg细胞死亡，从而引起抗凋亡因子Bcl-2和IL-2的表达下降，继而影响免疫反应过程[38]。

此外，维生素还具有免疫细胞配体的功能，这一作用由主要组织相容性复合体(major histocompatibility complex Ⅰ，MHC Ⅰ)类相关蛋白所介导[39]。MHCⅠ类相关蛋白可与维生素B2(核黄素)前体衍生物结合，特异性激活黏膜相关恒定的T淋巴细胞(macosal-associated invariant T，MAIT)[40]，从而产生IL-17 和IFN-γ并发挥免疫监视作用[39]，此外MAIT细胞还可能参与变应性和炎症性疾病[41]。总之，共生菌和饮食之间的平衡决定了维生素代谢产物的产生，继而影响对免疫反应和变态反应状况的调节。

然而，研究显示孕妇孕期高水平的叶酸和维生素B12与后代特应性皮炎的发病率升高有关[42]，因此，维生素对变应性疾病发挥调节作用的浓度和剂量尚需进一步研究。

5 结语

细菌的代谢产物种类繁多，它们通过多种机制影响机体的免疫应答而参与变态反应性疾病的发生和发展。近年来相关领域的研究正成为热点，但目前研究证据仍然有限，还有待于更加深入的探讨。在对变态反应疾病的治疗前景方面，细菌代谢产物的应用较菌悬液的治疗方法更安全和有效，但是治疗过程中细菌代谢产物的有效浓度和剂量尚未明确，需要进一步探索，为变态反应性疾病的预防和治疗提供新的思路和新的方法。