肠道菌群与儿童食物过敏研究进展

江 沿 詹 学

重庆医科大学附属儿童医院消化科 国家儿童健康与疾病临床医学研究中心 儿童发育疾病研究 教育部重点实验室 儿科学重庆市重点实验室（重庆 400014）

自1990 年代起，随着人们居住环境城市化以及生活方式西方化，儿童食物过敏（food allergy）的发病率大幅上升，并成为全球性的公共卫生问题[1-4]。近年来随着分子生物学技术在细菌群落分析中的应用，越来越多的证据支持肠道菌群在食物过敏发生发展中扮演着重要角色[5-7]。微生物特别是细菌在肠道的早期定植发育对机体免疫系统的平衡至关重要[8]，肠道菌群与宿主之间稳定的微生态环境破坏将导致食物过敏的发生。因此，调节宿主体内肠道菌群平衡，维持宿主与肠道微生物群之间的内环境稳态，对预防或治疗儿童食物过敏起着至关重要的 作用。

1 肠道菌群的建立

虽然目前公认胎儿在母体内是处于无菌环境中，新生儿肠道菌群的定植最初发生在出生时，但有研究发现除感染因素外，一些特定的微生物群也存在于胎盘、胎膜、羊水、脐血和胎粪中，提示肠道菌群的最初定植可能在出生前就已完成[9]。研究显示，生后1 年内，肠道菌群沿着年龄相关的发育进程共同进化，新生儿粪便菌群通常以双歧杆菌科（Bifidobacteriaceae）、肠杆菌科（Enterobacteriaceae）为主，随着年龄的增长，到婴儿期双歧杆菌科和肠杆菌科的丰度减少，而毛螺菌科（Lachnospiraceae）的丰度增加[10]。

肠道菌群的组成一直处于动态变化中，且易受多种因素影响。采用16S rRNA基因测序方法分析分娩方式不同的120名婴儿生后1年内粪便菌群的多样性和组成，以探讨生命早期肠道菌群的组成及其动态改变对婴儿健康的影响，结果发现，剖宫产和阴道分娩婴儿的肠道菌群在生后第1 年有显著差异，特别是在出生后第1 周菌群组成的差异性最大，表现为阴道分娩婴儿大肠杆菌属（Escherichia coli）、双歧杆菌属（Bifidobacterium）富集，肠球菌属（Enterococcus）和克雷伯菌属（Klebsiella）（潜在病原菌）丰度减少。并且阴道分娩婴儿早期肠道菌群的发展更稳定，生后主要以兼性厌氧菌属（Facultative anaerobic genera）如大肠杆菌和葡萄球菌（Staphylococcus）为主，随着时间的推移，逐渐被双歧杆菌属作为优势菌属所取代；而剖宫产婴儿的肠道双歧杆菌（Bifidobacteria）定植明显延迟。说明阴道分娩过程中母体的传播对于婴儿生命早期多种菌群种类的获得至关重要，剖宫产分娩可能导致婴儿肠道菌群建立延迟，增加发生菌群紊乱的风险，而阴道分娩可能为早期肠道菌群发展提供适合的生态空间环境[11]。采用高通量16S rDNA基因测序技术发现，高脂饮食小鼠体内细菌群落α多样性（指单独个体内菌群分类单元多样性）降低，β多样性（指不同个体之间菌群分类单元多样性）增加，梭状芽孢杆菌属（Clostridiales）的瘤胃球菌科（Ruminococcaceae）、变形菌属（Deltaproteobacteria）的脱硫弧菌科（Desulfovibrionaceae）和拟杆菌属（Bacteroidetes）的里研菌科（Rikenellaceae）的丰度显著增加，鼠杆菌科（Muribaculaceae）和普氏菌科（Prevotellaceae）的丰度减少[12]。

除上述分娩方式及饮食外，现代生活方式的多种因素均会引发肠道共生菌群的变化[9,13-14]，如从农村向城市或郊区生活过渡、抗生素使用、疫苗接种、母乳或配方奶喂养、日常婴儿护理、多个兄弟姐妹、家有宠物等。

2 食物过敏与肠道菌群的变化

新近研究证实，肠道菌群的组成及结构改变与食物过敏存在因果关系。瑞典一项前瞻性研究采用16 S rRNA 基因测序随访93 名儿童从婴儿期（4、6、13 月龄）到学龄期（8 岁）肠道菌群的变化，与非过敏儿童相比，过敏性疾病儿童肠道内瘤胃球菌属（Ruminococcus）暂时性低表达（在6 月龄时减少，之后呈时间依赖性增加），拟杆菌属、普氏菌属（Prevotella）以及粪球菌属（Coprococcus）持续性低表达，8 岁时过敏儿童肠道菌群中双歧杆菌富集，其中以青年双歧杆菌（Bifidobacterium adolescentis）富集最明显，而乳杆菌（Lactobacillus）、肠球菌（Enterococcus）和毛螺菌（Lachnospira）减少[5]。在美国一项出生队列前瞻性研究中，以16 S rRNA 测序法分析216 名儿童3～6 月龄粪便菌群，并在3 岁时检测牛奶、鸡蛋、花生、大豆、小麦和核桃血清特异性IgE（sIgE），结果发现，食物致敏或过敏反应儿童肠道菌群种类及多样性与正常儿童相比显著减少，嗜血杆菌属（Haemophilus）、枸橼酸杆菌属（Citrobacter）、Dialister菌属（厚壁菌门,Firmicutes）、Dorea菌属、梭菌属（Clostridium）、颤螺旋菌属（Oscillospira）及乳球菌属（Lactococcus）丰度明显减 少[6]。新加坡的研究亦有相似发现，过敏婴儿在3月龄时菌群丰度显著降低，而非过敏婴儿放线菌门（Actinobacteria）和疣微菌门（Verrucomicrobia），比如阿克曼菌（Akkermansia）丰度明显高于过敏婴儿，以共生菌属双歧杆菌的丰度最高，占总菌属数的28.84%；早期克雷伯菌属/双歧杆菌属丰度比值升高与儿童后期发生过敏反应的潜在风险增加有关，与低丰度比值婴儿在18月龄、3岁时发生过敏的概率分别增加6倍、9倍[15]。

但与之相反，也有研究通过16 S rRNA 基因测序分析发现牛奶蛋白过敏婴儿粪便细菌多样性显著增加，毛螺菌科丰度增加，双歧杆菌属丰度降低；进一步通过菌群移植实验在小鼠模型中证实双歧杆菌/毛螺菌科比值降低，促使小鼠免疫系统向Th2方向发展，进一步加重过敏临床反应[16]。

上述多项研究证实食物过敏儿童与非过敏儿童体内肠道菌群存在明显差异，并从时间相关性上表明机体内菌群的改变较食物过敏反应发生早，存在相关因果关系。儿童早期肠道菌群平衡的破坏可增加生命后期发生食物过敏的潜在风险，为研究以肠道微生物群为靶点早期预防或治疗食物过敏反应提供科学理论依据。

3 肠道菌群促进免疫耐受形成

宿主胃肠道局部的免疫系统（即肠黏膜相关淋巴组织）对无害的蛋白抗原无反应的状态称为口服免疫耐受[17]。口服耐受机制被破坏会导致食物过敏发生。胃肠道内影响免疫耐受的两个主要因素为饮食及肠道微生物群[18]。小鼠模型证实，正常生理情况下食物中的大分子成分可诱导小肠固有层调节性T 细胞（regulatory T cell，Treg）的大量发育，进而抑制机体对无害食物抗原的免疫反应[18]。另外，生命早期引入固体食物，对食物抗原免疫耐受的建立也起到重要作用[18-20]。一项随机对照试验证实，对于患有严重湿疹、鸡蛋过敏或两者兼而有之的高危婴儿（640名）在早期饮食中引入花生可使婴儿5岁前花生过敏发生率明显降低[19]。肠道菌群与固有免疫细胞和功能性上皮屏障的相互作用，对建立和维持机体口服耐受至关重要。

3.1 调节免疫平衡

肠道微生物群参与调节机体生理的多种方面，微生物群的改变可能对机体免疫调节产生长期影响[21]。口服免疫耐受的诱导需要CX 3 CR 1+单核巨噬细胞（CX 3 CR 1+mononuclear phagocytes，CX 3 CR 1+MNPs）的抗原提呈作用及IL-10的生成[22]。研究发现，肠道菌群在CX 3 CR 1+MNPs调节肠道T细胞反应中起到关键作用，正常肠道菌群促进CX 3 CR 1+MNPs产生IL-10，调节Th 1/Treg、Th 17/Treg平衡，抑制促炎性Th 1和Th 17细胞扩增，促进抗炎性Treg细胞分化，以维持肠道内环境稳态，减轻肠道炎症；同时CX 3CR 1+MNPs效应细胞因子IL-10 的产生也需要细菌上皮的附着作用，肠道菌群的上皮黏附性是产生机体抗炎作用的关键，肠道菌群附着于肠上皮细胞，进一步激活CX 3 CR 1+MNPs中的抗炎信号，以抑制机体炎症反应及病理损伤[22]。

此外，肠道菌群还可通过激活MyD 88 通路促进Treg 细胞表达核激素受体RORγt，抑制机体免疫反应，食物过敏婴儿和小鼠体内发生菌群失调导致菌群调节功能受损，缺乏表达Myd 88或Rorc mRNA（编码RORγt）的Treg细胞，过度表达转录因子GATA-3及其他Th 2相关细胞因子，促使Th 2相关的免疫损伤，破坏黏膜表面免疫平衡[23-24]。

3.2 维持肠黏膜屏障功能

肠道黏膜屏障由黏膜上皮细胞、细胞间的紧密连接等构成，正常肠道菌群对维持和增强肠黏膜屏障功能起着重要作用。例如梭状菌属通过刺激正常人的3型固有淋巴细胞（type 3 innate lymphoid cells，ILC 3）生成IL-22（原名IL-10相关T 细胞衍生诱导因子，属IL-10家族糖蛋白），IL-22通过介导肠上皮细胞再生，并诱导潘氏细胞产生抗菌肽、杯状细胞产生黏液，增强物理屏障功能，降低肠道通透性，维持上皮屏障的完整性和减少机体对过敏原的暴露[25-26]。健康小鼠模型证实，粪厌氧拟杆菌（Anaerostipes caccae）可调节回肠上皮细胞的转录基因表达[27]，将其单定植无菌小鼠后发现，小鼠血清中β-乳球蛋白sIgE、IgG1、小鼠肥大细胞蛋白酶-1（mMCPT-1）和IL-13、IL-14 等细胞因子水平下降，小鼠对牛奶蛋白的反应性明显降低，说明粪厌氧拟杆菌可促进机体免疫耐受形成，与预防牛奶蛋白过敏的发生相关。

短链脂肪酸（short-chain fatty acids，SCFAs）是由肠道共生菌发酵纤维而产生的代谢产物，其中乙酸盐最多，其次为丙酸盐和丁酸盐。SCFAs 主要促进肠道内稳态，也维持肠道屏障功能[28]。丁酸盐可激活结肠上皮细胞的PPAR-γ 信号通路[29]，促使结肠上皮细胞β-氧化获得能量，丁酸盐消耗大量氧，使上皮细胞处于缺氧状态，另外，维持结肠上皮细胞内的缺氧厌氧状态，促使肠道菌群以产SCFAs的专性厌氧菌为优势菌群，形成良性循环，维持肠道内环境稳态。此外，SCFAs 可借G 蛋白偶联受体GPR 43 信号转导介导的方式增加上皮黏膜屏障功能，促进IgA 生成，增强滤泡辅助T细胞和黏膜生发中心的反应[30]。

4 益生菌的应用

大量临床和流行病学研究表明，早期肠道菌群的异常发育与儿童食物过敏相关临床表现的发展存在关联。此外，研究发现早期过敏发生也与后期儿童哮喘的发生有关，新生儿肠道菌群可通过调节肠道微环境影响CD4+T细胞数量和功能，从而影响儿童发生过敏性哮喘的易感性[10]。因此，通过早期干预来调节宿主肠道微生物菌群平衡，恢复宿主与肠道微生物之间的稳态成为治疗儿童食物过敏的一个新方向。

在卵清蛋白（ovalbumin，OVA）诱导过敏小鼠模型中发现，益生菌复合物可明显抑制OVA口服激发的过敏反应、降低小鼠直肠温度、改善腹泻症状。进一步分析证实，益生菌复合物可通过调节Th1/Th2平衡，抑制OVA 致敏小鼠IgE、Th 2 细胞因子（IL-4、IL-5、IL-10、IL-13）和Th 17 细胞因子（IL-17）的分泌，诱导Th 1相关细胞因子（IFN-γ、IL-12）、TGF-β以及 CD 4+Foxp3+Tregs的生成，说明益生菌参与调节机体免疫平衡，可以减轻过敏相关炎症反应[31]。

除此之外，益生菌还可促进机体免疫耐受的获 得[32]。过敏小鼠模型证实，鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus rhamnosusGG,LGG）配合深度水解配方喂养可加快诱导口服耐受的建立，抑制血清sIgE 的增加，显著降低小鼠皮肤过敏反应[33]。在对220名牛奶蛋白过敏儿童的随机对照研究中，与单用深度水解配方喂养儿童相比，鼠李糖杆菌配合深度水解配方可加速牛奶蛋白耐受性的获得，并降低其他过敏反应（湿疹、荨麻疹、哮喘或鼻结膜炎）的发生风险[34]。英国研究者建议用鼠李糖杆菌配合深度水解蛋白配方代替单用深度水解蛋白配方作为IgE介导的牛奶蛋白过敏婴儿的一线饮食管理，以改善过敏患儿的预后，减少医疗资源的消耗及国家卫生服务中心患者管理成本，从而为牛奶蛋白过敏治疗提供经济、有效的饮食策略[35]。

综上，生命早期肠道菌群的变化与儿童食物过敏的发生关系密切，菌群多样性的改变及特定菌群组成平衡的紊乱可能会影响宿主免疫系统的成熟，增加宿主对过敏反应的易感性。益生菌可作为微生态制剂调节宿主肠道菌群平衡，但其确切作用机制、具体菌种的选择以及使用疗程和时机尚有待进一步探索。目前仍需大量实验室及临床试验来进一步确定如何有效稳定地建立肠道菌群来预防或治疗食物过敏。